从传统摄影到显微拍摄

【摘要】显微镜在社会各个理工农医行业中不可或缺。理工科的本科生都会开始接触并学习显微镜的原理和使用。但是，显微镜的种类繁多、机制复杂，学生理解与操作相对困难。然而，显微镜根本上就是一种特殊的摄影技术。本文结合摄影通识教育，从手机拍照到传统相机的成像原理出发，最终激发学生对显微镜拍摄的兴趣。因此，将生活中接触到的摄影方法深入浅出的融入显微镜的教学内容中，将让学生深刻地掌握显微镜的原理与操作。

【关键词】手机 摄影 显微镜 教学

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）46-0240-02

显微技术经历了数百年来的发展，为世界的科学研究进步、技术更替、甚至人类的进步做出了重要贡献。然而，这些仪器在原理上理解困难、操作上具有一定复杂度，本科生尚需花大量时间去学习，也对教学造成了一定困难。因此，如何在教学理念上予以突破，成為了显微镜教学的关键点。显微成像本质上是一门摄影技术方法学，而学生每日都用手机进行拍照摄影。本文作者在显微镜教学上进行了一系列的改进，从摄影开始，向学生介绍相机的硬件、成像原理及拍摄，进而深入浅出的谈到显微镜技术。因此，从学生的生活常识起始教学，延伸其对专业课程的兴趣，才能让教学达到最好的效果。

一、显微镜学在不同专业领域中的应用

显微镜在各个领域中的应用相当的广泛，几乎所有理工农医的学生都会接触到显微镜为研究学习工具的相关课程[1]。显微镜在生命科学、基础医学、临床医学、药物研究的进展中起着不可估量的作用。生命科学与医学领域中，从细胞增殖与分化、信号传导到细菌检测、细胞观察与分型都需要用到传统的光学明场显微镜、荧光共聚焦显微镜[2]，在微解剖方面需要用到解剖显微镜[3]，在细胞的超微结构观察方面需要用到电子显微镜及暗场显微镜。对于材料与化学、航天航空、电子/机械/自动化的学生而言，会使用到透射和扫描电子显微镜，用来观察物质的形态、晶体结构、材料老化与应力变化、电子电路分布及缺陷等。纺织工程、地球科学、地理学与矿业类、农林类、物理学、土木水利、刑侦学、考古的学生也会用到体视/偏光/金相显微镜等，用来研究样品的颜色、形状、大小、材料中的纤维特性、木材分类鉴定[4]。

因此，几乎所有的理工农医的本科生都会涉及到显微镜的使用。然而如何让学生真正理解显微镜的原理、功能及操作，需要深入浅出的对显微镜进行讲解。从学生生活中常用的手机拍照开始讲起，也许是不错的选择。

二、将生活摄影与显微摄影进行交叉教学

在日常生活中，人们最常用的拍照工具是手机。手机以轻巧便携和操作简易性上获得了学生的喜爱，成为了他们最不可缺少的生活用品。在教学过程中，老师可以适当的从手机拍照开始，帮助学生了解自己手机中的简易的参数设置，手机拍摄都有如曝光、白平衡、感光度、闪光灯、防抖及场景选择等设置；通过熟悉这些参数，过渡到传统的卡片机、单镜头反光相机（单反相机），最终熟悉显微镜系统中对应的器件与功能。学生在整个显微镜学习过程中，同时也获取了生活摄影的专业素养。

以下针对每个部件进行简单的介绍，并举例说明在显微镜教学过程中，应如何结合生活摄影照片、如何从传统相机参数讲起，让学生更好的了解显微镜。

1.光路原理。传统相机的光路系统与显微镜光路系统有一定的相似性，但总体而言，传统相机的光路进入相机前是受制于环境的，人们一般利用反光板、补光灯对人物主体进行布光，从而实现对主体的勾勒；类似的，显微镜系统的光路也具有对样品“布光”的功能，比如聚光镜通过调整光线的聚集，勾勒出样品的明暗和立体感。明场显微镜的光线从光源发出，通过聚光镜透过样品，通过物镜镜片、投射镜片及目镜镜片，使得样品影像落于人眼视网膜上；暗场显微镜的“布光”方式并不是直接透射样品，而是通过暗场环让光线从侧面照射到样品上，相当于传统摄影中的侧光人像，这能够明显的提升样品的立体感。因此在显微镜的教学过程中，首先可就学生感兴趣的生活照片的布光方式讲起，让学生了解顺光、侧光、逆光的概念，以及补光所用的器材及功能；转而对比显微镜，陈述显微镜中的光路特点、与传统相机光路的异同，最终让学生理解并深刻记忆不同显微镜的成像方式。

