Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

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Geoffrey
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Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar Geoffrey » 10 Avr 2011, 19:33

Dans le cadre d'un projet plus large, j'ai réalisé un spectromètre en utilisant le réseau d'un DVD comme élément dispersif. Après quelques explications sur mon dispositif, je vous livre les résultats que j'ai pu avoir.

1 Le spectromètre

Les réseaux par réflexion sont des dispositifs optiques constitués d'un grand nombre de raies parallèles réfléchissantes. Ils ont la propriété de disperser la lumière incidente pour faire apparaitre son spectre dans des directions précises. Les DVD sont constitués d'un sillon "enroulé" en spirale sur une plaque en plastique, c'est sur ce sillon que l'on trouve les alvéoles codant pour un bit. La distance entre 2 sillons voisins est de 0.74 µm pour les DVD et 1.6 µm pour les CD. Puisque ces sillons sont réfléchissants, on peut donc considérer qu'un DVD est un réseau optique par réflexion à 1350 traits/mm, d'où l'idée de s'en servir pour faire un spectromètre. Comme à mon habitude la première mouture du spectromètre a été faite avec les moyens du bord, voici une photo du montage:

Image

La lumière arrive par le tube collimateur en laiton sur la gauche, elle passe par une fente d'ouverture réglable constituée de 2 lames de rasoir parallèles puis elle se dirige sur le DVD. Le DVD est fixé sur un support que l'on peut faire tourner afin de contrôler l'incidence du rayon et donc la position de la lumière dispersée, enfin un appareil photo numérique (APN) permet de capturer les raies.

2 Spectre d'une lampe fluorescente compacte

Puisqu'un spectromètre trouve son principal intérêt dans l'observation des raies spectrales, j'ai commencé par observer une source commune possédant un spectre discontinu: la lumière d'une ampoule fluorescente compacte dont voici la photo.

Image
photo brute des raies à l'ordre 1 d'une ampoule fluorescente compacte.


Les sillons du DVD étant en spirale, les raies réfléchies prennent la même courbure, j'ai donc découpé les images près de l'axe de symétrie et sur une hauteur assez faible pour que l'on puisse encore considérer les raies comme droites. J'obtiens une image de 328 pixels de haut à partir de laquelle je vais extraire le spectre:

Image
réduction en hauteur des raies à l'ordre 1 d'une ampoule fluorescente compacte.

J'ai importé la dernière image sur un logiciel de calcul pour la convertir en niveau de gris sensé représenter l'intensité optique, puis j'ai fait la moyenne des 328 lignes de l'image en noir et blanc pour n'avoir qu'une seule ligne. Le moyennement permet d'obtenir une information moins bruitée que chacune des lignes de la photo originale.
Puisqu'il n'est pas pratique de regarder une image de 1 pixel de haut par 1950 pixels de large, j'ai simplement copié 328 fois cette ligne moyennée puis j'ai mis une au dessus de l'autre ces copies pour former une image de la même taille que l'originale. Evidemment je n'ai pas fait ça à la main et le logiciel de calcul a été précieux pour automatiser ces étapes.
Voici l'image obtenue:

Image
Niveau de gris des raies à l'ordre 1 d'une ampoule fluorescente compacte.

L'échelle en abscisse correspond au numéro du pixel, le niveau de gris est codé sur 8 bit et peut donc prendre 256 valeurs, sur le graphe il est représenté par une couleur, la valeur zéro correspond au noir et le 255 au blanc. Pour avoir un spectre, j'ai simplement tracé la valeur du niveau de gris en fonction du numéro du pixel sur l'image précédente:

Image
Spectre brut à l'ordre 1 d'une ampoule fluorocompacte.

Une fois que j'ai obtenu ce spectre, j'ai cherché des références pour trouver les longueurs d'ondes des principaux pics, et je suis tombé sur ce précieux document: spectre d'une lampe fluorescente avec valeur des pics. En premier lieu on remarque la grande similarité entre le spectre que j'ai obtenu et celui de la référence. On peut voir qu'il me manque le premier pic bleu qui est une raie du mercure à 404.66 nm, alors certes sur cette image il était hors du champ de l'appareil photo, mais tout comme l'œil humain, le capteur CCD de mon APN est peu sensible dans le bleu et cette raie n'est pas suffisamment intense pour apparaitre, j'ai refait la même expérience avec un autre appareil photo et là cette raie apparait nettement, ça dépend donc fortement de la qualité de la cellule CCD.
Cette référence m'a aussi permis d'indexer mon spectre pour convertir l'abscisse du pixel sur la photo en longueur d'onde. Sur 6 pics les plus définis que j'ai choisi, j'ai pu faire une interpolation affine avec une corrélation très proche de 1 qui traduit que mon échelle en pixel est vraiment linéaire (enfin affine) par rapport aux longueurs d'onde. Par exemple sur le spectre précédent un pixel correspond à 0.135 nm. J'ai donc appliqué la bonne transformation affine à l'échelle des abcisses pour afficher un spectre en fonction de la longueur d'onde:

Image
Intensité optique en fonction de la longueur d'onde du spectre à l'ordre 1 d'une lampe fluorocompacte.

