ตัวแปลงเทเลโฟโต้กล้องความร้อน Diy: 15 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

ฉันเพิ่งซื้อกล้องถ่ายภาพความร้อน Seek RevealPro ซึ่งมีเซ็นเซอร์ความร้อน 320 x 240 พร้อมอัตราเฟรม >15 Hz ในราคาที่จับต้องได้อย่างไม่น่าเชื่อ

ปัญหาเดียวที่ฉันมีกับกล้องนี้คือมันมาพร้อมกับเลนส์มุมกว้าง 32° คงที่ วิธีนี้ใช้ได้สำหรับการตรวจสอบอุณหภูมิทั่วไป แต่ข้อเสียจริง ๆ เมื่อพยายามใช้กล้องถ่ายภาพระยะใกล้เพื่อประเมินการกระจายตัวบนแผงวงจรพิมพ์หรือการระบุส่วนประกอบที่มีข้อบกพร่องหรือมีขนาดเล็กเกินไป ด้านตรงข้ามของช่วงระยะทาง เลนส์ 32° FOV ทำให้มองเห็นและวัดอุณหภูมิของวัตถุในระยะไกลได้ยาก หรือของวัตถุขนาดเล็กกว่าในระยะทางปกติ

มีการอธิบายอะแดปเตอร์ขยาย "มาโคร" แบบ DIY แล้ว แต่ฉันไม่ทราบว่ามีใครเคยแสดงวิธีสร้างตัวแปลงเทเลโฟโต้สำหรับกล้องเหล่านี้ตัวใดตัวหนึ่งแล้ว

ขั้นตอนที่ 1: กล้องโทรทรรศน์อย่างง่าย

การถ่ายภาพวัตถุในระยะไกลด้วยกล้องถ่ายภาพความร้อนต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ธรรมดาที่สร้างด้วยเลนส์ที่ทำงานในช่วง 10 µm กล้องโทรทรรศน์การหักเหแสงพื้นฐานที่มีชิ้นเลนส์สองชิ้น ได้แก่ วัตถุประสงค์และเลนส์ใกล้ตา วัตถุประสงค์คือเลนส์ขนาดใหญ่ที่รวบรวมแสงจากวัตถุที่อยู่ห่างไกลและสร้างภาพของวัตถุนั้นในระนาบโฟกัส ช่องมองภาพเป็นเพียงแว่นขยายซึ่งกล้องถ่ายภาพความร้อนสามารถดูภาพเสมือนจริงได้

ดังที่แสดงในภาพ มีการกำหนดค่าพื้นฐานสองแบบสำหรับกล้องโทรทรรศน์การหักเหของแสง: กล้องโทรทรรศน์ Keplerian มีเลนส์ใกล้ตาแบบบรรจบกัน และกล้องโทรทรรศน์กาลิเลียนมีเลนส์ใกล้ตาแบบแยกส่วน ภาพที่มองผ่านกล้องโทรทรรศน์เคปเลอเรียนจะกลับด้าน ในขณะที่ภาพที่ผลิตโดยกล้องโทรทรรศน์กาลิเลียนจะตั้งตรง กล้องโทรทรรศน์โดยตัวมันเองไม่ใช่ระบบสร้างภาพ แต่สุดท้ายแล้ว กล้องถ่ายภาพความร้อนที่ติดอยู่กับกล้องโทรทรรศน์จะสร้างภาพผ่านเลนส์ของมันเอง

กำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์ Keplerian กำหนดโดยอัตราส่วนระหว่างความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุกับเลนส์ใกล้ตา:

กำลังขยาย_Keplerian = fo/fe

กล้องโทรทรรศน์กาลิลีใช้วัตถุประสงค์เชิงบวกและเลนส์ตาลบ ดังนั้นกำลังขยายจึงได้มาจาก:

Magnigication_Galilean = -fo/fe

ขนาดของวัตถุก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่เท่าไร แสงก็ยิ่งสะสมได้มากเท่านั้น และยิ่งสามารถแก้ไขวัตถุที่อยู่ใกล้ได้ดียิ่งขึ้น

