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体视显微镜的历史

19 世纪现代显微镜制造技术的突破

[Translate to chinese:] A portion of an early binocular microscope developed by John Leonhard Riddel in the early 1850s. Early_binocular_microscope_by_John_Leonhard_Riddel_teaser.jpg

本文概述了从 1600 年至今体视显微镜的发展和演变。直到 19 世纪中叶，所有光学显微镜都是手工制作的。由于无法准确预测透镜的特性，因此必须通过反复试验来制作和测试透镜，直到达到理想的效果。恩斯特-阿贝（Ernst Abbe）提出的图像形成理论最终为可靠、高效地设计和制造高性能体视显微镜提供了科学依据。

显微镜的改进带来医学上的突破性发现

显微镜的设计标准逐渐形成，在工业化大规模生产的早期，许多光学仪器制造商都采用了这些标准（参见图 1）。显微镜设计的进步使植物学、组织学、细胞学、细菌学和医学领域的突破性发现成为可能，例如罗伯特-科赫[1]和鲁道夫-维尔肖[2]的医学进步。与此同时，用于标本固定、包埋和切片（如使用显微切片机）的合适方法以及专用染色剂和防腐剂也应运而生。

1883 年左右由德国韦茨拉尔的恩斯特-莱茨制造的标准显微镜，具有当时的典型特征
图 1：1883 年左右由德国韦茨拉尔的恩斯特-莱茨制造的标准显微镜，具有当时的典型特征：马蹄形支架和带有纤维素漆面的发黑黄铜部件。当时，所有显微镜制造商的产品线中都至少有一个马蹄形支架。黄铜取代了早期显微镜的纸板、木材和象牙。最近，各种塑料也被广泛使用。

一位僧侣设计了第一台体视显微镜

真正的体视显微镜允许观察者的每只眼睛通过单独的专用光路观察样品，类似于将两台单目显微镜合二为一。在开发单目望远镜和显微镜的同时，17 世纪人们已经开始设计双眼仪器。受 1645 年卡普钦修道士安东尼-玛丽亚-德-莱塔对双目显微镜描述的启发，他的同修道士 Chérubin d'Orléans 于 1677 年将人们熟悉的双目望远镜原理应用到显微镜的设计中，使双眼可以同时观察微小物体（参见图 2）。他的目标并不是三维图像或深度知觉；他认为双眼同时观察物体可以提高图像质量。英国物理学家查尔斯-惠斯通（Charles Wheatstone）于 1832 年首次描述了立体视觉的原理，但当时人们还不知道立体视觉的原理。

1671 年左右由 Chérubin d'Orléans 研发的双目显微镜。它由两台完整的单目显微镜组成，每只眼睛一台。
图 2：1671 年左右由 Chérubin d'Orléans 研发的双目显微镜。它由两台完整的单目显微镜组成，每只眼睛一台[3]。

1853 年，约翰-莱昂哈德-里德尔（John Leonhard Riddel），一位化学教授和新奥尔良的邮政局长，提出了一种带有单物镜和棱镜系统的双目显微镜（参见图 3）。图像是三维的，但令人困惑，因为浮雕看起来是相反的（假视）。

约翰-莱昂哈德-里德尔于 1853 年左右开发的双目显微镜
图 3：约翰-莱昂哈德-里德尔于 1853 年左右开发的双目显微镜 [4]。

格林诺夫和回旋光学原理

当时的双目显微镜采用简单的透镜系统，设计与传统的复式显微镜相同。这些显微镜只能达到较低的放大倍率，而且工作距离较远。这种解剖显微镜当时主要用于生物学中的解剖目的，在当时并没有技术应用。

1890 年左右，美国生物学家和动物学家 Horatio S. Greenough（他是美国著名同名雕塑家的儿子，见图 4）提出了一种设计原理，至今仍被所有主要光学仪器制造商所采用。基于 "格林诺夫原理 "的体视显微镜（参见图 5）可以提供真正的高质量立体图像。