3 Spectre d'une lampe incandescente

Puisqu'il est maintenant possible de donner une échelle en longueur d'onde à notre spectre, j'ai voulu voir jusqu'où s'étend le spectre continu d'une lampe incandescente ou bien jusqu'à quelle longueur d'onde mon appareil photo est sensible. J'ai repris le montage précédent en mettant côte à côté la lampe fluorescente et l'ampoule incandescente, sans déplacer l'appareil photo, j'ai pu capturer à tour de rôle le spectre des 2 lampes. Ainsi, en prenant soin de ne pas introduire de décalage lors de la découpe de la zone d'intérêt, j'ai pu obtenir la même échelle en longueur d'onde sur les 2 photos, c'est là encore le logiciel de calcul qui m'a permis de couper les photos de façon identiques au pixel près.
L'image suivante montre les 2 spectres que j'ai mis l'un au dessus de l'autre pour bien se rendre compte de la similarité d'échelle:

Image

Grâce à la méthode d'indexation des pics du spectre de la lampe fluorescente, j'ai pu donner une abscisse en longueur d'onde au spectre de la lampe incandescente.

Image
Spectre à l'ordre 1 d'une lampe incandescente.

La première remarque qu'on peut faire est que ce spectre est assez différent du spectre bien lisse d'émission du corps noir que l'on peut s'attendre à trouver pour une lampe incandescente.
Je désignerais volontier 2 raisons principales à ces quasi-discontinuités d'intensité, tout d'abord on peut se demander comment est calculé le niveau de gris à partir des 3 niveaux RGB de chaque pixel et si le résultat s'apparente bien à une intensité optique. En second lieu, il faudrait connaitre la transmittance spectrale des 3 filtres de couleurs placés devant chaque capteurs CCD, si ces filtres qui sont sûrement de simples plastiques transparents colorés ont des transmittances assez abruptes c'est normal que ça se retrouve sur le spectre.

Conclusion

Je n'ai pas eu le temps d'expérimenter plus sur ce spectro car je n'étais chez moi que pour un week-end, mais cette méthode me paraît prometteuse pour étudier les spectres d'absorption dans le visible de produits chimiques pour un coût assez peu onéreux à supposer que l'on ait déjà un appareil photo numérique. Il faudrait procéder à un étalonnage basé sur la loi de Beer Lambert pour voir si le niveau de gris calculé correspond bien à l'intensité optique de la lumière. La prochaine étape sera de voir jusqu'où je peux pousser la résolution pour observer des pics très voisins, et pourquoi pas les 2 raies D du sodium à 588.995 nm et 589.592 nm si je trouve une lampe à sodium. Pour le traitement de mes images j'ai utilisé Matlab qui est un logiciel propriétaire dont je me sers pour mes études, mais il a un équivalent libre qui est scilab avec lequel vous devriez pouvoir obtenir les mêmes résultats que moi. Je tiens à votre disposition mes lignes de codes que j'ai faites pour automatiser le traitement des images, mais je ne sais pas si Scilab et Matlab utilisent le même language.

Ces expériences m'ont été inspirées par la lecture d'une publication du Journal of Chemical Education:
Wakabayashi, Resolving Spectral Lines with a Periscope-Type DVD Spectroscope, J.Chem.Ed 85(6) 2008 pp.849-853
(le fichier est hébergé sur le forum sciencemadness)
Dernière édition par Geoffrey le 13 Avr 2011, 11:46, édité 8 fois.

Unkky
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Re: Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar Unkky » 10 Avr 2011, 20:00

C'est génial !

À terme il faudra mettre ça sur le wiki
Pour le niveau de gris, il peut être égal à plusieurs combinaisons linéaires des valeurs de rouge/vert/bleu ( https://secure.wikimedia.org/wikipedia/ ... au_de_gris ), ça doit être précisé dans ton logiciel
Du coup on doit pouvoir trouver la réponse des CCD, et peut-être la comparer à la réponse théorique si elle est dispo sur internet

Pour améliorer la résolution, on peut utiliser un Blu-ray, mais c'est beaucoup moins accessible...

