我們對(duì)視覺(jué)環(huán)境的感受，80%通過(guò)視覺(jué)感知獲得。如果沒(méi)有空間視覺(jué)，我們幾乎無(wú)法確定方向。我們的視覺(jué)皮質(zhì)和大腦皮層通過(guò)復(fù)雜的過(guò)程，巧妙地處理著從眼睛看到圖像的信號(hào)。最近幾十年，神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)大量了解該過(guò)程。由徠卡顯微系統(tǒng)、蘇黎世大學(xué)神經(jīng)信息學(xué)研究所和瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院共同開(kāi)展的一項(xiàng)研究，顯示了我們的大腦如何靈活有效地結(jié)合視覺(jué)信號(hào)創(chuàng)造出優(yōu)異的空間圖像。研究結(jié)果為立體顯微技術(shù)創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)，該創(chuàng)新從分辨率和聚焦深度角度，突破了以前：fusionoptics™。fusionoptics™實(shí)現(xiàn)了性能的大幅度提升，對(duì)顯微鏡下的日常工作大有裨益。
雙眼的延伸
圖1：卡車(chē)軸承密封：應(yīng)力試驗(yàn)后橡膠磨損
立體顯微鏡采用兩個(gè)獨(dú)立的光路—— 原理上就像我們兩只眼睛的延伸，藉此我們可以觀察三維的顯微結(jié)構(gòu)。自從由horatio s. greenough發(fā)明以來(lái)，立體顯微鏡的工作原理都是基于ernst abbe所闡釋的光學(xué)原理。過(guò)去一個(gè)多世紀(jì)，光學(xué)設(shè)計(jì)人員一直致力于提高放大倍數(shù)、分辨率和圖像質(zhì)量，使其達(dá)到光學(xué)元件允許的極限。這些極限由分辨率、收斂角和工作距離等決定。顯微鏡分辨率越高，左右兩側(cè)光路的收斂角越大，可用的工作距離越短。但是增加光軸之間的距離，觀察者將看見(jiàn)失真的三維圖像；這時(shí)物鏡中的立方體則看似一座高塔。較大的變焦范圍本身問(wèn)題不大，因?yàn)榉糯蟊稊?shù)擴(kuò)大時(shí)，光學(xué)分辨率并未隨之變大。結(jié)果將是所謂的空放大。
極限并非牢不可破
通過(guò)對(duì)視覺(jué)感知和視覺(jué)問(wèn)題的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，大腦可以選擇性的處理每只眼睛的信息，而且它非常善于補(bǔ)償兩只眼睛視敏度的差異。這為徠卡顯微系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程師們提供了一個(gè)簡(jiǎn)單但巧妙的創(chuàng)意。為何不借鑒大腦的這種能力，使顯微鏡的每個(gè)光路用于不同的信息？一個(gè)圖像通道提供高分辨率，另一個(gè)提供景深。大腦將兩個(gè)差異很大的圖像合并為一個(gè)空間圖像。全新光學(xué)方法fusionoptics™具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。與現(xiàn)有立體顯微鏡相比，可以大幅提高分辨率，還可以顯著增加聚焦深度。另外，無(wú)需增加兩個(gè)光路之間的收斂角便可提高分辨率。
圖2：硅表面上數(shù)微米高的化學(xué)蝕刻金字塔（圖片：fraunhofer institute for solar energy systems ise, freiburg, germany）
圖3：有缺陷的直通連接
科研證實(shí)新方法
daniel kiper博士與cornelia schulthess
