Самодельный спектрометр с высоким разрешением
Хорошее разрешение достижимо
В интернете много публикаций о том, как используя DVD-R диск и смартфон можно собрать спектрометр, однако характеристики таких устройств не позволяют проводить точные измерения. Мне же удалось сделать прибор с разрешением 0,3 нм.
Основные характеристики
Спектрометр работает в диапазоне 400-700 нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD-R диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.
Конструкция и изготовление прибора
Дифракционная решетка
Просто красивый спектр свечи на DVD-R диске
Диск был расслоен на две половины и разрезан на части, которые после промывания спиртом были помещены в рамки. Дифракционная решетка готова.
Дифракционная решетка из DVD-R диска
Изготовление сменных оптических щелей
В дюралевой пластине сверлю отверстие диаметром 8 мм. Клеевым пистолетом закрепляю половинку лезвия безопасной бритвы, располагая режущую кромку по центру отверстия. Вставляю в отверстие щуп толщиной 50 мк, плотно прижимаю вторую половину лезвия и приклеиваю ее. Аналогично делаю щели 100 мк, 200 мк и 300 мк. Сменные оптические щели готовы.
Корпус спектрометра
Делаю деревянный корпус. Окрашиваю внутри и снаружи в черный цвет.
Оптика и регистрация спектра — фотоаппарат NIKON D5100
Зеркальная фотокамера NIKON D5100
Примерно на 3000 пикселей матрицы приходится около 300 нм видимого спектра. Т.е. 1 пикселю соответствует 0.1 нм. Для надежной регистрации линии нам нужно два-три пикселя. Расчеты показывают, что для такого разрешения размеры оптической щели должны быть порядка 100 микрон. Было сделано несколько щелей для выбора лучшего варианта экспериментальным путем.
Чтобы получить такое разрешение необходим зеркальный фотоаппарат с хорошим объективом. Смартфон и веб-камера не подходят. Требуется большая апертура и ручные настройки. На данный момент на Авито можно приобрести подходящую камеру по цене от 5 до 10 тысяч рублей.
Настройка и калибровка спектрометра
Калибровка прибора проводилась перед каждой серией экспериментов по известному спектру компактной ртуть содержащей люминесцентной лампы.
Лампа для калибровки
Определение длины волны линий исследуемого спектра возможно без специального программного обеспечения. Ниже спектр лампы с линиями ртути 435,8 нм, 546,0 нм, 577,0 нм и 579,1 нм. Линия 611 это уже Европий.
Спектр лампы с линиями ртути
Две линии ртути крупным планом Еще крупнее
Расстояние между линиями 2, 1 нм. Половина ширины линии на кадре не более 0,3 нм, что соответствует примерно 3 пикселям матрицы. Делаем вывод – разрешение прибора 0,3 нм. Что в дальнейшем подтвердится съемкой двойной линии натрия.
Для построения спектральных кривых можно использовать программу сайта Spectral Workbench
Спектр лампы, которую я применял для калибровки
Измерение различных спектров
Были проведены несколько классических экспериментов.
Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. Полдень Спектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нм
Опыты по определению концентраций растворов KMnO4
Спектр пламени газовой горелки
Самый интересный эксперимент, ради которого и был изготовлен спектрометр — измерение спектра пламени костра
На фоне непрерывного спектра была зарегестрированна яркая линия, которую я назвал линией огня.
Астрномия, время
Календарь-додекаэдр ‘2018 Вечный календарь Планисфера из CD Меридианальная планисфера Солнечные часы Солнечные часы-глобус Астрограф Телескоп за 1 тыс. руб Гагаринский «Восток»
Микроскоп Левенгука Микроскоп из Web-камеры Увидеть спектр за 5 минут New! Спектроскоп из CD
Спектроскопия сыграла заметную роль в развитии науки и сегодня очень широко используется в физике, химии, астрономии… Именно при наблюдениях спектра Солнца был впервые открыт гелий (намного раньше, чем его обнаружили на Земле). По спектрам можно определить химический состав звезд и изучить их движение, многое узнать о физических процессах в их недрах… Это один из важнейших инструментов астрофизики. Но для многих опытов достаточно простейшего спектроскопа, который можно легко изготовить самостоятельно за полчаса из подручных материалов.
Основой простейшего спектроскопа может стать дифракционная решетка, изготовленная из CD или DVD диска. Великолепная, очень простая и продуманная конструкция спектроскопа предложена Arvind Paranjpe (к сожалению, сейчас его страница недоступна). Мой вариант по сути мало чем отличается — разве что применены другие материалы и конструкция пригодна для использования с WEB-камерой.
Итак, нам понадобится обрезок кабель-канала из ПВХ длиной около 20 см (но можно использовать и другие подходящие профили), компакт-диск и одноразовый бритвенный станок. Наш спектроскоп предельно упрощен и не содержит никаких линз.
Сначала изготовим основу инструмента — дифракционную решетку. Её роль выполняет прямоугольник, вырезанный из компакт-диска. Компакт-диск можно использовать любого типа — CD, DVD, CD-R/RW или DVD-R/RW, но лучше взять незаписываемый CD или DVD с зеркальной рабочей поверхностью — такой диск лучше отражает свет и не будет вносить цветовых искажений.
Важнейшая характеристика дифракционной решетки — её период. Чем он меньше (чем больше штрихов приходится на один миллиметр) тем лучшее разрешение позволит получить решетка. В нашем случае роль штрихов решетки выполняют дорожки компакт-диска (расстояние между дорожками составляет для CD — 1.6 мкм, для DVD — 0.74 мкм) для улучшения характеристик мы расположим диск под малым углом к падающему лучу света. Такое расположение не только увеличивает разрешающую способность решетки, но и уменьшает влияние кривизны дорожек диска. В идеале на решетку должен падать параллельный пучок лучей, в настоящих спектрографах для этого служит специальная оптическая система — коллиматор. Но можно обойтись и без него, если щель будет располагаться относительно далеко (не менее 10..15 см) от решетки. Щель легко изготовить из двух лезвий, наклеенных на диафрагму-основание так, чтобы между ними оставался тонкий ровный просвет шириной около 0,2..0,3 мм. Наблюдать спектр, полученный после отражения от дифракционной решетки можно непосредственно глазом или фотографировать с помощью Web-камеры.
