Lustra i rzeczy, które zawdzięczamy ich istnieniu - od rozrywki po tajemnice Wszechświata

Lustro to jeden z pierwszych instrumentów optycznych, z którym styka się człowiek jeszcze jako mały berbeć, a potem już podrośnięty uczeń późniejszych klas szkoły podstawowej. Krzywe lustra sprawiają, ze się śmiejemy z wykrzywionej przez nie rzeczywistości, te zwykłe przydają się z rana, ale też mogą być powodem traumatycznych przeżyć. Szczególnie gdy jest ich wiele i wzajemnie multiplikują odbijane obrazy. Lustro ma chyba każdy w domu, no może lusterko czy lustereczko, ale zawsze. Gdyby lustra nie istniały, wiele odkryć i technologii musiałoby dojrzewać obierając inną, być może bardziej skomplikowaną ścieżkę. Zobaczmy jak wiele zawdzięczamy lustrom i w jakich arcyciekawych zastosowaniach są one przydatne.

Bruce Lee i słynna scena walki z filmu Wejście Smoka

Lustro, a zwierciadło - w czym różnica

Określenia lustro i zwierciadło często stosuje się zamiennie, ale nie oznacza to, że są one dokładnie tym samym. Stosując analogię do figur geometrycznych. Lustro jest szczególnym przypadkiem zwierciadła tak jak kwadrat jest szczególnym prostokątem.

W dalszej części tekstu będę stosował określenie lustro, ale miejmy na uwadze, że odbijające elementy optyczne o wykrzywionej powierzchni poprawnie należy nazywać zwierciadłami. Lustro płaskie tworzy obrazy pozorne, które znajdują się od pokazywanego obiektu dwa razy dalej niż samo lustro. Tworzone są one z zachowaniem symetrii względem powierzchni lustra.

Wypukłe zwierciadło

Istotne w świecie technologii są lustra półprzepuszczalne. Czyli takie, które odbijają część światła, a cześć przepuszczają dalej. Takie lustro pozwala na przykład ukryć urządzenie rejestrujące światło przed wzrokiem ciekawskich. Z jego pomocą można też stworzyć takie iluzje jak zwierciadło nieskończoności, które z kolei może być źródłem niekończących się (i nieskończenie bez sensu) dyskusji na przykład na temat - ile osób widzimy na tym zdjęciu.

Drobne nieporozumienie, czyli optyczna iluzja

Wydaje się, że lustro obraca obraz, bo lewa dłoń staje się prawą, a prawa lewą w obrazie, który dostrzegamy w lustrze. W istocie chodzi tu o percepcję obrazu jaką posługuje się człowiek, w tym rozumieniem pojęcia dół/góra i wspomnianych kierunków lewo/prawo. Siebie w lustrze widzimy dokładnie tak jak widziałby nas znajomy stojący tuż przed nami. Mówiąc inaczej tył staje się przodem, a przód tyłem w odbiciu lustrzanym. Lewa dłoń nadal jest lewą, a prawa prawą, dla osoby, której obraz widzimy w lustrze.

By obejść ten czasem niepożądany problem stosuje się prosty trik - wystarczy dwa lustra złączyć pod kątem 90 stopni do siebie. Wtedy uzyskamy „odwrócony” i naszym zdaniem poprawny obraz. To taka optyczna realizacja funkcji odbicia w poziomie, którą stosuje na przykład oprogramowanie smartfona, by selfie było bardziej naturalne. W przypadku uprzywilejowanych pojazdów stosuje się napisy w odbiciu lustrzanym, tak by dopiero w lusterku wstecznym wyglądały poprawnie.

Zwierciadła dzięki zakrzywionej powierzchni mogą skupiać/rozpraszać wiązkę światła, ogniskując ją, co przynosi wiele korzyści. Choćby sferyczne lustra, które pomagają samochodom wyjeżdżającym z posesji włączyć się do ruchu w mocno zabudowanej przestrzeni.

Lustereczko, czyli powiedz przecie…

Najstarszym i najpowszechniejszym zastosowaniem luster jest wykorzystanie ich własności do pokazywania naszego wizerunku. Ileż to razy pękaliśmy ze śmiechu widząc kota szukającego siebie po drugiej stronie lusterka, ale pewnie równie zdziwiony był człowiek pierwotny, gdy ujrzał swoje odbicie w spokojnym lustrze wody. Ujrzał, czyli w końcu zrozumiał co widzi. Bo dojrzenie odbicia wcale nie jest równoznaczne świadomości, że czym ono jest. Na przykład wśród zwierząt wzbudzające śmiech zainteresowanie odbiciem jest dowodem na to, że nie zdają one sobie sprawy iż to ich wizerunek. Najlepiej w tym przypadku radzą sobie przedstawiciele naczelnych.

