古老的發(fā)展歷程

從遠(yuǎn)古時(shí)代，人們就渴望看到更多肉眼看不到的事物。 盡管沒(méi)有人知道是誰(shuí)第一次使用透鏡來(lái)觀察事物，大多數(shù)認(rèn)為透鏡的使用肯定是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展起來(lái)以后才發(fā)生的。然而，令人驚訝的是，2000多年以前就有人曾經(jīng)用玻璃來(lái)折射光的角度。 公元前2世紀(jì)，克勞迪思·托勒密發(fā)現(xiàn)一根木棍放在水里會(huì)變彎，并且非常精確地記判斷它的“彎曲”角度不會(huì)超過(guò)0.5度。 然后，他又計(jì)算出了光在水中的折射常數(shù)。 

公元1世紀(jì)，人們發(fā)明了玻璃，羅馬人透過(guò)它觀察事物和做各種測(cè)試。 他們用各種形狀的透明玻璃來(lái)做實(shí)驗(yàn)，其中就有邊緣薄、中間厚的玻璃。 他們發(fā)現(xiàn)，如果你把“鏡片“放在物體上，物體會(huì)看起來(lái)變大了。 這些所謂的鏡片其實(shí)并不是現(xiàn)代意義上的鏡片，應(yīng)該叫放大鏡，或者凸透鏡。 ”透鏡“這個(gè)詞是從拉丁語(yǔ)詞匯”Lentil“演化過(guò)來(lái)的，因?yàn)樗鼈兊男螤罘浅ｎ愃朴诩t扁豆。 

與此同時(shí)，塞內(nèi)卡認(rèn)為是水珠的圓球狀特性造成了放大效果。 ”不清楚或微小的字在裝滿水的圓玻璃球下，可以被放大、變得清楚。“ 制造13世紀(jì)，鏡片才開始被廣泛使用，那時(shí)的眼鏡商通過(guò)磨玻璃的形式來(lái)制造鏡片。 后來(lái)考古發(fā)現(xiàn)，大約在1600年，人們通過(guò)疊加鏡片的形式來(lái)制造光學(xué)設(shè)備。

第一臺(tái)顯微鏡

大概在1590年，兩個(gè)荷蘭眼鏡工匠Zaccharias Janssen和他的父親Hans開始嘗試用鏡片。 他們把一些鏡片放到圓形管里，然后一項(xiàng)重要的發(fā)現(xiàn)就誕生了。 靠近管子底部的物體得到了放大，而且要比任何單放大鏡片的放大倍率要高很多。很大程度上，他們的第一臺(tái)顯微鏡可被認(rèn)為是一種創(chuàng)新，尚不能作為科學(xué)儀器使用，因?yàn)榉糯蟊堵蕛H有9倍，而且圖像有些模糊。 盡管沒(méi)有一臺(tái)Jansen制造的顯微鏡流傳于世，荷蘭皇室用3個(gè)滑管制造出一臺(tái)設(shè)備，全部展開有10英寸長(zhǎng)，直徑為2英寸。 這臺(tái)顯微鏡的放大倍率范圍為3到9倍。

世界上第一臺(tái)真正意義上的顯微鏡出現(xiàn)在17世紀(jì)晚期，發(fā)明者是荷蘭的布匹商人、顯微鏡的先驅(qū)人物，列文虎克。

他自己磨制出了簡(jiǎn)易的顯微鏡，只有一個(gè)鏡片，可以用手拿著進(jìn)行觀察。 通過(guò)創(chuàng)新型方式磨制精品，列文虎克比同時(shí)代的人取得了更大的成就。他把一個(gè)小玻璃球磨制成了鏡片，放大倍數(shù)竟然達(dá)到了720倍。要知道，當(dāng)時(shí)其他顯微鏡的放大倍數(shù)最高僅有50倍。 他用這個(gè)鏡片做成了世界上第一臺(tái)實(shí)用顯微鏡。

列文虎克把一個(gè)凸鏡，用螺絲釘連接到一個(gè)金屬固定器上，于是他的顯微鏡就做成了。 列文虎克帶著他獨(dú)創(chuàng)的顯微鏡開始進(jìn)入科學(xué)界，因?yàn)樗吹搅藙e人在此之前從來(lái)都看不到的東西。 在顯微鏡下，他看到了細(xì)菌、酵母、血液細(xì)胞和很多水中微小的浮游生物。 人們從來(lái)沒(méi)有意識(shí)到顯微鏡的放大功能也許可以發(fā)現(xiàn)事物的結(jié)構(gòu)，也許所有生命都是很多非常細(xì)小的東西組成的。在此之前，從來(lái)沒(méi)有人會(huì)想到這一點(diǎn)。