Конструкция прибора понятна из фото. В качестве передней стенки-диафрагмы и основы для щели я использовал черный пластик от папок-скоросшивателей (очень удобный материал для оптических самоделок!), в нем вырезано прямоугольное отверстие, на котором нужно закрепить лезвия щели. Их можно приклеить клеем типа «Момент» — это позволит до высыхания клея легко отрегулировать ширину щели. Из рабочей чсти поверхности компакт-диска ножницами или раскаленным ножом (будьте осторожны!) нужно вырезать прямоугольник со сторонами, параллельными радиусу и шириной 1,5..2 см. Лучше попробовать вырезать несколько таких деталей, посмотреть на отражения в них под осттрым углом и выбрать ту, которая имеет наименьшие искажения. Края детали, которые чаще всего деформируются при вырезании, можно заклеить полосками черной изоленты, вполне достаточно оставить рабочий участок шириной 5..10 мм. Это и есть дифракционная решетка. Наклейте её двухсторонним скотчем (клей может повредить покрытие) на клин из пробки или пенопласта (угол к направлению падения лучей должен составлять 20-25°) и закрепите в корпусе напротив отверстия в верхней крышке.
Желательно зачернить внутренние поверхности прибора и устранить возможные щели.
Спектроскоп готов!
Для проверки изготовленного устройства напрвьте его на любую энергосберегающую лампу — они имеют спектр, состоящий из нескольких ярких линий разных цветов. Спектр лампы накаливания, напротив, выглядит непрерывной радугой. Но наиболее интересный и доступный объект — Солнце. В его спектре легко можно увидеть основные линии поглощения (фраунгоферовы линии).
Ниже приведены фотографии спектров энергосберегающей лампы и Солнца, сфотографированные с помощью недорогой Web-камеры.
Для фотографирования спектров, конечно, можно использовать и компактный фотоаппарат или даже камеру мобильного телефона. В любом случае объектив камеры должен быть сфокусирован на щель спектроскопа, поэтому некоторые Web-камеры и телефоны, объективы которых не имеют возможности фокусировки, не подойдут для этой цели.
Обратите внимание, что на фото видны спектры трех порядков, причем второй и третий частично перекрываются, однако это обычно не мешает наблюдать спектральные линии. В солнечном спектре лучше рассматривать или фотографировать линии второго порядка, для более слабых источников света может оказаться удобнее спектр первого порядка.
Желаю успеха!
Обработка результата
Совмещаем спектр калибровочной лампы и исследуемый спектр на одном кадре. Зная расположение известных линий ртути, можно определить искомую длину волны, путем замеров и последующих расчетов.
Слева спектр калибровочной лампы. По центру спектр пламени
Полезные ссылки:
Сайт Spectral Workbench. Используя программы на сайте можно обрабатывать спектры и получать графики интенсивности в зависимости от длины волны.
Информационная система «Электронная структура атомов». Очень удобный русскоязычный ресурс по спектральным данным атомов и ионов.
Спектрометр своими руками в домашних условиях
Спектроскоп — это, как известно, прибор, позволяющий выяснить состав вещества по спектру его излучения.
Направив, например, спектроскоп на люминесцентную лампу дневного света, мы увидим в ее спектре ярко-зеленые, яркие сине-фиолетовые линии и более слабые оранжевые. Они говорят о том, что в колбе лампы присутствует ртуть (сине-фиолетовая составляющая), а также некоторые другие элементы.
В тех случаях, когда сами по себе объекты исследования не светятся, их заставляют светиться, нагревая, скажем, в пламени горелки или пропуская через них сильный электрический ток.
Чтобы сделать простой спектроскоп своими руками понадобятся:
- CD- или DVD-диск;
- картонная коробка примерно 20x20x20 см (главное, чтобы в ней поместился диск);
- два лезвия от безопасной бритвы;
- небольшая картонная трубка;
- немного целлофановой ленты;
- алюминиевая фольга;
- клей.
Спектроскоп состоит из трех основных частей: щелей, сделанных при помощи бритвенных лезвий, дифракционной решетки из компакт-диска и просмотрового устройства, представляющего собой бумажную трубку.
Установите компакт-диск в верхней части окна, прорезанного в коробке, отступив примерно сантиметр от левого края, и поблизости к нижнему окну, как показано на фото (рис. 2). Отметьте с помощью фломастера или карандаша положение центрального отверстия диска. Эта отметка покажет вам, где в дальнейшем будет проходить бумажная трубка. Теперь разместите ее на коробке таким образом, чтобы нижний ее конец оказался над отметкой, которую вы только что нарисовали.
Нарисуйте еще один круг на поле, обозначив окружность бумажной трубки (рис. 3). Сместите ее на 1 — 2 см и очертите вокруг нее еще один круг. Эти круги подскажут вам, где нужно вырезать овальное окно (рис. 4).
Теперь вырежьте это окно острым ножом (рис. 5). Овал позволит поставить бумажную трубку под некоторым углом к поверхности диска.
Следующий шаг — сделайте разрез. Поверните ящик на четверть оборота так, чтобы овал оказался с правой стороны. Используйте диск еще раз, чтобы сделать еще один небольшой круг ближе к левой части ящика.
Щели будут расположены в крайней левой части ящика. Вырежьте небольшой прямоугольник в стенке коробки на высоте, отмеченной кружком, который вы сделали с помощью диска. Прямоугольник должен иметь ширину около 1 см и высоту примерно 4 см.
Осторожно разверните упаковку лезвий от безопасной бритвы и поставьте два лезвия над прямоугольным отверстием так, чтобы их острые края почти соприкасались друг с другом. Закрепите лезвия скотчем (рис. 6,7).
