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如何搭建一个优秀的高倍微距垂直拍摄系统

2024-03-16数码

最近有很多小伙伴们询问如何搭建在 老蛙烛龙目高倍显微镜头评测视频中 的垂直拍摄平台,因为要拍好高倍微距,一个好的,优秀的,平稳的平台是至关重要的。这篇专栏就来介绍一下搭建的详细步骤。

首先视频中 的那个基座是一个在某宝上淘来的光学平台(某宝搜索关键字: 光学隔振平台, 光学隔振实验平台, 蜂窝芯光学面包板 )。这种平台通常是用来做光学实验的,所以上面有很多螺纹孔,方便安装其他光学仪器,设备。这也是它被叫做光学面包板的原因。视频中的那个是60厘米长,30厘米宽的平台,重达20公斤,由于没有购买支架,只买了台面,所以比较便宜,大约630元包邮。这个基座越重越好,可以有效地消除一些轻微,高频的振动,比如滑轨的马达等带来的振动。台面越大,能够安装其他设备的冗余也越大,具有很大的扩展性。当然,也要考虑工作室是否有足够的空间,60厘米乘30厘米似乎是比较好的选择,不大不小,也够重。值得注意的是,通常国内市场上的这类光学平台, 上面的螺纹孔是M6的,孔与孔的间距是25毫米 ,而国外的通常是英/美制 1/4-20 的,间距是一个英寸(25.4毫米)。

30x60厘米的光学实验面包板,重约20公斤

安装滑轨的立柱是用两块铝型材搭建的(某宝搜索关键字: OpenBuilds 4080铝型材) 。平卧块的是长是300毫米的,垂直的立柱是500毫米的。由于这种铝型材宽度是80毫米,通常连接件都是向外扩展10毫米,所以两边的连接件正好扩展了100毫米,就是光学面板上的4个孔距。视频中的连接件比较结实(某宝搜索关键字: OpenBuilds90 直角支架, 通常可以在购买铝型材的店家找到)。这个角码可以通过T形滑块螺母(某宝搜索关键字: T形滑块螺母, 同样,也可以在购买铝型材的店家买到)固定在铝型材上。要注意的是,T形滑块螺母最好是M5的,这样可以更牢固些。不推荐锤头,或内置式T形滑块,因为这种T形螺母有时会被误认为卡在铝型材的槽内,但实际上没有,所以很容易造成严重后果,比如当立柱上放满设备后,不堪重负而松动,甚至倒塌。

特别要注意的是光学面包板用的是M6螺丝,铝型材上用的是M5螺丝

螺丝最好用平头螺丝,这种螺丝在购买铝型材的店家可以买到,视频中用的是M5x8, 就是8毫米长的M5内六角平头螺丝。视频中的是内六角的,用的是3毫米的艾伦,或内六角扳手。M6螺丝在铝型材卖家店铺了可能看不到,要自己去搜索 (某宝搜索关键字: M6 平头螺丝 )。视频中使用的是304不锈钢内六角平头螺丝,长8毫米,使用的是4毫米的艾伦,或内六角扳手。所以这里要特别注意一下,把300毫米长的铝型材固定在光学面包板上时,需要两种螺丝,M5x8 和M6x8。也可以使用十字螺丝,看个人偏好。视频中,每边使用了三个直角角码连接件,共六个。具体个数可以多些,还是看个人偏好,

将500毫米长的铝型材安装在300毫米铝型材上时,需要一块直角连接件。视频里用的是一块非常结实,厚重连接件(某宝搜索关键字: 7878铝合金直角固定件 ),没有使用上面用的直角角码。这个7878铝合金直角固定件要选择2040 8孔的那款,这样立柱就可以非常牢固。在两个铝型材中各放置8个T形滑块螺母,由于这个铝合金直角固件比较厚,要用12毫米长的M5螺丝固定。

这个直角连接件是放在里面的,所以用2040 8孔,其他构建方法可以不同

为了加强两个铝型材的连接,视频中还使用了两片5孔直角连接板。注意,这种板有两种,一个是T形,一个是L形,要L形那种。固定这两片连接件用的是放在铝型材中的T形滑块螺母用8毫米长的M5螺丝固定。

这个是5孔L形连接板,不同构建可以不同

为了更加稳固, 增加结构性强度 ,还在两个铝型材加了两个铝杆(某宝搜索关键字: 闪光灯横杆支架 )。虽然它们中间的槽是给英制螺丝开的,但可以用M5螺丝。螺丝长度要看这两根杆的厚度,视频中使用的是12毫米长的。

这两个闪光灯横杆支架可以非常好的增强结构强度

现在一个非常稳固,通用性强的垂直拍摄平台就搭建好了。这个平台的通用性在于这些铝型材其实本身就是为了方便安装各种各样的配件而设计的,这可以追溯到OpenBuilds在KickStarter的众筹项目。虽然如果要安装不同的滑轨,但是由于这种铝型材的通用性,很可能靠DIY就可以实现,或使用3D打印技术。

