07-10-12

Detectie systemen voor high-speed fotografie deel 2.

Ook de laatste 2 jaar, in 2011 en 2012 werden er telkens nieuwe opstellingen gemaakt. Na de 3D opstelling van 2010 werd terug een 2D versie gemaakt in 2011. 3D blijft heel mooi maar er zijn te weinig gebruikers die het volwaardig kunnen bekijken door gebrek aan 3D monitors of TV's.

De detector werd opnieuw gedaan met 2 IR lasers op 980 nm. Deze lasers zijn voor ons oog onzichtbaar maar ik heb toch ondervonden dat de meeste insecten deze laserstralen zien. Een aantal soorten insecten gaan alsgevolg hiervan niet snel direct in laserstralen vliegen. Een overzicht tekening van deze detector ziet er zo uit:

ir_detector_2011.png

Er staan 2 lasers schuin opgesteld en hun stralen snijden elkaar in het focuspunt waar de insecten moeten vliegen. De gereflecteerde signalen worden bij aanwezigheid van een object in het focuspunt weerkaatst naar de meetlens. De meetlens staat juist boven de camera. De detectie gaat via een photodiode en een kleine microcontroller die net achter de lens werd bevestigd. De lasersignalen die hier ontvangen worden worden omgezet naar een kleine analoge spanning die verwerkt wordt door de microcontroller. De microcontroller stuurt de gegevens door naar de centrale sturing. Die sturing verwerkt de signalen verder en kan zo de camera, externe shutter en flitsen bedienen. Versie 2011 zag er zo uit:

setup_2011.jpg

Vooraan de macrolens was er nog een ringflits voorzien, samen met 2 extra flitsen op de zijkant. De ringflits is vooral bij closeup opnames doeltreffend als bijlicht. Zolang er ook zijdelinkse flitsen gebruikt worden blijft de belichting heel mooi. Op de centrale controller werd het vermogen van iedere flits ingesteld. Deze camera opstelling maakte ook weer gebruik van een externe shutter om de shutter-lag te beperken tot 3.5 msec. De gebruikte shutter was de Uniblitz VS14s met een opening van 14mm. De shutter werd tussen de camera en de macro lens gemonteerd. Hier zie je de kombinatie:

camera met vs14 shutter.jpg

Het voordeel om de externe shutter te monteren tussen lens en camera is dat je een shutter met relatief kleine opening kunt gebruiken. Deze shutters zijn sneller dan de grotere versie's. Bij high-speed opnames is dit een belangrijke factor. Het nadeel is dat je het werkbereik van je origineele lens beperkt langs de lange kant. Het bereik was hierdoor beperkt tussen 16.5 en 80 mm. Voor mijn type macrowerk was het net voldoende. Die 80mm is vooral voor iets grotere insecten zoals vlinders aan de lage kant.

De detectie snelheid zelf lag rond de 120 us. Dit is heel snel en verwaarloosbaar tov van de shutter-lag. De photodiode zelf had een ingebouwde IR bandpass filter. Hierdoor kon enkel het laserlicht vrij door naar de photodiode. Dit was vooral gunstig om overdag in volle zon te werken. Overdag is er heel veel licht en de detector mag niet in verzadiging gaan door het zonlicht. Toch moet je rekening houden dat de gevoeligheid afneemt. Op de meetlens zit ook een diafragma en die moest je overdag wat toedraaien.

Deze opstelling in 2011 was vooral geschikt om heel snel bewegende insecten te fotograferen. Springhanen, vliegen, colibrie vlinders, dit zijn allemaal heel snelle vliegers. Met de shutter-lag van 3.5 msec stonden ze nog perfect op de foto. Een voorbeeldje hiervan is de colibrie vlinder:

colibrie.jpg

In 2012 ben ik weer overgestapt op 3D fotografie. De prijzen van de 3D monitoren waren al lager, reden genoeg om een volwaardige 3D hull HD 27 inch monitor 120Hz te kopen. Deze monitor werkt met actieve bril en is zeer goed geschikt om volwaardig de 3D insecten in volle vlucht op hoge resolutie te bekijken.