Открыв ящик, разместите в нем диск поблизости к щели. Прикрепите его скотчем к задней стенке коробки так, чтобы его рабочая сторона была обращена кверху (рис. 8).
Закройте коробку, обеспечьте ее светонепроницаемость с помощью черной бумаги или алюминиевой фольги (рис. 9).
Вставьте бумажную трубку (рис. 10). Алюминиевая лента или фольга сделают уплотнение светонепроницаемым. Чтобы убедиться, что угол, под которым в коробку вставлена смотровая труба, подобран правильно, направьте входную щель на источник света.
Посмотрите через бумажную трубку и подрегулируйте угол ее наклона, чтобы увидеть полный спектр — от красного до фиолетового (рис. 11). Вот и все, спектроскоп своими руками успешно собран.
Спектрометр своими руками
Нас интересует спектр — синий 430nm и 662nm и красный 455nm и 643nm.
Для того чтобы получить данные об спектре света нужен спектрометр. Но цены на эти приборы достаточно высоки, так как в основном это лабораторные приборы. Конечно, их функционал богат как в техническом плане , так и на програмном.
Нам такой функционал не нужен. И мы сделаем себе простой спектрометр (практически из подручных средств). Разыскивая информацию в интернете, нашёл достаточное количество инструкций по сборке этого прибора. Но, увы, они были не исчерпывающими и не содержали полной информации о возможных нюансах, в процессе сборки. Путем опыта, я с ними сталкивался и в статье подробно опишу их.
Пошаговая инструкция по сборке спектрометра
Для этого нам понадобится:
1) Веб камера 2) DVD диск 3) Коробка (подойдет из под обуви, желательно детской) небольших размеров 4) Пластиковая карта от сим 5) Рейка 40 см х 1см х 1см 6) Супер клей 7) Изолента (чёрная)
Начнём с DVD диска. Эта деталь будет выполнять функцию дифракционной решётки. Возьмите канцелярский нож, либо шило. И расслоите диск. Нюанс: отделяйте верхний слой с этикеткой от нижнего слоя (не деформируя нижний слой и изгибая верхний — это позволит получить чистую поверхность, без остатков алюминиевого напыления). В некоторых статьях вводят в заблуждения, рекомендуя использовать СD диск. CD диск будет очистить очень не просто. Я пытался сделать это при помощи скотча, но тщетно.
Разница между очисткой CD и DVD дисков:
Так разделываем DVD:
Теперь разметим нужную область. Нюанс: Вам надо выбрать участок таким образом, чтобы центр внутренней окружности совпадал с симметрией вырезаемой части (если этого не сделать, разложение светового потока будет несколько искаженно, и вы столкнетесь с проблемами при калибровке, и в дальнейшем прибор будет иметь большую погрешность)
После того, как вы вырезали нужный кусочек, его необходимо отмыть от налёта. Промываем в спирте, либо спиртовой салфеткой.
Разбираем вебкамеру. И сразу извлекаем из нее ИК фильтр (он будет мешать). Для того, чтобы извлечь ИК фильтр аккуратно открутите объектив камеры.
Теперь аккуратно шилом или иголкой извлекаем ИК фильтр.
Теперь необходимо собрать станину для камеры из рейки. Нюанс: Угол плоскости, на которую будет закреплена камера, должен быть равен углу в 45 градусов.
Устанавливаем в нее камеру затем. Нюанс: проводим калибровку диафрагмы камеры, примерно таким образом: крепим на противоположный конец какую-либо карточку с текстом, и, вращая объектив, добиваемся лучшего фокуса текста.
Пример на фото (приведенные 20 см — это условная единица, у вас это расстояние равно длине вашей коробки — корпуса)
Затем крепим нашу дифракционную решетку из DVD-диска.
У меня получилось так:
Теперь поместим камеру в корпус. Вырезаем в корпусе прорезь напротив объектива камеры, примерно 2-3 см шириной (я использовал коробку от бакомайзера Smok).
Нам также надо сделать аналогичную прорезь и на верхней части коробки, затем при помощи пластиковой карточки делаем щель 0.5 мм. Я просто порезал карточку пополам и просунув между двумя половинками в двое сложенный лист тетради, склеил их двумя полосками такой же карточки.
Фото крышки с сужающей щелью.
Нюанс: сужающая щель должна находиться в той же плоскости, что и объектив камеры. В противном случае, правило «угол падения равен углу отражения», будет работать мимо объектива камеры, либо с искажением. Обрезаем лишнее и обклеиваем черной изолентой участки срезов .
Вот так получилось у меня
Спектрометр собран, но ещё не готов! Для того, чтобы получать достоверные данные, его необходимо откалибровать.
Калибровка спектрометра
Для этой процедуры нам понадобится люминесцентная лампа (если такой нет, то можно использовать ЭСЛ лампу).
Так же, надо зарегистрироваться на сайте сервиса SpectralWorkbench.org. У них размещен бесплатный веб-софт для спектрального анализа. Так же есть форум () со множеством публикаций по тематике спектрального анализа.
Процедура калибровки спектрометра
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. 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, 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.
Так выглядит эталон:
Мне удалось от калибровать свой прибор на 10, что довольно неплохо. Нормой считается 12-16 баллов (это согласно софту этого сайта средняя , желтая. Мне удалось откалиброваться в зелёной на 10 баллов. Уверен, у Вас тоже получится)
Провел замеры LED светильника (собственной сборки, на диодах так называемого Full спектра, надо отметить, что исследования показали, что спектр не соответствует заявленным величинам. И надо добавить диоды красного спектра 660nm.) Я бы и не знал об этом, не собери свой спектрометр.
Вот мои замеры и светильник:
Вот и всё.Теперь в Вашем арсенале стало на один инструмент больше. Теперь вы точно можете скорректировать освещение своих растений, согласно их потребностям.
P.S. Источником первоначальной информации для меня был сайт publiclab.org. Иные найденные источники были либо неполноценными, либо искажали информацию.
