Experimenty s infračerveným zářením

Experimenty s infračerveným zářením Dokumentace přípravy, technického zajištění, scénáře, fyzikálního pozadí a fotodokumentace vystoupení vzniklého v rámci projektu Science Academy na téma infračerveného záření. Seznam experimentů 1. Kamera mobilního telefonu 2. IR kamera 3. IR jako tepelné záření 4. Světelné zdroje 5. Odrazivost IR 6. Průchod IR 7. Ochranné prvky bankovek Dokumentace experimentů Kompletní soupis experimentálního vybavení 2x prodlužovací kabel, celkem 4x 230V projektor, plátno, zdrojový kabel, 2x stativ

IR kamera, zdroj 12V, vis-filtr fotoaparát s funkcí night-shot, IR web kamera redukce BNC-Cinch, kabel cinch-cinch lampa, IR žárovka dálkové ovládání křemíková deska ocelový drát, vařič, zapalovač, lžička svíčka, led baterka box se světelnými zdroji, zdrojový kabel, stínítka černé bavlněné triko, černobílá a barevná fotografie roztok modré skalice, coca-cola sluneční brýle, IR brýle neprůhledná folie bankovky CZK, USD Celkové zapojení a sestavení před vystoupením Projektor a plátno umístíme na dobře viditelné místo. Připojíme IR kameru do digitálního vstupu (konektor cicnch/rca). Kameru připojíme k elektrické síti, doporučujeme použít zvláštní prodlužovací kabel kamera je pak mobilnější. Kamerou budeme snímat vybavení na stole, performery a také publikum. Kamera má pouze manuální ostření. Dále zapojíme lampu s IR žárovkou tak, abychom s ní mohli nasvěcovat vše, co budeme chtít snímat. K elektrické síti připojíme box se světelnými zdroji. Ostatní vybavení už pouze uspořádáme na stole.

Provedení jednotlivých experimentů Kamera mobilního telefonu Publikum se dívá svými mobilními telefony na dálkové ovládání, kterým na ně svítíme. Větší část z nich uvidí dálkové ovládání na obrazovce telefonu svítit, ačkoliv očima nic takového nevidí. Některé mobilní telefony ovšem ovládání také svítit neuvidí, záleží na tom, jak dobře je před fotoaparátem odfiltrováno infračervené záření. Fotoaparát v mobilu je schopný snímat IR záření. Obr. 1: IR led a VIS led IR kamera Lépe uvidíme IR záření kamerou, která je na to přímo stavěná. IR kamera vidí viditelné světlo i IR. Nejprve ukážeme její obraz v celém spektru. Obraz bude vždy černobílý. Snímáme svítící IR žárovku. Pro oči svítí velmi slabě, v obrazu kamery je její světlo naopak silné. Žárovku zastíníme křemíkovou deskou. Ukážeme publiku, že deska je pro oči neprůhledná. IR žárovka v obrazu kamery stále jasně svítí. Nyní na kameru nasadíme vis-filtr, abychom odstínili viditelné světlo a měli tak už pouze obraz z IR.

Obr. 2: Žárovka za křemíkovou deskouobr. 3: Žárovka za křemíkovou deskou (vis) (ir) IR jako tepelné záření Kamera vidí IR záření. To vydávají například horké předměty. Nad vařičem zahřejeme lžičku (v menší verzi zahřejeme zapalovačem kousek ocelového drátu) a podíváme se na ni kamerou. Lžička jasně září. Světelné zdroje Používané světelné zdroje emitují světlo různým způsobem. Různě také vydávají IR záření. V boxu se zdroji je žárovka, úsporná zářivka a led podobné barvy. Zdroje rozsvítíme tak, aby je publikum nevidělo nabíhat. Poté necháme publikum hádat, který zdroj je který. Dále rozsvítíme led baterku a zapálíme svíčku. Ačkoliv očima vnímáme led jako jasnější, v kameře vidíme pouze tu část led, která je osvětlena svíčkou, můžeme dokonce použít vlastní dlaň jako odrazivou plochu.

