Клуб любителей Макро / Статьи / ЧИПы на экране или как сфотографировать микропроцессор
Главная
Конкурсы
Выставки
Галерея
Макроистории
Статьи
Макрооптика
Макрошкола
Обзоры
Блоги
Клуб
  Меню
    Новое в Клубе
   Кнопки Клуба
Кнопки нашего клуба, для всех друзей нашего сайта!

    Новое в блогах(RSS)
    Новое в галерее(RSS)
    Новое на форуме(RSS)
    Новое на macroID(RSS)

ЧИПы на экране или как сфотографировать микропроцессор

Андрей Рубцов. ЧИПы на экране или как сфотографировать микропроцессор

Пытливый любитель микроэлектроники обязательно рано или поздно снимет крышку микросхемы и заглянет внутрь. С этого момента его станет заботить только один вопрос – что же дальше? Каким образом можно разглядеть детали, недоступные невооружённому глазу?

Все мои дальнейшие рассуждения строятся в предположении того, что зеркальный фотоаппарат (либо беззеркалка со сменной оптикой) у читателя уже есть. Это совершенно необходимый инструмент, заменить его дешёвой мыльницей не получится. Дело даже не в качестве изображения; именно возможность снять объектив и прикрутить на его место нечто иное и даёт возможность получить увеличение, достаточное для взгляда в микромир.

Кстати, об увеличении. Диапазон примерно до 3:1 относится к макросъемке. Это отдельная интереснейшая область фотографии, которую я затрагивать не буду. Здесь же речь пойдет про бОльшие увеличения или, если пересчитать через размер матрицы фотоаппарата, про полнокадровую съёмку объектов с линейными размерами менее миллиметра.

Съемка микроскопом

Я не буду распространяться на тему общей теории микроскопии – в интернете есть много статей, написанных куда более сведущими людьми; и ограничусь лишь тем, что имеет непосредственное отношение к теме статьи.

В отличие от фотоаппарата, который сейчас есть практически в каждом доме, микроскоп вряд ли пылится у вас на антресолях. Так что первый этап, который вам предстоит – это покупка микроскопа. Какой микроскоп выбрать и на что стоит обратить внимание при этом?

Выбор микроскопа

При всем многообразии выпускаемых микроскопов, можно с большой вероятностью утверждать - первое, что вам попадется, будет оптический микроскоп биологического или лабораторного назначения – какой-нибудь «Биолам», «Биомед» и т.п. Подавляющее большинство недорогих (относительно; микроскопия – увлечение не из самых дешёвых) предложений – именно такие, отслужившие свой срок и списанные микроскопы. Это не должно пугать, они вполне пригодны для нашей цели, только нужно будет обратить внимание на некоторые технические моменты.

Пойдем снизу вверх. В основании микроскопа находится осветительная часть (1). В простейших моделях она состоит лишь из зеркальца, которое отражает свет какого-нибудь внешнего источника; в более продвинутых приборах источник встроен в микроскоп. Кроме этого, может наличествовать (а может и отсутствовать) оптическая часть (2) – коллектор, конденсор, диафрагмы. Для наших целей это не столь важно, поскольку части эти предназначены для создания пучка проходящего света, а мы собираемся фотографировать непрозрачные объекты. Однако вряд ли ваш интерес ограничится одними микросхемами; рано или поздно вам захочется посмотреть на более биологичные объекты. Исходя из таких соображений, лучше выбрать микроскоп со встроенной лампой, хотя бы одной ирисовой диафрагмой и регулируемым конденсором. При проверке нужно обратить внимание на состояние линз, а также на работоспособность диафрагмы – ход должен быть плавный, без заеданий.

Следующий узел – предметный столик (3). Крайне рекомендую приобретать микроскоп с двухкоординатным подвижным столиком, укомплектованным препаратоводителем (4). Это позволит легко и точно позиционировать объект для съёмки; сделать это руками будет гораздо сложнее. Проверка этой части несложна, достаточно убедиться, что направляющие столика ходят плавно, и доходят до крайних положений.

Далее. Одна из важнейших составляющих микроскопа – фокусировочный механизм (5), состоящий из механизмов грубой (макровинта) и точной (микровинта) настройки; винты могут быть как соосными, так и разнесенными на штативе. В простейших моделях присутствует только макровинт; настоятельно советую такие микроскопы не рассматривать к приобретению, намучаетесь с фокусировкой при больших увеличениях. Микровинт – довольно капризный механизм, боится ударов, поэтому проверка обязательна. Впрочем, она опять-таки проста – крутим оба винта, обращаем внимание на отсутствие люфтов и ход, механизмы не должны заедать и хрустеть.

