Самодельный спектрометр с высоким разрешением

  • Tutorial
Радуга над плато УКОК на Алтае
Радуга над плато УКОК на Алтае

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
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
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
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
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
Спектр лампы с линиями ртути
Две линии ртути крупным планом
Две линии ртути крупным планом
Еще крупнее
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
Спектр лампы, которую я применял для калибровки

Измерение различных спектров

Были проведены несколько классических экспериментов.

Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. Полдень
Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. Полдень
Спектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нм
Спектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нм
Опыты по определению концентраций растворов KMnO4
Опыты по определению концентраций растворов KMnO4
Спектр пламени газовой горелки
Спектр пламени газовой горелки

Самый интересный эксперимент, ради которого и был изготовлен спектрометр - измерение спектра пламени костра

Исследуемое пламя костра в камине
Исследуемое пламя костра в камине
Я разжигал костер в камине и проводил исследования, фиксируя спектр пламени
Я разжигал костер в камине и проводил исследования, фиксируя спектр пламени

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
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.

Ads
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More

Comments 73

    0
    Не было мыслей сделать рамановский спектрометр?
      +5
      Тут надо иметь в виду две вещи:
      1. 1000 обратных сантиметров на 532 нм — это чуть больше 20 нм спектра. Чтобы не потерять важную информацию, надо отрезать линию «накачки» максимально близко и при этом максимально ее не пропустить. Иначе мы просто ничего не сможем увидеть на фоне рассеянного света этой первичной лазерной линии. Стоимость нужного интерференционно-поляризационного фильтра гмммм… расстроит.
      2. Сигнал КР — очень слаб. Никакие иные детекторы, кроме ФЭУ со счетом фотонов или очень хорошей (здесь возникает страшное слово Hamamatsu) охлаждаемой ПЗС-линейки, тут немыслимы.
        0
        Вот тут утверждается, что можно обычным фотоаппаратом обойтись: article.sapub.org/10.5923.j.jlce.20150304.02.html
          +4
          Ну, на чистых веществах с простым строением — конечно, хватит простого фотоаппарата. Я тоже пробовал, получалось, правда, с более скромными результатами. А вот когда понадобится изучать реальные объекты, в которых тот же бензол надо увидеть хотя бы на уровне ПДК — вот тут и понадобится все самое-самое.
      +1

      Какие есть варианты с ч/б матрицами?
      Пару примеров знаю: линейки от старых сканеров и астро-фото камеры.

      0
      Чтобы получить такое разрешение необходим зеркальный фотоаппарат с хорошим объективом. Смартфон и веб-камера не подходят. Требуется большая апертура и ручные настройки.

      У IP камер и цифромыльниц размер пикселей сильно меньше чем у зеркалок с большой матрицей. Объектив с F1.0 для IP камеры стоит 1т.р. + сама камера пусть 2т.р. Точно ли зеркалка будет лучше?
        +6
        Точно. Тут важен геометрический размер матрицы. Собственно, поэтому и качество снимка с древней шестимегапиксельной зеркалки лучше, чем с самой современной 48-мегапиксельной камеры смартфона.
          +1
          У зеркалки качественная оптика + жирный пиксель, отсюда качество снимка. Если важен размер матрицы почему не взять полнокадровый canon 5d он сейчас стоит примерно как D5100. Только я чего-то не понимаю. Тут же важно не качество снимка а количество пикселей по длинной стороне матрицы. И чем больше пикселей, тем выше будет разрешение. И ещё если извлекать информацию из отдельных пикселей, то качество оптики вообще играет решающую роль, потому что всякие дифракции и аберрации у дешёвых или старых объективов сравнимы с размером пикселя. Нужен современный макро объектив с фиксированным фокусным, либо вообще специальный с высокой разрешающей способностью. И ещё большая апертура не совместима с высокой разрешающей способностью.
            0
            У них же разница в цене раз в 10, нет?
              0
              Я подозреваю имеется ввиду первый 5d.
              0
              Дифракции случаются и у дорогих, и у наиновейших. Дифракции неизбежны, такие дела.
                0
                У новых они на порядок меньше. Научились рассчитывать сложную оптику.
          +2

          Такое ощущение, что модернизацией алгоритмов можно достичь точности в доли пикселя. Фото ведь 2D, а не 1D, то есть содержит избыточность. Ещё есть небольшое искривление, оно должно позволить сделать аналог суперразрешения (для 2D добавляют ещё одно измерение — время).

            0
            Можно попробовать повернуть камеру (или решетку) градусов на 30 и снова попробовать откалибровать по опорным источникам
              +1

              Что это даст? Для суперразрешения достаточно сдвигов около 1 пикселя, тут они уже есть. Вопрос в том, как построить модель искажений, чтобы собрать пиксели линии в одну точку. Первая идея — искажения порождаются исключительно круглой формой DVD диска. Формула круга и будет моделью. Но, подозреваю, что не всё так просто и будут ещё искажения.

