Задумывались ли вы о том, что вокруг нас, в технике широко применяется интересное физическое явление, на базе которого вы и сами сможете собрать множество интересных самоделок?
И именно об этом и будет наш рассказ...
Суть явления
Явление полного внутреннего отражения заключается в том, что световой луч может отразиться обратно от границы разделения сред, если при этом соблюдаются два условия (на самом деле — три, но об этом будет ещё ниже):
- свет должен падать из среды, где скорость его распространения меньше, что, в случае света, означает, что он падает из среды с большим коэффициентом преломления,
- при этом, во время движения в этой среде, он должен падать на границу раздела сред под углом, который превосходит некий критический угол,
- ещё один пункт, но об этом я скажу ниже (о нём никто в явном виде не говорит, его я вывел сам, в результате логических умозаключений).
Схематически это можно представить так (показано на примере границы воздух/вода, но это справедливо для многих материалов):
Тем не менее, что любопытно, даже в случае полного внутреннего отражения (самый правый случай, на картинке наверху), световая волна всё же проникает во вторую среду, но на очень малую величину, не превышающую длину волны, при этом она быстро затухает и переноса энергии не происходит.
Если мы обратимся к списку показателей преломления, то мы увидим, что воздух здесь принят за единицу, а другие газы несущественно отличаются от воздуха.
Все остальные вещества существенно превосходят воздух по коэффициенту преломления, составляющему приблизительно у них около 1,3 и более.
Таким образом, если подытожить, то получается, что в грубом приближении разница между коэффициентами преломления должна составлять как минимум 0,3* (больше — лучше, иначе вместо полного внутреннего отражения будет наблюдаться всё большее проникновение света во вторую среду, насколько я это понимаю), чтобы соблюсти первое условие осуществления полного внутреннего отражения.
И тут, наверное, самое время сказать о третьем условии, которое я упомянул выше, хотя, скорее, его следует рассматривать как частный случай первых двух. И на мой взгляд, оно должно звучать приблизительно так:
если между двумя средами, со значительной разницей в коэффициентах преломления (примерно более 0,3)*, будет находиться ещё какая-либо третья или n-среда, чей коэффициент преломления близок к среде с большим коэффициентом преломления, и они расположены без какого-либо промежутка друг с другом, то свет будет распространяться сквозь обе эти среды, до того, как отразится от границы сред со значительной разницей в коэффициентах преломления.
*этот момент ещё требует уточнения, так как, например, в оптоволоконных кабелях, о которых пойдёт речь дальше, разница в коэффициентах преломления сердцевины и оболочки составляет 1,474 и 1,479 соответственно, но, тем не менее, несмотря на незначительную разницу, всё работает. Так что вопрос, какая разница в коэффициенте преломления является минимальной и достаточной — ещё открыт. Подозреваю, что это завязано также и на длину волны. Так что, если вы что-то сможете добавить по этому вопросу, то я буду рад!
Повторюсь, что в явном виде я этого нигде не видел, несмотря на то, что перелопатил достаточное количество литературы, чтобы найти подтверждение этого — в лаконичном и сжатом виде об этом случае нигде не пишут.
Тем не менее, что в этом утверждении хорошо, так это то, что оно не пытается «высосать факты из пальца», а всего лишь пытается описать уже существующие реальные факты из жизни — о них будет тоже ниже, так что наберитесь немного терпения ;-)
Практическое применение явления
▍ Оптическое волокно
Описываемое явление окружает нас практически повсеместно и одним из самых известных применений этого явления является передача информации по оптоволоконным кабелям.
Весьма подробно этот вопрос рассмотрен вот здесь, поэтому скажу только в двух словах, что специальный кабель из светопроводящего волокна высокой однородности, покрытый защитной оболочкой, позволяет передавать информацию с помощью лазерного луча, который, грубо говоря, светит в торец такого кабеля.
При этом, несмотря на то, что принято считать, что лазерный источник света испускает фотоны, грубо говоря, одной длины волны, согласованные и летящие параллельно (другими словами, подразумевается монохроматичность, когерентность и коллимированность лазерного источника света), у лазерного пучка всё равно наблюдается расходимость, обусловленная применением фокусирующий оптической системы (как минимум). Что позволяет добиться входа лазерного луча в торец оптического волокна таким образом, чтобы обеспечить необходимый угол падения больше критического (чтобы лазер во время движения внутри волокна многократно отражался от стенок этого волокна).
Кроме того, чтобы соблюсти первое условие из рассмотренных выше, для осуществления полного внутреннего отражения оптическое волокно делают состоящим из сердцевины и оболочки, где сердцевина имеет больший показатель преломления, чем оболочка.