1957 年，美国光学公司推出了具有共享主物镜的现代体视显微镜设计，并将其命名为 Cycloptic（参见图 6）。其现代化的铝制外壳包含两个平行光束通道和主物镜，以及一个五级放大倍率转换器。这种体视显微镜基于望远镜或 CMO（共用主物镜）原理（见图 7），除格林诺夫型外，所有制造商都采用了这种体视显微镜，并将其用于模块化高性能仪器。两年后，另一家美国公司博士伦推出了其体视变焦格林诺夫设计，并进行了突破性的创新：无级放大倍率转换器（变焦）。

Horatio S. Greenough 的父亲是著名雕塑家 Horatio Greenough。
图 4：Horatio S. Greenough 的父亲是著名雕塑家 Horatio Greenough。大约在 1832 至 1841 年间，他根据美国国会的命令，为美国首任总统乔治-华盛顿创作了一座巨型雕像。这座新古典主义雕塑引发了一场关于将华盛顿描绘成美国宙斯是否合适的激烈争论[5]。
格林诺夫原理：两个完全相同的独立光学系统以10°至16°的角度固定在同一个支架上。光束路径上的两个图像校正棱镜（多孔棱镜）可确保图像直立且方向正确。
图 5：格林诺夫原理：两个完全相同的独立光学系统以10°至16°的角度固定在同一个支架上。光束路径上的两个图像校正棱镜（多孔棱镜）可确保图像直立且方向正确。
一台Cycloptic显微镜，第一台基于望远镜或共同主物镜 (CMO) 原理的现代体视显微镜。
图 6：一台Cycloptic显微镜，第一台基于望远镜或共同主物镜 (CMO) 原理的现代体视显微镜。
望远镜或 CMO 原理：光学系统由两条平行光束路径和一个共用主物镜组成，因此被称为 CMO（共用主物镜）系统。这种类型的体视显微镜有一个可拆卸的观察管，并且在观察管透镜区域有通用的定制选项。
图 7：望远镜或 CMO 原理：光学系统由两条平行光束路径和一个共用主物镜组成，因此被称为 CMO（共用主物镜）系统。这种类型的体视显微镜有一个可拆卸的观察管，并且在观察管透镜区域有通用的定制选项。

当今的体视显微镜

虽然基本的体视显微镜已经存在了很长时间，但最近它的作用更加重要。显微镜经常参与许多日常产品的制造或开发，尤其是涉及移动设备等高科技应用的产品。同样的道理也适用于手表，无论它们是豪华型还是经济型。体视显微镜还用于医疗技术产品，如人工心脏、除颤器或支架。

不过，体视显微镜的用途并不局限于制造业。此外，体视显微镜还经常用于其他应用领域，如法医领域，用于收集微观层面的证据，如用于给罪犯定罪的小颗粒材料或纺织纤维，以及用于生命科学和材料科学研究。

参考文献

  1. Robert Koch was a main pioneer in the fields of medical microbiology and bacteriology, discovered the bacteria anthrax bacillus, tuberculosis bacillus, and cholera bacillus, and was awarded the Nobel Prize for Medicine and Physiology in 1905.
  2. Rudolf Virchow was a main pioneer in the fields of cytopathology (study of disease at the cellular level), comparative pathology (study of diseases common to humans and animals), anthropology (study of humanity), and ethnology (anthropology focusing on cultures). He proposed the third dictum of cell theory: "Omnis cellula e cellula” (All cells come from cells).
  3. W.B. Carpenter, W.H. Dallinger, The Principles and Theory of Vision with the Compound Microscope, Ch. II in The Microscope and Its Revelations, 8th Ed. (P. Blakiston's Son & Co, Philadelphia, 1901) fig. 71, p. 96.
  4. W.B. Carpenter, W.H. Dallinger, The History and Development of the Microscope, Ch. III in The Microscope and Its Revelations, 8th Ed. (P. Blakiston's Son & Co, Philadelphia, 1901) fig. 98, p. 131.
  5. Frances Benjamin Johnston Photograph Collection, USA Library of Congress, Prints & Photographs Division, Reproduction number LC-DIG-ppmsc-04904.

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