蝙蝠俠和羅賓，杜松子酒和湯力水，卡爾·蔡司和恩斯特·阿貝，這些都是大傢熟知的經典二人搭檔，盡管你可能沒聽說過最後一個組合，但他們的合作使顯微鏡和光學透鏡的開發取得瞭重大進步。這個故事發生在 19 世紀，故事中涉及一個風景如畫的德國小鎮，顯微鏡、一個錘子和鐵砧（錘砸東西時墊在底下的器具稱為“砧”）…… 這個故事表明瞭，當實驗與理論結合後會產生意想不到效果。想象一下，如果再加上仿真又會發生什麼？

卡爾·蔡司光學工作室的起源

卡爾·蔡司（Carl Zeiss）於 1816 年出生於德國魏瑪（Weimar）一個富裕並富有藝術氣息的傢庭。畢業後，蔡司在德國小鎮耶拿（Jena）跟隨著名的宮廷技師和講師弗裡德裡希·科爾納（Friedrich Körner）做學徒。在科爾納的帶領下，蔡司可以自由地關註他感興趣的領域並研究數學和自然科學。之後，他繼續從事與機械工程有關的工作，並成為一名旅行銷售，遊遍全國。

卡爾·蔡司的畫像。圖片是通過Wikimedia Commons公開發佈，版權歸其原籍國以及其他國傢和地區的公有領域所有，版權期限為作者壽命加上 70 年或更短的時間。

就在這個時期，生物學傢馬蒂亞斯·施萊登（Matthias Schleiden）提出瞭眾所周知的理論，即所有生命都是由細胞組成的。一時間，生物學開始蓬勃發展以及顯微鏡成為瞭當下非常受歡迎的工具。但是，顯微鏡很昂貴，而且它們能觀察到的細胞圖像也不是很好。施萊登對科爾納的工作很熟悉，並且知道蔡司的這位前導師可以制造出價格更低的顯微鏡，這些顯微鏡的工作原理與市場上已有的顯微鏡一樣。因此，他們開始瞭合作關系。

89fc874df05db78f82aac3fc11b38f83通過現代顯微鏡看到的血細胞。在蔡司時代，細胞的重要性仍然是一個相對較新的觀點。圖片由美國空軍合影/空軍一等兵勞拉·麥克斯（Laura Max）提供。此圖像或文件是美國空軍飛行員或雇員的作品，是其作為其正式職責的一部分而拍攝或制成的。作為美國聯邦政府的工作，該圖像或文件在美國屬於公共領域。圖

當蔡司厭倦瞭旅途中的生活後，他回到瞭耶拿（Jena）並開始瞭觀察自然科學傢的日常生活。盡管他沒有像他們那樣擁有廣泛的理論科學背景，但是他的觀察使他對設備的需求有瞭更好的瞭解。事實證明，這對科爾納顯微鏡的生產很有幫助。

1846 年，蔡司開設瞭一傢精密機械車間。Körner 逝世後，他繼續在那裡生產基礎顯微鏡。蔡司因生產具有自己獨特設計和風格的顯微鏡而迅速在科學界贏得瞭良好聲譽。

至少可以說，卡爾·蔡司的實驗室是獨一無二的。蔡司被稱為完美主義者，他會在工廠生產前用錘子和鐵砧摧毀不達標的顯微鏡。但是，即使是按現代標準，他對工人也非常慷慨。盡管他們每天工作超過 12 個小時，員工可以獲得公司場所的免費醫療服務、帶薪病假時間和遣散費，這在當時是聞所未聞的。他的事業進一步發展，蔡司在生產基礎顯微鏡外，開始開發復合儀器。

改良顯微鏡的巨大需求

基礎顯微鏡僅依靠角放大率就能看到被研究的物體。顧名思義，復合顯微鏡包含兩個或多個透鏡。一個物鏡靠近被研究物體的放置處會聚光，從而將真實圖像聚焦在顯微鏡內部。然後，該圖像被另一個稱為目鏡的透鏡放大。與基礎顯微鏡相比，觀察者可以在更高的放大倍率下獲得一個放大的倒置的物體圖像。

931a675f465b392f71fad8f6a92db0ba復合顯微鏡，就像大約 1914 年卡爾·蔡司（Carl Zeiss）開發的這種雙筒望遠鏡，比基礎顯微鏡產生的圖像質量更高。圖片來自查德·安德森（Chad Anderson）的圖片-SFO博物館。通過Wikimedia Commons在CC BY-SA 2.0下獲得許可。

