Experimenty s infračerveným zářením

Dokumentace projektu CZ.1.07/2.3.00/45.0040 Science Academy - kritický zpusob ˚ myšlení a praktické aplikace pˇrírodovˇedných a technických poznatku˚ v reálném životˇe

Experimenty s infraˇcerveným záˇrením

Dokumentace pˇrípravy, technického zajištˇení, scénáˇre, fyzikálního pozadí a fotodokumentace vystoupení vzniklého v rámci projektu Science Academy na téma infraˇcerveného záˇrení.

Seznam experimentu ˚ 1. Kamera mobilního telefonu 2. IR kamera 3. IR jako tepelné záˇrení 4. Svˇetelné zdroje 5. Odrazivost IR 6. Pruchod ˚ IR 7. Ochranné prvky bankovek

Dokumentace experimentu ˚ 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 • kˇremíková deska • ocelový drát, vaˇriˇc, zapalovaˇc, lžiˇcka • svíˇcka, led baterka • box se svˇetelnými zdroji, zdrojový kabel, stínítka • cˇ erné bavlnˇené triko, cˇ ernobílá a barevná fotografie • roztok modré skalice, coca-cola • sluneˇcní brýle, IR brýle • nepruhledná ˚ folie • bankovky – CZK, USD

Celkové zapojení a sestavení pˇred vystoupením Projektor a plátno umístíme na dobˇre viditelné místo. Pˇripojíme IR kameru do digitálního vstupu (konektor cicnch/rca). Kameru pˇripojíme k elektrické síti, doporuˇcujeme použít zvláštní prodlužovací kabel – kamera je pak mobilnˇejší. Kamerou budeme snímat vybavení na stole, performery a také publikum. Kamera má pouze manuální ostˇrení. Dále zapojíme lampu s IR žárovkou tak, abychom s ní mohli nasvˇecovat vše, co budeme chtít snímat. K elektrické síti pˇripojíme box se svˇetelnými zdroji. Ostatní vybavení už pouze uspoˇrádáme na stole.


Provedení jednotlivých experimentu ˚ Kamera mobilního telefonu Publikum se dívá svými mobilními telefony na dálkové ovládání, kterým na nˇe svítíme. Vˇetší cˇ ást z nich uvidí dálkové ovládání na obrazovce telefonu svítit, aˇckoliv oˇcima nic takového nevidí. Nˇekteré mobilní telefony ovšem ovládání také svítit neuvidí, záleží na tom, jak dobˇre je pˇred fotoaparátem odfiltrováno infraˇcervené záˇrení. Fotoaparát v mobilu je schopný snímat IR záˇrení.

Obr. 1: IR led a VIS led

IR kamera Lépe uvidíme IR záˇrení kamerou, která je na to pˇrímo stavˇená. IR kamera vidí viditelné svˇetlo i IR. Nejprve ukážeme její obraz v celém spektru. Obraz bude vždy cˇ ernobílý. Snímáme svítící IR žárovku. Pro oˇci svítí velmi slabˇe, v obrazu kamery je její svˇetlo naopak silné. Žárovku zastíníme kˇremíkovou deskou. Ukážeme publiku, že deska je pro oˇci nepruhledná. ˚ IR žárovka v obrazu kamery stále jasnˇe svítí. Nyní na kameru nasadíme vis-filtr, abychom odstínili viditelné svˇetlo a mˇeli tak už pouze obraz z IR.


Obr. 2: Žárovka za kˇremíkovou deskouObr. 3: Žárovka za kˇremíkovou deskou (vis) (ir) IR jako tepelné záˇrení Kamera vidí IR záˇrení. To vydávají napˇríklad horké pˇredmˇety. Nad vaˇriˇcem zahˇrejeme lžiˇcku (v menší verzi zahˇrejeme zapalovaˇcem kousek ocelového drátu) a podíváme se na ni kamerou. Lžiˇcka jasnˇe záˇrí.

