顯微攝影的前世今生

孫劍宇

新型顯微設(shè)備的研發(fā)，仍在繼續(xù)。技術(shù)的不斷進(jìn)步，必然會(huì)持續(xù)推進(jìn)顯微攝影發(fā)展。相信在未來(lái)，顯微攝影無(wú)論在醫(yī)學(xué)研究或藝術(shù)成就上，還會(huì)為人們帶來(lái)更多驚喜。

顯微攝影，是一種應(yīng)用照相設(shè)備記錄顯微鏡下所觀察到的內(nèi)容的攝影形式。在醫(yī)學(xué)、檢疫等領(lǐng)域，它是科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)交流及病理診斷中不可缺少的手段。要取得良好顯微攝影效果，最重要的是擁有技術(shù)指標(biāo)過(guò)硬的顯微鏡設(shè)備、攝影設(shè)備及高超的操作技術(shù)。

談到顯微鏡，相信大家對(duì)列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632～1723）這個(gè)名字并不陌生。這位荷蘭商人、科學(xué)家、微生物學(xué)家，被世界公認(rèn)的突出成就便是推動(dòng)了顯微鏡及微生物學(xué)的發(fā)展。

憑借勤奮及特有的天賦，列文虎克磨制透鏡的水平遠(yuǎn)超同時(shí)代其他人。列文虎克制作了多種類型的放大透鏡以及簡(jiǎn)單的顯微鏡，使用的材料涉及玻璃、寶石、鉆石，等等。列文虎克一生磨制了500多枚透鏡，其中一架有幸保存下來(lái)的透鏡，其放大率可達(dá)275倍。人們猜測(cè)列文虎克研制了放大500倍的透鏡。作為先行者和開(kāi)拓者，列文虎克帶領(lǐng)人類開(kāi)始逐步認(rèn)識(shí)透鏡下奇妙的微觀世界，從而拉開(kāi)人類對(duì)微生物領(lǐng)域認(rèn)知的序幕。

凸透鏡，也就是平時(shí)俗稱的“放大鏡”，是顯微鏡制造的核心部件。早在中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，《墨子》一書中就詳細(xì)敘述了透鏡成像規(guī)律。當(dāng)時(shí)的人們通過(guò)研磨透光度較好的天然水晶來(lái)制造凸透鏡，然而這種技術(shù)并不成熟且成本過(guò)高，難以普及。公元13世紀(jì)，旅行家馬可·波羅（Marco Polo，1254～1324）將中國(guó)的透鏡傳入歐洲。勤奮而又技術(shù)精湛的歐洲工匠通過(guò)反復(fù)研究與嘗試，逐漸掌握磨制透鏡的技術(shù)。更重要的是，在當(dāng)時(shí)的歐洲，玻璃制造業(yè)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，歐洲人用廉價(jià)的玻璃來(lái)磨制透鏡，這也使透鏡很快得到普及。曾經(jīng)只有貴族階層才買得起的放大鏡、眼鏡等用品，漸漸步入尋常百姓家。同時(shí)，這種透鏡制造技術(shù)的成熟與材質(zhì)的變革，也為第一架顯微鏡橫空出世奠定了基礎(chǔ)。

復(fù)式顯微鏡問(wèn)世

事實(shí)上，自凸透鏡制造技術(shù)普及后，人們便利用其將物體“放大”的光學(xué)特性，開(kāi)始制造能夠觀察微小物體的設(shè)備。早在1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造商已經(jīng)設(shè)計(jì)并制造出類似顯微鏡的放大儀器，這種儀器只有一片凸透鏡，被稱為單式顯微鏡（Simple Microscope）。

然而，單式顯微鏡有個(gè)致命缺點(diǎn)：它的焦距與透鏡直徑成正比，而焦距又與放大倍數(shù)成反比。也就是說(shuō)，焦距越短，放大倍數(shù)越大，透鏡直徑越小。舉例來(lái)說(shuō)，假如放大倍數(shù)100倍，透鏡的焦距是0.25毫米，透鏡直徑約為0.33毫米。這個(gè)比針尖還小的透鏡就那時(shí)的技術(shù)而言根本制造不出來(lái)。因此，當(dāng)時(shí)單式顯微鏡的放大倍數(shù)最多不過(guò)25倍。

