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ドリル [顕微鏡・機材など]

お久しぶりです、dumboです。

さて、時間が色々と必要で・・・
きょうは機材のお話です。

以前、ネジを撮影しました。
その時の機材では照明がやりづらいのなんのって・・・
結局、1から新調しまして(新品はとってもお高いので、リサイクルですが)今日はそのお話です。

いきなりですが、全体像です。
drill_P1090074.jpg
相変わらず手作りって感じで、カメラを横にスライドするように変更しました。
これで照明に不自由がなくなりました???

スライドはステッピングモーターで駆動して、全ステップ量と、1コマごとの量を指定し、
シャッターも自動にしてしまいました。
(スライドテーブルにモーターをつける部分は、こりコリと自作しています。)

なので、ボタンひと押しでピント位置の違う像達が撮影出来ます。
以前は2相でしたが今回は5相のステッピングモーターで、動きが滑らかですね。

さて、テストですから動かないもので、
drill_P1090075.jpg
ドリルを撮影します。
φ2.5mmです。

出来た画像は、
drill.jpg
で、51枚からの深度合成です。
(合成ソフトは以前のままですが、いい仕事をしていますね。)

ドリルで手を切る事があるのですが、新品はカッターのように研がれているのですね。
これだけ鋭いと切れるのも納得です。


前の機材ではコマごとに、微妙に縦横ずれていたのですが、
さすが光学機器メーカーさんのものは中古でもピシッてしています。

動画では、
な感じで、
微妙ですがねっ。
もっと細かく枚数を重ねないといけません?



ご参考までに、駆動回路の回路図を示しておきましょう。
ステッピングモーター.png
CW、CCW→ABCDEへの配線部分の、ステッピングモータードライバーは上図にはありません。
(初めは自作していたのですが、個々のモーター専用の方が発熱等も少なく良いですね。)

駆動プログラムは、PICの16F873で、メモリに余裕があるので、C言語です。

(リストは下記をご覧ください。
なお商業利用以外はご自由にして頂いて結構です。
その場合「<」と「>」は小角文字に変更してください。
商業で使用される方がおられるかどうかは?ですが・・・)

ステップ駆動プログラム


LEDです、すみません。 [顕微鏡・機材など]

前に、乾電池でLEDを点灯させるお話をしましたが、今日は調光のお話です。

LED.jpg
一般に電圧が固定なら、上のように抵抗を間に入れて電流を制限します。

電源電圧5Vで、30mAを流したいのなら、LEDの電圧降下が30mAで3.4Vとすると、
オームの法則より、

(5-3.4)/0.03=53.333・・・

ですので、54Ωの抵抗をつければいいわけです。

ところが、LEDは低発熱と言ってもやはり熱を出しますし、
室温も変わりますね。

NSPWR70CS.jpg
NSPWR70CS(言わずもがなの日亜雷神です、30mAで10lmの高効率ですね)のデーターシートです。

これによると、温度が上昇すると、LEDの電圧降下が減少します。

たとえば、30°→60°に上昇すると、0.1~0.2V低下します。

そこで、上の式で求めた54Ωとしておくと、

(5-3.2)/54=0.03333・・・
となり、33mA流れるわけですね。

雷神さんは、高効率で低発熱ですのでそれほどでもありませんが、
顕微鏡で使用する5W以上ものLEDでは、かなりの発熱が起こります。
したがって、みている間にどんどん光の強さが変わって、
いい写真が撮れないってことになるわけですね。

では、どうするかというと、定電流回路を抵抗のかわりに使用します。

さらに、顕微鏡撮影では、光の量を調正しないといけないので、
可変抵抗(ボリューム)にすればいいのですが、
大電流を流すためにはすごい大きなボリュームが必要になるわけです。



さて、定電流回路は色々(ググって頂いた方がいいでしょうか?)あるのですが、

大きく分けて、リニア型とそれ以外に分けておきましょう。

リニア型は上の抵抗のように電圧降下を起こさせて所定の電圧なり、電流なりを得るものです。
なので、多くは発熱によって電気の無駄となるわけです。


対して、それ以外では、スイッチング型が有名で、

文字通りスイッチを入れて所定の電圧、電流が流れた後、すぐにスイッチを切ります。
以前の乾電池のところの様なものですね。(厳密には微妙らしいですが)


