✦ AM易道 · 形的秘密
特别课 · 光与形
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一节关于光的课

看不见的光
怎么叠成看得见的形状

关于叠加、显影,和一种不用一层层堆的打印机

先想一想:东西一定要一层层堆才能做出来吗?

你可能见过3D打印机。它头上有个喷嘴,一卷塑料丝慢慢挤出来,一层叠一层,几个小时之后桌上就多了一个立体的东西。盖房子也是这样,一块砖一块砖往上垒。

我们做东西,好像总是从下往上、一点一点堆

可是有一种新机器,它做东西的时候什么都不堆

东西是在一缸透明的水里整个一起、慢慢出现的,像照片在显影液里浮出来那样。
在我们告诉你它怎么做到之前,你猜一猜,不堆,怎么让一个东西凭空出现?

一束光不够,叠在一起才行

先记住一件事:液体里的树脂,要被照得够亮才会凝固。一束光淡淡地穿过去,不够亮,液体还是液体。可是几束光在同一个地方交叉叠加呢?那个点被照了好几次,亮度加倍,够亮了,那一点就凝固了。先拖滑块转动光,再点按钮加更多光,看中间那个点。

叠加观察台
实验 #1
拖滑块转光 · 点按钮加光
中心点
这里被照了几次
×2
两束光交叉,够亮,会凝固
转动光 →

光太弱,液体不理它

为什么一束光不够?因为液体有个脾气:光弱了,它当没看见,一点不变;只有光的亮度越过一条线,它才肯凝固。这条线叫门槛。拖动亮度,看液体什么时候才开始凝固。

亮度计
实验 #2
拖滑块调亮度,越过红线才凝固
液体状态
还是液体
光太弱了,液体不理它
调亮度 →

很多光汇到一个点,那个点才够烫

夏天有人用放大镜把太阳光聚到一个小点,纸就冒烟烧着了。一整片阳光照在纸上,纸不会着;可一旦这些光全汇到一个点,那个点的亮度一下子叠了好多倍,够烫,纸就燃了。这就是叠加做到极致的样子。拖动放大镜,让光汇到一点。

放大镜烧纸
实验 #3
拖滑块移动放大镜,找到焦点
焦点亮度
光散开着
光散在一大片,不够烫
移动放大镜 →

不是所有颜色的光,都搬得动液体

光也分颜色,红、黄、绿、蓝、紫。它们看起来只是颜色不同,其实力气不一样,越偏蓝紫的光,每一份的能量越大。红光软绵绵的,照半天液体也不凝固;蓝紫光劲儿大,一照就能让液体凝固。真正的体积打印机用的,就是紫光。点点不同颜色,看哪种能让液体凝固。

颜色与力气
实验 #4
同样亮的光,换成不同颜色 , 哪种能让液体凝固?
红光,力气最小,照半天液体也懒得动。换偏蓝紫的试试。

从越多角度照,形状越清楚

前面是几束光。现在想象一缸液体在慢慢转,光从一圈不同的角度照进去。角度太少,亮的地方乱七八糟,看不出是什么。可是当角度够多,所有光叠加起来,一个清清楚楚的形状就从乱光里浮现出来。点点看,从几个角度,到很多角度。

多角度投影台
实验 #5
同一个小齿轮,分别从 3 个、8 个、30 个、120 个角度照进去 , 哪一个看得最清楚?
只有 3 个角度,亮的地方还是几道交叉的光,看不出形状。再加角度试试。

一边一层层堆,一边整个一起出现

现在把两台机器摆在一起,同时按下开始。左边是我们熟悉的老办法,从底往上,一层一层堆。右边是新办法,液体转着圈,光从四面八方照进去,整个东西一起慢慢凝固、一起浮现,没有第一层也没有最后一层。看哪个先做完。

同时开始,看谁怎么做
一层层堆 · 对 · 整块显影

现在轮到你,把原理玩在手里

真的体积打印机现在还摆不进教室。但是别急,你身边那些已经在用的3D打印机(LCD的、DLP的),用的就是今天这套光学原理,只不过它们是"分层版本"。下面三个实验,看你们教室里有什么,能做几个做几个。

实验 A · 颜色与门槛

🔦 紫外手电筒 + 一滴光敏树脂

  1. 老师准备一小滴LCD打印机用的光敏树脂(淘宝几十块一瓶),滴在玻璃片上
  2. 第一次:用手机手电筒(白光)照30秒,凝固了吗?
  3. 第二次:用红色玻璃纸盖住手机手电再照,凝固了吗?
  4. 第三次:用紫外手电筒(淘宝十几块)照5秒,啪,凝固了!
  5. 这就是"光的颜色有力气大小"。LCD打印机的屏幕,发的就是这种紫光
光敏树脂一滴 · 红色玻璃纸 · 紫外手电筒 · 玻璃片
实验 B · 投影与叠加

📽 投影仪 + 镂空剪纸

  1. 用投影仪打开纯白屏幕,在镜头前竖一张剪了齿轮形状的硬纸板
  2. 墙上能看到齿轮形的光斑,这就是DLP打印机做的事:把图案投到树脂层上
  3. 关掉一半教室灯,光斑变得更亮、边界更清楚,这就是"够亮才凝固"的门槛
  4. 让两个同学站在投影仪前不同角度各举一张剪纸,光斑叠加的地方最亮,这就是体积打印的雏形
教室投影仪 · 硬纸板剪的齿轮模板 · 一张白纸
实验 C · 最简版

✋ 三张纸 + 一部手机

  1. 老师发 3 张薄纸(描图纸/烘焙油纸/普通打印纸都行),每张印着从不同角度画的淡灰条纹
  2. 单看一张,乱糟糟,什么也不是,就像一束光不够亮
  3. 把 3 张对齐叠在一起,用手机手电从背面照
  4. 条纹叠加最密的地方,会冒出一个清楚的形状,这就是光叠加的样子
3张打印好的纸 · 一部手机
把课堂讲的,连到身边的机器:
LCD/DLP打印机(教室里可能有的)用的就是"紫光 + 阈值 + 投影"这三件事,今天你已经懂了它们的原理
体积打印机(实验室里的未来机器)多了一步:不分层、从所有角度同时投、整块显影
▸ 一样的光学规则,不一样的玩法,你已经走在了路上
✦ 今天发现的事 ✦
我们一直以为,做东西
总要一层一层堆上去。

可是一个东西,
也可以是很多束光叠加出来的。

看不见的光,
在液体里成了看得见的形状。
那么问题来了,
如果光能叠出一个东西,
声音能不能?水波能不能?

这个问题,留给你想。