Переходим к объективной части. Узел крепления объективов может быть как одиночным, так и в виде револьверного устройства (6). Второе – гораздо более удобно, позволяет одним движением руки сменить увеличение съёмки; аналог зума в фотографии. Разумеется, нужно убедиться, что оно функционирует нормально – прокручивается плотно, не расхлябанно, и чётко фиксируется в нужных положениях.

Сами объективы. Полагаю, ваш будущий микроскоп какими-то уже укомплектован; не факт, что это будет лучший вариант для вас. Впрочем, посадочные и оптические размеры объективов стандартизованы (не без исключений, конечно) и вы можете в дальнейшем улучшить возможности вашей системы, докупая новые объективы с нужными параметрами. Не буду углубляться в теорию, скажу кратко. Первое, не стоит гнаться за суперувеличением, подавляющее большинство ваших фотографий будет сделано на малых и средних увеличениях, до 40х (эта цифра выгравирована на самом объективе). Далее, на объективе маркируют и апертуру (это выглядит как «0,25», «0,65» и т.п.); если есть выбор – лучше взять объектив с бОльшей апертурой. Третье, лучшее качество, по сравнению со стандартными, дают объективы с коррекцией искажений – апохроматы (маркируются дополнительными буквами «АПО»), планапохроматы («ПЛАН-АПО»), более редкие микрофлюары и пр.

Различные специализированные объективы, как-то фазовые «Ф», люминесцентные «Л», поляризационные «П» и проч. – вам не понадобятся. За более подробными объяснениями отсылаю в вас в дебри интернета; к примеру, к «Методическому пособию по работе на световых микроскопах» О. В. Егоровой.

Ну и наконец, монокулярная или бинокулярная (а в редких случаях – и тринокулярная) насадка (7) с вкладываемыми окулярами (8). Для фотографирования, собственно, нет разницы, какой именно она будет. Для визуального просмотра – дело вкуса. Некоторые предпочитают смотреть одним глазом, мне же более удобен бинокулярный вариант. При покупке желательно осмотреть состояние линз насадки и окуляров и убедиться в отсутствии сколов и царапин. Наличие пыли пугать не должно, она легко удаляется грушей или мягкой кистью. Да, еще нелишним будет проверить, что оба окуляра (для бинокулярной насадки) одинаковы. А то встречаются такие чудеса…

Ну что ж, микроскоп куплен, работает, можно фотографировать? Увы, нет. Вам потребуется кое-что еще.

Дополнительные устройства

Можно, конечно, просто приставить объектив фотоаппарата к окуляру и нажать на спуск. Снимок вы, повозившись, конечно, получите. Но он вас не устроит, поверьте. Оптические системы микроскопа и фотоаппарата не согласованы друг с другом. Для хороших кадров вам потребуется специальный переходник - микрофотонасадка.

В советское время выпускались различные модели таких устройств, МФН-1, МФН-12 и т.п. Они имеют разное предназначение и вам подойдут далеко не все. Одна из наиболее удобных для наших целей, и наиболее массово выживших, если мне будет позволено употребить такое выражение – МФН-10. Опишу её чуть подробнее.

Минимально она состоит из двух частей – собственно насадки (1) и тубуса (2). Вам совершенно необязательно достанется полный комплект, с ЗИПом, который включает в себя еще окуляры и объективы, но уж эти-то две части быть должны. МФН устанавливается вместо бинокулярной насадки; крепления у них совпадают. Тубусы выпускались под две основные фотографические резьбы того времени – М39 и (весьма редко) М42, так что вам будет нужен и переходник с этой резьбы на байонет вашего фотоаппарата (3).

Следующее. Мы собираемся фотографировать непрозрачные объекты, поэтому нужно будет каким-то образом организовать съемку в отраженном свете, и желательно в прямом, а не косом пучке.

Для освещения объектов в микроскопии у нас выпускалось много различных осветителей. Наиболее массовое семейство – ОИ, из него наиболее удобен осветитель ОИ-21. Исходно он предназначен для работы со специализированными эпи-объективами, но народные умельцы переделывают его и под обычные объективы. Это очень удобно - сохраняется револьверное устройство, т.е. возможность быстрой смены увеличения.

Также рекомендую заранее позаботиться о фильтре из матового стекла. Размеры фильтров в микроскопии стандартны – диаметр 23 мм, коэффициент пропускания в данном случае большой роли не играет.

