LABORATORIUM
W SZUFLADZIE

ZASŁAW ADAMASZEK

OPTYKA

Projekt okładki i stron tytułowych Bartosz Dobrowolski

Ilustracja na okładce Bartosz Dobrowolski

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redaktor Natalia Charitonow

Koordynator produkcji Mariola Grzywacka

Pomysłodawca serii i współpraca z autorami Zasław Adamaszek

Źródła ilustracji Zasław Adamaszek, Marek Goebel, Bartosz Dobrowolski

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2016

ISBN 978-83-01-18781-1

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2016 r., (wyd. I)

Warszawa 2016

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl

www.pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Karol Ossowski/Mobisfera

SPIS PROJEKTÓW

OKŁADKA

STRONA TYTUŁOWA

STRONA REDAKCYJNA

NA WSTĘPIE – DLACZEGO OPTYKA?

ERGONOMICZNA LUPA *

LUPA ZE STOJAKIEM *

SZKŁO POWIĘKSZAJĄCE NA GIĘTKIM RAMIENIU **

POWIĘKSZAJĄCE OKULARY WARSZTATOWE **

LUPA OKULAROWA „DE LUXE” ***

PODRĘCZNY ZESTAW FILTRÓW *

OŚWIETLACZE MONOCHROMATYCZNE **

WIELOFUNKCYJNE CENTRUM OŚWIETLENIA **

WIELOWIĄZKOWY OŚWIETLACZ LASEROWY ***

GŁOWICA POMIAROWA *

PODŚWIETLACZ DO MIKROSKOPU **

OŚWIETLACZ POLARYZACYJNY ***

PERYSKOP *

KSIĘŻYCOWY REFLEKTOR *

OPTYCZNY GENERATOR LICZB LOSOWYCH *

RAMKA HOLOGRAFICZNA **

3D NA JEDNO OKO *

GÓRNY STATYW DO KAMERY *

STATYW RUROWY DO MAKROFOTOGRAFII *

STATYW USB DO MIKROSKOPU *

PODRĘCZNY POWIĘKSZALNIK **

KAMERA IR **

KOMÓRKOWY MIKROSKOP *

DWA W JEDNYM ***

SPEKTROSKOP PUDEŁKOWY *

TERMOMETR OPTYCZNY **

LASEROWY SPIROGRAF ***

FOTOGRAFIA SMUGOWA ***

ŁAWA OPTYCZNA ***

CO Z TYM ZROBIĆ?

CZ. 1. KORPUS MIKROSKOPU *

CZ. 2. NASADKA **

CZ. 3. OPTYKA ***

OPTYKA W TAJNEJ SŁUŻBIE JEJ KRÓLEWSKIEJ MOŚCI ***

KAMERY **

MONITORY **

NAJWIĘKSZY WRÓG OPTYKA

Zielony (*) to konstrukcje podstawowe, niewymagające bogatego zaplecza warsztatowego ani pogłębionej wiedzy z zakresu optyki, elektroniki, mechaniki. Śmiało można do nich przystąpić z marszu. To niski koszt, niewielki nakład pracy, ale doskonały efekt pod warunkiem oczywiście zachowania staranności wykonania.

Żółtym kolorem (**) oznaczone są projekty, do realizacji których potrzebne jest niewielkie zaplecze warsztatowe (np. ręczne elektronarzędzia, lutownica) oraz pewne obycie ze zjawiskami optycznymi. Informacje podane w tekście są całkowicie wystarczające do zrozumienia zasady działania budowanego przyrządu, ale pożądane jest pogłębienie wiedzy na własną rękę.

Opisy czerwone (***) to konstrukcje i przyrządy wymagające pogłębionej wiedzy z optyki oraz elektroniki. Wymagane przy tym wyposażenie nie przekracza stanu posiadania przeciętnego amatora optyki, ale zakłada i warsztat, i wiedzę na poziomie średnio zaawansowanym. To konstrukcje wymagające także dużej precyzji wykonania dla osiągnięcia doskonałego rezultatu.

Zapraszamy na stronę: www.laboratorium.pwn.pl

NA WSTĘPIE – DLACZEGO OPTYKA?

Czym byłaby cywilizacja bez lunety i mikroskopu, dwóch instrumentów, które pozwoliły obejrzeć dwa przeciwne krańce skali otaczających nas zjawisk. Wychodząc od pytania: „Czym jest światło?”, udało się otworzyć nowe rozdziały fizyki. Mimo to wciąż zachwyca nas oko muchy oglądane pod lupą i widziana przez mocną morską lornetę powierzchnia Księżyca. Wykorzystujemy narzędzia stworzone przez optykę z taką samą łatwością, z jaką chodzimy czy piszemy – intuicyjnie. Może ich użyć każdy, bez względu na zasób posiadanej wiedzy.

W każdym domu, gdzieś w szufladzie, na pewno leży lupa z jedną prostą soczewką. Na wakacyjny wyjazd zabieramy aparat fotograficzny lub kamerę, których obiektywy to bardzo wyrafinowany układ soczewek. A jednak i jednym, i drugim posługujemy się bez wysiłku. A gdyby tak spróbować zrozumieć, jak one działają? Nie, nie korzystać z podręczników czy z rysunków pełnych abstrakcyjnych strzałek i kresek, a zbadać je praktycznie, zestawiając ze sobą wklęsłe i wypukłe szkiełka. Albo puszczając świetlne zajączki lusterkiem umieszczonym na Księżycu? A może rozbierając na części uszkodzony obiektyw, zalegający gdzieś w domowej graciarni, niewyrzucony tylko dlatego, że mimo bezużyteczności wzbudza szacunek swoją złożonością?

To nietrudne, a jak szybko się okaże – bardzo efektowne i wciągające.

Fizjologia, neurologia i psychologia zgodnie twierdzą, że 80% wiedzy o otoczeniu pozyskujemy za pomocą wzroku, zmysłu reagującego na światło. Poznajmy zatem kilka pożytecznych sztuczek, które zabawią nas, zaciekawią i sprowokują do samodzielnego odkrywania świata widzianego w paśmie fal elektromagnetycznych o długości pomiędzy 400 a 700 nanometrami. Bo właśnie tam mieści się cała tęcza.

Niech książka, którą trzymasz w ręku, będzie pierwszą przymiarką do zapoznania z optyką. Bardzo starałem się unikać w niej teoretycznych opisów i matematycznych modeli; są niezbędne, ale pasja rodzi się z praktyki. Budując samodzielnie przyrządy optyczne, sięgniesz po matematykę wtedy, gdy będzie Ci ona naprawdę potrzebna. Ale na razie wykonaj samodzielnie wielki kalejdoskop, ławę optyczną i spirograf. Bo to naprawdę świetne zabawki!

Autor

ERGONOMICZNA LUPA *

Kto z niej nie korzystał? To jeden z najprostszych przyrządów – optyczne szkło wypukłe z rączką – mający za sobą długą historię. Wykopaliska datują pierwsze udokumentowane użycie soczewek na około 1600 r. p.n.e. Na Krecie odkryto pochodzące z tego właśnie okresu kawałki polerowanego kryształu górskiego (kwarcu), uformowane tak, aby powiększały obraz. Niemal 3000 lat później, bo około roku 1270, angielski filozof Roger Bacon z całą pewnością posługiwał się pojedynczą soczewką, by poprawić jakość widzenia. Nie minęło piętnaście lat, a Włoch Salvino D’amato połączył dwie soczewki w przyrząd używany dzisiaj powszechnie – okulary (1285 r.).

My jednak pozostańmy w kręgu zastosowań soczewki, które mogły służyć starożytnym Kreteńczykom.

Dla przypomnienia: bierzemy dowolne szkło optyczne płasko-wypukłe lub dwuwypukłe, dodajemy oprawkę oraz rączkę i lupa gotowa. Jej siła powiększająca zależy od mocy soczewki. Gwoli ścisłości – optycy lupami nazywają te z nich, które dają co najmniej trzykrotne powiększenie. Te słabsze to po prostu szkła powiększające.

Teraz odrobina technikaliów. Lupa powinna mieć tak dobraną soczewkę, aby tworzyła w odległości dobrego widzenia obraz powiększony, pozorny i prosty. Oznacza to, że oczekujemy ostrego, powiększonego i nieodwróconego do góry nogami obrazu przedmiotu w odległości około 25 cm od oka. To dosyć umowna wartość, przyjmowana dla poprawnego widzenia (bez wad wzroku). Powiększenie kątowe lupy zależy ściśle od jej ustawienia względem oglądanego przedmiotu i oka. Podaje się je dla odległości odpowiadającej ulokowaniu oglądanego obiektu w ognisku soczewki. Dlaczego tak? Ponieważ wtedy prawidłowe oko nie akomoduje, a na siatkówce powstaje ostry obraz oglądanego obiektu.

Wobec tego ustalmy jeszcze, jak wyliczyć powiększenie lupy lub szkła powiększającego. Opisuje je wzór ważny dla ustawienia przedmiotu w ognisku:

G = 250/f,

gdzie: 250 to optymalna odległość oko–soczewka (w mm), zaś f oznacza ogniskową soczewki (również w mm).

Gdy znamy moc soczewki, wzór można nieco przekształcić:

G = D/4,

gdzie: D to właśnie moc (w dioptriach).

Na koniec wstawki teoretycznej opanujmy jeszcze pojęcie mocy szkła optycznego. Wyrażone w dioptriach oznacza zdolność skupiającą i jest odwrotnością ogniskowej wyrażonej w metrach:

Z = 1/f.

Moc soczewek powiększających wyrażamy dodatnią wartością Z, a soczewek pomniejszających wartością ujemną.

Od czasów starożytnych skonstruowano najprzeróżniejsze lupy, a my zbudujemy jeszcze jedną – ergonomiczną.

Każda lupa ma jakąś rączkę, od której tak naprawdę niewiele zależy, jeżeli szkło jest nieduże, czyli lekkie, a my używamy przyrządu okazjonalnie. Co jednak, jeśli trzeba będzie używać go długo? Jeżeli bardzo długo, to najlepiej zamocować go na wsporniku, choć nie zawsze się da, jak na przykład podczas całodziennej przyrodniczej wyprawy na letnią łąkę. Upalny dzień, bezlik roślin lub robaczków do obserwacji i lupa z uchwytem jak patyk. Pod wieczór gwarantowany bolesny skurcz dłoni.

Szkło optyczne można dobrać dowolne, stosownie do wymagań. Najlepiej takie, które daje powiększenie rzędu 2–4 razy, o możliwie dużej średnicy, z tworzywa lub szklane (ciężar ma znaczenie drugorzędne, bo jego wpływ skompensuje rączka). Uchwyt natomiast powstanie z myszki komputerowej. Jej doborowi trzeba poświęcić trochę czasu i uwagi. Przede wszystkim – może być uszkodzona. Ważne, by dawała się uchwycić całą dłonią, tak by palce swobodnie obejmowały jej dolną powierzchnię.

Warto też zwrócić uwagę na kolorystykę. Ponieważ uchwyt będzie znajdował się na obrzeżu pola widzenia, powinien być w jednolitym stonowanym kolorze. Najlepiej szary lub czarny, by nas nie rozpraszał. Wykończenie powierzchni? Matowe lub satynowe, bo połyskujące może w niekontrolowany sposób odbijać światło i tworzyć uciążliwe odblaski.

Obudowę myszki rozkręcamy. Przewód i całą elektronikę należy usunąć, ale może warto je zachować? Na płytce, zależnie od typu myszki, znajdują się diody LED (podczerwone), fototranzystory, optyczny czujnik powierzchni z oświetlaczem… To się przyda później. Uwaga praktyczna: obudowa myszki rzadko kiedy jest mocowana na zatrzaski. Zwykle bywa skręcona jedną lub kilkoma śrubami, ukrytymi pod naklejką, ślizgaczem lub zasłoniętymi zaślepką.

