Diy Wärmebildkamera-Telekonverter - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Ich habe vor kurzem eine Seek RevealPro Wärmebildkamera gekauft, die über einen 320 x 240 Wärmesensor mit einer Bildrate von >15 Hz zu einem unglaublich günstigen Preis verfügt.

Eines der einzigen Probleme, die ich mit dieser Kamera habe, ist, dass sie mit einem festen 32°-Sichtfeldobjektiv geliefert wird. Dies ist für die allgemeine thermische Inspektion in Ordnung, aber ein echter Nachteil, wenn man versucht, die Kamera für Nahaufnahmen zu verwenden, um die Verlustleistung auf Leiterplatten zu beurteilen oder ein fehlerhaftes oder zu klein dimensioniertes Bauteil zu identifizieren. Auf der gegenüberliegenden Seite des Entfernungsbereichs erschwert das 32 ° FOV-Objektiv das Sehen und Messen der Temperatur von Objekten in der Ferne oder von kleineren Objekten in normalen Entfernungen.

Es wurden diy "Makro"-Vergrößerungsadapter beschrieben, aber mir ist nicht bekannt, dass noch jemand gezeigt hat, wie man einen Telekonverter für eine dieser Kameras baut.

Schritt 1: Einfache Teleskope

Die Abbildung eines Objekts aus der Ferne mit einer Wärmebildkamera erfordert ein einfaches Teleskop mit Linsen, die im Bereich von 10 µm arbeiten. Ein grundlegendes brechendes Teleskop mit zwei optischen Elementen, einem Objektiv und einem Okular. Das Objektiv ist eine große Linse, die Licht von einem entfernten Objekt sammelt und ein Bild dieses Objekts in der Brennebene erzeugt. Das Okular ist nur eine Lupe, durch die die Wärmebildkamera das virtuelle Bild betrachten kann.

Wie in der Abbildung gezeigt, gibt es zwei Grundkonfigurationen für ein refraktives Teleskop: Ein Kepler-Teleskop hat ein Sammellinsen-Okular und ein Galilei-Teleskop hat ein Zerstreuungslinsen-Okular. Das Bild, das durch das Kepler-Teleskop betrachtet wird, ist invertiert, während das von einem Galilei-Teleskop erzeugte aufrecht steht. Das Teleskop selbst ist kein Bilderzeugungssystem. Vielmehr bildet die am Teleskop angebrachte Wärmebildkamera letztendlich das Bild durch ihre eigene Optik.

Die Vergrößerung eines Kepler-Teleskops wird durch das Verhältnis der Brennweiten der Objektiv- und Okularlinsen bestimmt:

Vergrößerung_Keplerian = fo/fe

Das Galilei-Teleskop verwendet ein positives Objektiv und ein negatives Okular, so dass seine Vergrößerung gegeben ist durch:

Magnigication_Galilean = -fo/fe

Auch die Größe des Objektivs ist wichtig, denn je größer sein Durchmesser, desto mehr Licht kann es sammeln und desto besser kann es nahe Objekte auflösen.

Schritt 2: Auswahl von Objektiven, die für die Wärmebildgebung geeignet sind

Wärmebildkameras messen die Intensität des Infrarotlichts bei etwa 10 µm. Dies liegt daran, dass Objekte gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz Schwarzkörperstrahlung mit einem Spitzenwert bei dieser Wellenlänge emittieren. Da normales Glas jedoch kein Licht bei diesen Wellenlängen durchlässt, müssen die bei der Wärmebildgebung verwendeten Linsen entweder aus Germanium oder Zinkselenid bestehen, die Strahlung im Bereich von 10 µm durchlassen.

Germanium (Ge)-Linsen werden aufgrund ihres breiten Transmissionsbereichs (2,0 - 16 µm) im interessierenden Spektralbereich am häufigsten für Wärmebildanwendungen verwendet. Germanium-Gläser sind undurchlässig für sichtbares Licht und haben einen glasig-grauen Metallic-Look. Sie sind inert gegenüber Luft, Wasser, Laugen und den meisten Säuren. Germanium hat einen Brechungsindex von 4,004 bei 10,6 µm und seine Transmissionseigenschaften sind sehr temperaturempfindlich.

