Conversor de telefoto para câmera térmica DIY: 15 etapas

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

Recentemente, comprei uma câmera térmica Seek RevealPro, que possui um sensor térmico 320 x 240 com taxa de quadros> 15 Hz a um preço incrivelmente acessível.

Um dos únicos problemas que tenho com esta câmera é que ela vem com uma lente fixa de campo de visão de 32 °. Isso é bom para a inspeção térmica geral, mas é uma desvantagem real ao tentar usar a câmera para um trabalho de close-up para avaliar a dissipação nas placas de circuito impresso ou identificar um componente com defeito ou subdimensionado. No lado oposto da faixa de distância, a lente FOV de 32 ° torna difícil ver e medir a temperatura de objetos à distância ou de objetos menores a distâncias normais.

adaptadores de ampliação "macro" feitos para você foram descritos, mas não estou ciente de que alguém já tenha mostrado como construir um conversor de telefoto para uma dessas câmeras.

Etapa 1: telescópios simples

A obtenção de imagens de um objeto à distância com uma câmera térmica requer um telescópio simples feito com lentes que funcionam na faixa de 10 µm. Um telescópio refrator básico que possui dois elementos ópticos, uma objetiva e uma ocular. A objetiva é uma lente grande que coleta a luz de um objeto distante e cria uma imagem desse objeto no plano focal. A ocular é apenas uma lupa por meio da qual a câmera térmica pode visualizar a imagem virtual.

Conforme mostrado na figura, existem duas configurações básicas para um telescópio refrativo: um telescópio Kepleriano tem uma ocular de lente convergente e um telescópio Galileu tem uma ocular de lente divergente. A imagem vista através do telescópio Kepleriano é invertida, enquanto a produzida por um telescópio Galileano é vertical. O telescópio por si só não é um sistema de formação de imagem. Em vez disso, a câmera térmica acoplada ao telescópio, em última análise, forma a imagem por meio de sua própria ótica.

A ampliação de um telescópio Kepleriano é determinada pela razão entre as distâncias focais da objetiva e das lentes oculares:

Magnification_Keplerian = fo / fe

O telescópio Galileu usa uma objetiva positiva e uma ocular negativa, então sua ampliação é dada por:

Magnigication_Galilean = -fo / fe

O tamanho da objetiva também é importante porque quanto maior seu diâmetro, mais luz ela pode coletar e melhor resolver objetos próximos.

Etapa 2: Seleção de lentes adequadas para geração de imagens térmicas

As câmeras térmicas medem a intensidade da luz infravermelha em cerca de 10 µm. Isso ocorre porque os objetos emitem radiação de corpo negro com pico em torno desse comprimento de onda de acordo com a lei de deslocamento de Wien. No entanto, o vidro normal não transmite luz nesses comprimentos de onda, então as lentes usadas em imagens térmicas devem ser feitas de Germânio ou Seleneto de Zinco, que permitem a passagem de radiação na faixa de 10 µm.

Lentes de germânio (Ge) são mais comumente usadas para aplicações de imagens térmicas por causa de sua ampla faixa de transmissão (2,0 - 16 µm) na região espectral de interesse. As lentes de germânio são opacas à luz visível e têm uma aparência metálica cinza vítrea. Eles são inertes ao ar, à água, aos álcalis e à maioria dos ácidos. O germânio tem um índice de refração de 4,004 a 10,6 µm e suas propriedades de transmissão são altamente sensíveis à temperatura.

O seleneto de zinco (ZnSe) é muito mais comumente usado com lasers de CO2. Possui uma faixa de transmissão muito ampla (600 nm - 16,0 µm). Por causa da baixa absorção na porção vermelha do espectro visível, as lentes ZnSe são comumente usadas em sistemas ópticos que combinam lasers de CO2 (que normalmente operam a 10,6 µm), com HeNe vermelho visível de baixo custo ou lasers de alinhamento de semicondutores. Seu alcance de transmissão inclui parte do espectro visível, dando-lhes um tom laranja profundo.

