2020年5月19日 星期二

筆記:光學實驗


光反射路徑


光源可參考先前連結。反射鏡是最基本的光路,應用繁多,雷射切割中光路轉換就是最好的例子,而即使是反射鏡也有很多學問,例如下面鏡片為介質膜鏡片,單價約七十台幣,專用在45度角高密度雷射( 購買 2, 連結 )。上邊則是鍍鋁K9材質,反射窗口片26*20*3mm,單價接近一百, (購買 2, 連結)。


也可以考慮這一個(連結)

如果結合兩片反射鏡,就能構成振鏡,在空間中製造不同方向光束,可用在OCT平面掃描、雷射型SLA、雷射繪圖、雷雕等,最近看到蜂鳥雷雕真是驚奇,價格壓到一萬以下就有無線網路 + 雷射 + 振鏡 + 自動對焦種種功能,實在不得了。這裡是電路範例(連結),連結

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近來更有利用半導體製程,研發的MEMS 全角度鏡面 (micro-electrical-mechanical system),與機械相比體積小且功耗低,可應用在OCT,3D結構光,2D雷射平面掃描,LIDAR等。(連結)(連結)

小图
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上述元件,靜面尺寸僅1.3mm,掃描頻率是5.3kHz,掃描角度為±30°,最小可控制角度為0.05°。反射面為鍍金。價格昂貴,超過台幣萬元。

光折射與透鏡


折射,是進入光學世界的基礎,可以雷射穿越壓克力或水進行觀測。不同介質折射角度不同,應用眾多,光纖就是利用入射角大於折射角全反射現象的成品。

更複雜的折射現象就是透鏡系統,包括凹透鏡、凸透鏡、非球面等等,最直覺的是Maker提供的光學積木包,這裡面有各種壓克力透鏡,若是結合這個網站(連結),一定能達到很好的教學效果。


手邊透鏡
1.最右邊小的平凸透镜,K9玻璃,直径5mm焦距 15mm,T400-700nm,是為了要模擬瞳孔,(購買2 連結)。
2.再往左塑膠袋內兩個平凸透鏡,是隨著上面壓克力元件贈送,資料不詳。
3.再往左綠綠膠膜紙包著是8倍微距雙凸鏡頭,直徑21mm焦距30,(購買連結)。
4.很凸的是15mm至38.5mm可选,當時買的是30*17mm光面,似乎能调焦聚光LED透镜,(購買連結)。
5.有點凸的,找不到購買連結。
另外有七個我曾經買過6*3mm無邊,直徑3mm 焦距6mm (連結) 但不知道東西在哪。以及其他參考購買連結

雷射光線有個特殊應用是聚焦鏡,這是因為雷射為平行光,功率集中就可以透過聚焦鏡,最常見到就是雷射切割,將光斑聚集到一個點。另外OCT中也一直提到聚焦,可以減少測試面積。這篇提到許多CO2雷射光路原理(連結)。 連結

除了普通鏡片,還有種自聚焦鏡片(連結),当光线在空气中传播遇到不同介质时,由于介质的折射率不同会改变其传播方向。传统透镜是通过控制透镜表面的曲率,利用产生的光程差使光线汇聚成一点。自聚焦透镜与普通透镜的区别在于,自聚焦透镜材料折射率的分布沿径向逐渐减小,能够使沿轴向传输的光产生连续折射,从而实现出射光线平滑且连续的汇聚到一点。

液態鏡頭:藉由電荷吸引,改變鏡頭形狀,因為速度非常快,在OCT裝置中出現過。

micro-lens array
連結 連結

光偏振Polarized

偏光鏡有兩種,目前常見為CPL圓形偏光,原理是光線原本分為左、右旋兩種,CPL隔絕其中之一。另外是直線偏光,用在液晶顯示上,目前研究牙齒蛀牙架構中大量使用到偏光功能,若是拍攝穿透牙齒,疊合兩片偏光鏡能夠將空氣中直射光線過濾(連結),若是僅使用一片能有效過濾水面或是玻璃的反光。

