打造一臺可將太陽系盡收眼底的3D列印Raspberry Pi望遠鏡

八月 16, 2016
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PiKon望遠鏡是一臺可以在家輕鬆打造的DIY 天文相機,使用兩種顛覆性的科技:3D列印和Raspberry Pi相機。Andy Kirby和我為了雪菲爾大學2014年9月舉辦的「Festival of the Mind」(活動中充滿萬用膠帶和過度的工程設計!)著手這項專題。我們想要展現的,是任何人都能用這些技術在家裡製作反射望遠鏡。結果引起了很大的迴響。我們不僅登上英國的國家通訊社報導,也成功地透過Indiegogo活動,和Darren Barke以及WeDo3DPrinting在雪菲爾有愉快的合作機會。
我們現在什麼都提供了──從3D列印檔案,到包含3D 列印元件和光學儀器的完整套件,我們甚至還提供已製作完成的PiKon給只想要寫作Raspberry Pi程式的人。我們之所以要免費分享這些設計和3D列印檔案,是因為我們希望建立一個讓Maker、天文學家、Pi程式設計師和教育工作者能彼此分享資訊、經驗、當然還有圖檔的社群。
PARTS
Raspberry Pi 單主機電腦,有microSD卡及電力供應
Pi相機模組,有排線的v1或v2
3D列印部分:軸射架、相機座、Raspberry Pi座、調焦鈕、鏡座、鏡架和腳架座-你可以在PiKon商店、pikon.online買一組完整的套件,或下載專題中的免費3D列印檔案連結再進行列印。
塑膠管,直徑6”(150mm),長610mm,用於望遠鏡管
球型鏡面,直徑4.5”(114mm),焦距長600mm,可從PiKon商店或eBay取得
Raspberry Pi盒(非必要)
自攻螺絲,3.5mmx10mm (8)
螺栓,8mmx25mm,有螺帽 (3)
壓縮彈簧 (3)
雙面膠帶
尼龍螺栓,M2x12mm (4),有尼龍螺帽
正時皮帶,T2.5 (2.5mm節距),寬6mm,長110mm
鑲齒輪,20齒,2.5mm節距,5mm軸
螺紋桿,5mm,100mm長
方螺帽,5mm (2)
圓頂螺帽,5mm
相機套,¼ -20螺紋-用於腳架座
螺栓,M4x16mm,有螺帽(2)
顏料,磨砂黑 (非必要)
TOOLS
USB鍵盤、滑鼠和螢幕
鑽頭:2.5mm和4mm
六角板手,1.5mm
3D列印機(非必要)

運作原理

PiKon望遠鏡的基本構造來自Newtonian反射望遠鏡。這項350年前就存在的設計使用一個凹透鏡(物鏡)來形成影像,並透過目鏡觀察。物鏡被裝設在望遠鏡管內,副鏡則放置在45度角的光學路徑上,讓影像從望遠鏡管的另一端被看見。
Pikon望遠鏡和Newtonian反射望遠鏡很類似,但兩者之間的差異在於,Pikon望遠鏡的物鏡形成的影像會投射在數位相機的感光元件上。因為Pi相機板較小(25mm x 25mm),所以我們可以直接把它裝在光學路徑的主焦點上,因此而逸失的光線和裝設45度角鏡面的Newtonian差不多。

打造你自己的的PiKon

PiKon望遠鏡由兩個主要的3D列印配件組成。望遠鏡底部的透鏡配件為直徑4½”的球面鏡。
望遠鏡的頂部則為支撐Pi相機的軸射架配件,讓你可以用料架和小齒輪結構,沿著望遠鏡的軸心前後移動以對焦影像。轉開Pi相機上的透鏡就能看見相機感光元件。
將這兩個配件裝在簡單的6吋望遠鏡塑膠管中。在英國,我們使用通風管;而在美國,Make:曾與舊金山天文愛好者協會(San Francisco Amateur Astronomers,SFAA)的Scott Miller合作,一同修正3D列印的部分,以確保配件能符合標準的PVC管。
最後,我們3D列印了符合標準¼-20螺紋(¼”惠氏螺紋)的天文鳩尾榫契子裝置,所以你可以將望遠鏡裝在天文望遠鏡或相機腳架上。
Pi相機捕捉到的影像可以由一臺接到Raspberry Pi的螢幕觀看,然後從Pi的microSD卡傳送到PC或Mac,或是透過網路直接從Pi上傳到Dropbox或其他類似的雲端系統。(能用新的Raspberry Pi 3內建的Wi-Fi嘗試這件事讓我們覺得很興奮!)
這些月球照片是由Brett Porter用他的PiKon望遠鏡拍攝。
图片

