Zrób to sam teleobiektyw z kamerą termowizyjną: 15 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Niedawno kupiłem kamerę termowizyjną Seek RevealPro, która może pochwalić się czujnikiem termicznym 320 x 240 z częstotliwością klatek > 15 Hz w niewiarygodnie przystępnej cenie.

Jednym z niewielu problemów, jakie mam z tym aparatem, jest to, że jest on wyposażony w stały obiektyw o polu widzenia 32°. Jest to w porządku w przypadku ogólnej kontroli termicznej, ale jest to prawdziwa wada, gdy próbujesz użyć kamery do prac z bliska, aby ocenić rozproszenie na płytkach obwodów drukowanych lub zidentyfikować wadliwy lub niewymiarowy element. Po przeciwnej stronie zakresu odległości, soczewka 32° FOV utrudnia dostrzeżenie i pomiar temperatury obiektów znajdujących się na odległość lub mniejszych obiektów w normalnych odległościach.

Opisywano diy "makro" powiększające adaptery, ale nie wiem, czy ktoś jeszcze pokazał, jak zbudować telekonwerter do jednego z tych aparatów.

Krok 1: Proste teleskopy

Obrazowanie obiektu z dużej odległości za pomocą kamery termowizyjnej wymaga prostego teleskopu wykonanego z obiektywami pracującymi w zakresie 10 µm. Podstawowy teleskop refrakcyjny z dwoma elementami optycznymi, obiektywem i okularem. Obiektyw to duża soczewka, która zbiera światło z odległego obiektu i tworzy obraz tego obiektu w płaszczyźnie ogniskowej. Okular to tylko szkło powiększające, przez które kamera termowizyjna może oglądać wirtualny obraz.

Jak pokazano na rysunku, istnieją dwie podstawowe konfiguracje teleskopu refrakcyjnego: teleskop Keplera ma okular soczewki skupiającej, a teleskop Galileusza ma okular soczewki rozpraszającej. Obraz oglądany przez teleskop Keplera jest odwrócony, podczas gdy ten wykonany przez teleskop Galileusza jest ustawiony pionowo. Sam teleskop nie jest systemem obrazowania. Zamiast tego kamera termowizyjna przymocowana do teleskopu ostatecznie tworzy obraz za pomocą własnej optyki.

Powiększenie teleskopu Keplera zależy od stosunku ogniskowych obiektywu i soczewki okularu:

Powiększenie_Keplerian = fo/fe

Teleskop Galileusza używa dodatniego obiektywu i ujemnego okularu, więc jego powiększenie wyraża się wzorem:

Magnigication_Galilean = -fo/fe

Ważny jest również rozmiar obiektywu, ponieważ im większa jest jego średnica, tym więcej światła może zebrać i tym lepiej rozróżnia bliskie obiekty.

Krok 2: Wybór soczewek odpowiednich do obrazowania termicznego

Kamery termowizyjne mierzą natężenie światła podczerwonego na poziomie około 10 µm. Dzieje się tak, ponieważ obiekty emitują promieniowanie ciała doskonale czarnego, osiągając szczyt w okolicach tej długości fali, zgodnie z prawem przesunięcia Wiena. Jednak zwykłe szkło nie przepuszcza światła na tych długościach fal, więc soczewki stosowane w obrazowaniu termicznym muszą być wykonane z selenku germanu lub cynku, które przepuszczają promieniowanie w zakresie 10 µm.

Soczewki germanowe (Ge) są najczęściej używane do zastosowań termowizyjnych ze względu na ich szeroki zakres transmisji (2,0 - 16 µm) w interesującym obszarze spektralnym. Soczewki germanowe są nieprzezroczyste dla światła widzialnego i mają szklisto-szary metaliczny wygląd. Są obojętne na powietrze, wodę, zasady i większość kwasów. German ma współczynnik załamania światła 4,004 przy 10,6 µm, a jego właściwości transmisyjne są bardzo wrażliwe na temperaturę.

Selenek cynku (ZnSe) jest znacznie częściej stosowany w laserach CO2. Posiada bardzo szeroki zakres transmisji (600 nm - 16,0 µm). Ze względu na niską absorpcję w czerwonej części widma widzialnego, soczewki ZnSe są powszechnie stosowane w układach optycznych, które łączą lasery CO2 (które zwykle działają przy 10,6 µm) z niedrogimi laserami HeNe w zakresie widzialnej czerwieni lub półprzewodnikowymi laserami do ustawiania. Ich zasięg transmisji obejmuje część zakresu widzialnego, co nadaje im głęboki pomarańczowy odcień.

Nowe soczewki na podczerwień można kupić od Thorlabs, Edmund Optics i innych dostawców komponentów optycznych. Jak można sobie wyobrazić, te soczewki nie są tanie – soczewki płaskowypukłe Ø1/2" Ge firmy Thorlabs kosztują około 140 USD, podczas gdy soczewki ZnSe kosztują około 160 USD. Soczewki Ø1" Ge sprzedają się za około 240 USD, podczas gdy ZnSe przy tej średnicy kosztuje około 300 dolarów Nadwyżki znalezisk lub ofiary z Dalekiego Wschodu najlepiej nadają się do robienia adapterów makro i teleobiektywu Obiektywy ZnSe z Chin można kupić na eBayu za około 60 dolarów.

