Телеобъектив тепловизора своими руками: 15 шагов

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

Недавно я купил тепловизионную камеру Seek RevealPro, которая может похвастаться тепловизионным датчиком 320 x 240 с частотой кадров> 15 Гц по невероятно доступной цене.

Одна из единственных проблем, с которыми я столкнулся с этой камерой, заключается в том, что она оснащена объективом с фиксированным углом обзора 32 °. Это нормально для общего теплового контроля, но это реальный недостаток при попытке использовать камеру для крупномасштабных работ, чтобы оценить рассеивание на печатных платах или выявить неисправный или малоразмерный компонент. На противоположной стороне диапазона расстояний объектив с углом обзора 32 ° затрудняет наблюдение и измерение температуры объектов на расстоянии или более мелких объектов на нормальном расстоянии.

Были описаны diy «макро» увеличительные адаптеры, но я не знаю, чтобы кто-нибудь еще показал, как построить телеобъектив для одной из этих камер.

Шаг 1: простые телескопы

Для визуализации объекта на расстоянии с помощью тепловизора требуется простой телескоп с линзами, работающими в диапазоне 10 мкм. Базовый телескоп-рефрактор с двумя оптическими элементами, объективом и окуляром. Объектив представляет собой большую линзу, которая собирает свет от удаленного объекта и создает изображение этого объекта в фокальной плоскости. Окуляр - это просто увеличительное стекло, через которое тепловизор может просматривать виртуальное изображение.

Как показано на рисунке, существует две основные конфигурации рефракционного телескопа: телескоп Кеплера имеет окуляр со сходящейся линзой, а телескоп Галилея имеет окуляр с расходящейся линзой. Изображение, наблюдаемое через телескоп Кеплера, перевернуто, в то время как изображение, полученное телескопом Галилея, находится в вертикальном положении. Сам по себе телескоп не является системой формирования изображения. Скорее всего, тепловизионная камера, прикрепленная к телескопу, в конечном итоге формирует изображение с помощью своей собственной оптики.

Увеличение телескопа Кеплера определяется соотношением фокусных расстояний объектива и линз окуляра:

Увеличение_Кеплериан = fo / fe

В телескопе Галилея используются положительный объектив и отрицательный окуляр, поэтому его увеличение определяется по формуле:

Magnigication_Galilean = -fo / fe

Размер объектива также важен, потому что чем больше его диаметр, тем больше света он может собирать и тем лучше он может разрешать близкие объекты.

Шаг 2: выбор линз, подходящих для тепловидения

Тепловизионные камеры измеряют интенсивность инфракрасного света около 10 мкм. Это связано с тем, что объекты испускают излучение черного тела с пиком примерно на этой длине волны в соответствии с законом смещения Вина. Однако обычное стекло не пропускает свет на этих длинах волн, поэтому линзы, используемые в тепловизионных изображениях, должны быть сделаны из селенида германия или цинка, которые пропускают излучение в диапазоне 10 мкм.

Линзы из германия (Ge) чаще всего используются для тепловизоров из-за их широкого диапазона пропускания (2,0 - 16 мкм) в интересующей спектральной области. Германиевые линзы непрозрачны для видимого света и имеют глянцево-серый металлический вид. Они инертны к воздуху, воде, щелочам и большинству кислот. Германий имеет показатель преломления 4,004 при 10,6 мкм, а его свойства пропускания очень чувствительны к температуре.

Селенид цинка (ZnSe) гораздо чаще используется с CO2-лазерами. Он имеет очень широкий диапазон пропускания (600 нм - 16,0 мкм). Из-за низкого поглощения в красной части видимого спектра линзы из ZnSe обычно используются в оптических системах, в которых сочетаются CO2-лазеры (которые обычно работают на длине волны 10,6 мкм) с недорогими гелий-неоновыми лазерами в видимой области спектра или полупроводниковыми юстировочными лазерами. Их диапазон передачи включает часть видимого спектра, что придает им темно-оранжевый оттенок.

Новые инфракрасные линзы можно приобрести у Thorlabs, Edmund Optics и других поставщиков оптических компонентов. Как вы понимаете, эти линзы недешевы - плосковыпуклые линзы Ø1 / 2 Ge от Thorlabs стоят около 140 долларов, а линзы из ZnSe - около 160 долларов. Линзы из Ge диаметром 1 дюйм продаются по цене около 240 долларов, в то время как ZnSe с таким диаметром стоит около 300 долларов. Таким образом, для изготовления макро- и телеобъективов лучше всего подходят излишки или предложения с Дальнего Востока. Линзы из ZnSe из Китая можно купить на eBay® примерно за 60 долларов.