ขั้นตอนที่ 2: การเลือกเลนส์ที่เหมาะสมกับการถ่ายภาพความร้อน

กล้องถ่ายภาพความร้อนจะวัดความเข้มของแสงอินฟราเรดที่ประมาณ 10 µm นี่เป็นเพราะวัตถุปล่อยรังสีวัตถุสีดำออกมาที่ช่วงความยาวคลื่นนั้นตามกฎการกระจัดของ Wien อย่างไรก็ตาม กระจกธรรมดาไม่ส่งแสงที่ความยาวคลื่นเหล่านั้น ดังนั้น เลนส์ที่ใช้ในการถ่ายภาพความร้อนจะต้องทำจากเจอร์เมเนียมหรือซิงค์เซเลไนด์ ซึ่งช่วยให้รังสีในช่วง 10 µm สามารถผ่านได้

เลนส์เจอร์เมเนียม (Ge) มักใช้สำหรับการถ่ายภาพความร้อน เนื่องจากช่วงการส่งข้อมูลกว้าง (2.0 - 16 µm) ในบริเวณสเปกตรัมที่สนใจ เลนส์เจอร์เมเนียมมีความทึบแสงและมีลักษณะเป็นโลหะสีเทาคล้ายแก้ว พวกมันเฉื่อยต่ออากาศ น้ำ ด่างและกรดส่วนใหญ่ เจอร์เมเนียมมีดัชนีการหักเหของแสง 4.004 ที่ 10.6 µm และคุณสมบัติการส่งผ่านของเจอร์เมเนียมนั้นไวต่ออุณหภูมิสูง

Zinc Selenide (ZnSe) มักใช้กับเลเซอร์ CO2 มีช่วงการส่งข้อมูลที่กว้างมาก (600 nm - 16.0 µm) เนื่องจากการดูดกลืนแสงในส่วนสีแดงของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ต่ำ เลนส์ ZnSe จึงมักใช้ในระบบออปติคัลที่รวมเลเซอร์ CO2 (ซึ่งโดยทั่วไปทำงานที่ 10.6 µm) เข้ากับเลเซอร์ HeNe หรือเซมิคอนดักเตอร์ที่มองเห็นได้ซึ่งมีราคาไม่แพง ระยะการส่งสัญญาณรวมถึงส่วนหนึ่งของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ทำให้พวกมันมีโทนสีส้มเข้ม

เลนส์อินฟราเรดชนิดใหม่สามารถซื้อได้จาก Thorlabs, Edmund Optics และซัพพลายเออร์ส่วนประกอบทางแสงอื่นๆ อย่างที่คุณจินตนาการได้ เลนส์เหล่านี้ไม่ถูกเลย – เลนส์ Ge plano-convex ขนาด Ø1/2 จาก Thorlabs มีราคาประมาณ $140 ในขณะที่เลนส์ ZnSe มีราคาประมาณ $160 เลนส์ Ø1” Ge ขายได้ในราคาประมาณ 240 เหรียญสหรัฐ ในขณะที่ ZnSe ที่ราคาเส้นผ่านศูนย์กลางนี้ ประมาณ 300 ดอลลาร์ การค้นหาส่วนเกินหรือข้อเสนอจากตะวันออกไกลจึงเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการสร้างอะแดปเตอร์มาโครและเทเลโฟโต้ เลนส์ ZnSe จากประเทศจีนสามารถซื้อบน eBay® ได้ในราคาประมาณ 60 ดอลลาร์

ขั้นตอนที่ 3: การออกแบบตัวแปลงเทเลโฟโต้

ฉันสามารถหาเลนส์ Ge plano-convex Ø1” ที่ทางยาวโฟกัส 50 มม. (คล้ายกับ Thorlabs LA9659-E3) และเลนส์ Ge plano-convex Ø1/2 ที่ทางยาวโฟกัส 15 มม. (คล้ายกับ Thorlabs LA9410-E3) เพื่อสร้างตัวแปลงเทเลโฟโต้ Keplerian ของฉัน กำลังขยายคือ:

กำลังขยาย = fo/fe = 50 มม./15 มม. = 3.33

อะแดปเตอร์เทเลโฟโต้ที่มีกำลังขยายอื่นๆ ออกแบบได้ง่ายโดยใช้สูตรง่ายๆ ที่แสดงด้านบน โปรดทราบว่าอาจจำเป็นต้องเปลี่ยนความยาวของท่อเลนส์หลัก เนื่องจากระยะห่างระหว่างเลนส์ควรใกล้กับ f0 + fe

ขั้นตอนที่ 4: รวบรวมส่วนประกอบสำหรับ Telephoto Converter

คุณจะต้องใช้ส่วนประกอบต่อไปนี้เพื่อสร้างตัวแปลงเทเลโฟโต้เหมือนของฉัน (ทั้งหมดเป็นส่วนของ Thorlabs):

LA9659-E3 Ø1 เลนส์ Ge Plano-Convex, 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" ท่อเลนส์ปรับได้, ช่วงการเดินทาง 0.31" $30.25

หลอดเลนส์ SM1L15 SM1, ความลึกของเกลียว 1.50 , รวมวงแหวนยึดหนึ่งอัน $15.70

อะแดปเตอร์ SM1A1 พร้อมเธรด SM05 ภายนอกและเธรด SM1 ภายใน $20.60

SM05L03 SM05 หลอดเลนส์, เกลียวลึก 0.30 , รวมวงแหวนยึดหนึ่งอัน $13.80

แหวนยึด SM1RR SM1 สำหรับท่อและเมาท์เลนส์ Ø1 $4.50

รวมเลนส์เจอร์เมเนียมใหม่ $466.33

ที่อยู่อาศัยเท่านั้น$84.85

ฉันติดตั้งตัวแปลงเทเลโฟโต้ของฉันไว้ในหลอดออปติคัลที่สร้างด้วยส่วนประกอบหลอด SM1 และ SM05 ของ Thorlab ฉันวางเลนส์ใกล้วัตถุไว้ที่ด้านหน้าของท่อเลนส์แบบปรับได้ SM1V05 เพื่อให้สามารถโฟกัสได้โดยทำให้สามารถปรับระยะห่างระหว่างเลนส์ได้ ใช้วงแหวน SM1 ภายนอกเพื่อล็อคโฟกัส การใช้ชิ้นส่วนใหม่เอี่ยมจาก Thorlabs คุณสามารถคาดว่าจะใช้จ่ายได้ประมาณ 466 เหรียญ หากคุณใช้เลนส์ ZnSe จาก eBay® และชิ้นส่วนใหม่สำหรับตัวเรือน คุณจะใช้จ่ายประมาณ 200 ดอลลาร์

โครงสำหรับกล้องโทรทรรศน์ไม่จำเป็นต้องหรูหราเท่าของฉัน ท่อพีวีซีที่มีการจัดเรียงสำหรับการโฟกัสบางอย่าง (เช่น เลนส์ที่ติดตั้งบนฝาเกลียว) จะทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ อย่างไรก็ตาม ฉันชอบหลอด SM ของ Thorlabs มาก เพราะมีราคาไม่แพงและเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างเครื่องมือเกี่ยวกับสายตาประเภทนี้ นอกจากนี้ ด้านเกลียวของเลนส์ใกล้ตา SM05L03 ยังยึดติดกับวงแหวนยึดของเลนส์ Seek RevealPRO ได้อย่างสมบูรณ์แบบ

ขั้นตอนที่ 5: การก่อสร้าง ขั้นตอนที่ 1: ถอดวงแหวนออกจาก SM1L15 Tube

ใช้นิ้วหรือประแจเลื่อน (เช่น Thorlabs SPW602 ซึ่งขายในราคา 26.75 เหรียญสหรัฐ) ถอดแหวนยึด SM1 ที่อยู่ภายในท่อ SM1L15

ขั้นตอนที่ 6: การสร้าง ขั้นตอนที่ 2: เตรียมส่วนประกอบสำหรับการประกอบเลนส์ใกล้วัตถุ

เตรียมส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับการประกอบเลนส์ใกล้วัตถุ:

• SM1V05 หลอดเลนส์ปรับได้
• แหวนยึด SM1 สองวง (หนึ่งในนั้นมาจากท่อเลนส์ SM1L15 ดังที่แสดงในขั้นตอนก่อนหน้า)
• Ø1" เลนส์ Ge Plano-Convex, f = 50 มม., เคลือบ AR: 7-12 µm (หรือใกล้เคียง)

