Prosty noktowizor

W tym miesiącu tematem konkursu jest światło. Na szczęście dla mnie, Łukasz nie wskazał że tematem ma być światło widzialne… Tym razem pokażę jak skonstruować prosty noktowizor, który wykorzystywać do działania będzie światło z poza zakresu widzialnego dla człowieka.

Czym jest światło?

Z fizyki w szkole wiadomo że światło ma budowę falową i cząsteczkową jednocześnie. Wielkością charakteryzującą falę elektromagnetyczną jest długość, wyrażana w metrach. Fale, których długość mieści się w granicach od ok. 380nm do ok 750nm, jest możliwa do zobaczenia przez oko ludzkie i nazywana jest światłem widzialnym. Jest też fragmentem obszaru widma o szerszych granicach, zwanego promieniowaniem optycznym. Prócz światła widzialnego, promieniowanie optyczne obejmuje zakres ultrafioletu (<380nm) i podczerwieni (>750nm). Jednak niektórych zjawisk fizycznych nie da się wytłumaczyć falowym pochodzeniem światła i trzeba je traktować jako strumień cząstek – fotonów. Takie „rozdwojenie jaźni” światła opisuje teoria korpuskularno-falowa. Dla ułatwienia, możemy przyjąć że promień świetlny to cząstka-foton poruszająca się po ścieżce o wyglądzie wykresu funkcji sinus. A „światło” to dużo takich sinusów. Wspomniane wcześniej „widmo” to tak jakby rozłożenie promieniowania elektromagnetycznego na poszczególne fale o konkretnych długościach.  (diagram z wikipedii)

Kolor czerwony to fala o długości ok 650 nm; kolor żółty ma falę długości ok. 600 nm; zielony to 550 nm; niebieski to okolice 500 nm; poniżej 500 nm znajduje się fiolet a od 380 nm w dół to już zakres światła ultrafioletowego. To właśnie światło ultrafioletowe odpowiada za opaleniznę ;). Analogicznie, powyżej 650nm znajdują się fale dające kolor ciemnej czerwieni, a jeszcze wyżej wchodzimy w zakres podczerwieni (IR). I ten zakres będzie dla nas szczególnie interesujący. (diagram z wikipedii)

Jak działa noktowizor?

Noktowizory są urządzeniami wzmacniającymi światło widzialne lub zmieniające światło z pasma bliskiej podczerwieni na światło rejestrowane przez oko. Są wzmacniaczami obrazu, działającymi na zasadzie fotopowielacza. Cząsteczka (foton) wpadający do fotopowielacza odbija się od wewnętrznych płytek, między którymi przyłożone jest duże napięcie (nawet 30kV w starszych konstrukcjach). Każde odbicie fotonu od płytek generuje kolejną cząstkę, identyczną z tą początkową. W ten sposób, z każdym odbiciem, kaskadowo zwiększa się ilość fotonów w przetworniku.

Noktowizory dzielą się na dwa rodzaje: pasywne i aktywne. Noktowizor pasywny wykorzystuje tylko i wyłącznie fotony z otoczenia, aktywny natomiast wymaga dodatkowego oświetlacza, świecącego światłem podczerwonym, niewidocznym (lub słabo widocznym) dla oczu ludzkich.

Prosty, konstruowany przez nas noktowizor nie będzie używać klasycznych fotopowielaczy a do jego działania wymagany natomiast będzie doświetlacz IR. Zamiast wzmacniacza obrazu, zastosowana zostanie matryca CCD z kamery od monitoringu. Matryca CCD reaguje na światło również z zakresu podczerwieni i przedstawia je jako odcienie szarości. A to pozwala na nocną obserwację obiektów oświetlonych podczerwienią, czego obiekt nie zawsze jest świadom. Tak właśnie działa nocny monitoring. Taka jakby latarka, którą kogoś oświetlasz, ale on tego nie wie ;)