Такой способ является намного более эффективным для передачи информации с помощью света с минимальными потерями, так как любое применение обычных зеркал приводило бы к очень большим быстрым потерям.
▍ Мониторы и не только
Что если я скажу вам, что рассмотренный эффект широко применяется также и как минимум в мониторах. В частности наверняка и в том, на который вы смотрите прямо сейчас!
Выше мы уже говорили о том, что свет может распространяться внутри прозрачной среды, при этом, в частном случае, в качестве этой среды могут выступать световодные волокна, но абсолютно не обязательно это ограничено только ими. В качестве таких проводников света могут выступать также и, например, плоские пластины, что широко используется в мониторах и других средствах отображения информации, где такая пластина выступает в качестве источника света. Да-да, именно так.
Реализовано это следующим образом: пластина из стекла или оргстекла (или даже из полимерной плёнки!) располагается за жидкокристаллической матрицей, и как минимум один из торцов этой пластины гладко отполирован до прозрачности.
Либо могут быть применены другие способы достижения прозрачности торца, например, торец может быть залит прозрачным компаундом. При этом любые шероховатости поверхности, образующие матовость, исчезают, и торец становится полностью прозрачным для прохождения света.
Прямо в этот торец светит источник света, в качестве которого могут выступать газоразрядные лампы с холодным катодом (раньше) или светодиоды (сейчас).
Толщина источника света подбирается таким образом, чтобы он был равен или был несколько меньше по толщине, чем стекло.
Для чего это нужно: чтобы не терялся свет, и максимальное его количество могло быть направлено в торец.
В более сложном случае пластина может быть выполнена несколько расширяющейся в части, обращённой в сторону источника света, чтобы захватить его максимум.
Именно этот сложный случай и показан на картинке ниже:
Мне же лично приходилось сталкиваться с первым вариантом, где источник света по толщине равен толщине стекла, — именно это я обнаружил, когда разбирал старый 19" монитор, чтобы сделать из него видеопроектор.
Вкратце, устройство такого проектора показано на рисунке ниже (раз уж упомянул, думаю, будет интересно):
Сразу сделаю оговорку: размер проекции такого проектора напрямую зависит от яркости лампы и качества отражателя. Тем не менее, знаю людей, кто такого плана собрал коммерческий проектор, для проецирования рекламы на стену заброшенного цеха завода, который был виден из города. Проектор вышел бандура ещё та: примерно 0,5х0,5х2 метра. Но — оно работает и это главное...;-) Ещё один момент: лампа ДНАТ — не панацея, так как весьма вытянутая, поэтому надо стремиться к максимально точечным источникам света. На тот момент самодельщиками были уже найдены хорошие решения, но я до них не добрался и остался на ДНАТ. На дворе шёл 2008 год и все технические подробности я уже не помню, но могу найти, если кому интересно.
Если мы снова обратимся к картинке устройства подсветки монитора выше, то мы обнаружим, что прямо поверх стекла на схеме расположен некий рассеиватель.
И вот тут как раз нам нужно будет вспомнить то третье условие, для достижения полного внутреннего отражения, которое я назвал выше. А именно: если мы будем просто светить источником света в торец стекла, то свет, войдя в торец, многократно отражаясь от верхней и нижней поверхности стекла, пройдёт через всю толщу стекла и выйдет из оставшихся торцов практически без потерь, так как в качестве одной среды выступает стекло, а в качестве другой — окружающий воздух.
Но всё кардинально изменится, если мы на это стекло наклеим обычную матовую полупрозрачную плёнку: свет войдёт в торец стекла, и попытается распространяться по нему, отражаясь от верхней и нижней грани. Где во втором случае у него это получится, а в первом — только с большими потерями, так как «чтобы добраться» до воздуха, свету сначала придётся пройти сквозь плёнку, частично рассеяться, и войти обратно, ослабленным.
То есть, всего лишь используя плёнку, мы искусственно вызвали возникновение потерь при прохождении света через волновод, в качестве которого выступает стекло, которые в этом случае являются положительным явлением.
Как можно видеть на картинке выше, в целом, система подсветки выглядит несколько сложнее, и используются ещё призмы и дополнительный рассеиватель — всё для целей улучшения однородности свечения.
Другими словами, простое наклеивание плёнки вызовет свечение всей поверхности пластины.
Но тут есть один нюанс, о котором также явно не говорят: света у нас ограниченное количество.
Если вся поверхность пластины будет вызывать массированные потери — то свет к концу пластины дойдёт ослабленным.
Другими словами, будет наблюдаться явный градиент яркости, где самая яркая часть градиента будет расположена наиболее близко к источнику света, а по мере удаления от него, яркость свечения матовой поверхности будет спадать.
