Konwersja kamery wideo z lat 80. na urządzenie do obrazowania polarymetrycznego w czasie rzeczywistym: 14 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Obrazowanie polarymetryczne oferuje ścieżkę rozwoju aplikacji zmieniających zasady gry w szerokim zakresie dziedzin – od monitorowania środowiska i diagnostyki medycznej po aplikacje z zakresu bezpieczeństwa i antyterroryzmu. Jednak bardzo wysoki koszt komercyjnych kamer polarymetrycznych utrudnia badania i rozwój w dziedzinie obrazowania polarymetrycznego. W niniejszym artykule przedstawiono szczegółowe instrukcje konwersji nadmiarowej, 3-tubowej kamery kolorowej z lat 80. XX wieku w urządzenie do obrazowania polarymetrycznego w czasie rzeczywistym. Aparat używany jako podstawa do tej konwersji jest powszechnie dostępny na rynku nadwyżki za około 50 USD. Ta instrukcja „od śmieci do skarbu” pokaże Ci, jak przekształcić aparat, który nadaje się tylko jako rekwizyt, w użyteczny instrument naukowy, którego komercyjne wersje byłyby warte wiele dziesiątek tysięcy dolarów.

Do wykonania tej konwersji potrzebne będą następujące elementy:

• Nadwyżka działająca kamera JVC KY-1900 (modele KY-2000 i KY-2700 wyglądają podobnie do KY-1900 i mogą być również odpowiednie)
• Szerokopasmowy dzielnik wiązki Ø25,4 mm 70T/30R (np. Thorlabs BSS10)
• Szerokopasmowy dzielnik wiązek Ø25,4 mm 50/50 (np. Thorlabs BSW10)
• Drukowane w 3D pierścienie adaptera rozdzielacza wiązki
• Arkusz tworzywa polaryzującego (np. Edmund Optics 86-188)

Krok 1: Zrozumienie obrazowania polarymetrycznego

Fala świetlna charakteryzuje się długością fali, którą postrzegamy jako kolor okręgu; jego amplitudę, którą odbieramy jako poziom intensywności; oraz kąt, pod jakim oscyluje w stosunku do osi odniesienia. Ten ostatni parametr nazywany jest „kątem polaryzacji” fali i jest cechą światła, której nieuzbrojone ludzkie oczy nie są w stanie rozróżnić. Jednak polaryzacja światła niesie ciekawe informacje o naszym otoczeniu wzrokowym, a niektóre zwierzęta są w stanie je dostrzec i krytycznie polegać na tym zmyśle w nawigacji i przetrwaniu.

Szczegółowy i łatwy do zrozumienia opis obrazowania polarymetrycznego i jego zastosowań jest dostępny w moim opracowaniu dotyczącym kamer polarymetrycznych DOLPi dostępnych pod adresem:

www.diyphysics.com/wp-content/uploads/2015/10/DOLPi_Polarimetric_Camera_D_Prutchi_2015_v5.pdf oraz jego prezentacja na YouTube pod adresem:

Krok 2: Kupowanie i ustawianie aparatu

KY-1900 został wprowadzony jako profesjonalna kamera kolorowa pod koniec lat 70-tych. Był to jeden z nielicznych modeli, który został wyprodukowany z plastikowym pomarańczowym korpusem, co czyni go bardzo charakterystycznym i znakiem wysokiej klasy profesjonalizmu dla ekip filmowych. W 1982 roku ten aparat był sprzedawany w sprzedaży detalicznej za około 9 000 USD.

Dzisiaj powinieneś być w stanie znaleźć taki na rynku nadwyżki za około 50 USD. KY-1900 został zbudowany jak czołg, więc są duże szanse, że będzie w pełni funkcjonalny, jeśli będzie dobrze wyglądał kosmetycznie. Wystarczy podłączyć go do kolorowego monitora NTSC i zasilić go napięciem 12VDC (kamera pobiera około 1,7A).

Przed przystąpieniem do modyfikacji upewnij się, że kamera jest sprawna i dobrze wyrównana. Skorzystaj z instrukcji przedstawionych w Załączniku II oficjalnej księgi projektu, aby ustawić kamerę i sprawdzić, czy działa poprawnie.

