Спектрометр из телефона своими руками. Многоугловой спектрометр динамического рассеяния света Photocor Complex

В предыдущих статьях я описывал, как тестировал различные светодиоды для растений. Для анализа спектра я и взятые у знакомого учителя физики.

Но потребность в таком приборе появляется периодически и спектроскоп, а еще лучше спектрометр хотелось бы иметь под рукой.

Мой выбор — ювелирный спектроскоп с дифракционной решеткой

Раз вещь для ювелиров - то в комплекте шел «кожаный» чехол

Размеры у спектроскопа маленькие

Что в прочем было ясно из описания магазина
Собрано все крепко, так что расчлененки не будет.
Поверим и так, что с одной стороны трубки стоит объектив-линза, с другой дифракционная решетка и защитное стекло.

А внутри красивая радуга. Налюбовавшись ею вволю стал искать, а что бы такое посмотреть на спектре.
К сожалению, по прямому назначению спектроскоп применить не удалось, так как вся моя коллекция брильянтов и драгоценных камней ограничилась обручальным кольцом, совершенно непрозрачным и не дающим никакого спектра. Ну разве что в пламени горелки))).
Зато ртутная люминисцентная лампа честно дала много красивых полосок. Вволю налюбовавшись различными источниками света озадачился вопросом, что нужно картинку как то зафиксировать и спектр измерить.

Немного DIY

В голове уже давно крутилась картинка насадки на фотоаппарат, а под столом стоял , не прошедший еще последней модернизации, но вполне успешно справляющийся с ПВХ пластиком.

Конструкция получилась не очень красивой. Все таки люфты по X и Y я победил не до конца. Ничего ШВП уже лежат в сборе и ждут, когда опорные линейные рельсы приедут.

А вот функциональность получилось вполне приемлемой, чтобы радуга отобразилась на стареньком Canon, давно лежащем без дела.

Правда тут меня ждало разочарование. Красивая радуга становилась какой то дискретной.

Всему вина - RGB матрица любого фотоаппарата и камеры. Поигравшись с настройками баланса белого цвета и режимами съемки, я смирился с картинкой.
Ведь преломление света не зависит от того, каким цветом фиксировать изображение. Для спектрального анализа подошла бы и черно-белая камера с максимально равномерной чувствительностью по всей ширине измеряемого диапазона.

Методика спектрального анализа.

Путем проб и ошибок нарисовалась такая методика
1. Рисуется картинка шкалы видимого диапазона света (400-720нм), на ней обозначаются основные линии ртути для калибровки.

2. Снимается несколько спектров, обязательно с эталонным ртутным. В серии съемок нужно зафиксировать положение спектроскопа на объективе, чтобы исключить сдвиг спектра из серии снимков по горизонтали.

3. В графическом редакторе шкала подгоняется под ртутный спектр, а все остальные спектры масштабируются без горизонтального сдвига в редакторе. Получается что-то вроде этого

4. Ну а потом все загоняется в программу анализатор Cell Phone Spectrometer из этой статьи

Проверяем методику на зеленом лазере, у которого длина волны известна - 532нм

Погрешность получилась около 1% что при ручной методике подгона ртутных линий и рисования шкалы практически от руки очень даже неплохо.
Попутно узнал, что зеленые лазеры не прямого излучения, как красные или синие, а используют твердотельную диодную накачку (DPSS) с кучей вторичных излучений. Век живи - век учись!

Измерение длины волны красного лазера тоже подтвердило правильность методики

Для интереса померил спектр свечки

и горящего природного газа

Теперь можно мерить спектр светодиодов, например «полный спектр» для растений

Спектрометр готов и работает. Теперь буду готовить с его помощью следующий обзор — сравнение характеристик светодиодов разных производителей, дурят ли нас китайцы и как сделать правильный выбор.

Вкратце, полученным результатом доволен. Может быть имело смысл подключить спектроскоп к веб камере для непрерывного измерения спектра, как в этом проекте

Тестирование спектрометра моим помощником

Спектроскоп - это, как известно, прибор, позволяющий выяснить состав вещества по спектру его излучения.

