Konvertor teleobjektivu pro termální kameru: 15 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Nedávno jsem si koupil termokameru Seek RevealPro, která se pyšní tepelným senzorem 320 x 240 s frekvencí snímků> 15 Hz za neuvěřitelně dostupnou cenu.

Jedním z jediných problémů, které mám s tímto fotoaparátem, je to, že je dodáván s pevným objektivem se zorným polem 32 °. To je v pořádku pro obecnou tepelnou kontrolu, ale je to skutečná nevýhoda, když se pokoušíte použít kameru pro detailní práce k posouzení rozptylu na deskách plošných spojů nebo identifikaci vadné nebo poddimenzované součásti. Na opačné straně rozsahu vzdálenosti objektiv 32 ° FOV ztěžuje vidění a měření teploty předmětů na dálku nebo menších předmětů na normální vzdálenosti.

byly popsány kutilské „makro“zvětšovací adaptéry, ale nejsem si vědom toho, že by někdo dosud ukázal, jak pro jeden z těchto fotoaparátů sestavit teleobjektivový převodník.

Krok 1: Jednoduché dalekohledy

Zobrazování objektu na dálku pomocí termokamery vyžaduje jednoduchý dalekohled vyrobený z čoček, které pracují v rozsahu 10 µm. Základní refrakční dalekohled, který má dva optické prvky, objektiv a okulár. Objektiv je velký objektiv, který shromažďuje světlo ze vzdáleného objektu a vytváří obraz tohoto objektu v ohniskové rovině. Okulár je jen lupa, přes kterou může termokamera prohlížet virtuální obraz.

Jak je znázorněno na obrázku, existují dvě základní konfigurace refrakčního dalekohledu: Keplerovský dalekohled má konvergující okulár a galilejský dalekohled má divergentní okulár. Obraz při pohledu keplerovským dalekohledem je převrácený, zatímco obraz vytvořený galilejským dalekohledem je vzpřímený. Dalekohled sám o sobě není systém vytvářející obraz. Tepelná kamera připojená k dalekohledu nakonec vytváří obraz prostřednictvím vlastní optiky.

Zvětšení keplerovského dalekohledu je určeno poměrem mezi ohniskovými vzdálenostmi čoček objektivu a okuláru:

Magnification_Keplerian = fo/fe

Galileovský dalekohled používá pozitivní objektiv a negativní okulár, takže jeho zvětšení je dáno:

Magnigication_Galilean = -fo/fe

Velikost objektivu je také důležitá, protože čím větší je jeho průměr, tím více světla může shromáždit a tím lépe dokáže vyřešit blízké objekty.

Krok 2: Výběr objektivů vhodných pro termální zobrazování

Termokamery měří intenzitu infračerveného světla kolem 10 µm. Důvodem je, že objekty vyzařují záření černého tělesa, které dosahuje vrcholu kolem této vlnové délky v souladu s Wienovým zákonem o posunu. Běžné sklo však nepropouští světlo na těchto vlnových délkách, takže čočky používané v termovizi musí být vyrobeny buď z germania, nebo ze zinku selenidu, které umožňují průchod záření v rozsahu 10 µm.

Pro termovizní aplikace se nejčastěji používají čočky Germanium (Ge) kvůli jejich širokému rozsahu přenosu (2,0 - 16 µm) ve sledované spektrální oblasti. Čočky Germanium jsou neprůhledné pro viditelné světlo a mají sklově šedý metalický vzhled. Jsou inertní vůči vzduchu, vodě, zásadám a většině kyselin. Germanium má index lomu 4,004 při 10,6 µm a jeho přenosové vlastnosti jsou vysoce citlivé na teplotu.

Selenid zinečnatý (ZnSe) se mnohem častěji používá s CO2 lasery. Má velmi široký přenosový rozsah (600 nm - 16,0 µm). Vzhledem k nízké absorpci v červené části viditelného spektra se čočky ZnSe běžně používají v optických systémech, které kombinují CO2 lasery (které běžně pracují na 10,6 µm), s levnými viditelně červenými HeNe nebo polovodičovými srovnávacími lasery. Jejich přenosový rozsah zahrnuje část viditelného spektra, což jim dává sytě oranžový odstín.

Nové infračervené čočky lze zakoupit u společností Thorlabs, Edmund Optics a dalších dodavatelů optických komponent. Dokážete si asi představit, že tyto čočky nejsou levné-plano-konvexní čočky Ø1/2 "Ge od Thorlabs mají cenu kolem 140 dolarů, zatímco čočky ZnSe jsou kolem 160 dolarů. Gelové čočky Ø1" Ge se prodávají za zhruba 240 dolarů, zatímco ZnSe za tento průměr stojí kolem 300 dolarů. Přebytečné nálezy nebo nabídky na Dálném východě jsou proto nejlepší pro výrobu adaptérů pro makro a teleobjektiv. Objektivy ZnSe z Číny lze zakoupit na eBay® za přibližně 60 dolarů.

