動手造鏡、親手排圖 丹尼爾的微觀矽藻世界

本文轉載自顯微觀點

還記得顯微觀點曾經介紹過19世紀的科技藝術-矽藻玻片嗎?2024年全球顯微攝影大賽(2024 Global Image of the Year,IOTY)的亞太地區優勝作品,便是矽藻玻片的影像,由來自澳洲的丹尼爾‧韓(Daniel Han)精心排列及拍攝。

猶記前幾年新冠疫情席捲全球,迫使人們足不出戶的那段日子裡,有人學會了做麵包,有人迷上了居家運動,來自澳洲的丹尼爾‧韓則是意外踏上了一條通往矽藻微觀世界的奇幻旅程。

丹尼爾擁有電機工程與數學的學位,第一次接觸顯微鏡是在擔任助理的時候。因其電機工程專業,他為畢業論文組裝一台顯微鏡,以鑽研影像擷取自動化的研究題目。

但直到新冠疫情爆發,他才透過網站買下一台二手的Olympus BX4,將它修好並投入顯微觀察的世界。起初,他用顯微鏡觀察蝴蝶翅膀、沙子或其他常見材料;他也學習如何透過z軸堆疊改善影像,並自己組裝光學系統、改裝步進馬達、加裝相機鏡頭,以實現自動化需求。

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他表示,提高影像對比和解析度的方法繁多,背後的理論都讓他著迷。而運用他在電子領域的知識來修復、改裝顯微鏡更他感受到工程實用性的魅力所在。

而早在2021年,丹尼爾‧韓便以一張色彩繽紛的蕨類植物孢子影像,在當年全球顯微攝影大賽(2021 Global Image of the Year,IOTY)顯微攝影比賽中獲得肯定,榮獲亞太區優勝。

這幅影像呈現新鮮採摘的蕨類植物葉子背面孢子囊爆開的瞬間,而蕨類植物的葉子和孢子囊群在紫外線照射下發出自發性的螢光。

2021 IOTY 亞太區優勝作品,拍攝者:Daniel Han/圖片來源:EVIDENT官網

這次得獎只是個開端。當時他便透漏正在拍攝更多與矽藻相關的顯微照片,並正在研究螢光及反捲積的影像處理技術,以提高作品品質。而他憑藉矽藻的排列影像,再度贏得2024年獎項。

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著迷矽藻排列 自製顯微鏡克服拍攝難題

疫情初期,丹尼爾在網路上購買到一批老舊的矽藻玻片,並深深為此著迷。當他發現可以在顯微鏡下創作色彩繽紛、引人入勝的矽藻影像時,更是深受啟發,開始將多種矽藻排列成不同的形狀,試圖創造出獨一無二的藝術呈現。由於矽藻的細胞壁由二氧化矽構成,且不同種的矽藻形狀和形態各異,他更將矽藻形容為「大自然的玻璃寶石」。

得獎作品的排列由各種來自不同產地的矽藻組成,包括丹麥莫爾斯、法國聖洛朗拉韋爾內德、美國俄勒岡州和緬因州等;且為了達到美觀效果,他還添加了一些海綿骨針。

「玻片由一位封片技術正快速提升的朋友製作,並使用自己動手做的暗視野裝置拍攝」,丹尼爾表示在拍攝時確實遇到了一些挑戰。

首先是景深問題。由於矽藻較厚,為了克服焦平面的限制,他採用了Z軸堆疊(Z-stacking)技術,將多個焦點不同的影像合成一張清晰完整的圖片。

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對比度也是一項挑戰。由於矽藻外殼為玻璃質,其折射率與蓋玻片和載玻片相近,導致本身幾乎沒有對比度。為了提升影像對比,丹尼爾使用高折射率(約 1.75 RI)的封片劑(註1),並結合暗視野顯微術與偏振光的技術成像。他表示,圖像中所呈現的色彩便是來自於光的干涉效應。

由於丹尼爾所使用的聚光鏡原本不具備暗視野功能,因此他也自行設計了一個托盤,能夠滑入偏振鏡上方,並在上面安裝遮光片以達成暗視野效果。而他認為,雖與傳統遮蓋光孔的方法不同,但光環的位置更靠近聚光鏡的後焦平面,可以得到更好的效果。

此外,為了確保足夠的視野範圍。他使用10倍物鏡搭配2倍放大轉換器(相當於放大20倍)只能拍到整個排列圖案的一半,便將兩組 Z 軸堆疊影像進行拼接,合成一張完整圖像。

「許多人認為必須使用像微分干涉對比(DIC)這類昂貴的成像技術,才能拍出引人注目的矽藻影像。但我認為其實暗視野與明視野成像也同樣具有價值,也能呈現出非常漂亮的效果」,除了沉迷於矽藻影像外,對丹尼爾而言,顯微成像的技術挑戰更是讓他著迷於拍攝顯微影像的原因之一。

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丹尼爾認為市面上現有的顯微鏡裝置大多是為了科學研究或工業用途所設計,而不是為了藝術創作而生。「如果我能夠設計並製作出一個裝置,不輸甚至超越市面上所推出的官方顯微鏡產品,那種成就感是無法言喻的」,他如此說道。

而這份愛好也延伸到丹尼爾的生活。當他在戶外考察時,會隨身攜帶取樣工具,只要看到值得關注的微觀生物,就會順手取樣帶回家觀察。他還經營了一個Instagram帳號,專門展示他所拍攝的矽藻圖像,並撰寫部落格分享顯微鏡自動化的技術筆記與個人見解。

註解:

  • 註1:真空 RI = 1、水 RI ≈ 1.33、玻璃 RI ≈ 1.5

參考資料:

延伸閱讀:

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顯微觀點

從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。