Монтажный видеомикроскоп, часть 1

Задачи

1. Повышение качества пайки за счет улучшения обзора. Отображение realtime-потока видео из зоны пайки. Пример: проверка и восстановление поврежденных контактов BGA https://youtu.be/nwjCAqG2GHM
2. Инспекция качества сборки готового изделия.
3. Ведение пошагового фотопротокола сборки/разборки для устранения ошибок и разработки инструкций. Пример: https://youtu.be/J9zkPfuNNlk
4. Трансляция изображения из зоны пайки для стримов. Пример: https://youtu.be/r1jsnbetEm0 https://youtu.be/Ap-i5iM5FKg
5. Съемка в инфракрасном диапазоне для поиска неисправных элементов с высокой температурой. Пример: https://youtu.be/0JdodS0l2kc

Требования

1) Работа с SMD-элементами начиная с корпуса размера 01005.

2) Расстояние от рабочего стола до объектива позволяет разместить ИК нижний подогрев.

3) Расстояние от рабочей зоны до передней линзы объектива позволяет свободно использовать паяльник и термофен. Удобным считается рабочее расстояние больше 13см. Микроскоп с рабочим расстоянием 2см бесполезен для работы.

4) Низкие значения lag времени между приемом оптического сигнала матрицей камеры и отображением на экране монитора или ТВ. Высокие значения lag затрудняют процесс пайки, т.к. отсутствует оперативная информация о состоянии обьектов в рабочей зоне, это повышает вероятность ошибки при манипуляциях.

5) Возможность захвата видеосигнала для получения статических фото, записей видео, вывод в OBS Studio для возможности ведения стримов.

Недостатки

Моно-изображение от камеры не позволяет работать, ориентируясь на интуитивное ощущение расстояния, которое даёт стереомикроскоп.

Макросъёмка

Для решения основной задачи нужно получить эффект увеличения изображения из рабочей зоны. Для этого нужно получить масштаб съемки начиная с 1:2. При масштабе 1:1 размеры объекта съемки в пространстве равны размеру изображения которое проецируется на матрицу. Съемка в натуральную величину 1:1 уже даст значительный эффект улучшения обзора. Например: физический размер матрицы в этой конструкции 4,8мм × 3,6мм и разрешение в режиме видео 1920x1080. Если объект высотой 3,6мм отображается на матрицу в масштабе 1:1, затем изображение выводится на монитор 24 дюйма размерами 53смх30см и разрешением 1920 x 1080, получаем увеличение в 300мм/3,6мм ~ 83,3 раза (возможно так считать некорректно, если вы знаете как правильно отпишите в https://t.me/cadr_hackerspace).

Подробнее об увеличении в статье: https://photographylife.com/what-is-magnification

Монтажный видеомикроскоп работает аналогично фотоаппарату в режиме макросъемки (см. также [1])

Соответственно можно использовать стандартные принадлежности и приемы для сборки монтажного видеомикроскопа. На вторичном рынке доступно много качественной оптики и принадлежностей времен пленочной фотографии.

Почему бы не использовать для этой задачи фотоаппарат? Фотоаппараты с функцией съемки видео особенно в формате HD на вторичном рынке стоят дорого. Дешевые видеокамеры снимающие в формате HD на вторичном рынке встречаются, но штатно закрепить на них макрообъектив не получится.

Объектив

https://m42-adapter.in.ua/sovetskie-obektivyi-spisok-populyarnoy-optiki/

https://radojuva.com

Как выбрать объектив для микроскопа?