Теперь несколько необязательных, но довольно полезных добавлений из области фотопринадлежностей. Первое, вам крайне не помешает штатив. Не обязательно профессиональный, но хотя бы какой-нибудь, способный устойчиво удерживать вашу камеру. Крепления частей микроскопа не рассчитаны на то, что им нужно будет удерживать увесистую тушку фотоаппарата, установленную наверху с довольно длинным плечом. Колебания и сотрясения – даже просто от нажатия кнопки спуска – неизбежны. Установка фотоаппарата на штатив обеспечит достаточную жёсткость сборки.

Второе, макрорельсы, пойдут и однонаправленные. Этот инструмент обеспечивает точное, вплоть до долей миллиметра, позиционирование вашей фотокамеры.

Не забудем про свет. Если ваш осветитель будет укомплектован штатным патроном с лампой – замечательно, он даёт наиболее яркий и равномерный свет. Но такое случается, увы, нечасто. Так что будет нужна пара (второй – для боковой подсветки) ярких источников света. Для этих целей удобны настольные лампы на гибком кронштейне. Наилучшие результаты получатся при использовании галогенных ламп, наихудшие – светодиодных; лампы накаливания находятся где-то посередине.

Вот теперь всё, можно начинать!

Практикум

1 – штатив; 2 – макрорельсы; 3 – фотоаппарат; 4 – макрокольца; 5 – микрофотонасадка МФН-10; 6 – лампа подсветки; 7 - осветитель ОИ-21; 8 – микроскоп

Сборка конструкции. Снимаем с микроскопа бинокулярную насадку, ставим на её место осветитель. Устанавливаем сверху микрофотонасадку (без тубуса).

Привинчиваем переходник к тубусу от фотонасадки, подсоединяем к нему макрокольца. Снимаем с фотоаппарата объектив и устанавливаем на его место кольца с тубусом.

Прикручиваем фотоаппарат на рельсы (если они есть), ставим всё это на штатив. Выставляем положение фотоаппарата на штативе так, чтобы тубус приблизительно попадал в предназначенное для него отверстие на микрофотонасадке.

Ослабляем крепление микрофотонасадки. Действуя макрорельсами (или регулировкой штатива), опускаем фотоаппарат так, чтобы тубус вошёл в фотонасадку до конца, но без нажима. Лёгкими движениями макрорельс вверх-вниз проверяем отсутствие перекосов, при необходимости устраняем их перемещением штатива. Затягиваем все крепления (фотонасадки, тубуса, винта макрорельс, штативные).

Теперь свет. Именно на настройку освещения у меня уходит больше всего времени. Первую лампу вкладываем в (или направляем на) входное окно осветителя, вторую устанавливаем так, чтобы она обеспечивала внешнее боковое освещение фотографируемого объектива.

Скорее всего, изначально поле зрения будет освещено неравномерно, как на фото:

Вот с этим и придётся повозиться.

Первый шаг, полностью открываем диафрагму осветителя. Если у вас штатный источник и он вложен внутрь осветителя, то корректируем его положение центрирующими винтами фонаря. Если у вас внешняя лампа, то можно попробовать отодвинуть/приблизить её к входному окну осветителя или изменить угол освещения.

Второе, если этого недостаточно, то здесь пригодится матовый фильтр, он вкладывается в пазы осветителя, полированной стороной от источника света.

Третье, если фильтра нет или его действие недостаточно, можно прикрыть встроенную диафрагму осветителя.

Возможно, придётся повторить эти процедуры, постепенно приближаясь к достаточному результату.

Важно помнить, что шаги 2 и 3 уменьшают освещённость объекта, что приводит к увеличению выдержки при фотосъёмке. Типичные значения выдержки у меня составляют доли-единицы секунд; чрезмерное увеличение её делает съёмку неудобной, так что вам придётся опытным путём найти оптимальное соотношение между этими шагами.

Вот теперь можно включить фотоаппарат.

Разумеется, он тут же уведомит вас, что не видит объектива. Действительно, ведь к нему прикручена лишь простая металлическая труба. О необходимых настройках для съемки в таком режиме вам придётся справиться в руководстве к фотоаппарату, у разных моделей это выглядит по разному. Для моей Sony DSLR-A380 нужно переключиться в режим М, при этом все параметры съёмки приходится устанавливать вручную.

Изображение на дисплейчике камеры – очень удобно, если он откидной - довольно отвратного качества. Я по первому разу даже запаниковал – неужели и фотографии будут такими же размытыми и в радужных пятнах? Но, к моему облегчению, снимки получаются вполне нормальными.

