顯微攝影的前世今生

孫劍宇

新型顯微設備的研發，仍在繼續。技術的不斷進步，必然會持續推進顯微攝影發展。相信在未來，顯微攝影無論在醫學研究或藝術成就上，還會為人們帶來更多驚喜。

顯微攝影，是一種應用照相設備記錄顯微鏡下所觀察到的內容的攝影形式。在醫學、檢疫等領域，它是科學研究、醫學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指標過硬的顯微鏡設備、攝影設備及高超的操作技術。

談到顯微鏡，相信大家對列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632～1723）這個名字并不陌生。這位荷蘭商人、科學家、微生物學家，被世界公認的突出成就便是推動了顯微鏡及微生物學的發展。

憑借勤奮及特有的天賦，列文虎克磨制透鏡的水平遠超同時代其他人。列文虎克制作了多種類型的放大透鏡以及簡單的顯微鏡，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的透鏡，其放大率可達275倍。人們猜測列文虎克研制了放大500倍的透鏡。作為先行者和開拓者，列文虎克帶領人類開始逐步認識透鏡下奇妙的微觀世界，從而拉開人類對微生物領域認知的序幕。

凸透鏡，也就是平時俗稱的“放大鏡”，是顯微鏡制造的核心部件。早在中國戰國時期，《墨子》一書中就詳細敘述了透鏡成像規律。當時的人們通過研磨透光度較好的天然水晶來制造凸透鏡，然而這種技術并不成熟且成本過高，難以普及。公元13世紀，旅行家馬可·波羅（Marco Polo，1254～1324）將中國的透鏡傳入歐洲。勤奮而又技術精湛的歐洲工匠通過反復研究與嘗試，逐漸掌握磨制透鏡的技術。更重要的是，在當時的歐洲，玻璃制造業已相當發達，歐洲人用廉價的玻璃來磨制透鏡，這也使透鏡很快得到普及。曾經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，這種透鏡制造技術的成熟與材質的變革，也為第一架顯微鏡橫空出世奠定了基礎。

復式顯微鏡問世

事實上，自凸透鏡制造技術普及后，人們便利用其將物體“放大”的光學特性，開始制造能夠觀察微小物體的設備。早在1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造商已經設計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，單式顯微鏡有個致命缺點：它的焦距與透鏡直徑成正比，而焦距又與放大倍數成反比。也就是說，焦距越短，放大倍數越大，透鏡直徑越小。舉例來說，假如放大倍數100倍，透鏡的焦距是0.25毫米，透鏡直徑約為0.33毫米。這個比針尖還小的透鏡就那時的技術而言根本制造不出來。因此，當時單式顯微鏡的放大倍數最多不過25倍。

為觀察更細微物體，人們迫切需要一種更好的放大工具。公元16世紀末，荷蘭的詹森父子發明了第一臺簡單的復式顯微鏡（Compound Microscope）。這個顯微鏡由3個鏡筒組成，中間鏡筒較粗，用于手握。另外兩個鏡筒分別插入兩端，可以自由伸縮，從而達到聚焦的目的。兩片凸透鏡作為鏡頭，固定在鏡筒兩端：物鏡是只有一個凸面的單凸透鏡，目鏡則是有兩個凸面的雙凸透鏡。當這個顯微鏡的兩個活動鏡筒完全收攏時，它的放大倍數是3倍；當兩個活動鏡筒完全伸出時，它的放大倍數是10倍，這也是最早的一支光學變焦鏡頭。

復式顯微鏡在性能上明顯優于單筒顯微鏡。一是它的放大率提高，通過把幾個放大倍數較小的凸透鏡組合從而獲得更高的放大倍率；二是制造工藝簡單，不必再去思考如何磨制直徑極小的透鏡。復式顯微鏡的發明是一個里程碑，人類從此開始能更好地認識微觀世界。不過，由于技術條件不成熟，16世紀的顯微鏡放大倍數并不高，因此這一時期人類在探索微觀世界方面也沒什么激動人心的發現，直到17世紀列文虎克橫空出世。