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Re: Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar darrigan » 11 Avr 2011, 12:32

Même avis que Unkky : ce serait une belle expérience pour le wiki. :+1:
Aide-toi et le forum t'aidera ! Image

ecolami
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Re: Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar ecolami » 11 Avr 2011, 23:11

Bonsoir,
BRAVO pour cette méthode et la qualité de l'article :bravo:
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http://ami.ecolo.free.fr

ZeBill
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Re: Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar ZeBill » 12 Avr 2011, 10:04

Bonjour,

Belle description, félicitations!
Une bonne référence sur le domaine est disponible ici (un peu moins avec les moyens du bord quand même et appliqué à l'astronomie): Le site de Christian Buil.
Pour augmenter la précision de mesure des intensités (qui est déjà très bonne visiblement), il peut être intéressant par exemple de :
  • Utiliser les images brutes de l'appareil photo (le format RAW, je ne sais pas si c'est accessible sur les compacts toutefois) qui permet alors d'avoir les bandes R, V et B séparées,
  • Effectuer une acquisition uniforme (un 'flat') pour quantifier l'intensité de réponse dans le champ de l'appareil photo: en éclairant avec une source lumineuse à travers un calque par exemple

Encore bravo! :+1:

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Re: Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar cerbere22 » 12 Avr 2011, 23:49

Bonsoir,

vraiment félicitations ! très bon post et très compréhensible ;)
En effet le format RAW est une bonne idée pour améliorer les résultats mais c'est vrai que ce type de fichier est beaucoup plus répandu sur les appareils professionnels...
Encore bravo ! :)
L'amour, c'est de la physique, le mariage c'est de la chimie.

Moulin
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Re: Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar Moulin » 19 Avr 2011, 10:23

Cher Geoffrey

J'ai en cours la meme realisation que toi.

Je ne fais que des manipulations chimiques minerales et plus specialement de l'analyse qualitative minerale :
Par exemple j'ai extrait le thorium de baguettes de soudure au tungstene contenant 2% de thorium, ou de l'oxalate de neodyme des aimants contenus dans les disques durs.
Prochainement je vais faire des arseniates a partir de l'orpiment et isoler le tellure et le hafnium dans des melanges que vend un anglais sur ebay
Je cherche donc une methode physique me permettant de savoir si j'ai des impuretes quand j'ai fini l'isolement du corps chimique.

J'ai fait le tour de tous mes surplus et j'ai achete un reseau 1000 traits chez Jeulin.
J'ai eu beaucoup de mal a comprendre vraiment les principes qui regissentb la marche d'un tel dispositif. J'ai interroge les gens du forum astrosurf qui font de la spectroscopie d'etoiles (chapeau !) et qui decrivent un sursaut d'une raie de l'hydrogene dans une etoile (!), ils repondent que c'est tres facile, et j'ai continue donc a ne pas comprendre.
J'ai maintenant, je crois bien compris le role des lentilles et la place ou il faut mettre le prisme ou le reseau, c'est tres simple encore faut il que cela soit bien explique et je n'ai trouve nulle part d'explication detaillee. Je peus en donner si certains du forum le desirent.
J'ai trouve dans mes surplus une lentille convergente de 50 cm de distance focale de 10 cm de diametre venant d'un telescope que j'avais fait quand j'avais 14 ans, dont j'ai enleve l'occulaire que j'ai remplace par deux lames actionnees par une vis micrometrique (trouve dans mes surplus) la fente variable est ainsi placee au foyer de la lentille. J'ai colle avec du ruban adhesif opaque la reseau sur la lentille ; derriere le reseau derriere faisant un angle de 40 degres environ avec l'axe du tube predemment decrit, j'ai place une camera qui sort un signal analogique qui est affiche sur une television (patte 19 de la prise peritel) ou variante, le signal (video composite) entre dans un petit convertisseur qui convertir les signaux analogiqes en digitaux et entre ces signaux sur un PC.

Tout cela marche convenablement. J'aurais bien aime envoyer une image de spectre de lampe a mercure, je n'ai pas reussi a faire une image digne d'etre montree au forum avec un appareil photo hier apres midi.

