суботу, 27 листопада 2010 р.

Немного о макро фото- и видеосъемке в хоббийных приложениях



Немного о макро фото- и видеосъемке в хоббийных приложениях


  1. Введение
  2. оптические инструменты
  3. ПЗС
  4. приложения
  5. Освещение
  6. примеры
  7. Выводы


ВВЕДЕНИЕ

В этой небольшой заметке мы рассмотрим некоторые  возможности, доступных любителям оптических и регистрирующих (цифровое фото- видео-) приборов, применительно к задачам, требующих работы с малыми элементами или детальными изображениями

ОПТИЧЕСКИЕ ИНСТРУМЕНТЫ

Для рассматривания мелких элементов изображения и структур применяются следующие инструменты:
- Увеличительные стекла (лупы)
- Микроскопы с короткофокусным объективом
- Микроскопы с большим рабочим расстоянием (телескопические лупы)
- встроенные обьективы, для приборов не оборудованных окулярами (Приборы с зарядовой связью (ПЗС) – WEB-камеры, камеры телефонов, большинство новых моделей фотоаппаратов начального уровня и т.д.)

Остановимся более детально на устройстве, принципах работы и возможностях указанных инструментов

ЛУПА
Описание

ЛУПА
      
(от франц. loupe), оптич. прибор для рассматривания мелких объектов, плохо различимых глазом. Наблюдаемый предмет ОО1 (рис. 1) помещают от Л. на расстоянии, немного меньшем её фокусного расстояния f (FF' — фокальная плоскость). В этих условиях Л. даёт прямое увеличенное и мнимое изображение О'О'1 предмета.


Рис. 1. Схема оптич. системы лупы.

Лучи от изображения О'О'1 попадают в глаз под углом а, большим, чем лучи от самого предмета (угол j): этим и объясняется увеличивающее действие Л. Увеличением Л. Г наз. отношение угла а к углу j, под к-рым тот же предмет виден без Л. на расстоянии наилучшего видения D= = 250 мм. Увеличение Л. связано с её фокусным расстоянием соотношением Г=250/f; в зависимости от конструкции Л. Г может иметь значения от 2 до 40—50.



Рис. 2. Лупы: а —«двойная» (система из двух плоско-выпуклых линз); б — апланатич. система из трёх сферич. линз.


Рис. 3. Виды луп.

Простейшие Л. представляют собой собирающие плоско-выпуклые линзы; их увеличение обычно мало (=2—3). При ср. увеличениях (4—10) применяются двух- и трёхлинзовые системы (рис. 2). Поле зрения в пр-ве изображений у Л. с малым и средним увеличением не превышает 15—20°. Конструкции Л. с большим увеличением близки к конструкциям сложных окуляров; угол зрения у них достигает 80—100°. Недостаток Л. большого увеличения — слишком малое расстояние от предмета до Л., затрудняющее освещение и создающее ряд неудобств. Этот недостаток устранён в т е л е л у п а х, пригодных для наблюдения как далёких объектов (при этом Г»2,5), так и близких (Г=6). Применяются также бинокулярные (стереоскопические) Л., представляющие собой сочетание призматич. линз с биноклем малого увеличения.
(Источник: «Физический энциклопедический словарь». М.: «Советская энциклопедия», 1984.)
Информация взята с сайта
 http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1996.html

В этом исследовании мы будем применять два типа луп:
- триплет с параметрами:
Диаметр                                D = 10 мм
Высота склейки                    h = 7 мм
Фокусное расстояние           F = 10 мм

Фото линейка 10, помидор, склейка с трубой









Склейка была куплена пару лет назад, на Куреновском рынке (Киев, Украина). При использовании для визуального осмотра дает хорошее изображение при увеличениях до ~ 15 крат

- Лупа измерительная ЛИ-3-10х (чистопородный Ленинградский десятикратный триплет, стоит как 3-5 китайских монокуляров, но оно того стоит):
Увеличение, крат                                                    10х
Длина измерительной шкалы, мм                         15
Цена деления, мм                                                    0.1
Диаметр с оправой, мм                                           35
Высота, мм                                                               40
Диаметр, мм                                                             23
Масса лупы, кг, не более                                        0,015




Фото черный орех 2, алмазы 6, кролики, 29хс л10





Лупа была куплена в ноябре 2010 года, в специализованной фирме, продающей микроскопическое оборудование (Киев, Украина). Выбор делался между измерительными лупами со шкалой 8х производства ОМЗ и указанной производства ЛОМО. Обе  лупы высококачественные. Решающим фактором стало несколько большее увеличение + равномерная шкала (без сгущения в центре) по всему полю.ведения о заводе-производителе на этикетке отсутствуют, по информации фирмы-реализатора)

По характеристикам – полностью соответствует заявленным  характеристикам. Может использоваться для профессиональных измерений, с метрологически достоверной точностью. Не утомляет (в отличие от микроскопа) глаза.

Приборы данного класса весьма хорошо, как будет показано в дальнейшем, согласуются с WEB-камерами, что есть зер гут для различных прикладных визуализирующих приборов.

