Lens pinhole với lỗ pinhole IN 3D (dùng cho mọi hệ máy ảnh)

Sao tôi làm cái này?

Nếu bạn tìm trên printables.com với từ khóa “pinhole”, bạn sẽ thấy rất nhiều mẫu nắp/lens pinhole. Nhưng tụi nó có một điểm chung: hình như chưa ai thật sự nghiêm túc thử làm một “lens” mà cái lỗ pinhole được in 3D luôn — đa số либо dùng thêm một tấm (plate) có lỗ được chọc/khoan sẵn, либо làm một cái lỗ to cỡ 1 mm đường kính.

Thiệt ra nhìn sơ qua thì in 3D một cái pinhole nghe không có sáng suốt lắm. Nhưng nếu nhìn kỹ hơn các cách tạo lỗ khác nhau và so theo những tiêu chí quyết định chất lượng pinhole, bạn sẽ thấy ít nhất cũng đáng để thử:

Thế nào là một pinhole “hoàn hảo”?

Để được xem là hoàn hảo, một pinhole nên có các đặc tính sau:

• (1) Tròn đều hoàn hảo
• (2) Vật liệu màu đen (không có viền kim loại)
• (3) Kích thước lỗ đúng theo xấp xỉ Fraunhofer để cân bằng tốt nhất giữa nhiễu xạ (diffraction) và tán xạ (diffusion)
• (4) Độ dày vật liệu càng gần 0 càng tốt
• (5) Bề mặt vật liệu phẳng hoàn hảo (không bị gờ/“beads”)

Những cách thường dùng để làm pinhole là khoan (drill), laser (laser), hoặc chọc bằng kim (needle). Mình thử so coi các cách này đạt tới đâu theo các tiêu chí trên, so với in 3D:

So sánh này cho thấy: dù việc làm pinhole trên lá kim loại bằng khoan/laser (và anodised!) chắc chắn sẽ cho chất lượng ảnh cao nhất, in 3D vẫn có lợi thế về việc quản lý kích thước lỗ và dùng vật liệu màu đặc (solid-colored). Vậy mình coi thử pinhole in 3D thực tế ra sao.

Dưới đây là ảnh chụp hiển vi của một pinhole in 3D, kèm theo ảnh chụp từ máy ảnh số khi gắn pinhole đó (bấm để phóng to). Bên dưới nữa là một pinhole in khác với ảnh chụp tương ứng, và cứ vậy (tổng cộng 5 pinhole):

Không tấm nào bị chỉnh sửa ngoài việc set white point và cân lại exposure cho đồng đều. Nếu bạn muốn soi kỹ hơn, mình có để file fullres trong phần download (Fullres_JPEGs.zip).

Rút ra từ loạt này:

• Dĩ nhiên pinhole khoan có thể vẫn cho chất lượng ảnh tốt hơn (bạn tìm tham khảo trên web sẽ thấy), nhưng ngoài chuyện (gần như vô vọng) cố cạnh tranh với lens quang học, pinhole in vẫn đủ sức đạt “chất pinhole” điển hình.
• Cái lỗ lớn nhất trong loạt cho ảnh sắc nhất (vì dễ dàng đáp ứng quá mức yêu cầu về kích thước lỗ, nhưng lại không đáp ứng tốt về hình dạng lỗ). Với “focal” length 32 mm, đường kính lỗ tối ưu đáng ra là 0.21 mm. Con số này khá sát với kích thước lỗ của ví dụ dưới cùng: 0.20 x 0.25 mm, trong khi các ví dụ còn lại nhỏ hơn đáng kể (nên gây nhiễu xạ ánh sáng không cần thiết) và cũng kém tròn hơn.
• Tất cả pinhole in đều dễ bị vignetting (do vật liệu tương đối dày).
• Nhiễu xạ ở góc ảnh tệ hơn (cũng vì lý do đó).

Một điểm nữa bạn thấy trong ảnh hiển vi là: thông số retract (và unretract) ảnh hưởng chất lượng khá nhiều. Mình không có sẵn black PLA nên dùng PETG — chắc không phải lựa chọn khôn ngoan nhất ở khía cạnh này; mình đoán nếu dùng PLA thì kết quả sẽ tốt hơn (nên mình cũng tò mò kết quả của bạn). Với những ca “nhạy” như vậy, retract chuẩn không chỉ giảm stringing mà còn ảnh hưởng hình dạng chi tiết nhỏ. Nói chung, với kiểu in này, calibration kiểu gì (feed rate, retraction, geometry…) cũng đáng làm.