で、スイッチを入れたり切ったりするのでちらつきそうですが、
目に見える速度を超えたスピードで入切しますので、見た目にはずーっと点いているように感じるのですね。

そこで、
P1220130.JPG
にお教え頂いた、DIODES社に使えそうな石(ICのZXLD1366)がありましたので組んだのが上です。

最近はチップ製品になってしまって、
P1580802.JPG
こんな半田付けが要求されるので、顕微鏡を見ながらって・・・
TSOT25ですので、MAX1W(ですが1.25A、60VまでOKなつわものです)でまあ実験がてらですね。
(実際の使用ではON抵抗が1Aで0.5Ωですから0.5Wで、定格内ですが結構な発熱があるので放熱を工夫しませんといけませんね)

で実際に付けてみると、やはり電圧による光量制御では、25%?~100%(200mA位~1A)の光量となって、
うーん、暗くなりません。
データーシート通りと言えばその通り?


そこで、PWM制御ということで、
外部からスイッチの入り切りのタイミングを入力するようにする回路を別途組んでみると、
NE555.jpg
こんな感じに、
ジャンク箱で長らく寝ていた、有名な555でデューティ比0~100%可変できる回路を組んでみました。
(実際には、左のダイオード下の2つの抵抗部分はボリュームになります。LTSpiceには可変抵抗がないみたいです?)

パソコンにつないであるADコンバーターを介してどうなっているか調べると、
名称未設定 2022.jpg
こんな感じに、ボリュームによって割合が変化しているのを確認し、大体2.5kHzですね。



で、De、?、

外からPWMを加えるのであればその先はなんでもOKかなぁと考え直し、


上のZXLD1366ではなく、いつものカレントミラーによる回路に
555を直接組み込んで、
P1220129.JPG
リニア型と、PWMの合体が上ですね。

意外といい感じに動作しますが、PWM特有の音がちょっと聞こえたりします。
(ドレミファインバーターってご存知?京急ですね)
利点は、最大電流が固定されるので、危なさが少なそうっていうことでしょうか?


普通に、秋月さんのキットに組み込んで、
P1220128.JPG
な感じにもなったりします。
(CL6807:35Vで1Aまでを使用、マニュアルに0%では500Hz以下でと書いてありますが、5kHz位でも動作OKでした。実際は、100Hz以上で、かつ0.02%以上でないといけないようです。厳密にすると、マイコンが必要ですね)


うーん、LEDもほんと奥が深いですねぇ。

やっぱりLED? [顕微鏡・機材など]

おもちゃのお話だけでは、生き物たちから離れていってしまいそうですので軌道を戻していきましょう。
(昇圧回路はそれだけで本が1冊書けるくらいですから奥が深いというのが理由なのですがねっ、
楽しいのですが・・・)


顕微鏡で写真を撮影するには何が重要かというと、
やはりカメラですから、
光ですね。

なるべく明るくした方がシャッタースピードがかせげて便利なわけです。
デジカメでもISOを低くした方が画質がいいですしね。


しかし顕微鏡の光源は普通、ハロゲンランプなわけでそう簡単に光量アップとはいかないのです。
(最近の顕微鏡は殆んどLEDですが・・・それはそれでまた光量アップが難しいですね)

単純に、
P1210316.JPG
こんな感じにLEDを詰め込んで、
P1210317.JPG
中はこんなふうに、出来るだけ大きな放熱器ということで、ジャンク箱で寝ていたCPU用がぴったりと。
(写真はmax400Lm位で、メイン用にはさらに巨大なものですがっ?)


次は電源ですね。

前回からお話しているようにLEDの特性上、定電流で駆動しますので、
P1210318.JPG
市販の定電流回路+電源で初めは様子を見ます。


PWM駆動:パルス幅変調の定電流回路で効率がよく、放熱も特に必要としないのですが、
今度は暗く出来ないのですね。

うーんあちらを立てればこちらが・・・

でっ、


よくある、LM317を利用した定電流回路を使用すると、
P1210319.JPG
巨大な放熱器に、
P1210320.JPG
中はこんな感じに、大きな可変抵抗やなんかで苦労するのですね。
(写真のはさらに電流をかせげるLM338Tだったと思います)

まあ、1Aを超えようとするとやはり放熱が必要となるので、
・・・


抵抗(ボリューム)だけでも小さくできないかと探していると、
P1210321.JPG
おあつらえ向けに、カレントミラーを利用した定電流回路というものに今のところ落ち着いています。
タグ:LED

