본 논문에서는 3D 프린터를 이용하여 제작한 스마트폰 분광기를 제안하고, 기존에 대학 실험에서 사용하던 분광기와 종이로 만든 간이 분광기와 함께 성능을 비교 분석하였다. 첫 번째로, 기존의 분광기를 사용하여 수은등과 아르곤등, 네온등의 스펙트럼을 보고 이의 회절 각도를 각각 측정하였다. 위의 실험에서 사용한 슬릿의 간격을 로 하고 과 를 통해 입사된 파장 를 식 에 대입하여 =1000로 결과 값을 구했다. 그 결과, 수은등의 파장이 436.4nm(파란색), 551.9nm(초록색), 582.1nm(노란색1), 584.4nm(노란색2)가 나왔고 아르곤등의 파장이 491.97nm(파란색), 674.70nm(빨간색)이 나왔다. 마지막으로 네온등의 파장이 538.32nm(초록색), 598.75nm(노란색), 649.57nm(빨간색)의 순서로 나왔다. 이러한 파장은 많은 스펙트럼 선 중에서 빛의 세기가 가장 강하고 선명한 스펙트럼 위주로 측정한 것이다. 두 번째로, 종이로 접는 간이 스마트폰 분광기를 만들어서 스마트폰에 부착한 뒤 스펙트럼을 관찰하는 실험을 하였다. 종이로 만든 분광기 구조물과 반사 회절 격자로는 중고등학교 실험에서 많이 사용하는 CD를 이용하였다. 또한 스마트폰은 LG G4의 카메라에서 전문가모드를 사용하여 촬영하였고 ...
본 논문에서는 3D 프린터를 이용하여 제작한 스마트폰 분광기를 제안하고, 기존에 대학 실험에서 사용하던 분광기와 종이로 만든 간이 분광기와 함께 성능을 비교 분석하였다. 첫 번째로, 기존의 분광기를 사용하여 수은등과 아르곤등, 네온등의 스펙트럼을 보고 이의 회절 각도를 각각 측정하였다. 위의 실험에서 사용한 슬릿의 간격을 로 하고 과 를 통해 입사된 파장 를 식 에 대입하여 =1000로 결과 값을 구했다. 그 결과, 수은등의 파장이 436.4nm(파란색), 551.9nm(초록색), 582.1nm(노란색1), 584.4nm(노란색2)가 나왔고 아르곤등의 파장이 491.97nm(파란색), 674.70nm(빨간색)이 나왔다. 마지막으로 네온등의 파장이 538.32nm(초록색), 598.75nm(노란색), 649.57nm(빨간색)의 순서로 나왔다. 이러한 파장은 많은 스펙트럼 선 중에서 빛의 세기가 가장 강하고 선명한 스펙트럼 위주로 측정한 것이다. 두 번째로, 종이로 접는 간이 스마트폰 분광기를 만들어서 스마트폰에 부착한 뒤 스펙트럼을 관찰하는 실험을 하였다. 종이로 만든 분광기 구조물과 반사 회절 격자로는 중고등학교 실험에서 많이 사용하는 CD를 이용하였다. 또한 스마트폰은 LG G4의 카메라에서 전문가모드를 사용하여 촬영하였고 삼각대를 이용하여 고정을 시켰으며 각각의 스펙트럼의 빛의 세기가 달라서 빛의 노출시간을 다르게 하여 측정해 보았다. 수은등은 ios(감도)를 1000으로 설정하고 빛의 노출 시간()를 각각 1/30, 1/15, 1/8, 1/4, 1/2, 1로 나누어 측정을 하였다. 기존의 강한 빛의 스펙트럼인 파란색, 초록색이 관찰되었고 빛의 노출시간을 길게 할수록 노란색, 보라색, 주황색과 기존 색의 다른 스펙트럼들까지 관찰이 가능했다. 아르곤등은 ios(감도)를 1000으로 설정하고 빛의 세기가 다른 등에 비해서 약한 편이어서 빛의 노출 시간()를 1/4, 1/2, 1, 2로 길게 하여 측정하였다. 처음 관찰 되었던 스펙트럼은 파란색과 빨간색이었고 빛의 노출 시간을 늘릴수록 보라색, 초록색의 다양한 스펙트럼을 관찰할 수 있었으며 기존 색의 수많은 스펙트럼들 까지 관찰이 가능했다. 네온등은 빛의 세기가 다른 등에 비해서 월등히 강했기 때문에 ios(감도)를 500으로 두고 빛의 노출 시간()을 최소한으로 하여 1/6000, 1/4000, 1/2000, 1/1000, 1/500, 1/250, 1/125로 다양하게 관찰해 보았다. 기존의 빨간 빛이 너무 강렬하여 빛의 노출 시간을 많이 늘리기도 힘들었고 조금씩 길게 할수록 노란색이 먼저 관찰되었으며 희미한 초록색까지 관찰할 수가 있었다. 