實(shí)驗(yàn)走入課堂（2）顯微鏡成像系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)走入課堂（2）顯微鏡成像系統(tǒng)

銳光凱奇

上一期推送了第一篇關(guān)于實(shí)驗(yàn)走入課堂的內(nèi)容，基本理念是使用現(xiàn)代科技手段重構(gòu)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，很多從事教學(xué)的朋友咨詢(xún)，希望能夠通過(guò)一個(gè)實(shí)際的例子進(jìn)一步地介紹。因此，本期推送顯微鏡成像系統(tǒng)在教學(xué)中如何走入課堂。

教學(xué)中無(wú)論是什么專(zhuān)業(yè)，在普通物理的教學(xué)中都有顯微鏡的內(nèi)容。在講授原理的同時(shí)，要介紹發(fā)展的歷史。在這一部分教學(xué)中都要提到安東尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632-1723）被稱(chēng)之為“顯微鏡之父”。其實(shí)最早發(fā)現(xiàn)顯微鏡的人，并非列文虎克，而是荷蘭眼鏡制造匠亞斯·詹森（Z.Janssen）?，F(xiàn)在的共識(shí)是，荷蘭的列文虎克和英國(guó)的羅伯特·胡克（1635-1703）都分別獨(dú)立發(fā)明過(guò)顯微鏡，他們最重要的貢獻(xiàn)是，把顯微鏡應(yīng)用于微觀科學(xué)領(lǐng)域。

列文虎克和英國(guó)的羅伯特·胡克發(fā)明的顯微鏡的區(qū)別在于；一個(gè)是單透鏡，一個(gè)是使用二個(gè)透鏡組合制成了復(fù)合顯微鏡。

列文虎克1632年出生于荷蘭的代爾夫特市，并沒(méi)有接受過(guò)正統(tǒng)的科學(xué)訓(xùn)練，年輕時(shí)他曾經(jīng)在代爾夫特市政廳當(dāng)看門(mén)人。他最為著名的成就之一是顯微鏡的改進(jìn)以及微生物學(xué)的建立，因此被冠以“顯微鏡之父”的稱(chēng)號(hào)。列文虎克的科學(xué)成就：1674年發(fā)現(xiàn)紅血球；1675年發(fā)現(xiàn)原生動(dòng)物；1677年描述了精子；1683年發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌；1688年準(zhǔn)確描述了血液回圈和血紅細(xì)胞；記述并描述了骨骼、肌肉、皮膚等許多器官和組織的構(gòu)造；1695年出版了他的書(shū)，簡(jiǎn)稱(chēng)《宇宙秘密的發(fā)現(xiàn)》。列文虎克的眾多研究成果都離不開(kāi)顯微鏡的輔助，同時(shí)他自己也是顯微鏡的制造大師，一生制造顯微鏡無(wú)數(shù)。一次有位記者向他問(wèn)道：“列文虎克先生，你的成功秘訣是什么？”列文虎克想了片刻，他一句話(huà)不說(shuō)，卻伸出了因長(zhǎng)期磨制透鏡而滿(mǎn)是老繭和裂紋的雙手作為回答。他一生當(dāng)中磨制了超過(guò)500個(gè)鏡片，并制造了400種以上的顯微鏡，他把心血用在顯微鏡的制造和改進(jìn)中，顯微鏡也幫助他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)又一個(gè)新鮮事物，取得了巨大的成功。

最令人感動(dòng)的是在1723年8月，當(dāng)他察覺(jué)到自己命不久矣時(shí)，他交代自己的女兒將兩封信和一批禮物送到英國(guó)皇家學(xué)會(huì)。一封信詳細(xì)地寫(xiě)著顯微鏡的制作方法，另一封信這樣寫(xiě)道：“我從50年來(lái)所磨制的顯微鏡中選出了最好的幾臺(tái)，謹(jǐn)獻(xiàn)給我永遠(yuǎn)懷念的皇家學(xué)會(huì)。”這批禮物就是26臺(tái)精心打造并配以各種標(biāo)本的銀制顯微鏡，它們被裝在黑色的大櫥窗里。1723年8月30日，91歲高齡的列文虎克與世長(zhǎng)辭。在他逝世200年后，人們才能再次做出放大倍數(shù)和解析度可與列文虎克的顯微鏡相媲美的顯微鏡。列文虎克不愧為“顯微鏡之父”和他對(duì)人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界所作出的偉大貢獻(xiàn)。