Novas lentes infravermelhas podem ser adquiridas na Thorlabs, Edmund Optics e outros fornecedores de componentes ópticos. Como você pode imaginar, essas lentes não são baratas - as lentes Ø1 / 2 "Ge plano-convexas da Thorlabs custam cerca de US $ 140, enquanto as lentes ZnSe custam cerca de US $ 160. As lentes Ø1" Ge são vendidas por cerca de US $ 240, enquanto as ZnSe com este diâmetro custam cerca de US $ 300. As descobertas excedentes ou ofertas do Extremo Oriente são, portanto, melhores para fazer os adaptadores macro e telefoto. As lentes ZnSe da China podem ser compradas no eBay® por cerca de US $ 60.

Etapa 3: Design do conversor de telefoto

Consegui encontrar uma lente Ø1 "Ge plano-convexa com uma distância focal de 50 mm (semelhante a um Thorlabs LA9659-E3) e uma lente Ø1 / 2" Ge plano-convexa com uma distância focal de 15 mm (semelhante a um Thorlabs LA9410-E3) para fazer meu conversor teleobjetivo Kepleriano. A ampliação é assim:

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

Adaptadores telefoto de outras ampliações são fáceis de projetar usando as fórmulas simples mostradas acima. Observe que o comprimento do tubo da lente principal pode precisar ser alterado, uma vez que a distância entre as lentes deve ser próxima a f0 + fe.

Etapa 4: coletar componentes para o conversor de telefoto

Você precisará dos seguintes componentes para construir um conversor de telefoto como o meu (todos são peças Thorlabs):

LA9659-E3 Ø1 Lente Ge Plano-Convexa, f = 50 mm, Revestimento AR: 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 "tubo de lente ajustável, 0,31" alcance de viagem $ 30,25

SM1L15 SM1 Tubo de lente, profundidade de rosca de 1,50 , um anel de retenção incluído $ 15,70

Adaptador SM1A1 com Threads SM05 Externos e Threads SM1 Internos $ 20,60

SM05L03 SM05 Tubo de lente, profundidade de rosca de 0,30 , um anel de retenção incluído $ 13,80

SM1RR SM1 Anel de retenção para tubos e suportes de lentes Ø1 $ 4,50

Total com novas lentes de germânio $ 466,33

Habitação apenas $ 84,85

Coloquei meu conversor de telefoto em um tubo óptico feito com os componentes de tubo SM1 e SM05 da Thorlab. Coloquei a lente objetiva na frente de um tubo de lente ajustável SM1V05 para permitir o foco, tornando possível ajustar a distância entre as lentes. Um anel SM1 externo é usado para travar o foco. Usando peças novas da Thorlabs, você pode esperar gastar cerca de US $ 466. Se você usar lentes ZnSe do eBay® e novas peças para a caixa, provavelmente gastará cerca de US $ 200.

O gabinete do telescópio não precisa ser tão sofisticado quanto o meu. Tubos de PVC com algum arranjo para focagem (por exemplo, lente montada em tampa rosqueada) funcionarão perfeitamente bem. No entanto, eu realmente gosto dos tubos SM da Thorlabs porque eles são relativamente baratos e perfeitamente adequados para a construção deste tipo de instrumentos ópticos. Além disso, o lado rosqueado do SM05L03 da ocular se encaixa perfeitamente no anel retentor da lente do Seek RevealPRO.

Etapa 5: Construção Etapa 1: Remover o anel do tubo SM1L15

Usando os dedos ou uma chave inglesa (por exemplo, Thorlabs SPW602, que é vendido por US $ 26,75), remova o anel retentor SM1 que vem dentro do tubo SM1L15.

Etapa 6: Construção Etapa 2: Preparar os componentes para a montagem da lente objetiva

Prepare os componentes necessários para a montagem das lentes objetivas:

• Tubo de lente ajustável SM1V05
• Dois anéis retentores SM1 (um deles vem do tubo da lente SM1L15, conforme mostrado na etapa anterior)
• Lente Ge Plano-Convexa Ø1 ", f = 50 mm, AR-Coated: 7-12 µm (ou similar)

Etapa 7: Construção Etapa 3: Insira o anel retentor SM1 no SM1V05 a uma profundidade de 6 mm

Usando uma chave inglesa ou os dedos, insira um anel retentor no tubo de lente ajustável SM1V05 a uma profundidade de aproximadamente 6 mm. Isso pode precisar mudar dependendo da lente que você escolheu como sua objetiva. A ideia é permitir que a lente fique suficientemente atrás para possibilitar o uso de um anel retentor do outro lado da lente.

