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Inhaltsverzeichnis

 

Spektrogramm - Erstellung und Selbstbau - Spektrographen

 

Im Folgenden sind einige Ergänzungen zu den anderen Kapiteln auf der vorliegenden Site zur UV - VIS - NIR - Spektralanalyse zusammengestellt.

Antiker Mahner
  • Verzichten Sie bitte auf Experimente, bei denen potentiell gefährliche Chemikalien, Spannungen, Ströme und Licht - Quellen benötigt werden, in ihrer Wohnung, wenn dort auch Menschen mit beeinträchtigter Fähigkeit zur Wahrnehmung und Beurteilung von Gefahren leben (Kinder, seelisch Erkrankte)! Klären Sie auch Andere, mit denen Sie zusammenleben, über mögliche Risiken experimenteller Tätigkeiten auf und holen Sie deren Zustimmung hierfür ein!

  • Achten Sie bitte auf Ihren Selbstschutz! Schützen Sie sich auch bei nur kurzem Arbeiten mit Gefahren - Quellen mittels Schutzhandschuhen, Schutzkleidung, Schutzbrille, falls erforderlich mit UV - Schutzfenstern, und Belüftung des Experimentierraums. Verzichten Sie außerhalb von speziellen Labor - Räumen auf Experimente, bei denen giftige Gase entstehen können! Halten Sie Wischtücher und eine Spritzflasche mit Wasser zur Augen - Spülung griffbereit! Installieren Sie im Experimentierraum einen Rauch - / Flammenmelder und halten Sie einen Feuerlöscher und eine Löschdecke griffbereit!

  • Geräte, die elektromagnetische Wechselfelder erzeugen, können medizinische elektronische Geräte, auch im Körper implantierte, in ihrer Funktion beeinträchtigen!

 

 

 

Spektrogramme aus Photos mit "ImageJ"


 

Das Programm - Paket "ImageJ" wurde entwickelt von Wayne Rasband und Anderen und freundlicherweise als Freeware verfügbar gemacht [1]. Nachfolgendes Gebrauchsbeispiel bezieht sich auf die Version "Fiji" für 64 Bit - Windows 7. Beim Download in einen angelegten Zielordner erscheint darin der Ordner "Fiji-win64" mit dem Unterordner "Fiji.app" mit der Datei "ImageJ-win64". Linksklick darauf öffnet das Fenster "ZIP-komprimierte Ordner", durch Klicken auf "Alle extrahieren" wird das Anlegen eines parallelen Ordners "Fiji-win64" mit dem Unterordner "Fiji.app" mit entpackten Dateien ausgelöst. Die Datei "ImageJ-win64", versehen mit einem Mikroskop - Icon, erzeugt bei Linksklick darauf nach einiger Zeit das Menue - Fenster "(Fiji is just) ImageJ". Von diesem Fenster aus wurden mit "File" → "Open..." die im Folgenden wiedergegebenen Spektrum - Photos geöffnet. Klicken auf das Vollbild - Symbol im Fenster - Rahmen erleichtert die Auswahl von Photo - Ausschnitten mit gedrückt gehaltener linker Maus - Taste. Ins Bild gestellt wird der Maus - Zeiger zum Positionskreuz, dessen Koordinaten im Menue - Fenster angezeigt werden. Ein vergrößert dargestelltes Photo kann allerdings das Menue - Fenster verdecken, dann können beide Fenster durch Ziehen an den Kopfleisten getrennt dargestellt werden.

Das folgende Bild zeigt das VIS - Spektrum einer Niederdruck - Quecksilberdampf - Gasentladungslampe, Ausgangsphoto für die nachfolgenden Beispiele zur Spektrogramm - Erstellung:

 

 

Zur Umwandlung in Spektrogramme sollten die Spektrallinien auf einem Photo möglichst genau vertikal verlaufen, das erleichtert den Vergleich zwischen von unterschiedlichen Höhenabschnitten der Spektrallinien gewonnenen Spektrogrammen. Die Erstellung eines Spektrogramms erfordert die Markierung eines mindestens 1 Pixel hohen horizontalen Ausschnitts im Photo mit dem Positionskreuz - Cursor. Danach kann im Menue - Fenster mit den Optionen "Analyze" → "Plot Profile" aus dem markierten Photo - Ausschnitt ein Spektrogramm erstellt werden. In diesem Spektrogramm - Fenster kann mit den Anweisungen "More >>" -> "High-Resolution Plot..." eine Darstellung des Spektrogramms mit vergrößerter Grauwert - Skala mit wählbarem Vergrößerungsfaktor erzeugt werden. Verkleinern eines Spektrum - Photo - Fensters mit bereits gesetzter Markierung bewirkt deren Löschung und verhindert damit eine Spektrogramm - Erstellung. Die folgenden Spektrogramme wurden als Screenshots gespeichert und mit der Bild - Bearbeitung Paint zugeschnitten. Hier zunächst das Spektrogramm zu einem 2 Pixel hohen Ausschnitt aus obigen Photo:

 

 

Wird ein Auswahl - Rahmen von mehr als 1 Pixel Höhe gesetzt, berechnet "ImageJ" für jede darin enthaltene Pixel - Spalte einen Intensität - Mittelwert. Das glättet zwar einerseits das durch zeitliche Schwankungen der Ströme durch die Sensor - Pixel einer elektronischen Kamera und durch die unterschiedliche Ansprechempfindlichkeit der Sensor - Pixel bedingte Untergrund - Rauschen im Spektrogramm, kann aber, wie beim obigen Beispiel - Photo, durch Einbeziehung von verbreiterten Spektrallinien - Mitten und infolge von bei Erzeugung mit Prismen gekrümmten Linien vebreiterte Spektrogramm - Peaks zur Folge haben. Beim folgenden Spektrogramm war der zugrunde liegende Photo - Ausschnitt 30 Pixel hoch:

 

 

Wie zu erwarten ist beim mit 2 Pixel Auswahl - Rahmen - Höhe erstellten Spektrogramm der Untergrund zwischen den Peaks rauer und die Peaks sind schmaler als beim mit 30 Pixel Rahmen - Höhe erstellten Spektrogramm. Ein Rahmen mit geringer Höhe, gezogen quer zu den schmalen Partien von Spektrallinien, ist also besonders geeignet zur Trennung eng benachbarter Peaks, eine große Höhe begünstigt das Hervortreten schwacher, den Untergrund nur wenig überragender Peaks.

"ImageJ" wandelt vor Erstellung eines Spektrogramms ein farbiges digitales Spektrum - Photo in ein Graustufen - Bild um. Dazu werden für jedes Bild - Pixel jeweils 1/3 des roten, des grünen und des blauen Farbanteil - Wertes zu einem Graustufen - Wert addiert [2].