Шаг 3: Дизайн телеобъектива

Мне удалось найти плоско-выпуклую линзу Ge диаметром 1 дюйм с фокусным расстоянием 50 мм (аналогично Thorlabs LA9659-E3) и плосковыпуклую линзу Ge диаметром 1/2 дюйма с фокусным расстоянием 15 мм (аналогично a Thorlabs LA9410-E3), чтобы сделать мой кеплеровский телеобъектив с увеличением, таким образом:

Увеличение = fo / fe = 50 мм / 15 мм = 3,33

Телеобъективы с другим увеличением легко сконструировать, используя простые формулы, показанные выше. Обратите внимание, что, возможно, потребуется изменить длину основной трубки объектива, поскольку расстояние между линзами должно быть близко к f0 + fe.

Шаг 4. Соберите компоненты для телеобъектива

Вам понадобятся следующие компоненты, чтобы построить телеобъектив, подобный моему (все части Thorlabs):

LA9659-E3 Плоско-выпуклая линза Ge Ø1 , f = 50 мм, просветляющее покрытие: 7-12 мкм $ 241,74

LA9410-E3 Плоско-выпуклая линза Ge Ø1 / 2 , f = 15 мм, просветляющее покрытие: 7-12 мкм $ 139,74

SM1V05 Регулируемая трубка объектива Ø1 ", диапазон хода 0,31" $ 30,25

SM1L15 Трубка объектива SM1, глубина резьбы 1,50 дюйма, одно стопорное кольцо в комплекте $ 15,70

Адаптер SM1A1 с внешней резьбой SM05 и внутренней резьбой SM1 $ 20.60

SM05L03 Трубка объектива SM05, глубина резьбы 0,30 дюйма, в комплекте одно стопорное кольцо $ 13,80

SM1RR SM1 Стопорное кольцо для линз Ø1 и креплений $ 4,50

Итого с новыми германиевыми линзами $ 466,33

Жилье всего $ 84,85

Я поместил свой телеобъектив в оптическую трубку, сделанную из ламповых компонентов Thorlab SM1 и SM05. Я поместил линзу объектива в передней части регулируемой линзы SM1V05, чтобы обеспечить фокусировку, позволяя регулировать расстояние между линзами. Внешнее кольцо SM1 используется для блокировки фокуса. Используя новые детали от Thorlabs, вы можете рассчитывать потратить около 466 долларов. Если вы используете линзы из ZnSe от eBay® и новые детали для корпуса, вы, вероятно, потратите около 200 долларов.

Корпус для телескопа не должен быть таким красивым, как у меня. Трубы из ПВХ с некоторыми приспособлениями для фокусировки (например, линза на резьбовом колпачке) подойдут идеально. Однако мне очень нравятся трубки SM от Thorlabs, потому что они относительно недороги и идеально подходят для создания оптических инструментов такого типа. Кроме того, сторона с резьбой окуляра SM05L03 идеально прилегает к стопорному кольцу объектива Seek RevealPRO.

Шаг 5: Конструкция Шаг 1: Снимите кольцо с трубки SM1L15

Используя пальцы или гаечный ключ (например, Thorlabs SPW602, который продается за 26,75 долларов США) снимите стопорное кольцо SM1, которое входит в трубку SM1L15.

Шаг 6: Конструкция Шаг 2: Подготовьте компоненты для сборки линзы объектива

Подготовьте компоненты, которые вам понадобятся для сборки линзы объектива:

• SM1V05 регулируемый тубус объектива
• Два стопорных кольца SM1 (одно из них происходит от тубуса объектива SM1L15, как показано на предыдущем шаге)
• Плоско-выпуклая линза Ge Ø1 ", f = 50 мм, просветляющее покрытие: 7-12 мкм (или подобное)

Этап 7: Строительство Этап 3. Вставьте стопорное кольцо SM1 в SM1V05 на глубину 6 мм

Используя гаечный ключ или пальцы, вставьте одно фиксирующее кольцо в регулируемую трубку объектива SM1V05 на глубину примерно 6 мм. Это может потребоваться изменить в зависимости от объектива, который вы выбрали в качестве объектива. Идея состоит в том, чтобы позволить линзе сидеть достаточно сзади, чтобы можно было использовать фиксирующее кольцо с другой стороны линзы.