Zinkselenid (ZnSe) wird viel häufiger bei CO2-Lasern verwendet. Es hat einen sehr breiten Transmissionsbereich (600 nm - 16,0 µm). Aufgrund der geringen Absorption im roten Teil des sichtbaren Spektrums werden ZnSe-Linsen häufig in optischen Systemen verwendet, die CO2-Laser (die üblicherweise bei 10,6 µm arbeiten) mit kostengünstigen HeNe- oder Halbleiter-Ausrichtungslasern im sichtbaren Rotbereich kombinieren. Ihr Transmissionsbereich umfasst einen Teil des sichtbaren Spektrums, was ihnen einen tiefen Orangeton verleiht.

Neue Infrarotlinsen können von Thorlabs, Edmund Optics und anderen Anbietern optischer Komponenten erworben werden. Wie Sie sich vorstellen können, sind diese Linsen nicht billig – Ø 1/2 Ge plankonvexe Linsen von Thorlabs kosten etwa 140 US-Dollar, während ZnSe-Linsen ungefähr 160 US-Dollar kosten ca. $ 300. Überschüssige Fundstücke oder Fernost-Angebote stellen daher am besten die Makro- und Tele-Adapter her. ZnSe-Objektive aus China können bei eBay® für rund $ 60 gekauft werden.

Schritt 3: Telefotokonverter-Design

Ich konnte ein Ø1" Ge plankonvexes Objektiv mit einer Brennweite von 50 mm (ähnlich einem Thorlabs LA9659-E3) und ein Ø1/2" Ge plankonvexes Objektiv mit einer Brennweite von 15 mm (ähnlich wie a Thorlabs LA9410-E3) um meinen Keplerschen Telekonverter zu machen. Die Vergrößerung ist also:

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

Teleobjektive mit anderen Vergrößerungen sind mit den oben gezeigten einfachen Formeln leicht zu konstruieren. Bitte beachten Sie, dass die Länge des Hauptobjektivtubus möglicherweise geändert werden muss, da der Abstand zwischen den Objektiven nahe f0 + fe liegen sollte.

Schritt 4: Komponenten für den Telephoto Converter sammeln

Sie benötigen die folgenden Komponenten, um einen Telekonverter wie meinen zu bauen (alles sind Thorlabs-Teile):

LA9659-E3 Ø1 Ge plankonvexe Linse, f = 50 mm, AR-Beschichtung: 7-12 µm $241.74

LA9410-E3 Ø1/2 Ge plankonvexe Linse, f = 15 mm, AR-Beschichtung: 7-12 µm $ 139.74

SM1V05 Ø1" verstellbarer Objektivtubus, 0,31" Verfahrbereich $30.25

SM1L15 SM1 Objektivtubus, 1,50 Gewindetiefe, ein Haltering im Lieferumfang enthalten

SM1A1 Adapter mit Außengewinde SM05 und Innengewinde SM1 $20.60

SM05L03 SM05 Objektivtubus, 0,30 Gewindetiefe, ein Haltering im Lieferumfang enthalten

SM1RR SM1 Haltering für Ø1 Objektivtuben und Fassungen $4.50

Insgesamt mit neuen Germanium-Objektiven $466.33

Gehäuse nur 84,85 $

Ich habe meinen Telekonverter in einem optischen Tubus untergebracht, der mit den Röhrenkomponenten SM1 und SM05 von Thorlab hergestellt wurde. Ich habe das Objektiv an der Vorderseite eines einstellbaren Objektivtubus SM1V05 platziert, um die Fokussierung zu ermöglichen, indem ich den Abstand zwischen den Linsen einstellen kann. Ein externer SM1-Ring wird verwendet, um den Fokus zu fixieren. Wenn Sie brandneue Teile von Thorlabs verwenden, können Sie mit rund 466 US-Dollar rechnen. Wenn Sie ZnSe-Objektive von eBay® und neue Teile für das Gehäuse verwenden, werden Sie wahrscheinlich rund 200 US-Dollar ausgeben.