Mit "Save..." im Spektrogramm - Fenster kann eine Werte - Liste der Diagramm - Daten im Microsoft Excel .csv - Format erstellt werden. "List" erzeugt eine Werte - Paar - Tabelle in einem automatisch neu erzeugten Fenster. Bei Vollbild - Darstellung des Spektrogramms wird das Liste - Fenster vom Spektrogramm - Fenster verdeckt und erst nach Minimieren dieses Fensters oder nach Klick auf das betreffende Fenster - Symbol am unteren Bildschirm - Rand sichtbar.

Im Spektrogramm - Fenster von "ImageJ" kann mit der Befehlsfolge "More >>" -> "Set Range..." ein Fenster aufgerufen werden, in dem durch Wahl je eines Ausschnitts aus der Y - Achse und der X - Achse schwache spektrale Muster deutlicher hervorgehoben oder überhaupt erst sichtbar gemacht werden können. In diesem Fenster muss, da die Software den Gebräuchen in den USA angepasst ist, in den Eingabe - Feldern ein Punkt als Dezimal - Trennzeichen eingetippt werden. Ein Komma wird fehlinterpretiert.

Ein vergrößerter Ausschnitt aus einem "ImageJ" - Spektrogramm kann auch graphisch erzeugt werden: Im Spektrogramm - Fenster Markieren eines Ausschnitts mit dem Positionskreuz - Cursor -> Cursor ins Innere des Auswahlrahmens stellen und Rechtsklick -> Im daraufhin geöffneten Fenster auf "Duplicate..." klicken -> Im nun geöffneten "Duplicate..." - Fenster bei Bedarf den vorgegebenen Titel ändern und auf "OK" klicken -> Es erscheint ein kleines Fenster mit dem Spektrogramm - Ausschnitt, das durch Klick auf das Vollbild - Symbol vegrößert werden kann. Allerdings: Peaks, die im ursprünglichen Ausgangsspektrogramm für eine Anzeige zu klein sind, fehlen auch im vergrößerten Ausschnitt. Damit scheidet dieses Vorgehen zur Suche nach schwachen Spektralpeaks aus.

Die Software ermöglicht auch die Trennung der Farbauszüge eines Farbphotos in separate Dateien.

"ImageJ" wurde in einer anderen Studie auch in Verbindung mit einem Eigenbau - Spektrograph - Vorsatz für Mobiltelephon - Kameras eingesetzt [2].

 

 

Qualitätsmängel bei Spektren - Photos von Digitalkameras


 

Die Qualität eines farbigen Spektrum - Photos wird auch von derjenigen der Farbfilter beeinflusst, die den Sensor - Pixeln einer Kamera aufsitzen. Die Eigenschaften der Filter können herstellungsbedingt von Pixel zu Pixel etwas in ihren Eigenschaften variieren. Dies und die den Sensor - Pixeln an sich eigenen Eigenschaftsunterschiede können auch im Photo eines Kontinuum - Spektrums, zum Beispiel das unten abgebildete einer Glühlampe, das sich theoretisch stufenlos über seinen Bereich erstrecken sollte, fleckige und streifenförmige Inhomogenitäten verursachen, besonders bei billigeren Kamera - Modellen.

 

 

Inhomogenitäten in einem Spektrum treten auch auf an den Übergängen zwischen den spektralen Durchlass - Bereichen der 3 Sensor - Farbfilter. Im obigen Beispiel - Spektrum zeigen sich Helligkeitsminderungen dort, wo der Durchlassbereich im Blauen an den im Grünen anschließt und der im Grünen an den im Roten. Weitere Helligkeitsminima dazwischen könnten von Variationen der Licht - Durchlässigkeit im Spektrum der einzelnen Farbfilter verursacht sein. Das wird auch in folgendem Spektrogramm zu diesem Photo, gewonnen aus einer 1 Pixel dicken Markierlinie, deutlich:

 

 

Infolge der genannten Abweichungen von idealen Spektrum - Aufnahme - Bedingungen treten auch Abweichungen von der theoretisch zu erwartenden stufenlosen Glockenkurve im Spektrogramm eines kontinuierlichen Spektrums auf. Die welligen Inhomogenitäten im Verlauf des Diagramm - Graphen können bei Spektralanalysen fälschlich als von Probeninhaltsstoffen verursacht interpretiert werden. Bei solchen Analysen sollte daher immer ein Vergleichsspektrum eines Strahlers mit kontinuierlichem Spektrum aufgenommen werden, auch bei einem Linien - Spektrum einer Probe, um Linien - Überlappungen unterscheiden zu können von stufigem Muster einer einzigen Linie infolge Inhomogenitäten der Licht - Empfindlichkeit des Kamera - Sensors. Wichtig für den Vergleich zwischen Probe - und Kontinuum - Vergleichsspektrum ist daher, dass die für die Spektrogramm - Erstellung notwendigen Markierlinien oder der Markierrahmen in den beiden Spektrum - Photos genau gleich positioniert und dimensioniert sind. Bei "ImageJ" ist Dies über die im Optionen - Fenster angezeigten Cursor - Position - Daten kontrollierbar.

Sind die genannten Bedingungen erfüllt und treten im Vergleichsspektrogramm wellige Unebenheiten im Graphen an der gleichen Stelle der Pixel - Skala auf wie im Spektrum einer Analysenprobe, ist hier ein von der Kamera - Elektronik ohne Probe - Einfluss erzeugtes Muster, ein Artefakt, anzunehmen. Um den Einfluss von Artefakten zu verringern ist es in der instrumentellen analytischen Chemie gebräuchlich, ein Vergleichsspektrogramm von einem Probenspektrogramm zu subtrahieren. Das Differenz - Spektrogramm zeigt dann im wesentlichen nur noch die von der Probe erzeugten spektralen Muster. Bei der oben beschriebenen Software "ImageJ" können die als Zahlen - Werte gelisteten Messdaten zu Probe und Vergleich kopiert, in ein Tabellenbearbeitungsprogramm mit Diagramm - Erstellung - Funktion, zum Beispiel das bei "Windows" mitgelieferte "Excel Starter", eingefügt und dort subtrahiert werden.

Auch bei kontinuierlichen Spektren bringt die Einbeziehung größerer Abschnitte entlang der jeweiligen Linien oder Banden eines Spektrums, siehe den Abschnitt zu "ImageJ" oben, zwar eine gewisse Glättung von Kamera - eigenen Störmustern im Spektrogramm, aber ein Restmuster verbleibt, wie folgendes, unter gleichen Bedingungen wie oben bis auf eine Markierrahmen - Erhöhung auf 100 Pixel aufgenommene Spektrogramm zeigt:

 

 

 

Module für Spektralanalyse - Geräte


 

 

Plattformen und Halterungen

 

Bei Test - Aufbauten kann zur Fixierung der Bauteile ein Photokleber benutzt werden, der sich auch nach dem Trocknen von vielen Materialien leicht wieder ablösen lässt. Da dieser Kleber leicht fließt und daher pro Klebung in einem nur dünnen Film abtrocknet, sollten für eine mechanisch belastbare Verbindung mehrere Klebedurchgänge erfolgen.

