ほしぞloveログほしぞloveログ天体観測始めました。連休ですが、富山は相変わらず天気はよくありません。こんな時はたまっていた課題を片付けます。CMOSセンサーを顕微鏡で見るとどうなる?事の発端は、小海の星と自然のフェスタでスタベのアルバイトのK君がASI294のセンサー面を実体顕微鏡で見てみたいと言った事です。ASI294は電視観望用に持っていますが、うちにはたまたま実体顕微鏡もあります。下の子Sukeの自由研究のために2017年の原村星まつりで買ったものです。これならなんとかなりそうです。ところがシベットさんからコメントで実体顕微鏡では倍率が低すぎるのではという指摘がありました。うちには倍率の高い生物顕微鏡もあります。これも同じく下のSukeの自由研究のために2016年の原村星まつりで購入しています。いうわけで、必要なものはそろっているので実際に見ることにしました。手持ちの実体顕微鏡は対物レンズが4倍、接眼レンズが10倍で、40倍のものです。ここにASI294を置いてやればいいのですが、カメラ本体が大きすぎでレンズに近づき過ぎてしまいピントが出ません。仕方ないので、今回はもっと奥行きの短いASI224MCで試すことにします。ASI224MCのセンサーサイズは4.8×3.6mm、解像度は1304×976で一素子のサイズは3.75×3.75ミクロンとのことです。センサーは思ったより小さく、周りに金色の線がたくさんつながっています。これを40倍の実体顕微鏡で見てみました。iPhoneのカメラで撮ってみます。見えていますが、センサー面はのっぺりしているだけでやはり全然倍率が足りないことがわかります。実体顕微鏡は簡単には倍率を変えることができません。考えて、手持ちのアイピースを利用することにしてみました。接眼レンズを片方外します。31.7mmのアメリカンサイズは径が大き過ぎたので、昔の1インチタイプのものを使いました。手持ちは20mmと12.5mmと9mmの3つ。最初に20mmのもので見てみます。1インチサイズだと今度は径が小さすぎるので、とりあえず固定せずに穴に入れるだけです。ついていた10倍のレンズより少しだけ大きく見えます。10倍レンズは焦点距離25mmとか30mmくらいなのかと思います。この時点で50倍とか60倍相当かと思います。これだけだとまだ倍率は不十分なので、さらに倍率を上げるために12.5mmレンズを取り付けます。これも穴に入れただけで固定していませんが、まあとりあえずそこそこ安定して見えるものです。接続線は大きく見えてきましたが、センサー面はほとんど変化なしです。最後9mmを試します。ここでiPadのLEDで光を当てたこともあり、基板のパターンが見えてきました。ピントを調整してセンサーの端をよく見ると目盛りのようなものが見えます。小さな目盛り10個につき大きな目盛りがあり、大きな目盛りを数えると長辺で14個、短辺で10個程度あります。センサーサイズが4.8×3.6mmなので、大きな目盛り2個で1mmはないくらいということがわかります。上2枚の写真のセンサーの枠の太さは同じなので、遡っていくと全体サイズまで直接比較することができると思います。これで倍率は手持ちの1インチアイピースでは限界です。最終倍率は120倍程度かと思われますが、それでもセンサー面の構造は全く見えてきません。倍率の高い生物顕微鏡が必要なようです。生物顕微鏡なら見えるか?さて、生物顕微鏡に移ったのですが、ここで問題が発生しました。ASI224MCでも奥行きがあり過ぎて、ステージを一番下に下げても対物レンズの間に入らないのです。最初はセンサーがついている基板を外そうかと思いました。基板の右側についているコネクタをうまく外すことがどうしてもできなくて、泣く泣く諦めることにしました。ちなみに左上についている赤い検品シールは触るとすぐに崩れるタイプで、ネジを緩めるとシールが簡単にとれてしまいます。改造したかどうかのチェックを兼ねている様です。このカメラはもうメーカーのサポートは受けることができないと思っておいたほうがよさそうです。個人で分解する際は気をつけてください。結局今回は仕方ないので、下の写真の様に顕微鏡のステージを取り外すことにしました。ステージに置くことができないので、CMOSカメラを手で持ちながら見ることになります。バランスが悪いのですが、何度か撮影すればいい位置とピントで写ることもあり、何とかなりそうです。倍率は対物レンズが4倍、10倍、100倍。接眼レンズが10倍と15倍のものがあります。対物4倍と接眼15倍で目で見てみます。明かりがもっと欲しかったので、先日中身を取り替えたパワータンクの強力LEDで照らすことにしました。この状態で目で見てみると、手でカメラを押さえながらですが、何とか見ることができます。