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小邱のDIY – 透視你的燈具(光譜儀製作與分享)

(本文2014-5-18 20:23 原發表於「老爹孔雀魚水族寵物交流網」)

壹、前言:
水草燈具玲瑯滿目、LED更是目前的熱門話題,而廠商總是宣稱自家燈具高亮度、光衰慢、波長最適合水草生長等優點,甚至將光譜曲線標示於燈具包裝盒外,但你相信嗎?
「DIY光譜儀」小邱不是第一人,早在N年前早有人提出,小邱蒐集了網路及參考前輩相關資料後,整合出一套適合水草愛好者自行檢視燈具光譜的可行方法,除了可看見您的燈具光譜分布以「定性」外,更可透過免費的影像處理軟體做「定量」的分析,使使用者了解燈具「光質」的好壞。

貳、工具及材料:
一、1mm厚黑色紙板(本文使用兩面皆為黑色)。
二、1.5mm厚黑色紙板(本文使用一面黑一面白)。
三、DVD空白光碟片1張。
四、熱熔膠(槍)1只。
五、白膠少許。
六、雙面膠及黑色電氣膠帶少許。
七、圓規刀1把(若無下文將提供替代方法)。
八、美工刀1把。
九、剪刀1把。
十、酒精少許。
十一、橡皮筋1條。
十二、數位單眼相機(含三腳架)。(若只有一般手機或數位相機可能只能做到「定量」分析)。
十三、電腦1台(含Excel程式)。

參、步驟:
一、光譜儀製作:
(一)先於1.5mm厚的紙板以圓規刀裁出,大小二個圓形紙板,小圓形紙板直徑〝略小於〞數位單眼相機鏡頭保護鏡直徑,大圓形紙板直徑較小圓形紙板直徑多1cm(半徑多0.5cm) 。並將大小圓形紙板,正反面皆以筆標出通過圓心且互相垂直的十字標線,正反面位置要相同,以作為後續的對齊線。

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(二)將小型紙板以圓規刀裁出內圓小於外圓半徑1cm的同心圓,大圓形紙板於中央以小刀裁出1cm*2cm之矩形開孔。

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(三)將大小二圓,對齊圓心及十字標線用白膠黏合。並依下圖距離水平標線上下各1cm處,以小刀切割出對稱的4個缺口。

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(※※註:以上若無圓規刀,可以依下圖改以大、小二正方形紙卡代替,小方形紙卡對角線長度略小於鏡頭內圓直徑,其餘同前)

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(四)取一空白DVD光碟片,以剪刀剪開。

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(五)將DVD從切口撕開成兩片,保留如圖中下方那一片。

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(六)以棉布沾酒精將保留的光碟片染劑擦拭乾淨。

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(七)在光碟最外緣以油性筆標記出1cm*2cm矩形且其長向對稱軸通過圓心,並以剪刀剪下比標記矩形稍大範圍的光碟作為光柵。

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(八)將剪下之光柵周圍用雙面膠黏貼於大圓紙板如下方位置備用,光柵標記矩形與大圓紙板矩形開孔對齊。

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(九)依下圖標示尺寸及形狀,在1mm厚紙板裁下紙卡A並標示出對齊標線,在摺線(要彎摺的背面)先以刀背劃幾下,但不要切斷會比較好摺,黏貼區先貼上雙面膠。

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(十)撕下雙面膠,並將裁下紙卡A彎摺黏貼成具45度斜口正方形紙筒。

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(十一)再依下圖標示尺寸及形狀,在1mm厚紙板裁下紙卡B,並彎摺以白膠黏貼製作狹縫(圖例跟單位同前,因紙卡本身有1mm厚度彎摺後自動會形成0.5~1mm寬的狹縫)。

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(十二)將製作完成的紙卡A(紙筒)及紙卡B(狹縫)用黑色電氣膠帶依對齊標線黏合且接縫要防止漏光,特別注意圖示中狹縫與紙卡A方形紙筒狀斜口的方向要正確。

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(十三)將卡紙A紙筒斜口處與大小圓形紙板模組以熱熔膠黏合,並於熱熔膠黏合處以黑色電氣膠帶補封以防漏光,並特別注意圖中光柵方向。光譜儀即製作完成。(將狹縫對準光源,用肉眼透過光譜儀即可看到光譜。注意:此光譜儀並未有減光裝置,不可用肉眼直視太陽或其他形式有害光源,若要取得太陽光譜,只要對準太陽旁明亮的天空即可)

