Преобразование видеокамеры 1980-х годов в поляриметрический формирователь изображений в реальном времени: 14 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Поляриметрическая визуализация предлагает путь к разработке приложений, меняющих правила игры, в широком диапазоне областей - от мониторинга окружающей среды и медицинской диагностики до приложений безопасности и борьбы с терроризмом. Однако очень высокая стоимость коммерческих поляриметрических камер препятствовала исследованиям и разработкам в области поляриметрических изображений. В этой статье представлены подробные инструкции по преобразованию излишней трехкамерной цветной камеры 1980-х годов в поляриметрический формирователь изображений в реальном времени. Камера, использованная в качестве основы для этого преобразования, широко доступна на избыточном рынке по цене около 50 долларов. Эта инструкция по превращению мусора в сокровище покажет вам, как превратить камеру, которая подходит только в качестве опоры, в полезный научный инструмент, коммерческие версии которого будут стоить многие десятки тысяч долларов.

Для этого преобразования вам понадобятся следующие предметы:

• Рабочая лишняя камера JVC KY-1900 (модели KY-2000 и KY-2700 кажутся похожими на KY-1900 и также могут подойти)
• Широкополосный светоделитель 70T / 30R Ø25,4 мм (например, Thorlabs BSS10)
• Широкополосный светоделитель 50/50 Ø25,4 мм (например, Thorlabs BSW10)
• Переходные кольца для светоделителей, напечатанные на 3D-принтере
• Лист поляризационного пластика (например, Edmund Optics 86-188)

Шаг 1: понимание поляриметрической визуализации

Световая волна характеризуется длиной волны, которую мы воспринимаем как районный цвет; его амплитуда, которую мы воспринимаем как уровень интенсивности; и угол, под которым он колеблется относительно оси отсчета. Этот последний параметр называется «углом поляризации» волны и является характеристикой света, которую не может различить невооруженный глаз. Однако поляризация света несет интересную информацию о нашей визуальной среде, и некоторые животные способны ее воспринимать и критически полагаться на это чувство для навигации и выживания.

Подробное и легкое для понимания описание поляриметрического изображения и его приложений доступно в моем техническом документе о поляриметрических камерах DOLPi, доступном по адресу:

www.diyphysics.com/wp-content/uploads/2015/10/DOLPi_Polarimetric_Camera_D_Prutchi_2015_v5.pdf и его презентация на YouTube по адресу:

Шаг 2: покупка и настройка камеры

KY-1900 была представлена как цветная камера профессионального уровня в конце 70-х годов. Это была одна из немногих моделей, которые были произведены с пластиковым оранжевым корпусом, что делало ее очень характерной и свидетельствовала о профессионализме съемочной группы. Еще в 1982 году эта камера продавалась по цене около 9000 долларов.

Сегодня вы сможете найти такой на избыточном рынке примерно за 50 долларов. KY-1900 был построен как танк, поэтому очень высоки шансы, что он будет полностью функциональным, если будет хорошо выглядеть косметически. Просто подключите его к цветному монитору NTSC и подайте на него 12 В постоянного тока (камера потребляет около 1,7 А).

Перед тем, как приступить к модификации, убедитесь, что камера находится в рабочем состоянии и правильно выровнена. Воспользуйтесь инструкциями, приведенными в Приложении II к техническому документу проекта, чтобы выровнять камеру и убедиться, что она работает правильно.

Шаг 3: доступ к оптическому узлу

Первым шагом в преобразовании является доступ к оптическому узлу камеры, который включает в себя следующие шаги:

• Снимите левую крышку камеры.
• Снимите печатную плату DF.
• Снимите пластиковую изоляционную пленку, прикрепленную двусторонней лентой к внешней крышке оптического блока.

Шаг 4: Открытие оптического узла

Подденьте внутреннюю крышку оптического блока. Эта пластина приклеена к сборке. Пластина больше не будет использоваться, поэтому не беспокойтесь о ее искажении. Однако будьте осторожны, чтобы не повредить оптические элементы внутри сборки.

В нижней части рисунка изображена оптическая сборка немодифицированной камеры JVC KY-1900. Падающий свет через первую ретрансляционную линзу разделяется дихроичными светоделителями на три цветных изображения, прежде чем они отправляются в соответствующие трубки Saticon через вторую ретрансляционную линзу. Модификация поляриметрического формирователя изображения в реальном времени включает замену исходных дихроичных светоделителей узла дихроичного светоделителя на широкополосные светоделители, устранение цветовых подстроечных фильтров внутри вторых релейных линз и добавление анализаторов поляризации.

Шаг 5: Удаление сборки дихроичного светоделителя

Узел светоделителя удерживается тремя винтами, одним спереди и двумя сзади. Поэтому для доступа к ним необходимо снять правую крышку камеры, печатную плату и пластиковую пленку.

Шаг 6: 3D-печать переходных колец светоделителя

Дихроичные светоделители, изначально использовавшиеся в камере KY-1900, имеют нестандартный диаметр, поэтому я решил использовать для модификации широкополосные пластинчатые светоделители диаметром 1 дюйм. Мой друг и коллега Джейсон Мейерс разработал и напечатал на 3D-принтере фиксирующее кольцо, которое удерживает 1-дюймовые светоделители на месте. Файлы САПР и 3D-печати доступны в этом DropBox.