ポーチュラカ? [顕微鏡・機材など]

久しぶりに散歩の話題でも。

でも、やっぱりマクロ?、ミクロ?で・・・

フィールドで4倍の対物レンズが使えるかテストしてみました。
(4倍ですから、接眼をつけると×10で、都合40倍ですね)

で、
ポーチュラカ?1.jpg
おしべと、


ポーチュラカ?2.jpg
めしべですね。



普通の写真を撮り忘れてしまって、名前は?です。

風が吹くと全然ピントが合いませんでした。
外では無理ですね。

皆さんの写真を見て、花を撮りたくなったというお話でした。
では、また。

エリアシング誤差?ナイキスト周波数? [顕微鏡・機材など]

今日は、ちょっと離れて画像処理のお話です。

A:「うーん、100倍で入りきらないですねぇ」
B:「じゃあ、40倍で撮って、分析します?」

A:「何か、見た目と違って変な色が○×△?」
B:「色収差?」

A:「プランアポだし、だいいち真ん中だよ???」

デジタル時代になって、画像を撮影するのは簡単になりましたね。
便利なものには落とし穴があって、サンプリング誤差というのがつきものなのですね。
まあ、無視しても問題ないことが多いのですが、厳密に行おうとすると時々悪さをします。
カメラ内部で補正されることもありますが、なかにはしていないものもあるようです。

ナイキスト誤差.png
この場合の、キーワードは、
エリアシング誤差(Aliasing error)、ナイキスト周波数(Nyquist rate)ということなのでしょうか?
単純に、上図の感じでOKですかね?

要するに元のデーターより粗くサンプリングすると、もとの画像に無かった模様が発生し、
色も含めたデーターではにせの色が発生するのです。

なので、

B:「やっぱり、画像をつなぎますか?」
A:「大変だなぁ・・・」
となるわけですね。

では、また。

ネジ [顕微鏡・機材など]

ネジを深度合成してみました。
ネジ3mm.jpg
SUS304のプラスネジ3Mです。
この大きさで見る人は品質管理の方くらいでしょうか?


ようやく、決まったステップで撮影可能になりましたので、3D構築すべく試し撮りです。
上の写真は下の機材での撮影です。
この程度の倍率でしたら、レンズのリバースでOKですね。
顕微鏡.jpg
そこら辺の部品を寄せ集めたので、いかにも手作りって感じでしょ?
一つ前の形は「接眼レンズはいりません」でごらん頂けます。

ちなみに、以前ご紹介した、「合成してみよう」のソフトでやるとこんな感じです。
ネジ3mm01.jpg
コントラストのみで合成するとこんな感じです。



さて、本題の3D画像です。
盛り上げてみよう」でご紹介したソフトに読み込ませてっと、
横4.5mm位×縦3.5mm位、ステップ0・1mmと設定して、
ネジ3mm3D01.jpg
何かが迫ってきますねぇ。これは下から(裏側:半分なのでネジ内部?)眺めているところです。

横から見るとネジなのかぁ・・・上半分ですし、こんなもん?
ネジ3mm3D02.jpg

ぐるぐる回してみて、っと。
ネジの根元側の斜めから見るとこんな感じです。
ネジ3mm3D03.jpg
何となく、頭と、ネジ部分が確認できますかね?

またまたまたまた、機材の調整のお話ですみません。
次はソフトの調整ですね・・・今度はいつかなぁ?

タグ:ネジ 3mm

やっぱりカメラはレンズが命 [顕微鏡・機材など]

前回の画質を検討すべく、やはりレンズでしょってことで、手持ちのレンズで調査です。

名称未設定 105.jpg
いずれも4倍のレンズで500円玉を撮影しました。

nikon 4_.jpg
左の無印nikon4倍です。
黄色いのは、照明の中にレンズが入ってしまって色変わっちゃいまいました?
LEDなので青が透過しにくい素材を通すと決まって黄色く撮影されますね。

(白色LEDが光っていないときに直接みると黄色い四角が見えますよね。
太陽などと違って、出ている光も均質ではなく、
波長のピークが青にあって、もう一つ低めのなだらかなピークが黄色付近にあるのです。)

