Μετατρέψτε μια βιντεοκάμερα του 1980 σε πολωμετρική απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο: 14 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Η πολωμετρική απεικόνιση προσφέρει μια διαδρομή για την ανάπτυξη εφαρμογών που αλλάζουν παιχνίδια σε ένα ευρύ φάσμα τομέων-εκτείνεται σε όλη τη διαδρομή από την παρακολούθηση του περιβάλλοντος και την ιατρική διάγνωση έως τις εφαρμογές ασφάλειας και αντιτρομοκρατίας. Ωστόσο, το πολύ υψηλό κόστος των εμπορικών πολωμετρικών καμερών εμπόδισε την έρευνα και την ανάπτυξη της πολωμετρικής απεικόνισης. Αυτό το έγγραφο παρουσιάζει λεπτομερείς οδηγίες για τη μετατροπή μιας πλεονασματικής έγχρωμης κάμερας 3 δεκαετιών της δεκαετίας του 1980 σε μια πολωμετρική συσκευή απεικόνισης σε πραγματικό χρόνο. Η κάμερα που χρησιμοποιείται ως βάση για αυτήν τη μετατροπή είναι ευρέως διαθέσιμη στην αγορά πλεονασμάτων για περίπου $ 50. Αυτό το εκπαιδευτικό σκουπίδια θα σας δείξει πώς να μετατρέψετε μια κάμερα που είναι κατάλληλη μόνο ως στήριγμα σε ένα χρήσιμο επιστημονικό όργανο, οι εμπορικές εκδόσεις του οποίου θα αξίζουν πολλές δεκάδες χιλιάδες δολάρια.

Θα χρειαστείτε τα ακόλουθα στοιχεία για να πραγματοποιήσετε αυτήν τη μετατροπή:

• Υπερβολική κάμερα JVC KY-1900 (τα μοντέλα KY-2000 και KY-2700 μοιάζουν με τα KY-1900 και μπορεί επίσης να είναι κατάλληλα)
• Ø25,4 χιλιοστά ευρυζωνικό δέκτη 70T/30R (π.χ. Thorlabs BSS10)
• Ø25,4mm ευρυζωνικό 50/50 beamplitter (π.χ. Thorlabs BSW10)
• Τρισδιάστατα τυπωμένα δαχτυλίδια προσαρμογέα δέσμης
• Φύλλο πολωτικού πλαστικού (π.χ. Edmund Optics 86-188)

Βήμα 1: Κατανόηση της πολωμετρικής απεικόνισης

Ένα φως κύματος χαρακτηρίζεται από το μήκος κύματος του, το οποίο αντιλαμβανόμαστε ως χρώμα περιοχής. το πλάτος του, το οποίο αντιλαμβανόμαστε ως επίπεδο έντασης. και η γωνία στην οποία ταλαντεύεται σε σχέση με έναν άξονα αναφοράς. Αυτή η τελευταία παράμετρος ονομάζεται «Γωνία πόλωσης» του κύματος και είναι χαρακτηριστικό του φωτός που τα ανθρώπινα μάτια δεν μπορούν να διακρίνουν. Ωστόσο, η πόλωση του φωτός φέρνει ενδιαφέρουσες πληροφορίες για το οπτικό μας περιβάλλον και ορισμένα ζώα είναι σε θέση να το αντιληφθούν και να βασιστούν κριτικά σε αυτή την αίσθηση για πλοήγηση και επιβίωση.

Μια λεπτομερής και κατανοητή περιγραφή της πολωμετρικής απεικόνισης και των εφαρμογών της είναι διαθέσιμη στη λευκή μου βίβλο στις πολωμετρικές κάμερες DOLPi που διατίθενται στη διεύθυνση:

www.diyphysics.com/wp-content/uploads/2015/10/DOLPi_Polarimetric_Camera_D_Prutchi_2015_v5.pdf και η παρουσίασή του στο YouTube στη διεύθυνση:

Βήμα 2: Αγορά και ευθυγράμμιση της κάμερας

Το KY-1900 παρουσιάστηκε ως έγχρωμη κάμερα επαγγελματικής ποιότητας στα τέλη της δεκαετίας του '70. Oneταν ένα από τα λίγα μοντέλα που κατασκευάστηκαν με πλαστικό πορτοκαλί σώμα, καθιστώντας το πολύ διακριτικό και ένα σημάδι επαγγελματισμού υψηλού επιπέδου για τα συνεργεία της κάμερας. Το 1982, αυτή η κάμερα πωλήθηκε για περίπου 9, 000 δολάρια.