介紹了顯微鏡的歷史以后，開(kāi)始講解顯微鏡的成像原理。

傳統(tǒng)的顯微鏡都是有限遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，缺點(diǎn)是在光路中添加額外的光學(xué)元件時(shí)，例如用于微分干涉成像（DIC）的棱鏡、偏振器等，會(huì)引入像差，由于這個(gè)原因，20世紀(jì)30年代，大概是顯微鏡制造商徠卡最早開(kāi)始用無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)技術(shù)后來(lái)被所有其它顯微鏡公司采用，90年代后開(kāi)始普及。

無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的物鏡將物成像到無(wú)限遠(yuǎn)處，這意味著來(lái)自物體的所有光線(xiàn)都以平行的方式從物鏡中發(fā)射出來(lái)，如圖1所示：

圖1 顯微鏡的成像原理

圖1中的目鏡系統(tǒng)都是使用了CCD來(lái)代替人眼的觀察，這就是“現(xiàn)代科技手段”重構(gòu)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的好例子。Olympus、Leica、Nikon、Zeiss四大廠(chǎng)家早已經(jīng)放棄了有限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，有限遠(yuǎn)的高端物鏡早就全部停產(chǎn)了，可是國(guó)內(nèi)還有一些專(zhuān)業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)的案例還是在重復(fù)有限遠(yuǎn)物鏡的設(shè)計(jì)。無(wú)限遠(yuǎn)系統(tǒng)的內(nèi)容在教科書(shū)中很少提及，以至于很多學(xué)生到了實(shí)際工作崗位上無(wú)法盡快適應(yīng)。

在講授這一部分內(nèi)容時(shí)，還要相應(yīng)地與學(xué)生講解和說(shuō)明什么是顯微鏡的機(jī)械筒長(zhǎng)、什么是管鏡，管鏡的焦距和放大倍率是什么關(guān)系，同時(shí)對(duì)照原理圖現(xiàn)場(chǎng)使用圖2的設(shè)備搭建一個(gè)顯微鏡成像系統(tǒng)：

圖2 無(wú)限遠(yuǎn)顯微鏡成像系統(tǒng)需要的硬件

具體是參考圖1下方的無(wú)窮遠(yuǎn)系統(tǒng)，使用1個(gè)尼康20X NA0.75的物鏡，管鏡使用Edmund透鏡代替，CCD使用大恒圖像的水星系列相機(jī)，當(dāng)然要包括一個(gè)多功能的支架把物鏡、管鏡和CCD連接起來(lái)，圖1中的“物”使用手機(jī)的顯示屏來(lái)代替。視頻1是現(xiàn)場(chǎng)可以二分鐘完成搭建的顯微鏡成像系統(tǒng)：

視頻1 二分鐘搭建的成像系統(tǒng)

教師在課堂上根據(jù)教學(xué)內(nèi)容安排，可以在顯微鏡的系統(tǒng)上觀測(cè)其它樣品，也可以安排學(xué)生自己操作。結(jié)合原理圖部分與實(shí)際的成像系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來(lái)，一定會(huì)起到比較好的教學(xué)效果。

這個(gè)成像系統(tǒng)不僅僅適合顯微鏡原理部分的教學(xué)，也可以用于生物專(zhuān)業(yè)、視覺(jué)測(cè)量等。例如，圖3是使用遠(yuǎn)心鏡頭觀看植物的葉子，

圖3 遠(yuǎn)心鏡頭的使用

圖3是現(xiàn)場(chǎng)1分鐘可以完成的遠(yuǎn)心鏡頭成像系統(tǒng)，教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容觀測(cè)實(shí)際感興趣的樣品。圖4是根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際情況，靈活改變觀測(cè)角度的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)360度角度的改變。

圖4 集成化“變形金剛”的成像系統(tǒng)

以上內(nèi)容供高等院校和中學(xué)老師參考，希望通過(guò)實(shí)驗(yàn)走入課堂，提高教學(xué)質(zhì)量，使得學(xué)生真正熱愛(ài)科學(xué)，有所收獲。

由于水平有限，敬請(qǐng)讀者提出寶貴的意見(jiàn)。