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如何搭建一個優秀的高倍微距垂直拍攝系統

2024-03-16數位

最近有很多小夥伴們詢問如何搭建在 老蛙燭龍目高倍顯微鏡頭評測視訊中 的垂直拍攝平台,因為要拍好高倍微距,一個好的,優秀的,平穩的平台是至關重要的。這篇專欄就來介紹一下搭建的詳細步驟。

首先視訊中 的那個基座是一個在某寶上淘來的光學平台(某寶搜尋鍵碼: 光學隔振平台, 光學隔振實驗平台, 蜂窩芯光學麵包板 )。這種平台通常是用來做光學實驗的,所以上面有很多螺紋孔,方便安裝其他光學儀器,裝置。這也是它被叫做光學麵包板的原因。視訊中的那個是60厘米長,30厘米寬的平台,重達20公斤,由於沒有購買支架,只買了台面,所以比較便宜,大約630元包郵。這個基座越重越好,可以有效地消除一些輕微,高頻的振動,比如滑軌的馬達等帶來的振動。台面越大,能夠安裝其他裝置的冗余也越大,具有很大的擴充套件性。當然,也要考慮工作室是否有足夠的空間,60厘米乘30厘米似乎是比較好的選擇,不大不小,也夠重。值得註意的是,通常國內市場上的這類光學平台, 上面的螺紋孔是M6的,孔與孔的間距是25公釐 ,而國外的通常是英/美制 1/4-20 的,間距是一個英寸(25.4公釐)。

30x60厘米的光學實驗麵包板,重約20公斤

安裝滑軌的立柱是用兩塊鋁型材搭建的(某寶搜尋鍵碼: OpenBuilds 4080鋁型材) 。平臥塊的是長是300公釐的,垂直的立柱是500公釐的。由於這種鋁型材寬度是80公釐,通常連線件都是向外擴充套件10公釐,所以兩邊的連線件正好擴充套件了100公釐,就是光學面板上的4個孔距。視訊中的連線件比較結實(某寶搜尋鍵碼: OpenBuilds90 直角支架, 通常可以在購買鋁型材的店家找到)。這個角碼可以透過T形滾軸螺母(某寶搜尋鍵碼: T形滾軸螺母, 同樣,也可以在購買鋁型材的店家買到)固定在鋁型材上。要註意的是,T形滾軸螺母最好是M5的,這樣可以更牢固些。不推薦錘頭,或內建式T形滾軸,因為這種T形螺母有時會被誤認為卡在鋁型材的槽內,但實際上沒有,所以很容易造成嚴重後果,比如當立柱上放滿裝置後,不堪重負而松動,甚至倒塌。

特別要註意的是光學麵包板用的是M6螺絲,鋁型材上用的是M5螺絲

螺絲最好用平頭螺絲,這種螺絲在購買鋁型材的店家可以買到,視訊中用的是M5x8, 就是8公釐長的M5內六角平頭螺絲。視訊中的是內六角的,用的是3公釐的艾倫,或內六角扳手。M6螺絲在鋁型材賣家店鋪了可能看不到,要自己去搜尋 (某寶搜尋鍵碼: M6 平頭螺絲 )。視訊中使用的是304不銹鋼內六角平頭螺絲,長8公釐,使用的是4公釐的艾倫,或內六角扳手。所以這裏要特別註意一下,把300公釐長的鋁型材固定在光學麵包板上時,需要兩種螺絲,M5x8 和M6x8。也可以使用十字螺絲,看個人偏好。視訊中,每邊使用了三個直角角碼連線件,共六個。具體個數可以多些,還是看個人偏好,

將500公釐長的鋁型材安裝在300公釐鋁型材上時,需要一塊直角連線件。視訊裏用的是一塊非常結實,厚重連線件(某寶搜尋鍵碼: 7878鋁合金直角固定件 ),沒有使用上面用的直角角碼。這個7878鋁合金直角固定件要選擇2040 8孔的那款,這樣立柱就可以非常牢固。在兩個鋁型材中各放置8個T形滾軸螺母,由於這個鋁合金直角固件比較厚,要用12公釐長的M5螺絲固定。