Σήμερα, θα πρέπει να μπορείτε να βρείτε ένα στην πλεονασματική αγορά για περίπου $ 50. Το KY-1900 κατασκευάστηκε σαν δεξαμενή, οπότε οι πιθανότητες είναι πολύ καλές ότι θα είναι πλήρως λειτουργικό αν φαίνεται καλλυντικά. Απλώς συνδέστε το σε μια έγχρωμη οθόνη NTSC και τροφοδοτήστε το με 12VDC (η κάμερα αντλεί περίπου 1,7Α).

Πριν προχωρήσετε στην τροποποίηση, βεβαιωθείτε ότι η κάμερα είναι σε κατάσταση λειτουργίας και καλά ευθυγραμμισμένη. Χρησιμοποιήστε τις οδηγίες που εμφανίζονται στο Παράρτημα II της λευκής βίβλου του έργου για να ευθυγραμμίσετε την κάμερά σας και να ελέγξετε αν λειτουργεί σωστά.

Βήμα 3: Πρόσβαση στην Οπτική Συνέλευση

Το πρώτο βήμα στη μετατροπή είναι η πρόσβαση στην οπτική διάταξη της κάμερας, η οποία περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα:

• Αφαιρέστε το αριστερό κάλυμμα της κάμερας
• Αφαιρέστε την πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος DF
• Ξεκολλήστε το πλαστικό φύλλο απομόνωσης που είναι προσαρτημένο με ταινία διπλής όψης στην εξωτερική πλάκα κάλυψης του οπτικού συγκροτήματος

Βήμα 4: Άνοιγμα της Οπτικής Συνέλευσης

Αφαιρέστε την εσωτερική πλάκα κάλυψης οπτικού συγκροτήματος. Αυτή η πλάκα είναι κολλημένη στη διάταξη. Η πλάκα δεν θα χρησιμοποιηθεί ξανά, οπότε μην ανησυχείτε για την παραμόρφωσή της. Ωστόσο, προσέξτε να μην καταστρέψετε τα οπτικά στοιχεία μέσα στη διάταξη.

Το κάτω μέρος του σχήματος δείχνει την οπτική διάταξη της μη τροποποιημένης κάμερας JVC KY-1900. Το προσπίπτον φως μέσω του φακού First Relay χωρίζεται σε τρεις έγχρωμες εικόνες από τους διχρωμικούς διαχωριστές δέσμης πριν αποσταλούν στους αντίστοιχους σωλήνες Saticon μέσω των δεύτερων φακών ρελέ. Η τροποποίηση σε πολωμετρική συσκευή απεικόνισης σε πραγματικό χρόνο περιλαμβάνει την ανταλλαγή των αρχικών διχρωμικών δοκών διάσπασης της διάταξης Dichroic Beamsplitter με ευρυζωνικούς δέκτες, εξαλείφοντας τα φίλτρα περικοπής χρώματος μέσα στους δεύτερους φακούς ρελέ και προσθέτοντας αναλυτές πόλωσης.

Βήμα 5: Αφαίρεση της διάταξης Dichroic Beamsplitter

Το συγκρότημα Beamsplitter συγκρατείται με τρεις βίδες, μία από μπροστά και δύο από πίσω. Ως εκ τούτου, το κάλυμμα της δεξιάς πλευράς της κάμερας, το PCB και η πλαστική μεμβράνη πρέπει να αφαιρεθούν για να είναι προσβάσιμα.

Βήμα 6: Δαχτυλίδια προσαρμογέα Beamsplitter 3D-Printing

Οι διχρωμικοί δέκτες δέσμης που χρησιμοποιήθηκαν αρχικά στη φωτογραφική μηχανή KY-1900 έχουν μη τυποποιημένη διάμετρο, οπότε αποφάσισα να χρησιμοποιήσω διασταυρωτές πλάκας εύρους ζώνης διαμέτρου 1”για την τροποποίηση. Ο φίλος και συνάδελφός μου Jason Meyers σχεδίασε και εκτύπωσε 3D ένα δαχτυλίδι συγκράτησης για να συγκρατεί τους διαχωριστές δοκών 1 ιντσών στη θέση τους. Αρχεία CAD και τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι διαθέσιμα σε αυτό το DropBox.

