Conversor de telefoto de cámara térmica de bricolaje: 15 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Recientemente compré una cámara térmica Seek RevealPro, que cuenta con un sensor térmico de 320 x 240 con una velocidad de fotogramas> 15 Hz a un precio increíblemente asequible.

Uno de los únicos problemas que tengo con esta cámara es que viene con una lente fija de campo de visión de 32 °. Esto está bien para la inspección térmica general, pero es una desventaja real cuando se intenta utilizar la cámara para trabajos de primer plano para evaluar la disipación en placas de circuito impreso o identificar un componente defectuoso o de tamaño insuficiente. En el lado opuesto del rango de distancia, la lente FOV de 32 ° hace que sea difícil ver y medir la temperatura de objetos a distancia o de objetos más pequeños a distancias normales.

Se han descrito adaptadores de aumento "macro" de bricolaje, pero no estoy al tanto de que nadie haya mostrado todavía cómo construir un convertidor de telefoto para una de estas cámaras.

Paso 1: telescopios simples

Obtener imágenes de un objeto a distancia con una cámara térmica requiere un telescopio simple hecho con lentes que funcionan en el rango de 10 µm. Un telescopio refractor básico que tiene dos elementos ópticos, un objetivo y un ocular. El objetivo es una lente grande que recoge la luz de un objeto distante y crea una imagen de ese objeto en el plano focal. El ocular es simplemente una lupa a través de la cual la cámara térmica puede ver la imagen virtual.

Como se muestra en la figura, hay dos configuraciones básicas para un telescopio refractivo: un telescopio keplerio tiene un ocular de lente convergente y un telescopio galileano tiene un ocular de lente divergente. La imagen vista a través del telescopio keplerio está invertida, mientras que la producida por un telescopio galileano está en posición vertical. El telescopio por sí solo no es un sistema de formación de imágenes. Más bien, la cámara térmica unida al telescopio finalmente forma la imagen a través de su propia óptica.

El aumento de un telescopio Kepleriano está determinado por la relación entre las distancias focales del objetivo y las lentes del ocular:

Magnification_Keplerian = fo / fe

El telescopio galileano utiliza un objetivo positivo y un ocular negativo, por lo que su aumento viene dado por:

Magnigication_Galilean = -fo / fe

El tamaño del objetivo también es importante porque cuanto mayor sea su diámetro, más luz puede recolectar y mejor puede resolver objetos cercanos.

Paso 2: selección de lentes adecuados para imágenes térmicas

Las cámaras térmicas miden la intensidad de la luz infrarroja en alrededor de 10 µm. Esto se debe a que los objetos emiten radiación de cuerpo negro con un pico alrededor de esa longitud de onda de acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien. Sin embargo, el vidrio normal no transmite luz en esas longitudes de onda, por lo que las lentes utilizadas en la termografía deben estar hechas de germanio o selenuro de zinc, lo que permite que pase la radiación en el rango de 10 µm.

Las lentes de germanio (Ge) se utilizan con mayor frecuencia para aplicaciones de imágenes térmicas debido a su amplio rango de transmisión (2,0 - 16 µm) en la región espectral de interés. Las lentes de germanio son opacas a la luz visible y tienen un aspecto metálico gris vidrioso. Son inertes al aire, al agua, a los álcalis y a la mayoría de los ácidos. El germanio tiene un índice de refracción de 4,004 a 10,6 µm y sus propiedades de transmisión son muy sensibles a la temperatura.

El selenuro de zinc (ZnSe) se usa mucho más comúnmente con láseres de CO2. Tiene un rango de transmisión muy amplio (600 nm - 16,0 µm). Debido a la baja absorción en la porción roja del espectro visible, las lentes ZnSe se usan comúnmente en sistemas ópticos que combinan láseres de CO2 (que comúnmente operan a 10.6 µm), con láseres de alineación de semiconductores o HeNe rojo visible de bajo costo. Su rango de transmisión incluye parte del espectro visible, lo que les da un tinte naranja intenso.

Se pueden adquirir nuevas lentes infrarrojas en Thorlabs, Edmund Optics y otros proveedores de componentes ópticos. Como puede imaginar, estos lentes no son baratos: los lentes plano-convexos de Ø1 / 2 "Ge de Thorlabs tienen un precio de alrededor de $ 140, mientras que los lentes ZnSe cuestan alrededor de $ 160. Los lentes de Ø1" Ge se venden por alrededor de $ 240, mientras que los ZnSe a este diámetro cuestan alrededor de $ 300. Los hallazgos excedentes o las ofertas del Lejano Oriente son, por lo tanto, lo mejor para hacer los adaptadores macro y telefoto. Los lentes ZnSe de China se pueden comprar en eBay® por alrededor de $ 60.