1. Объектив должен быть "мануальный", т.к. в этой конструкции объектив используется без основной камеры "тушки" соответственно вся автоматика объектива перестает работать. Объектив должен быть изначально мануальный с ручной регулировкой фокусировки и диафрагмы или иметь возможность переключения в ручной режим управления.
2. Объектив должен иметь в передней части корпуса внутреннюю резьбу, чтобы иметь возможность установить светофильтр. Перед покупкой нужно проверить, есть ли в продаже поляризационный или нейтральный светофильтр с подходящей резьбой. Вторая функция резьбы в передней части объектива это установка реверсивного кольца (описано ниже). Конкретно в этой конструкции были выбраны объективы с резьбой М52 в передней части корпуса.
3. Фокусное расстояние объектива от 50мм до 100мм. "At a given magnification, the working distance generally increases with focal length." [2] Чем больше фокусное расстояние используемого объектива, тем большее рабочее расстояние (от зоны пайки до передней линзы) мы получим, тем удобнее работать. В среднем удобным по отзывам рабочим расстоянием для пайки считается 13см. При этом объектив с фокусным расстоянием 137мм не получилось сфокусировать на высоте штатива, поэтому в нашем случае фокусное расстояние объектива должно быть ориентировочно от 50мм до 100мм. [3]
4. Специализированные макрообъективы дают лучший результат. Оптика таких объективов рассчитана на съемку с небольших расстояний и дает мало искажений. Макрообъективы позволяют снимать в масштабе 1:1. Для остальных объективов нужно использовать дополнительные аксессуары, чтобы добиться от них эффекта макросъемки, оптические характеристики такой связки ниже.
5. Проверка состояния оъектива. Кольца фокусировки и регулировки диафрагмы должны плавно перемещаться по всему диапазону без хруста, проскальзывания. При проверке на просвет диафрагма должна изменять диаметр отверстия при повороте кольца. На передней и задней линзах не больше пары неглубоких царапин. Все проблемы с линзами хорошо видно, если просветить объектив фонариком.
6. Оптические свойства объектива. При выборе объектива изучить его параметры по уровню оптических искажения дифракция, дисперсия, дисторсия, аберрация чем меньше искажений тем выше качество объектива. Светосила. Выбирая из двух объективов лучше взять более светосильный.

Под описанные требования подходят объективы для аналоговых фотоаппаратов и часть объективов для цифровых фотоаппаратов. Они стоят дешево и часто встречаются в продаже: https://www.avito.ru/rossiya?q=%D0%B3%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D0%BE%D1%81+44

Конкретно в этой конструкции протестированы объективы: Гелиос-44М, Волна-9

Рабочий отрезок и увеличение

На каком расстоянии от обьектива должна находиться матрица в исходном состоянии? Матрица в исходном состоянии по дефолту должна находиться на расстоянии рабочего отрезка для конкретного обьектива.

Есть несколько распространенных рабочих отрезков (у Гелиос-44 например 45,5мм).

https://m42-adapter.in.ua/znacheniya-rabochih-otrezkov/

Крепление обьектива и матрицы которое используется в этой конкретной конструкции на основе фотоувеличителя УПА-601 позволяет изменять рабочий отрезок и адаптировать его под конкретный обьекти.

Увеличивая расстояние от объектива до матрицы больше стандартного рабочего отрезка используя макрокольца или регулируя на штативе получаем большее увеличение, но меньшее расстояние от плоскости передней линзы до плоскости зоны пайки.

Дополнительные аксессуары для макросъемки

Макрокольца, реверсивное кольцо, телеконвертер, макролинзы, меха позволяют на обычном объективе получить эффект макросъемки, но при этом ухудшаются оптические свойства системы в общем по сравнению с использованием специализированного макрообъектива.

В зависимости от задачи можно использовать один из аксессуаров и получить относительно приемлимые результаты.

В этой конструкции применяются только макрокольца и реверсивное кольцо.

Реверсивное оборотное кольцо

Реверсивное оборотное кольцо M49 на M52 https://radojuva.com/2011/09/revers-macro-ring-for-nikon/

В переднюю часть обьектива вместо светофильтра вкручивается реверсивное кольцо и в таком виде объектив вкручивается в резьбу на фотоувеличителе. После такого разворота на 180* объектив имитирует макрообъектив и снимает в масштабе 1:1 (достигается ли такой эффект уточнять по отзывам на конкретный объектив). Задняя линза, которая теперь становится передней не защищена от испарений из зоны пайки. Для защиты разработан и распечатан на 3D принтере переходник с М42 на М52, на него закрепляется светофильтр в новой ориентации объектива.

Возможность фокусировать изображение кольцом на корпусе объектива пропадает, но это компенсируется регулировкой на штативе.