Статья-участник майского конкурса статей Автор, жги
Самодельный спектрометр с высоким разрешением
- Новости 1С-Битрикс
- Полезные статьи
Хорошее разрешение достижимо
В интернете много публикаций о том, как используя DVD-R диск и смартфон можно собрать спектрометр, однако характеристики таких устройств не позволяют проводить точные измерения. Мне же удалось сделать прибор с разрешением 0,3 нм.
Основные характеристики
Спектрометр работает в диапазоне 400-700 нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD-R диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.
Конструкция и изготовление прибора
Дифракционная решетка
Просто красивый спектр свечи на DVD-R диске
Диск был расслоен на две половины и разрезан на части, которые после промывания спиртом были помещены в рамки. Дифракционная решетка готова.
Дифракционная решетка из DVD-R диска
Изготовление сменных оптических щелей
В дюралевой пластине сверлю отверстие диаметром 8 мм. Клеевым пистолетом закрепляю половинку лезвия безопасной бритвы, располагая режущую кромку по центру отверстия. Вставляю в отверстие щуп толщиной 50 мк, плотно прижимаю вторую половину лезвия и приклеиваю ее. Аналогично делаю щели 100 мк, 200 мк и 300 мк. Сменные оптические щели готовы.
Корпус спектрометра
Делаю деревянный корпус. Окрашиваю внутри и снаружи в черный цвет.
Оптика и регистрация спектра — фотоаппарат NIKON D5100
Зеркальная фотокамера NIKON D5100
Примерно на 3000 пикселей матрицы приходится около 300 нм видимого спектра. Т.е. 1 пикселю соответствует 0.1 нм. Для надежной регистрации линии нам нужно два-три пикселя. Расчеты показывают, что для такого разрешения размеры оптической щели должны быть порядка 100 микрон. Было сделано несколько щелей для выбора лучшего варианта экспериментальным путем.
Чтобы получить такое разрешение необходим зеркальный фотоаппарат с хорошим объективом. Смартфон и веб-камера не подходят. Требуется большая апертура и ручные настройки. На данный момент на Авито можно приобрести подходящую камеру по цене от 5 до 10 тысяч рублей.
Настройка и калибровка спектрометра
Калибровка прибора проводилась перед каждой серией экспериментов по известному спектру компактной ртуть содержащей люминесцентной лампы.
Лампа для калибровки
Определение длины волны линий исследуемого спектра возможно без специального программного обеспечения. Ниже спектр лампы с линиями ртути 435,8 нм, 546,0 нм, 577,0 нм и 579,1 нм. Линия 611 это уже Европий.
Спектр лампы с линиями ртути Две линии ртути крупным планом
Еще крупнее
Расстояние между линиями 2, 1 нм. Половина ширины линии на кадре не более 0,3 нм, что соответствует примерно 3 пикселям матрицы. Делаем вывод – разрешение прибора 0,3 нм. Что в дальнейшем подтвердится съемкой двойной линии натрия.
Для построения спектральных кривых можно использовать программу сайта Spectral Workbench
Спектр лампы, которую я применял для калибровки
Измерение различных спектров
Были проведены несколько классических экспериментов.
Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. Полдень
Спектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нм Опыты по определению концентраций растворов KMnO4 Спектр пламени газовой горелки
Самый интересный эксперимент, ради которого и был изготовлен спектрометр — измерение спектра пламени костра
На фоне непрерывного спектра была зарегестрированна яркая линия, которую я назвал линией огня.
Обработка результата
Совмещаем спектр калибровочной лампы и исследуемый спектр на одном кадре. Зная расположение известных линий ртути, можно определить искомую длину волны, путем замеров и последующих расчетов.
Слева спектр калибровочной лампы. По центру спектр пламени
Что это за линия и как она возникает — читайте в моей статье «Спектральный анализ пламени костра. Что делает огонь желтым – наночастицы углерода или соли натрия?»
Полезные ссылки:
1. Сайт Spectral Workbench. Используя программы на сайте можно обрабатывать спектры и получать графики интенсивности в зависимости от длины волны.
2. Информационная система «Электронная структура атомов». Очень удобный русскоязычный ресурс по спектральным данным атомов и ионов.
Что такое спектроскопия и спектрометрия?
Спектроскопия – это раздел физики, который изучает спектры. Помните опыты на уроках физики? Луч света пропускают сквозь стеклянную призму, и получается радуга. Это и есть спектр – то есть распределение интенсивности электромагнитного излучения по длинам волн.
В отличие от спектроскопии, спектрометрия – это раздел физики и техники, который занимается уже не наблюдением, а измерением спектров. В более узком смысле ее можно понимать, как измерение длин волн и интенсивности спектральных линий с помощью приборов (например, спектрометров).
Если быть еще ближе к практике, то спектроскопия и спектрометрия позволили создать приборы для быстрого, точного и удобного анализа металлов и сплавов – спектрометры.
Спектрометр своими руками за 5 долларов и немного OpenCV
В освоении физики лабораторные эксперименты проясняют понятия гораздо лучше лекций. Но из-за пандемии у автора статьи, переводом которой мы делимся к старту флагманского курса о Data Science, уже больше года не было лабораторных занятий; при этом большинство экспериментов последнего курса физики требуют сложных, дорогих приборов. Но автору бросились в глаза эксперименты со спектроскопом, и он решил из подручных материалов сделать свой, недорогой цифровой спектрометр, а для анализа вывода прибора написал программу на Python.
Немного теории спектрографии
Спектрометр — прибор, используемый для измерения свойств света. Это позволяет учёным использовать этот прибор для огромного количества экспериментов, таких как определение материалов, обнаруженных в объектах из повседневной жизни, или определение элементов, обнаруженных на далёких звёздах и планетах.
Основная концепция спектрометра заключается в том, что «неизвестный» луч света подаётся на оптический элемент, разделяющий луч по длинам волн, присутствующих в «неизвестном» луче света. Каждая длина волны отклоняется на разную величину, поэтому, измеряя отклонение, можно определить длины волн в «неизвестном» луче света, что потенциально может дать больше информации об источнике света, даже если он возник на расстоянии миллионов километров.
