Оптическая призма своими руками

Добавил пользователь Валентин П.
Обновлено: 04.10.2024

Радуга нравится всем – и детям, и взрослым. Её красочные переливы так и притягивают взгляд, однако ценность её не ограничивается одной лишь эстетикой: это к тому же отличный способ заинтересовать ребёнка наукой и превратить познание мира в увлекательную игру! Для этого предлагаем родителям провести с детьми несколько экспериментов и получить настоящую радугу прямо у себя дома.

По стопам Ньютона

Чтобы повторить опыт учёного, не обязательно нужна призма - можно использовать то, что найдётся под рукой. В хорошую погоду поставьте стакан с водой на стол вблизи окна на солнечной стороне помещения. Расположите лист обычной бумаги на полу недалеко от окна таким образом, чтобы на него падали солнечные лучи. Смочите окно горячей водой. Затем меняйте положение стакана и листа бумаги до тех пор, пока на бумаге не заиграет маленькая радуга.

Радуга из зазеркалья

Химическая радуга

Все знают, что мыльные пузыри имеют радужную окраску. Толщина стенок мыльного пузыря меняется неоднородно, постоянно двигаясь, поэтому его цвет постоянно меняется. Например, при толщине 230 нм пузырь окрашивается в оранжевый цвет, при 200 нм - в зелёный, при 170 нм - синий. Когда из-за испарения воды толщина стенки мыльного пузыря становится меньше длины волны видимого света, пузырь перестает переливаться цветами радуги и становится почти невидимым, перед тем как лопнуть - это происходит при толщине стенки примерно 20-30 нм.

То же самое же происходит с бензином. Это вещество не смешивается с водой, поэтому оказываясь в луже на дороге, оно растекается по её поверхности и образует тончайшую плёнку, которая создаёт красивые радужные разводы. Этим чудом мы обязаны так называемой интерференции – или, проще говоря, эффекту преломления света.

Музыкальная радуга

Кроме того, чем не повод научить ребёнка основам музыкальной грамоты? Ведь изначально Ньютон различал в радуге всего пять цветов (красный, жёлтый, зелёный, голубой и фиолетовый), но потом добавил ещё два - оранжевый и фиолетовый. Таким образом учёный хотел создать соответствие между числом цветов спектра и количеством нот музыкальной гаммы.

Проектор-ночник

Оконная подвеска

Флип-бук с 3D-эффектом

При желании похожую ручную радугу можно сделать и своими руками, а заодно наглядно продемонстрировать ребёнку эффект анимации. Для этого нужно распечатать на бумаге или нарисовать на каждой страничке блокнота квадратики цветов радуги. Всего нужно 30-40 листков. При этом важно учитывать, что с одной стороны каждой страницы нужно рисовать их в обычной последовательности, а с другой – в обратной, иначе радуга у вас не получится.

Радуга, которую можно потрогать

И ещё один забавный способ получения радуги, которая здорово украсит любой современный интерьер, не отнимая ни сантиметра пространства и наполняя его радужным сиянием. Для этого мексиканский дизайнер Габриэль Доу (Gabriel Dawe) предлагает использовать искусно натянутые швейные нитки. С такой инсталляцией, конечно, придётся часок-другой повозиться, однако результат того стоит. Не даром работы художника имели огромный успех во многих странах, в том числе в США, Бельгии, Канаде и Великобритании.

Примерная обобщенная схема технологического процесса изготовления наиболее распространенной прямоугольной призмы типа АР-90 0 из прессовки указана на рис.11. Конкретный технологический процесс зависит от конструкции, заданной точности выполнения углов и граней призм. Для призм сложной конструкции технологические процессы весьма различны и состоят из нескольких десятков операций. Для серийного и массового производства призм заготовкой является прессовка, а для единичного и опытного - кусок стекла. При изготовлении призмы из куска стекла технологический процесс будет включать в себя дополнительно операции разметки, распиливания, подшлифовывания сторон и т. д.

Обработку призмы из прессовки начинают с операции шлифования вспомогательных параллельных боковых поверхностей. Чаще всего ее выполняют на шлифовально-обдирочных станках типа ОС-1000, ОС-1500 абразивами № 6 и М28, на стайках типа СТШ-400, а также плоскошлифовальных станках типа ЗБ-756 с помощью алмазного инструмента. После шлифования параллельных сторон призм производят контроль с помощью скоб. Эти стороны у призм в дальнейшем не обрабатывают, их принимают за базы.

Для обработки исполнительных поверхностей и подгонки углов призм заготовки склеивают в столбик, длина которого по отношению к высоте призмы составляет 6:1.