Tổng thể mình khá hài lòng với chất lượng ảnh của pinhole #5. Nhưng các lỗi quang học ở #1 và #2 cũng có cái duyên riêng. Dù vậy, nếu bạn định tự in pinhole, mình có thể nói trước là quá trình sẽ khá “iterative” — nghĩa là bạn sẽ in ra cả một loạt lỗ với đặc tính khác nhau…

Nếu bạn chịu chơi tới cùng, đây là cách làm:

Bạn cần gì

Dĩ nhiên bạn cần một máy ảnh số có thể thay lens (tất nhiên máy film cũng được, nhưng như vậy vòng lặp thử–sai sẽ lâu hơn nhiều). Tiếp theo, bạn cần một adapter M42 cho ngàm lens của máy bạn. Adapter kiểu này sẽ giống một cái vòng dẹt (như cái này) nếu máy bạn là SLR, hoặc giống một ống (như cái này) nếu máy bạn là EVF. Nếu có điều kiện, nên chọn adapter có bayonet bằng brass hoặc steel thay vì aluminium.

Filament để in nên đen và càng mờ (dull) càng tốt. Nếu bạn có nhiều loại filament đáp ứng được, hãy chọn loại in chính xác và ổn định nhất. Không có yêu cầu vật liệu đặc biệt (ngoài tính quang học), nên PLA là ok.

In ấn

Đầu tiên, in (ít nhất) một trong ba cái tube trong phần download. Bạn cần cái nào tùy loại máy:

• Với máy SLR bạn cần tube f=47.5mm.
• Với máy EVF full frame bạn cần tube f=32mm.
• Với máy EVF cảm biến nhỏ hơn (MFT, DX, APS, v.v.) bạn cần tube f=22.5mm.

Phần này không có yêu cầu in đặc biệt.

Tiếp theo, in một pinhole plate phù hợp. Phần này hơi đặc biệt:
Vì gần như vô vọng nếu cố in một cái lỗ đủ chất lượng ngay ở first layer, nên mình sẽ in một lỗ lớn hơn ở layer đầu, rồi in lỗ đúng kích thước mong muốn ở layer thứ hai, và sau đó lỗ sẽ tăng dần theo từng layer tiếp theo. Ví dụ bạn muốn pinhole 0.2 mm, thì loop biểu diễn lỗ ở layer #1 nên có inner diameter khoảng 0.6 mm. Lên layer #2 mình đặt loop pinhole thật với inner diameter 0.2 mm.
Nghe thì ổn, nhưng làm sao đạt được độ chính xác đó ngoài đời?
Đơn giản: dùng tính năng elephant foot compensation của slicer (khuyến nghị: chạy bài test elephant foot compensation test của mình trước khi in pinhole). Bình thường chắc bạn hay dùng khoảng 0.15 mm. Giờ bạn tăng thêm 0.2 lên tầm 0.35 mm, nghĩa là lỗ in ra ở first layer sẽ có bán kính lớn hơn khoảng 0.2 mm (= đường kính lớn hơn 0.4 mm) so với layer thứ hai. Nhờ vậy, cái “vòng tròn” bị “bẹt” xuống mặt bàn in (hy vọng) sẽ không làm méo vòng tròn ở layer 2, mà tạo một cái đế (hy vọng) đủ kín để đỡ cái vòng ở layer 2.
Đây là hình trong slicer preview (nhìn từ dưới lên, tất nhiên là phóng to):

Các layer sau đó, vòng/lỗ sẽ to dần theo từng layer thêm vào (nhìn từ trên xuống):

Cái này đạt được đơn giản nhờ hình học của model (nhưng không áp dụng được cho first layer). Nhờ vậy mình đảm bảo lỗ đạt đường kính nhỏ nhất ở đúng một layer duy nhất.

