Дифракционные решетки. Самодельный спектроскоп или как определить спектр источника света?

Для исследования спектральных свойств (регистрации спектра) различных источников света применяются спектральные приборы — спектроскопы, спектрографы и спектрометры. Спектроскоп (англ. spectroscope) предназначен для визуального наблюдения спектров, спектрограф (англ. spectrograph) — для фотографирования спектров, спектрометр (англ. spectrometer) — для определения положения отдельных спектральных линий или регистрации спектра в виде кривой. Вот как эти термины трактуются в «Словаре иностранных слов» , изданном в Москве в 1954 году:

Как же сделать спектроскоп своими руками?

Дифракционные решетки — естественные и искусственные

Одним из способов наблюдения спектрального состава света является использование дифракционной решетки, представляющей собой поверхность, на которую нанесено большое число регулярно (через шаг решетки $b$) расположенных штрихов/щелей/выступов. На дифракционной решетке наблюдается явление дифракции на щели (дифракция Фраунгофера) — отклонения от законов геометрической оптики.

Впервые дифракционную решетку применил Джеймс Грегори (James Gregory), использовавший в качестве решётки птичье перо. Он пропускал через перо солнечный свет и увидел его разложение на составлящие цвета. Также цвета крыльев многих бабочек обусловлены явлением дифракции.

Искусственную дифракционную решетку площадью 0,5 кв. дюйма впервые создал изобретатель из Филадельфии Дэвид Риттенхаус (David Rittenhouse) в 1875 году — из 50 натянутых волосков (шаг решетки составил 250 мкм), причем он смог наблюдать спектры шестого порядка.

Дэвид Риттенхаус

А вот как описаны проявления дифракции в быту в энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:

На аукционе ebay продаются дифракционные голографические решетки с шагом 1, 2 и 1,88 мкм:

DVD как дифракционная решетка

Но дифракционную решетку можно сделать и самому из … DVD-диска!

Диск DVD+R (DVD+RW) состоит из двух слоев: оптического (2) и отражающего (1).

Я разделил их с помощью ножа:

В DVD-R-диске слои имеют четкую границу между ними и достаточно легко отделяются друг от друга, в отличие от CD-R-диска:

В качестве дифракционной решетки (англ. diffraction grating) можно использовать как оптический (на пропускание — прозрачная решетка, англ. transmission grating), так и отражающий (на отражение — отражательная решетка, англ. reflective grating) слои.

Постоянная такой решетки (шаг между штрихами) для DVD-диска составляет 0,74 мкм (для CD-диска — 1,6 мкм).

Я вырезал из оптического слоя диска DVD+R фрагмент, получив импровизированную прозрачную дифракционную решетку:

Наблюдать дифракцию можно, направив на этот фрагмент (3) луч (2) от лазерной указки(1). При этом на экране появляются не одно, а три пятна — максимума (4,5,6):

Вот как это выглядит в реальности (я использовал «зеленую» лазерную указку с длиной волны 532 нм):

На расстоянии в 43 см от решетки до экрана расстояние от центрального до крайнего пятна составляет 38,5 см, что соответствует углу 42°. Проверка дает угол, равный 46°. Это практически совпадает с экспериментальным результатом!

Дифракционные пятна от излучения красного лазера удалены от центрального пятна на большее расстояние, что согласуется с вышеприведенной формулой (длина световой волны красного лазера больше, чем зеленого).

Приложив этот фрагмент дифракционной решетки вплотную к камере смартфона, я получил спектрограф:

Вот как выглядит на снимке камеры смартфона спектр излучения лампы дневного света:

Искривление линий спектра обусловлено кривизной бороздок на поверхности оптического слоя DVD-диска.

Вращая импровизированную дифракционную решетку, можно выбрать оптимальный вид и положение спектра.