關于復式顯微鏡的發明過程有個傳說—

詹森有個淘氣的兒子。一天，他溜進父親的作坊里摸摸動動，偶然拿起兩塊鏡片放到銅管的兩端，發現通過這個銅管看書時書上的字大得嚇人。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式顯微鏡……

這個故事的真實性無從考證，不過這絲毫不影響詹森父子和他們研制的復式顯微鏡在人類文明史上，留下濃墨重彩的印記。

相機遇上顯微鏡

有時候，我們不得不驚嘆人類自身的創造力—敢于將一項剛剛誕生的新技術與以往的成熟技術結合，碰撞出新的文明火花。

在復式顯微鏡誕生200多年后，又一種偉大的光學儀器—照相機—問世。1839年，法國化學家路易·達蓋爾（Louis-Jacques-Mandé Daguerre，1787～1851）發明的攝影法在法國科學院的雜志上公布。接下來，攝影術迅速普及并得到不斷改良。不久，顯微攝影器材被德國人發明。

在認識世界，認識美的歷史中，顯微攝影登上了舞臺。

在顯微鏡問世，照相機還未被發明的這段時間中，世界各地的科學家一直在不斷嘗試觀察、了解我們的微觀世界。此前，科學家為記錄自己的觀察成果，必須一邊認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。這種傳統記錄方式的弱點，在于并非所有微生物學家都具備高超的繪畫水平，所以人們的手繪記錄或抄本內容必然會與當初在鏡下的實際觀察結果有差異。這些差異，會使研究結果的準確性、嚴謹性在傳播、推廣和教學過程中大打折扣。

直到顯微攝影技術出現，才使這個難題被攻克。發明家將一支外接鏡筒置于顯微鏡的目鏡與照相機鏡頭之間，使顯微鏡下的光線能夠通過目鏡及外接鏡筒，進入照相機內部，從而在底片或是感光元件上留下影像。正是這項看似簡單的發明，揭開了微觀攝影的序幕。

現代顯微攝影

顯微鏡發展至今，無論是外形還是功能，都發生了巨大的改變。

由于應用領域不同，顯微鏡也衍生出各種不同種類。如今，醫學常用的光學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，各類電子顯微鏡也被廣泛應用于病理診斷和醫學研究中。它們在觀察不同的標本時發揮各自獨特的優勢。

以暗視野顯微鏡（Dark field microscope）為例，它是光學顯微鏡的一種，它的聚光鏡中央有擋光片，使照明光線不直接進入物鏡，只允許被標本反射和衍射的光線進入物鏡，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，對早期梅毒的診斷有重要意義。同時，暗視野顯微鏡常用來觀察未染色的透明樣品。這些樣品因為具有和周圍環境相似的折射率，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比，能獲得其他光學顯微鏡無法比擬的觀察效果。

在顯微鏡不斷發展與革新的同時，顯微攝影作為一門實用與藝術價值兼具的獲取影像的手段，也在不斷發生變化。在經歷黑白膠片、彩色膠片顯微攝影后，隨著數碼影像技術的發展，顯微攝影已步入數碼時代。

現在，數碼顯微攝影技術不僅限于數碼相機與顯微鏡的簡單組合，顯微鏡已經可以直接輸出視頻信號傳輸至計算機顯示器，這種技術已相當成熟并漸成主流。技術上的進步，為醫學臨床診斷帶來很大便利—人們不但可以通過軟件，直接在顯示器上用比例尺去測量每一個細胞個體的真實大小，對標本所反映的問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為通過顯示輸出設備多人同時觀察。這對疑難雜癥的會診、診斷教學工作，具重要的現實意義。

顯微設備的研發仍在繼續。技術的不斷進步，必然會持續推進顯微攝影發展。相信在未來，顯微攝影無論在醫學研究或藝術成就上，還會為人們帶來更多驚喜。