В единичном производстве обрабатывают призмы одного типоразмера столбиками вручную, в серийном - одновременно но несколько штук в металлических приспособлениях.

Блокирование призм в приспособлениях осуществляют приклеиванием или зажимом. Точность выполнения угловых размеров пазов в приспособлении, по которым базируют призмы, должна быть выше заданной точности изготовления углов самих призм.

Рис.11. Схема технологического процесса изготовления призмы АР-90 0 в серийном производстве

На металлических приспособлениях обрабатывают призмы с погрешностью углов до 5-8?. Для получения призм с погрешностью углов менее 1-2? применяют приспособления из шлифованных стеклянных призматических брусков, углы которых выполнены с погрешностью до 20".

Первую катетную грань столбиков, которая будет являться базовой при креплении их в приспособлении, обычно шлифуют вручную, выдерживая необходимую косину. Косина призм заключается в том, что ребра призмы остаются параллельными один другому, но не перпендикулярными (е?90°) боковым поверхностям (рис.12,а). Контроль косины у отдельных столбиков призм выполняют угольником.

После шлифования катетной грани производят переблокировку в другом приспособлении и шлифуют гипотенузную грань, после чего контролируют угол 45° с помощью угольников.

После вторичного переблокирования и шлифования последней катетной грани производят контроль р и разности углов д₄₅. Пирамидальность р- непараллельность отражающей грани и противоположного ей ребра - оценивают у столбика призм разностью размеров a₁ и а₂ на концах столбика (рис.12,б), Дa = a₁-a₂. На блоке пирамидальность определяют как разность размеров h₁ и Н₂ (на рисунке не показан), измеренных на двух концах столбика (рис.12,в).

Величину д₄₅ определяют таким же образом, но измерения h₁ и Н₃ выполняют для столбиков, находящихся на противоположных сторонах приспособления.

Рис.12. Определение косины и пирамидальности

После обработки призм в столбиках наносят фаски на ребрах, контролируют углы 90°, 45° па приборе, расклеивают столбики и промывают призмы. Затем наносят фаски на остальных ребрах и трехгранных углах и, если требуется по чертежу, выполняют пазы, закругления, скосы и т. д. Последние обрабатывают алмазными инструментами в приспособлениях с механическим зажимом призм. Нанесение фасок, так называемое гранение призм, осуществляют на алмазной или чугунной планшайбе вручную на шлифовально-обдирочном станке.

На последующих операциях выполняют шлифование и полирование исполнительных поверхностей призм. Для шлифования и полирования призм с погрешностью угловых размеров до 6-8? применяют крепление призм в блоке с помощью твердеющего раствора гипса.

Достоинствами гипсовки являются простота способа, возможность обработки различных по габаритным размерам и конфигурации призм в одном приспособлении, а также максимальное использование полезной площадки блока, дающее наибольший экономический эффект при обработке. Недостатки гипсования: длительность процесса, недостаточно высокая точность углов призм после обработки и загрязненность производственного участка отходами гипса. Невысокая точность обработки объясняется деформациями и разворотом призм в застывающем гипсовом растворе.

Перед разборкой блока выполняют контроль полированных поверхностей призм на интерферометре или пробным стеклом, определяя N и ДN. Контролируют класс чистоты Р, после чего полированные поверхности лакируют, призмы разблокировывают.

Для обработки двух других граней призмы последовательно повторяют операции технологического процесса (см. рис.11).

Рис.11. Контактное приспособление

Промывку полированных призм от защитного лака осуществляют аналогично промывке линз.

Для призм с неплоскостностью исполнительных поверхностей менее N=1 и погрешностью углов до 2" применяют доводку призм в сепараторах, которую производят аналогично доводке пластин. Для доводки точных призм (с погрешностью углов 3-5??) применяют специальные контактные приспособления. Приспособление представляет собой прямоугольную стеклянную пластину 8, углы и поверхности которой обработаны с погрешностью 1-2??(рис.13, а, в). В центре пластины эпоксидным клеем 2 приклеен ниппель 1 для передачи движения от шарового пальца поводка станка. Призмы 4 полированной стороной крепят с помощыо оптического контакта к боковым поверхностям пластины 3. Чтобы обрабатываемые поверхности призм 4 лежали в одной плоскости с поверхностью контактной пластины 3, сборку всего приспособления производят на точно отполированной круглой пластине 5, которая часто является пробным стеклом. Сначала на нее устанавливают контактную пластину 3. При этом сверху должна быть видна интерференционная картина. Затем на это же пробное стекло 5 кладут призмы той стороной, которую в дальнейшем будут обрабатывать. Видимая интерференционная картина говорит о том, что призма всей своей поверхностью лежит на пробном стекле.

