【光輝歷程】徠卡比對顯微鏡127年發展史

　　探討顯微鏡技術125 年的發展史 —— 從投影描繪器到自動比對橋

　　Rolf Beck

　　徠卡顯微系統

　　2014 年 8 月 12 日

　　

　　對兩個物體進行準確、科學地光學比對，其前提是：必須能夠同時看到這兩個物體。對於只能藉助光學放大系統才能看到的微小物體，如需對其進行比對，則尤其需要上述功能。如果您只有一臺顯微鏡，就必須交替觀察樣品，在這種情況下，您就需要特別用心地記憶，而且還無法排除判斷誤差的風險，尤其在檢查結構、顏色或輪廓等方面差異很小的物體時，上述情況更甚。為改善這種狀況，聖彼德斯堡地質學教授 Alexander von lnostranzeff 積極投身於基礎理論研究，其目的是設計顯微鏡比對設備。剛開始進行研究時，他用的是兩臺單筒顯微鏡，並在其中一臺顯微鏡上配備「投影描繪器」，這是當時廣泛盛行的一種繪圖裝置。通過改變繪圖裝置的位置，能夠同時在疊加和分裂圖像模式下，同時獲得兩個比對物體的視圖。

　　圖 1：Alexander von Inostranzeff (1843–1919)

　　顯微鏡比對裝置的原型

　　雖然「投影描繪器」會產生額外的放大倍率，但兩臺顯微鏡獲得的部分圖像在放大倍率和光強這兩個方面仍存在差異。鑑於顯微鏡存在這些缺陷，1885 年，lnostranzeff 為聖彼得堡國立大學制定了有關製造比對設備的 Mechanicus H. Frantzen 技術規範。該設備可以安裝在不帶目鏡的兩臺相鄰顯微鏡中。

　　兩臺顯微鏡發出的光線射入該設備中，通過兩個稜鏡或鏡室以水平方式導入比對設備中心的轉折稜鏡上，而比對設備又反過來將兩臺顯微鏡發出的光線反射到目鏡筒的方向上。在兩個稜鏡與比對設備相交的位置上，形成分隔線，實現完美的分裂圖像比對。該比對設備是顯微鏡可用比對設備的原型。

　　韋茨拉爾誕生了世界上第一臺比對顯微鏡

　　1911 年，韋茨拉爾的 Optical Institute of Wilhelm and Heinrich Seibert 研究院(於 1917 年併入韋茨拉爾的 Ernst Leitz 公司)，首次接到了有關設計比對顯微鏡的建議(圖 2)。根據這項建議，將裝入比對橋的稜鏡，安裝在可以向兩側移動的艙室上，該設備還可以隨著 Seibert 比對顯微鏡上的螺釘移動，從而確保兩個部分圖像之間的分隔線移向距離觀察者足夠遠的距離，保證觀察者能夠看到比對物體的全景圖像。

　　該比對裝置首次作為一個永久部件裝入顯微鏡中，同時配備雙照明和成像光路。該裝置發明出來後，由 Seibert 發售，而韋茨拉爾公司也因此獲得了相應的專利授權。

　　比對顯微鏡徵服市場

　　差不多同一時期，韋茨拉爾的 Ernst Leitz 公司實現了對首款比對目鏡的商業化投產。1913 年，Leitz 研製了世界上第一個可用的、基於物理光束分裂的雙目鏡筒，為批量生產做好了充分的準備(圖 3)。隨著顯微鏡直接光學比對功能的重要性日益顯著，20 世紀末，所有主要科學用顯微鏡的製造商們都在產品系列中增加了比對目鏡。

　　圖 2：第一臺比對顯微鏡，由韋茨拉爾的 Optical Institute of Wilhelm and Heinrich Seibert 於 1911 年製造出來。

　　

　　

　　使用第一個比對目鏡觀察發射過的彈藥

　　圖 4：1931 年，「適用於法醫學的比對顯微鏡」問世。

　　

　　用於精確鑑定法醫子彈的實驗室成立後，僅使用一臺顯微鏡比對結構的問題逐漸凸顯。1925 年，美國 Philip O'Gravell 在紐約法醫彈道局首次對子彈進行了直接光學比對。他使用自己設計的儀器，隨後還撰寫了一篇文章對其進行描述(Goddard, Army Ordonance 6 Nr. 33, 1925)。早在這篇文章於歐洲發布前，德國斯圖加特化學調查辦公室主任 Otto Mezger 就已經攜手 Leitz 公司共同攻克同一課題。他需要一臺能夠滿足如下條件的顯微鏡：在相同光學放大倍率下，實現對兩個彈殼或子彈的共同成像。Leitz 和 Mezger 共同合作，使用兩臺生物顯微鏡和一個固定式比對橋，在歐洲境內對發射出來的彈藥進行了首次比對觀察。這次寶貴經歷對 Leitz 研發特別儀器「適用於法醫學的比對顯微鏡」受益匪淺，這款顯微鏡於 1931 年發布，是全球法醫學實驗室的第一臺通用儀器。這臺儀器的設計原理和光學構造(包含雙目鏡觀察埠)，為對刀具或槍械等留下的痕跡進行直接光學比對指明了方向。六十年代中期，Ernst Leitz 的 Walter Klein 創造出了一種擁有新型光學設計的比對鏡筒，用於將兩臺顯微鏡獲取的圖像進行組合。該比對鏡筒，可以安裝在同一型號的兩臺 Leitz 常規或研究用顯微鏡上，確保可以在分裂圖像和疊加圖像模式下進行主觀比對。物鏡發出的成像射線透過兩個 45°稜鏡射向中間分光稜鏡，確保將兩條筆直的射線合二為一，並引導其射向觀察鏡筒，呈現疊加圖像視圖。

　　法醫學比對顯微鏡持續進一步發展

　　如今，我們仍在使用微觀和宏觀樣本的光學比對方法，通過直接並列的方式消除轉換誤差。在一個視場中同時觀察兩個物體的放大圖像實現直接比對的可能性，對法醫鑑定人員來說，是非常有價值的。因此，徠卡顯微系統始終堅持不懈地研發比對顯微鏡，適應現代法醫學日益變化的需求。

　　人體工程學、照明裝置和軟體的重要性

　　現在，除光學質量外，人體工程學和照明裝置等其他因素也扮演著重要角色。電動 z 軸、高度可調工作檯、角度可變的觀察鏡筒，均設計用於長時間抗疲勞作業，確保各種身型的用戶均可舒適工作。通用照明和旋轉裝置可以與各種類型的燈泡兼容，包括冷光、區域光源、橫截面轉換器、LED 射燈、小環形燈，以及電源指示燈，保證照明裝置能夠 360°環繞樣本進行照明。物體移動時，光錐始終與物場對齊。眾多配件和照明選項能夠確保用戶實現任意組合。

　　現代法醫學顯微鏡的另一個重要方面是軟體。徠卡應用套件軟體 (LAS) 為用戶提供一系列適用於法醫學應用領域的軟體模塊。例如，將 "LAS Multistep" 模塊與電動載物臺組合，用戶即可以單個剖面的形式記錄較大樣本。隨後，可以將單幅圖像合併至一個像素精度，從而獲得對較大樣本的高解析度視圖。