攝影器材的架設及操作方法
疊焦攝影是一種影像合成技術，能將多張景深很淺的影像堆疊成為景深很深的影像，讓我們可以一次看清楚整個物體的外貌，這在顯微攝影特別有用。疊焦攝影原本應用在專業用途上，不過現在也有業餘的解決方案。這篇文章提供實際架設器材及操作過程，並以剛發芽的毛氈苔為例。
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微觀的世界總是那麼引人入勝，這是因為微觀的世界不是平日隨處可見的，必須要透過光學放大裝置才能見到。
我從開始栽培食蟲植物的時候，就很想用顯微鏡來觀察食蟲植物的微觀構造，例如捕蠅草的感覺毛、毛氈苔的腺毛、狸藻的捕蟲囊等等。在學生時代，偶爾有機會可以接觸到顯微鏡來觀察這些微小的構造。當自己有了相機，也開始嘗試用一般攝影用的微距鏡頭再接上蛇腹，可以實現達到5倍放大倍率的照片。可參考「拍攝矽晶圓上的孢芽」。
用微距鏡頭接蛇腹的方式還是有它的限制。想要越大的放大倍率，就要接越長的蛇腹，但隨著攝影裝備變得越來越大越沉重，就會越難操作，角度稍微偏了一點，物體就跑出畫面之外了。當年買了一個昂貴的Arca Swiss Monoball雲台，那是當時所知最好的可調整阻尼的雲台，可視攝影設備的重量來調整適當的阻尼，這樣在調整攝影設備的俯抑角度時會比較輕鬆。不過還是不好用，後來才得知Manfrotto有出齒輪雲台，可用旋鈕來調整角度。
畢竟一般攝影用的微距鏡頭其用途是在近拍而不是顯微攝影，接蛇腹來提高放大倍率只是變通的方法而不是最好的方法。想要拍攝高倍率的影像，還是要用專門的工具。
其實有些相機廠商有推出放大倍率超過1倍以上的顯微鏡頭，但可惜的是最大放大倍率只做到5倍，而且我使用的Nikon相機並沒有推出類似的鏡頭。以前有考慮過要購買解剖顯微鏡，不過解剖顯微鏡的缺點是只能用固定角度由上往下觀察，不易移動。
除此之外，不管用什麼樣的顯微設備都會遇到共通的問題，那就是放大倍率越大，影深就會越淺。所以在觀察任何有點厚度的物體時，總是只有一小部份的區域對焦清楚，其他的部份是模糊的。
因此，我放棄研究顯微攝影很長一段時間，直到認識疊焦(Stacking Focusing)攝影這個技術。
疊焦攝影的原理很簡單，就是拍攝一連串對焦由近到遠的照片，再用專門的軟體來後製。軟體會自動找出每張照片拍攝清楚的區域，最後堆疊出整個畫面都是清楚的照片。
疊焦攝影這個技術其實發展很久了，早在底片時代就可利用暗房技術，將兩張對焦在不同遠近的照片來合成遠近景都清楚的照片。到了數位時代，用電腦軟體來做疊焦更加容易，例如Photoshop就有疊焦的功能，要堆疊幾十張照片都不是問題。
顯微鏡當然也有運用到疊焦技術。高階的顯微鏡可由電腦控制，自動升降載物台來拍攝一連串對焦位置不同的影像，並由原廠的影像處理軟體來堆疊影像，甚至可重建3D影像。不過，高階顯微鏡要價百萬元，還要再花費數十萬元購買軟體，這實在不是業餘攝影可以負擔得起的工具。
後來發現了業餘玩家的解決方案，而且可以實現專業級的成果，於是又讓我重新投入顯微攝影。其實全世界有不少人對於顯微攝影有興趣，網路上有許多網站或部落格詳細介紹這樣的技術，同時有廠商發展出完整的硬體及軟體產品，價格也在負擔得起的範圍內。
疊焦攝影的參考資訊
