Spektrometr i C++ Builder.


Niezmiernie miło mi donieść, że niniejszy temat zdobył pierwsze miejsce w konkursie Komputerowo Wspierany Eksperyment Szkolny w Przedmiotach Przyrodniczych, zorganizowany w 2003 roku przez Polskie Towarzystwo Fizyczne.

Patrz także
"Budujemy spektrometr optyczny" - MIKOM, 2003



Podstawy fizyczne

Budujemy spektrometr

Oprogramowanie

Obserwacje

Baza widm


Strona domowa ...

Kamera internetowa od niedawna należy do podstawowego wyposażenia komputera. Nie będziemy jednak używać kamerki do tego, do czego przygotował ją producent. Zrobimy z niej spektrometr, czyli urządzenie do analizy widma światła.

Cóż to jest analiza widmowa? Pewnie każdy wie, że światło białe składa się z całej mozaiki barw - zawiera w sobie tęczę. Inne barwy otaczającego nas świata zazwyczaj także dają się dekomponować na jakieś barwy składowe, podstawowe. Choćby ekran komputera, świecący milionami barw, tak naprawdę świeci jedynie pikselami czerwonym, zielonym i niebieskim. Wystarczy wziąć do ręki lupę i dokładnie przyjrzeć się strukturze świecącej powierzchni ekranu ...

Nasze oczy nie mają własności spektralnych. Nie potrafią dostrzec, że biel słonecznego światła to cała tęcza barw, a biel telewizyjnego ekranu to odpowiednia kombinacja trzech innych barw. Urządzenia zwane spektrografami optycznymi rozkładają wszelkie mieszaniny barw i mierzą w nich zawartość poszczególnych, prostych składników barwowych. Mówiąc ściślej - wyodrębniają ze światła fale o określonej długości i mierzą ich natężenie. Udzielają odpowiedzi, jaki udział w badanym świetle mają fale o konkretnej długości.

Spektrogram światła białego wykazuje mniej więcej równe natężenia wszystkich fal z zakresu widzialnego. Światło żarówki zawiera już wyraźnie więcej fal dłuższych, reprezentujących ciepłe barwy czerwone. Światło gazowego płomienia, poprószonego nieco solą, składa się z bardzo ostrej barwy żółtej - innych kolorów tęczy tam nie ma ... Kamerka internetowa będzie takim analizatorem tęczy. Będzie mierzyła udział poszczególnych barw w jakimś konkretnym promieniu światła.

Podstawy fizyczne








Istnieją ośrodki, w których promienie o różnych barwach (ściślej - różnych długościach fal) poruszają się z różnymi prędkościami. To tak zwane ośrodki dyspersyjne. Ośrodkiem dyspersyjnym jest płytkie wybrzeże, na którym łamią się morskie fale, bo ich dłuższe składniki nie nadążają za krótszymi. Jest nim też szkło, w którym z kolei dłuższe fale czerwone wyprzedzają krótki fiolet. Zjawisko różnicowania fal ze względu na ich prędkość wykorzystamy do tego, by różne promienie zogniskować w różnych miejscach ekranu. Rozłożymy światło na składniki widmowe.

Ośrodek dyspersyjny, czyli różnicujący fale pod względem prędkości rozchodzenia się w nim, załamuje światło. Fale powolniejsze są bardziej załamywane, to znaczy - bardziej zmieniają kierunek swego rozchodzenia się. Zjawisko różnego załamywania różnych barw wykorzystamy w spektrometrze.

Pryzmat jest odpowiednio przyciętym i wygładzonym kawałkiem szkła. Padająca mieszanina fal światła ugina się dwukrotnie - raz przy wejściu, drugi raz przy wyjściu ze szkła. Dzięki dyspersyjnym właściwościom szkła podczas takiego dwukrotnego załamania następuje wyraźne rozdzielenie promieni o różnych barwach.

Siatka dyfrakcyjna jest przezroczystą płytką z zestawem bardzo gęsto wykreślonych równoległych linii. Światło przechodzi przez przezroczyste obszary między ciemnymi liniami. Istnieją też siatki odbiciowe - zestaw linii jest naniesiony na materiale odbijającym światło.

Siatka dyfrakcyjna dzieli strumień światła na oddzielne promienie. Tutaj widzimy dwa takie promienie, przebywające drogę od siatki do ekranu. Te promienie to ciągi falowe i jeden z nich musi przebyć dłuższą drogę, niż drugi. Jeśli różnica dróg odpowiada wielokrotności całkowitej długości fali, na ekranie fale spotkają się w zgodnych fazach i nastąpi tam ich wzmocnienie. Ponieważ światło to mieszanka promieni o różnych długościach fal, schemat ten różnicuje miejsca wzmocnienia poszczególnych barw. Fale o różnej długości wzmacniają się (interferują konstruktywnie) w różnych miejscach ekranu.

Światło czerwone ugina się bardziej niż niebieskie - czyli odwrotnie niż w pryzmacie.

Budujemy spektrometr











W dobrze zogniskowany układ, tworzący na ekranie obraz wąskiej szczeliny, wstawiono element łamiący światło. Na ekranie, czyli na powierzchni sensora powstaje tęcza. Jeśli elementem łamiącym jest pryzmat, bardziej odchylone od osi optycznej układu są krótkofalowe (niebieskie) składniki widma. Jeśli światło załamuje siatka dyfrakcyjna, najbardziej odchylają się promienie długofalowe (czerwone). Z oceny stopnia odchylenia promienia wywnioskujemy, jaką długość fali ma światło, czyli dokonamy analizy spektralnej.