Krok 3: Projekt teleobiektywu konwertera

Udało mi się znaleźć soczewkę płasko-wypukłą Ø1” Ge o ogniskowej 50 mm (podobną do Thorlabs LA9659-E3) oraz soczewkę płasko-wypukłą Ø1/2 Ge o ogniskowej 15 mm (podobną do Thorlabs LA9410-E3) do mojego teleobiektywu Keplerowskiego. Powiększenie to:

Powiększenie = fo/fe = 50mm/15mm = 3,33

Teleobiektywy o innych powiększeniach są łatwe do zaprojektowania przy użyciu prostych wzorów przedstawionych powyżej. Należy pamiętać, że długość tubusu głównego obiektywu może wymagać zmiany, ponieważ odległość między soczewkami powinna być bliska f0 + fe.

Krok 4: Zbierz komponenty do teleobiektywu

Do skonstruowania teleobiektywu takiego jak mój potrzebne będą następujące elementy (wszystkie są częściami Thorlabs):

LA9659-E3 Ø1 Ge Plano-wypukła soczewka, f = 50 mm, powlekana AR: 7-12 µm 241,74 USD

LA9410-E3 Ø1/2 Ge Plano-wypukła soczewka, f = 15 mm, powlekana AR: 7-12 µm 139,74 USD

SM1V05 Ø1" Regulowana tuba obiektywu, zakres podróży 0,31" $30,25

SM1L15 SM1 Tuba obiektywu, głębokość gwintu 1,50 , jeden pierścień ustalający w zestawie 15,70 USD

Adapter SM1A1 z gwintami zewnętrznymi SM05 i wewnętrznymi SM1 $20,60

SM05L03 SM05 Tuba obiektywu, głębokość gwintu 0,30 , jeden pierścień ustalający w zestawie

SM1RR SM1 Pierścień ustalający do tubusów i uchwytów obiektywu Ø1 $4.50

Razem z nowymi soczewkami germanowymi 466,33 USD

Tylko obudowa 84,85 USD

Swój teleobiektyw umieściłem w tubie optycznej wykonanej z elementów lampowych Thorlab SM1 i SM05. Soczewkę obiektywu umieściłem z przodu regulowanego tubusu obiektywu SM1V05, aby umożliwić ustawianie ostrości, umożliwiając regulację odległości między soczewkami. Zewnętrzny pierścień SM1 służy do blokowania ostrości. Korzystając z zupełnie nowych części Thorlabs, możesz spodziewać się wydania około 466 USD. Jeśli użyjesz soczewek ZnSe z eBay® i nowych części do obudowy, prawdopodobnie wydasz około 200 USD.

Obudowa teleskopu nie musi być tak wymyślna jak moja. Rurki PCV z jakimś układem do ogniskowania (np. soczewka zamontowana na nasadce gwintowanej) sprawdzą się idealnie. Bardzo lubię jednak lampy SM firmy Thorlabs, ponieważ są stosunkowo niedrogie i doskonale nadają się do budowy tego typu instrumentów optycznych. Ponadto gwintowana strona SM05L03 okularu idealnie przylega do pierścienia ustalającego soczewki Seek RevealPRO.

Krok 5: Budowa Krok 1: Usuń pierścień z rury SM1L15

Palcami lub kluczem maszynowym (np. Thorlabs SPW602 sprzedawany za 26,75 USD) usuń pierścień ustalający SM1 znajdujący się wewnątrz rurki SM1L15.

Krok 6: Budowa Krok 2: Przygotuj komponenty do montażu soczewki obiektywu

Przygotuj elementy potrzebne do montażu soczewki obiektywu:

• Regulowana tuba obiektywu SM1V05
• Dwa pierścienie ustalające SM1 (jeden z nich pochodzi z tubusu obiektywu SM1L15, jak pokazano w poprzednim kroku)
• Soczewka wypukła Ø1" Ge Plano-Convex, f = 50 mm, powlekana AR: 7-12 µm (lub podobna)

Krok 7: Budowa Krok 3: Włóż pierścień ustalający SM1 do SM1V05 na głębokość 6 mm

Za pomocą klucza płaskiego lub palców włóż jeden pierścień ustalający do regulowanej tuby obiektywu SM1V05 na głębokość około 6 mm. Może to wymagać zmiany w zależności od obiektywu, który wybrałeś jako swój cel. Chodzi o to, aby obiektyw był wystarczająco osadzony z tyłu, aby umożliwić użycie pierścienia ustalającego po drugiej stronie obiektywu.