さてっと、
olympus a4_.jpg
一般的な生物顕微鏡のolympusA4倍です。

nikon plan4_.jpg
最後はnikonPlan4倍ですね。

無印のものはポヤーンとした画像ですね、これでも眼で見ると顕微鏡としてはいい方の物なのですけど・・・
撮影した感じは結構いい実体顕微鏡くらいのレベルにはなっている感じですが。

さて、細かく見ると、

写真中央部分にある有名な500円玉の隠し文字のところを詳しく見てみます。

肉眼で確認できる方は相当目がいいって自慢できます。
私は虫眼鏡でもぜんぜんわかりません。
nikon 4.jpg
無印nikon4倍です。

olympus a4.jpg
olympusA4倍です。

nikon plan4.jpg
nikonPlan4倍です。

PlanでなくPlanApo位でないと差は出ないのでしょうか?
色収差以外、解像度では上って評価もあるようなんですが・・・

無印以外はそんなに差がないような?
いやー、Planが若干いい様な・・・
でもねぇ、うーんミジンコさん綺麗に撮れないなぁ。
やっぱ、Macro-Nikkor 35mm/F4.5か19mm/F2.8しかないかぁー
皆さん最終的にそこに行き着くような・・・気がしないでもない。
Zuiko Auto-Macro 20mm f2.0もありかなあ。あれRMSマウントじゃあないなぁー


あっ、Plan、Apoってなじみのない方にちょっとご説明を。
アクロマート対物レンズ(Ach:Achromat) → 2色(赤・青)の色収差を補正したもの。
プラン対物レンズ(Plan) → 像面湾曲収差を補正したもの。
アポクロマート対物レンズ(Apo:Apochromat) → 3色(赤・青・紫)の色収差を補正したもの。
で、下ほど大きくなってますね。
解説はこちらが詳しいです。

タグ:レンズ

接眼レンズはいりません [顕微鏡・機材など]

顕微鏡は対物レンズで拡大し、その像を接眼レンズで結像して観察するので、
いかにも顕微鏡ってごっつい本体はただの筒を支える重りです。

一昔前の対物レンズでは、接眼レンズとの距離を160mmでとめて見れば、ちゃんと観察できます。

最近の無限光学系では、光路が二つに分かれる手前に結像レンズがあって、
そこから接眼レンズまでの距離が180mmって決まってます。
(昔より顕微鏡の頭が大きいのは光路を折りたたむプリズムのせいなのですかね)
なので無限っていうのは対物レンズから、結像レンズまでの距離がいくらでもOKってことのようです。
100m離して見たことはありませんが・・・

さて、そのほかの部品は、オプションみたいな物で絶対に必要ってわけではありません。

かの有名なレーウェンフック(Leeuwenhoek)は小さなガラス球で顕微鏡を作り、大発見をしました。
あれー、ガラス球って・・・、レンズ一枚で接眼レンズなしってことですよね。
まあ、眼の中にレンズが1枚あるのでそれが接眼レンズねってわかりますが、じゃあ、カメラの撮影では?

って、

よく使われるのがベローズ(bellows)と対物レンズを使用した超マクロ撮影ですが、それも接眼レンズなしです。
形は違いますがちゃんとした顕微鏡です。

名称未設定 100.jpg
皆さんいろんな形で作られていますがうちのはこんな形です。
(ライティングの配線がマシンみたいでオシャレ?)

前はプラキャップに対物をじかにつけてたんですが、画面の右と左でピントが合わないので、
やはり金属でないとっ、てことで。

壊れたレンズからマウントを取り外し、(ヤスリ跡が痛々しい)
名称未設定 102.jpg
Cマウント(Φ25.4mm :1inch、ピッチ0.794mm :32山/1in)に変換します。
(軸をずらさないように慎重に取り付ないと、クローズアップ写真でミニチュア風写真を作っても今一ですし)

RMSマウント(Φ20.32mm :0.8inch、ピッチ0.706mm :36山/inch)というネジ山に変換します。
名称未設定 101.jpg
これで、めでたく対物レンズが付けられます。
昔はそのものずばりの「RMS変換マウント」って言うのがあったのでそれを見つけられれば簡単、簡単?

