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2016年6月 9日 (木)

DVD簡易分光器の自作とトラブルシューティング

DVD簡易分光器がどんなものだかだいたいわかってきたのでこれまで遭遇したトラブルとその対策についてまとめてみたいと思います。これから発生したものについても随時追加していく予定です。

==> その後

  簡易分光器 - 作り方・使い方のまとめとリンク集

を書きました。製作や使用法について必要なことは一通り書いたつもりです。こちらを先に読んでいただいた方がいいと思います。

なお“簡易分光器”という言葉は“コリメーターを使わない分光器”という意味で使っています。またここで書くのはDVDを回折格子として使ったものを主に考えています。

あちこちに出てくる“色分解能”という言葉については最後に補足として書いてあります。

また画像はクリックすると画像単独の表示になり拡大表示ができるようになっています。

ご質問のある方はコメント欄からどうぞ。

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トラブルではありませんが、まずこれから

・ 簡易分光器でどの程度のスペクトル画像が得られるのか?

現時点で比較的よく撮れていると思われる画像を紹介します。がんばればもう少し行けると思います。

街角で見かけたメタルハライドランプのスペクトルです。撮影したそのままの画像です(縮小はしてあります)
Imgp78441000

中央付近を拡大したもの
Imgp7844m1d5519301000

右端に0.6nm離れたナトリウムのD1/D2の暗線(吸収線)が分離して見えています。左側の方を見ると0.3nmくらいしか離れていない輝線もちゃんと分離しています。

要するに少なくとも色分解能2000くらいは実現できている模様です。

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努力(?)すればこんなのも撮れます。こちらは色分解能10000くらいあります。

簡易分光器で撮影したフラウンホーファー線 - ナトリウムD線と国立天文台岡山天体物理観測所で撮影されたスペクトル画像の比較
Imgp4086d1d2
(オリジナルの画像、撮影データはナトリウムD線のはざまにあります)


国立天文台岡山天体物理観測所
   - 太陽のスペクトル - The Solar Spectrum - - ナトリウム D線
提供 国立天文台 「自然科学研究機構 国立天文台 ウェブサイト 利用規程」によります。

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・スリット、DVD、カメラをどのように配置すればいいか。

ググればいろいろあるのでそういうのを参考にしてください。例えば国立科学博物館 - 理工学研究部 - 若林文高 - DVD分光器の回折条件に配置に関する系統的な検討結果があります。

自分で理屈で考えたいという方は

  天文月報 - 2006年10月 - 天球儀 - コンパクトディスクを使った簡易分光器の製作 

が参考になるでしょう。計算の面倒臭さはこれでカバーしてください。
  CD/DVD簡易分光器設計支援Excelシート - 位置関係と得られるスペクトル画像の関係
  
CD/DVD簡易分光器設計のポイント

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私は次のように作っています。
Photo

寸法より角度が重要です。
特別な目的がなければカメラは回折格子に近いところにおいた方がいいです。特定の波長を詳しく調べたければ望遠レンズを使います。この場合はカメラを離して配置してもいいですがもちろんそれに相当する色分解能が必要です。

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・スリットはどうやって作るか、またスリットの間隔はどの程度がいいか?

紙やアルミホイルにナイフで切れ目を入れて作る方が多いようです。私はプラスチック板をくさび状に削り向かい合わせて配置しています。

スリットの間隔は0.5mmから0.2mmくらい、スリットと回折格子の間の距離が数十cmと言ったところがバランスがとれているようですが、スリットの間隔を1mmにしてスリットから回折格子までの距離を1mにするという製作例を見たこともあります。

私の場合は色分解能を優先しスリットの間隔を0.1mm以下、スリット回折格子間を100mm~200mmにしていますが、こうするとスペクトルが暗くなるので撮影はけっこう手間です(分光器とカメラの位置関係を固定する必要があります)

スリット間隔がどう見え方に影響するかはフラウンホーファー線で試した例があります。

  DVD簡易分光器のスリット間隔とフラウンホーファー線の見え方の関係 

スリットの作り方については

  「
ラジオペンチ
    - 
DVDのメディアで簡易分光器を作る-その2、(フラウンホーファー線が何とか見えた)

がとても参考になります。

ユニークなのがほしい方はこちら
  天文月報 - 2006年10月 - 天球儀 - コンパクトディスクを使った簡易分光器の製作 

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・どんなカメラを使えばいいか。

フォーカス、露出がマニュアルで設定できるものが無難です。オートフォーカス、自動露出で撮影できるスペクトルは限定されます。

レンズは35mm版50mm相当くらいでいいと思いますが最初は広角気味のものが使いやすいと思います。色分解能が1000から2000くらいになってくると色分解能がカメラの解像度(ピクセル数)で抑えられてしまうので高い色分解能が必要な場合は望遠気味のレンズを使います。この場合撮影対象の波長によって(は)スリット・回折格子・カメラの位置関係(角度)を変化させることができるような工夫が必要になります。

簡易分光器を小さく作ろうとすると近距離まで撮影できるカメラ(レンズ)が必要になりますが、これはある程度は作り方でカバーできます。
  CD/DVD簡易分光器設計のポイント

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・どうやって分光器とカメラの位置関係を固定するのか。

次の記事を御覧ください。カメラと分光器の位置関係を固定した例です。

  「DVD簡易分光器の改良 (1)
  「DVD簡易分光器の改良 (2) - 構造・作り方
  「DVD簡易分光器の改良 (3) - 仮組立
  「DVD簡易分光器の改良 (4) - 組み立て

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・DVDからどうやって回折格子を切り出せばいいのか。
  「ラジオペンチ - DVDのメディアで簡易分光器を作る-その1を参考にしてください。

切り出さずにそのまま使うというのもありかも。
 天文月報 - 2006年10月 - 天球儀 - コンパクトディスクを使った簡易分光器の製作 

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・写真を撮ろうとしたらピントが合わない

スリットと回折格子の間の距離を大きくしてみます。それができない場合はクローズアップレンズを使います。回折格子とカメラの距離を大きくしてもいいわけですが、これをやると撮影できる波長範囲が変化します。

入射角を小さくするという手もあります。
  CD/DVD簡易分光器設計のポイント

あんまりおすすめしませんがスリットの後ろにレンズを入れた場合はその位置を調整します。クローズアップレンズはスリットの後ろにレンズを言える方法の特殊なケースと言えないこともないです。

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・ピントが合っているかわからない。

蛍光灯、ネオンランプなど輝線を持つもので先にピントを合わせておくと楽です。

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・スペクトル全体にピントが合わない。

これはトラブルではなくそういうものです。

  CD/DVD簡易分光器設計のポイント

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・本来のスペクトル画像以外に画像に明るい部分ができたり関係ないスペクトルが写ったりしている。

Imgp25791000

Photo


分光器のケースの隙間から光が入っています(迷光)
隙間を塞ぎましょう。また分光器の内側や部品は(つや消しで)黒く塗るか黒い紙を貼り付けます。こういうのは天体望遠鏡の自作記事が参考になります。

光が迷い込まなければいいわけで、密閉しなければならないというわけではありません。
DVD簡易分光器の改良 (4) - 組み立てで作った簡易分光器は簡単に作れかつ簡単に分解できるように遮光板が上下から交互に並ぶような構造にして迷光を押さえています。

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・スペクトル画像のコントラストが悪い。

2

これも迷光が原因でしょう。光路に円柱、角柱を使っているとこの現象が出やすいです。スリットがパイプの側面に反射しているときこうなります。絞り環を入れると改善すると思います。これも天体望遠鏡の自作記事が参考になります。

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・輝線が二重になる。

A. 平行に二重になるケース

Imgp2872e600
(c、dがa、bのゴースト)

撮影中に光学系の位置関係が動いていないかを確かめます。

回折格子にDVD-ROMを使ったときこの現象が発生しました。DVD-ROMを使っているならDVD-Rを使ってみましょう。

B. 二重になるが両端は閉じているケース

Photo_2

ピントがあっていないと思われます。ピントを合わせてください。蛍光灯など明るい光源をピント合わせに使えるようにしておくと楽です。上の画像でわかるようにピントがはずれているかどうかは線スペクトルでないと判断が難しくなります。

スペクトルの一部(つまり青い方だけでこの現象が起きるとか、赤い方だけとかの場合)にこの現象が発生する場合は絞りを絞ってみたらどうでしょう。

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・輝線が思ったより細くならない。

輝線の像が平行四辺形になっているケース

平行四辺形以外にも右だけ(左だけ)太くなっているとかいろいろあります。

Photo_3

スリットが回折格子と平行になっていないためと思われます。スリットを回し両端が二等辺三角形になるようにします。線スペクトルが均一に細くなるところを見つけます。作ったあとスリットを一周させどういう現象が起きるか確認しておくと調整するとき何を判断基準にすればいいかが見つけられると思います。

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・手振れっぽい感じになっているケース

Photo_4

カメラを分光器に固定してあれば撮影中に多少動いてもちゃんと結像するものですが、そうでない場合はスリット、回折格子、カメラの位置関係が適切か確認します。つまりスリットが回折格子と平行になっているか、光軸が回折格子と直交しているかを確認します。
またそれぞれの部品の位置関係が動かないようにしっかり固定してあるか確かめます。

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・単純に太いケース

スリットの間隔を狭める、スリットと回折格子との距離を大きくする等します。

あんまり自信がありませんが、(スリットの間隔ではなく)スリットの長さを短くすることで改善するかもしれません。

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・スペクトル像が暗すぎる。

スリットの間隔を大きくするかスリットと回折格子の距離を小さくします。

色分解能が必要でそれができない場合はスリットの前にレンズを入れます。基本的に光源の像がスリットにできるような配置にするのですが、それほど神経質になる必要はありません。レンズは虫眼鏡でもなんでも品質はそんなに気にすることはないです。
焦点距離は短い方が明るくなりますが、遠い光源を狙う場合はある程度焦点距離が大きくないとつらいです。

さらにスリットの後ろ側にレンズを入れる方法もあります。つまりコリメーターあるいはコリメーター風にするわけです。ただこれは良質のレンズ、適切な設計、精度の高い加工が必要でハードルが高いです。いい加減に作るとスペクトル像は明るくなったものの色分解能が悪化し、だったらスリットの間隔を大きくした方が簡単ということになってしまいます。
記事の中にはこの方法で撮ったものも含まれています。

なおこれをやるとスリットの見かけの位置が変化するのでピントの合う点も変わりますので、ピントが合わないときの対策にもなります。まあクローズアップレンズが入っているようなものです。

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・スペクトルの一部が欠ける。

絞り環を使っている場合は絞り環の大きさが小さすぎないか確認します。

スリット、回折格子、カメラの位置関係(角度)が適切でない場合もこの現象が起きます。国立科学博物館 - 理工学研究部 - 若林文高 - DVD分光器の回折条件を参考にしてください。

カメラを回折格子に近づけてみます。

カメラの分光感度特性が狭い場合もスペクトルの両端が欠けます。別にカメラがあればそれを使ってみましょう。
(カメラによる違いは廊下のむし探検 - 分光器挑戦の続きが参考になると思います)

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・スペクトル像の一部が暗くなる。

スペクトルの一部が欠ける場合の原因・対策を検討してください。

撮影中にカメラの向き(分光器の向き)によって暗くなる場所が変化する場合は光源が小さいためと思われます。光源に近づいて撮るか、(スペクトル像が暗い場合と同じように)スリットの前にレンズを入れます。光源が遠くて近寄れないケースは焦点距離が大きいレンズを使います。ここまでやったら簡易分光器とは言えないような気もしますが。

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・スペクトル画像を数値化/グラフ化できないか。

スペクトル画像(分光写真)を数値化(グラフ化)する方法を御覧ください。


Imgp3094s
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・フラウンホーファー線が思うように写らない。

Wikipediaにあるような図は簡易分光器のユーザから見ると“概念図”でしかありません。簡易分光器で撮った実際のフラウンホーファー線はもやもやしています。大文字のアルファベット、小文字のアルファベット、その他の順で見つけやすいように思えますが、実際はそうでもありません。

特にE線、G線は写りにくいです。またG線のところは黒い帯が広がって写ります。この二つを単独で検出するのはD1/D2やb1/b2/b4を分離するのより難しいです。そもそも理科年表だとGという記号がついた吸収線はありませんし、Eの波長は理科年表とWikipediaで異なります(WikipediaはEではなくE2となっているので波長が違っていてもおかしくないと言えばそうですが)

最初のうちはHα(C線)、D1/D2(D線)、b1/b2/b4(b線)、Hβ(F線)あたりがちゃんと写ればまあまあのできだと思いましょう。
Imgp30271950s22

もちろんがんばればそれ相応の成果は得られます。
Imgp7798b_2

E線(理科年表 E:526.955nm、Wikipedia E2:527.039nm)がそう簡単に写りそうにないのはこれを見てもわかります。またこのくらい写っていてもG線(Wikipedia 430.774/430.790nm)単独の検出はまだできていません。

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・炎色反応のスペクトルが撮れない

炎色反応は撮りにくいです。分光器とカメラを固定して長時間露光でチャレンジしてみましょう。撮影しやすいと思われるナトリウム(食塩)から始めます。

炎色反応は白金線(私はニクロム線)を使う方法では長い時間発光を維持できないようなので工夫してください。私はろうそくに穴をあけて塩を詰め込んでおくとかやってます。
百均で売っているカラフルろうそくも使えるかもしれません。下の写真はカラフルろうそくの黄色でした。ただろうそくはバックグラウンドに連続光が入りやすいです。こういうのにはメチルアルコールがいいらしいです。

ググったらアルコールランプのアルコールの中に塩類を溶かしておくというのがありました。私は実際にやったわけではありませんが...