ˇ Svetelné zdroje Používané svˇetelné zdroje emitují svˇetlo ruzným ˚ zpusobem. ˚ Ruznˇ ˚ e také vydávají IR záˇrení. V boxu se zdroji je žárovka, úsporná záˇrivka a led podobné barvy. Zdroje rozsvítíme tak, aby je publikum nevidˇelo nabíhat. Poté necháme publikum hádat, který zdroj je který. Dále rozsvítíme led baterku a zapálíme svíˇcku. Aˇckoliv oˇcima vnímáme led jako jasnˇejší, v kameˇre vidíme pouze tu cˇ ást led, která je osvˇetlena svíˇckou, mužeme ˚ dokonce použít vlastní dlanˇ jako odrazivou plochu.


Obr. 4: Ruzné ˚ svˇetelné zdroje (vis)

Obr. 5: Ruzné ˚ svˇetelné zdroje (ir)

Obr. 6: Svíˇcka a LED (vis)

Obr. 7: Svíˇcka a LED (ir)


Odrazivost IR Kamera vidí cˇ ernobílý obraz podle toho, jak moc odráží daný povrch IR. Nemá to žádnou souvislost s tím, jaké barvy vidíme oˇcima. Kamerou zabereme publikum. Mnohé z cˇ erných látek se budou jevit bílé. Dále zˇcernají oˇcní duhovky, cˇ erné zustávají ˚ vlasy Asiatu, ˚ kožené výrobky a nˇekteré bavlnˇené látky. Dále ukážeme dvˇe fotografie – starou cˇ ernobílou a moderní barevnou. Zatímco cˇ ernobílá fotografie je na kameˇre vidˇet, barevná fotografie zmizí.

ˇ Obr. 8: Cerná triˇcka (vis)

ˇ Obr. 9: Cerná triˇcka (ir)

ˇ Obr. 10: Cerná triˇcka (vis)

ˇ Obr. 11: Cerná triˇcka (ir)


Pruchod ˚ IR Podobné efekty jakou u odrazivosti mužeme ˚ pozorovat i u pruchodu ˚ záˇrení. Napˇríklad u dvou roztoku˚ – modré skalice a coca coly vidíme, že modrá skalice je prusvitná, ˚ zatímco cola se jeví nepruhlednou. ˚ V obrazu kamery se situace obrátí. Obdobný efekt mužeme ˚ pozorovat s párem brýlí – sluneˇcní brýle zpruhlední, ˚ zatímco IR brýle zˇcernají. Zde je tˇreba nasvítit obliˇcej snímané osoby IR žárovkou. Nakonec ukážeme závˇes z reklamní folie, který v IR zcela zpruhlední. ˚

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 cˇ eských bankovkách mizí cˇ ásti obrazu, u dolaru˚ vypadávají pruhy tisku. Tento zpusob ˚ ˇ ochrany bankovek CNB veˇrejnˇe neuvádí.

Obr. 18: Bankovky CZK (ir)

Obr. 19: Bankovky USD (ir)


Didaktika experimentu ˚ Co je to IR Infraˇcervené záˇrení je elektromagnetické záˇrení blízké viditelnému svˇetlu s vlnovou délkou vetší než viditelné svˇetlo. Fotony IR mají velké vlnové délky, malé frekvence a malé energie. Zdrojem IR jsou napˇríklad horká tˇelesa, IR LED nebo IR laser. Horká tˇelesa vyzaˇrují hodnˇe IR, nicménˇe tˇeleso nemusí být horké, aby bylo schopné vyzaˇrovat IR.

Jak ho snímáme Snímací kˇremíkový cˇ ip digitálního fotoaparátu pohlcuje (a tedy snímá) i blízké infraˇcervené záˇrení. Bˇežný digitální fotoaparát je tak schopen vidˇet i cˇ ást IR. Tento jev je však nežádoucí, proto jej výrobci omezují vkládáním IR filtru, který odˇrízne blízké IR a nechá projít viditelné svˇetlo. Ruzné ˚ digitální fotoaparáty, kamery a mobilní telefony tak vidí IR ruznˇ ˚ e dobˇre. Pro potˇreby vystoupení používáme prumyslovou ˚ kamery, která IR nefiltruje ˇ vubec. ˚ Pˇred kameru vkládáme filtr, který odstranuje naopak viditelné svˇetlo, abychom vidˇeli obraz pouze v IR. Kamera nemá jak obrazu pˇrisoudit barvy nemají žádný smysl - proto je její obraz cˇ ernobílý. Zárovenˇ má kamera pouze manuální ostˇrení.

