Diy Thermal Camera Telephoto Converter: 15 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Gần đây tôi đã mua một Máy ảnh nhiệt Seek RevealPro, tự hào có cảm biến nhiệt 320 x 240 với tốc độ khung hình> 15 Hz với mức giá cực kỳ phải chăng.

Một trong những vấn đề duy nhất mà tôi gặp phải với máy ảnh này là nó đi kèm với ống kính trường nhìn 32 ° cố định. Điều này là tốt cho việc kiểm tra nhiệt nói chung, nhưng đó là một bất lợi thực sự khi cố gắng sử dụng máy ảnh để làm việc cận cảnh để đánh giá sự tiêu tán trên bảng mạch in hoặc xác định một thành phần bị lỗi hoặc nhỏ hơn. Ở phía đối diện của phạm vi khoảng cách, ống kính 32 ° FOV gây khó khăn cho việc nhìn và đo nhiệt độ của các vật thể ở khoảng cách xa hoặc của các vật thể nhỏ hơn ở khoảng cách bình thường.

Bộ điều hợp phóng đại "macro" tự làm đã được mô tả, nhưng tôi không biết rằng có ai đã chỉ ra cách xây dựng bộ chuyển đổi tele cho một trong những máy ảnh này.

Bước 1: Kính thiên văn đơn giản

Chụp ảnh một vật thể ở khoảng cách xa bằng máy ảnh nhiệt yêu cầu một kính thiên văn đơn giản được chế tạo với các thấu kính hoạt động trong phạm vi 10 µm. Một kính thiên văn khúc xạ cơ bản có hai phần tử quang học, vật kính và thị kính. Vật kính là một thấu kính lớn thu ánh sáng từ một vật ở xa và tạo ảnh của vật đó trong tiêu diện. Thị kính chỉ là một kính lúp mà qua đó máy ảnh nhiệt có thể xem được ảnh ảo.

Như trong hình bên, có hai cấu hình cơ bản cho kính thiên văn khúc xạ: Kính thiên văn Keplerian có thị kính thấu kính hội tụ và kính thiên văn Galilean có thị kính thấu kính phân kỳ. Hình ảnh khi quan sát qua kính thiên văn Keplerian bị đảo ngược, trong khi hình ảnh do kính thiên văn Galilean tạo ra là hình ảnh thẳng đứng. Bản thân kính thiên văn không phải là một hệ thống tạo hình ảnh. Thay vào đó, máy ảnh nhiệt gắn với kính thiên văn cuối cùng sẽ tạo ra hình ảnh thông qua quang học của chính nó.

Độ phóng đại của kính thiên văn Keplerian được xác định bằng tỷ số giữa tiêu cự của vật kính và thị kính:

Magnification_Keplerian = fo / fe

Kính thiên văn Galilean sử dụng vật kính dương và thị kính âm, do đó độ phóng đại của nó là:

Magnigication_Galilean = -fo / fe

Kích thước của vật kính cũng rất quan trọng vì đường kính của vật kính càng lớn thì càng thu được nhiều ánh sáng và có thể phân giải các vật thể gần tốt hơn.

Bước 2: Lựa chọn ống kính phù hợp để chụp ảnh nhiệt

Máy ảnh nhiệt đo cường độ của ánh sáng hồng ngoại vào khoảng 10 µm. Điều này là do các vật thể phát ra bức xạ vật đen đạt cực đại xung quanh bước sóng đó tuân theo định luật dịch chuyển Wien. Tuy nhiên, thủy tinh bình thường không truyền ánh sáng ở các bước sóng đó, vì vậy thấu kính được sử dụng trong chụp ảnh nhiệt phải được làm bằng Germanium hoặc Kẽm Selenide cho phép bức xạ trong phạm vi 10 µm đi qua.

Thấu kính gecmani (Ge) được sử dụng phổ biến nhất cho các ứng dụng ảnh nhiệt vì phạm vi truyền rộng của chúng (2,0 - 16 µm) trong vùng phổ quan tâm. Thấu kính gecmani không trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy và có vẻ ngoài như kim loại màu xám thủy tinh. Chúng trơ với không khí, nước, kiềm và hầu hết các axit. Germanium có chỉ số khúc xạ 4,004 ở 10,6 µm, và đặc tính truyền dẫn của nó rất nhạy cảm với nhiệt độ.

