Cd диск как спектральный прибор
Чувствительная матрица цифровой камеры регистрирует попадающий на нее свет. Каждый регистрирующий элемент матрицы обладает (должен, по крайней мере) чувствительностью ко всему видимому спектру. Для того, чтобы «создать» цветную цифровую картинку, нужно перед матрицей установить цветные фильтры и затем, зная координаты каждого из них, восстановить изображение. При этом, количество чувствительных элементов «делится» между всеми каналами, соответствующими используемым фильтрам. Обычно используются RGGB фильтры или CMY. Последние позволяют получить более чувствительную камеру (из светового потока вычитается только одна составляющая при CMY и две при RGB). Качество конечной цветной картинки определяется тем, насколько широк диапазон длин волн, регистрируемых матрицей, и насколько ее чувствительность постоянна к разным областям этого диапазона, качеством фильтров перед матрицей и работой электроники, восстанавливающей изображение. Если матрица обладает разной чувствительностью в разных областях видимого спектра, то сигнал нужно по-разному усилить и там, где требуется большее усиление, большим будет и шум.
Оценить качество цветопередачи камеры можно, сняв цветной эталон и сравнив результат съемки с оригиналом. Таким оригиналом может быть цветовая таблица или спектр, полученный разложением «белого света» призмой или дифракционной решеткой.
Для того, чтобы получить яркое и четкое изображение спектра, необходим источник «белого света» с непрерывным спектром, качественная решетка с шагом, соизмеримым с длиной волны (чем больше шаг решетки, тем сильнее сливаются цветные спектры с нулевым белым максимумом — предел простое отражение), «белый» отражающий экран. В качестве источника света можно использовать диапроектор с мощной галогенной лампой. А хорошей дифракционной решеткой может служить обычный лазерный диск. Шаг между соседними треками CD диска 1,6 мкм, а длины волн видимого спектра 0,4-0,7 мкм. Лучше использовать Аудио диск с хорошей металлизацией поверхности, хотя картинку можно снять и с записываемым «полупрозрачным». 
Собираем установку. Экран на стену, CD на штатив (любую подставку), проектор на стол. В проектор в фильмовый канал нужно ввести тонкую щель, чтобы изображение на экране было как можно более тонким и в то же время ярким. В качестве щели можно использовать два лезвия, поместив их в рамку для слайдов в одной плоскости. Неточность расположения в одной плоскости и дефекты краев сильно влияют на качество получаемого спектра. Ширина изображения щели на экране должна быть как можно уже (по крайней мере, уже отдельной «цветной» полосы), иначе «провалов» и прочих особенностей спектра не заметишь. Если используется узкопленочный проектор с короткофокусным объективом, то фокус надо наводить не по изображению «нулевого» максимума (белого), а по самому спектру (можно от решетки зеркалом спроецировать нулевой-белый максимум на то место, где находится цветной спектр и подстроить фокус).
Собрав установку приблизительно и наведя изображение щели на CD, гасим свет. В темной комнате легко найти радужные разводы на стенах и установить все элементы установки так, чтобы спектр оказался на экране и его можно было снять. После этого нужно подстроить фокусировку и снимать. Все цветные полосы спектра должны быть хорошо видны. Так как в качестве источника света используется лампа накаливания, то до съемки нужно вручную настроить баланс белого цифровой камеры по экрану, освещенному проектором.
Так как спектр источника света непрерывен, то и его разложенное изображение, полученное с помощью цифрового фотоаппарата не должно иметь провалов и прочих особенностей. Если камера воспроизведет весь спектр — отлично. Но, скорее всего, изображение, построенное по восстановлению сигнала с регистрирующей матрицы, за цветными фильтрами будет содержать не весь непрерывный спектр. И этот сфотографированный спектр будет демонстрировать реальные возможности камеры — то, что она видит и чего увидеть не может в принципе.
Если камера не видит цветную «линию» из спектра, то это не значит, что такой цвет не может быть передан на конечной картинке. Цвета изображения синтезируются из RGB или CMY как на экране монитора. Иначе говоря, Ваш фотоаппарат может правдоподобно передать цвета картинки из жизни, но картинка «окрашенная» (освещенная) линией, к которой он слеп, воспроизведена не будет.