Das Grundbrett für einen Einfach - Spektrographen sollte aus Kunststoff oder Metall bestehen, da Holz bei Temperatur - und Feuchte - Schwankungen stärker zum Verziehen neigt. Die leichter bearbeitbaren Kunststoff - Varianten sind zum Beispiel im Haushaltswaren - Handel in Form von Frühstücksbrettchen oder Küchen - Schneidbrettern erhältlich.

Eine Plattform kann auch aus einer im Elektronik - Handel erhältlichen, leicht zu bearbeitenden Lochraster - Platine hergestellt werden. Das gleichmäßige Lochraster erleichtert ein maßgenaues Anbringen von zum Beispiel Bohrlöchern für Schrauben als Standfüße. Werden solche Schrauben am Fuß - seitigen Ende mit einer Langmutter oder einem Distanzbolzen mit Innengewinde versehen, kann die Fuß - Höhe etwas reguliert werden. Die Beschränkung auf 3 statt auf 4 Füße verhindert einen wackeligen Stand.

Eine Röhre, an oder in der optische Bauteile befestigt sind, ein Tubus, kann aus einer Kunststoff - Dose, zum Beispiel einem Tabletten - Behälter, gefertigt werden, deren Boden abgesägt wurde. Bei einer Schraubdeckel - Dose kann der Deckel nach Ausstanzen eines zentralen Lochs als Träger einer Spalt - Blende oder einer Linsen - Optik genutzt werden. Bei einer Spalt - Blende kann so die Vertikalstellung der Längserstreckung des Spalts feinreguliert werden und bei einer Linsen - Optik deren Abstand zu optischen Bauteilen davor oder dahinter.

In einen Tubus kann eine Plattform eingeklebt werden, die ein Prisma oder ein Beugungsgitter trägt.

Wird zur Spektrum - Aufnahme eine Consumer - Allgebrauchskamera mit Gewindebohrung am Boden zur Befestigung auf einem Stativ eingesetzt, kann die Kamera auf eine Kunststoff - Box, erhältlich im Haushaltsartikel - Handel, montiert werden wie folgt. Im Deckel der Box wird mittels einer Lochstanze ein 6 mm - Loch ausgestanzt, durch das eine handelübliche Kamera - Befestigungsschraube passt.

Die Box mit Kamera kann auf einem Grundbrett, zum Beispiel einem möglichst großen Haushaltsschneidebrett, aufliegen. Dann kann sie bez¨glich der davor angeordneten Spalt - Optik in alle Richtungen verschoben werden, um außer einem Gesamtspektrum auch Detail - Ausschnitte daraus aufzunehmen. Vor einer Aufnahme kann die Box in der gewählten Position mit etwas Photokleber auf der Grundplatte fixiert werden, falls versehentliches Verschieben der Position zwischen aufeinanderfolgenden Aufnahmen verhindert werden soll.

Alternativ dazu kann eine Kamera auf einer rechtwinkelig zur optischen Achse des Spalts angeordneten Schiene montiert werden, verschiebbar über die Längeder Schiene selbst, außerdem auf der Kamera - Halterung in Richtung der Optik und zusätzlich drehbar zur Aufnahme eines Spektrums aus unterschiedlichen Winkeln. Eine solche 3-fache Justiermöglichkeit ist notwendig, wenn ein ausgedehntes Spektrum wegen der geringen Größe eines Webcam - Sensors mit mehreren gegeneinander versetzten Teilbildern aufgenommen werden soll.

 

Spalt - Blenden

 

Grundsätzliches zu Spalt - Blenden ist in einem anderen Kapitel der vorliegenden Site beschrieben [5]. Daher hier nur einige Nachträge:

Wichtig für die optimale Funktion einer Spalt - Blende ist die Lage der einander gegenüber stehenden Spalt - Kanten in derselben Raum - Ebene. So wird vermieden, dass die Spalt - Kanten in Richtung der optischen Spalt - Achse gegeneinander versetzt zu liegen kommen, was die Qualität von Spektren - Photos verschlechtern würde. Das Aufkleben von Spalt - Backen auf eine glatte, ebene Platte aus klar durchsichtigem Kunststoff sichert zwar die genannte Bedingung, ist aber nur für Spektralanalysen im sichtbaren Bereich des Lichts geeignet, da ein Kunststoff im ultravioletten und infraroten Bereich des Lichts Absorptionsbanden haben kann. Besser ist das Aufkleben auf einen ebenen Rahmen, in dessen innerer Öffnung der nur mit Luft gefüllte Spalt zu liegen Kommt. Da hierfür besonder geeignete Kleinbild - Dia - Rahmen zunehmend seltener angeboten werden, kann eine entsprechende Öffnung zum Beispiel aus der inneren Aussparung einer Rasierklinge gebildet werden. Auch aus 4 stabilen Trapez - Klingen kann ein rechteckiger Rahmen gefertigt werden. [3]

Ohne einen Distanz - Halter aus einem dünnen, stabilen und ebenen Formkörper, zum Beispiel eine Rasierklinge, das Kunststoff - Blatt eines Heftstreifens oder eine elektronische Karte, beim Fixieren der Backen einer Spalt - Blende auf einem Halter kann die lichte Weite des Spalts über dessen Länge hinweg sich geringfügig ändern. Ein solch leicht (!) konischer Querschnitt der Spalt - Öffnung kann auch vorteilhaft sein indem vom schmaleren Spalt - Abschnitt erzeugte Spektrallinien zwar weniger hell, dafür aber schärfer erscheinen und die vom breiteren Abschnitt erzeugten Linien zwar heller, aber weniger scharf. Der erste Umstand kommt der spektralen Auflösung zugute, der zweite der Analysenempfindlichkeit.

Wie alle Flächen im Inneren eines Spektralanalyse - Gerätes sollte auch die dem Gerät - Innern zugewandte Seite einer Spalt - Blende mattschwarz getönt sein zur Verringerung des störenden Streulicht - Untergrunds.

