Mikroskop do lutowania (RSPi 4B+HQC+M42)

Spis treści

Wsparcie dla oczu

Dawniej w Warsztacie brakowało mi głównie... narzędzi, czasu i rąk. Obecnie coraz częściej... oczu.

I nie są temu winne elementy SMD. Bardziej kalendarz ;)

Napierw zmieniałem okulary, potem lupy, oświetlenie, itd. Coraz bardziej odczuwałem w Warsztacie brak mikroskopu. Przejrzałem dostępne oferty. Ceny (sensownego) sprzętu zaczynały się od 1k2! :/ Odpuściłem temat.

Niemal codziennie większość prac projektowo-montażowych wykonuję wpatrując się w ekran komputera. Naturalnym rozwiązaniem wydawało mi się powiązanie go również z "patrzeniem". 

W sieci opisów znalazłem wiele. Niektóre z nich wykorzystywały obiektywy fotograficzne w standardzie M42. Na półce leżało kilka sztuk... Ogniskowa: 50, 80, 100,...

Raspberry Pi 4B/8GB kupiłem z myślą o wykorzystaniu go do sterowania SDR'em. W sieci wiele z opisów dotyczących "Malinki" mówiło o wykorzystaniu kamer. Czemu nie spróbować?

Zamiast wstępu

HQ Camera dla Raspberry Pi

By mieć pełną świadomość możliwości i ograniczeń RSPi (wraz z systemem operacyjnym) wykorzystywanych w roli "procesora obrazu"  warto zapoznać się z materiałami opracowanymi przez Dave Jones'a, autora PiCamery.

Jego opracowanie (Picamera, v. 1.13) powstało ok. 5 lat temu, jednak zawarte w nim opisy nadal dobrze obrazują problematykę związaną z wykorzystaniem GPU w strukturze RSPi. W tym różnice w sposobie przetwarzania obrazu. Zrozumienie tych różnic pozwoli nie tylko na świadome podjęcie decyzji, ale IMO uniknięcie rozczarowań w przyszłej eksploatacji urządzenia. Po zapoznaniu się z opisem nadal chciałem wykorzystać RSPi do budowy mikroskopu.

Problem "z patrzeniem" często dotyczył nie tyle samego procesu "lutowania", ile... inspekcji (kontroli) poprawności tego procesu. Po jego zakończeniu. A przed uruchomieniem. W sieci można znaleźć niejedną ofertę "doskonałego narzędzia".

Kilka z tych wynalazków (bo drogie nie były!?) - niestety - kupiłem :/
Dość szybko okazywało się jednak, że cena zdecydowanie przewyższała funkcjonalności urządzenia.

Rozważaniom o konstrukcji towarzyszyły następujące założenia wstępne:

  • mikroskop zbuduję wykorzystując: obiektyw analogowy M42 (dedykowany do dawnych aparatów na klisze 35mm) oraz sensor HQ Camera for RSPi (o przekątnej: 7,86mm). Dzięki temu, że jest on mniejszy od klatki filmu 35mm (przekątna: 27,16mm). Zapewni mi to, że obraz będzie (teoretycznie ok.11 razy) "powiększony" w stosunku do obrazu pierwotnego. Dodatkową zaletą tego jest fakt, że obiektyw wykorzystany będzie w części (tj. centrum obrazu), w której występują najmniejsze zniekształcenia i jest "najjaśniejszy!,
  • w mikroskopie wykorzystam do spięcia obiektywu M42 z płytką HQ Camera adaptera C/CS-M42 F dedykowanego dla standardu T2, stosowany w mikroskopach i lunetach. Niestety równie często określa oznaczane jako standard M42. :o I choć ma tę samą średnicę, to skok tylko 0,75mm. Może prowadzić do nieporozumień i błędów. Taki adapter (C/CS -M42 (T2) wykorzystałem do budowy mikroskopu.
    W dalszej części artykułu używam również określenia "obiektyw M42". Dotyczy to systemu mocowania obiektywów (stosowanych w fotografii analogowej) opartego na drobnozwojowym gwincie o średnicy 42mm i skoku 1mm.
    Oczywiście są adaptery C/CS-M42 przystosowane do standardu "fotograficznego", ale są konstrukcyjnie (kształt, wymiary, itp.) inne. I często droższe.
  • wobec braku tokarki i/lub drukarki 3D założyłem, że główne elementy (np. statyw do mikroskopu) zostaną zakupione (w rozsądnej cenie). Pozostałe (modyfikacje posiadanego oprzyrządowania) zostaną wykonane własnoręcznie.

Z tego zrezygnowałem! Po próbach...

Po kilku praktycznych próbach i testach wybrałem matrycę o nazwie: kamera wysokiej jakości dedykowana dla Raspberry Pi (HQ Camera for Raspberry Pi).