Woda stanowiła pierwsze w historii naturalne lustro. Później stosowano inne powierzchnie odbijające jak polerowane powierzchnie kamieni. Lustra towarzyszą nam od wielu tysięcy lat. Były z kamienia, z metalu, a w końcu przybrały znaną nam postać powleczonych od tyłu cienką warstwą aluminium szyb. Ich kariera nie kończy się tylko na bajkach braci Grimm czy znanej ze szkoły podstawowej legendy o Bazyliszku.

Ba, lustra czy też zwierciadła nie muszą być wykonane ze szkła wydającego się najlepszym do tego celu. Nie muszą też odbijać tylko światła widzialnego - radzą sobie z różnymi długościami fal, zarówno promieniami rentgena jak i falami dźwiękowymi.

Aparat typu lustrzanka

To aparat fotograficzny (analogowy lub cyfrowy), w którym stosowany jest wizjer optyczny (dziś wypierany częściowo przez elektroniczną alternatywę), a do którego obraz trafia po odbiciu od lustra (zwykle półprzepuszczalnego, gdyż część światła trafia do układu AF znajdującego się najczęściej w dolnej części korpusu) umieszczonego na torze światła, które wpada przez obiektyw.

Gdyby nie było luster nie byłoby lustrzanek. Nie było też aparatów dalmierzowych, ani tańszych w produkcji wizjerów pentalustrzanych, w których stosuje się lustra zamiast pryzmatu.

Bezpiecznie bez bolącej szyi

Dziś samochody wyposaża się w takie cuda jak kamery wspomagające parkowanie, eliminujące martwe pole widzenia w…

Właśnie, w lusterkach wstecznych, przez wiele lat jedynym elemencie poprawiającym bezpieczeństwo i sprawiającym, że kierowcy nie opuszczali samochodu z bólem szyi. Choć nie wszyscy doceniali ich zalety. Sam miałem znajomego, który wolał rozejrzeć się wokół niż zawierzyć temu co pokazuje lustro. Dziś pewnie z taką samą nieufnością traktowałby kamery w systemach parkowania.

Projektory DLP

Ta bardzo popularna, między innymi za atrakcyjny stosunek cena/jakość, kategoria projektorów wykorzystuje układy DMD. To skrót od Digital Multimirror Device. Ponownie dzięki lustrom, a w układach DMD są ich nawet miliony, i ich szybkiemu obracaniu się (przez co mogą odbijać albo blokować światło) tworzony jest obraz. Mówiąc inaczej, lustra w układzie DMD pozwalają wybiórczo sterować rzutowaniem światła na ekran projekcyjny. Bezwładność oka i duża szybkość zmiany położenia mikroskopijnych rozmiarów luster, sprawia że widzimy płynny kolorowy obraz. 

Poniżej wideo, które ilustruje w dużym powiększeniu ruch dwóch lusterek w chipie DMD. Jedno lusterko w chipie FullHD ma rozmiar około 10 mikrometrów czyli jest porównywalne wielkością do pojedynczego piksela w kilkumegapikselowej pełnoklatkowej lustrzance cyfrowej.

Gdyby nie było luster, to może projektory nie byłyby tak przystępne cenowo. Albo technologia LCD i jej pochodne odgrywałyby dominującą rolę.

Laser

To urządzenie o futurystycznie brzmiącej nazwie stanowi element niejednego nowoczesnego sprzętu. Jednym z jego elementów jest rezonator, w którym powstająca w akcji laserowej wiązka światła odbija się od luster, co prowadzi do jej wzmocnienia. Nie będziemy wnikać w szczegóły budowy laserów, bo to dość długi temat (lasery mogą być bardzo duże, ale też miniaturowe), zaznaczymy tylko, że lustra są tutaj potrzebne. Również jako elementy kierujące precyzyjnie wiązkę laserową na cel.

Gdyby nie było luster, inaczej trzeba byłoby przejść przez epokę nośników optycznych, nie mielibyśmy laserowych projektorów, trudniej byłoby radzić sobie z niektórymi schorzeniami (m.in. leczenie wzroku), nie byłoby laserowych wycinarek, ani elektroniki wysokiej skali integracji.

Sekstant

Lustro jest często stosowane jako element układów optycznych. I tak wynaleziony w pierwszej połowie XVIII wieku sekstant zawdzięcza swoje działanie lusterkom. Sekstant nie był pierwszym instrumentem, który stosowano w astronawigacji, ale zapewniał bardzo dużą precyzję pomiaru położeń ciał niebieskich nad horyzontem. Do wprowadzenia systemu GPS był bardzo pomocny gdy statki znajdowały się na pełnym morzu.