Das Gehäuse für das Teleskop muss nicht so schick sein wie meines. PVC-Rohre mit einer gewissen Anordnung zum Fokussieren (z. B. Objektiv auf Gewindekappe montiert) funktionieren einwandfrei. Die SM Tubes von Thorlabs gefallen mir jedoch sehr gut, weil sie relativ günstig sind und sich perfekt für den Bau dieser Art von optischen Instrumenten eignen. Darüber hinaus sitzt die Gewindeseite des SM05L03 des Okulars perfekt am Haltering des Objektivs des Seek RevealPRO.

Schritt 5: Konstruktionsschritt 1: Entfernen Sie den Ring aus dem SM1L15-Rohr

Entfernen Sie mit den Fingern oder einem Schraubenschlüssel (z. B. Thorlabs SPW602 für 26,75 USD) den SM1-Haltering, der sich im SM1L15-Rohr befindet.

Schritt 6: Konstruktion Schritt 2: Bauteile für die Montage des Objektivs vorbereiten

Bereiten Sie die Komponenten vor, die Sie für die Montage des Objektivs benötigen:

• SM1V05 verstellbarer Objektivtubus
• Zwei SM1-Halteringe (einer davon stammt aus dem SM1L15-Linsentubus, wie im vorherigen Schritt gezeigt)
• Ø1" Ge Plankonvexlinse, f = 50 mm, AR-Beschichtung: 7-12 µm (oder ähnlich)

Schritt 7: Konstruktion Schritt 3: Setzen Sie den SM1 Haltering in SM1V05 bis zu einer Tiefe von 6 mm ein

Führen Sie mit einem Schraubenschlüssel oder Ihren Fingern einen Haltering bis zu einer Tiefe von ca. 6 mm in den verstellbaren Linsentubus SM1V05 ein. Dies kann je nach Objektiv, das Sie als Objektiv gewählt haben, geändert werden. Die Idee ist, dass die Linse so weit hinten sitzen kann, dass ein Haltering auf der anderen Seite der Linse verwendet werden kann.

Schritt 8: Konstruktion Schritt 4: Objektivlinse und äußeren Haltering einsetzen

Setzen Sie das Objektiv mit der konvexen Seite nach außen ein und fixieren Sie es mit dem zweiten Haltering. Achten Sie darauf, nicht zu fest anzuziehen, da dies die Linse beschädigen kann! Wenn Sie anstelle eines Schraubenschlüssels eine Pinzette oder ein anderes Werkzeug verwenden, achten Sie darauf, die Linse nicht zu zerkratzen.

Schritt 9: Konstruktion Schritt 5: Komponenten für das Okular vorbereiten

Bereiten Sie die Komponenten vor, die Sie zum Zusammenbau des Okulars verwenden:

• SM05L03 Linsentubus
• SM5 Haltering (vom SM05L03 Rohr entfernt)
• Ø1/2" Ge Plankonvexlinse, f = 15 mm, AR-Beschichtung: 7-12 µm (oder ähnlich)

Schritt 10: Konstruktion Schritt 6: Okular zusammenbauen

Bauen Sie das Okular zusammen, indem Sie die Okularlinse in den Tubus SM05L03 einsetzen. Die konvexe Seite sollte zum Außengewinde zeigen (unten im folgenden Bild). Fixieren Sie das Objektiv mit dem Haltering SM05. Verwenden Sie vorzugsweise einen SM05-Schraubenschlüssel (z. B. Thorlabs SPW603, der für 24,50 USD verkauft wird), um den SM05-Sicherungsring einzusetzen und festzuziehen. Achten Sie darauf, nicht zu fest anzuziehen, da dies die Linse beschädigen kann! Wenn Sie anstelle eines Schraubenschlüssels eine Pinzette oder ein anderes Werkzeug verwenden, achten Sie darauf, die Linse nicht zu zerkratzen.

