Бюджетные планахроматы из Китая: «биолог» против «металлурга» (18+)

Здравствуйте, достопочтенные читатели. Если вам уже доводилось читать мои обзоры, вы наверняка заметили, что я неравнодушен к макрофотографии. Однако сегодняшний обзор – не про неё. На этот раз я пожелал заглянуть в тайные места природы ещё глубже, и попробовать себя в жанре микросъёмки. Причём постарался сделать это так, чтобы не сильно потратиться и по максимуму обойтись тем, что у меня уже имелось.

А имелся у меня немало повидавший за 60 лет микроскоп, множество всякоразных переходников да несколько беззеркальных фотокамер. И вот однажды я собрал всё это воедино, и… Для тех, кто хочет узнать жестокую правду, всю и сразу: результат получился ну очень неоднозначный. За подробностями же, что и как у меня получилось, добро пожаловать в обзор.

Для начала позвольте представить вам главных героев сегодняшнего опуса. Это – объективы для микроскопов:



Оба они – планахроматы (то есть имеют уменьшенный хроматизм и плоское поле зрения) низкого увеличения, произведённые неведомо кем, но, очевидно, в Китае. Покупались они прежде всего как визуальные, для рассматривания в микроскоп мелких насекомых и особо крупных микроорганизмов. Однако, начитавшись всякого на профильных сайтах, я заинтересовался возможностью использовать их для микрофотографии.

Объективы поставляются в почти одинаковых контейнерах,



несут на корпусе маркировку общепринятого вида и дополнительно украшены красным колечком. Однако, в отличие от вселенной Canon, где оное колечко означает принадлежность к сословию «Лухари», в мире микроскопии это всего лишь общепринятая маркировка для объективов с кратностью 4-5. Благодаря цветовой дифференциации колечек пользователь микроскопа может оценить, какое увеличение выставлено в данный момент, не прибегая к чтению надписей на объективе.

Как следует из маркировки на корпусе, объективы рассчитаны на длину тубуса в 160 миллиметров. Кроме того, они имеют совершенно одинаковую присоединительную резьбу стандарта RMS, что позволяет использовать их на всех совместимых, в частности – советских биологических – микроскопах. А это, между прочим, практически все МБИ/МБР, «Биоламы», «Эрудиты» и даже школьные микроскопы, которые всё ещё можно купить за относительно скромные суммы.

Первым стал тот, что с матовым корпусом и маркировкой «Plan 4/0.10 160/0.17», на фото он справа. Это самый бюджетный объектив в своей линейке, включающей 4-, 10-, 20-, 40- и 60-кратный объективы, а также иммерсионный с увеличением в 100×. Он предназначен для биологических микроскопов и рассчитан на работу с препаратами под покровным стеклом толщиной 0.17 миллиметра. Обычная его цена на ebay — чуть дороже $15 за штуку.

Едва заполучив его, я не мог не попытаться снять им хоть что-нибудь. Однако результаты первых экспериментов меня не обрадовали – в макро даже из обычного валового «Гелиоса-44» мне удавалось выжать больше качества. Да и «фотомодели» были все сплошь были сушёные, в Сибири зимой других не найти. В итоге лучшим, что мне удалось снять, стал вот этот кадр, в котором экспрессии больше, чем технического качества:


Оригинал фото

Не можете определить, что это такое? Пожалуй, это и к лучшему. Поверьте, некоторые вещи в этом мире лучше не знать.



Пятикратный объектив для металлографических микроскопов я покупал уже на Aliexpress, и обошёлся он существенно дороже. Во время ноябрьской распродажи я заказал его за $45, всё остальное время он стоит доллара на три больше. Внешне самое существенное его отличие от предыдущего — стальной полированный корпус. Но на самом деле это не главное.

Прежде всего, нормальный режим работы для биологического микроскопа — в проходящем свете, «на просвет», когда образец лежащий на предметном стекле и накрытый сверху покровным, подсвечен снизу. Металлографические же микроскопы предназначены для наблюдения непрозрачных объектов в отражённом свете, что предполагает отсутствие покровного стекла. На это, собственно, и указывает прочерк вместо последнего числа в маркировке объектива: «PL 5/0.12 160/-».