Do dość masywnej deski przykleiłem dwie aluminiowe szyny, po których ślizgają się drewniane klocki. W klockach są zrobione nacięcia, dzięki którym przesuwają się po szynach jak pociągi po torach. Klocki są podstawami pod elementy zestawu optycznego. Na tej fotografii widać (po kolei) lampkę - źródło badanego światła, szczelinę, soczewkę i kamerę ze zdemontowanym obiektywem. A gdzie jest element łamiący światło? Mały wycinek krążka CD jest przyklejony wewnątrz obudowy kamery, kilka milimetrów przed powierzchnią jej sensora optycznego.

Kamera jest zamocowana podobnie jak soczewka - na aluminiowej rurce. By nie przyklejać bezpośrednio do niej wspornika, zastosowano śrubę fotograficzną, gdyż okazało się, że ten model kamerki posiada odpowiednio nagwintowany otwór. Proszę zauważyć, że kamera jest zamontowana na poprzecznej szynie względem głównej osi optycznej całego układu - dzięki temu można ją przesuwać, poszukując ugiętego na pryzmacie czy siatce promienia świetlnego. Kamerka ma wykręcony obiektyw, a w jej oku widać mały prostokącik, wycięty z krążka CD.

Najtrudniejszym do wykonania elementem ławy optycznej jest montaż szczeliny. Szczelina zrobiona z dwóch odpowiednio zbliżonych do siebie krawędzi żyletek jest zamknięta w standardowej oprawce do slajdów. Oprawka jest tak zamocowana, że wzajemna gra stopni wkręcenia dwóch śrub lekko przechyla szczelinę w prawo albo w lewo. Z drugiej strony oprawkę podtrzymuje kawałek sprężystej blaszki. Cała oprawka może być podnoszona do góry lub opuszczana w dół dzięki zastosowaniu dwóch rurek o odpowiednio dopasowanych średnicach.

Soczewka jest typową lupą, jakich bez liku znajdziemy na każdym targu z różnościami. Lupa ma obciętą rączkę, a w jej miejsce przyklejono rurkę. W rezultacie powstał montaż o regulowanej wysokości. Dobrze jest przygotować sobie kilka różnych soczewek o różnych powiększeniach.

Oprogramowanie







Dzięki odpowiedniej konstrukcji przyrządu ten sam obraz widma powtarza się w każdym wierszu obrazka - mapy bitowej. Obraz widma pobierzemy więc z dowolnego wiersza, albo jeszcze lepiej - ze wszystkich wierszy. Numeryczne wartości pikseli wysumujemy w pionie, zgodnie z kierunkiem grubej strzałki. Uzyskaną wartość podzielimy przez liczbę zsumowanych pikseli (czyli przez wysokość mapy bitowej) i w efekcie otrzymamy jasność oświetlenia średniego, reprezentatywnego piksela, leżącego w danej kolumnie mapy bitowej.

Pierwszy program odczytuje obrazek i podaje średnią amplitudę światła w kolumnie, wskazywanej kursorem myszki. Aktywny obszar obrazu może być obcięty do wartości wyszczególnionych w czterech edytorkach, co przyda się przy programowym (a nie jak tutaj ręcznym) jego skanowaniu.

Pobierz program (173 kB)

Bardziej rozbudowana wersja programu prezentuje niewyskalowany wykres widma. Możemy też wybrać barwę, która podlega skanowaniu (to ekstra możliwość naszego spektrometru ...).

Pobierz program (177 kB)

Ten program operuje dwoma okienkami - wykres zajmuje oddzielną formę. Pozioma współrzędna myszki, przesuwającej się nad wykresem jest przeliczana w długość fali, wyświetlaną na pasku tytułowym okienka. Kluczem do zbudowania liniowej formuły przekształcenia pozycji myszki w długość fali jest wcześniejsze zdefiniowanie dwóch punktów bazowych, ustalających współczynniki przeliczenia. Współrzędne punktów bazowych są zaznaczone oddzielnymi liniami, a skojarzone z nimi długości fal zadajemy za pomocą dwóch edytorków w prawym rogu okienka.

Pobierz program (179 kB)

Obserwacje





Półprzewodnikowe złącze może świecić, gdy przepływa przez nie prąd. Barwa emitowanego światła zależy od składu chemicznego złącza oraz od tak zwanych domieszek atomowych. W każdym sklepie elektronicznym dosłownie za grosze dostaniemy diody świecące na czerwono, pomarańczowo, zielono, a ostatnio nawet na niebiesko.

Energooszczędne świetlówki tylko udają, że świecą pełnym światłem białym. W ich ciekawym widmie wyraźnie widzimy maksima w czerwieni, zieleni i błękicie. W wyniku zmieszania tych barw powstaje wrażenie miękkiego, białego oświetlenia. Nasze oczy nie mają właściwości spektralnych ...

Pobierz przykłady widm (856 kB)

Baza widm



A oto program komputerowy Spektruś - efektowna baza danych o widmach emisyjnych wszystkich znanych pierwiastków. Autorem programu jest pan Mikołaj Pytel.

Pobierz program (1,2 MB) ze strony autora.

(c) Astar'05, 2004.01.01