显微镜的历史——4、光学性能的进步

显微镜的历史——4、光学性能的进步

显微镜和望远镜在发明之初都使用凸透镜作为物镜，但由于早期设计仅采用单透镜，导致色差（色散）和球差（图像中心模糊）问题，无法获得清晰的图像。为了解决这些问题，科学家们进行了长期的努力和创新。

早期解决方案

在望远镜领域，通过增加物镜的焦距来改善成像质量，甚至制造出了长达数十米的望远镜。牛顿（英国）发现了光的折射因颜色而异的现象，认为用透镜不可能完全消除色差。因此，他创造了以凹面反射镜作为物镜的反射望远镜（1671年），这一创新推动了天文学的发展。

然而，显微镜由于技术限制，无法采用反射式物镜，因此在很长一段时间内光学性能进展缓慢。

消色差透镜的发明

1729年，CM霍尔（英国）发明了消色差透镜，通过组合由不同折射率和色散的玻璃制成的凸透镜和凹透镜来消除色差。1758年，Dollond（英国）获得了消色差透镜的专利，并首先将其应用于望远镜的物镜制造。这种性能稳定且使用方便的透镜开启了折射望远镜的新时代。虽然消色差物镜也曾尝试用于显微镜，但由于微型透镜加工的困难，直到很久以后才得以普及。

图14

19世纪的显微镜革命

19世纪，随着医学院和大学开始使用显微镜进行医学和生物学研究，显微镜的性能也得到了显著提升。JJ Lister（英国）和GB Amici（意大利）是最早为显微镜制造实用消色差物镜的人。

Lister认为，为了制造高放大倍率的显微镜，必须增大物镜的孔径。他发现，通过以适当的距离排列两个平凸消色差透镜，即使在相对较高的放大倍率下，也可以制造出球差和色差很小的物镜（1830年）。他还发现样品盖玻片的厚度会影响高倍物镜的性能，并设计了一种通过调整物镜内的透镜间距来纠正这一问题的机制，即校正环，这种方法至今仍被用作高倍物镜（非油浸）中的标准配置。

Amici则开发了一种具有更高放大倍率的物镜，通过将半球形透镜放置在样本侧（1837年）。他还发明了使用凹面镜的反射显微镜（1820年），以及D.Brewster（英国）于1813年提出的浸没透镜（将水或其他液体浸入样品和物镜之间）来提高分辨率（1850年）。

图17

镜片设计与制造的突破

Fraunhofer（德国）在光学玻璃熔化技术方面取得了重要进展，他以太阳光谱暗线（弗劳恩霍夫线）为参考测量折射率数据，采用光线追迹法设计镜片，并发展了自己的制造技术。他制造了用于折射望远镜的大直径物镜（1824年）。

1840年，JM Petzval（奥地利）设计出具有F3.6惊人亮度的摄影镜头，Woigtlaerder光学公司将这款镜头商业化。Seidel（德国）于1855年发表了光学系统五像差（三阶像差）理论，并在Steinheil光学公司根据光线追迹公式进行了设计。这些进展标志着望远镜和摄影镜头开始采用现代设计和制造工艺。

英国显微镜工业的发展

19世纪中叶，英国在显微镜制造领域非常活跃，除了Ross之外，J Smith&R.Beck和H.Powell&P.Leland等人也处于世界领先地位。1837年沃森光学公司的成立和1839年显微镜学会（1866年成为皇家显微镜学会）的成立，促进了学术界和企业界的合作，推动了显微镜技术的改进。然而，19世纪末最先建立现代显微镜工业生产并取得压倒性统治地位的并不是英国。