https://habr.com/ru/company/samsung/blog/682020/
Хорошее освещение – часть гигиены современного дома. Поэтому очень важно подбирать хорошие лампочки. Спектрометр, сделанный из смартфона, позволит вам оценить их качество. Так, например, вы сможете сравнить с солнечным спектром недавно появившиеся лампы по технологии Sunlike.
Если вы любите выращивать цветы, то наверняка знаете, что разные цветовые компоненты по-разному действуют на растения. Так, например, красная компонента стимулирует цветение. А синяя компонента заставляет растение развернуться в сторону источника света. Имея такой прибор, вы сможете углубиться в эту тему сильнее.
Сегодня мы проведем несколько экспериментов с разными источниками освещения и увидим на приборе различие между разными лампочками: энергосберегающими, светодиодными и накаливания, а также посмотрим на отдельные светодиоды, на экран смартфона и на солнечный свет. Невооруженным взглядом освещение от этих источников света во многих случаях выглядит одинаково, однако на спектрометре вы увидите, что оно отличается очень сильно.
Чтобы увидеть, как мы делали спектрометр, переходите к видео-руководству:
Там классные ASMR-эффекты при резке DVD-диска ножницами получились, я их все оставила в видео.
Ниже - текстовая расшифровка, для тех, кто не любит смотреть, но любит читать.
Что нам понадобится
Смартфон
Чистый односторонний DVD-R-диск (другие не подходят)
Ножницы
Канцелярский нож
Черная изолента
Штатив с креплением для смартфона
Картон или плотная бумага для печати
Линейка
Клей ПВА
Черная краска и кисть
Для экспериментов нам понадобятся:
Любой осветительный прибор с резьбой под лампочку цоколем E27 или E14 (этот поменьше)
Энергосберегающая люминесцентная или галогенная лампочка
Светодиодная лампочка
Лампочка накаливания
и любые другие источники света по вашему желанию!
Электромагнитный спектр
Длины волн
Согласно волновой теории света, свет - это частный случай волн электромагнитного излучения. У любой волны есть характеристика, называемая длиной - это просто расстояние между двумя пиками волны
Невооруженным глазом можно наблюдать лишь очень небольшой диапазон. Всё, что мы видим, всё многообразие окружающего мира укладывается в этот очень небольшой участок. Остальное - невидимые для нас волны.
0.01 нм -1 нм | гамма-излучение |
1 нм – 100 нм | рентгеновское излучение |
100 нм – 400 нм | ультрафиолетовое |
380 – 750 нм | видимый свет |
1 мкм - 1 см | инфракрасный свет |
1 см – 1 м | микроволны |
1м - 1 км | радиоволны |
Нам интересен именно оптический диапазон. Каждому цвету соответствует волна определенной длины. Цвета идут неравномерно: вы видите, что, к примеру, желтого или голубого цвета гораздо меньше, чем красного. И даже синего меньше, чем красного, хотя и тот, и другой относятся к базовым цветам.
Цвет | Диапазон длин волн, нм |
Фиолетовый | 380—450 |
Синий | 450—475 |
Голубой | 475—495 |
Зелёный | 495—570 |
Жёлтый | 570—590 |
Оранжевый | 590—620 |
Красный | 620—750 |
Спектрометрия
Как эти длины волн связаны с реальным светом, который мы видим? Видимый свет часто представляет собой смесь различных цветов. Из школьного курса физики все знают опыт Ньютона с призмой. Исаак Ньютон пропускает луч света через призму, и луч раскладывается в радугу. Эту цветную картинку он назвал спектром. Раздел физики, который изучает спектры, называется спектроскопия.
Тогда еще были неизвестны точные характеристики этого спектра. Измерять их начал немецкий физик Йозеф Фраунгофер. Для солнечного света он измерял спектральные линии – выделяющиеся участки спектра. Так появилась спектрометрия - не только наблюдение спектра, но и измерение длин волн его составляющих и их интенсивности.
Спектрометр - это прибор, который разделяет цвета, подобно призме, и измеряет интенсивность каждого цвета. Полученный график называется спектрограммой. Типичный результат работы спектрометра выглядит как этот спектр дневного неба: вверху фактический спектр света, внизу график, на котором по горизонтали отложена длина волны в нанометрах, а по вертикали - интенсивность в процентах.
