Картинка (в том числе): Youtube-канал "~j0ule", blog.ru

«Красота в простате» (орфография сохранена), — как хорошо заметил однажды один из персонажей интернета, и это безусловно достойное высказывание разлетелось по всем уголкам сети.

Тем не менее, как ни странно, он прав: если и не в части орфографии, то хотя бы во вложенном смысле. Чем система проще, тем легче её создать (а также она надёжнее и т. д., но нас интересует именно лёгкость реализации).

А что, если я скажу вам, что существует несколько весьма простых способов изучения простейших, а также как минимум один весьма лёгкий способ превратить смартфон в микроскоп для рассматривания маркировок электронных деталей и не только?

Этот способ мне бросился в глаза ещё в детстве, когда на одной из страниц зачитанной до дыр книги по самоделкам 1970-х годов был описан любопытный метод изучения микромира с применением проекции, который даёт возможность увеличивать мелкие объекты примерно в 1000 раз.

Иногда так хочется вспомнить школьные годы, поизучать наших мелких соседей (бактерий и т. д.), да и практическое применение этому есть (о нём ниже). Причём к способу практического полезного применения требования гораздо ниже ;-)

Мы привыкли к тому, что для изучения очень мелких объектов, например, бактерий, требуется микроскоп. И один из способов, описанных в этой книге, как раз и использует его.

Принцип работы заключается в следующем: свет от обычной лампы накаливания фокусируется с помощью колбы, заполненной водой, которая выполняет роль самодельной линзы (никто не мешает заменить её на настоящую линзу, если таковая у вас есть), после чего направляется на зеркальце микроскопа, откуда проходит через фокусирующую систему, выходит из окуляра и направляется другим зеркальцем, расположенным под углом 45°, на матовое стекло, которое и выступает в роли экрана:



От яркости источника света зависит максимально возможный размер получаемого изображения (то есть от яркости источника зависит, насколько большое изображение будет достаточно ярким для удобного просмотра).

Кроме того, в целях равномерности освещения всего поля изображения нужно стремиться к максимально точечному источнику света. В оригинале в 1970-х годах они использовали лампу накаливания (вынужденно, по причине доступности таких технологий для широкой аудитории), которая не является оптимальной, так как ярко светящийся объект (спираль лампы накаливания) имеет достаточную протяжённость в пространстве, что не есть хорошо.

Скажем, для примера, в бытность, когда я увлекался самодельными видеопроекторами и даже построил один такой свой (пара линз Френеля 0,5x0,5 метра, ЖК-матрица от 19-дюймового монитора, объектив Индустар-37, лампа ДНАТ от фонарного столба (с дросселем и балластом), суповая миска (нержавейка) из ИКЕИ — отражатель сзади лампы), люди старались выискивать и ставить себе, в целях достижения точечного источника света, разрядные лампы с разрядом между электродами. Думаю, тот же самый или похожий подход стоит применить и здесь — например, использовать светодиодный источник света с одним излучающим светодиодом.

Таким образом, получается, что луч от источника света проходит через предметное стёклышко, после чего через фокусирующую систему и далее проецируется на целевой экран (матовое стекло, стену и т. д.).

Чем-то это напоминает принцип действия современных LCoS видеопроекторов.

Проблема только в том, что далеко не у каждого есть микроскоп, так как штука не сказать, чтобы сильно нужная, если только вы не занимаетесь ремонтом микроэлектроники/биологией или самостоятельной сборкой миниатюрных вещей.

И вот как раз для такого случая существует гораздо более простой вариант, который позволяет сделать всё то же самое, только гораздо проще, и спроецировать изображение сразу на стену:




Как видно на рисунке выше, здесь, так же как и в предыдущем случае, источником света является лампа накаливания, свет которой фокусируется с помощью колбы с водой, которая выступает в роли двояковыпуклой линзы, а также с помощью выходной линзы (объектива).

Все эти три объекта должны быть расположены по горизонтальной оси, которую называют оптической осью, а источник света с колбой можно поперемещать таким образом, чтобы добиться ровно освещённого круга света на стене.

Как можно видеть, линза расположена на некотором расстоянии от вертикально установленной дощечки с отверстием посередине, а предметное стёклышко с рассматриваемым миниатюрным объектом размещается таким образом, чтобы оно накрывало это отверстие.

Линза же расположена внутри круглой трубки, которая может перемещаться по вертикали и горизонтали, чтобы её можно было выставить по оптической оси.