Шаг 7: Замена дихроичных светоделителей широкополосными светоделителями

Следующим шагом в процессе преобразования является замена дихроичных светоделителей широкополосными светоделителями. Изображение должно быть более или менее равномерно разделено на три изображения, поэтому первый светоделитель должен отражать около 33,33% падающего света, позволяя 66,66% света проходить на второй светоделитель, который затем должен разделить эту часть. равномерно. Я использовал следующие светоделители:

• Широкополосный светоделитель 70T / 30R Ø25,4 мм (Thorlabs BSS10)
• Широкополосный светоделитель 50/50 Ø25,4 мм (Thorlabs BSW10)

Широкополосные светоделители внутри стопорных колец должны быть установлены в сборке, а затем модифицированная сборка светоделителей может быть установлена на место. Временно повторно подключите печатные платы. Убедившись, что ничто не закорачивает открытые части оптического узла, включите камеру. Если вы правильно разместили светоделители, потребуется лишь небольшая регулировка потенциометров по горизонтали / вертикали, чтобы добиться совмещения. Вы заметите, что изображение все еще остается цветным, хотя и немного размытым по сравнению с исходным изображением. Изображение по-прежнему отображается в цвете, потому что в линзах вторичного реле есть очень сильные фильтры, которые необходимо удалить.

Шаг 8: доступ ко вторым релейным линзам

Удаление вторых релейных линз (так их называют JVC) из оптического блока требует дополнительной разборки камеры. Это связано с тем, что трубки захвата изображения должны быть сняты, прежде чем можно будет вынуть вторичные релейные линзы.

Начните с извлечения и отсоединения печатных плат от кабельных сборок. Затем снимите заднюю часть камеры. Узлы трубок затем можно снять с кожухов трубок оптического узла, открыв доступ ко вторым релейным линзам.

Шаг 9: снятие и разборка линз второго реле (по одной!)

Линзы второго реле удерживаются на месте с помощью хорошо скрытых небольших установочных винтов, доступных с правой стороны оптического узла. Как только установочный винт откроется, вытащите вторую линзу реле, с которой вы собираетесь работать. Оберните несколько слоев толстой изоленты с двух сторон оптической трубки и откройте ее плоскогубцами.

Шаг 10: снятие цветных фильтров и повторная сборка линзы второго реле

Цветной фильтр следует удалить, открутив стопорное кольцо гаечным ключом или острым пинцетом. Сняв фильтр, просто соберите линзу и затяните вручную.

Удаление цветного фильтра приводит к смещению фокуса вторичной релейной линзы, поэтому ее не следует полностью повторно вставлять в оптическую сборку. Вместо этого модифицированные линзы вторичного реле должны выступать только примерно на 2,5 мм.

Камеру можно собрать заново после установки и закрепления установочными винтами всех модифицированных линз вторичного реле. Оставьте оптический блок доступным и только временно подсоедините плату DF, убедившись, что она не закорачивает оптический блок.

Шаг 11: настройка камеры

Теперь пора очень тщательно выровнять камеру, чтобы получить идеально черно-белое изображение. Некоторый уровень цветовой окантовки будет всегда виден, потому что линзы вторичного реле были разработаны для узкого диапазона длин волн и теперь используются во всей полосе пропускания видимого света. Окантовка особенно заметна по краям изображения, когда зум полностью отведен назад, но достойной регистрации можно добиться, терпеливо следуя процедуре, описанной в Приложении II к техническому документу проекта.

Шаг 12: Изготовление фильтров анализатора поляризации

Вырежьте три квадрата 1,42 × 1,42 дюйма из поляризационного листа. Я использовал поляризационную ламинированную пленку Edmund Optics 86-188 150 x 150 мм, толщина 0,75 мм. Я выбрал эту пленку вместо более дешевых, потому что она отличается очень высоким коэффициентом экстинкции, а также высоким коэффициентом пропускания, что позволяет получать лучшие поляриметрические изображения. Обратите внимание на рисунок, что один из квадратов срезан под 45 ° по отношению к двум другим.

Шаг 13: Добавление анализаторов поляризации

Прикрепите анализаторы поляризации прозрачной лентой к оптическому узлу так, чтобы они располагались в пределах оптических путей к трубкам, как показано на рисунке.

Вот и все! Преобразование завершено. Вы можете протестировать камеру на этом этапе перед повторной сборкой крышки оптического блока (я отказался от внутренней крышки), повторным прикреплением пластикового листа, повторным подключением платы DF и закрытием корпуса камеры.

Шаг 14: Использование камеры

На рисунке показаны результаты с образцом мишени, сделанным из кусочков поляризационного пластика под углами от 0 ° до 180 ° вместе с цветной полосой. Цель, снятая с помощью модифицированной камеры JVC KY-1900, показывает цветовую шкалу и другие неполяризованные элементы изображения в оттенках серого, в то время как части поляризующей пленки ярко окрашены, кодируя их угол поляризации в пространстве RGB NTSC.

Для получения дополнительной информации об этом проекте, пожалуйста, загрузите технический документ проекта с www.diyPhysics.com.

Первый приз в мусорном ведре - в сокровищницу