Autor Thema: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung  (Gelesen 24321 mal)

Johannes Kropiunig

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DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« am: Oktober 29, 2013, 21:31:20 Nachmittag »
Hallo,

in unserem Cafe-Bereich haben sicher einige von euch die Entwicklungsgeschichte meines simplen und mit wenig Kosten verbundenen Spektrometers verfolgt. Da dieser Bereich aber unseren Besuchern nicht offen steht, möchte ich hier einen kleinen Überblick von dem bisherigen Stand meiner Arbeit  geben, und vielleicht andere damit ermutigen es mir gleich zu tun.
Auch wenn dieser Spektrometer vielleicht keine strengen wissenschaftlichen Kriterien erfüllt, kann er doch nützlich sein.
Zuerst einmal zeige ich euch das Innenleben meiner Konstruktion, die für eine Canon 1000d mit dem Kit-Objektiv, welches bei 55mm Brennweite verwendet wird, ausgelegt ist und aus 8mm Buchensperrholz gefertigt wurde.

Links, auf dem ersten Brett, ist ein Spalt aus 2 Rasierklingen, die in einen Abstand zueinander  von 1/10mm mit einem Alleskleber aufgeklebt wurden. Durch diesen Spalt fällt das Licht der zu beobachteten Lichtquelle auf ein Gitter mit 1000Linien/mm, wo es in sein Spektrum zerlegt  und zur Kamera gelenkt wird. Damit es zu keinen Spiegelungen kommt, wurde das Innenleben mit schwarzer Plakatfarbe angemalt, welche ein wunderbar mattes Schwarz ergibt.

Hier mit Kamera

Diese ist so positioniert, dass ein ungehindertes fokussieren möglich ist, ohne das es zu Kollisionen mit dem Objektiv kommt.
 
Und mit geschlossenen Deckel

Die drei Schrauben mit Flügelmuttern dienen zur Aufnahme einer Halterung für einen Lichtleiter, oder eines Mattglases und in der Leiste seitlich ist ein Mutter eingepresst, wodurch der Spektrometer auf ein Fotostativ montiert werden kann.

So sieht das Spektrum einer Halogenlampe


und das einer Energiesparlampe damit aus, wenn es von einen Blatt Papier reflektiert wurde.

Beide Bilder sind für das Forum nur verkleinert worden, sonst nichts.

Da ich leider keine kostenlose Software fand, mit der sich meine Bilder auch ausgewertet lassen, musste auch da gebastelt,  und erst ein Programm geschrieben werden. Keine leichte Aufgabe für jemanden der A nicht besonders  programmieren kann, B nicht viel Ahnung von Spektrometer-Software hat. Bis jetzt beherrscht sie zwar nur die Grundfunktion um Spektren zu vermessen, aber  das wird sich hoffentlich noch ändern. Am Beispiel des Bildes von der Sparlampe sieht das dann so aus.


Jetzt zu der Anwendung in der Mikroskopie, schließlich ist dies ein Mikroskopie-Forum und dazu möchte ich 2 einfache Beispiele nennen. Erstens das vermessen von Filtern, wie etwa meine, welche ich gebraucht gekauft hatte und aus dem Fotobereich stammen, oder um vorhandene wieder richtig einordnen zu können, falls sie durcheinander geraten sind. Das zweite Beispiel hat direkt mit dem Mikroskop zu tun und möchte ich wieder anhand eines Fotos demonstrieren.
 P680 Fluoreszenz von Chlorophyll
 
Für diese Aufnahme wurde der Spektrometer direkt über dem Mikroskop angebracht und zeigt das Spektrum eines Blattes, welches mit einem 405nm 409nm Laser beleuchtet wurde.

Im Moment arbeite ich noch an einem Projekt, welches die Darstellung in jedem gewünschten Nanometerbereich eines mikroskopierten Objekts erlaubt, doch dies möchte ich in einen separaten Thread  näher erläutern.


