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15/08/2013 #1


Optica, experimentos con espejos y lente
Bueno, después de un tiempo he logrado finalizar un experimento con espejos según lo prometido.
He decidido abrir un tema nuevo, aunque tendría que estar en Equipos de iluminación, pero como ese tema es muy exclusivo, y aquí explico lineamientos generales de óptica, tema sobre el que alguien siempre consulta cuando se trata de enfocar leds o fotodiodos lo hago con un título más explicativo. Si los moderadores lo consideran, pueden pasarlo al otro tema, pero estimo que bien vale la pena ponerlo aparte.
Es lo más simple que se me ocurre pues nunca anduve por estas lides de la iluminación, si en óptica y lo hago solamente para despejar dudas sobre la geometría del sistema.
Está realizado con elementos disponibles en mi laboratorio por lo que si alguien quiere repetirlos deberá adecuar a lo que consiga. De todas maneras son elementos simples y fáciles de encontrar.
En realidad se trata de un sistema de iluminación, descripto al desnudo, sin caja o continente alguno porque como digo, es un experimento. Con un caño grueso se podría armar siempre que otro caño mas fino (o más grueso) lleve la lente para poder enfocar.
Aquí está el sistema completo.



Se trata de una especie de copa formada por cinco espejos (son verdaderos espejos de bronce cromado, restos de una partida de microamperímetros con escala espejo comprados hace mucho tiempo a Japón y que no se usaron a ese efecto) soldados a una arandela de hierro de 4 cm de diámetro ( por eso usé estos espejos de bronce, para soldarlos permitiéndome sostenerlos fácilmente, además de poder inclinarlos, doblándolos, según el ángulo deseado). Este ángulo quedó a 60 grados desde la vertical central en unos 2 cm de diámetro en la base.
La boca de la “taza” formada tiene 9 cm de diámetro y se colocó todo sobre un motor de tocadiscos antiguo electrónico para hacerla girar.
En el centro se colgó un sándwich de dos tiras de leds pegados espalda con espalda, una verde y otra roja alimentadas con 12 V, en sentido vertical. Es lógico que con leds de más potencia, se lograrían puntos más luminosos.
Arriba, para enfocar el sistema, se colocó como lente una lupa de 8 cm de diámetro a una distancia de 25 cm de la base de los espejos. Distancia que se logró enfocando sobre un cartón blanco colocado a 1 metro de la base. Para enfocar más lejos, hay que alejar la lente.
Aquí se ve ampliado el sistema de espejos.



