Спектрометр своими руками

• Цена: $31.46

В рамках своих увлечений часто сталкиваюсь со светодиодами. Одной из характеристик любого светового прибора является спектр. Для его анализа я уже использовал дифракционную решетку и школьный спектроскоп на основе призмы взятые у знакомого учителя физики. Но потребность в таком приборе появляется периодически и спектроскоп, а еще лучше спектрометр хотелось бы иметь под рукой. Идеальным входом была бы покупка спектрометра, но жаба вежливо покрутила у виска. Попытка сварганить спектрометр из CDROMа хорошего стабильного результата не дала. И тогда мой взгляд обратился к ювелирным спектроскопам. Жаба снова пыталась возразить, на я вспомнил, как в комментарии к предыдущему обзору народ мерил стоимость покупок баками бензина и понял, что для нормального прибора цена приемлема ))) Дешевый китайский рынок представлен двумя типами спектроскопов — с призмой и чуть более дорогой — с дифракционной решеткой. Я выбрал дифракционный Раз вещь для ювелиров — то в комплекте шел «кожаный» чехол

Размеры у спектроскопа маленькие Что в прочем было ясно из описания магазина Собрано все крепко, так что расчлененки не будет. Поверим и так, что с одной стороны трубки стоит объектив-линза, с другой дифракционная решетка и защитное стекло. А внутри красивая радуга. Налюбовавшись ею вволю стал искать, а что бы такое посмотреть на спектре. К сожалению, по прямому назначению спектроскоп применить не удалось, так как вся моя коллекция брильянтов и драгоценных камней ограничилась обручальным кольцом, совершенно непрозрачным и не дающим никакого спектра. Ну разве что в пламени горелки ))). Зато ртутная люминисцентная лампа честно дала много красивых полосок. Вволю налюбовавшись различными источниками света озадачился вопросом, что нужно картинку как то зафиксировать и спектр измерить.

Немного DIY

В голове уже давно крутилась картинка насадки на фотоаппарат, а под столом стоял ЧПУ станочек, не прошедший еще последней модернизации, но вполне успешно справляющийся с ПВХ пластиком.

Конструкция получилась не очень красивой. Все таки люфты по X и Y я победил не до конца. Ничего ШВП уже лежат в сборе и ждут, когда опорные линейные рельсы приедут. А вот функциональность получилось вполне приемлемой, чтобы радуга отобразилась на стареньком Canon, давно лежащем без дела. Правда тут меня ждало разочарование. Красивая радуга становилась какой то дискретной. Всему вина — RGB матрица любого фотоаппарата и камеры. Поигравшись с настройками баланса белого цвета и режимами съемки, я смирился с картинкой. Ведь преломление света не зависит от того, каким цветом фиксировать изображение. Для спектрального анализа подошла бы и черно-белая камера с максимально равномерной чувствительностью по всей ширине измеряемого диапазона.

Методика спектрального анализа.

Путем проб и ошибок нарисовалась такая методика 1. Рисуется картинка шкалы видимого диапазона света (400-720нм), на ней обозначаются основные линии ртути для калибровки. 2. Снимается несколько спектров, обязательно с эталонным ртутным. В серии съемок нужно зафиксировать положение спектроскопа на объективе, чтобы исключить сдвиг спектра из серии снимков по горизонтали. 3. В графическом редакторе шкала подгоняется под ртутный спектр, а все остальные спектры масштабируются без горизонтального сдвига в редакторе. Получается что-то вроде этого А после наложения шкалы: 4. Ну а потом все загоняется в программу анализатор Cell Phone Spectrometer из этой статьи Проверяем методику на зеленом лазере, у которого длина волны известна — 532нм

Погрешность получилась около 1% что при ручной методике подгона ртутных линий и рисования шкалы практически от руки очень даже неплохо. Попутно узнал, что зеленые лазеры не прямого излучения, как красные или синие, а используют твердотельную диодную накачку (DPSS) с кучей вторичных излучений. Век живи — век учись! Измерение длины волны красного лазера тоже подтвердило правильность методики Для интереса померил спектр свечки И сжигания природного газа Теперь можно мерить спектр светодиодов, например «полный спектр» для растений Но об этом будет мой следующий обзор. Сравнение характеристик светодиодов разных производителей, дурят ли нас китайцы и как сделать правильный выбор. В кратце, полученным результатом доволен. Может быть имело смысл подключить спектроскоп к веб камере для непрерывного измерения спектра, как в этом проектеА пока фотосессия Кот и спектрометрАнизиз спектра светодиодов с использованием дифракционной решетки и школьного спектроскопа

Всем привет! Вы смотрите Огненное ТВ! Сегодня мы будем делать спектрометр!