В чем разница между спектроскопом, спектрографом и спектрометром?
В способе регистрации спектра.
Спектроскоп – прибор с визуальной регистрацией спектра. Частный случай спектроскопа – стилоскоп – применяется для анализа сталей. Спектроскоп работает так: посмотрел в прибор – увидел спектр.
Но чтобы эту картинку правильно оценить и, хотя бы приблизительно определить концентрацию того или иного химического элемента в сплаве, нужен большой опыт. Поскольку надо помнить множество спектральных линий и правильно интерпретировать соотношение яркостей этих линий. Обучиться этому можно, но это слишком долго и дорого. Поэтому на таких приборах нормально работают только люди, которые на стилоскопах проработали не один десяток лет.
Но на современном производстве такие приборы уже малоприменимы из-за сложности работы. Также этот метод не дает хоть сколько-нибудь приемлемой точности. Он, скорее, качественный или полуколичественный. Это значит, что такой анализ позволяет только обнаружить наличие каких-либо химических элементов в сплаве. Оценить концентрацию того или иного элемента в сплаве с помощью этого прибора можно только на уровне «много-мало». При этом нельзя отрицать ценность спектроскопа (стилоскопа) как учебного пособия.
Спектрометр своими руками за 5 долларов и немного OpenCV
- Новости 1С-Битрикс
- Полезные статьи
В освоении физики лабораторные эксперименты проясняют понятия гораздо лучше лекций. Но из-за пандемии у автора статьи, переводом которой мы делимся к старту флагманского курса о Data Science, уже больше года не было лабораторных занятий; при этом большинство экспериментов последнего курса физики требуют сложных, дорогих приборов. Но автору бросились в глаза эксперименты со спектроскопом, и он решил из подручных материалов сделать свой, недорогой цифровой спектрометр, а для анализа вывода прибора написал программу на Python.
Немного теории спектрографии
Спектрометр — прибор, используемый для измерения свойств света. Это позволяет учёным использовать этот прибор для огромного количества экспериментов, таких как определение материалов, обнаруженных в объектах из повседневной жизни, или определение элементов, обнаруженных на далёких звёздах и планетах.
Основная концепция спектрометра заключается в том, что «неизвестный» луч света подаётся на оптический элемент, разделяющий луч по длинам волн, присутствующих в «неизвестном» луче света. Каждая длина волны отклоняется на разную величину, поэтому, измеряя отклонение, можно определить длины волн в «неизвестном» луче света, что потенциально может дать больше информации об источнике света, даже если он возник на расстоянии миллионов километров.
Какой спектрометр выбрать: рентгеновский или оптико-эмиссионный?
Выбор зависит прежде всего от цели, для которой требуется купить спектрометр.
Если нужна только сортировка металла, то лучше выбрать рентгеновский спектрометр. Его можно легко перенести с места на место, поэтому им проще проверять прибывший металл или лом. С ним можно без труда провести анализ прямо на машине, без разгрузки. Его применение не оставляет следа на измеряемом металле. Но это – прибор для сортировки, не более того. Он принципиально не умеет измерять углерод, а берет его значение из ГОСТа на похожую марку. Сталь 20 и сталь 45 – для рентгеновского спектрометра одинаковы. Другие легкие элементы (литий, бериллий, бор и т.п.) для рентгеновского спектрометра – недоступны.
Если нужен точный состав металла и гарантированное отсутствие рекламаций, то лучше выбрать оптико-эмиссионный спектрометр. Он точнее. Он реально измеряет серу, фосфор и углерод, а не берет значения из таблиц. Он хорошо определяет легкие элементы (литий, бериллий, бор, натрий и т.д.). Это прибор для серьезной лаборатории.
Лазерный или эмиссионный спектрометр: какой лучше?
Это зависит от того, насколько высокая точность измерений требуется. Нужна ли Вам точная уверенность в результатах измерений эмиссионного спектрометра или ей можно предпочесть больше удобство при измерении лазерным спектрометром — «пистолетом».
Лазерный спектрометр измеряет концентрации элементов сплава в одной единственной точке за одно измерение. Поэтому стабильностью эти измерения не отличаются. Можно несколько раз повернуть образец и сделать несколько измерений, что, конечно, неудобно, но несколько повысит стабильность. Но до стабильности оптико-эмиссионных спектрометров все равно будет далеко.
Сравните с оптико-эмиссионным спектрометром, который «бьет» по образцу четыреста раз в секунду. Он проводит измерения в большой группе точек одновременно. Анализ металла с помощью этого метода намного точнее и стабильнее.
Современные лазерные спектрометры уже стали компактными «пистолетами». Если сравнивать их с рентгеновскими «пистолетами», то их плюс в том, что они уже неплохо определяют легкие элементы. Но с определением углерода имеются проблемы, особенно без продувки аргоном, так как линии углерода на воздухе видны плохо, а линии серы и фосфора совсем не видны.
Поэтому эмиссионные спектрометры так широко используются в металлургии, машиностроении и других отраслях производства.
Спектрометр тогда и сейчас
В прежние времена учёные использовали призмы для разделения луча света на составляющие и поворотный окуляр для измерения углового отклонения длины волны каждой составляющей. Однако совсем недавно призму заменили дифракционной решёткой, которая служит той же цели, что и призма, а окуляр заменили подключённым к компьютеру электронным фоторецепторным блоком.
Материалы
Все материалы довольно легко найти, и, возможно, они уже есть у вас дома):
чёрная картографическая бумага;
Без веб-камеры обошёлся дешевле 5 долларов.
Расчёт корпуса
Корпус мог быть изготовлен с использованием любого вида коробки, но я решил сделать его с нуля, чтобы он идеально подходил по размеру для моей веб-камеры. Начните с измерения веб-камеры. Сложите коробку в соответствии со следующими измерениями:
длина — от 20 до 25 см;
ширина — на 2 см больше ширины веб-камеры;
высота — на 1 см выше, чем высота веб-камеры.
