從傳統(tǒng)攝影到顯微拍攝

【摘要】顯微鏡在社會各個理工農醫(yī)行業(yè)中不可或缺。理工科的本科生都會開始接觸并學習顯微鏡的原理和使用。但是，顯微鏡的種類繁多、機制復雜，學生理解與操作相對困難。然而，顯微鏡根本上就是一種特殊的攝影技術。本文結合攝影通識教育，從手機拍照到傳統(tǒng)相機的成像原理出發(fā)，最終激發(fā)學生對顯微鏡拍攝的興趣。因此，將生活中接觸到的攝影方法深入淺出的融入顯微鏡的教學內容中，將讓學生深刻地掌握顯微鏡的原理與操作。

【關鍵詞】手機 攝影 顯微鏡 教學

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）46-0240-02

顯微技術經歷了數(shù)百年來的發(fā)展，為世界的科學研究進步、技術更替、甚至人類的進步做出了重要貢獻。然而，這些儀器在原理上理解困難、操作上具有一定復雜度，本科生尚需花大量時間去學習，也對教學造成了一定困難。因此，如何在教學理念上予以突破，成為了顯微鏡教學的關鍵點。顯微成像本質上是一門攝影技術方法學，而學生每日都用手機進行拍照攝影。本文作者在顯微鏡教學上進行了一系列的改進，從攝影開始，向學生介紹相機的硬件、成像原理及拍攝，進而深入淺出的談到顯微鏡技術。因此，從學生的生活常識起始教學，延伸其對專業(yè)課程的興趣，才能讓教學達到最好的效果。

一、顯微鏡學在不同專業(yè)領域中的應用

顯微鏡在各個領域中的應用相當?shù)膹V泛，幾乎所有理工農醫(yī)的學生都會接觸到顯微鏡為研究學習工具的相關課程[1]。顯微鏡在生命科學、基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學、藥物研究的進展中起著不可估量的作用。生命科學與醫(yī)學領域中，從細胞增殖與分化、信號傳導到細菌檢測、細胞觀察與分型都需要用到傳統(tǒng)的光學明場顯微鏡、熒光共聚焦顯微鏡[2]，在微解剖方面需要用到解剖顯微鏡[3]，在細胞的超微結構觀察方面需要用到電子顯微鏡及暗場顯微鏡。對于材料與化學、航天航空、電子/機械/自動化的學生而言，會使用到透射和掃描電子顯微鏡，用來觀察物質的形態(tài)、晶體結構、材料老化與應力變化、電子電路分布及缺陷等。紡織工程、地球科學、地理學與礦業(yè)類、農林類、物理學、土木水利、刑偵學、考古的學生也會用到體視/偏光/金相顯微鏡等，用來研究樣品的顏色、形狀、大小、材料中的纖維特性、木材分類鑒定[4]。

因此，幾乎所有的理工農醫(yī)的本科生都會涉及到顯微鏡的使用。然而如何讓學生真正理解顯微鏡的原理、功能及操作，需要深入淺出的對顯微鏡進行講解。從學生生活中常用的手機拍照開始講起，也許是不錯的選擇。

二、將生活攝影與顯微攝影進行交叉教學

在日常生活中，人們最常用的拍照工具是手機。手機以輕巧便攜和操作簡易性上獲得了學生的喜愛，成為了他們最不可缺少的生活用品。在教學過程中，老師可以適當?shù)膹氖謾C拍照開始，幫助學生了解自己手機中的簡易的參數(shù)設置，手機拍攝都有如曝光、白平衡、感光度、閃光燈、防抖及場景選擇等設置；通過熟悉這些參數(shù)，過渡到傳統(tǒng)的卡片機、單鏡頭反光相機（單反相機），最終熟悉顯微鏡系統(tǒng)中對應的器件與功能。學生在整個顯微鏡學習過程中，同時也獲取了生活攝影的專業(yè)素養(yǎng)。