Etapa 8: Construção Etapa 4: Insira a lente objetiva e o anel retentor externo

Insira a lente objetiva com o lado convexo voltado para fora e fixe no lugar usando o segundo anel de retenção. Tenha cuidado para não apertar demais, pois isso pode danificar a lente! Se você usar uma pinça ou outra ferramenta em vez de uma chave inglesa, tome cuidado para não arranhar a lente.

Etapa 9: Construção Etapa 5: Preparar os componentes para a ocular

Prepare os componentes que você usará para montar a ocular:

• Tubo de lente SM05L03
• Anel retentor SM5 (removido do tubo SM05L03)
• Lente plano-convexa Ø1 / 2 "Ge, f = 15 mm, AR-Coated: 7-12 µm (ou similar)

Etapa 10: Construção Etapa 6: Montagem da ocular

Monte a ocular inserindo a lente da ocular no tubo SM05L03. O lado convexo deve estar voltado para as roscas externas (para baixo na imagem a seguir). Fixe a lente na posição com o anel retentor SM05. De preferência, use uma chave inglesa SM05 (por exemplo, Thorlabs SPW603, que vende por US $ 24,50) para inserir e apertar o anel retentor SM05. Tenha cuidado para não apertar demais, pois isso pode danificar a lente! Se você usar uma pinça ou outra ferramenta em vez de uma chave inglesa, tome cuidado para não arranhar a lente.

Etapa 11: Construção Etapa 7: Monte a ocular no adaptador SM1-para-SM05

Aparafuse o conjunto da lente da ocular em um adaptador SM1A1 SM1-para-SM05.

Etapa 12: Construção Etapa 8: Montagem final

Finalmente, aparafuse o conjunto da lente da ocular (montado no adaptador SM1A1) e o conjunto da lente objetiva no tubo da lente SM1L15. Isso conclui a montagem do conversor de telefoto Kepleriano.

Etapa 13: use o conversor de telefoto

Coloque o conversor de telefoto na frente das lentes da câmera térmica e comece a explorar! Você deve focalizar a lente girando o conjunto da lente objetiva até que a imagem mais nítida do seu assunto seja obtida. O anel SM1 externo que vem com o tubo de lente ajustável SM1V05 pode ser usado para travar a configuração de foco.

Você pode querer considerar a fixação permanente de um Thorlabs SM05NT ($ 6,58) anel de travamento SM05 (ID 0,535 "-40, 0,75" OD) à montagem da lente da câmera para que possa montar rapidamente conversores macro ou telefoto na frente da lente da câmera sem afetar sua funcionalidade original.

Por último, lembre-se de que um telescópio Kepleriano inverte a imagem, então você verá a imagem térmica de cabeça para baixo na tela da sua câmera. É preciso um pouco de prática para se acostumar com o fato de que apontar a câmera com o conversor telefoto instalado exige movimentos na direção oposta da imagem.

Etapa 14: Desempenho

Estou muito satisfeito com os resultados. As figuras mostram alguns exemplos de imagens do conversor telefoto em uso. Os painéis esquerdos mostram a imagem capturada pelas lentes fixas do Seek RevealPRO. Os painéis direitos mostram a mesma cena usando o conversor telefoto × 3,33. Adicionei um retângulo laranja às imagens nos painéis esquerdos para indicar a região ampliada pelo conversor telefoto. As dimensões do retângulo são 1 / 3,33 do quadro da imagem, demonstrando que a ampliação alcançada pelo conversor telefoto é de fato × 3,33.

Obviamente, os sistemas de lentes usados no Seek RevealPRO e no conversor de telefoto são extremamente simples, portanto, distorções e vinhetas são esperadas. Conforme mostrado nas fotos dos meus vizinhos de quintal e de uma parte do céu, a vinheta é mais aparente ao usar o conversor de telefoto para fotografar assuntos a uma grande distância. No entanto, os detalhes que não podem ser vistos com a câmera sem ajuda são muito evidentes usando o conversor telefoto.

Etapa 15: Fontes

A seguir estão as fontes para os materiais mencionados neste Instrutível:

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

Observação: não sou afiliado de nenhuma forma a essas empresas.

Leituras adicionais e experimentos

Para mais experimentos interessantes sobre física e fotografia do mundo invisível, dê uma olhada em meus livros (clique aqui para ver meus livros na Amazon.com) e acesse meus sites: www.diyPhysics.com e www. UVIRimaging.com.