세 번째로, 3D 프린터로 스마트폰 분광기를 기계적 구조를 만들고, 반사형 회절격자를 부착한 뒤 스마트폰 카메라에 고정시켰다. 스마트폰은 LG G4 기종을 사용하였고 카메라에서 전문가모드를 사용하여 촬영하였으며 카메라로 촬영을 할 때 흔들림을 방지하기 위하여 위와 같은 삼각대를 사용하여 고정시켰다. 각각의 스펙트럼의 빛의 세기가 달라서 빛의 노출시간을 다르게 하여 측정해 보았다. 수은등의 ios(감도)는 1000으로 설정하여 빛의 노출 시간()은 1/4, 1/2, 1, 2, 4로 각각 측정해 보았다. 먼저 파란색, 초록색, 노란색등 강한 선 스펙트럼이 관찰되었고 시간을 늘릴수록 미세한 스펙트럼 구조들을 볼 수 있었다. 그리고 기존 분광기에서 측정한 선 스펙트럼의 파장을 사용하여 스펙트럼 이미지를 파장에 따른 스펙트럼 세기 그래프로 변환하였다. 아르곤등의 ios(감도)는 1000으로 설정하고 빛의 노출 시간()은 1/2, 1, 2, 4, 8로 하였다. 빛의 세기가 다른 등에 비해 약하기 때문에 처음부터 노출 시간을 길게 하여 측정하였다. 먼저 빨간색을 관찰할 수 있었고 시간을 늘릴수록 파란색이 먼저 관찰되고 다른 파장에 위치하는 많은 스펙트럼선들이 관찰되었다. 수은등과 마찬가지로 기존 분광기의 파장 정보를 사용하여 스펙트럼 이미지를 파장에 따른 스펙트럼 그래프로 변환하였다. 네온등은 세기가 매우 강한 등으로 ios(감도)를 500으로 줄이고 빛의 노출 시간() 또한 짧게 하여 1/125, 1/60, 1/30, 1/15, 1/8, 1/4, 1/2로 측정하였다. 처음에는 빛의 세기가 약한 노란색과 수많은 빨간색이 관찰되었고 시간을 길게 할수록 미세한 스펙트럼 구조를 관찰할 수 있었다. 다른 램프와 마찬가지로 스펙트럼 이미지로부터 파장에 따른 스펙트럼 세기를 수치화 하였다. 종이 스마트폰 분광기와 비교 했을 때, 3D 프린트 스마트폰 분광기는 훨씬 좋은 분해능을 보여 주었다. 종이 분광기에서는 스펙트럼선이 굵게 보였지만, 3D 프린트 분광기에서는 매우 좁은 선으로 관찰되었다. 이러한 차이의 주요한 원인은 광학 설계에 있다. 종이 분광기는 슬릿에서 렌즈 구멍까지 길이가 너무 짧고, 슬릿의 폭이 너무 커서 스펙트럼선이 매우 굵게 나타난다. 이러한 분광기 선폭은 해상도(resolution)에 비례하며 정밀한 분광기의 성능을 나타내는 지표이다. 3D 프린트 스마트폰은 광학 설계를 가미해서 슬릿 폭을 30 μm까지 줄이고 길이를 충분히 길게 해서 스마트폰 카메라의 분해능 한계까지 선폭을 줄인 것이 특징이다. 이에 더해서 배플 구조를 설계에 포함함으로 해서 미광에 의한 스펙트럼의 잡음을 크게 줄였다. 배플 구조로 인해 카메라 노출 시간을 줄여도 선폭이 번지는 현상이 줄어들었으며 미세한 크기의 스펙트럼 신호까지 검출이 가능했다. 마지막으로 3D 프린터를 이용한 스마트폰 분광기 데이터는 이미지 프로세싱 소프트웨어를 사용해서 파장에 따른 수치 데이터로 변환하였다. 이러한 기능을 스마트폰 어플로 구현한다면 기존의 분광기를 대체할 수 있는 휴대형 또는 교육용 분광기로 사용이 가능하다고 보여 진다. 분광기 중고등학생들에게는 내용이 생소하고 어려운 편이라 분광기 실험을 접하기란 쉽지 않다. 학생들은 대학교에 입학한 후에야 이 실험을 접할 수 있게 된다. 실험을 하는 과정에서도 복잡한 편이라 학생들이 어려움을 겪는다. 그래서 이를 좀 더 간편하게 실험할 수 있고 중고생들에게도 편리하고 간편한 접근이 가능하게하기 위하여 분광기 대신에 스마트폰분광기를 사용하는 것이 분광기와는 어떤 차이점이 있는지 또한 어떤 한계점이 있고 이점은 무엇인지, 결과적으로 스마트폰분광기가 기존의 분광기나 종이 분광기 대신으로 실험하기에 적합한지 알아본 연구이다. 기존의 분광기로는 관찰하기 힘들었던 미세한 스펙트럼까지도 스마트폰으로는 관찰이 가능하였고 무엇보다 학생들이 실험하기에 간편하였다. 따라서 중고생들도 쉽게 접근할 수 있다는 점에 있어서 실험의 의미가 충분히 있다고 할 수 있었다.