Двигая призму к боковой поверхности контактной пластины 3, добиваются того, чтобы она села на оптический контакт. При этом поверхность призмы, которая лежала на пробном стекле 5, немного приподнимается и интерференционная картина исчезает. После такой сборки контактного приспособления пробное стекло 5 удаляют, собранный блок устанавливают на планшайбу шлифовально-полировального станка и производят обработку (рис. 13,б). Все приспособление вместе с призмами шлифуют микропорошком М10, а затем полируют. Углы готовых призм контролируют на гониометре или автоколлиматоре.

Радуга над плато УКОК на Алтае

Хорошее разрешение достижимо

В интернете много публикаций о том, как используя DVD-R диск и смартфон можно собрать спектрометр, однако характеристики таких устройств не позволяют проводить точные измерения. Мне же удалось сделать прибор с разрешением 0,3 нм.

Основные характеристики

Конструкция и изготовление прибора

Дифракционная решетка

Просто красивый спектр свечи на DVD-R диске

Диск был расслоен на две половины и разрезан на части, которые после промывания спиртом были помещены в рамки. Дифракционная решетка готова.

Дифракционная решетка из DVD-R диска

Изготовление сменных оптических щелей

В дюралевой пластине сверлю отверстие диаметром 8 мм. Клеевым пистолетом закрепляю половинку лезвия безопасной бритвы, располагая режущую кромку по центру отверстия. Вставляю в отверстие щуп толщиной 50 мк, плотно прижимаю вторую половину лезвия и приклеиваю ее. Аналогично делаю щели 100 мк, 200 мк и 300 мк. Сменные оптические щели готовы.

Корпус спектрометра

Делаю деревянный корпус. Окрашиваю внутри и снаружи в черный цвет.

Оптика и регистрация спектра - фотоаппарат NIKON D5100

Зеркальная фотокамера NIKON D5100

Примерно на 3000 пикселей матрицы приходится около 300 нм видимого спектра. Т.е. 1 пикселю соответствует 0.1 нм. Для надежной регистрации линии нам нужно два-три пикселя. Расчеты показывают, что для такого разрешения размеры оптической щели должны быть порядка 100 микрон. Было сделано несколько щелей для выбора лучшего варианта экспериментальным путем.

Чтобы получить такое разрешение необходим зеркальный фотоаппарат с хорошим объективом. Смартфон и веб-камера не подходят. Требуется большая апертура и ручные настройки. На данный момент на Авито можно приобрести подходящую камеру по цене от 5 до 10 тысяч рублей.

Настройка и калибровка спектрометра

Калибровка прибора проводилась перед каждой серией экспериментов по известному спектру компактной ртуть содержащей люминесцентной лампы.

Лампа для калибровки

Определение длины волны линий исследуемого спектра возможно без специального программного обеспечения. Ниже спектр лампы с линиями ртути 435,8 нм, 546,0 нм, 577,0 нм и 579,1 нм. Линия 611 это уже Европий.

Спектр лампы с линиями ртути Две линии ртути крупным планом Еще крупнее

Расстояние между линиями 2, 1 нм. Половина ширины линии на кадре не более 0,3 нм, что соответствует примерно 3 пикселям матрицы. Делаем вывод – разрешение прибора 0,3 нм. Что в дальнейшем подтвердится съемкой двойной линии натрия.

Для построения спектральных кривых можно использовать программу сайта Spectral Workbench

Спектр лампы, которую я применял для калибровки

Измерение различных спектров

Были проведены несколько классических экспериментов.

Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. Полдень Спектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нм Опыты по определению концентраций растворов KMnO4 Спектр пламени газовой горелки

Самый интересный эксперимент, ради которого и был изготовлен спектрометр - измерение спектра пламени костра

Исследуемое пламя костра в камине Я разжигал костер в камине и проводил исследования, фиксируя спектр пламени

На фоне непрерывного спектра была зарегестрированна яркая линия, которую я назвал линией огня.

Обработка результата

Совмещаем спектр калибровочной лампы и исследуемый спектр на одном кадре. Зная расположение известных линий ртути, можно определить искомую длину волны, путем замеров и последующих расчетов.

Слева спектр калибровочной лампы. По центру спектр пламени

Полезные ссылки:

Сайт Spectral Workbench. Используя программы на сайте можно обрабатывать спектры и получать графики интенсивности в зависимости от длины волны.