Ein Spalt kann zum Beispiel gebildet werden aus 2 parallel zueinander ausgerichteten Schnittkanten von schwarzem Zeichenpapier. Zeichenkarton ist wegen der dickeren Schnitt - Kanten, die weniger scharfe Spalt - und damit Spektrallinien - Bilder bewirken, weniger geeignet. Um die beiden Papier - Spalt - Backen in einer Ebene zu fixieren wird ein Träger aus starrem, formstabilem Material benötigt, zum Beispiel ein Schraubdeckel einer Kunststoff - Dose, in den ein zentrales Loch gestanzt und der, falls nicht aus schwarzem Kunststoff, mattschwarz angestrichen wird. Nun kann auf dem Papier eine gerade Linie markiert werden, die spätere Schnittkante, und mit Zentrum auf dieser Linie mit einem Zirkel ein Kreis, etwas kleiner als der Schraubdeckel - Durchmesser. Nach Ausschneiden der Kreis - Scheibe wird Diese entlang der geraden Linie in 2 Hauml;lften zerschnitten. Die halben Scheiben werden mit den Schnittkanten parallel zueinander über das Loch im Schraubdeckel geklebt und, solange der Klebstoff noch flexibel war, so aufeinander zu geschoben, dass die Kanten einen schmalen Spalt bilden. Durch Zwischenhalten einer dünnen ebenen Fläche (Papier - Blatt, Kunststoff - Platte eines Heftstreifens für Schnellhefter) kann die Gleichmäßigkeit der Spalt - Breite verbessert werden. Zur Verringerung von störendem Streulicht sollte die etwas mattere Seite des schwarzen Zeichenpapiers zum Doseninneren hin gekehrt sein. Beim Aufkleben sollte darauf geachtet werden, dass keine Klebstoff - Fäden in die Deckel - Loch - Öffnung gelangen. Papier - Spalt - Blenden könnten theoretisch bei Spektrum - Anregungen durch Flammen, Bogen oder Funken oder anderen offenen Plasmen durch Funken - Flug entzündet werden.

Parallel zueinander ausgerichtete Schneiden von 2 Rasierklingen bilden einen Spalt mit sehr gleichmäßigem Kanten - Verlauf. [3] Wegen der Verletzung - Gefahr sollten bei der Herstellung einer Blende Schutz - Handschuhe getragen und nach Fertigstellung die scharfen randlichen Klingen - Kanten durch einen Überzug aus Klebstoff entschärft werden. Um die von den Klingen - Schneiden gebildeten beiden Spalt - Kanten in derselben Raumebene zu fixieren können die 2 Spalt - bildenden Klingen auf eine Träger - Klinge geklebt werden so, dass die Spalt - Öffnung innerhalb der inneren Aussparung der Träger - Klinge platziert ist. Eine weitere Stabilisierung der Anordnung kann durch Aufkleben einer 4. Klinge auf die der Träger - Klinge abgewandte Seite des Spalts erreicht werden. Die schmalen Kanten aller 4 Klingen sollten entlang jeweils einer geraden gedachten Linie ausgerichtet sein, dann ist bei aufrechter Befestigung der Blende entlang dieser Schmalkanten auf einem Grundbrett der Spalt - Schlitz vertikal ausgerichtet. Rasierklingen können mit einer Wasser abweisenden (hydrophoben) Imprägnierung versehen sein, auf der Schwärzungsmittel schlecht haften. Mit einem schwarzen Permanent Marker - Stift konnte der Verfasser zwar Klingen schwärzen, doch war der entstandene Überzug auch nach dem Trocknen stark glänzend, was vermieden werden sollte, siehe oben. Erfolgreicher war das Bestreichen mit schwarzer Casein - Farbe [6]. Diese ist zwar im feuchten Zustand glänzend, trocknet aber mattschwarz ab. Sie sollte nur in dickflüssigem Zustand, ohne Verdünnung mit Wasser, auf die Klingen aufgestrichen werden, zum Beispiel mit einem Schraubenzieher als Spatel. Bei zu wässriger Beschaffenheit perlt die Farbe von einer Klingenoberfläche ab. In diesem Fall kann die benötigte Menge Farbe in einem Napf so lange unter gelegentlichem Umrühren angetrocknet werden, bis eine pastöse Konsistenz erreicht ist. Um auch die schwer erreichbaren abgeschrägten Schneiden der Spalt - Blende zu überdecken kann der Spalt zunächst mit der schwarzen Paste zugestrichen werden, bis die beiden Schneiden lückenlos von der Schwärzung bedeckt sind. Danach, aber vor (!) dem Abtrocknen der Farbe kann der Spalt mit der Schneide einer weiteren Rasierklinge wieder freigekratzt werden. Das Schema einer so gefertigten Spalt - Blende ist nachfolgend abgebildet:

 

 

Die Öffnung im Spektrograph - Gehäuse, vor der die Spalt - Blende befestigt wird, sollte nur den Spalt freigeben und die anderen Licht - durchlässigen Teile der Rasierklingen - Blende gegenüber dem Spektrograph - Inneren verdecken.

Auch mit 2 Trapezklingen kann eine Spalt - Blende angefertigt werden, wobei die Dicke solcher Klingen eine Stabilisierung gegen Verbiegungen erübrigt. Lediglich die Unterlage, auf der die Klingen befestigt werden, sollte so eben sein, dass die parallele Ausrichtung der Klingen - Schneiden in derselben Raum - Ebene gewährleistet ist. [3]

Ist eine eine Spalt - Blende um ihre optische Achse drehbar montiert, kann der der halb auf das Drehgewinde aufgeschraubte Spalt von einer Licht - Quelle beleuchtet und unter Aufnahme einer Serie von Photos so lange gedreht werden, bis die Spektrallinien einer Test - Licht - Quelle im Kamera - Bild möglichst parallel zu den Pixel - Spalten oder - Zeilen im Digitalbild des Spalts verlaufen. Die so optimierte Ausrichtung des Spalts kann durch zwischen Schraubdeckel und Dose aufgetragenen Photokleber stabilisiert werden.

 

Prismen

 

Grundsätzliches zu Prismen ist in einem anderen Kapitel der vorliegenden Site beschrieben [5]. Daher hier nur einige Nachträge:

Von einem einzelnen Prisma erzeugte Spektren sind, bei sonst gleichen Bedingungen, sehr viel schmaler als von einem Beugungsgitter für spektralanalytische Zwecke.

Auch ein Prisma kann durch Licht - Reflektion an den Innenseiten seiner Wände störende Überlagerungen eines primär erzeugten Spektrums mit durch Spiegelungen entstandenen sekundären Spektren erzeugen. Dies kann erkannt werden mittels einer Spektrallinien erzeugenden Test - Licht - Quelle, deren Sollspektrum bekannt ist. Treten im erzeugten Spektrum mehr Linien auf als zu erwarten, kann versucht werden, durch Drehen des Prismas relativ zur Spalt - Blende die überzähligen Linien zum Verschwinden zu bringen. Eine langzeitbelichtete Aufnahme kann zeigen, ob noch lichtschwache Reste solcher Spiegelungsstörungen vorhanden sind, die bei Auswertung schwacher Spektrallinien einer Analysenprobe berücksichtigt werden müssen.