본 논문에서는 3D 프린터를 이용하여 제작한 스마트폰 분광기를 제안하고, 기존에 대학 실험에서 사용하던 분광기와 종이로 만든 간이 분광기와 함께 성능을 비교 분석하였다. 첫 번째로, 기존의 분광기를 사용하여 수은등과 아르곤등, 네온등의 스펙트럼을 보고 이의 회절 각도를 각각 측정하였다. 위의 실험에서 사용한 슬릿의 간격을 로 하고 과 를 통해 입사된 파장 를 식 에 대입하여 =1000로 결과 값을 구했다. 그 결과, 수은등의 파장이 436.4nm(파란색), 551.9nm(초록색), 582.1nm(노란색1), 584.4nm(노란색2)가 나왔고 아르곤등의 파장이 491.97nm(파란색), 674.70nm(빨간색)이 나왔다. 마지막으로 네온등의 파장이 538.32nm(초록색), 598.75nm(노란색), 649.57nm(빨간색)의 순서로 나왔다. 이러한 파장은 많은 스펙트럼 선 중에서 빛의 세기가 가장 강하고 선명한 스펙트럼 위주로 측정한 것이다. 두 번째로, 종이로 접는 간이 스마트폰 분광기를 만들어서 스마트폰에 부착한 뒤 스펙트럼을 관찰하는 실험을 하였다. 종이로 만든 분광기 구조물과 반사 회절 격자로는 중고등학교 실험에서 많이 사용하는 CD를 이용하였다. 또한 스마트폰은 LG G4의 카메라에서 전문가모드를 사용하여 촬영하였고 삼각대를 이용하여 고정을 시켰으며 각각의 스펙트럼의 빛의 세기가 달라서 빛의 노출시간을 다르게 하여 측정해 보았다. 수은등은 ios(감도)를 1000으로 설정하고 빛의 노출 시간()를 각각 1/30, 1/15, 1/8, 1/4, 1/2, 1로 나누어 측정을 하였다. 기존의 강한 빛의 스펙트럼인 파란색, 초록색이 관찰되었고 빛의 노출시간을 길게 할수록 노란색, 보라색, 주황색과 기존 색의 다른 스펙트럼들까지 관찰이 가능했다. 아르곤등은 ios(감도)를 1000으로 설정하고 빛의 세기가 다른 등에 비해서 약한 편이어서 빛의 노출 시간()를 1/4, 1/2, 1, 2로 길게 하여 측정하였다. 처음 관찰 되었던 스펙트럼은 파란색과 빨간색이었고 빛의 노출 시간을 늘릴수록 보라색, 초록색의 다양한 스펙트럼을 관찰할 수 있었으며 기존 색의 수많은 스펙트럼들 까지 관찰이 가능했다. 네온등은 빛의 세기가 다른 등에 비해서 월등히 강했기 때문에 ios(감도)를 500으로 두고 빛의 노출 시간()을 최소한으로 하여 1/6000, 1/4000, 1/2000, 1/1000, 1/500, 1/250, 1/125로 다양하게 관찰해 보았다. 기존의 빨간 빛이 너무 강렬하여 빛의 노출 시간을 많이 늘리기도 힘들었고 조금씩 길게 할수록 노란색이 먼저 관찰되었으며 희미한 초록색까지 관찰할 수가 있었다. 세 번째로, 3D 프린터로 스마트폰 분광기를 기계적 구조를 만들고, 반사형 회절격자를 부착한 뒤 스마트폰 카메라에 고정시켰다. 스마트폰은 LG G4 기종을 사용하였고 카메라에서 전문가모드를 사용하여 촬영하였으며 카메라로 촬영을 할 때 흔들림을 방지하기 위하여 위와 같은 삼각대를 사용하여 고정시켰다. 각각의 스펙트럼의 빛의 세기가 달라서 빛의 노출시간을 다르게 하여 측정해 보았다. 수은등의 ios(감도)는 1000으로 설정하여 빛의 노출 시간()은 1/4, 1/2, 1, 2, 4로 각각 측정해 보았다. 먼저 파란색, 초록색, 노란색등 강한 선 스펙트럼이 관찰되었고 시간을 늘릴수록 미세한 스펙트럼 구조들을 볼 수 있었다. 