Il faut ajouter un petit appareil en pyrex recoit de l'air sous pression vaporisant une solution d'un sel dans la flamme d'un bec bunsen pour ioniser le sel.
J'alimente ce petit appareil avec une pompe d'aquarium mais la pression n'est pas suffisante et pour obtenir une brume contenant le produit a analyser, je dois incliner ce petit appareil, cela marche mais separement de ce que j'ai precedemment decrit.

Il faut aussi ajouter une collection de produits pour etalonner le spectrographe : j'ai reuni des sels d'alcalins y compris rubidium et cesium et de thallium (cela a ete tres difficile) en plus des lampes fluorescentes. Je n'ai toujours pas trouve de dispositif pour faire marcher la lampe sodium basse pression que je possede, des lasers rouges et des leds.

Enfin je me suis procure un logiciel qui identifie les elements a partir de leur spectre d'emission mais je ne l'ai pas encore installe.

Tout cela pour dire que faire un spectrographe qui fonctionne vraiment c'est assembler beaucoup d'elements disparates et demande beaucoup de travail. Je n'en suis qu'a un tiers du chemin.

Venons en a ta realisation sur laquelle je te fais aussi des compliments car il y a bien peu de gens qui mettent la main a la pate je trouve. Quand on le fait on se rend compte bien vite que la mise en oeuvre des choses les plus simples n'est pas aisee.

Il y a a mon avis quelque chose qui ne va pas : la resolution de ton appareil n'est pas bonne du tout, compare ton spectre avec celui qu'on trouve dans les livres ou sur internet. J'ai refait mon montage hier apres midi et j'obtiens bien des raies, notamment plusiuers raies vertes fines, meme remarque pour les raies oranges, j'en ai au mois 4.
Je pense qu'un appareil digne de ce nom peut et doit faire apparaitre le doublet de raies jaunes du sodium.

Donc ton appareil a un probleme de resolution.

Au debut j'ai cru que la cause etait l'emploi d'un DVD, en fait tu as 1200 traits au millimetre alors que je n'en ai que 1000. Donc la resolution theorique de ton appareil est meilleure.
Je pense que la cause est tres simple, tu emploie une fente trop large, un spectroscope ou graphe donne des images d'une fente, si la fente est large deux raies rapprochees vont empieter l'une sur l'autre.

Il faut pour avoir la meilleure resolution possible avoir la fente la plus fine possible compatible avec une flux suffisant de lumiere.

L'appareil a fente variable que je possede coute sur ebay une centaine d'Euros (quand on la trouve), donc ce n'est n'est pas a conseiller.
Le faire me parait tres difficile, il faut que les deux lames coulissent bien dans leur rainures et que les ressorts de rappel fassent bien leur office. Quand j'ai remis en etat le mien, ce fut vraiement difficile,c 'est de la belle mecanique.
Pourquoi ne te ferai tu pas un jeu plusiueurs fentes disons 4 ou 5 chacune ayant une largeur differente allant de 1/50 ieme de millimetre a 1/4 millimetre que tu intercalerai, au debut pour les mises au point optique tu prends une fente large et tu peaufine ensuite la resolution en intercalant des lames de plus en plus rapprochees.

J'espere que nous allons progresser dans nos realisations et evenetuellement pouvoir nous aider.

Meilleures amities.


J-P Moulin

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Re: Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar darrigan » 19 Avr 2011, 14:07

A propos de la résolution : c'est vrai qu'en réduisant la largeur de la fente (ici faite avec des briques de Légo) on pourrait grandement améliorer la finesse des raies. Mais cela réduira aussi la quantité de lumière envoyée à l'appareil photographique : il faudra donc prévoir un temps de pose plus grand. (Tous les appareils numérique ne sont pas réglables en manuel. Mieux vaut prévoir un bon appareil numérique.)
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Geoffrey
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Re: Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar Geoffrey » 19 Avr 2011, 18:19

@Clovis, je veux bien que ça soit du bricolage, mais tout de même... La fente n'est pas faite en légo mais avec des lames de rasoir montées dans un dispositif auto-parallèle (parallélépipède) qui lui a été fait avec des légos. Mais de toutes façons pour les spectres que je vous ai présenté j'ai utilisé une fente fixe car le montage avec les légos présentait l'inconvénient de laisser passer trop de lumière sur le côté, qui venait perturber les observations.

@Moulin
Concernant la théorie, j'ai eu la chance d'étudier, lors des cours de physique en math spé, l'optique ondulatoire et en particulier la diffraction et les réseaux optiques. Les nombreux TP qu'on a pu faire m'ont aussi donné un certain sens pratique en optique, ces connaissances me sont d'un grand secours pour savoir comment disposer les divers éléments et où regarder.
Pour ceux qui veulent savoir en détail comment fonctionnent les réseaux et plus généralement avoir des notions d'optique ondulatoire je leur conseille la lecture de ces 3 cours du lycée Bellevue très bien illustrés:
Optique ondulatoire - chap.II - Interférences à deux ondes par division du front d’onde
Optique ondulatoire - chap.IV - Diffraction des ondes lumineuses
Optique ondulatoire - chap.V - Réseaux de diffraction
Le dernier cours sur les réseaux bien que parfaitement illustré, ne développe pas le calcul d'interférence, il se contente de donner les directions dans lesquelles les interférences constructives ont lieu, alors la lecture peut être complétée par ce document là:
LP 50 Réseaux plans en optique
Au niveau des calculs ça ne va pas plus loin que les nombres complexes, l'intégration double et la somme de suites géométriques, mais je vois que tu es doctorant en mathématique alors ça ne devrait pas te poser le moindre problème.

Même si c'est un long travail, c'est intéressant de comprendre les modèles derrière les réseaux car ça permet de se rendre compte à quel point l'optique est le monde du compromis. On doit sans cesse faire un choix entre bonne résolution, luminosité et on comprend le rôle crucial de la diffraction dans l'observation des raies.

Pour en revenir à mon spectre, il ne présente pas de raies très abruptes, elles sont arrondies et on peut le voir en comparaison avec le lien que j'ai donné qui me sert de référence. Je n'ai pas encore essayé de pousser sa résolution au maximum. Alors oui, en m'étant placé dans les conditions de Fraunhofer (source dans le plan focal objet d'une lentille convergente et capteur dans le plan focal objet d'une lentille convergente) permettant la diffraction à l'infini, chaque raie est l'image géométrique de ma fente source, et comme tu le dis, le plus probable c'est que ma fente soit trop large et limite directement la résolution, il faudra que j'améliore ça et que je mesure l'écartement de la fente (par diffraction par exemple).

Mes pics restent tout de même quasiment aussi bien séparés que sur le document qui m'a servi de référence. Pour l'instant je ne peux pas en dire beaucoup plus, il faudrait que je vois a quel point je peux séparer les raies D du sodium, en n'oubliant pas le fait que d'une part j'observe ici le spectre sur une large gamme de longueur d'onde alors que je peux encore zoomer avec mon appareil photo pour que la totalité de l'image ne soit occupée que par quelques dizaines de nm en longueur d'onde (au lieu de quasiment 300 nm ici). De plus il s'agit là du spectre à l'ordre 1, alors que si je me souviens de mes TP d'optique, c'est sur le spectre à l'ordre 2 que je parvenais à distinguer les 2 raies D du sodium avec un goniomètre, pour la bonne raison que la dispersion angulaire est plus élevée à l'ordre 2 au détriment de la luminosité, mais si la source est puissante ça n'est pas gênant. On peut voir dans l'article du journal of chemical education (Resolving Spectral Lines with a Periscope-Type DVD Spectroscope) que j'ai cité, qu'ils parviennent a observer le doublet du sodium avec le même matériel que moi, alors je ne perds pas espoir.

Enfin pour l'idée d'observer les spectres de métaux en utilisant leur sels, puisque l'entrainement par un flux d'air ne semble pas fonctionner, pourquoi ne pas directement faire tomber quelques goutes ou mieux un léger filet d'une solution saline sur la flamme d'un bec bunsen, à l'aide d'une burette par exemple pour en observer le spectre ?

J'ai passé pas mal de temps récemment a essayer de transposer mon code matlab sur le logiciel gratuit octave pour que vous puissiez aussi directement extraire le spectre à partir des photos, mais je ne parviens pas encore au même résultat, pourtant octave est fait à la base pour être utilisable directement avec le language de matlab. Il me semble aussi que les gens du forum d'astrosurf ont fait un software pour exploiter les photos de leur télescope à spectrographe, peut être pourrait-on nous en servir directement.

Si votre appareil photo ne permet pas de faire de long temps de pause, vous pouvez tout de même obtenir un équivalent en prenant de longues séries de photos, on peut ensuite faire la somme pour obtenir une seule et même image. Je peux vous mettre ce que j'ai obtenu pour vous convaincre de la méthode:

Image

Il y a bien une raie sur cette image, il s'agit de la raie de Rayleigh diffusée par du toluène à partir d'un laser bleu (404nm). On ne voit pas grand chose, j'ai donc fait plusieurs photos à la suite en mode automatique, toutes avec un ISO80 et un temps de pause de 1s je les ai converties en niveau de gris et j'en ai sommé 200 sur une même image dont voici le résultat.