Далее, в металлографических микроскопах обычно используются объективы с большим рабочим расстоянием. Это и понятно: чем дальше объектив от исследуемого образца, тем проще организовать внешнее освещение. Наверное, именно поэтому полевая линза пятикратного объектива утоплена в корпус ровно настолько, чтобы защитить её от случайного соприкосновения с образцом, а у четырёхкратного — скрывается где-то в глубине.



Естественно, что, получив второй объектив, я тут же вкрутил его в «револьвер» микроскопа и попытался визуально обнаружить разницу между объективом за $15 и объективом за $45. Но, как я ни таращился в окуляры, сколь-нибудь значимых отличий в качестве картинки разглядеть так и не смог. Но, может быть, они проявят себя, если в качестве приёмника изображения использовать не глаз, а фотокамеру?

В теории, для микросъёмки насекомых металлографический объектив выглядел более предпочтительным. Однако теория — теорией, а на зеленеющем древе жизни может вырасти всё, что угодно. Поэтому насколько теория согласуется с практикой, мне предстояло выяснить самостоятельно.

Как-то летом, в июле, когда я ехал на велосипеде через тянущиеся вдоль Енисея поля, меня укусил слепень. Сам по себе факт ничем не примечательный, слепней в Сибири водится сверх всякой меры, от гигантских и жутких на вид бычьих до мелких изящных златоглазиков. Вот как раз златоглазик и решил тогда попробовать меня на вкус, за что на него без промедления обрушилась тяжкая кара. Тут бы и стряхнуть его на землю, как сотни других комаров, мошек и слепней, ощутивших на себе тяжесть моей руки, однако лежащий на велосипедной перчатке слепень выглядел ну прямо как живой. И мне подумалось, что было бы интересно разглядеть этого зверя под микроскопом. Поэтому вместо того, чтобы швырнуть его на корм муравьям, я упаковал его в специальную коробочку с ватным матрасиком, которую держал при себе специально для таких случаев.

Удовлетворив любопытство, я пожалел выбрасывать такой прекрасный образец кусачей мухи, отложив его в дальний угол шкафа, пока в нём не возникнет необходимость. И с появлением нового объектива такая необходимость возникла.

Вы, наверное, уже ожидаете увидеть ниже фото прекрасных, сияющих золотом глаз – не зря же этого слепня назвали «златоглазиком»? Увы, что у слепней, что у стрекоз, что у всех прочих насекомых глаза сохраняют прижизненный цвет и блеск лишь несколько часов, неумолимо превращаясь в безжизненные бурые полусферы. Поэтому вместо глаз я решил заснять лапку слепня, сочтя, что на фото она будет выглядеть не столь печально.

Поскольку объективы — микроскопные, для осуществления съёмки естественно было воспользоваться микроскопом. Вот таким:



Для тех, кто не знаком с оптическими раритетами эпохи СССР: на фото — полностью перебранный мной микроскоп МБИ-3 1961-го года выпуска, на который вместо штатной биноприставки с окулярами через пару переходников и удлинительные кольца установлена беззеркалка Pentax Q7. Кого-то может удивить выбор камеры, однако он вполне оправдан. Обозреваемые объективы рассчитаны на диаметр тубуса 23.2 миллиметра, и за пределами этой окружности приличную картинку не гарантируют, поэтому небольшой размер сенсора здесь недостатком не является. Зато у Pentax Q7 полностью электронный затвор, не создающий вибраций в момент срабатывания, что очень важно для крупномасштабной фотографии.

Вместо предметного стекла я использовал лист белой бумаги; за подсветку объекта отвечали два LumeCube на мини-штативах, расположенные справа и слева от предметного столика микроскопа. Теперь всё готово к съёмкам.

Однако просто сфотографировав мушиную лапу через объектив микроскопа, мы получим далеко не то, что хотели бы. Резким на снимке будет лишь тонкий «срез» конечности насекомого, а всё остальное утонет в глубоком боке, в точности как на нижеследующем фото:

Когда б вы знали, из какого сора…


Для съёмки объектов, категорически не желающих умещаться в резко изображаемое пространство, используется техника стекинга. Суть её в том, чтобы, постепенно перемещая камеру вперёд или назад, послойно заснять требуемый объём пространства, а потом при помощи хитрых алгоритмов выделить на каждом снимке резкую область, склеить с резкими областями других снимков и таким образом собрать цельное изображение.