Se ven claramente los espejos que se recortaron en la base para permitir su inclinación y las tiras de leds.
En este punto quiero explicar el sistema de enfoque. Y usé un soporte de metal de laboratorio, que me permite correr el sostén de la lente y enfocar a cualquier distancia.
Esta lente, una lupa corriente, es una lente convergente y tiene una distancia focal de 25 cm. ¿Y cómo se mide esa distancia focal?
Lo explico: Se necesita para ello una fuente de luz en el infinito. En el laboratorio usamos un colimador y un banco óptico, pero la mejor y a mano que tenemos es el sol. Se trata de enfocar el sol sobre un papel en el piso, como cuando queríamos quemar el papel con el sol. Se debe formar un punto muy luminoso. Midiendo esa distancia, del papel a la lente (una lupa es una lente convergente) se tiene la distancia focal. Esta distancia focal se mide en metros. Y nos da el aumento de la lente.
El aumento de las lentes se mide en “dioptrías”. La dioptría es la inversa matemática de la distancia focal. Al medirla en metros, se hace 1 (uno) dividido por la distancia focal. Y eso es la dioptría de la lente. En este caso es 4 dioptrías. La dioptría es la medida que usa el oftalmólogo para recetar los anteojos. Porque la dioptría muestra el aumento. Así, una lente de 4 D, tiene el doble de aumento que una de 2 D. Otros muchos parámetros determinan como se usa una lente pero con esto creo que es suficiente para los usos que les damos los “electrónicos”.
Y de que diámetro debería ser. El máximo que se consiga para tratar de que incidan sobre ella todos los rayos luminosos del elemento a usar ( led, lámpara, fotodiodo). Toda luz que “salga” por fuera de la lente, se pierde.
Sobre las lupas que venden en las librerías he encontrado de 1 a 4 diotrías. No son de más aumento porque llevaría mucho más material y más trabajo para hacerlas por la gran curvatura que tendrían. Aconsejo, para estos menesteres, buscar la de mas aumento, cosa que se puede “medir” in situ: enfocando sobre el piso o sobre el mostrador una lámpara o tubo fluorescente buscando la imagen más nítida, medir “a ojo” la distancia y se tiene en forma grosera y aproximada la medida del foco, pero usable para estos fines.
Y tratar de hacerlo como al descuido, sin explicar al vendedor, como si se estuviera probando la lupa, para hacerlo sin problemas. Verán que es sencillo y eficaz el método.
Aquí otra explicación: cuando se coloca una lente sobre un led o un fotodiodo se debe colocar a su distancia focal y ser de un diámetro suficiente para captar toda la luz necesaria. Corriendo esa distancia se puede enfocar en un punto lejano la luz de un led o una lámpara, por ejemplo. Colocar la lente en un tubo que corra sobre otro que llevaría el led o fotodiodo. Hay fórmulas para todo esto, pero con esto creo que se tiene suficiente para lograr un buen enfoque. Ah, no se olviden de pintar de negro mate el interior de los tubos.
Quiero mostrar fotografías del resultado de la proyección. En realidad son puntos corriendo pero en el tiempo que la cámara uso para captar la imagen, han recorrido una distancia y se ven como arcos.
Problema de la cámara digital, con mi Nikon F2 vieja no habría pasado, pero ahora ¿Quién usa película?.
Aumentando la velocidad de rotación ( se usó 45 rpm) se logran arcos y circunferencias completas.
Y a menos velocidad puntos perfectos.





Espero que todo esto sirva para aclarar algunas dudas.
Gracias por leerme.
15/08/2013 #2

Avatar de locodelafonola

hola mi querido amigaso aquileslor...que buen aporte..para los que de optica mecanica..somos ignorantes como yo...este aporte va a servir a muchos....y para mi que soy fanatico de la optoelectronica ...es algo invalorable...pues.amigaso.......busque.y fijese que no hay articulos de lectura sobre la apliccion de las lentes......en la electronica....... gracias..muchisimas gracias por enseñar esto.......jua n........... PD..tambien mi amigaso "invento un efecto " de luz..que le va dar idea a muchos...mas que merecido es el merito de este articulo..
15/08/2013 #3


Gracias Juan. Se que no hay muchos artículos dedicados a la óptica en electrónica, y eso es porque el que sabe algo, no lo divulga porque le costó mucho aprenderlo. Pero yo, en toda mi vida, he tratado de expandir mis conocimientos y trasmitir lo aprendido ¿Que, me los voy a llevar? Así por lo menos mi trabajo queda para otros que les pueda servir. Me llevó mucho tiempo llegar a este artículo, pero seguí los delineamientos que me dió djwash y llegué a esto. Espero que les sirva. A mi me gustó hacerlo. Lastima que los reglamentos del foro no lo permiten, porque te podría mandar algunos de estos espejos para experimentos de los que tengo como cien..Un afectuoso saludo ( y yo sabía que el primero en leerlo serías vos). Gracias.
15/08/2013 #4
Moderador general

Avatar de DOSMETROS

aquileslor dijo: Ver Mensaje
Lastima que los reglamentos del foro no lo permiten, porque te podría mandar algunos de estos espejos para experimentos de los que tengo como cien.
El reglamento no permita la comercialización pública , nunca hubo problemas con las donaciones públicas
16/08/2013 #5