Βήμα 7: Αντικατάσταση των Dichroic Beamsplitters από Wideband Beamsplitters

Το επόμενο βήμα στη διαδικασία μετατροπής είναι η αντικατάσταση των διχρωμικών δοκών διαχωριστήρων με διαχωριστές δέσμης ευρείας ζώνης. Η εικόνα πρέπει να χωριστεί λίγο-πολύ σε τρεις εικόνες, οπότε ο πρώτος διαχωριστής δέσμης πρέπει να αντανακλά περίπου το 33,33% του προσπίπτοντος φωτός, ενώ επιτρέπει στο 66,66% του φωτός να πηγαίνει σε έναν δεύτερο διαχωριστή δέσμης που θα πρέπει στη συνέχεια να χωρίσει αυτό το τμήμα εξίσου. Χρησιμοποίησα τους ακόλουθους διαχωριστές δοκών:

• Be25,4mm ευρυζωνικό δέκτη 70T/30R beamplitter (Thorlabs BSS10)
• Ø25,4mm ευρυζωνικό 50/50 beamsplitter (Thorlabs BSW10)

Οι διαχωριστές δέσμης ευρείας ζώνης εντός των δακτυλίων συγκράτησης πρέπει να εγκατασταθούν στη διάταξη και το τροποποιημένο συγκρότημα δοκών διαχωρισμού μπορεί στη συνέχεια να εγκατασταθεί ξανά στη θέση του. Επανασυνδέστε προσωρινά τις πλακέτες κυκλώματος. Βεβαιωθείτε ότι δεν υπάρχει τίποτα κοντά στα εκτεθειμένα μέρη του οπτικού συγκροτήματος, ενεργοποιήστε την κάμερα. Μόνο μικρή ρύθμιση των οριζόντιων/κατακόρυφων ποτενσιόμετρων θα πρέπει να απαιτείται για να επιτευχθεί ευθυγράμμιση εάν έχετε τοποθετήσει σωστά τους διαχωριστές δοκών. Θα παρατηρήσετε ότι η εικόνα είναι ακόμα έγχρωμη, αν και λίγο ξεβρωμένη σε σύγκριση με την αρχική εικόνα. Η εικόνα εξακολουθεί να εμφανίζεται έγχρωμη επειδή υπάρχουν πολύ ισχυρά φίλτρα μέσα στους φακούς δευτερεύοντος ρελέ που πρέπει να αφαιρεθούν.

Βήμα 8: Πρόσβαση στον δεύτερο φακό ρελέ

Η αφαίρεση των δεύτερων φακών ρελέ (αυτό είναι το όνομα της JVC) από το οπτικό συγκρότημα απαιτεί κάποια επιπλέον αποσυναρμολόγηση της κάμερας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι σωλήνες παραλαβής εικόνας πρέπει να αφαιρεθούν πριν αφαιρεθούν οι δευτερεύοντες φακοί ρελέ.

Ξεκινήστε βγάζοντας και αποσυνδέοντας τις εκτυπωμένες πλακέτες από τα συγκροτήματα καλωδίων. Στη συνέχεια, αφαιρέστε το πίσω μέρος της κάμερας. Τα συγκροτήματα σωλήνων μπορούν στη συνέχεια να τραβηχτούν από τα περιβλήματα σωλήνων του οπτικού συγκροτήματος, παρέχοντας πρόσβαση στους δεύτερους φακούς ρελέ.

Βήμα 9: Αφαίρεση και αποσυναρμολόγηση δεύτερων φακών ρελέ (ένας κάθε φορά!)

Οι δεύτεροι φακοί αναμετάδοσης συγκρατούνται με καλά κρυμμένους, μικρούς κοχλίες που είναι προσβάσιμοι από τη δεξιά πλευρά του οπτικού συγκροτήματος. Μόλις ανοίξει η βίδα ρύθμισης, τραβήξτε έξω τον Δεύτερο φακό ρελέ στον οποίο πρόκειται να εργαστείτε. Τυλίξτε μερικά στρώματα παχιάς ηλεκτρικής ταινίας στις δύο πλευρές του οπτικού σωλήνα και ανοίξτε το με πένσα.

Βήμα 10: Αφαίρεση των φίλτρων χρώματος και επανασυναρμολόγηση φακού δεύτερου ρελέ

Το έγχρωμο φίλτρο πρέπει να αφαιρεθεί ξεβιδώνοντας το δακτύλιο συγκράτησης χρησιμοποιώντας ένα κλειδί κλειδιού ή ένα τσιμπιδάκι. Αφού αφαιρέσετε το φίλτρο, απλά συναρμολογήστε ξανά το φακό και σφίξτε το με το δάχτυλό σας.

