2012年9月1日

webcam和手機改造成光譜儀

最近愛上Public Laboratory 這個網站,不斷地透過它尋找想做的好玩的東西,我看到他們在推廣製作光譜儀。雖然之前作過一些了,像是
自製直視型分光器觀察光合色素的吸收光譜簡易直視型分光器的製作
但是我很愛嘗鮮,想看看人家作的又有什麼不同呢?

他們和以前我作的有幾個不同點,他們把webcam加進去了,所以原先只是拿來肉眼觀察的,就可以拍攝作為後續分析。為了將webcam放進去,所以他們用錄影帶的盒子來作,而光柵片他們是直接貼在webcam的鏡頭上面。

他們作這個光譜儀,主要是作環境檢測。不同的物質會有不同的吸光度,透過電腦軟體的檢測紀錄,他們會設置一個資料庫,未來大家自己取樣品檢測之後,就可以上網看看光譜是不是有吻合的。這就是庶民科學啊,像這種儀器檢測的事情,我們都會以為要用很昂貴的儀器來作,一般民眾應該沒辦法,但其實這些只要懂科學原理,就可以依樣畫葫蘆作一個簡單型的來使用。文末,我就會示範一個如何進行葉綠素吸收光譜的檢測作法。



材料
製作光譜儀,最重要的材料就是DVD或CD,以前我的作法都是用CD,但是我試用DVD之後,覺得DVD更值得推薦。

要從CD或DVD裡取得光柵的作法,在這篇《USING CDs AND DVDs AS DIFFRACTION GRATINGS》裡頭有圖文並茂的指引。如果是用CD的話,先拿刀子把上面的塗層劃開,然後再拿膠帶把那些塗層都黏走就好了。過去我製作的經驗是,最好使用燒錄片,如果是像出版社送的那些大量壓製的光碟,效果都很不好。

再來是DVD,拿刀子在DVD中央切下去,可以把DVD分成兩片,就像這樣。


我們要的是下面那一片,根據文件的說法,也是拿膠帶把黏在上面的東西黏走就可以了。但是我發現我的材料不能這麼作,下面那片我得用衛生紙沾酒精擦拭,才有辦法把上面的染料擦掉。

此外,這次我用了兩種DVD,有一個效果很差,就是上面那種 DVD-RAM ,底下的那片就算用酒精也擦不乾淨。後來我改用 DVD+R 的片子,效果就很好。

我覺得DVD比CD要好用,原因一是它比較薄,容易作後續的切割。此外DVD的溝距比較小,如果是 CD,溝距是 1.52 μm,而DVD則是 0.72 μm,我想小溝距影響的會是產生的光譜效果吧。

有了光柵片之後,接下來就準備組裝了。我以前的作法有個壞處,就是觀測孔和入光孔是一直線的,所以觀測光譜時會被光線影響,此外光譜會出現在側邊,初次觀測的人,會不知道要看哪裡,且若要拍攝光譜也不太容易。因為這樣的原因,所以我找了很多材料來作,重點是要像Public Laboratory那樣作斜角度的入射光。

在不斷嘗試之下,我選擇了 1/4吋的PVC管,中間斜切後再組合,目的是要做成下圖那樣,這樣一來觀測的時候,就不會受到入射光的影響。



先在平端那裡用2片黑色絕緣膠帶貼出小縫,這個小縫的方向會影響你未來光譜呈現的位置。我貼的方向若以上圖來說,我的小縫是垂直於地面的。



貼好之後,在斜端貼上光柵片,要記得先調整方向,光柵的方向要和小縫的方向互相配合。黏著劑我使用熱溶膠


接著再把另外一端黏上去


全部貼上黑色膠帶,用來顯示高貴的質感,不講你也不知道這是幹嘛的。其實只要黑色膠帶只要貼中間那段會漏光的就好。


做好之後,就可以和 webcam或手機合體了。


首先是和手機合體,先去找便宜的手機殼,然後用熱溶膠黏上去



把它跟之前作的顯微鏡擺在一起,變成手機殼改造家族了。

對著光看,就可以用手機當作光譜儀啦!



要跟webcam合體也很簡單,就黏上去就好了。可以我的webcam是手動對焦的,所以要先調整好焦距,才能夠拍出清楚的像。Public Laboratory推薦用HD等級的,不知道拍起來是不是比較清楚。





webcam要用之前,這篇有說到要去掉紅外線濾鏡,因為它會擋掉紅外線和部份紫外線。本來我以為這步又要困難重重了,因為上次為了要作紅外線攝影機,還得動用斜嘴鉗來才挖掉,但是這次我意外找到了更早之前買的webcam,他的鏡頭乍看和其他的都一樣,但是背後紅外線濾鏡卻大不相同啊。我只要用針把濾鏡挖掉就可以了。

 

挖好了就是這樣,鏡頭依舊漂漂亮亮。
 



既然叫做光譜儀,而不是光譜觀測器,那就是一定要來測點什麼東西啊,生物用最多的就是葉綠素吸收光譜的檢測,我就來試作一下,看看葉綠素到底吸哪些光?

我使用兩個樣品來測,一個是95%的酒精當參考,另外一個是溶有葉綠素的酒精。在家裡要弄出有葉綠素的酒精非常簡單,拿個小杯子,裡頭裝一點點酒精,然後把葉子放進去,整杯拿去微波10秒鐘。逼逼逼之後,就會有葉綠素酒精出現啦。

我將這兩個樣品放在光譜儀的小縫後面,讓光線通過它們再進入光譜儀。以同樣的角度、光源...拍攝兩個樣品的光譜。然後將光譜圖放進imageJ裡頭,用Analyze> Plot profile來畫出光譜的穿透度,然後我再把分析出來的資料拿出來另外分析。

葉綠素等色素的吸收光譜
 


那些曲線圖存下來的文字檔內容是X軸的座標和Y軸的值,我將兩者相減之後,再把X軸座標的改成400到700,將之做成折線圖,背景再偷用太陽光譜圖。

這樣就是一個家庭自製的葉綠素在不同波長下的吸收度曲線圖,葉綠素吸收的光線波長落在紅光和藍光的範圍,這跟人家實驗室做出來的,你們可以比較一下。如果中學生有需要學這個部份的話,這倒是值得讓他們實際作作,像我就打算今年的專題研究就花一點時間,帶學生從頭作到尾。



除了自己用imagej加excel 來分析之外,這裡(http://spectralworkbench.org/)也提供了線上的分析程式,另外也有可下載的。此外,這裡(http://www.flappit.com/)也有app可以進行光譜的比對分析,app的名字是learnlight。

learnlight可以輸入參考的光譜和樣品的光譜,然後兩者分析比對,但是目前只有android版本的可以輸入自己的光譜照片,而iPad的版本目前只能用他們預設的圖片,據說未來就會增加這個功能。





光譜儀還有其他的應用,像是接在望遠鏡上看看星星、路燈或別人家的燈。用光譜儀看燈就可以知道人家家裡用的是日光燈還是燈泡了,兩個光譜是不同的。

未來我還很想作的就是試拍太陽譜線,不過還沒個頭緒。

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