大綱(Outlines)

  1  中英文簡介
 2  實驗原理

 3  演示項目  

  4  相關影片連結

 5  歷年演示影片

 6  家中小實驗

 7  新鮮人創意實驗

  8  問題與討論

 9  相關英文字彙
10  參考資料

11  其他

1.中英文簡介(Introduction)

　　在生活中，光譜或許是不怎麼常見，但是大家肯定都有看過光譜，那

就是在光碟片上會看到彩虹，那就是光譜。一個隨手可得的光碟片就可以

看到如此美麗的光譜圖案。一個美麗的物理現象，其背後都會有重要的理

論支撐著，那就趕快加入光碟片的光譜學，一探究竟光譜的奧妙吧~!!

     Maybe the spectrum is not very common in our life, but everyone

certainly has spectrum of seeing that will see the rainbow on the optical

disc. A optical disc which take easily is looked the spectrum pattern so

beautiful. A beautiful physical phenomenon will have important reasons

supporting. Join spectroscopy of disc quickly and we probe into secret

of the spectrum !!
　

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2.實驗原理(Physics Principles)

2-1.單、雙狹縫:

    就如我們高三物理所學，本實驗的基礎是狹縫繞射:當光通過狹縫時

，會因為互相影響而導致不同波長的光達到不同的地方。其中雙狹縫波

程差:mλ=dsinθ

2-2多狹縫、光柵:
　

(1)多狹縫:

是由許多個狹縫所組成，擁有雙狹縫與單狹縫的性質(其實考慮雙狹縫時

，也有單狹縫的效應，只是在高中我們不討論)

                  圖一                           圖二

　

而多狹縫其實就是我們所稱的光柵，其最重要的原理就是他的分光原理。
　

(2)光柵:

光柵為一光學元件。是由無數個狹縫所組成，狹縫間距極小。

(3)分光原理:

每個狹縫所形成的繞射條紋會重疊而互相干涉，主要的干涉亮紋會非

常狹窄而明亮，而其他的干涉亮紋會相對較暗或甚至看不見。

(4)形成光譜:
若波長為λ的光波(例如可見光中波長較長的紅光)要在P點形成一亮點，

必須在該點形成建設性干涉。

從上圖可知，從相鄰兩狹縫出發光源的光程差是波長的整數倍mλ=dsinθ
其中，m=0,1,2,3…，這代表一階、二階散射，在使用此方程式時，我們

會先探討sinθ的變化再討論m的變化，因為m的變化相對於sinθ比較起來

就大，在相同m的情況下，θ值會不同，故能看出各色光。同時，sinθ也

代表入射光的波長變化，所以在θ增加時是先波長增加，增加到入射光的

最大波長時，才產生一階二階的變化。

(5).光碟片能看見光譜的原因：

因為他的構造很像光柵，光碟片內部有許多等距、平行的鋸齒狀凹槽，

這些凹槽的功能與反射光柵的狹縫相同，能形成光譜。 一般我們高中

所學到的是透射光柵，而反射光柵原理也相同，只是形成的光譜在光柵

的光源測。 

    透射光柵              反射光柵

2-3光譜學
    當我們在分析光的組成與性質時，除了與光源有關之外，也會用到

光譜學的觀念，主要分成兩種:

(1)連續光譜:

如同太陽一般，在我們生活中常見的連續光譜為白熾燈，因為他的光源

是熱輻射，由黑體輻射得知，光波波長與溫度的四次方成正比，因為

溫度為連續的，所以波長連續，導致能階也是連續，因此，光譜也就連續。
　

(2)不連續光譜:

這種光源的發光原理是藉由原子中，電子的能階躍遷來發光，由電磁學理

論，電子在被加速時(也就是在能階躍遷時)會發出電磁波(也就是光波)，

所以，當原子內的電子受到能量躍遷時，就會發出光波，而此光波的能量

就是電子躍遷的能階差。因此當原子能階差是固定的時候，其所發出來的

光波能量也是固定的，導致光波波長也是固定，所以光譜為不連續。

　