Собираем спектрометр
Мы будем делать спектрометр по чертежу Public Lab. Это некоммерческая образовательная организация, которая занимается экологическими проектами, и спектрометрия им нужна для измерения чистоты воздуха. Их сайт - целое сообщество и социальная сеть, где люди делятся своими наработками и экспериментами.
Для калибровки спектрометра и анализа снимков будем использовать веб-инструмент под названием Spectral Workbench. Что приятно, этот инструмент регулярно обновляется и бесплатно размещен в свободном доступе.
Спектрометр собирается из трех частей:
Корпус
Оптическая щель
Дифракционная решетка
Здесь понятно всё, кроме слов “дифракционная решетка”. Еще во времена Ньютона открыли, что цвета может разделять не только призма. Оказывается, спектр можно увидеть, если пропустить свет через пластину с множеством штрихов, и чем они тоньше, тем лучше. Посмотрите, как это работает с перьями птиц.
Дифракционная решетка даже не обязана что-либо пропускать, она может работать на отражение. Такие конструкции спектрометра тоже существуют.
Но мы будем делать именно пропускающую решетку из фрагмента DVD-диска.
Корпус
Есть два варианта: склеить его из картона или напечатать на 3D-принтере. Я покажу оба. На мой взгляд, бумажный спектрометр по своим характеристикам ничем не уступает пластиковому, а стоит гораздо дешевле. Поэтому я рекомендую сделать бумажный.
Бумажный спектрометр
Скачать чертеж можно на сайте Public Labs На момент публикации статьи актуальна версия с номером 2.10.0.
Развертку печатаем на обычном принтере (можно на черно-белом) на стандартном листе формата A4. Чтобы спектрометр сделать хоть сколько-нибудь прочным, есть два варианта: 1) сразу печатать его на плотной бумаге 2) наклеить напечатанный вариант на картон. Картон рекомендуется брать не толстый, потому что иначе из него будет сложно склеить модель, все детали достаточно мелкие.
Я взяла плотную бумагу для принтера и получилось вот что. Прорезать отверстия удобно канцелярским ножом.
Внутри спектрометр должен быть черным, поэтому нужно покрасить внутреннюю поверхность краской или маркером.
Я склеила корпус обычным клеем ПВА. Сгибы делала по линейке, чтобы всё получилось аккуратно.
Получилась такая коробочка:
Печать на 3D-принтере
А это альтернативный вариант - корпус, который я напечатала на 3D-принтере. Плюс в том, что его нельзя случайно смять или намочить.
Я взяла для печати черный пластик и напечатала по этому чертежу. Он понравился мне тем, что достаточно компактен и при этом печатается без поддержек. Дизайн симпатичный, но я столкнулась с проблемой сложности крепления к смартфону. Корпус тяжелый, и никакой скотч его не выдерживает. Поэтому если решите делать такой, то сразу продумывайте систему крепления для него. Я не хотела портить смартфон клеем, поэтому мой выбор - однозначно, бумажный спектроскоп.
Дифракционная решетка
Воспользуемся самым доступным и дешевым вариантом - сделаем дифракционную решетку из части DVD-диска.
Структура диска такова, что это множество очень тонких бороздок в виде спирали, и каждая бороздка имеет толщину порядка 1 микрометра.
Поскольку диск круглый, то и картинка у нас получится изогнутая.
Нам нужен диск DVD-R. Важно, что перезаписываемый DVD-RW не подойдет, нужно именно DVD-R. CD-R тоже не подойдет, нужен именно DVD-R. Еще один важный момент: диск должен быть чистым, и на нем не должно быть ничего записано!
На картинке изображена структура диска, нам нужна подложка, то есть самый нижний слой.
Делаем все осторожно и пальцами диск не пачкаем. Желательно надеть резиновые перчатки. Вырезаем ножницами кусок DVD-R диска, примерно так же, как мы делим пиццу на куски. Из одного и того же диска можно вырезать несколько дифракционных решеток.
Затем острым ножом подцепляем край и разделяем диск на пластины.
Нам нужна нижняя прозрачная часть.
На ней скорее всего останется фиолетовая краска. Помещаем нашу решетку в теплую воду и отмываем краску спиртом.
Решетка станет полностью прозрачной
После чего ее можно прикрепить к нашему корпусу спектрометра узким скотчем.