Jeśli przy kamerze dostrzegacie słabą czerwoną poświatę, znaczy że jesteście oświetlani światłem o długości, głównie, 850nm. Diody led, wykorzystywane do budowy reflektorów nie są obiektami idealnymi. Większość światła emitują w zakresie już niewidzialnym dla oka, jednak część światła jest emitowana w zakresie jeszcze zauważalnym – to właśnie jest ta czerwona poświata. Oświetlacz emitujący światło w paśmie 940nm już jest całkowicie niewidoczny. Falę o długości 940nm emitują też np. piloty zdalnego sterowania.

Niektórzy mogą się zastanawiać, czemu każdy noktowizor na pokazuje obraz w zielonych barwach. Wynika to z faktu, że oko ludzkie jest w stanie odróżnić dużo więcej odcieni koloru zielonego niż innych kolorów. Ponadto, po zdjęciu noktowizora w całkowitej ciemności, oko szybciej się akomoduje do braku oświetlenia. Najdłuższą akomodację powoduje światło białe. Można się przekonać o tym samemu, idąc po ciemnym lesie z białą latarką diodową o zimnym świetle i wyłączając ją. Przez dość długi czas (30 s – 1 min), człowiek pozostaje ślepy. Najkrótszą – światło czerwone, ale było by zbyt drażniące dla oczu podczas długiego noszenia noktowizora.

Co będzie potrzebne?

• Kamera płytkowa do monitoringu.
• Analogowy wizjer ze starej kamery VHS
• Oświetlacz emitujący światło podczerwone
• Układ zasilania
• Akumulator
• Wskaźnik rozładowania akumulatora

Schemat blokowy przedstawia połączenia między poszczególnymi układami. Krótko je opiszę. Opisy kolorów na schemacie odpowiadają kolorom użytym przeze mnie już w istniejącym urządzeniu.

Zastosowałem moduł kamery z matrycą CCD, kolorowy, przesyłający sygnał w obowiązującym w europie standardzie PAL. Do obserwacji nocnej lepiej nadaje się kamera czarno-biała, ale jak się nie ma co się lubi… Kamera zasilana jest napięciem 12VDC. Kamery płytkowe podłączane są, najczęściej, 4-szpilkowym złączem. Na dwóch pinach znajduje się masa, jeden jest wyjściem analogowego sygnału wideo, ostatni to wejście zasilające. Kolory kabli mówią o przeznaczeniu danej żyły: czerwony = 12V; czarny = masa; pozostały = wideo. Do testów, na sam początek, użyłem kamery monitoringu z regulowanym zoomem i zintegrowanymi diodami podświetlenia.

Wizjer pochodzi z jakiejś antycznej kamery, Grundig, o ile mnie pamięć nie myli. Jest całkowicie analogowy. W środku jest niczym innym, jak miniaturową lampą kineskopową.

Wizjery zasilane były przeważnie napięciem 5VDC, ale trafiały się również zasilane 9VDC. Należy ustalić, które z żył odpowiadają za zasilanie, a która jest wejściem video.

Najłatwiej znaleźć jest masę – jedną z sond multimetru, ustawionego na pomiar ciągłości lub oporności przykłada się do dużych pól miedzi, radiatorów, największych padów lutowanych tranzystorów etc, czyli w miejscach gdzie z reguły masa może się na elementach pojawiać. Jeśli w wizjerze znajdują się jakieś układy scalone z widocznymi nazwami, to należy znaleźć ich notę katalogową i przykładać sondy do nóżek opisanych w nocie. Druga z sond, naturalnie, mierzy po kolei każdą z żył.