Obr. 4: Různé světelné zdroje (vis) Obr. 5: Různé světelné zdroje (ir) Obr. 6: Svíčka a LED (vis) Obr. 7: Svíčka a LED (ir)

Odrazivost IR Kamera vidí černobílý obraz podle toho, jak moc odráží daný povrch IR. Nemá to žádnou souvislost s tím, jaké barvy vidíme očima. Kamerou zabereme publikum. Mnohé z černých látek se budou jevit bílé. Dále zčernají oční duhovky, černé zůstávají vlasy Asiatů, kožené výrobky a některé bavlněné látky. Dále ukážeme dvě fotografie starou černobílou a moderní barevnou. Zatímco černobílá fotografie je na kameře vidět, barevná fotografie zmizí. Obr. 8: Černá trička (vis) Obr. 9: Černá trička (ir) Obr. 10: Černá trička (vis) Obr. 11: Černá trička (ir)

Průchod IR Podobné efekty jakou u odrazivosti můžeme pozorovat i u průchodu záření. Například u dvou roztoků modré skalice a coca coly vidíme, že modrá skalice je průsvitná, zatímco cola se jeví neprůhlednou. V obrazu kamery se situace obrátí. Obdobný efekt můžeme pozorovat s párem brýlí sluneční brýle zprůhlední, zatímco IR brýle zčernají. Zde je třeba nasvítit obličej snímané osoby IR žárovkou. Nakonec ukážeme závěs z reklamní folie, který v IR zcela zprůhlední. Obr. 12: Kapaliny (vis) Obr. 13: Kapaliny (ir) Obr. 14: Brýle (vis) Obr. 15: Brýle (ir)

Obr. 16: Reklamní folie (vis) Obr. 17: Reklamní folie (ir) Ochranné prvky bankovek IR obor má své využití jako ochranný prvek bankovek. V IR na českých bankovkách mizí části obrazu, u dolarů vypadávají pruhy tisku. Tento způsob ochrany bankovek ČNB veřejně neuvádí. Obr. 18: Bankovky CZK (ir) Obr. 19: Bankovky USD (ir)

Didaktika experimentů Co je to IR Infračervené záření je elektromagnetické záření blízké viditelnému světlu s vlnovou délkou vetší než viditelné světlo. Fotony IR mají velké vlnové délky, malé frekvence a malé energie. Zdrojem IR jsou například horká tělesa, IR LED nebo IR laser. Horká tělesa vyzařují hodně IR, nicméně těleso nemusí být horké, aby bylo schopné vyzařovat IR. Jak ho snímáme Snímací křemíkový čip digitálního fotoaparátu pohlcuje (a tedy snímá) i blízké infračervené záření. Běžný digitální fotoaparát je tak schopen vidět i část IR. Tento jev je však nežádoucí, proto jej výrobci omezují vkládáním IR filtru, který odřízne blízké IR a nechá projít viditelné světlo. Různé digitální fotoaparáty, kamery a mobilní telefony tak vidí IR různě dobře. Pro potřeby vystoupení používáme průmyslovou kamery, která IR nefiltruje vůbec. Před kameru vkládáme filtr, který odstraňuje naopak viditelné světlo, abychom viděli obraz pouze v IR. Kamera nemá jak obrazu přisoudit barvy - nemají žádný smysl - proto je její obraz černobílý. Zároveň má kamera pouze manuální ostření. Proč jsou černé věci bílé V obrazu kamery často věci mění barvu. U barevných látek to není patrné, nebot máme dojem, že jde pouze o černobílý obraz. Výrazný efekt nastává u bílých a černých látek. Ty mohou změnit barvu na zcela opačnou. Nelze říci nic o kvalitě nebo původu materiálu, lze pouze usoudit, jak dobře odráží IR. Obraz, který vidíme na odfiltrované kameře nemá nic společného s tím, jakou barvu vidíme očima. Konkrétní černé tričko vidíme černé, protože pohlcuje viditelné světlo. Kamera ho vidí bílé, protože odráží IR. Je to