Fast am Ende noch ein paar Links wo ihr die nötigen Grundlagen und Materialen für euren eigenen Spektrometer her bekommt.
Austromedia-Verlag, die Gitterfolie
http://astromedia.eu/Material-fuer-Selbermacher/OPTI-Media-Filterfolien:::10_14.html
Meine bescheidene Seite, dort könnt ihr unter Downloads das Programm downloaden
http://www.mikroskopie-konserve.at/
Lehrer-Online, die Seite die mir als Inspiration für mein Projekt gedient hat und viele weitere Informationen bietet, welche den Rahmen dieses Beitrags sprengen würde.
http://www.lehrer-online.de/eigenbau-spektrometer-mit-digicam.php?sid=84457079382136722238307610761610

 
Ganz zum Schluss, mir aber am wichtigsten, möchte ich mich noch bei Stefan_O bedanken, der mir auf jede noch so dumme Fragen immer eine Antwort gegeben hat, und mir eine unglaubliche Hilfe war.
Diese Geduld gehört erwähnt, herzlichen Dank !

Viele Grüße,
Johannes
Biologische Mikroskop: Zeiss Standard 16
Stereomikroskop: Lomo MBS 10
Kameras:  EOS 1100D, EOS 1000D, EOS 1000Da, und EOS 350Da Peltier gekühlt

Sag es mir - und ich werde es vergessen. Zeige es mir - und ich werde mich daran erinnern. Beteilige mich - und ich werde es verstehen.
Laotse

Johannes Kropiunig

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #1 am: Oktober 30, 2013, 05:38:34 Vormittag »
Hallo,

zum Frühstuck wurde die Auflösung noch deutlich unter 1nm gedrückt und langsam zahlen sich die Nachkommastellen im Programm aus.  ;D

Osram ST111


Detail


Wer möchte kann meine Ergebnisse mit denen eines professionellen Gerätes vergleichen.
http://www.ursusmajor.ch/downloads/kalibration-mit-glimmstartern-v1.1.pdf

Viele Grüße,
Johannes



 
« Letzte Änderung: Oktober 30, 2013, 06:01:09 Vormittag von Kropiunig Johannes »
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Johannes Kropiunig

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #2 am: Mai 04, 2014, 18:15:41 Nachmittag »
Hallo,

für alle die nicht so gut im Umgang mit Sperrholz sind, habe ich eine Version aus dicken schwarzen Papier entwickelt. Es sind bald Ferien, vielleicht ein Bastelprojekt mit den Kindern oder Enkeln an einen verregneten Tag?


Materialliste:

Canon Objektiv  EF-S 18-55mm, bei anderen Objektiven, oder gar anderen Kameras müssten die Masse angepasst und durch ausprobieren ermittelt werden, dazu muss auf die Entfernung von Eintrittspupille zu Spalt dieser scharf abgebildet werden können.
Gitterfolie 1000 Linien/mm : http://astromedia.eu/Material-fuer-Selbermacher/OPTI-Media-Filterfolien/Das-Durchlicht-Beugungsgitter::236.html?XTCsid=c4tng201q90l0kqf5oee78fuj1
schwarzes Papier DIN A1, 0,35mm dick
2 Rasierklingen
Alleskleber
Geodreieck
Bleistift
Stanleymesser
Schere
Gummihandschuhe, niemals das Gitter ohne angreifen !! Man sieht sofort jeden Fingerabdruck.

Die Einzelteile:

Korpus Teil1


Korpus Teil2:


Deckel vorne mit Ausschnitt für den späteren Spalt:


Blende:


Halterung für die Gitterfolie


3 Standfüße:


Die Biegekanten müssen leicht mit den Stanleymesser eingeritzt werden !!

Der Zusammenbau:

Korpus Teil1, Teil 2, Blende und Gitterhalter

Die Blende kommt ca. mittig in den Korpus Teil 2 eingeklebt, sodass der Schlitz senkrecht ausgerichtet ist. Die Gitterhalterung wird nochmals um 10° gedreht und 1cm tief ebenfalls in den Korpus Teil 2 geklebt, vor dem Zusammenbau anzeichnen!!