Paso 3: Diseño del convertidor de telefoto

Pude encontrar una lente plano-convexa de Ø1 "Ge con una distancia focal de 50 mm (similar a un Thorlabs LA9659-E3) y una lente plano-convexa de Ø1 / 2" Ge con una distancia focal de 15 mm (similar a un Thorlabs LA9410-E3) para hacer mi convertidor de teleobjetivo Kepleriano. El aumento es así:

Ampliación = fo / fe = 50 mm / 15 mm = 3.33

Los adaptadores de telefoto de otros aumentos son fáciles de diseñar utilizando las fórmulas simples que se muestran arriba. Tenga en cuenta que es posible que deba cambiar la longitud del tubo de la lente principal, ya que la distancia entre las lentes debe ser cercana a f0 + fe.

Paso 4: recopile los componentes para el convertidor de telefoto

Necesitará los siguientes componentes para construir un convertidor de telefoto como el mío (todos son partes de Thorlabs):

LA9659-E3 Lente plano-convexa Ge de Ø1 , f = 50 mm, con revestimiento AR: 7-12 µm

LA9410-E3 Lente plano-convexa Ge Ø1 / 2 , f = 15 mm, con revestimiento AR: 7-12 µm $ 139.74

SM1V05 Tubo de lente ajustable de Ø1 ", rango de recorrido de 0.31" $ 30.25

SM1L15 Tubo de lente SM1, profundidad de rosca de 1.50 , un anillo de retención incluido $ 15.70

Adaptador SM1A1 con hilos SM05 externos e hilos SM1 internos $ 20.60

SM05L03 Tubo de lente SM05, profundidad de rosca de 0.30 , un anillo de retención incluido $ 13.80

SM1RR Anillo de retención SM1 para monturas y tubos de lentes de Ø1 $ 4.50

Total con lentes de germanio nuevas $ 466.33

Vivienda solo $ 84.85

Guardé mi convertidor de telefoto en un tubo óptico hecho con componentes de tubo SM1 y SM05 de Thorlab. Coloqué la lente del objetivo en la parte delantera de un tubo de lente ajustable SM1V05 para permitir el enfoque al permitir ajustar la distancia entre las lentes. Se utiliza un anillo SM1 externo para bloquear el enfoque. Con piezas nuevas de Thorlabs, puede esperar gastar alrededor de $ 466. Si usa lentes ZnSe de eBay® y piezas nuevas para la carcasa, probablemente gastará alrededor de $ 200.

La carcasa del telescopio no tiene por qué ser tan elegante como la mía. Los tubos de PVC con alguna disposición para enfocar (por ejemplo, lentes montados en una tapa roscada) funcionarán perfectamente bien. Sin embargo, me gustan mucho los tubos SM de Thorlabs porque son relativamente económicos y se adaptan perfectamente a la construcción de este tipo de instrumentos ópticos. Además, el lado roscado del SM05L03 del ocular se asienta perfectamente contra el anillo de retención de la lente del Seek RevealPRO.

Paso 5: Construcción Paso 1: Retire el anillo del tubo SM1L15

Con los dedos o una llave inglesa (por ejemplo, Thorlabs SPW602, que se vende por $ 26,75), retire el anillo de retención SM1 que viene dentro del tubo SM1L15.

Paso 6: Construcción Paso 2: Prepare los componentes para el montaje de la lente del objetivo

Prepare los componentes que necesitará para el montaje de la lente del objetivo:

• Tubo de lente ajustable SM1V05
• Dos anillos de retención SM1 (uno de ellos proviene del tubo de la lente SM1L15 como se muestra en el paso anterior)
• Lente plano-convexa de Ø1 "Ge, f = 50 mm, con revestimiento AR: 7-12 µm (o similar)

Paso 7: Construcción Paso 3: Inserte el anillo de retención SM1 en SM1V05 a una profundidad de 6 mm

Con una llave inglesa o con los dedos, inserte un anillo de retención en el tubo de la lente ajustable SM1V05 hasta una profundidad de aproximadamente 6 mm. Es posible que esto deba cambiar según el objetivo que elija como objetivo. La idea es permitir que la lente se asiente lo suficiente detrás para que sea posible usar un anillo de retención en el otro lado de la lente.

Paso 8: Construcción Paso 4: Inserte la lente del objetivo y el anillo de retención externo

Inserte la lente del objetivo con su lado convexo hacia afuera y luego fíjela en su lugar usando el segundo anillo de retención. ¡Tenga cuidado de no apretar demasiado, ya que podría dañar la lente! Si usa pinzas u otra herramienta en lugar de una llave inglesa, tenga cuidado de no rayar la lente.

Paso 9: Construcción Paso 5: Prepare los componentes para el ocular

Prepare los componentes que utilizará para montar el ocular:

• Tubo de lente SM05L03
• Anillo de retención SM5 (extraído del tubo SM05L03)
• Lente plano-convexa de Ø1 / 2 "Ge, f = 15 mm, con revestimiento AR: 7-12 µm (o similar)

Paso 10: Construcción Paso 6: Ensamble el ocular

Monte el ocular insertando la lente del ocular en el tubo SM05L03. El lado convexo debe mirar hacia las roscas externas (hacia abajo en la siguiente imagen). Fije la lente en su posición con el anillo de retención SM05. Preferiblemente, use una llave inglesa SM05 (por ejemplo, Thorlabs SPW603, que se vende por $ 24.50) para insertar y apretar el anillo de retención SM05. ¡Tenga cuidado de no apretar demasiado, ya que podría dañar la lente! Si usa pinzas u otra herramienta en lugar de una llave inglesa, tenga cuidado de no rayar la lente.

Paso 11: Construcción Paso 7: Monte el ocular en el adaptador SM1 a SM05

Atornille el conjunto de la lente del ocular en un adaptador SM1A1 SM1 a SM05.

Paso 12: Construcción Paso 8: Montaje final

Finalmente, atornille el conjunto de la lente del ocular (montado en el adaptador SM1A1) y el conjunto de la lente del objetivo en el tubo de la lente SM1L15. Esto completa el montaje del convertidor de telefoto Keplerian.

Paso 13: use el convertidor de telefoto

¡Coloque el convertidor de telefoto frente a la lente de la cámara térmica y comience a explorar! Debe enfocar la lente girando el conjunto de la lente del objetivo hasta obtener la imagen más nítida de su sujeto. El anillo SM1 externo que viene con el tubo de lente ajustable SM1V05 se puede usar para bloquear el ajuste de enfoque.

Es posible que desee considerar colocar permanentemente un anillo de bloqueo Thorlabs SM05NT ($ 6.58) SM05 (ID 0.535 "-40, 0.75" OD) a la montura de la lente de su cámara para que pueda montar rápidamente convertidores macro o telefoto en frente de la lente de la cámara sin afectar su funcionalidad original.

Por último, recuerde que un telescopio Kepleriano invierte la imagen, por lo que verá la imagen térmica al revés en la pantalla de su cámara. Solo se necesita un poco de práctica para acostumbrarse al hecho de que apuntar la cámara con el convertidor de telefoto instalado necesita movimientos en la dirección opuesta a la imagen.

Paso 14: Rendimiento

Estoy muy satisfecho con los resultados. Las figuras muestran algunas imágenes de muestra del convertidor de telefoto en uso. Los paneles de la izquierda muestran la imagen capturada a través de la lente fija de Seek RevealPRO. Los paneles de la derecha muestran la misma escena con el convertidor de telefoto × 3,33. Agregué un rectángulo naranja a las imágenes en los paneles de la izquierda para indicar la región ampliada por el convertidor de telefoto. Las dimensiones del rectángulo son 1 / 3,33 de las del marco de la imagen, lo que demuestra que la ampliación lograda por el convertidor de telefoto es de hecho × 3,33.

Por supuesto, los sistemas de lentes utilizados en el Seek RevealPRO y el conversor de telefoto son extremadamente simples, por lo que se esperan distorsiones y viñetas. Como se muestra en las fotos de mis vecinos del patio trasero y de una parte del cielo, el viñeteado es más evidente cuando se usa el convertidor de telefoto para fotografiar sujetos a gran distancia. Sin embargo, los detalles que no se pueden ver con la cámara sin ayuda son muy evidentes usando el convertidor de telefoto.

Paso 15: Fuentes

Las siguientes son fuentes de los materiales mencionados en este Instructable:

• Buscar - www.thermal.com
• Thorlabs - www.thorlabs.com
• Óptica industrial de Edmund - www.edmundoptics.com

Nota: No estoy afiliado de ninguna manera con estas empresas.

Lecturas adicionales y experimentos

Para experimentos más interesantes sobre física y fotografía del mundo invisible, por favor revise mis libros (haga clic aquí para ver mis libros en Amazon.com) y vaya a mis sitios web: www.diyPhysics.com y www. UVIRimaging.com.