podobná situace, jako u červeného trička, které odráží červené světlo a pohlcuje všechny ostatní barvy. Pro zjednodušení můžeme blízké IR chápat jako další barvu. Proč neprůhledné zprůhlední Jde o podobný problém jako u předchozí otázky. Propustnost pro viditelné světlo nesouvisí s propustností IR. U kamery fotoaparátu jsme měli filtr, který propouštěl viditelné světlo - byl pro něj průhledný, ale nepropouštěl IR - byl by v něm neprůhledný. U průmyslové kamery jsme naopak použili filtr, který propouštěl IR a byl neprůhledný pro viditelné světlo. Stejná situace nastává u používaných brýlí - IR brýle jsou vyrobené z filtrů, které bychom použili ve fotoaparátu. Reklamní folie je pak opakem takového filtru. Je tak dokonce i navržená, aby reklamní potisk nezabraňoval průchodu tepla. Průhlednost roztoků je daná jejich složením. V roztoku modré skalice jsou atomy mědi, které mají volné elektrony, které mohou dobře pohlcovat IR. V coca cole takové atomy nejsou, proto skrz ni IR snadno prochází. Kdy IR pomáhá a kdy škodí Ze světelnými zdroji se nabízí téma účinnosti a ekologie. Žárovka je proti ostatním zdrojům málo (světelně) účinná, protože vyzařuje hodně IR. Ostatní vybrané zdroje produkují světlo jiným způsobem, proto v IR vyzařují méně. Nabízí se otázka, nakolik je to jejich výhodou a které zdroje jsou bližší přirozenému osvětlení.

Scénář Osnova vystoupení 1. Kamera mobilního telefonu 2. IR kamera 3. IR jako tepelné záření 4. Světelné zdroje 5. Odrazivost IR 6. Průchod IR 7. Ochranné prvky bankovek Průvodní slovo Tento text není doslovným scénářem. Má sloužit pouze jako návod pro možné provedení představení. Doporučujeme se jej volně držet a používat vlastní slova a výrazové prostředky. Úvod Chtěli bychom vám ukázat pár pokusů s infračerveným zářením. Co znamená infračervené? Infračervené světlo je světlo červenější než červené. Je to tak červené světlo že už ho naše oči nevidí. Kamera mobilního telefonu Hned první pokus budete dělat vy. Vezměte si prosím svoje mobilní telefony a podívejte se na mě pomocí fotoaparátu vašeho mobilu. Můžete si mě i vyfotit, jestli chcete.

V ruce držím dálkové ovládání, kterým se vás ted snažím vypnout. Když se na mě podíváte, nevypadá to, že by tento ovladač něco dělat. Když se na něj ale podíváte přes mobil, možná někteří uvidíte, že na vás to ovládání svítí. Na někoho svítí fialově, na někoho namodrale a na někoho nesvítí vůbec. Vidíte ho někdo svítit? Zdá se, že váš mobil vidí něco, co oči nevidí. A přesně to se taky děje. Fotoaparát v mobilu vidí to světlo, které pohlcuje jeho křemíkový snímací čip. A byla by to až moc velká náhoda, kdyby tento čip viděl přesně stejně jako lidské oči. A taky že tak nevidí. Vidí ještě kousek blízkého infračerveného záření - vidí za hranice lidského zraku. Je to dobře nebo špatně? Chceme si uchovat vzpomínku na pohled, který se možná nebude opakovat. Proto chceme mít obrázek takový, jaký viděli naše oči. Takže to, že náš fotoaparát vidí ještě něco navíc se nám moc nehodí. Navíc jakou by tomu měl přiřadit barvu? Proto se výrobci snaží toto blízké IR odstranit. Dělá se to tak, že se před čip dá malé pro oči čiré sklíčko, které nechá projít všechno to, co vidí lidské oči a pohltí blízké IR. U některých mobilů se to moc nepovedlo - filtr není dokonalý. Těmi jste viděli mé ovládání svítit. Některé mobily jsou naopak odfiltrované velmi dobře a těmi jste neviděli nic zajímavého. Alespoň vás může hřát pocit, že máte dobrý fot ák. IR kamera Digitální fotoaparát tedy umí vidět IR. Stačilo by ten filtr, který tam dal výrobce vypreparovat, a měli bychom IR kameru. Pro nás bylo ale mnohem snazší sehnat kameru, do které výrobce žádný takový filtr nedal. K čemu by taková kamera byla dobrá? Tak především k tomu, aby mohla natáčet i po tmě - tedy ve tmě pro lidské oči. A to také tato kamera umí. Tato kamera vidí to co lidské oči a ještě velkou číst blízkého IR. Její obraz je samozřejmě černobílý - nemáme-li stejný barevný rozsah jako oko, nemá smysl barvy vůbec používat. A její obraz je také neostrý a moc se ani zaostřit nedá. To je také způsobené velkým rozsahem, ve kterém snímá.