Оптическая щель
Последняя деталь, которая остается, - это оптическая щель. Она должна быть очень узкой, размером 1 миллиметр, а лучше еще меньше (но переборщить тоже нельзя, иначе вы потеряете яркость изображения). Иногда в самодельных спектрометрах для этого используют бритвенные лезвия, но я не стану так делать, потому что не хочу случайно порезаться. Вместо этого я рекомендую взять ровные картонные полоски, например, от визитной карточки, и аккуратно приклеить их скотчем, стараясь оставлять как можно более узкую щель. Конечно, полоски тоже должны быть черного цвета.
В руководстве Public Lab для изготовления полосок оптической щели предлагается использовать чертеж, который тоже можно распечатать.
Дальше всю конструкцию желательно проклеить по швам черной изолентой, чтобы никаких случайных щелей не осталось.
Сборка
Приклеиваем скотчем либо изолентой к смартфону наш спектрометр. Здесь важно хорошо его зафиксировать, а в идеале сделать всю конструкцию неразборной, если у вас есть старый ненужный смартфон и вы можете себе позволить полностью превратить его в спектрометр.
У новых смартфонов много камер и расположены они с краю, из-за этого прикрепить к ним корпус спектроскопа затруднительно. Гораздо лучше, если у вас есть не самый новый смартфон с одной камерой по центру, пристроить корпус к нему гораздо проще. Я взяла Samsung S9, это телефон 2018 года выпуска. У него как раз камера стоит по центру - удобно.
Когда приклеиваю спектрометр к телефону, слежу, чтобы в его камеру было видно “радугу”, образующуюся при прохождении света через щель. Старайтесь приклеить так, чтобы “радуга” была видна максимально четко и по центру.
После фиксации спектрометра я поставлю всю конструкцию на штатив и постараюсь минимизировать ее перемещения в ходе экспериментов. Напротив штатива я поставлю обычную настольную лампу, в которой буду менять лампочку. И тоже закреплю ее, чтобы условия проведения эксперимента были везде одинаковые.
Калибровка
Итак, через камеру мы уже видим спектр лампочки и можем делать спектрограммы, но впереди один важный подготовительный шаг. Чтобы проградуировать наш спектр и подписать по горизонтальной оси длины волн, необходимо сделать его калибровку.
Нам понадобится:
Смартфон
Спектрометр
Энергосберегающая люминесцентная лампочка
В таких энергосберегающих лампочках используются пары ртути. При подаче напряжения они излучают хорошо известный спектр с очень четкими, узнаваемыми пиками. Вот такой красивый спектр я увидела в свой спектрометр:
Что примечательно, именно в этом спектре - две четкие линии синего цвета и одна зеленого. Эти пики всегда имеют одинаковую длину волны, поэтому мы можем распознать их по цвету и порядку, а также сравнить наш спектр с известным эталоном, чтобы определить длину волны каждого пикселя нашего спектра.
Как провести процесс калибровки: для начала зарегистрируйтесь на сайте PublicLab.org. Это бесплатно. После того, как вы зашли на сайте PublicLab, переходите на их сервис работы со спектограммами Spectral Workbench.
Сперва нужно залогиниться, иначе ваши спектры не будут сохраняться. Нажимаем Log In. Вверху справа увидите кнопку Capture Spectra - этой кнопкой прямо из браузера можно заснять спектрограмму с вебкамеры, подключенной к компьютеру, или через камеру телефона. Так что зайдем на эту страничку с телефона. По умолчанию выбирается Capture версии 1, который нам не подходит, потому что он на телефоне выберет фронтальную камеру. Что же делать? Сразу выбираем версию Capture v2. Хотя это и бета-версия, но зато в ней можно менять камеру.
Вам покажут предпросмотр того, что видит камера. Поместите желтую линию в центр цветных полос, как показано на примере, и нажмите Capture.
Программа начнет строить график и спектр немедленно. Если вы видите лишние отсветы и отражения, то скорее всего свет проникает сбоку. В этом случае тщательно заклейте черной изолентой место прилегания спектроскопа к телефону. Второй вариант того, что может произойти, - это засветка, если вы направляете спектрометр прямо на лампочку, тогда увидите интенсивность доходящую до 100% и на графике пики, подсвеченные желтым. Старайтесь направлять его чуть в сторону от лампочки.
