Μετατροπέας τηλεφακού θερμικής κάμερας Diy: 15 βήματα

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

Πρόσφατα αγόρασα μια θερμική κάμερα Seek RevealPro, η οποία διαθέτει θερμικό αισθητήρα 320 x 240 με ρυθμό καρέ> 15 Hz σε απίστευτα προσιτή τιμή.

Ένα από τα μόνα προβλήματα που έχω με αυτήν την κάμερα είναι ότι έρχεται με σταθερό φακό οπτικού πεδίου 32 °. Αυτό είναι εντάξει για γενική θερμική επιθεώρηση, αλλά είναι ένα πραγματικό μειονέκτημα όταν προσπαθείτε να χρησιμοποιήσετε την κάμερα για κοντινές εργασίες για να εκτιμήσετε τη διασπορά σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων ή να εντοπίσετε ένα ελαττωματικό ή μικρό μέγεθος. Στην αντίθετη πλευρά του εύρους απόστασης, ο φακός 32 ° FOV δυσκολεύει να δει και να μετρήσει τη θερμοκρασία αντικειμένων σε απόσταση ή μικρότερων αντικειμένων σε κανονικές αποστάσεις.

έχουν περιγραφεί diy "macro" μεγεθυντικοί προσαρμογείς, αλλά δεν γνωρίζω ότι κάποιος έχει δείξει ακόμα πώς να φτιάξει έναν τηλεφακό μετατροπέα για μία από αυτές τις κάμερες.

Βήμα 1: Απλά τηλεσκόπια

Η απεικόνιση ενός αντικειμένου σε απόσταση με μια θερμική κάμερα απαιτεί ένα απλό τηλεσκόπιο κατασκευασμένο με φακούς που λειτουργούν στην περιοχή των 10 μm. Ένα βασικό διαθλαστικό τηλεσκόπιο που έχει δύο οπτικά στοιχεία, ένα αντικειμενικό και ένα προσοφθάλμιο. Ο στόχος είναι ένας μεγάλος φακός που συλλέγει φως από ένα μακρινό αντικείμενο και δημιουργεί μια εικόνα αυτού του αντικειμένου στο εστιακό επίπεδο. Ο προσοφθάλμιος φακός είναι απλώς ένας μεγεθυντικός φακός μέσω του οποίου η θερμική κάμερα μπορεί να δει την εικονική εικόνα.

Όπως φαίνεται στο σχήμα, υπάρχουν δύο βασικές διαμορφώσεις για ένα διαθλαστικό τηλεσκόπιο: Ένα τηλεσκόπιο Keplerian έχει έναν προσοφθάλμιο φακό που συγκλίνει και ένα τηλεσκόπιο Γαλιλαίας έχει έναν διαφοροποιημένο προσοφθάλμιο φακού. Η εικόνα όπως φαίνεται από το τηλεσκόπιο Keplerian είναι ανεστραμμένη, ενώ αυτή που παράγεται από ένα τηλεσκόπιο Γαλιλαίας είναι όρθια. Το τηλεσκόπιο από μόνο του δεν είναι σύστημα σχηματισμού εικόνας. Μάλλον, η θερμική κάμερα που είναι προσαρτημένη στο τηλεσκόπιο τελικά σχηματίζει την εικόνα μέσω της δικής της οπτικής.

Η μεγέθυνση ενός τηλεσκοπίου Keplerian καθορίζεται από την αναλογία μεταξύ των εστιακών αποστάσεων των αντικειμενικών και των προσοφθάλμιων φακών:

Magnification_Keplerian = fo/fe

Το τηλεσκόπιο της Γαλιλαίας χρησιμοποιεί ένα θετικό αντικείμενο και έναν αρνητικό προσοφθάλμιο, οπότε η μεγέθυνσή του δίνεται από:

Magnigication_Galilean = -fo/fe

Το μέγεθος του αντικειμένου είναι επίσης σημαντικό επειδή όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος του, τόσο περισσότερο φως μπορεί να συλλέξει και τόσο καλύτερα μπορεί να διαλύσει κοντινά αντικείμενα.