Для примера приведены спектры, полученные камерой Nikon Coolpix 880.
В зависимости от того, на какую долю CD спроецировано изображение щели, можно получить разные картинки.
Слева спектр с ручной установкой баланса белого, справа — с автоматической установкой. Белые прямоугольники — области, из которых были взяты фрагменты для тестирования цветопередачи матрици.
Фрагменты спектров. Верхний соответствует ручной настройке баланса белого, нижний — автоматической. Приведены «полоски», соответствующие каналу L (яркость) из Lab Photoshop, RGB и каналов R G B в отдельности. Хорошо заметно, что при автоматической настройке баланса белого и использовании лампы накаливания в качестве источника света в синем канале информация почти не регистрируется. Видимые цвета RGB — такие же фильтры установлены перед чувствительной матрицей. В канале L хорошо заметно падение чувствительности на переходе красный-зеленый.
А вот по такому спектру легче навести фокус, но яркость его меньше и потому полученная картинка будет более «шумной».
Слева спектр с ручной установкой баланса белого, справа — с автоматической установкой. Белые прямоугольники — области, из которых были взяты фрагменты для тестирования цветопередачи матрици.
Фрагменты спектров. Верхний соответствует ручной настройке баланса белого, нижний — автоматической. Шумов добавилось, так как яркость картинки уменьшилась. Заметны дополнительные зоны чувствительности красного канала в синей области. Этому может быть два не исключающих друг друга объяснения: технологическая сложность создания чистого «красного» фильтра и способ «закольцевать» спектр и сделать камеру аппаратно чувствительной к пурпуру-фиолету.
Cd диск как спектральный прибор
Телескопы запись закреплена
Astro Channel видеоновости астрономии
Как сделать спектроскоп из CD или DVD диска?
Спектроскопия сыграла заметную роль в развитии науки и сегодня очень широко используется в физике, химии, астрономии. Именно при наблюдениях спектра Солнца был впервые открыт гелий (намного раньше, чем его обнаружили на Земле). По спектрам можно определить химический состав звезд и изучить их движение, многое узнать о физических процессах в их недрах. Это один из важнейших инструментов астрофизики. Но для многих опытов достаточно простейшего спектроскопа, который можно легко изготовить самостоятельно за полчаса из подручных материалов.
Основой простейшего спектроскопа может стать дифракционная решетка, изготовленная из CD или DVD диска.
Итак, нам понадобится обрезок кабель-канала из ПВХ длиной около 20 см (но можно использовать и другие подходящие профили), компакт-диск и одноразовый бритвенный станок. Наш спектроскоп предельно упрощен и не содержит никаких линз.
Сначала изготовим основу инструмента — дифракционную решетку. Её роль выполняет прямоугольник, вырезанный из компакт-диска. Компакт-диск можно использовать любого типа — CD, DVD, CD-R/RW или DVD-R/RW, но лучше взять незаписываемый CD или DVD с зеркальной рабочей поверхностью — такой диск лучше отражает свет и не будет вносить цветовых искажений.
Важнейшая характеристика дифракционной решетки — её период. Чем он меньше (чем больше штрихов приходится на один миллиметр) тем лучшее разрешение позволит получить решетка. В нашем случае роль штрихов решетки выполняют дорожки компакт-диска (расстояние между дорожками составляет для CD — 1.6 мкм, для DVD — 0.74 мкм) для улучшения характеристик мы расположим диск под малым углом к падающему лучу света. Такое расположение не только увеличивает разрешающую способность решетки, но и уменьшает влияние кривизны дорожек диска. В идеале на решетку должен падать параллельный пучок лучей, в настоящих спектрографах для этого служит специальная оптическая система — коллиматор. Но можно обойтись и без него, если щель будет располагаться относительно далеко (не менее 10..15 см) от решетки. Щель легко изготовить из двух лезвий, наклеенных на диафрагму-основание так, чтобы между ними оставался тонкий ровный просвет шириной около 0,2..0,3 мм. Наблюдать спектр, полученный после отражения от дифракционной решетки можно непосредственно глазом или фотографировать с помощью Web-камеры.