Важно, что синий цвет должен быть слева, а красный справа: по оси Х длина волны нарастает слева направо. Если это не так, то в приложении на сайте немедленно переверните камеру, иначе потом будет сложнее делать калибровку.
Когда увидите график, похожий на радугу, и когда экран внизу полностью заполнится измерениями, нажмите “Сохранить” и укажите, что вы используете это для новой калибровки. Далее удобнее зайти с компьютера и посмотреть спектр, который получился. Нажимаем кнопку Calibrate и перемещаем маркеры на пики интенсивности, они уже будут размещены автоматически, вам лишь нужно их немного подвинуть. Получается такая картинка.
Теперь мы будем каждый раз применять эту калибровку для нашего спектрометра. Мы нанесли шкалу и сможем узнать длины волн для новых источников света. Для этого у новых спектров нажимайте Copy calibration, и уже имеющаяся калибровка будет применена для нового спектра.
После того, как калибровка проведена, желательно не перемещать спектрометр, и менять только источники света, чтобы все эксперименты проходили в идентичных условиях. Если спектрометр переместили, то нужно проводить повторную калибровку.
Эксперименты
Светодиодная лампочка
Посмотрим на разные источники света через наш спектрометр. Прежде всего, заменим энергосберегающую люминесцентную лампочку на светодиодную:
Видим, что у светодиодной лампочки спектр сильно отличается от спектра энергосберегающей. Здесь нет таких четких линий, но отлично видно три пика, соответствующих синей, красной и зеленой компоненты. Причем между ними почти нет промежуточных цветов. Между синим и зеленым - пустота, хотя, как вы помните, в радуге там находится голубой. Также совсем не видно фиолетового цвета.
Различие спектров “холодных” и “теплых” лампочек наглядно видно на этой иллюстрации.
Проведем эксперимент и увидим, что так и есть: у холодных лампочек сильная синяя компонента, у теплых - зеленая и красная.
Цветовая температура лампочек измеряется в кельвинах, у “холодных” она выше 5000, у “теплых” ниже 3500. Какую лампочку выбрать для чтения перед сном, а какую включать утром?
20 лет назад синие светодиоды стали массово использоваться в технике, и вообще вошли в моду. Однако красивый синий свет создает проблемы для нашего здоровья. Фокусировать зрение на нем сложнее, а в темноте он “режет глаз” и кажется более ярким. Доказано, что свет с длиной волны 450-480 нанометров подавляет выработку мелатонина - гормона сна.
Это как раз тот самый синий свет, о котором мы говорим. Вы видите, насколько он коварный, ведь прячется даже в белом свете. Но теперь вы знаете, как при помощи спектрометра определить источники освещения, мешающие вам уснуть.
Перед сном лучше включать лампочку, где в спектре больше зеленого и красного, то есть “теплую”, а утром, наоборот, разумнее включать “холодную”, чтобы быстрее проснуться. И конечно, можно заклеить все синие светодиоды на технике в комнате, где спите.
Лампочка накаливания
Теперь сравним с обычной лампочкой накаливания:
У лампочки накаливания гораздо больше цветовых переходов в спектре. Это потому, что лампочка, как и все источники, светящиеся от нагрева, то есть свечи, костры, звезды, в том числе Солнце, является источником с непрерывным спектром. Считается, что такие источники света привычнее для глаз. Поэтому все ученые-физики, которые занимаются совершенствованием светодиодных ламп, работают над тем, чтобы добавлять в них вещества, растягивающие спектр.
Красный светодиод
Светодиодную лампочку мы посмотрели, а что насчет “обычных”, единичных светодиодов? Тут всё без сюрпризов. Я посмотрела на спектр обычных настольных часов-будильника с семисегментным красным светодиодным индикатором. Свет индикатора был очень слабым, и мне пришлось придвигать часы вплотную.
Как и следовало ожидать, кроме красной компоненты здесь почти нет никаких других.
