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.

 

30-09-12

Een externe shutter gebruiken.

Voor high-speed fotografie heb je een korte shutter-lag nodig. De shutter-lag is de tijd die verloopt tussen het afdrukken van de camera en het nemen van de foto. Bij een compact toestel is dit soms heel lang, bij de meeste DSLR toestellen ligt dit tussen de 50 en 100 msec. Om vliegende insecten in closeup te fotograferen heb je echter een heel korte shutter-lag nodig. Anders is het insect reeds lang uit beeld alvorens de foto echt genomen wordt. Ook is de foto in vele gevallen niet scherp als het beestje er toch nog opstaat. Velen zullen dit al ondervonden hebben en dit is ook de reden waarom het zo moeilijk gaat om snelle beestjes in volle vlucht te fotograferen.

Het afdrukken van de camera moet zonder veel vertraging gebeuren. Onze reactie tijd ligt doorgaans ver boven de 100 msec, veel meer richting 200 of 300 msec. We gaan bijgevolg een snelle detectie nodig hebben met directe stuurcircuit die deze vertraging bijna volledig uitsluit. Maar daarover later meer.

 

Een externe shutter is vb de VS14s Uniblitz shutter. De naakte niet ingebouwde versie ziet er zo uit:

vs14 shutter.jpg

De zwarte cirkel in het midden is de shutter opening. Die staat normaal toe en heeft een vrije opening van 14mm als hij volledig opengestuurd wordt. Nu is de eigenschap van deze mechanische shutter dat hij vrij snel kan open gaan. Hiervoor is een korte puls nodig gedurende 4ms op 65V. Bij deze sturing is hij volledig open in 3.5 msec. Vele malen sneller dan een goede DSLR van boven de 50 msec.

 

Deze shutter moet nog ingebouwd worden. Er zijn 2 mogelijkheden nl: tussen de lens en de camera of vooraan de lens. Beiden hebben voor en nadelen. Tussen lens en camera mag de shutter opening kleiner zijn, in dit geval 14mm, en hoe kleiner de shutter opening hoe sneller dit gaat. Monteer je hem voor de lens dan moet die opening veel groter zijn, minstens 25 mm of zelfs 35mm. Die grotere shutters zijn daardoor veel trager en gaan ook veel trager weer toe. Tussen de lens en de camera gaat het snelst maar door de extra dikte tussen lens en camera wordt je focus range gewijzigd en beperkt.

Om die dikte te beperken heb ik zelf een behuizing getekend en gemaakt. Dit is een behoorlijk werkje waarvoor je een draaibank en een freesmachine nodig hebt. De tekening ziet er zo uit:

vs14 behuizing.jpg

De behuizing is gemaakt van aluminium waardoor het extra gewicht beperkt wordt. Bewerken van alu gaat ook heel gemakkelijk. Op devolgende foto zie je hoe de shutter zelf erin past:

vs14 montage.jpg

Het deksel moet er nog op en daarop zit ook de F-mount om Nikkor lenzen op te monteren. Omdat de origineele lens nu niet meer direct op de camera staat krijgt de camera zelf geen beeld meer te zien zolang deze externe shutter toe staat. Gezien de lens kontacten niet meer doorverbonden worden moet de camera in manueele mode staan en wordt de lichtsterkte geregeld op de macro lens in manueele stand. De camera zelf kan geen F-waarde meer weergeven, die staat op ---

De werking van de camera is nu anders, de camera zelf moet eerst in opname staan (bulb mode) wachtend tot de externe shutter opengaat. Al die tijd staat de interne shutter bekrachtigd met een zwart beeld als gevolg. Als je nu de externe shutter openstuurt via een externe detectie circuit ( normaal laser systeem) zal er een beeld gevormd worden in de camera en mogen beide shutters weer toe. Als je een externe flits gebruikt moet die flits juist op het moment dat ook de externe shutter openstaat flitsen.

Deze combinatie interne-externe shutter laat toe binnen de 3.5 msec na detectie van een snel bewegend object een foto te maken. Door de externe flitsers worden vleugels mooi bevroren en staan ook scherp op de foto. Als de detector goed afgesteld staat zullen alle opnames ook perfect scherp staan nietegenstaande de zeer hoge vliegsnelheid.

Zelfs een springhaan tijdens zijn sprong kan je zo opnemen. Die zijn enorm snel maar de externe shutter en detectie is dit ook:

springhaan.jpg