但這種設(shè)計(jì)的可行性必須首先進(jìn)行神經(jīng)生理學(xué)評(píng)估—— 大腦是否可以將兩眼之間差異很大的信號(hào)加工成正確的三維圖像。早期研究主要關(guān)注二維圖像。徠卡顯微系統(tǒng)向蘇黎世大學(xué)神經(jīng)信息學(xué)研究所和瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的daniel kiper博士描述了上述想法。daniel kiper博士專門(mén)研究靈長(zhǎng)類動(dòng)物大腦內(nèi)信號(hào)處理，他同意開(kāi)展相關(guān)研究。kiper與助教cornelia schulthess及徠卡顯微系統(tǒng)的harald schnitzler博士一起對(duì)研究進(jìn)行設(shè)計(jì)。36例視力正常的受試者接受心理物理試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容為視覺(jué)信號(hào)的雙目合并。研究關(guān)注的焦點(diǎn)在于，當(dāng)兩只眼睛接觸不同的刺激時(shí)是否會(huì)發(fā)生雙眼間的信號(hào)抑制。如果發(fā)生抑制現(xiàn)象，其結(jié)果將是受抑制眼睛的圖像只有一部分被感知，或者根本不被感知。
在實(shí)驗(yàn)期間，受試者對(duì)放置在中央固定點(diǎn)周?chē)陌邏K進(jìn)行觀察。視場(chǎng)中或出現(xiàn)格子，或保持統(tǒng)一（圖4）。為了使雙眼的空間感知產(chǎn)生差異，必須采取雙眼視差——兩只眼睛必須接觸不同的刺激。這可以通過(guò)使用特殊的立體眼鏡而實(shí)現(xiàn)，戴上這種眼鏡，單獨(dú)的測(cè)試圖像可以投射到每一只眼睛。在一系列試驗(yàn)中，受試者看見(jiàn)不同深度平面中變化的格子斑塊組合。觀察每個(gè)圖像1,000 msec（毫秒）之后，受試者需告知在何處看到格子斑塊，以及它們出現(xiàn)在中央固定點(diǎn)之前還是之后。
對(duì)格子斑塊位置的正確/錯(cuò)誤答案進(jìn)行的評(píng)估，以及不同空間平面的空間分辨率，均未顯示顯著差異。上述試驗(yàn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)信號(hào)抑制的證據(jù)。這表明人腦可以利用雙眼優(yōu)質(zhì)的信息，構(gòu)建一個(gè)最佳的空間圖像。無(wú)論圖像是通過(guò)雙眼獲得還是每只眼睛提供截然不同的信息，這都是真實(shí)的。結(jié)果再次證明，我們的大腦在處理視覺(jué)印象時(shí)非常高效、適應(yīng)性非常強(qiáng)。
圖4：視覺(jué)刺激簡(jiǎn)圖。a：測(cè)試圖像的四種可能感知。受試者指出格子出現(xiàn)在哪里，它們出現(xiàn)在固定點(diǎn)前方還是后方。b：系列試驗(yàn)中不同雙目刺激示例（對(duì)應(yīng)于a的第3個(gè)圖像）。格子出現(xiàn)在同一只眼睛或不同眼睛視野下。還在單眼視野中移動(dòng)一些斑塊（白色箭頭）。
fusionoptics™提供的三維圖像
根據(jù)研究提供的理論基礎(chǔ)，徠卡顯微系統(tǒng)得以在全新的立體顯微鏡中實(shí)現(xiàn)fusion optics™概念，該立體顯微鏡是變焦范圍為20.5:1、分辨率高達(dá)525 lp/mm的立體顯微鏡。這對(duì)應(yīng)于952nm的分辨結(jié)構(gòu)尺寸。如果適當(dāng)配置，這可以增至高達(dá)1,050 lp/mm（結(jié)構(gòu)尺寸476nm）。迄今，光學(xué)附件的最大變焦范圍僅為16:1，或者增大放大倍數(shù)時(shí)分辨率并未提高（空放大）。
fusionoptics™實(shí)現(xiàn)了性能的大幅度提升，對(duì)顯微鏡下的日常工作大有裨益。新一代物鏡工作距離大，允許在觀察顯微鏡載物臺(tái)上的試樣時(shí)自由移動(dòng)，非常方便。無(wú)論是半導(dǎo)體技術(shù)、塑料開(kāi)發(fā)、材料測(cè)試、自然科學(xué)還是地球科學(xué)——新一代立體顯微鏡開(kāi)辟了傳統(tǒng)立體顯微技術(shù)無(wú)法企及的新天地。
圖5：砂布上聚集的氧化鋁晶體。晶體尺寸提供不同的磨削能力。