МИКРОСКОПЫ

ТЕОРИЯ МИКРОСКОПА
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ МИКРОСКОПА

 Исторический очерк развития мнкроскопа
Лупа, или увеличительное стекло, называемое иноrда простым микроскопом.
Это самый простой оптический прибор. Естествеиио полаrать, что лупа была построена человеком раиьше друrих оптических приборов. Ее изобретатель остался, однако,
неизвестным. Только по отдельным указаниям, рассеянным в произведениях античных ученых и писателей, можно более или менее обоснованно предположить, что им было известно применение собирательных линз н вогнутых зеркал для зажигания горючих
предметов солнечными лучами (Плиний Старший, 2379 rr. н. э., погиб во время извержения Везувия), что они наблюдали увеличивающее действие стекляниых и хрустальных сосудов сферической формы и наполнениых водой (Сенека, Луций Анней, (6 г. до н. э. - 65 r. н. э.).
Первое бесспорное описание действия увеличительного стекла дал выдающийся арабский ученый Ибн аль Хайсам (965 1039 П., в Европе был известен под именем Альгазена). Его интересный труд по оптике был опубликован в переводе на латинский язык в Европе в 572 г. Более Чем 200 лет спустя увеличительное стекло было снова описано (и, по-видимому, применялось для чтения) английским ученым монахом Роджером Бэконом (1214 1294 сс.) в 1267 r. Из итальянскнх источников известно сообщение о том, что лупы для чтения изобрел и нзгoтовлял флорентийский монах Александр Спина около 1280 г. До нашегo времени сохранились лупы, нзгoтовленные не раньше 1650 г. Но рисунки в научных трудах более paннeгo времени моглн быть получены только при помощи луп. Так, например, некоторые рисунки в вышедшем в Лондоне в 1634 г. «Театре насекомых» Т. Маффета сделаны при увеличении не менее тридцати крат. Около 1660 r. итальянец Делла Торре изrотовлял шарообразные лупы (застывшие капли стекла), днаметр которых доходил до 0,17 мм, дававшие 1500 Kpaтнoe увеличение. Наиболее знаменитой личностью в истории микроскопии является Антони Ван Левенгук (1632 - 1723 гг.), живший в гoлландском городе Дельфте, строивший и применявший для исследований простые микроскопы с увеличением до трехсот крат. Левенrук впервые наблюдал и описал мир микроскопических oprанизмов, в том числе и одиоклеточных (бактерий). Для наблюдення движения кровяных телец в капиллярных сосудах хвоста молодоro уrря он даже построил специальный микроскоп. В 1698 г. Левенгука посетил русский царь Петр 1, находившийся в то время в Голландии. Несомненно, что сам Петр и его соратники закупили и привезли из своих заграничных поездок ряд простых и сложных микроскопов для организованной в Петербурге Кунсткамеры. После создания Академик наук микроскопы перешли в ее ведение

Микроскоп Левенrука очень прост по конструкции
Микроскоп Левенгука
Между двумя металлическими пластинками 1 зажата короткофокусная лупа 2. В пластинках 1 имеются кpyглые отверстия, ограничивающие апертуру лупы. К пластинкам 1 при помощи винта 3 и пружинящего угольника 4 прикреплено устройство держателя рассматриваемого предмета. Это устройство состоит из тройной гайки 7, в которую ввернуты три винта. Из них винт 8 является несущим, винт 6, опирающийся на пластинку 1, служит для фокусировки (за счет изгиба пружинящего угольника 4),
а винт 5, снабженный острием для насаживания предмета, применяется главным образом для вращения предмета.

Немецкий ученый медик Иоганн Либеркюн ( около 1734 г.осуществил оригинальную конструкцию микроскопа, работающего в отраженном свете, по идее, предложенной, по
видимому, еще известным французским философом Рене Декартом (1596 - 1650 г.г.)
Микроскоп Либеркюна
Микроскоп Либеркюна


 содержит длиннофокусную линзу 1, У переднего фокуса которой должен находиться источник света (на чертеже не показан). Рассматриваемый предмет 2 наклеен иа тонкую металлическую пластинку 3, положение которой peгyлируется головкой 4. Предмет 2 находится в фокусе вогнутoгo параболического зеркала 5, в центре кoтopoгo сделано круглое отверстие. Непосредственно за этим отверстием помещена короткофокусная линза б, служащая лупой, через которую рассматривается предмет 2. Отверстие в зеркале 5 ограничивает действующую апертуру лупы.
Открытие в середине восемнадцатоrо столетия возможности устранения хроматизма
линзовых оптических систем прекратило дальнейшее развитие простoго микроскопа, и ведущая роль во второй половине XVIII столетия перешла к сложному микроскопу.
Мы располагаем очень скудными и даже не вполне дocтoвepными сведениями о первом сложном микроскопе_ По видимому, он был создан голландским мастером Гансом Янссеном из гopoдa Миддельбурrа вместе с eгo сыном Захарием в период между 1590 и
1610 п. Микроскоп Янссена состоял из двух собирательных линз: из короткофокусного объектива и более длиннофокусного oкyляра. Видимое увеличение
микроскопа едва ли превосходило 10Х
Микроскоп Янссена


В 1610 r. известный итальянский ученый Галилео Галилей
(1565 1642 гг.) построил сложный микроскоп иного типа, состоящий из собирательного объектива и рассеивающего окуляра. Галилей развил эту конструкцию микроскопа, основываясь на аналогичной конструкции изобретенной им зрительной трубы.
Он писал: «Если приближаться на расстояния совсем малые, в четыре шага, в два, в один, в полшага, то изображение мутнеет и темнеет, и для отчетливого и ясного наблюдения телескоп надо удлинять. Этому удлинению соответствует большее увеличение.
При этом увеличение зависит только от удлинения трубы, а не от приближения предмета». Термин «микроскоп», насколько нам известно, впервые был применен в 1625 r. членом римской Aкaдeмии Г. Фабером именно к построенному Галилеем  прибору.

