Alternative Optik für die ESP32-CAM
Kombiniert man die Fünf-Euro-Modul mit Foto-Objektiven von Spiegelreflexkameras aus der Analogzeit, lässt sich so ein Teleskop oder ein Mikroskop improvisieren.
In diesem Screenshot ist unsere Konstruktion mit einem Objektiv und Schrauben versehen – das sieht hübscher aus, aber wir haben diese Elemente in der Download-Datei weggelassen, man braucht sie für die Anpassung und den 3D-Druck nicht.
Die Grundidee ist simpel: Man nimmt die billige und winzige ESP32-CAM (1), entfernt deren ebenso winziges Objektiv (2) und setzt stattdessen vor den Sensor (3) ein möglichst stark vergrößerndes Zoom- oder Teleobjektiv aus der Ära der analogen Fotografie. Diese dürften noch in vielen Haushalten eingelagert sein – zwar sind sie zu keiner aktuellen Kamera mehr kompatibel, aber seinerzeit waren sie viel zu teuer, um sie jetzt einfach wegzuwerfen. Der überraschende Effekt der Operation: Die Vergrößerung des alten Teleobjektivs wird durch Kombination mit dem winzigen Sensor der ESP32-CAM noch mal vervielfacht, sodass schon mit mäßigen Zooms oder sogar einem Standard-Normalobjektiv (50mm Brennweite) erstaunlich starke Teleskope entstehen.
Wer Zugang zu einem 3D-Drucker hat, ist bei diesem Projekt fein raus, denn damit lassen sich alle gewünschten Halterungen, Bajonettadapter und Stativplatten einfach maßgeschneidert aus (schwarzem) Kunststoff fertigen. In unserem Fall waren von einer defekten Kamera mit altem Minolta-Bajonett (MC/MD) zwei Objektive übriggeblieben. Für diese beiden Objektive haben wir einen kompletten Satz Teile für den 3D-Drucker als Blender-Datei konstruiert.
Die Blender-Datei (sowie ein Satz Teile als STL) gibt es bei Github zum Download, sodass man die Konstruktion an eigene Bedürfnisse und Objektive anpassen kann. Dazu liefert dieser Artikel im Folgenden die nötigen Erläuterungen.
Struktur der Blender-Datei
Die Blender-Datei ESPCAMfinal.blend wurde mit der derzeit aktuellen Blender-Version 2.82a erstellt. Sie ist nach den Prinzipien aufgebaut, das Carsten Wartmann auch in unserem Video-3D-Kurs für Maker: Konstruieren mit Blender 2.8 empfiehlt. Dazu gehört insbesondere, dass bei der gesamten Konstruktion darauf verzichtet wurde, irgendwelche Modifier final anzuwenden – dadurch bleibt die Datei sehr flexibel und modular, dazu gleich mehr am konkreten Beispiel. Damit Sie aber dennoch druckfertige STL-Teile aus der Blender-Datei exportieren können, ohne die Modifier anwenden zu müssen, ist es wichtig, dass Sie sich das Add-on 3D-Print Toolbox installieren. Wie das geht, sehen Sie in der hier eingebundenen kostenlosen Folge aus unserem Videokurs ab Minute 4:15 (Installation) und 14:52 (Nutzung):
Empfohlener redaktioneller Inhalt
Mit Ihrer Zustimmung wird hier ein externes Video (TargetVideo GmbH) geladen.
Ich bin damit einverstanden, dass mir externe Inhalte angezeigt werden. Damit können personenbezogene Daten an Drittplattformen (TargetVideo GmbH) übermittelt werden. Mehr dazu in unserer Datenschutzerklärung.
Wenn Sie die Blender-Datei öffnen, sehen Sie im Outliner rechts drei Collections von Objekten:
- META enthält lediglich das Objekt Zentrum, das nur aus einem Bezugspunkt besteht, visualisiert durch ein Achsenkreuz, das mit X, Y und Z beschriftet ist.
- TEILE umfasst alle sichtbaren Bauteile der Konstruktion, in der 3D-Ansicht als Volumenkörper dargestellt.
- BOOL enthält sämtliche Hilfsobjekte, die den Teilen durch Boolesche Modifier erst ihre detaillierteForm geben. Die gesamte Collection ist im Outliner zugeklappt und ausgeblendet. Wenn Sie auf das Auge neben der Collection klicken, werden die Bool-Objekte alle in der 3D-Ansicht sichtbar. Wir haben sie der Übersicht halber (wie auch von Carsten Wartmann im Kurs empfohlen) auf die Drahtgitterdarstellung geschaltet.
Im Folgenden behandeln wir der Reihe nach alle TEILE und erläutern dazu jeweils die zugehörigen BOOL-Objekte (jeweils am Namen kenntlich) und zeigen anschließend die Modifikationsmöglichkeiten auf.