그리고 기존 분광기에서 측정한 선 스펙트럼의 파장을 사용하여 스펙트럼 이미지를 파장에 따른 스펙트럼 세기 그래프로 변환하였다. 아르곤등의 ios(감도)는 1000으로 설정하고 빛의 노출 시간()은 1/2, 1, 2, 4, 8로 하였다. 빛의 세기가 다른 등에 비해 약하기 때문에 처음부터 노출 시간을 길게 하여 측정하였다. 먼저 빨간색을 관찰할 수 있었고 시간을 늘릴수록 파란색이 먼저 관찰되고 다른 파장에 위치하는 많은 스펙트럼선들이 관찰되었다. 수은등과 마찬가지로 기존 분광기의 파장 정보를 사용하여 스펙트럼 이미지를 파장에 따른 스펙트럼 그래프로 변환하였다. 네온등은 세기가 매우 강한 등으로 ios(감도)를 500으로 줄이고 빛의 노출 시간() 또한 짧게 하여 1/125, 1/60, 1/30, 1/15, 1/8, 1/4, 1/2로 측정하였다. 처음에는 빛의 세기가 약한 노란색과 수많은 빨간색이 관찰되었고 시간을 길게 할수록 미세한 스펙트럼 구조를 관찰할 수 있었다. 다른 램프와 마찬가지로 스펙트럼 이미지로부터 파장에 따른 스펙트럼 세기를 수치화 하였다. 종이 스마트폰 분광기와 비교 했을 때, 3D 프린트 스마트폰 분광기는 훨씬 좋은 분해능을 보여 주었다. 종이 분광기에서는 스펙트럼선이 굵게 보였지만, 3D 프린트 분광기에서는 매우 좁은 선으로 관찰되었다. 이러한 차이의 주요한 원인은 광학 설계에 있다. 종이 분광기는 슬릿에서 렌즈 구멍까지 길이가 너무 짧고, 슬릿의 폭이 너무 커서 스펙트럼선이 매우 굵게 나타난다. 이러한 분광기 선폭은 해상도(resolution)에 비례하며 정밀한 분광기의 성능을 나타내는 지표이다. 3D 프린트 스마트폰은 광학 설계를 가미해서 슬릿 폭을 30 μm까지 줄이고 길이를 충분히 길게 해서 스마트폰 카메라의 분해능 한계까지 선폭을 줄인 것이 특징이다. 이에 더해서 배플 구조를 설계에 포함함으로 해서 미광에 의한 스펙트럼의 잡음을 크게 줄였다. 배플 구조로 인해 카메라 노출 시간을 줄여도 선폭이 번지는 현상이 줄어들었으며 미세한 크기의 스펙트럼 신호까지 검출이 가능했다. 마지막으로 3D 프린터를 이용한 스마트폰 분광기 데이터는 이미지 프로세싱 소프트웨어를 사용해서 파장에 따른 수치 데이터로 변환하였다. 이러한 기능을 스마트폰 어플로 구현한다면 기존의 분광기를 대체할 수 있는 휴대형 또는 교육용 분광기로 사용이 가능하다고 보여 진다. 분광기 중고등학생들에게는 내용이 생소하고 어려운 편이라 분광기 실험을 접하기란 쉽지 않다. 학생들은 대학교에 입학한 후에야 이 실험을 접할 수 있게 된다. 실험을 하는 과정에서도 복잡한 편이라 학생들이 어려움을 겪는다. 그래서 이를 좀 더 간편하게 실험할 수 있고 중고생들에게도 편리하고 간편한 접근이 가능하게하기 위하여 분광기 대신에 스마트폰분광기를 사용하는 것이 분광기와는 어떤 차이점이 있는지 또한 어떤 한계점이 있고 이점은 무엇인지, 결과적으로 스마트폰분광기가 기존의 분광기나 종이 분광기 대신으로 실험하기에 적합한지 알아본 연구이다. 기존의 분광기로는 관찰하기 힘들었던 미세한 스펙트럼까지도 스마트폰으로는 관찰이 가능하였고 무엇보다 학생들이 실험하기에 간편하였다. 따라서 중고생들도 쉽게 접근할 수 있다는 점에 있어서 실험의 의미가 충분히 있다고 할 수 있었다.