           連續光譜                         不連續光譜
　

2-4.光源與光譜的分析:

當我們使用光碟片當光柵去觀察不同的光源入射時，可以得到以下結果:
將不同的光源、光碟片來作光譜的比較：
我們的光源有:
　

       自製攜帶式日光燈                    白熾燈手電筒

(1)比較CD與DVD光譜：

在同樣的光源入射情況下，CD與DVD因為凹槽的間距不同(容量)，導致光柵

的狹縫間距d不同(這點在後面詳細說明)，再由公式mλ=dsinθ 可知，d和

sinθ成反比，所以我們可以知道因為CD的凹槽間距較大，所以d較大，導致

sinθ較小，而sinθ小(θ小)的意思就是光譜間的距離比較密。DVD，反之亦然。

(2)比較白熾燈泡與汞燈光譜：

白織燈泡是以熱輻射發光，所以是連續的光譜。而汞燈是以原子能階轉換所

產生的能量轉移，因為能階是不連續的，所以光譜也不連續。

         氬                     氦     

          氫                    氖

2-5.光碟片的構造：

基本的光碟片就造由下而上為:
　

圓基片：光碟的基底，通常成分為聚碳酸酯，並且為透明。

紀錄層：有許多等距、平行的鋸齒狀凹槽，用來儲存資料。

反射層：將雷射光反射回去讀寫頭，以讀取資料。

保護層：保護最重要的兩層（紀錄層、反射層）

印刷層：用來標示光碟儲存的資料，亦用於美化之。

2-6.光碟片大家庭

CD-ROM / DVD-ROM：

CD-ROM / DVD-ROM光碟片的主要構成元件。如 上圖所示，一片CD-ROM 光碟

片由上至下有：可供印刷文字圖片或書寫等的漆面層，接著是一層透明的

聚碳酸脂樹脂，裡頭包覆一片薄薄的鋁金屬片。這片鋁金屬片經過模具

壓製，上頭充滿了許多凹槽。

CD-R / DVD-R：

CD-R / DVD-R多了一層染料層，這層染料整個覆蓋在反射層上。染料材質

的差異形成不同的顏色，如 金片、藍片、綠片…等種類。

CD-RW / DVD-RW：

CD-RW / DVD-RW碟片的記錄材質比起CD-R / DVD-R 複雜得多，從附圖中

您可以看出來，它的折射層下方多了三層物質用以記錄資料，分別是

上介電材料層、記錄層、和下介電材料層。其中記錄層是由

銀(Ag)、銦(In)、銻(Sb)、和碲(Te) 四種合金構成。

Blu-ray Disc：
目前CD/DVD所採用的雷射波長(780/650nm)為紅色可見光.故稱為紅光雷射

，而Blu-ray/HD-DVD則都將改以波長(405nm)更短,頻率更高的藍光雷射。

Blu-ray Disc 並更改光碟表面的記錄層位置，使得記錄點距表面更短，

避免雷射的偏離，能準確地對準讀取點，並可提高紀錄量。也支援更高的

解析度。

2-7.光碟片的演進
　

CD→DVD→BD→奈米光碟

科技愈來愈進步，圖案、程式、遊戲等容量相繼愈大，CD平均容量為650MB

、DVD(單層)平均容量為4.7GB(單層)、BD平均容量為25GB(單層)、奈米光碟

平均容量為150GB。

BD優點：

1.儲存容量更大→更高解析度與音質的影片

2.更堅固耐用→Blu-ray Disc使用許多的hard-coat技術，提供對指紋、

污點、刮痕及灰塵的防護。

以下為DVD和CD之比較

2-8.光柵的應用-LCD和LED螢幕

偏光性：
光是電磁波，由電磁場組成，電磁場在傳遞時可以有各種方向的振幅。光通過有偏光性的物質時，
只有和電場振幅方向相同的電場才能通過，如果夾角不是90度，則會產生和偏振片相同方向的分
量（較小），夾角90度時，全部的光都會被濾掉。無夾角時全部的光都會通過。