Hola 2M, siempre he visto que a los que piden les manden algún circuito, lo editan y les borran por no seguir las reglas del foro. Pero vamos a probar con Juan a ver que pasa.
Ya que estamos ¿ porqué no aparecen las ilustraciones intercaladas en el texto? Sale un cuadrado vacío. ¿Que hago mal? Casi siempre terminan de editarlo ustedes. En realidad me da verguenza mandarles algo por eso. ¿Podes editarlo y explicarme mi error? Ya vez, en 800 y pico mensajes nunca pedí nada, pero aunque parezca estúpido todavía no no doy pié con bola.
Y Juan , si quieres mandame un mensaje privado con tus datos, algo haremos. Gracias 2M.
16/08/2013 #6
Moderador general

Avatar de DOSMETROS

Yo puedo ver tus fotos en grande perfectamente , desde que subiste el post ! Es probable que tu servidor sea muy lento ?

A ver , no confundamos a un Forista que siempre colabora y que hoy necesita ayuda con algo , de un pibe que se anota para que le hagan la "tarea escolar" y encima ni siquiera planteó o averiguo nada ¿ Capishe ?

Saludos !
16/08/2013 #7


Gracias 2M por tu respuesta. No se lo que pasó.Ahora veo bien las fotos. Como a estas alturas te considero un amigo, ¿vale la pena romperse todo para desarrollar dispositivos sobre óptica electrónica como lo hago, para despues no tener mas de dos o tres seguidores? ¿No les interesa a los foristas? Despues te rompen pidiendo que le hagas el cálculo de una lente o le soluciones el problema con un fotodiodo, cuando me canso de explicar todo. A veces me dan ganas de apartarme de todo esto, pero al tener un amigo como Juan, vos, fogo, Mr.carlos, trato de seguir adelante. Gracias por todo. Aquí despunto el vicio de escribir.
28/08/2013 #8


aquileslor dijo: Ver Mensaje
Gracias 2M por tu respuesta. No se lo que pasó.Ahora veo bien las fotos. Como a estas alturas te considero un amigo, ¿vale la pena romperse todo para desarrollar dispositivos sobre óptica electrónica como lo hago, para despues no tener mas de dos o tres seguidores? ¿No les interesa a los foristas? Despues te rompen pidiendo que le hagas el cálculo de una lente o le soluciones el problema con un fotodiodo, cuando me canso de explicar todo. A veces me dan ganas de apartarme de todo esto, pero al tener un amigo como Juan, vos, fogo, Mr.carlos, trato de seguir adelante. Gracias por todo. Aquí despunto el vicio de escribir.
Hola Aquileslor; veo que Ud. es muy entendido en el tema de opto-electrónica y quiero hacerle una consulta; le cuento:
Estoy haciendo un fotocolorimetro con arduino nano v3.0, utilizo como fuente monocromatica un diodo LED verde de 525nm, acabo de terminar la placa PCB del sensor, basicamente es un fotodiodo SFH206K con un OPAMP TL072, el primer operacional es un convertidor corriente-voltaje y el segundo esta como seguidor de tensión, la fuente es simetrica +-9V DC, es las primeras pruebas he utilizado una misma cubeta (de 7mL)en todos los casos, la dilución madre (color rojo) esta diluida con agua destilada en 0:7(blanco);1:7;2:7;3:7;4:7;5:7 y 7:7, interpolando observo un comportamiento lineal cerca a la concentración máxima más no asi al inicio, ¿cómo se explica este comportamiento del sensor? anexo un grafico del análisis con Excel de los datos tomados
Saludos
Americo8888
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28/08/2013 #9


Americo, me faltan datos para contestarte: la cuba, 7 ml? pero cual es el paso de luz?. No entiendo que quisiste hacer con el blanco. El blanco siempre es el diluyente. El colorante, ¿cual es? Si dibujaras el esquema del paso de luz, con los slit correspondientes, me sería útil. Como ves son muchos los interrogantes, a mas de los que te podría hacer una vez que me respondas. Haz hecho una curva lineal ¿conoces la ley de Beer? Además, al no tener el esquema no se si es de trasmisión o reflexión. y dame la data del fotodiodo. No me hagas buscarla. Y puedes preguntar lo que quieras. Hasta luego.
28/08/2013 #10