Gdyby nie było luster, nawigacja po morzach jeszcze przez wiele lat sprawiałaby duży kłopot.

Pomiary odległości

Światło jest bardzo szybkie, dlatego pomiar czasu przy niewielkich odległościach raczej nie wchodzi w rachubę. Większy sens ma to przy monitorowaniu odległości Ziemia Księżyc, gdy opóźnienie wynosi już sekundy. Jednak światło ma też pewną cechę, możemy dokładnie określić jego fazę. I dzięki temu, a także lustrom, które odbijają wiązki światła (laserowego) możemy mierzyć precyzyjnie odległości na Ziemi.

Również wspomniany wcześniej sekstant przy znajomości rozmiarów widzianego z daleka obiektu pozwalał na ocenę dystansu obserwator-obiekt.

Wnętrze LIGO - detektora, który pomógł zarejestrować fale grawitacyjne

Gdyby nie było luster to pomiary odległości byłyby znacznie trudniejsze. Między innymi nie doszłoby do słynnego niedawno potwierdzenia istnienia fal grawitacyjnych.

Parowa elektrownia słoneczna

Lustro, które jest tak wyprofilowane, by skupiać światło może posłużyć do budowy parowych elektrowni słonecznych. W takich elektrowniach promienie słoneczne są koncentrowane tak, by wygenerować w określonym miejscu wysoką temperaturę. Służy ona podgrzaniu wody, a powstała w ten sposób para napędza turbiny w generatorach energii.

fot: Wikipedia/CSIRO

Superszybkie kamery filmowe śledzące obiekty

Widzieliście kiedyś film, w którym widać pocisk wylatujący z działa, a potem powoli, leniwie obracając się w powietrzu przemierzający swoją drogę do celu? Jeśli nie to polecam przykład poniżej. Dlaczego o tym mowa? Bo ponownie, bez luster, a w praktyce bardzo szybko obracających się mechanizmów lustrzanych nie byłoby możliwe uzyskanie takiego filmu.

Pocisk po prostu leci zbyt szybko (prędkość wylotowa do około 1,5 km/s), by śledzić go poprzez normalny ruch kamery. Nawet jeśli kamera zapewnia filmowanie z ultraprędkością.

Dzięki obrotowym lustrom, wirującym 20 tysięcy razy na sekundę i więcej, można skonstruować mechanizm, który będzie podążał za tak szybkim jak pocisk obiektem. Lustro odbije światło i skieruje je do ultraszybkiej kamery. Kombinacja prędkości obrotowej lustra i szybkości filmowania pozwala osiągnąć odpowiednik rejestracji w tempie nawet 25 milionów klatek na sekundę.

Gdyby nie było luster, wielu superszybkich rzeczy i zjawisk pewnie nie ujrzelibyśmy na własne oczy.

Optyczna astrofizyka obserwacyjna

Ta gałąź astronomii zawdzięcza swój niesamowicie dynamiczny rozwój technologii sensorów półprzewodnikowych, które stosowane są już od lat 80. XX wieku. Jednak od dawna, również gdy światło utrwalano na kliszach (czyli szklanych płytach), optyczne teleskopy obserwacyjne nie mogły obejść się bez lustra (chyba że były to lunety wykorzystujące wyłącznie soczewki). Te w różnej postaci, z różnie wykrzywioną powierzchnią, którą można opisać formułami matematycznymi, stanowiły i stanowią po dziś dzień kluczowy element teleskopów, zarówno tych stosowanych na Ziemi jak i w Kosmosie.

Ich zadaniem jest kierowanie światła do odpowiednich instrumentów rejestrujących światło. Czasem astronomowie wykorzystują teleskopy nie z jednym czy dwoma, ale z czterema, pięcioma i więcej lustrami. Lustra poprzez odbicia skracają drogę światła w układzie optycznym, pozwalając zmniejszyć jego rozmiar.

Gdyby nie było luster, trzeba byłoby radzić sobie z lunetami, które znacznie trudniej nakłonić do osiągania tak dobrych parametrów pracy jak teleskopy lustrzane przy stosunkowo niewielkich rozmiarach.

I wiele innych zastosowań

To tylko kilka z ciekawszych zastosowań luster w naszym świecie. Jest ich wiele więcej - sztuczki magiczne, pokoje przesłuchań, badania dentystyczne, teatr i kino, pułapki na insekty, statki podwodne, motoryzacja, czytniki w kasach itd….