示意圖

LED和LCD螢幕的顯色原理

LCD（液晶）：
液晶是一種長鏈狀的有機分子，有偏光性，會受到電場和磁場的影響而改變方向。液晶本身不會
發光，只是改變通過光之強度，因此所有的LCD螢幕都是使用背光源的方式。最早的液晶螢幕是
利用兩片方向垂直的偏光板，中間覆蓋上液晶。利用電場改變液晶方向來控制通過之光強度。

而現在的技術（TFT）讓每個像素都有一個電晶體控制，大幅減少畫面殘留的問題。

而如果把螢幕放大，會看到上面有由RGB三色組成的像素，RGB三色各自控制灰階變化。以一片
680*480解析度螢幕來說其擁有640個橫向獨立像素與480個縱向獨立像素；這片面板上，總共
有640×480=307,200個畫素，這也是為什麼常在640×480解析度規格的面板或是相機等商品上，
標明30萬畫素的原因。

像素　



LED螢幕:
LED的優勢是無汞蒸氣和比較省電且壽命長，但亮度較暗

LED家用螢幕:
LED家用螢幕和LCD的差別就是背光源從CCFL（冷極陰管）到LED。Led可分為WLED（White Light
Emitting Diode），也就是白光二極體；其次為R/G/B LED（R/G/B Emitting Diode），也就
是三色獨立發光二極體。R/G/B LED相較WLED，最大的優勢在於亮度與對比上更勝一籌。

LED廣告看板:
和家用LED不同的是廣告看板直接由RGB三原色LED構成模組，再由電路控制。而像素由LED的密度
決定。優點是防水防塵但畫素較低。




藍光傷眼?

我們一般人認為3C產品傷眼是因為它發出的藍光傷眼。但臺北市立聯合醫院眼科陳少鈞醫師表示，
其實藍光並不會影響眼睛，太暗反而會加深近視，最重要的還是要讓眼睛適度休息。
他表示一般人說藍光會造成黃斑部病變其實是錯誤的，空氣中的紫外線才是造成老年型黃斑部病變
最大的主因。再者，大多數視力下降的原因不在於藍光，而是由於螢幕閃爍的頻率會影響眼睛。長
期盯著電腦螢幕或是手機的人，當眨眼的次數不夠多，無法讓淚液平均分泌在眼球表面時，就會使
眼睛產生問題。

而新光醫院眼科主治醫師林友祺也表示市面上的濾藍光眼鏡或貼膜的分為染色型和鍍膜型，前者濾
藍光效果約35%~60%，但會造成極大的色差，且會使視線變暗，眼睛反而會更吃力；而鍍膜型濾藍光
效果只有20%，效果有限。因此最有效的方式是在使用3C產品30~60分鐘後稍微讓眼睛休息10~15分鐘。

2-9.光譜之應用-光譜儀和色度計?

光譜儀:
光譜儀利用色散，在色散過的光後方排列一整排的感光元件，數量依解析度及精度而不同，從數十
個到數百個，然後量出色光在可見光範圍的光譜分佈，一般是傳送到電腦顯示量測結果並計算色度
座標。因為光譜儀量出來是色光的原始光譜，再經由軟體套上CIE 1931 XYZ配色函數算出色度座標
，所以它對於不同色光或光源並沒有適應性的問題，可以在各種色光下都量得正確的結果。但因為
它的的感測器通常較小，且能量是分散到非常多個光感測器上因此訊號較弱，所以量測速度極慢、
光亮不夠時量測能力較差，

色度計:
就是在3個或4個(藍色較弱會用2個)單色感光元件前面加符合CIE 1931配色函數3種濾光片，然後再
經過電路或是軟體計算出色度座標而成。色度計跟光譜儀比較起來的優點就是量測工作範圍大、低
光區量測較準確、量測速度快、量測重覆性高。
 