ขั้นตอนที่ 7: การก่อสร้าง ขั้นตอนที่ 3: ใส่แหวนยึด SM1 ลงใน SM1V05 ที่ความลึก 6mm

ใช้ประแจเลื่อนหรือนิ้วของคุณ ใส่แหวนรองหนึ่งอันเข้าไปในท่อเลนส์แบบปรับได้ SM1V05 ที่ความลึกประมาณ 6 มม. นี้อาจต้องเปลี่ยนขึ้นอยู่กับเลนส์ที่คุณเลือกเป็นวัตถุประสงค์ของคุณ แนวคิดคือปล่อยให้เลนส์อยู่ด้านหลังเพียงพอเพื่อให้สามารถใช้วงแหวนยึดที่อีกด้านหนึ่งของเลนส์ได้

ขั้นตอนที่ 8: การสร้าง ขั้นตอนที่ 4: ใส่เลนส์ใกล้วัตถุและวงแหวนยึดด้านนอก

ใส่เลนส์ใกล้วัตถุโดยให้ด้านนูนหันออกด้านนอก จากนั้นยึดเข้าที่โดยใช้วงแหวนยึดอันที่สอง ระวังอย่าขันแน่นเกินไป เพราะอาจทำให้เลนส์เสียหายได้! หากคุณใช้แหนบหรือเครื่องมืออื่นๆ แทนประแจ ระวังอย่าให้เลนส์เป็นรอย

ขั้นตอนที่ 9: การก่อสร้าง ขั้นตอนที่ 5: เตรียมส่วนประกอบสำหรับช่องมองภาพ

เตรียมส่วนประกอบที่คุณจะใช้ประกอบเลนส์ใกล้ตา:

• หลอดเลนส์ SM05L03
• แหวนรอง SM5 (ถอดออกจากหลอด SM05L03)
• Ø1/2" เลนส์ Ge Plano-Convex, f = 15 mm, AR-Coated: 7-12 µm (หรือใกล้เคียง)

ขั้นตอนที่ 10: การก่อสร้าง ขั้นตอนที่ 6: ประกอบเลนส์ใกล้ตา

ประกอบเลนส์ตาโดยใส่เลนส์ช่องมองภาพลงในหลอด SM05L03 ด้านนูนควรหันไปทางเกลียวนอก (ในภาพต่อไปนี้) แก้ไขเลนส์ให้อยู่ในตำแหน่งที่มีวงแหวนยึด SM05 ควรใช้ประแจประแจ SM05 (เช่น Thorlabs SPW603 ซึ่งขายในราคา 24.50 ดอลลาร์) เพื่อใส่และขันแหวนยึด SM05 ให้แน่น ระวังอย่าขันแน่นเกินไป เพราะอาจทำให้เลนส์เสียหายได้! หากคุณใช้แหนบหรือเครื่องมืออื่นแทนประแจ ระวังอย่าให้เลนส์เป็นรอย

ขั้นตอนที่ 11: การก่อสร้าง ขั้นตอนที่ 7: ติดตั้งช่องมองภาพกับอะแดปเตอร์ SM1-to-SM05

ขันสกรูส่วนประกอบเลนส์ใกล้ตาเข้ากับอะแดปเตอร์ SM1A1 SM1-to-SM05

ขั้นตอนที่ 12: การก่อสร้าง ขั้นตอนที่ 8: การประกอบขั้นสุดท้าย

สุดท้าย ขันสกรูส่วนประกอบเลนส์ใกล้ตา (ติดตั้งบนอะแดปเตอร์ SM1A1) และส่วนประกอบเลนส์ใกล้วัตถุเข้ากับท่อเลนส์ SM1L15 การประกอบตัวแปลงเทเลโฟโต้ Keplerian เสร็จสมบูรณ์

