ВходКак сделать линзу из оргстекла. Линзы для мощных светодиодов. Полировка стекол очков пастой Гои
Всем привет!
Меня зовут Сергей.
И в данном посте я хочу вам поведать одно из применений 3D принтера, а именно изготовление линзы.
Задача стояла следующая. Есть RGB светодиод, но источник света от него не в виде пучка, а рассеянный с углом расхождения порядка 38 градусов. Я на эскизе отобразил источник света и расходимость лучей, определил точку, в которой должен быть кристалл светодиода.
1/f=(n-1)(1/R1+1/R2)......................................................................................................(1)
Где R1 иR2 - радиусы кривизны первой и второй поверхностей линзы, f - фокусное расстояние линзы, n - коэффициент преломления линзы.
n=n2/n1, где n2- показатель преломления материала линзы (оргстекло 1,5) , n1- показатель преломления окружающей линзу среды (воздух, порядка 1)
Для простоты, я принял, что R1=R2.
Известно из формулы мне только f - 20 мм. У нас, по сути, это расстояние от кристалла светодиода до оптического центра линзы.
Перепишем формулу (1), учитывая, что R1=R2=R:
R=f(n-1)2 ...................................................................................................................... (2)
Подставив данные в формулу (2) n=1,5 и f=20
получим, что радиусы кривизны поверхностей линзы равны 20 мм. Смотри схематичный рисунок.
Строим по этим данным 3D модель линзы. Получается нечто такое.
Сделал линзу с основанием.
Осталось её только напечатать, что тоже особого труда не составляет. Результат после печати (только печать, без обработки).
После линзу я немного ошкурил 1500 шкуркой и отполировал пастой. К сожалению, фотографию конечного результата у меня не сохранилось как и линзы.
Осталось испытать линзу в деле. Вот так выглядит пятно от светодиода без линзы
А так уже с линзой.
1. Параллельного пучка добиться мне не удалось, но, думаю, что при повторном изготовлении линзы уже с другими параметрами мне это удалось бы сделать.
2. Расходимость лучей уменьшена более чем в 3 раза (заказчика это устроило)
3. Коэффициент преломления, скорее всего, был использован неправильно. Линза из полимера и коэффициент преломления его неизвестен.
4. Линзу надо было делать бОльшего диаметра.
Одним из неоспоримых преимуществ светодиодов перед традиционными источниками света является возможность формирования практически любого распределения светового потока для максимально эффективного использования энергии. Осуществляется это формирование с помощью вторичной оптики - отражателя (рефлектора) или линзы.
Для обозначения формы распределения света в светотехнике используется термин «кривая силы света» или сокращенно КСС. Светодиоды в большинстве случаев имеют первичную линзу (из прозрачного силикона, или стеклянную), которая формирует КСС, показанную на рисунке ниже.
Как видно по графику – интенсивность света плавно уменьшается с увеличением угла отклонения от центральной оси. Для получения распределения другого вида на светодиод накладывается линза или рефлектор соответствующего типа. Отсюда и название – вторичная оптика. Рефлекторы имеют достаточно ограниченную область применения – они позволяют работать только на концентрацию светового потока, т.е. уменьшение угла излучения. Линзы же дают более широкий диапазон возможностей, поэтому на их рассмотрении стоит остановиться поподробнее.
Наиболее распространенные материалы для изготовления линз – полиметилметакрилат (в простонародье – оргстекло) и поликарбонат. Изготавливаются они методом литья под давлением, при строгом соблюдении технологических норм. Так что об изготовлении линзы своими руками не может быть и речи. При попытке механической обработки этих материалов, всё чего вы сможете достигнуть – это мутный исцарапанный кусочек оргстекла.
Способы сопряжения со светодиодом
Существуют несколько способов крепления линз. Самый простой – приклейка. Линзы, маленького размера могут приклеиваться непосредственно на плату со светодиодом. Более габаритные и массивные требуют держателя. Держатель имеет клейкое основание с защитной пленкой (по сути – двухсторонний скотч), а линза в него просто защелкивается. Идеальный вариант для изделий, изготавливаемых своими руками в домашних условиях, но недостаточно надежный для жестких условий эксплуатации (перепады температур, механическая тряска и вибрация). Второй способ – крепление с помощью винтов – более надежный, но требует наличия соответствующих конструктивных элементов у линзы. И, наконец, можно закрепить вторичную оптику, используя корпусные элементы изделия (светильника, фонаря и пр.). Например, придавить защитным стеклом. В любом случае большое значение имеет точная центровка линз относительно светодиодов, для этого в некоторых линзах и держателях предусмотрены специальные стоечки (штырьки). Естественно при этом на плате должны быть предусмотрены соответствующие отверстия. При установке, нельзя касаться рабочих поверхностей линзы руками.
Виды линз
Обычно классификация линз у производителя идет по двум основным признакам – по типу светодиодов и по типу светораспределения. Также оптика бывает одиночная и групповая, когда на несколько светодиодов надевается единый линзовый модуль, прозрачная и матовая, симметричная и ассиметричная и т.д.