Направив, например, спектроскоп на люминесцентную лампу дневного света, мы увидим в ее спектре ярко-зеленые, яркие сине-фиолетовые линии и более слабые оранжевые. Они говорят о том, что в колбе лампы присутствует ртуть (сине-фиолетовая составляющая), а также некоторые другие элементы.

В тех случаях, когда сами по себе объекты исследования не светятся, их заставляют светиться, нагревая, скажем, в пламени горелки или пропуская через них сильный электрический ток.

Чтобы сделать простой спектроскоп своими руками понадобятся:

• CD- или DVD-диск;
• картонная коробка примерно 20x20x20 см (главное, чтобы в ней поместился диск);
• два лезвия от безопасной бритвы;
• небольшая картонная трубка;
• немного целлофановой ленты;
• алюминиевая фольга;
• клей.

Спектроскоп состоит из трех основных частей: щелей, сделанных при помощи бритвенных лезвий, дифракционной решетки из компакт-диска и просмотрового устройства, представляющего собой бумажную трубку.

Установите компакт-диск в верхней части окна, прорезанного в коробке, отступив примерно сантиметр от левого края, и поблизости к нижнему окну, как показано на фото (рис. 2). Отметьте с помощью фломастера или карандаша положение центрального отверстия диска. Эта отметка покажет вам, где в дальнейшем будет проходить бумажная трубка. Теперь разместите ее на коробке таким образом, чтобы нижний ее конец оказался над отметкой, которую вы только что нарисовали.

Нарисуйте еще один круг на поле, обозначив окружность бумажной трубки (рис. 3). Сместите ее на 1 - 2 см и очертите вокруг нее еще один круг. Эти круги подскажут вам, где нужно вырезать овальное окно (рис. 4).

Теперь вырежьте это окно острым ножом (рис. 5). Овал позволит поставить бумажную трубку под некоторым углом к поверхности диска.

Следующий шаг - сделайте разрез. Поверните ящик на четверть оборота так, чтобы овал оказался с правой стороны. Используйте диск еще раз, чтобы сделать еще один небольшой круг ближе к левой части ящика.

Щели будут расположены в крайней левой части ящика. Вырежьте небольшой прямоугольник в стенке коробки на высоте, отмеченной кружком, который вы сделали с помощью диска. Прямоугольник должен иметь ширину около 1 см и высоту примерно 4 см.

Осторожно разверните упаковку лезвий от безопасной бритвы и поставьте два лезвия над прямоугольным отверстием так, чтобы их острые края почти соприкасались друг с другом. Закрепите лезвия скотчем (рис. 6,7).

Открыв ящик, разместите в нем диск поблизости к щели. Прикрепите его скотчем к задней стенке коробки так, чтобы его рабочая сторона была обращена кверху (рис. 8).

Закройте коробку, обеспечьте ее светонепроницаемость с помощью черной бумаги или алюминиевой фольги (рис. 9).

Вставьте бумажную трубку (рис. 10). Алюминиевая лента или фольга сделают уплотнение светонепроницаемым. Чтобы убедиться, что угол, под которым в коробку вставлена смотровая труба, подобран правильно, направьте входную щель на источник света.

Посмотрите через бумажную трубку и подрегулируйте угол ее наклона, чтобы увидеть полный спектр - от красного до фиолетового (рис. 11). Вот и все, спектроскоп своими руками успешно собран.

Теперь, направьте щели на источник света, например, на обычную лампочку накаливания. Прибор покажет простой спектр, неяркие линии.

Это потому, что свет исходит от горячего тела (вольфрамовая нить в лампочке).

Горячий газ неон в лампе дневного света состоит из нескольких цветов, но они расположены в основном в красных и оранжевых частях спектра.

Красный свет светоизлучающих диодов имеет непрерывный спектр, поскольку в них нет горячего газа (рис. 12).

Зеленый свет светоизлучающих диодов и выглядит зеленым. Однако есть источники, которые излучают в желто-зеленой части спектра, а также дают некоторое количество оранжевых и красных линий (рис. 12).

Свет белого светоизлучающего диода на самом деле имеет примесь голубого и так называемого фосфорического.

Диод работает по аналогии с флуоресцентной лампочкой, где синий свет возбуждает люминофоры, чтобы вызвать белое свечение. Поэтому спектр здесь широк.

