Conversor de teleobjectius de càmera tèrmica Diy: 15 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Recentment he comprat una càmera tèrmica Seek RevealPro, que compta amb un sensor tèrmic de 320 x 240 amb una velocitat de fotograma> 15 Hz a un preu increïblement assequible.

Un dels únics problemes que tinc amb aquesta càmera és que ve amb un objectiu fix de 32 ° de camp de visió. Això és correcte per a la inspecció tèrmica general, però és un desavantatge real quan s’intenta utilitzar la càmera per fer treballs de primer pla per avaluar la dissipació a les plaques de circuits impresos o identificar un component defectuós o de mida reduïda. Al costat oposat de l’interval de distància, l’objectiu FOV de 32 ° fa que sigui difícil veure i mesurar la temperatura d’objectes a distància o d’objectes més petits a distàncies normals.

S'han descrit adaptadors d'ampliació "macro" diy, però no sé que ningú hagi demostrat encara com construir un convertidor de teleobjectiu per a una d'aquestes càmeres.

Pas 1: Telescopis simples

La imatge d’un objecte a distància amb una càmera tèrmica requereix un simple telescopi fabricat amb lents que funcionin en el rang de 10 µm. Un telescopi refractor bàsic que té dos elements òptics, un objectiu i un ocular. L’objectiu és una lent gran que recull la llum d’un objecte distant i crea una imatge d’aquest objecte en el pla focal. L’ocular és només una lupa a través de la qual la càmera tèrmica pot veure la imatge virtual.

Com es mostra a la figura, hi ha dues configuracions bàsiques per a un telescopi refractiu: un telescopi Keplerià té un ocular de lent convergent i un telescopi de Galilea té un ocular de lent divergent. La imatge que es veu a través del telescopi Keplerià està invertida, mentre que la produïda per un telescopi galileà és vertical. El telescopi per si sol no és un sistema de formació d’imatges. Més aviat, la càmera tèrmica connectada al telescopi forma la imatge a través de la seva pròpia òptica.

L’ampliació d’un telescopi Keplerià està determinada per la proporció entre les distàncies focals de les lents objectiu i ocular:

Magnification_Keplerian = fo / fe

El telescopi galileà utilitza un objectiu positiu i un ocular negatiu, de manera que la seva ampliació ve donada per:

Magnigication_Galilean = -fo / fe

La mida de l'objectiu també és important perquè com més gran sigui el seu diàmetre, més llum pot acumular i millor pot resoldre objectes propers.

Pas 2: Selecció de lents adequades per a la imatge tèrmica

Les càmeres tèrmiques mesuren la intensitat de la llum infraroja a uns 10 µm. Això es deu al fet que els objectes emeten radiació de cos negre que arriba al voltant d’aquesta longitud d’ona d’acord amb la llei de desplaçament de Wien. Tanmateix, el vidre normal no transmet llum a aquestes longituds d’ona, de manera que les lents que s’utilitzen en imatges tèrmiques han de ser de germani o selenur de zinc que permetin passar la radiació del rang de 10 µm.

Les lents de germani (Ge) s’utilitzen més comunament per a aplicacions d’imatges tèrmiques a causa del seu ampli rang de transmissió (2,0 - 16 µm) a la regió espectral d’interès. Les lents de germani són opaques a la llum visible i tenen un aspecte metàl·lic de color gris vidriós. Són inerts a l’aire, a l’aigua, els àlcalis i la majoria d’àcids. El germani té un índex de refracció de 4.004 a 10.6 µm, i les seves propietats de transmissió són altament sensibles a la temperatura.

El selenur de zinc (ZnSe) s’utilitza molt més amb els làsers de CO2. Té un rang de transmissió molt ampli (600 nm - 16,0 µm). A causa de la baixa absorció a la part vermella de l'espectre visible, les lents ZnSe s'utilitzen habitualment en sistemes òptics que combinen làsers de CO2 (que solen funcionar a 10,6 µm), amb làsers d'alineació semiconductors o HeNe de color vermell visible de baix cost. El seu abast de transmissió inclou part de l’espectre visible, donant-los un to ataronjat intens.

Es poden comprar noves lents infraroges a Thorlabs, Edmund Optics i altres proveïdors de components òptics. Com us podeu imaginar, aquestes lents no són barates: les lents plan-convexes Ø1 / 2 Ge de Thorlabs tenen un preu d’uns 140 dòlars, mentre que les lents ZnSe ronden els 160 dòlars. al voltant de 300 dòlars. Per tant, les troballes d’excedents o les ofertes de l’Extrem Orient són les millors per fabricar els adaptadors de macro i teleobjectiu. Els objectius ZnSe de la Xina es poden comprar a eBay® per uns 60 dòlars.

