Автор: PHABLABS в Мастер-класс Наука
Дорогие друзья! Техническое творчество - это не только какие-то устройства и приборы. С помощью паяльника, ножовки и несложных знаний законов физики может подарить вам волшебный инструмент для рисования световой кистью. Это так здорово и увлекательно!
Создайте световую кисть для рисования светом.
Особенности этого мастер-класса:
Целевая аудитория: Студенты (15-18 лет)
Шаг 1: Световое перо
Основным принципом фотоники в light brush является создание светового пера. Световые перья имеют множество применений, особенно в области сканеров и микроскопов.
Световое перо или световой лист.
Световые листы - это, как следует из названия, просто способ нанесения небольшого тонкого светлого слоя.
Основными свойствами светового полотна можно резюмировать как толщину, однородность и способность проникать сквозь рассеивающую ткань. Следовательно, мы можем использовать любую установку, которая отвечает этим требованиям, чтобы попытаться создать освещение. Например, базовым из них было бы то, что показано на рисунке, предложенном Huisken et al.: лазерный луч падает на цилиндрическую линзу, которая его концентрирует.
Если кто-то хочет понаблюдать за определенным образцом, его следует оставить в точке фокусировки объектива, то есть там, где световой слой будет максимально тонким и, следовательно, где он наилучшим образом будет соответствовать описанным выше свойствам. Этой базовой настройки достаточно, чтобы получить световой лист, и, как будет объяснено позже, именно ее мы и будем использовать. В любом случае, есть несколько других методов, которые также можно было бы использовать, например, использование гауссовских лазерных лучей (наиболее распространенный выходной сигнал лазера или, по крайней мере, наиболее желаемый).
Источник света: светодиоды
В этом мастер-классе мы будем использовать массив светодиодов.
Светодиоды – светоизлучающие диоды - как следует из их названия, являются полупроводниковыми диодами.
Вы можете упростить типичную роль диода в схеме в качестве переключателя. Следовательно, роль светодиода более или менее одинакова. Если напряжение на анодном выводе выше, чем на катодном, они действуют как резистор: в них происходит падение напряжения (обычно около 0,7 В), которое используется для возбуждения электронов, так что, когда они возвращаются на свой основной уровень, испускается фотон. С другой стороны, если напряжение на катоде выше, чем на аноде, то цепь как будто нечем замкнуть: это действует, если у нас разомкнутый выключатель.
Упражнение 1: Закон Ома
Закон Ома, как вы, возможно, уже знаете, гласит, что V= R·I, где V - напряжение, R - сопротивление и I - интенсивность.
Попробуйте спроектировать схему с одним или несколькими резисторами (представленными в виде прямоугольного блока на фото 4), светодиодом и источником напряжения 5 В (представленным в виде двух параллельных линий в схеме, одна короче другой).
Примите во внимание, что для работы большинству светодиодов требуется напряжение около I≈ 20 мА, а падение напряжения на светодиоде составляет около VLED = 0,7 В, чтобы произвести расчеты.
Какой резистор вы выбрали?
a. Включается ли светодиод?
b. Попробуйте заменить анод и катод светодиода. Что получается?
c. Возьмите резистор немного больше и немного меньше, чем тот, который у вас был раньше, и повторите опыт. Что происходит сейчас?
! Обратите внимание, что резисторы обычно рассчитаны на рассеивание до Wmax = 0,25 Вт, где W обозначает мощность: W = V · I. Если интенсивность рассчитана неправильно, Wmax может быть превышен и резистор может сгореть.
Обратите внимание, что символы резисторов различаются в разных частях света. Возможно, вам больше знакомы либо первое, либо второе из этих двух:
Решение: Давайте сосредоточимся на резисторе: V = 5-0,7 = R ·I = 20 мА · R => R = 215 Ом (a) ± 50 ОМ (c).
Упражнение 2: Познакомьтесь со светодиодами
Возьмите резистор 200 ОМ (прямоугольный блок на рисунке ниже), источник напряжения 5 В (представленный в виде двух параллельных линий в схеме, одна короче другой) и светодиод и создайте схему, нарисованную, соединив каждый из элементов с помощью проводов.
· Какой резистор вы выбрали?
· Включается ли светодиод?
· Попробуйте заменить анод и катод светодиода. Что получается?
· Возьмите по одному резистору 250 Ом и 150 Ом и повторите опыт. Что происходит сейчас?
В нашей настройке мы будем использовать массив светодиодов, которые будут вокусироваться через объектив.
Лазерный луч
Когда падающий луч достигает объекта, часть его отражается и, следовательно, возвращается в среду, из которой он исходил; а часть его передается или поглощается.