ˇ ˇ bílé Procˇ jsou cerné veci V obrazu kamery cˇ asto vˇeci mˇení barvu. U barevných látek to není patrné, nebot’ máme dojem, že jde pouze o cˇ ernobílý obraz. Výrazný efekt nastává u bílých a cˇ erných látek. Ty mohou zmˇenit barvu na zcela opaˇcnou. Nelze rˇ íci nic o kvalitˇe nebo puvodu ˚ materiálu, lze pouze usoudit, jak dobˇre odráží IR. Obraz, který vidíme na odfiltrované kameˇre nemá nic spoleˇcného s tím, jakou barvu vidíme oˇcima. Konkrétní cˇ erné triˇcko vidíme cˇ erné, protože pohlcuje viditelné svˇetlo. Kamera ho vidí bílé, protože odráží IR. Je to


podobná situace, jako u cˇ erveného triˇcka, které odráží cˇ ervené svˇetlo a pohlcuje všechny ostatní barvy. Pro zjednodušení mužeme ˚ blízké IR chápat jako další barvu.

Procˇ nepruhledné ˚ zpruhlední ˚ Jde o podobný problém jako u pˇredchozí otázky. Propustnost pro viditelné svˇetlo nesouvisí s propustností IR. U kamery fotoaparátu jsme mˇeli filtr, který propouštˇel viditelné svˇetlo - byl pro nˇej pruhledný, ˚ ale nepropouštˇel IR - byl by v nˇem nepruhledný. ˚ U prumyslové ˚ kamery jsme naopak použili filtr, který propouštˇel IR a byl nepruhledný ˚ pro viditelné svˇetlo. Stejná situace nastává u používaných brýlí - IR brýle jsou vyrobené z filtru, ˚ které bychom použili ve fotoaparátu. Reklamní folie je pak opakem takového filtru. Je tak ˇ dokonce i navržená, aby reklamní potisk nezabranoval pruchodu ˚ tepla. Pruhlednost ˚ roztoku˚ je daná jejich složením. V roztoku modré skalice jsou atomy mˇedi, které mají volné elektrony, které mohou dobˇre pohlcovat IR. V coca cole takové atomy nejsou, proto skrz ni IR snadno prochází.

Kdy IR pomáhá a kdy škodí Ze svˇetelnými zdroji se nabízí téma úˇcinnosti a ekologie. Žárovka je proti ostatním zdrojum ˚ málo (svˇetelnˇe) úˇcinná, protože vyzaˇruje hodnˇe IR. Ostatní vybrané zdroje produkují svˇetlo jiným zpusobem, ˚ proto v IR vyzaˇrují ménˇe. Nabízí se otázka, nakolik je to jejich výhodou a které zdroje jsou bližší pˇrirozenému osvˇetlení.


Scénáˇr Osnova vystoupení 1. Kamera mobilního telefonu 2. IR kamera 3. IR jako tepelné záˇrení 4. Svˇetelné zdroje 5. Odrazivost IR 6. Pruchod ˚ IR 7. Ochranné prvky bankovek

Pruvodní ˚ slovo Tento text není doslovným scénáˇrem. Má sloužit pouze jako návod pro možné provedení pˇredstavení. Doporuˇcujeme se jej volnˇe držet a používat vlastní slova a výrazové prostˇredky.

Úvod Chtˇeli bychom vám ukázat pár pokusu˚ s infraˇcerveným záˇrením. Co znamená infraˇcervené? Infraˇcervené svˇetlo je svˇetlo cˇ ervenˇejší než cˇ ervené. Je to tak cˇ ervené svˇetlo že už ho naše oˇci nevidí.