3D blijft een moeilijke opstelling voor macro fotografie. De reden is dat de afstanden tussen beide camera's kleiner moeten zijn dan hun eigen afmetingen waardoor je ze niet meer naast elkaar kunt opstellen. Hier heb ik gebruik gemaakt van een beamsplitter 60x85mm. Die split het beeld in 2 richtingen waardoor je een camera in line kunt plaatsen, de andere op 90 graden. Mechanisch een vrij nauwkeurig werkje. Gezien de grotere opstelling heb ik hier geen externe shutters meer gebruikt. Ik moest het doen met de eigen shutter-lag van de D300 camera's en die is 52 msec. Nadeel, weg met de super snelle insecten, geen springhanen meer, maar toch nog genoeg insecten om gedurende een gans jaar te fotograferen. De camera zag erzo uit:

3d setup 2012b.jpg

3d setup 2012c.jpg

De meetlens voor de detector is hier een AF50/1.8D en is uitgerust met een extra kleine spiegel om het laserlicht via de beamsplitter te kunnen opvangen. Hierdoor was de inbouw iets kompakter. Dit jaar zijn hiermee 10.000 beelden per camera gemaakt. Ze worden via een software tot een 3D beeld verwerkt en kunnen als .mpo file direct gebruikt worden op de Asus 3D full HD monitor. Ondertussen loopt de zomer op zijn einde en wordt het hoogtijd om een nieuwe versie te maken voor 2013. Dit zal het thema zijn voor de volgende Blogs.

04-10-12

Detectie systemen voor high-speed fotografie.

Over de jaren heen heb ik al verschillende detectie systemen gebouwd voor high-speed fotografie. Zo een detectie systeem is nodig opdat de stuurcircuit die de camea en flitsen moet sturen zo snel mogelijk kan aangestuurd worden als een onderwerp correct in focus komt. Bij dit type fotografie wordt altijd verstrokken van een vaste werkafstand. Er hoeft geen (auto) focus meer gedaan worden, de camera moet vooraf ingesteld worden op een vast focuspunt, vast F-waarde en ISO.

Het detectie systeem heeft als opdracht een signaal te geven als er een object in het ingestelde focuspunt komt. Het meest voor de hand liggend systeem is een lichtsignaal. Veel gebruikte lichtbronnen zijn de goedkope 1 mw rode laserpointers die je overal vind. De opstelling wordt gewoonlijk gedaan met 2 laserpointers die gekruist opgesteld staan zodat je een snijpunt bekomt in he midden van het virtueel beeldvlak. Recht tegenover staan dan 2 ontvangers, de detectoren. Dit zijn fotodiodes met doorgaans een transistor erachter als schakeltrap Valt er laserlicht op dan neemt de uitgang een bepaald niveau, valt het licht weg door onderbrekenig via een object dan schakeld de uitgang om. Dit signaal is voldoende voor de stuuring van de camera. Als beide lasersignalen wegvallen weet je zeker dat een object aanwezig is om te fotograferen. Hierbij een foto van de versie uit 2006 waarop de beide zijdelinkse armen de laserpointers zitten en de fotodiodes voor de detector:

setup_2006.jpg

Beide armen staan zo opgesteld dat het ideale fotovlak juist ter hoogte komt van de zenders/ontvangers. Bij deze oude versie waren alle onderdelen via kabels verbonden naar een centraal kastje die via een draagriem op mijn rug bevestigd was. In het kastje zat de eigenlijke sturing. Er werden 2 flitsen gebruikt samen met de AF105/2.8D macro lens. Voor de lens was een compur1 externe shutter gemonteerd. Die shutter had slechts een vertraging van 6 msec, wat ook een heel korte reactietijd was om vliegende insecten te fotograferen.

De camera was toen de Nikon D200 maar eigenlijk gaan de meeste DSLR camera's hiervoor. Nog vroegere jaren, in 2004, werkte ik met de D100 en een gelijkaardige opstelling. Het werkingprinciepe blijft steeds hetzelfde, de camera wordt in opname geplaatst, bulb manueel en wacht op een bekrachtiging van de externe shutter. Zolang die externe shutter gesloten blijft krijgt de sensors in de camera geen beeld. Komt er een detectie signaal door de onderbreking van beide lasersignalen dan werd de externe shutter snel geopend en werden ook beide flitsen gestuurd. Hierna kond de camera zijn opname stoppen. Omdat de externe shutter een oude mechanische versie was moest die terug opgespannen worden voor een volgende opname. Je kon dus nooit snel 2 opeenvolgende beelden maken.