一共有两个这样定制的适配2080铝型材的KK40滑轨安装板
搭建好的三维堆叠缝补平台
搭建好的平台的另一个角度

视频中 最后使用的是三维系统,这个三维平台的搭建是基于上述的平台, 外加一个XY平台 。这个XY平台也是用直角角码固定在光学实验面包板上的。拍摄缝补堆叠微距时, 比如这个视频 ,Z轴方向的滑轨除了要稳定,没有晃动,还不能有回差,因为Z轴要反复运动,如果有回差,可能导致失败。另外需要注意的是,这个XY平台,和Z轴滑轨一样,要很稳定,不能有摇晃,特别是拍摄20倍以上微距时。三维系统控制器目前还不能在国内买到,因为没有中文软件,不过有兴趣的请私信。

3维堆叠缝补XY载物台

喜欢微距的都知道打光是多么重要,要拍好微距,特别是高倍微距,有了镜头,稳定的平台是不够的,还要会打光。为了打出均匀的光, 视频 中用了一个3D打印的灯具,是专门为老蛙烛龙目镜头设计的。这种光的效果基本上和环形光一样。

这个灯用的是市面上常见的高显指LED灯条(某宝搜索关键字: 24V高显指97led灯条 搜索时注意英文的大小写),宽是8毫米的,带背胶,方便安装在灯罩内。可以用其他 高显指 灯条代替, 但最好是选择密度比较大的,比如每5厘米有6颗灯珠的那种

通常高密度的LED灯条都是24V的,注意一定要高显指的灯条

目前,这个灯的「遮光」部分几乎是不透明的,正在试验使用硫酸纸做的灯罩。目前还没有开源3D打印文件,因为开源是非常麻烦的事情,但如果需要3D打印文件,请私信。

目前灯罩是不透明的,正在试验用硫酸纸取代它来增加亮度和均匀性
这是视频中用的24VLED灯条,色温是6000K,97显指

使用高倍微距镜头时,比如老蛙的烛龙目镜头,微调台(某宝搜索关键字: XY平移微调台,XY位移平台 )是十分重要的,可以在拍摄时节省很多时间,更重要的是让你的耐心有所控制。除了XY位移平台外,还可以使用XYZ三维位移平台(某宝搜索关键字: XYZ平移微调台,XYZ位移平台), 甚至可以再加一个旋转维度R。为了简化和降低入门门槛,视频中没有使用角度台(某宝搜索关键字: 角度台,倾斜角度台 )。有了这种角度台,就可以调整被拍物的水平度,特别是有两个时,分别在X和Y方向。这些微调台基本上都是可以罗叠的,台面都有为了罗叠而设置的螺纹孔,使用起来,或罗叠起来非常方便,所以可以从简单的开始,再到复杂。

60x60毫米台面的XYZ微调台,底部是一个80x80的二手X微调台,方便安装在2080铝型材板上
这些微调台都有罗叠用的安装螺纹孔

通常国产的微调台,除了角度台外,性价比很高,推荐购买。但如果可以淘到二手的,也可以用,因为如果不是为了精准定位,只是为了平稳位移(注意和精准定位的区别),二手的就可以胜任。目前,角度台即便是国产的也很贵,二手的可能是比较好的选择,虽然品相可能差很多。

旋转台和X,Y方向的倾斜角度台,最上面的是3D打印的黑背景隔离载物台
高透1.1毫米厚K9光学玻璃把被拍物和黑色背景隔离开来

虽然这篇专栏是关于垂直拍摄系统,但要组建一个优秀的高倍微距拍摄系统,不论是垂直系统还是平卧系统,滑轨和滑轨控制器的选择是非常重要的,特别是十倍或以上的放大倍率。

评测滑轨好坏的一个重要指标就是滑轨的晃动性 。就像视频中提到的滑轨,摇晃得肉眼都能看出来,是绝对不要用的。在视频中,即使5倍放大率,堆叠出来的图片也不能令人满意,因为无论堆叠软件对齐能力再强,那些都是计算机算法在起作用。还有一些滑轨,看似应该非常稳定,或许在5倍放大倍率时可用。但是,一旦放大倍率很高时,就显得晃动得十分明显,甚至10倍时就不可用了。

这类滑轨不要用,晃动,回差严重!

下面这个是基于工业导轨设计的滑轨,市面上有很多类似的滑轨。这里的是专门为拍摄硬币设计的,由于使用了工业导轨,低倍率时晃动不是很明显,回差也不大,表现很棒。

这种带有工业导轨的可以用在低放大倍率,高倍时晃动有些大

评测滑轨好坏的另一个重要指标就是滑轨的回差 。回差是由于丝杆和螺母间的空隙产生的。如果是单轴堆叠,回差在垂直拍摄时可能不重要,因为滑轨上的负载在重力作用下,可以把丝杆和螺母间的空隙消除。但是如果是平卧拍摄,这个空隙很难被消除掉,即便可以用回差补偿的方法减小(但不可能消除)回差。回差的副作用很大,比如拍10倍放大率时,如果回差是50微米,堆叠步距是10微米,要尽量减少回差作用,就得多拍至少5张照片。但如果拍50倍时,堆叠步距是1微米,就得多拍50张照片来 「预估」 回差的作用。还有,在设置起点,终点时, 回差带来的对耐性的考验也是不容忽视的!