Image

Il devient alors très facile d'observer la raie de Rayleigh qui était très peu visible sur cliché précédent, et on peut même apercevoir une autre raie.

Enfin j'essaye de trouver un modèle mathématique décrivant plus précisément la diffraction par les CD ou DVD, car la théorie des réseaux donnée dans les documents que j'ai cité plus haut est développée pour les réseaux par transmission, or le DVD s'apparente à un réseau par réflexion. Il y a peu de choses à changer, c'est seulement le signe de la phase de l'onde arrivant sur le DVD qui change, cependant j'ai réuni pas mal de document décrivant la surface réfléchissante des DVD, et pour ce que j'en ai compris, ils ne peuvent pas directement être considérés comme des réseaux par réflexion car pour en être il faudrait que l'espace interstitiel situé entre les facettes réfléchissantes ne soit pas lui même réfléchissant, idéalement il devrait y avoir du vide ou un matériau complétement absorbant. Or dans le cas d'un DVD ces interstices sont recouvert de la même pellicule d'aluminium réfléchissante que celle qui compose les bits, a mon avis il faut modéliser le DVD par 2 réseaux par réflexion légèrement avancés et décalés l'un par rapport à l'autre.
Dernière édition par Geoffrey le 19 Avr 2011, 19:44, édité 8 fois.

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Re: Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar darrigan » 19 Avr 2011, 18:32

Geoffrey a écrit :@Clovis, je veux bien que ça soit du bricolage, mais tout de même... La fente n'est pas faite en légo mais avec des lames de rasoir montées dans un dispositif auto-parallèle (parallélépipède) qui lui a été fait avec des légos.

Ha pardon ! en regardant la photo, je n'ai pas vu les lames de rasoir ;-)
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Re: Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar Moulin » 22 Avr 2011, 14:07

Cher Geoffrey

Tout d'abord, tout ce que je vais dire ne releve pas de la critique, je te demande de n'y voir que des remarques entre bricoleurs pour ameliorer les resultats.

Quand je parlais de difficultes theoriques, il ne s'agissait pas de la theorie des reseaux ou des prismes. Pour cela , il n'y a qu'a reprendre ses cours ou telecharger sur un site qui fait des topos la dessus ; je voulais simplement parler quand on voit un montage ou situer le reseau et la lentille, cela n'est explique nulle part car trop simple.
Il m'a fallu pas mal quelque temps pour comprendre que (dans mon montage), la fente variable se trouve au foyer de la lentille convergente (i.e. 50 cm)
que le reseau est fixe sur la lentille et qu'il sort dette juxtaposition lentille/reseau des rayons paralleles, donc la mise au point de l'optique derriere l'association reseau/lentille se fait a l'infini. C'est tres simple mais tellement simple que les gens d'astrosurf se sont contentes de me dire que c'etait tres simple et donc pas d'explication.

J'ai un exemple similaire : j'ai un microscope Leitz trinoculaire. Comment adapter une camera ou un appareil de photo sur le troisieme tube pour prendre des photos ou des films ? La reponse est abominablement simple : les rayons sont eux aussi paralleles donc j'ai vire les objectifs de la camera ou de l'appareil photo et cela fait de bien jolies images.

voici le montage :
http://www.self-programming-machines.org/spectroscope/spectroscope%20entier%201.jpg

au premier plan une boite grise qui est l'alimentation maison de la camera
derriere a gauche la camera, au milieu le tube qui reunit a gauche la lentille de 10 cm de diametre et de distance focale 0,5 metres, +1/2 dioptrie
et a l'autre bout du tube la fente que j'ai adaptee avec du tuyau de gouttiere, on voit la vis micrometrique depasser.

j'ai deplace la camera de facon a voir en meme temps le reau colle sur la lentille et la camera

http://www.self-programming-machines.org/spectroscope/camera%20CCD%20et%20reseau.jpg

note STP le diametre du diaphragme de la camera.

enfin devant la fente, j'ai ecarte la lampe a vapeur de mercure

http://www.self-programming-machines.org/spectroscope/fente%20variable.jpg

pour terminer le vaporisateur qui marche tres bien mais en biais car la pression donnee par la pompe a aquarium est trop fable (5 cm d'eau)

Il s'agit d'un bete venturi

http://www.self-programming-machines.org/spectroscope/vaporisateur%202.jpg

j'ai emmanche ce petit vaporisateur sur un tube a essai pour que ca tienne debout

voici les piteux resultats, indignes d'etre mis en ligne.
http://www.self-programming-machines.org/spectroscope/spectre%20mercure%20saisie%20USB%201.bmp
http://www.self-programming-machines.org/spectroscope/spectre%20mercure%20saisie%20USB%203.bmp

J'ai saisi les images de spectre avec un convertisseur analogique/digital qui fait entrer les signaux par un port USB.
Un logiciel d'affichage et de stockage et de montage video affiche les images.

Le resultat est vraiment mauvais. Voici les raisons :
les deux lames de la fente sont ebrechees, la camera a un bruit de fond notable, il y a du trainage dans l'image, je pense que c'est du a la bande passante. Les raies rouges sont empatees car elles sont tres intenses et je pense qu'elles saturent les recepteurs de la camera CCD, si je veux avoir des raies rouges fines, je reduis la largeur de fente et a ce moment la les autres raies disparaissent notamment les oranges qui sont faibles.

Avec l'appareil photo j'obtiens des cliches tout a fait nets mais comme je sais pas passer en mode totalement manuel pour regler l'exposition et le temps de pose, j'ai renonce, je ne montre pas le resultat.

Enfin je pense que ma lentille a une aberration chromatique importante, c'est une lentille que j'avai recupere quand j'etais enfant. La mise au point sur la bande verte me donne du flou sur le rouge et le violet.
Ca fait vraiment beaucoup de defauts !

J'ai tout de meme voulu exposer ces resultats pour montrer qu'ici on obtient des raies.
Le spectre d'emission d'un atome est un ensemble discret.
Je pense qu'il faudrait que tu travaille avec deux lames de rasoir ayant une fente de l'ordre de quelque centiemes de millimetres pour rendre compte de cet ensemble discret et non continu.

Meilleures amiries.

J-P Moulin

Geoffrey
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Re: Spectromètre visible basé sur le réseau d'un DVD

Messagepar Geoffrey » 25 Avr 2011, 00:38

Salut Moulin,
ne t'en fais pas, je ne suis pas du genre a prendre la mouche facilement, j'ai beaucoup apprécié ton intervention précédente et j'aime l'idée qu'on puisse partager nos expériences pour améliorer nos spectromètres.

Je suis rentré chez moi ce week end, j'ai pu mesurer par diffraction l'écartement de la fente que j'utilisais, elle fait entre 89 et 96 µm. J'ai construit d'après tes conseils une fente dont je peux contrôler plus facilement l'ouverture, elle n'est pas réglable aussi facilement que la tienne, mais c'est déjà mieux qu'avant. J'ai employé 2 lames de rasoirs plaquées contre le pan vertical d'un "L" en aluminium, elles sont fixées par 2 vis et je peux facilement les translater pour avoir un écartement plus ou moins grand. J'ai fait en sorte que seule la lumière passant par la fente puisse aboutir à l'arrière du dispositif. Voici des photos pour aider a comprendre:

Image Image

Tu dis avoir un problème d'aberration chromatique avec la lentille convergente que tu as récupéré, et c'est bien normal car l'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde, ainsi chaque longueur d'onde est déviée différemment des autres et forme son propre système d'image, au final on peut avoir des superpositions légèrement décalées qui peuvent être gênantes. Tu devrais peut être utiliser un système optique d'appareil photo, car ils sont composés de plusieurs lentilles disposées de sorte à compenser l'aberration chromatique, de plus un objectif intègre des lentilles de qualité et se comporte globalement comme une lentille convergente de distance focale réglable. J'ai pu récupérer chez Emaüs un vieux Canon T60 avec son objectif pour la modique somme de 2€, j'ai monté l'objectif sur le même type de plaque d'aluminium que la fente:

Image Image Image

Ainsi j'ai pu disposer la fente au foyer de l'objectif et on peut observer son image à l'infini:

Image

Je n'ai pas encore trouvé de DVD que je puisse sacrifier pour mes expériences, alors j'ai du me contenter d'un CD et j'ai pu me rendre compte d'un défaut que je n'avais pas prévu, la peinture blanche de mes montants en aluminium réfléchit trop la lumière diffusée par la fente et je me retrouve a avoir un éclairement gênant sur le réseau. Il faudra que je les peigne en noir la prochaine fois.