Основные этапы работ
Самый примитивный вариант спектрометра можно изготовить из плотной бумаги или картона. Но обратите внимание, что внутренняя часть корпуса обязательно должна быть темной, чтобы не отражать, а поглощать свет. Для этой цели можно использовать обычный черный маркер (то есть нужно просто закрасить картон).
Для получения спектра излучаемого света потребуется также дифракционная решетка, которую лучше всего изготовить из оптического DVD-диска. Нужно просто вырезать из компакт-диска кусок прямоугольной формы, затем разделить пластины. Для дифракционной решетки необходим именно прозрачный слой.
Прямоугольную пластину приклеиваем к картону, а затем склеиваем и сам корпус. Работает самодельный спектрометр очень просто — достаточно направить его на источник света в доме и посмотреть на прозрачную пластину, вырезанную из DVD-диска. Если же прислонить к ней камеру смартфона, то можно делать снимки, и уже по ним потом анализировать спектр конкретной лампочки.
В предыдущих статьях я описывал, как тестировал различные светодиоды для растений. Для анализа спектра я 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.
Дешевый сегмент китайского рынка представлен двумя типами спектроскопов — с призмой и чуть более дорогой — с дифракционной решеткой.
Мой выбор — ювелирный спектроскоп с дифракционной решеткой
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.
В предыдущих статьях я описывал, как тестировал различные светодиоды для растений. Для анализа спектра я 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.
Дешевый сегмент китайского рынка представлен двумя типами спектроскопов — с призмой и чуть более дорогой — с дифракционной решеткой.
Мой выбор — ювелирный спектроскоп с дифракционной решеткой
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
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 горящего природного газа
Теперь можно мерить спектр светодиодов, например «полный спектр» для растений
Спектрометр готов и работает. Теперь буду готовить с его помощью следующий обзор — сравнение характеристик светодиодов разных производителей, дурят ли нас китайцы и как сделать правильный выбор.
Вкратце, полученным результатом доволен. Может быть имело смысл подключить спектроскоп к веб камере для непрерывного измерения спектра, как в этом проекте
Тестирование спектрометра моим помощником
Спектрометр с видеокамерой
Нужно все-таки признать, что делать снимки со смартфона — не совсем удобно. Лучше всего наблюдать за источником света в режиме реального времени. Для этого вместо «глазка» смартфона к пластине необходимо прислонить обычную компьютерную веб-камеру.
Однако для этого варианта спектрометра лучше изготовить более прочный корпус — например, из легкого вспененного ПВХ пластика. Подробный процесс изготовления самодельного домашнего спектрометра можно посмотреть в видеоролике на нашем сайте.
Оцените запись [Голосов: 2 Средняя оценка: 5]
Создание спектроскопа
Подробности Категория: Фотометрия Опубликовано 20.01.2015 20:24 Спектроскопом называют оптическое устройство для получения, наблюдения и анализа спектра излучения.
Простейшим спектроскопом можно считать призму Ньютона, с помощью которой он открыл спектр видимого света, представляющий собой непрерывную полосу из семи разных цветов, расположенных в последовательности : красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.
Но с помощью своего устройства Ньютон только констатировал, что видимый белый свет состоит из разных цветов, но не мог исследовать параметры цветовых волн.
Как сделать спектрометр из мобильника? Есть простой рецепт
Войдите , пожалуйста. Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация. Спектральный анализ в домашних условиях DIY или Сделай сам 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. Данная статья не претендует на статус полноценного туториала, но возможно уже через 20 минут после её прочтения вы разложите свой первый спектр излучения.
Спектроскоп своими руками из веб камеры. Самодельный фурье-спектрометр
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 спойлером
Фото спектроскопов и спектра
Самый первый вариант с куском картона
Второй вариант с коробкой из под чая
И отснятый спектр
Единственное для моего удобства, он модифицировал данную конструкцию USB видеокамерой, получилось вот так:
фото спектрометра
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 скриноте 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.
Скриншот
Вид настроенной программы
Внимание! Калибровка предполагает, что вы в дальнейшем будите 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.
В предыдущих статьях я описывал, как тестировал различные светодиоды для растений. Для анализа спектра я и взятые у знакомого учителя физики.
Но потребность в таком приборе появляется периодически и спектроскоп, а еще лучше спектрометр хотелось бы иметь под рукой.
Мой выбор — ювелирный спектроскоп с дифракционной решеткой
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 , 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
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 горящего природного газа
Теперь можно мерить спектр светодиодов, например «полный спектр» для растений
Спектрометр готов и работает. Теперь буду готовить с его помощью следующий обзор — сравнение характеристик светодиодов разных производителей, дурят ли нас китайцы и как сделать правильный выбор.
Вкратце, полученным результатом доволен. Может быть имело смысл подключить спектроскоп к веб камере для непрерывного измерения спектра, как в этом проекте
Тестирование спектрометра моим помощником
Обязательно посмотрите видео на каналах (есть тематические плейлисты):
https://www.youtube.com/channel/UCn5qLf1n8NS-kd7MAatofHw
https://www.youtube.com/channel/UCoE9-mQgO6uRPBQ9lsPZXxA
Пожалуйста, помогите набрать 1000 подписчиков на первом канале и не менее 4000 часов просмотров за последний год на каждом из них , для этого посмотрите полностью не менее одного видео!
Эта красивая картинка является фотографией светового и инфракрасного спектра, излучаемого натриевой лампой высокого давления НЛВД типа ДНаТ (Дуговые Натриевые Трубчатые). Для просмотра и фотографирования различных спектров достаточно иметь цифровой фотоаппарат и специально подготовленный CD-R или DVD-R . Последний, занижает яркость, особенно красного. CD-R снижает яркость синего и даёт меньшее разрешение. Первая фотография сделана через DVD-R.