Конструкция прибора понятна из фото. В качестве передней стенки-диафрагмы и основы для щели я использовал черный пластик от папок-скоросшивателей (очень удобный материал для оптических самоделок!), в нем вырезано прямоугольное отверстие, на котором нужно закрепить лезвия щели. Их можно приклеить клеем типа "Момент" — это позволит до высыхания клея легко отрегулировать ширину щели. Из рабочей чсти поверхности компакт-диска ножницами или раскаленным ножом (будьте осторожны!) нужно вырезать прямоугольник со сторонами, параллельными радиусу и шириной 1,5..2 см. Лучше попробовать вырезать несколько таких деталей, посмотреть на отражения в них под осттрым углом и выбрать ту, которая имеет наименьшие искажения. Края детали, которые чаще всего деформируются при вырезании, можно заклеить полосками черной изоленты, вполне достаточно оставить рабочий участок шириной 5..10 мм. Это и есть дифракционная решетка. Наклейте её двухсторонним скотчем (клей может повредить покрытие) на клин из пробки или пенопласта (угол к направлению падения лучей должен составлять 20-25°) и закрепите в корпусе напротив отверстия в верхней крышке.
Желательно зачернить внутренние поверхности прибора и устранить возможные щели.
Спектроскоп готов!
Для проверки изготовленного устройства напрвьте его на любую энергосберегающую лампу — они имеют спектр, состоящий из нескольких ярких линий разных цветов. Спектр лампы накаливания, напротив, выглядит непрерывной радугой. Но наиболее интересный и доступный объект — Солнце. В его спектре легко можно увидеть основные линии поглощения (фраунгоферовы линии).
Для фотографирования спектров, конечно, можно использовать и компактный фотоаппарат или даже камеру мобильного телефона. В любом случае объектив камеры должен быть сфокусирован на щель спектроскопа, поэтому некоторые Web-камеры и телефоны, объективы которых не имеют возможности фокусировки, не подойдут для этой цели.
Обратите внимание, что на фото видны спектры трех порядков, причем второй и третий частично перекрываются, однако это обычно не мешает наблюдать спектральные линии. В солнечном спектре лучше рассматривать или фотографировать линии второго порядка, для более слабых источников света может оказаться удобнее спектр первого порядка.
Желаю успеха!
Простое определение цветового спектра ламп
Если вы хотите просмотреть цветовую гамму источника света в вашей студии, то есть дешевый и простой способ сделать это. Обычный CD или DVD-диск может помочь проделать этот трюк. Просто посмотрите на отражение света на поверхности диска. В данном случае диск выступает в качестве дифракционной решетки, что позволяет увидеть различные цветовые полосы.
Вот 8-минутный ролик, в котором Matthias Wandel демонстрирует данную технику с использованием различных ламп в его мастерской:
Используя этот трюк, вы можете увидеть, как различные типы ламп излучают различные длины волн. Вот еще кадр, сравнивающий лампу люминесцентную (слева) с светодиодную(справа) лампы:
Как вы можете видеть, люминесцентная лампа излучает не весь спектр цвета, в то время как светодиодные лампы охватывают все цвета.
Невооружённым глазом различия могут быть незаметны, но на снимках разница может быть существенной. Например, объекты будут выглядеть по-разному в черно-белых фотографиях в зависимости от того, какие источники света вы используете (Вандел демонстрирует это в видео выше).
Если у вас есть компакт-диск поблизости, попробуйте использовать его, чтобы проверить спектр, излучаемый лампами в вашей комнате.
Как вам такой эксперимент? Выкладывайте в комментариях ниже фото того, что у вас получилось и подписывайте, какой тип источника света использовался;)
Спектр виден на cd dvd дисках.
Когда нужно быстро определить качество спектра того или иного источника света(прерывный он или нет), например обычной лампочки или КЛЛ, проще всего это сделать с помощью самого обычного CD диска. Его поверхность выступит в качестве дифракционной решетки и разложит свет на спектр.
Ловим свет на диск так, чтобы увидить его преломление, см. фото.
Мы видим, что у лампы накаливания спектр неприрывный, а у люминесцентной лампы он прерывается, выглядит яркими точками (полосками) разного цветы.
Вот и все. Не надо спектроскопа. Следующий раз пойдете в магазин покупать лампочки, возьмите с собой CD диск.
Cd диск как спектральный прибор
3. Фокусирующее действие компакт-диска………………………………………………..4
4. Изучение «радиальной» аберрации……………………………………………………..5
7. Компакт-диск – дифракционная решетка……………………………………………….7
Бурное развитие записи компакт-дисков началось в последние годы. Еще пять лет назад устройства для записи дисков CD — R стоили очень дорого, да и заготовки стоили недешево. Снижение стоимости позволило сделать запись компакт-дисков общедо ступной. Многие современные компьютеры ком плектуются устройством CD — RW вместо обычного CD — ROM . Стоимость заготовки вплотную прибли зилась к стоимости дискеты, а скорость записи и чтения, а также надежность хранения информации у компакт-дисков на порядок выше, чем у дискет.
История компакт-дисков началась сравнительно недавно. В 1980 году известные фирмы Philips и Sony совместно разработали и опубликовали стандарт хранения информации на лазерных дисках. Так как размеры лазерных дисков были значительно мень ше, чем размеры широко используемых виниловых пластинок, их стали называть компакт-дисками, или сокращенно CD ( Compact Disk ). Первым был раз работан аудиодиск, позволяющий хранить до семи десяти четырех минут высококачественного стерео звука.
Вначале компакт-диски использовались в исклю чительно высококачественной звуковоспроизводя щей аппаратуре, заменяя устаревшие виниловые пластинки и магнитофонные кассеты. Однако вско ре лазерные диски стали использоваться и на пер сональных компьютерах.
При возрастании объемов информации, обраба тываемой компьютерами, остро встала проблема хранения данных и переноса информации с одного компьютера на другой. Объема дискеты уже не хва тало для этих целей. Был разработан стандарт запи си информации на специальные компакт-диски.
Диск обычно изготовлен из поликарбоната с нанесенным на пего слоем алюминиевого сплава, который. В свою очередь, имеет покрытие из пластмассы, защищающее от пыли и отпечатков пальцев. Информация хра нится на диске в виде ряда мельчайших углублений (питов) в алюминиевом слое. Лазерный луч, направленный на поверхность, отражается от нее, если пита нет, и не отражается, если пит есть. Затем эта последовательность интерпре тируется компьютером как двоичный код .
Современные записываемые и перезаписываемые ком пакт-диски хорошего качества содержат пять слоев:
— поверхностный слой ( Surface Layer ) — выполняет декоратив ные и, в некоторой степени, защитные функции; обычно представ ляет собой покрытие из специального лака либо изготавливает ся из поликарбоната (прозрачной пластмассы особого типа);
— защитный слой ( Protective Layer ) — предназначен для защи ты от повреждений двух основных, рабочих, слоев диска: отра жающего и информационного; материал может быть различным;
— отражающий слой ( Reflective Layer ) — обеспечивает отраже ние лазерного луча, прошедшего через информационный слой; в качестве отражающих материалов обычно используют золото и серебро, реже — алюминий и его сплавы;
— информационный (записывающий) слой ( Recording Layer )— основной слой компакт-диска; может быть изготовлен из раз личных органических соединений металлов; наиболее распро страненными на сегодняшний день можно считать цианин и фта лоцианин; именно цвет записывающего слоя обусловливает тот или иной цвет рабочей поверхности диска; например, цианин да ет голубой цвет;
— подложка ( Substrate Layer ) — играет роль основы, на которую наносятся все другие слои; обычно изготавливается из поликарбоната.
Зеркальная поверхность компакт-диска представляет с собой спиральную дорожку, шаг которой соизмерим с длиной волны видимого света. В отраженном свете на такой упорядоченной и мелкоструктурной поверхности заметно проявляются дифракционные и интерференционные явления, что и являются причиной радужной окраски создаваемых им бликов. В некотором приближении компакт-диск можно сравнить с зонной пластинкой и применить к объяснению его оптических свойств теорию дифракции и метод зон Френеля. Исследование оптических свойств компакт-дисков представляет интерес с точки зрения применения их в демонстрационном и лабораторном экспериментах.
Рисунок и надписи
Фокусирующее действие компакт-диска
Как известно, зонная пластинка сочетает в себе одновременно свойства собирающей и рассеивающей линз и имеет несколько фокусов. Применительно к компакт-диску теория позволяет отождествить его одновременно с вогнутым и выпуклым зеркалами, каждое из которых имеет тоже несколько фокусов.
Экспериментально фокусирующее действие лазерных дисков наблюдается по следующей схеме:
Параллельный пучок света, пропущенный через светофильтр, падает нормально на поверхность диска и, отражаясь от него, попадает на плоский экран диаметром около 3 см. Фокусы легко обнаруживаются при перемещении экрана вдоль оптической оси установки. Наиболее ярким является самый дальний из них (первый фокус).
При измерении фокусных расстояний дисков типа CD и С D — R в спектральных диапазонах, выделяемых стеклянными светофильтрами, получили зависимость фокусных расстояний от длины световой волны, где r 1 =57 мм; r 2 =46мм; r 4 =30мм.
Приведенные результаты подтверждают фокусирующее действие компакт-дисков. При этом визуально обнаруживаются два фокуса, положение которых зависит от длины световой волны. Исследования также показали, что эта зависимость является обратно пропорциональной.
Учтем и то, что обычные линзы обладают рядом дефектов, в частности сферической и хроматической аберрациями. По аналогии с ними можно произвести оценку величины подобных аберраций для лазерного диска.
Изучение «радиальной» аберрации компакт-диска
Поскольку шаг спиральной дорожки компакт-диска постоянен, геометрическая структура зеркальной поверхности лишь отчасти соответствует зонам Френеля. Точнее, диск представляет с собой непрерывную последовательность зонных пластинок с монотонно изменяющимися параметрами. Но в узких участках кольцевой формы такие изменения незначительны. Поэтому представляет интерес изучение фокусирующего действия узких участков компакт-диска, находящихся на разных расстояниях r от центра диска. Для исследования зависимости F от r можно использовать две методики. В первом варианте использовать маски, накладываемые на поверхность диска. Маски представляют собой листы алюминиевой фольги, в каждом из которых вырезаны кольцевые щели определенного радиуса. Во втором случае рекомендуется использовать лазер, луч которого падал вдоль оси установки перпендикулярно к поверхности диска в точках, отстоящих от центра диска на строго измеренных расстояниях ( r ). Основные результаты исследования зависимости фокусного расстояния от радиуса кольцевой маски и длины волны представлены ниже, где, ? 1 =630 нм; ? 2 =590 нм; ? 3 =540 нм.
Нетрудно заметить, радиус кольцевой маски существенно влияет на фокусное расстояние компакт-диска. По аналогии со сферической аберрацией у линз и сферических зеркал это свойство следует назвать «радиальной» аберрацией. Следует отметить, что в отличие от собирающих линз радиальная аберрация компакт-диска имеет положительный знак – с увеличением радиуса щели фокусное расстояние увеличивается. На основании экспериментальных результатов можно рассчитать D r = ?F / ?r – величину относительной продольной радиальной аберрации – на каждый мм радиуса компакт-диска, а затем D n = ?F / ?n – величину аберрации, приходящуюся на каждую группу из n =10 зеркальных дорожек. Участок из 10 дорожек поверхности компакт-диска вполне достаточен для использования его в качестве зонной пластины.
Полученные результаты ( D r =0.264 см/мм; D n =3 мкм/ n ) свидетельствуют о сравнительно невысоком качестве фокусировки при помощи компакт-диска. Лишь при существенном ограничении числа используемых зеркальных дорожек этот эффект становится ничтожным.
Хроматическая аберрация компакт-диска
В отсутствии светофильтра при перемещении экрана вдоль оптической оси на нем наблюдаются яркие цветные пятна, последовательно пробегающие все цвета радуги. По аналогии с линзами это явление можно назвать хроматической аберрацией и рассчитать по формуле: D ? = ?F / ? ?. Результаты исследования хроматической аберрации – зависимость F (?) – демонстрирует график на 2 странице.
Как следует из результатов наблюдений, величина хроматической аберрации максимальна для области вблизи первого фокуса и равна 0.6 мм/нм . По спектру она также меняется, причем уменьшается в красной области. Данное значение хроматической аберрации значительно превышает аналогичную погрешность линз и по отношению к собирающим линзам имеет противоположный знак.
Величина дисперсии компакт-диска
Продольную хроматическую аберрацию можно представить не как недостаток, а как практически полезное свойство. По порядку величины она сравнима с величиной дисперсии в стандартных призменных и дифракционных приборах (около 2 мм). Но здесь имеется существенное отличие. Дело в том, компакт-диск разлагает падающий на него свет по длинам волн вдоль оптической оси, а не перпендикулярно к ней. Такое разложение нетипично диспергующих элементов современных спектральных приборов, поэтому представляет интерес оценить спектральные параметры зонной пластинки, как диспергирующего элемента на примере компакт-диска.
Результаты, полученные выше, можно использовать для оценки величины дисперсии D ? = ?F / ? ? компакт-диска и рассчитать ее в зависимости от радиуса кольцевой зоны: D 54 =0.47 мм/нм; D 46 =0.24 мм/нм; D 32 =0.17 мм/нм.
Как видно из расчетов, величина дисперсии возрастает как квадрат радиуса кольцевой зоны и при радиусе 25 см можно получить диспергирующий элемент с дисперсией около 12 мм/нм.
Компакт-диск – дифракционная решетка
Луч лазера занимает на компакт-диске настолько малую площадь, что этот участок можно считать одномерной дифракционной решеткой. Она характеризуется постоянным шагом, и условие максимумов в отраженном на ней свете определяется по известной формуле d sin? k = k ? . Формула справедлива при нормальном падении луча на диск. В этом случае наблюдаются по два дифракционных максимума с каждой стороны – под углами ? 1 = ± 22 о ; ? 1 = ± 45 о .
С учетом преломления лучей в защитном слое, нанесенном на зеркальную поверхность диска, взяв среднее значение показателя преломления 1.6 можно получить для истинных углов дифракции следующие значения: ? 1 = 14 о ; ? 1 = 26 о . третий максимум при нормальном падении луча не наблюдается. Причина в том, что истинный угол дифракции для него равен 36 о , что выше предельного угла полного внутреннего отражения. Вычисленная по этим углам постоянная дифракционной решетки d =1.1 мкм, что достаточно близко к ее техническим данным.
Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с данными теоретических исследований. Преобразуя формулу для радиусов зон Френеля:
можно получить формулу линзы:
откуда фокусное расстояние
Исследуем полученную формулу.
- Продольную аберрацию можно найти как скорость изменения F ( r ) , т. е. как:
Таким образом, величина продольной «радиальной» аберрации линейно возрастает с увеличением радиуса зоны и максимальна в первом фокусе.
2. Зависимость F от ?, — это продольная хроматическая аберрация. Для ее расчета определим величину:
То есть продольная хроматическая аберрация возрастает пропорционально квадрату радиуса используемого участка диска и убывает с номером фокуса. Она существенно зависит от длины волны – в области коротких волн она выше.
Компакт-диски широко распространены и доступны, и поэтому могут найти широкое применение в демонстрационном и лабораторном эксперименте по волновой оптике в школах и вузах.
Обычный CD-диск можно использовать как анализатор спектра источников света
Если вы хотите составить представление о спектре источников света в вашей студии, существует суперпростой и дешевый способ. Берёте самый обычный диск (сгодится CD или DVD) и смотрите на отражение источника света на поверхности диска. Дорожки диска работают как дифракционная решетка, давая возможность увидеть различные области спектра излучения.
Маттиас Вандель (Matthias Wandel) в 8-минутом видеоролике демонстрирует методику на примере различных источников света в своей мастерской.
С помощью этого несложного трюка вы можете наглядно увидеть разницу в интенсивности излучения различных источников света на определенных длинах волн. Например, на следующей иллюстрации (это кадр из вышеприведенного видео) показана разница между компактной люминесцентной лампой (слева) и светодиодной лампой (справа):
Видно, что люминесцентная лампа интенсивно излучает на нескольких определенных длинах волн (спектр выглядит «полосатым»), в то время как светодиодная лампа излучает значительно более равномерно (спектр мягкий, сглаженный). Хотя невооруженным глазом мы не почувствуем разницу, разница в спектре может сказаться на снимках. Например, объекты будут получаться совершенно разными на черно-белых снимках – в зависимости от того, какие источники света вы используете (Вандель это также демонстрирует в своем видео).
Если у вас есть диск под рукой, можете посмотреть и проанализировать разницу между источниками света, которые вы используете для съемок.