以下針對每個部件進行簡單的介紹，并舉例說明在顯微鏡教學過程中，應如何結合生活攝影照片、如何從傳統(tǒng)相機參數(shù)講起，讓學生更好的了解顯微鏡。

1.光路原理。傳統(tǒng)相機的光路系統(tǒng)與顯微鏡光路系統(tǒng)有一定的相似性，但總體而言，傳統(tǒng)相機的光路進入相機前是受制于環(huán)境的，人們一般利用反光板、補光燈對人物主體進行布光，從而實現(xiàn)對主體的勾勒；類似的，顯微鏡系統(tǒng)的光路也具有對樣品“布光”的功能，比如聚光鏡通過調整光線的聚集，勾勒出樣品的明暗和立體感。明場顯微鏡的光線從光源發(fā)出，通過聚光鏡透過樣品，通過物鏡鏡片、投射鏡片及目鏡鏡片，使得樣品影像落于人眼視網膜上；暗場顯微鏡的“布光”方式并不是直接透射樣品，而是通過暗場環(huán)讓光線從側面照射到樣品上，相當于傳統(tǒng)攝影中的側光人像，這能夠明顯的提升樣品的立體感。因此在顯微鏡的教學過程中，首先可就學生感興趣的生活照片的布光方式講起，讓學生了解順光、側光、逆光的概念，以及補光所用的器材及功能；轉而對比顯微鏡，陳述顯微鏡中的光路特點、與傳統(tǒng)相機光路的異同，最終讓學生理解并深刻記憶不同顯微鏡的成像方式。

2.鏡頭與光圈。傳統(tǒng)相機鏡頭有焦距，如50mm定焦鏡頭、18-70mm變焦鏡頭等；鏡頭焦距越短，成像的視野越大、透視感強、景深大，但視野中的個體小，這便是廣角鏡頭，反之就是遠攝鏡頭；而顯微鏡的鏡頭并無焦距概念，一般用放大倍數(shù)如10X，40X，100X來表示。鏡頭也有一些特殊稱法，比如適配傳統(tǒng)相機的大曲率魚眼鏡頭，用來拍攝超廣視角；而100X的顯微鏡頭一般為油鏡，因為樣品和物鏡之間需要油介質才能清晰得到樣品像。因此，通過兩者鏡頭的比較，學生能通過相機鏡頭的了解來深刻學習不同顯微鏡頭的稱謂及功能。這里舉幾個例子。學生經常會遇到一個現(xiàn)象：為什么100X的顯微鏡頭下細胞看得清楚，但為何景深淺？在對學生的教學過程中，可將相機鏡頭與顯微鏡頭進行對比：10X的顯微鏡鏡頭的視野大、景深強，相當于相機廣角鏡頭；100X的對細胞內涵物質拍攝精細，但同時視野小、景深淺，如同遠攝鏡頭——通過這種辦法，能讓學生理解記憶100X的景深淺的問題。另外，學生用手機拍風景時，常會發(fā)現(xiàn)在反差大的交界處出現(xiàn)色斑，尤其是紫邊的現(xiàn)象；這在病理組織片子以及暗場顯微鏡的拍攝也會遇到紫邊現(xiàn)象，一般由鏡頭的質量導致；因此，可讓學生從手機照片中找到紫邊的例子，讓其更深刻的理解鏡頭的重要性，再換為奧林巴斯的100X油鏡，紫邊問題就迎刃而解。學生在學習顯微鏡過程中還發(fā)現(xiàn)，顯微鏡有一個可以調節(jié)光源的進光量和方向的聚光鏡，其含有一個可控制光進入顯微系統(tǒng)的可調光圈。不過，在傳統(tǒng)相機光圈是設置在鏡頭上的，其光圈是可以從f2調整到f22，從而通過光圈的大小來控制單位時間的外景進光量。

3.白平衡。在教學實踐過程中，學生在拍攝病理切片時會顏色失真，照片偏暖或冷色調，這是因為他們對白平衡未有足夠認識。一般情況下，顯微鏡的光源接近于日光，即色溫在5200K左右；即使光源偏暖，國產顯微鏡也會附配藍色濾鏡糾正色溫，這時顯微照片應能呈現(xiàn)出正常色彩。在教學過程中，需首先向學生普及色溫、濾鏡、色彩色調等基本概念；再循序漸進的指出顯微鏡中放置濾鏡處、軟件中調節(jié)白平衡的方式。教學中還可加入新的實踐內容，即用Photoshop還原嚴重偏色的生活照，讓學生了解了白平衡的意義和校正辦法。endprint