Het kon ook zijn dat een insect niet door de beide lasersignalen heen vloog en dan had je geen trigger signaal, dus ook geen beeld. Na een bepaalde tijd moest je dan zelf de opname stoppen omdat een digitale camera na verloop van tijd te veel ruis signaal zou produceren. De max wachttijd om nog een triggersignaal te zien was toen ingesteld op 30 sec met een D100 en op 60 sec voor de latere versie's.

Op de setup van 2006 was ook een GPS aangebouwd. Toen waren die GPS toestellen nog niet in de camera zelf beschikbaar. Bij natuuropnames van insecten weet je later graag waar de opnames gedaan werden. Het GPS signaal werd naar de camera gestuurd en kwam hierdoor direct in de opnamegevens van het beeld. Dit was echt een voorloper van foto's met GPS data in het beeld. De Nikon D200 was wel al voorzien voor externe serieele  communicatie naar een standaard GPS toestel.

Het nadeel bij gebruik van laserpointers vooraan zijn de lange armen ter hoogte van je beeldopname. Insecten zijn vrij schuw en sommigen gaan minder snel tussen de beide armen vliegen. Er vormt zich ook een probleem als beide lasersignalen zijdelinks door een vreemd object zoals een kleine tak of bloem onderbroken worden. dan bekom je een verkeerd signaal met een weinig zinvolle opname. Vandaar dat ik enkele tijd bezig was om hiervoor een bruikbare oplossing te vinden.

Die oplossing is er uiteindelijk gekomen. Het werd een detectie door te kijken naar het object. Het basis princiep blijft eenvoudig, er zijn 2 laserpointers die nu zijdelinks van de camera staan en waarvan hun beide lichtstralen samenvallen in het ideaal focuspunt van de afgestelde camera. Boven de camera wordt een extra macro lens gemonteerd die kijkt naar het laserlicht. In de meetlens zit de fotodiode. Ook die meetlens staat perfect infocus op het ideale centrale punt waar een object moet komen. Als er een object voorbijkomt zal het gereflecteerde lasersignaal voldoende licht naar de fotodiode sturen om een detectie mogelijk te maken. Nu vallen de beide zijdelinks armen weg waardoor de insecten minder schuw zijn. Zo een zeer goed werkende versie heb ik in 2008 gebouwd:

setup_2008.jpg

setup_2008b.jpg

De meetlens staat hierbij boven de camera. Alle andere onderdelen blijven hetzelfde, er is opnieuw een externe shutter aanwezig en er zijn de beide flitsen zijdelinks opgesteld. Naast de meetlens bovenaan staan er ook nog 2 felle leds die helpen om de beestjes te zien bij nachtopnames. Alle stuur electronica zat net onder de camera en macrolens wat nog te zien is op de foto. Ook deze versie was een uitstekende samenstelling. De shutter-lag was ook 6 msec en de detector kon nu gewoon kijken naar een insect in volle vlucht. Het geheel kon zelfs werken binnen een bepaalde holte omdat de lasersignalen ook naar binnen konden. Zo kon je een insect detecteren die in zijn holletje zat te kijken.

In 2010 begon ik aan een 3D versie. Ook deze versie was voorzien met de optische detector. Hier werd de NikonAF60/2.8D macrolens gebruikt waar de fotodiode in verwerkt was. Voor 3D heb je 2 camera's nodig die gelijktijdig de beelden maken voor vliegende insecten. Beide camera's stonden in lijn opgesteld en het binnenkomende beeld werd via 2 spiegels naar de zijdelinkse camera's gestuurd. Hier werd echter geen externe shutter gebruikt waardoor de shutter-lag deze was van de camera zelf. De camera's waren een D300 en een D200 en de shutter-lag was 58msec (bepaald door de traagste D200). Supersnelle vliegers kon je niet meer in beeld krijgen maar toch heb ik in dat jaar heel veel mooie 3D opnames kunnen maken van vliegende insecten. Camera systeem was vrij zwaar om te dragen (ruim 8.25kg) en was via een speciale strap rond lijn body opgehangen. Zo kon ik toch 2 tot 3 uur rondlopen om 3D beelden te maken.

setup_2010.jpg

 

Hoe het dan verder gegaan is in 2011 en 2012 zal voor de volgende Blog zijn samen met de nieuwe plannen voor 2013.

 

02-10-12

Olympus adaptor versie 2.

Ik heb een adaptor nodig om de Olympus EPL3 camera te koppelen aan mijn externe VS14s shutter. Voor die shutter staat een Nikkor macro lens. Door deze combinatie heb ik het voordeel van de goede Nikkor macro lens, de supersnelle externe shutter en een ultra lichte compact camera met verwisselbare lenzen.

