35
правок
Изменения
Новая страница: «<center> {| |- style="background-color: gray; color: white; font-size: 150%; font-family: monospace; text-align: center;" !colspan="3"| Статья в трёх…»
<center>
{|
|- style="background-color: gray; color: white; font-size: 150%; font-family: monospace; text-align: center;"
!colspan="3"| Статья в трёх частях
|-
| [[Монтажный видеомикроскоп, часть 3|часть 3]] || [[Монтажный видеомикроскоп, часть 3|часть 3]] || [[Монтажный видеомикроскоп, часть 3|часть 3]]
|}
</center>
= Видеомикроскоп на основе камеры видеонаблюдения =
# Конструкция разработана на основе инструкции автора https://pikabu.ru/story/chast_1_mikroskop_dlya_payki_iz_fotouvelichitelya_upa_510_i_analogovoy_videokameryi_7371783
# Здесь используется матрица CCD 1/3" ПЗС SONY 960H EXview HAD CCD II из б/у камеры видеонаблюдения https://www.telecamera.ru/catalog/Videonablyudenie/Analogovoe_videonablyudenie/Videokamery/Kupolnye/Cvetnye/SMARTEC/STC_3511_1b.htm
[[Файл:Photo_micro_1.png|center|500px]]
= Требования =
1) Работа с SMD-элементами начиная с корпуса размера 01005.
[[Файл:Resistor-case-code.png|center|500px]]
2) Расстояние от рабочего стола до объектива позволяет разместить <abbr title="Инфракрасный">ИК</abbr> 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 [[может использовать::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).
[[Файл:An-introduction-to-macro-photography.png|center|500px]]
Подробнее об увеличении в статье: https://photographylife.com/what-is-magnification
Монтажный видеомикроскоп работает аналогично фотоаппарату в режиме [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%8A%D1%91%D0%BC%D0%BA%D0%B0 макросъемки] (см. также [https://en.wikipedia.org/wiki/Macro_photography])
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?
# 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.
# 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.
# Фокусное расстояние объектива от 50мм до 100мм. "At a given magnification, the working distance generally increases with focal length." [https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/macro-lenses.htm] 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. [https://karltayloreducation.com/photography-course/lenses-focal-lengths/]
# 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.
# 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.
# 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 [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%B0 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: [[может использовать::Гелиос-44М]], [[может использовать::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 [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%87%D0%B8%D0%B9_%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BA рабочего отрезка] для конкретного обьектива.
[[Файл:Рабочий-отрезок.png|center|500px]]
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.
[[Файл:ExTubeMacro.png|center|500px]]
= 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 [[может использовать::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.
[[Файл:Микроскоп-1.png|center|500px]]
== 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/
[[Файл:Поляризационный-фильтр.png|center|500px]]
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.
=== [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%91%D1%80%D1%8E%D1%81%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B0 Закон Брюстера] ===
На практике используется "правило большого пальца": "максимально эффективным поляризационный фильтр становится в случае, когда солнце находится сбоку камеры."
[[Файл:Закон-бюстера.png|center|400px]]
Подробнее по ссылке https://strobist.ua/blog/chto-takoe-polyarizatsionnyiy-filtr-cpl-i-dlya-chego-on-nuzhen/
=== Использование поляризационного фильтра ===
# Блики от металлических поверхностей не устраняются, см. выше ссылку закон Брюстера.
# Источники освещения расположить по "правилу большого пальца"
# 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 [[может использовать::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: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BF%D0%B5%D1%80%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0_(%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0) Апертура]
[[Файл:Диафрагма.png|center|500px]]
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
[[Файл:Диафрагма-2.png|center|500px]]
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]].
= 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.
[[Файл:ГРИП-1.png|center|500px]]
[[Файл:ГРИП-2.png|center|500px]]
Для решения проблемы нужно увеличить ГРИП.
ГРИП увеличивают следующие параметры:
# Чем меньше отверстие диафрагмы, тем больше ГРИП.
# Чем меньше размер матрицы, тем больше ГРИП.
# 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.
[[Файл:Зависимость-грип-от-апертуры.png|center|500px]]
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.