Um Verluste an von einer Analysenprobe kommendem Licht durch Reflektion an den Wänden eines Prismas zu minimieren kann Dieses relativ zur Spalt - Blende so positioniert werden, dass die Ablenkung des Lichts durch Brechung an der Licht - Eintritt - Seite und an der Licht - Austritt - Seite des Prismas minimal und beiderseits gleich groß ist. Ein ausgewählter "Licht - Strahl" verläuft dann innerhalb des Prismas parallel zu dessen an der Brechung unbeteiligter Basis - Fläche. Der zugehörige Einfallswinkel des Strahls zur brechenden Prisma - Fläche ist abhängig von der Wellenlänge sowie vom Material und von den Winkeln zwischen den Wänden des Prismas. In der Praxis umfasst das von einer Analysenprobe kommende Licht einen breiten Wellenlänge - Bereich. Die minimale und auf beiden Prisma - Seiten gleiche Licht - Ablenkung kann nur für eine Wellenlänge eingestellt werden, für die anderen Wellenlängen des Probe - Lichts ergeben sich dann Abweichungen, was aber tolerierbar ist. Das nachfolgende Querschnitt - Schema soll das Prinzip der minimalen Ablenkung für eine einzige Wellenlänge verdeutlichen, es zeigt den Weg eines von einer Analysenprobe kommenden "Licht - Strahls" der Wellenlänge 546 nm, inmitten des sichtbaren Teils (VIS) eines Spektrums gelegen, durch ein gleichseitiges Prisma, mit 60 ° - Winkeln zwischen den 3 Seitenflächen, aus Borkronglas des Typs BK-7. Der zugehörige Winkel µ zwischen dem ins Prisma einfallenden "Licht - Strahl" und dem Lot auf die Prismenoberfläche an der Stelle des Licht - Einfalls beträgt 49,4 °. Der Winkel β, um den die an der Licht - Brechung unbeteiligte Basis - Fläche des Prismas gegen das Lot auf die Ebene der Spalt - Blende verdreht ist, beträgt hier 19,4 °.

 

 

In der Praxis kann für die oben beispielhaft angegebenen Verhältnisse der Verdrehungswinkel β der Prisma - Basis beim Aufkleben des Prismas auf das Spektrograph - Grundbrett mit einem Zeichendreieck - Winkelmesser ungefähr eingestellt werden. Dann wird näherungsweise der gesamte UV - VIS - NIR - Bereich eines Spektrums vom Prisma erfasst.

 

Beugungsgitter

 

Grundsätzliches zu Gittern ist in einem anderen Kapitel der vorliegenden Site beschrieben [5]. Daher hier nur einige Nachträge:

Mit die billigste Variante eines Beugungsgitters ist in Form einer durchsichtigen Kunststoff - Folie erhältlich, aus der durch Zerschneiden mehrere Einzelgitter im Format eines Kleinbildfilm - Dias erhalten werden können [9]. Mitgeliefert werden hier Dia - Rahmen zum Ausschneiden aus einem mit den Rahmen - Mustern bedruckten Pappebogen. Die Gitter - Linien verlaufen parallel zur langen Kante des Gitter - Folie - Bogens. Die Schneidelinie zur Geweinnung eines Einzelgitters im Dia - Format muss senkrecht zu dieser Langkante verlaufen. Da beim Schneiden ein exakter 90 ° - Winkel zur Langkante schwierig einzuhalten ist, sollte Letztere, und nicht eine Schnittkante, als Bezug beim Einpassen in einen Dia - Rahmen dienen. Eine halbwegs parallele beziehungsweise rechtwinkelige Ausrichtung der Gitter - Linien zu den Außenkanten des Rahmens wird erreicht, wenn die frühere Langkante - Seite des ausgeschnittenen Gitter - Blättchens möglichst parallel zur Biegelinie des Pappe - Klapprahmens fixiert wird. Dann laufen die Gitter - Linien etwa parallel zum Aufdruck "Durchlicht-Beugungsgitter" und etwa rechtwinkelig zu den Aufdrucken "Folie nicht mit den Fingern berühren!" auf dem Dia - Rahmen. In einem Spektrographen muss dann der Rahmen so ausgerichtet sein, dass die Gitter - Linien parallel zur Spalt - Blende stehen, der Aufdruck "Durchlicht-Beugungsgitter" muss also in Leserichtung parallel zur Spalt - Öffnung positioniert sein.

 

Schutz vor Störlicht

 

Zur Verringerung der Einstrahlung von störendem Umgebungslicht in einen Spektrographen kann Dieser von einer Haube überdeckt werden, die eine Öffnung vor der Spalt - Blende und, bei Versionen mit einer Digitalkamera, eine als Durchlass f¨r das Kamera - Kabel aufweist.

Zu einem solchen Lichtschutz - Gehäuse umfunktioniert werden können zum Beispiel ein kleiner Versand - oder Kaufartikel - Karton oder eine rechteckige Kunststoff - Schale, wie sie im Lebensmittel - Handel als Behälter für Obst und Gemüse üblich ist. Die Haube sollte innenseitig mattschwarz angestrichen werden. Mattschwarze Farbe auf Casein - Basis ist gut mit Wasser verdünnbar [6], haftet aber auf glatten Kunststoff - Flächen nur in zähflüssigem Zustand und platzt von solchen Flächen nach dem Trocknen leicht wieder ab. Die Farbe eines schwarzen Permanent - Marker - Filzstifts zeigte nach Auftrag auf eine glatte Kunststoff - Fläche auch nach dem Trocknen eine spiegelnde, bei Spektrum - Aufnahme störende Oberfläche. Mattschwarzes Bastelpapier oder ebenso beschichteter Bastelkarton aus dem Bastelbedarf - oder Büro - Artikel - Handel dagegen sind als Störlicht - Absorber gut geeignet.

 

 

Low cost - Digitalkameras als Spektrograph - Sensoren


 

Für die vorliegende Website wurden einige Webcams und ein Digitalmikroskop als Spektrum - Aufnahme - Vorrichtungen getestet. Verwendet wurden nur Webcams, bei denen das Bild durch Drehen des Objektivs (fokussieren) scharf gestellt werden kann. Bei einem starr im Kamera - Gehäuse fixierten (Fixfocus -) Objektiv ist ein fester Schärfe - Bereich (Schärfentiefe) vorgegeben, was für Spektrographie - Zwecke weniger günstig ist. Hier könnten zwar die Abbildungsverhältnisse durch Vorsatzlinsen verändert werden, dann ist aber mit einer Zunahme von Abbildungsverzerrungen zu rechnen. Die Scharfstellung eines Spektrum - Bildes kann statt über einen Objektiv - Drehring auch durch Verschieben der gesamten Kamera relativ zu einem Prisma oder einem Gitter erfolgen. In diesem Fall kann zugleich durch Drehen der gesamten Kamera um eine durch diese gehende gedachte senkrechte Achse die Stellung gefunden werden, in der ein möglichst großer Teil eines Test - Spektrums scharf auf einem Photo erscheint. Wurde eine zur Spektrum - Abbildung optimale Stellung der für den Spektrographen am meisten geeignet erscheinenden Kamera gefunden, wurde sie in dieser Position mit Photokleber reversibel auf dem Spektrograph - Grundbrett befestigt. Eine, falls vorhanden, mechanische Schnappschuss - Taste an einer Kamera blieb bei den Tests wegen Gefahr des Bild - Verwackelns unbenutzt.