Прерывистый красный цвет обусловлен тем, что мигает двоеточие, разделяющие часы и минуты? Я заклеила его черной изолентой, но эффект остался, видимо, попадает отражение. А хабраюзер@Slonosvinнаписал в комментариях, что это динамическая индикация, когда цифры горят не все вместе, а по очереди. У меня такая версия была тоже, но я засомневалась, успевает ли спектрометр регистрировать. Как установить истину? Пишите в комментариях свои версии :)
Светодиодный фонарик
Посмотрим на обычный светодиодный фонарик. Его свет достаточно слабый, поэтому я светила на лист бумаги и смотрела в спектрометр на отражение.
Увидим, что в его спектре практически отсутствуют какие-либо цветовые компоненты кроме синей, хотя сам свет фонарика выглядит как холодный белый, чуть синеватый цвет.
Недавно мы видели, что светодиодная лампа, излучающая белый свет, имеет в составе все три компоненты, и все они видны достаточно хорошо на спектрограмме! Почему же здесь только синяя полоса? Я думаю, дело вот в чем. Мы видим вторую технологию изготовления светодиодов. Помимо смешения трех цветов, есть и другой путь - это синие светодиоды, у которых длина волны в диапазоне 450-460 нанометров, что соответствует синему цвету и полностью подтверждается нашей спектрограммой. Почему же свет от них видится как белый? Светодиод покрыт специальным люминофором, проходя через который, свет смешивается и видится нам как белый. В дешевых фонариках на люминофоре экономят, и поэтому в них синяя компонента преобладает над всеми остальными, оттого цвет становится более “холодным”. Этот люминофор можно наблюдать в виде слабо различимой зеленой и еле-еле видной красной полосы.
Экран смартфона
Изучим теперь через спектрометр экран смартфона. Для фиксации второго смартфона мне пригодился второй штатив. На экране я включила белое окно приложения. Как и у светодиодной лампочки, здесь отчетливо выделяются три цветовые компоненты - синяя, зеленая и красная, причем синяя самая интенсивная.
Я сравнивала, как меняется спектр в зависимости от того, работает ли опция “Комфорт для глаз”. Что будет, если включить её и посмотреть на тот же самый экран смартфона с тем же окном приложения? Наглядная картинка на иллюстрации ниже.
Видно, что интенсивность синей компоненты снизилась благодаря опции “Комфорт для глаз” с 80% до 64%, при этом чуть подросли характеристики остальных компонент.
То есть опция “Комфорт для глаз” работает, и ещё как! Не пренебрегайте ей по вечерам.
Солнце
Теперь посмотрим на солнечный свет через наш спектрометр. Какая картинка получается?
Если посмотреть на нее внимательно, то сразу видно отличия от предыдущих картинок. Спектр очень яркий и непрерывный, в нем не видно провалов. Больше всего он похож на спектр лампочки накаливания. Из всех спектров, что мы сегодня смотрели, он самый насыщенный. Из этой картинки становится сразу ясно, к чему стремятся производители источников света.
Фото солнечного спектра трудно сделать так, чтобы избежать засветки. Секрет в том, чтобы не направлять спектрометр напрямую на солнце, а вместо этого, к примеру, на небо.
Заключение
Итак, мы собрали свой спектрометр из простейших деталей: всего-то картон и осколок DVD-диска. Качество нашего самодельного прибора любительское, но, как вы видите, он настоящий, а не игрушечный, и теперь вы можете ставить с ним свои эксперименты. Более качественный спектрометр в домашних условиях можно сделать, используя профессиональный фотоаппарат. Вот пример хабрастатьи об этом.
Увидеть настоящий спектрометр вместе с самыми интересными источниками света - то есть лампами с газами, такими как аргон или неон - можно, к примеру, в Москве, в интерактивном музее “Лунариум”. Сейчас лампы редко делают с газом, все перешли на светодиодную технологию, но кое-где они все же остаются. На Public Lab есть классный отчет о любительской спектрометрии неоновых вывесок:
Если хотите узнать о спектрометрии больше, могу порекомендовать видеоролик от научно-популярного канала “Закройте, дует”.
https://pikabu.ru/story/spektroskop_svoimi_rukami_3388667?utm_source=linkshare&utm_medium=sharing
ОтветитьУдалитьhttps://usamodelkina.ru/21688-nedorogoj-spektrometr-svoimi-rukami.html?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F
ОтветитьУдалитьhttps://github.com/kousheekc/DIY-Spectrometer-Analyser
ОтветитьУдалитьhttps://acdc.foxylab.com/spectr
ОтветитьУдалить