光波長相關實驗


與光波長有關實驗是光譜儀,可參考以往連結。若論延伸應用,最直覺是濾光片。

紅色是直徑27mm*1mm 紅光800-1000nm,400-750nm截止的濾光片(購買連結),肉眼貼在深紅玻璃片前,幾乎看不到任何影像(當然啦,眼睛本來就看不到),但若用IR-Cut的相機就能看到畫面,可用於互動遊戲。
透明那個是模擬人眼會過濾濾過所有紅外線,是從GF1相機拆下。還有一種是僅接受1310附近光線,低或高於這範圍的都會被過濾。
還有安裝過,InGaAs機器附屬的有1310 +-50 和 1550 +-50 兩種。如果要購買1550的價值至少一千五(連結)。
最近還有RBGIR則是在IR那個位置上,特別只打開該波長的通過。

這些濾光片可以架在感應器上、感應器前、嵌在鏡頭後,鏡頭保護鏡。感應器前的濾光片,大多用在夜間攝影,可透過電磁閥或減速馬達加渦稈進行機械式開關。切換機制連結連結

光會因為折射區分出不同波長光線,相反的在合併後會合成為白光,下面裝置能夠動態將各種顏色組合成白色,或是組合成新的顏色,大多應用在演唱會等場合,有趣的是,也可以應用在NBI中。合光模組連結  連結  連結 。原理不瞭解,但懷疑是某些波長可以反射,某些波長是穿透,例如這種鏡片的概念(連結)

麥克森干涉儀(Michelson Interferometer)


干涉儀基本元件是分光鏡,又叫做半穿半反片,BeamSplitter,雷射光源入射後會一分為二(一般應用大多為45度),可以50%穿透50%反射(或不同比例),以多層膜蒸鍍而成非金屬膜,因此吸收率極低。連結 連結

分光鏡有兩種
平板分光鏡( 購買連結,廠家眾多,這連結尺寸正好符合實驗用 ),這是另外一家但尺寸和波長不合(連結)。 連結
立方體形式,約三百元台幣,購買連結  或是這個也類似,好像有漏光?而且仔細研究SPEC發現牠分光波長居然是400nm~700nm,不符合要求。


實際的實驗器材(連結  連結)

光電量測工具


利用InGaAs將光強度轉為電訊號,呈現給使用者。工程佈線簡易型的基本知識(連結),可以測量六個不同波長的功率,計算公式(連結)。

兩台機器共三種可選擇項目。
機器一(連結),-70~+3 ( 換算為0.0001 mW ~ 2mW )。不過可測量數字實在太小,不考慮。
機器二(連結),-70~+10 ( 換算為0.0001 mW ~ 10mW )。10mW實在太小。
機器二(連結),-50~+26 ( 換算為0.0001 mW ~ 398mW )。應該會選擇這個連結
機器二的英文說明(連結),另外PM203似乎有RS232溝通方式(連結)。
特別產品(連結)。

專業版本能測量微小變化並且與電腦溝通,例如TDOCT,實際差異不確定。

實驗平台滑軌


就是照片中滑台組合啦,雖然號稱有高精密度0.01mm,但大多數都只是方便插拔的平台罷了。



小型滑台(連結)

光纖


以往對光纖都覺得神祕不已,後來才知道其本質就是些塑膠啊。這篇是以環氧樹脂製作光纖的方法(連結)。


原料特性,因為光纖可以看成是很多絲線組合起來,能透過拉線的方式分光,參考( 連結1 連結2 )。也能組合許多纖細的絲條當作內視鏡應用,旭化成成像光纤成像照明光纤 13000芯 1000元/米,連結,VGA 640 480 = 307200。另外,依成分分成單模和多模兩種(連結)。

接頭:
1.插口:標準眾多常見為FC,市售光纖搭配FC接頭成品跳線,和自製教程。
2.接光源:例如LED燈光轉入光纖(連結)。
3.接LD:偉阡? (連結) (連結) (連結)。
4.接準直鏡,討論準直的需求(連結),產品1,產品2產品2產品3。準直如果要調整,可以用這種機制(連結)  可以考慮龍回的準直 連結
5.接反射鏡,(連結)。

光纖與分光鏡的組合,參考(連結  連結  連結  連結)