Макрокольца

Устанавливая макрокольца увеличиваем расстояние до матрицы больше стандартного рабочего отрезка объектива. Получаем увеличение масштаба съемки, но при этом уменьшается расстояние от передней линзы объектива до плоскости рабочей зоны, работать с инструментами становится сложнее. Подробнее на рисунке и в статье:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/78/ExTubeMacro.png

https://radojuva.com/2011/08/makro-extension-tubes/

В этой конструкции используется набор макроколец "Зенит": https://zuborobo.livejournal.com/661615.html

По ссылке сравнение результатов съемки специализированным макрообъективом и объективом с макрокольцами (результаты хуже).

https://narrata-photo.livejournal.com/2997.html

Для Гелиос-44М который используется в этой конструкции нужно добавить одно короткое макрокольцо, т.к. из-за конструкции механики объектива задняя линза в крайнем положении выходит за границы крепления по глубине и упирается в фотоувеличитель, можно повредить объектив.

Макромеха

Макромеха работают аналогично макрокольцам, но позволяют изменять расстояние от объектива до матрицы с точностью до долей миллиметра.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/31/Automatik-Balgengeraet_mit_Kamera%2C_Objektiv_und_Umkehrring.jpg/800px-Automatik-Balgengeraet_mit_Kamera%2C_Objektiv_und_Umkehrring.jpg

В этой конструкции используется встроенный в штатив фотоувеличителя регулятор расстояния до объектива, он выполняет несколько функций: имитирует дополнительное макрокольцо, макромеха и позволяет регулировать рабочий отрезок адаптируя конструкцию к объективам с разными рабочими отрезками.

Поляризационный фильтр

Первая функция фильтра в этой конструкции - защита передней линзы обьективы от испарений припоя/флюса.

Пример: загрязнение незащищенной передней линзы микроскопа после пайки https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,146388.0.html

При использовании защитного фильтра после работы можно очистить его от загрязнений, передняя линза объектива при этом не изнашивается.

Вторая функция фильтра в этой конструкции - устранение части бликов от рабочей поверхности в кадре, кроме металлических поверхностей (подробнее об этом эффекте в статье)

https://strobist.ua/blog/chto-takoe-polyarizatsionnyiy-filtr-cpl-i-dlya-chego-on-nuzhen/

Фильтр пропускает часть потока света с поляризацией совпадающей с текущей ориентацией фильтра, остальное отсекается. Эффект как на иллюстрации наблюдается не для всех ЖК экранов. При повороте фильтра изображение пропадает.

Особенности физики процесса устранения бликов определяют требуемое расположение источников света в пространстве.

Закон Брюстера

На практике используется "правило большого пальца": "максимально эффективным поляризационный фильтр становится в случае, когда солнце находится сбоку камеры."

Подробнее по ссылке https://strobist.ua/blog/chto-takoe-polyarizatsionnyiy-filtr-cpl-i-dlya-chego-on-nuzhen/

Использование поляризационного фильтра

1. Блики от металлических поверхностей не устраняются, см. выше ссылку закон Брюстера.
2. Источники освещения расположить по "правилу большого пальца"
3. После фокусировки, установки апертуры и освещения поляризационный фильтр вращать вокруг своей оси и найти положение в котором минимум бликов от поверхностией в кадре.

В этой конструкции используется "Поляризационный фильтр Marumi Circular PL 52mm" Он штатно подходит к 52мм резьбе в передней части объектива.

Очистка оптики

Салфетки безворсовые Kimtech.

Сжатый воздух Konoos.

Дистиллированная вода.

Изопропиловый спирт абсолютизированный.

Бензин Вершина Нефрас С2-80/120 Галоша.

Для финальной очистки "Lenspen".

Диафрагма

См. также: Апертура

Диафрагма выполняет две основные функции: регулирует световой поток, чтобы не получить пересвеченное белое изображение и изменяет ГРИП для повышения общей резкости кадра.

Уменьшение отверстия диафрагмы повышает ГРИП и общую резкость кадра. Но после определенного значения апертуры (размера отверстия формируемого диафрагмой) наступает macro diffraction limit и дальнейшее уменьшение апертуры увеличивает дифракцию, ухудшая качество изображения.

https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/diffraction-photography.htm

Изображение из статьи автора: https://fotomtv.ru/stati/difrakciya_obektiva_e_vliyanie_na_fotografiyu/

"Keep in mind that the onset of diffraction is gradual, so apertures slightly larger or smaller than the above diffraction limit will not all of a sudden look better or worse, respectively."

https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-sensor-size.htm

Изображение не ухудшается мгновенно при достижении точки diffraction limit. О подборе оптимальной апертуры написано в разделе ГРИП.