Βήμα 2: Επιλογή φακών κατάλληλων για θερμική απεικόνιση

Οι θερμικές κάμερες μετρούν την ένταση του υπέρυθρου φωτός σε περίπου 10 μm. Αυτό συμβαίνει επειδή τα αντικείμενα εκπέμπουν ακτινοβολία μαύρου σώματος που κορυφώνεται σε αυτό το μήκος κύματος, σύμφωνα με τον νόμο της Wien για τη μετατόπιση. Ωστόσο, το κανονικό γυαλί δεν μεταδίδει το φως σε αυτά τα μήκη κύματος, οπότε οι φακοί που χρησιμοποιούνται στη θερμική απεικόνιση πρέπει να είναι κατασκευασμένοι είτε από γερμάνιο είτε από σεληνίδιο ψευδαργύρου που επιτρέπουν την ακτινοβολία στην περιοχή των 10 μm.

Οι φακοί Germanium (Ge) χρησιμοποιούνται συχνότερα για εφαρμογές θερμικής απεικόνισης λόγω του μεγάλου εύρους μετάδοσης (2,0 - 16 μm) στη φασματική περιοχή που μας ενδιαφέρει. Οι φακοί Germanium είναι αδιαφανείς στο ορατό φως και έχουν γυαλί-γκρι μεταλλική εμφάνιση. Είναι αδρανείς στον αέρα, το νερό, τα αλκάλια και τα περισσότερα οξέα. Το γερμάνιο έχει δείκτη διάθλασης 4,004 στα 10,6 μm και οι ιδιότητες μετάδοσης του είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στη θερμοκρασία.

Το Selenide Zinc (ZnSe) χρησιμοποιείται πολύ πιο συχνά με λέιζερ CO2. Έχει ένα πολύ ευρύ φάσμα μετάδοσης (600 nm - 16,0 μm). Λόγω της χαμηλής απορρόφησης στο κόκκινο τμήμα του ορατού φάσματος, οι φακοί ZnSe χρησιμοποιούνται συνήθως σε οπτικά συστήματα που συνδυάζουν λέιζερ CO2 (τα οποία συνήθως λειτουργούν στα 10,6 μm), με φθηνά ορατά-κόκκινα λέιζερ ευθυγράμμισης HeNe ή ημιαγωγών. Το εύρος μετάδοσης περιλαμβάνει μέρος του ορατού φάσματος, δίνοντάς τους μια βαθιά πορτοκαλί απόχρωση.

Μπορείτε να αγοράσετε νέους υπέρυθρους φακούς από τους προμηθευτές Thorlabs, Edmund Optics και άλλους οπτικούς παράγοντες. Όπως μπορείτε να φανταστείτε, αυτοί οι φακοί δεν είναι φθηνοί-plan 1/2 "Ge plano-convex φακοί από την Thorlabs έχουν τιμή περίπου 140 $, ενώ οι φακοί ZnSe είναι περίπου 160 $. Οι lens1" Ge φακοί πωλούνται περίπου 240 $, ενώ οι ZnSe σε αυτό το κόστος διαμέτρου περίπου $ 300. Τα πλεονάζοντα ευρήματα ή οι προσφορές της Άπω Ανατολής είναι επομένως το καλύτερο για να φτιάξετε τους προσαρμογείς μακρο και τηλεφακού. Οι φακοί ZnSe από την Κίνα μπορούν να αγοραστούν στο eBay® για περίπου $ 60.

Βήμα 3: Σχεδιασμός μετατροπέα τηλεφακού

Μουν σε θέση να βρω έναν plan1”Ge plano-κυρτό φακό με εστιακή απόσταση 50 mm (παρόμοιο με έναν Thorlabs LA9659-E3) και έναν plan1/2” Ge plano-κυρτό φακό με εστιακή απόσταση 15 mm (παρόμοια με a Thorlabs LA9410-E3) για να κάνω τον τηλεοπτικό μετατροπέα Keplerian. Η μεγέθυνση είναι ως εξής:

Μεγέθυνση = fo/fe = 50mm/15mm = 3.33

Οι τηλεφακοί προσαρμογείς άλλων μεγεθύνσεων είναι εύκολο να σχεδιαστούν χρησιμοποιώντας τους απλούς τύπους που φαίνονται παραπάνω. Λάβετε υπόψη ότι το μήκος του σωλήνα του κύριου φακού μπορεί να χρειαστεί να αλλάξει, καθώς η απόσταση μεταξύ των φακών πρέπει να είναι κοντά στα f0 + fe.