Микроскоп является типичным прибором ближнего действия.  Он предназначается для рассматривания, изучения и измерения микроструктуры всевозможных предметов, неразличимой невооруженным глазом. Оптическое устройство современного микроскопа отчетливо разделяется на две части. Первая часть — осветительная система, расположена по ходу лучей между источником света и исследуемым предметом. Вторая — визуальная часть, помещается между предметом и глазом наблюдателя. Ее назначение — создать на сетчатой оболочке глаза резкое и увеличенное изображение рассматриваемого предмета.
Поскольку визуальная часть микроскопа передает изображение, она должна обладать достаточно малыми аберрациями, к осветительной системе микроскопа такие требования не предъявляются. Несмотря на это, роль осветительной системы в современном микроскопе очень важна. В этом легко можно убедиться, представив себе, что в микроскопе, например тысячекратного увеличения площадь изображения в миллион раз больше площади предмета. Поэтому световой поток, прошедший через предмет (или отраженный от предмета), на изображении должен распределиться иа площадь, в миллион раз увеличенную. Отсюда следует, что если только осветительная система не обеспечит весьма интенсивного освещения , предмета, то, как бы совершенна ни была оптика визуальной части микроскопа, изображение будет темным и потому плохо видимым.

Микроскоп с короткофокусным объективом
Описание
устройство современного биологического микроскопа
На чертеже
Микроскоп


схематически показано устройство современного биологического микроскопа. В основании П его штатива размещается часть осветительного устройства, состоящего из электролампы 2Z в регулируемом патроне 24, линзы 22, называемой коллектором, и
расположенной возле коллектора ирисовой диафрагмы 21, служащей полевой диафрагмой осветительной системы.
Далее в том же основании 17 расположены призма 16 и защитное стекло 15.
Вторая часть осветительной системы — конденсор вмонтирована в отверстии, находящемся в центре круглого вращающегося предметного столика 12 (на чертеже показан очень распространенный двухлинзовый конденсор). В передней фокальной плоскости конденсора имеется вторая ирисовая диа-фрагма 14, которая служит апертурной диафрагмой осветительной системы.
На предметном столике 12 помещается плоскопараллельная стеклянная пластинка, называемая предметным стеклом; иа предметном стекле находится рассматриваемый предмет, покрытый тонким покровным стеклом для защиты от пыли и высыхания
Над предметным столиком 12 (рис. III. 5) находится визуальная часть микроскопа, которая укреплена на тубусодержателе 18, имеющем форму кронштейна. Этот тубусодержатель может перемещаться вверх и вниз для установки необходимого расстояния от предмета на столике 12 до объектива 11 микроскопа. Грубая установка производится вращением головки 19, а тонкая — вращением коаксиальной (соосной) головки 20.
. Объектив 11 ввинчен в револьверную головку 8. В задней фокальной плоскости объектива находится укрепленная в его оправе постоянная (не ирисовая) диафрагма 10, служащая апертурной диафрагмой визуальной части микроскопа. В револьверную головку ввинчен также другой объектив 9. Непосредственно к револьверной головке примыкает корпус 6, содержащий полупента-призму 7, наклоняющую для удобства положения головы наблюдателя ось окулярного тубуса 5 под углом в 45° к вертикали.  В верхний конец тубуса 5 вложен заключенный в цилиндрическую оправу окуляр, состоящий из коллектива 4 и глазной линзы 1. Между линзами окуляра расположена постоянная диафрагма 3, которая представляет собой полевую диафрагму визуальной части микроскопа. Оправа окуляра имеет уступ, которым оиа опирается на верхний срез тубуса 5. Штриховой линией 2 показано положение изображения, создаваемого при помощи объектива. С плоскостью 2 совпадает передняя фокальная плоскость окуляра.
В микроскопостроении приняты и соблюдаются всеми фирмами некоторые нормы, позволяющие применять объективы и окуляры одной фирмы в штативе другой фирмы. Так, в качестве винтовой нарезки, которой соединяется оправа объектива с корпусом микроскопа, применяется дюймовая резьба W 0 , 8 х 1 / 36 дм. (принята в 1858 г.). Наружные диаметры цилиндрических оправ окуляров; 23,2 мм, а для окуляров с увеличенным полем зрения —30,0 мм. Расстояние z от верхнего среза тубуса до передней фокальной плоскости окуляра установлено 13,0 мм.
(из книги
В. Н. Ч у р и л о в с к ий, д-р техн. наук, проф. Т Е О Р И Я ОПТИЧЕСКИХ П Р И Б О Р О В, 1966 г)

В настоящее время, на рынке присутствует большое количество приборов данного класса (в основном производства КНР), в т. ч., оснащенных WEB-камерами. Увеличение и качество изображения, сильно меняются от модели к модели, также разные экземпляры имеют разные абберации. Все приборы данного класса имеют один существенный недостаток – малое рабочее расстояние (расстояние между объективом и предметом наблюдения); это сильно усложняет освещение рассматриваемого объекта, делает практические невозможными относительно вольные маневры с объектом наблюдения в направлении оптической оси, также возникает реальная опасность повреждения оптических элементов, при неосторожном пользовании прибором.