撮影のために、SVBONYの顕微鏡の差込口に挿すことができるアダプターを買っておきました。これはT2ネジが切ってあるので直接ZWOのASIカメラに取り付けることができます。これを生物顕微鏡の接眼レンズの代わりに取り付け、直焦点撮影をします。Proを撮影用のカメラとして使いました。最低倍率の4倍の対物レンズで撮影します。撮影はMacのASICAPを使いました。先ほどより大きく写り、遥かに精細に写っています。楽しくなってきました。対物レンズの倍率を4倍のものから10倍のものに上げます。おお!とうとうセンサー面の構造が見えてきました。倍率をあげたいのですが、100倍の対物レンズはセンサー面に相当近づけなければならなく、保護カバーを外さなければピントが合わなさそうです。暗くなることがわかっているのであまりやりたくありません。考えて、ASI294MCよりも一素子のサイズが小さくて分解能の高いASI178MCを使ってみることにしました。その結果がこちらです。センサー面の構造もはっきりと見えます。構造は見えますが、RGBフィルターとかの影響がわかりません。目盛りがついているところから少し中に進むと紫のエリアがなくなる境目があるのですが、わかるのはこれくらいです。この頃になるとカメラの固定方法の工夫でかなりピントも合わせやすくなってきました。下はピントや撮影カメラのゲインを相当合わせ込んだ場合です。見えて、センサー10素子で目盛りが一つ進むこともわかります。目盛りはセンサーの数を表していたんですね。これでも全部同じ素子のように見えてしまっています。やっても進展がないので、ここでかなり悩みました。最後にとった方法が、わざとカメラを回転させて素子を45度傾けてみること。理由ははっきりとわかりませんが、これでやっとうまく見ることができました。見事にRGGBフィルターの配列を見ることができます。これを見て改めて思うのですが、これだけの微細構造を作る技術は見事なものです。これが民生レベルで安価に購入できるというのはなんと幸せな世の中なのでしょう。最後に、その時の撮影風景です。考察とりあえずセンサー面の構造とRGGBフィルターの存在を確認することができました。対物レンズの倍率を上げ、十分な灯りを用意することができれば、もっと微細な構造を見ることができるかもしれません。RGGBフィルターがかかっている部分と、かかっていない部分の境目もはっきりとわかります。RGGBフィルターは全面にかかっているわけではなく、センサーの端の方はフィルターはないことがわかります。問題はここから何を引き出すかです。K君と話した時、サッポロポテト現象を解明したというようなことを言っていた気がします。サッポロポテト現象はあぷらなーとさんも困っているようです。サッポロポテト現象は各素子についているマイクロレンズ効果が原因のようですが、はっきりとした解決策はあまりないようです。今回はやっとCMOSセンサーの素子の構造が見えたくらいなので、まだゴールまでは程遠いと思います。今回の結果をどう活かすのかが今後の課題でしょう。まとめこんなふうに工夫でどんどん見えてくるような実験は超面白くて大好きです。実体顕微鏡ではCMOSセンサーの構造を見るには倍率が低すぎる。生物顕微鏡を使うことでCMOSセンサー面の構造、RGBフィルターの様子を見ることができる。センサー1素子そのものを十分な解像度で見るには至らなかったが、まだ拡大率を上げる手は残されているので、1素子をもう少しはっきり見ることもできるかもしれない。課題としてはセンサーを置く架台をしっかりしたほうがいい。センサー面についている保護ガラスを外して、高倍率で撮影してみる。動画撮影でスタックするとさらに解像度が上がるかもしれない。ASI294MCのセンサー面を見てみる。ことくらいでしょうか。あー、今回も面白かった。K君、遅くなってすみませんでした。見えるくらいにはなってきました。20:47Samさん、こんばんは。いつもながら楽しい記事ですね。今回は、個人的にはもったいないの一言に尽きます。自分にはとてもできません。いつも人柱的な検証をありがとうございます😊。22:34とても興味深い観察ですね。見ると、裏面照射型とはいえ、フィルターとフィルターの間にはけっこう隙間があるように見えるものなのですね。(マイクロレンズのせいなのかもしれませんが)「サッポロポテト現象」は、対物鏡の回折環のサンプリング過程で現れるエイリアジングなのではないでしょうか???XYと斜め方向ではサンプリングレートが異なるので、現れるエイリアジングの模様が変わるのかな、と、想像しました。(そうなると、アナログのローパスフィルタくらいしか私の頭では対策が思いついてきません....)※45°傾けると色が見えるのも、似た原理によるものかもしれないかな、と想像しました。