Die Gitterfolie aufkleben:

Dabei ist auf die Ausrichtung des Gitters zu achten, gegen das Licht gehalten muss schon ein waagrecht orientiertes Spektrum zu sehen sein, dies vor dem Aufkleben überprüfen.

Der Spalt:

Zuerst eine Rasierklinge mittig aufkleben, und erst nach Trocknung folgt die 2te in 0.2mm Entfernung, ansonsten verrutscht die Erste leicht und man hat Schwierigkeiten bei der parallelen Ausrichtung. Stemi !!

Fast fertig:

Die Korpuse werden so zusammengeklebt, das die Klebelaschen des jeweils anderen in den anderen greifen, dazu müssen sie aber vorher noch leicht an den Ecken beschnitten werden. Der Spalt kommt senkrecht aufgeklebt.

Geschafft, nur noch die Füße:

Werden so gefaltet und an die Unterseite geklebt:


Die Füße überbrücken die Distanz von Kameraunterseite und Objektiv, weshalb eines davon auch unterhalb der dicksten Stelle der späteren Position des Objektives geklebt sein muss, ansonsten kippt die Kamera nach vorne und das Spektrum wird nicht korrekt abgebildet. 

Der Einsatz:

Hier bei der Kalibrierung mit einer Kaltlichtkathodenlampe:

Die Füße würden wohl etwas zu steil gefaltet aufgeklebt, und ich musste 2 Papierstreifen unter die Kamera beilegen um das Spektrum mittig ins Bild zu bekommen.

Das Bild:


Kalibriert und ausgewertet mit meiner Software sieht es dann so aus:


Nimmt man nun eine Halogenlame, kann man zum Beispiel recht einfach einen Rotfilter aus der Fotografie, der nur vor dem Spalt gehalten wird, vermessen:

   
Mithilfe von Spekwin und den csv.Dateien meines Programms, geht auch ein direkter Vergleich:


Ich wünsche frohes Basteln.  :D

Viele Grüße,
Johannes

   
Biologische Mikroskop: Zeiss Standard 16
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Ingo Wakop

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #3 am: Mai 06, 2014, 16:26:36 Nachmittag »
Hallo Johannes,

tolles Projekt, habe ich damals schon im Cafe verfolgt.
Danke für die kompakte Zusammenfassung.

Was ich mich gerade frage, wie hast du die Intensitätsverteilung kalibriert?
Die spektrale Empfindlichkeit eines Kamerasensors ist ja nicht linear sondern an das menschliche Auge angepasst (RGGB - Bayer Maske) und wer weiß was die Kamerasoftware noch dazu dichtet.
Für die messtechnische Auswertung von z.b. Filtern müsste doch die Intensität zumindest über den sichtbaren Bereich linear sein.

Viele Grüße
Ingo
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Johannes Kropiunig

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #4 am: Mai 06, 2014, 18:24:27 Nachmittag »
Hallo Ingo,

da sprichst du einen der Schwachpunkte dieses Spektrometers an. Ein wenig wird es zwar besser wenn man den Bildstil bei der EOS von Standard auf Neutral stellt, aber das gelbe vom Ei ist es auch dann nicht. Eine Lösung könnte eventuell der Picture Style Editor bieten, um ein speziell angepassten Bildstil zu basteln, eines Tages vielleicht.... Wer es gleich besser will, müsste eine monochrome CCD-Kamera verwenden, die hätte dann auch den Vorteil, einen breiteren Bereich des Spektrums erfassen zu können, vor allem wenn der IR-Filter entfernt wird.

Für den Laboreinsatz ist es auch nicht wirklich gedacht.  ;)

Viele Grüße,
Johannes   
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Ingo Wakop

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #5 am: Mai 06, 2014, 21:54:36 Nachmittag »
Hallo Johannes,
hmm, hmm, also eine monochrome Kamera nützt da auch nicht viel, die hat auch keinen linearen Verlauf, allerdings besteht ne Chance für so einen Chip ein Datenblatt mit Kennlinie zu bekommen.