Für Aufnahmen mit der Freeware "Amcap" müssen nach Anstecken der Kamera an einen Computer erst zwei Signal - Töne abgewartet werden, bevor im erst danach geöffneten "Amcap" - Fenster die Kamera unter "Devices" ausgewählt werden kann. Am Computer des Verfassers wird die im unten beschriebenen Webcam - Spektrograph eingebaute "Hama MX Pro II Webcam" nur erkannt, wenn Diese an dem USB - Port angesteckt ist, über den die Software der Kamera installiert wurde.

Die Speicherung eines Spektrum - Einzelphotos bei kontinuierlicher, zeitlich gleich bleibender Spektrum - Erzeugung ist wie folgt möglich: Neuere Versionen des Betriebssystems Windows enthalten eine Schnappschuss - Funktion auch für extern angeschlossene Webcams. Bei älteren Versionen kann auf Webcam - eigene oder im Internet bereit gestellte Software zur Kamera - Steuerung (Suchmaschinen - Begriffe "webcam schnappschuss software") oder auf die Bildschirm - Druck (Screenshot) - Funktion eines Computers zurückgegriffen werden. Im letzteren Fall muss darauf geachtet werden, dass bei der Spektralanalyse einer Materialprobe bei allen Screenshots das Aufnahme - Fenster einer Kamera an gleicher Stelle auf dem Computer - Monitor bleibt. Nur so ist gesichert, dass gleiche Pixel - Spalten bei horizontaler Ausrichtung der Spektren oder gleiche Pixel - Zeilen bei vertikaler Ausrichtung in allen Spektren - Photos der gleichen Licht - Wellenlänge in einem Spektrum entsprechen.

Eine weitere Alternative ist nachfolgend beschrieben.

Bei diskontinuierlicher Spektrum - Anregung, zum Beispiel mittels elektrischer Einzelfunken, kann mit "Amcap" ein Video - Film aufgenommen werden. Im Menue "Capture" kann mit den Optionen "Start" -> "OK" im kleinen Bestätigungsfenster und "Stop" die Aufnahme begonnen und beendet werden. "File" -> "Save Captured Video..." speichert das Video als .avi - Datei. Diese Extension sollte ins Eingabe - Feld für den Datei - Namen mit eingetippt werden, anderenfalls erscheint die Datei im Ziel - Ordner ohne das AVI - Symbol und kann von einigen Playern ignoriert werden. Auch ist zu beachten, dass der im Eingabe - Feld angegebene Datei - Name ohne blaue Unterlegung bleibt, da sonst die Speicherung fehlschlagen kann, obwohl von "Amcap" als erfolgreich angegeben. Klick auf "Öffnen" startet den Speichervorgang, dessen Fortschritt am unteren Fenster - Rand angezeigt wird. Der Umfang des Speicher - Platzes kann begrenzt werden mit "File" -> "Set Capture File..." und "Allocate File Space...". Die Bild - Aufnahme - Frequenz wird mit "Capture" ->"Set Frame Rate..." eingestellt. Diese Frequenz hat keinen Einfluss auf die Belichtungsdauer eines Einzelphotos innerhalb einer Video - Sequenz.

Da "Amcap" die Funktion des Zugriffs auf die Einzelbilder eines Videos fehlt ---mit Stop wird das Video auf den Anfang zurückgesetzt---, kann, abgesehen von der Möglichkeit eines Bildschirm - Drucks, siehe oben, das Video mit der Freeware "Media Player Classic - Home Cinema" geöffnet werden [13]. Dieser Player zeigt bei Klicken auf "Pause" das aktuelle Video - Einzelbild an. Zudem kann die Abspielgeschwindigkeit mit "Decreased speed" verlangsamt werden, was das Auffinden eines nur kurzzeitig angeregten Spektrums erleichtert. Mit "Step" kann dann von Einzelbild zu Einzelbild gesprungen und dasjenige mit der optimalen Spektrum - Wiedergabe ausgesucht werden. Auch kann der Knopf, der während des Abspielens durch Abfahren der Leiste unterhalb des Bild - Fensters den Abspielfortschritt anzeigt, im Stillstand - Modus als mit der Maus bewegbarer Schieber benutzt und so das Video manuell abgetastet werden. Ein auf eine der beschriebenen Arten abgerufenes Einzelbild kann mit "File" und "Save Image..." im gewünschten Format gespeichert werden. Wird ein anderer Datei - Name als der voreingestellte eingetippt, muss auf die übliche Schreibweise geachtet werden: name.extension Abweichungen, zum Beispiel mehrere Trennpunkte, können die Speicherung sabotieren.

Die hier getesteten Webcam - Modelle werden im Folgenden kurz beschrieben:

"Hama Webcam Speak2": Bei diesem Modell ist die Schraube, mit der das am Klemmfuß angeschlossene Neigungsgelenk am Kamera - Boden befestigt ist, leicht zugänglich. Nach Abschrauben dieser Haltevorrichtung bleibt am Boden ein Ring - förmiger Vorsprung bestehen, der einer stabilen direkten Befestigung der Kamera auf dem Grundbrett eines Spektrographen hinderlich ist. Daher wurde hier der ebene, im rechten Winkel zur Fläche des Kamera - Sensors ausgerichtete Boden so auf den Rand eines Schraubdosendeckels geklebt, dass der Vorsprung in das Deckel - Innere hineinragte und daher nicht mehr störte. Der Deckel konnte dann mit seiner Oberseitenfläche nach unten auf das Spektrograph - Grundbrett geklebt werden. Am Notebook des Verfassers mit Windows 7 wurde nach Anstecken an einem USB - Port die Software "Amcap" selbsttätig installiert, jedoch fehlte in deren Aufnahme - Fenster die Option eines per Software auslösbaren Schnappschusses, der nur über den Umweg eines Screenshots möglich war. An einem Microtower mit Windows XP war die Software der "Grundig Hochleistungskamera" siehe oben, nutzbar. Mit dem manuell drehbaren, aber sehr schwergängigen Objektiv sind Entfernungen von wenigen mm vor der Objektiv - Linse bis Unendlich scharfstellbar. Die Bild - Auflösung beträgt laut Deklaration 640 Pixel x 480 Pixel. Ein qualitatives Defizit waren kleine, körnige, kugelige oder Strich - förmige, über das ganze Bild - Feld verstreute Objekte, die bei mäßig starkem Licht - Einfall seitlich auf das Objektiv besonders deutlich hervortraten und beim Drehen des Kamera - Objektivs ebenfalls Kreis - förmig wanderten. Bei einer Objektiv - Stellung, bei der direkt auf der Objektiv - Linse aufliegende Gegenstände scharf abgebildet wurden, waren auch diese Artefakte klar und scharf zu sehen. Diese wohl durch Verunreinigungen und Kratzer auf der Objektiv - Frontlinse verursachten Bild - Störungen (Artefakte) blieben auch nach Reinigungsversuchen erhalten. Sie wurden mit zunehmender Gegenstandsweite (Distanz zwischen einem scharf abgebildeten Gegenstand und dem Objektiv) immer weniger scharf und somit auch weniger störend. Der Austausch des Kamera - eigenen Objektivs gegen ein aus einem low cost - Achromaten, einer zwecks farbkorrigierter Abbildung aus 2 Glas - Linsen bestehenden Kombination mit etwa 3 cm Brennweite [7], und aus einer aus schwarzem Bastelpapier gerollten Objektiv - Röhre (Tubus) selbst hergestelltes Objektiv mit dem Ziel einer größeren, detaillierteren Abbildung eines Spektrums erbrachte nur unscharfe, verwaschene Bilder. Grund hierfür könnten störende Licht - Reflektionen im Austausch - Tubus und im Kamera - Inneren sein. Aufgenommene Bilder erschienen auf für spektralanalytische Zwecke zu stark verrauschtem Untergrund.