Jeśli nie uda się zlokalizować żadnego układu, to pierwszym sposobem należy ustalić położenie żyły z masą. Następnie, żyłę tą łączy się z masą źródła napięcia stałego 5V (np. z popularnego stabilizatora 7805). Wyciąga się metalowe przedmioty z wnętrza wizjera, palce również i wyjście +5V ze stabilizatora przykłada, kolejno, do pozostałych żył. W którymś momencie wizjer powinien zacząć świecić na biało. Bez obaw, przyłożenie 5V do niewłaściwej żyły nie powinno uszkodzić elektroniki wizjera. Potem zostanie już podłączenie sygnału wideo z kamery do jednego z pozostałych wejść wizjera. Którego? To proste – na ekraniku pojawi się obraz ;)

Dlaczego pisałem o wyjęciu palców? Mimo zasilania jedynie 5V, w układzie znajduje się trafopowielacz, powodujący podbicie napięcia do setek woltów! Przyznam się że tej części sam nie robiłem. Zabawę z tym nokto zaczęliśmy z kolegą już parę lat temu, kiedy jeszcze nie miałem tyle wiedzy i umiejętności, co teraz. Rozszyfrowanie przeznaczenia żył zrobił nam tata owego kolegi.

W pierwszej wersji układ był zasilany z modelarskiej baterii 12V. Nie był to najszczęśliwszy pomysł. Po pierwsze, w miarę rozładowania, napięcie na baterii spada i nagle okazywało się że wizjer jeszcze działa (był zasilany przez stabilizator LM317) a dla kamery napięcie już jest za niskie. Poza tym, waga i wielkość pakietu zbudowanego z ogniw „large” była zdecydowanie za duża. W tej wersji wybrałem mniejszy akumulator ni-mh 9,6V na ogniwach mini. Bez najmniejszego problemu można zastosować też akumulatory o innym woltażu (7,2V, 8,4V, 10,8V) oraz akumulatory litowe li-po, li-ion 7,4V czy 11,1V. Z drobną uwagą, o której za chwilę.

Za dopasowanie napięć odpowiadają dwie przetwornice impulsowe. Gotowe moduły takich przetwornic można znaleźć na ebay, za kilka dolarów za sztukę. Pierwsza, oparta o układ LM2596 obniża napięcie do 5V, odpowiednich dla wizjera. Moduły dostępne w handlu mają na wyjściu kondensatory 220uF, służące do wygładzania przebiegu napięcia wyjściowego. Niestety, do analogowego wizjera kondensator okazał się mieć zbyt niską pojemność. Na ekranie widać było skaczące prążki i obraz drgał. Dlatego, w finalnym urządzeniu dodałem jeszcze jeden kondensator elektrolityczny między linie +5V oraz GND. Sytuacja poprawiła się diametralnie. Zastosowałem kondensator o pojemności 330uF, bo to był akurat największy, jaki miałem w swoich gratach. Ale myślę że dodanie nawet i 1000uF nie zaszkodziło by wcale.

Druga przetwornica, jest układem typu step-up, podnosząca napięcie zasilania do +12V, poziomu odpowiedniego dla kamery. Układ ten jest oparty o kostkę LM2577. Również i ta przetwornica jest sprzedawana w cenie kilku dolarów, jako gotowy do podłączenia moduł. Poziom napięcia wyjściowego na obu przetwornicach ustawia się za pomocą potencjometru na płytce. I tą czynność należy wykonać na początku składania urządzenia. Do testów, jako źródło napięcia zamiast baterii, użyłem prosty zasilacz regulowany, oparty na stabilizatorze LM317. Był to dokładnie ten sam układ, którym zasilałem silnik krokowy w pierwszej wersji mojego skanera 3d. Za pomocą miernika uniwersalnego ustawiłem napięcie na zasilaczu na ok 9,5V, czyli zbliżone do naładowanej baterii pod obciążeniem. Podając takie napięcie na wejście przetwornic, mierząc napięcie na wyjściu, ustawiłem pożądane poziomy napięć.