如果将来要进阶到 缝补堆叠时 ,回差是绝对不能允许的,即便是垂直拍摄,因为比 如拍摄那个一元硬币时 ,Z轴方向要反复在两个点来回,而且要全自动, 小小的回差就可能累积成很大的误差 。同理,XY轴的回差也不能大,因为在这两个方向也有反复运动,很小的回差可能被积累成很大的误差。

其实一些工业上用的滑轨是很好的选择,比如THK的KR系列,上银的KK系列(某宝搜索关键字: THK KR, HiWin KK) 视频中 的Z轴(垂直方向)滑轨就是上银的KK系列滑轨改装的,这些滑轨,即便是二手的,也十分稳定,没有晃动,没有回差。使用的都是滚珠丝杆,效率非常高,用手就可以推动。不过这对控制器有较高的要求,下面有解释。

有些使用T形丝杆的滑轨也非常棒,典型的就是Open Builds的C-Beam系列(某宝搜索关键字: OpenBuilds 雕刻机Z轴 )。很多人都低估了这款滑轨,其实它又便宜又稳定,可以选择不同行程,可以调节到几乎没有回差。缺点就是它很笨重,不适合室外使用。另外,市面上的这类滑轨通常用的都是8毫米导程的丝杆,所以要注意。不过,有些店铺可以买到2毫米的。

这是一款定制的C-Beam滑轨,2毫米导程的丝杆,0.9度的57(NEMA 23)马达

如果只拍低倍微距,还有一个没有晃动,没有回差, 百元内可能就可以拥有的滑轨 或许在下一个专栏中来介绍

这是一款又便宜又可靠,不晃动,没有回差的滑轨,但只适合低于10倍放大倍率

在改装这些滑轨时, 对滑轨控制器有一些要求。首先就是这些滑轨的丝杆导程不一,有1毫米的,2毫米的,4毫米的,8毫米的,甚至40毫米的。 这就要求滑轨控制器可以灵活地匹配这些滑轨,不然设置步距时就会出现差错

除了要应对不同的丝杆导程, 滑轨控制器必须能够控制电机的功率 ,这一点看似无关紧要,其实有很大关联。首先,驱动不同滑轨,甚至同一种滑轨但不同个体,需要的功率是不同的。如果驱动功率过大,电机就会出现很严重的过热现象,有时可能达到烫手的程度。而且, 长时间过热会减少电机的寿命 。所以,滑轨控制器最好是有调节功率输出的功能,尽量适配不同电机,不同滑轨。另外在滑轨空置时,可以自动调低输出功率,减小电机过热。

注意,如果是垂直拍摄,而且用的还是上面提到的高效的滚珠丝杆, 不要使用在空置时把电机放在「自由」状态(电机使能信号被去除)的控制器 ,在「自由」状态下的电机没有抓力,这时,相机和镜头的重量会压动滑轨,导致镜头直接戳在桌面上而损坏。当然,垂直拍摄时,空闲功率最好和运行功率一致,防止在换挡时产生的移动。但闲置时,可以把功率调低,以免电机过热。

好的控制器的另外一个特点就是 可以调节电机微分(micro step) 。这个功能可以有效地减少电机的振动,还可以进一步调节最小步距, 甚至可以达到在机械限制内小于微米的级别

总之,滑轨控制器也是非常重要的 ,下面的这两款控制器就是本着这些原则设计的,目前国内还没有销售,详情请私信。

单轴滑轨控制器,支持红外遥控和安卓系统(WiFi),自带屏幕
3轴滑轨控制器,用于3维堆叠缝补拍摄,通过WiFi支持Windows应用软件和安卓系统

要拍好高倍微距,有了相机和镜头是不够的,还需要一个稳定的平台,一个高效的灯光设置,一个稳定,不晃动,没有回差的滑轨及多功能的滑轨控制器来匹配各种可能的滑轨。当然,像微调台这样的辅助工具也是必备的。

这篇专栏介绍的平台,如果只是单轴拍摄,除了滑轨,控制器外,只是平台大概在1000元以内。如果使用C-Beam滑轨,那个直立的4080铝型材可以不用,那么平台加滑轨可能在1200元以内。算上1000元的控制器,总预算可能不到2200元就可以获得一个非常优秀,平稳的单轴垂直拍摄系统。三轴的控制器可能贵一些,也就2000元,外加XY平台,总预算可以控制在4000元以内。

总而言之, 虽然可能多花费一些,寻求一套好的滑轨,配上好的控制器, 搭建一个这样的平台是值得的,子曰:工欲善其事,必先利其器