Kẽm Selenide (ZnSe) được sử dụng phổ biến hơn nhiều với laser CO2. Nó có phạm vi truyền dẫn rất rộng (600 nm - 16,0 µm). Do độ hấp thụ thấp ở phần màu đỏ của quang phổ khả kiến, thấu kính ZnSe thường được sử dụng trong các hệ thống quang học kết hợp laser CO2 (thường hoạt động ở 10,6 µm), với laser HeNe màu đỏ khả kiến hoặc laser căn chỉnh bán dẫn rẻ tiền. Phạm vi truyền của chúng bao gồm một phần của quang phổ nhìn thấy được, tạo cho chúng một màu cam đậm.

Các ống kính hồng ngoại mới có thể được mua từ Thorlabs, Edmund Optics và các nhà cung cấp linh kiện quang học khác. Như bạn có thể tưởng tượng, những thấu kính này không hề rẻ - Thấu kính lồi Ge plano Ø1 / 2 của Thorlabs có giá khoảng 140 đô la, trong khi thấu kính ZnSe khoảng 160 đô la. Ống kính Ø1” Ge được bán với giá khoảng 240 đô la, trong khi ZnSe ở đường kính này có giá khoảng 300 đô la. Do đó, các phát hiện thặng dư hoặc các dịch vụ của Viễn Đông là tốt nhất để làm bộ điều hợp macro và tele. Bạn có thể mua ống kính ZnSe từ Trung Quốc trên eBay® với giá khoảng 60 đô la.

Bước 3: Thiết kế bộ chuyển đổi tele

Tôi đã có thể tìm thấy thấu kính lồi Ge plano Ø1”có tiêu cự 50 mm (tương tự như Thorlabs LA9659-E3) và thấu kính lồi Ge plano Ø1 / 2 có tiêu cự 15 mm (tương tự như một Thorlabs LA9410-E3) để làm bộ chuyển đổi chụp ảnh xa Keplerian của tôi. Do đó, độ phóng đại là:

Độ phóng đại = fo / fe = 50mm / 15mm = 3,33

Bộ điều hợp tele có độ phóng đại khác dễ dàng thiết kế bằng cách sử dụng các công thức đơn giản được trình bày ở trên. Xin lưu ý rằng có thể cần thay đổi chiều dài của ống thấu kính chính, vì khoảng cách giữa các thấu kính phải gần bằng f0 + fe.

Bước 4: Thu thập các thành phần cho bộ chuyển đổi tele

Bạn sẽ cần các thành phần sau để tạo một bộ chuyển đổi tele giống như của tôi (tất cả đều là các bộ phận của Thorlabs):

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

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

SM1V05 Ống kính có thể điều chỉnh Ø1 ", Phạm vi di chuyển 0,31" $ 30,25

Ống kính SM1L15 SM1, Độ sâu ren 1,50 , Một vòng giữ được bao gồm $ 15,70

Bộ điều hợp SM1A1 với luồng SM05 bên ngoài và luồng SM1 bên trong $ 20,60

Ống kính SM05L03 SM05, Độ sâu ren 0,30 , Một vòng giữ được bao gồm $ 13,80

Vòng giữ SM1RR SM1 cho Ống và ngàm ống kính Ø1 $ 4,50

Tổng cộng với thấu kính germanium mới $ 466,33

Nhà ở chỉ $ 84,85

Tôi đặt bộ chuyển đổi tele của mình trong một ống quang được làm bằng các thành phần ống SM1 và SM05 của Thorlab. Tôi đặt vật kính ở phía trước một ống thấu kính điều chỉnh SM1V05 để cho phép lấy nét bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa các thấu kính. Một vòng SM1 bên ngoài được sử dụng để khóa tiêu điểm. Sử dụng các bộ phận hoàn toàn mới từ Thorlabs, bạn có thể chi khoảng 466 đô la. Nếu bạn sử dụng thấu kính ZnSe từ eBay® và các bộ phận mới cho vỏ, bạn có thể sẽ chi khoảng 200 đô la.