Наблюдавшиеся мной спектры источников света

Вот так выглядят спектры различных источников, которые я получил с помощью вырезанного фрагмента оптического слоя DVD+R-диска:

спектр солнечного света

спектр, как и следовало ожидать, непрерывен во всей видимой области (от фиолетового до красного цветов):

спектр солнечного света, отраженного от Луны:

спектр пламени спички

непрерывный спектр

спектры ламп накаливания

спектр тоже непрерывен, как и спектр солнечного света:

спектры ламп дневного света (люминесцентных ламп)

лампа дневного света:

при вращении импровизированной дифракционной решетки спектр превращается в полоску, на которой выделяются две линии — в фиолетовой и зеленой области спектра: это линии излучения ртути — фиолетовая с длиной волны 435,8 нм и зеленая с длиной волны 546,1 нм

спектры КЛЛ (компактных люминесцентных ламп)

спектр дискретен (отчетливо видны несколько повторяющихся контуров спирального корпуса лампы):

при повороте фрагмента оптического слоя и смартфона контура превращаются в полоски:

Колба изнутри покрыта люминофорами, которые под действием ультрафиолетового излучения от разряда в лампе излучают видимый свет (каждый люминофор — в своей полосе спектра, применяются обычно три или четыре люминофора).

Вот как выглядит спектр излучения КЛЛ с цветовой температурой 4000 K в крупном масштабе: 1 — синяя линия 2 — полоса свечения в синей области спектра 3 — голубая линия 4 — зеленая линия 5 — оранжевая линия 6 — красная линия  

Сравнительная таблица спектров КЛЛ с различной цветовой температурой:

спектры светодиодов

спектр «белого» светодиода:

спектр светодиодной лампы:

Сравнительная таблица спектров светодиодных ламп с различной цветовой температурой:

спектр расположенных рядом на плате ноутбука индикаторных светодиодов белого и оранжевого цвета:

спектр неоновой лампы

спектры ламп уличных фонарей

Для уличного освещения применяются светильники с лампами:ДРЛ — дуговая ртутная лампа с люминофорным покрытием («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «Л» — люминофорная) (ртутная лампа высокого давления, РЛВД) (англ. HPL-N, HQL) — излучает белый свет, требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА)ДРВ — дуговая ртутная лампа с вольфрамовой нитью внутри («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «В» — вольфрамовая), чем отличается от ДРЛ (наличие вольфрамовой нити приводит к возникновению бареттерного эффекта, что стабилизирует ток лампы) — излучает тепло-белый свет (цветопередача лучше, чем у ДРЛ)

Выглядят лампы ДРВ и ДРЛ вот так:

А вот вид фонаря с такой лампой:

В лампах ДРЛ и ДРВ разряд излучает зеленый и ультрафиолетовый свет, а люминофор, которым покрыта колба, излучает под действием ультрафиолета красный свет. Сочетание этих цветов дает белый цвет.

ДНаТ — дуговая натриевая трубчатая лампа («Д» — дуговая, «На» -натриевая, «Т» — трубчатая) (натриевая лампа высокого давления (НЛВД)) (англ. HPS) — излучает желтый свет (но в отличие от ДРЛ не имеет пика в красной и ультрафиолетовой областях спектра)

Выглядят лампы ДНаТ так:

Вот такая лампа смонтирована в одном из уличных фонарей: Сейчас такие лампыы чаще всего используются для уличного освещения.

А вот как выглядит ее спектр:

Спектр этой лампы дискретный, с явным преобладанием красно-желто-зеленой области спектра

Вот так выглядит полученный мной спектр такой лампы в крупном масштабе: 1 — синяя линия 2 — синяя линия 3 — голубая линия около 470 нм 4 — голубая линия около 495 нм 5 — зеленая линия около 570 нм 6 — желтая линия с полосой поглощения около 595 нм 7 — красная линия (около 630 нм)

Полученная картина спектра обладает хорошей линейностью:

А вот спектры еще некоторых таких ламп:

Как видно, здесь наблюдается такая же структура спектра.

ДРИ — металогалогенная (МГЛ) лампа — («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «И» — с излучающими добавками), в ртутные пары добавляется галогенид металла — излучает холодно-белый свет (хорошая цветопередача, но существенный пик в синей области спектра), требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА)

Выглядят лампы ДРИ так:

спектр искрового разряда

Вот как выглядит спектр искрового разряда в разряднике моей катушки Тесла:

Иногда можно увидеть и спектр второго порядка, например, для солнечного света:

Также интерес представляет прохождение света через полупрозрачную среду, например, цветной целлофан.