Таким объектом может быть, например, зеркало. Мы считаем, что зеркало “идеально”, если в нем нет ни пропускания, ни поглощения. Таким образом, фотон, достигающий идеального зеркала, будет полностью отражен, в то время как в случае, если он практически идеален, существует вероятность, что он будет передан. Резонансный резонатор лазера, подобный тому, который можно увидеть на рисунке, состоит всего из двух зеркал: одного идеального, а другого практически такого же. Между зеркалами, внутри резонансной полости, находится то, что называется средой усиления.
Усиливающая среда состоит из ряда атомов, которые были возбуждены с помощью источника света или электрического поля. Другими словами, благодаря использованию электричества или другого источника энергии атомы получили электроны, которые больше не находятся на своем основном уровне: энергия была использована для увеличения одного из них.
Таким образом, когда фотон достигает одного из этих атомов, существует вероятность того, что возбужденный электрон снова опустится на свой основной уровень и фотон испустится (Следуя теореме сохранения энергии, если энергия атома уменьшается из-за того, что электрон теряет свой возбужденный уровень, разница в количестве энергии должна быть каким-то образом высвобождена. Хорошо известно, что это делается с точностью до фотона. Длина волны фотона и, следовательно, лазера будет зависеть от этой энергии, как гласит соотношение Планка-Эйнштейна: E = h · cλ.). Это явление называется вынужденным излучением.
Хорошо известно, что при вынужденном излучении высвобождаемые фотоны имеют ту же длину волны, что и те, которые достигают атома. Следовательно, таким образом, мы получаем:
● Количество испускаемых фотонов, которое с каждым разом увеличивается все быстрее и быстрее (чем больше фотонов, тем больше атомов может быть возбуждено).
● Излучаемые фотоны с той же длиной волны, что и у первого (это свойство мы называем когерентностью. Лазеры действительно когерентны, в то время как светодиоды совсем не таковы.)
Цилиндрическая линза
Цилиндрические линзы хорошо известны тем, что концентрируют свет в направлении линии фокусировки, как это видно на схеме ниже. Основная идея та же, что и для сферических линз, но вместо точки они фокусируются на линии.
Приложения
Этот вид световых листов можно использовать для сканирования. Поэтому они являются ключевой частью, например, световой листовой микроскопии – метода получения 3D–изображений объектов - или считывателей штрих-кодов которые обычно можно увидетьна кассах супермаркетов.
Шаг 2: Рисование светом
Как рисовать светом с помощью световой кисти, созданной во время мастер-класса:
Рисование светом - это занятие, которое можно выполнять в разных местах; все, что необходимо, это:
фото камера, компьютер и программное обеспечение, камера для съемки с длительной экспозицией или смартфон, который использует приложение для преобразования его в фотокамеру с длительной экспозицией
● темнота
● по крайней мере, источник света (например, кисть light brush)
● Все, что создает или модифицирует свет (например, целлофановая бумага для превращения белого света в цветной, дифракционные слайды, ...)
С помощью этих предметов можно писать, раскрашивать или рисовать с помощью света и получать фотографии с результатами.
Для использования фотокамеры и компьютера или смартфона существует несколько приложений, позволяющих рисовать светом в режиме реального времени (вы можете видеть на экране в режиме реального времени, что вы рисуете).
И есть несколько приложений для мобильных устройств (для преобразования мобильных устройств в камеры с длительной экспозицией), таких как “Dr. Light”.
При использовании фотокамеры вы можете начать со следующих настроек (и изменить их для достижения различных эффектов или адаптации к темноте в комнате):
Фотокамера для длительной экспозиции:
- Скорость / чувствительность пленки: ISO 1000
- Диафрагма: f / 5.6
- Выбор ручной фокусировки (MF)
Важное примечание: Перед началом занятия очень важно объяснить, что в случае, если вы используете лазеры в качестве источника света, лазеры не должны направляться прямо в глаза. По той же причине очень важно соблюдать осторожность при использовании зеркал и других инструментов в сочетании с лазерами.
Если вы рисуете лазерами, вы должны рисовать лицом к стене, ни в коем случае не в сторону камеры или людей. Другие, менее интенсивные источники света, могут быть направлены непосредственно на камеру.
Шаг 3: Список деталей:
Части фотоники:
* 13 прозрачных светодиодов 1206 SMD - разных цветов
* Прозрачная акриловая линза с полукруглым стержнем (если у вас есть 3D-принтер для прозрачного материала, вы можете распечатать эту линзу самостоятельно).
Другие части:
* 1 резистор 100 Ом (1-4 Вт, 1% 1206 SMD)
* Батарея 9 В
* Защелка батареи 9 В
* 1 переключатель
* Обрабатываемая печатная плата FR1 6 "x8" Single
Инструменты:
* 3D-принтер
Шаг 4: Создание объектива
Этот шаг можно пропустить, если в наличии нет 3D-принтера для транспарантного материала. Тогда вы можете использовать акриловую линзу с полукруглым стержнем.