這個直角連線件是放在裏面的,所以用2040 8孔,其他構建方法可以不同

為了加強兩個鋁型材的連線,視訊中還使用了兩片5孔直角連線板。註意,這種板有兩種,一個是T形,一個是L形,要L形那種。固定這兩片連線件用的是放在鋁型材中的T形滾軸螺母用8公釐長的M5螺絲固定。

這個是5孔L形連線板,不同構建可以不同

為了更加穩固, 增加結構性強度 ,還在兩個鋁型材加了兩個鋁桿(某寶搜尋鍵碼: 閃光燈橫桿支架 )。雖然它們中間的槽是給英制螺絲開的,但可以用M5螺絲。螺絲長度要看這兩根桿的厚度,視訊中使用的是12公釐長的。

這兩個閃光燈橫桿支架可以非常好的增強結構強度

現在一個非常穩固,通用性強的垂直拍攝平台就搭建好了。這個平台的通用性在於這些鋁型材其實本身就是為了方便安裝各種各樣的配件而設計的,這可以追溯到OpenBuilds在KickStarter的眾籌計畫。雖然如果要安裝不同的滑軌,但是由於這種鋁型材的通用性,很可能靠DIY就可以實作,或使用3D打印技術。

一共有兩個這樣客製的適配2080鋁型材的KK40滑軌安裝板
搭建好的三維堆疊縫補平台
搭建好的平台的另一個角度

視訊中 最後使用的是三維系統,這個三維平台的搭建是基於上述的平台, 外加一個XY平台 。這個XY平台也是用直角角碼固定在光學實驗麵包板上的。拍攝縫補堆疊微距時, 比如這個視訊 ,Z軸方向的滑軌除了要穩定,沒有晃動,還不能有回差,因為Z軸要反復運動,如果有回差,可能導致失敗。另外需要註意的是,這個XY平台,和Z軸滑軌一樣,要很穩定,不能有搖晃,特別是拍攝20倍以上微距時。三維系統控制器目前還不能在國內買到,因為沒有中文軟體,不過有興趣的請私信。

3維堆疊縫補XY載物台

喜歡微距的都知道打光是多麽重要,要拍好微距,特別是高倍微距,有了鏡頭,穩定的平台是不夠的,還要會打光。為了打出均勻的光, 視訊 中用了一個3D打印的燈具,是專門為老蛙燭龍目鏡頭設計的。這種光的效果基本上和環形光一樣。

這個燈用的是市面上常見的高顯指LED燈條(某寶搜尋鍵碼: 24V高顯指97led燈條 搜尋時註意英文的大小寫),寬是8公釐的,帶背膠,方便安裝在燈罩內。可以用其他 高顯指 燈條代替, 但最好是選擇密度比較大的,比如每5厘米有6顆燈珠的那種

通常高密度的LED燈條都是24V的,註意一定要高顯指的燈條

目前,這個燈的「遮光」部份幾乎是不透明的,正在試驗使用硫酸紙做的燈罩。目前還沒有開源3D打印檔,因為開源是非常麻煩的事情,但如果需要3D打印檔,請私信。

目前燈罩是不透明的,正在試驗用硫酸紙取代它來增加亮度和均勻性
這是視訊中用的24VLED燈條,色溫是6000K,97顯指

使用高倍微距鏡頭時,比如老蛙的燭龍目鏡頭,微調台(某寶搜尋鍵碼: XY平移微調台,XY位移平台 )是十分重要的,可以在拍攝時節省很多時間,更重要的是讓你的耐心有所控制。除了XY位移平台外,還可以使用XYZ三維位移平台(某寶搜尋鍵碼: XYZ平移微調台,XYZ位移平台), 甚至可以再加一個旋轉維度R。為了簡化和降低入門門檻,視訊中沒有使用角度台(某寶搜尋鍵碼: 角度台,傾斜角度台 )。有了這種角度台,就可以調整被拍物的水平度,特別是有兩個時,分別在X和Y方向。這些微調台基本上都是可以羅疊的,台面都有為了羅疊而設定的螺紋孔,使用起來,或羅疊起來非常方便,所以可以從簡單的開始,再到復雜。