"Grundig Hochleistungskamera": Die Klappklammer, auf der die Kamera über ein Kugel - Gelenk befestigt ist, wurde entfernt. Dass der Gelenk - Kopf - Stift mit einer verdeckten Schraube am Kamera - Boden befestigt war wurde dem Verfasser erst nach gewaltsamem Herausbrechen des Stifts aus dem Kamera - Boden deutlich. Zurück blieb ein Ringsockel am Kamera - Boden, dem anscheinend einzigen rechtwinkelig zum Kamera - Sensor - Plättchen ausgerichteten äußeren Teil des ansonsten aus gekrümmten Schalen bestehenden Gehäuses. Daher wurde die Kamera an der Ringsockel - Unterseite auf den Schraubdeckel einer Tabletten - Dose geklebt und und diese wiederum auf das Grundbrett. Die zugehörige Mini - CD mit Treiber - Software wurde von Notebook mit Windows 7 des Verfassers ignoriert, von einem Tower mit Windows XP aber erkannt, wenn zuvor die Kamera an einem USB - Port angedockt wurde. Auch nach Übertragung der Treiber - Dateien vom Tower auf das Notebook konnte auf Letzterem war die Kamera - Software dort blockiert. Im Kamera - Bild - Fenster "USB 2.0 PC CAMERA" kann im Menue "Capture(C)" mit der Option "Snapshot" eine Momentaufnahme ausgelöst werden. Sie wird in einem "Windows Bild - und Faxanzeige" - Fenster angezeigt und kann von dort aus in 5 Formaten gespeichert werden. Im "USB 2.0 PC CAMERA" - Fenster sind unter "Options(O)" -> "Setting" wählbar "Output Size" (Bild - Fenster - Größe) und "Capture Size" (Pixel - Abmessungen des Photos). Auf der Kamera - Umverpackung sind als Auflösung 5 Megapixel angegeben. Beim öffnen des Aufnahme - Fensters wird als Voreinstellung von "Capture Size" und "Output Size" jeweils 640 x 480 angegeben, m"glicherweise Hinweis auf die Sensor - Pixel - Zahl. Wird per Software eine davon abweichende "Capture Size" eingestellt, wird Diese für alle folgenden Photos beibehalten bis zur Wahl einer neuen Pixel - Größe. Die Scharfstellung eines Bildes mit dem etwas schwergängigen Drehobjektiv der Kamera ist für Objekt - Distanzen von kurz vor der Objektiv - Front bis unendlich möglich. Aufgenommene Bilder erschienen über die Zeit hinweg helligkeitsstabil, aber weniger scharf als bei anderen Modellen.

"Hama PC-Webcam AC-150": Ein per Maus - Klick auslösbarer Schnappschuss ist über die Software "USB 2.0 PC CAMERA" der "Grundig Hochleistungskamera", siehe oben, möglich. Das Objektiv ist leichtgängig drehbar. Laut Umverpackung beträgt die reale Auflösung 640 x 480 Pixel. Aufgenommene Bilder erschienen über die Zeit hinweg mit für spektralanalytische Zwecke zu starken Helligkeitsschwankungen auf stark verrauschtem Untergrund.

"Hama MX Pro II Webcam": Auf einem Windows XP - Rechner war die Software beim Logo - Test durchgefallen. Mit der Software zur "Grundig" - Kamera, siehe oben, waren hier ebensowenig Bild - Aufnahmen möglich wie mit dem Webcam - Tool "Amcap". Unter Windows 7 konnten zwar ein Kamera - Treiber installiert und ein Aufnahme - Fenster geöffnet werden, doch ohne die Option eines per Software auslösbaren Schnappschusses, der nur über den Umweg eines Screenshots möglich war. Das Objektiv ist etwas schwergängig drehbar. Das Aufnahme - Format ist bei diesem Modell zu 640 Pixel x 480 Pixel deklariert in Übereinstimmung mit den Abmessungen eines Schnappschuss - Photos. Aufgenommene Bilder erschienen über die Zeit hinweg helligkeitsstabiler und etwas schärfer als bei den anderen getesteten Kameras, allerdings scheint das geringere Bild - Rauschen durch verringerte Licht - Empfindlichkeit erkauft zu sein. Nach Entfernung der Kamera - Halterung blieb ein Stutzen an der Kamera - Unterseite bestehen, auf dessen gewaltsame Entfernung verzichtet wurde. Stattdessen wurde die Kamera - Oberseite zum Unterboden umfunktioniert.

"Webcam Logilink UA0101": Die Mini - CD mit der Kamera - Software wurde vom Notebook und vom Microtower des Verfassers ignoriert. Für Schnappschüsse konnte die Software zur "Grundig Hochleistungskamera", siehe oben, genutzt werden. Mit dem leichtgängig drehbaren Objektiv sind sehr geringe Objekt - Entfernungen scharfstellbar. Aufgenommene Bilder erschienen über die Zeit hinweg helligkeitsstabil, aber weniger scharf als bei anderen Kamera - Modellen, auch wegen deutlicher Farbsäume um kontrastreiche Bild - Muster.

 

 

Test - Spektrograph mit Webcam


 

Als Boden - Platte wurde ein dunkelblaues Kunststoff - Frühstücksbrettchen verwendet. Alle Klebverbindungen erfolgten mit Photokleber. Eine viereckige Licht - Schutz - Wand aus einseitig schwarz beschichtetem Bastelkarton, etwas kleiner als die Bodenplatte, wurde auf diese aufgeklebt mit der schwarzen Seite zum Spektrograph - Innern hin. Eine der beiden schmalen Seiten dieser Wand hatte eine Aussparung, hinter der die oben beschriebene, aus 3 zusammengeklebten Rasierklingen bestehende Spalt - Blende mit senkrechter Ausrichtung der Spalt - Öffnung angeklebt war. Die Aussparung war so schmal gehalten, dass von dem Rasierklingen - Trio nur die Spalt - Öffnung selbst freigestellt war. Die andere Schmalseite der Schutz - Wand hatte am oberen Rand eine kleine Aussparung als Durchlass für das Kamera - Kabel, das außerhalb des Gehäuses am Grundbrett durch Kleben fixiert worden war. Es hat sich gezeigt, dass bei großer Helligkeit im Experimentierraum das durch die Spalt - Blende und den Kamera - kabel - Durchlass ins Spektrograph - Innere eindringt, dass helle Knickstellen im Karton der Licht - Schutz - Wand und die Licht reflektierenden Klebefugen zwischen Karton und Boden - Platte im Kamera - Bild als helle Linien sichtbar waren. Diese lagen jedoch abseits eines aufgenommenen Spektrums.