 Конструкция DVD-спектроскопа

Для расщепления спектра света используют либо призму (в старых спектроскопах), либо дифракционную решетку (в новых).

Вот так выглядит конструкция спектроскопа, работающего на пропускание:

1 — корпус 2 — щеки щели 3 — щель 4 — прозрачная дифракционная решетка 5 — смотровое отверстие

А вот так устроен спектроскоп, работающий на отражение (англ. reflection spectroscope):

В качестве корпуса рекомендуется использовать почтовую коробку (среднего или малого размера), коробку из-под обуви, упаковка из-под овсянки.

Для щек щели рекомендуется использовать либо визитные карточки, либо половинки лезвия. Чем шире щель, тем более расплывчатым будет спектр, чем уже — тем меньше будет яркость спектра. Рекомендуется ширина 0,2 мм.

Для светоизоляции корпуса рекомендуется использовать алюминиевую фольгу или ленту.

На аукционе ebay продается вот такой Diffraction Grating Spectroscope Kit:

Перья птиц как дифракционные решетки

Перо птицы имеет настолько тонкую структуру, что может выступать в роли дифракционной решетки.

Структура птичьего пера показана в энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:s — стержень; a — бородки; st — бородочки

Переплетение бородочек и образует дифракционную решетку.

Перо №1

Я извлек перо из перьевой подушки.

Вот так выглядит структура этого перышка под моим микроскопом из веб-камеры (видны стержень, несущий опахало из бородок (лучей первого порядка) и бородочек (лучей второго порядка)):

Направив луч зеленой лазерной указки с длиной волны $lambda$ 532 нм на это перо, я увидел дифракционную картину:

Перо №2

Второе перо мы нашли в саду:

Вот структура пера под моим микроскопом из веб-камеры (1 — светлая область, 2 — темная область):

Направив луч зеленой лазерной указки с длиной волны $lambda$ 532 нм на это перо, я увидел дифракционную картину: 1 — пятно от луча лазера без дифракции; 2 — дифракционная картина

Радуга

Радуга — сложное оптическое явление, в котором проявляются эффекты как дисперcии, так и дифракции. Часто наблюдаются основная (1) и вторичная (2) радуги:

Явление радуги объясняетcя совместным действием преломления и дифракции на беспорядочно расположенных шарообразных капельках воды.

Интересные ссылки

http://www.pl.euhou.net/docupload/files/Excersises/WorldAroundUs/Diffraction/Diffraction_on_bird_feather1.doc — описание опытов с дифракцией на птичьих перьяхhttp://astro.u-strasbg.fr/~koppen/spectro/mk4e.html — описание построения работающего на пропускание CD-спектроскопаhttp://www.inpharmix.com/jps/CD_spectro.html — описание построения спектрографов из дисков и ПВХ-труб журнал «Юный техник» №5 за 2011 год — описана конструкция спектроскопа, работающего на отражение