Βήμα 4: Συλλέξτε εξαρτήματα για το Telephoto Converter

Θα χρειαστείτε τα ακόλουθα στοιχεία για να κατασκευάσετε έναν μετατροπέα τηλεφακού όπως ο δικός μου (όλα είναι μέρη της Thorlabs):

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

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

SM1V05 Ø1 "Ρυθμιζόμενος σωλήνας φακού, εύρος ταξιδιού 0,31" 30,25 $

SM1L15 SM1 Φακός σωλήνα, βάθος νήματος 1,50 , ένα δαχτυλίδι συγκράτησης 15,70 $

Προσαρμογέας SM1A1 με εξωτερικά νήματα SM05 και εσωτερικά νήματα SM1 20,60 $

SM05L03 SM05 Σωλήνας φακού, βάθος νήματος 0,30 , Περιλαμβάνεται ένα δαχτυλίδι συγκράτησης 13,80 $

Δαχτυλίδι συγκράτησης SM1RR SM1 για σωλήνες και βάσεις φακού Ø1 4,50 $

Σύνολο με νέους φακούς γερμανίου 466,33 $

Στέγαση μόνο 84,85 $

Στέγασα τον μετατροπέα τηλεφακού μου σε έναν οπτικό σωλήνα κατασκευασμένο με εξαρτήματα σωλήνων SM1 και SM05 της Thorlab. Τοποθέτησα τον αντικειμενικό φακό στο μπροστινό μέρος ενός ρυθμιζόμενου σωλήνα φακού SM1V05 για να επιτρέψω την εστίαση καθιστώντας δυνατή τη ρύθμιση της απόστασης μεταξύ των φακών. Ένας εξωτερικός δακτύλιος SM1 χρησιμοποιείται για να κλειδώσει την εστίαση. Χρησιμοποιώντας ολοκαίνουργια ανταλλακτικά από την Thorlabs, μπορείτε να αναμένετε να ξοδέψετε περίπου $ 466. Εάν χρησιμοποιείτε φακούς ZnSe από το eBay® και νέα μέρη για το περίβλημα, πιθανότατα θα ξοδέψετε περίπου $ 200.

Το περίβλημα για το τηλεσκόπιο δεν χρειάζεται να είναι τόσο φανταχτερό όσο το δικό μου. Οι σωλήνες PVC με κάποια διάταξη εστίασης (π.χ. φακός τοποθετημένος στο καπάκι με σπείρωμα) θα λειτουργούν τέλεια. Ωστόσο, μου αρέσουν πολύ οι SM σωλήνες του Thorlabs επειδή είναι σχετικά φθηνοί και ταιριάζουν απόλυτα για την κατασκευή αυτού του τύπου οπτικών οργάνων. Επιπλέον, η πλευρά με σπείρωμα του προσοφθάλμιου SM05L03 κάθεται τέλεια στο δακτύλιο συγκράτησης του φακού Seek RevealPRO.

Βήμα 5: Κατασκευή Βήμα 1: Αφαιρέστε το δαχτυλίδι από τον σωλήνα SM1L15

Χρησιμοποιώντας τα δάχτυλά σας ή ένα κλειδί κλειδιού (π.χ. Thorlabs SPW602 που πωλείται για 26,75 $) αφαιρέστε το δακτύλιο συγκράτησης SM1 που βρίσκεται μέσα στο σωλήνα SM1L15.