60x60公釐台面的XYZ微調台,底部是一個80x80的二手X微調台,方便安裝在2080鋁型材板上
這些微調台都有羅疊用的安裝螺紋孔

通常國產的微調台,除了角度台外,價效比很高,推薦購買。但如果可以淘到二手的,也可以用,因為如果不是為了精準定位,只是為了平穩位移(註意和精準定位的區別),二手的就可以勝任。目前,角度台即便是國產的也很貴,二手的可能是比較好的選擇,雖然品相可能差很多。

旋轉台和X,Y方向的傾斜角度台,最上面的是3D打印的黑背景隔離載物台
高透1.1公釐厚K9光學玻璃把被拍物和黑色背景隔離開來

雖然這篇專欄是關於垂直拍攝系統,但要組建一個優秀的高倍微距拍攝系統,不論是垂直系統還是平臥系統,滑軌和滑軌控制器的選擇是非常重要的,特別是十倍或以上的放大倍率。

評測滑軌好壞的一個重要指標就是滑軌的晃動性 。就像視訊中提到的滑軌,搖晃得肉眼都能看出來,是絕對不要用的。在視訊中,即使5倍放大率,堆疊出來的圖片也不能令人滿意,因為無論堆疊軟體對齊能力再強,那些都是電腦演算法在起作用。還有一些滑軌,看似應該非常穩定,或許在5倍放大倍率時可用。但是,一旦放大倍率很高時,就顯得晃動得十分明顯,甚至10倍時就不可用了。

這類滑軌不要用,晃動,回差嚴重!

下面這個是基於工業導軌設計的滑軌,市面上有很多類似的滑軌。這裏的是專門為拍攝硬幣設計的,由於使用了工業導軌,低倍率時晃動不是很明顯,回差也不大,表現很棒。

這種帶有工業導軌的可以用在低放大倍率,高倍時晃動有些大

評測滑軌好壞的另一個重要指標就是滑軌的回差 。回差是由於絲桿和螺母間的空隙產生的。如果是單軸堆疊,回差在垂直拍攝時可能不重要,因為滑軌上的負載在重力作用下,可以把絲桿和螺母間的空隙消除。但是如果是平臥拍攝,這個空隙很難被消除掉,即便可以用回差補償的方法減小(但不可能消除)回差。回差的副作用很大,比如拍10倍放大率時,如果回差是50微米,堆疊步距是10微米,要盡量減少回差作用,就得多拍至少5張照片。但如果拍50倍時,堆疊步距是1微米,就得多拍50張照片來 「預估」 回差的作用。還有,在設定起點,終點時, 回差帶來的對耐性的考驗也是不容忽視的!

如果將來要進階到 縫補堆疊時 ,回差是絕對不能允許的,即便是垂直拍攝,因為比 如拍攝那個一元硬幣時 ,Z軸方向要反復在兩個點來回,而且要全自動, 小小的回差就可能累積成很大的誤差 。同理,XY軸的回差也不能大,因為在這兩個方向也有反復運動,很小的回差可能被積累成很大的誤差。

其實一些工業上用的滑軌是很好的選擇,比如THK的KR系列,上銀的KK系列(某寶搜尋鍵碼: THK KR, HiWin KK) 視訊中 的Z軸(垂直方向)滑軌就是上銀的KK系列滑軌改裝的,這些滑軌,即便是二手的,也十分穩定,沒有晃動,沒有回差。使用的都是滾珠絲桿,效率非常高,用手就可以推動。不過這對控制器有較高的要求,下面有解釋。