Pour tes saisies de spectre comment procèdes-tu ? Est ce que tu recouvres tout ton dispositif pour masquer la lumière externe ou bien fais-tu tes expériences dans une salle noire ? Enfin tu devrais peut être essayer de prendre tes spectres avec un appareil photo plutôt qu'une caméra, la qualité est tellement meilleure et tu pourras directement exploiter les spectres sur ordinateur. Si tu ne parviens pas a trouver comment on regle le temps de pose de ton APN, c'est peut être parce qu'il n'offre pas la possibilité de la choisir, c'est le cas sur le mien, il fixe tout seul la pause en fonction de la sensibilité ISO que je choisis et de la luminosité de la scène à photographier.

Dans l'attente de te lire.
Geoffrey.

Moulin
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Spectromètre

Messagepar Moulin » 26 Avr 2011, 13:36

Cher Geoffrey.

Je sais bien qu'une lentille seule donne une aberration chromatique, mes objectifs de microscope Leitz qui sont achromatiques (et qui corrigent aussi l'aberration geometrique) comportent une dizaine de lentilles, je trouve cela fou. Cela dit j'ai l'impression que le verre de cette lentille de telescope est tres dispersif.

Je n'avais pas pense a utiliser un objectif d'appareil photo de recuperation, J'ai achete pour 10 euros un zoom, qui est en bout d'une webcam vesta pro avec un adaptateur fait par un Belge specialiste de ce genre de trux , Thierry Loudeche.

Si je ne me trompe pas un reseau 1000 traits par cm de Jeulin doit couter 15 Euros. J'en ai achete deux mais il a fallu qu'ils m'en envoient 4 car un avait des taches et l'autre ne comportatait aucun trait , j'ai laisse tomber le projet de spectrosope pendant 6 mois car je n'obtenais pas de spectre, puis j'ai eu un jour la curiosite de regarder le ois disant reseau au microscope et c'est la que j'ai deccouvert le reseau sans trait.

Mon montage est un montage temporaire, element d'un realisation plus globale : bruleur, vaporisateur de solution, le spectroscope decrit ici et un logiciel d'acquisition, un autre de traitement d'image et enfin un dernier de reconnaissance. J'ai donc une fois les reglages grossiers faits, recouvert la partie arriere d'une boite et/ou d'un gros chiffon, j'ai l'idee quand (et/ou si) cela marche convenablement de mettre tout cela dans un boite bien faite en bois. Mon modele c'est le systeme Audine d'astrosurf.

Pour sur, l'appareil photo m'a donne des images sans bruit de fond tres nettes. C'est un Pentax reflex K10 qui est vraiment perfectionne et je suis sur qu'il permet de prendre des photos completement manuelles mais je ne voulais y consacrer que quelques heures et non une dmei journee et prendre le manuel du pentax pour le passer en mode manuel m'a paru bien trop long.
Ce qui ne fonctionnait pas ou inconstamment, c'etait la mise au point a l'infini. J'ai toujours obtenu dans tous les cas des photos surexposees.

Les objectifs a atteindre pour le moment avant de continuer sont :

Rendre parfaitement droites les lames qui constituent les fentes reglables, j'ai l'intention d'essayer avec de la pate a roder les soupapes sur un plan en metal, sinon confier les lames a un mecanicien de precision.

Trouver une camera CCD qui n'ait pas ce bruit de fond assez infernal, c'est en dehors de ma competence de reparer, composants de surface et circuits integres multipates qui font des traitement tres complexes.

Il faut pour moi voir tres nettement les raies, les lampes a vapeur de mercure est un tres bon test, peu et suffisament de raies.

Je ne suis pas a l'aise avec l'optique, il y a enormement de mecanique, je trouve cela tres fin et on ne peut guere bricoler vraiment ; cela me rappelle les hyperfrequences ou tout ce qu'on a a faire c'est de visser des tuyaux carres et d'affuter son crayon en pointe pour faire de beaux releves sur son abaque de Smith, je ne trouve pas cela tres amusant en fait, ce n'est pas assez physique ou manipulatoire a mon gout. C'est seulement l'idee d'identifier des elements qui m'a pousse a essayer de realiser cet instrument faussement simple.

Cela dit meme si cela marche bien, quand je voudrais caracteriser la presence de tungstene dans le nitrate de thorium, je sens que je vais ramer car j'ai lu tres recemment que le tungtene avait une foultitude de raies qui vont noyer celles du thorium sans doute.

Quand pourra t on se bricoler un spectrographe de masse ! (plaisanterie bien sur)
Cela dit j'ai vu un type sur internet qui fabrique se triodes.

Meilleures amities

J-P Moulin


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