Pojd me se tedy na něco podívat. Na stole jsem rozsvítil lampičku s nápadně velkou žárovkou. Je to žárovka, která svítí jen málo svítí ve viditelné oblasti. Když se na ni podívám kamerou, celá se rozzáří, protože svítí hlavně v IR. Navíc tu mám takovouto lesklou destičku. Je z křemíku a když se na ni podíváte, uvidíte, že je zcela neprůhledná. Když s ní zakryji mou lampičku, neuvidíte nic. Ale pro kameru je tato destička průhledná jako sklo. IR totiž propouští velmi dobře. Křemíková deska tedy odstranila viditelné světlo a nechala projít jen část IR. Kdybych takovou desku dal před moji kameru, mohl bych se dívat na svět v IR. Ale protože se mi tu desku nechce u kamery celou dobu držet, mám tu nachystaný takový malý filtr, který akorát pasuje na objektiv kamery. Když ho na kameru nasadím, všimněte si, že obraz ani moc neztmavne a nevypadá to, že by se nějak dramaticky změnil. Přesto se ted díváme na svět infračervenýma očima. IR jako tepelné záření Ted by se nám ještě hodil nějaký dobrý zdroj IR. Hodně IR vydávají například horká tělesa. Zkusme tedy něco zahřát. Chvíli budu zahřívat tuto lžičku. Nebudu to přehánět, držím ji přeci jen rukou. A i když vidíme stále stejnou lžičku, její horké dno na kameře velmi jasně svítí. Lžička je tedy tak horká, že vydává velké množství IR a mohla by naší kameře sloužit jako osvětlení. Světelné zdroje Když víme, co může vydávat IR, mám pro vás nachystanou malou hádanku. Mám tu krabici a v ní tři světelné zdroje. Od vás chci slyšet, který je který. Dám vám i možnosti, aby to nebylo tak těžké. Může tam být: svíčka, žárovka, ledka, úsporka a nebo roj světlušek. Tak ta, která svítí nejjasněji bude nejspíš žárovka. Když už ji známe, můžu ji zhasnout. Ta, která svítí jasněji ted je spíš úsporka nebo ledka? Je to právě úsporka. Uvnitř hoří výboj a nejen

trubice, ale celé zařízení se také rychle zahřívají. Ledka svítí jen tam kde má, a i když bude svítí sama, na kameře ji skoro neuvidíme. Ten kontrast je dobře vidět, když dáme vedle sebe svíčku a ledkovou baterku. Ačkoliv vás ledková baterka skoro oslňuje, kamera vidí jen tu její část, která je ozářena IR zářením ze zapálené svíčky. Odrazivost IR Napadá mě, že bychom se naší kamerou mohli podívat i na vás. Máme tu někoho v černém oblečení? Vypadá to, že to není úplně černé oblečení. Ale kamera neukazuje negativ, třeba vlasy zůstávají tmavé. Jak je to možné. Jak to, že některé černé oblečení zbělá a jiné zůstane černé? Kdy vlastně kamera vidí bílou látku? Když ta látka dobře odráží infračervené záření. A kdy vidí černou látku? Když látka pohlcuje infračervené záření. Souvisí to nějak s barvou oblečení, kterou vidíme? Vůbec. Tak jako modré tričko odráží modrou barvu a pohlcuje všechny ostatní, toto černé tričko pohlcuje všechny viditelné barvy ale odráží infračervenou - je tedy infrabílé, ale toto tričko pohlcuje všechny viditelné barvy a navíc i infračervenou a je tedy infračerné. Dále tu mám tyto dvě fotografie. Jedna je hodně stará a černobílá, druhá je moderní a barevná. Asi nepoznáte nikoho z těch lidí co na nich jsou. Když fotografie zaberu kamerou, ta černobílá se nezmění, ale barevná fotografie celá zmizí. Znamená to, že by ta černobílá byla lepší nebo natištěná kvalitnějším inkoustem? Znamená to pouze to, že inkoust na černobílé fotografii pohlcuje i infračervené záření, to je vše. Je to dobře nebo špatně? Je to jedno. My se na fotografii díváme očima a ty IR nevidí, takže to, jestli fotografie odráží nebo pohlcuje IR nijak nepoznáme. Pokud bychom ale chystali výstavu fotografií pro hady, kteří vnímají i IR, pak bychom si museli dát pozor, protože hadi by z takových fotografií žádnou radost neměli. Průchod IR Nejen odrazem je živ člověk. Světlo může látkou i procházet. Nachystal jsem si dva roztoky. V jedné lahvi je roztok nebezpečné odporné chemikálie a v