3.演示項目(Demonstration of Experiments)

請勿在家做危險的實驗

(Please do not do the dangerous experiments in your home)

3-1. 經典演示項目

傳統的光譜儀(使用面紙盒)   

     CD 光譜儀          DVD光譜儀

        藍光光碟光譜儀

3-2. 歷年創新演示項目

2013年演示創新　

1.蛋糕型的光譜儀
　

     


             CD光碟入射示意圖

           DVD光碟入射示意圖

Order(階)：

光柵方程：sinα+sinβ=mλ/d

（α：入射角，β：繞射角，m：階數，λ：波長，d：光柵間距。）

當我們入射角(α)固定，波長(λ) 跟光柵間距(d)不變，我們發現階數(m)

越大他的繞射角(β)就要越大。
　

           一階                          二階

打入入射光,然後觀察光譜

2.透鏡式光譜儀


　

因為一般光源氏類似球面波發出，並非我們課本上所學到的平行光，所以如果將

發散的球面波加上一個會聚透鏡，就可以達到近似於平行光的效果，因此我們所

看到的光譜就會比較完美。更進一步的，如果我們在光譜射出光碟片後，加上一

個會聚透鏡，同樣就可以讓出來的光線更加集中，再傳到肉眼裡的光線就會更加

清晰。

            透鏡光譜儀入射示意圖

             看到的光譜

2014年演示創新　

1.三原色LED混色燈組
紅，綠和藍三色為眼睛內錐狀細胞最能接收到的波長，將三種色光以不同比例混合，可以得到和
特定色光(特定頻率)相同的顏色。露天的LED看板就是由三原色LED混合，稱為1個像素(pixel)

光的三原色


LED燈組


由LED燈組混合之色光
     紅           紫           橘           綠          藍


用本組自製光譜儀之觀察結果
     紅           紫           橘           綠          藍


可以看到三原色部分都只有單色，而非三原色(橘和紫)都是兩種色光混合


LED發光原理

LED是由PN型半導體組成，當給予LED通上順向偏壓(forward bias)時，N型半導體的電子與P型半導
體電洞(hole)於兩者間的空乏區(depletion region)結合後，達到穩態而以光的形式釋放出能量。
而不同PN型半導體材料會使LED放出不同波長之光。

 

2.頭髮與筆芯的單狹縫干涉和雙狹縫繞射
根據巴比涅原理，兩個互補的光柵得到的圖樣會相同，因此我們可以簡單的用筆芯和頭髮做出單雙
狹縫繞射
我們為了在大太陽下方便觀察，因此將單雙狹縫片裝在水管上，透過水管頭來觀察

成品


單狹縫(頭髮)                          雙狹縫(筆芯)


單狹縫圖形                          雙狹縫圖形


至於如何在家計算它們的寬度呢?
雙狹縫：
利用光波長=狹縫間距*干涉條紋寬/狹縫和屏幕之間的距離，紅色雷射筆的波長通常為640nm，利
用此公式可求得間距
單狹縫：
利用光波長=狹縫寬*繞射條紋寬(非中央亮帶)/狹縫和屏幕之間的距離，紅色雷射筆的波長通常
為640nm，利用此公式可求得間距

 3.色度計

Color Sensor上有RGB 濾色器各種濾色器只允許其對應顏色通過，而由於光有能量，會刺激到Color
Sensor的振盪器(Oscillator)使之震盪出一固定頻率之方波，其方波的頻率與光強度成正比。
Color Sensor會再把資料傳給Arduino，而Arduino會用電腦編寫之程式處理資料並將資料轉為像素
(pixel)。
而Color Sensor上的四顆白色LED是讓RGB濾色器「認識」什麼是白光。






