显微镜发展史

一滴水中的世界—显微镜的发展历程及趋势

摘要：本文主要介绍了从古至今显微镜的发展历程，以及各类显微镜的特点以及研究领域，特别是对于显微镜的优缺点进行了对比分析，最后就目前显微镜的发展状况以及将来的发展局势，结合实际特点的情况下提出了一些较为可行的设想，文章主要采取了文献研究的方法。关键词：光学显微镜人机交互隧道扫描

一、显微镜的发展历程

一花一世界，一叶一菩提。即是再微小的事物也有其内部的一片天地。从三千大千世界到微观原子。许久以前，我们的祖先已然展现了对微观世界不断探究的萌动。从西方先哲到中方佛陀，从球面放大规律，到隧道扫描的精妙。人类对微观世界的不懈探究造就了一代又一代革命性的研究成果，无论是细胞学说的建立，DNA双螺旋横空出世，还是如今原子级别的探究，显微镜正以其先驱者的形象不断开拓着人类的视野，架起了宏观到微观的桥梁。

就其历史而言，最早的显微镜是16世纪末期在荷兰制造出来的。发明者可能是一个叫做札恰里亚斯·詹森的荷兰眼镜商。1590年，在天朗气清的清晨，享受玩乐的詹森恰好将两片凸玻璃片装到一个金属管子里，无意间发现通过这个管子看到的事物要比平时大很多，于是他将这个消息告诉了他的父亲，不过由于当时纯粹是好玩，并没有将之运用到科学领域。再加上其放大倍数不高，被称作“跳蚤镜”。紧接着德国天文学家开普勒提出了复合式显微镜的制作方法，但并没有付诸实践。后来的意大利科学家伽利略。1610年前后，他通过显微镜对于一种昆虫的复眼进行了描述。1665 年，胡克制作了当时最为先进的显微，他用一个半球形单透镜作为物镜，一个平凸透镜作为目镜。镜筒是完全可以拉伸的，整个长度达到了6英寸。镜底有一个带有球形聚光器的照明灯，可以在昏暗条件下仍旧进行观测，已经初具现代显微镜的形态。荷兰亚麻织品商人安东尼·凡·列文虎克通过自己亲手磨制的透镜观察到了很多前所未见的微小生物。1673 ～1677 年期间，列文胡克制成单组元放大镜式的高倍显微镜，其中九台保存至今。九年后，他成为首位发现“细菌”的人。之后的布朗，施莱登和施旺，寇利克等人都借助于显微镜在细胞学说方面取得了丰硕的研究成果。不久以后，恩斯特·卡尔·阿贝以显微镜为中心，提出两个重要理论：①几何光学中的正弦条件，确定

了可见光波段上显微镜分辨本领的极限，为迄今光学设计的基本依据之一；②波动光学中的两步成像理论——阿贝成像原理（A.B.波特1906年以实验证明了这个理论。它成为近年以激光为实验条件的光学变换基本理论之一）。在其他光学领域上也颇有建树，他在1867年制成测焦计，1869年制成阿贝折射计及分光仪。1870年后又制成数值孔径计、高度计和比长仪等。1879年与O.肖托合作，研制成可用于整个可见光区的复消色差镜头，为光学发展做出非常巨大的贡献。1886年卡尔•蔡司打破一般可见光理论上的极限，他的发明--阿比式及其它一系列的镜头为显微学者打开一扇新的光学大门。1930年，莱比戴卫设计并搭配第一架干涉显微镜。1926年汉斯·布什研制了第一个磁力电子透镜。1931年厄恩斯特·卢斯卡和马克斯·克诺尔研制了第一台透视电子显微镜。1938年他在西门子公司研制了第一台商业电子显微镜。1934年锇酸被提议用来加强图像的对比度。1937年第一台扫描透射电子显微镜推出。另外由卓尼柯在1932年发明出相位差显微镜，进一步发展了传统显微镜的广延性。1952年，诺马斯基发明干涉相位差光学系统。此项发明不仅享有专利权并以发明者本人命名之。1981年，艾伦及艾纽，增强了光学原理的影像，进一步推动的光学显微镜的发展。之后由格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明扫描隧道显微镜，打开了原子世界的大门。在其之后还发展了原子力显微镜（一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器）。

