Kamery jsou elektronická zařízení, která převádí viditelné světelné (elektromagnetické) spektrum na elektrický signál. Pokud jsou používány ve spotřební elektronice, jako jsou fotoaparáty nebo mobilní telefony, je toto světelné spektrum omezeno, a to zejména zjednodušeně pro vylepšení barevného podání výsledných snímků. Omezeno je jak v oblasti ultrafialového záření, tak zejména v oblasti infračerveného záření, na které jsou senzory obzvláště citlivé a přítomnost této části spektra budí nepěkný mdlý dojem.

Je zde ale několik důvodů, proč používat kamery v jejich citlivém IR pásmu. Tím prvním je fotografická disciplína infračervené fotografie. Druhým důvodem může být tzv. noční vidění, kde je snímaný objekt přisvětlován infračerveným světlem, které je lidskému oku neviditelné.

Mé důvody pro vyjmutí filtru zabraňujícímu pronikání infračerveného (IR) záření jsou oba dva. Možná to zní zvláštně, ale vyjímání IR filtrů se provádí i u kompaktů a profesionálních digitálních zrcadlovek.

Infračervená fotografie

Pokud se podíváme na druhou fotografii, oproti té první neobsahuje žádné barvy, které bychom na fotografii čekali. Nejedná se ale u upravený první snímek, ale o fotografii focenou přes speciální filtr, který propouští infračervené záření o vlnové délce větší než 720 nm (kratší vlnové délky propouští s velkým útlumem). Tento filtr má tedy opačný princip – viditelné světlo takřka nepropouští (pokud se podíváme přes takový filtr nic neuvidíme, je černý). Nafialovělý nádech je dán fotografováním s automatickým vyvažováním bílé barvy.

Následující obrázek už vypadá o poznání lépe.

Takové fotografování není vhodné pro zachycení běžných činností. Někomu se to může líbit a nalezne v tom nový koníček. Běžné fotoaparáty s integrovaným IR filtrem blokující záření které chceme dalším filtrem propustit je trochu schizofrenní situace, ale pokud exponujeme s patřičně dlouhým časem, i to lze (viz všechny obrázky výše).

Jak lze z předchozího textu poznat, existují dva typy IR filtrů. Jeden infračervené záření zadržuje (ten je součástí běžných kamer, fotoaparátů a telefonů) a druhý propouští (v mém případě se jedná o externí šroubovací filtr 720 nm na adaptér 58 mm; fotoaparát Canon PowerShot A710 IS).

Kamera pro Raspberry Pi (picam)

Pojďme se ale podívat, jak zbavit kameru pro Raspberry Pi jejího IR filtru. V prodeji je také kamera bez IR filtru. Ta je o něco dražší a většinou umožňuje připojit infračervený přísvit pro noční vidění.

Jak jsem již zmínil, integrovaný IR filtr brání pronikání nechtěného záření a tím částečně vylepšuje barevné podání výsledných fotografií. Tento filtr je umístěn mezi objektivem kamery a senzorem zpracovávajícím dopadající záření.

Vyjmutí tohoto filtru je poměrně jednoduchou záležitostí, nicméně vyžaduje netřesoucí se ruce a pevné nervy. Pokud nejste ochotni o kameru svou nešikovností přijít, zakupte raději tzv. NoIR kameru. Jestliže máte ale nějakou kameru nazbyt a baví vás laborovat s nožem, pokračujte ve čtení.

Kamera pro Raspberry Pi obsahuje čip OV05647 se senzorem o rozměrech 3,67 mm x 2,73 mm, je tedy opravdu malinký.

Odstraňujeme IR filtr

Nejprve sejmeme kamerku ze základní desky a položíme na čistou pracovní plochu. Základem úspěšné práce je pokud možno bezprašné prostředí. Pokud nám tedy po bytě pobíhají děti, zavřeme je na víkend k prarodičům a do místnosti se jemným krokem vrátíme až nám sedne prach. Jen pro připomenutí, zbavíme se v okolí všeho, co může způsobit elektrostatický výboj, a kameru odeslat do křemíkového nebe.