2.镜头与光圈。传统相机镜头有焦距，如50mm定焦镜头、18-70mm变焦镜头等；镜头焦距越短，成像的视野越大、透视感强、景深大，但视野中的个体小，这便是广角镜头，反之就是远摄镜头；而显微镜的镜头并无焦距概念，一般用放大倍数如10X，40X，100X来表示。镜头也有一些特殊称法，比如适配传统相机的大曲率鱼眼镜头，用来拍摄超广视角；而100X的显微镜头一般为油镜，因为样品和物镜之间需要油介质才能清晰得到样品像。因此，通过两者镜头的比较，学生能通过相机镜头的了解来深刻学习不同显微镜头的称谓及功能。这里举几个例子。学生经常会遇到一个现象：为什么100X的显微镜头下细胞看得清楚，但为何景深浅？在对学生的教学过程中，可将相机镜头与显微镜头进行对比：10X的显微镜镜头的视野大、景深强，相当于相机广角镜头；100X的对细胞内涵物质拍摄精细，但同时视野小、景深浅，如同远摄镜头——通过这种办法，能让学生理解记忆100X的景深浅的问题。另外，学生用手机拍风景时，常会发现在反差大的交界处出现色斑，尤其是紫边的现象；这在病理组织片子以及暗场显微镜的拍摄也会遇到紫边现象，一般由镜头的质量导致；因此，可让学生从手机照片中找到紫边的例子，让其更深刻的理解镜头的重要性，再换为奥林巴斯的100X油镜，紫边问题就迎刃而解。学生在学习显微镜过程中还发现，显微镜有一个可以调节光源的进光量和方向的聚光镜，其含有一个可控制光进入显微系统的可调光圈。不过，在传统相机光圈是设置在镜头上的，其光圈是可以从f2调整到f22，从而通过光圈的大小来控制单位时间的外景进光量。

3.白平衡。在教学实践过程中，学生在拍摄病理切片时会颜色失真，照片偏暖或冷色调，这是因为他们对白平衡未有足够认识。一般情况下，显微镜的光源接近于日光，即色温在5200K左右；即使光源偏暖，国产显微镜也会附配蓝色滤镜纠正色温，这时显微照片应能呈现出正常色彩。在教学过程中，需首先向学生普及色温、滤镜、色彩色调等基本概念；再循序渐进的指出显微镜中放置滤镜处、软件中调节白平衡的方式。教学中还可加入新的实践内容，即用Photoshop还原严重偏色的生活照，让学生了解了白平衡的意义和校正办法。

4.感光元件和感光度。学生在学习显微镜操作过程中，最后一步就是给样品拍照。近十年显微镜硬件飞速发展，传统的胶片曝光被电子感光元件所替代。电荷耦合器（Charge Coupled Device，CCD）是目前最常见的大量用于传统相机和显微镜的成像元件。与胶片不同的是，CCD上有感光二极管，其在受到光子的撞击后释放电子，电子数目与光的强弱成正比。除了CCD，现在越来越多使用 CMOS感光元件。CMOS 的优势在于成本低、耗电少，缺点是较容易出现杂点。与学生讲述感光元件时，完全可以从胶卷的成像历史与原理讲起，到胶卷的分类与尺寸大小，从而进一步谈到CCD的尺寸与成像的关系。在实际拍摄显微镜照片时，学生会遇到照片拖尾、噪点、明暗反差大等问题，这些平时相机和手机拍照时都会遇到。比如在显微成像中CCD的反应迟滞可能是长时曝光或光电信号转换导致，而传统相机中对应的就是慢速曝光导致照片因振动而模糊；噪点是因为样品荧光过低，暗处曝光导致 CCD 产生暗电流呈现彩色噪点，而在传统相机中这种现象也非常明显；质量较差的CCD的亮度及色彩动态范围窄，导致亮度过渡差、缺乏细节、颜色呆板，传统相机的CCD也有窄动态范围使得黑白反差过大、色彩不够细腻；感光度（ISO）是感光元件对环境光线的敏感程度，但由于CCD产生的噪点相当厉害，一般并不建议用高感光去拍摄正常亮度下的场景。在进行荧光显微成像时，学生偏爱高ISO拍摄图片，但噪点会增加，因此宁可ISO较低并进行慢速曝光，是比较好的方式。

5.图像输出。传统相机CCD成像后的输出格式一般为分辨率可预设置的jpeg格式，对单反相机而言，还有一种Raw无损格式来进行后期编辑；显微镜输出照片也多为jpeg格式，但也可以存储成tiff格式相对无损照片质量的格式。不过，为了迎合科研级成像的需要，比如后期对图片进行一些定量分析，显微镜软件系统往往加配可选16bit的jpeg图片格式，其显微照片的颜色过渡更加的细腻，适用于图片定量分析。

四、结语

总而言之，在显微镜教学过程中，老师可从生活摄影的照片谈起，从手机拍照谈起，对如何拍好生活照提出解决方案，并讲解相机的一些硬件知识，引起学生学习成像的兴趣，再循序渐进的引申出显微系统中对应的配件及功能，从而更好的让学生理解显微镜的原理以及正确的操作显微镜。

参考文献：

[1]王莉，蒋洪，孙丽丽.显微镜的发展综述[J].科技信息，2009，（11）：117-118+133.

[2]孙学俊，闫喜中，郝赤. 激光共聚焦扫描显微镜技术简介及其应用[J/OL]. 山西农业大學学报（自然科学版），2016，36（01）：1-9+14.

[3]严正村，王清，张恒柱，许恩喜，吴巍，王晓东. 内镜与显微镜经鼻蝶窦垂体瘤术后生存质量研究[J]. 中国微创外科杂志，2012，12（10）：930-932.

[4]李金华，潘永信. 透射电子显微镜在地球科学研究中的应用[J]. 中国科学：地球科学，2015，45（09）：1359-1382.

作者简介：

张乐帅（1980-），男，汉族，江苏南通人，苏州大学医学部，教授，比较生物医学博士、美国认证毒理学家，具有20年摄影经验；从事药理学与毒理学研究。