Krok 3: Návrh převodníku teleobjektivu

Byl jsem schopen najít plano-konvexní čočku Ø1”Ge s ohniskovou vzdáleností 50 mm (podobně jako Thorlabs LA9659-E3) a plano-konvexní čočku Ø1/2“Ge s ohniskovou vzdáleností 15 mm (podobně jako Thorlabs LA9410-E3), aby byl můj Keplerian teleobjektiv převaděč. Zvětšení je tedy:

Zvětšení = fo/fe = 50 mm/15 mm = 3,33

Teleobjektivy jiných zvětšení lze snadno navrhnout pomocí výše uvedených jednoduchých vzorců. Vezměte prosím na vědomí, že může být nutné změnit délku tubusu čočky, protože vzdálenost mezi čočkami by měla být blízká f0 + fe.

Krok 4: Sbírejte součásti pro teleobjektiv

K konstrukci teleobjektivu, jako je ten můj, budete potřebovat následující komponenty (všechny jsou díly Thorlabs):

LA9659-E3 Ř1 Ge Plano-konvexní čočka, f = 50 mm, AR-Coated: 7-12 µm $ 241,74

LA9410-E3 Ř1/2 Ge Plano-konvexní čočka, f = 15 mm, AR-Coated: 7-12 µm $ 139,74

SM1V05 Nastavitelná tubus objektivu Ø1 ", rozsah pojezdu 0,31" $ 30,25

Trubice objektivu SM1L15 SM1, hloubka závitu 1,50 , jeden upevňovací kroužek v ceně 15,70 USD

Adaptér SM1A1 s vnějšími závity SM05 a vnitřními závity SM1 20,60 $

SM05L03 Trubice objektivu SM05, hloubka závitu 0,30 , jeden pojistný kroužek v ceně 13,80 USD

SM1RR Pojistný kroužek SM1 pro tubusy a držáky objektivů Ø1 za 4,50 USD

Celkem s novými germaniovými čočkami 466,33 $

Bydlení pouze 84,85 USD

Teleobjektivový převaděč jsem umístil do optické trubice vyrobené z trubkových komponentů Thorlab SM1 a SM05. Objektiv objektivu jsem umístil na přední část tubusu nastavitelného objektivu SM1V05, abych umožnil zaostření tím, že bylo možné upravit vzdálenost mezi objektivy. K zablokování zaostření slouží externí kroužek SM1. Použitím zbrusu nových dílů od Thorlabs můžete očekávat útratu kolem 466 $. Pokud použijete na bydlení čočky ZnSe z eBay® a nové díly, pravděpodobně utratíte kolem 200 $.

Pouzdro pro dalekohled nemusí být tak fantastické jako moje. Trubky z PVC s určitým uspořádáním pro zaostřování (např. Objektiv nasazený na krytku se závitem) budou fungovat perfektně. Opravdu se mi líbí SM trubice Thorlabs, protože jsou relativně levné a dokonale se hodí pro konstrukci tohoto typu optických nástrojů. Závitová strana okuláru SM05L03 navíc dokonale přiléhá k přídržnému kroužku čočky Seek RevealPRO.

Krok 5: Konstrukce Krok 1: Odstraňte kroužek z tuby SM1L15

Pomocí prstů nebo klíčového klíče (např. Thorlabs SPW602, který se prodává za 26,75 $) vyjměte pojistný kroužek SM1, který je součástí trubice SM1L15.

Krok 6: Konstrukce Krok 2: Připravte součásti pro montáž objektivu

Připravte si součásti, které budete potřebovat pro montáž objektivu:

• Nastavitelná tubus objektivu SM1V05
• Dva přídržné kroužky SM1 (jeden z nich pochází z tubusu čočky SM1L15, jak je znázorněno v předchozím kroku)
• Konvexní čočka Ø1 "Ge Plano-konvexní, f = 50 mm, potažená AR: 7-12 µm (nebo podobná)

Krok 7: Konstrukce Krok 3: Vložte pojistný kroužek SM1 do SM1V05 do hloubky 6 mm

Pomocí klíče nebo prstů zasuňte jeden přidržovací kroužek do nastavitelné trubice objektivu SM1V05 do hloubky přibližně 6 mm. To se může změnit v závislosti na objektivu, který jste si vybrali jako svůj objektiv. Cílem je nechat objektiv dostatečně sedět, aby bylo možné použít přidržovací kroužek na druhé straně objektivu.