Наверное уже все слышали о том, что для здоровья очень важно, что бы источники света в квартире и на работе имели полный спектр света.

Но как узнать какой спектр у вашей лампочки?

Для начала изготовим корпус из плотной бумаги или картона. Я уже проверил пару вариантов и опытным путем подобрал необходимые размеры. Если вдруг вы решите собрать такую же штуку, то я начертил готовую схему, которую можно скачать на моем сайте, распечатать на обычном листе вырезать и склеить.

Внутренняя поверхность не должна отражать свет, иначе картинка будет засвечена. Маркер отлично справится с этой задачей. Я закрасил все участки картона на которые может попадать свет.

Теперь потребуется дифракционная решетка. Именно она разбивает луч света на спектр.

Добыть ее можно из любого диска CD, DVD или Blu-ray

Структура оптических дисков устроена таким образом, что они имеют небольшие неровности, которые вызывают дифракцию света.

Штампованные диски имеют неровности в виде небольших черточек, а перезаписываемые чистые болванки изначально имеют ровные бороздки.

В принципе не важно какие диски использовать, но желательно чтоб эти бороздки или неровности были как можно чаще, DVD диски — это оптимальный вариант.

Сейчас проведем простейший эксперимент. Свет от лампочки будет падать на диск и часть отразится в виде небольшой радуги, это и будет спектр источника света.

Что бы захватить весь спектр, нужно придвинуть камеру очень близко.

Вот так выглядит спектр света, исходящего от светодиодной лампы.

А вот так выглядит спектр энергосберегающей лампы, разница огромная.

А вот спектр обычной лампы накаливания, видно, что в ее спектре очень много красной составляющей.

А вот это спектр видимого света ультрафиолетовой лампы, видно что кроме фиолетового в ней присутствует еще и зеленый.

Теперь сравним три разных болванки:

DVD rw

DVD r

CD r

Тут мы видим, что у CD диска самый худший результат, цвета слишком размытые.

Разделение света на спектр можно увидеть, если посветить фонариком в центр диска, или поставить диск за горящей свечей, получается очень красивый эффект.

Возвращаемся к нашему спектрометру!

Вырезаем прямоугольный кусок подходящего размера.

После того, как диск обрезан со всех сторон, его очень легко можно разделить на две части, на зеркальную и прозрачную.

Нам понадобится прозрачная часть. Приклеиваю ее к картону.

Теперь аккуратно склеиваю корпус.

Достаточно просто направить его на любой источник света и посмотреть на пластиковую пластинку.

Если прислонить получившуюся коробочку к камере смартфона, то можно сделать снимки и по ним проанализировать спектр, позже я покажу как это сделать.

Как видите, через такой прибор спектр видно более четко, особенно это заметно, если смотреть на люминесцентную лампу. Все пиковые значения видны более отчетливо.

Делать снимки — это не очень удобно, гораздо удобней анализировать источник света в реальном времени!

Для этого потребуется просто прислонить веб камеру прямо к пластиковой платине.

Можно было также придумать крепление из картона, но я решил изготовить более прочный вариант прибора из макетного пластика. Это вспененный пвх-пластик, один из моих любимейших материалов, его легко резать и легко склеивать суперклеем. Из него можно сделать все что угодно, я часто им пользуюсь и у меня спрашивали, как он называется и где его брать. Просто забейте в поиске «пенопвх» или «макетный пластик» и вы обязательно найдете то что нужно.

В пластиковом спектрометре я сделал выдвижную заслонку, что бы можно было регулировать количество света, попадающего внутрь прибора.

Для камеры я сделал небольшой корпус, предварительно вручную настроив ее фокус на объекты находящиеся примерно в одно метре от ее объектива.

Чтоб прибор уверенно стоял и его можно было четко настроить, я приделал ему ноги и закрепил их на куске фанеры. Теперь спектрометр можно направить на источник света и спокойно производить измерения.

Двигаем прибором так, чтобы он получше поймал свет, регулируем заслонку, чтоб скорректировать яркость и жмем на центр нашей радуги, так чтоб желтая полоска проходила максимально через весь спектр. Считываться с камеры будут значения именно под этой полоской.

Нажимаем синюю кнопку «начать»

Видим, как появился график в реальном времени, но значения в нанометрах не совсем правильные, нужна калибровка.

Жмем кнопку «сохранить», придумываем любое название, и снова жмем синюю кнопку.

На открывшейся странице нажимаем кнопку «калибровать».

Теперь нужно подтянуть синий и зеленый цвета, так, что бы пиковые значения примерно совпали с вашим спектром.  Кстати, калибровать нужно только по свету энергосберегающих люминесцентных ламп, у них самый прерывистый спектр и можно увидеть пиковые значения.