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二、光譜『定性』分析:
(一)準備一條『紅色』橡皮筋並套在有三腳架的單眼相機鏡頭上( 一定要紅色的嗎?沒錯!可以讓你的鏡頭瞬間看起來像『L鏡』畫質瞬間提高~~~~~~~。不管聽得懂聽不懂,此點是小邱喇~~滴~~~賽~~~的),如果沒有數位單眼,可以直接將光譜儀以膠帶黏在您的手機或數位像機上透過照相功能的液晶螢幕即時拍攝也可看到光譜,若能拍下照片或許能做後續的定量分析。

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(二)將光譜儀套入並罩住鏡頭,並利用橡皮筋透過大圓紙卡兩側四個缺口將光譜儀及相機固定,並注意組合方向要如下圖所示

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(三)將相機設定成「快門先決(Tv)」及「手動對焦(MF)」模式,畫質不需太高,為避免雜訊躁點ISO值設定為100-200,並打開螢幕「格線」功能以顯示格線方便光譜對齊(以利後續定量分析)。

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(四)透過即時攝影,對準光源並微調直至從相機液晶螢幕看見光譜為止,調整焦距大小使能顯示涵蓋全部光譜範圍並記錄、固定(本例焦距是50mm),調整對焦環手動對焦以得到清楚成像,微調橡皮筋固定的光譜儀使光譜對稱軸與螢幕格線平行。

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(五)調整快門快慢,使拍出的光譜不會出現曝光過度的現象(不要有死白區域),即可得到美麗的光譜。
1.一般T8日光燈燈管光譜(因為雙燈管所以有重影)

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2.一般T5日光燈燈管光譜(因為雙燈管所以有重影)

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3.PL燈光譜

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4.螺旋省電燈泡光譜

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5.白色LED燈光譜

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6.鹵素燈光譜

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7.太陽光(理論是連續的,為何會有黑線,大家上網查一下就知道)

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(註:以上可看出T8、T5、PL、螺旋省電燈泡均屬於螢光燈系,所以光譜特性均類似)

 

三、光譜『定量』分析:
(一)前往「ImageJ」官網(http://imagej.nih.gov/ij/),下載免費ImageJ影像處理軟體。
1.點選Download。

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2.點選Windows的「boundled with 64-bit Java」。(如果你是32位元的要點選 32-bit Java)。

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3.跳出問您是否執行的對話框,點選「執行」。

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4.歡迎進入安裝精靈對話框中點選「NEXT」。

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5.進入選擇程式安裝位置對話框點選「NEXT」。(除非你想將程式安裝於其他磁碟)

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6. 選擇「Create a desktopmicon(安裝完成後在桌面顯示捷徑)」,並再點選「NEXT」。

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7.進入準備安裝對話框點選「Install」。

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8.點選「Finsh」即安裝完成。

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9.電腦桌面上會出現ImageJ捷徑圖示,若是第一次安裝完成,程式會順便幫您開啟ImageJ。

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(二)開啟Image J程式,點選「File」→「Open」前往您所儲存拍攝的光譜照片位置來開啟要分析的光譜照片,此處我們先開啟PL燈光譜為例。(因螢光燈系燈管光譜「綠色區域」及「紅色區域」兩極大峰值波長為固定(一為547nm,一為612nm)所以本文先以PL燈光譜為背景(基準)值做定量分析)

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(三)PL燈光譜照片開啟後,該視窗的左上角顯示照片之畫素大小(720*480 pixels)。

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(四)點選主程式視窗的「Straight」(直線)工具鈕(如下圖中之1),滑鼠變為十字標記(如下圖中之2),將標記由照片最左邊使主程式視窗顯示的座標X值等於零(如圖中之3)且大概位於光譜對稱軸的高度位置按下滑鼠左鍵,並沿對稱軸方向拖曳至照片最右方(如下圖中之4),使得主程式視窗顯示的座標X值(如下圖中之5)等於照片視窗畫素大小的橫軸值 (如圖中之6,本例為720)後放開滑鼠左鍵,即劃出一黃色直線。

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(五)點選主程式視窗「Analyze」→「Plot Profile」即彈出針對我們所畫的直線上每個畫素亮度(灰階)所作分析的光譜曲線圖。

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(六)光譜曲線圖橫軸單位是「畫素」不是「波長」,縱軸是灰階值。所以接下來我們要將畫素轉換成波長。