Такая картинка сильно затрудняет «нацеливание» камеры на нужный участок чипа. Для этой цели удобнее пользоваться дополнительным окуляром, имеющимся у фотонасадки, однако итоговую наводку на резкость всё же придётся выполнять по экрану фотоаппарата.

Зачастую «попасть» в резкость с первого раза не получается. К тому же, ГРИП при микросъёмке очень мала, так что любая выступающая деталь окажется смазанной. Такое может быть и при небольшом перекосе объекта, при этом часть кадра будет в зоне резкости, а остаток – вне. Для решения этой проблемы я использую следующий способ. По дисплею камеры я приблизительно оцениваю диапазон настроек микровинта от минимума до максимума, внутри которого все части кадра так или иначе попадут в резкость. Затем вывожу микровинт в одно из крайних значений и делаю серию кадров, прогоняя настройку до второго предела. При малых увеличениях (с объективом 4х) бывает достаточно 3-4 снимков, большие увеличения (или объекты, имеющие объем, такие как контактные площадки выводов, дискретные элементы гибридных микросхем и пр.) могут потребовать и несколько десятков. Затем из этой серии можно выбрать один самый удачный снимок или загрузить всю пачку в какую-либо из программ для стекинга.

Посмотрим на результаты. В качестве исходного материала для иллюстраций я выбрал гибридную микросборку 111-К11ГИ04-3,1В:

(Minolta 50/3.5 AF macro, ISO 200, выдержка 1/80с, F16)

Бескорпусная транзисторная сборка; Биомед-3 + МФН-10, объектив план-апохромат 4х/0,10, ISO 200, выдержка 0,6с*, увеличение 10:1

Параметры те же, кроме - выдержка 1с. Здесь хорошо видны недостатки освещением лишь прямым светом при съёмке объёмных предметов

Значения диафрагмы и фокусного расстояния не указаны, ибо здесь они отсутствуют в принципе

(эпи-объектив план-ахромат 9х/0,20, ISO 400, выдержка 0,3с; увеличение 16:1)

(объектив план-апохромат 16х/0,40, ISO 400, выдержка 0,3с, увеличение 28:1)

(объектив план-апохромат 40х/0,65, ISO 400, выдержка 0,3с, увеличение 65:1)

(бескорпусной транзистор; объектив план-апохромат 4х/0,10, ISO 200, выдержка 0,5с, увеличение 8:1)

(объектив план-апохромат 10х/0,25, ISO 400, выдержка 1/4с, увеличение 16:1)

(объектив план-апохромат 40х/0,65, ISO 400, выдержка 1/4с, увеличение 65:1)

Немного фотоиллюстраций других объектов. Пара монолитных интегральных микросхем – К104НД1 и 508ИД1:

(Minolta 50/3.5 AF macro, ISO 200, выдержка 1/80с, F11)

(объектив план-апохромат 10х/0,25, ISO 400, выдержка 0,8с, увеличение 15:1)

(Minolta 50/3.5 AF macro, ISO 200, выдержка 1/80с, F11)

(объектив план-апохромат 4х/0,10, ISO 200, выдержка 1с, увеличение 12:1)

Гибридная микросборка М2ПВЦ0111 и неопознанный кристалл аналогового коммутатора из неё

(Minolta 50/3.5 AF macro, ISO 200, выдержка 1/80с, F16)

(Minolta 50/3.5 AF macro + макрокольца, ISO 200, выдержка 1/30с, F не определена)

(объектив план-апохромат 4х/0,10, ISO 400, выдержка 1/10с)

Максимальное увеличение, которого мне удалось добиться при сохранении удовлетворительного качества фотографий – порядка 65:1, с собственным увеличением объектива 40х. При этом мелкие детали, еще ясно различимые на снимке (к примеру, «оспины» на фотографиях транзисторных структур) имеют размеры порядка долей-первых единиц микрон. Это соответствует размеру обычных бактерий. Так что мои советы могут пригодиться и любителям биологии. Впрочем, это уже совершенно выходит за рамки темы…

P.S. Хотел бы поблагодарить Александра Соснина (alexpine) за помощь в подготовке статьи.


Андрей Рубцов (Клапауций)
Томск, май 2012 г.

Обсуждение на форуме

2005-2009 © Клуб любителей макро-
съёмки и макрофотографии
Работает на системе управления
сайтом CMS Cubesystem
На главную / Карта сайта / Поиск по сайту
/ Полезные ссылки / О МакроКлубе