После того, как синий и зеленый цвета подвинуты на свои места, снова нажимаем кнопку «захват спектра» и получаем спектр с откалиброванными значениями.

Если подвигать заслонкой, то можно видеть, как меняется яркость.

Я поставил лампу накаливания, и увидел, что ее спектре слишком много синего цвета, а такого не может быть, у ламп накаливание преобладает красный цвет в спектре.

И еще раз давайте глянем на ультрафиолетовую лампу.

Камера фиксирует только видимый спектр света, и может увидеть только синий, фиолетовый и немного зеленого.

С видиофиксацией спектра вроде разобрались, а что делать с фото сделанные на телефон?

Я открываю полученные фото в графическом редакторе, выделяю самую красивую часть спектра и растягиваю ее по высоте. Важно чтобы синяя часть спектра была слева или сверху, это необходимо для анализа.

• Tutorial

Друзья приближается вечер пятницы, это прекрасное интимное время, когда под покровом манящего сумрака можно достать свой спектрометр и всю ночь, до первых лучей восходящего солнца мерить спектр лампы накаливания, а когда взойдет солнце померить и его спектр. Как у вас все еще нет своего спектрометра? Не беда пройдемте под кат и исправим это недоразумение. Внимание! Данная статья не претендует на статус полноценного туториала, но возможно уже через 20 минут после её прочтения вы разложите свой первый спектр излучения.

Человек и спектроскоп

Я буду повествовать вам в том порядке, в котором проходил все этапы сам, можно сказать от худшего к лучшему. Если кто-то нацелен сразу на более ли менее серьезный результат, то половину статьи можно смело пропустить. Ну а людям с кривыми руками (как у меня) и просто любопытным будет интересно почитать про мои мытарства с самого начала. В интернете гуляет достаточное количество материалов о том, как собрать спектрометр/спектроскоп своими руками из подручных материалов. Для того чтобы обзавестись спектроскопом в домашних условиях, в самом простом случае понадобится совсем не много — CD/DVD болванка и коробка. На мои первые опыты в изучении спектра меня натолкнул этот материал — Спектроскопия Собственно благодаря наработкам автора, я собрал свой первый спектроскоп из пропускающей дифракционной решетки DVD диска и картонной коробки из под чая, а еще ранее до этого мне хватило плотного куска картона с прорезью и пропускающей решетки от DVD болванки. Не могу сказать, что результаты были ошеломляющие, но первые спектры получить вполне удалось, чудом сохраненные фотографии процесса под спойлеромФото спектроскопов и спектраСамый первый вариант с куском картона Второй вариант с коробкой из под чая И отснятый спектр Как вариант можно сделать по другому, использовать отражающий слой или использовать спичечный коробок и лезвия.

От спектроскопа к спектрометру

Ну что же предположим, что вы уже посмотрели на спектры всего, что светиться в вашем доме. Возникает логическое развитие ситуации. Как же теперь исследовать то, что получили? Тут нам опять-таки на помощь придут сразу несколько вариантов. Первым, что я нашел по тематике спектрального анализа, оказалась разработка зарубежного ученого — «Cell Phone Spectrophotometer», которая предлагает в качестве спектрометра использовать собранный спектроскоп, камеру мобильного телефона и написанное автором бесплатное ПО Интересная система, но ввиду отсутствия компонентов под рукой, саму систему я собирать не стал, а воспользовался только ПО и заранее отснятыми спектрами. Как ни странно, но использование ПО (CellPhoneSpec.exe), вызвало у меня и у коллеги некоторые затруднения, по большей части эмпирически я разобрался, как оно работает, до сих пор надеюсь, что понял правильно, в любом случае даже если и нет, то в конце статьи я приведу вариант, который железно работает. Ну а пока немного о CellPhoneSpec. Моя инструкция больше похожа на пляски с бубном, но все же. Для работы с программой нам понадобиться образец полного спектра и фото отснятого опытного спектра ну а дальше по порядку: 0) Желательно для удобства положить все фото в одну папку к .exe файлу программы 1) Открываем программу, в поле reference выбираем картинку с образцом полного спектра, в поле sample выбираем фото образца 2) Кликаем на крайний синий участок reference всплывает диалог – выбираем “blue end”, кликаем на красный конец спектра и выбираем “red end” соответственно, ну и тоже самое проделаем для вкладки с образцом. 3) Казалось бы вот и все давай строй графики, но постоянно выскакивает некая ошибка, Я лечу ее так. В полях spectrum parameters удаляю значения после точки и точку включительно ну допустим делаю из 720.0 просто 720 и жму enter и так для всех значений, после этого в поле sample еще раз выбираю тот же рисунок что подкладывал вначале и после этого о чудо загорается кнопка Make Plot 4) Нажимаем Make Plot получаем графики трех каналов (RGB) и суммарный. Полученные данные можно сохранить в CSVСкриншотВид настроенной программы Не могу сказать насколько достоверен данный метод, но полученные графики худо бедно можно коррелировать с моими ожиданиями и с графиками полученными с помощью SpectralWorkbench., но я все же не буду утверждать, что методика описанная мной на 100% верна (в инструкции автора я особо не вникал).