СКАЧАТЬ ЛИНЗУ
Линза светового листа - основной активный компонент. Мы используем принтер на основе смолы Form Labs 2 для печати прозрачной смолой, но сначала нам нужен файл для печати.
Мы использовали бесплатное программное обеспечение, чтобы придать линзе нужную форму и размер, готовую для 3D-принтера: Onshape - это платформа, которая позволяет вам создавать объекты и делиться ими в браузере онлайн.
Вы можете щелкнуть правой кнопкой мыши по любому компоненту модели, чтобы экспортировать его. Вам понадобится файл STL (стереолитографии) для загрузки в программное обеспечение CAM.
ПОДГОТОВЬТЕ ФАЙЛ ДЛЯ ПЕЧАТИ STL
Далее необходимо настроить 3D-модель объектива в программном обеспечении ‘слайсер’ для принтера form labs. Программное обеспечение называется "Preform’ и работает путем нарезки модели на слои, которые принтер может использовать для пошагового воссоздания цифровой модели в смоле. Preform бесплатен и работает в большинстве операционных систем.
После установки заготовки и подключения вашего компьютера к принтеру мы должны загрузить модель и спроектировать платформу для сборки объекта во время печати. После загрузки модели в программное обеспечение у вас есть множество вариантов настройки ее ориентации и подготовки к печати с подставками. Используйте кнопки поворота, перемещения и волшебной подготовки, которые помогут вам в этом. Каждый объект индивидуален, поэтому этот процесс является одновременно искусством и наукой. Мы постарались создать как можно больше опор для объектива, избегая при этом соприкосновения точек опоры с гранями объектива. Кроме того, расположение линз длинной стороной параллельно платформе сборки уменьшит количество слоев, необходимых для печати, и ускорит печать.
ПЕЧАТЬ ОБЪЕКТИВА
Принтер Form Labs 2 - это принтер на основе STL (стереолитографии) на основе смолы, который работает путем проецирования лазера на фотореактивный слой смолы. Смола затвердевает при контакте с лазером, затем модель можно наращивать поэтапно, в несколько слоев.
СОВЕТ: Принтер Form Labs 2 чрезвычайно прост в использовании и настройке. Но как только вы все установите и будете готовы к печати, убедитесь, что вы оставили крышку смолы открытой, не забудьте также закрыть ее после завершения печати. Печать займет несколько часов, это явно быстрее, чем месяцы, которые Galileo потратил на резку и полировку стекла для достижения аналогичного эффекта.
После завершения печати вы должны извлечь ее из формы самым чистым и безопасным способом, на веб-сайте Formlabs есть очень подробные инструкции. Вам нужно окунуть отпечаток в изопропиловый спирт, чтобы очистить его, прежде чем трогать или полировать. Не забудьте воспользоваться прилагаемыми защитными перчатками.
Приложения
Шаг 5: Полировка объектива
Когда линза высохнет и отвердеет на полимерном принтере, важно тщательно отполировать поверхность. Всегда полезно перейти от крупнозернистого абразива к более мелкозернистому. Есть несколько методов и способов сделать это. Вот что у нас сработало:
Способ 1: Используйте микродрель с кожаной головкой и буферным средством.
Мы использовали дрель Proxon со полирующей головкой и абразивом для удаления большей части тусклости с линз. Не забывая пользоваться перчатками и защитными очками. Объектив можно безопасно закрепить в тисках. Круговыми движениями перемещайте сверло по поверхности объектива, пока оно не станет однородно отполированным.
Способ 2: Используйте химическое жидкое полирующее средство с помощью ватных палочек.
Это средство должно сделать поверхность еще более гладкой. Аналогичными круговыми движениями нанесите химическое средство на поверхности линзы, пока не будет достигнута однородная полировка. Для сравнения мы использовали два типа полирующего средства; Titanlux и Novus. Novus, казалось, занимал намного больше времени и никогда не достигал того блеска, который дает Titanlux.
ПОДГОТОВЬТЕ ФАЙЛ ДЛЯ ПЕЧАТИ В ФОРМАТЕ FDM.
Эти файлы с футлярами можно распечатать на любом 3D-принтере, мы используем Form Labs 2 для печати линз, и это также подойдет для футляра, однако смола дорогая, и мы используем прозрачную смолу для печати линз. По этой причине мы решили использовать для корпуса принтер FDM (для моделирования методом плавленого напыления), такой как Rep Rap или Ultimaker .
Для Rep Rap и Ultimaker 2 существуют различные типы программного обеспечения для нарезки или CAM-программ. Мы используем Cura для использования с FDM-машинами. В Интернете есть множество инструкций по Cura, и рекомендуется ознакомиться с ними, поскольку существует множество вариантов. Опять же, это такое же искусство, как и наука.