Schritt 11: Konstruktion Schritt 7: Okular am SM1-zu-SM05-Adapter montieren

Schrauben Sie die Okularlinseneinheit auf einen SM1A1 SM1-zu-SM05-Adapter.

Schritt 12: Konstruktionsschritt 8: Endmontage

Schrauben Sie schließlich die Okularlinseneinheit (auf dem SM1A1-Adapter montiert) und die Objektivlinseneinheit auf den SM1L15-Linsentubus. Damit ist die Montage des Keplerschen Telekonverters abgeschlossen.

Schritt 13: Verwenden Sie den Telefotokonverter

Platzieren Sie den Telekonverter vor dem Objektiv der Wärmebildkamera und beginnen Sie mit der Erkundung! Sie sollten das Objektiv fokussieren, indem Sie die Objektivlinseneinheit drehen, bis das schärfste Bild Ihres Motivs erhalten wird. Der externe SM1-Ring, der mit dem verstellbaren Objektivtubus SM1V05 geliefert wird, kann verwendet werden, um die Fokuseinstellung zu sperren.

Vielleicht möchten Sie in Betracht ziehen, einen Thorlabs SM05NT ($6,58) SM05 Locking Ring (ID 0,535"-40, 0,75" OD) dauerhaft an der Objektivfassung Ihrer Kamera anzubringen, damit Sie schnell Makro- oder Telekonverter vor dem Objektiv der Kamera montieren können, ohne dies zu beeinträchtigen seine ursprüngliche Funktionalität.

Denken Sie schließlich daran, dass ein Kepler-Teleskop das Bild invertiert, sodass Sie das Wärmebild auf dem Bildschirm Ihrer Kamera verkehrt herum sehen. Es braucht nur ein wenig Übung, um sich daran zu gewöhnen, dass das Ausrichten der Kamera mit installiertem Telekonverter Bewegungen in die entgegengesetzte Richtung des Bildes erfordert.

Schritt 14: Leistung

Ich bin sehr zufrieden mit den Ergebnissen. Die Abbildungen zeigen einige Beispielbilder des verwendeten Telekonverters. Die linken Fenster zeigen das Bild, das durch die feste Linse des Seek RevealPRO aufgenommen wurde. Die rechten Fenster zeigen dieselbe Szene mit dem 3,33-Tele-Konverter. Ich habe den Bildern in den linken Fenstern ein orangefarbenes Rechteck hinzugefügt, um den vom Telekonverter vergrößerten Bereich anzuzeigen. Die Abmessungen des Rechtecks betragen 1/3,33 der des Bildrahmens, was zeigt, dass die vom Telekonverter erreichte Vergrößerung tatsächlich ×3,33 beträgt.

Natürlich sind die beim Seek RevealPRO verwendeten Linsensysteme und der Telekonverter extrem einfach, sodass mit Verzerrungen und Vignettierung zu rechnen ist. Wie auf den Fotos meiner Hinterhofnachbarn und eines Teils des Himmels zu sehen ist, ist die Vignettierung am deutlichsten, wenn der Telekonverter verwendet wird, um Motive aus großer Entfernung aufzunehmen. Trotzdem werden Details, die mit der Kamera ohne Hilfe nicht zu sehen sind, mit dem Telekonverter sehr gut sichtbar.

Schritt 15: Quellen

Die folgenden sind Quellen für die Materialien, die in diesem Instructable erwähnt werden:

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

Hinweis: Ich bin in keiner Weise mit diesen Unternehmen verbunden.

Weiterführende Literatur und Experimente

Weitere interessante Experimente zur Physik und Fotografie der unsichtbaren Welt finden Sie in meinen Büchern (klicken Sie hier für meine Bücher auf Amazon.com) und besuchen Sie meine Websites: www.diyPhysics.com und www. UVIRimaging.com.