简单来说，显微镜主要分为光学显微镜和电子显微镜，而光学显微镜又分为暗视野显微镜（无需透明光即可观察物体），相位差显微镜（运用相位差法检测物体），视频显微镜（运用CMOS镜头技术通过PC机的屏幕显示出来。荧光显微镜（由于在特定光波长下才能正常工作，故常常用来选择特殊光波），偏光显微镜（用于观察双折射物质，将普通光改为偏振光），超声波显微镜（能够精确的反映出声波和微小样品的弹性介质之间的相互作用，并对从样品内部反馈回来的信号进行分析），解剖显微镜（可以具体显示物体的三维立体图像，应用在医疗领域比较多），共聚焦显微镜（通过移动透镜系统可以对一个半透明的物体进行三维扫描），金相显微镜（摄取金相图谱，并对图谱进行测量分析），生物显微镜（观察生物切片、生物细胞、细菌以及活体组织培养、流质沉淀等的观察和研究，同时可以观察其他透明或者半透明物体以及粉末、细小颗）。而电子显微镜只不

过是把普通光学显微镜需要的光源改为电子束，从而得到大得多的放大倍数。通常的光学显微镜多是通过凸透镜多次的放大形成图像，其他的大多从这个原理出发加以改进。

二、显微镜的发展趋势

首先从发展方向来说，电子显微镜和光学显微镜的是不同的，一方面由于光学显微镜本身放大倍数是不可能赶上电子显微镜的。因此其必须在人机互动方面做文章，而电子显微镜由于本身的研究特殊性，为了更好的服务于最前沿的科学，解决理论物理以及分子生物学的观测问题，必须要在观测尺度上有所提高。考虑到如今即使是隧道显微镜也只不过能观测到原子级别，要知道原子内部的质子中子电子比起原子大小来不知道差了多少个数量级，而诸如“上帝粒子”等微观粒子的自旋情况要想观测就更加困难了。对于电子显微镜，其能在原子--纳米尺度上对材料的原子排列和种类进行综合分析完全得益于其场发射枪透射电镜能够提供高亮度、高相干性的电子光源。然而。传统的的热钨灯丝电子枪扫描电子显微镜，分辨率最高只能达到 3.0nm；而近几年来诞生了一个又一个更为先进场发射枪扫描电子显微镜，分辨率甚至已经达到了0.1nm。若要全面提高电子显微镜的分辨率，球差以及色差是起决定性作用的，球差是由于电境中心对于电子汇聚能力的不同。而色差指的是成像过程由于光线不均所导致的光晕光斑现象，这两者都极大影响着观测的效果，因此倘若能够通过球差修正器以及色差修正器的共同作用，势必能够很好地改善电镜的性能。过去的常规的透射电镜的球差系数Cs约为mm级，色差系数约为0.7；现在的透射电镜的球差系数已降低到Cs<0.05mm，而色差系数已减小到0.1。利用单色器，能量分辨率将小于0.1eV. 但倘若采用了单色器，很可能大幅度削弱原来电子束的能量规模，极端情况下甚至是十分之一不到，这点是设计过程中需要考虑的。在生物研究方面，目前主要着重在病毒的三维结构以及蛋白质膜的生长。新一代生物显微镜主要是研讨利用低温电子显微镜（其中还包括了液氦冷台低温电镜的应用）和计算机三维像重构技术重构生物大分子的三维机构，从而解决诸如端粒酶的生长变化等前沿问题。在理论物理方面，能够观测单个原子像一直是科学家追求的目标，一方面由于当