Один оборот ручки микровинта МБИ-3 сдвигает тубус вверх или вниз приблизительно на 0.1 миллиметра, а три таких оборота позволяли обозреть большую часть мушиной лапки. Теперь нужно было определиться с шагом для каждого кадра: резкие области «срезов» на соседних кадрах должны перекрываться с запасом, иначе впоследствии стек не «сошьётся». Опытным путём я установил, что для уверенного перекрытия резких областей подойдёт шаг в 0.02 миллиметра.

Позже выяснилось, что для выбора правильного шага можно было применить более научный подход. Оказывается, для расчёта глубины резкости при микросъёмке уже существует готовая формула:



В ней
dtot – глубина резко изображаемого пространства
λ – длина волны
M – увеличение объектива
NA – числовая апертура объектива
n – коэффициент преломления среды (для воздуха он равен единице)
e – минимальный размер разрешаемого элемента изображения в фокальной плоскости (его можно считать равным пикселю матрицы)

Подставив в формулу значения, соответствующие коротковолновой части спектра (λ=400нм) и сенсору Pentax Q7 (размер пикселя 1.54 мкм), для четырёхкратного объектива получим глубину резкости приблизительно 0.044мм, а для пятикратного – 0.03мм. То есть экспериментально подобранная величина шага оказалась верна.

Благодаря шкале микровинта, на которой «сотки» отмечены цифрами от 0 до 9, выдержать нужный шаг совсем несложно. В общем, съёмки мушиной лапы вылились в 15 кадров и потребовали не более пяти минут времени.

В иллюстративно-развлекательных целях я соорудил небольшую анимацию этого процесса:

Ай лайк ту мув ит, мув ит


Серия отснята, что с ней делать дальше? Программ для стекинга вообще не так, чтобы много. А хороших, на мой взгляд, всего две: Helicon focus да Zerene Stacker. Воспользуемся второй из них и сведём снимки «срезов» в единое изображение с увеличенной глубиной резкости.

Zerene Stacker предлагает для этого два метода: PMax («пирамидальный») и DMap («карта глубин»). Первый обычно работает лучше, однако выдаёт более «шумную» картинку и задирает контраст изображения; именно его результаты я и взял за основу для дальнейшей обработки. DMap я тоже опробовал, однако результаты его работы мне понравились куда меньше.

Затем я уменьшил результаты стекинга, приведя их к приблизительно одинаковому масштабу. Для четырёхкратного объектива я выбрал уменьшение ровно в два раза, с 4000 до 2000 пикселей по длинной стороне кадра. Поскольку пятикратный объектив даёт увеличение в 1,25 раза крупнее, для того же масштаба изображение с него нужно уменьшить до 2000/1,25 = 1600 пикселей по длинной стороне.
Процесс уменьшения, кстати, «имеет много гитик» и бездумно использовать для этого фотошоповский «Image size» с настройками по умолчанию совершенно точно не стоит. «Фирменный» алгоритм уменьшения, кроме собственно изменения размера изображения, ещё и поднимает резкость ради лучшего визуального восприятия. Обычно такой подход вполне оправдан. Но только не в тех случаях, когда мы планируем при дальнейшей обработке поднять резкость более изощрёнными способами: деконволюция поверх unsharp mask смотрится отвратительно. Поэтому ставим галочку напротив «Resample», если её там ещё нет, и выбираем в выпадающем списке метод «Bicubic (smooth gradients)».

Далее я кадрировал оба фото до размера 1200×800 пикселей. Снимки от этого совершенно ничего не потеряли, кроме некоторого количества ничем не занятого пространства, зато стали помещаться на большинство ныне существующих мониторов. Теперь можно оценивать результаты.

Поглядим, чем может похвастать четырёхкратный «биологический» планахромат:



А это уже результаты с пятикратного металлографического:



На то, что глубина резкости на первом фото больше, не обращайте внимания, там я просто увлёкся процессом и снял на пять кадров больше.

В остальном по этим двум изображениям видно, что четырёхкратный объектив меньше страдает хроматизмом и более контрастен, зато металлографический отличается в лучшую сторону по резкости и детализации. Но, если честно, оба результата страшно далеки от идеала.