Две жёлтые линии — это дублет натрия с длинами волн 588,995 и 589,5924 нм. Второй дублет — инфракрасный 818,3 и 819,4 нм.
График спектра .
Теперь несколько слов о подготовке дисков. Из диска нужно вырезать часть, позволяющую полностью закрыть объектив.
На фото DVD-R фиолетового цвета. Нам нужна прозрачная дифракционная решётка , поэтому на CD-R наклеиваем широкий скотч со стороны надписей. Отрываем его и вместе со скотчем снимается покрытие диска. С DVD-R ещё проще, вырезанный кусок легко расслаивается на две части, одна из которых нам и нужна.
Теперь с помощью двухстороннего скотча нужно приклеить дифракционную решётку к объективу, как на фото ниже. Клеить нужно на сторону, противоположную той, с которой оторван слой, т.к. поверхность под слоем легко загрязнится от объектива, а после очистки качество изображения спектра будет хуже.
Получился простейший спектроскоп, подходящий лучше всего для исследования источников света с некоторого расстояния.
Если мы хотим исследовать не только видимый спектр, но и инфракрасный, а в некоторых случаях ультрафиолетовый, то необходимо удалить из фотоаппарата фильтр, блокирующий ИК лучи. Стоит отметить, что часть спектра ИК и УФ видима глазом при достаточно большой интенсивности излучения (точки лазеров 780 и 808 нм, кристалл светодиода 940 нм в темноте). Если необходимо обеспечить одинаковое зрительное ощущение для длин волн 760 нм и 555 нм, то поток излучения для 760 нм должен быть в 20 000 раз мощнее. А для 365 нм в миллион раз мощнее.
Вернёмся к фильтру, который называется Hot Mirror и находится перед матрицей. Нужно открыть корпус фотоаппарата, открутить шурупы, прикрепляющие матрицу к объективу, вытащить фильтр, собрать фотоаппарат в обратной последовательности. Выглядит Hot Mirror так:
2 левых фильтра из фотоаппаратов. У них розовый блеск, а бирюзовый цвет проявляется под другим углом. Кроме ИК, они ещё могут частично или полностью задерживать ультрафиолетовые лучи. Поэтому их удаление открывает возможности не только инфракрасной съёмки, но и ультрафиолетовой , если позволяет оптика и матрица фотоаппарата. Для УФ фотографии используют UV-pass фильтры , блокирующие видимый свет.
Теперь переходим к самому процессу фотографирования спектров. Помещение должно быть тёмное, дополнительно можно использовать чёрный экран около фотоаппарата, источник света точечный или щелевой, минимально освещающий комнату. Включив фотоаппарат, мы увидим такое изображение на примере лазера 405 нм , светящего через узкую щель между двух лезвий:
Центральная точка — это сам лазер. Две линии — его спектр. Можно использовать любую из них. Для это нужно повернуть фотоаппарат и приблизить. Если продолжать двигать фотоаппарат, то мы увидим несколько других линий второго, третьего и т.д. порядков спектра. В некоторых случаях они будут мешать, например зелёная линия второго порядка будут накладываться на инфракрасную линию 1064 нм. Это происходит в спектре зелёного лазера, если в нём не установлен фильтр, отсекающий ИК излучение. Он правый нижний на фотографии фильтров. Чтобы убрать наложение, я использовал красный светофильтр. Фото этого примера с подписанными длинами волн:
Как видно, зелёная линия второго порядка полностью закрыла линию 1064 нм. А следующее фото с заблокированным зелёным светом, где остаются только две ИК линии 808 нм и 1064 нм. Подписывать не стал, т.к. расположение идентично предыдущему фото.
По изображению, где присутствует источник излучения, одна известная длина волны и несколько неизвестных, их легко можно определить. Для примера открываем фото с подписями в фотошопе. С помощью инструмента «Линейка» измеряем расстояние от лазера до линии 532. Оно равно 1876 пикселей. Измеряем расстояние от лазера до линии, длину волны которой хотим узнать, до 808. Расстояние 2815 п. Считаем 532*2815/1876=798 нм. Неточность происходит из-за искажения оптики объектива. При максимальном оптическом приближении ошибка уменьшается. Также было замечено, что лазер 808 нм излучает более короткую волну, около 802 нм, и у него уменьшается длина волны при уменьшении питающего тока.
И без источника излучения на фото можно определить, зная две другие длины волны. Измеряем длину от линии 532 до 1064, там 1901 п. От 532 до 808 получается 939 п. Считаем (1064-532)/1901*939+532=795 нм.
Но проще всего фотографию с двумя известными линиями сопоставить со шкалой . В этом случае ничего считать не нужно.
Далее спектр лампы накаливания , который очень похож на спектр Солнца, но не содержит Фраунгоферовы линии . Интересно, что инфракрасное излучение до 800 нм фотоаппарат отображает как оранжевое, а более 800 нм выглядит как фиолетовый цвет.
Спектр белого светодиода также непрерывный, но имеет провал перед зелёной областью и пик в синей области 450-460нм, который вызван использованием соответствующего синего светодиода, покрытого жёлтым люминофором. Чем выше цветовая температура светодиода, тем выше синий пик. В нём отсутствует ультрафиолет и инфракрасные лучи, которые присутствовали в спектре лампы накаливания.
А вот спектр лампы с холодным катодом из подсветки монитора. Он линейчатый и точно повторяет спектр люминесцентной лампы . ИК часть спектра взята от КЛЛ для получения лучшего качества изображения.
Теперь переходим к ультрафиолетовой лампе чёрного света , или, как её ещё называют, лампе Вуда . Она излучает мягкий длинноволновый ультрафиолет. Фотография получилась такая:
Спектр инфракрасного излучения у люминесцентных ламп, CCFL, Вуда практически одинаковый. Только у последней отсутствует несколько линий, наиболее близких к видимому диапазону. ИК лучи наиболее интенсивно излучаются из тех частей ламп, где находятся нити накала. Фотография сделана через бумажный спектроскоп, подробнее о котором ниже.