Kamera mobilního telefonu Hned první pokus budete dˇelat vy. Vezmˇete si prosím svoje mobilní telefony a podívejte se na mˇe pomocí fotoaparátu vašeho mobilu. Mužete ˚ si mˇe i vyfotit, jestli chcete.


V ruce držím dálkové ovládání, kterým se vás ted’ snažím vypnout. Když se na mˇe podíváte, nevypadá to, že by tento ovladaˇc nˇeco dˇelat. Když se na nˇej ale podíváte pˇres mobil, možná nˇekteˇrí uvidíte, že na vás to ovládání svítí. Na nˇekoho svítí fialovˇe, na nˇekoho namodrale a na nˇekoho nesvítí vubec. ˚ Vidíte ho nˇekdo svítit? Zdá se, že váš mobil vidí nˇeco, co oˇci nevidí. A pˇresnˇe to se taky dˇeje. Fotoaparát v mobilu vidí to svˇetlo, které pohlcuje jeho kˇremíkový snímací cˇ ip. A byla by to až moc velká náhoda, kdyby tento cˇ ip vidˇel pˇresnˇe stejnˇe jako lidské oˇci. A taky že tak nevidí. Vidí ještˇe kousek blízkého infraˇcerveného záˇrení - vidí za hranice lidského zraku. Je to dobˇre nebo špatnˇe? Chceme si uchovat vzpomínku na pohled, který se možná nebude opakovat. Proto chceme mít obrázek takový, jaký vidˇeli naše oˇci. Takže to, že náš fotoaparát vidí ještˇe nˇeco navíc se nám moc nehodí. Navíc jakou by tomu mˇel pˇriˇradit barvu? Proto se výrobci snaží toto blízké IR odstranit. Dˇelá se to tak, že se pˇred cˇ ip dá malé pro oˇci cˇ iré sklíˇcko, které nechá projít všechno to, co vidí lidské oˇci a pohltí blízké IR. U nˇekterých mobilu˚ se to moc nepovedlo - filtr není dokonalý. Tˇemi jste vidˇeli mé ovládání svítit. Nˇekteré mobily jsou naopak odfiltrované velmi dobˇre a tˇemi jste nevidˇeli nic zajímavého. Alesponˇ vás muže ˚ hˇrát pocit, že máte dobrý fot’ák.

IR kamera Digitální fotoaparát tedy umí vidˇet IR. Staˇcilo by ten filtr, který tam dal výrobce vypreparovat, a mˇeli bychom IR kameru. Pro nás bylo ale mnohem snazší sehnat kameru, do které výrobce žádný takový filtr nedal. K cˇ emu by taková kamera byla dobrá? Tak pˇredevším k tomu, aby mohla natáˇcet i po tmˇe - tedy ve tmˇe pro lidské oˇci. A to také tato kamera umí. Tato kamera vidí to co lidské oˇci a ještˇe velkou cˇ íst blízkého IR. Její obraz je samozˇrejmˇe cˇ ernobílý - nemáme-li stejný barevný rozsah jako oko, nemá smysl barvy vubec ˚ používat. A její obraz je také neostrý a moc se ani zaostˇrit nedá. To je také zpusobené ˚ velkým rozsahem, ve kterém snímá.


Pojd’me se tedy na nˇeco podívat. Na stole jsem rozsvítil lampiˇcku s nápadnˇe velkou žárovkou. Je to žárovka, která svítí jen málo svítí ve viditelné oblasti. Když se na ni podívám kamerou, celá se rozzáˇrí, protože svítí hlavnˇe v IR. Navíc tu mám takovouto lesklou destiˇcku. Je z kˇremíku a když se na ni podíváte, uvidíte, že je zcela nepruhledná. ˚ Když s ní zakryji mou lampiˇcku, neuvidíte nic. Ale pro kameru je tato destiˇcka pruhledná ˚ jako sklo. IR totiž propouští velmi dobˇre. Kˇremíková deska tedy odstranila viditelné svˇetlo a nechala projít jen cˇ ást IR. Kdybych takovou desku dal pˇred moji kameru, mohl bych se dívat na svˇet 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, všimnˇete si, že obraz ani moc neztmavne a nevypadá to, že by se nˇejak dramaticky zmˇenil. Pˇresto se ted’ díváme na svˇet infraˇcervenýma oˇcima.