Pas 3: disseny del convertidor de teleobjectiu

Vaig poder trobar un objectiu plano-convex Ø1”Ge amb una distància focal de 50 mm (similar a un Thorlabs LA9659-E3) i un objectiu plano-convex Ge de 1/2” amb una distància focal de 15 mm (similar a un Thorlabs LA9410-E3) per fer el meu convertidor de teleobjectiu Keplerian. L’ampliació és així:

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

Els adaptadors de teleobjectius d’altres augments són fàcils de dissenyar mitjançant les fórmules simples mostrades anteriorment. Tingueu en compte que és possible que s’hagi de canviar la longitud del tub principal de l’objectiu, ja que la distància entre les lents ha de ser propera a f0 + fe.

Pas 4: recolliu components per al convertidor de teleobjectiu

Necessitareu els components següents per construir un convertidor de teleobjectiu com el meu (tots són peces de Thorlabs):

LA9659-E3 Ø1 Ge Plano-Convex lent, f = 50 mm, recobert amb AR: 7-12 µm 241,74 $

LA9410-E3 Ø1 / 2 Ge Plano-Convex lent, f = 15 mm, recobert amb AR: 7-12 µm 139,74 $

SM1V05 Tub de lent ajustable Ø1 ", recorregut de 0,31" 30,25 $

Tub de l'objectiu SM1L15 SM1, profunditat del fil d'1,50 , un anell de retenció inclòs 15,70 USD

Adaptador SM1A1 amb fils externs SM05 i fils interns SM1 20,60 $

SM05L03 Tub de l'objectiu SM05, profunditat del fil de 0,30 , un anell de retenció inclòs 13,80 $

SM1RR Anell de retenció SM1 per a tubs i suports de lents Ø1 4,50 $

Total amb noves lents de germani, 466,33 dòlars

Habitatge només $ 84,85

Vaig allotjar el convertidor de teleobjectiu en un tub òptic fabricat amb components de tub SM1 i SM05 de Thorlab. Vaig col·locar l’objectiu a la part frontal d’un tub de lent ajustable SM1V05 per permetre l’enfocament fent possible ajustar la distància entre les lents. S'utilitza un anell SM1 extern per bloquejar el focus. Si utilitzeu peces noves de Thorlabs, podeu gastar uns 466 dòlars. Si utilitzeu lents ZnSe d'eBay® i peces noves per a l'habitatge, probablement gastareu uns 200 dòlars.

No cal que el recinte del telescopi sigui tan elegant com el meu. Les canonades de PVC amb una certa disposició per enfocar (per exemple, la lent muntada a la tapa roscada) funcionaran perfectament bé. Tot i això, m’agraden molt els tubs SM de Thorlabs perquè són relativament econòmics i són perfectament adequats per a la construcció d’aquest tipus d’instruments òptics. A més, el costat roscat de l’ocular SM05L03 s’adapta perfectament a l’anell de retenció de l’objectiu del Seek RevealPRO.

Pas 5: construcció Pas 1: traieu l'anell del tub SM1L15

Amb els dits o una clau clau (p. Ex. Thorlabs SPW602 que es ven per 26,75 dòlars), traieu l’anell de retenció SM1 que hi ha dins del tub SM1L15.

Pas 6: construcció Pas 2: prepareu components per al muntatge de l'objectiu objectiu

Prepareu els components que necessiteu per al muntatge de l’objectiu:

• Tub de lent ajustable SM1V05
• Dos anells de retenció SM1 (un d'ells prové del tub de la lent SM1L15 com es mostra al pas anterior)
• Lent Ge-Plano-Convex Ø1 ", f = 50 mm, recobert amb AR: 7-12 µm (o similar)

Pas 7: construcció Pas 3: Inseriu l'anell de retenció SM1 a SM1V05 a una profunditat de 6 mm

Feu servir una clau clau o els dits per inserir un anell de retenció al tub de la lent ajustable SM1V05 a una profunditat aproximada de 6 mm. Pot ser que hagi de canviar segons l'objectiu que hàgiu triat com a objectiu. La idea és permetre que la lent es quedi prou enrere per fer possible l’ús d’un anell de retenció a l’altre costat de la lent.

Pas 8: construcció Pas 4: Inseriu la lent objectiva i l'anell de retenció exterior

Introduïu l'objectiu amb el costat convex cap a l'exterior i, a continuació, fixeu-lo amb el segon anell de retenció. Aneu amb compte de no estrènyer-los excessivament, ja que això pot danyar l’objectiu. Si utilitzeu pinces o una altra eina en lloc d’una clau de llavis, tingueu cura de no ratllar l’objectiu.

