1001-й «правильный» вариант USB микроскопа для пайки

Тестирование возможностей

Хотя правильнее было бы называть это как-то иначе, чем "USB микроскоп", но видимо благодаря китайцам устоялось именно такое название для всего, что способно хоть немного увеличивать изображение и передавать его через USB порт на любое устройство с экраном – монитор ПК, планшет, ноутбук и т.п. Ну в самом деле, какая китайцам разница - рассматривать детальки на плате или выводить новую разновидность коронавируса... Один пес для всех этих занятий нужен "микроскоп" и кривые китайские рученки..

Идея самостоятельного изготовления подобных девайсов- не нова, в тырнетах полно в разной степени удачных вариантов, задача которых – заменить вот такое приспособление более удобным и современным устройством.

Я не большой любитель изобретать велосипед на ровном месте, но изучение отзывов, обзоров и предложений на Али экспресс показало, что хоть сколько удобный и качественный «микроскоп» для работ с паяльником или феном обойдется примерно от $130. В остальных случаях это будет откровенно хлипкая конструкция и совсем маленькое расстояние между оптикой и рабочей поверхностью. Как раз обнаружился лежащий несколько лет без дела видеорегистратор Prestige DVR-478 с 3-х мегапиксельной матрицей. Не помню, по каким причинам я его «списал», но в режиме «PC-camera» он работает нормально как под win10, так и на андроид с приложением USB Camera.

Так же картинку в разрешении 1080p можно выводить через HDMI порт, но в таком режиме выводится неотключаемое OSD меню регистратора.
Аккуратно разобрав устройство, получаем доступ к модулю камеры и закрепленной на нем штатной оптике.

Сам объектив крепится к модулю двумя саморезами и легко снимается.

Для удобства проведения экспериментов и будущей компоновки шлейф камеры был заменен на удлиненный. Точно такого по количеству дорожек я у себя не нашел, поэтому пустил «под нож» с таким же шагом более широкий – пришлось аккуратно обрезать лишние проводники по всей длине -

Безуспешно поиграв со штатной оптикой регистратора, на местной барахолке за 120р. приобрел штатный объектив для советских фотоувеличителей – Индустар 50У-1, цифра «50» в обозначении которого – это фокусное расстояние объектива. Резьба этого объектива так же совместима с резьбой многих других советских объективов, которые шли с такими фотоаппаратами, как к примеру Зенит.

В некоторых обзорах и статьях на тему подобных электронных «увеличилок» авторы не совсем корректно рубят термином "фокусное расстояние" куда попало, обзывая так в том числе и расстояние до объекта, и расстояние до первой линзы. Я искренне не понимаю, зачем люди используют термины, значения которых они не до конца понимают, поэтому справедливости ради небольшое отступление. Фактическое фокусное расстояние в моем случае привязано как к объективу полноценного полнокадрового фотоаппарата, и оно означает расстояние от оптического центра объектива до полноразмерного сенсора (кадра фотопленки), когда линза сфокусирована на бесконечность.
Центр этот находится где-то в оптической системе объектива, и «измерить» его линейкой тоже не выйдет)

Сенсор, как сказано выше, так же не абы какой – он подразумевается в размере «Full Frame» - по факту это размер кадра пленочного фотоаппарата 35 на 24 мм. Исходя из этого маркируются абсолютно все современные объективы, используя для матриц меньших размеров множитель - так называемый «кроп-фактор», умножая на который реальное фокусное расстояние (которое ни о чем не говорит с точки зрения фотографии) в привязке к конкретной "урезанной" матрице, получают «эквивалентное» фокусное расстояние, уже привычное для восприятия и понятное всем фотографам. Вряд ли где-то можно найти данные о «кроп-факторе» матрицы веб камеры или видеорегистратора, и говоря о фокусных расстояниях в подобных этому случаях – мы говорим о температуре на Марсе. Поэтому просто условимся, что многие авторы подобных самодельных устройств пришли к использованию т.н. 50-мм. фото-объективов опытным путем, так как они обеспечивают оптимальную высоту объектива над рабочим столом, а я могу лишь подтвердить «правильность» такого выбора, и в дальнейшем буду использовать термин «фокусировка».

Для определения оптимального НЕ фокусного расстояния от сенсора камеры регистратора до объектива я применял простой и распространенный метод - научного тыка. Для начала для себя определил примерную высоту объектива над «рабочей зоной» - для моих нужд оптимальной высотой посчитал расстояние в 250-300 мм. Затем примерно на этой высоте я закреплял модуль камеры и объектив через проставку, изготовленную из пластиковой упаковки-тубуса от таблеток АЦЦ.

Скрепив всю конструкцию малярным скотчем, начиная с полной длины и постепенно срезая частями трубку, получил четкую картинку на расстоянии от PCB с матрицей до задней кромки объектива (оправы) без резьбы - 40мм.
Предварительный результат меня почти устроил –

Оставалось определиться с механической частью микроскопа, которая будет отвечать за высоту оптики и ее фокусировку. И тут, просматривая объявления по объективам (с такой же резьбой и фокусом можно купить более «продвинутый» объектив от фотоаппарата) наткнулся на объявление о продаже фотоувеличителя «Юность» 1967 года выпуска. В этот же день забрал за 300р в полном комплекте и плюсом с еще одним объективом Индустар 50У-1 (в комплект с увеличителем он в те времена не входил, зато фотоувеличитель стоил всего 13 руб. 50 коп.)

Увеличитель сохранился в отличном состоянии, даже резиновая гофра была без трещин и после протирки силиконовой смазкой приобрела хорошую эластичность. Что-либо кардинально переделывать в таком «ретро» совсем не хотелось, поэтому всю новую начинку было решено крепить без изменений в заводской конструкции «Юности». Вся верхняя часть с рамками, линзами и шнуром питания была аккуратно упакована, а механизм фокусировки в дальнейшем послужит площадкой для крепления регистратора и модуля камеры. Фото ниже – модуль на фоне площадки.