Была исследована возможность применения в любительской практике микроскопа начального уровня CONUS-Pix производства CONUS. Выявлено, что кроме недостатков, указанных выше, прибор имеет очень неудобный набор увеличений (чрезмерно больших), качество изображения – просто мутное…

Также рассматривался профессиональный микроскоп фирмы Carl Zeiss, 2002 г. производства, выполненный по указанной схеме. Характеристики прибора вполне соответствуют требованиям, предъявляемым к топовым оптическим приборам, стоимость прибора  - соответствующая. Строго профессиональное назначение прибора, делает весьма проблематичным его использование в любительской практике.

В дальнейшем, в этом обзоре, приборы данного класса не рассматриваются.


Микроскопы с большим рабочим расстоянием (телескопические лупы)
Описание
Микроскоп, выполненный по этому принципу, представляет собой, трубу Галилея, дополненную линзой-усилителем (дополнительный объектив), по сути, является телескопической лупой. Очень хорошо устройство такого микроскопа понятно из следующего рисунка


взято с

Где      A – объектив,
B – Телескоп Галилея,
D и дальше – внутренние объективы, призмы и окуляры

Теперь о том, как это работает. Принцип работы телескопической лупы хорошо изложен в книге Солнцева Оптические наблюдательные приборы. Их устройство, выбор и эксплуатация, :Л- 1991

Приведу выдержку из книги

Глава 1.5
ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЕ ЛУПЫ
   Телескопическая лупа представляет собой призменный монокуляр, перед объективом которого установлен дополнительный сменный объектив. Подобная комбинация дополнительного объектива и монокуляра позволяет производить наблюдения с дистанций, равных фокусному расстоянию сменного дополнительного объектива, которое может находиться в пределах от нескольких десятков миллиметров до нескольких метров.
В зависимости от фокусного расстояния дополнительного объектива изменяется и общее увеличение телескопической лупы.
Устройство телескопической лупы показано на рис. 1.



В данном случае объектив 5 монокуляра имеет специальную оправу 4, в которую устанавливается сменный дополнительный объектив, состоящий из линз 1 и оправы 2. В установленном положении оправа дополнительного объектива закрепляется стопорным винтом 3. Конструкция оправ 2 и 4 такова, что в установленном положении дополнительный объектив и объектив 5 оказываются точно центрированными друг относительно друга.
Как и у обычного призменного монокуляра выходной зрачок 8 оптической системы телескопической лупы располагается за последней плоскостью окуляра 7. Узел 9 на корпусе трубки 6 служит для крепления телескопической лупы на фото- или киноштативе.

Оптическая схема телескопической лупы показана на рис. 2.



Рис. 2. Оптическая схема телескопической лупы:
а — положение плоскости изображения при расположении объекта на расстоянии, равном фокусной длине дополнительного объектива;
б — положение плоскости изображения при расположении объекта на расстоянии меньше фокусной длины дополнительного объектива.



Здесь:
1 — объект наблюдения;
2 — сменный, дополнительный объектив с фокусным расстоянием fдоп;
3 — объектив монокуляра;
4 — призмы оборачивающей системы монокуляра;
5 — фокальная плоскость объектива монокуляра;
6 — диафрагма, ограничивающая поле зрения;
7 — плоскость изображения, создаваемого объективом 3:
8 — окуляр;
9 — выходной зрачок.

На схеме показаны: Dвх — световой диаметр (входной зрачок) объективов 2 и 3; Dвых - диаметр выходного зрачка; fоб — фокусное расстояние объектива 3; fок — фокусное расстояние окуляра 8; lвых — удаление выходного зрачка.
При расположении объекта наблюдения 1 на удалении от дополнительного объектива 2, равном фокусному расстоянию этого объектива, плоскость изображения 7 практически совмещается с фокальной плоскостью 5 объектива 3 (рис. 2, а). Для наблюдателя, у которого аметропия глаз отличается от нормальной (имеет место близорукость или дальнозоркость), вводится коррекция путем продольного смещения окуляра до получения резкого изображения наблюдаемого объекта. При этом для близорукого глаза окуляр должен быть смещен вперед, по направлению к объективу, а для дальнозоркого глаза соответственно назад.