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(七)點選曲線圖的左下角「List」→「File」→「Save AS…」,程式會自動將光譜曲線上各點的XY座標值儲存成Excel檔,選曲適當資料夾修正檔名後儲存備用。

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(八)以滑鼠十字點選光譜照片綠色區域峰值的大概位置,並記錄X值(此例為392,此為概略直非精確值,意思是指由左而右在第392個畫素〝左右〞有峰值)。

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(九)以滑鼠十字點選光譜照片紅色區域峰值的大概位置,並記錄另一X值(此例為501,此為概略直非精確值,意思是指由左而右在第501個畫素〝左右〞有峰值)。

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(十)開啟前步驟(七)所儲存的Excel光譜檔,A欄位為X值(畫素)、B欄位為Y值(亮度)

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(十一)  將原Excel檔之「X」修改為「X1(畫素)」,「Y」修改為「Y1-PL(強度)」,並增加三個空白欄位,分別為「X2(波長)」、「Y1-PL(最大值)」、「Y2-PL(相對強度)」如下圖。

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(十二)  依前步驟(八)所得概略X1=392(及第392個畫素)處左右,尋找Y1為相對最大值所對應的精確X1值並記錄。〈本例為Y1=174.2097,X1=391〉

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(十三)  依前步驟(九)所得概略X1=501(及第501個畫素)處左右,尋找Y1為相對最大值所對應的精確X1值並記錄。〈本例為Y1=91.2073,X1=505※※誤植更正:應為Y1=94.6667,X1=504,後續步驟相同且誤差不大所以後續就不做更正〉

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(十四)  由步驟(十二)所求得的精確X1值391即相當於綠色區域峰值波長547nm,由步驟(十三)所求得的精確X1值505即相當於紅色區域峰值波長612nm,分別代入線性方程式:X2=a*X1+b…………………………..(1)
可得       547=391a+b………………………………………(2)
             612=505a+b………………………………………(3)
解二元一次聯立方程式得:a=0.5702、b=324.0614。

(十五)  在PL光譜Excel檔內的B2欄位輸入公式「=A2*0.5702+324.0614」後按Enter,並複製B欄所有欄位(按方框右下小角正方形二下即可全部複製完成)即可得到各波長值。

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(十六)  光譜的正規化(Normalization):
   由於就算是相同的T8燈管,但也有可能功率(瓦數)不同,更何況拍攝光譜時所設定的快門時間也不一定相同,所以相同的發光型式所得到的光譜「絕對」亮度值也會不同,因此我們透過光譜所得到各波長的「絕對」亮度值去同除以此數列所有「絕對」亮度值的最大值,可得到一序列「相對」亮度值,而此「相對」亮度值最大值永遠是1.0;此作法即為「正規化」,只要發光型式相同的光源,不管瓦數多少、快門多少、得到的正規化光譜均相同。
1.     在D2欄位輸入公式「=MAX(C2:C722)」(其意思就是「計算C2欄位至C722欄位內所有資料的最大值」),此可得到絕對亮度的最大值為174.2097。

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2.     在E2欄位輸入公式「=C2/$D$2」按下Enter後 ,並複製到E欄位全部即可得到相對亮度值,並將此正規化後檔案儲存備用。(注意:公式中〝$〞不可省略)

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(十七)  按住Ctrl鍵同時選取B欄全部及E欄全部,並點選視窗上方的「插入」→「散佈圖」,即可得到PL燈正規化光譜曲線,且橫軸為波長。

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(十八)  套疊未知光源性質的光譜圖:
    本例假設白色LED為性質未知的光譜照片,先依「二、光譜定性分析」的步驟拍攝完已知光譜特性燈源之光譜照片(本例為PL燈)後,相同條件下(可以不同快門、對焦重調,但光譜儀及焦距要固定不能再移動)拍攝未知光源光譜照片(本例為白色LED燈),再依「三、光譜定量分析」之(二)~(七)及(十六)步驟求得白色LED正規化後相對亮度值(不用求波長因為未知),並將所得的所有白色LED正規化後相對亮度值複製到先前我們所做的PL燈正規化光譜Excel表內(記得是複製〝值〞就好,不要連公式都一起複製過去)。
    我們以已知的PL光譜曲線圖為背景(基準)值,即可以Excel同時劃出PL燈及LED的光譜曲線圖來做比對,經比對此白色LED峰值(1.0)約為在波長455nm的地方,最下圖另一張是網路上抓的白色LED的光譜圖(資料來源:WiKi),峰值幾乎相同,但綠紅光帶因所用螢光粉不同會略有不同,不過趨勢及特徵是相同的。