Теперь, если включить источник света и разместить на предметном стёклышке капельку воды, а всю установку расположить на расстоянии примерно порядка полутора метров от стены, то в капле воды, в зависимости от того, откуда она взята, вполне можно увидеть инфузорий-туфелек и прочих жителей вашего чая/кофэ капли воды.

Казалось бы, второй вариант (без микроскопа) уже достаточно простой, однако зададимся вопросом: а нельзя ли ещё проще?

Почему же нельзя, конечно можно! Но для этого понадобится достаточно яркий источник света, выдающий луч малого сечения. Соответственно, это что? Верно, нам понадобится лазер.

В те времена, когда была написана книга с описанными выше конструкциями, такие источники света не были доступны массовому читателю, а наши времена представляют такие возможности.

Для чего нужен такой яркий источник? Потому что мы будем подсвечивать и также проецировать на стену изображение, и наш луч должен обладать достаточной яркостью, для того чтобы он мог «размазаться» по требуемой площади проецируемой поверхности и получившееся изображение было достаточно ярким, чтобы на нём можно было хоть что-то рассмотреть.

Кстати говоря, в качестве любопытного альтернативного варианта можно взять не лазерный источник света, а сканирующий лазерный видеопроектор, который, например, проецировал бы просто белую картинку.

Так как лазер в таких проекторах иногда делают сканирующим, то для построения изображения он пробегает строка за строкой, благодаря чему его яркость сохраняется.

Только надо изучать конкретный проектор, на основе какой технологии он создан, так как бывают лазерные проекторы, где не используется сканирование, так как луч применяется просто в качестве своеобразного «фонарика».

Итак, чтобы получить изображение с помощью этого метода (простого лазерного источника), достаточно просто-напросто взять каплю воды на какую-либо палочку или воспользоваться неким иным способом. Главное, чтобы она свисала с её конца, и просветить её насквозь лазерным лучом. В результате эта капля выступит в качестве «линзы и предметного стёклышка — 2 в 1», спроецировав на стену изображение многократно увеличенных её жителей.

К слову сказать, для такого эксперимента годится любой лазер, даже обычная красная лазерная указка.

Только надо иметь в виду, что любые эксперименты с лазером являются достаточно опасными, и, начиная с определённой мощности, лазеры опасны даже в качестве бликов, отразившихся от капли воды или полированной мебели!

В своё время, во время общения на одном из форумов на эту тему, один из знающих людей сказал мне любопытную фразу, что промышленное использование мощных лазеров — довольно проблемная тема, так как стандарты безопасности при взаимодействии с ними «чем-то напоминают правила обращения с радиоактивными материалами — если делать всё, как положено».

Уж не знаю, насколько это правда, однако такое мнение приходилось читать, и всё сказанное стоит принять во внимание, что знающие люди достаточно серьёзно относятся к проблеме безопасности при работе с лазерами. Соответственно, глаз у нас только два, поэтому стоит хорошенько обо всём этом подумать...

Однако, вернёмся к капле воды…Например, в способе ниже можно увидеть, что для получения свисающей капли можно использовать обычную пипетку:

Или, например, можно проделать то же самое, только гораздо более удобно и контролируемо, если использовать для «свешивания» капли обыкновенный шприц (лично мне этот способ нравится больше):

Картинка: civilpedia.org

Но всё же, это опять несколько сложновато — ещё надо откуда-то раздобыть лазер…

А нельзя ли ещё как-то проще? Можно — и в этом нам поможет вообще всё забросить и пойти спать обычная дырка (да-да, я знаю, что вы скажете, не «дырка», а «отверстие»; а если бы эту статью читали строители, то они бы ещё провели и ликбез по поводу того, что считать «проёмом» или «нишей» :-D Кстати говоря, в познавательных целях, можете погуглить, любопытно...).

Сразу надо отметить, что этот способ не даст такого увеличения, как рассмотренные выше, но зато он имеет повышенную практическую ценность.

Итак, дырка отверстие… Существует, как ни странно, один любопытный способ, как технологии IV-V веков до н. э. могут соединиться с технологиями текущего дня: камера-обскура — один из самых простых способов, позволяющих получать (до определённых пределов, ограниченных дифракцией) чёткое изображение объектов, который появился достаточно давно, но, тем не менее, не теряет своей актуальности даже и сейчас.

