【光辉历程】徕卡比对显微镜127年发展史
探讨显微镜技术125 年的发展史 —— 从投影描绘器到自动比对桥
Rolf Beck
徕卡显微系统
2014 年 8 月 12 日
对两个物体进行准确、科学地光学比对，其前提是：必须能够同时看到这两个物体。对于只能借助光学放大系统才能看到的微小物体，如需对其进行比对，则尤其需要上述功能。如果您只有一台显微镜，就必须交替观察样品，在这种情况下，您就需要特别用心地记忆，而且还无法排除判断误差的风险，尤其在检查结构、颜色或轮廓等方面差异很小的物体时，上述情况更甚。为改善这种状况，圣彼德斯堡地质学教授 Alexander von lnostranzeff 积极投身于基础理论研究，其目的是设计显微镜比对设备。刚开始进行研究时，他用的是两台单筒显微镜，并在其中一台显微镜上配备“投影描绘器”，这是当时广泛盛行的一种绘图装置。通过改变绘图装置的位置，能够同时在叠加和分裂图像模式下，同时获得两个比对物体的视图。
图 1：Alexander von Inostranzeff (1843–1919)
显微镜比对装置的原型
虽然“投影描绘器”会产生额外的放大倍率，但两台显微镜获得的部分图像在放大倍率和光强这两个方面仍存在差异。鉴于显微镜存在这些缺陷，1885 年，lnostranzeff 为圣彼得堡国立大学制定了有关制造比对设备的 Mechanicus H. Frantzen 技术规范。该设备可以安装在不带目镜的两台相邻显微镜中。
两台显微镜发出的光线射入该设备中，通过两个棱镜或镜室以水平方式导入比对设备中心的转折棱镜上，而比对设备又反过来将两台显微镜发出的光线反射到目镜筒的方向上。在两个棱镜与比对设备相交的位置上，形成分隔线，实现完美的分裂图像比对。该比对设备是显微镜可用比对设备的原型。
韦茨拉尔诞生了世界上第一台比对显微镜
1911 年，韦茨拉尔的 Optical Institute of Wilhelm and Heinrich Seibert 研究院(于 1917 年并入韦茨拉尔的 Ernst Leitz 公司)，首次接到了有关设计比对显微镜的建议(图 2)。根据这项建议，将装入比对桥的棱镜，安装在可以向两侧移动的舱室上，该设备还可以随着 Seibert 比对显微镜上的螺钉移动，从而确保两个部分图像之间的分隔线移向距离观察者足够远的距离，保证观察者能够看到比对物体的全景图像。
该比对装置首次作为一个永久部件装入显微镜中，同时配备双照明和成像光路。该装置发明出来后，由 Seibert 发售，而韦茨拉尔公司也因此获得了相应的ZL授权。
比对显微镜征服市场
差不多同一时期，韦茨拉尔的 Ernst Leitz 公司实现了对首款比对目镜的商业化投产。1913 年，Leitz 研制了世界上第一个可用的、基于物理光束分裂的双目镜筒，为批量生产做好了充分的准备(图 3)。随着显微镜直接光学比对功能的重要性日益显著，20 世纪末，所有主要科学用显微镜的制造商们都在产品系列中增加了比对目镜。
图 2：第一台比对显微镜，由韦茨拉尔的 Optical Institute of Wilhelm and Heinrich Seibert 于 1911 年制造出来。
使用第一个比对目镜观察发射过的弹药
图 4：1931 年，“适用于法医学的比对显微镜”问世。
用于精确鉴定法医子弹的实验室成立后，仅使用一台显微镜比对结构的问题逐渐凸显。1925 年，美国 Philip O'Gravell 在纽约法医弹道局首次对子弹进行了直接光学比对。他使用自己设计的仪器，随后还撰写了一篇文章对其进行描述(Goddard, Army Ordonance 6 Nr. 33, 1925)。早在这篇文章于欧洲发布前，德国斯图加特化学调查办公室主任 Otto Mezger 就已经携手 Leitz 公司共同攻克同一课题。他需要一台能够满足如下条件的显微镜：在相同光学放大倍率下，实现对两个弹壳或子弹的共同成像。Leitz 和 Mezger 共同合作，使用两台生物显微镜和一个固定式比对桥，在欧洲境内对发射出来的弹药进行了首次比对观察。这次宝贵经历对 Leitz 研发特别仪器“适用于法医学的比对显微镜”受益匪浅，这款显微镜于 1931 年发布，是全球法医学实验室的第一台通用仪器。这台仪器的设计原理和光学构造(包含双目镜观察端口)，为对刀具或枪械等留下的痕迹进行直接光学比对指明了方向。六十年代中期，Ernst Leitz 的 Walter Klein 创造出了一种拥有新型光学设计的比对镜筒，用于将两台显微镜获取的图像进行组合。该比对镜筒，可以安装在同一型号的两台 Leitz 常规或研究用显微镜上，确保可以在分裂图像和叠加图像模式下进行主观比对。物镜发出的成像射线透过两个 45°棱镜射向中间分光棱镜，确保将两条笔直的射线合二为一，并引导其射向观察镜筒，呈现叠加图像视图。
法医学比对显微镜持续进一步发展
如今，我们仍在使用微观和宏观样本的光学比对方法，通过直接并列的方式消除转换误差。在一个视场中同时观察两个物体的放大图像实现直接比对的可能性，对法医鉴定人员来说，是非常有价值的。因此，徕卡显微系统始终坚持不懈地研发比对显微镜，适应现代法医学日益变化的需求。
人体工程学、照明装置和软件的重要性
现在，除光学质量外，人体工程学和照明装置等其他因素也扮演着重要角色。电动 z 轴、高度可调工作台、角度可变的观察镜筒，均设计用于长时间抗疲劳作业，确保各种身型的用户均可舒适工作。通用照明和旋转装置可以与各种类型的灯泡兼容，包括冷光、区域光源、横截面转换器、LED 射灯、小环形灯，以及电源指示灯，保证照明装置能够 360°环绕样本进行照明。物体移动时，光锥始终与物场对齐。众多配件和照明选项能够确保用户实现任意组合。
现代法医学显微镜的另一个重要方面是软件。徕卡应用套件软件 (LAS) 为用户提供一系列适用于法医学应用领域的软件模块。例如，将 "LA