なければ、中古屋さんのジャンク箱の中には、壊れたレンズと、壊れた監視カメラがあると思いますので、
後はC→RMS変換マウントをみつければ 超クローズアップ画像が撮影できます。

ベローズの使い方は普通のカメラレンズと同じで、長くすると拡大、短くすると縮小できます。
前はきっちりやってたんですが、160mm辺りが最適補正ってだけなのかなぁと思っています。
(それほど画質に影響はないみたいです)

近くに撮影できる小さなものはないかと見回すと、ヒメツルソバが咲いてました。
ヒメツルソバ03.jpg
ベローズ最短の撮影です

160mmくらいでの撮影です。
ヒメツルソバ02.jpg
綺麗って言うより、ゴミすごいですねぇ、ため息が・・・いやクシャミが

こんな空気を吸ってるんですよ私たち・・・見なきゃよかった?

でミジンコさんを撮影しますと、
名称未設定 106.jpg
んーーん残念ん、このシステムではここまでの画質のようです・・・

実体顕微鏡よりははるかにましですが、ねぇ

実体顕微鏡 [顕微鏡・機材など]

たまには横道にそれて、顕微鏡そのものの話題でも。

さて、いつもどおりのミジンコなどの観察ですが、シャーレに水を入れ、実体顕微鏡で対象を見つけます。
見つけたらスポイトでスーッとすって、スライドグラスに移し観察をしています。

その実体顕微鏡なのですが、意外と綺麗に見えるので、カメラを取り付けて撮ってみると。
オオケンミジンコ実.jpg
な感じです。
一見して解ると思いますが、なんかポヤーってしてますよね。ぶれたのか?解像度不足?
もっと綺麗に見えているんだけどなぁ?。

「なーんでかぁ?それは実体顕微鏡が安物だったから」
だけでなく、

顕微鏡の分解能は対物レンズの開口数に反比例します。

分解能=(0.61×550nm)÷開口数、という式がありまして、
生物顕微鏡の対物レンズ4倍でよく使うのは開口数0.1ですので、分解能は3355nmです。
1 nm = 0.001 µmなので、約3ミクロンまで見分けられるということですかね。
いい対物レンズは0.2とかですので、さらに倍、細かく見える計算です。

さらに、開口数 = 屈折率×sinθ、という式もありまして、
θ=arctan(レンズの半径÷焦点距離)、から
開口数=屈折率×sin(arctan(レンズの半径÷焦点距離))となり、
開口数はレンズの大きさと屈折率が同じなら、焦点距離が長いほど少なくなります。

「単純に屈折率1、半径10mm、焦点距離10mm、とすると、
 arctan(1)=45°なので、開口数=1×sin(45°)=0.707。
 焦点距離だけ2倍の、20mmにすると、
 arctan(0.5)=26.565°なので、開口数=1×sin(26.565°)=0.447で、
 距離によって角度が違うので一様ではありませんが、この例の場合、
 焦点距離が2倍になると1.58倍も、分解能が低下することとなります。
 (今更ながら数学って大事だなぁとおもいます)」

すなわち、実体顕微鏡は生物顕微鏡より格段に長い焦点距離ですので、
同じ倍率でも、開口数も少なくなり、分解能が落ちるという計算になります。

高屈折率で大きな対物レンズ(最近のはすごくでかいですよね)を使用すれば、
開口数が大きくなり、よく見えるよって・・・その分お値段もお高いです・・・
なので上の計算はごくふつうの実体顕微鏡でのお話でした。

(全部お読み頂いた方ありがとうございます)

さてさて、今日の被写体、オオケンミジンコ(Macrocyclops)さんです。
オオケンミジンコ背.jpg
背中の写真を、普通の顕微鏡で撮影するとこんな感じで、

オオケンミジンコ腹.jpg
腹部は、こんな感じです。

若干ぽやっとしているのは呼吸により微妙にずれている写真を深度合成したことによるもので、
被写界深度の点からいくと、実体顕微鏡の方が上ですね。
今日初めの実体顕微鏡の写真は触角、体共に焦点が合うのですが、
普通の顕微鏡では必ずどちらかがぼやけてしまいます。

開口絞りを絞るとピントの合う範囲は広がるのですが(開口数を見かけ上少なくしている)、
今度は解像度が落ちてしまいます。
そんなとき、よく見えていると思っても、いざ写真に撮るとポヤーンとしてしまいます。
人間の目は前後によく見えていると解像度が高いと感じてしまうのでしょうね。

よく見えないときに眼を細めません?
あれって開口数を下げてピントの合う範囲を増やしているんですよねって、それって老眼?

オオケンミジンコ5脚.jpg
最後に第五脚のクローズアップです。

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