Ostrým nožem opatrně rozloupneme kameru přibližně v polovině tak, jak je zobrazeno na obrázku. V tomto místě je matice objektivu přilepena ke spodní půlce obalu kamerky. V žádném případě neodšroubováváme objektiv s čočkami, není to potřeba. Ba naopak, objektiv můžeme později přilepit zpět.

Pokud se nám vše povedlo, máme z kamery dva kusy. Jeden obsahující optiku objektivu a druhou s optickým senzorem a IR filtrem. Ten poznáme tak, že má po vhodném natočení k dennímu nebo multispektrálnímu světlu narůžovělou barvu. Jedná se o tenké sklo s nanesenou speciální vrstvou.

Toto tenké sklo musíme opět velice opatrně odstranit. Bez jeho poškození se nám to ale pravděpodobně nepovede, jelikož je přilepené. Dějte ale velký pozor, aby úlomky skla nebo vzniklý skleněný prach neulpěly na senzoru. Následné čištění je velice pracné a může dojít k poškození mikročoček senzoru.

Mně se na senzor dostalo několik zrníček prachu. Proto jsem v předchozím textu na tuto operaci kladl takový důraz.

Na obrázku vlevo jsou vidět artefakty vzniklé prachem na senzoru bez objektivu. Druhý obrázek s přiloženým objektivem (nejedná se o původní objektiv, více v následném textu).

Zbavování se prachu na čipu je obtížná záležitost. Horní vrstva mikročoček je poměrně odolná, nicméně hrubá síla mikročočky dokáže poškodit. Nejlepší je použít malé textilní vlákno, lupu a stlačený vzduch. Nemá cenu se snažit na čip foukat vzduch z úst, je vlhký a prach na senzor spíše přilepí. Co se mi osvědčilo je tenká fólie na potraviny, na kterou se prach zachycuje poměrně snadno. Ale v každém případě musíme dát pozor na elektroniku kamerky a statické výboje.

Výsledek cca půlhodinové práce není bezchybný, ale jsem spokojen. Popravdě, trochu jsem si poškrábal pár mikročoček, na senzoru je pod lupou lehce znatelná čárka. Pokud se podaří celou vrstvu mikročoček sedřít, je pod ní ještě Bayerova maska – barevný filtr. Odstraněním i té dostanete kameru snímající ve stupních šedé. Tímto způsobem se upravují čipy digitálních zrcadlovek. Fotografování s takto upraveným čipem vytváří fotografie v jiné/lepší kvalitě nežli pouhé následné odbarvení barevné fotografie ve fotoaparátu nebo nějakém programu.

Přidání objektivu se závitem M12 a IR cut filtrem ovládaným elektronicky

Dalším mým cílem bylo vyměnit standardní malý objektiv za větší s univerzálním závitem M12. Takový objektiv lze jednoduše vyměnit za jiný s jinou světelností. Držák objektivu má integrovaný IR filtr, který lze jednoduše „vypnout“ – přivedením napětí se odsune z optické cesty. Tato technologie se používá u bezpečnostních kamer s nočním viděním. Pokud je osvětlení dostatečné, je zařazen IR filtr a kamera „vidí barevně“. Při poklesu intenzity osvětlení se IR filtr odklopí, zapne IR přísvit a kamera začne za pomoci další logiky „vidět ve stupních šedé.“

V rychlosti: do držáku objektivu vyřízneme zářez pro kabeláž kamerky a držák přišroubujeme k plošnému spoji. Rozteč mezi šrouby je 20 mm, tzn. musíme koupit správný držák. Původní objektiv kamery Raspberry Pi v tomto případě nevyužijeme.

Nový objektiv není určen pro tak malý čip, jaký má kamera pro Raspberry Pi. Proto je výsledný obraz opticky velmi nekvalitní a trpí soudkovitostí. Pro mé účely „dělání vědy“ ale plně vyhovuje.