Teil für Teil
ESP32-CAM: Dabei handelt es sich um ein importiertes 3D-Modell des Kameramoduls vom Thingiverse-User Electronlibre. Es dient nur der Veranschaulichung, den eigentlichen Platz für das Modul schaffen die BOOL-Objekte ESP32CAMBOOL und PlatineBOOL, die um die nötige Luft größer sind als das 3D-Modell des ESP selbst. Sollte der Platz für das Board in Ihrem Ausdruck zu eng ausfallen, können Sie deshalb einfach die genannten BOOL-Objekte vergrößern.
Der Bezugspunkt Zentrum aus der META-Collection befindet sich genau an der Stelle, an der der Sensor des Kameramoduls sitzt. Noch dazu dient Zentrum als Parent für ESP32-CAM, ESP32CAMBOOL und noch einige andere Objekte. Das bedeutet: Verschiebt man Zentrum entlang der Y-Achse, verschiebt man damit automatisch das ESP-Modul sowie sämtliche Halterungen dafür näher zur Linse hin oder weiter von ihr weg – das ist nützlich, falls Ihr Objektiv einen anderen Abstand zur Frontplatte braucht als unsere Konstruktion für die Minolta-Objektive. In die anderen Richtungen sollte man Zentrum nicht verschieben, weshalb diese Richtungen in der Blender-Datei gesperrt sind.
Frontplatte: Die Frontplatte wurde auf Basis des 3D-Modells eines Objektivabdeckdeckels von Thingiverse konstruiert. Der Mittelpunkt der Objektivöffnung liegt genau in der Flucht mit Zentrum. Diverse BOOL-Objekte modifizieren die Frontplatte: FrontplatteBOOL schneidet die Platte auf die gewünschten Maße zu, FrontplatteSchraubenBOOL sorgt für Löcher und Senktrichter für 3mm-Senkkopf-Holzschrauben, die von vorne durch die Platte in die Grundplatte gedreht werden. FrontplatteWinkelBOOL ergänzt die Winkel auf der Innenseite, die für mehr Stabilität sorgen (Teleobjektive sind schwer!). Die Winkel wiederum bekommen vorab ihrerseits über FrontplatteWinkelSchraubeBOOL die nötigen Montagelöcher. Alle Schraubenobjekte sind übrigens nur einmal angelegt, für das das jeweilige Gegenüber sorgt ein Mirror-Modifier, dessen Bezugspunkt wiederum Zentrum ist.
Grundplatte: Die Grundplatte wird nicht im 3D-Drucker gefertigt, sie ist wie das ESP-Modul nur der Verdeutlichung halber in der Blender-Datei enthalten. Sie ist 12cm lang und 10cm breit und kann aus jedem Holz oder Holzplattenmaterial (Span- oder Tischlerplatte, Multiplex, Sperrholz) mit mindestens 14mm und höchstens 20mm Stärke geschnitten werden – was gerade da ist. Versorgt man den ESP per Kabel von außen, schneidet man eine ausreichend breite Kerbe dafür in die Kante des Grundbretts. Von unten kann man zudem noch einen Anschluss für ein Stativ anbringen.
Haube: Die Abdeckhaube ist in der Datei standardmäßig ausgeblendet. Ob man sie wirklich im 3D-Drucker fertigen will, ist Geschmackssache. Wir haben sie eher der Vollständigkeit halber der Blender-Datei hinzugefügt. Damit die Haube gut auf der Grundplatte sitzt, fügt ein Modifier mit HaubenEckenBOOL noch zwei kleine Nasen hinzu. HaubenSchraubeBOOL sorgt für die notwendigen Montagelöcher.
KamerahalterHintenOben: Dies ist ein kleines Teil mit einer Bohrung für eine M3-Schraube (KamerahalterSchraubeM3BOOL) und einer Aussparung für die ESP-Platine (PlatineBOOL). Für dieses Objekt dient wiederum Zentrum als Parent, sodass es einer Verschiebung des Zentrums entlang der Z-Achse folgt.
KamerahalterVorne: Dies ist das vielleicht komplexeste Objekt der ganzen Konstruktion, am einfachsten zu verstehen anhand seines Modifier-Stack. Im Grunde handelt es sich um einen aufrecht stehenden Quader, dessen Kanten zunächst mit einem Bevel-Modifier gerundet werden. Dann sorgen diverse BOOL-Objekte für den nötigen Platz für das ESP-Modul und dessen Kamera – nacheinander werden erst PlatineBOOL und ESP32CAMBOOL für das Board und dann KameraboxBOOL und KamerabohrungBOOL für das winzige Kameramodul ausgestanzt. KamerahalterMutterM3BOOL fügt Vertiefungen für Muttern auf der Vorderseite hinzu, das eben schon verwendete Objekt KamerahalterSchraubeM3BOOL bohrt Löcher für die Schrauben. Schließlich sorgt SchienenSchlitzBOOL für die kleine Kerbe an der Unterseite – was es damit auf sich hat, dazu gleich mehr. Auch für dieses Objekt wie für sämtliche BOOLs dazu dient wiederum Zentrum als Parent, sodass das ganze kombinierte Gebilde einer Verschiebung des Zentrums entlang der Z-Achse folgt.
Schiene: Das ist ein eher simples Objekt, ein langezogener Quader mit einer dreieckigen Nut nach der Form des Objekts SchienenSchlitzBOOL und mittels SchieneSchraubeBOOL gebohrt.
