任何人幾乎在任何時候、任何場地，都可以用夢幻光譜儀觀賞各種光源之光譜，帶來樂趣與知性。

多數人只看過彩虹，而沒有看過有具有亮線或暗線的光譜。加上，許多中小學師生在進行光譜教學或相關科展，幾乎都因為缺少解析度夠高且容易操作的光譜儀，使得相關教學與科展研究成效不彰。本計畫贊助者可以獲得造型時尚的夢幻光譜儀，可以輕鬆的在聚會場合，與親朋好友一起觀賞光譜，增進知性與人際關係。也適合在課堂上進行光譜教學與研究，或是進行環境污染監測、食品安全檢驗…等。目前開發原型已經用在大學、高中課堂教學中，以及高中生科展與碩士論文中。

☺專案緣起 #

我是傅學海，與羅卓延駿等人組成光譜儀團隊，耗時一年多，完成設計、製造出符合理念的夢幻光譜儀，輕巧、平價，兼具研究、教學、科玩三大功能。委託炬曜廣告公司進行網路集資，處理進貨、組裝、開列發票、寄送貨物等事務工作。

我們想為台灣的科學儀器設計與製造盡一份心力，提供具有時尚感、研究等級的平價光譜儀。夢幻光譜儀是一款平價時尚、高解析度的產品，打破一般人認為金屬冰冷、平價低解析度的刻板印象，譜線解析度達到研究等級，值得收藏。任何人幾乎在任何時候、任何場地，都可以用夢幻光譜儀觀賞各種光源之光譜，帶來樂趣與知性。

目前市面上，具備準直鏡的光譜儀動輒數萬元以上，讓光譜教學與檢測停留在機關、大學與工業領域中。我們秉持理念，在提升台灣設計/自造能力方面盡一份微薄的力量，開發物超所值的夢幻光譜儀，只需兩、三千元就可以擁有一個時尚、高檔的光譜儀，除了研究、教學與科玩以外，人人都可以用夢幻光譜儀進行周圍環境的空氣污染監測、一些油品檢測、某些飲料檢驗…。

夢幻光譜儀輕巧、高解析度，便於攜帶，非常適合觀賞各種光源的光譜。用肉眼能輕易看見日光燈光譜中汞氣體相隔2 nm之雙譜線，使用單眼相機與適合的鏡頭，也能輕易拍攝到燃燒食鹽光譜或太陽光譜中鈉元素相隔0.6 nm之雙譜線。以往在課堂上不容易現場呈現吸收譜線，我們也設計出人人可操作的方式，輕易看見鈉元素的吸收譜線。

將手機或平板、ipod、ipod-mini…平貼在夢幻光譜儀光柵端，也能輕鬆拍下各種光源之光譜。另外，此夢幻光譜儀可以輕易轉換成攝譜儀，拍攝高解析度光譜影像。

將夢幻光譜儀放在手機鏡頭前拍光譜

在餐廳用夢幻光譜儀看光譜

省電日光燈光譜（汞氣體相隔2 nm之雙線）

太陽光譜（鈉相隔0.6 nm之雙譜線）

我們認為夢幻光譜儀能達到下列三目標。

1. 提供一般人與中小學經費能夠負擔的研究級光譜儀

2. 推廣與光譜有關之科普活動，提升光譜相關研究與教學的質與量

3. 與國內廠商合作，將夢幻光譜儀推向全世界，改變光譜科普與教學現況

在過去半年中，已經在幾所學校、科普活動中，推廣最近一代（非最終產品）夢幻光譜儀；也在一些場合，讓一般人使用夢幻光譜儀觀察太陽光譜、省電燈泡等光譜，並當場配合手機拍攝光譜，效果不錯，對改良夢幻光譜儀與落實目標有實質上的助益。

團隊成員都是科學背景，不熟悉相關技術與製造業，花費許多時間尋找合適、價廉、高品質的材料，以及熟練製造技術與光譜實驗方式。研究團隊從2014年8月正式啟動，研發出第一具雛型，歷經一年多，每個組件與環節都經過7代以上的設計、測試與修正，甚至將精密車工、陽極處理完成的鋁合金元件廢棄，重新設計製造，才產生符合要求、精緻、物超所值、商業等級的夢幻光譜儀，可以在輕鬆的氛圍中觀賞各種光源之高解析度光譜。在研發過程中，並設計出全世界第一次簡單有效的觀察/拍攝鈉的吸收譜線與雙譜線。（依據網路搜尋結果，如有人搜尋到更早的結果，請告知，將立即更正。）

