Converter uma câmera de vídeo dos anos 1980 em um gerador de imagens polarimétricas em tempo real: 14 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

A imagem polarimétrica oferece um caminho para desenvolver aplicações revolucionárias em uma ampla gama de campos - abrangendo desde o monitoramento ambiental e diagnóstico médico até aplicações de segurança e antiterrorismo. No entanto, o custo muito alto das câmeras polarimétricas comerciais tem dificultado a pesquisa e o desenvolvimento de imagens polarimétricas. Este documento apresenta instruções detalhadas para converter uma câmera colorida de 3 tubos excedente da década de 1980 em um gerador de imagens polarimétricas em tempo real. A câmera usada como base para essa conversão está amplamente disponível no mercado de excedentes por cerca de US $ 50. Este Instructable do lixo para o tesouro mostrará como converter uma câmera adequada apenas como acessório em um instrumento científico útil, cujas versões comerciais valeriam dezenas de milhares de dólares.

Você precisará dos seguintes itens para realizar esta conversão:

• Câmera excedente de trabalho JVC KY-1900 (os modelos KY-2000 e KY-2700 parecem semelhantes ao KY-1900 e também podem ser adequados)
• Divisor de feixe 70T / 30R de banda larga de Ø25,4 mm (por exemplo, Thorlabs BSS10)
• Divisor de feixe 50/50 de banda larga de Ø25,4 mm (por exemplo, Thorlabs BSW10)
• Anéis adaptadores divisor de feixe impressos em 3D
• Folha de plástico polarizador (por exemplo, Edmund Optics 86-188)

Etapa 1: Compreendendo imagens polarimétricas

Uma onda de luz é caracterizada por seu comprimento de onda, que percebemos como uma cor de distrito; sua amplitude, que percebemos como um nível de intensidade; e o ângulo em que oscila em relação a um eixo de referência. Este último parâmetro é chamado de "Ângulo de Polarização" da onda e é uma característica da luz que olhos humanos sem ajuda não conseguem distinguir. No entanto, a polarização da luz carrega informações interessantes sobre nosso ambiente visual, e alguns animais são capazes de percebê-la e confiar criticamente neste sentido para navegação e sobrevivência.

Uma descrição detalhada e fácil de entender da imagem polarimétrica e suas aplicações está disponível em meu artigo sobre as câmeras polarimétricas DOLPi disponíveis em:

www.diyphysics.com/wp-content/uploads/2015/10/DOLPi_Polarimetric_Camera_D_Prutchi_2015_v5.pdf e sua apresentação no YouTube em:

Etapa 2: comprando e alinhando a câmera

A KY-1900 foi apresentada como uma câmera colorida de nível profissional no final dos anos 70. Foi um dos poucos modelos a ser produzido com uma carroceria de plástico laranja, o que o torna muito distinto e uma marca de profissionalismo de ponta para as equipes de câmera. Em 1982, esta câmera foi vendida por cerca de US $ 9.000.

Hoje, você deve conseguir encontrar um no mercado excedente por cerca de US $ 50. O KY-1900 foi construído como um tanque, então há grandes chances de que seja totalmente funcional se tiver uma boa aparência cosmética. Basta conectá-lo a um monitor colorido NTSC e alimentá-lo com 12 VCC (a câmera consome cerca de 1,7 A).

Antes de prosseguir com a modificação, certifique-se de que a câmera esteja funcionando bem e bem alinhada. Use as instruções mostradas no Apêndice II do white paper do projeto para alinhar sua câmera e verifique se ela funciona corretamente.

Etapa 3: Acessando o conjunto óptico

A primeira etapa da conversão é acessar o conjunto óptico da câmera, que envolve as seguintes etapas:

• Desmonte a tampa esquerda da câmera
• Remova a placa de circuito impresso DF
• Retire a folha de isolamento de plástico que está presa com fita dupla-face à placa de cobertura externa do conjunto óptico

Etapa 4: abrindo o conjunto óptico

Retire a placa de cobertura do conjunto óptico interno. Esta placa é colada ao conjunto. A placa não será usada novamente, então não se preocupe em distorcê-la. No entanto, tome cuidado para não danificar os elementos ópticos dentro da montagem.

O painel inferior da figura mostra o conjunto óptico da câmera JVC KY-1900 não modificada. A luz incidente através da primeira lente de relé é dividida em três imagens coloridas pelos divisores de feixe dicróicos antes de serem enviadas para seus respectivos tubos Saticon por meio de lentes de segundo relé. A modificação em um gerador de imagens polarimétricas em tempo real envolve a troca dos divisores de feixe dicróicos originais do Conjunto do Divisor Dicróico por divisores de feixe de banda larga, eliminando os filtros de corte de cor dentro das Lentes de segundo relé e adicionando analisadores de polarização.

Etapa 5: Remoção do Conjunto do Beamsplitter Dicróico

A montagem do Beamsplitter é presa com três parafusos, um frontal e dois posteriores. Como tal, a tampa do lado direito da câmera, PCB e filme plástico devem ser removidos para torná-los acessíveis.

Etapa 6: anéis adaptadores de Beamsplitter de impressão 3D

Os divisores de feixe dicróicos usados originalmente na câmera KY-1900 têm um diâmetro não padrão, então decidi usar divisores de feixe de placa de banda larga de 1”de diâmetro para a modificação. Meu amigo e colega Jason Meyers projetou e imprimiu em 3D um anel de retenção para manter os divisores de feixe de 1”no lugar. Arquivos CAD e de impressão 3D estão disponíveis neste DropBox.