В настоящее время производители вторичной оптики «идут в ногу» с производителями светоизлучающих диодов и после появления нового типа или семейства светодиодов, практически через пару месяцев мы уже можем приобрести для него соответствующие новые линзы.
Наиболее распространенной формой распределения света является круглосимметричное. Такие линзы дают круглое световое пятно. Угол светового пучка может быть совершенно разным: от 3˚ до 150˚. Концентрирующие линзы с углом менее 10˚ обычно называют «спотовыми» (от англ. Spot – пятно).
Существует оптика со специальным распределением света.
Ниже на рисунке представлена линза для уличного освещения и ее КСС.
Светотехнический шедевр своими руками
Многообразие линз для светодиодов и их широкая доступность дает возможность реализовывать достаточно сложные светотехнические решения своими руками. Линзованные светодиоды могут дать самые замысловатые формы КСС, некоторые из них представлены на рисунках ниже.
Комбинируя различные линзы в одном светильнике можно добиться светораспределения практически любой сложности.
Простые задачи с помощью вторичной оптики решаются также более эффективно. Так светодиодный фонарик, собранный своими руками на одноваттном светодиоде CREE, с одной узкоградусной линзой LEDIL будет «пробивать» темноту на несколько сотен метров, давая при этом четко очерченное световое пятно. В то время как его покупной собрат, родом из юго-восточной Азии, с кучкой мелких светодиодов и блестящим отражателем, едва ли «осилит» и половину этого расстояния.
Возможности вторичной оптики впечатляют!
Что делать, если проект требует небольшую линзу, а подходящего размера в закромах отсутствуют? Откладывать проект и бродить по барахолкам, в надежде отыскать подходящего донора? Не обязательно. Токарный станок позволяет и эту задачу решить:
Беру кусочек правильного листового оргстекла подходящей толщины (в данном случае, 6 мм). На передней части кулачков патрона у меня проточена специальная ступенька, позволяющая зажимать не цилиндрические, а листовые заготовки. Удобно точить тела типа шайб и т.п., хотя конечно надо учитывать, что надежность фиксации детали не очень. Но для обработки оргстекла больших усилий и не требуется, и зажимать заготовку по-любому надо нежно.
Вобщем, 6-мм заготовка, зажатая в этих уступчиках, протачивается как раз до половины толщины. А потом переворачивается, и протачивается еще раз. Получаем «шайбу», плоский цилиндр требуемого диаметра.
Резцом, оперируя двумя подачами сразу, придаю выпуклую форму грубо:
А теперь беру трехгранный шабер, сделанный из надфиля, и вывожу форму, удаляя риски от резца:
Такой способ обработки позволяет буквально «брить» оргстекло, снимая тонкую-тонкую стружку плоским слоем. При любом другом способе остаются кольцевые риски.
Правда, пальцы в непосредственной близости от вращающихся кулачков, на большом станке я бы не рискнул так делать (обороты 800-1000).
Теперь каплю машинного масла на кусочек «нулевки», и финишная обработка:
Если линза требуется двояковыпуклая, то переворачиваю заготовку и обрабатываю вторую сторону.
Снимаю со станка, и окончательно полирую ниточным диском с пастой ГОИ. Техника полировки оргстекла отличается от металла. Пасты на диск наношу больше, а давление - намного меньше. Легкие и гратковременные касания, равномерно перемещая зону трения по всей поверхности линзы. Иначе - «пережог», и неисправимый брак.
Готовая линза:
А это «объектив», то есть крепление для этой линзы:
Фиксация линзы как в настоящих оптических системах, тонким резьбовым кольцом. Хотя конечно, можно и упругим разжимным колечком-пружинкой, а если совсем по-простому, то на клей посадить:-) Но токарный станок и тут позволяет все сделать «по-взрослому», на мелкошаговой резьбе (в данном случае, подбором шестерен гитары выбран шаг 0,7 мм). Объектив в сборе:
Чтобы не слишком быстро зацарапалась линза, внешний край тубуса полезно сделать неск. выше, чем самая выпуклая точка линзы, это очевидно.
А вот механизм от мелких женских часиков, для которого эта линза и делалась:
Как видите, оптические качества линзы вполне удовлетворительны, несмотря на то, что геометрия выводилась почти что «от балды». То есть, для телескопа такая линза конечно не пойдет, а для флешки - очень даже годится:-)
Спасибо за внимание.
Простейший электронный цифровой микроскоп можно сделать своими руками используя старый телефон с камерой, хотя все же лучше использовать смартофон (в нашем случае iphone) и экран больше и камера лучше.
Общая увеличительная способность микроскопа может составлять до 375 раз в зависимости от количества и класса используемых линз.
Кстати, сами линзы при изготовлении микроскопы мы взяли из старенькой лазерной указки, но если у вас таковой не имеется, то их можно купить по дешевке в любом китайском интернет магазине.
Себестоимость самодельного микроскопа не превышает 300 рублей, если брать в расчет стоимость материалов:
Материалы для изготовления
Полный список необходимых материалов для проекта:
Изготовление
1) Разборка лазерной указки и извлечение линзы.
