Naukowiec Amator - Obserwowanie Podczerwieni

Świat Nauki 05/1992

Jak sprawdzić czy woda w czajniku jest gorąca? Oczywiście można go dotknąć ręką (uważając by się nie poparzyć). Donald G. Mooney proponuje jednak znacznie ciekawsze rozwiązanie.
Miłego eksperymentowania!
Citronian-Man
----------------------------------------------------------------
      Jak odróżnić ciała ciepłe od zimnych? Jeżeli problem ten dotyczy najbliższego otoczenia, nieomal bezwiednie wykorzystujemy możliwości naszych zmysłów. W przypadku, gdy odległość jest większa, pozostaje nam skorzystać z wiedzy o efektach oddziaływania ciepła na środowisko. Wiadomo na przykład, że w rozgrzanym powietrzu pojawiają się miraże. Inna możliwość polega na wykorzystaniu faktu, że natężenie promieniowania podczerwonego wysyłanego przez różne ciała zależy od ich temperatury. Większość stosowanych czujników promieniowania podczerwonego to skomplikowane urządzenia półprzewodnikowe. Niedawno za pomocą jedynie sferycznego zwierciadła wklęsłego oraz ciekłych kryształów udało mi się zbudować prosty model kamery służącej do rejestracji termogramów. Moja kamera nie jest wprawdzie tak czuła jak urządzenia profesjonalne, ale pozwala obserwować źródła promieniowania podczerwonego z odległości kilku metrów. 

 

Przed przystąpieniem do budowy właściwego urządzenia wypróbowałem jego uproszczony model. W tym celu wykorzystałem przedmioty łatwo dostępne w domu — promiennik podczerwieni, lusterko do golenia oraz pochodzący ze stresometru kawałek termoczułej folii ciekłokrystalicznej. Zwierciadło posłużyło mi do skupienia promieniowania na powierzchni ciekłego kryształu. Po krótkiej chwili na powierzchni folii pojawił się obraz w postaci punktu, który bardzo szybko osiągnął wielkość sporego koła. Niestety, nie byłem w stanie stwierdzić, czy obraz powstał rzeczywiście pod wpływem promieniowania podczerwonego, czy też był efektem ciepła wydzielonego w krysztale wskutek absorpcji światła widzialnego.

Pomimo tych wątpliwości rezultat zachęcił mnie do zbudowania bardziej skomplikowanego przyrządu. W tym celu kupiłem wysokiej jakości zwierciadło oraz zestaw czułych na temperaturę ciekłych kryształów. Postarałem się także o materiały konstrukcyjne do budowy sztywnej podstawy pod zwierciadło i kryształy. Moje wydatki wyniosły około 250 dolarów. Dla porównania dodam, że profesjonalne kamery termowizyjne kosztują wiele tysięcy dolarów.

Najdroższym elementem wchodzącym w skład zbudowanej przeze mnie kamery jest zwierciadło (150 dolarów). Jego jakość i rozmiary określają możliwą do osiągnięcia czułość i zdolność rozdzielczą budowanego układu. Zdecydowałem, że dla moich potrzeb najlepsze będzie zwierciadło o średnicy około 150 milimetrów i ogniskowej 300 milimetrów, z powierzchnią odbijającą pokrytą warstwą złota. Zaletą złota jest bardzo duża wartość współczynnika odbicia dla promieniowania podczerwonego, która maleje w obszarze widzialnym.

Aby dobrać odpowiednie rozmiary i długość ogniskowej zwierciadła, posłużyłem się elementarnymi zasadami optyki. Po pierwsze, chciałem zorientować się, w jakiej odległości od zwierciadła powstanie obraz obserwowanego przedmiotu. Można to obliczyć korzystając ze wzoru:

Y = fx/x-f

gdzie f — to ogniskowa zwierciadła, x — odległość przedmiotu od zwierciadła, a y — odległość obrazu od zwierciadła. Jak łatwo się przekonać, obraz przedmiotu umieszczonego 90 centymetrów od zwierciadła powstanie w odległości 45 centymetrów.

Następnie obliczyłem powiększenie obrazu p, które wynosi:

P = y/x

W naszym przypadku wartości liczbowe odpowiednich wielkości wynoszą 45 centymetrów i 90 centymetrów, co daje powiększenie równe 0.5. Oznacza to, że powstały obraz będzie o połowę mniejszy niż rzeczywisty przedmiot. Należy także dodać, że będzie on odwrócony „do góry nogami".