施萊登（Schleiden）撰寫瞭關於需要復合顯微鏡來推進生物學研究的文章，而蔡司剛好可以勝任這項工作。但是，當他不完全瞭解其背後的物理原理時，他不願意設計某些東西。即使是非技術人員，基礎顯微鏡的內部工作原理也很容易理解，但是復合顯微鏡涉及更多的光學理論。

盡管蔡司具有數學和科學背景，但他仍需要與光學科學傢共同努力。

恩斯特·阿貝的加入

恩斯特·阿貝（Ernst Abbe）於 1840 年出生於德國的艾森納赫（Eisenach），起初他並不出名（與蔡司不同），僅在當地大學擔任講師。開始與蔡司合作時，阿貝隻有 26 歲，由於耶拿當時還是一個小鎮，所以他們可能走過同一條路。

恩斯特·阿貝（Ernst Abbe）的肖像。圖片通過Wikimedia Commons公開發佈，版權由其原籍國以及其他國傢和地區的公有領域所有，版權期限為作者壽命加上 70 年或更短時間。

阿貝通過將分析理論應用於顯微鏡設計來幫助蔡司。他的貢獻，包括阿貝正弦條件和光的波動特性，至今在光學和傅立葉光學的研究中仍然很有用。

卡爾·蔡司基金會在顯微鏡技術上的發展

由於生物學研究的蓬勃發展，蔡司的許多競爭對手對他的試錯方法不停的議論，並批評他的設計過於基礎。研究人員想要可以得到更高質量圖像的顯微鏡。阿貝發現瞭蔡司設計的理論局限，但是由於當時可用材料的限制使得他們不可能設計出可以接近理論值的顯微鏡。團隊需要在市場上取得先機，這時出現瞭另一位關鍵人物……

耶拿當地一所大學的一位博士校友加入瞭他們。化學傢奧托·肖特（Otto Schott）幫助蔡司和阿貝為顯微鏡開發瞭更好的光學玻璃，從而使能夠產生更高質量、更清晰的圖像。這種特殊的新型光學玻璃使蔡司能夠生產世界上最先進的顯微鏡。肖特擁有自己的玻璃工廠實驗室，該實驗室今天仍在運行。

耶拿的持久性遺產

在運營高峰時，卡爾·蔡司的車間雇用瞭 250 多名員工，制造瞭 10000 多臺顯微鏡。不幸的是，蔡司在這個時候過世瞭。阿貝接管瞭公司，並根據蔡司的願景繼續帶領公司前進。如今，Zeiss，Inc. 被稱為照相機鏡頭的領先開發商，而曾經的學術小鎮耶拿（Jena）現在已成為光子學和光學技術研發的溫床。

左：卡爾·蔡司的墳墓。通過Wikimedia Commons在公共領域中的圖像。右：耶拿（Zena）的蔡司天文館。圖片由 Michael Mertens — Flickr.com 提供，並通過Wikimedia Commons在 CC BY-SA 2.0 下獲得許可。

蔡司、阿貝以及他們顯微鏡的故事顯示瞭從經驗研究到分析計算的重要歷程。蔡司的車間起初是一個反復試驗的過程，在該過程中，設計不達標的原型在重新開始之前都會被手工銷毀。在阿貝的幫助下，蔡司可以使用光學原理設計先進的復合顯微鏡，以確保獲得最佳性能。

那麼，他們旅程的下一個階段又是什麼呢？一種可能性是光線追蹤軟件，這類軟件可以對光學大型系統中的光線軌跡進行可視化和分析，以開發新的顯微鏡。COMSOL Multiphysics® 軟件及其附加的射線光學模塊使這一設想成為可能。例如，COMSOL 案例庫中的雙高斯透鏡教程模型演示瞭如何使用 COMSOL® 軟件模擬最初由 Zeiss，Inc. 眼鏡開發商於 1897 年在耶拿進行的設計。

46cc3e6a99f1f66fc1d4ce2785562ac4雙高斯鏡頭模型。

STOP 分析可以分析設備的結構、熱和光學性能，這是多物理場仿真非常有價值的另一個示例。COMSOL Multiphysics 中的各種模型包括內置的 Schott 目錄中的玻璃，以及其他各種制造商的眼鏡。例如，具有表面對表面輻射的 Petzval 透鏡 STOP 分析演示瞭 Schott 熱光 色散模型。

Petzval 鏡頭模型的 STOP 分析。

蔡司、阿貝以及他們顯微鏡的故事是一個關於結合經驗研究、分析計算、多物理場仿真以及同事之間的協作改變生活例子，相信歷史上和今天仍有很多這樣的創新故事正在發生。