Призмы, которые обычно показывают на уроках физики в школе, могут стать отличным аксессуаром для творческой съемки. Они создают превосходные радужные блики и другие эффекты, связанные с отражением и преломлением света. Всё зависит от того, какой это вид призмы и как он используется.

Что из себя представляет призма?

В оптике призма – это прозрачный стеклянный (а иногда даже пластиковый) объект, который в основании имеет многогранник, а его стороны формируют параллелограмм. Название конкретной призмы зависит от фигуры в её основании. Например, призма с треугольником в основании будет называться треугольной – именно такую разновидность призм чаще всего можно встретить на уроках физики в школе и в сумках фотографов.

Как прохождение через призму влияет на свет?

Прежде, чем мы перейдем к идеям применения призм в фотосъемке, давайте быстро вспомним, какая характеристика призмы делает её настолько полезным аксессуаром!

Рассмотрим классический пример с белым лучом света. Все знают, что белый свет представляет собой комбинацию волн разной длины, каждая из которых имеет свой цвет. Мы также знаем, что свет преломляется из-за разницы в скорости прохождения через разные среды, например, при переходе из более редкой в более плотную и наоборот (в нашем случае воздух-стекло).

Итак, когда белый свет падает на призму под определенным углом, волны, из которых он состоит, преломляются по-разному из-за разной длины и угла падения. Это явление называется дисперсией. Именно вследствие дисперсии создается эффект радуги (спектр). Этот эффект и другие физические свойства самой призмы позволяют делать необычные фотографии.

Поскольку призмы способны преломлять и рассеивать свет, создавая блики и отражения, их можно использовать для создания впечатляющих снимков без необходимости прибегать к фотоманипуляциям. Мы, как фотографы, всегда ищем способы использовать свет и его удивительные свойства для получения необычных результатов, поэтому такой феномен просто нельзя оставить без внимания.

Необходимое оборудование:

Любая камера, желательно со сменным объективом и возможностью фотографировать в ручном режиме.
Любая призма, которую удобно держать и поворачивать во время съемки. Самый популярный вариант – 6-дюймовая призма, поскольку она может полностью покрыть объектив, но при этом помещается в сумку. Её можно найти на Amazon или eBay за приемлемую цену. Только убедитесь, что материал, из которого сделана призма, качественный.

Для такого вида съемки лучше всего подойдет объектив с фиксированным фокусным расстоянием. ФР в диапазоне 24-50мм подойдет, но самое идеальное расстояние варьируется от 50мм до 85мм или 135мм. В таком случае призма не будет видна на фотографии.

Как использовать призму в фотосъемке

Фотографируя с призмой, достаточно приложить её к объективу и провернуть до тех пор, пока не получится нужный эффект. Из-за того, что свет преломляется перед прохождением через объектив, в большинстве ситуаций получаются совершенно удивительные и непредсказуемые результаты.

В зависимости от положения призмы и характера света можно получить различные искажения, блики, эффект радуги или отражения.

Четких правил, как и под каким углом держать призму нет – ориентируйтесь на освещение, с которым работаете и эффект, которого пытаетесь добиться. На самом деле потенциал просто огромен, поэтому не ленитесь экспериментировать и делать много снимков. Как только увидите в видоискателе или на экране интересный блик, сразу же спускайте затвор, второго шанса может не быть.

Процесс съемки:

Начните с того, чтобы расположить призму перед объективом в таком положении, которое, как вам кажется, даст интересный результат.
Начните поворачивать и двигать призму в поисках необычных эффектов. Привыкнуть и начать лучше представлять, что получится в том или ином положении призмы можно только путем проб и ошибок.
Начните помалу менять положение призмы и внимательно следите за тем, как это влияет на свет и другие эффекты, появляющиеся в результате преломления и отражения света.

Учитывайте, что на результат влияет не только положение и наклон призмы, но также угол падающего света и его интенсивность.

Поигравшись с разными призмами и объективами, вы поймете, какие комбинации характеристик обеспечивают определенные результаты и сможете использовать это для создания более продуманных снимков.
Лучше всего экспериментировать на улице в солнечные дни. Когда достаточно натренируетесь, можете попробовать использовать призму при съемке в помещении, например, в студии, или во время ночной съемки.

Снимок: Nicole Geri

Примечание: Зачастую держать призму в одной руке, а камеру в другой, пытаясь при этом сфокусироваться и создать какой-то интересный эффект, довольно сложно, если в это время смотреть в видоискатель. Чтобы упростить себе задачу, старайтесь по возможности пользоваться LCD-экраном.