我們秉持工業設計的水準與商業設計的品味，打造成輕巧可攜的高解析度之光譜儀精品，造型簡約、清爽，用肉眼就可以輕易看見水銀發射之相隔2 nm的明亮黃色譜線。

用夢幻光譜儀加上燭焰與少許食鹽，就能呈現鈉所發射的雙譜線。

另外，我們也將夢幻光譜儀製作方法公開，設計環節也沒有申請專利。有興趣的玩家耐心閱讀本文，都能DIY夢幻光譜儀。本光譜儀的設計、製作與譜線校準，已完成兩篇論文，分別在2015年1月28日在清華大學舉辦之物理年會、8月21日在清華大學舉辦之物理教育聯合會議發表。

夢幻光譜儀第一代原型設計採用目鏡、光柵、刀片、硬紙板DIY製造。用刀片製作狹縫，貼在金屬墊圈；光柵筒套件用硬紙板、寶特瓶或鋁箔罐做材料。完成的目鏡光譜儀，效果良好。但是狹縫很難精準安置在目鏡焦平面上，加上硬紙板、寶特瓶或鋁箔罐這些材料，多少會輕微變形，使狹縫、目鏡、與相機透鏡三者間的光軸無法精準對齊，因此最新成品採用鋁合製作、黑色陽極處理與螺絲旋鈕裝配。

夢幻光譜儀可以直接接在望遠鏡上，觀賞太陽、月亮、木星等明亮天體光譜。

也可以拍攝各種恆星光譜，做為恆星光譜分類之用。

☺高規格材料 #

準直鏡 採用天文望遠鏡全金屬、光學玻璃、具備消光螺紋之PL 25 mm高眼目鏡，消色差效果是普級目鏡之最。出瞳端高眼設計，眼睛不用緊貼目鏡，只要稍微湊近即可舒適觀看光譜，也適合近視者戴著眼鏡觀看光譜。

狹縫 使用雙面刮鬍刀人工製作，狹縫寬度約為30-80微米間。黏貼在黑色陽極處理鋁合金螺旋墊圈上，再以高階相機鏡頭裝置觀察調整、安置在目鏡焦平面處，形成準直鏡。

鋁合金光柵端套件組 經CNC車床/洗床精密加工製成，黑色陽極處理，散發沉穩的黑色金屬光澤，引人注目、耐看。

光柵 採用美國Edmund光學公司生產的全像片光柵，刻紋密度為1000 lines/mm，光柵色散角度採用34度，整個光譜位於視野中央。

氖燈 採用壓克力與8字形接頭作底座，使用一般110V插座即可點亮氖燈，觀察或觀賞氖燈發射光譜。通常觀察發射光譜需要用到高壓氣體放電管，氖燈是日常生活中最容易見到的純發射光譜。一般日光燈或省電燈泡，除了發射光譜，還混合了塗抹在燈管內壁之磷光劑造成的連續光譜。

☺ 輕巧設計：便於收納與攜帶 #

長 15公分、直徑3.4公分、重100多公克。夢幻光譜儀收納在有專利的塑膠螺紋盒中，堅固、輕巧、方便攜帶。注意，任何時候與環境，都不要碰觸到光柵，盡可能保持光柵的清潔。

☺ 光譜儀實驗的提升 #

在光譜分析中，常用氖燈光譜做為參考光譜，進行光譜之譜線校準，獲得將譜線由測量單位（畫素、mm，視採用之單位而定）轉換成譜線的波長（nm）。用此波長轉換方程式，計算其他未知波長之譜線，或是其他光源之譜線波長。

依據我們的測試，氖燈的譜線校準呈現良好的線性關係，最細譜線之寬度約0.6 - 0.8 nm。使用我們自製的狹縫，寬度約為20微米，則最細譜線之寬度約0.2 nm。

目前手機攝影功能與鏡頭品質已經追上初級數位相機，足以承擔一般光譜攝影的需求，我們設計的計簡易、輕巧套件，可以將目鏡光譜儀安置在手機上拍攝光譜。

氖燈光譜之譜線校準

☺ 期許與展望 #

對科學有興趣的個人或家庭都適合擁有夢幻光譜儀，在家庭聚會、同學會、旅遊…時，可以觀賞身邊之太陽、日光燈、燈泡、路燈、電視螢幕等光譜，增添樂趣與知性、拉近人際關係。任何有心人都可以在家使用夢幻光譜儀進行研究等級的相關實驗，或在各種環境中進行光譜監測或檢測。在此理念下，夢幻光譜儀價格設定在2900元以內，譜線解析度至少須達1 nm，體積輕巧容易攜帶，也容易進行光譜觀測或光譜拍攝。

夢幻光譜儀是一個高解析度的光譜儀，除了觀賞各種光源之光譜，也很適合光譜教學。但更希望有心人用來進行家中的溶液檢驗，或居家附近的環境監測，成為一個監督生活與環境品質的利器。