Если отталкиваться от расстояния 300 мм до объекта наблюдения и соответствующего ему расстояния от матрицы до объектива в 40мм – фактический диапазон фотоувеличителя в первом случае составляет 80-420мм, а по фокусировке – 30-80мм, что позволит получать картинку с различным увеличением.
Кроме этого, я решил сделать вынос оптической оси от кронштейна на дополнительные 50 мм, что позволит «рассматривать» любую область печатной платы шириной до 400мм. Относ изготовлен из отрезка профильной сварной трубы квадратного сечения со стороной 50мм и высотой 30мм, противоположные стороны которого повторяют штатные крепления кронштейна увеличителя и площадки с механизмом фокусировки.
Ниже рисунок с размерами:

Нижнее гнездо в кронштейне фотоувеличителя предназначено для крепления объектива под углом 90° в случае использования как проектора слайдов, поэтому это гнездо я тоже использовал под дополнительный штырь, для «надежности».

К кронштейну скоба крепится штатным барашком, а площадка к скобе – коротким (10мм) болтом с резьбой М10. С левой стороны скобы так же предусмотрел 3 отверстия, в которых нарезал резьбу М5. Это пригодится для крепления какого-либо съемного оборудования типа подсветки или штанги для небольшого монитора.

После этого была изготовлена накладка на площадку, повторяющая ее форму. Материал, из которого делалась накладка – 3мм. лист вспененного ПВХ. По центру оптической оси вырезано прямоугольное отверстие, в котором будет крепиться и центрироваться матрица камеры и защита. Защитное стекло взял от старой и бестолковой в нынешних реалиях светодиодной 1W лампочки с цоколем GU10.
Отцентрованное отверстие для сенсора камеры под защитным стеклом:

С модуля камеры были убраны выступающие ИК-диоды подсветки, а квадратное отверстие 14х14 мм позволило разместить сенсор с обратной стороны со всей обвязкой, чтобы текстолит модуля камеры мог плотно прилегать к поверхности ПВХ пластины. Главное стараться разместить сенсор строго по центру оптической оси объектива.

Вся остальная конструкция клеилась так же из листового вспененного ПВХ толщиной 3 мм. Материал отлично режется канцелярским ножом и клеится цианокрилатным клеем типа космофен CA500/200, который широко используется в быту под коммерческими названиями типа «Суперклей», «Секунда» и так далее. Штатный аккумулятор регистратора был заменен на более емкий типоразмера 18650, установленный в отсек-держатель для таких акб. Аккумулятор питает устройство во время работы и одновременно может заряжаться через схему модуля зарядки. Такое решение обусловлено тем, что сигнал с USB разъема регистратора кабелем подается на устройство отображения картинки, и АКБ – единственный способ питать устройство в этом случае. Для удобства видеорегистратор был оставлен в родном корпусе и закреплен в вертикальном положении с фронтальной стороны. Шлейф через отверстие для оптики соединяет регистратор с расположенным горизонтально модулем камеры.

Внутри бокса кроме самой камеры - только аккумулятор и модуль его зарядки. Размещение видеорегистратора снаружи делает доступными все органы управления, удобное расположение дисплея и разъемов. Для ремонтопригодности все элементы и модули сделаны быстросъемными, блок разбирается и собирается за пару минут.
Вся конструкция закрывается кожухом, склеенным из того же материала.

Все заранее отцентровано и подогнано к площадке с объективом.

Устройство фиксируется штатным креплением увеличителя.

Пробные скриншоты с различных расстояний от объекта до объектива:

Несколько снимков с фиксированного расстояния 180мм (шаг линейки 0,5мм):

Вместо заключения

В качестве основных выводов - что желательно иметь для сборки приемлемого USB увеличителя:
1.Модуль камеры с разрешением 1...5 мп. и выходом сигнала на USB или HDMI порт.
2.Объектив с реальным фокусным расстоянием 50мм и желательно с возможностью фокусировки.
3.Фотоувеличитель (не обязательно именно такой).
4.Устройство отображения картинки (планшет, дисплей, TV или монитор)

На текущий момент думаю над тем, что использовать в качестве дисплея (скорее всего буду искать небольшой б/у планшет на андроиде с ярким и матовым экраном) и где его разместить относительно всей конструкции, чтобы было удобно работать.

Такой увеличитель - вещь для меня специфическая и потребует времени, чтобы привыкнуть и довести ее до ума. Когда привыкаешь смотреть прямо на объект - первое время трудно согласовать действия рук со зрением, глядя на экранную картинку в другой стороне. Картинкой и увеличением остался доволен, но все же попробую позднее поставить другие объективы. Камера хорошо фокусируется на расстояниях от объекта от 100 до 300мм, достаточное увеличение для работы с паяльником получается при высоте объектива над столом 180-200 мм, чего не обеспечивает ни один китайский «микроскоп» с бюджетом около $50. В общем устройство неплохое и нужное - позволяет работать с любой мелочевкой не загораживая пространство над ней.

Освещение – скорее всего буду думать в сторону независимого бокового источника в виде 50W галогенки на гибком поводке. Светодиодную подсветку «колечком» непосредственно над объективом считаю бестолковой - объекты под ней сильно бликуют, а сам спектр раздражает, чтение лазерных гравировок и вовсе затруднительно.
Снимки сделаны как есть – с освещением от настольной лампы и настройками экспозиции видеорегистратора по умолчанию, в качестве монитора использовал свой смартфон Honor.

Приспособление, установленное на фотоувеличитель.