Такая камера представляет собой некую ёмкость, выполненную обычно в виде закрытого со всех сторон ящика, где в одной стенке делается маленькое отверстие, через которое свет создаёт чёткое (в определённых пределах, зависящих от диаметра отверстия) изображение окружающей среды в перевёрнутом виде на противоположной стенке камеры.



И если с появлением фотографии такие камеры изначально использовались для непосредственно фотографирования, где отверстие выступало в роли объектива, то в данный момент можно попробовать использовать этот подход совместно с объективом!

В чём физический смысл: использовать совместно со смартфоном!

Дело в том, что камера смартфона обладает только ограниченной возможностью снимать близко расположенные мелкие объекты, но всё кардинально меняется, если накрыть объектив камеры небольшой непрозрачной пластинкой, проколотой иголкой — смартфон приобретает возможность, давать чёткое изображение, даже если вы его близко поднесли к мелкому объекту! О_о

Например, частенько бывает при работе с электронными деталями (особенно если нет микроскопа) что приходится мучаться, пытаясь разглядеть маркировку на миниатюрных компонентах.

Способ же с «камерой-обскурой-смартфоном» вполне позволяет решить эту проблему весьма элегантным и простым способом!

Кроме собственно прикладного значения — работы с электронными деталями, а также писать и читать микронные шпоры на экзамен, наличие такого инструмента под рукой вполне позволяет заняться и интересной художественной съёмкой мини/микро объектов.

Собственно говоря, именно такое применение современной итерации камеры-обскуры и можно наблюдать ниже:

К слову сказать, в этом эксперименте выше авторы использовали 3D-печатный небольшой зажим, крепящийся на смартфон, который и удерживает пластинку, вырезанную из алюминиевой банки, в которой проделано отверстие диаметром 0,05 мм.

Несмотря на то, что устройство достаточно простое и, при желании, практически любой сможет его смоделировать в 3D самостоятельно, авторы не поленились выложить файлы для 3D-печати в свой github, так что можете взять их там.

В процессе изучения всего этого у меня зародилась любопытная мысль: а ведь для удобства было бы неплохо разработать некий способ для вывода увеличенного изображения на экран!

Я подумал о том, что было бы неплохо использовать для этой цели обычную веб-камеру!

Сказано — сделано: взял свою старенькую Logitech на 1.3 Мп (знаю, старовата, однако годится для использования на онлайн-собраниях, а большего от неё и не требуется) и задумался о том, что использовать в качестве непрозрачного экрана.

В качестве любопытного варианта мне показалось удобным (легко прокалывается) использовать обычную кулинарную алюминиевую фольгу, кусочек которой я проколол тремя отверстиями: 0,16, 0,8, 1,4 мм.

Каким образом я узнал их размеры: у меня был электронный штангенциркуль, а отверстия я прокалывал швейной иглой и кончиком пасты шариковой ручки.

Соответственно, я замерил самый кончик иглы, середину иглы, а также кончик пасты шариковой ручки.

Сразу надо сделать ремарку, что тесты с веб-камерой я проводил только с помощью самого маленького отверстия, а о том, что стоило бы сделать отверстие чуть побольше, я догадался чуть позже и добавил два оставшихся, которые уже тестировал со смартфоном.

Так что если бы эти два отверстия были протестированы с веб-камерой, возможно, с ней результаты были бы чуть лучше.

Однако сразу же бросилось в глаза после включения веб-камеры, что картинка получается чёткой вне зависимости от того, далеко или близко от камеры расположен объект! О_о

Собственно говоря, об этом и написано по ссылке, где говорится, что понятие фокусного расстояния для камеры-обскуры довольно условно.

Однако, отверстие было весьма маленьким (0,16 мм), но, тем не менее, мне удалось заснять пиксельную решётку, приблизив в камеру вплотную к монитору:



Дальше я подумал, что можно было бы улучшить результаты, если использовать камеру большего разрешения.

Для этого я взял свой смартфон и поочередно закрывал его камеру сзади всеми тремя размерами отверстий, перечисленных выше.



Для того, чтобы эксперимент был более осмысленным, в качестве объекта, на котором я решил рассмотреть надписи, был взят микроконтроллер ESP32 С3:



После ряда тестов я понял, что маленькие отверстия (0,16, 0,8 мм) не могут дать чёткое изображение. Однако всё сразу же изменилось с отверстием в 1,4 мм: изображение стало чётким и контрастным (об этом будет ниже).



Я для себя поставил целью прочитать маркировку на самом чипе ESP32 C3.