Aber wozu teure Hardware kaufen wenn man doch Software hat (damit liegt man ja mittleiweile voll im Trend). Wie wäre es in deine Software eine Kalibrierfunktion einzubauen und dann das Spektrometer mit einer Strahlungsquelle mit bekanntem kontinuierlichem Spektrum abzugleichen (Glühlampe, Halogenlampe, Sonne) und die Kamerakennlinie glattzubügeln?

Sicherlich wird man dann immer noch nicht an ein Laborspektrometer rankommen, aber ich glaube wenn man ne Kamera und ein paar Holzreste schon hat, dürfte das teuerste an deinem die Versandkosten für die Gitterfolie sein. Ich denke dann könnte man sogar schon brauchbare Filterkennlinien damit aufnehmen.

Viele Grüße
Ingo
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Ingo Wakop

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #6 am: Mai 06, 2014, 22:15:52 Nachmittag »
Ich seh grad, wenn du es schaffst deine csv Daten nach fak zu wandeln, kann das Spekwin schon.

http://www.effemm2.de/spekwin/spekwin_man_spek.html#korr
« Letzte Änderung: Mai 06, 2014, 22:17:53 Nachmittag von Ingo Wakop »
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Stefan_O

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #7 am: Mai 07, 2014, 08:16:02 Vormittag »
Hallo Zusammen,

Spekwin braucht es da nicht zu. Das "einfachste" wäre es, eine neue Halogenlampe mit bekannter Temperatur zu nehmen (je höher desto besser), das gemessene Spektrum mit dem Schwarzkörper-Spektrum gleicher Temperatur zu fitten und dann alle Intensitätswerte mit dem Differenzspektrum (edit: nicht Differenz, sondern Verhältnis) zu korrigieren, analog zur Wellenlängenkalibrierung. Ist zwar nicht ganz perfekt, die kamerabedingte grauenhafte Gelb-Schwäche wäre dann aber beseitigt (man sollte meinen, die Kamera-Software erledigt das). Wenn die Korrekturkurve einaml bekannt ist, sind das max zwei Zeilen in der Software.

Bei einer monochromen CCD gilt das gleiche Prozedere, da die Quanteneffizienz des Sensors wellenlängenabhängig ist. Der Einfluss ist ziemlich hoch, bei meinem Sony ICX694ALG Sensor liegt die rel. Empfindlichkeit bei 400 nm auf 60%, bei 800 nm auf 45 %, Peak bei ca. 550 nm. Dazu kommt noch der Einfluss diverser Optiken im Strahlengang, die Sensorkurve allein tut es nicht. Zusammengefasst läuft das dann unter "Instrumental response", deren Messung Anlass zu unzähligen Diskussionen ist.

Kann die Kamera im RAW Format speichern? Es gibt in der Astro-Spektrometrie diverse Programme, die RAW in Schwarz-weiss umwandeln, ohne das seltsame Korrekturen seitens der Kamerasoftware gemacht werden. Das gibt sicher eine bessere Ausgangslage für Kalibrierungen als das umgerechnetete Bild.

Gruss,
Stefan
« Letzte Änderung: Mai 07, 2014, 12:10:53 Nachmittag von Stefan_O »

reblaus

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #8 am: Mai 07, 2014, 11:33:01 Vormittag »
Hallo -

den preiswerten Apparat von Johannes finde ich bereits ohne Eichung sehr nützlich. Oft hat man Filter in seinem Besitz, die anscheinend die gleiche Farbe besitzen - aber was können sie tatsächlich? Sind es Bandfilter? Schmal- oder breitbandig? Lang- oder Kurzpassfilter? Stimmt die Filterkombination in dem gebraucht erworbenen Reflektorschieber noch mit dem Etikett überein?
All das lässt sich auch ohne genaue Kenntnis von Intensitätsverläufen feststellen. Natürlich kann man dazu ein kleines Taschenspektroskop benutzen, aber aus eigener Erfahrung weiß ich, dass das eine fummelige Angelegenheit ist und ein richtiges Spektroskop ist sehr teuer.

Auf jeden Fall bin ich sehr gespannt auf die weitere Entwicklung!

