Convertitore teleobiettivo per fotocamera termica fai da te: 15 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Di recente ho acquistato una termocamera Seek RevealPro, che vanta un sensore termico 320 x 240 con frame rate >15 Hz a un prezzo incredibilmente conveniente.

Uno degli unici problemi che ho con questa fotocamera è che viene fornita con un obiettivo con campo visivo fisso di 32°. Questo va bene per l'ispezione termica generale, ma è un vero svantaggio quando si cerca di utilizzare la telecamera per lavori ravvicinati per valutare la dissipazione sui circuiti stampati o identificare un componente difettoso o sottodimensionato. Sul lato opposto dell'intervallo di distanza, l'obiettivo FOV 32° rende difficile vedere e misurare la temperatura di oggetti a distanza o di oggetti più piccoli a distanze normali.

Sono stati descritti adattatori di ingrandimento "macro" fai da te, ma non mi risulta che qualcuno abbia ancora mostrato come costruire un convertitore teleobiettivo per una di queste fotocamere.

Passaggio 1: telescopi semplici

L'acquisizione di immagini di un oggetto a distanza con una termocamera richiede un semplice telescopio realizzato con lenti che funzionano nell'intervallo di 10 µm. Un telescopio rifrattore di base che ha due elementi ottici, un obiettivo e un oculare. L'obiettivo è una lente di grandi dimensioni che raccoglie la luce da un oggetto distante e crea un'immagine di quell'oggetto nel piano focale. L'oculare è solo una lente di ingrandimento attraverso la quale la termocamera può visualizzare l'immagine virtuale.

Come mostrato nella figura, ci sono due configurazioni di base per un telescopio rifrattivo: un telescopio kepleriano ha un oculare a lente convergente e un telescopio galileiano ha un oculare a lente divergente. L'immagine vista attraverso il telescopio kepleriano è invertita, mentre quella prodotta da un telescopio galileiano è verticale. Il telescopio di per sé non è un sistema per la formazione di immagini. Piuttosto, la termocamera collegata al telescopio alla fine forma l'immagine attraverso la propria ottica.

L'ingrandimento di un telescopio kepleriano è determinato dal rapporto tra le lunghezze focali dell'obiettivo e delle lenti dell'oculare:

Magnification_Keplerian = fo/fe

Il telescopio galileiano utilizza un obiettivo positivo e un oculare negativo, quindi il suo ingrandimento è dato da:

Magnigication_Galilean = -fo/fe

Anche la dimensione dell'obiettivo è importante perché maggiore è il suo diametro, più luce può raccogliere e meglio può risolvere oggetti vicini.

Passaggio 2: selezione di lenti adatte per l'imaging termico

Le termocamere misurano l'intensità della luce infrarossa a circa 10 µm. Questo perché gli oggetti emettono radiazioni di corpo nero con un picco intorno a quella lunghezza d'onda in conformità con la legge di spostamento di Wien. Tuttavia, il vetro normale non trasmette la luce a quelle lunghezze d'onda, quindi le lenti utilizzate nell'imaging termico devono essere realizzate in germanio o seleniuro di zinco che consentono il passaggio di radiazioni nell'intervallo di 10 µm.

Le lenti in germanio (Ge) sono più comunemente utilizzate per applicazioni di imaging termico a causa della loro ampia gamma di trasmissione (2,0 - 16 µm) nella regione spettrale di interesse. Le lenti al germanio sono opache alla luce visibile e hanno un aspetto metallico grigio vetro. Sono inerti all'aria, all'acqua, agli alcali e alla maggior parte degli acidi. Il germanio ha un indice di rifrazione di 4.004 a 10,6 µm e le sue proprietà di trasmissione sono altamente sensibili alla temperatura.

Il seleniuro di zinco (ZnSe) è molto più comunemente usato con i laser CO2. Ha una gamma di trasmissione molto ampia (600 nm - 16,0 µm). A causa del basso assorbimento nella porzione rossa dello spettro visibile, le lenti ZnSe sono comunemente utilizzate nei sistemi ottici che combinano laser CO2 (che comunemente operano a 10,6 µm), con HeNe rosso visibile poco costoso o laser di allineamento a semiconduttore. Il loro raggio di trasmissione include parte dello spettro visibile, conferendo loro una profonda sfumatura arancione.

È possibile acquistare nuove lenti a infrarossi da Thorlabs, Edmund Optics e altri fornitori di componenti ottici. Come puoi immaginare, questi obiettivi non sono economici: gli obiettivi piano-convessi Ø1/2" Ge di Thorlabs hanno un prezzo di circa $ 140, mentre gli obiettivi ZnSe costano circa $ 160. Gli obiettivi Ge Ø1" vendono per circa $ 240, mentre ZnSe a questo diametro costano circa $ 300. I reperti in eccesso o le offerte dell'Estremo Oriente sono quindi i migliori per realizzare gli adattatori macro e teleobiettivi. Gli obiettivi ZnSe dalla Cina possono essere acquistati su eBay® per circa $ 60.