Mình đã upload 6 pinhole plate khác nhau với kích thước lỗ (danh định) từ 0.35 đến 0.425 mm đường kính. Mình gợi ý thử 0.4 mm trước. Set layer height 0.15 mm cho layer đầu và 0.075 mm cho các layer sau, rồi chỉnh elephant foot compensation như mô tả. Dùng tốc độ rất chậm khoảng 4 mm/s cho các perimeter nhỏ (và perimeter first layer) và xác nhận bằng cách xem slicer preview theo màu tốc độ.
Tip: Dùng một modifier hình trụ nhỏ (đường kính khoảng 3 mm) ở giữa pinhole plate để giới hạn tốc độ còn 4 mm/s cho tất cả tường (walls) bị ảnh hưởng. Như vậy các setting khác có thể “kéo” tốc độ lên sẽ bị vô hiệu (ít nhất từ layer 2 trở đi).
Note: Kích thước nozzle hầu như không quyết định độ chính xác trong case này. Đừng kỳ vọng nozzle 0.2 mm sẽ chính xác hơn đáng kể so với nozzle 0.4 mm. Và cũng đừng lo nozzle 0.6 mm sẽ kém chính xác. Mình chỉ khuyên set extrusion width đúng bằng đường kính nozzle (ví dụ nozzle 0.4 thì extrusion width 0.4 mm, v.v.).

In xong, cầm tấm plate đưa lên trước một nguồn sáng mạnh. Nếu bạn thấy một chấm sáng nhỏ xíu ở giữa: chúc mừng, bạn đã có pinhole. Nếu không, lần test sau dùng file đường kính lớn hơn. Nếu bạn không tạo được pinhole ngay cả với file 0.425 mm, khả năng cao bạn phải (nói chung) giảm flow factor trong setting của filament hiện tại.
Tuy nhiên, nếu bạn đã in ra được pinhole, hãy thử tiếp file nhỏ hơn kế bên để chắc là bạn thật sự “vắt” tối đa khả năng của máy, nhằm in được cái lỗ nhỏ nhất có thể.
Note: Vì bạn đang chạy máy gần sát giới hạn độ chính xác cơ khí, kết quả sẽ không lặp lại 100%. Dù bạn in lại không đổi setting, kết quả vẫn sẽ khác.

Đánh giá chất lượng pinhole

Như nói ở trên, pinhole không phải “càng nhỏ càng tốt”. Thường cái “tốt” nhất trong bộ sưu tập pinhole in của bạn sẽ không phải cái nhỏ nhất, mà là cái tròn nhất. Nhưng bạn không thể đoán đặc tính pinhole bằng mắt thường. Nếu bạn có kính hiển vi, mình khuyến khích soi pinhole ở mức phóng đại khoảng 50x đến 100x. Nếu không có, cứ gắn lên máy và chụp vài tấm test. Dù cách nào thì bạn cũng sẽ tìm ra cái pinhole bạn thích nhất. Chỉ khác là nếu soi kính hiển vi, bạn sẽ biết vì sao. ;)
Sau đó, nên đánh dấu cái plate bạn thích nhất (hoặc bỏ bớt những cái còn lại).

Dùng pinhole

Để chụp ảnh với pinhole, bạn cần (1) vặn pinhole plate vào đúng tube tương ứng, (2) vặn tube vào adapter M42, và (3) gắn adapter lên máy ảnh.
Nhờ sensor ngày nay nhạy sáng cao, thời gian phơi sáng sẽ chỉ còn một phần so với thời máy film pinhole, nhưng bạn vẫn cần tripod khi chụp (ước chừng khoảng 1 đến 10 giây ở ISO 1000 trong điều kiện chụp ngoài trời ban ngày bình thường).

Và tiện nói luôn…

Mình nói hoài luôn: mình sẽ không bao giờ dùng bayonet in 3D để gắn trực tiếp bất cứ thứ gì lên máy ảnh của mình. Đây là một trong hai lý do vì sao mình chỉ cung cấp file để dùng chung với adapter M42. Có thể bạn nghĩ khác. Cho tới hôm nay. Nhưng một khi bạn trải nghiệm rằng nominal hole width ít nhất 0.35 mm mới cho ra được lỗ in khoảng 0.2 mm, có khi bạn sẽ muốn xem lại cách bạn đánh giá độ chính xác mà máy in 3D của mình thật sự đạt được.
Nếu bạn dùng ngàm bayonet in 3D, có thể nó sẽ vừa. Ít nhất là sau khi bạn tháo ra lắp vào vài lần. Nhưng trong trường hợp đó, khác biệt giữa “trước” và “sau” chính là các hạt nhựa bị mài mòn nằm bên trong máy ảnh của bạn.
Vậy nên nếu bạn muốn thử nghiệm đồ quang học tự làm, làm ơn mua một adapter M42. Nó vừa khá universal, vừa là cái “tối thiểu” nên đứng giữa máy ảnh của bạn và tính ham thử nghiệm. ;)