[[Файл:Поиск-оптимального-значения-апертуры.png|center|500px]]
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.
= [https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотоматрица 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.
== Оптические искажения и размер матрицы. ==
См. https://ru.wikipedia.org/wiki/Аберрация_оптической_системы
== Обзор оптических аберраций и их расположение по зонам кадра ==
https://www.bhphotovideo.com/explora/photography/tips-and-solutions/optical-anomalies-and-lens-corrections-explained
"Nearly all lenses are sharpest at their centers, while quality degrades progressively toward to the edges. This means that a cropped sensor effectively discards the lowest quality portions of the image, which is quite useful when using low quality lenses (as these typically have the worst edge quality)."
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-sensor-size.htm
"On smaller sensor cameras this almost entirely goes away, even in this test, because they only use the middle of the image."
[[Файл:Обзор-оптических-аберраций.png|center]]
https://www.kenrockwell.com/canon/lenses/50mm-macro.htm
Матрица размер которой меньше полного кадра позволяет уменьшить влияние недостатков объектива на качество финального изображения т.к. оптические искажения вызванные проблемами объектива, как сообщают авторы в приведенных выше статьях, сосредоточены на границах кадра, который проецирует объектив.
== ГРИП и размер матрицы ==
Aвторы сообщают, что использование небольшой матрицы повышает резкость за счет увеличения ГРИП.
"Размер матрицы влияет на ГРИП косвенно. Чем больше размер матрицы, тем больше угол обзора и тем ближе нужно подойти к объекту съемки, а чем меньшая дистанция фокусировки, тем меньше ГРИП, и наоборот, чем большая дистанция фокусировки – тем больше ГРИП. Поэтому упрощенно чем меньше матрица, тем больше ГРИП."
https://radojuva.com/2012/11/hyperfocalnoe-dof-main/
"As sensor size increases, the depth of field will decrease for a given aperture (when filling the frame with a subject of the same size and distance). This is because larger sensors require one to get closer to their subject, or to use a longer focal length in order to fill the frame with that subject. This means that one has to use progressively smaller aperture sizes in order to maintain the same depth of field on larger sensors."
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-sensor-size.htm
Чтобы получить большую ГРИП для матрицы большего размера нужно сильнее уменьшать размер отверстия диафрагмы. Это приближает macro diffraction limit.
"Larger sensor sizes can use smaller apertures before the diffraction airy disk becomes larger than the circle of confusion (determined by print size and sharpness criteria)."
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-sensor-size.htm
С другой стороны, для матриц большего размера '''при равном количестве пикселей''' macro diffraction limit дальше, т.е. можно использовать меньшее отверстие диафрагмы, для получения оптимальной ГРИП.
"Contrary to first impressions, depth of field isn't inherently better with smaller camera sensors. While it's true that a smaller sensor will have a greater depth of field at the same f-stop, this isn't a fair comparison, because the larger sensor can get away with a higher f-stop before diffraction limits resolution. When both sensor sizes produce prints with the same diffraction-limited resolution, both sensor sizes have the same depth of field. The only inherent advantage is that the smaller sensor requires a shorter exposure time to achieve that depth of field."
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/macro-lenses.htm
Описанное выше актуально при использовании высококачественных объективов с малым количеством аберраций и специализированных макрообъективов, которые дают минимум искажений по всей площади кадра.
Вывод. При большом увеличении использование матрицы малого размера для макровидео достаточно оптимальное решение при небольшом бюджете.
Минус матрицы которая меньше кадра объектива в том, что меньше площадь рабочей зоны которая попадает в кадр, нет возможности сделать общий обзорный снимок.