И то, что его на фотографиях ниже прочитать сложно, говорит скорее о том, что маркировка нанесена недостаточно чётко и находится на фоне того же цвета, что затрудняет чтение. Однако можно видеть, что, например, маркировка на элементе поверхностного монтажа белого цвета, расположенном неподалёку от чипа, прекрасно читается. Также чёткими являются и волоски по всей плате (нет, это не кот, всего лишь обыкновенная бытовая пыль).

При этом надо отметить и ещё один момент: надписи на чипе трудно читаются только НА СТАТИЧНОМ фото. Если же чип немного поворачивать в руках, параллельно смотря на экран смартфона, то надпись бликует под разными углами и всё прекрасно читается! Так что вот вам метод для чтения маркировок ;-)

К слову, расстояние для съёмки составляло примерно 12–15 мм, то есть камера смартфона находилась в 12–15 мм от чипа. Съёмка на таком расстоянии с помощью штатной камеры была бы абсолютно невозможна, а вот вариант с камерой-обскурой сделал это реальным!

Кроме того, полагаю, можно дополнительно увеличить объект с помощью цифрового зума на самом смартфоне, но я уже с этим не экспериментировал — оставляю это вам. Предполагаю, что, поскольку съёмка ведётся с очень близкого расстояния, такое увеличение позволит рассмотреть множество деталей, недоступных обычной камере. Но это, конечно, нужно тестировать…

Ну и, для завершения теста, я решил сфотографировать экран — сразу видно, что камера имеет лучшее разрешение, чем вебка: надпись читается абсолютно чётко, а пиксельная решётка хорошо различима. Опять же, не забываем, что я держал смартфон в руках, и всё равно присутствовало небольшое дрожание, так что, если его статично закрепить, результат будет ещё лучше.



Так что при желании вот таким немудрящим способом вы можете получить весьма простой и дешёвый микроскоп для практического использования!

По поводу своих тестов со смартфоном хочу ещё раз заострить внимание на том, что смартфон я держал в руках, соответственно, он у меня неслабо дрожал, поэтому его нужно размещать на неподвижную основу — и картинка будет гораздо лучше.

В качестве альтернативных вариантов можно попробовать глянуть вот этот, где в качестве увеличивающей линзы используется капля для воды, а также вот этот, где в качестве такой линзы взяли линзу от лазерной указки.

Но лично мне они кажутся гораздо менее практически применимыми и неудобными по сравнению с методом камеры-обскуры, поэтому, на мой взгляд, ознакомиться с ними можно, но больше для общего развития…

Подытоживая этот рассказ, можно отметить, что многие кажущиеся сложными вещи, как выясняется, делаются весьма просто, если знать способы. Теперь вы их знаете, так что вполне можете и сами поэкспериментировать с описанным!

Например, как минимум, поиграться с размером отверстий для камеры-обскуры смартфона. Я взял отверстия большего размера для своих тестов по сравнению с видео (у них там было отверстие диаметром 0,05 мм). Возможно, стоит поиграться с этим.

Кроме того, у моего смартфона три объектива у основной камеры. Возможно, имеет смысл переключиться на объектив для ближней съёмки, то есть включить режим съёмки близко расположенных объектов и попробовать применять к этому объективу отверстия разных размеров, чтобы «апнуть» его возможности.

В любом случае, здесь много с чем можно экспериментировать, так что у вас есть шансы найти и нечто более оптимальное.

К слову, в качестве любопытного девайса для таких тестов мне видится вариант изготовить с помощью фотополимерной 3d печати так называемый «iris mechanism» — то бишь, механизм диафрагмы, чтобы играться с размером отверстия в широких пределах. Примеры подобного устройства есть в изобилии на thingiverse:

Картинка: BorrajosPower, thingiverse.com

Однако для камеры смартфона всё же, видимо, придётся сделать миниатюрную версию самостоятельно, подсмотрев конструкцию на Thingiverse или ознакомившись с более полной теорией устройства.

Кому интересно, можете найти и почитать в оригинале книгу: Б.В.Тарасов — «Самоделки школьника», Москва, «Просвещение», 1977г. — именно откуда была почерпнута идея с микроскопом-проектором (в детстве была одна из моих любимых книг).

И напоследок: ну вот, теперь у нас, практически у каждого, появился микроскоп. Какие будут идеи для его использования, помимо описанных? Будет интересно почитать :-)

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