Пользователь
0,0
рейтинг
9 августа 2013 в 14:11

Спектральный анализ в домашних условиях 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.

image



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
image

Второй вариант с коробкой из под чая
image

И отснятый спектр

image



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 CSV

Скриншот
Вид настроенной программы
image


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 DrZugrik
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
image
image

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.

Скриншот
Вид настроенной программы
image


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

image

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 DrZugrik, дополнительно напишу, что вариант с оборудованием SpectralWorckbench является одним из наиболее бюджетных, некоторые дополнительные модули спектрометра для ардуино могут стоить 500 вечно условных единиц.
Роман @BosonBeard
карма
34,7
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (18)

  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • +1
      Думаю в общем и целом для создания спектроскопа вполне. Читал что призма не только подходит, но и может быть даже лучше, просто призмой сложнее разжиться, а болванки они всегда под рукой.
      • +1
        Я для сына сделал из купленной на ebay за $6 призмы. Т.е. с «разжиться» сложностей не вижу.
        До этого пробовал с куском CD делать, не понравилось. С призмой гораздо лучше.
        • +2
          Представим гипотетически, что вы Житель г. Чебоксары и Вам прямо сейчас захотелось собрать спектрометр…
          • +2
            Первый вариант на компакте. Пока собираешь — успеет доехать призма с ебея для второй версии.
    • +4
      Лучше всего всё-таки дифракционная решетка. У призмы есть одна проблема — она, если сделана из стекла, отсекает ИК и УФ диапазоны. В принципе для «поиграться» и снимать спектр на мыльницу — вполне хватит, а вот для чего-то даже чуточку более серьезного — уже нет.
      Я приобретал вот такую www.patonhawksley.co.uk/staranalyser.html для своего телескопа.
      Дороговато конечно, но не запредельно. А простые решетки без оправы совсем дешевые, вот например www.xump.com/science/3-in-1-Diffraction-Gratting.cfm
      • +1
        Решетки имеют неприятный недостаток — паразитные дифракционные порядки вылезают, и портят всю малину.

        А материал для призм разный бывает. Кремниевые матрицы до 1-1.1мкм видят, там и обычное оптическое стекло вполне себе работает.

        Вот например спектр пропускания стекла BK7:


        Я кстати именно этом вопросом отдельно интересовался: physics.stackexchange.com/questions/20080/why-in-professional-spectroscopes-diffraction-gratings-are-used-instead-of-prism
        • 0
          Это конечно очень интересно, но уместится ли такая призма в $200?
          • 0
            Да, это ведь одно из самых распространенных стекол.

            А насчет цены — я в Китае как раз пару призм заказал по 5$ — там наверняка будет что-то распространенное, едва-ли до 1.1мкм не достанет.
            • 0
              Спасибо, это интересно, надо будет попробовать. Правда одно НО — призму в стандартное колесо для фильтров не вставишь…
        • +1
          Если перейти по ссылке, то там написано, что в призме тоже есть паразитные составляющие из-за переотражений.

          Для уменьшения размеров спектральных приборов зачастую используется второй дифракционный порядок, а иногда даже третий, хоть он и имеет меньшую интенсивность.
          • 0
            Да, верно — но эти переотражения — не обязательно будут на «кратной частоте» и существенно слабее (т.к. отражений должно быть несколько, 0.05*0.05 и ниже...). И это еще без учета просветляющих покрытий.

            С дифракционной решеткой бесполезно смотреть на 532нм лазер и пытаться увидеть, сколько там 1064…
            • 0
              Можно различить перекрывающиеся дифракионные порядки, зная соотношение их интенсивностей. Насколько я помню такой метод используется в некоторых спектрометрах.
        • 0
          Спасибо возьму на заметку
  • +8
    Приятно черт возьми!
    И этот золотой человек с прямыми руками собрал мне прекрасный спектроскоп.

    Уважаемый коллега забыл упомянуть, что мы нашли неоправданно дорогой любительский аналог в виде arduino-shield'а (http://myspectral.com/#download) (http://www.thishollowearth.org/worlds-first-opensource-arduino-spectrometer/) Цена вопроса — 300-500 евро (http://myspectral.com/order.html). Попробовать конечно было бы интересно, но за такую цену… Поэтому продолжим эксперименты пока с тем что есть, а потом может быть соберем более адекватный агрегат.
  • +2
    В полях spectrum parameters удаляю значения после точки и точку включительно ну допустим делаю из 720.0 просто 720 и жму enter

    Вероятнее всего софт написан с плохой совместимостью языковых стандартов (у одних стран десятичная часть отделяется запятой, у других точкой), вот и не может распарсить значение. С обычными целыми числами проблем разумеется нет. Отпишитесь автору о баге, его легко исправить.
  • 0
    Хочу подкинуть идею на счет призмы — снимите с лазера любого ненужного оптического привода, CD или DVD плеера (можно и с фотоапарата, но не у всех фотоапаратов она есть, так что не крошите не зная технику — узнавайте заранее).
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.