紅外光線

因為超過1000nm以上的光源昂貴又少,目前都是檯燈和鹵素燈,可以蒐集些資料。

PINHOLE

能讓球狀光源變成平行光,購買連結,為了做全像實驗使用

顯微鏡

照片中三台,分別是研究型手機顯微鏡、微流體模組,還有和女兒到MAKER那自組兩台顯微鏡合體。


3D立體視覺

和光學實驗關聯有點遠

CTScan
CTScan連結 鏡頭介紹連結


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2020年5月13日 星期三

筆記:幾種觀測紅外光的裝置


自然環境中,總是各種波長光線並存,人眼可視範圍稱之為可見光,其餘不可見部分又區非為紅外(波長較長)與紫外(波長較短)光。紅外部分又因為與生物組織交互關係多,常被當作生物研究的工具(如OCT、齟齒、視網膜攝影),整理紅外光觀測裝置如下。

CMOS/CCD


CMOS與CCD除了感測可見光,對紅外光也有部分感測能力,從下圖可以發現,大概是正常接收能力的百分之二十左右。因為能偵測750~900nm波長光線,CMOS與CCD在紅外光醫療上,已有齟齒、OCT等應用。

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實際量測前,要先確認沒有濾光片的阻礙。部分相機出廠時就沒有濾光片,例如Arducam購買的MonoChrome相機,Samsung手。或是濾光片是動態調整,如夜視監視器。而大多數消費型相機,則要另外移除濾光片,例如GF1(連結),Raspberry Pi HQ Camera(連結)。

除RGGB外,最近SONY和OV(連結)對於紅外光部分,都推出新型RGBIR感測器,強調IR的特殊應用,或許是更簡易且更精準的方案。

Quantumfilm


量子薄膜,從這個名子就知道我只是隨便列出,理論上它能靈敏的偵測到400-1100nm範圍光線,但是因為難以取得,無法實驗。

短波紅外光感應器


InGaAs材料可偵測波長範圍如下,非常適合偵測紅外光,但長久以來因為國內外政府管制,民生需求不多狀況下,沒有產量誘因狀況下,相關製程技術還在原地踏步階段,遠遠落後CMOS的發展,價格更是驚人的高。小小一片VGA感測器,動輒三、四十萬台幣,即使只是線性的OSA光譜儀,價格也都二十萬起跳。

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點狀InGaAs:可用在光電轉換器,將光訊號轉變成電訊號,常見為量測工具。

線狀InGaAs:紅外光譜儀,原理和CMOS相同。

平面InGaAs:常見工業用(QVGA),實驗用(VGA),通訊界面為工業協定Gigabit Ethernet,透過網路線傳送電源與資料。目前用在齟齒偵測實驗。

1550nm Phosphor Coated螢光攝影


在CCD或CMOS感光元件前方,塗抹特殊螢光物質,該物質的特性是受到1550nm光線照射後,會發出可見光,進而觸發CMOS訊號。優點是價格相對便宜,缺點是影像動態範圍不高,畫面上有許多雜點。


醫療應用:齟齒


很久以前,人們就發現琺瑯質對紅外光的吸收率非常低,而蛀牙區域因為琺瑯質受損,透光率自然不同,就會在畫面上產生陰影,讓牙醫及早判斷蛀牙發生與範圍。如下圖,我們可在紅外光照片中,明顯辨識出蛀牙區域。

連結

醫療應用:血氧儀


利用血液主要成分對600-900nm近红外光有良好的散射性。尤其是730(760)nm左右和850nm左右的近红外光分别對脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白敏感,測量這兩個波長光線的反射狀況,即可推測身體的吸收狀況(連結  連結)。也可參考黃俊榮文章(連結)。

這裡使用的光感測器PD,可以將光子(Photon)轉換成電子(Electron),也就是把光訊號轉換成電訊號,入射光愈強則產生的電子愈多,最常見的光感測器是光二極體(Photo diode)。

血氧DIY連結  連結   可購買探頭   可購買探頭   可購買探頭

中長波紅外光


與短波紅外線不同,偵測2000nm以上光線,最常接觸到的應用是量測體溫(攝氏30~40度的輻射波長,就是落在遠紅外線),但因為其對溫度非常敏感,需要完整致冷方案才會正確。也是目前新冠病毒肆虐,最重要的應用工具。