Zadecydowały o tym nie tylko parametry techniczne, ale również:

  • jest ona dedykowana do współpracy z RSPi Ten jednopłytkowy komputer miałem i to nawet z 7" wyświetlaczem z dotykowym ekranem. Wspominałem o tym, że to sterownik SDR'a). Stwarza to możliwość wykorzystania mikroskopu w warunkach "autonomicznych". Bez stacjonarnego PC czy laptopa, Zaletą również jest fakt, że kamerę łączy się z RSPi nieekranowanym kablem o (w zasadzie) dowolnej długości,
  • choć w nazwie użyto określenia "kamera" to w rzeczywistości jest to sensor IMX477R osadzony na płytce z elektroniką. Relatywnie niska cena (<30PLN) adaptera C/CS-M42 (T2, tak, tak, te półtora zwoja dobrze trzyma!) pozwala wykorzystać szeroką gamę obiektywów systemu M42.. Są one zdecydowanie tańsze od dedykowanych dla tej kamery obiektywów CCTV (o zbliżonych parametrach),
  • korzystając z tzw. pierścieni pośrednich (do makrofotografii, M42, bez przeniesienia przesłony, komplet: 7mm, 14mm, 28mm, ok. 20-30PLN) w prosty (ale jednocześnie stabilny) sposób można decydować o powiększeniu. Jednocześnie zachowując wygodną odległość pomiędzy czołem obiektywu a obiektem. Dla mojego obiektywu 1,8/50 i pierścienia 28mm odległość (ostrzenia) wynosiła ok. 22cm!,
  • duża czułość sensora IMX477R powodowała, że nawet przy oświetleniu "zastanym" (dzienne, pokój) można było wykonywać zdjęcia o (IMO: więcej niż) zadowalającej jakości. Również odwzorowanie kolorów było bardzo dobre. Wiadomo: CMOS! Po dodaniu oświetlenia można było zwiększyć przesłonę uzyskując jednocześnie znaczne zwiększenie głębi ostrości.

Porównanie zdjęć "mojej" kamery z mikroskopem USB

Wnikliwi czytelnicy niewątpliwie sprawdzą i zauważą, że matryca IMX477R może pracować w trybie wideo jedynie (?) z: 1080p30, 720p60 i 640 × 480p60/90.

Te 30klatek/s to kompromis (standard H.264) funkcjonalności wobec ceny. Trzeba mieć świadomość, że dla najwyższej rozdzielczości wystąpią niewielkie opóźnienie obrazu. Moim zdanie akceptowalne.

I tu pojawia się kolejne zastrzeżenie: podana powyżej ilość klatek dotyczy "bezpośredniego" przyłączenia monitora do płytki RSPi za pośrednictwem HDMI. Jeśli chcemy korzystać ze "strumienia wideo" w sieci (Eth lub Wi-Fi): prędkość spadnie, ilość klatek też, wzrosną opóźnienia! Dla inspekcji, czy zdjęć - oożnienie nie jest (z reguły) parametrem krytyczny. Chyba, że ta "sieć" dla strumienia to... jakieś słabe Wi-Fi. RSPi ma Wi-Fi 2,54/5GHz, ale ostatecznie i tak zadecyduje... Twój router.

Dla sytuacji "dynamicznej" (np. lutowanie) lepiej sięgnąć... po wyświetlacz bezpośrednio przyłączony do HDMI RSPi. Stosuję 7" kolorowy wyświetlacz LCD z ekranem dotykowym. Niewiele kamer inspekcyjnych wyposażono w wyświetlacz o tych wymiarach.

Zdjęcie z lewej prezentuje (na tle zdjęcia wykonanego "moim" mikroskopem) zdjęcie wykonane tzw. mikroskopem USB (50-80PLN). IMO ten drugi może zostać użyty wyłącznie do ewentualnej inspekcji.Wycinek rzeczywistego obrazu na tle (zmniejszonego) pełnego zdjęcia

Mikroskop USB w przypadku nawet prostych czynności montażowych jest raczej nieprzydatny. By uzyskać duże powiększenie odległość czołówki mikroskopu od obiektu jest bardzo mała (kilka milimetrów-kilka centymetrów dla małych powiększeń).

Ponadto ze względu na niestabilność uchwytu (przy dużych powiększeniach) obraz jest bardzo niestabilny. Niestety próby wyeliminowania tych niedogodności nie przyniosły oczekiwanych rezultatów.

Wycinek rzeczywistego obrazu na tle (zmniejszonego) pełnego zdjęcia

Niestety (moja) próba "przerobienia" kamery internetowej na mikroskop również zakończyła się niepowodzeniem. Zanim udało mi się zdemontować obiektyw z sensora... kamerka uległa (elektrycznemu, ESD) uszkodzeniu. W ten sposób uniknąłem konieczności rozwiązania problemu mocowania optyki do kamerki. Dziś już wiem, że nie byłoby to proste..

W dalszej części opisu pod pojęciem układu optycznego rozumiem: obiektyw analogowy (M42), pierścień(ie) pośredni(e), adapter C/CS-M42 (T2) wkręcony w gniazdo HQ kamery.

We wszystkich przypadkach (mikroskopu USB, kamerki czy mikroskopu RSPi) podczas eksperymentów okazało się, że podstawowe znaczenie dla końcowych efektów, a zwłaszcza funkcjonalności ma stabilność mocowania głowicy optycznej z sensorem. Dlatego uważam, że na statywie nie ma co oszczędzać!