想要做出高倍放大倍率的疊焦攝影，關鍵在於如何自行組裝顯微鏡。買一台現成的顯微鏡並不適用，我們就暫先不考慮價格因素，幾乎任何一台顯微鏡的結構都是一樣，是由堅固沉重的結構組成，而且只限於把樣品切片之後放在載玻片，再封上蓋玻片才能觀察。然而這並不符合我的需求，我想要的是可以直接觀察活體植物，而不是做切片，因為許多食蟲植物的捕蟲葉經過刺激後都會觸發運動，變成不是原來的樣子。例如捕蠅草的夾子再怎麼小心去切開，夾子都會閉起來，使得樣品變形。
要用一般顯微鏡來直接拍攝盆栽的可能性不高，怎麼讓接物鏡靠近物體的困難度太高了，除非拆掉顯微鏡的載物台。解剖顯微鏡的工作距離比較遠，直接觀察盆栽的可能性較高，不過它只限於由上往下觀察，不像相機可以從任意角度來取景。工業用顯微鏡有可調攝影角度的機種，可惜價位並不是業餘攝影可以負擔的範圍。
後來我發現一個有趣的網站「CLOSE-UP PHOTOGRAPHY 」。作者的本行是野生動物生態攝影，但他也研究不少顯微攝影技術，並且做許多器材的測試。我自己組裝的顯微鏡所採用的光學零件就是依據作者測試出的最佳組合。若你也對顯微攝影有興趣，這個網站值得好好研究。
這個網站恐怕是做出全世界最多顯微攝影鏡頭的評比。依據作者的測試結果，三豐(Mitutoyo)顯微鏡接物鏡搭配Thorlabs ITL200成像鏡筒可以得到非常優越的成像，可以擊敗大多數的接物鏡及成像鏡筒的組合。作者有找到影像解析度最好的接物鏡是Qioptiq公司的Mag.x系列接物鏡，不過這個接物鏡售價高達1萬美金以上，現階段我暫時是不考慮了。
顯微鏡架設
我依據作者的建議，用三豐接物鏡搭配Thorlabs ITL200成像鏡筒來組裝我的顯微鏡。許多人可能不清楚為什麼顯微鏡必須要安裝成像鏡筒，其實舊型的顯微鏡系統是接物鏡本身就可以直接成像，新型的顯微鏡系統只有接物鏡無法成像，必須要再搭配成像鏡筒。
為什麼新型的顯微鏡系統需要成像鏡筒是有理由的。人類最早發展出來的顯微鏡都是接物鏡直接成像，這種設計稱為「有限共軛(Finite-conjugate)」，優點是設計簡單便宜，只要接物鏡與接目鏡或相機連接起來就可以見到影像。但是它有個重大的缺點，就是在光路之間插入濾光片時就會改變焦點，於是要重新對焦。使用顯微鏡時經常會因為需求而要切換不同的濾光片，假如每次切換濾光片就要重新對焦，未免太不方便。於是就有現代這種「無限共軛(Infinite-conjugate)」設計的顯微鏡系統。
無限共軛設計的接物鏡其特點在於接物鏡後方出來的光線是聚焦在無限遠的地方，所以需要搭配成像鏡筒才能聚焦成像。這種設計比較複雜也比較貴，但在接物鏡與成像鏡筒之間可以任意插入多片濾光片也不會影響對焦。因此，現代化專業級顯微鏡都採用無限共軛設計，接物鏡上通常會有「無限(∞)」符號標示。有限共軛顯微鏡還是有，但只見於低價位的簡易顯微鏡或玩具顯微鏡上。
接物鏡、成像鏡筒、相機要怎麼連接起來，就要透過一些轉接環及鏡筒。組裝過程並不困難，通常只需要旋入即可鎖起來。至於鏡筒要接多長就依據原廠規定。三豐接物鏡與成像鏡筒之間的距離為76.5 mm，成像鏡筒與相機之間的距離為240.2 mm。不過也不用過度擔心鏡筒長度不合就不會成像。鏡筒越長，放大倍率會變大，反之，鏡筒越短則放大倍率越小。不過，鏡筒越長或越短，畫質會越差，只有在原廠規定的長度才能達到原廠所設計的放大倍率及最佳的畫質。
這些鏡頭及零件怎麼買，網站「CLOSE-UP PHOTOGRAPHY」的作者都是在eBay上找二手貨拼湊出來的。我個人則是全買新品，因為網路上購買二手接物鏡實在不太有保障。接物鏡最怕摔到，有時外觀看不出損傷，但內部鏡片的光軸已經歪了，除非實際組裝起來才能知道成像結果。
