Convertisseur de téléobjectif pour caméra thermique diy : 15 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

J'ai récemment acheté une caméra thermique Seek RevealPro, dotée d'un capteur thermique 320 x 240 avec une fréquence d'images > 15 Hz à un prix incroyablement abordable.

L'un des seuls problèmes que j'ai avec cet appareil photo est qu'il est livré avec un objectif à champ de vision fixe de 32°. C'est correct pour l'inspection thermique générale, mais c'est un réel inconvénient lorsque vous essayez d'utiliser la caméra pour des travaux rapprochés afin d'évaluer la dissipation sur les cartes de circuits imprimés ou d'identifier un composant défectueux ou sous-dimensionné. De l'autre côté de la plage de distance, la lentille FOV de 32 ° rend difficile la vision et la mesure de la température des objets à distance ou des objets plus petits à des distances normales.

Des adaptateurs grossissants "macro" diy ont été décrits, mais je ne sais pas si quelqu'un a encore montré comment construire un convertisseur téléobjectif pour l'un de ces appareils photo.

Étape 1: télescopes simples

L'imagerie d'un objet à distance avec une caméra thermique nécessite un simple télescope composé d'objectifs fonctionnant dans la plage de 10 µm. Un télescope réfracteur de base qui a deux éléments optiques, un objectif et un oculaire. L'objectif est une grande lentille qui recueille la lumière d'un objet distant et crée une image de cet objet dans le plan focal. L'oculaire n'est qu'une loupe à travers laquelle la caméra thermique peut visualiser l'image virtuelle.

Comme le montre la figure, il existe deux configurations de base pour un télescope réfractif: un télescope képlérien a un oculaire à lentille convergente et un télescope galiléen a un oculaire à lentille divergente. L'image vue à travers le télescope képlérien est inversée, tandis que celle produite par un télescope galiléen est droite. Le télescope en lui-même n'est pas un système de formation d'images. Au contraire, la caméra thermique attachée au télescope forme finalement l'image à travers sa propre optique.

Le grossissement d'un télescope képlérien est déterminé par le rapport entre les distances focales de l'objectif et des lentilles oculaires:

Grossissement_Keplerian = fo/fe

Le télescope galiléen utilise un objectif positif et un oculaire négatif, son grossissement est donc donné par:

Magnification_Galilean = -fo/fe

La taille de l'objectif est également importante car plus son diamètre est grand, plus il peut collecter de lumière et mieux il peut résoudre les objets proches.

Étape 2: Sélection d'objectifs adaptés à l'imagerie thermique

Les caméras thermiques mesurent l'intensité de la lumière infrarouge à environ 10 µm. En effet, les objets émettent un rayonnement de corps noir culminant autour de cette longueur d'onde conformément à la loi de déplacement de Wien. Cependant, le verre normal ne transmet pas la lumière à ces longueurs d'onde, de sorte que les lentilles utilisées en imagerie thermique doivent être constituées de germanium ou de séléniure de zinc, ce qui permet aux rayonnements de l'ordre de 10 µm de passer.

Les lentilles en germanium (Ge) sont les plus couramment utilisées pour les applications d'imagerie thermique en raison de leur large plage de transmission (2,0 - 16 µm) dans la région spectrale d'intérêt. Les verres en germanium sont opaques à la lumière visible et ont un aspect métallique gris vitreux. Ils sont inertes à l'air, à l'eau, aux alcalis et à la plupart des acides. Le germanium a un indice de réfraction de 4,044 à 10,6 µm et ses propriétés de transmission sont très sensibles à la température.

Le séléniure de zinc (ZnSe) est beaucoup plus couramment utilisé avec les lasers CO2. Il a une très large plage de transmission (600 nm - 16,0 µm). En raison de la faible absorption dans la partie rouge du spectre visible, les lentilles ZnSe sont couramment utilisées dans les systèmes optiques qui combinent des lasers CO2 (qui fonctionnent généralement à 10,6 µm), avec des lasers d'alignement à semi-conducteur ou à HeNe rouge visible peu coûteux. Leur portée de transmission comprend une partie du spectre visible, ce qui leur donne une teinte orangée profonde.

De nouvelles lentilles infrarouges peuvent être achetées auprès de Thorlabs, Edmund Optics et d'autres fournisseurs de composants optiques. Comme vous pouvez l'imaginer, ces lentilles ne sont pas bon marché - les lentilles plano-convexes Ge Ø1/2" de Thorlabs coûtent environ 140 $, tandis que les lentilles ZnSe coûtent environ 160 $. Les lentilles Ge Ø1" se vendent environ 240 $, tandis que ZnSe à ce diamètre coûte environ 300 $. Les trouvailles excédentaires ou les offres d'Extrême-Orient sont donc les meilleures pour fabriquer les adaptateurs macro et téléobjectif. Les objectifs ZnSe de Chine peuvent être achetés sur eBay® pour environ 60 $.