為觀察更細(xì)微物體，人們迫切需要一種更好的放大工具。公元16世紀(jì)末，荷蘭的詹森父子發(fā)明了第一臺(tái)簡(jiǎn)單的復(fù)式顯微鏡（Compound Microscope）。這個(gè)顯微鏡由3個(gè)鏡筒組成，中間鏡筒較粗，用于手握。另外兩個(gè)鏡筒分別插入兩端，可以自由伸縮，從而達(dá)到聚焦的目的。兩片凸透鏡作為鏡頭，固定在鏡筒兩端：物鏡是只有一個(gè)凸面的單凸透鏡，目鏡則是有兩個(gè)凸面的雙凸透鏡。當(dāng)這個(gè)顯微鏡的兩個(gè)活動(dòng)鏡筒完全收攏時(shí)，它的放大倍數(shù)是3倍；當(dāng)兩個(gè)活動(dòng)鏡筒完全伸出時(shí)，它的放大倍數(shù)是10倍，這也是最早的一支光學(xué)變焦鏡頭。

復(fù)式顯微鏡在性能上明顯優(yōu)于單筒顯微鏡。一是它的放大率提高，通過(guò)把幾個(gè)放大倍數(shù)較小的凸透鏡組合從而獲得更高的放大倍率；二是制造工藝簡(jiǎn)單，不必再去思考如何磨制直徑極小的透鏡。復(fù)式顯微鏡的發(fā)明是一個(gè)里程碑，人類從此開(kāi)始能更好地認(rèn)識(shí)微觀世界。不過(guò)，由于技術(shù)條件不成熟，16世紀(jì)的顯微鏡放大倍數(shù)并不高，因此這一時(shí)期人類在探索微觀世界方面也沒(méi)什么激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，直到17世紀(jì)列文虎克橫空出世。

關(guān)于復(fù)式顯微鏡的發(fā)明過(guò)程有個(gè)傳說(shuō)—

詹森有個(gè)淘氣的兒子。一天，他溜進(jìn)父親的作坊里摸摸動(dòng)動(dòng)，偶然拿起兩塊鏡片放到銅管的兩端，發(fā)現(xiàn)通過(guò)這個(gè)銅管看書時(shí)書上的字大得嚇人。于是他把這件事告訴了父親。詹森知道后非常興奮，并讓兒子幫助他制成了世界上第一架復(fù)式顯微鏡……

這個(gè)故事的真實(shí)性無(wú)從考證，不過(guò)這絲毫不影響詹森父子和他們研制的復(fù)式顯微鏡在人類文明史上，留下濃墨重彩的印記。

相機(jī)遇上顯微鏡

有時(shí)候，我們不得不驚嘆人類自身的創(chuàng)造力—敢于將一項(xiàng)剛剛誕生的新技術(shù)與以往的成熟技術(shù)結(jié)合，碰撞出新的文明火花。

在復(fù)式顯微鏡誕生200多年后，又一種偉大的光學(xué)儀器—照相機(jī)—問(wèn)世。1839年，法國(guó)化學(xué)家路易·達(dá)蓋爾（Louis-Jacques-Mandé Daguerre，1787～1851）發(fā)明的攝影法在法國(guó)科學(xué)院的雜志上公布。接下來(lái)，攝影術(shù)迅速普及并得到不斷改良。不久，顯微攝影器材被德國(guó)人發(fā)明。

在認(rèn)識(shí)世界，認(rèn)識(shí)美的歷史中，顯微攝影登上了舞臺(tái)。

在顯微鏡問(wèn)世，照相機(jī)還未被發(fā)明的這段時(shí)間中，世界各地的科學(xué)家一直在不斷嘗試觀察、了解我們的微觀世界。此前，科學(xué)家為記錄自己的觀察成果，必須一邊認(rèn)真觀察顯微鏡下的情況，一邊用畫筆在紙上繪出所看到的一切。這種傳統(tǒng)記錄方式的弱點(diǎn)，在于并非所有微生物學(xué)家都具備高超的繪畫水平，所以人們的手繪記錄或抄本內(nèi)容必然會(huì)與當(dāng)初在鏡下的實(shí)際觀察結(jié)果有差異。這些差異，會(huì)使研究結(jié)果的準(zhǔn)確性、嚴(yán)謹(jǐn)性在傳播、推廣和教學(xué)過(guò)程中大打折扣。