Etapa 7: Substituindo os Beamsplitters Dicróicos por Beamsplitters de Banda Larga

A próxima etapa no processo de conversão é substituir os divisores de feixe dicróicos por divisores de feixe de banda larga. A imagem precisa ser dividida mais ou menos igualmente em três imagens, então o primeiro divisor de feixe precisa refletir cerca de 33,33% da luz incidente, enquanto permite que 66,66% da luz vá para um segundo divisor de feixe que deve então dividir esta parte uniformemente. Usei os seguintes divisores de feixe:

• Divisor de feixe 70T / 30R de banda larga de Ø25,4 mm (Thorlabs BSS10)
• Divisor de feixe 50/50 de banda larga de Ø25,4 mm (Thorlabs BSW10)

Os divisores de feixe de banda larga dentro dos anéis de retenção devem ser instalados no conjunto, e o Conjunto do Beamsplitter modificado pode então ser instalado de volta no lugar. Reconecte temporariamente as placas de circuito. Certificando-se de que nada atinja as partes expostas do conjunto óptico, ligue a câmera. Apenas pequenos ajustes dos potenciômetros horizontais / verticais devem ser necessários para alcançar o alinhamento, se você posicionou corretamente os divisores de feixe. Você notará que a imagem ainda está em cores, embora um pouco desbotada em comparação com a imagem original. A imagem ainda aparece em cores porque há filtros muito fortes nas lentes de relé secundário que precisam ser removidos.

Etapa 8: Acessando as lentes do segundo relé

Remover as lentes do segundo relé (esse é o nome que a JVC dá a elas) do conjunto ótico exige uma desmontagem adicional da câmera. Isso ocorre porque os tubos de captação de imagem devem ser removidos antes que as Lentes de Relé Secundário possam ser retiradas.

Comece retirando e desconectando as placas impressas dos conjuntos de cabos. Em seguida, remova a parte traseira da câmera. Os conjuntos de tubos podem então ser retirados dos invólucros dos tubos do conjunto óptico, dando acesso às segundas lentes de relé.

Etapa 9: Remoção e desmontagem das lentes do segundo relé (uma de cada vez!)

As lentes do segundo relé são mantidas no lugar por pequenos parafusos de fixação bem ocultos, acessíveis pelo lado direito do conjunto óptico. Assim que o parafuso de fixação estiver aberto, retire a segunda lente de relé na qual você vai trabalhar. Enrole algumas camadas de fita isolante grossa sobre os dois lados do tubo óptico e abra-o usando um alicate.

Etapa 10: Remoção dos filtros de cor e remontagem da segunda lente do relé

O filtro de cor deve ser removido desaparafusando o anel de retenção usando uma chave de boca ou uma pinça muito pontuda. Depois de remover o filtro, basta montar novamente a lente e apertar com os dedos.

Eliminar o filtro de cor muda o ponto focal da Lente de Relé Secundária, por isso não deve ser reinserido totalmente no conjunto óptico. Em vez disso, as Lentes de Relé Secundário modificadas devem se projetar apenas cerca de 2,5 mm.

A câmera pode ser remontada após a instalação e fixação com parafusos de ajuste de todas as lentes de relé secundário modificadas. Deixe o conjunto óptico acessível e reconecte a placa DF apenas temporariamente, certificando-se de que não haja curto-circuito com o conjunto óptico.

Etapa 11: Realinhando a câmera

Agora é a hora de alinhar a câmera com muito cuidado para que ela produza uma imagem em preto e branco perfeita. Algum nível de distorção de cor sempre será visto porque as Lentes de Relé Secundário foram projetadas para uma faixa estreita de comprimentos de onda e agora estão sendo usadas em toda a largura de faixa da luz visível. A margem é especialmente perceptível nas bordas da imagem quando o zoom é puxado totalmente para trás, mas um registro decente pode ser alcançado seguindo pacientemente o procedimento descrito no Apêndice II do white paper do projeto.

Etapa 12: fazer filtros do analisador de polarização

Corte três quadrados de 1,42”× 1,42” de uma folha de polarização. Usei um Edmund Optics 86-188 150 x 150 mm, espessura de 0,75 mm, filme laminado polarizador. Escolhi este filme em vez de ofertas mais baratas porque apresenta uma taxa de extinção muito alta, bem como alta transmissão, o que torna as imagens polarimétricas melhores. Observe na figura que um dos quadrados é cortado a 45 ° em relação aos outros dois.

Etapa 13: Adicionar os analisadores de polarização

Prenda os analisadores de polarização com fita transparente dentro do conjunto óptico de forma que eles sejam colocados dentro dos caminhos ópticos para os tubos, conforme mostrado na figura.

É isso! A conversão está completa. Você pode testar a câmera neste estágio antes de remontar a tampa do conjunto óptico (descartei a tampa interna), recolocando a folha de plástico, reconectando a placa DF e fechando o gabinete da câmera.

Etapa 14: usando a câmera

A figura mostra os resultados com um alvo de amostra feito com pedaços de plástico polarizador em ângulos entre 0 ° e 180 ° junto com uma barra de cores. O alvo capturado da câmera JVC KY-1900 modificada mostra a barra de cores e outros elementos não polarizados da imagem em escala de cinza, enquanto as peças do filme polarizador são coloridas, codificando seu ângulo de polarização no espaço RGB do NTSC.

Para obter informações adicionais sobre este projeto, baixe o white paper do projeto em www.diyPhysics.com.

Primeiro prêmio do lixo para o tesouro