《科學大家》|微距算什麼 看看顯微攝影下的奇妙世界
2017年09月14日08:02

  出品 | 新浪科技《科學大家》

  撰文 | 張超,天體物理碩士,現工作於中科院國家天文台《中國國家天文》雜誌編輯部,負責教育活動,以及編輯等工作。著有《雲與大氣現象》,主編《荒野傳奇》攝影集、科普讀物《娛樂也科學》,執筆科普讀物《風吹電來》,顯微攝影作品曾獲全國首屆科普攝影大賽二等獎,國際“小世界”、“生物世界”顯微攝影賽榮譽獎。

顯微攝影下峇里島的沙子
顯微攝影下峇里島的沙子
日本星沙
日本星沙
塞班島的星星沙
塞班島的星星沙
內蒙古巴丹吉林的沙子
內蒙古巴丹吉林的沙子
夏威夷的沙子
夏威夷的沙子

  一捧沙子裡面到底會有多少故事?如果你借助一台顯微鏡,便可以盡覽沙子中神奇的世界。在海邊沙灘玩耍時,你或許不知道,海灘上的沙子是由白色、黃色晶瑩剔透的石英顆粒組成的,其中混雜著各種海洋生物的碎屑,比如小貝殼、海膽、小海螺等等,用肉眼根本覺察不到它們的存在。如果有機會去熱帶島嶼上玩,還會見到一種雪白的沙灘,那裡的沙子幾乎全是珊瑚的破碎後的顆粒――這還要歸功與海洋中鸚鵡嘴魚,正是它們不停啃食珊瑚,才形成了漂亮的珊瑚沙。有一種沙灘,那是火山大的傑作――火山岩石中夾雜大量橄欖石,風化後形成翠綠色的細細沙子,在海水打磨下粒粒光滑。還有一種沙灘,每一粒沙子都是一枚小星星,很神奇吧?這些是海洋中有孔蟲的傑作,這種沙子被叫做“星星沙”,是世界上僅有幾個海岸的特產。

  海洋的沙子如此豐富多彩,內陸的沙子又會如何呢?在內蒙古的一些沙地,我們能在沙丘下發現很多渾圓的透明沙粒,風的打磨作用比水要強得多,因此圓球沙粒更多在內陸沙地、沙漠中見到。如果去沙漠玩,別忘了帶一點沙子留作紀念,漫漫黃沙也有五彩繽紛的故事,在顯微鏡下,黃沙顆粒如玻璃球般圓潤純淨,還經常可以看見各種顏色的瑪瑙點綴其中。如果你找到的是溪流邊的沙子,那也有機會找到寶貝――溪流邊的沙子多沒有經過長時間打磨,沙子棱角畢現,不過細細尋找,有可能找到結晶完好的微小水晶哦。

顯微攝影下球粒隕石中的各種球粒,就是四十多億年前,太陽系中的那些小顆粒,微型迷你小星球
顯微攝影下球粒隕石中的各種球粒,就是四十多億年前,太陽系中的那些小顆粒,微型迷你小星球

  微距算什麼,看看顯微攝影

  很多人認為,顯微攝影嘛,就是比微距攝影倍率更高的拍攝手段,而且會借助顯微鏡來拍攝,把那些物體拍得絲毫畢現就好了。也有很多人認為,微距拍攝就夠難的了,顯微攝影豈不是難上加難?其實並不然,顯微攝影的難度並不很高,但使用的設備和拍攝方法,與人們的習慣完全不同。這裡面究竟有什麼門道呢?容我一一表述。

  01 選擇相機,入門就好

  顯微攝影需要什麼樣的相機呢?應該說,什麼樣的相機都可以從事顯微攝影,而且不同的相機用途也各有異同。在使用相機拍攝顯微圖片時,需要與顯微鏡或者顯微鏡頭連接,連接方式有兩種,第一種叫做目鏡後攝影,就是用相機鏡頭對準目鏡中的畫面進行拍攝。這種拍攝方式要求相機鏡頭小巧,一般來說手機、卡片機適用於這種拍攝,特別適用於IXUS系列之類的帶有變焦的卡片機使用。拍攝方法很簡單,先在顯微鏡中看到清晰的畫面,然後將相機鏡頭對準顯微鏡目鏡,用自動模式,自動對焦即可。因為鏡頭結構的原因,有時需要上下調整相機的位置,直至畫面大而清晰時,就可以按動快門進行拍攝。如果光線較暗,就可以自己做一個套筒,或者用三腳架進行固定,滿足較慢快門的拍攝。