ГРИП

https://radojuva.com/2012/11/hyperfocalnoe-dof-main/

Для задачи контроля качества монтажа и выполнения пайки PCB проблема ГРИП выглядит как проблема фокуса на поверхности платы и одновременно SMD элементах на поверхности платы.

Пример: две фотографии с недостаточной ГРИП, которая не позволяет получить фокус одновременно на поверхности платы и SMD элементах. При этом высота smd деталей около 0,2мм.

Для решения проблемы нужно увеличить ГРИП.

ГРИП увеличивают следующие параметры:

1. Чем меньше отверстие диафрагмы, тем больше ГРИП.
2. Чем меньше размер матрицы, тем больше ГРИП.
3. Чем меньше увеличение, тем больше ГРИП. Для увеличения ГРИП при большом увеличении нужно изменить параметры 1. и 2.

https://digicamhelp.com/learn/macro-close/extreme-macro-photography/.

Т.к. размер матрицы задан при сборке видеомикроскопа, то остаётся два варианта: уменьшить апертуру т.е. размер отверстия диафрагмы или работать с меньшим увеличением, если это позволяет сделать размер SMD элементов.

На рисунке ниже -- зависимость ГРИП от апертуры.

При уменьшении апертуры одновременно с увеличением ГРИП на изображении уменьшается количество аберраций и оптических аномалий. Но в определенной точке начинает нарастать дифракция, которая постепенно уменьшает резкость изображения. Оптимальную апертуру при настройке кольцом на корпусе объектива легко найти визуально. Сначала попробуйте максимально открыть диафрагму, на изображении появятся аберрации и засветы, затем максимально закрыть и изображение потеряет резкость, ориентируясь по качеству итогового изображения плавно уменьшайте/увеличивайте апертуру, чтобы найти оптимальное значение апертуры. Иллюстрация процесса на рисунке ниже.

Уменьшение апертуры уменьшает световой поток на матрице, соответственно необходимо более яркое освещение рабочей зоны для компенсации потери яркости.

С другой стороны небольшая ГРИП даёт ощущение высоты инструмента, при перемещении по высоте жало паяльника в кадре теряет резкость.

Лаг

Одна из специфических проблем, которая проявляется при работе с видеомикроскопом - это наличие задержки между событием происходящим в кадре и его отображением на экране. Даже при незначительном лаге работать с видеомикроскопом становится некомфортно, растет риск ошибки.

Проблема лага встречается и в видеомикроскопах фабричной сборки. Пример в видеообзоре, смотреть с 9:20

https://youtu.be/bBq5F19YQj4

В этом видео используется дорогая профессиональная видеосистема, но лаг тоже есть, смотреть с 1:10

https://youtu.be/MuohucLBGxo

Лаг в процесс передачи видеосигнала от матрицы до монитора/ТВ вносят промежуточные преобразования сигнала через ЦАП/АЦП, цифровая обработка в конечных и промежуточных устройствах.

Чем меньше цепочка устройств участвующих в формировании изображения, тем меньше лаг.

Максимальный лаг около 1 секунды был получен при использовании матрицы от USB web камеры Logitech c250.

Лаг близкий к О ms был получен при использовании матрицы от Eken h9r с подключением через HDMI к монитору без дополнительных переходников типа VGA - HDMI. Лаг заметен, но работе не мешает.

Минимальный лаг в процессе сборки устройства был получен при использовании аналоговой матрицы CCD 1/3" ПЗС SONY 960H EXview HAD CCD II и старого ТВ с композитным видеовходом. Субъективно лаг в такой схеме около Оms.

Матрица

Матрица какого размера будет оптимальной для применения в видеомикроскопе?

Кроп-фактор матрицы

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%BE%D0%BF-%D1%84%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80

На иллюстрации схема кроп-фактора. Круг - проецируемое объективом на плоскость изображение. Прямоугольники - матрицы разного размера для сравнения. При сборке видеомикроскопа в этой статье мы используем объективы разработанные чтобы проецировать изображение на кадр размерами 24×36 мм. Все матрицы меньшего размера относительно 24×36 мм кроп матрицы.