我們對視覺環(huán)境的感受，80%通過視覺感知獲得。如果沒有空間視覺，我們幾乎無法確定方向。我們的視覺皮質(zhì)和大腦皮層通過復雜的過程，巧妙地處理著從眼睛看到圖像的信號。最近幾十年，神經(jīng)科學已經(jīng)大量了解該過程。由徠卡顯微系統(tǒng)、蘇黎世大學神經(jīng)信息學研究所和瑞士聯(lián)邦理工學院共同開展的一項研究，顯示了我們的大腦如何靈活有效地結(jié)合視覺信號創(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，該創(chuàng)新從分辨率和聚焦深度角度，突破了以前：FusionOptics™。FusionOptics™實現(xiàn)了性能的大幅度提升，對顯微鏡下的日常工作大有裨益。

雙眼的延伸

立體顯微鏡采用兩個獨立的光路 —— 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，立體顯微鏡的工作原理都是基于Ernst Abbe所闡釋的光學原理。過去一個多世紀，光學設計人員一直致力于提高放大倍數(shù)、分辨率和圖像質(zhì)量，使其達到光學元件允許的極限。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，觀察者將看見失真的三維圖像；這時物鏡中的立方體則看似一座高塔。較大的變焦范圍本身問題不大，因為放大倍數(shù)擴大時，光學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

通過對視覺感知和視覺問題的科學研究發(fā)現(xiàn)，大腦可以選擇性的處理每只眼睛的信息，而且它非常善于補償兩只眼睛視敏度的差異。這為徠卡顯微系統(tǒng)開發(fā)工程師們提供了一個簡單但巧妙的創(chuàng)意。為何不借鑒大腦的這種能力，使顯微鏡的每個光路用于不同的信息？一個圖像通道提供高分辨率，另一個提供景深。大腦將兩個差異很大的圖像合并為一個空間圖像。全新光學方法FusionOptics™具有兩個明顯的優(yōu)勢。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，無需增加兩個光路之間的收斂角便可提高分辨率。

科研證實新方法

但這種設計的可行性必須首先進行神經(jīng)生理學評估 —— 大腦是否可以將兩眼之間差異很大的信號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)向蘇黎世大學神經(jīng)信息學研究所和瑞士聯(lián)邦理工學院的Daniel Kiper博士描述了上述想法。Daniel Kiper博士專門研究靈長類動物大腦內(nèi)信號處理，他同意開展相關(guān)研究。Kiper與助教Cornelia Schulthess及徠卡顯微系統(tǒng)的Harald Schnitzler博士一起對研究進行設計。36例視力正常的受試者接受心理物理試驗，試驗內(nèi)容為視覺信號的雙目合并。研究關(guān)注的焦點在于，當兩只眼睛接觸不同的刺激時是否會發(fā)生雙眼間的信號抑制。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。

在實驗期間，受試者對放置在中央固定點周圍的斑塊進行觀察。視場中或出現(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。這可以通過使用特殊的立體眼鏡而實現(xiàn)，戴上這種眼鏡，單獨的測試圖像可以投射到每一只眼睛。在一系列試驗中，受試者看見不同深度平面中變化的格子斑塊組合。觀察每個圖像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)在中央固定點之前還是之后。

對格子斑塊位置的正確/錯誤答案進行的評估，以及不同空間平面的空間分辨率，均未顯示顯著差異。上述試驗沒有發(fā)現(xiàn)信號抑制的證據(jù)。這表明人腦可以利用雙眼優(yōu)質(zhì)的信息，構(gòu)建一個最佳的空間圖像。無論圖像是通過雙眼獲得還是每只眼睛提供截然不同的信息，這都是真實的。結(jié)果再次證明，我們的大腦在處理視覺印象時非常高效、適應性非常強。

圖4：視覺刺激簡圖。A：測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)在固定點前方還是后方。B：系列試驗中不同雙目刺激示例（對應于A的第3個圖像）。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，徠卡顯微系統(tǒng)得以在全新的立體顯微鏡中實現(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525 lp/mm的立體顯微鏡。這對應于952nm的分辨結(jié)構(gòu)尺寸。如果適當配置，這可以增至高達1,050 lp/mm（結(jié)構(gòu)尺寸476nm）。迄今，光學附件的最大變焦范圍僅為16:1，或者增大放大倍數(shù)時分辨率并未提高（空放大）。
FusionOptics™實現(xiàn)了性能的大幅度提升，對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上的試樣時自由移動，非常方便。無論是半導體技術(shù)、塑料開發(fā)、材料測試、自然科學還是地球科學——新一代立體顯微鏡開辟了傳統(tǒng)立體顯微技術(shù)無法企及的新天地。