Шаг 8: Конструкция Шаг 4: Вставьте линзу объектива и внешнее стопорное кольцо

Вставьте линзу объектива выпуклой стороной наружу, а затем закрепите на месте с помощью второго фиксирующего кольца. Будьте осторожны, не затягивайте слишком сильно, так как это может повредить линзу! Если вы используете пинцет или другой инструмент вместо гаечного ключа, будьте осторожны, чтобы не поцарапать линзу.

Шаг 9: Конструкция Шаг 5: Подготовка компонентов для окуляра

Подготовьте компоненты, которые вы будете использовать для сборки окуляра:

• SM05L03 тубус объектива
• Стопорное кольцо SM5 (снято с трубки SM05L03)
• Плоско-выпуклая линза Ge Ø1 / 2 ", f = 15 мм, просветляющее покрытие: 7-12 мкм (или подобное)

Шаг 10: сборка Шаг 6: сборка окуляра

Соберите окуляр, вставив линзу окуляра в тубус SM05L03. Выпуклая сторона должна быть обращена к внешней резьбе (внизу на следующем рисунке). Зафиксируйте линзу фиксирующим кольцом SM05. Желательно использовать гаечный ключ SM05 (например, Thorlabs SPW603, который продается по цене 24,50 долл. США), чтобы вставить и затянуть стопорное кольцо SM05. Будьте осторожны, не затягивайте слишком сильно, так как это может повредить линзу! Если вы используете пинцет или другой инструмент вместо гаечного ключа, будьте осторожны, чтобы не поцарапать линзу.

Шаг 11: Конструкция Шаг 7: Установите окуляр на переходник SM1-SM05

Навинтите блок линзы окуляра на переходник SM1A1 SM1-SM05.

Шаг 12: Строительство Шаг 8: Окончательная сборка

Наконец, прикрутите блок линзы окуляра (установленный на переходнике SM1A1) и блок линзы объектива к тубусу линзы SM1L15. На этом сборка кеплеровского телеобъектива завершена.

Шаг 13: используйте телеобъектив

Поместите телеобъектив перед объективом тепловизора и приступайте к исследованию! Вы должны сфокусировать линзу, поворачивая линзу объектива до тех пор, пока не будет получено самое резкое изображение вашего объекта. Внешнее кольцо SM1, которое поставляется с регулируемой трубкой объектива SM1V05, можно использовать для блокировки настройки фокуса.

Возможно, вы захотите надолго прикрепить фиксирующее кольцо Thorlabs SM05NT (6,58 долл. США) SM05 (внутренний диаметр 0,535–40, внешний диаметр 0,75 дюйма) к креплению объектива вашей камеры, чтобы вы могли быстро установить макро- или телеобъективы перед объективом камеры, не влияя на свой оригинальный функционал.

Наконец, помните, что кеплеровский телескоп переворачивает изображение, поэтому вы будете видеть тепловое изображение на экране камеры в перевернутом виде. Достаточно немного практики, чтобы привыкнуть к тому факту, что наведение камеры с установленным телеобъективом требует движений в направлении, противоположном изображению.

Шаг 14: производительность

Я очень доволен результатами. На рисунках показаны некоторые примеры изображений используемого телеобъектива. На левой панели отображается изображение, снятое через фиксированный объектив Seek RevealPRO. Правые панели показывают ту же сцену с использованием телеобъектива × 3,33. Я добавил оранжевый прямоугольник к изображениям на левой панели, чтобы указать область, увеличенную телеобъективом. Размеры прямоугольника составляют 1 / 3,33 от размера кадра изображения, демонстрируя, что увеличение, достигаемое телеобъективом, действительно составляет × 3,33.

Конечно, системы линз, используемые в Seek RevealPRO и телеобъективе, чрезвычайно просты, поэтому следует ожидать искажений и виньетирования. Как показано на фотографиях моих соседей по заднему двору и части неба, виньетирование наиболее заметно при использовании телеобъектива для изображения объектов на большом расстоянии. Тем не менее, детали, которые нельзя увидеть невооруженной камерой, становятся очевидными при использовании телеобъектива.

Шаг 15: Источники

Ниже приведены источники материалов, упомянутых в данном Руководстве:

• Искать - www.thermal.com
• Thorlabs - www.thorlabs.com
• Эдмунд Промышленная оптика - www.edmundoptics.com

Примечание: я никоим образом не связан с этими компаниями.

Дополнительная литература и эксперименты

Для более интересных экспериментов по физике и фотографии невидимого мира, пожалуйста, просмотрите мои книги (щелкните здесь, чтобы увидеть мои книги на Amazon.com) и посетите мои веб-сайты: www.diyPhysics.com и www. UVIRimaging.com.