СОВЕТ: Вы можете напечатать корпус в вертикальном положении с самой широкой частью вверху, это кажется нелогичным, но на самом деле помогает передать некоторые внутренние детали. Мы считаем, что лучше всего использовать PLA-нить, потому что она более экологична! Кроме того, для удержания объекта на монтажной пластине достаточно настройки краев, это также ускоряет процесс.
Приложения.
Шаг 7: ПЕЧАТНАЯ плата.
Мы хотим вырезать небольшие круглые кусочки микросхем, называемых PCBs (печатными платами). Они помогут расположить и удерживать светодиоды на месте. Два приведенных ниже файла в формате PNG будут использованы для создания стратегий обработки с использованием модулей Fab. Их можно загрузить из прикрепленного файла.
Файлы PNG имеют размер страницы, который позволит машине точно вернуться в прежнее положение между двумя процессами: сначала вырезанием контуров, а затем профилей и отверстий. Fab Modules - это программное обеспечение для CAM с открытым исходным кодом, разработанное для Fab Academy. Это позволяет пользователям создавать стратегии обработки для множества различных процессов и станков, оно запускается в браузере, поэтому его нет необходимости загружать. Мы будем использовать фрезерный станок Roland MonoFab SRM - 20.
Вы можете загрузить файлы со своего компьютера в программное обеспечение и пошагово выбрать процесс. На рисунке ниже показаны настройки и пути инструментов для файла трассировки. Здесь мы используем крошечную фрезу, с ее помощью нужно будет удалить всего 0,5 мм материала с верхней части медной заготовки печатной платы.
После того, как вы закончите настройку стратегии резки и убедитесь, что скорость и глубина указаны правильно, вам следует сохранить файл. Он будет загружен на ваш компьютер в виде файла .rml.
Следующий файл, который нужно подготовить, - это профиль или контуры печатных плат. Мы будем использовать фрезу большего размера и на этот раз прорежем заготовку полностью. Выберите опцию "Контур печатной платы".
На изображении на фото 5 показано, что траектории движения инструмента имеют несколько уровней. В настройках указана толщина 1,8 мм.
ФРЕЗЕРОВАНИЕ печатных плат с помощью ROLAND MONOFAB
Roland Monofab - это настольный фрезерный станок, который режет материал. Его движение во многом аналогично движению 3D-принтера, но вместо добавления материала он его убирает. Программное обеспечение CAM, управляющее машиной, называется V panel, которое будет использоваться для запуска файлов .rml, которые мы создали на предыдущем шаге в Fab Modules.
Сначала нам нужно прикрепить заготовку печатной платы к основанию моноблока двусторонним скотчем. Затем, перемещая фрезерную головку в нижнем левом углу заготовки, мы можем обнулить оси X и Y, используя систему координат пользователя. СОВЕТ: По оси Z опустите фрезерную головку на несколько мм над заготовкой, а затем ослабьте патрон, чтобы фрезерная головка упала на поверхность. Только после этого обнуляйте ось Z.
Приложения.
Теперь нам нужно будет разместить и припаять белые прозрачные светодиоды (светоизлучающие диоды) к печатным платам, а также подключить 9-вольтовую батарею к цепи и переключиться на нее. Мы сконструировали печатные платы для последовательной работы, но все они подключены к одним и тем же линиям. Это обеспечивает питание светодиодов, как если бы они были одним целым.
Наиболее важным фактором при этом является знание того, что светодиоды имеют положительную и отрицательную полярность. Положительной стороной является то, что with подключается к резистору 100 Ом.
СОВЕТ: Определите положительную сторону или (анод) светодиода по зеленой метке. Затем вы должны разместить светодиоды на направляющих линиях, все с зелеными полосками на той же стороне первой печатной платы, которую вы вырезали. Воспользуйтесь пинцетом, который поможет вам, и увеличительным стеклом, которое также пригодится!
Далее нужно припаять ножки к созданным вами контурам проверки печатной платы. Для этого вам понадобятся паяльник, рулон припоя и немного флюса, которые помогут вам с соединениями.
Операция пайки будет выполняться в 3 этапа.
1 > Первая задача - припаять контакты светодиодов к контурам.
2 > Второй шаг - припаять красный и черный провода к выключателю, к гнезду аккумулятора и к резисторам 100 Ом.
3 > Заключительный шаг - припаять черный и красный провода к печатной плате с красным плюсом, расположенным на установочных выступах.
Чтобы припаять переключатель, проще одновременно припаять и провод, и кабель аккумулятора к контактам. В контактах есть отверстия, через которые можно просунуть провода.
Шаг 9: Соберите световую кисть.
Теперь у вас будут все компоненты, необходимые для сборки фонарика. Вы начнете с того, что протолкнете переключатель до упора в корпус корпуса так, чтобы он выступал через нижнее отверстие.