Профессор химии Александр Щилин (Alexander Scheeline) из Университета Иллинойса сделал из мобильного телефона спектрометр, чтобы увлечь школьников аналитической химией.

Профессор собрал основной научный инструмент химика из недорогих материалов и цифровой камеры. Спектрофотометрия является одним из наиболее широко используемых средств для идентификации и определения количества материалов. Если, например, нужно измерить количество протеина в мясе, воды в зерне или железа в крови – нужен спектрометр .

Студент не может оценить работу спектрофотометрии, если пользуется загадочным «ящиком» лабораторного спектрометра. Он не понимает, что происходит внутри и просто меняет образцы и записывает результаты, – объясняет Александр Щилин. – Это не помогает учебному процессу. Если вы хотите научить кого-то творчески использовать инструмент и улучшать его, нужно что-то попроще и понятнее".

Рис. 1. Это все, что нужно для изготовления спектрометра.

Если вы хотите обратить внимание на недостатки инструмента, намного проще, когда эти недостатки очень большие и не компенсируются сложностью устройств и настройкой", – объясняет Александр Щилин.

В спектрометре белый свет проходит сквозь образец материала, который поглощает определенные длины волн света. Затем дифракционная решетка раскладывает свет на цвета, и химики могут анализировать спектр, определяя свойства образца.

Рис. 2. Собранный спектрометр. Светодиод просвечивает кювету прямо напротив решетки, которая закреплена прозрачным скотчем.

В качестве источника света профессор Щилин использовал один светодиод , питаемый 3-вольтовой батарейкой. Дифракционную решетку, кюветы для образцов в США купить несложно и в итоге все оборудование стоит менее 3 долл. Осталось найти подходящую цифровую камеру, и тут ученый вспомнил, что у каждого школьника и студента есть мобильный телефон. После этого осталось только решить проблему обработки данных. Для этого профессор написал программу анализа спектров по фотографиям в формате jpeg и выложил ее в свободный доступ в интернет вместе с исходными кодами.

Впервые Александр Щилин продемонстрировал свое изобретение во время работы по программе обмена в Ханое (Вьетнам). Вьетнамские студенты не имели опыта работы с научными приборами, но с энтузиазмом приступили к экспериментам с сотовым телефоном-спектрометром.

Рис. 3. Мобильный телефон не заменит в серьезных научных исследованиях точный спектрометр, но не у каждого школьника есть 3000 долл. карманных денег для хобби.

В Соединенных Штатах профессор использовал самодельный спектрометр в ходе уроков в средней школе. К концу 45-минутного урока ученики усвоили вещи, которые ускользают от большинства учеников, использующих только учебники. Например, один ученик спросил о влиянии рассеянного света на чувствительность камеры и ее способность считывать спектр.

Старшеклассник, который еще час назад почти ничего не знал о спектрофотомерии, обнаружил основную проблему всех спектрометров, – радуется Александр Щилин. – С тех пор, как я начал преподавать, я пытался объяснить своим студентам концепцию воздействия рассеянного света на спектрометр и влияние этой проблемы на качество работы оборудования. И вдруг я увидел, как школьник сам понял суть этой проблемы и задал мне правильный вопрос!"

Ученый с радостью делится своим изобретением со школьными учителями и преподавателями ВУЗов на различных семинарах и с помощью интернета. Он надеется, что его изобретение усовершенствуют, например, напишут программу обработки изображений для смартфонов, что позволит избавиться от необходимости использовать компьютер. Мобильный телефон-спектрометр может увлечь массу людей аналитической химией, которая многим кажется сложной и непонятной наукой. Однако изобретение Александра Щилина демонстрирует, что врожденную любознательность человека легко пробудить – достаточно предложить простые, понятные и увлекательные творческие эксперименты.

Sekonic SpectroMaster C-700 - компактный спектрометр, который измеряет характеристики света от любого источника (светодиодного, галогенного, флуоресцентного и естественного). Линейный CMOS датчик SpectroMaster C-700 позволяет проводить измерения с точностью до 1 (нм), захватывая даже игольчатые спектры светодиодных и флуоресцентных источников, что обеспечивает непревзойденную точность измерения цвета.
Сегодня фотографы по-прежнему не изменили своего желания точно контролировать цвет, но изменяются источники освещения, пополняясь новыми видами осветительного оборудования. С ростом популярности светодиодного освещения, возрастает и необходимость в колорметре, способном его измерять, обеспечивая точную цветопередачу.