透鏡和其放大效果

PiKon望遠鏡擁有大約120X的放大係數(600mm的焦距和3.6mm x 2.4mm的相機感光元件)和¼度左右的視野。月球之於人類眼球的角度約½度,所以使用PiKon一次約可看見半顆月球。
球面透鏡和拋物透鏡皆可使用,也可以使用不同的焦距,只要根據不同的透鏡和焦距裁切望遠鏡管即可。要決定第三方鏡面的焦距,只要將一個遠距物品的影像投射到紙上,再測量透鏡和紙張的距離即可。PiKon的對焦屏被設計為可長距離對焦,所以測量稍微失準是在所難免的。

配件

英國的朋友可以直接在PiKon的Dropbox取得PiKon配件教學,包括完整的材料說明清單、每個裝設步驟的照片和3D列印的訣竅,也有最新的STL檔以供3D列印下載。
如果你在美國,可先下載Scott Miller配合美國標準5” PVC管使用的3D列印檔案,再到PiKon的Dropbox取得PiKon配件教學。
若你身在其他國家,應該要檢視所有的3D檔案,必要時調整它們的尺寸以符合不同地區的標準管規格或不同的Pi附件等。
關於美國版的修正檔案,Scott Miller有些話要說:
「我無法找到5英吋的輕量管,所以我使用較重的5英吋PVC管,內管直徑幾乎一樣。我用黑色PLA列印出所有的UK檔案,然後把它們裝到PVC管上(除了UK腳架,因為我的望遠鏡太重了)。」
「為了增加美感,我用藍色PLA列印3個新的部分:
•    管狀轉接器,用來接合望遠鏡的前端,包覆UK軸射架(Pipe Adapter.STL)。
•    圓盤,用來接在UK鏡框的背面(Mirror Adapter.STL)。
•    管狀轉接器,用來接合望遠鏡的後端(Mirror Extension.STL)。
我使用所能找到最大長度的M8螺栓,用線鋸裁切M8長螺栓,就可以將UK鏡座裝在UK鏡框和透鏡轉接器上。」
「UK Raspberry Pi的支架對我的Pi盒子來說太小了,所以我稍微把它放大,並且使用2個UK Pi支架 (RaspPi Mount-scaled.STL),而不是1個,以支撐望遠鏡管上的Pi底座。」
「我修改了在Thingiverse找到的一個OpenSCAD設計,用紅色PLA列印了一個更能排除天氣因素的Raspberry Pi盒子。(raspi3-camera-top.STL and raspi3-camera-bottom.STL)」
「最後,為了避免相機座和軸射架之間搖晃或鬆脫,我增加了相機座軸的寬度,並且加上表圈,以增加更多使用齒輪的空間。(camera mount-bezel.STL)」

觸控螢幕操縱裝置

Brett Porter建造了PiKon套件,希望做出能用於實地考察的可攜式望遠鏡,因此用2.8”的TFT顯示器打造了專屬的觸控螢幕操縱裝置,有4個控制按鈕和1個能為Pi和相機供電的5200 mAh鋰電池。觸控螢幕就裝在望遠鏡的正上方。上方的月球照片就是Brett的作品。

iPad無線操縱裝置

Scott Miller的PiKon望遠鏡可由他的iPad控制。
如果你比較喜歡無線遙控望遠鏡,何不使用平板?「我不用接線的方式連上PC,而是透過隨意網路(ad-hoc network)以及RPI-Cam-Web-Interface應用程式,讓我的iPad控制PiKon」Scott Miller寫道。這個應用程式能讓你錄影、拍照,還有內建的預覽、下載功能。
以下是Scott的月球照片:
這些月球照片由Scott Miller用他的PiKon望遠鏡拍攝。

延伸方向

一名紐卡索Maker Space的成員甚至在望遠鏡上加裝和星圖同步的加速度計,我們很期待能聽到更多後續進展!
動手打造一臺望遠鏡吧,別忘了和我們分享你的成果!
MARK WRIGLEY
​Mark Wrigley是一名商業物理學家。他離開了與行動電話有關的高科技領域,成立自己的公司,致力於告訴世人物理、科學和科技的價值所在。
MATT STULTZ
​Matt是一名社群組織者,也是3D Printing Providence和HackPittsburgh的創立者。身為一名軟體開發者,他的專業點燃了他作為Maker的熱情!
(譯:王婉倩)
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