這些零組件以Thorlabs ITL200成像鏡筒最不容易買到。Thorlabs是美國的專業光學器材公司，沒有線上商店做零售。我個人是恰好有認識光學器材的代理商，對方願意零售給我。三豐接物鏡比較容易買到，有許多銷售顯微鏡的商店可以訂購，也能在台灣的網路拍賣找到二手貨。
鏡筒及轉接環的取得是另一個挑戰。我是全都購買Thorlabs的產品，鏡筒對相機的轉接環倒是購買自一家俄羅斯品牌。網站「CLOSE-UP PHOTOGRAPHY」的作者有介紹許多可以購買材料的管道，可自行研究。
Thorlabs ITL200成像鏡筒並不是什麼神祕的產品，它不過就是一個焦距200 mm的鏡頭而已，據稱是Thorlabs公司委託Nikon公司製造。有許多顯微攝影的愛好者因為本身就擁有70-200 mm的相機變焦鏡頭，再買一個鏡頭濾鏡接環對接物鏡的轉接環，就可以把接物鏡接在相機鏡頭的前端，也就能用了。
所有用於組裝顯微鏡的零件，含有兩個SM2螺牙的鏡筒、一個Throlabs ITL200成像鏡筒及其配套的轉接鏡筒SM2A20、一個Mitutoyo接物鏡、一個M26轉SM2轉接環、一個SM2轉Nikon F轉接環。
這次組裝顯微鏡的關鍵零件是右邊的成像鏡筒Throlabs ITL200，左邊是跟它搭配的原廠轉接鏡筒SM2A20，前後皆為SM2螺牙。
Throlabs ITL200成像鏡筒與鏡筒組裝後，就可以再和其他鏡筒連接起來。CLOSE-UP PHOTOGRAPHY的作者提到Throlabs ITL200鏡片正反方向標示錯誤，我所購入的也同樣是標錯的。這個成像鏡筒是由一個凸透鏡和凹透鏡組合，圖中可見是凹透鏡朝上，但鏡筒上的標示確是凸透鏡朝上。CLOSE-UP PHOTOGRAPHY的作者指出Throlabs ITL200成像鏡筒要倒接的效果較佳，也就是凹透鏡那一面要朝向目標物。
將鏡頭、鏡筒、轉接環依序鎖上就完成顯微鏡。組裝過程別忘了用吹氣罐吹走灰塵，讓鏡筒內部維持清潔。
顯微鏡支撐架是由Novoflex及Throlabs產品構成。使用3個NOVOFLEX Q=MOUNT Mini、1個延伸板QPL Slim 200 en、3個Throlabs鏡筒環SM2RC。這個鏡筒環的螺絲是英制，而且是少見的規格，找了一些地方才買到能用的英制六角扳手。
顯微鏡與顯微鏡支架組裝時，所有的螺絲先不要鎖緊，等到鏡筒環的間距調整適當，再來鎖緊螺絲。
顯微鏡與數位相機的組裝結果。Nikon Z7需要再接一個Nikon FTZ轉接環與顯微鏡連接起來。
我後來發現Novoflex這家德國的攝影器材公司有推出顯微攝影的套裝組合，三豐接物鏡、成像鏡筒、相機轉接環一應俱全，在台灣也有代理商，找他們不用煩惱這些購買的問題。
電動滑台選擇
除了組裝出顯微鏡之外，另外一個關鍵器材是疊焦攝影專用的電動滑台。電動滑台可以非常地精密移動攝影器材，每間隔一小段距離就自動觸發相機快門，要拍幾百到上千張照片變得很簡單。不要妄想手動操作來省錢，拍個十幾張照片之後你就累了。
目前世界上有出疊焦攝影專用的電動滑台有這幾個廠牌：
我是買Novoflex的CASTEL-MICRO，如前面內容所述，有台灣代理商要購買很容易，而且這家的產品看起來最為成熟，做得最為精緻而輕量，不像其他廠牌看起來就只是馬達和滑軌組裝的原型機。此外，移動的精度也相當高，最小移動量可低到200奈米，應足夠用在未來使用50倍或100倍接物鏡的需求。若有移動精度更高的需求，Mjkzz的XTREME PRO Rail的最小移動量到可低到10奈米。
