一、光譜儀理論概覽
光譜儀是一種用來測量光線中光學成分的儀器。它能夠用來幫助科學家分析物質材料中的基本成份，或者也可以用來分析來自於遠距離恆星、行星發出的光譜。
光譜儀的基本概念在於通過捕捉一束狹縫當中的未知波長光束，由於光束中不同波長的光束通過特殊的鏡頭的偏折角度不同，因此可以通過測量不同位置對應的彎折角度，人們就可以確定分佈在未知光束中的光譜成分。儘管未知的光束可能來自於幾百萬公里以外，科學家依然可以從分析得到的光譜中發現一些潛在的有價值的信息。
在光學研究早期，科學家們通過三棱鏡將光束分割爲不同的光譜組成成份，同時使用旋轉目鏡來測量不同光束偏折的角度。而現在，所有的三角棱鏡都被替換爲了能夠提供同樣功能的光柵元件，同時旋轉目鏡被替換成了連接到電腦上的電光接收器陣列。
二、基礎材料準備
下面是相關材料的清單：
- 普通的紙板
- 黑色吸光材料紙或者布料
- DVD 碟片
- 雙面刀片
- 網絡攝像頭
- 膠水
- 黑色電工膠帶
三、準備盒子組成部分
1. 測量Camera攝像頭尺寸(L*W*H)
- 測量攝像頭的整體高度：\(H_{cam}=10mm\)
- 測量攝像頭的整體寬度：\(W_{cam}=10mm\)
- 測量攝像頭的整體厚度，從鏡頭開始計算：\(L_{cam}=10mm\)
2. 根據上述的參數計算盒子的基本尺寸
- 盒子的長度(基本確定的長度)：\(L_{box}=200mm～250mm\)
- 盒子的寬度(寬於攝像頭\(2cm\))：\(W_{box}=W_{cam}+20mm=30mm\)
- 盒子的高度(高於攝像頭\(1cm\))：\(H_{box}=H_{cam}+10mm=20mm\)
3. 製作注意事項
- 根據盒子具體尺寸使用小刀完成盒子的6個面的切割
- 保留一個WebCam的USB數據線出口槽
- 在盒子的正前方紙板的中間位置保留一個與WebCam鏡頭一樣高的 \(2cm\times 1cm\) 的進光槽
- 在分割好的每一塊紙板上粘貼準備好的黑色吸光材料，並按照紙板的邊緣進行裁剪
- 在正前方的紙板上可以做上標記以方便區別
四、組裝盒子
抓住底面和兩個側面，將它們並排放置。用膠帶把這三塊粘在一起。接下來，通過確保表面的方向保持不變，使用更多的膠帶連接正面和背面。
頂面沿着一條邊緣連接，這樣我們就可以像鉸鏈蓋一樣使用頂面打開外殼，以防以後需要進行任何調整。爲了防止光線從頂部進入，再切一些紙板，使其稍微重疊。
通過其中一個插槽窺視外殼，確保沒有光線進入盒子。額外的一層電工膠帶或任何類型的不透明膠帶都可以用來掩蓋小間隙。
五、覆蓋進光槽
要製作入口狹縫，請垂直地用膠帶封住其中一個剃鬚刀片，以覆蓋正面的一部分間隙。用一張紙將第二片剃鬚刀片貼在第一片旁邊，在兩片剃鬚刀片之間形成一個薄間隙。用膠帶封住第二個刀片，並用電工膠帶蓋住任何間隙，以防止任何光線進入機櫃。
六、製作光柵
這一步驟是項目中最關鍵的部分。衍射光柵負責根據波長分裂光束。一種選擇是直接購買衍射光柵。這些產品通常在網上售價約爲4至5美元。另一種選擇是使用舊的DVD光盤作爲衍射光柵。兩者都提供了類似的結果。
首先用一把剪刀剪進圓盤。當你深入磁盤時，你會注意到磁盤由兩層組成，這兩層將開始分裂。將兩層完全分開，並丟棄由銀塗層組成的一半。
從後半部分切下四分之一，將邊緣切成正方形，形成一個比鏡片寬度稍大的小矩形。
接下來，用一些膠水把這個片粘在鏡片上。確保使用臨時膠水，以便在您想重複使用網絡攝像頭時可以移除衍射光柵。
注意： 光譜儀工作的一個關鍵步驟是，沿着圓盤的同心凹槽排列成垂直的，也就是說，它們需要與狹縫平行。如果它們不平行於狹縫，衍射就不會發生。
七、安裝攝像頭
將衍射光柵粘貼到網絡攝像頭上後，使用後插槽將電纜穿過機櫃，並將網絡攝像頭朝機櫃後部放置，與正面成30度角，並與前面的縫隙對齊。在將網絡攝像頭固定到位之前，請將網絡攝像頭連接到計算機並打開攝像頭應用程序。將光譜儀指向光源，並調整網絡攝像頭的位置，直到衍射光譜位於圖像的中心。
此時，您可以使用雙面膠帶將網絡攝像頭粘在底面上。
八、測試
爲了測試光譜儀是否正常工作，將其指向光源，並調整光源和光譜儀的高度，直到兩者對齊。你可以用一堆書或其他東西來調整垂直對齊，我決定用一些舊的3D打印機細絲卷。
將網絡攝像頭連接到計算機並打開攝像頭應用程序。圖像應該由一個清晰的衍射光譜組成。
您可以使用打印輸出進一步裝飾和標記光譜儀。
九、使用一款開源的光譜儀軟件
僅僅有一張光譜圖可能無法提供太多信息，所以我用Python設計了一個程序來繪製光的強度。這將提供“峯值”之間的相對距離，可以進一步用於確定光源中存在的波長。
要運行該程序，您需要在計算機上安裝Python以及一些額外的開源庫。可以使用以下鏈接 下載Python
可以通過終端使用pip下載和安裝額外的庫。庫和終端命令如下所示：
Opencv - pip install opencv-contrib-python
Numpy - pip instal numpy
Matplotlib - pip install matplotlib
安裝完所有庫後，您可以從以下GitHub repo中克隆頻譜分析儀程序：DIY-Spectrometer-Analyser
軟件使用說明：
運行該程序，您應該會看到網絡攝像頭的提要。將網絡攝像頭指向一個光源，然後按下鍵盤上的“r”按鈕來捕捉提要的感興趣區域。在光譜上單擊並拖動鼠標，然後按enter鍵。選擇感興趣的區域後，按下“s”按鈕以捕捉幀並使用圖形可視化分析強度。您可以使用“q”按鈕退出程序。