Попробуем привести их к более удобосмотримому виду. Первое, о чём следует позаботиться – резкость. Она, может, и «буржуазный предрассудок», как припечатал её Анри Картье-Брессон, однако с предрассудками микрофотография выглядит лучше, чем без них.

Резкость и фильтр «Unsharp mask» – это как гений и злодейство. Одни считают их несовместными, другие же усматривают в них диалектику и прочий корпускулярно-волновой дуализм. Лично я придерживаюсь мнения, что unsharp mask годится разве что для утренника в детском саду, а настоящую резкость дарует деконволюция. По слухам, в Photoshop деконволюцию использует фильтр «Smart sharpen», но не всегда. И вообще, обращение с ним слишком похоже на магию: настройки, дающие отличный результат на одной картинке, применительно к другой могут оказаться «не очень».

Поэтому я предпочитаю использовать деконволюцию в рафинированном виде. Именно так она реализована она в наборе плагинов Astra Image. Изначально эти плагины предназначались для обработки астрономических изображений, однако алгоритмы повышения резкости через обратную свёртку настолько фундаментальны, что им можно найти применение в любом фотожанре.

Из всего разнообразия, предлагаемого «Astra image», нам понадобится плагин под названием «Deconvolution», реализующий несколько видов обратных свёрток. Для финального повышения резкости уже приведённых к web-размеру изображений весьма хорош метод Люси-Ричардсона, однако подбор его входных параметров требует известной аккуратности.



В качестве отправной точки для экспериментов можно взять размер ядра 0.5 пикселя и повышение резкости в 10 итераций. Мне, правда, пришлось увеличить размер ядра до 0.7. Также есть смысл поколдовать с распределением яркостей в кружке нерезкости на вкладке «Blur kernel», однако там параметры по умолчанию и так близки к оптимальным.



Следующее, что бросается в глаза – обоим фото отчаянно не хватает контраста. Лист бумаги, послуживший фоном, должен быть не серым, а белым. Отчасти в этом есть и моя вина: не нужно было экономить на экспокоррекции, а ставить не +0,7Ev, а все +2Ev, если не больше. Так или иначе, жму Ctrl-L и двигаю точку белого влево до полного просветления фона. Контраста стало больше. Шума, увы, тоже. Поэтому применяем фильтр для подавления яркостного шума: агрессивно – по белому фону (шум на областях с равномерной яркостью хоть и невидим, однако раздувает размеры выходного JPEG) и очень сдержанно – по собственно изображению мушиной лапы.

Картинка с четырёхкратного объектива, в принципе, закончена. А вот та, что с пятикратного, вся перемазана жутким фиолетовым хроматизмом, который нам предстоит убрать. В Photoshop СС 2021 с этим отлично справляется фильтр «Camera RAW», в частности – та его часть, что ответственна за подавление хроматической аберрации. В предыдущих версиях Adobe Camera Raw параметры коррекции нужно было настраивать вручную, но в версии 2021 года достаточно ткнуть «пипеткой» в поражённую хроматизмом область, а с остальным фильтр разберётся самостоятельно.

И вот пришло время посмотреть и оценить результат.


Оригинал фото


Оригинал фото

Стало ли лучше? Несомненно. Есть ли у картинок такого уровня шанс на фотоконкурсе National Geographics? Ни единого. Какие из всего этого следуют выводы? Очевидные.

Бюджетные китайские планахроматы – совсем не та оптика, которой стоит грезить даже самому начинающему микрофотографу. Получить практическое представление о предмете, «набить руку» в стекинге и постобработке, или снять иллюстрации к школьному проекту «Кошмарные ужасы микромира», произведя фурор среди непосвящённых – это всегда пожалуйста, это они могут.

Но, по большому гамбургскому счёту, объективы такого уровня предназначены только для визуальных наблюдений. Это их ниша, там они вполне конкурентоспособны, однако прыгнуть выше головы им не дано. При этом замена дешёвого «биологического» планахромата на в три раза более дорогой металлургический, вопреки ожиданиям и надеждам, значимого улучшения качества картинки не принесла.

Так что, если ваше воображение поразили увиденные где-то красочные, кристально-чёткие фотоснимки сияющих жучиных глаз и радужных чешуек с бабочковых крыльев и вы мечтаете снимать так же, изначально ориентируйтесь на оптику более высокого класса.