Étape 3: Conception du convertisseur téléobjectif

J'ai pu trouver un objectif Ge plano-convexe Ø1" avec une distance focale de 50 mm (similaire à un Thorlabs LA9659-E3) et un objectif Ge plano-convexe Ø1/2" avec une distance focale de 15 mm (similaire à un Thorlabs LA9410-E3) pour faire mon télé-convertisseur Keplerian. Le grossissement est donc:

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

Les adaptateurs téléobjectifs d'autres grossissements sont faciles à concevoir en utilisant les formules simples indiquées ci-dessus. Veuillez noter qu'il peut être nécessaire de modifier la longueur du tube de l'objectif principal, car la distance entre les objectifs doit être proche de f0 + fe.

Étape 4: Collectez les composants pour le convertisseur téléobjectif

Vous aurez besoin des composants suivants pour construire un convertisseur téléobjectif comme le mien (tous sont des pièces Thorlabs):

LA9659-E3 Lentille Ge Plano-Convexe Ø1 , f = 50 mm, revêtement AR: 7-12 µm 241,74 $

LA9410-E3 Lentille Ge Plano-Convexe Ø1/2 , f = 15 mm, revêtement AR: 7-12 µm 139,74 $

SM1V05 Tube d'objectif réglable Ø1", portée de 0,31" 30,25 $

Tube d'objectif SM1L15 SM1, profondeur de filetage de 1,50 , un anneau de retenue inclus 15,70 $

Adaptateur SM1A1 avec filetages externes SM05 et filetages internes SM1 20,60 $

SM05L03 SM05 Tube d'objectif, profondeur de filetage de 0,30 , un anneau de retenue inclus 13,80 $

SM1RR SM1 Bague de retenue pour tubes et montures d'objectif Ø1 $4.50

Total avec les nouvelles lentilles en germanium $466.33

Logement seulement84,85 $

J'ai logé mon convertisseur téléobjectif dans un tube optique fabriqué avec les composants de tube SM1 et SM05 de Thorlab. J'ai placé l'objectif à l'avant d'un tube d'objectif réglable SM1V05 pour permettre la mise au point en permettant de régler la distance entre les objectifs. Une bague SM1 externe est utilisée pour verrouiller la mise au point. En utilisant des pièces neuves de Thorlabs, vous pouvez vous attendre à dépenser environ 466 $. Si vous utilisez des objectifs ZnSe d'eBay® et de nouvelles pièces pour le boîtier, vous dépenserez probablement environ 200 $.

L'enceinte du télescope n'a pas besoin d'être aussi sophistiquée que la mienne. Les tuyaux en PVC avec un certain arrangement pour la mise au point (par exemple, une lentille montée sur un capuchon fileté) fonctionneront parfaitement. Cependant, j'aime beaucoup les tubes SM de Thorlabs car ils sont relativement peu coûteux et parfaitement adaptés à la construction de ce type d'instruments optiques. De plus, le côté fileté du SM05L03 de l'oculaire repose parfaitement contre la bague de retenue de la lentille du Seek RevealPRO.

Étape 5: Construction Étape 1: Retirer la bague du tube SM1L15

À l'aide de vos doigts ou d'une clé à molette (par exemple, Thorlabs SPW602 qui se vend 26,75 $), retirez la bague de retenue SM1 qui se trouve à l'intérieur du tube SM1L15.

Étape 6: Construction Étape 2: Préparer les composants pour l'assemblage de la lentille d'objectif

Préparez les composants dont vous aurez besoin pour l'assemblage de l'objectif:

• Tube d'objectif réglable SM1V05
• Deux bagues de retenue SM1 (l'une d'elles provient du tube d'objectif SM1L15 comme indiqué à l'étape précédente)
• Lentille Ge Plano-Convex Ø1", f = 50 mm, revêtement AR: 7-12 µm (ou similaire)

Étape 7: Construction Étape 3: Insérez la bague de retenue SM1 dans SM1V05 à une profondeur de 6 mm

À l'aide d'une clé à molette ou de vos doigts, insérez une bague de retenue dans le tube d'objectif réglable SM1V05 à une profondeur d'environ 6 mm. Cela peut devoir changer en fonction de l'objectif que vous avez choisi comme objectif. L'idée est de permettre à la lentille de s'asseoir suffisamment en arrière pour permettre d'utiliser une bague de retenue de l'autre côté de la lentille.