Z myślą o planowanych eksperymentach kupiłem za prawie 30 dolarów sześć arkuszy folii ciekłokrystalicznej, każdy długości 30 centymetrów, szerokości 15 centymetrów i grubości 0.2 milimetra. Poszczególne arkusze różniły się między sobą wrażliwością na temperaturę. Skrajne zakresy wynosiły odpowiednio 20-25°C oraz 40-45°C. W trakcie doświadczenia zdałem sobie sprawę, że użyteczność różnych rodzajów ciekłych kryształów zależy od temperatury otoczenia. I tak zastosowanie folii wrażliwej na najniższy zakres temperatur daje dobre wyniki, jeżeli eksperymenty prowadzone są w zimnym pokoju, podczas gdy pozostałe jej rodzaje są skuteczniejsze w cieplejszym otoczeniu.

Użyta podczas doświadczeń termo- czuła folia ciekłokrystaliczna jest otrzymywana przez pokrycie folii mylarowej dwiema warstwami. Pierwsza z nich to właściwa warstwa ciekłokrystaliczna. Stanowi ją tusz, którego zasadniczym składnikiem jest mieszanina trzech różnych związków, będących pochodnymi cholesterolu [patrz: James L. Fergason, „Liquid Crystals"; Scientific American, sierpień 1964]. Naniesiony na folię roztwór wnika w jej mikro- pory, które są następnie zasklepiane przez kolejną warstwę, stanowiącą jednocześnie czarne tło.

Konstrukcja mechaniczna mojej kamery to ława optyczna, którą wykonałem z dwóch desek połączonych pod kątem prostym i tworzących razem rodzaj dość szerokiej rynny [patrz ilustracja poniżej]. Jeden koniec rynny zamknąłem niewielką deseczką służącą do zamocowania zwierciadła. Następnie wyciąłem klocek o przekroju trójkątnym dopasowany do wymiarów lawy optycznej tak, aby go swobodnie przesuwać. W górnej ścianie klocka wywierciłem otwór umożliwiający zamocowanie nagwintowanej wewnątrz tulei, po czym wkręciłem w tę tuleję kawałek mosiężnego pręta, na którego końcu umocowałem półtoracentymetrowy odcinek miedzianej rury o średnicy 25 milimetrów. Gdy wszystko było gotowe, wyciąłem krążek ciekłokrystalicznej folii i przy kleiłem go do jednego z końców miedzianej rury.

Regulacja ostrości w tak skonstruowanej kamerze była możliwa poprzez zmianę odległości ekranu z ciekłokrystalicznej folii od zwierciadła. Wysokość położenia ekranu można było regulować wkręcając do tulei pręt, na którym był on zamocowany. Na pręcie znajdowała się dodatkowo nakrętka, pozwalająca zablokować całość w odpowiedniej pozycji.

Podczas pierwszych prób kamery promieniowanie odbite od powierzchni zwierciadła padało bezpośrednio na ciekłe kryształy. Dość szybko odkryłem jednak, że znacznie lepszy efekt daje zwrócenie folii jej czarną stroną w kierunku zwierciadła. Warstwa czarnego tuszu w większym stopniu pochłania promieniowanie, co w rezultacie powoduje ogrzanie ciekłych kryształów i zmianę ich koloru.

Gdy kamera była wreszcie gotowa, pozostało mi tylko wypróbować jej działanie. Przeszukałem dom, rozglądając się za różnymi źródłami promieniowania podczerwonego. Wybrałem czajnik z wrzątkiem, promiennik podczerwieni o mocy 250 watów, palnik kuchenki elektrycznej oraz lampę błyskową. (W tym miejscu chciałbym ostrzec wszystkich przyszłych eksperymentatorów, że nieostrożne obchodzenie się z różnymi źródłami podczerwieni może skończyć się poważnymi oparzeniami.)

Moja kamera okazała się niedostatecznie czuła, by zarejestrować promieniowanie emitowane przez czajnik z wrzątkiem.

Po skierowaniu jej „obiektywu" w stronę promiennika podczerwieni na powierzchni ciekłokrystalicznej folii nieomal natychmiast pojawił się obraz kilku najgorętszych punktów i szybko się powiększał. Pod wpływem rozgrzanego do czerwoności grzejnika kuchenki elektrycznej kolor folii uległ gwałtownej zmianie. Kamera reagowała także na światło lampy błyskowej i w miarę, jak poruszałem lampą, plama będąca jej obrazem zmieniała swój kształt.

Powyższe obserwacje były wprawdzie bardzo ekscytujące, ale wciąż miałem wątpliwości, czy ciekłe kryształy nie reagują na promieniowanie widzialne. Postanowiłem skorzystać z odpowiedniego filtru, który pozwoliłby rozdzielić promieniowanie obydwu zakresów widmowych. Mój wybór padł na krzem, który całkowicie pochłania promieniowanie widzialne, częściowo osłabiając promieniowanie podczerwone. Przed „obiektywem" kamery umieściłem obustronnie wypolerowaną płytkę krzemu o średnicy 10 centymetrów i grubości 0,5 milimetra. Korzystając z tego nieco zmodyfikowanego układu powtórzyłem eksperyment. Stwierdziłem, że uzyskane poprzednio obrazy w dalszym ciągu pojawiają się, chociaż — jak można było się spodziewać — ich natężenie osłabło.

Po wielu próbach stwierdziłem, że najlepszym źródłem podczerwieni do prowadzenia moich eksperymentów jest żelazko z nawilżaczem. Jego temperaturę można regulować z dość dużą precyzją w zakresie od 50 do 250°C. Można także dokładniej mierzyć temperaturę powierzchni żelazka za pomocą termometru kuchennego. Żelazko miało jeszcze jedną zaletę: jego spód, dzięki pokryciu teflonem, był lepszym źródłem promieniowania niż powierzchnia metalowa.

Żelazko w naszym domu miało, niestety, jedną poważną wadę. Po ustawieniu go w pozycji pionowej już po chwili automatycznie wyłączało się, uniemożliwiając mi dalsze eksperymentowanie. Przekonawszy żonę o konieczności zakupu nowego żelazka, udoskonaliłem stare tak, aby w pełni odpowiadało moim potrzebom. W końcu udało mi się uzyskać wyraźny termogram żelazka: obraz miał wysokość około 1.5 centymetra, a żelazko stało 35 metra od kamery.

Kolejny eksperyment miał na celu zbadanie zdolności rozdzielczej kamery. W niewielkiej odległości przed żelazkiem umieściłem plastikowy widelec. Jego zęby tworzyły cztery szczeliny, każda po 4 milimetry szerokości. Zakładałem, że plastik przesłoni część promieniowania i w rezultacie na ekranie pojawi się obraz widelca. Muszę przyznać, że realizacja tego zamierzenia nie była taka prosta.

Jak się okazało, decydujące znaczenie miało precyzyjne ustawienie ostrości obrazu. Aby ułatwić sobie zadanie, zastąpiłem żelazko lampą błyskową. Światło widzialne pozwoliło mi obserwować cień widelca na ciemnej stronie ciekłokrystalicznego ekranu, dzięki czemu mogłem tak wyregulować układ, by obraz był maksymalnie wyraźny. (Mogłem tak postąpić, ponieważ moja kamera działała na zasadzie zjawiska odbicia, które nie zależy od długości fali promieniowania.)

Gdy ostrość obrazu była już ustawiona, umieściłem żelazko na miejscu lampy, a kamerę przesłoniłem kawałkiem tektury. Następnie ogrzałem ekran korzystając z lampy błyskowej i obserwowałem, jak stygnie, powoli zmieniając swoją barwę. Postąpiłem tak wiedząc, że wrażliwość ciekłych kryształów na temperaturę jest największa w chwili, gdy folia powraca do koloru czarnego. W momencie, w którym to nastąpiło, szybko usunąłem tekturową przesłonę. Po mniej więcej dwóch sekundach na ekranie kamery pojawił się obraz widelca. Moje osiągnięcia wydały mi się warte zarejestrowania. Zrobiłem to za pomocą zwykłego aparatu fotograficznego. Pewną trudność sprawiło mi zbliżenie obiektywu mojego aparatu do ciekłokrystalicznego ekranu kamery. Problem rozwiązałem umieszczając na krawędzi ławy lusterko, które umożliwiało obserwację ekranu z boku kamery.

Jestem głęboko przekonany, że ci spośród Czytelników, którzy zechcą eksperymentować z użyciem zbudowanej własnoręcznie kamery do obserwacji w podczerwieni, znajdą wiele sposobów jej ulepszenia. Mam też nadzieję, że obserwacja świata w nowym świetle sprawi im co najmniej tyle samo radości, ile mnie sprawiła.

Zainteresowani eksperymentowaniem mogą uzyskać dalsze informacje pisząc pod adresem: The Amateur Scientist, Infrared Camera, Scientific American, 415 Madison Avenue, New York, NY 10017-1111.

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA:

OPTICS AND OPTICAL INSTRUMENTS: AN INTRODUCTION WITH SPECIAL REFERENCE TO PRACTICAL APPLICATIONS. B. K. John- son, Dover Publications, 1960.

BASIC OPTICS AND OPTICAL INSTRUMENTS. U.S. Navy Bureau of Naval Personnel, Dover Publications, 1969.

Autor:  Donald G. Mooney

Ważne linki dotyczące autora:
.
Literatura uzupełniająca:
.
Multimedia:
.
.

Zachęcamy do dyskusji na temat podanych w artykule treści
oraz wklejania linków do materiałów multimedialnych.
Redakcja