Building a spectrometer with a 3D printer and a webcam. Almost all optics in a single experiment

Abstract

Exposing the student to the challenge of designing an instrument throughout an entire semester course is proposed. The spectrometer has the virtue of involving almost all the concepts that appear in an optics course. The flexibility of the design allows handling different alternatives: improving the resolution by changing the observed order at the expense of loss of intensity, changing the distance and width of the slit, the grating input angle, etc. Learning includes testing the reliability of the instrument and understanding the importance of calibration (a practice that is necessary to acquire in the use of any instrument). To give versatility to the design, the use of a 3D printer has been chosen for this development. A webcam was selected for the detection not only due to its low cost, but mainly because it forces the user to look for signal processing mechanisms in order to compensate for distortions such as aberrations, spectral filters, and low dynamic range.

Se propone exponer al alumno al desafío de diseñar un instrumento a lo largo de todo un curso semestral. El espectrómetro tiene la virtud de involucrar casi todos los conceptos que aparecen en un curso de óptica. La flexibilidad del diseño permite manejar distintas alternativas: mejorar la resolución cambiando el orden observado a expensas de pérdida de intensidad, cambiar la distancia y ancho de la ranura, el ángulo de incidencia en la red, etc. El aprendizaje incluye testear la confiabilidad del instrumento y entender la importancia de la calibración (práctica que es necesario adquirir en el uso de cualquier instrumento). Para este desarrollo se ha elegido el uso de una impresora 3D para darle versatilidad al diseño. La detección con una cámara web aporta por un lado el bajo costo pero además fuerza a buscar mecanismos de procesamiento de la señal de modo de compensar distorsiones propias de dicho dispositivo como aberraciones, filtros espectrales y bajo rango dinámico.