購買電動滑台時需要注意必須同時購買對應的相機快門線，你使用哪一家廠牌的數位相機，就得買同廠牌的快門線，因為在使用時，電動滑台的控制器是經由快門線來控制相機的自動拍照過程。
NOVOFLEX的電動滑台CASTEL-MICRO，包含控制器及電動滑台，兩者之間以網路線RJ45連接，快門線則是用來連接電動滑台與相機。附帶一提的是這個電動滑台上的那兩條不鏽鋼滑軌是用台灣上銀公司(HIWIN)的產品。
電動滑台的控制器為觸控式，有4種控制模式，人機介面做得比起其他廠牌來得好一點。藍色按鈕是電源開關，也可以旋轉調整設定值。這個控制器可以外接Canon相機鋰電池供電，所以可以帶到戶外使用。在室內則可接變壓器供電。
手動滑台CASTEL-CROSS可用於微調攝影裝備的前後左右位置，便於接近拍攝目標。
所有的設備組裝到相機腳架上，電動滑台控制器則鎖在攝影怪手支架上。設備總重量達到7公斤，所以堅固的腳架非常重要。
疊焦軟體的選擇
有了顯微鏡及電動滑台之後，還需要有疊焦軟體來處理照片。目前世界上最多人使用的付費疊焦軟體有Zerene Stacker及Helicon Focus，這兩者皆能輕易堆疊數百到上千張照片，而且在堆疊過程中，電腦仍可以持續正常操作，也能隨時中斷作業。Photoshop是有提供堆疊照片的功能，但畢竟那不是它的強項，只要堆疊到數十到上百張照片時，電腦很容易就陷入停止回應的狀態。至於這兩家專門做疊焦的軟體哪一家比較好，我目前仍在試用階段，無法提供評價。
Zerene Stacker提供兩種演算法，並且可調整參數；Helicon Focus則提供三種演算法也都可調參數。這兩家軟體皆有批次處理功能，可以設定好多種演算方法讓電腦自動執行，完成後再來挑出製作較好的照片。Helicon Focus可以直接堆疊Raw檔，甚至還可以用GPU來加速堆疊過程，Zerene Stacker的速度慢很多。但由網路上搜集的資料來看，似乎Zerene Stacker比較多人使用。
疊焦攝影的其他實務
實際做了疊焦攝影之後，才會知道這條路還有得走，不是買了這些軟硬體就能做出完美的照片。
在高倍率影像放大之下，對於任何的振動都是非常的敏感，所以必須要儘力避免任何可能發生振動的情況；唯有防止任何的振動，才能拍出最清晰的影像。
首先我們來探討相機本身的振動問題。單眼相機本身會產生振動的來源是機械式快門及反光鏡，尤其是反光鏡的重量較大，反光鏡升起時的振動會非常大。解決的辦法是先把反光鏡升起並鎖住，讓相機只開快門就好。現代新型的無反光鏡相機沒有反光鏡，少了這個振動來源，但是機械式快門仍會產生不容忽視的振動。解決的辦法是進入相機的設定選單，將快門的設定改成電子式而非機械式；有些相機是把電子式快門的功能稱作「寧靜攝影」。啟用之後，拍攝時完全沒有機械運作的聲音。這兩項設定對於消除相機本身所產生的振動是非常重要，必須確認自己所擁有的相機是否能做到這些設定。通常專業級機種都有這些功能，業餘機種就不保證有。
電動滑台的移動也會產生一些振動。解決的辦法就是不要貪快，設定電動滑台每移動一次要延遲1到2秒再拍照，提供足夠的時間讓振動消除。
解決這些振動來源之後，接下來需要解決的是支撐攝影裝備的腳架及雲台。許多人覺得腳架及雲台只要買便宜的就好，但只要做了顯微攝影之後，就會了解堅固的腳架以及可以微調的雲台是非常重要的。