有些使用T形絲桿的滑軌也非常棒,典型的就是Open Builds的C-Beam系列(某寶搜尋鍵碼: OpenBuilds 雕刻機Z軸 )。很多人都低估了這款滑軌,其實它又便宜又穩定,可以選擇不同行程,可以調節到幾乎沒有回差。缺點就是它很笨重,不適合室外使用。另外,市面上的這類滑軌通常用的都是8公釐導程的絲桿,所以要註意。不過,有些店鋪可以買到2公釐的。

這是一款客製的C-Beam滑軌,2公釐導程的絲桿,0.9度的57(NEMA 23)馬達

如果只拍低倍微距,還有一個沒有晃動,沒有回差, 百元內可能就可以擁有的滑軌 或許在下一個專欄中來介紹

這是一款又便宜又可靠,不晃動,沒有回差的滑軌,但只適合低於10倍放大倍率

在改裝這些滑軌時, 對滑軌控制器有一些要求。首先就是這些滑軌的絲桿導程不一,有1公釐的,2公釐的,4公釐的,8公釐的,甚至40公釐的。 這就要求滑軌控制器可以靈活地匹配這些滑軌,不然設定步距時就會出現差錯

除了要應對不同的絲桿導程, 滑軌控制器必須能夠控制電機的功率 ,這一點看似無關緊要,其實有很大關聯。首先,驅動不同滑軌,甚至同一種滑軌但不同個體,需要的功率是不同的。如果驅動功率過大,電機就會出現很嚴重的過熱現象,有時可能達到燙手的程度。而且, 長時間過熱會減少電機的壽命 。所以,滑軌控制器最好是有調節功率輸出的功能,盡量適配不同電機,不同滑軌。另外在滑軌空置時,可以自動調低輸出功率,減小電機過熱。

註意,如果是垂直拍攝,而且用的還是上面提到的高效的滾珠絲桿, 不要使用在空置時把電機放在「自由」狀態(電機使能訊號被去除)的控制器 ,在「自由」狀態下的電機沒有抓力,這時,相機和鏡頭的重量會壓動滑軌,導致鏡頭直接戳在桌面上而損壞。當然,垂直拍攝時,空閑功率最好和執行功率一致,防止在換擋時產生的移動。但閑置時,可以把功率調低,以免電機過熱。

好的控制器的另外一個特點就是 可以調節電機微分(micro step) 。這個功能可以有效地減少電機的振動,還可以進一步調節最小步距, 甚至可以達到在機械限制內小於微米的級別

總之,滑軌控制器也是非常重要的 ,下面的這兩款控制器就是本著這些原則設計的,目前國內還沒有銷售,詳情請私信。

單軸滑軌控制器,支持紅外遙控和安卓系統(WiFi),內建螢幕
3軸滑軌控制器,用於3維堆疊縫補拍攝,透過WiFi支持Windows套用軟體和安卓系統

要拍好高倍微距,有了相機和鏡頭是不夠的,還需要一個穩定的平台,一個高效的燈光設定,一個穩定,不晃動,沒有回差的滑軌及多功能的滑軌控制器來匹配各種可能的滑軌。當然,像微調台這樣的輔助工具也是必備的。

這篇專欄介紹的平台,如果只是單軸拍攝,除了滑軌,控制器外,只是平台大概在1000元以內。如果使用C-Beam滑軌,那個直立的4080鋁型材可以不用,那麽平台加滑軌可能在1200元以內。算上1000元的控制器,總預算可能不到2200元就可以獲得一個非常優秀,平穩的單軸垂直拍攝系統。三軸的控制器可能貴一些,也就2000元,外加XY平台,總預算可以控制在4000元以內。

總而言之, 雖然可能多花費一些,尋求一套好的滑軌,配上好的控制器, 搭建一個這樣的平台是值得的,子曰:工欲善其事,必先利其器