Schienenschlitten: Der Schienenschlitten wird in die Senkrechte mittels SchienenschlittenKamerahalterBOOL erweitert (hier sorgt übrigens PlatineBOOL wieder für die passende Kerbe und KamerahalterSchraubeM3BOOL für die Bohrung). Der Clou ist allerdings das Objekt SchienenSchlittenDistanzBOOL (im Bild als Würfel rechts zu sehen), das dafür sorgt, dass die Länge des Schlittens immer genau bis zur Frontplatte reicht, auch wenn man durch Y-Verschiebung des Zentrums die Distanz zwischen Kameramodul samt Halter und auch daran hängenden Schienenschlitten zur Frontplatte vergrößert oder verkleinert. Okay, das erklären wir gleich nochmal.
Anpassungen
Unsere Konstruktion sollte ohne Anpassung für Objektive mit altem Minolta-Bajonett (MC/MD) passen. Wer ein Objektiv mit anderen Bajonett besitzt, kommt um eine Neukonstruktion der Frontplatte nicht herum. Auf 3D-Dateiplattformen wie Thinigverse findet man allerlei Dateien, die man als Grundlage verwenden kann; eine Liste solcher Plattformen haben wir für unser Booklet zu Make 2/19 zusammengestellt – das 3D-Druck-Booklet gibt es als PDF zum freien Download. (Wir freuen uns, solche alternativen Frontplatten unserem Github hinzufügen zu können und bitten deshalb um eine Mail, wenn Sie eine solche konstruiert haben.)
Wenn Ihre neue Frontplatte wie unsere eine Dicke von 5mm hat, können Sie anschließend den Modifier Stack der originalen Platte kopieren und auf Ihre Platte anwenden – sie hat anschließend die richtige Größe, die passenden Winkel und Schraubenlöcher. Wird Ihre Platte dicker, müssen Sie die Schrauben-BOOLs gegebenenfalls verschieben. Die Innenseite der Frontplatte hat die Y-Koordinate 0, darauf baut der Rest der Konstruktion auf. Achten Sie darauf, dass das Zentrum der Objektivöffnung in Bezug auf die X- und die Z-Koordinate genau auf unseren Bezugspunkt Zentrum zu liegen kommt.
Anschließend müssen Sie gegebenenfalls noch den Abstand zwischen dem Sensor – gekoppelt an das Zentrum-Objekt – und dem Objektiv anpassen. Wer noch die passende Kamera zu seinen Objektiven hat, kann diese Distanz in der Regel selbst nachmessen. Oft ist die Filmebene als ein Messpunkt auf dem Kameragehäuse markiert (siehe auch Artikel im Heft). Den anderen Messpunkt bildet die Ebene, an der das Objektiv früher Kontakt mit dem Body der Kamera hatte. In unserem Modell entspricht Zentrum der Filmebene (Y-Koordinate in der Blender-Datei -38mm) und die Außenseite der Frontplatte der Objektiv-Kontaktebene (Y-Koordinate 5mm).
Diese Koordinaten passen zur Distanz zwischen Filmebene und Objektiv-Kontaktebene bei alten Minolta-Kleinbildkameras (43mm), bei anderen Fabrikaten kann die nötige Distanz anders sein. Trotzdem müssen Sie zur Anpassung lediglich die Y-Koordinate von Zentrum verändern – da wir in der Datei allen Kamerahalter-Objekten diesen Bezugspunkt als Parent zugewiesen haben, wandert die ganze Konstruktion an den passenden Ort. Gleichzeitig schneidet der nicht mitwandernde Würfel SchienenSchlittenDistanzBOOL den Schienenschlitten automatisch stets exakt so zu, dass der Schlitten den Sensor der ESP32-CAM genau dort platziert, wo früher der Kleinbildfilm saß, wenn man den Schlitten vorne bis zum Anschlag an der Frontplatte schiebt. Zieht man ihn statt dessen bewusst nach hinten, erzielt man den im Heft-Artikel beschriebenen Mako-Effekt.
Export und Montage
Der Rest ist relativ simpel: Bauteil in Blender im Object Mode auswählen, über die 3D-Print Toolbox als STL exportieren, in den Slicer importieren, passend ausrichten – Frontplatte und KamerahalterVorne auf die Vorderseite legen, KamerahalterHintenOben und Haube auf die Rückseite, den Rest so, wie er exportiert wird – und dann ohne Stützen drucken.
Schließlich braucht man noch zwei M3-Schrauben ab 12mm Länge und die passenden Muttern, dann kann man die drei Teile KamerahalterVorne, KamerahalterHintenOben und Schienenschlitten rund um die ESP32-CAM zusammenschrauben. Und dann viel Spaß beim Fern-Sehen ...
- Den vollständigen Artikel Alternative Optik für die ESP32-CAM, der auch eine Anleitung umfasst, wie man mit einer Lupe und ein paar Pappröhren ein Teleobjektiv improvisiert, lesen Sie in der Make-Ausgabe 2/20 ab Seite 8.
(pek)
