光谱学实验——用摄像头和纸板光栅做简易光谱仪
背景
手机做光谱分析的传统思路:用纸板光栅或 CD/DVD 光盘把光色散成光谱,然后用手机拍照后再用电脑软件分析。v1.2.1 把"再用电脑分析"这一步省掉了——phyphox 直接在手机端完成图像线性化、亮度提取、波长标定,变成了一个真正能"看光谱"的简易光谱仪。
需要准备什么
- 一台带摄像头的手机(最好是后置)
- 一个纸板光栅(物理实验器材,淘宝几块钱一片),或者一张 CD/DVD 光盘(背面反射光谱)
- 一个三脚架(手动用手举着会抖得厉害,影响精度)
- 被测光源(普通灯泡、LED、激光笔、火焰……)
物理原理
白光通过光栅后会被色散成不同波长的光——波长不同、衍射角不同。摄像头拍下来的光谱是一张彩色带子,沿横向(或纵向)不同位置对应不同波长。
phyphox 做的事:
- 提取光谱图像:从摄像头画面里框选光谱区域
- 线性化:不同像素位置到波长的映射关系(通常是非线性的,因为透镜畸变)
- 列/行平均:沿光谱方向逐列取平均亮度,得到一维光谱曲线(横向坐标是像素位置,纵向是亮度)
- 标定(可选):手动指定两个已知波长的位置点,phyphox 自动把像素坐标转换成波长坐标(nm)

操作步骤
- 搭建装置:光源 → 光栅 → 三脚架固定的手机摄像头(三者在一条线上,距离合适)
- 调焦:先手动对焦让光谱成像清晰
- 打开光谱学实验
- 框选区域:在画面上用两个点标记光谱带的范围
- 观察:phyphox 实时输出亮度-像素位置曲线
- 标定波长(可选):如果能找到已知波长的特征谱线(比如汞灯的 546.1 nm 绿线、钠灯的 589 nm 黄线),标记这些点后曲线横轴会变成波长(nm)
能测什么
| 光源类型 | 光谱特征 | phyphox 能看到 |
|---|---|---|
| 白炽灯 | 连续光谱(类似黑体辐射) | 平滑宽曲线 |
| 太阳 | 连续 + 吸收线(夫琅禾费线) | 宽曲线 + 窄凹陷(可能看不清) |
| LED | 窄带连续或多个尖峰 | 几个窄峰 |
| 荧光灯 | 离散谱线(汞原子发射线) | 几个窄而高的峰 |
| 激光笔 | 单一波长(理想单色) | 一个很窄很高的尖峰 |
| 火焰 + 盐 | 焰色反应的特征波长 | 特征尖峰(需要足够亮) |
精度
官方说明 v1.2.1 的光谱实验"精度有限"——主要是因为:
- 手机摄像头色彩处理不是为光谱设计的(会做白平衡、降噪等后处理)
- 光栅本身的色散角有限,波长分辨率取决于摄像头像素密度
- 没有硬件级的线性校准
对于教学演示来说完全够用——能清晰看到不同光源的光谱形状差异。对于定量分析来说需要用更专业的光谱仪。