Viele Grüße

Rolf

Johannes Kropiunig

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #9 am: November 15, 2014, 03:30:33 Vormittag »
Hallo,

ich möchte noch eine Kleinigkeit nachtragen die bis jetzt fehlte und selbst viele kleine Taschenspektrometer besitzen, eine Skala.



Dieses Bild kann einfach in Canon Utility eingefügt, auch teiltransparent angezeigt und skaliert werden.



Der Vorteil ist, dass für einfache Aufgaben nicht erst ein Bild geschossen und dies mit (m)einer Software ausgewertet werden muss.

Viele Grüße,
Johannes
« Letzte Änderung: November 15, 2014, 03:32:14 Vormittag von Johannes Kropiunig »
Biologische Mikroskop: Zeiss Standard 16
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Laotse

JaBe

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #10 am: Februar 03, 2016, 14:35:54 Nachmittag »
Hallo,

ich habe den Beitrag leider heute erst gesehen und muss sagen: ich bin begeistert.
Ich würde das gerne mit meiner Nikon D3300 nachbauen (sollte ja gehen wenn ich ein paar Maße anpasse).
Dazu habe ich aber noch eine Frage:
Was ist denn mit dieser Art von Spektrometer alles möglich? Kann ich damit beispielsweise Wasserproben untersuchen, indem ich das Wasser in Küvetten vor den Spalt stelle und beispielsweise eine 60W-Glühbirne als Lichtquelle nehme?
Kann ich damit Verunreinigungen im Wasser feststellen, oder auch Zuckerwasser, normales Wasser und Salzwasser unterscheiden? Oder kann ich damit nur einen Unterschied zwischen klarem Wasser und beispielsweise Cola oder Tee feststellen?  ;D

Im Voraus schon mal vielen Dank, falls mir jemand in diesem alten Thread noch antwortet...

Klaus Herrmann

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #11 am: Februar 03, 2016, 14:49:17 Nachmittag »
Auch hallo,

Zitat
Kann ich damit Verunreinigungen im Wasser feststellen, oder auch Zuckerwasser, normales Wasser und Salzwasser unterscheiden

Kannst du nicht! Aber du kannst dich vorstellen in der Rubrik "Mikroskopiker im Netz"! Dann wirst du als "Neuer" bejubelt und willkommen geheißen und viele schlaue Kollegen werden deine Fragen gerne beantworten. :)
Mit herzlichen Mikrogrüßen

 Klaus


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JaBe

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #12 am: Februar 03, 2016, 14:54:41 Nachmittag »
Auch hallo,

Zitat
Kann ich damit Verunreinigungen im Wasser feststellen, oder auch Zuckerwasser, normales Wasser und Salzwasser unterscheiden

Kannst du nicht! Aber du kannst dich vorstellen in der Rubrik "Mikroskopiker im Netz"! Dann wirst du als "Neuer" bejubelt und willkommen geheißen und viele schlaue Kollegen werden deine Fragen gerne beantworten. :)


Danke für deine Antwort! Ja ich werde mich später mal vorstellen wenn ich wieder zuhause bin.

Ich hätte jetzt aber gedacht, dass das Salzwasser beispielsweise das Licht "anders" absorbiert als das Leitungswasser und ich dies in den Spektren (vor allem mit dem Programm) erkennen kann...?
Ist so ein Nachweis denn überhaupt mit einfachen Mitteln (zeitlich und finanziell) möglich?

JaBe

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #13 am: Februar 05, 2016, 07:45:27 Vormittag »
Hat jemand eine Erklärung warum dies nicht möglich ist?

Klaus Herrmann

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Re: DIY Spektrometer für den sichtbaren Wellenbereich mit~1nm Auflösung
« Antwort #14 am: Februar 05, 2016, 10:23:29 Vormittag »
Zitat
Hat jemand eine Erklärung warum dies nicht möglich ist?

Ja! :D

Zitat
Ja ich werde mich später mal vorstellen wenn ich wieder zuhause bin.

und ich weiß noch was: du bist inzwischen immer noch nicht zuhause gewesen! ;)
Mit herzlichen Mikrogrüßen

 Klaus


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