Krok 3: Dostęp do zespołu optycznego

Pierwszym krokiem w konwersji jest uzyskanie dostępu do zespołu optycznego aparatu, co obejmuje następujące kroki:

• Zdejmij lewą osłonę aparatu
• Wyjmij płytkę drukowaną DF
• Oderwij plastikowy arkusz izolacyjny przymocowany dwustronną taśmą do zewnętrznej osłony zespołu optycznego

Krok 4: Otwieranie zespołu optycznego

Podważ wewnętrzną pokrywę zespołu optycznego. Ta płytka jest przyklejona do montażu. Płyta nie będzie ponownie używana, więc nie martw się o jej zniekształcenie. Należy jednak uważać, aby nie uszkodzić elementów optycznych w zespole.

Dolny panel rysunku przedstawia montaż optyczny niezmodyfikowanej kamery JVC KY-1900. Światło padające przez pierwszą soczewkę przekaźnikową jest dzielone na trzy kolorowe obrazy przez dichroiczne dzielniki wiązki, zanim zostaną wysłane do odpowiednich rurek Saticon za pośrednictwem drugich soczewek przekaźnikowych. Modyfikacja do polarymetrycznego urządzenia do obrazowania w czasie rzeczywistym polega na wymianie oryginalnych dichroicznych dzielników wiązki zespołu dichroicznego dzielnika wiązki na szerokopasmowe dzielniki wiązki, eliminując filtry przycinające kolory wewnątrz drugich soczewek przekaźnikowych i dodając analizatory polaryzacji.

Krok 5: Demontaż zespołu dichroicznego dzielnika wiązki

Beamsplitter Assembly przytrzymywany jest trzema śrubami, jedną z przodu i dwiema z tyłu. W związku z tym należy zdjąć prawą pokrywę aparatu, płytkę drukowaną i folię z tworzywa sztucznego, aby były dostępne.

Krok 6: Pierścienie adaptera dzielnika wiązki do drukowania 3D

Dichroiczne dzielniki wiązki zastosowane pierwotnie w aparacie KY-1900 mają niestandardową średnicę, dlatego do modyfikacji zdecydowałem się użyć szerokopasmowych płytowych dzielników wiązki o średnicy 1”. Mój przyjaciel i kolega Jason Meyers zaprojektował i wydrukował w 3D pierścień ustalający, który utrzymywał na miejscu 1-calowe dzielniki wiązki. Pliki CAD i do druku 3D są dostępne w tym DropBox.

Krok 7: Wymiana dichroicznych dzielników wiązki na szerokopasmowe dzielniki wiązek

Następnym krokiem w procesie konwersji jest zastąpienie dichroicznych dzielników wiązki dzielnikami szerokopasmowymi. Obraz musi być mniej więcej równo podzielony na trzy obrazy, więc pierwszy rozdzielacz wiązki musi odbijać około 33,33% padającego światła, jednocześnie pozwalając 66,66% światła na przejście do drugiego rozdzielacza, który powinien następnie podzielić tę część równomiernie. Użyłem następujących dzielników wiązki:

• Szerokopasmowy dzielnik wiązki Ø25,4 mm 70T/30R (Thorlabs BSS10)
• Szerokopasmowy dzielnik wiązek Ø25,4 mm 50/50 (Thorlabs BSW10)

Szerokopasmowe dzielniki wiązki w pierścieniach ustalających należy zainstalować w zespole, a zmodyfikowany zespół dzielnika wiązki można następnie zainstalować z powrotem na miejscu. Tymczasowo podłącz ponownie płytki drukowane. Upewniając się, że nic nie zwiera się z odsłoniętymi częściami zespołu optycznego, włącz aparat. Tylko niewielka regulacja potencjometrów poziomych/pionowych powinna być potrzebna do osiągnięcia wyrównania, jeśli prawidłowo umieściłeś dzielniki wiązki. Zauważysz, że obraz jest nadal w kolorze, choć nieco wyblakły w porównaniu z oryginalnym obrazem. Obraz nadal jest kolorowy, ponieważ w soczewkach przekaźnika wtórnego znajdują się bardzo silne filtry, które należy usunąć.

Krok 8: Uzyskiwanie dostępu do soczewek drugiego przekaźnika

Usunięcie drugich soczewek przekaźnikowych (to ich nazwa od JVC) z zespołu optycznego wymaga dodatkowego demontażu aparatu. Dzieje się tak, ponieważ rurki odbierające obraz muszą zostać usunięte przed wyjęciem dodatkowych soczewek przekaźnikowych.