Hola aquileslor, gracias por responder; te respondo:
- si, la cubeta es de 7mL de capacidad, el diámetro y paso de la luz es de 21 mm
- el blanco es agua destilada
- el colorante es desconocido, estoy utilizando un limpiador de pisos color rojo, al que diluyo en las proporciones citadas
- no hay rendija, esto es más un fotometro,sólo hay un agujero en el portacubetas para dejar pasar la luz del LED
- si conozco la ley de Beer, los datos del gráfico son reales(Excel ayudó), hay una porción muy lineal, que no se observa para la concentración cero y la siguiente dilución, espero haber ayudado, anexo fotos y datasheet.
Gracias
Americo
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29/08/2013 #11


Bueno, observando todo, no usas una cubeta, usas un frasco al que llamas cubeta. Y tiene las paredes demasiado gruesas que difunden la luz y se añade a la medición. Y si conoces la ley de Beer y sabes algo de química, debes saber que tienes que definir un CERO Y EL 100% en la medición. Esa curva no dice nada, solo voltajes del medidor. Tienes que estudiar un poco la teoría de la colorimetría. Se que es difícil de entender, pero me llevaría mucho espacio explicarlo. Pero empieza por allí, defines el Cero oscuro y el 100%, que es la base de la colorimetría. Y las verdaderas mediciones en porcentajes son una curva logarítmica. No se como la definistes en excel. Despues seguimos viendo.
29/08/2013 #12


Hola, gracias nuevamente por responder, te explico lo de Excel, se llama Interpolar datos, y lo haces a partir de tablas de datos que logicamente guardan una relación entre si, en mi caso la tabla de datos sale de la lectura del sensor en voltios a medida que la disolución roja va en aumento en su concentración, ya que a medida que es más concentrada absorbera mas luz verde del LED y por lo tanto el sensor acusará menor intensidad de luz, en el gráfico que anexo verás una tercera columna "Volts. blanco - Volts. sensor" siempre será cero en la concentracion cero o sólo blanco.
Gracias por tu ayuda, seguiré investigando.
Americo
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29/08/2013 #13

Avatar de anajesusa

Hola, permiso para meter la cuchara, si me decís que usaste para hacer la curva puedo hacer una yo usando un analizador metrolab 2100 que es el que uso en mi laboratorio, para ver si realmente a bajas concentraciones es lineal. En su día armé un espectrofotómero experimental http://anajesusa.wordpress.com/2010/...-experimental/
Saludos y muy interesante el dispositivo de luz, estoy ayudando a mi hija a montar una salita sensorial para chicos con capacidades diferentes (ella es psicóloga) y vendría bien probar algo de eso. La alimentación de las tiras de diodo? son pilas? van sobre el plato del tocadiscos?
Saludos
29/08/2013 #14


Hola anajesusa, acabo de ver tu web y es extraordinario, por favor mete todas las cucharas y cucharones posibles, entonces dime ¿es posible que el soluto en si tenga un comportamiento no lineal en bajas concentraciones?, en la última grafica de excel que postee ya veo mi dispersión más lineal, y es que cambie la solución del limpiapisos por una solución de colorante rojo para alimentos, he pintado el porta cubetas de negro y mas tarde probaré si tengo mas linealidad.
Todo aporte es bienvenido, gracias
Americo
29/08/2013 #15

Avatar de anajesusa

Siempre en bajas y altas concentraciones se pierde la linealidad, tan es asi que las mismas técnicas te ponen un limite superior y otro inferior, cunado uno de los valores cae en esos rangos el mismo analizador (Caso del autoanalizador metrolab 2100) hace una repetición duplicando la cantidad de muestra, o dispensando solo la mitad para que caiga en rango.
29/08/2013 #16