При портретной съемке лучше всего поставить камеру на штатив. Это обеспечит достаточно свободы для работы с камерой и призмой. Если у вашей камеры есть кнопка предпросмотра глубины резкости, воспользуйтесь ей, чтобы получить возможность подкорректировать что-то до спуска затвора.

Настройки камеры для съемки с призмой:

Камера должна находиться в ручном режиме.
Установите широкую диафрагму, чтобы на сенсор попадало максимально возможное количество света, однако, в зависимости от желаемого результата, можете поиграться с диафрагмой, сделав её немного шире или уже. Помните – широкая диафрагма позволяет избежать попадания самой призмы или её краёв в кадр и делает сам субъект более четким.
Призма должна находиться как можно ближе к объективу, чтобы избежать проблем с фокусированием. Если на объектив установлена бленда, её лучше снять.
Когда между субъектом и объективом появляется призма, у камеры могут возникнуть проблемы с фокусировкой. По этой причине лучше сфокусироваться на субъекте вручную или задней кнопкой, а затем поднести призму к объективу и спустить затвор. Также можно сначала воспользоваться автофокусом, а затем перевести камеру в ручной режим, чтобы зафиксировать это состояние перед спуском затвора.

При использовании автофокуса лучше устанавливать одну точку фокусировки – несколько точек запутают камеру.
Устанавливайте минимально возможное значение ISO, чтобы избежать появления шума.
Убедитесь, что выдержка достаточно короткая во избежание возможного размытия из-за движения субъекта в кадре. Безопаснее всего устанавливать выдержку в районе 1/250 с или (1/(2 * фокусное расстояние)) с учетом кроп-фактора, если у вашей камеры не полнокадровый сенсор.
Если вам не так важно, чтобы конкретная часть снимка была резкой (например, при абстрактной съемке), установите режим приоритета спуска, чтобы камера делала снимок даже если часть кадра не в фокусе.

О чем стоит помнить:

Начните с самой простой треугольной призмы и, поработав немного с ней, переходите к более необычным видам.
Призму можно использовать в любом виде съемки: портреты, натюрморты, пейзажная и свадебная фотография, природа, архитектура и т.д.

Поэкспериментируйте с другими стеклянными предметами, компакт-дисками, линзами, а также кристаллами разных видов и форм. В каждом случае будет получаться свой уникальный результат.

Оказавшись в ситуации, когда свет играет против вас, попробуйте воспользоваться призмой, чтобы изменить его поведение. Таким образом можно превратить скучный кадр во что-то интересное и необычное.
Призмы отлично помогают в создании абстрактных фотографий.

Призмы хорошо сочетаются с искусственным светом, создавая интересные эффекты помимо радужных бликов.
Не используйте призму для съемки на улице в пасмурные дни. В таком случае снимок получится плоским и скучным/
Эффект, который вы получите, также зависит от расстояния между объективом и призмой. Помимо этого можно покрутить призму, изменив её положение относительно источника света.

Протирайте призму, чтобы на ней не было отпечатков и грязи иначе можете испортить качество снимков и ухудшить качество света, попадающего в объектив.
Если вам сложно держать камеру в одной руке, а призму в другой, попробуйте прибегнуть к помощи штатива или монопода. Режим Live View также может упростить задачу.
Всегда используйте призмы из качественных материалов. Как и в случае с объективом, где высокое качество стекла обеспечивает резкие и красивые фотографии, стоит позаботиться о том, что вы подставляете перед камерой. Поверьте, дешевый пластик или стекло не обеспечит такого результата, на который способна качественная призма.

Совет: Не стоит ограничиваться только призмами. Упомянутые выше советы и техники применимы для стеклянных кристаллов и других кристаллических или стеклянных предметов. У каждого дома наверняка найдется что-то, с чем можно поэкспериментировать!

Несколько трюков, которые можно попробовать:

При определенном положении призмы можно разделить снимок на две половины так, чтобы в каждой были разные эффекты. Используйте это свойство для создания симметричных фотографий.
Помимо классических вытянутых призм с треугольным основанием существуют также пирамидальныепризмы, рассеивающие RGB призмы, кристаллические детали с люстр, винные бокалы и т.п.

Преломленные лучи света или отражения можно использовать, чтобы скрыть нежелательные элементы или объекты в кадре.
Создайте эффект калейдоскопа, сделав фотографию через основу призмы, как показано на фотографии ниже.

Хотите зарядиться мотивацией прежде, чем приступать к экспериментам? Вот несколько фотографий, сделанных с использованием призм.

Читайте также: