作为一名物理学专业的最后一年本科生，我相信实验室和实践实验与物理学等学科的理论一样重要。实验室课程和实验提供了切实的结果，通常比讲座更有效地帮助阐明概念。但是，由于全球大流行，我们已经一年多没有上过实验课了。

大多数实验，尤其是在本科物理课程的最后一年，需要复杂、复杂且昂贵的仪器和设备。然而，在我们的课程中，分光镜实验引起了我的注意，我决定使用每个家庭都可以使用的材料构建一个低成本版本。

我也对计算机科学领域很感兴趣，所以我决定使用网络摄像头制作一个数字版本的光谱仪，并创建一个程序来分析结果。

继续创建您自己的 DIY 低成本光谱仪，如果您喜欢该项目并决定构建您自己的版本，请放下最喜欢的并关注此页面。我很想看到你自己的版本，所以请使用“我做到了”部分发布你的作品。

第 1 步：分光光度法理论概述

光谱学的概念通常在本科物理课程中详细阐述，但是，这里是关于光谱学和光谱仪背后的理论的简要说明。

光谱仪是一种用于测量光特性的巧妙仪器。这使科学家能够使用该仪器进行大量实验，例如确定日常生活中使用的物体中发现的材料或确定遥远恒星和行星上发现的元素。

光谱仪的基本概念是将“未知”光束照射到光学元件上，该光学元件根据“未知”光束中存在的波长将光束分开。每个波长都有不同的偏差，因此通过测量偏差，可以确定“未知”光束中存在的波长，这可能会提供有关光束源的更多信息，即使它起源于数百万个公里之外。

早些时候，科学家们使用棱镜将光束分成多个分量，并使用旋转目镜来测量每个波长分量的角度偏差。然而，最近，棱镜被衍射光栅代替，其作用与棱镜相同，目镜被连接到计算机的电子感光器阵列代替。

第 2 步：所需材料

这是制作您自己的低成本光谱仪所需的所有组件和零件的列表。所有部件都应随处可见且易于找到，而且您可能已经将它们放在家里。

材料：

• 纸板
• 黑色图表纸
• 旧 DVD 盘
• 剃刀片
• 摄像头
• 胶水
• 磁带

不包括网络摄像头的项目总成本不到 5 美元。

第 3 步：构建外壳部件

外壳可以使用任何类型的盒子制作，但我决定从头开始制作一个，使其成为我使用的网络摄像头的完美尺寸。首先测量网络摄像头：

• 高度
• 宽度
• 镜头高度

根据以下尺寸制作一个盒子： 

• 长度 - 20 至 25 厘米
• 宽度 - 比网络摄像头的宽度大 2 厘米
• 高度 - 比网络摄像头的高度高 1 厘米

根据尺寸在一张纸板上描绘盒子的 6 个面，然后用刀将碎片切下来。在背面制作一个插槽，您可以通过该插槽穿过网络摄像头的电缆，并在正面在相机镜头高度的中间位置制作一个 2cm x 1cm 的插槽。

使用胶水将所有面粘在一张黑色图表纸上，然后沿着纸板件的边界切割纸张。

注意：使用铅笔标记面部以避免混淆可能会很有用。

 第 4 步：组装外壳  

抓住底面和两个侧面，并排放置。使用胶带将三个部分连接在一起。接下来，通过确保保持面的方向，使用更多胶带粘贴正面和背面。

顶面沿着单个边缘连接，以便我们可以像铰链盖一样使用顶面打开外壳，以防我们以后需要进行任何调整。为防止任何光线从顶部进入，请再剪一些纸板以稍微重叠。

通过其中一个插槽窥视外壳，并确保没有光线进入盒子。可以使用额外的一层电工胶带或任何类型的不透明胶带来覆盖小间隙。

第 5 步：制作入口狭缝

为了制作入口狭缝，将其中一个剃须刀片垂直粘上以覆盖正面的一部分间隙。使用单张纸将第二个刀片贴在第一个刀片旁边，在两个刀片之间形成一个细小的间隙。用胶带粘贴第二个刀片并使用电工胶带覆盖所有间隙，以防止任何光线进入外壳。

第 6 步：制作衍射光栅

这一步是项目中最关键的部分。衍射光栅负责根据波长分离光束。一种选择是直接购买衍射光栅。这些通常可以在线购买，价格约为 4 至 5 美元。另一种选择是使用旧的 DVD 光盘作为衍射光栅。两者都提供相似的结果。

首先使用一把剪刀切入圆盘。当您更深入地切入磁盘时，您会注意到磁盘由两层组成，这些层将开始分开。将两层完全分开并丢弃由银涂层组成的一半。

从后半部分切下四分之一，然后将边缘切成正方形，形成一个比镜头宽度稍大的小矩形。

接下来，使用一些胶水将这块粘在镜头上。确保使用临时胶水，以便在您想重新使用网络摄像头时移除衍射光栅。

注意：光谱仪工作的一个关键步骤是沿着圆盘的同心凹槽排列成垂直的，也就是说，它们需要与狭缝平行。如果它们不平行于狭缝，则不会发生衍射。

步骤 7：安装相机

一旦衍射光栅粘在网络摄像头上，使用后槽将电缆穿过外壳，并将网络摄像头放置在与前表面成 30 度角的外壳后部，并与外壳中的狭缝对齐正面。在将网络摄像头固定到位之前，将网络摄像头连接到计算机并打开相机应用程序。将光谱仪指向光源并调整网络摄像头的位置，直到衍射光谱位于图像的中心。

此时，您可以使用双面胶带将网络摄像头粘在底面上。

第 8 步：测试

要测试您的光谱仪是否正常工作，请将其指向光源并调整光源和光谱仪的高度，直到两者对齐。您可以使用一堆书或其他东西来调整垂直对齐方式，我决定使用一些旧的 3D 打印机耗材卷。

将网络摄像头连接到计算机并打开相机应用程序。图像应由整齐的衍射光谱组成。

您可以使用打印输出进一步装饰和标记光谱仪。

步骤 9：使用分析仪软件

仅仅拥有光谱的图片可能无法提供太多信息，因此我用 Python 设计了一个程序来绘制光的强度。这将提供“峰值”之间的相对距离，可进一步用于确定光源中存在的波长。

要运行该程序，您需要在计算机上安装 Python 以及一些额外的开源库。可以使用以下链接https://www.python.org/下载 Python 。

可以通过终端使用 pip 下载和安装其他库。下面提供了库和终端命令：

Opencv - pip 安装 opencv-contrib-python
Numpy - pip 安装 numpy
Matplotlib - pip 安装 matplotlib
安装所有库后，您可以从以下 GitHub 存储库克隆频谱分析仪程序：https : //github.com/kousheekc/DIY-Spectrometer-Analyser

运行程序，您应该会看到网络摄像头提要。将网络摄像头指向光源，然后按键盘上的“ r ”按钮以捕捉感兴趣的提要区域。在光谱上单击并拖动鼠标，然后按Enter键。选择感兴趣的区域后，按“ s ”按钮捕获帧并使用图形可视化分析强度。您可以使用“ q ”按钮退出程序。

第 10 步：最终结果

测试完光谱仪和软件程序后，您就可以开始实验了。您可以将光谱仪对准各种光源，例如 CFL 灯泡、霓虹灯、白炽灯泡，甚至智能变色 LED 灯泡。您也可以走到外面，将光谱仪指向天空的清晰部分并探索结果。

要测量某个光源的波长，您可以从具有已知波长的光源（例如激光）开始，并确定峰值位置与波长之间的关系。

您还可以尝试其他各种有趣的实验，例如检测和测量食盐中的钠以及检测橄榄油中的叶绿素。使用这款低成本的光谱仪，您可以在家中进行各种简单有趣的实验。

这个项目最初是针对因新冠疫情而无法进行实际实验和实验室的本科物理学生，尽管该过程对于任何人来说都很简单，无需正式的物理背景。我很想看到你自己版本的光谱仪，除此之外，可以在下方的评论里解决反馈、问题、评论、疑虑。