Больше хардкорной теории: https://youtu.be/He6i7x9q2yw
Конкретно для этой конструкции используются следующие матрицы:
1. Матрица от action камеры eken h9 с размером 1/3", диагональ 5,64мм, физические размеры 4,8мм × 3,6мм, кроп-фактор 7,5, разрешение в режиме видео 1920 x 1080
[[Файл:Diffraction-limited-aperture-estimator-1.png|center]]
2. Матрица от камеры видеонаблюдения 1/3" ПЗС SONY 960H EXview HAD CCD II c размером 1/3", диагональ 5,64мм, физические размеры 4,8мм × 3,6мм, кроп-фактор 7,5, разрешение в режиме видео 720 х 576
[[Файл:Diffraction-limited-aperture-estimator-2.png|center]]
Онлайн калькулятор минимально возможной апертуры для заданных характеристик матрицы: размера и разрешения.
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-sensor-size.htm
Преимущества 1/3" ПЗС SONY 960H EXview HAD CCD II матрицы:
# По данным калькулятора получаем, что для 1/3" ПЗС SONY 960H EXview HAD CCD мы можем использовать при работе меньшую апертуру и получить большую ГРИП за счет того, что точка macro diffraction limit дальше за счет меньшего количества пикселей на аналогичной площади сенсора.
# Равный почти О мс лаг, субъективно лага нет вообще.
# Вывод изображения через композитный видео интерфейс. Для этого можно использовать старые LCD TV, которые уже не подходят для других целей.
Недостатки 1/3" ПЗС SONY 960H EXview HAD CCD II матрицы:
# Малое разрешение 720 х 576, на удобство работы сильно не влияет.
# Для захвата видео/фото нужно дополнительно использовать сплиттер для сигнала и дополнительное устройство видеозахвата USB EasyCap.
Преимущества CMOS матрицы от eken h9 матрицы:
# HD 1080P разрешение в режиме видео 1920 х 1080. Разрешение в режиме фото 4608х2592.
# Для захвата видео нужно дополнительно использовать HDMI сплиттер для сигнала и дополнительное устройство плата видеозахвата с интерфейсом HDMI, но в режиме фото можно получить изображение на карту памяти action камеры.
Недостатки CMOS матрицы от eken h9:
# По данным калькулятора мы получаем меньшую ГРИП, т.к. точка macro diffraction limit ближе за счет большего количества пикселей на аналогичной площади сенсора и нужно использовать большую апертуру.
# Лаг почти не мешает работе, но по ощущениям около О,2 сек., не мешает работе.
# Вывод видео изображения через HDMI интерфейс. Для этого нужен более дорогой монитор или ТВ.
= Выбор монитора/ТВ =
Тесты с использованием старого ТВ с композитным входом при использовании CCD матрицы и монитора с HDMI интерфейсом при использовании CMOS матрицы от Eken h9r показали лаг на минимальном уровне.
Тесты с использованием smart TV Xiaomi показали плохие результаты, задержка для композитного и HDMI интерфейса около 0,5 секунды. Скорее всего это связано с обработкой видеосигнала перед выводом в плеере ОС android.
В этой конструкции использовался монитор [[может использовать::ProLite XB2483HSU]] для варианта с CMOS матрицей.
Для варианта с CCD матрицей использовался NoName ТВ 2007 года.
= Подсветка =
Основные проблемы освещения:
# Дешевые светодиодные лампы дают flicker, эффект мерцания изображения. Подробнее о проблеме в видео: https://youtu.be/0kAuDuV9K9U
# Недостаточная мощность освещения. При использовании только естественного освещени получаем темно изображение или черный квадрат.
# Тени от объектов в рабочей зоне или отсутствие освещения в нужных участках кадра при плотном монтаже.
Участки потери светового потока:
# Поляризационный фильтр. Отсекается часть потока света с поляризацией несовпадающей с поляризацией фильтра в текущей ориентации.
# Оптика объектива. Потери зависят от светосилы объектива.
# Апертура. Уменьшение размера отверстия диафрагмы отсекает часть потока света.
# Кроп-фактор. Теряется часть светового потока, который проецируется на кадр за пределами матрицы.
# Увеличение. При сильном увеличении оптическая система видеомикроскопа работает со световым потоком полученным с небольшой площади рабочей зоны и проецирует его на площадь кадра.