С этим борются, устанавливая источники света с разных сторон пластины, а их мощность подбирая таким образом, чтобы для данного размера пластины, яркая зона доходила практически без наблюдаемого градиента, как минимум до центра пластины.
Изучая этот вопрос, я наткнулся на любопытный способ решения этой проблемы с градиентом: просто-напросто надо экономить свет :-)
Лучшая музыка — это тишина, лучший свет — это темнота ©
Что под этим подразумевается: своеобразный компромисс между яркостью и равномерностью — для этого матовой делают не всю поверхность, а наносят на поверхность небольшие матовые точки, которые и ярко сияют, излучая свет (такая имитация светодиодов, распределённых по поверхности как бы).
А так как их размер относительно небольшой, то свет, подаваемый с торца такой панели, может дойти до самых дальних от источника света точек, сохраняя достаточную яркость:
Как можно видеть на картинке выше, такая панель с точками там названа как LGP — Light Guide Panel, а линейка светодиодов с торца, как LED Strip. Кроме того, сверху стоит ещё дополнительный матовый полупрозрачный рассеиватель (для большей равномерности свечения) — Diffusion Plate. Тем не менее, на картинке видно, что они тут подстраховались и расположили светодиодные линейки со всех сторон (видимо, для гарантированного результата).
Таким образом, получается, что мы экономим свет, равномерно распределяя его яркость по всей поверхности, и кроме того, получаем дополнительный бонус: множество источников света (т. е. точек) дают мягкий, ровный свет без теней (фотографы и 3D-дизайнеры в курсе).
К слову говоря, в английской терминологии (если кто-то будет подробнее гуглить этот вопрос), такая боковая подсветка называется Edge-Lit, и кроме того, существует ещё и прямая подсветка, когда массив светодиодов в шахматном порядке расположен за ЖК матрицей, — такой вариант называется Direct-Lit.
А вот этот вариант с боковой подсветкой, но со светящимися точками, можно, наверное, условно назвать, как некий гибридный, между первыми двумя.
Посмотрев видео ниже, примерно можно понять, какой размер имеет каждая точка у такой панели:
А как же наносится такие точки? Насколько удалось выяснить, на такие большие панели уже не клеят плёнку, а вместо этого:
- Гравируют матовые точки с использованием CO2 лазера:
- Наносят с помощью шелкографии (продавливания полупрозрачную белую краску на поверхность стекла сквозь трафарет);
- Фрезеруют на поверхности с помощью ЧПУ станка/иным способом, например, с помощью нагретой проволоки.
Хотя, если так сильно хочется, можно наклеить и плёнку, не возбраняется (в сети полным-полно таких самоделок).
Кстати говоря, существует ещё более простой способ, для желающих «заставить светиться стекло» — насверлить в нём дырок дрелью (не насквозь, а как углубления) или сделать поверхность матовой, с помощью натирания шкуркой с абразивной пастой и водой.
А пока можно посмотреть, насколько ярко сияет такая панель, несмотря на то что здесь она сделана по первой технологии, то есть с помощью матовой полупрозрачной поверхности спереди. И кроме того, насколько я понимаю, ещё и сзади расположена также полностью белая непрозрачная поверхность, отражающая свет вперёд — см. с 0:23):
Завершая эту часть, можно сказать, что подобная схема подсветки со светопроводящей панелью, или другими словами, LGP, используется также и в смартфонах, планшетах:
Практическое применение
После того как мы это всё узнали, как вы уже могли догадаться, этот эффект может быть очень широко применён в самых различных самодельных устройствах.
Одно из таких вы видели выше — обычная светящаяся панель, которую, благодаря своей простоте, может собрать практически любой.
Использовать такую панель можно, например, для подсветки картины, которая будет в самом прямом смысле слова «светиться изнутри»:
Кстати говоря, видел любопытное применение таких панелей, когда на глухие стены здания повесили оконные рамы, а в стёкла вставили вот такие панели, с наклеенными на переднюю часть мирными сельским пейзажами в солнечный день.
Смотрится весьма умиротворяюще — как будто ты смотришь на вечно солнечный пейзаж за окном, в любой, даже ненастный день…
Ещё одно применение: несколько таких панелей в хаотичном порядке, специально разного размера, клеятся прямо на потолок квартиры, а их передняя часть заклеивается распечатанной в типографии плёнкой-самоклейкой, на которую нанесено фотореалистичное изображение облаков на фоне голубого неба, в солнечный день.
Таким образом, у вас появляется в квартире своеобразный «торшер», который даёт мягкое фоновое освещение, а вы как будто смотрите сквозь потолок на облака… Малая толщина (10-15 мм) и малый вес таких панелей вполне позволяют это осуществить.