Passaggio 3: progettazione del convertitore teleobiettivo

Sono riuscito a trovare una lente piano-convessa Ø1” Ge con una lunghezza focale di 50 mm (simile a un Thorlabs LA9659-E3) e una lente piano-convessa Ø1/2 Ge con una lunghezza focale di 15 mm (simile a un Thorlabs LA9410-E3) per realizzare il mio teleobiettivo kepleriano, l'ingrandimento è quindi:

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

Gli adattatori per teleobiettivi di altri ingrandimenti sono facili da progettare utilizzando le semplici formule mostrate sopra. Si noti che potrebbe essere necessario modificare la lunghezza del tubo dell'obiettivo principale, poiché la distanza tra gli obiettivi dovrebbe essere vicina a f0 + fe.

Passaggio 4: raccogliere i componenti per il convertitore teleobiettivo

Avrai bisogno dei seguenti componenti per costruire un convertitore teleobiettivo come il mio (sono tutti pezzi di Thorlabs):

LA9659-E3 Lente piano-convessa Ø1 Ge, f = 50 mm, rivestimento AR: 7-12 µm $241,74

LA9410-E3 Lente piano-convessa Ge Ø1/2 , f = 15 mm, rivestimento AR: 7-12 µm $ 139,74

SM1V05 Tubo dell'obiettivo regolabile Ø1", escursione di 0,31" $ 30,25

SM1L15 Tubo dell'obiettivo SM1, profondità filettatura 1,50 , un anello di sicurezza incluso $ 15,70

Adattatore SM1A1 con filettature esterne SM05 e filettature interne SM1 $ 20,60

SM05L03 Tubo dell'obiettivo SM05, profondità filettatura 0,30 , un anello di sicurezza incluso $ 13,80

SM1RR Anello di ritegno SM1 per tubi e supporti per obiettivi da Ø1 $ 4,50

Totale con nuove lenti al germanio $ 466,33

Solo alloggio $ 84,85

Ho alloggiato il mio teleobiettivo in un tubo ottico realizzato con i componenti del tubo SM1 e SM05 di Thorlab. Ho posizionato la lente dell'obiettivo nella parte anteriore di un tubo dell'obiettivo regolabile SM1V05 per consentire la messa a fuoco consentendo di regolare la distanza tra le lenti. Un anello SM1 esterno viene utilizzato per bloccare la messa a fuoco. Usando parti nuovissime di Thorlabs puoi aspettarti di spendere circa $ 466. Se usi lenti ZnSe da eBay® e nuove parti per l'alloggiamento, probabilmente spenderai circa $ 200.

La custodia per il telescopio non ha bisogno di essere elegante come la mia. I tubi in PVC con qualche predisposizione per la messa a fuoco (ad es. obiettivo montato su tappo filettato) funzioneranno perfettamente. Tuttavia, mi piacciono molto i tubi SM di Thorlabs perché sono relativamente economici e perfettamente adatti alla costruzione di questo tipo di strumenti ottici. Inoltre, il lato filettato dell'SM05L03 dell'oculare si adatta perfettamente all'anello di fermo dell'obiettivo di Seek RevealPRO.

Passaggio 5: costruzione Passaggio 1: rimuovere l'anello dal tubo SM1L15

Usando le dita o una chiave inglese (ad es. Thorlabs SPW602 venduto a $ 26,75) rimuovere l'anello di fermo SM1 che si trova all'interno del tubo SM1L15.

Passaggio 6: Costruzione Passaggio 2: Preparare i componenti per l'assemblaggio della lente dell'obiettivo

Prepara i componenti che ti serviranno per il montaggio della lente dell'obiettivo:

• Tubo dell'obiettivo regolabile SM1V05
• Due anelli di ritegno SM1 (uno di questi proviene dal tubo dell'obiettivo SM1L15 come mostrato nel passaggio precedente)
• Lente piano-convessa Ge Ø1", f = 50 mm, rivestimento AR: 7-12 µm (o simile)

Fase 7: Costruzione Fase 3: inserire l'anello di fermo SM1 in SM1V05 a una profondità di 6 mm

Utilizzando una chiave inglese o le dita, inserire un anello di fermo nel tubo dell'obiettivo regolabile SM1V05 a una profondità di circa 6 mm. Potrebbe essere necessario cambiare a seconda dell'obiettivo che hai scelto come obiettivo. L'idea è quella di consentire all'obiettivo di sedersi sufficientemente dietro per consentire l'utilizzo di un anello di fermo sull'altro lato dell'obiettivo.