# Использование дополнительных аксессуаров для получения эффекта макросъемки: макрокольца, реверсивные и т.д., если объектив изначально не был предназначен для макросъемки.
Учитывая всех "потребителей" светового потока требуется изначально мощное освещение рабочей зоны, чтобы получить на матрице уровень освещенности достаточный для получения качественного изображения. В отличие от фото где используется вспышка при съемке макровидео это освещение должно быть постоянным.
Крепление на гибком кронштейне позволяет осветить нужную часть рабочей зоны и отрегулировать рельеф изображения с помощью теней.
Кольцевая подсветка дала сильные блики в кадре, поэтому не используется в этой конструкции.
[[Файл:Микроскоп-подсветка-пример.png|center]]
В этой конструкции используются:
[[может использовать::Лампа настольная Camelion 8173762]] (используется отдельно гибкий кронштейн).
[[Файл:Микроскоп-подсветка-camelion-8173762.png|center]]
И [[может использовать::Светодиодная лампа Огонёк CC-155]].
[[Файл:Микроскоп-подсветка-Огонёк-CC-155.png|center]]
Лампочка стандартная с теплой или холодной гаммой по вкусу или по ситуации:
* "лампа светодиодная ОНЛАЙТ 8Вт E27 600лм 2700K 220В рефлектор R63"
* "лампа светодиодная ОНЛАЙТ 8Вт E27 660лм 4000K 220В рефлектор R63"
[[Файл:Микроскоп-подсветка-онлайт.png|center]]
После перебора вариантов источников освещения получилось, что ОНЛАЙТ 8Вт E27 оптимальный вариант. Лампочка отвечает нормам СанПиН, в ней используется качественный драйвер обеспечивающий flicker free освещение. Матовый защитный пластик работает как рассеиватель.
Светодиодная лампа Огонёк CC-155 дает более направленный, холодный, точечный источник света.
= Конструкция =
Расположение элементов видеомикроскопа на основе конструкции предложенной в книге "Майкл Фриман. Цифровая фотография. Крупный план. 2005 стр.113" и автора видео "https://youtu.be/QHKDDBAkFiY"
[[Файл:Микроскоп-штатив-для-копирования.png|center]]
= Штатив =
Проблемы неустойчивого штатива: дрожание изображения, пропадание фокуса, смещение кадра. Пример неустойчивого штатива: https://youtu.be/I_zOHLLsdUA
В этой конструкции используется [[может использовать::штатив от фотоувеличителя УПА-601]]. Он надежно крепится к столу и собран без люфта. Штатив встречается в продаже от 500р.
https://www.avito.ru/rossiya/fototehnika?q=%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%83%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C
[[Файл:Микроскоп-штатив-УПА-601.png|center]]
= Возможности для улучшения =
# Использовать объектив с более высокими характеристиками. Больше светосила, меньше аберраций, специализированный макрообъектив снимающий с масштабом от 1:1. Например Canon MP-E 65mm f/2.8 1-5X Macro.
# Использовать матрицу с более высокими характеристиками. Больше площадь, больше разрешение, больше площадь при фиксированном значении разрешения, меньше шумов, меньше лаг. Например BigEYE 10mp SONY imx294 4/3 "CMOS Цифровая микроскопическая камера USB3.0 или Jenoptik ProgRes Naos .
# Использовать фотоаппарат или видеокамеру в режиме макросъемки с выводом realtime видео через HDMI или композитный выход. Например https://youtu.be/rpZ5s50smUY.
# Подобрать и установить матрицу снимающую в диапазоне ИК.
# Подобрать конфигурацию для съемки общих планов, для фотопротокола. Скорее все нужно использовать отдельную action камеру, или матрицу большего размера и широкоугольный объектив.
# Подобрать модель биологического микроскопа и установить матрицу. Использовать для получения микровидео для работы с максимальным увеличением.
О ваших результатах и замечаниях сообщайте в канал CADR https://t.me/cadr_hackerspace
= Список литературы =
# Майкл Фриман. Цифровая фотография. Крупный план.
# Adrian Davies. Close-Up and Macro Photography.
[[Категория:Проекты]]
[[Категория:База знаний]]
{|
|- style="background-color: gray; color: white; font-size: 150%; font-family: monospace; text-align: center;"
!colspan="3"| Статья в трёх частях
|-
| [[Монтажный видеомикроскоп, часть 3|часть 3]] || [[Монтажный видеомикроскоп, часть 3|часть 3]] || [[Монтажный видеомикроскоп, часть 3|часть 3]]
|}
</center>
= Видеомикроскоп на основе камеры видеонаблюдения =
# Конструкция разработана на основе инструкции автора https://pikabu.ru/story/chast_1_mikroskop_dlya_payki_iz_fotouvelichitelya_upa_510_i_analogovoy_videokameryi_7371783
# Здесь используется матрица CCD 1/3" ПЗС SONY 960H EXview HAD CCD II из б/у камеры видеонаблюдения https://www.telecamera.ru/catalog/Videonablyudenie/Analogovoe_videonablyudenie/Videokamery/Kupolnye/Cvetnye/SMARTEC/STC_3511_1b.htm
[[Файл:Photo_micro_1.png|center|500px]]
= Требования =
1) Работа с SMD-элементами начиная с корпуса размера 01005.
[[Файл:Resistor-case-code.png|center|500px]]
2) Расстояние от рабочего стола до объектива позволяет разместить <abbr title="Инфракрасный">ИК</abbr> 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 [[может использовать::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).
[[Файл:An-introduction-to-macro-photography.png|center|500px]]
Подробнее об увеличении в статье: https://photographylife.com/what-is-magnification
Монтажный видеомикроскоп работает аналогично фотоаппарату в режиме [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%8A%D1%91%D0%BC%D0%BA%D0%B0 макросъемки] (см. также [https://en.wikipedia.org/wiki/Macro_photography])
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?
# 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.
# 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.
# Фокусное расстояние объектива от 50мм до 100мм. "At a given magnification, the working distance generally increases with focal length." [https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/macro-lenses.htm] 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. [https://karltayloreducation.com/photography-course/lenses-focal-lengths/]
# 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.
# 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.
# 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 [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%B0 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: [[может использовать::Гелиос-44М]], [[может использовать::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 [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%87%D0%B8%D0%B9_%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BA рабочего отрезка] для конкретного обьектива.
[[Файл:Рабочий-отрезок.png|center|500px]]
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.
[[Файл:ExTubeMacro.png|center|500px]]
= 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 [[может использовать::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.
[[Файл:Микроскоп-1.png|center|500px]]
== 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/
[[Файл:Поляризационный-фильтр.png|center|500px]]
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.
=== [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%91%D1%80%D1%8E%D1%81%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B0 Закон Брюстера] ===
На практике используется "правило большого пальца": "максимально эффективным поляризационный фильтр становится в случае, когда солнце находится сбоку камеры."
[[Файл:Закон-бюстера.png|center|400px]]
Подробнее по ссылке https://strobist.ua/blog/chto-takoe-polyarizatsionnyiy-filtr-cpl-i-dlya-chego-on-nuzhen/
=== Использование поляризационного фильтра ===
# Блики от металлических поверхностей не устраняются, см. выше ссылку закон Брюстера.
# Источники освещения расположить по "правилу большого пальца"
# 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 [[может использовать::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: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BF%D0%B5%D1%80%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0_(%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0) Апертура]
[[Файл:Диафрагма.png|center|500px]]
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
[[Файл:Диафрагма-2.png|center|500px]]
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]].
= 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.
[[Файл:ГРИП-1.png|center|500px]]
[[Файл:ГРИП-2.png|center|500px]]
Для решения проблемы нужно увеличить ГРИП.
ГРИП увеличивают следующие параметры:
# Чем меньше отверстие диафрагмы, тем больше ГРИП.
# Чем меньше размер матрицы, тем больше ГРИП.
# 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.
[[Файл:Зависимость-грип-от-апертуры.png|center|500px]]
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.
[[Файл:Поиск-оптимального-значения-апертуры.png|center|500px]]
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.
= [https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотоматрица 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.
== Оптические искажения и размер матрицы. ==
См. https://ru.wikipedia.org/wiki/Аберрация_оптической_системы
== Обзор оптических аберраций и их расположение по зонам кадра ==
https://www.bhphotovideo.com/explora/photography/tips-and-solutions/optical-anomalies-and-lens-corrections-explained
"Nearly all lenses are sharpest at their centers, while quality degrades progressively toward to the edges. This means that a cropped sensor effectively discards the lowest quality portions of the image, which is quite useful when using low quality lenses (as these typically have the worst edge quality)."
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-sensor-size.htm
"On smaller sensor cameras this almost entirely goes away, even in this test, because they only use the middle of the image."
[[Файл:Обзор-оптических-аберраций.png|center]]
https://www.kenrockwell.com/canon/lenses/50mm-macro.htm
Матрица размер которой меньше полного кадра позволяет уменьшить влияние недостатков объектива на качество финального изображения т.к. оптические искажения вызванные проблемами объектива, как сообщают авторы в приведенных выше статьях, сосредоточены на границах кадра, который проецирует объектив.
== ГРИП и размер матрицы ==
Aвторы сообщают, что использование небольшой матрицы повышает резкость за счет увеличения ГРИП.
"Размер матрицы влияет на ГРИП косвенно. Чем больше размер матрицы, тем больше угол обзора и тем ближе нужно подойти к объекту съемки, а чем меньшая дистанция фокусировки, тем меньше ГРИП, и наоборот, чем большая дистанция фокусировки – тем больше ГРИП. Поэтому упрощенно чем меньше матрица, тем больше ГРИП."
https://radojuva.com/2012/11/hyperfocalnoe-dof-main/
"As sensor size increases, the depth of field will decrease for a given aperture (when filling the frame with a subject of the same size and distance). This is because larger sensors require one to get closer to their subject, or to use a longer focal length in order to fill the frame with that subject. This means that one has to use progressively smaller aperture sizes in order to maintain the same depth of field on larger sensors."
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-sensor-size.htm
Чтобы получить большую ГРИП для матрицы большего размера нужно сильнее уменьшать размер отверстия диафрагмы. Это приближает macro diffraction limit.
"Larger sensor sizes can use smaller apertures before the diffraction airy disk becomes larger than the circle of confusion (determined by print size and sharpness criteria)."
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-sensor-size.htm
С другой стороны, для матриц большего размера '''при равном количестве пикселей''' macro diffraction limit дальше, т.е. можно использовать меньшее отверстие диафрагмы, для получения оптимальной ГРИП.
"Contrary to first impressions, depth of field isn't inherently better with smaller camera sensors. While it's true that a smaller sensor will have a greater depth of field at the same f-stop, this isn't a fair comparison, because the larger sensor can get away with a higher f-stop before diffraction limits resolution. When both sensor sizes produce prints with the same diffraction-limited resolution, both sensor sizes have the same depth of field. The only inherent advantage is that the smaller sensor requires a shorter exposure time to achieve that depth of field."
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/macro-lenses.htm
Описанное выше актуально при использовании высококачественных объективов с малым количеством аберраций и специализированных макрообъективов, которые дают минимум искажений по всей площади кадра.
Вывод. При большом увеличении использование матрицы малого размера для макровидео достаточно оптимальное решение при небольшом бюджете.
Минус матрицы которая меньше кадра объектива в том, что меньше площадь рабочей зоны которая попадает в кадр, нет возможности сделать общий обзорный снимок.