Измерение характеристик света от различных источников
Измерение характеристик света от различных источников: светодиодных, галогенных, флуоресцентных, вольфрамовых, ламп накаливания, естественного и импульсного света с точностью до 1-го нанометра (нм) выходной длины волны от 380 до 780 нм.

Измерение импульсного света
Приборы серии C-700 измеряют свет электронных вспышек и отображают на цветном экране необходимую информацию о балансе белого, компенсационных фильтрах, спектральный график. Цветовая температура отображается в градусах Кельвина, освещенность - в ЛК или ЛК/сек.

Запуск и измерение импульсного света происходит при помощи PC-кабеля или в беспроводном режиме.

Диапазон измерения цветовой температуры
Широкий диапазон измерения цветовой температуры (от 1600 до 40,000 K) и освещенности (от 1 до 200 000 Люкс для постоянного света, и от 20 до 20 480 Люкс для импульсного света), как в цифровом, так и пленочном режиме, что обеспечивает гибкость и точность измерения любого источника света в любой требовательной студии или вне помещения.

Удобная конструкция
Измеряющая головка вращается на 270°, калибровка в темноте без крышки, большой 4,3" цветной сенсорный ЖК-дисплей, пользовательские настройки.

Большой цветной сенсорный экран
Интуитивно понятный большой цветной сенсорный экран (4,3 дюйма) обеспечивает удобную навигацию, быстрый выбор, легко читаемые результаты измерений и спектральные данные.

Вариативность отображаемой на экране информации: текст, график спектра, индекс цветопередачи CRI, световые фильтры Rosco и LEE, фотофильтры Kodak Wratten, LEE и Fuji, компенсация баланса белого, режимы сравнения нескольких источников света.
Выбор функций, способа отображения информации в главном меню.
Выбранное пользователем значение измерения отображается в виде текстовой информации. Данные отображаются в реальном времени и обновляются после каждого замера; указаны источники света и значения измерений.
На экране индекса цветопередачи CRI отображается эталонные значения стандартного цвета (включая R1 - R15), как процент от способности источника света точно воспроизводить цвет, и в сравнении со стандартом Ra.
Этот экран отображает спектральное распределение энергии источника света в режиме реального времени в виде сочетания графика спектра и данных, или графиком на весь экран.
Сравнение нескольких источников освещения.
Фотофильтры.
Световые фильтры.

Единицы измерения
Измерения осуществляются в Кельвинах (K), Люксах (lux), фунт/куб. см, фильтрах LB/CC (световых и фотофильтрах), индексе цветопередачи CRI (Ra, от R1 до R15), ⊿uv.
Память результатов измерений
Прибор сохраняет в памяти до 99 результатов измерений.
Программное обеспечение
В комплект входит диск с утилитой для серии C-700, помогающий настраивать прибор и анализировать сохраненную данные на компьютере.
Датчик изображения
Используя Линейный датчик изображения CMOS, спектрометры серии C-700 измеряют характеристики света от любого источника с высокой точностью и производительностью.

Photocor Complex — прибор для измерения размеров частиц, коэффициентов диффузии и молекулярной массы.

Спектрометр позволяет проводить измерения методами статического и динамического рассеяния света в широком диапазоне углов рассеяния.

Прибор эффективен для традиционных для рассеяния света физико-химических исследований, а также для применения в нанотехнологии, биохимии и биофизике.

Компактная жесткая конструкция спектрометра Photocor Complex позволяет обойтись без использования специального оптического стола.

Прибор поставляется с большим набором адаптеров для различных кювет с диаметром 8...28 мм.

Встроенный в программное обеспечение макроязык позволяет автоматизировать длительные и рутинные измерения.