Otwór w jej dolnej części, pozostały po kulce, należy zakleić dopasowaną płytką z tworzywa sztucznego. Niewielka szczelina w myszce optycznej może pozostać nieosłonięta. Nie, nie tylko ze względów estetycznych – palce obejmujące uchwyt powinny mieć płaskie podparcie. Każde wgłębienie czy krawędź mogą powodować dyskomfort.

W dolnej części obudowy ostrym nożem i pilnikiem wykonujemy podcięcie odpowiadające krzywizną odcinkowi obwodu szkła powiększającego (powierzchnia podparcia naszej soczewki musi mieć minimum 1 cm²).

Wykonując je, nie można naruszyć dolnej powierzchni obudowy; podcinamy tylko jej bok. Po dopasowaniu złożenie szkła i podstawy wygląda tak, jak na zdjęciu.

Jeżeli użyjemy szkła optycznego pochodzącego z lupy fabrycznej produkcji, należy rozważyć, czy nie warto pozostawić trzymającej je na obwodzie ramki, dzięki której uzyskamy dodatkowe wzmocnienie. W konstrukcji modelowej zdecydowałem się jednak na mocowanie bezramkowe. Wygląda efektowniej, a sama lupa sprawia wrażenie lekkiej.

Jeżeli soczewka wykonana jest z tworzywa, to do sklejenia jej z podstawą należy użyć kleju rozpuszczalnikowego, właściwego dla danego typu tworzyw. Ze szkłem jest nieco trudniej – jedyna dobra metoda to przyklejenie na żywicę epoksydową. Koniecznie taką, która w trakcie wiązania się nie kurczy. Inaczej, zamiast zespolić z podstawą, może doprowadzić do powierzchniowego wyłuszczenia szkła.

Klejenie wykonujemy na dużych powierzchniach, żeby szkło było maksymalnie mocno uchwycone i podparte. Od góry można nałożyć nadmiar żywicowej spoiny, a po jej stwardnieniu zeszlifować naddatki.

Gdy dolna spoina zwiąże, kleimy górę.

W myszkach komputerowych zwykle można z wierzchu korpusu zdjąć mocowane na zatrzaski ozdobne licowanie i klawisze. Na zdjęciu widoczna jest taka zdemontowana pokrywa. Jeżeli zachodzi potrzeba, to w niej też wykonujemy podcięcie na szkło. Spoiwa (żywicy) trzeba użyć w dużym nadmiarze; po złączeniu górnej i dolnej części korpusu nadmiar ten zostanie wyciśnięty. Można usunąć go od razu lub zeszlifować później. Ważne, aby soczewka została unieruchomiona od góry i od dołu. Wówczas, mimo niewielkiej powierzchni spoiny, będzie osadzona sztywno i niezawodnie. Nie wyłamie się z uchwytu nawet przy silnym nacisku lub uderzeniu.

Usunięcie nadmiaru związanej żywicy kończy pracę. Górną licówkę i klawisze można po prostu zatrzasnąć, ale lepiej – dla pewności – unieruchomić je odrobiną kleju cyjanoakrylowego. Korpus skręcamy śrubami.

Porównajmy teraz jakość uchwytu zwykłej i zmodyfikowanej lupy. Nasza, przerobiona, niemal sama trzyma się dłoni.

Doskonałe narzędzie będzie niezawodnie służyć, jeżeli zadbamy o nie odpowiednio. Ergonomiczna lupa powinna mieć własny futerał. Może być sztywny lub miękki, według uznania, i zabezpieczać przed wstrząsami i porysowaniem. Modelowa lupa została wyposażona w sakwę z zaadaptowanego etui na mały tablet. Podczas użytkowania leży ono w zasięgu mojej ręki. Ilekroć chcę odłożyć przyrząd, wsuwam go do futerału, który poza dobrą ochroną ma jeszcze jedną zaletę – jego miękkie ścianki samoczynnie usuwają z dużej soczewki pyłki i zatłuszczenia. Raz na jakiś czas etui trzeba odwrócić na lewą stronę i przeprać.