   При некотором изменении расстояния между объектом наблюдения 1 и дополнительным объектом 2, т. е. при уменьшении или увеличении его значения по сравнению с номинальным значением, равным фокусному расстоянию fдоп дополнительного объектива 2, соответственно будет перемещаться и плоскость изображения 7 относительно фокальной плоскости 5. Так, при уменьшении расстояния до объекта 1 по отношению к величине fдоп, плоскость изображения 7 будет смещаться относительно фокальной плоскости 5 назад, по направлению к окуляру (рис.2, б). Наоборот, при увеличении расстояния до объекта 1 по отношению к величине fдоп, плоскость его изображения 7 будет смещаться относительно фокальной плоскости 5 вперед, по направлению к объективу.
И в том и в другом случаях понадобится произвести перефокусировку телескопической лупы, т. е. переместить соответственно назад или вперед окуляр 8 — до получения резкого изображения наблюдаемого объекта.
Здесь надо отметить, что возможные отклонения величины расстояния между объектом наблюдения и дополнительным объективом, при которых еще возможна настройка телескопической лупы на резкость изображения, невелики и резко уменьшаются при близорукости или дальнозоркости глаз наблюдателя.

На корпусе монокуляра телескопической лупы обычно приводятся: фирменный знак, обозначение модели прибора и заводской номер.
На оправе сменного дополнительного объектива обозначается его фокусное расстояние.
Телескопическая лупа комплектуется соответствующим набором дополнительных объективов, штативом, паспортом с основными данными прибора и руководством по его эксплуатации.
В комплект входит также футляр для хранения и переноски лупы.

В табл. 1 приводятся технические характеристики оптического набора ЛП-1 («Любитель природы»), в состав которого входит и телескопическая лупа.
Технические характеристики оптического набора ЛП-1 («Любитель природы»)
Параметр   Монокуляр   . Микроскоп Телескопиче­
ская лупа
Увеличение, крат 7 ±0,35          13,4 ±0,67     7 ±0,35
Поле зрения            8°30'±25'       19,6 мм         445 мм
Диаметр зрачка входного, мм  35       35       35
Диаметр зрачка выход., мм      5±0,25           5±0,25           5 ±0,25
Удаление выходного зрачка, мм          16,1 ± 1,6      16.1 ± 1,6     
Разрешающая способность     6"        0,01 мм         0,1 мм
Расстояние от объектива до
предметной плоскости, мм             129,9  2988
Габаритные размеры, мм                    230Х154X67           
Масса, г                   660    


К сожалению, кроме телескопической лупы, входящей в набор «Любитель природы», промышленность не выпускает других телескопических луп, предназначенных для широкого круга пользователей. Поэтому предлагаем простой способ переделки широко распространенной и не дорогой зрительной трубы «Турист-4» (10X30) в довольно эффективную телескопическую лупу.
Для этой цели надо изготовить муфту и упорное кольцо, показанные на рис. 3, а, б. Эти детали могут быть выполнены из дюралюминия, латуни или стали.
В качестве сменных дополнительных объективов можно использовать положительные очковые линзы, обточенные под размер, указанный на рис. 1.3, в.








    
Рис. 1.3. Детали для переоборудования зрительной трубы «Турист-4» в телескопическую лупу: а - муфта; б - упорное кольцо; в - линза дополнительного объектива


Обычно для очковой линзы известна ее оптическая сила Ф в дптр. Зная оптическую силу линзы, ее фокусное расстояние f (мм) можно определить по следующей формуле:
f= 1000/Ф.

Оптическая сила стандартных положительных очковых линз и соответствующие им фокусные расстояния приведены ниже.
Оптическая сила линзы, дптр +0,25  +0,50  +0,75  +1,00  +1,25  +1,50  +1,75  + 2,00
Фокусное расстояниелинзы, мм         4000   2000   1333   1000   800     667     571     500





На рис. 1.4 показан пример крепления линзы 1 дополнительного объектива в оправе 4 трубы 7. Линза 1 вставляется в оправу 4 объектива 6 трубы и вслед за ней в оправу вдвигается упорное кольцо 2, а уже затем на оправу 4 надевается муфта 3 и закрепляется стопорным винтом 5. Наличие небольшого люфта между выдвижным тубусом и корпусом трубы, а также возможное несовпадение их осей влияют на качество изображения, даваемого такой телескопической лупой. Поэтому телескопическую лупу надо установить на штатив так, как об этом сказано в п. 3.5, навести на плоский объект, например на лист газеты с мелким текстом, и, поворачивая выдвижной тубус вокруг его оси на 20—30°, в каждом из этих положений оценить качество изображения, даваемого телескопической лупой.
Действуя таким образом, следует найти такое взаимное положение выдвижного тубуса и корпуса трубы, при котором имеет место наилучшее качество изображения. Это положение необходимо отметить, с тем, чтобы при эксплуатации лупы устанавливать выдвижной тубус сразу в необходимое положение.
Точно так же несложно переоборудовать в телескопическую лупу и трубу «Турист-5» (20X30), но у нее при большом увеличении будут маленькие угол поля зрения и светосила и более сильное влияние окажут на качество изображения люфт выдвижного тубуса и его несоосность с корпусом трубы.

К слову, по этой схеме выполнены широко распространненые микроскопы серии МБС – надежные, неприхотливые машины, которые можно с успехом применять как в профессиональной, так и в любительской практике.



подробнее о микроскопах МБС можно прочитать здесь:
http://www.laboratorium.dp.ua/item/13

В настоящем исследовании использовалась модифицированная телескопическая лупа, выполненная на базе зрительной трубы типа «Турист» 10х30 производства СССР.

фото
труба,


29Хс3,


брусок2,


припой7,


ув1



О составлении телескопической лупы. Для переоборудования зрительной трубы в телелупу, весьма важно правильно выбрать необходимое увеличение, а также правильно подобрать линзу-усилитель. В данном случае, после ряда опытов, выбор был остановлен на двояковыпуклой линзе диаметром ~ 30 мм, с фокусным расстоянием порядка нескольких см. Линза производства предприятия «Аналитприбор» Киев, Украина. Линза хорошо стает по посадочному месту, в районе фиксирующей гайки объектива, что сильно упрощает ее крепление в такой составной конструкции. При использовании данной линзы с полностью развернутой трубой, на выходе получаем увеличение ~(25-40) крат, что делает невозможным использование такого прибора, без штатива, с рук. При использовании системы со сложенной трубой, получаем увеличение порядка (10-15-…) крат, при плавном изменении вылета трубки окуляра. Изображение при визуальном наблюдении, получается с достаточно хорошим качеством, приближающемся к таковому, при использовании микроскопа типа МБС. С WEB-камерой, такая телескопическая лупа согласуется хуже (требуется  согласование двух расстояний – рабочего, и от окуляра трубы до объектива камеры + крайне желательно наличие штатива), но может использоваться в случае необходимости относительно большого рабочего расстояния.

фото оптические инструменты




Приборы с зарядовой связью (ПЗС)
Описание

ПЗС-матрица – элемент, формирующий изображение в фотоаппаратах, WEB-камерах, камерах телефонов и т. п. приборах. Подробно процесс перевода оптического изображения (поток фотонов) в цифровой матричный снимок, мы рассматривать не будем, отметим только две вещи:
 - разрешающая способность зависит от размера и объема (в Мpix) матрицы и параметров объектива (угол поля зрения и минимальное расстояние фокусировки);
 - наличие или отсутствие механического затвора. Этот параметр определяет качество изображения в режиме фото- и видео- съемки и косвенно влияет на возможность использования прибора для оперативного контроля (визуализации); фотоаппараты, имеют механический затвор (в подавляющем большинстве случаев), у WEB-камер такого элемента, как правило, нет.

Более подробно о ПЗС и WEB-камерах можно посмотреть здесь

возможности современных WEB-камер следующие:
 - разрешение матрицы находится в диапазоне от 640х480 (VGA) до 1600х1200 и больше;
 - угловое поле зрения, как правило, достаточно большое (порядка 70 0);
 - возможность ручной фокусировки в диапазоне от 20 мм до бесконечности;
 - линейное поле зрения на минимальном расстоянии составляет величину порядка (25х15)        мм, что при VGA-матрице дает разрешающую способность, примерно равную 40 мкм/пиксель
 - возможность записи видео с VGA-разрешением с частотой порядка 15 кадр/с

возможности современных фотоаппаратов
 - разрешение матрицы находится в диапазоне от первых мегапикселей до первых десятков мегапикселей;
- угловое поле зрения, зависит от встроенной системы оптического зуммирования;
- фокусировка, как правило, автоматическая (в простых камерах) в диапазоне от 10 мм (некоторые модели Olympus) до бесконечности
- линейное поле зрения на минимальном расстоянии фокусировки в 2 см составляет величину порядка (25х15) мм, что при 5 Мпикс-матрице дает разрешающую способность, примерно равную 10 мкм/пиксель
- возможность записи видео с VGA-разрешением (часто лучше) с частотой порядка 30 кадр/с

В нашем исследовании использовалась WEB-камера типа TC-303, около 2003 г. выпуска, разрешение матрицы 640х480 (VGA). Камера использовалась с дополнительными объективами (см. пункт «лупы»), позволяющими повысить разрешение (и рабочее расстояние при неизменном разрешении) до 4 раз, в нашем примере.
Фото камера

Также использовались снимки, полученные с помощью аппаратов Olympus С740UZ (2003 г. выпуска) и С500 Zoom (2005 г. выпуска), на протяжении 2004-2010 годов
Основные характеристики камер

Olympus С740UZ
10x оптичний зум, f2.8-3.7 (еквівал. для 38-380мм фотоапарата)
3.2 млн пікселів
Режим відеозапису зі звуком
Режим Супермакро (3 см)
Електронний видошукач відображає інформацію про всі параметри зйомки
Конструкція  11 елементів у 7 групах, 2 асферичних елементи. ED елемент.

С500 Zoom
5.0 млн пікселів
3x оптичний зум
Великий РК-монітор 4.6см (85 000 пікселів)
15 сюжетних програм (включаючи феєрверк, портрет, нічну зйомку) + функція "віртуальна довідка" і функції зйомки (включаючи "сепія", чорно-білий)
Автоматичний і ручний режим
Функція запису відеороликів зі звуком
Режим супермакро з відстані 2см
Конструкція 6 елементів в 5 групах, 3 асферичних елемента.

Спецификации на указанные модели

фото СВЕРЛА, ЦИТРИН,  








также макро
http://photofile.ru/users/istari/1305445/27347532/#mainImageLink
http://photofile.ru/users/istari/1305445/27347134/#mainImageLink
http://photofile.ru/users/istari/1305445/27344937/#mainImageLink
http://photofile.ru/users/istari/1305445/27344918/#mainImageLink
http://photofile.ru/users/istari/1305445/27343909/#mainImageLink – фото 740-м аппаратом, снял пугливую ласточку с 3 метров (десятикратный оптический зум)


ПРИЛОЖЕНИЯ
Для чего может применяться макро фото- и видео-съемка в хоббийной практике?
Приложения достаточно очевидны. Отметим некоторые из них:
-         различные художественные работы, связанные с росписью или гравировкой малых предметов. Очень хороший пример можно посмотреть на
-         http://eldisblog.com/post112764078/ (расписные желуди)
-         ремонтные работы типа часовых – часовые глазные лупы применяются с давних пор;
-         филателия, нумизматика фото КРОЛИКИ 

    
       (монета 999 серебро, монетный двор г. Перт, Австралия (2011 – год Кролика; сьемка WEB-камерой с 10-ти кратной лупой в качестве дополнительного объектива)
-         отбор материалов и образцов при различных ювелирных работах и создании микромеханических приборов фото алмазы






(пример – алмазы 800/630, производства Института сверхтвердых материалов НАН Украины, Киев; область применения – высокопроизводительные шлифголовки, инденторы для любительских твердомеров, создание ювелирных украшений)
-         контроль при различных измерениях (пример – измерение отпечатков при скрайбрировании и индентировании материалов, с целью измерения твердости)
-         различные любительские селекционные работы (отбор семян) фото семена


-         контроль при различных работах, связанных с микроразмерной обработкой, контроль качества заточки, контроль качества литья (фото припой, лучшие из сессии)



Последний пример, мы расмотрим более детально. Но сначала несколько слов об освещении.
ОСВЕЩЕНИЕ
Как известно, правильное освещение – основа для получения качественных снимков. Освещение должно быть достаточно ярким, подчеркивать элементы снимаемого предмета, которые должны быть выделены, и скрывать те участки (структуры), которые являются неинформативными. Блики на поверхности снимаемого предмета (кроме специальных случаев), являются нежелательными и с ними надо бороться.Также нужно следить за тем, чтобы не было паразитной засветки матрицы осветителем.
           Приборы для освещения. В промышленной и лабораторной практике применяются специальные осветители, которые фокусируют свет галогенной лампы, на площади порядка нескольких см2 (в ряде случаев, применяется бестеневая круговая подсветка люминесцентными лампами)
В нашем примере, мы будем пользоваться светодиоными фонарями, с аккумуляторным питанием. Фото фонари

Это вполне разумно, так как, по состоянию на 2010 г. световая отдача серийных светодиодов превышает 150 Люмен/Ватт – уже вне конкуренции, относительно других источников света. К тому же, современные светодиодные излучатели дают достаточно узконаправленный свет, что для наших применений есть хорошо. На фото показан пример того, как с помощью подсветки разноцветными светодиодами, можно получить достаточно интересные эффекты. Фото клубника



ПРИМЕРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве демонстрационного примера было выбрано измерение следующих объектов:
 - контроль качества поверхности слитка припоя оловянно-свинцового сурьмасодержащего ПОС Су – 30 – 2; слиток треугольного сечения, литье. Наклонная поверхность слитка весьма удобна для контроля глубины резкости, наплывы на поверхности также интересны для оценки разрешающей способности при различных увеличениях
 - съемка хонинговального бруска АС32 200/160 производства одного из алмазных заводов, Украина; припой и брусок снимались WEB-камерой через телескопическую лупу (см. выше).
Фото припой брусок



Также производилась оценка остроты лезвийных инструментов. Контролировалась  режущая кромка 2-х ножей фирмы Cold Steel:
 -  Voyager 29 XC, 5” blade (моя машина)
 - Voyager tanto 29 MTX, 4” blade (подарил малой на 9 лет)
Состояние кромки:
29XC – заводская заточка + тонкая правка,
29MTX - заводская заточка.
Фото ножи



Сьемка производилась WEB-камерой через телескопическую лупу, а также через дополнительные объективы – триплеты (см. описание выше). Снимались последовательности одиночных кадров, и видеоряды.
Режимы съемки:
 - объект съемки неподвижен относительно камеры с оптической системой, осветитель неподвижен (фото)
 - объект съемки неподвижен относительно камеры, осветитель подвижен (видео)
 - объект съемки перемещается относительно камеры, осветитель неподвижен (видео)
 - объект сьемки и осветитель перемещаются относительно камеры с оптической системой (видео)

Также снимались семена различных растений (магнолия, гледичия, бундук двудомный, орех черный (Национальный Ботанический сад НАН Украины), томаты (моя коллекция)), минералы, монеты (альбом «заставки»), алмазы зернистостью 800/630, и др. Съемка производилась WEB-камерой и фотоаппаратами (см. выше)

РЕЗУЛЬТАТЫ СЪЕМКИ

Результаты съемки представлены в виде: фото - формата JPG, GIF, видеоролики  -  AVI. Фото с WEB-камеры производилось методом захвата экрана, с последующей вставкой и обработкой в программе XnView, для компактирования просмотра, некоторые серии фотографий (JPG) объединялись в файлы с расширением GIF; ролики записывались с помощью встроенного ПО WEB-камеры, преобразование формата производилось в пакете FORMAT FACTORY (программа бесплатная, но много модулей, при установке, скажем так, не совсем понятного назначения….).
Все фото и видео, в оригинальном качестве, можно посмотреть на http://photofile.ru/users/istari/
альбом «МАКРО 1110», также фото по теме статьи  - в альбоме «Заставки», и в других.

Увеличение при сьемке.
Фото увеличение


Съемка фотоаппаратами производилась без применения дополнительной оптики, максимальное разрешение (С500 Zoom) – 10мкм/пикс. Съемка WEB-камерой производилась через:
 - телескопическую лупу (разрешения  20 мкм/пикс и 36 мкм/пикс,  что соответствует визуальному увеличению х 17.5 и х10 крат соответственно);
 - триплет ЛИ-3-10 (разрешение 35 мкм/пикс,  что соответствует визуальному увеличению х10 крат);
 - триплет с F=10 мм (разрешение 10 мкм/пикс,  что соответствует визуальному увеличению х35 крат (суммарное увеличение составной оптической системы))

Рассмотрим отдельные объекты.

Припой
Съемка в режиме телескопической лупы, сводный файл
Фото припой
 
несколько разных увеличений, хорошо заметно расфокусирование, на наклонной поверхности. Объект съемки, осветитель – неподвижны относительно камеры


Алмазы и алмазный брусок.
Съемка в режиме телескопической лупы, сводный файл
Фото брусок


разные увеличения, хорошо заметна нечеткость передачи изображения оптической системой. Объект съемки, осветитель – неподвижны относительно камеры

алмазы
триплет ЛИ-3-10
фото алмазы


концентрические линии – ограничение таблицы цветов формата GIF

Лезвийные инструменты

Съемка через телескопическую лупу

29XC, разр. способность 36 мкм/пикс, объект неподвижен, положение осветителя меняется




29XC, разр. способность 20 мкм/пикс, объект неподвижен, положение осветителя меняется




29MTX, разр. способность 20 мкм/пикс, объект неподвижен, положение осветителя меняется


видео
cold steel 29XC 20 mkM_pix, условия освещения – те же
 


cold steel 29MTX 36 mkM_pix
cold steel 29MTX 20 mkM_pix
 

на приведенных роликах хорошо заметно влияние смены освещения на выявление тех или иных деталей микрорельефа поверхности

Съемка через триплет

триплет ЛИ-3-10
29XC


cold steel 29XC 35 mkM_pix
http://photofile.ru/users/istari/video/v158710021ff/view/

 объект подвижен, положение осветителя не изменяется
качество изображения выше, чем при съемке через телелупу

короткофокусный триплет с F=10 мм


cold steel 29XC 10 mkM/pix
http://photofile.ru/users/istari/video/v15870772fda/view/

 объект подвижен, положение осветителя изменяется

достаточно большое увеличение, что позволяет контролировать состояние режущей кромки в движении, при остановке – подробно рассматривать детали структуры

Приведенные фото- и видеоматериалы, позволяют хорошо рассмотреть структуры, образующиеся при заточке, лезвийных инструментов, шлифовальным кругом; также ясно различимы следы, оставляемые ручной правкой

Выводы
Вот и выводы. Подведем.

В любительских условиях вполне возможно применение оптических приспособлений для наблюдения тех или иных процессов, как для визуального контроля, так и для  цифровой фото- и видеосъемки.
Вполне достаточные размеры поля зрения, составляют от первых миллиметров, до первых десятков миллиметров (кроме специальных случаев), чему соответствует разрешающая способность (единицы – десятки мкм/пикс (зависит от разрешения матрицы)).
Фотоаппараты имеют лучшую разрешающую способность, чем WEB-камеры, но, ввиду более простой конструкции, возможности оперативного наблюдения на экране монитора, а также по причине лучшего согласования с внешними оптическими элементами, последние имеют больший потенциал применимости в хоббийно- ремесленных  проектах.
Для съемки высокохудожественных композиций цифровые фотоаппараты, без применения внешних оптических элементов, занимают лидирующее положение, вплоть до разрешений до 3-5 мкм/пикс.
Оптические системы, с меньшим количеством элементов, дают лучшее изображение, при прочих равных условиях.
Более предпочтительно применение оптических систем, с относительно большим рабочим расстоянием.
            Вполне возможно построение, в любительских условиях, систем контроля, совмещенных с обрабатыающим оборудованием (например, система контроля качества заточки и доводки лезвийных инструментов в процессе оных)
.....

            Алмазы - Киев, монеты - Австралия, делать умеют, черные орехи на нашей земле растут не хуже, чем в Объединенных Государствах Америки, наша Принцесса Турандот – вне конкуренции...

            ...Ножи то мне надо подточить (сделано)..



дополнительные материалы  по микроскопам





 красивые из сессии






Дополнительная информация по самодельным микроскопам



Немає коментарів:

Дописати коментар