便宜的腳架並不是不能用，問題是在於它的剛性不足，腳架比較軟，當你把沉重的攝影裝備鎖在雲台上後，腳架的變形狀況會帶來很大的困擾。舉例來說，當你扶著攝影裝備好不容易調好角度對準目標物，當你鎖緊雲台時，雲台的輕微移位就讓目標物偏離了；當你把手放開，攝影設備的重量壓下來讓腳架變形，目標物可能就跑出畫面之外。於是你就要花費很多時間來來回回調整。
目前所知最堅固的腳架是Manfrotto的攝影棚用腳架Super Professional Tripod Mk2 (161MK2B)，有齒輪升降的中軸便於調整高度。其實還有更堅固的攝影機腳架，最知名的品牌為「沙雀(Sachtler)」，但可惜的是這類型的腳架大多沒有齒輪升降的中軸，調整高度的機動性會不如攝影用腳架。
除此之外，雲台要能夠微調角度非常重要，唯一能做這樣功能的是齒輪式雲台，可以用旋鈕來調整雲台的俯抑及旋轉，才會容易調整出你想要的角度；一般常見的自由雲台或三向雲台很難做到精密的調整。比較經濟實惠的齒輪式雲台是Manfrotto 410，若要更精密穩固，則需Arca-Swiss C1 Cube雲台。
Gitzo腳架是世界知名品牌，在鋁合金時代我就購入，用了二十幾年仍無故障。可惜中軸上面的塑膠墊較軟，不適用於架設高倍顯微鏡設備。
Manfrotto 410齒輪式雲台有三軸可用旋鈕調整，使用快拆板。可惜快拆板上的橡膠墊也是讓設影裝備不穩的來源，用在一般攝影是沒有問題，但用在顯微攝影就會有影響。國外有人出售改裝套件，可將它改成相容Arca快拆板，所有接觸面都是金屬，不再有橡膠墊的問題。
使用堅固的腳架及精密的齒輪雲台在放大倍率10倍以下還算容易操作，若放大倍率更高，則需改變作法，應固定好攝影設備，改成移動目標比較容易。可以把目標物放在精密微動平台上，比起移動沉重的攝影裝備來得容易。
燈光也是相當重要的設備之一，沒有好的光線，絕對拍不出好照片。顯微攝影通常不使用自然光，因為不夠亮，而且疊焦攝影需要長時間拍攝，可能拍攝期間就有很大的光線變化。所幸燈光不難解決，現在攝影用的LED燈容易取得而且經濟實惠。LED燈另一個好處是可以持續照明，便於對焦及調整照明方式。
說到了照明，就不得不再提到三豐接物鏡的優勢。三豐公司的本業是做工業用途的量測設備，而他們所製造的工業用接物鏡與一般學術單位使用的生物學用接物鏡最大的差別在於前者的工作距離很長。5倍和10倍接物鏡的工作距離為34 mm，即使100倍也仍有13 mm的工作距離。相較之下，生物學用接物鏡只用在觀察切片型式的樣品，鏡頭的設計都非常接近樣品。工業用接物鏡有這麼長的工作距離，是因為在工廠裡要觀察各種大大小小的物品，工作距離遠一點，總是比較不會碰撞。有這麼長的工作距離用在顯微攝影上，要打光就比較容易。另外，三豐接物鏡的畫質其實相當優越，而且因為大量生產，所以價格就可以壓低。難怪在網路上搜尋疊焦攝影的資訊之後你會發現，人人都用三豐接物鏡。
另外，進行這樣高倍率的顯微攝影時，最好能在一個獨立的房間進行，以減少各種干擾。因為為了疊焦，每拍一組數百到上千張照片需花費半小時以上，拍照期間若有人在旁走動，就會產生很多振動，將會影響拍攝的清晰度。甚至我還發現，當我站在攝影裝備旁邊時，我的體重讓水泥地板產生輕微的下陷，在高倍率放大之下是看得出影像有少許位移。除此之外，人在旁邊走動、空調、開啟的門窗，都會帶來氣流，可能會讓植物擺動。因此在拍攝時，我會將電動滑台設定延後20秒開始運作，這樣就有足夠的時間可以離開並關上房門，並且讓房間的空氣流動恢復安定。
前面提到數位相機的快門設定必須正確以消除振動，除此之外還有其他的拍照模式必須正確的設定，因為數位相機可能會對影像做一些處理，會讓照片產生某種呈度的失真，以致於後續的疊焦效果不佳。