                0
                Фиксированный сдвиг в один пиксель очень сложно достичь. Перекосы из-за изменения температуры могут все испортить.
                  0

                  Такая штука есть встроенная в сами камеры, включаешь и она делает 4 кадра (и даже больше, емнип, до 16 с четверть пиксельным сдвигом) и сама их склеивает в единый 240Мпикс мегакадр. Для статичных сцен — просто сказка.

          +1
          Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. Полдень

          А простите, где в полдень 13 градусов? Север России?
            +4
            Меня тоже заинтересовал этот момент. Оказывается, 22 декабря это вполне может быть Рязань.
            +7
            А можете попробовать снять оконные стеклопакеты с аргоном или ксеноном на просвет в солнечном свете? Реально ли установить состав газа между стеклами?
              0
              Присоединяюсь к вопросу, а ещё интересно, можно ли увидеть в растворе нитраты или трансжиры или ещё какую-нибудь не полезную химию в еде.
                +2
                Нитраты надо определять потенциометрически. Специальный ионоселективный электрод, электрод сравнения, электрометрический милливольтметр.
                  0
                  А если поместить вещество в электрический разряд, есть шанс увидеть что-то большее чем состав газа вокруг образца?
                    +4
                    Разумеется. Это будет классический спектральный анализ, точнее атомно-эмиссионная спектрометрия. Дает элементный состав вещества.
                    Один из интересных вариантов — разряд между жидкими электродами. Есть два варианта — с капающим электродом (разряд происходит в момент приближения капли из капельницы к поверхности жидкости) и с капилляром, в котором возникает разрыв при закипании раствора, через который пропускают импульс тока.
                      0
                      Спасибо за ответ, у меня спектроскоп почти как у автора, только картонный, спектр неба, красителей и лампочек поснимал, теперь хочу ему найти более полезное применение.
                +2
                Не, нереально. В видимой области у нейтральных аргона и ксенона нет линий поглощения.
                +2
                А может еще попробовать пожертвовать камерой и убрать ИК отсекающий фильтр? И еще избавиться от фильтра Байера, но это намного сложнее.
                  0

                  Можно ещё вручную RAW обрабатывать (как минимум, уйдут артефакты сжатия).

                    0
                    Я думаю, надо вообще избавиться от камеры. ПЗС линейка от сканера штрих-кодов вполне ее заменит. Например, какая-нибудь ILX551 или ILX554, которую запустить очень просто даже от ардуины.
                      0
                      Да лучше Toshiba TCD1304, которую ставят в те же Ocean Optics, тоже с помощью той же ардуины можно управлять.
                        0
                        Тот же шарик, только в изометрической проекции. У них характеристики схожие. Линейки с принципиально другими характеристиками требуют формирования довольно нетривиальных управляющих сигналов на очень емкостных нагрузках.
                          0
                          Линейку можно охладить при помощи Пельтье.
                          Матрицу, конечно, тоже можно, но матрица потребует более сложной электроники.
                            0
                            Надо сказать, охлаждать ILX-5xx-образные линейки (со встроенными драйверами и sample-hold) не очень полезное занятие. Параметры у них улучшаются очень незначительно.
                            0
                            Просто TCD1304 проще достать, вон на али по 300-400 рублей продают, а за 3000 готовый модуль подключением по USB.
                              0
                              Не знаю, что то, что то свободно и в количестве продается на Али.
                        0

                        На хабре, кстати, есть статьи про то, как убирать ик фильтр из фотоаппарата, что фотографировать в ик.

