蝙蝠侠和罗宾，杜松子酒和汤力水，卡尔·蔡司和恩斯特·阿贝，这些都是大家熟知的经典二人搭档，尽管你可能没听说过最后一个组合，但他们的合作使显微镜和光学透镜的开发取得了重大进步。这个故事发生在 19 世纪，故事中涉及一个风景如画的德国小镇，显微镜、一个锤子和铁砧（锤砸东西时垫在底下的器具称为“砧”）…… 这个故事表明了，当实验与理论结合后会产生意想不到效果。想象一下，如果再加上仿真又会发生什么？
卡尔·蔡司光学工作室的起源
卡尔·蔡司（Carl Zeiss）于 1816 年出生于德国魏玛（Weimar）一个富裕并富有艺术气息的家庭。毕业后，蔡司在德国小镇耶拿（Jena）跟随著名的宫廷技师和讲师弗里德里希·科尔纳（Friedrich Körner）做学徒。在科尔纳的带领下，蔡司可以自由地关注他感兴趣的领域并研究数学和自然科学。之后，他继续从事与机械工程有关的工作，并成为一名旅行销售，游遍全国。
卡尔·蔡司的画像。图片是通过Wikimedia Commons公开发布，版权归其原籍国以及其他国家和地区的公有领域所有，版权期限为作者寿命加上 70 年或更短的时间。
就在这个时期，生物学家马蒂亚斯·施莱登（Matthias Schleiden）提出了众所周知的理论，即所有生命都是由细胞组成的。一时间，生物学开始蓬勃发展以及显微镜成为了当下非常受欢迎的工具。但是，显微镜很昂贵，而且它们能观察到的细胞图像也不是很好。施莱登对科尔纳的工作很熟悉，并且知道蔡司的这位前导师可以制造出价格更低的显微镜，这些显微镜的工作原理与市场上已有的显微镜一样。因此，他们开始了合作关系。
通过现代显微镜看到的血细胞。在蔡司时代，细胞的重要性仍然是一个相对较新的观点。图片由美国空军合影/空军一等兵劳拉·麦克斯（Laura Max）提供。此图像或文件是美国空军飞行员或雇员的作品，是其作为其正式职责的一部分而拍摄或制成的。作为美国联邦政府的工作，该图像或文件在美国属于公共领域。图片来自Wikimedia Commons。
当蔡司厌倦了旅途中的生活后，他回到了耶拿（Jena）并开始了观察自然科学家的日常生活。尽管他没有像他们那样拥有广泛的理论科学背景，但是他的观察使他对设备的需求有了更好的了解。事实证明，这对科尔纳显微镜的生产很有帮助。
1846 年，蔡司开设了一家精密机械车间。Körner 逝世后，他继续在那里生产基础显微镜。蔡司因生产具有自己独特设计和风格的显微镜而迅速在科学界赢得了良好声誉。
至少可以说，卡尔·蔡司的实验室是独一无二的。蔡司被称为完美主义者，他会在工厂生产前用锤子和铁砧摧毁不达标的显微镜。但是，即使是按现代标准，他对工人也非常慷慨。尽管他们每天工作超过 12 个小时，员工可以获得公司场所的免费医疗服务、带薪病假时间和遣散费，这在当时是闻所未闻的。他的事业进一步发展，蔡司在生产基础显微镜外，开始开发复合仪器。
改良显微镜的巨大需求
基础显微镜仅依靠角放大率就能看到被研究的物体。顾名思义，复合显微镜包含两个或多个透镜。一个物镜靠近被研究物体的放置处会聚光，从而将真实图像聚焦在显微镜内部。然后，该图像被另一个称为目镜的透镜放大。与基础显微镜相比，观察者可以在更高的放大倍率下获得一个放大的倒置的物体图像。
复合显微镜，就像大约 1914 年卡尔·蔡司（Carl Zeiss）开发的这种双筒望远镜，比基础显微镜产生的图像质量更高。图片来自查德·安德森（Chad Anderson）的图片-SFO博物馆。通过Wikimedia Commons在CC BY-SA 2.0下获得许可。
施莱登（Schleiden）撰写了关于需要复合显微镜来推进生物学研究的文章，而蔡司刚好可以胜任这项工作。但是，当他不完全了解其背后的物理原理时，他不愿意设计某些东西。即使是非技术人员，基础显微镜的内部工作原理也很容易理解，但是复合显微镜涉及更多的光学理论。
尽管蔡司具有数学和科学背景，但他仍需要与光学科学家共同努力。
恩斯特·阿贝的加入
恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）于 1840 年出生于德国的艾森纳赫（Eisenach），起初他并不出名（与蔡司不同），仅在当地大学担任讲师。开始与蔡司合作时，阿贝只有 26 岁，由于耶拿当时还是一个小镇，所以他们可能走过同一条路。
恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）的肖像。图片通过Wikimedia Commons公开发布，版权由其原籍国以及其他国家和地区的公有领域所有，版权期限为作者寿命加上 70 年或更短时间。
阿贝通过将分析理论应用于显微镜设计来帮助蔡司。他的贡献，包括阿贝正弦条件和光的波动特性，至今在光学和傅立叶光学的研究中仍然很有用。
卡尔·蔡司基金会在显微镜技术上的发展
由于生物学研究的蓬勃发展，蔡司的许多竞争对手对他的试错方法不停的议论，并批评他的设计过于基础。研究人员想要可以得到更高质量图像的显微镜。阿贝发现了蔡司设计的理论局限，但是由于当时可用材料的限制使得他们不可能设计出可以接近理论值的显微镜。团队需要在市场上取得先机，这时出现了另一位关键人物……
耶拿当地一所大学的一位博士校友加入了他们。化学家奥托·肖特（Otto Schott）帮助蔡司和阿贝为显微镜开发了更好的光学玻璃，从而使能够产生更高质量、更清晰的图像。这种特殊的新型光学玻璃使蔡司能够生产世界上最先进的显微镜。肖特拥有自己的玻璃工厂实验室，该实验室今天仍在运行。
耶拿的持久性遗产
在运营高峰时，卡尔·蔡司的车间雇用了 250 多名员工，制造了 10000 多台显微镜。不幸的是，蔡司在这个时候过世了。阿贝接管了公司，并根据蔡司的愿景继续带领公司前进。如今，Zeiss，Inc. 被称为照相机镜头的领先开发商，而曾经的学术小镇耶拿（Jena）现在已成为光子学和光学技术研发的温床。
左：卡尔·蔡司的坟墓。通过Wikimedia Commons在公共领域中的图像。右：耶拿（Zena）的蔡司天文馆。图片由 Michael Mertens — Flickr.com 提供，并通过Wikimedia Commons在 CC BY-SA 2.0 下获得许可。
蔡司、阿贝以及他们显微镜的故事显示了从经验研究到分析计算的重要历程。蔡司的车间起初是一个反复试验的过程，在该过程中，设计不达标的原型在重新开始之前都会被手工销毁。在阿贝的帮助下，蔡司可以使用光学原理设计先进的复合显微镜，以确保获得最佳性能。
那么，他们旅程的下一个阶段又是什么呢？一种可能性是光线追踪软件，这类软件可以对光学大型系统中的光线轨迹进行可视化和分析，以开发新的显微镜。COMSOL Multiphysics® 软件及其附加的射线光学模块使这一设想成为可能。例如，COMSOL 案例库中的双高斯透镜教程模型演示了如何使用 COMSOL® 软件模拟最初由 Zeiss，Inc. 眼镜开发商于 1897 年在耶拿进行的设计。
双高斯镜头模型。
STOP 分析可以分析设备的结构、热和光学性能，这是多物理场仿真非常有价值的另一个示例。COMSOL Multiphysics 中的各种模型包括内置的 Schott 目录中的玻璃，以及其他各种制造商的眼镜。例如，具有表面对表面辐射的 Petzval 透镜 STOP 分析教程中 演示了 Schott 热光 色散模型。
Petzval 镜头模型的 STOP 分析。
蔡司、阿贝以及他们显微镜的故事是一个关于结合经验研究、分析计算、多物理场仿真以及同事之间的协作改变生活例子，相信历史上和今天仍有很多这样的创新故事正在发生。
拓展阅读
阅读下列资源，了解有关卡尔·蔡司的更多信息：
- Encyclopædia Britannica
- F. Auerbach，《蔡司工厂》和《卡尔·蔡司基金会》，译。SF Paul和FJ Chesire着，马歇尔，布鲁克斯和查尔克利，伦敦，1904年。
- 今天的显微镜
- 分子表达式
了解如何使用“射线光学模块”帮助你开始自己的光学设计仿真：
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