仪器信息网的网友们对光谱仪不陌生,低端的几千元,高端的几十万元都见过。但你见过仅仅花不到十元钱制作的光谱仪吗?这不是天方夜谈,是一群创新者实践的结果,让广大学生、爱好者们探索世界多了一件好工具。下面图片是用自制的USB光谱仪分析的UV365nm紫光鉴定灯(紫外LED)光谱,第一个波364nm,很准确。第二个波1019nm,应该是紫外灯珠的热辐射(二次激发副波)。是不是有一种高大上的味道?
自制业余光谱仪,多年来,国内外众多的爱好者孜孜不倦地探索,除了极易上手的简易型,不乏有高分辨率、功能多的精品,在网上视频分享很是热闹。作为仪器信息网的网友,对极易上手的“下里巴人”简易型,也应该了解一下。自制了一个USB光谱分析仪,参与玩玩,亲身感受一下。下面是制作过程。
一、自制的业余USB光谱仪外貌
用硬纸盒制作的外壳,前端是狭缝,尾部是引出的USB线,内部装有摄像头及光栅:
二、工作原理
见下面结构框图,被测光经纸盒狭缝,投射在覆盖有光栅(DVD光盘改制,倾斜30o角)的USB摄像头上,摄像头将接收到的衍射分光光谱信号进行前处理,经USB口传输给电脑,被电脑中安装的光谱软件分析计算后,在屏幕上显示出结果的图像及数据。
三、需要器材
1、摄像头。最普通的廉价USB摄像头一个,30万像素,480P,免驱,价格6.89元包邮:
2、电脑分析软件Theremino_Spectromete(免费软件,已被汉化,网上下载)。
3、DVD光盘一张,以前买的刻录盘,现在很少有人使用了。也可以用旧DVD光盘。那种DVD9格式光盘不能使用。
4、废硬纸盒一个,最好内外都是黑色的,可以减少涂黑处理过程。
5、校准用的双U节能灯
市售的双U节能荧光灯,利旧,7W/220伏。由于是气体放电灯,内部的汞蒸汽在工作时,会激发出特有的汞灯光谱线,其中436nm,546nm两条谱线作为校准使用:
四、组装
1、首先,去掉摄像头的红外截止镜片(IR CUT FILTER),可以扩大镜头红外波段的通过量。在光学相机胶片时代,因为胶片对红外光线不敏感(除非特别的红外线胶片),对曝光无影响。但电子图像传感器CCD和CMOS都对红光和红外线比较敏感,如果不对红外线过滤的话,容易造成图象偏色、偏红色及曝光过度。所以要把红外线和部分红光过滤掉,一般都加装了IR CUT FILTER。因此,对于700nm以上感知不到。而我们测量光谱,自然需要更广阔的光谱,就必须把摄像头上叠加的红外截止镜片去掉(业余制作,忽略了彩色摄像头拜尔滤镜的轻微影响,技术上去掉也很困难)。下面是操作过程。提醒:微小元件,小心细致操作!
用小刀拨开摄像头面板:
卸下两颗固定螺钉:
打开后,内部很简洁,只有一块长条形电路板:
全部电子元件都在这一面,镜头是固定焦距,采用CMOS图像传感器:
取下镜头(须做好记号,旋转了几圈螺纹取下的镜头),看见内侧安装的红外截止镜呈桃红色反光。注意,不要让灰尘掉进CMOS图像传感器芯片内部。
细心用刀片削去红外截止镜边缘固定塑料,移走该镜片:
将镜头装回去,面板就不用再安装回去了。
2、制作透射光栅
自制光谱仪,必须要找到一张即便宜又有好效果的光栅。经爱好者们的实践,发现DVD光盘特别适合。光盘之所以会有五颜六色的反光,是因为光盘是由一圈一圈的轨道组成的。轨道之间的间距很小,CD大约1.60微米,DVD大约0.74微米。光线经过轨道下面的反光膜反射,就形成类似光栅的效果。CD光盘相当于600线/mm透射光栅,DVD相当于1200线/mm透射光栅,不逊色专业的高分辨率光栅。所以,业余制作一般都采用DVD光盘。
正规光谱仪器上的光栅条纹是平行的,而光盘上的条纹是一系列同心圆。为了消除弧度带来的影响,尽量只用靠近光盘外圈的一小块区域。
将DVD光盘用刀片分开,取用无色透明有条纹那一张:
取盘片外圈一小块区域:
把DVD光栅用透明胶纸粘在镜头前。安装时,注意光盘条纹方向垂直于镜头,光盘的光面向外,光盘的条纹面向镜头:
3、在纸盒前端(进光端),用锋利的刀片开一个窗口。再用黑卡纸制作几张狭缝贴纸,便于更换,以适应测量需要。最小的狭缝宽1毫米,长5毫米;其余的狭缝,可酌情加宽加长一些,见下图。如果纸盒内非黑色,应用墨汁涂黑,吸收散射杂光。
4、将摄像头固定在纸盒内。镜头位置距狭缝的距离为镜头焦距(清晰观看的最近距离),用3M双面胶将摄像头底座粘在纸盒底部,调节镜头夹角为30o。
5、从网上下载Theremino_Spectromete,安装在电脑上。程序及使用说明书附后,供有兴趣的网友下载。
6、将摄像头USB插头安装在电脑上。现在生产的USB摄像头,大多数都是免驱,直接插入电脑USB口,即被可识别到。对于需要安装驱动的摄像头,自己应事先准备好与电脑操作系统匹配的驱动软件。
五、调试及几项常见光谱测试
在电脑上打开Theremino光谱软件后,应首先使用双U荧光灯进行校准工作。
这款双U节能荧光灯是OPPLE牌,三基色,它的光谱如下。将小黄框内的436nm,546nm两条谱线用鼠标拖住对齐,即完成校准:
40W白炽灯光谱:
卤钨灯光谱:
5W紫外电筒,365nm紫外LED光谱:
六、使用要领
由于这个USB光谱仪属于简易制作,使用时,必须要注意细致、耐心操作,才能获得较好的效果。
首先,要熟悉Theremino_Spectromete软件的使用。其次,检测时,当光谱仪软件无响应(摄像头故障除外),一个原因是被检测光的入射角不准,光信号未被投射到镜头上,须耐心多试几次;第二个原因是被检测光弱,能量不够。有条件的,可更换大功率光源;第三个原因是狭缝较小,能量很弱,可以制作几个不同规格的狭缝,换大一号的试试。狭缝过大会降低分辨率,不过,对于这种简易光谱仪,定性看看就可以了,不能要求过高。
这个简易USB光谱仪,还可以花钱改进一下,效果会进一步提高。采用更高级的摄像头,例如硬件200万像素,1080P,最低照度0.0X lux级别。这样,会有更高分辨率,弱光检测更容易。
结语:名义上,只花了不到10元钱制作出让人惊奇的USB光谱分析仪,实际上,是得益于现代高科技的发展,DVD光盘、USB摄像头、电脑、分析软件哪一样都不能缺。高科技给了人们一把钥匙,人们用它打开探索大自然的一扇大门。最后,要感谢Thermion提供免费使用软件,送给广大业余爱好者探索物理世界的好礼物。
附件:1、电脑软件Theremino_Spectromete
2、Theremino光谱仪(软件)使用说明书(中文)