2020年5月12日 星期二

筆記:工業用拍攝鏡頭及其附件



一般消費型相機,會依廠牌或產品線,推出自家專屬鏡頭卡口,結果是洋洋灑灑五花八門十數種規格。工業用或IOT相機較單純,很早就有三種公規,中型C-mount、小型CS-mount、微型S-mount(M12)。此三種規格最大特性是,影像感測器到鏡頭之間的距離短,設計出來的鏡頭體積小,價格也相對低廉,適合在工廠中大量布置。雖然成像品質較差,不過考量工業應用時現場光源都很充足,可彌補這個缺陷,是性價比很高的選擇。

C-mount CS-mount 鏡頭


其中C-mount和CS-mount兩者類似,卻是C-mount為先,CS-mount是後續更廉價小巧鏡頭,架構在C-mount上進階版。兩者的外觀相似,都是1英寸長的螺紋,不同處在於鏡頭安裝到攝影機後,鏡頭到感測器之間的距離。
C-mount: 影像感測器到鏡頭之間的距離應為17.5 mm。
CS-mount:影像感測器到鏡頭之間的距離應為12.5 mm。距離更短的結果是,鏡頭可以更小巧。

彼此搭配上,若機身(CS-mount) + 鏡頭(CS-mount)  或是 機身(C-mount) + 鏡頭(C-mount) 當然可以正常運作。若是機身(C-mount) + 鏡頭(CS-mount) 就偏離原始設計概念,會有成像但已經失真。參考(連結)。反之若機身(CS-mount) + 鏡頭(C-mount) ,聚焦距離就會太長,此時可加入一個轉接環,達到與C-mount相同的成像效果。

轉接環就是個金屬環,中間沒有光學鏡片,功能類似近攝環。使用近攝環後,最終拍攝照片的畫質並不會受到明顯影響,但會因為進入鏡頭的入光量改變,快門速度要更慢。所以,除正常搭配外,還能夠透過轉接環達到放大倍率的效果。



整理目前手邊可實驗的C-mount鏡頭有四顆列表如下,此外更蒐集加入Raspberry Pi 新推出CS-mount開發套件中兩顆鏡頭的資訊(連結),同框列出。

C-mountCS-mountC-mountC-mountC-mountCS-mount??
廠牌NAVITARRaspRaspEdmundFUJIAN??
焦距6mm6mm16mm25mm35mm長焦段
光圈f1.4~16f1.2f1.4~16f1.4~16f1.7-16f1.4~8
像面尺寸1/2”1/2”1”1”
??
最近物距0.2m0.2m
價格2000NT(used)

21000NT2000NT(used)??
其他連結 下面那個
連結


連結連結成像差
自備畫質3M不佳
連結

技術合作案自備自備

對手邊四顆鏡頭初步實驗後,該有的光學表現都正常,成像品質則是大致和價差成比例。

S-mount (M12) 鏡頭


第三種規格S-mount鏡頭是各種中最微小的,打開S-mount鏡頭,會發現除了感光元件外,並沒有其他結構,鏡頭幾乎就是直接貼在感光元件前。如此短的成像距離,使得鏡頭結構更簡單(成本更低),光圈當然是固定的,就連焦距也是靠螺紋旋入和旋出調整,塑膠感很重,幾乎和玩具沒兩樣。(連結)

鏡頭Mount與轉接



類似C-mount和M12的光學原理,可參考(這裡),文章中還指導如何製作Mount。如果喜歡3D列印,還能下載STL檔案如下。
Raspberry Pi製作C-mount,可以測試列印螺紋狀況(連結1),連結2連結3
Raspberry Pi製作M43,連結,距離很短感光元件要深入到鏡頭內。
未來會許還能直接製作Canon EOS的接環。

除機身mount外,市售不同轉接環,可以
1.EOS鏡頭轉接至C-mount卡口
2.C-mount鏡頭轉接至M43卡口
3.M12鏡頭轉接至CS-mount卡口(連結
( M43轉換到C-mount,受限於物理距離,無法轉換 )

對焦


最基本的機構是手動旋轉對焦環,透過螺旋移動鏡片位置對焦,(連結)。自動化則可分為行程馬達或音圈馬達VCM(連結)。若真要利用現有鏡頭,可參考鏡頭資料,直接控制鏡頭光圈與對焦(連結) (連結)。