Krok 8: Konstrukce Krok 4: Vložte objektiv objektivu a vnější pojistný kroužek

Vložte čočku objektivu konvexní stranou směrem ven a poté ji zafixujte na místě pomocí druhého přídržného kroužku. Dávejte pozor, abyste příliš neutáhli, protože by to mohlo poškodit čočku! Pokud místo klíče použijete pinzetu nebo jiný nástroj, dávejte pozor, abyste objektiv nepoškrábali.

Krok 9: Konstrukce Krok 5: Příprava komponent pro okulár

Připravte si součásti, které použijete k sestavení okuláru:

• Tubus objektivu SM05L03
• Přídržný kroužek SM5 (vyjmutý z tuby SM05L03)
• Plano-konvexní čočka Ø1/2 "Ge, f = 15 mm, potažená AR: 7-12 µm (nebo podobná)

Krok 10: Konstrukce Krok 6: Sestavte okulár

Sestavte okulár vložením čočky okuláru do tubusu SM05L03. Konvexní strana by měla směřovat k vnějším závitům (dolů na následujícím obrázku). Zafixujte objektiv na místě pomocí pojistného kroužku SM05. K zasunutí a utažení přídržného kroužku SM05 použijte přednostně klíč SM05 (např. Thorlabs SPW603, který se prodává za 24,50 USD). Dávejte pozor, abyste příliš neutáhli, protože by to mohlo poškodit čočku! Pokud místo klíče použijete pinzetu nebo jiný nástroj, dávejte pozor, abyste objektiv nepoškrábali.

Krok 11: Konstrukce Krok 7: Namontujte okulár na adaptér SM1-to-SM05

Našroubujte sestavu čočky okuláru na adaptér SM1A1 SM1-to-SM05.

Krok 12: Konstrukce Krok 8: Konečná montáž

Nakonec našroubujte sestavu čočky okuláru (namontovanou na adaptéru SM1A1) a sestavu objektivu na tubus objektivu SM1L15. Tím je dokončena montáž teleobjektivového převaděče Keplerian.

Krok 13: Použijte teleobjektiv

Umístěte teleobjektiv před objektiv termokamery a pusťte se do průzkumu! Objektiv byste měli zaostřit otáčením sestavy objektivu, dokud nezískáte nejostřejší obraz objektu. Externí kroužek SM1, který je dodáván s nastavitelnou trubicí objektivu SM1V05, lze použít k zablokování nastavení zaostření.

Možná budete chtít zvážit trvalé připevnění pojistného kroužku Thorlabs SM05NT (6,58 $) SM05 (ID 0,535 "-40, 0,75" OD) k bajonetu objektivu fotoaparátu, abyste mohli před objektiv fotoaparátu rychle namontovat převaděče makro nebo teleobjektiv bez ovlivnění jeho původní funkčnost.

Nakonec nezapomeňte, že keplerovský dalekohled převrací obraz, takže na obrazovce fotoaparátu uvidíte termální obraz vzhůru nohama. Chce to jen trochu praxe zvyknout si na to, že nasměrování fotoaparátu s nainstalovaným teleobjektivem vyžaduje pohyby v opačném směru obrazu.

Krok 14: Výkon

S výsledky jsem velmi spokojen. Obrázky ukazují některé ukázkové obrázky používaného teleobjektivu. Levé podokna ukazují obraz zachycený pevným objektivem Seek RevealPRO. Pravá podokna ukazují stejnou scénu pomocí teleobjektivu s převodníkem × 3,33. K obrázkům na levých tabulích jsem přidal oranžový obdélník, abych označil oblast zvětšenou převodníkem teleobjektivu. Rozměry obdélníku jsou 1/3,33 rozměrů rámečku obrazu, což ukazuje, že zvětšení dosažené teleobjektivem je skutečně × 3,33.

Systémy objektivů používané v Seek RevealPRO a teleobjektivu jsou samozřejmě velmi jednoduché, takže lze očekávat zkreslení a vinětaci. Jak je vidět na fotografiích mých sousedů na zahradě a části oblohy, vinětace je nejzřetelnější při použití teleobjektivního převaděče na objekty ve velké vzdálenosti. Nicméně detaily, které nelze neviditelným fotoaparátem vidět, jsou pomocí teleobjektivu velmi zřejmé.

Krok 15: Zdroje

Níže jsou uvedeny zdroje materiálů uvedených v tomto pokynu:

• Hledat - www.thermal.com
• Thorlabs - www.thorlabs.com
• Edmund Industrial Optics - www.edmundoptics.com

Poznámka: Nejsem žádným způsobem spojen s těmito společnostmi.

Další čtení a experimenty

Další zajímavé experimenty z fyziky a fotografie neviditelného světa najdete v mých knihách (moje knihy na Amazon.com naleznete zde) a na mých webových stránkách: www.diyPhysics.com a www. UVIRimaging.com.