Η εξάλειψη του έγχρωμου φίλτρου μετατοπίζει το εστιακό σημείο του δευτερεύοντος φακού ρελέ, οπότε δεν θα πρέπει να επανεισαχθεί μέχρι το τέλος στην οπτική διάταξη. Αντ 'αυτού, οι τροποποιημένοι δευτερεύοντες φακοί ρελέ θα πρέπει να προεξέχουν μόνο περίπου 2,5 mm.

Η κάμερα μπορεί να συναρμολογηθεί μετά την εγκατάσταση και τη στερέωση με βίδες ρύθμισης όλων των τροποποιημένων φακών δευτερεύοντος ρελέ. Αφήστε το οπτικό συγκρότημα προσβάσιμο και επανασυνδέστε μόνο προσωρινά την πλακέτα DF, βεβαιωθείτε ότι δεν βραχυκυκλώνει με το οπτικό συγκρότημα.

Βήμα 11: Αναδιάταξη της κάμερας

Τώρα ήρθε η ώρα να ευθυγραμμίσετε την κάμερα πολύ προσεκτικά, ώστε να παράγει μια τέλεια ασπρόμαυρη εικόνα. Κάποιο επίπεδο περιθωρίου χρώματος θα φαίνεται πάντα επειδή οι δευτερεύοντες φακοί ρελέ σχεδιάστηκαν για μια στενή ζώνη μήκους κύματος και τώρα χρησιμοποιούνται σε όλο το εύρος ζώνης του ορατού φωτός. Το περιθώριο είναι ιδιαίτερα αισθητό στα άκρα της εικόνας όταν το ζουμ τραβιέται προς τα πίσω, αλλά αξιοπρεπής εγγραφή μπορεί να επιτευχθεί ακολουθώντας με υπομονή τη διαδικασία που περιγράφεται στο Παράρτημα ΙΙ της λευκής βίβλου του έργου.

Βήμα 12: Δημιουργία φίλτρων αναλυτή πόλωσης

Κόψτε τρία τετράγωνα 1,42 "× 1,42" από ένα φύλλο πόλωσης. Χρησιμοποίησα ένα Edmund Optics 86-188 150 x 150mm, 0,75mm Πάχος, πολωμένο πολυστρωματικό φιλμ. Επέλεξα αυτήν την ταινία αντί για φθηνότερες προσφορές επειδή διαθέτει πολύ υψηλό λόγο εξαφάνισης, καθώς και υψηλή μετάδοση, που δημιουργούν καλύτερες πολωσιμετρικές εικόνες. Παρατηρήστε στο σχήμα ότι ένα από τα τετράγωνα κόβεται στους 45 ° σε σχέση με τα άλλα δύο.

Βήμα 13: Προσθήκη των αναλυτών πόλωσης

Συνδέστε τους αναλυτές πόλωσης με καθαρή ταινία μέσα στο οπτικό συγκρότημα έτσι ώστε να τοποθετούνται εντός των οπτικών διαδρομών στους σωλήνες, όπως φαίνεται στο σχήμα.

Αυτό είναι! Η μετατροπή ολοκληρώθηκε. Μπορείτε να δοκιμάσετε τη φωτογραφική μηχανή σε αυτό το στάδιο πριν επανασυναρμολογήσετε το κάλυμμα της οπτικής διάταξης (πέταξα το εσωτερικό κάλυμμα), επανατοποθετήσετε το πλαστικό φύλλο, επανασυνδέσετε την πλακέτα DF και κλείσετε το περίβλημα της κάμερας.

Βήμα 14: Χρήση της κάμερας

Το σχήμα δείχνει αποτελέσματα με ένα δείγμα στόχο κατασκευασμένο με κομμάτια πολωτικού πλαστικού σε γωνίες μεταξύ 0 ° και 180 ° μαζί με μια γραμμή χρωμάτων. Ο στόχος όπως αποτυπώθηκε από την τροποποιημένη κάμερα JVC KY-1900 δείχνει τη γραμμή χρωμάτων και άλλα μη πολωμένα στοιχεία της εικόνας σε γκρι κλίμακα, ενώ τα κομμάτια του φιλμ πολωτή είναι έντονα χρωματισμένα, κωδικοποιώντας τη γωνία πόλωσής τους στο χώρο RGB της NTSC.

Για πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με αυτό το έργο, κάντε λήψη της λευκής βίβλου του έργου από τη διεύθυνση www.diyPhysics.com.

Πρώτο βραβείο στον Κάδο στον Θησαυρό