IR jako tepelné záˇrení Ted’ by se nám ještˇe hodil nˇejaký dobrý zdroj IR. Hodnˇe IR vydávají napˇríklad horká tˇelesa. Zkusme tedy nˇeco zahˇrát. Chvíli budu zahˇrívat tuto lžiˇcku. Nebudu to pˇrehánˇet, držím ji pˇreci jen rukou. A i když vidíme stále stejnou lžiˇcku, její horké dno na kameˇre velmi jasnˇe svítí. Lžiˇcka je tedy tak horká, že vydává velké množství IR a mohla by naší kameˇre sloužit jako osvˇetlení.

ˇ Svetelné zdroje Když víme, co muže ˚ vydávat IR, mám pro vás nachystanou malou hádanku. Mám tu krabici a v ní tˇri svˇetelné zdroje. Od vás chci slyšet, který je který. Dám vám i možnosti, aby to nebylo tak tˇežké. Muže ˚ tam být: svíˇcka, žárovka, ledka, úsporka a nebo roj svˇetlušek. Tak ta, která svítí nejjasnˇeji bude nejspíš žárovka. Když už ji známe, mužu ˚ ji zhasnout. Ta, která svítí jasnˇeji ted’ je spíš úsporka nebo ledka? Je to právˇe úsporka. Uvnitˇr hoˇrí výboj a nejen


trubice, ale celé zaˇrízení se také rychle zahˇrívají. Ledka svítí jen tam kde má, a i když bude svítí sama, na kameˇre ji skoro neuvidíme. Ten kontrast je dobˇre vidˇet, když dáme vedle sebe svíˇcku a ledkovou baˇ terku. Aˇckoliv vás ledková baterka skoro oslnuje, kamera vidí jen tu její cˇ ást, která je ozáˇrena IR záˇrením ze zapálené svíˇcky.

Odrazivost IR Napadá mˇe, že bychom se naší kamerou mohli podívat i na vás. Máme tu nˇekoho v cˇ erném obleˇcení? Vypadá to, že to není úplnˇe cˇ erné obleˇcení. Ale kamera neukazuje negativ, tˇreba vlasy zustávají ˚ tmavé. Jak je to možné. Jak to, že nˇekteré cˇ erné obleˇcení zbˇelá a jiné zustane ˚ cˇ erné? Kdy vlastnˇe kamera vidí bílou látku? Když ta látka dobˇre odráží infraˇcervené záˇrení. A kdy vidí cˇ ernou látku? Když látka pohlcuje infraˇcervené záˇrení. Souvisí to nˇejak s barvou obleˇcení, kterou vidíme? Vubec. ˚ Tak jako modré triˇcko odráží modrou barvu a pohlcuje všechny ostatní, toto cˇ erné triˇcko pohlcuje všechny viditelné barvy ale odráží infraˇcervenou - je tedy infrabílé, ale toto triˇcko pohlcuje všechny viditelné barvy a navíc i infraˇcervenou a je tedy infraˇcerné. Dále tu mám tyto dvˇe fotografie. Jedna je hodnˇe stará a cˇ ernobílá, druhá je moderní a barevná. Asi nepoznáte nikoho z tˇech lidí co na nich jsou. Když fotografie zaberu kamerou, ta cˇ ernobílá se nezmˇení, ale barevná fotografie celá zmizí. Znamená to, že by ta cˇ ernobílá byla lepší nebo natištˇená kvalitnˇejším inkoustem? Znamená to pouze to, že inkoust na cˇ ernobílé fotografii pohlcuje i infraˇcervené záˇrení, to je vše. Je to dobˇre nebo špatnˇe? Je to jedno. My se na fotografii díváme oˇcima a ty IR nevidí, takže to, jestli fotografie odráží nebo pohlcuje IR nijak nepoznáme. Pokud bychom ale chystali výstavu fotografií pro hady, kteˇrí vnímají i IR, pak bychom si museli dát pozor, protože hadi by z takových fotografií žádnou radost nemˇeli.