我們已經開始著手研發光纖光譜儀，能將光源與光譜儀分隔一段距離，也很適合用在天文觀測上。天文觀測重心為觀測雙星之都卜勒效應，解析度達到60 km/sec的程度，已經可以進行學術級研究，預計在2016年完成。中期目標為1 km/sec以下的解析度。

將光譜儀與影像介面結合，提供影像與分析功能，成為數位影像光譜儀，更貼近人性介面，單需要結合光學、機電、資訊人才，這是長期目標。如果集資任務能順利完成，將擴充團隊，加快研發數位影像光譜儀的時程。

我們是夢幻光譜儀團隊，謝謝您的閱覽與關心，十分感謝您的支持與贊助。如果你具備光學、機械、機電、資訊方面的專長，也對光譜儀研發有興趣，歡迎與我們聯繫。

☺問與答 #

問：簡易光譜儀與光譜儀有什麼不同？

答：兩者最大差別在於準直鏡。簡易光譜儀沒有準直鏡，由光柵與狹縫構成，光柵材料可以是全像光柵片、CD、DVD…。光譜儀則是由狹縫、準直鏡、光柵三者構成。簡易光譜儀長度需要超過明視距離（約25公分），人眼才能清楚聚焦、舒適觀察光譜細節，否則只能看見光譜，譜線模糊，無法清晰分辨各譜線。具備準直鏡的光譜儀，長度一手可以掌握，準直鏡將光束平行入射光柵，人眼可以直接湊近目鏡光柵端，清楚觀察光源之光譜。

問：光譜儀與攝譜儀有什麼差別？

答：兩者對基本結構上相同，攝譜儀多了接環套件，可以接上相機或攝影器材拍攝光譜。當然，也可以不用攝影接環套件，直接將相機或手機鏡頭平貼在光譜儀光柵端進行拍攝，如果手穩定或採用相機腳架，也能拍攝到品質良好的光譜影像。

問：什麼是全像光柵片？

答：用一種雷射干涉技術得到的光柵。將雷射光束產生干涉現象，在干涉條紋處安置感光膠片，產生干涉條紋，將膠片顯影後形成光柵。這技術與全像攝影技術雷同，所以稱為全像光柵片。台灣已有大學相關系所（例如文化大學光電物理系）能夠製作、生產全像光柵片，但是還沒有商業化。

問：光柵每mm的條紋數（條紋密度）與光譜有何關聯？

答：光柵的條紋密度與光譜的解析度相關，條紋越密、光譜越寬，越能夠分辨光譜細節。基本上，每mm有500條紋之光柵可以符合一般光譜觀察與教學。夢幻光譜儀採用每mm有1000條紋之光柵，黃光區的譜線分辨率輕易可達1 nm以下。但是光譜越寬，平均亮度越暗，達到一定程度後，不適合人眼觀測，只能用攝影方式取得清晰的光譜。

問：準直鏡有什麼功能？

答：準直鏡的功能是將通過狹縫的光「形成平行光束」。狹縫必須位於準直鏡的焦距處，穿過狹縫的光，通過準直鏡後會形成平行光束，入射光柵。有了準直鏡，光譜儀的長度可以有效縮短，成為一手可以掌握的光譜儀。

問：狹縫的寬度有什麼影響？

答：狹縫越窄，光譜的譜線越細，譜線解析度越高，但是整個光譜比較暗，不利於人眼觀察。依據經驗法則，具有準直鏡的光譜儀，狹縫寬度為50微米左右，適合人眼觀測與攝影。狹縫比50微米細，例如10微米，不適合人眼觀測（除非光源非常強），但是用長時間曝光攝影技巧，可以拍攝到譜線清晰的光譜。

問：相機鏡頭的光學品質對光譜拍攝有影響嗎？

答：有很大影響，鏡頭的光學品質越好，拍攝的光譜影像也越好。原則上，光學玻璃鏡頭的品質優於樹脂玻璃鏡頭，定焦（固定焦距）鏡頭的品質優於變焦鏡頭，世界著名廠牌鏡頭優於副廠牌鏡頭。

問：相機鏡頭的焦距對光譜拍攝有影響嗎？

答：對於同一光柵，光譜色散的程度（色散角度）是固定的，就像一束光線隨著距離而擴大，擴大程度與焦距成正比；也就是說，焦距增長為兩倍，光譜寬度也隨著擴為兩倍。所以相機鏡頭的焦距越長，光譜擴散越寬、越暗，譜線間的距離越寬，越容易分辨相鄰的譜線，但是需要比較長的曝光時間。

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