一、光谱仪理论概览
光谱仪是一种用来测量光线中光学成分的仪器。它能够用来帮助科学家分析物质材料中的基本成份，或者也可以用来分析来自于远距离恒星、行星发出的光谱。
光谱仪的基本概念在于通过捕捉一束狭缝当中的未知波长光束，由于光束中不同波长的光束通过特殊的镜头的偏折角度不同，因此可以通过测量不同位置对应的弯折角度，人们就可以确定分布在未知光束中的光谱成分。尽管未知的光束可能来自于几百万公里以外，科学家依然可以从分析得到的光谱中发现一些潜在的有价值的信息。
在光学研究早期，科学家们通过三棱镜将光束分割为不同的光谱组成成份，同时使用旋转目镜来测量不同光束偏折的角度。而现在，所有的三角棱镜都被替换为了能够提供同样功能的光栅元件，同时旋转目镜被替换成了连接到电脑上的电光接收器阵列。
二、基础材料准备
下面是相关材料的清单：
- 普通的纸板
- 黑色吸光材料纸或者布料
- DVD 碟片
- 双面刀片
- 网络摄像头
- 胶水
- 黑色电工胶带
三、准备盒子组成部分
1. 测量Camera摄像头尺寸(L*W*H)
- 测量摄像头的整体高度：\(H_{cam}=10mm\)
- 测量摄像头的整体宽度：\(W_{cam}=10mm\)
- 测量摄像头的整体厚度，从镜头开始计算：\(L_{cam}=10mm\)
2. 根据上述的参数计算盒子的基本尺寸
- 盒子的长度(基本确定的长度)：\(L_{box}=200mm～250mm\)
- 盒子的宽度(宽于摄像头\(2cm\))：\(W_{box}=W_{cam}+20mm=30mm\)
- 盒子的高度(高于摄像头\(1cm\))：\(H_{box}=H_{cam}+10mm=20mm\)
3. 制作注意事项
- 根据盒子具体尺寸使用小刀完成盒子的6个面的切割
- 保留一个WebCam的USB数据线出口槽
- 在盒子的正前方纸板的中间位置保留一个与WebCam镜头一样高的 \(2cm\times 1cm\) 的进光槽
- 在分割好的每一块纸板上粘贴准备好的黑色吸光材料，并按照纸板的边缘进行裁剪
- 在正前方的纸板上可以做上标记以方便区别
四、组装盒子
抓住底面和两个侧面，将它们并排放置。用胶带把这三块粘在一起。接下来，通过确保表面的方向保持不变，使用更多的胶带连接正面和背面。
顶面沿着一条边缘连接，这样我们就可以像铰链盖一样使用顶面打开外壳，以防以后需要进行任何调整。为了防止光线从顶部进入，再切一些纸板，使其稍微重叠。
通过其中一个插槽窥视外壳，确保没有光线进入盒子。额外的一层电工胶带或任何类型的不透明胶带都可以用来掩盖小间隙。
五、覆盖进光槽
要制作入口狭缝，请垂直地用胶带封住其中一个剃须刀片，以覆盖正面的一部分间隙。用一张纸将第二片剃须刀片贴在第一片旁边，在两片剃须刀片之间形成一个薄间隙。用胶带封住第二个刀片，并用电工胶带盖住任何间隙，以防止任何光线进入机柜。
六、制作光栅
这一步骤是项目中最关键的部分。衍射光栅负责根据波长分裂光束。一种选择是直接购买衍射光栅。这些产品通常在网上售价约为4至5美元。另一种选择是使用旧的DVD光盘作为衍射光栅。两者都提供了类似的结果。
首先用一把剪刀剪进圆盘。当你深入磁盘时，你会注意到磁盘由两层组成，这两层将开始分裂。将两层完全分开，并丢弃由银涂层组成的一半。
从后半部分切下四分之一，将边缘切成正方形，形成一个比镜片宽度稍大的小矩形。
接下来，用一些胶水把这个片粘在镜片上。确保使用临时胶水，以便在您想重复使用网络摄像头时可以移除衍射光栅。
注意： 光谱仪工作的一个关键步骤是，沿着圆盘的同心凹槽排列成垂直的，也就是说，它们需要与狭缝平行。如果它们不平行于狭缝，衍射就不会发生。
七、安装摄像头
将衍射光栅粘贴到网络摄像头上后，使用后插槽将电缆穿过机柜，并将网络摄像头朝机柜后部放置，与正面成30度角，并与前面的缝隙对齐。在将网络摄像头固定到位之前，请将网络摄像头连接到计算机并打开摄像头应用程序。将光谱仪指向光源，并调整网络摄像头的位置，直到衍射光谱位于图像的中心。
此时，您可以使用双面胶带将网络摄像头粘在底面上。
八、测试
为了测试光谱仪是否正常工作，将其指向光源，并调整光源和光谱仪的高度，直到两者对齐。你可以用一堆书或其他东西来调整垂直对齐，我决定用一些旧的3D打印机细丝卷。
将网络摄像头连接到计算机并打开摄像头应用程序。图像应该由一个清晰的衍射光谱组成。
您可以使用打印输出进一步装饰和标记光谱仪。
九、使用一款开源的光谱仪软件
仅仅有一张光谱图可能无法提供太多信息，所以我用Python设计了一个程序来绘制光的强度。这将提供“峰值”之间的相对距离，可以进一步用于确定光源中存在的波长。
要运行该程序，您需要在计算机上安装Python以及一些额外的开源库。可以使用以下链接 下载Python
可以通过终端使用pip下载和安装额外的库。库和终端命令如下所示：
Opencv - pip install opencv-contrib-python
Numpy - pip instal numpy
Matplotlib - pip install matplotlib
安装完所有库后，您可以从以下GitHub repo中克隆频谱分析仪程序：DIY-Spectrometer-Analyser
软件使用说明：
运行该程序，您应该会看到网络摄像头的提要。将网络摄像头指向一个光源，然后按下键盘上的“r”按钮来捕捉提要的感兴趣区域。在光谱上单击并拖动鼠标，然后按enter键。选择感兴趣的区域后，按下“s”按钮以捕捉帧并使用图形可视化分析强度。您可以使用“q”按钮退出程序。