首先要設定的是拍照的檔案格式不要用JPG檔，而是要用TIFF檔。這是因為JPG檔是對影像做破瓌性壓縮，雖然檔案容量大幅縮小，但畫質也受到破壞。不過TIFF檔很龐大，4000萬畫素的照片一張就要135 MB，必須要購買容量夠大的記憶卡，電腦也需足夠的硬碟空間來儲存照片。不過並非所有的數位相機都能拍TIFF檔，需要事先確認。
TIFF檔也能做非破壞性壓縮，但是建議不要設定。因為拿壓縮後的TIFF檔去做疊焦處理時，疊焦軟體必須先對檔案解壓縮後才能處理，會比較費時。
此外，現代新型的數位相機也可能會對影像做某些鏡頭修正，例如Nikon Z7有「邊暈控制」、「衍射補償」、「自動變形控制」，這些功能都必須關閉。相機的白平衡不可用全自動，因為對焦在物體的不同位置上時，畫面不一樣可能會讓相機的白平衡判斷跟著改變，導致照片的顏色發生變化。由於我們通常會用LED燈光，所以白平衡改為手動設定，就看光源色溫是多少，就設定多少K的白平衡。當然，任何的風格濾鏡特效都不要用。
總之，儘可能讓數位相機拍出原始不經任何處理的照片，等到軟體做完疊焦，再把得到的照片用Photoshop來做你想要的後製。
使用軟體做疊焦時，也需要有強大運算能力的電腦來加快處理速度。硬碟的讀取速度非常重要，因為有數百到數千張照片要讀取，檔案容量相當巨大。例如400張4000萬畫素的TIFF影像就佔50GB，這麼大量的檔案已經不適合放在傳統機械式硬碟去做處理，必須存放在固態硬碟才夠快，尤其是可支援到PCIe 4.0。記憶體容量越大越好，CPU當然也越快越好，近年來(2021年) AMD的CPU可說是首選，運算能力比Intel更好，而且價格還比較便宜。若疊焦軟體是採用Helicon Focus，還可以為電腦再添加高階顯示卡，利用GPU來加速疊焦過程。nVidia Geforce系列電玩用顯示卡是適合的選擇，Quadro系列工程用顯示卡則較不適合。若採用Zerene Stacker來疊焦，顯示卡就不重要，這家軟體純萃只能使用CPU來運算。
拍攝結果
其實買齊這些攝影裝備後，我並沒有馬上開始拍攝，而是閒置了一段時間，因為工作比較忙。最近因為試驗冷藏20年以上的毛氈苔種子成功發芽，於是馬上把攝影裝備組裝起來拍攝。
發芽過程的毛氈苔適合拿來作為疊焦攝影的對象，因為毛氈苔幼苗小至1 mm，使用5倍到10倍接物鏡可達到相當大的成像。由於放大倍率不大，使用160瓦攝影用LED燈搭配柔光罩時，燈光不用調到最亮，相機感光度ISO100時，曝光時間還能低於1/2秒。
在我現有的電腦上堆疊一組400照片大約要耗費半小。看到成品真是感動，老實講我很久沒有看到新照片感動過。這次使用新科技實現以前所做不到的事，能看到以前所看不到的景像。因為照片的景深變深了，可以看到幼苗的全貌，可以見到一個個細胞組成的植株，甚至還可見到植株及葉片上的氣孔及保衛細胞，腺體結構也清晰可見。不過我們也可以看到沙粒表面的水裡有一大堆小顆粒，那是綠藻。
5倍接物鏡拍攝的毛氈苔幼苗，堆疊400張Raw檔照片，軟體為Helicon Focus。完成後，再用Photoshop後製。
疊焦攝影還是有一些技術挑戰。軟體堆疊出來的照片仍會有一些破綻，尤其是生物體有許多複雜或半透明的結構，軟體無法正確的處理而形成不正常的影像。這問題可以在軟體中透過手動修正來做到一些解決、嘗試各種演算法的調整，或是多累積經驗，找出軟體較不會出錯的取景方式。