Спектроскоп из бумаги.
Такой спектроскоп хорошо подходит для просмотра спектра глазом. Также его можно использовать с разными камерами, например телефонной. Существуют две разновидности.
1. Работает на просвет через дифракционную решётку. Для него нужно подготавливать диски, как было описано выше. Файл содержит чертёж, который нужно распечатать на принтере, вырезать, сложить и склеить. Картинки по сборке можно посмотреть .
2. Работает на отражение от дифракционной решётки. Можно не расслаивать диски, но тогда рядом с яркими линиями от лазеров будут появляться бледные дублирующие, из-за переотражений внутри диска, которых в спектре не должно быть. Перенести блестящий слой CD на другую поверхность, чтобы он остался таким же гладким очень сложно. Поэтому нужно использовать CD, обладающий одинаковой радужной поверхностью с двух сторон. Со стороны, где на обычных дисках надписи, с помощью скотча нужно оторвать прозрачный слой. Важно, чтобы блестящий слой остался на диске. У меня получилось так сделать с половиной диска (от края к центру), этого хватило для спектроскопа. Если не оторвать прозрачный слой, то равномерный спектр будет казаться прерывистым с чередующимися тёмными полосами.
Файл для печати . Помощь по сборке .
На спектроскоп приклеено дополнительное кольцо , с помощью которого он держится на объективе фотоаппарата. Между источником света и спектроскопом рекомендуется ставить матовую плёнку или призму с двумя матовыми гранями, как на фото, для лучшего распределения света. Внутренняя часть спектроскопа из чёрной бумаги без блеска, второй слой из фольги, а сверху обычная бумага, на которой распечатан чертёж. Сторону, в которую поступает свет, можно покрасить в чёрный цвет, чтобы УФ и фиолетовое излучение не вызывали белое свечение бумаги, искажающее картинку.
С помощью этого спектроскопа удалось чётко и ярко сфотографировать спектр неоновой индикаторной лампы . Их используют для подсветки выключателей, в индикаторах работы чайников, плит и других приборах.
Одну тонкую линию спектра дают не только лазеры. Если проволоку опустить в раствор соли NaCl , а потом внести в огонь газовой турбо горелки или зажигалки, то появится жёлтое свечение с длинами волн 588,995 и 589,5924 нм .
В некоторых турбо зажигалках есть пластина, содержащая литий . Он окрашивает пламя в красный цвет с линией 670,78 нм .
Ниже фотография этих спектральных линий вместе с линиями лазеров: зелёного 532 нм, красного 663 нм, инфракрасных 780 нм и 808 нм.
Удобно использовать описанный выше жёлтый свет для определения периода дифракционной решётки при отсутствии лазера, и вычисления длины волны источников света . Простейшее устройство на рисунке ниже состоит из двух линеек, на одной из которых закреплена дифракционная решётка, а над второй возвышается узкая щель из двух лезвий. Используются расстояния в миллиметрах от дифракционной решётки до экрана (линейки) с щелью и от щели (максимума нолевого порядка) до максимума первого порядка. На первом рисунке нужно смотреть через дифракционную решётку на источник света с известной длиной волны. Таким образом можно посчитать период дифракционной решётки формулой под этим изображением, а потом, этим же способом можно определять длину волны, но по формуле из под второго рисунка. На нём показано определение длины волны лазера немного другим способом: лазер светит через дифракционную решётку на линейку. В этом случае щель не нужна. Я использовал дифракционную решётку из насадки «Звёздное небо», которая шла в комплекте с лазерной указкой. Там две решётки, но насадка разбиралась и вытаскивалась одна решётка. Дифракционная решётка из CD совершенно не подошла, т.к. давала огромную ошибку в 100 нм.
Следующая фотография редкого источника света — молнии . Спектр заходит в УФ диапазон примерно до 373 нм, что является пределом для этого фотоаппарата.
Спектр белой газоразрядной лампы, которая освещает футбольное поле.
Фотография спектра ультрафиолетового светодиода 365 нм 3 Вт KW-UV-3WS-B KonWin.
Светодиод с длиной волны 365 нанометров имеет такой кристалл :
Он излучает ультрафиолет вместе с белым светом. Если на выключенный светодиод светить лампой чёрного света, то кристалл начинает флуоресцировать таким же лунным белым светом, как и при работе самого светодиода, но с меньшей яркостью. Похоже, что из-за этого эффекта не получается сделать светодиод с чистым излучением 365 нм — 370 нм.
Калужский изобретатель наблюдает за солнцем и спектром звезд из своего гаража
ВИДЕО ПО ТЕМЕ: ☢ Айзон купил спектрометр [Олег Айзон] Профессор химии Александр Щилин Alexander Scheeline из Университета Иллинойса сделал из мобильного телефона спектрометр, чтобы увлечь школьников аналитической химией. Профессор собрал основной научный инструмент химика из недорогих материалов и цифровой камеры. Спектрофотометрия является одним из наиболее широко используемых средств для идентификации и определения количества материалов. Если вы хотите научить кого-то творчески использовать инструмент и улучшать его, нужно что-то попроще и понятнее». Это все, что нужно для изготовления спектрометра.
Сайт помогает найти что-нибудь интересное в огромном ассортименте магазинов и сделать удачную покупку. Если Вы купили что-то полезное, то, пожалуйста, поделитесь информацией с другими.
Американская дозиметрич. Немецкие дозиметрич. Без описания. Поиск в теме Версия для печати. Отправлено: 31 Октября, —
Оно относится только к флюк-туациям артикулированной речи по высоте и темпу и не имеет отношения к несловесным звуковым феноменам. Прозодические единицы иногда называют прозодемами. Для достоверности и полноты записи беседы с больным афазией необходима также регистрация двигательной активности больного, который часто пытается выразить себя в жестах. Очевидно, что жесты являются важным аспектом паралингвистики; они могут быть поражены в значительно меньшей степени, чем артикулированная речь.