自人类产生智慧以来,便从未停止探索未知的脚步。抬头仰望星空,望远镜的问世让我们看得更远;低头凝视万物,显微镜的诞生给人类打开了微观世界的大门。
显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器,主要用于放大微小物体,使其能被人的肉眼看到。
那么显微镜是如何成像的呢?
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显微镜是如何成像的?
显微镜分为光学显微镜和电子显微镜,两者的成像原理不同:
>>>>光学显微镜
光学显微镜主要由目镜、物镜、载物台和反光镜组成。其中目镜和物镜都是凸透镜,二者的焦距不同,物镜的凸透镜焦距小于目镜的凸透镜的焦距。
我们可以把物镜看作投影仪的镜头,物体通过物镜形成倒立、放大的实像。目镜则相当于普通的放大镜,该实像又通过目镜形成正立、放大的虚像。
所以,经显微镜放大后,人眼看到的是物体倒立、放大的虚像。反光镜则用来反射光线从而照亮被观察的物体。反光镜通常有平面镜和凹面镜两个反射面,其中平面镜在光线较强时使用,凹面镜在光线较弱时使用。
>>>>电子显微镜
电子显微镜的成像方式是根据电子光学原理,用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜,使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。
透射电镜通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源,热阴极发射的电子,在阳极加速电压的作用下,高速地穿过阳极孔,然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。
透过样品的电子束强度,经过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅反映这些信息的透射电子像,经过中间镜和投影镜进一步放大。
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显微镜的发展史
显微镜的发展史可以说关联着人类探究微观世界的进程。
>>>>放大镜
显微镜的前身是放大镜,早在一千多年前,人们已把透明的水晶或宝石磨成“透镜”,这些透镜可放大影像。
放大镜也称为凸透镜,使用放大镜,令其紧近眼睛,并把物放在它的焦点以内,成一正立放大的虚像。据说,放大镜的应用是由13世纪英国的一位主教格罗斯泰斯特提出的。
>>>>世界上第一台显微镜
1590年,荷兰眼镜工匠Zaccharias Janssen和他的父亲Hans发明了第一台显微镜,他们把一些镜片放到圆形管里, 靠近管子底部的物体得到了放大,而且要比任何单放大镜片的放大倍率要高很多。
早期的显微镜只有一个功能:放大,倍率大概在6倍到10倍。 当时人们非常乐于拿它来观察跳蚤和其他的小昆虫,因此早期的放大镜也叫做“跳蚤镜”。
>>>>复合式显微镜
1611年,Kepler(克卜勒)制作了复合式显微镜。这架显微镜的放大倍数也不高,约10~30倍。但这一成就成为技术史上把光学放大装置提高到显微镜水平的标志。
>>>>显微镜放大倍数的增加
1665年,英国科学家R.Hooke制作了第一架有科学研究使用价值的显微镜,它的放大倍数为40~140倍。R.Hooke用这架显微镜发现了细胞,其实,“细胞”一词的由来便是R.Hooke用复合式显微镜观察软木木栓组织上的微小气孔而得来的。
1674年,A·V·Leeuwenhoek利用自制的显微镜发现了前人所未曾见到过的一些活细胞,人类自此开始了对原生动物学的研究。九年后A·V·Leeuwenhoek又成为首位发现“细菌”的人。
他一生亲手磨制了550个透镜,装配了247架显微镜,至今保存下来的还有9架。A·V·Leeuwenhoek使用的显微镜放大倍数为500倍,分辨率可达到1.0 μm。
>>>>显微镜镜头大发展
1886年,Zeiss(蔡司)打破一般可见光理论上的极限,其发明的阿比式及其他一系列的镜头为显微学开启了新的天地。
我们熟知的蔡司镜头便始于之后的1890年,作为150年传统的镜头企业,在医学系列、双眼镜、相机镜头、扩大镜、眼镜、天象仪等光学设备领域里声名远播。
>>>>第一架干涉显微镜
1930年,Lebedeff(莱比戴卫)研制了第一架干涉显微镜。Zernicke(卓尼柯)在1932年发明出相位差显微镜,两人将传统光学显微镜延伸发展出相位差观察法。这一观察方法使生物学家得以观察染色活细胞上的种种细节。
>>>>扫描显微镜
1981年,Allen and Inoue(艾伦及艾纽)将光学显微原理上的影像增强对比,至此,人们认为显微镜的发展已趋于完美。
1988年,Confocal(共轭焦)将扫描显微镜推向了市场。
>>>>超分辨荧光显微镜
2014年,美国霍华德休斯医学研究所的Eric Betzig,德国Max Planck生物物理化学研究院的Stefan W. Hell和美国斯坦福大学的William E. Moerner研发的超分辨荧光显微镜摘得了该年度的诺贝尔奖。
传统光学显微镜的最大分辨率长期以来难以突破0.2微米的物理限制,而超分辨率荧光显微镜绕过了这一限制,使得光学显微镜能一窥纳米世界的奥妙,从此荧光显微镜进入到一个更深层次领域!
只要人类探索世界的脚步不停,那么作为工具的显微镜便仍有进步的空间! 未来的显微技术究竟会达到怎样一个高度呢,让我们共同期待吧!