Met de eerste adaptor versie kon ik een aantal metingen uitvoeren. Iedere extra afstand door een adaptor beinvloed ook de eigenschappen van de lens. Mijn externe VS14s shutter behuizing heeft ook al een dikte van 28 mm. De eerste adaptor was slechts 3 mm dik waardoor het totaal op 31mm kwam. Tijdens de testen bleek echter dat de VS14s shutter met 14mm opening wat vignettering gaf in de hoeken. De enige oplossing was om de adaptor wat dikker te maken zodat de beeldprojectie cirkel op de sensor groter wordt.

Vandaar aan de slag om een 2de adaptor te maken. De fitting aan de Olympus zijde was hetzelfde, enkel de totale dikte moest groter zijn. De nieuwe adaptor heb ik 14mm langer gemaakt. Hierdoor komt de totale afstand op 3+14+28= 45 mm tussen de camera en de Nikkor macro lens.

 Voor het maken van zo een adaptor is er wat mechanische kennis nodig. Naast het draaien is er het frezen van de ongelijkvormige uitsnedes. De afmetingen moeten vrij nauwkeurig zijn om het geheel te passen op het camera huis. Ook de vergrendel gleuf van 2mm dik en 1mm diep moet heel juist staan. Hierbij een paar foto's tijdens het bewerken van de adaptor:

 

_D309616.jpg

 

 Zoals te zien op de foto moet je ook beschikken over een draaitafel op de freesmachine om de flens contour te kunnen bewerken. Er zijn 3 uitsparingen en die zijn onderling nog eens asymetrisch. Hierbij nog een closeup tijdens het frezen: 

_D309623.jpg

Het maken van zo een adaptor neemt toch al snel 4 tot 6 uur inbeslag. Gelukkig bewerkt aluminium vrij goed. Alvorens te monteren moet alles goed gereinigd worden zodat er geen resten meer blijven hangen. De kleinste onzuiverheden die later in de camera binnen dringen en op de sensor komen zijn erg vervelend. Het laatste werkje is de binnenkant volledig zwart maken. Dit is nodig om reflectie's te vermijden. Ik heb het gedaan met een zwarte stift, niet ideaal maar toch veel beter dan niets.

 Nu op naar de eindmontage om de eerste proefopnames te kunnen maken. Nogmaals de doelstelling is om insecten in volle vlucht te kunnen fotograferen. Dit is macro werk en heel closeup. Er zijn heel veel kleine insecten die je nauwelijks met het oog waarneemt. Die kunnen fotograferen tijdens hun vlucht is een echte uitdaging. De eindmontage ziet er nu zo uit:

 _D309634.jpg

Dit wordt de definitieve combinatie camera-adaptor-externe shutter-Macro lens. Camera moet op manueel staan, bulb, ISO200. Het diafragma wordt vast ingesteld op de Nikkor macro lens normaal zal dit F16 zijn. Deze opnames werken op een vooraf ingestelde focus afstand. De belichting wordt gedaan via 2 of 3 externe flitsen. Omdat de werkafstand vast ingesteld wordt is ook de belichting zo goed als konstant.

 De werkafstand, hoewel vast ingesteld kan vooraf geregeld worden binnen bepaalde grenzen. Die grenzen waren bepaald door lens, shutter, adaptor en camera. Ik heb foto's gemaakt van alle werkbare afstanden. De resultaten zijn:

 Beeld breedte    Vrije afstand tot voorkant lens.

125mm ------------------- 650 mm geen vignetting
 80 mm ------------------ 520 mm geen vignetting
 70 mm ------------------ 445 mm geen vignetting
 60 mm ------------------ 390 mm geen vignetting
 50 mm ------------------ 315 mm geen vignetting
 40 mm ------------------ 260 mm geen vignetting
 30 mm ------------------ 205 mm geen vignetting
 20 mm ------------------ 153 mm geen vignetting
 15 mm ------------------ 130 mm heel kleine vignetting
 14 mm ------------------ 125 mm heel kleine vignetting

Dit zijn ideale werkafstanden voor dit type macro werk. Nu deze problemen opgelost zijn kan ik verder werken aan de laser detectie. Laser detectie is nodig om een detectie signaal te bekomen als het object in focus komt te vliegen. Die detectie moet uiterst snel gaan om de camera te kunnen sturen. Maar later meer daarover.