Что-то вроде этого, только с облаками (хотя и так неплохо):
Ещё один любопытный вариант, — можно просто подсветить стеклянную полку с торца, и тогда она останется также практически прозрачной, а её торцы начнут ярко сиять. Довольно стильно (да и в темноте может быть удобно):
А можно развернуться ещё больше: подсветить свой компьютерный стол по торцу, а также некоторые элементы интерьера:
Также, с использованием этого эффекта можно сделать очень стильные «цифровые» часы: берётся стопка пластин из оргстекла, и на каждом из них гравируется (не обязательно лазером, как можно видеть в видео ниже, даже просто нацарапав чем-то острым) отдельная цифра.
Теперь, если подсвечивать эти стёкла с нижнего торца по очереди, то можно добиться эффекта, как будто цифры меняются:
Проект, показанный в видео выше, построен на основе RGB 8х8 светодиодной матрицы, со встроенным микроконтроллером esp32 — ESP32 S3 Matrix.
Весьма удобно программировать — нужно только подключить матрицу к компьютеру (никаких breadboard-ов с кучей проводов от контроллера — к матрице; всё компактно и технично):
А пластиковые прозрачные прямоугольники из оргстекла он взял вот здесь.
К слову, некоторое время назад, в сети распространилась новая версия известных часов на радиолампах:
Только в отличие от видео выше, она светодиодная и построена на приблизительно аналогичных модулях светодиодов, как в случае с esp32 (что не мешает собрать такие самостоятельно, уже на esp32):
Кстати сказать, если будете строить на описанной выше матрице ESP32 S3 — разные блоки можно согласовать друг с другом, чтобы они работали синхронно, по I2C — он там есть, как показывает pinout (можно и по беспроводному интерфейсу, но я бы по старинке лучше, по проводам):
Пример того, как это сделать, я описал вот тут.
В первом видео про часы, мельком был упомянут этот подход, что подобного типа индикаторы, с подсветкой гравированных пластин из оргстекла существовали ещё в семидесятые годы, выпущенные компанией KGM.
В видео ниже вы можете посмотреть разборку таких индикаторов, где использованы пластины из оргстекла, а весь блок подсветки расположен задней части и представлен обычными лампочками.
Всё новое — хорошо забытое старое:
Или, всё то же самое, только с подсветкой просто с торца плоской пластины:
Причём, этот принцип хорошо работает, даже если его попробовать повторить, «криво-косо и на коленке»:
Наверное, на этом можно было бы и завершить? Но нет, в последнее время появились новые любопытные сферы применения этого эффекта.
Например, некоторое время назад, весь али завалило молодёжными имитаторами очков, со встроенной подсветкой в дужках (что-то в районе 600 руб. с доставкой).
Эдакий «киберпанк, который мы заслужили»:
А если эти очки дополнить ещё и кепкой со светящимся козырьком — то можно стать «самым стильным челом в этой галактике»:
Кепка работает на том же принципе, — подсветка расположена в основании козырька.
Для каких-нибудь тематических вечеринок, весьма очень даже…
Сразу появилась мысль, что если эту кепку надеть козырьком назад, встроить туда esp32 c3 supermini — то можно из этой штуки сделать стоп-сигнал, во время поездок на велосипеде.
А управлять ей с небольшого пульта, укреплённого на руле, на базе той же самой esp32 c3 supermini, а обе esp32 связать друг с другом по Bluetooth BLE каналу, взяв для этого код, например, вот отсюда.
Причём, хе-хе, никто не мешает отдавать эти сигналы, будучи даже пешеходом. (хотя, это уже маразм). С другой стороны, видя, что творится в метро, в час пик — я бы добавил туда ещё поворотники и подушку безопасности :-)))
Кстати, идею с очками вы можете даже проапгрейдить — продаётся прозрачная очки-маска на всё лицо:
А так как вы уже умеете, после прочтения, управлять потерями света в волноводе (достаточно его даже просто зацарапать) — можно даже ручной гравировкой острым предметом нанести некий узор/символы и т. д. на эту маску и подсветить её — футуристичный элемент для косплея готов!
Можно даже пойти ещё дальше: напечатать элементы костюма косплея из прозрачного пластика SBS Glass на 3D принтере и так же подсветить их. Применений масса…
Итак, завершая этот рассказ, можно сказать, что сферы применения рассмотренного эффекта не ограничиваются только теми, которые рассмотрены в статье, уверен, что у вас после прочтения появится масса новых идей, как это можно применить, которые, если вы поделитесь ими, было бы интересно почитать!
© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