Obecność wskaźnika wyładowania podyktowana jest bezpośrednio obecnością w układzie przetwornic. One działają w taki sposób, że dopóki napięcie w pakiecie będzie większe niż jakieś-tam minimalne potrzebne do działania, dopóty one będą z baterii prąd ciągnąć. A nie można dopuścić do rozładowania akumulatorów poniżej pewnego napięcia, zależnego od rodzaju elektrolitu! O ile akumulatory niklowo-wodorkowe czy niklowo-kadmowe, po prostu się uszkodzą, jeśli napięcie na pojedynczym ogniwie spadnie poniżej 1V (ni-mh) czy 0,9V(ni-cd). Baterie litowe natomiast potrafią się zapalić, jeśli napięcie na pojedynczym ogniwie spadnie poniżej ok. 3V. Dlatego uznałem wskaźnik za obowiązkowy. Możliwość regulowania poziomu napięcia włączania powoduje, że po uprzedniej kalibracji, można go stosować z różnymi akumulatorami.

Po przeszukaniu internetu, nie znalazłem dokładnie tego, co chciałem. Albo za dużo elementów, albo dwie i więcej diod wskazujących. Chciałem aby układ był możliwie prosty, oparty o jedną diodę, łatwy do polutowania na płytce uniwersalnej (do takiego maleństwa nie chciało mi się trawić pcb). Z braku rezultatów, musiałem stworzyć coś sam, bazując na pomysłach, jakie przejrzałem. W efekcie powstał taki prosty układzik. Posiada zaledwie kilka elementów: dwa tranzystory, dioda Zenera 3v6, dioda LED czerwona, 2 rezystory i potencjometr. Zasada działania jest prosta – jeśli napięcie zasilania spadnie poniżej pewnego, ustalonego wcześniej poziomu, włącza się czerwona dioda sygnalizacyjna. Tyle.

Za pomocą edytora pcb z pakietu Eagle, zaprojektowałem ustawienie elementów na płytce uniwersalnej. Kratka w edytorze miała 50milsów, raster otworów na płytce to 100milsów = 2,54mm. W edytorze wystarczyło ustawiać elementy tak, aby ich pola lutownicze były w odległości do siebie o dwie lub wielokrotność dwóch kratek. Po zlutowaniu całości należało wskaźnik ustawić. Ponownie wykorzystałem regulowane źródło napięciowe LM317, na którego wyjściu ustawiłem 8,1V. Następnie kręcąc potencjometrem na wskaźniku ustawiłem go w takiej pozycji, że dioda się zapaliła. Po podniesieniu napięcia na LM317 dioda gasła. Czyli działa prawidłowo. W czasie pracy, układ pobiera ok 8mA prądu a po włączeniu diody 17mA. Sporo, ale bez tragedii, jak na zabawkę. Prócz cynowania końcówek kabli, to był jedyny lutowany przeze mnie układ.

Oświetlacz wykonany był już dawno temu, do pierwszej wersji noktowizora. Wykorzystuje 10 diod podczerwonych 940nm. Zasilane jest oddzielną baterią 9V, przez driver PWM oparty o timer NE555 i tranzystor mocy. Sterownik podaje na każdą diodę prąd ok. 3x większy niż dopuszczalny. Dlaczego diody się nie palą? Odpowiada za to duża częstotliwość, 10kHz i niski stopień wypełnienia sygnału sterującego, 10-20%, nie pamiętam dokładnie. Dioda led włączając się najpierw błyska, a potem jej światłość się stabilizuje na sporo niższym poziomie. Wykorzystując same „błyśnięcia” (czyli wyłączając diodę zaraz po błysku), można uzyskać większą jasność świecenia. Mimo że dioda pobiera 3x więcej prądu, nie pali się, bo prąd nie jest pobierany w sposób ciągły i między błyśnięciami złącze diody zdąży się ochłodzić. Poniżej zamieszczam schemat i projekt płytki, ale zastrzegam, nie jestem pewien czy dokładnie ten schemat, te wartości elementów i tą płytkę użyłem. Było to dawno temu i już, po prostu, nie pamiętam. Tak tylko dla formalności powiem, był to pierwszy samodzielnie zaprojektowany układ o konkretnym zastosowaniu i pierwsza zaprojektowana samemu płytka pcb. Trawił ją nam tata kolegi, za co serdecznie dziękuję! Wkrótce, oświetlacz ten zostanie zamieniony z przerobioną latarką z pół- lub jednowatową diodą mocy IR.