Imgp7665_682d691000

-------

・蛍光灯のスペクトルがネットと調べたものと違っている。

蛍光灯には二種類あります。

三波長型蛍光灯
家庭やオフィスでふつう使われている(使われていた)ものです。

Photo_6

一般型蛍光灯
街灯や集合住宅の共用部分に使われていることが多いようです。
(あるいは美術館等のハイエンド用)

Photo_7

いずれの場合も水銀の輝線があるのは同じです。ただし色分解能が低いと見えない(みえにくい)輝線もあります(次項参照)

--------

・蛍光灯のスペクトルで水銀の輝線が連続光に紛れて見えない
Imgp2178graph


色分解能が不足しています。

一つ上の“一般型蛍光灯”のスペクトル画像が色分解能が向上したあと撮った写真です。

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・ナトリウムランプのはずなのにナトリウムの輝線(D線)が見えない。

Imgp20835graph

Na

高圧ナトリウムランプの場合はD線のあたりは暗くなっていたり吸収線(暗線)になっていたりします。D線があるのは低圧ナトリウムランプで、私もスペクトルを撮って記事にしたいのですが、うちの近所にはないようです。

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補足 色分解能について

色分解能とは文字通りどの程度の色の差を区別できるかという意味です。学術的な定義(半値幅)もあるのでしょうが一般常識(?)的には次のように考えればいいと思います。

例えばナトリウムのD線を考えます。
D線の波長は約590nmでD1、D2の二つの輝線(あるいは吸収線)がありその波長の差は0.6nmです。分光器でD線を見たとき(撮ったとき)これが二つの輝線に分離して見えれば

この分光器は少なくとも590/0.6≒1000の色分解能がある

とします。二つの輝線の輝度がぜんぜん違う場合はこの分光器でも500.0nmと500.5nmの輝線を分離できない可能性がありますので1000の色分解能があるから波長の1/1000の波長の差を必ず分離できるわけではないことに注意します。

そういう意味では、色分解能が1000のとき、波長の差が1/1000以下の輝線はぜったいに分離できない、というのが色分解能の正しい解釈でしょう。

DVD簡易分光器の性能チェック - 色分解能の調べ方」で簡易分光器(?)の色分解能を実測しているのですが、そこでもう少しまともな定義を使っています。

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簡易分光器の色分解能はスリットの間隔、スリットと回折格子の距離、回折格子の格子密度で決まります。だからと言って例えばスリットの間隔を狭くすればいくらでも色分解能が上がるかというとそうではないです。これは天体望遠鏡の倍率を上げれば上げるほど天体がよく見えるわけではないのと同じ事情があります。天体望遠鏡の対物レンズの口径に相当するのが回折格子の幅と格子密度の積(つまり回折格子の格子本数)です。

参考 DVD簡易分光器のスリット幅と色分解能の関係



前の記事 「簡易分光器の作り方 - 回折格子をどうする
次の記事 「DVD簡易分光器の性能チェック - 色分解能の調べ方

まとめ記事

  簡易分光器 - 作り方・使い方のまとめとリンク集

  「DVD簡易分光器の自作とトラブルシューティング
  「光源別スペクトル(分光分布)一覧表 - DVD簡易分光器による

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関連


  「簡易分光器の作り方と反省点 - DVD-ROM使用
  「DVD簡易分光器の改良 (1)
  「DVD簡易分光器の改良 (2) - 構造・作り方
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  「測定対象別記事一覧(測定、電子工作、天文計算)
  「
過去記事の一覧(測定、電子工作、天文計算)

参考
  「
国立科学博物館 - 理工学研究部 - 若林文高 - DVD分光器の回折条件
  
Welcome to my homepage. - DVD分光器
  「星は空の彼方、月よりも遠く
    - 光害除去フィルター(3)透過特性の観察(2016/03/05)
    - 光害除去フィルター(4)-脱線(簡易分光器の直線性)(2016/03/18)

  「ラジオペンチ - DVDのメディアで簡易分光器を作る-その1
    DVDから回折格子の切り出し方

  「ラジオペンチ
    - 
DVDのメディアで簡易分光器を作る-その2、(フラウンホーファー線が何とか見えた)
    スリットの作り方
  「DVDのメディアで簡易分光器を作る-その3、(まとめ)


  「廊下のむし探検 - 手作り分光器」 (記事一覧)
  「ブログ「廊下のむし探検」付録 - 手作り分光器の作り方

  「Web Page of T.Nomoto - スペクトル色々」 (「ネオンランプと水銀ランプ」)
  「国立天文台 - 分光宇宙アルバム
  「国立天文台岡山天体物理観測所 - ☆スペクトル物語☆~デジタルアトラス~

  「原子スペクトルの観察と波長の測定 - リュードベリ定数の測定及び原子のエネルギー準位
  「資源エネルギー庁 - 太陽エネルギーの基礎知識
  「
岩崎電気 - ランプ光源情報
  「
ライトエッジ - 放電ランプ - メタルハライドランプ

  国立天文台編 「理科年表 第88冊」 丸善出版、2014

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