復(fù)式顯微鏡

為了提高單鏡片顯微鏡的能力，必須要縮短焦距。 然而，縮短焦距必須要縮短鏡片直徑，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，鏡片將變得很難看清。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，17世紀(jì)左右，人們發(fā)明了復(fù)式顯微鏡。 這種顯微鏡使用了不止一個(gè)鏡片，因此一個(gè)鏡片下的圖像可以接著被另一個(gè)鏡片放大。

從根本上來(lái)說(shuō)，今天“顯微鏡”這個(gè)詞在過(guò)去指的就是復(fù)式顯微鏡。 復(fù)式顯微鏡里，緊貼著物體的鏡片叫做“物鏡”，緊貼著眼睛的就叫做“目鏡”。

任何顯微鏡的功能都是為了增強(qiáng)分辨率。 顯微鏡用來(lái)放大物體的形狀，因此我們可以用來(lái)觀察那些肉眼看不到的事物。 正因如此，人們常常搞不清分辨率與放大倍率的區(qū)別。“放大倍率”其實(shí)指的是圖像的尺寸。 一般，放大倍率越大，分辨率就越高，但是特殊情況下則不然。 鏡片設(shè)計(jì)有很多局限性，有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致放大倍率增大了，分辨率卻沒(méi)有提高。 在放大倍率和分辨率之間難以兼得的原因，在于人眼看待這兩種物體的能力有限。

英國(guó)人羅伯特虎克用顯微鏡發(fā)現(xiàn)了所有生命的基本組成部分：細(xì)胞，從而被公認(rèn)為是顯微鏡歷史上最重要的事件， 17世紀(jì)中期，虎克在研究軟木塞的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這使他想起了修道院里叫“cells”的小房間。 虎克也被認(rèn)為是第一個(gè)使用三鏡片的人，到現(xiàn)在顯微鏡仍然有采用三鏡片設(shè)計(jì)。

后續(xù)發(fā)展

在顯微鏡早期，由于玻璃的質(zhì)量較低，鏡片的形狀也有很多瑕疵，所以人們用顯微鏡看到的物體形狀比較歪曲。 直到19世紀(jì)中期，顯微鏡技術(shù)得到跳躍性的提升，逐漸有了現(xiàn)代顯微鏡的特性。 德國(guó)蔡司和一家查爾斯斯賓塞創(chuàng)辦的公司開始生產(chǎn)高質(zhì)量的光學(xué)設(shè)備。 我們還應(yīng)該提到Ernst Abbe，是他開始了光學(xué)定律的理論研究；還有Otto Schott，對(duì)光學(xué)玻璃展開了深入研究。

為了降低顯微鏡的重量，并提高其分辨率，有三個(gè)基本的問(wèn)題要克服：

色差： 光透過(guò)鏡片，光色會(huì)發(fā)生不規(guī)則的彎曲。 這個(gè)難題被18世紀(jì)30年代的Chester Hall解決了。 他發(fā)現(xiàn)，如果使用不同形狀和不同光線彎曲特性的第二鏡片，他可以重新對(duì)齊顏色，無(wú)需犧牲第一鏡片的放大倍率。

頂部 - 使用高質(zhì)量鏡片進(jìn)行照片拍攝 

底部 - 使用廣角鏡頭拍攝，顯示可視色差（尤其是在右邊的黑暗邊緣）。

球面像差： 光打在不同的鏡片部位上，會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則彎曲 Joseph Jackson Lister在1830年解決了這個(gè)問(wèn)題。 他發(fā)現(xiàn)，把鏡片按照精密的距離進(jìn)行排列，第一個(gè)鏡片的像差被消除了。 低能力、低曲率的鏡片可以做成最小像差，使用這種類型的鏡片，然后放在一些列鏡片的第一位置，球面像差的問(wèn)題迎刃而解。

一個(gè)完美的鏡片（放在頂部）可以聚集所有的入射光線，指向光軸的某一點(diǎn)。 一個(gè)有球面像差的實(shí)體鏡片（放在底部）吸收了球面像差： 如果光線進(jìn)入鏡片的距離遠(yuǎn)于光軸，而不是靠近光軸，那么鏡片可以把光線聚集的更緊密。 因此無(wú)法生成一個(gè)完美的焦點(diǎn)。

第三個(gè)問(wèn)題是，作為一臺(tái)顯微鏡，最好的形狀就是圓錐體，因此它能夠盡可能地聚集更多的光。 恩斯特阿貝在1870年左右解決了這一難題。 他使用水浸或油浸鏡片最大化地完成了光的聚集，改變了使用物鏡收集光的物理定律。 阿貝能取得的最大分辨率在10倍左右，比100年前的列文虎克要好一些。 0.2微米或200納米的分辨率已經(jīng)是光的波長(zhǎng)所能施加影響的物理學(xué)極限了。