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肆、參考資料:
一、自製光譜儀-吳昌任、林詩怡。
二、阿簡生物筆記:webcam和手機改造成光譜儀。
三、解『色』--探究自製光譜儀之校正方法與應用於水溶液濃度分析-葉國掄 。
四、http://publiclab.org/wiki/spectrometer
五、Foldup Spectrometer for iPhone
六、等等等。

※後記※
1.老爹的版面字數已不夠小邱用了,所以只好分割成三部分。
2. 本文背景值光譜波長的換算也可以使用兩個不同顏色已知波長的LED燈來定義。
3.依據本文光譜特性結論,與沼澤缸之家的『如何評估水草缸的照明(3):省電螺旋燈泡』這篇文章結論相同,依「光質」而言省電螺旋燈泡是可以用在水草缸的,剩下的就是如何提高照度及反射率而已。
4.針對光質(光譜或演色性)而言,我想除了適合水草生長波段(很多水草也不一定都是綠色的)外,草缸主要還是需要供人觀賞的,為能展現水草自然亮麗的色彩,我想三波長更甚至於全光譜還是有其必要的,雖然說有些術研究指出葉綠素主要吸收400 ~ 520nm及610 ~ 720nm波段的光,有些更說只要450nm及660nm波長即可,但就像營養素裡的微量元素對於水草一般,部分的不可見光及綠色波段的光未必對水草沒有助益,況且T8跟T5也沒有明顯450nm及660nm兩種波長,水草大家也是養得嚇嚇叫而且仍是目前的主力燈種。然而評估燈具的好壞,光質只是其中一環,還需經過照度、光衰、省電性、散熱、燈泡(管)更換便利性、反射照效率、美觀、價格等等因素做綜合評比去選擇使用者所需的。
5.很多人問小邱,這麼愛DIY為什麼不自D個LED燈看看,其實LED燈具現在DIY已經是非常方便了,網拍上有很多模組包含燈珠、散熱基座、透鏡、反光罩、穩流器、跳線、燈架、風扇等等,都非常齊全甚至其拍賣網頁也有教學,不夠漂亮可以跟壓克力店訂製一個跟ADA一樣的燈架也可以,介紹大家一個網站:http://class.ruten.com.tw/user/index00.php?s=ks2006x (億*電聯),上面甚麼DIY零件都有,小邱不是幫他在打廣告,因為我要等ADA出標準3尺缸以上的LED或我有太多的疑問還沒釐清前我是不會自D的,養的活可以,大缸要養的漂亮(比賽前幾名的選手)我想還有一段路。
6.另外,大家常常將「色溫」及「演色性」搞混,「光譜」直接影響「演色性」,但「色溫」與「演色性」並無直接關係;舉例來說:A燈具演色性100、色溫6500k,以A燈具所照射物體所表現的顏色是與「晴朗天空正中午太陽光色溫同樣6500k」照射下所表現的顏色相同;若B燈具演色性100、色溫3000k,是指B燈具所照射物體所表現的顏色是與「黃昏(或早晨)太陽光色溫同樣3000k」照射下所表現的顏色相同;兩者「演色性均為100」,但因色溫不同視覺感受並不相同(A燈具較明亮,B燈具偏黃),所以並不是大家覺得越明亮演色性越佳的錯誤觀念。


------以下於2017/01/17更新------
7.目前我只看到ADA 2016年新品Solar RGB是最佳的LED燈具,可不是只因爲他是ADA,而是因爲目前他牌都是利用不同光譜燈珠「配置調出來」,而ADA是「單顆」燈珠就具RGB!
他牌的所謂的高演色性是不同光譜燈珠光線「確實重合處」而言,在往外的區域,燈珠每顆距離都不同,重合度都變了所以並不是所有區域均為高演色性區!
而且LED業者常拿評估螢光燈管的演色性的參數來評估LED燈具,也早已被質疑!可以參考下列文章:
https://read01.com/xo8zK.html
http://www.litup.com.tw/tw/technology/main_view.php?id=TEC00002
https://read01.com/AJgRnO.html

8.多燈管或多燈株(如LED混色燈株)因光源距離光譜儀狹縫距離不同,所以所產生的光譜會有多重重影,影響數據。

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