Fase 8: Costruzione Fase 4: inserire la lente dell'obiettivo e l'anello di fermo esterno

Inserire la lente dell'obiettivo con il lato convesso rivolto verso l'esterno e quindi fissarla in posizione utilizzando il secondo anello di ritegno. Fare attenzione a non serrare eccessivamente, poiché ciò potrebbe danneggiare l'obiettivo! Se usi una pinzetta o un altro strumento invece di una chiave inglese, fai attenzione a non graffiare l'obiettivo.

Fase 9: Costruzione Fase 5: Preparare i componenti per l'oculare

Prepara i componenti che utilizzerai per assemblare l'oculare:

• SM05L03 tubo dell'obiettivo
• Anello di ritegno SM5 (rimosso dal tubo SM05L03)
• Lente piano-convessa Ge Ø1/2", f = 15 mm, rivestimento AR: 7-12 µm (o simile)

Passaggio 10: Costruzione Passaggio 6: Assemblare l'oculare

Assemblare l'oculare inserendo la lente dell'oculare nel tubo SM05L03. Il lato convesso deve essere rivolto verso le filettature esterne (in basso nell'immagine seguente). Fissare la lente in posizione con l'anello di fermo SM05. Preferibilmente, utilizzare una chiave inglese SM05 (ad es. Thorlabs SPW603, venduta a $ 24,50) per inserire e serrare l'anello di fermo SM05. Fare attenzione a non serrare eccessivamente, poiché ciò potrebbe danneggiare l'obiettivo! Se usi una pinzetta o un altro strumento invece di una chiave inglese, fai attenzione a non graffiare l'obiettivo.

Fase 11: Costruzione Fase 7: Montare l'oculare sull'adattatore da SM1 a SM05

Avvitare il gruppo lente dell'oculare su un adattatore SM1A1 da SM1 a SM05.

Fase 12: Costruzione Fase 8: Assemblaggio finale

Infine, avvitare il gruppo della lente dell'oculare (montato sull'adattatore SM1A1) e il gruppo della lente dell'obiettivo sul tubo dell'obiettivo SM1L15. Questo completa l'assemblaggio del teleobiettivo kepleriano.

Passaggio 13: utilizzare il convertitore teleobiettivo

Posiziona il convertitore teleobiettivo davanti all'obiettivo della termocamera e inizia a esplorare! È necessario mettere a fuoco l'obiettivo ruotando il gruppo obiettivo dell'obiettivo fino a ottenere l'immagine più nitida del soggetto. L'anello esterno SM1 fornito con il tubo dell'obiettivo regolabile SM1V05 può essere utilizzato per bloccare l'impostazione della messa a fuoco.

Potresti prendere in considerazione la possibilità di collegare in modo permanente un Thorlabs SM05NT ($ 6,58) SM05 Locking Ring (ID 0,535"-40, 0,75" OD) all'innesto dell'obiettivo della fotocamera in modo da poter montare rapidamente convertitori macro o teleobiettivi davanti all'obiettivo della fotocamera senza influire la sua funzionalità originaria.

Infine, ricorda che un telescopio kepleriano inverte l'immagine, quindi vedrai l'immagine termica capovolta sullo schermo della tua fotocamera. Ci vuole solo un po' di pratica per abituarsi al fatto che puntare la fotocamera con il teleconvertitore installato necessita di movimenti nella direzione opposta dell'immagine.

Passaggio 14: prestazioni

Sono molto soddisfatto dei risultati. Le figure mostrano alcune immagini di esempio del convertitore teleobiettivo in uso. I riquadri di sinistra mostrano l'immagine acquisita tramite l'obiettivo fisso di Seek RevealPRO. I riquadri di destra mostrano la stessa scena utilizzando il convertitore teleobiettivo ×3.33. Ho aggiunto un rettangolo arancione alle immagini nei riquadri di sinistra per indicare la regione ingrandita dal convertitore teleobiettivo. Le dimensioni del rettangolo sono 1/3,33 di quelle della cornice dell'immagine, a dimostrazione che l'ingrandimento ottenuto dal teleconvertitore è effettivamente × 3,33.

Naturalmente, i sistemi di obiettivi utilizzati nel Seek RevealPRO e nel convertitore teleobiettivo sono estremamente semplici, quindi ci si possono aspettare distorsioni e vignettatura. Come mostrato nelle foto dei miei vicini di casa e di una porzione di cielo, la vignettatura è più evidente quando si utilizza il convertitore teleobiettivo per fotografare soggetti a grande distanza. Tuttavia, i dettagli che non possono essere visti con la fotocamera senza aiuto sono molto evidenti utilizzando il convertitore teleobiettivo.

Passaggio 15: Fonti

Di seguito sono riportate le fonti per i materiali menzionati in questo Instructable:

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

Nota: non sono affiliato in alcun modo con queste società.

Ulteriori letture ed esperimenti

Per esperimenti più interessanti sulla fisica e la fotografia del mondo invisibile, guarda i miei libri (clicca qui per i miei libri su Amazon.com) e vai ai miei siti Web: www.diyPhysics.com e www. UVIRimaging.com.