22:56おおっ!こんな記事、待ってました。思った以上に鮮明に撮れるのですね。別アプローチで色々と試してみたいことがあるのですが、とにかく「そのものが見える」というのは説得力があって素晴らしいです。23:02>>りっくんさん、こんばんは。ありがとうございます。3年使っている224なので結構気楽にできます。294だと少し躊躇するので、もう少し準備が整ってからと思っています。時間がかかってしまってK君に申し訳ないと思っています。一つ国際光器さんと約束したことがあるので、もう少しまとめてからまた記事にします。23:17>>Lambdaさん、こんばんは。センサーの間の距離ですが、焦点によって大きく違って見えます。あの隙間が本当に正しいかどうかはよくわかりません。センサー1素子がどれくらい隣と隙間があるかとか、1素子のうちのどれくらいの面積がセンサー部になっていてどれくらいの面積がそれをドライブする回路的なものに使われているかとか実際に見えたらと思っていますが、そこまで行くには流石に手持ちの機材では難しい気がしています。今回はまだ最初のテストなので、もう少し対策して次回もう一度どこまで行けるか挑戦してみたいと思っています。45度傾けると見える理由がまだよく分かっていません。再現性もあり、回折が関係すると思っています。これはミクロな現象ですが、サッポロポテト現象って結構マクロな現象なんですよね。なんであんな大きな構造が見えるのかまだ理解できていません。確かにエイリアシングだとすると低周波にダウンコンバートされるのも理解できます。ここら辺もう少しきちんと理解したいです。物事が光の波長に近くなると色々面白いことが起こるのはやはりCMOSセンサーでも同じですね。考えることができそうです。23:23>>あぷらなーとさん、ありがとうございます。Matlab記事面白すぎます。私はMatlab歴は長いですが、画像処理で使ったことはなかったです。余裕があったら参戦します。CMOSセンサー面白いですよね。ユーザー側で改良とかは難しいですが、解析はまだまだ何かできる余地がありそうです。いろんな方向で攻めていきましょう。07:28面白いことをやられてますね。IRパスフィルター持ってるともっと面白いかもしれません。この場合、撮るカメラの方も、赤外が撮れるカメラが欲しいですが(224MCって赤外抜けてましたっけ。08:39素晴らしい着眼点と実行力、現場での問題解決、そして得られた情報を読者に寸分なく伝える表現、これぞ理系趣味ブログのお手本のような佳作と拝見いたしました!さらに拡大を、という今後の展開も楽しみですが、光学顕微鏡の倍率を上げれば上げるほど試料に相当近づけないといけないので、センサー破壊の危険が伴うため、選択肢にあげられているように撮影カメラのほうで分解能を上げる方法がいいかもしれません。光学顕微鏡の分解能は観察する光の波長に制限され、顕微鏡によって100~1000nm程度とのことですので限界がありますが、数μmのCMOSセンサーなら構造的なものも何とか観察可能になるでしょうか?走査型電子顕微鏡を使えれば(!)いいのですが、電子線を当てるとセンサーが壊れるような気がしますね。お忙しいでしょうに、ブログにてこれだけの情報量を頻繁に更新されているのにも驚きです。3自分の引き出しを検索して問題解決の1~3のループが「通常の3倍の速度」で行われているとしか考えられません(笑)。20:16>>UTOさん、こんばんは。ガイド用にと思って買ってあるのですが、使っていないのがあります。224MCは赤外結構出ます。294の方が出にくい感じです。20:24>>シベットさん、過分な言葉ありがとうございます。楽しくてやってる分には全く苦になりません。中には個人で所有している方もいるとか。光学顕微鏡さえも詳しくないので、今回いろいろ調べてみました。分解能の限界とかもちょっと分かってきました。素人レベルですが、こちらもまたそのうちに記事にします。21:25なんて美しいCMOSセンサーの写真でしょう!感激です。カメラを45度回転させると見えるというのは、とても不思議です。昔のフジフィルムのデジカメのCCDに、ハニカムタイプと称するものがあったと思います。自分の理解では、素子の配置を工夫して、あたかも45度斜めに画素を配置するのと等価にして、斜めの解像力は犠牲にするかわりに、人間の目の敏感な垂直と水平の解像度を補間計算で稼ごう、というコンセプトだったように思います。21:32>>12まだよくわかっていません。各素子に付いているマイクロレンズが関係しているかもしれません。カメラ同士のセンサー配列の向きの違いかもしれません。拡大できたら何かわかるのではと期待しています。それとは別に、美しいというのは全面賛成です。技術からくる美ですね。