druhé je modrá skalice. Modrá skalice se zdá být průsvitnou, zatímco coca cola je černá. Kamera to ale vidí obráceně. Schválně jsem na cole nechal etiketu, aby bylo vidět, která lahev je která. Vidíme, že skalice pohlcuje IR, zatímco coca cola ho propouští, ale proč? Modrá skalice je síran měd natý. Obsahuje tedy atomy mědi, to je kov a tak má volné elektrony. Ty umí velmi dobře pohlcovat IR. Naproti tomu coca cola je roztok cukru, cukru, cukru, kyseliny fosforečné, cukru a karamelu. Žádné kovy, žádné volné elektrony. Nic co by dobře pohlcovalo IR. Podobně se chová tento pár brýlí. Sluneční brýle jsou sice tmavé, ale pro kameru zprůhlední. Naopak tento starý cvikr na kameře zčerná. Aby také ne, když má sklíčka udělaná z IR filtrů. S průchodem IR záření souvisí ještě jeden vedlejší efekt, který způsobil, že se velmi špatně shánějí kamery s nočním viděním. Kdysi se běžně vyráběly digitální fotoaparáty a kamery, které uměly mechanicky odsunout ten filtr, který měl odříznout IR, takže uměly natáčet i v noci. Na tom by nebylo nic špatného. Bohužel, jak jsme si ukázaly, není problém najít látku, která je pro oči neprůhledná, ale pro takovou noční kameru je zcela průhledná. A bohužel to byla látka, ze které se vyráběly opalovací plavky. Tedy plavky, které dobře propouští blízké UV a jako vedlejší efekt také blízké IR. A netrvalo dlouho a různé pochybné existence si daly dvě a dvě dohromady. A jak to dopadlo? Běžné kamery s nočním viděním už se nevyrábí. Ale až se budete převlékat v kabince za podobným závěsem, pro jistotu si zkontrolujte, jestli vás nesnímá podobná průmyslová kamera. Ochranné prvky bankovek A tím se dostáváme k problematice bezpečnosti. Ty efekty, které jsme vám tu ukazovali mají totiž ještě jednu pozoruhodnou aplikaci, o které se moc neví. Každý asi ví, že bankovky jsou chráněné pomocí UV. Občas, když použijete pětitisícovou bankovku, uvidíte, jak ji pokladní vloží pod UV lampu a kontroluje jestli není falešná a rozsvítí se na ní to, co má. Už málo se ale ví, že naše bankovky jsou chráněné i v IR oboru. Část tisku je provedena tak, aby při pohledu zmizela. A je zde patrná genderová nevyváženost.

Zatímco mužským postavám na bankovkách zmizí okolí a jejich tvář tak vynikne, ženským postavám naopak zmizí obličej, jako by se jich chtěla státní tiskárna cenin zbavit. Zajímavé je, že o tomto způsobu ochrany se veřejně česká národní banka nezmiňuje. Proč také usnadňovat padělatelům práci. Podobnou ochranu mají i nejsnáze padělatelné bankovky - americké dolary. Na těch s vyšší hodnotou mizí různě umístěné pruhy. To navíc usnadňuje strojové rozeznávání bankovek. Tím se s vámi loučíme, a až vám příště infračervené záření přepne televizní program, můžete mu v duchu poděkovat.