光圈


手邊有個C-mount光圈件,旋轉就能控制光圈,功能不太瞭解,但轉著就很療欲。

與雲台嵌合


一般相機底部固定用的螺絲孔規格為美制的1/4英吋,中大型相機才會用到3/8英吋螺孔,有些相機是兩種規格都有。市面上有許多螺絲與1/4轉換3/8管道,但苦苦尋不到合適的母頭。

雖然有3D列印方式(連結),考量塑膠與精度等問題並不合適,暫時可以搜尋1/4螺帽或1/4 滑塊 螺母,找些替代方案。

2020年5月2日 星期六

以ARDUINO操控無反相機對焦與拍攝動作


近代的無反相機都具備了藍芽、WIFI等無線模組,讓使用者以手機操控各式功能,但若是早期機型,就得退回到"原始"的信號線控制方式,而且既然是線控,就有機會搭配開發板,以程式控制相機,下面是最近以Arduino操控GF1對焦與拍攝的操作筆記。

控制GF1的信號線為直徑2.5mm的TRRS線,印象中此種線材都是用在耳機,而且目前市面上,大多是3.5mm或是6.3mm,很難買到2.5mm。就算好不容易買到,又會發現買錯了。原來2.5mm線還區分成TRRS和TRS兩種產品,TRRS會有三個圈,TRS是兩個,多出來的圈,據說是用於"平衡",但就更難買到,價格也要800至1000等級。最後是購買相機快門線之類產品,僅僅100元就解決線材問題(連結)。

TRRS內部有四條線,僅需要使用前兩條,也就是TR,改造時,就在兩條線間,依照下面方式插入三個電阻和三條導線。

紅線
2k歐姆
   ←-- line A
32.7k歐姆 (33k替代)
   ←- line B
3.2k歐姆 (3.3k替代)
   ←--line C
白線

測試方式為,
一、將2.5mm信號線插入相機後,打開相機電源。
二、若完全不接觸,相機應該是待機狀態(此時電阻則是37.9k)。
三、將line A和line B接觸(此時總電阻約5.2k),發現相機開始執行自動對焦。
四、將line A和line C接觸(此時總電阻約2k),就會發現相機開始自動拍攝。或許還有更多複雜功能,但目前為止已經可滿足全需求。參考資料(連結)。

自動化的概念是以兩個繼電器,分別控制A B(對焦)和A C(拍攝)的連結和斷開。對ARDUINO使用者來說,繼電器多半是為了解決控制板電流小,無法控制大功率物件,較少類似這種單純控制線路連通。

這次使用的繼電器,不是以往的機械式,改採體機小,操縱容易的光耦合式。光耦合的價格便宜,也沒有使用次數限制,同時也能承受非常大電壓( 30V以上 ),實用性非常高,例如手邊LETEX 219-1  LT219-1,SPEC(連結)。購自露天(連結)。甚至還可以利用牠開關快速的特性模擬PWM。


如圖,圓圈端連結到ARDUINO的5V電源,另一邊搭配2.2k電阻,接入PINMODE,當程式中設定HIGH(5V)時,另一端是接通狀態,設定LOW時,另一端改為斷電,程式如下。

//start
const int focus = 7;
const int shoot = 8;

void setup() {
pinMode(focus, OUTPUT);
pinMode(shoot, OUTPUT);
digitalWrite(focus, LOW);
digitalWrite(shoot, LOW);
}

void loop() {
digitalWrite(focus, LOW);
delay(2000);
digitalWrite(focus, HIGH);
delay(2000);
digitalWrite(shoot, LOW);
delay(2000);
digitalWrite(shoot, HIGH);
delay(10000);
}
//end

只要套用此機制,就能以ARDUINO控制相機拍攝,各種應用如縮時攝影,或溫度變化時攝影,無線網路遙控攝影等,就依使用情境來決定。目前需要的狀況正好類似以往單眼相機,有兩個狀態,先進行對焦(半按),之後拍攝(全按),作法上自然就延用以往控制棒,用三個鐵片,進行兩段開關。雖然接觸過許多人機介面,但不得不說這真是最棒的設計。

ARDUINO與按鈕搭配可參考(連結1  這裡提到增加電阻的概念   連結2 這裡提到些debounce概念),目前狀況是可以半按和拍攝分別有不同燈光和相機動作。