Krok 8: Budowa Krok 4: Włóż soczewkę obiektywu i zewnętrzny pierścień ustalający

Włóż soczewkę obiektywu stroną wypukłą skierowaną na zewnątrz, a następnie zamocuj ją za pomocą drugiego pierścienia ustalającego. Uważaj, aby nie dokręcić zbyt mocno, ponieważ może to spowodować uszkodzenie obiektywu! Jeśli używasz pęsety lub innego narzędzia zamiast klucza płaskiego, uważaj, aby nie zarysować soczewki.

Krok 9: Budowa Krok 5: Przygotuj komponenty do okularu

Przygotuj elementy, których użyjesz do montażu okularu:

• Rura obiektywu SM05L03
• Pierścień ustalający SM5 (wyjęty z rury SM05L03)
• Ø1/2" Ge Plano-Convex Lens, f = 15 mm, powlekany AR: 7-12 µm (lub podobny)

Krok 10: Budowa Krok 6: Montaż okularu

Złóż okular, wkładając soczewkę okularu do tubusu SM05L03. Wypukła strona powinna być skierowana w stronę gwintów zewnętrznych (na dole na poniższym rysunku). Zamocuj soczewkę na miejscu za pomocą pierścienia ustalającego SM05. Najlepiej użyć klucza płaskiego SM05 (np. Thorlabs SPW603, który kosztuje 24,50 USD), aby włożyć i dokręcić pierścień ustalający SM05. Uważaj, aby nie dokręcić zbyt mocno, ponieważ może to spowodować uszkodzenie obiektywu! Jeśli używasz pęsety lub innego narzędzia zamiast klucza płaskiego, uważaj, aby nie zarysować soczewki.

Krok 11: Budowa Krok 7: Zamontuj okular na adapterze SM1-do-SM05

Przykręć zespół soczewki okularu do adaptera SM1A1 SM1-do-SM05.

Krok 12: Budowa Krok 8: Końcowy montaż

Na koniec przykręć zespół soczewki okularu (zamontowany na adapterze SM1A1) i zespół soczewki obiektywu do tubusu soczewki SM1L15. Na tym kończy się montaż teleobiektywu Keplerowskiego.

Krok 13: Użyj teleobiektywu

Umieść teleobiektyw przed obiektywem kamery termowizyjnej i rozpocznij eksplorację! Soczewkę należy zogniskować, obracając zespół obiektywu, aż do uzyskania najostrzejszego obrazu obiektu. Zewnętrzny pierścień SM1 dostarczany z regulowanym tubusem obiektywu SM1V05 może być użyty do zablokowania ustawienia ostrości.

Możesz rozważyć trwałe zamocowanie pierścienia blokującego Thorlabs SM05NT (6,58 USD) (ID 0,535"-40, 0,75" OD) do mocowania obiektywu aparatu, aby można było szybko zamontować konwertery makro lub teleobiektywu przed obiektywem aparatu jego oryginalna funkcjonalność.

Na koniec pamiętaj, że teleskop Keplera odwraca obraz, dzięki czemu na ekranie aparatu zobaczysz obraz termiczny do góry nogami. Wystarczy trochę wprawy, aby przyzwyczaić się do tego, że skierowanie aparatu z zainstalowanym teleobiektywem wymaga ruchu w przeciwną stronę do obrazu.

Krok 14: Wydajność

Jestem bardzo zadowolona z efektów. Na rysunkach pokazano przykładowe obrazy używanego teleobiektywu. Lewe okienka pokazują obraz przechwycony przez stały obiektyw Seek RevealPRO. Prawe okienka pokazują tę samą scenę przy użyciu teleobiektywu ×3.33. Do obrazów w lewym okienku dodałem pomarańczowy prostokąt, aby wskazać obszar powiększony przez telekonwerter. Prostokąt ma wymiary 1/3,33 kadru obrazu, co świadczy o tym, że powiększenie uzyskiwane przez teleobiektyw to rzeczywiście ×3,33.

Oczywiście systemy obiektywów zastosowane w Seek RevealPRO i telekonwerterze są niezwykle proste, więc należy się spodziewać zniekształceń i winietowania. Jak widać na zdjęciach moich sąsiadów z podwórka i fragmentu nieba, winietowanie jest najbardziej widoczne, gdy używamy teleobiektywu do fotografowania obiektów z dużej odległości. Niemniej jednak szczegóły, których nie widać za pomocą aparatu bez wspomagania, są bardzo widoczne przy użyciu telekonwertera.

Krok 15: Źródła

Poniżej znajdują się źródła materiałów wymienionych w tej instrukcji:

• Szukaj - www.thermal.com
• Thorlabs – www.thorlabs.com
• Edmund Optyka przemysłowa - www.edmundoptics.com

Uwaga: nie jestem w żaden sposób powiązany z tymi firmami.

Dalsza lektura i eksperymenty

Aby uzyskać więcej interesujących eksperymentów z fizyki i fotografii niewidzialnego świata, przejrzyj moje książki (kliknij tutaj, aby zobaczyć moje książki na Amazon.com) i przejdź do moich stron internetowych: www.diyPhysics.com i www. UVIRimaging.com.