Pruchod ˚ IR Nejen odrazem je živ cˇ lovˇek. Svˇetlo muže ˚ látkou i procházet. Nachystal jsem si dva roztoky. V jedné lahvi je roztok nebezpeˇcné odporné chemikálie a v


druhé je modrá skalice. Modrá skalice se zdá být prusvitnou, ˚ zatímco coca cola je cˇ erná. Kamera to ale vidí obrácenˇe. Schválnˇe jsem na cole nechal etiketu, aby bylo vidˇet, která lahev je která. Vidíme, že skalice pohlcuje IR, zatímco coca cola ho propouští, ale proˇc? Modrá skalice je síran mˇed’natý. Obsahuje tedy atomy mˇedi, to je kov a tak má volné elektrony. Ty umí velmi dobˇre pohlcovat IR. Naproti tomu coca cola je roztok cukru, cukru, cukru, kyseliny fosforeˇcné, cukru a karamelu. Žádné kovy, žádné volné elektrony. Nic co by dobˇre pohlcovalo IR. Podobnˇe se chová tento pár brýlí. Sluneˇcní brýle jsou sice tmavé, ale pro kameru zpruhlední. ˚ Naopak tento starý cvikr na kameˇre zˇcerná. Aby také ne, když má sklíˇcka udˇelaná z IR filtru. ˚ S pruchodem ˚ IR záˇrení souvisí ještˇe jeden vedlejší efekt, který zpusobil, ˚ že se velmi špatnˇe shánˇejí kamery s noˇcním vidˇením. Kdysi se bˇežnˇe vyrábˇely digitální fotoaparáty a kamery, které umˇely mechanicky odsunout ten filtr, který mˇel odˇríznout IR, takže umˇely natáˇcet i v noci. Na tom by nebylo nic špatného. Bohužel, jak jsme si ukázaly, není problém najít látku, která je pro oˇci nepruhledná, ˚ ale pro takovou noˇcní kameru je zcela pruhledná. ˚ A bohužel to byla látka, ze které se vyrábˇely opalovací plavky. Tedy plavky, které dobˇre propouští blízké UV a jako vedlejší efekt také blízké IR. A netrvalo dlouho a ruzné ˚ pochybné existence si daly dvˇe a dvˇe dohromady. A jak to dopadlo? Bˇežné kamery s noˇcním vidˇením už se nevyrábí. Ale až se budete pˇrevlékat v kabince za podobným závˇesem, pro jistotu si zkontrolujte, jestli vás nesnímá podobná prumyslová ˚ kamera.

Ochranné prvky bankovek A tím se dostáváme k problematice bezpeˇcnosti. Ty efekty, které jsme vám tu ukazovali mají totiž ještˇe jednu pozoruhodnou aplikaci, o které se moc neví. Každý asi ví, že bankovky jsou chránˇené pomocí UV. Obˇcas, když použijete pˇetitisícovou 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 ˇ ale ví, že naše bankovky jsou chránˇené i v IR oboru. Cást tisku je provedena tak, aby pˇri pohledu zmizela. A je zde patrná genderová nevyváženost.


Zatímco mužským postavám na bankovkách zmizí okolí a jejich tváˇr tak vynikne, ženským postavám naopak zmizí obliˇcej, jako by se jich chtˇela státní tiskárna cenin zbavit. Zajímavé je, že o tomto zpusobu ˚ ochrany se veˇrejnˇe ˇ ˇ cˇ eská národní banka nezminuje. Proˇc také usnadnovat padˇelatelum ˚ práci. Podobnou ochranu mají i nejsnáze padˇelatelné bankovky - americké dolary. ˇ Na tˇech s vyšší hodnotou mizí ruznˇ ˚ e umístˇené pruhy. To navíc usnadnuje strojové rozeznávání bankovek. Tím se s vámi louˇcíme, a až vám pˇríštˇe infraˇcervené záˇrení pˇrepne televizní program, mužete ˚ mu v duchu podˇekovat.

Experimenty s infračerveným zářením

Recommend Documents