直到顯微攝影技術(shù)出現(xiàn)，才使這個(gè)難題被攻克。發(fā)明家將一支外接鏡筒置于顯微鏡的目鏡與照相機(jī)鏡頭之間，使顯微鏡下的光線能夠通過(guò)目鏡及外接鏡筒，進(jìn)入照相機(jī)內(nèi)部，從而在底片或是感光元件上留下影像。正是這項(xiàng)看似簡(jiǎn)單的發(fā)明，揭開(kāi)了微觀攝影的序幕。

現(xiàn)代顯微攝影

顯微鏡發(fā)展至今，無(wú)論是外形還是功能，都發(fā)生了巨大的改變。

由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，顯微鏡也衍生出各種不同種類。如今，醫(yī)學(xué)常用的光學(xué)顯微鏡主要類型有明視野顯微鏡/暗視野顯微鏡/相位差顯微鏡/視頻顯微鏡/熒光顯微鏡/偏光顯微鏡/超聲波顯微鏡/解剖顯微鏡/共聚焦顯微鏡，等等。同時(shí)，各類電子顯微鏡也被廣泛應(yīng)用于病理診斷和醫(yī)學(xué)研究中。它們?cè)谟^察不同的標(biāo)本時(shí)發(fā)揮各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

以暗視野顯微鏡（Dark field microscope）為例，它是光學(xué)顯微鏡的一種，它的聚光鏡中央有擋光片，使照明光線不直接進(jìn)入物鏡，只允許被標(biāo)本反射和衍射的光線進(jìn)入物鏡，因而視野的背景是黑的，物體的邊緣是亮的。利用這種顯微鏡能見(jiàn)到4～200納米的微粒子，分辨率比普通顯微鏡高50倍，臨床常用于檢查蒼白的螺旋體—這是一種病原體檢查，對(duì)早期梅毒的診斷有重要意義。同時(shí)，暗視野顯微鏡常用來(lái)觀察未染色的透明樣品。這些樣品因?yàn)榫哂泻椭車h(huán)境相似的折射率，不易在明視野之下看清楚。利用暗視野提高樣品本身與背景之間的對(duì)比，能獲得其他光學(xué)顯微鏡無(wú)法比擬的觀察效果。

在顯微鏡不斷發(fā)展與革新的同時(shí)，顯微攝影作為一門實(shí)用與藝術(shù)價(jià)值兼具的獲取影像的手段，也在不斷發(fā)生變化。在經(jīng)歷黑白膠片、彩色膠片顯微攝影后，隨著數(shù)碼影像技術(shù)的發(fā)展，顯微攝影已步入數(shù)碼時(shí)代。

現(xiàn)在，數(shù)碼顯微攝影技術(shù)不僅限于數(shù)碼相機(jī)與顯微鏡的簡(jiǎn)單組合，顯微鏡已經(jīng)可以直接輸出視頻信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)顯示器，這種技術(shù)已相當(dāng)成熟并漸成主流。技術(shù)上的進(jìn)步，為醫(yī)學(xué)臨床診斷帶來(lái)很大便利—人們不但可以通過(guò)軟件，直接在顯示器上用比例尺去測(cè)量每一個(gè)細(xì)胞個(gè)體的真實(shí)大小，對(duì)標(biāo)本所反映的問(wèn)題作出更精確的判斷，還可以讓原本只能單人觀察的形式變?yōu)橥ㄟ^(guò)顯示輸出設(shè)備多人同時(shí)觀察。這對(duì)疑難雜癥的會(huì)診、診斷教學(xué)工作，具重要的現(xiàn)實(shí)意義。

顯微設(shè)備的研發(fā)仍在繼續(xù)。技術(shù)的不斷進(jìn)步，必然會(huì)持續(xù)推進(jìn)顯微攝影發(fā)展。相信在未來(lái)，顯微攝影無(wú)論在醫(yī)學(xué)研究或藝術(shù)成就上，還會(huì)為人們帶來(lái)更多驚喜。