4.感光元件和感光度。學生在學習顯微鏡操作過程中，最后一步就是給樣品拍照。近十年顯微鏡硬件飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的膠片曝光被電子感光元件所替代。電荷耦合器（Charge Coupled Device，CCD）是目前最常見的大量用于傳統(tǒng)相機和顯微鏡的成像元件。與膠片不同的是，CCD上有感光二極管，其在受到光子的撞擊后釋放電子，電子數(shù)目與光的強弱成正比。除了CCD，現(xiàn)在越來越多使用 CMOS感光元件。CMOS 的優(yōu)勢在于成本低、耗電少，缺點是較容易出現(xiàn)雜點。與學生講述感光元件時，完全可以從膠卷的成像歷史與原理講起，到膠卷的分類與尺寸大小，從而進一步談到CCD的尺寸與成像的關系。在實際拍攝顯微鏡照片時，學生會遇到照片拖尾、噪點、明暗反差大等問題，這些平時相機和手機拍照時都會遇到。比如在顯微成像中CCD的反應遲滯可能是長時曝光或光電信號轉換導致，而傳統(tǒng)相機中對應的就是慢速曝光導致照片因振動而模糊；噪點是因為樣品熒光過低，暗處曝光導致 CCD 產生暗電流呈現(xiàn)彩色噪點，而在傳統(tǒng)相機中這種現(xiàn)象也非常明顯；質量較差的CCD的亮度及色彩動態(tài)范圍窄，導致亮度過渡差、缺乏細節(jié)、顏色呆板，傳統(tǒng)相機的CCD也有窄動態(tài)范圍使得黑白反差過大、色彩不夠細膩；感光度（ISO）是感光元件對環(huán)境光線的敏感程度，但由于CCD產生的噪點相當厲害，一般并不建議用高感光去拍攝正常亮度下的場景。在進行熒光顯微成像時，學生偏愛高ISO拍攝圖片，但噪點會增加，因此寧可ISO較低并進行慢速曝光，是比較好的方式。

5.圖像輸出。傳統(tǒng)相機CCD成像后的輸出格式一般為分辨率可預設置的jpeg格式，對單反相機而言，還有一種Raw無損格式來進行后期編輯；顯微鏡輸出照片也多為jpeg格式，但也可以存儲成tiff格式相對無損照片質量的格式。不過，為了迎合科研級成像的需要，比如后期對圖片進行一些定量分析，顯微鏡軟件系統(tǒng)往往加配可選16bit的jpeg圖片格式，其顯微照片的顏色過渡更加的細膩，適用于圖片定量分析。

四、結語

總而言之，在顯微鏡教學過程中，老師可從生活攝影的照片談起，從手機拍照談起，對如何拍好生活照提出解決方案，并講解相機的一些硬件知識，引起學生學習成像的興趣，再循序漸進的引申出顯微系統(tǒng)中對應的配件及功能，從而更好的讓學生理解顯微鏡的原理以及正確的操作顯微鏡。

參考文獻：

[1]王莉，蔣洪，孫麗麗.顯微鏡的發(fā)展綜述[J].科技信息，2009，（11）：117-118+133.

[2]孫學俊，閆喜中，郝赤. 激光共聚焦掃描顯微鏡技術簡介及其應用[J/OL]. 山西農業(yè)大學學報（自然科學版），2016，36（01）：1-9+14.

[3]嚴正村，王清，張恒柱，許恩喜，吳巍，王曉東. 內鏡與顯微鏡經鼻蝶竇垂體瘤術后生存質量研究[J]. 中國微創(chuàng)外科雜志，2012，12（10）：930-932.

[4]李金華，潘永信. 透射電子顯微鏡在地球科學研究中的應用[J]. 中國科學：地球科學，2015，45（09）：1359-1382.

作者簡介：

張樂帥（1980-），男，漢族，江蘇南通人，蘇州大學醫(yī)學部，教授，比較生物醫(yī)學博士、美國認證毒理學家，具有20年攝影經驗；從事藥理學與毒理學研究。endprint