Самый сок

Ввиду неуверенности в качестве да и не особого удобства получения результатов спектрального анализа полученных ранее, я обратился за помощью к своему талантливому другу и коллеге И этот золотой человек с прямыми руками собрал мне прекрасный спектроскоп. За основу он взял разработки проекта PublicLab.org (инструкция по сборке), о котором ранее упоминалось на просторах Хабра Единственное для моего удобства, он модифицировал данную конструкцию USB видеокамерой, получилось вот так:фото спектрометра

Автор сего рукотворного чуда просил добавить комментарий: «Простите, синяя изолента кончилась, пришлось взять заграничный аналог» 🙂 Сразу скажу, эта модификация избавила меня от необходимости пользоваться камерой мобильного телефона, но был один недостаток камеру не удалось откалибровать под настройки сервиса Spectral Worckbench (о котором пойдет ниже речь). Поэтому захват спектра в режиме реального времени мне осуществить не удалось, но распознавать уже собранные фотографии вполне. Итак допустим вы купили или собрали спектроскоп по указанной выше инструкции. После этого создайте учетную запись в проекте PublicLab.org и переходите на страницу сервиса SpectralWorkbench.org Дальше я опишу вам ту методику распознавания спектра, которой пользовался сам. Для начала нам надо будет откалибровать наш спектрометр, Для этого вам будет необходимо получить снимок спектра люминесцентной лампы, желательно — большой потолочной, но подойдет и энергосберегающая лампа. 1) Нажимаем кнопку Capture spectra 2) Upload Image 3) Заполняем поля, выбираем файл, выбираем new calibration, выбираем девайс (можно выбрать мини спектроскоп или просто custom), выбираем какой у вас спектр вертикальный или горизонтальный, чтобы было понятно спектры на скриншоте предыдущей программы — горизонтальные 4) Откроется окно с графиками. 5) Проверяем, как повернут ваш спектр. Слева должен быть синий диапазон, справа — красный. Если это не так выбираем кнопку more tools – flip horizontally, после чего видим, что изображение повернулось а график нет, так что нажимаем more tools – re-extract from foto, все пики снова соответствуют реальным пикам. 6) Нажимаем кнопку Calibrate, нажимаем begin, выбираем синий пик прямо на графике (см. скриншот), нажимаем ЛКМ и открывается всплывающее окно еще раз, теперь нам надо нажать finish и выбрать крайний зеленый пик, после чего страница обновиться и мы получим откалиброванное по длинам волн изображение. Теперь можно заливать и другие исследуемые спектры, при запросе калибровки нужно указывать уже откалиброванный нами ранее график. СкриншотВид настроенной программы Внимание! Калибровка предполагает, что вы в дальнейшем будете делать снимки на тот же самый аппарат, который калибровали изменение аппарата разрешения снимков, сильное смещение спектра на фото относительно положения на откалиброванном примере, может исказить результаты измерения. Честно признаюсь я свои снимки слегка правил в редакторе. Если где была засветка, затемнял окружение, иногда немного поворачивал спектр, чтобы получить прямоугольное изображение, но еще раз повторюсь размер файла и расположение относительно центра снимка самого спектра лучше не менять. С остальными функциями вроде макросов, авто или ручной подстройки яркости я предлагаю вам разобраться самостоятельно, на мой взгляд они не так критичны. Полученные графики потом удобно переносить в CSV, при этом первое число будет дробной (вероятно дробной) длинной волны, а через запятую будет усредненное относительное значение интенсивности излучения. Полученные значения красиво смотреться в виде графиков, построенных например в Scilab У SpectralWorkbench.org есть приложения для смартфонов. Я ими не пользовался. поэтому оценить не могу. Красочного вам дня во всех цветах радуги друзья. UPD: По просьбе , дополнительно напишу, что вариант с оборудованием SpectralWorckbench является одним из наиболее бюджетных, некоторые дополнительные модули спектрометра для ардуино могут стоить 500 вечно условных единиц.Используемые источники:

• https://mysku.ru/blog/aliexpress/50243.html
• http://ognennoetv.ru/2018/05/25/спектрометр-своими-руками/
• https://habr.com/post/189548/