Больше хардкорной теории: https://youtu.be/He6i7x9q2yw
Конкретно для этой конструкции используются следующие матрицы:
1. Матрица от action камеры eken h9 с размером 1/3", диагональ 5,64мм, физические размеры 4,8мм × 3,6мм, кроп-фактор 7,5, разрешение в режиме видео 1920 x 1080
[[Файл:Diffraction-limited-aperture-estimator-1.png|center]]
2. Матрица от камеры видеонаблюдения 1/3" ПЗС SONY 960H EXview HAD CCD II c размером 1/3", диагональ 5,64мм, физические размеры 4,8мм × 3,6мм, кроп-фактор 7,5, разрешение в режиме видео 720 х 576
[[Файл:Diffraction-limited-aperture-estimator-2.png|center]]
Онлайн калькулятор минимально возможной апертуры для заданных характеристик матрицы: размера и разрешения.
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-sensor-size.htm
Преимущества 1/3" ПЗС SONY 960H EXview HAD CCD II матрицы:
# По данным калькулятора получаем, что для 1/3" ПЗС SONY 960H EXview HAD CCD мы можем использовать при работе меньшую апертуру и получить большую ГРИП за счет того, что точка macro diffraction limit дальше за счет меньшего количества пикселей на аналогичной площади сенсора.
# Равный почти О мс лаг, субъективно лага нет вообще.
# Вывод изображения через композитный видео интерфейс. Для этого можно использовать старые LCD TV, которые уже не подходят для других целей.
Недостатки 1/3" ПЗС SONY 960H EXview HAD CCD II матрицы:
# Малое разрешение 720 х 576, на удобство работы сильно не влияет.
# Для захвата видео/фото нужно дополнительно использовать сплиттер для сигнала и дополнительное устройство видеозахвата USB EasyCap.
Преимущества CMOS матрицы от eken h9 матрицы:
# HD 1080P разрешение в режиме видео 1920 х 1080. Разрешение в режиме фото 4608х2592.
# Для захвата видео нужно дополнительно использовать HDMI сплиттер для сигнала и дополнительное устройство плата видеозахвата с интерфейсом HDMI, но в режиме фото можно получить изображение на карту памяти action камеры.
Недостатки CMOS матрицы от eken h9:
# По данным калькулятора мы получаем меньшую ГРИП, т.к. точка macro diffraction limit ближе за счет большего количества пикселей на аналогичной площади сенсора и нужно использовать большую апертуру.
# Лаг почти не мешает работе, но по ощущениям около О,2 сек., не мешает работе.
# Вывод видео изображения через HDMI интерфейс. Для этого нужен более дорогой монитор или ТВ.
= Выбор монитора/ТВ =
Тесты с использованием старого ТВ с композитным входом при использовании CCD матрицы и монитора с HDMI интерфейсом при использовании CMOS матрицы от Eken h9r показали лаг на минимальном уровне.
Тесты с использованием smart TV Xiaomi показали плохие результаты, задержка для композитного и HDMI интерфейса около 0,5 секунды. Скорее всего это связано с обработкой видеосигнала перед выводом в плеере ОС android.
В этой конструкции использовался монитор [[может использовать::ProLite XB2483HSU]] для варианта с CMOS матрицей.
Для варианта с CCD матрицей использовался NoName ТВ 2007 года.
= Подсветка =
Основные проблемы освещения:
# Дешевые светодиодные лампы дают flicker, эффект мерцания изображения. Подробнее о проблеме в видео: https://youtu.be/0kAuDuV9K9U
# Недостаточная мощность освещения. При использовании только естественного освещени получаем темно изображение или черный квадрат.
# Тени от объектов в рабочей зоне или отсутствие освещения в нужных участках кадра при плотном монтаже.
Участки потери светового потока:
# Поляризационный фильтр. Отсекается часть потока света с поляризацией несовпадающей с поляризацией фильтра в текущей ориентации.
# Оптика объектива. Потери зависят от светосилы объектива.
# Апертура. Уменьшение размера отверстия диафрагмы отсекает часть потока света.
# Кроп-фактор. Теряется часть светового потока, который проецируется на кадр за пределами матрицы.
# Увеличение. При сильном увеличении оптическая система видеомикроскопа работает со световым потоком полученным с небольшой площади рабочей зоны и проецирует его на площадь кадра.
# Использование дополнительных аксессуаров для получения эффекта макросъемки: макрокольца, реверсивные и т.д., если объектив изначально не был предназначен для макросъемки.