Arduino介紹


Arduino是源自於義大利的一個開放原始程式(Open Source)的硬體專案平台，胎平台包跨一塊具備
I/O功能的電路板以及一套程式開發軟體，開發者可以用來開發互動產品，並控制電燈、電機和其他
各式各樣的周邊設備。Arduino也可以開發出與PC相連的周邊裝置，能與執行在PC上的軟體進行通信
與溝通。
因為Arduino事宜快開放原始程式的I/O介面板，並且具有使用類似Java或C語言的開發環境，所以
Arduino語言可以與Flash或Processing……等軟體，做出互動與資料傳遞。
 

4.相關影片連結(Video Link)

光碟片的製作過程

光柵

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5.歷年演示影片(Annual Demonstration Movies)

2014中山物理演示實驗-光碟片的光譜學

2014NSYSU PHYS-the spectroscopy of discs

2013中山物理演示實驗-光碟片的光譜學

2013NSYSU PHYS-the spectroscopy of discs

2012中山物理演示實驗-光碟片的光譜學
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=7DhEJ3zmUfU

　

2012NSYSU PHYS-the spectroscopy of discs
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=fatIf2k8nYI


2011中山物理演示實驗-光碟片的光譜學
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=lmx3oUYYO4c

2011NSYSU PHYS-the spectroscopy of discs
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=xLmgJu2JQ0I

2010中山物理演示實驗-光碟片的光譜學
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=mvqlBGsocV8

2009中山物理演示實驗-光碟片的光譜學
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=Z75PShlgmYU

　

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6.家中小實驗(DIY Experiments)
　

製作面紙盒光譜

1.首先，將面紙盒用黑色紙完全包覆封閉。

2.再將面紙盒下面挖出一個洞，使光碟片插入。注意:此步驟絕對不可以使光線進入盒子中。

3.將面紙盒上面挖一個小狹縫使光源打入。

4.最後，在面紙盒前面的盒面上再挖出一個觀察孔即完成。

5.在檢查是否有光譜產生時，藉由調整光碟片的角度來找尋光譜的正確位置。

6. 找到正確位置後，用膠帶固定光碟片以免跑掉。

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=BxWG_KIkbDA

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7.新鮮人創意實驗(Freshman's Innovation)

中山大學108級 王品峻同學提供 

中山大學107級 林雨璇同學提供 

8.問題與討論(Questions and discussions)

Q1:汞光光譜與一般白熾燈泡光譜有何差別?

Q2:蛋糕型暗箱與傳統暗箱有何差異?

Q3:藍光光碟片為何有此名稱?

Q4:藍光光碟片可用紅光讀取嗎?原因是?

Q5:CD-RW之複寫原理?

Q6:光碟片凹槽作用是?

Q7:為什麼光碟片上可以看到彩虹?

Q8:光碟片要如何放置在桌面上(何面朝上)?

Q9:DVD光譜與CD光譜有何差別?

Q10:小型光碟片與正常規格光碟片有何差別?

Q11:奈米光碟的特性是?

Q12:透鏡光譜的原理是?

Q13:透鏡光譜的優點是甚麼?

Q14:何為干涉?何為繞射?

Q15:干涉繞射與散射有何不同?
　

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9.相關英文字彙(English Vocabulary)

1.Amplitude 振幅
2.Announce 宣佈
3.Blu-ray disc 藍光光碟
4.Capacity 容量
5.CD = compact disc 光盤
6.Diameter 直徑
7.Diffraction 繞射
8.DVD = Digital Video Disc/Disk 數位視訊影碟
　　     = Digital Versatile Disc/Disk 多功能數位碟片
9.Frequency 頻率
10.Groove 凹槽
11.Incandescent lamp 白熾燈
12.Laser 雷射
13.Mercury lamp 汞燈
14.Optical grating 光柵
15.Optical disc 光碟片
16.Phase 相位
17.ROM = Read-Only Memory 唯讀記憶體
18.Spectroscopy 光譜學
19.Structure 結構
20.Wavelength 波長

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10.參考資料(References)

10-1.相關普物課本的章節(以Holliday為準)
　

第35章　干　涉
第36章　繞　射

10-2.歷年看板- 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006

10-3.歷年人氣選票- 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006

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11.其他(Others)

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