自制光谱仪.doc

自制光谱仪 用光盘自制光谱仪, 所需材料只要一片光盘, 一只纸盒而已. CD数据一面用肉眼直接观看五彩缤纷. 这是因为CD的数据轨道非常致密, 可用作衍射光栅. 但由于各个方向的光线混杂在一起, 所以看不到光谱. 不过我们只要在前面装一个狭缝就是一台简易光谱仪. 虽然离专业光谱仪有很大差距, 但是作为科普工具人人可做, 对普及一些物理知识还是很有用的. 这还是个很好的玩具. 自制光谱仪结构如下: 纸盒一侧开一条水平狭缝, CD倾斜60度左右斜插在另一边, 从纸盒上方开口观看. 注意看到的应该不是狭缝的镜像, 而是光谱. 狭缝要不宽不窄, 太宽谱线模糊, 太窄亮度不足. 我用0.2mm左右, 大家试验决定. 用多种CD试验发现 (1)可写光盘CD-R比普通CD光谱亮一些. CD-R牌子不同亮度也不一样. 把CD翻过来看哪个最绚丽即可. 写过和没写过的CD-R区别不大. (2)上面的角度不适用于DVD. 光谱哪里来? 中学物理里学过:1. 稠密物质, 包括高压气体和等离子体, 按黑体辐射发出连续光谱.2. 低压气体发出离散亮谱线, 亮度随气体温度升高而增加.3. 具有连续光谱的光线通过低压气体, 对应2)中位置出现离散黑线.好了,下面让我们看看日常生活中的光谱. 所有照片由作者用尼康995数字相机拍摄. (1) 和天文密切相关的首推太阳光谱. 太阳是黑体辐射, 所以太阳光谱主要是连续谱, 但是上面有黑线, 即著名的夫琅和费线(Fraunhofer lines). 它们是光线通过太阳表面大气和地球大气被选择性吸收而形成的. 这光谱仪虽然简单,但是(1c, 1d)照片里也能看见数条黑线: 深红色里的C(氢H-alpha, 656nm), 桔黄色里的D(钠,589nm), 绿色里的E(铁,527nm)和b1,b2(镁,518nm), 天蓝色里的F(氢H-beta, 486nm), 紫色里的G(铁和钙, 431nm). 有趣的是中午的阳光和太阳落山时的阳光光谱不同! 对比(1c)和(1d), 我们发现红色里多了一条a(地球氧气分子,628nm). 这是因为太阳仰角低时, 阳光经过更多的地球大气, 有些地球分子吸收线就表露了出来. C线和D线下面也出现了新的吸收带. (2) 白炽灯是普通灯泡, 钨丝加热发光, 按黑体辐射发出连续光谱, 所以从红到紫一片连续, 和太阳光谱相比少了那些黑线. (图中黄色不明显, 可能是数字相机对黄谱段不敏感). 卤钨灯(tungsten halogen lamp)发光原理和白炽灯相似, 光谱也是连续的. (3) 日光灯发光分两步: 首先水银蒸汽被激发主要发出紫外线, 然后管壁上的荧光粉将紫外线转化为宽谱可见光. 所以日光灯在连续背景上有亮水银谱线, 以绿色的546nm最显著. (4) 桔黄色的高压钠灯被广泛用于晚间照明. 有趣的是它的光谱也会变化! 如果你看刚刚点亮的高压钠灯, 会看到几条亮线, 其中有黄色的钠发射谱线(589nm) (4c). 但是若干秒后随着灯越来越亮, 黄色慢慢变宽, 中心出现细黑线(4d, 4e). 等高压钠灯稳定发光后, 灯泡内缘充满相对较冷的钠蒸汽, 强烈吸收谱线. 所以此时黄色位置由亮线变成很粗的黑线(4f,4b). (4c-f)拍摄参数完全一样. (5) 计算机CRT显示器白色屏幕的光谱. 红色是离散谱线, 但绿,蓝则是连续光谱. (6) 笔记本电脑液晶显示屏和CRT显示器发光原理显然不同. (7) 红色发光二极管在红色部分发出连续光谱. (8) 接线板红色指示灯是氖气(neon)发光. 发出许多条红色, 桔红色的离散亮谱线. (9) 绿色夜灯就是一层荧光粉, 电致发光发出连续光谱. (10) 节能灯(又称紧凑型日光灯, compact fluorescent light)和普通日光灯(3)发光原理类似, 但它采用新型三色荧光粉, 而非普通的宽谱白色荧光粉. 光谱仪下连续谱不见了, 代之以各种颜色的谱线. (11) 这种绿,紫色霓虹灯光谱主要是荧光粉不同. (12) 这张照片摄于 2004年10月27日月食开始前. 光谱仪手持于20cm反射镜的目镜后面. 因为月光就是反射的太阳光, 所以光谱和太阳光谱类似: 连续背景上有黑色夫琅和费吸收线(1).(13) 蜡烛发出连续谱. 不过我用的蜡烛和火柴在刚刚点燃的时候还有黄色的钠线, 几秒之后消失. 用铅丝蘸食盐燃烧则黄色钠线很明显, 来源自然是氯化钠里的钠. 钠应该是双线, 这个光谱仪分辨不出.(14) 金属卤化物灯是高压水银灯的变种. 谱线十分复杂. (15) 蓝色霓虹灯不知是氩和水银, 还是有荧光粉在里面. 红色霓虹灯光谱明显的是氖(neon), 和(8)一样. (未完待续) 光谱仪spectrometer又称分光仪。以光电倍增管等光探测器在不同波长位置，测量谱线强度的装置。其构造由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。 光谱仪简介：光谱仪( Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线，。阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光)，但若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛的应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。 图中所示是三棱镜摄谱仪的基本结构。狭缝S与棱镜的主截面垂直，放置在透镜L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。用光源照明狭缝S， S的像成在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用，不同波长的谱线彼此分开，就得入射光的光谱。棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。普通光学玻璃只适用于可见光波段，用石英可扩展到紫外区，在红外区一般使用氯化钠、溴化钾和氟化钙等晶体。目前普遍使用的反射式光栅光谱仪的光谱范围取决于光栅条纹的设计，可以具有较宽的光谱范围。表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等。基于干涉原理设计的光谱仪（如法布里-珀罗干涉仪、傅立叶变换光谱仪）具有很高的色散率和分辨本领，常用于光谱精细结构的分析。光栅 光栅：光栅是结合数码科技与传统印刷的技术，能在特制的胶片上显现不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立体世界，电影般的流畅动画片段，匪夷所思的幻变效果。 光栅是一张由条状透镜组成的薄片，当我们从镜头的一边看过去，将看到在薄片另一面上的一条很细的线条上的图像，而这条线的位置则由观察角度来决定。如果我们将这数幅在不同线条上的图像，对应于每个透镜的宽度，分别按顺序分行排列印刷在光栅薄片的背面上，当我们从不同角度通过透镜观察，将看到不同的图像。 立体效果 根据研究，我们人类的眼睛在观察一个三维物体时，由于两眼水平分开在两个不同的位置上，所观察到的物体图像是不同的，它们之间存在着一个像差，由于这个像差的存在，通过人类的大脑，我们可以感到一个三维世界的深度立体变化，这就是所谓的立体视觉原理。 据立体视觉原理，如果我们能够样我们的左右眼分别看到两幅在不同位置拍摄的图像，我们应该可以从这两幅图像感受到一个立体的三维空间。从前面的分析中我们可以知道不同的观察角度将可以看到不同的图像。因如果我们将光栅垂直於两眼放置，由于两眼对光栅的观察角度不同，因而两眼会看到两个不同的图像，从而产生立体感。 常为了获得更好的立体效果我不单单以两幅图像制作，而是用一组序列的立体图像去构成，在这样的情况下，根据观察的位置不同，只要同时看到这个序列中的两副图像，即可感受到三维立体效果。 动画幻变变画 将光栅平置于两眼之间，注意两眼对光栅的线纹角度要保持平行，因而两眼看到的是同一个图像，如果图像是由一列连续动画所构成，那么当双眼上下移动或把光栅上下翻动时，双眼与光栅的角度将发生变化，我们也将看到一个接一个的连续图像，即看到一个动画或变画的效果。 光栅原理明说明 光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。 一、何谓光栅板 就是指有一面被挤压成圆柱形线条 一面为完整平面的塑胶材料，且圆柱形线条间距相等谓之 光栅 此光栅平面可作为印刷之用途，使用光栅视觉软体合成图档后，使用不同输出设备输出档案，并与光栅贴合或直接印刷在光栅板上，就可以呈现如右图所示的效果，让动画可以直接在平面的印刷上呈现出萤幕所看见的变图效果。 二、 窄角度光栅与宽角度光栅 在选择适合的光栅板时，光栅弯曲的角度是非常重要的事，一般来说 3 D 立体效果最理想的光栅是使用窄角度光栅板，它的视角大约在15度 44度之间的效果是最好的，如果要制作变图或动画的效果，宽角度光栅板的视角约44度 65度之间是最适合的光栅板。 三、 市面常用之光栅种类与用途 在制作各种光栅视觉效果前，必须要先了解光栅的特性、种类、规格、厚度、尺寸、方向性等，才能仔细判别如何制作出精致的光栅影像效果，就台湾市面上常用之光栅材料做分类，可分为以下几种。 印刷光栅材质：PET、PP、PVC、TPU等，PET、PP为硬质平板环保材质，PVC、TPU为软质材质。 印刷光栅线数：50 LPI、60 LPI、62 LPI、75 LPI、100 LPI。 光栅线数效果：50 LPI-3D、Flip-常用材料 60 LPI-3D、Flip、Zoom、Twist、Animation 62 LPI-3D、Flip、Zoom、Twist、Animation 75 LPI-3D、Flip、Zoom、Twist、Animation-常用材料 100 LPI-3D、Flip-常用材料 光栅 设计图折射原理 利用光栅视觉软体把不同的图案转化成光栅线数，利用光栅折射的原理，在不同的角度呈现出不同的图案，如右图所示，不同规格的光栅会有不同的折射效果与折射角度，观赏距离也会有所不同，所以在设计光栅效果图档的时候，必须先了解光栅才能设计出符合光栅特性的设计图。 光栅视觉效果图的种类 光栅效果可以分为以下几种：立体3D、两变Flip、变大变小Zoom、爆炸Explore、连