(Abstract) In this paper, we developed a smartphone spectrometer for education using 3D printer and characterized the performance by comparing with a conventional spectrometer and a paper craft spectrometer. Firstly, we measured the spectra of Mercury lamp, Argon lamp, Neon lamp by using a c...
(Abstract) In this paper, we developed a smartphone spectrometer for education using 3D printer and characterized the performance by comparing with a conventional spectrometer and a paper craft spectrometer. Firstly, we measured the spectra of Mercury lamp, Argon lamp, Neon lamp by using a conventional spectrometer, which is generally used for college laboratory class. The measurement of the diffraction angles provided the wavelengths of the strong spectral lines seen from each gas discharge lamp. Secondly, we made simple smart-phone spectroscope by folding the paper and inserting the reflection grating made of a compact disk The fabricated spectroscope showed strong spectral lines of the lamps although the linewidth of the spectrum is large compared to that of the conventional one. It can be ascribed to the lack of the optical design regarding the resolution of spectrometer. The photos of spectra were taken by a smart phone, LG G4, in a professional setting, and the phone was fixed by a tripod. We could increase the exposure time of a phone camera to amplify the low intensity of the spectrum. Thirdly, we fabricated the smartphone spectrometer using 3D printer and reflection grating, and a slit. The spectrometer was attached to a smart phone with a tripod. Since the optical design applied to the spectrum, the accurate image of a slit was formed on the image sensor leading to much better resolution than that of a paper craft spectrometer. The measured spectral resolution of the 3D-printed smartphone spectrometer was 0.4 nm. The increased exposure time of the phone camera also revealed the fine structure of the spectrum together with the fine resolution. The baffle structure inside the spectrometer proved to be effective to remove the noise when the exposure time increased. The 3D printed smartphone spectrometer can make students observe different types of spectrum, which is usually hard for them to observe. We expect that the 3D printed smartphone spectrometer proposed in this paper can be a useful education tool for students to understand the various features of light, atoms, chemistry, and physics in high schools.
(Abstract) In this paper, we developed a smartphone spectrometer for education using 3D printer and characterized the performance by comparing with a conventional spectrometer and a paper craft spectrometer. Firstly, we measured the spectra of Mercury lamp, Argon lamp, Neon lamp by using a conventional spectrometer, which is generally used for college laboratory class. The measurement of the diffraction angles provided the wavelengths of the strong spectral lines seen from each gas discharge lamp. Secondly, we made simple smart-phone spectroscope by folding the paper and inserting the reflection grating made of a compact disk The fabricated spectroscope showed strong spectral lines of the lamps although the linewidth of the spectrum is large compared to that of the conventional one. It can be ascribed to the lack of the optical design regarding the resolution of spectrometer. The photos of spectra were taken by a smart phone, LG G4, in a professional setting, and the phone was fixed by a tripod. We could increase the exposure time of a phone camera to amplify the low intensity of the spectrum. Thirdly, we fabricated the smartphone spectrometer using 3D printer and reflection grating, and a slit. The spectrometer was attached to a smart phone with a tripod. Since the optical design applied to the spectrum, the accurate image of a slit was formed on the image sensor leading to much better resolution than that of a paper craft spectrometer. The measured spectral resolution of the 3D-printed smartphone spectrometer was 0.4 nm. The increased exposure time of the phone camera also revealed the fine structure of the spectrum together with the fine resolution. The baffle structure inside the spectrometer proved to be effective to remove the noise when the exposure time increased. The 3D printed smartphone spectrometer can make students observe different types of spectrum, which is usually hard for them to observe. We expect that the 3D printed smartphone spectrometer proposed in this paper can be a useful education tool for students to understand the various features of light, atoms, chemistry, and physics in high schools.
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