Продолжение следует

Спектрометр — прибор, измеряющий спектр света и позволяющий определить такие параметры, как цветовая температура и индекс цветопередачи. Пульсметр — прибор, измеряющий пульсацию света. Uprtek MF250N совмещает эти два прибора и, судя по всему, является самым дешёвым спектрометром в мире. Спектрометры бывают двух видов — те, которые анализируют свет и те, которые анализируют свойства материалов в отражённом свете. Статья в википедии посвящена вторым, а те спектрометры, о которых я рассказываю, используются для анализа света. Такие спектрометры стоят довольно дорого (прежде всего из-за того, что производятся они небольшими партиями). Прибор UPRtek MK350D (мой обзор), который я использую в проекте Lamptest, стоит $1700 и это ещё считается дёшево. Бюджетный спектрометр-пульсметр Uprtek MF250N стоит вдвое дешевле — $850. От более дорогих моделей он отличается немного меньшей точностью, отсутствием возможности подключения к компьютеру и питанием от батареек. До последней прошивки данные можно было посмотреть лишь на экране прибора, но в новой прошивке добавили возможность сохранения данных на карту памяти, которая раньше использовалась только для обновления прошивок. Спектрометры Uprtek производит одноимённая тайваньская компания. В разработке спектрометров и написании математических моделей участвовала Санкт-Петербургская компания ИНТЕХ Инжиниринг, она же занимается продажей продукции Uprtek в России. Ещё раз хочу выразить благодарность этой компании и её генеральному директору Алексею Панкрашкину за спектрометр MK350D, предоставленный для проекта Lamptest. UPRtek MF250N анализирует видимый свет в диапазоне длины волн 380-780 нм и может воспринимать свет при освещённости 70-70000 лк. Разрешение матрицы 16 бит, шаг измерения длины волны 1 нм, шаг записи в файл 2 нм, точность измерения длины волны ± 1 нм, погрешность измерения освещенности ± 5%. По спектру рассчитывается пиковая длина волны, коррелированная цветовая температура (погрешность измерения ± 3.5%), усреднённый индекс цветопередачи Ra (погрешность измерения ± 2.5%). Точность измерений параметров цвета у MF250N немного ниже, чем у более дорогих спектрометров Uprtek (у них погрешность измерения цветовой температуры не превышает 2%, а погрешность измерения CRI 1.5%). С помощью отдельного датчика измеряются параметры пульсации света. Скорость измерения — 5 измерений в секунду. Диапазон освещённости для измерения пульсации — 30-60000 лк. Измеряемая частота пульсации 5-2000 Гц. Отображаемые параметры пульсации: индекс пульсации, коэффициент пульсации, уровень видимого стробоскопического эффекта (SVM), частота пульсации. Есть режимы графика БПФ (быстрое преобразование Фурье) и осциллографа. Питание — 4 батареи АА. Время непрерывной работы от батарей — до 5 часов. Размер и вес прибора с батареями — 80x65x30 мм, 300 г. В комплект поставки входит чехол. Измерительная головка спектрометра отсоединяется для того, чтобы её можно было переворачивать. Используется разъём USB Type C, но назначение контактов скорее всего нестандартное. Окно датчиков закрывается непрозрачной крышкой. В центре белое окошко датчика спектрометра (свет раскладывается на спектр с помощью дифракционной решётки и попадает на линейную CMOS-матрицу), сверху окно датчика пульсации. Прибор питается от четырёх батареек AA. Можно использовать аккумуляторы. На левом торце кнопка включения/выключения. На правом торце кнопка запуска измерения спектра. Экран прибора имеет размеры 43 x 58 мм (2.8″). Он не сенсорный. Выбор режимов осуществляется четырьмя кнопками. На правом торце есть резиновая наклейка, под которой есть разъём MiniUSB и слот для карты памяти MicroSD. Разъём использовать не получится, а на карту можно сохранять результаты измерений. При включении прибор предлагает откалиброваться. Для калибровки нужно закрыть крышку датчика и нажать кнопку с кружком. Управление осуществляется через меню. Кнопки со стрелками перемещают указатель по меню, кнопка с точкой активирует нужный пункт, кнопка «назад» позволяет вернуться в главное меню. Первый пункт — основные параметры света. CCT — цветовая температура; CRI — индекс цветопередачи; Lux — освещённость; λP — пиковая длина волны; iTime — время интеграции (спектрометр делает много измерений в течение указанного времени и вычисляет средние значения. Чем меньше света, тем большее требуется время интеграции). Второй пункт — спектр. Третий, четвёртый и пятый пункты касаются измерения пульсации. Пульсация измеряется непрерывно. Остановить и продолжить непрерывное измерение (режим HOLD) можно кнопкой на правом торце прибора. Основной экран измерения пульсации — режим FLICKER. Findex — индекс пульсации. Параметр, учитывающий как изменение яркости при пульсации, так и скважность импульсов. Fpercent(%) — процент пульсации. Когда пульсация отсутствует, он равен нулю. При максимальной пульсации его значение составляет 100%. Процент пульсации рассчитывается по минимуму и максимуму яркости света. SVM (Stroboscopic Visibility Measure) — уровень видимого стробоскопического эффекта. Freq (Hz) — основная частота пульсации. Режим FFT отображает распределение пульсации по частотам по методу быстрого преобразования Фурье. Режим LIGHTWAVE отображает осциллограмму формы пульсации. В режиме SYSTEM можно включить или отключить звук нажатия кнопок, настроить яркость экрана и режим энергосбережения, посмотреть версию прошивки. Сохранить данные измерения на карту памяти можно в режимах BASIC и FLICKER. Для этого нужно нажать и подержать кнопку с точкой, находясь в одном из этих режимов. Каждому новому сохранению присваивается новый номер. Данные сохраняются в формате Excel. Результаты спектрометрии в файле RAW_SPD.XLS, результаты измерения пульсации в файле RAW_FLK.XLS. Каждая строка в файле RAW_SPD.XLS — новое измерение. В столбце 1 — номер измерения, в столбцах 2-6 цветовая температура, индекс цветопередачи, освещённость, пиковая длина волны, время интеграции. В столбцах 7-207 значения уровня по длинам волн (за единицу принимается значение уровня на пиковой длине волны). Формат файла RAW_FLK.XLS. Не удобно, что прибор не может измерять одновременно параметры спектра и пульсации. Переход из одного режима в другой тоже не самый удобный — чтобы перейти из режима измерения параметров спектра в режим измерения пульсации нужно нажать четыре кнопки: (назад, вправо, вправо, точка). Не очень удобно, что нет автоматического сохранения на карту памяти и нужно каждый раз держать кнопку с точкой в течение двух секунд. С другой стороны хорошо, что возможность сохранения вообще появилась, ведь в предыдущих версиях прошивки её не было. Однако, не стоит забывать, что Uprtek MF250N стоит вдвое дешевле других спектрометров и он ещё и измеряет пульсацию, так что небольшие недостатки ему можно простить, учитывая что точность измерений у него лишь немного меньше, чем у гораздо более дорогих приборов. © 2017, Алексей НадёжинГлавная » Каталог » Измерения цвета и света