Pas 9: construcció Pas 5: prepareu components per a l'ocular

Prepareu els components que utilitzarà per muntar l’ocular:

• Tub de la lent SM05L03
• Anell de retenció SM5 (extret del tub SM05L03)
• Lent Ge-Plano-Convex Ø1 / 2 ", f = 15 mm, recobert amb AR: 7-12 µm (o similar)

Pas 10: construcció Pas 6: muntatge de l'ocular

Muntar l’ocular inserint l’objectiu al tub SM05L03. El costat convex hauria d’estar orientat cap als fils externs (a la imatge següent). Fixeu l'objectiu en posició amb l'anell de retenció SM05. Preferiblement, utilitzeu una clau clau SM05 (per exemple, Thorlabs SPW603, que es ven per 24,50 dòlars) per inserir i estrènyer l’anell de retenció SM05. Aneu amb compte de no apretar massa, ja que això pot danyar l’objectiu. Si utilitzeu pinces o una altra eina en lloc d’una clau de llavis, tingueu cura de no ratllar l’objectiu.

Pas 11: construcció Pas 7: muntar l'ocular a l'adaptador SM1 a SM05

Enrosqueu el conjunt de la lent ocular a un adaptador SM1A1 SM1 a SM05.

Pas 12: construcció Pas 8: muntatge final

Finalment, cargoleu el conjunt de la lent de l’ocular (muntat a l’adaptador SM1A1) i el conjunt de la lent objectiu al tub de la lent SM1L15. Això completa el muntatge del convertidor de teleobjectiu Keplerian.

Pas 13: utilitzeu el convertidor de teleobjectiu

Col·loqueu el convertidor de teleobjectiu davant de l’objectiu de la càmera tèrmica i comenceu a explorar. Haureu d'enfocar l'objectiu girant el conjunt de l'objectiu fins que obtingueu la imatge més nítida del subjecte. L'anell SM1 extern que ve amb el tub de lent ajustable SM1V05 es pot utilitzar per bloquejar el paràmetre d'enfocament.

És possible que vulgueu plantejar fixar permanentment un anell de bloqueig SM05 Thorlabs SM05NT (6,58 $) (ID 0,535 "-40, 0,75" OD) al muntatge de l'objectiu de la càmera perquè pugueu muntar ràpidament convertidors de macro o teleobjectiu davant de l'objectiu de la càmera sense afectar la seva funcionalitat original.

Per últim, recordeu que un telescopi Keplerià inverteix la imatge, de manera que veureu la imatge tèrmica de cap per avall a la pantalla de la vostra càmera. Es necessita una mica de pràctica per acostumar-se al fet que assenyalar la càmera amb el convertidor de teleobjectiu instal·lat necessita moviments en la direcció oposada de la imatge.

Pas 14: rendiment

Estic molt satisfet amb els resultats. Les figures mostren algunes imatges de mostra del convertidor de teleobjectiu en ús. Els panells esquerrans mostren la imatge capturada a través de l’objectiu fix de Seek RevealPRO. Els panells de la dreta mostren la mateixa escena mitjançant el convertidor de teleobjectiu × 3,33. He afegit un rectangle taronja a les imatges dels plafons esquerres per indicar la regió augmentada pel convertidor de teleobjectiu. Les dimensions del rectangle són d’1 / 3,33 les del marc de la imatge, cosa que demostra que l’ampliació aconseguida pel convertidor de teleobjectiu és efectivament × 3,33.

Per descomptat, els sistemes d’objectius que s’utilitzen al Seek RevealPRO i al convertidor de teleobjectiu són extremadament simples, de manera que cal esperar distorsions i vinyetes. Com es mostra a les fotos dels meus veïns del jardí del darrere i d’una part del cel, el vinyetatge és més evident quan s’utilitza el convertidor de teleobjectiu per a subjectes d’imatge a gran distància. Tot i això, els detalls que no es poden veure amb la càmera sense ajuda són molt evidents mitjançant el convertidor de teleobjectiu.

Pas 15: fonts

A continuació es detallen les fonts dels materials esmentats en aquest manual:

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

Nota: No estic afiliat de cap manera a aquestes empreses.

Lectures i experiments posteriors

Per obtenir experiments més interessants sobre física i fotografia del món invisible, consulteu els meus llibres (feu clic aquí per obtenir els meus llibres a Amazon.com) i aneu als meus llocs web: www.diyPhysics.com i www. UVIRimaging.com.