Vỏ bọc cho kính thiên văn không cần phải quá cầu kỳ như của tôi. Ống PVC với một số cách sắp xếp để lấy nét (ví dụ: ống kính gắn trên nắp có ren) sẽ hoạt động hoàn toàn ổn. Tuy nhiên, tôi thực sự thích Thorlabs’SM Tubes vì chúng tương đối rẻ và hoàn toàn phù hợp để chế tạo loại dụng cụ quang học này. Ngoài ra, mặt có ren của SM05L03 của thị kính nằm hoàn toàn dựa vào vòng đệm của thấu kính Seek RevealPRO.

Bước 5: Thi công Bước 1: Tháo vòng khỏi ống SM1L15

Sử dụng ngón tay của bạn hoặc cờ lê cờ lê (ví dụ: Thorlabs SPW602 được bán với giá 26,75 đô la) tháo vòng giữ SM1 đi kèm bên trong ống SM1L15.

Bước 6: Thi công Bước 2: Chuẩn bị các thành phần cho việc lắp ráp vật kính

Chuẩn bị các thành phần bạn cần để lắp ráp vật kính:

• Ống kính điều chỉnh SM1V05
• Hai vòng đệm SM1 (một trong số chúng đến từ ống thấu kính SM1L15 như được hiển thị ở bước trước)
• Ống kính Ge Plano-Convex Ø1 ", f = 50 mm, Tráng AR: 7-12 µm (hoặc tương tự)

Bước 7: Thi công Bước 3: Đưa vòng giữ SM1 vào SM1V05 đến độ sâu 6mm

Sử dụng cờ lê cờ lê hoặc ngón tay của bạn, lắp một vòng đệm vào ống kính có thể điều chỉnh SM1V05 đến độ sâu khoảng 6mm. Điều này có thể cần thay đổi tùy thuộc vào ống kính mà bạn đã chọn làm vật kính của mình. Ý tưởng là để ống kính nằm đủ phía sau để có thể sử dụng vòng đệm ở phía bên kia của ống kính.

Bước 8: Thi công Bước 4: Chèn Vật kính và Vòng giữ bên ngoài

Đưa vật kính vào với mặt lồi của nó hướng ra ngoài và sau đó cố định tại chỗ bằng vòng giữ thứ hai. Hãy cẩn thận không siết quá chặt, vì điều này có thể làm hỏng ống kính! Nếu bạn sử dụng nhíp hoặc công cụ khác thay vì cờ lê cờ lê, hãy cẩn thận để không làm xước ống kính.

Bước 9: Thi công Bước 5: Chuẩn bị các thành phần cho thị kính

Chuẩn bị các thành phần bạn sẽ sử dụng để lắp ráp thị kính:

• Ống kính SM05L03
• Vòng đệm SM5 (tháo khỏi ống SM05L03)
• Ống kính Ge Plano-Convex Ø1 / 2 ", f = 15 mm, Tráng AR: 7-12 µm (hoặc tương tự)

Bước 10: Thi công Bước 6: Lắp ráp thị kính

Lắp ráp thị kính bằng cách lắp thấu kính thị kính vào ống SM05L03. Mặt lồi phải đối diện với các sợi bên ngoài (xuống trong hình sau). Cố định ống kính vào vị trí bằng vòng giữ SM05. Tốt hơn là sử dụng cờ lê chìa khoá SM05 (ví dụ: Thorlabs SPW603, được bán với giá 24,50 đô la) để chèn và thắt chặt vòng giữ SM05. Hãy cẩn thận đừng siết quá chặt, vì điều này có thể làm hỏng ống kính! Nếu bạn sử dụng nhíp hoặc công cụ khác thay vì cờ lê cờ lê, hãy cẩn thận để không làm xước ống kính.

