Spectromètre USB

Principe de fonctionnement

Principe de fonctionnement du spectromètre.

Le spectromètre utilise un réseau de diffraction pour disperser les différentes composantes de la lumière incidente.

La lumière incidente passe à travers une fente très fine placée dans le plan focal d'une lentille convergente qui en fait l'image à l'infini (un point de la fente à une hauteur donnée produit un faisceau de rayons parallèles).

Le faisceau produit est envoyé sur un réseau qui dévie les différentes longueurs d'onde avec un angle différent. Chaque longueur d'onde constitue un faisceau parallèle dans une direction différente.

Enfin, la lentille de la webcam fait converger chaque composante en un point précis du capteur situé dans son plan focal image (la webcam est réglée sur l'infini)

A l'ordre 1, les angles $i$ et $r$ sont reliés par la relation :

amath sin r = sin i + lambda/a endamath

L'angle `i` est déterminé par la géométrie du spectromètre et l'angle `r` permet de déterminer la position `x` du point sur le capteur de la webcam par la relation amath x = f tan r endamath. $a$ est le pas du réseau, $f$ est la distance focale de l'objectif de la webcam. En pratique, on mesure la position de deux longueurs d'onde connues sur le capteur pour déterminer $f$ et $i$, le réseau utilisé possède 1000 traits/mm soit un pas de 1µm.

La fente et lentille d'entrée

Fente d'entrée du spectromètre

La fente d'entrée du spectro est constituée de deux feuilles de laiton accolées est fixées sur le support par des vis. Ce système rend la largeur de la fente réglable (mais c'est loin d'être optimal). Il faut que les bords des feuilles de laiton constituant la fente soient bien polis pour que la largeur soit aussi régulière que possible.

Optique d'entrée du spectromètre

La lentille d'entrée du spectromètre est une partie de l'objectif d'un ancien caméscope. Il a l'avantage de contenir des vis de fixation et de permettre d'ajuster la distance fente-lentille.

Le réseau et la webcam

vue du support de la webcam et du réseau devant celle-ci.

Le réseau est un réseau holographique de 1000 traits/mm acheté sur eBay.

La webcam est une Logitech Quickcam Pro 4000 qui a l'avantage de posséder un capteur CCD et qui est (était) pas mal utilisée par des astronomes amateurs.

Le logiciel

Capture d'écran du logiciel (avec le spectre solaire)

Pour contrôller le spectromètre, j'ai créé un petit programme qui récupère les images capturées par la webcam et qui les traite pour en extraire le spectre. Il permet entre autre :

Vue du capteur de la caméra.

Exemples de spectres

Spectre du soleil vu à travers l'atmosphère (présence de bandes d'absorption : raies de Fraunhofer)

Spectre du soleil avec bandes d'absorption de l'atmosphère

Spectre de transmission du filtre infrarouge de webcam ou appareil photo numérique (bloque l'infrarouge, zone dans laquelle le capteur est très sensible)

Spectre de transmission d'un filtre infrarouge de webcam

Spectre de transmission du filtre situé devant un récepteur de télécommande infrarouge. Il bloque la lumière visible pour éviter les parasites et ne laisse passer que l'infrarouge

Spectre de transmission d'un filtre de télécommande infrarouge

Spectre d'une lampe fluocompacte (à économie d'énergie). On peut y retrouver des lignes d'émissions d'éléments, en particulier du mercure (détails)

Spectre d'une lampe à économie d'énergie (fluocompacte)

Spectre de transmission du sirop de grenadine. Il absorbe principalement le vert, ce qui lui donne sa couleur rouge-rose.

Spectre de transmission du sirop de grenadine

Photos