Категории:

Измерение цвета необходимо для того, чтобы определить координаты оттенков цветов, над которыми производится контроль. Координаты предоставляются в трехмерной системе. Для выполнения измерения цвета прибегают к двум эффективным методам. Первый метод подразумевает колориметрию, а второй денситометрию, которая дает возможность иметь данные о плотности красочного насыщения.

Продукция, представленная здесь, позволяет с самый высокой точностью определить цвет и измерить его, измерить яркость и проводить контроль цвета.

Среди всего разнообразия можно выделить следующие группы измерительных приборов:

• Спектрофотометры. Определяя длину волны электромагнитного излучения в диапазоне оптики, оборудованием исследуется спектральный состав, а также определяются спектральные характеристики, данные для фотометрирования. Используются для контроля печати.
• Спектрометры (спектрорадиометры). Представляют собой оптические системы, которые накапливают в себе спектр и производят его подсчет. Производится регистрация данных о спектре путем сканирования, после чего данные преобразовываются в электрический сигнал.
• Блескомеры. Измеряют блеск в тех областях, где он является непосредственным параметром качества.
• Экспонометры. Аппараты, определяющие экспозицию. Используются в кинематографии, фотографии.
• Колориметры. Аппараты, позволяющие получить точные данные о цвете по цветовой шкале. Получили распространение для определения интенсивности цвета и его сравнения со стандартом в тех областях где необходим контроль качества смешивания красок, достижения смесей определенного цвета и т.д..
• Люксметры. Дают данные об освещенности.
• Яркомеры. Определяют яркость источников света.
• Колориметры. Оборудование, дающее возможность обладать данными о температуре света (его качества), исходящего от самых различных источников.

Приборы, которые представлены у нас, позволяют быстро и точно определить качество и количество света, получить характеристики цвета.

Статьи:

Измерение и сравнение цветовТеория измерения цветаПараметры приборов и точность измеренийРоль цвета в оценке качества продукцииАппаратное измерение цветаВыбор спектрофотометраТипы измеряемых материаловПочему надо измерять цвета? и как?Используемые источники:

• https://acdc.foxylab.com/spectr
• https://habr.com/post/370961/
• http://www.ndt-td.ru/katalog/izmereniya-tsveta-i-sveta.html