Учитывая всех "потребителей" светового потока требуется изначально мощное освещение рабочей зоны, чтобы получить на матрице уровень освещенности достаточный для получения качественного изображения. В отличие от фото где используется вспышка при съемке макровидео это освещение должно быть постоянным.
Крепление на гибком кронштейне позволяет осветить нужную часть рабочей зоны и отрегулировать рельеф изображения с помощью теней.
Кольцевая подсветка дала сильные блики в кадре, поэтому не используется в этой конструкции.
[[Файл:Микроскоп-подсветка-пример.png|center]]
В этой конструкции используются:
[[может использовать::Лампа настольная Camelion 8173762]] (используется отдельно гибкий кронштейн).
[[Файл:Микроскоп-подсветка-camelion-8173762.png|center]]
И [[может использовать::Светодиодная лампа Огонёк CC-155]].
[[Файл:Микроскоп-подсветка-Огонёк-CC-155.png|center]]
Лампочка стандартная с теплой или холодной гаммой по вкусу или по ситуации:
* "лампа светодиодная ОНЛАЙТ 8Вт E27 600лм 2700K 220В рефлектор R63"
* "лампа светодиодная ОНЛАЙТ 8Вт E27 660лм 4000K 220В рефлектор R63"
[[Файл:Микроскоп-подсветка-онлайт.png|center]]
После перебора вариантов источников освещения получилось, что ОНЛАЙТ 8Вт E27 оптимальный вариант. Лампочка отвечает нормам СанПиН, в ней используется качественный драйвер обеспечивающий flicker free освещение. Матовый защитный пластик работает как рассеиватель.
Светодиодная лампа Огонёк CC-155 дает более направленный, холодный, точечный источник света.
= Конструкция =
Расположение элементов видеомикроскопа на основе конструкции предложенной в книге "Майкл Фриман. Цифровая фотография. Крупный план. 2005 стр.113" и автора видео "https://youtu.be/QHKDDBAkFiY"
[[Файл:Микроскоп-штатив-для-копирования.png|center]]
= Штатив =
Проблемы неустойчивого штатива: дрожание изображения, пропадание фокуса, смещение кадра. Пример неустойчивого штатива: https://youtu.be/I_zOHLLsdUA
В этой конструкции используется [[может использовать::штатив от фотоувеличителя УПА-601]]. Он надежно крепится к столу и собран без люфта. Штатив встречается в продаже от 500р.
https://www.avito.ru/rossiya/fototehnika?q=%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%83%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C
[[Файл:Микроскоп-штатив-УПА-601.png|center]]
= Возможности для улучшения =
# Использовать объектив с более высокими характеристиками. Больше светосила, меньше аберраций, специализированный макрообъектив снимающий с масштабом от 1:1. Например Canon MP-E 65mm f/2.8 1-5X Macro.
# Использовать матрицу с более высокими характеристиками. Больше площадь, больше разрешение, больше площадь при фиксированном значении разрешения, меньше шумов, меньше лаг. Например BigEYE 10mp SONY imx294 4/3 "CMOS Цифровая микроскопическая камера USB3.0 или Jenoptik ProgRes Naos .
# Использовать фотоаппарат или видеокамеру в режиме макросъемки с выводом realtime видео через HDMI или композитный выход. Например https://youtu.be/rpZ5s50smUY.
# Подобрать и установить матрицу снимающую в диапазоне ИК.
# Подобрать конфигурацию для съемки общих планов, для фотопротокола. Скорее все нужно использовать отдельную action камеру, или матрицу большего размера и широкоугольный объектив.
# Подобрать модель биологического микроскопа и установить матрицу. Использовать для получения микровидео для работы с максимальным увеличением.
О ваших результатах и замечаниях сообщайте в канал CADR https://t.me/cadr_hackerspace
= Список литературы =
# Майкл Фриман. Цифровая фотография. Крупный план.
# Adrian Davies. Close-Up and Macro Photography.
[[Категория:Проекты]]
[[Категория:База знаний]]