Zacznij od wyjęcia i odłączenia płytek drukowanych od zespołów kabli. Następnie zdejmij tylną część aparatu. Zespoły rurek można następnie wyciągnąć z obudów rurek zespołu optycznego, dając dostęp do drugich soczewek przekaźnikowych.

Krok 9: Demontaż i demontaż soczewek drugiego przekaźnika (pojedynczo!)

Drugie soczewki przekaźnikowe są utrzymywane na miejscu za pomocą dobrze ukrytych, małych śrub dociskowych dostępnych z prawej strony zespołu optycznego. Po otwarciu śruby ustalającej wyciągnij drugą soczewkę przekaźnika, nad którą będziesz pracować. Owiń kilka warstw grubej taśmy elektrycznej po obu stronach tuby optycznej i otwórz ją za pomocą szczypiec.

Krok 10: Demontaż filtrów barwnych i ponowny montaż soczewki drugiego przekaźnika

Filtr barwny należy usunąć, odkręcając pierścień ustalający za pomocą klucza płaskiego lub bardzo ostro zakończonej pęsety. Po wyjęciu filtra wystarczy ponownie założyć soczewkę i dokręcić palcami.

Wyeliminowanie filtra koloru powoduje przesunięcie ogniska soczewki przekaźnika wtórnego, więc nie należy go ponownie wsuwać do samego końca w zespół optyczny. Zamiast tego zmodyfikowane soczewki przekaźników pomocniczych powinny wystawać tylko na około 2,5 mm.

Kamerę można ponownie zmontować po zainstalowaniu i zabezpieczeniu śrubami ustalającymi wszystkich zmodyfikowanych soczewek przekaźnika wtórnego. Pozostaw zespół optyczny dostępny i podłącz ponownie płytkę DF tylko tymczasowo, upewniając się, że nie zwiera się z zespołem optycznym.

Krok 11: Ponowne ustawienie kamery

Teraz nadszedł czas, aby ustawić kamerę bardzo ostrożnie, aby uzyskać idealnie czarno-biały obraz. Pewien poziom kolorowych obwódek będzie zawsze widoczny, ponieważ wtórne soczewki przekaźnikowe zostały zaprojektowane dla wąskiego pasma długości fal i są obecnie używane w pełnym paśmie światła widzialnego. Frędzle są szczególnie widoczne na krawędziach obrazu, gdy zoom jest cofnięty, ale przyzwoitą rejestrację można uzyskać, cierpliwie postępując zgodnie z procedurą opisaną w załączniku II do białej księgi projektu.

Krok 12: Tworzenie filtrów analizatora polaryzacji

Wytnij trzy kwadraty 1,42”×1,42” z arkusza polaryzacyjnego. Użyłem folii polaryzacyjnej laminowanej Edmund Optics 86-188 150 x 150 mm, grubość 0,75 mm. Wybrałem ten film zamiast tańszych ofert, ponieważ ma bardzo wysoki współczynnik ekstynkcji, a także wysoką transmisję, co zapewnia lepsze obrazy polarymetryczne. Zauważ na rysunku, że jeden z kwadratów jest przecięty pod kątem 45° w stosunku do pozostałych dwóch.

Krok 13: Dodawanie analizatorów polaryzacji

Przymocuj analizatory polaryzacji przezroczystą taśmą w zespole optycznym w taki sposób, aby zostały umieszczone w obrębie ścieżek optycznych do probówek, jak pokazano na rysunku.

Otóż to! Konwersja jest zakończona. Możesz przetestować kamerę na tym etapie przed ponownym zamontowaniem pokrywy zespołu optycznego (wyrzuciłem wewnętrzną pokrywę), ponownym przymocowaniem plastikowego arkusza, ponownym podłączeniem płyty DF i zamknięciem obudowy kamery.

Krok 14: Korzystanie z aparatu

Rysunek przedstawia wyniki z próbką celu wykonaną z kawałków polaryzującego plastiku pod kątem od 0° do 180° wraz z kolorowym paskiem. Cel przechwycony ze zmodyfikowanej kamery JVC KY-1900 pokazuje pasek kolorów i inne niespolaryzowane elementy obrazu w skali szarości, podczas gdy fragmenty filmu polaryzacyjnego są jasno pokolorowane, kodując ich kąt polaryzacji w przestrzeni RGB NTSC.

Aby uzyskać dodatkowe informacje na temat tego projektu, pobierz oficjalny dokument projektu ze strony www.diyPhysics.com.

Pierwsza nagroda w Trash to Treasure