Для этого используем самую дешевую указку, поэтому не покупайте для этого дорогие модели. В общей сложности понадобится 2 линзы. (Этот шаг можно пропустить, если вы купите в магазине саму линзу).
Для разборки указки откручиваем заднюю крышку и вынимаем батарейки. Все внутренности извлекаем с помощью простого карандаша с ластиком. Линза находиться в объективе, и чтобы достать ее необходимо открутить кусок маленького черного пластика.
Сама линза состоит из тонкого полупрозрачного стекла, толщиной около 1 мм, можете приложить ее к камере телефона чтобы поэкспериментировать с увеличенной фотографией, сделать качественный фотоснимок очень тяжело, поэтому решил изготовить для микроскопа стойку фиксатор.
2) Изготовление основания корпуса.
Вход пошел кусок фанеры размерами 7 х 7 см, в котором сверлим 3 отверстия для стоек (болтов) Места сверлению отверстий показаны на фотографии метками.
3) Подготовка оргстекла и линз.
Вырезаем из оргстекла 2 куска размерами: 7 х 7 см и 3 х 7 см. На первом куске оргстекла сверлим 3 дырки по шаблону фанеры, это будет верхняя часть корпуса. На 2 куске сверлим 2 дырки по шаблону фанеры, это будет промежуточная полка микроскопа.
При сверлении оргстекла не давите сильно.
Теперь потребуется просверлить отверстия в оргстекле для линзы и объектива, для этого потребуется сверло D = D объектива или немного меньше. Финишную подгонку отверстия делаем с помощью круглых напильников или рашпилей.
Линзы необходимо встроить в просверленное отверстие в оба стекла.
4) Сборка корпуса.
Когда все детали микроскопа готовы, можно приступить и к самой сборке, но до этого остался еще 1 момент:
- необходимо снизу подать источник света, для этого в нижней части корпуса я просверлил отверстие для монтажа небольшого диодного светильника.
Приступаем к окончательной сборке. Закручиваем болты плотно к основанию.
Промежуточная стойка микроскопа с о 2 линзой должна помещаться вверх и вниз, чтобы можно было регулировать размер увеличения оптикой.
Для этого на 2 болта закручиваем гайки барашки, 2 шайбы и монтируем стекло с уже вклеенной линзой размером 3*7 см.
Затем устанавливаем верхнюю крышку, здесь уже используем обычные гайки, но ставим их и сверху и снизу.
Поздравляю, Вас вы только что сделали дешевый цифровой микроскоп, вот несколько фотоснимков сделанных с помощью него.
Видео инструкция по изготовлению и демонстрация работы
(на английском языке)
Линза - нужный инструмент в быту. Наверно самый незаменимый оптический прибор. На линзах работают телескопы, микроскопы, фотоаппараты, лупы и тому подобное. Некоторые люди без них даже не могут нормально видеть, поэтому носят очки, которые состоят тоже из линз. Вот каково значение линз в нашей жизни. При этом линзы разделяются ещё на два вида: рассеивающие линзы, и собирающие линзы. Например рассеивающие линзы носят люди с близорукостью, а собирающие линзы носят люди с дальнозоркостью. А эти два типа разделяются еще на несколько видов. Но не будем о теории, перейдем к практике. В этой статье я вам покажу и расскажу, как сделать самостоятельно при домашних условиях собирающую линзу из самых подручных материалов, которые точно есть у каждого дома. И так, чтобы изготовить самодельную собирающую линзу нам понадобятся:
Инструменты:
1) Острый канцелярский нож,
2) Острая иголка,
3) Ножницы,
4) Клеевой пистолет и горячий клей,
5) Медицинский шприц.
Материалы:
1) Прозрачная пластиковая бутылка от какого нибудь лимонада или другого напитка,
2) Вода.
Процесс изготовления собирающей линзы своими руками .
Берем любую пластиковую бутылку, самое главное, бутылка должна быть прозрачной.
Теперь нам будет нужен предмет круглой формы, в моем случае это крышка от самой пластиковой бутылки. Она хороша тем, что она большая. У других бутылок крышки маленькие, поэтому они не подойдут, иначе собирающая линза будет очень маленькой.Вставляем крышку на бутылку и острой иголкой обводим её, важно, чтобы на бутылке остался нацарапанный иголкой круг. Впрочем это действие можно выполнить и фломастером, и маркером. Но только надо поаккуратней, чтобы краской фломастера или маркера не размазать будущую линзу. А круг потом должен быть выпуклой формы, иначе у вас линзу просто не удастся изготовить.
Получится вот такой вот круг.
Ножницами или канцелярским ножом по контуру вырезаем этот круг.
Точно такими же действиями изготавливаем еще один точно такой же круг.
Теперь приклеиваем их друг к другу с помощью горячего клея. Но при этом надо оставить небольшое отверстие, чтобы в получившуюся линзу налить воды.
С помощью шприца наполняем линзу водой. Для того, чтобы внутри линзы не появилась жизнь, надо её скипятить и засолить. Впрочем это делать необязательно. После того как заполнили линзу водой, закрываем оставленное отверстие горячим клеем.
Вот на что способна моя получившаяся линза. Увеличивает в полне прилично, но видно расплывчато.