Особенности прибора*

• Автоматическое поворотное устройство для изменения угла рассеяния программным образом
• Система с одним или двумя лазерами предоставляет возможность измерения на различных длинах волн
• Система счета фотонов на основе лавинного фотодиода позволяет получить максимальную чувствительность и точность измерения размеров предельно малых частиц
• Блок иммерсионной кюветы повышает точность измерения молекулярной массы методом статического рассеяния света
• Возможность проводить измерения размеров частиц в концентрированных и непрозрачных системах методом обратного рассеяния света
• Простота приготовления образцов, малый объем образца. Возможность использования различных квадратных и цилиндрических кювет, а также проточных микрокювет
• Прецизионное термостатирование кюветного отделения
• Возможность измерения поляризованной и деполяризованной компоненты рассеянного света для оценки степени несферичности частиц.

*некоторые из перечисленных особенностей являются опциями, доступными при заказе прибора.

Универсальное программное обеспечение

• Различные программы полидисперсного анализа
• Определение средних размеров и распределения по размерам
• Определение молекулярной массы методами Зимма и Дебая
• Специальная процедура измерений с фильтрацией данных по двум параметрам (аппаратно-программный режим «защиты от пыли»)
• Возможность полной автоматизации измерений с помощью встроенного макроязыка.

Технические характеристики

**зависит от оптических характеристик исследуемых образцов.

Схема спектрометра Photocor Complex

Photocor Complex собран по традиционной схеме спектрометра динамического рассеяния света, предназначенного для многоугловых измерений динамического и статического рассеяния света и измерения размеров наночастиц.

Измерение размеров частиц в малопрозрачных дисперсных средах

Метод измерения размеров частиц в малопрозрачных дисперсных системах основан на использовании оригинальной геометрии обратного рассеяния света. Рассеянный свет собирается из пристеночной области входа лазерного луча в исследуемую жидкость.

Сильное поглощение света в малопрозрачных системах приводит к существенному уменьшению интенсивности рассеяния, что усложняет детектирование рассеянного света. С другой стороны, сильное поглощение света устраняет эффекты многократного рассеяния света, которые искажают результаты измерений в концентрированных растворах.

Данный метод успешно применялся во многих исследованиях непрозрачных систем, таких как красители, растворы асфальтенов, нефти и др.

Оптическая схема

Унифицированные узлы Photocor могут быть использованы в качестве своеобразного конструктора для создания оптических измерительных схем различной сложности. Разработка новых измерительных комплексов может проводиться самим заказчиком, который приобретает необходимые узлы и модули Photocor и самостоятельно собирает требуемую экспериментальную установку. При этом наша компания всегда готова оказывать всестороннюю методическую и консультационную поддержку. В ряде случаев компания готова полностью разработать и собрать прибор по согласованной с заказчиком оптической схеме. Ниже приводятся некоторые примеры такого сотрудничества.

• В нескольких лабораториях CNRS в Париже и Марселе (Франция) блоки Photocor успешно использованы для создания оптико-волоконных вариантов измерителей размеров наночастиц для мониторинга дисперсного состава реагентов химической реакции непосредственно в химическом реакторе.
• В Петрозаводском университете с использованием блоков Photocor был создан специальный измерительный комплекс для исследования дисперсных частиц в низкотемпературной плазме.
• С использованием результатов, полученных на физическим факультете МГУ, разработана специальная схема и конструкция лазерного допплеровского анемометра для измерения скорости поверхностных волн на межфазной границе жидкость-жидкость и жидкость-воздух. При появлении потребности на такой прибор наша компания готова полностью его собрать и поставить заказчику для проведения методической проработки данного уникального метода измерения межфазного поверхностного натяжения.
• Совместно с физическим факультетом МГУ и 62-ой больницей (г. Красногорск) проводятся работы по модификации спектрометра динамического рассеяния с целью создания диагностического медицинского прибора для массового скрининга онкориска.
• По заказу Мэрилендского университета (США) был разработан многоканальный спектрометр Photocor Complex, предназначенный для исследования фазовых переходов в полимерных растворах. Спектрометр имеет три He-Ne лазера и специализированную систему счета фотонов. Специально разработанный прецизионный трехконтурный термостат обеспечивает термостатирование измерительной кюветы с погрешностью 0.3 мК. Полностью автоматический режим работы позволяет проводить измерения статического и динамического рассеяния света непрерывно в течение многих недель.