                        +1
                        Последний раз дифракционную решетку видел в универе, даже как-то ностальгия пробрала
                          +4
                          Автор, отлично. Более того — научно вот по-всему. Интересно+решил сделать и сделал: реальное исследование. Масштаб? А вы сделайте такое! Руками. С головой. Мне тоже стало интересно — это же рабочее и серьезное инженерное решение, да хоть из фанеры. Причем симпатично, ничего лишнего. Часто вижу на ютубах молодых инженеров из Nasa и т.п., их чуть не шутливые, а по сути научные изыскания для всего что перед глазами во дворе, и оно работает. Наши… наши мальчишки… суперские. Наверное, так в науку и надо входить — реализацией идеи, исторически так и входили. Похвалил? Да. Потому-что увлекает. Будит ум. Вот подумал: уже и не мальчишки :)
                            +3
                            А почему бы не из фанеры? Многие экспериментальные установки во вполне серьезной науке на этапе макетирования (а иногда и до завершения эксперимента) содержат в качестве компонентов консервные банки, изоленту, черный пластилин, спички и прочие непотребства.
                              +1
                              О чем и речь. Согласен. Думаю, край как необходим такой талант — суметь сделать задуманное. Лучший. Энергии там туда-сюда и прочее. Физика же… Другой вопрос — физиков таких не очень много. Или много?
                            +1
                            Щель можно и на али заказать, если кто-то захочет повторить, но будет бояться сам её делать, типа такой за 1800р сразу 3 щели на 50, 100 и 200 мкм.
                              +1
                              Там и дифракционные решётки рублей за 300. Я одну такую купил, тоже хотел спектрофотометр сделать, но забыл, куда положил.
                                0
                                На видимую область с галогенной лампой?
                              0
                              Какие могут быть реальные направления коммерческого использования данной разработки?
                                +1
                                Спектрометры реально используются в полиграфии для калибровки принтеров.
                                +1
                                Определение химсостава всяких веществ, например, на предмет соответствия ПДК?
                                Сжигаем кусочек образца газовой зажигалкой и снимаем спектр пламени.
                                  0
                                  А ещё лучше импульсный лазер, и получится LIBS, с разрешением спектрометра в 0.3нм то, что надо. Единственное что самое интересное в УФ всё стекла в объективе порежут, там ведь не кварц.
                                0
                                А как закрепляется дифракционная решетка?
                                  0
                                  Интересно, ежели после щели тоже объектив поставить, можно ли будет собирать больше света, не теряя в разрешающей способности? На одних схемах рисуют с объективом, а на других без.
                                    0
                                    Еще хорошо бы снять ИК фильтр с матрицы фотоаппарата.
                                      0
                                      А возможно ли как то вычислить CRI более менее точно, используя подобный прибор?
                                      +1
                                      Прошу прощения, но для меня тайна с… корпуса не раскрыта.
                                      Тут его геометрические характеристики на что-нибудь влияют?
                                      Под каким углом надо ставить фотоаппарат?
                                      Не очень понятно, как держится решетка, ставится в качестве фильтра прямо на него? Расстояние от щели до решетки имеет значение?
                                      Что будет, если решетку делать не из dvd-диска, а из blue-ray, там ведь шаг мельче, как я понимаю? И вообще, я вот скорей всего щупы и лезвия в любом случае с али буду брать, потому что не знаю, где в локальных магазинах их можно достать. Не лучше ли мне в этом случае там же взять и готовую решетку, если она там правда порядка 300р стоит?
                                        +2
                                        Чем больше линий в решетке, тем лучше разрешающая способность, но уже спектральный диапазон. Например у решетки на 600 линий разрешение может быть около 0.2нм, но ширина спектра будет всего 300нм. А у решетки в 1200 линий, разрешение 0.1нм, но ширина спектра уже 135нм.
                                        А решетка чуть дороже стоит, но и гораздо лучше диска будет.
                                        +1
                                        А чувствительность камеры никак не нормировали? Цветные фильтры как минимум три бугра дадут, плюс завал в ИК.
                                          0
                                          А данном случае завал в ИК ни на что не влияет, здесь качественный анализ, а не количественный. Просто определить есть линия или нет в данной области.
                                            0
                                            Т.е. если там узкий провал в пару десятков децибел меду зелёным и синим, например, и мы там линию пропустим пофиг?
                                              0
                                              А это уже смотря какая задача стоит, для определение что за вещество хватает 3-4 ярких линий, и слабые линии можно и опустить. // Здесь конечно лучше использовать CCD-линейку с нормальным АЦП на 16 бит, как в серьёзных спектрометрах, хотя для простых задач и 8бит хватает.
                                                0
                                                Да я даже не про битность, а про байеровские фильтры и их АЧХ.
                                          +1
                                          а призма не будет лучше диска?
                                            0
                                            Нет, у призмы большая зависимость угловой дисперсии от длины волны, больше размер и вес, меньше спектральный диапазон.
                                            +1
                                            Очень круто.
                                              0
                                              Какая оптика использовалась?
                                              Например Nikkor 50 f/1.4 при макро фотографии дает сферическое поле фокусировки,
                                              а Гелиос-40-2Н нет.
                                              Требуется ли макро (переворот объектива или установка его на мехи)?
                                                0
                                                Интересно, а какой спектр у пальмового масла и как его можно получить (спектр) из обычных продуктов (сжечь/на просвет/растворить/высоковольтным разрядом)?
                                                  0

                                                  агонь статья во всех смыслах

                                                    0
                                                    Что-то я не понял, снимки в научных целях, серьезной камерой, а при увеличении все пиксели сглажены? Или уже не осталось софта, способного например картинку 10х10 увеличить до 100х100 без сглаживания/размытия?
                                                      +2
                                                      Сможет кто-нибудь навскидку ответить — пригодно такое решение для различения спиртов (низко- высоко-молекулярных) в газовой фазе?

                                                      P.S. Да, вы правильно догадались! Именно чтобы отсекать «головы» и «хвосты», и вообще, контролировать качество «продукта» во премя получения.

                                                      Only users with full accounts can post comments. Log in, please.