Bước 11: Thi công Bước 7: Gắn Thị kính vào Bộ chuyển đổi SM1-to-SM05

Vặn cụm thấu kính thị kính vào bộ chuyển đổi SM1A1 SM1-to-SM05.

Bước 12: Thi công Bước 8: Lắp ráp cuối cùng

Cuối cùng, vặn cụm thấu kính thị kính (được gắn trên bộ chuyển đổi SM1A1) và cụm thấu kính vật kính vào ống thấu kính SM1L15. Điều này hoàn thành việc lắp ráp bộ chuyển đổi tele Keplerian.

Bước 13: Sử dụng công cụ chuyển đổi tele

Đặt bộ chuyển đổi tele trước ống kính của máy ảnh nhiệt và bắt đầu khám phá! Bạn nên lấy nét ống kính bằng cách xoay cụm vật kính cho đến khi thu được hình ảnh sắc nét nhất về đối tượng của bạn. Vòng SM1 bên ngoài đi kèm với ống thấu kính điều chỉnh SM1V05 có thể được sử dụng để khóa cài đặt lấy nét.

Bạn có thể muốn xem xét việc gắn vĩnh viễn Vòng khóa SM05 của Thorlabs SM05NT ($ 6,58) (ID 0,535 "-40, 0,75" OD) vào ngàm ống kính của máy ảnh để bạn có thể nhanh chóng lắp các bộ chuyển đổi macro hoặc tele trước ống kính của máy ảnh mà không ảnh hưởng chức năng ban đầu của nó.

Cuối cùng, hãy nhớ rằng kính thiên văn Keplerian đảo ngược hình ảnh, vì vậy bạn sẽ thấy hình ảnh nhiệt lộn ngược trên màn hình máy ảnh của mình. Chỉ cần thực hành một chút để quen với thực tế là hướng máy ảnh có lắp bộ chuyển đổi tele cần chuyển động theo hướng ngược lại của hình ảnh.

Bước 14: Hiệu suất

Tôi rất hài lòng với kết quả. Các số liệu cho thấy một số hình ảnh mẫu của bộ chuyển đổi tele đang được sử dụng. Các ngăn bên trái hiển thị hình ảnh được chụp qua ống kính cố định của Seek RevealPRO. Các ô bên phải hiển thị cùng một cảnh bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi tele × 3,33. Tôi đã thêm một hình chữ nhật màu cam vào hình ảnh trên các ô bên trái để chỉ ra khu vực được phóng đại bởi bộ chuyển đổi tele. Kích thước của hình chữ nhật là 1 / 3,33 của khung hình ảnh, chứng tỏ rằng độ phóng đại đạt được bằng bộ chuyển đổi tele thực sự là × 3,33.

Tất nhiên, các hệ thống ống kính được sử dụng trong Seek RevealPRO và bộ chuyển đổi tele là cực kỳ đơn giản, do đó có thể xảy ra hiện tượng méo hình và làm mờ nét ảnh. Như được minh họa trong các bức ảnh chụp những người hàng xóm ở sân sau của tôi và một phần bầu trời, hiện tượng làm mờ nét rõ ràng nhất khi sử dụng bộ chuyển đổi tele sang chủ thể hình ảnh ở khoảng cách lớn. Tuy nhiên, các chi tiết không thể nhìn thấy bằng máy ảnh không hỗ trợ sẽ rất rõ ràng khi sử dụng bộ chuyển đổi tele.

Bước 15: Nguồn

Sau đây là các nguồn cho các tài liệu được đề cập trong Tài liệu hướng dẫn này:

• Tìm kiếm - www.thermal.com
• Thorlabs - www.thorlabs.com
• Quang học công nghiệp Edmund - www.edmundoptics.com

Lưu ý: Tôi không liên kết dưới bất kỳ hình thức nào với các công ty này.

Đọc thêm và thử nghiệm

Để biết thêm các thí nghiệm thú vị về vật lý và nhiếp ảnh của thế giới vô hình, vui lòng xem qua sách của tôi (nhấp vào đây để xem sách của tôi trên Amazon.com) và truy cập các trang web của tôi: www.diyPhysics.com và www. UVIRimaging.com.