Si no sabemos que colorante usa, no se puede aclarar nada: un colorante rojo puede ser una mezcla de magenta y amarillo, entonces no tiene un solo pico de absorción y falsea las mediciones, si la luz "se cuela" por el otro pico. Eso lo habrás visto bien vos, Anajesusa por ser bioquímico.
Y las tiras de leds está "colgadas" en el centro de rotación. Y alimentadas con una fuente de 12 V por el consumo. Esas consumen entre las dos 120 mA. Pronto publicaré experimentos con laser y redesw de difracción. Si a tu hija se le ocurre algo, lo tratamos.
Y a Americo, definí tambien los slits de entrada y salida. A mi me parece que tenés graves problemas mecánicos. Ainque sea, hacé dos agujeros de 3 o 4 mm a cada lado del paso de luz para que no haya tantos reflejos.
29/08/2013 #17

Avatar de anajesusa

Ahora caigo las tiras están fijas y gira el conjunto de espejos, tengo un dispositivo que alguien me regaló que tiene 5 espejos fijos en el eje de un motor pap con su electrónica por ahí podes darme alguna idea que pueda hacer con él, algo que sea vistoso.

Respecto al fotocolorímetro es tal como decís, todo debe ir cerrado en una caja negro mate y la prueba debe hacerse con una solución que tenga algún pico de absorción en el verde, en el caso de americo8888.
Saludos
P.D la tierra que tiene el dispositivo puedo quitársela jua jua, no creí que viera tanto en la foto
29/08/2013 #18
Moderador general

Avatar de Fogonazo

anajesusa dijo: Ver Mensaje
Ahora caigo las tiras están fijas y gira el conjunto de espejos, tengo un dispositivo que alguien me regaló que tiene 5 espejos fijos en el eje de un motor pap con su electrónica por ahí podes darme alguna idea que pueda hacer con él, algo que sea vistoso.. . .
Con ese dispositivo armas el barrido horizontal de un proyector láser.
29/08/2013 #19


Problema Resuelto!!!!
aquileslor dijo: Ver Mensaje
Si no sabemos que colorante usa, no se puede aclarar nada: un colorante rojo puede ser una mezcla de magenta y amarillo, entonces no tiene un solo pico de absorción y falsea las mediciones, si la luz "se cuela" por el otro pico. Eso lo habrás visto bien vos, Anajesusa por ser bioquímico.
Y las tiras de leds está "colgadas" en el centro de rotación. Y alimentadas con una fuente de 12 V por el consumo. Esas consumen entre las dos 120 mA. Pronto publicaré experimentos con laser y redesw de difracción. Si a tu hija se le ocurre algo, lo tratamos.
Y a Americo, definí tambien los slits de entrada y salida. A mi me parece que tenés graves problemas mecánicos. Ainque sea, hacé dos agujeros de 3 o 4 mm a cada lado del paso de luz para que no haya tantos reflejos.
Hola, al parecer la cosa mejoró bastante, pinté de negro mate el portacubetas, converti los voltios del sensor a Absorbancia y plotee la Concentración con la Absorbancia y el resultado está perfecto, R al cuadrado es casi uno, y eso está muy bien, ahora solo tengo que llevar las formulas al firm del Arduino nano y listo, lo publicaré como un aporte, saludos a todos y muchas gracias.
Sorry por ser off topic.
el colorante es Eritrosina B
Americo
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30/08/2013 #20


Me alegro americo. Y veo que era como te explicaba. Los problemas mayores en un fotocolorímetreo son mecánicos. Es decir, el arreglo del sistema.
Y anajesusa, eso parece ser un motor parecido al mio al que le adosaron un pentagono con espejos afuera. Bueno mis espejos van dentro, formando como una taza. Los puedes poner sobre la masa o sacarla y ponerle un plato al motor. Un disco CD viejo te puede servir de plato. Y luego seguir los lineamientos de mi artículo. Tambien puedes seguir el consejo de fogo. Suerte y a tus órdenes.
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