Βήμα 6: Κατασκευή Βήμα 2: Προετοιμασία εξαρτημάτων για τη συναρμολόγηση του αντικειμενικού φακού

Προετοιμάστε τα εξαρτήματα που θα χρειαστείτε για τη συναρμολόγηση του αντικειμενικού φακού:

• SM1V05 ρυθμιζόμενος σωλήνας φακού
• Δύο δακτύλιοι συγκράτησης SM1 (ένα από αυτά προέρχεται από το σωλήνα φακών SM1L15 όπως φαίνεται στο προηγούμενο βήμα)
• "1 "Ge Plano-Convex Lens, f = 50 mm, AR-Coated: 7-12 μm (ή παρόμοια)

Βήμα 7: Κατασκευή Βήμα 3: Τοποθετήστε τον δακτύλιο συγκράτησης SM1 στο SM1V05 σε βάθος 6mm

Χρησιμοποιώντας ένα κλειδί κλειδιού ή τα δάχτυλά σας, εισάγετε έναν δακτύλιο συγκράτησης στον ρυθμιζόμενο σωλήνα φακών SM1V05 σε βάθος περίπου 6mm. Αυτό μπορεί να χρειαστεί να αλλάξει ανάλογα με τον φακό που επιλέξατε ως στόχο. Η ιδέα είναι να επιτρέψουμε στον φακό να καθίσει αρκετά πίσω ώστε να καταστεί δυνατή η χρήση ενός δακτυλίου συγκράτησης στην άλλη πλευρά του φακού.

Βήμα 8: Κατασκευή Βήμα 4: Εισαγωγή αντικειμενικού φακού και εξωτερικού δακτυλίου συγκράτησης

Εισάγετε τον αντικειμενικό φακό με την κυρτή πλευρά του στραμμένη προς τα έξω και στη συνέχεια στερεώστε τον στη θέση του χρησιμοποιώντας τον δεύτερο δακτύλιο συγκράτησης. Προσέξτε να μην σφίξετε υπερβολικά, γιατί αυτό μπορεί να βλάψει τον φακό! Εάν χρησιμοποιείτε τσιμπιδάκι ή άλλο εργαλείο αντί για κλειδί κλειδιού, προσέξτε να μην γρατσουνίσετε τον φακό.

Βήμα 9: Κατασκευή Βήμα 5: Προετοιμασία εξαρτημάτων για προσοφθάλμιο φακό

Προετοιμάστε τα εξαρτήματα που θα χρησιμοποιήσετε για τη συναρμολόγηση του προσοφθάλμιου φακού:

• Σωλήνας φακού SM05L03
• Δακτύλιος συγκράτησης SM5 (αφαιρέθηκε από τον σωλήνα SM05L03)
• Plan1/2 "Ge Plano-Convex Lens, f = 15 mm, AR-Coated: 7-12 μm (ή παρόμοια)

Βήμα 10: Κατασκευή Βήμα 6: Συναρμολόγηση προσοφθάλμιου φακού

Συναρμολογήστε τον προσοφθάλμιο φακό εισάγοντας τον φακό προσοφθάλμιου φακού στο σωλήνα SM05L03. Η κυρτή πλευρά πρέπει να βλέπει τα εξωτερικά σπειρώματα (κάτω στην παρακάτω εικόνα). Στερεώστε τον φακό στη θέση του με τον δακτύλιο συγκράτησης SM05. Κατά προτίμηση, χρησιμοποιήστε ένα κλειδί κλειδιού SM05 (π.χ. Thorlabs SPW603, το οποίο πωλείται για 24,50 $) για να τοποθετήσετε και να σφίξετε το δακτύλιο συγκράτησης SM05. Προσέξτε να μην σφίξετε υπερβολικά, γιατί αυτό μπορεί να βλάψει τον φακό! Εάν χρησιμοποιείτε τσιμπιδάκι ή άλλο εργαλείο αντί για κλειδί κλειδιού, προσέξτε να μην γρατσουνίσετε τον φακό.

Βήμα 11: Κατασκευή Βήμα 7: Προσαρμογή προσοφθάλμιου σε προσαρμογέα SM1-σε-SM05

Βιδώστε το συγκρότημα φακού προσοφθάλμιου φακού σε έναν προσαρμογέα SM1A1 SM1-SM05.

Βήμα 12: Κατασκευή Βήμα 8: Τελική συναρμολόγηση

Τέλος, βιδώστε το συγκρότημα φακών προσοφθάλμιου φακού (τοποθετημένο στον προσαρμογέα SM1A1) και το συγκρότημα αντικειμενικού φακού στο σωλήνα φακών SM1L15. Αυτό ολοκληρώνει τη συναρμολόγηση του μετατροπέα τηλεφακού Keplerian.