Étape 8: Construction Étape 4: Insérez la lentille d'objectif et la bague de retenue extérieure

Insérez la lentille de l'objectif avec sa face convexe tournée vers l'extérieur, puis fixez-la à l'aide du deuxième anneau de retenue. Attention à ne pas trop serrer, cela pourrait endommager l'objectif ! Si vous utilisez une pince à épiler ou un autre outil au lieu d'une clé à molette, veillez à ne pas rayer la lentille.

Étape 9: Construction Étape 5: Préparer les composants pour l'oculaire

Préparez les composants que vous utiliserez pour assembler l'oculaire:

• Tube d'objectif SM05L03
• Anneau de retenue SM5 (retiré du tube SM05L03)
• Lentille Ge Plano-Convexe Ø1/2" f = 15 mm, revêtement AR: 7-12 µm (ou similaire)

Étape 10: Construction Étape 6: Assembler l'oculaire

Assemblez l'oculaire en insérant la lentille de l'oculaire dans le tube SM05L03. Le côté convexe doit faire face aux filetages externes (vers le bas dans l'image suivante). Fixez la lentille en position avec la bague de retenue SM05. De préférence, utilisez une clé à molette SM05 (par exemple Thorlabs SPW603, qui se vend 24,50 $) pour insérer et serrer la bague de retenue SM05. Attention à ne pas trop serrer, cela pourrait endommager l'objectif ! Si vous utilisez une pince à épiler ou un autre outil au lieu d'une clé à molette, veillez à ne pas rayer la lentille.

Étape 11: Construction Étape 7: Monter l'oculaire sur l'adaptateur SM1-à-SM05

Vissez l'ensemble lentille oculaire sur un adaptateur SM1A1 SM1-à-SM05.

Étape 12: Construction Étape 8: Assemblage final

Enfin, vissez l'ensemble lentille oculaire (monté sur l'adaptateur SM1A1) et l'ensemble lentille objectif sur le tube d'objectif SM1L15. Ceci termine l'assemblage du convertisseur téléobjectif Keplerian.

Étape 13: Utilisez le convertisseur téléobjectif

Placez le convertisseur télé devant l'objectif de la caméra thermique et commencez à explorer ! Vous devez faire la mise au point de l'objectif en tournant l'ensemble objectif jusqu'à ce que l'image la plus nette de votre sujet soit obtenue. La bague externe SM1 fournie avec le tube d'objectif réglable SM1V05 peut être utilisée pour verrouiller le réglage de la mise au point.

Vous pouvez envisager de fixer de manière permanente une bague de verrouillage SM05 de Thorlabs SM05NT (6,58 $) (ID 0,535"-40, 0,75" OD) à la monture d'objectif de votre appareil photo afin que vous puissiez monter rapidement des convertisseurs macro ou téléobjectif devant l'objectif de l'appareil photo sans affecter sa fonctionnalité d'origine.

Enfin, n'oubliez pas qu'un télescope Keplerian inverse l'image, vous verrez donc l'image thermique à l'envers sur l'écran de votre appareil photo. Il faut juste un peu de pratique pour s'habituer au fait que le pointage de l'appareil photo avec le convertisseur téléobjectif installé nécessite des mouvements dans le sens opposé de l'image.

Étape 14: Performances

Je suis très content des résultats. Les figures montrent quelques exemples d'images du convertisseur téléobjectif utilisé. Les volets de gauche montrent l'image capturée à travers l'objectif fixe du Seek RevealPRO. Les volets de droite montrent la même scène en utilisant le convertisseur téléobjectif ×3,33. J'ai ajouté un rectangle orange aux images des volets de gauche pour indiquer la région agrandie par le convertisseur téléobjectif. Les dimensions du rectangle sont 1/3,33 de celles du cadre de l'image, démontrant que le grossissement obtenu par le convertisseur téléobjectif est bien de ×3,33.

Bien entendu, les systèmes d'objectifs utilisés dans le Seek RevealPRO et le convertisseur téléobjectif sont extrêmement simples, il faut donc s'attendre à des distorsions et à un vignettage. Comme le montrent les photos de mes voisins de jardin et d'une partie du ciel, le vignettage est le plus apparent lorsque vous utilisez le convertisseur téléobjectif pour imager des sujets à grande distance. Néanmoins, les détails qui ne peuvent pas être vus avec l'appareil photo sans aide sont très apparents à l'aide du convertisseur téléobjectif.

Étape 15: Sources

Ce qui suit sont des sources pour les matériaux mentionnés dans ce Instructable:

• Recherche - www.thermal.com
• Thorlabs – www.thorlabs.com
• Edmund Optique Industrielle - www.edmundoptics.com

Remarque: je ne suis en aucun cas affilié à ces sociétés.

Autres lectures et expériences

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