Części składowe już opisane, więc trzeba to wszystko  zmontować w jedną całość. Najpierw próba z zasilaczem zamiast baterii:

Kartka pomiędzy przetwornicami izoluje je od siebie, “na wszelki wypadek”. Tymczasowa kamera działa (łącznie ze zintegrowanym podświetleniem, wizjer działa. Fioletowa poświata diod na zdjęciach oznacza że diody świecą. Oczywiście na żywo tego nie widać, zwłaszcza w dzień. Jest to bezpośredni efekt tego, że matryca aparatu reaguje na bardzo mocne światło IR. Jednak, w obiektywie aparatów, kamerek USB, telefonów zamontowane są na stałe mocne filtry izolujące podczerwień, właśnie po to, aby ograniczyć wychwytywanie tego pasma przez matrycę. Dlatego, bez modyfikacji aparatu, nie można zrobić z niego noktowizora.

Oraz ze zdemontowanym okularem, do zdjęć:

A wieczorem przyszła pora na testy nocne. Pierwsze zdjęcie pokazuje bałagan, na który skierowana jest kamera. Niestety, w nocy aparat nie jest w stanie zrobić ostrych zdjęć świecącego wizjera. Biała plama u dołu obrazu na wyświetlaczu to blat biurka, mocno oświetlony przez kamerę. Pionowa, biała linia to ozdobna krawędź gryfu gitary po prawej stronie.

I ostatni test na baterii. Na ostatnim zdjęciu widać w wizjerze puszkę po orzeszkach. Ponad nim znajduje się fioletowa poświata czyli odbite od niej światło mocnego oświetlacza, które zarejestrowała matryca aparatu tylko dlatego że puszka stała dość blisko a metal ma duży współczynnik odbicia.

Na koniec pozostaje zapakować to w jakąś obudowę. I z tym, jak zwykle, miałem pewien problem. Tym razem, postanowiłem wykorzystać nieco zmodyfikowany pomysł z pierwszej wersji, czyli korytko kablowe. Z odzysku. Korytko ma wymiary 40 x 60 mm a długość ok 220 mm.Wydało mi się optymalne pod względem wielkości. Do części o przekroju C zamontowałem wizjer, wskaźnik wyładowania i włącznik i kawałek szyny montażowej RIS. Przetwornice zaizolowałem dużymi koszulkami termokurczliwymi. Grzeją się na tyle niewiele, że nie ma strachu że coś się spali. Kabelki dolutowane wcześniej do każdego układu skróciłem. To są kable ze starych zasilaczy ATX i, niestety, są dość sztywne. Wszystkie połączenia między układami wykonałem za pomocą kostek do łączenia kabli. Wszystko połączone jak na schemacie blokowym wyżej. Do zamontowania kamery wykorzystałem wieko korytka. Obciąłem po 40mm zatrzasków z każdej strony a powstałą powierzchnię zagiąłem, na ciepło, do środka. W nich wywierciłem otwory montażowe na kamerę i otwór na obiektyw. Mocowanie kamery wsunąłem na listwę. Wieko zamykające tył zrobiłem w analogiczny sposób.

Jeszcze kilka zdjęć gotowego urządzenia.

I to by było na tyle. Jeśli przebrnęliście przez cały artykuł, to cieszę się, że jeszcze nie dopadła was epidemia tl;dr, bo to o wiele groźniejsze niż zombioza ;)