Βήμα 13: Χρησιμοποιήστε το Telephoto Converter

Τοποθετήστε τον μετατροπέα τηλεφακών μπροστά από το φακό της θερμικής κάμερας και ξεκινήστε την εξερεύνηση! Θα πρέπει να εστιάσετε τον φακό περιστρέφοντας τη διάταξη αντικειμενικού φακού έως ότου ληφθεί η ευκρινέστερη εικόνα του θέματος σας. Ο εξωτερικός δακτύλιος SM1 που συνοδεύει τον ρυθμιζόμενο σωλήνα φακού SM1V05 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κλειδώσει τη ρύθμιση εστίασης.

Μπορεί να θέλετε να εξετάσετε τη μόνιμη σύνδεση ενός Thorlabs SM05NT ($ 6,58) SM05 Locking Ring (ID 0.535 "-40, 0.75" OD) στη βάση φακού της κάμεράς σας, ώστε να μπορείτε να τοποθετήσετε γρήγορα μετατροπείς μακροεντολών ή τηλεφακών μπροστά από τον φακό της κάμερας χωρίς να επηρεάζετε την αρχική του λειτουργικότητα.

Τέλος, θυμηθείτε ότι ένα τηλεσκόπιο Keplerian αντιστρέφει την εικόνα, οπότε θα δείτε τη θερμική εικόνα ανάποδα στην οθόνη της κάμεράς σας. Χρειάζεται λίγη εξάσκηση για να συνηθίσετε το γεγονός ότι η τοποθέτηση της κάμερας με εγκατεστημένο τον μετατροπέα τηλεφακών χρειάζεται κινήσεις προς την αντίθετη κατεύθυνση της εικόνας.

Βήμα 14: Απόδοση

Είμαι πολύ ευχαριστημένος με τα αποτελέσματα. Τα σχήματα δείχνουν μερικές δείγματα εικόνων του μετατροπέα τηλεφακών που χρησιμοποιείται. Τα αριστερά παράθυρα δείχνουν την εικόνα που έχει ληφθεί μέσω του σταθερού φακού του Seek RevealPRO. Τα δεξιά παράθυρα δείχνουν την ίδια σκηνή χρησιμοποιώντας τον τηλεφακό μετατροπέα 3,33. Πρόσθεσα ένα πορτοκαλί ορθογώνιο στις εικόνες στα αριστερά παράθυρα για να υποδείξει την περιοχή που μεγεθύνεται από τον μετατροπέα τηλεφακών. Οι διαστάσεις του ορθογωνίου είναι 1/3.33 εκείνες του πλαισίου εικόνας, καταδεικνύοντας ότι η μεγέθυνση που επιτυγχάνεται με τον μετατροπέα τηλεφακών είναι πράγματι 3,33 ×.

Φυσικά, τα συστήματα φακών που χρησιμοποιούνται στο Seek RevealPRO και στον μετατροπέα τηλεφακού είναι εξαιρετικά απλά, επομένως αναμένονται στρεβλώσεις και βινιέτες. Όπως φαίνεται στις φωτογραφίες των γειτόνων μου στην πίσω αυλή και ενός μέρους του ουρανού, το βινιέρισμα είναι πιο εμφανές όταν χρησιμοποιείται ο μετατροπέας τηλεφακών για την απεικόνιση θεμάτων σε μεγάλη απόσταση. Παρ 'όλα αυτά, οι λεπτομέρειες που δεν φαίνονται με την κάμερα χωρίς βοήθεια είναι πολύ εμφανείς χρησιμοποιώντας τον μετατροπέα τηλεφακών.

Βήμα 15: Πηγές

Ακολουθούν πηγές για τα υλικά που αναφέρονται σε αυτό το Οδηγό:

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

Σημείωση: Δεν συνδέομαι με κανέναν τρόπο με αυτές τις εταιρείες.

Περαιτέρω ανάγνωση και πειράματα

Για πιο ενδιαφέροντα πειράματα στη φυσική και τη φωτογραφία του αόρατου κόσμου, ανατρέξτε στα βιβλία μου (κάντε κλικ εδώ για τα βιβλία μου στο Amazon.com) και μεταβείτε στις ιστοσελίδες μου: www.diyPhysics.com και www. UVIRimaging.com.