ขั้นตอนที่ 13: ใช้ Telephoto Converter

วางตัวแปลงเทเลโฟโต้ไว้หน้าเลนส์ของกล้องถ่ายภาพความร้อนแล้วเริ่มสำรวจ! คุณควรปรับโฟกัสเลนส์โดยหมุนชุดเลนส์ใกล้วัตถุจนกว่าจะได้ภาพที่คมชัดที่สุดของตัวแบบ สามารถใช้วงแหวน SM1 ภายนอกที่มาพร้อมกับท่อเลนส์แบบปรับได้ SM1V05 เพื่อล็อคการตั้งค่าโฟกัส

คุณอาจต้องการพิจารณาติด Thorlabs SM05NT ($6.58) SM05 Locking Ring (ID 0.535"-40, 0.75" OD) อย่างถาวรกับเลนส์ของกล้องของ Thorlabs SM05NT ($6.58) เพื่อให้คุณสามารถติดตัวแปลงมาโครหรือเทเลโฟโต้ที่ด้านหน้าเลนส์ของกล้องได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ส่งผลกระทบ ฟังก์ชั่นดั้งเดิมของมัน

สุดท้ายนี้ โปรดจำไว้ว่ากล้องโทรทรรศน์ Keplerian จะกลับภาพ ดังนั้นคุณจะเห็นภาพความร้อนกลับหัวกลับหางบนหน้าจอกล้องของคุณ ต้องใช้เวลาฝึกฝนเพียงเล็กน้อยเพื่อทำความคุ้นเคยกับข้อเท็จจริงที่ว่าการชี้กล้องโดยติดตั้งตัวแปลงเทเลโฟโต้จำเป็นต้องมีการเคลื่อนไหวไปในทิศทางตรงกันข้ามกับภาพ

ขั้นตอนที่ 14: ประสิทธิภาพ

ฉันพอใจมากกับผลลัพธ์ ตัวเลขแสดงภาพตัวอย่างบางส่วนของตัวแปลงเทเลโฟโต้ที่ใช้งานอยู่ บานหน้าต่างด้านซ้ายแสดงภาพที่ถ่ายผ่านเลนส์คงที่ของ Seek RevealPRO บานหน้าต่างด้านขวาแสดงฉากเดียวกันโดยใช้ตัวแปลงเทเลโฟโต้ ×3.33 ฉันเพิ่มสี่เหลี่ยมสีส้มให้กับรูปภาพบนบานหน้าต่างด้านซ้ายเพื่อระบุพื้นที่ที่ขยายด้วยตัวแปลงเทเลโฟโต้ ขนาดของสี่เหลี่ยมผืนผ้าคือ 1/3.33 ของกรอบภาพ ซึ่งแสดงให้เห็นว่ากำลังขยายที่ได้รับจากตัวแปลงเทเลโฟโต้คือ ×3.33 จริงๆ

แน่นอนว่าระบบเลนส์ที่ใช้ใน Seek RevealPRO และเทเลโฟโต้คอนเวอร์เตอร์นั้นง่ายมาก ดังนั้นการบิดเบือนและขอบมืดจึงเป็นสิ่งที่คาดหวังได้ ดังที่แสดงในภาพถ่ายเพื่อนบ้านหลังบ้านของฉันและบางส่วนของท้องฟ้า การเกิดขอบมืดนั้นชัดเจนที่สุดเมื่อใช้ตัวแปลงเทเลโฟโต้กับตัวแบบในภาพที่ระยะไกล อย่างไรก็ตาม รายละเอียดที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องที่ไม่ได้รับความช่วยเหลือนั้นชัดเจนมากเมื่อใช้ตัวแปลงเทเลโฟโต้

ขั้นตอนที่ 15: แหล่งที่มา

ต่อไปนี้เป็นแหล่งที่มาของวัสดุที่กล่าวถึงในคำแนะนำนี้:

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

หมายเหตุ: ฉันไม่มีส่วนเกี่ยวข้องใดๆ กับบริษัทเหล่านี้

การอ่านและการทดลองเพิ่มเติม

สำหรับการทดลองที่น่าสนใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับฟิสิกส์และการถ่ายภาพของโลกที่มองไม่เห็น โปรดดูหนังสือของฉัน (คลิกที่นี่สำหรับหนังสือของฉันใน Amazon.com) และไปที่เว็บไซต์ของฉัน: www.diyPhysics.com และ www. UVIRimaging.com