  如果使用單反、無反之類的可換鏡頭相機,我們可以採用第二種方法,叫做直焦攝影法,直接將相機的鏡頭拆除,顯微鏡的目鏡取下,然後通過一個簡單的裝置將相機和顯微鏡連接在一起(這個裝置很容易買到,比如Canon相機就採用顯微鏡轉EOS口即可),一般的顯微鏡只支援APS畫幅的相機,如果用全畫幅相機拍攝,會出現一個很大的黑圈,只有少數的顯微鏡可以支援全畫幅相機(通常是因為內部有擴束光路),所以用APS相機就足以應對絕大部分題材。

顯微攝影下的雪花美輪美奐
顯微攝影下的雪花美輪美奐
顯微攝影下的雪花美輪美奐
顯微攝影下的雪花美輪美奐

  02 按下快門,需要等待

  如果說日常攝影是一種快門攝影,那麼顯微攝影大多數情況下是慢門攝影,因為何顯微鏡進行了連接,相機得以固定妥當,不用再考慮手抖的問題,因此可以放心降低ISO來獲得高畫質。我一般使用Canon600D進行拍攝,大多數情況下的拍攝參數是這樣:M擋拍攝,ISO100,快門速度2秒,或者5秒。為何選擇2秒到5秒這樣一個時間呢?首先,雖然相機已經足夠穩定,但反光板和快門的震動,以及按下快門時的力道,都會對穩定程度造成影響,成像容易出重影。當然,使用快門線加反光板預升,是可以部分解決這個問題,但快門的運動依然會產生抖動,好在這個抖動並不劇烈,而且會很快衰減,因此適當延長快門時間,會抵消掉抖動的影響。不過,過長時間的曝光是會帶來暗流噪聲的,所以曝光時間也不宜過長。

  有人經常會問,ISO和快門都選好了,那麼光圈設為多少呢?大家注意,此時顯微鏡與相機相連接,顯微鏡的物鏡充當了相機的鏡頭,而大多數顯微鏡頭是不帶光圈結構的,這是因為顯微鏡物鏡的最大光圈就是解像度最佳的,使用光圈會降低成像解像度。因此光圈是一個固定數值,而且需要換算參數才能得到,所以我們在拍攝時可以忽略光圈的影像,而是多拍攝幾張,試出一個合適的曝光參數。

顯微攝影下美麗的水結晶
顯微攝影下美麗的水結晶

  03 一張不行,多拍幾張

  顯微攝影是科學攝影的一種,它的拍攝策略與普通攝影不同,甚至與微距攝影也迥異。很多顯微攝影作品不單單只靠一張照片拍出來的,有可能是多張照片的聯合。比如,有些亮度很低的目標,需要的曝光時間很長,帶來了大量噪點,畫質受到了很大損失,因此採用多張連續拍攝,疊加降噪的方式可以大大提高畫質,類似的方法還有暗場扣除法等。

  顯微攝影由於倍數高,拍攝照片的景深很小,即便收縮光闌,景深的增大也很有限,反而由於衍射定律的限製,降低了圖像的解像度。因此對於大景深拍攝,多採用焦點堆疊技術,也就是從上至下依次拍攝,後期通過軟件,將清晰的部分疊合起來,形成一張全景深圖片。這些技術都是在普通攝影中極少用到的。

  空氣中細小的霾顆粒到底是什麼樣子呢?由顯微鏡1000倍(目視)拍攝,有復合體,有生物顆粒,有礦物質的,形狀各異,看上去觸目驚心
  空氣中細小的霾顆粒到底是什麼樣子呢?由顯微鏡1000倍(目視)拍攝,有復合體,有生物顆粒,有礦物質的,形狀各異,看上去觸目驚心

  04 光線變化,超乎想像

  另外,顯微攝影的光線運用也比普通攝影複雜很多,明堂五花八門。比如暗場效果的拍攝,使用專用的暗場聚光鏡,利用丁達爾散射效應,可以拍出背景漆黑,主體明亮的效果,而且解像度比一般的顯微拍攝還要高。偏振光拍攝是專門拍攝晶體的一門技術,利用兩枚偏振片正交,這樣就將拍攝晶體的折射特性凸顯出來,營造出五彩繽紛的色彩。對於攝影者,會體會到這種神奇的效果,對於研究者,可以利用這些顏色從事分析工作。

  高倍的顯微攝影存在著高分辨與高反差不能兼得的問題,利用光線的技術,可以達到解像度和反差相對雙高的效果。常見的有相差、霍夫曼干涉、微分干涉等方法,其中相差法利用利用環形的結構實現較低解像度的高反差,拍攝物體的邊緣極為分明,而且能將透明物體內部的模糊影像清晰呈現。微分干涉是在較高解像度部分實現高反差,拍攝出來的物體有立體浮雕效果,細節變得更為顯著。

  而普通攝影中的一些光線運用,也可以在顯微攝影中得到體現,比如斜射光照明、多色照明,特別是柔光技術運用在顯微攝影中後,可以將高反光物體的細節展示清晰,正因為這些技術的應用,讓顯微攝影的效果不斷刷新,達到一個又一個新的高度。

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