Ein zunächst als zusätzlicher Licht - Schutz und Halter eines Beugungsgitters hinter dem Spalt im Gerät - Innern aufgeklebtes, mit mattschwarzem Bastelpapier ausgekleidetes Papprohr (Tubus), zugeschnitten aus dem Träger einer Küchenrolle, wurde wieder entfernt, da bei intensiver Belichtung des Spalts störendes Licht aus Reflektion an den Rohr - Wänden auftrat. Stattdessen wurde das Gitter [9] auf einen kleinen Schirm aus schwarzem Bastelkarton, die schwarze Seite zur Kamera - Seite hin ausgerichtet, versehen mit einem Fenster mit den Abmessungen des Fensters des Gitter - Dias und mit seitlichen abgeknickten Laschen zur Aufrechthaltung von Schirm und Gitter, aufgeklebt so, dass eine gedachte Linie zwischen Spalt und Gitter rechtwinkelig zu den Beiden und durch deren Mitten verlief. Anders ausgedrückt: Gitter - Dia und Spalt - Rasierklingen waren parallel zueinander ausgerichtet und mit ihren Mitten einander zugewandt. Die zur Kamera weisende Seite des Gitter - Dias war auf dem Dia - Randrahmen mit schwarzem Bastelpapier beklebt zur Verhinderung störender Licht - Reflexe am weißglänzenden Dia - Rahmen. Wichtig ist die Sicherstellung der parallelen Ausrichtung von Gitter - Linien und Spalt - Längsöffnung zueinander, siehe auch oben.

Um den Spektrograph - Aufbaut möglichst einfach zu halten wurde auf eine Kollimator - Optik, die das von der Spalt - Blende kommende, sich Fächer - förmig vebreiternde, also divergierende, Licht - "Bündel" zu einem parallelen Verlauf umformt, verzichtet und durch einen möglichst großen Abstand zwischen Spalt und Beugungsgitter erreicht, dass nur das Licht nahe der optischen Achse, die durch den Spalt und das Gitter geht, vom Kamera - Objektiv erfasst wurde. Dieses achsennahe Licht divergiert wellenlängenabhängig weniger stark als das achsenfernere. Dennoch verursacht diese Divergenz eine Verbreiterung von Spektrallinien im Photo der Spektrograph - Kamera zusätzlich zur allgemeinen Abbildungsunschärfe. Diese Breitendehnung ist auch abhängig von der Licht - Wellenlänge, daher wird bei einer bestimmten Drehstellung des Kamera - Objektivs immer nur eine Spektrallinie einer bestimmten, sich aus der Beugungsgeometrie des Gitters ergebenden Licht - Wellenlänge am wenigsten verbreitert abgebildet. Zur Abbildung der Linien eines gesamten UV - VIS - NIR - Spektrums muss daher ein Kompromiss bei der Scharfstellung auf die einzelnen Spektrallinien eingegangen werden.

Als Kamera wurde unter den oben beschriebenen Webcams das Modell "Hama MX Pro II Webcam" wegen des relativ geringen Bild - Rauschens für den Versuchsaufbau gewählt. Das Licht für ein Test - Spektrum wurde erzeugt von einem billigen Geldschein - Prüfer [10], dessen Schwarzlicht - Röhre gegen eine Klarglas - Quecksilber - Gasentladungsröhre ausgetauscht wurde [8]. Zum Schutz von Augen und Händen vor UV - Strahlung wurden eine UV - Schutzbrille und porenlose Handschuhe getragen. Die Licht - Quelle wurde mittig außerhalb des Spektrographen vor der Spalt - Blende positioniert. Dann wurde die Kamera, mit ihrer flachen Oberseite auf der Bodenplatte aufsitzend, unter Beobachtung des von ihr mittels "Amcap", siehe oben, aufgenommenen Vorschau - Videos mit den Spektrallinien auf der Bodenplatte so lange relativ zum Beugungsgitter verschoben, dass im Spektrum - Bild das Spektrum 0. Ordnung (Vom Gitter ungebeugt durchgelassenes Spalt - Licht) als weiße Linie nahe des Bild - Randes erschien und die blauen und die grüne Spektrallinie des Quecksilber - Spektrums etwa in Bild - Mitte auftraten, zwar in möglichst großem Abstand voneinander, aber nur so weit, dass noch Platz für den an den grünen anschließenden roten Spektralbereich im Kamera - Bild blieb. Die Breite des vom Gitter erzeugten Spektrums im Kamera - Bild nimmt mit zunehmender Distanz zwischen Gitter und Kamera - Objektiv zu, die Bild - Helligkeit nimmt zugleich jedoch ab. Bei optimaler Ausrichtung zeigt das Kamera - Objektiv etwas schräg zum Gitter - Dia hin. In dieser Stellung wurde die Kamera, unter ständiger Kontrolle des Spektrallinien - Bildes im Video - Fenster, auf der Bodenplatte festgekebt. Nach dem Abtrocknen mehrerer Verstärkungsklebungen wurde durch Drehen des Objektivs eine etwa gleich auf die blauen Spektrallinien und die grüne Linie verteilte Bild - Schärfe eingestellt. Bei einer Spektrum - Aufnahme wurde zur Fernhaltung von Störlicht ein Deckel aus schwarzem Bastelkarton auf die Wand des Spektrographen aufgelegt. Das folgende Bild zeigt den Spektrographen ohne Deckel:

 

 

Da mit dem vom Verfasser verwendeten Computer ein Software - gesteuerter Schnappschuss nicht möglich war, wurde während der Video - Vorschau - Aufnahme des Lampenspektrums, angezeigt im "Amcap" - Fenster mit den voreingestellten Abmessungen, ein Bildschirm - Druck aufgenommen. Dieser wurde mit dem "Windows" - Zubehör "Paint" geöffnet und es wurde das Spektrum darin mit dem Werkzeug "Rechteckige Auswahl" ausgeschnitten und in die Zwischenablage kopiert. Aus dieser wurde das Spektrum in ein neues Paint - Fenster, zur Vermeidung überstehender Hintergrund - Ränder auf 1 Pixel mal 1 Pixel Größe voreingestellt, eingefügt und gespeichert, zur Minimierung des Verlustes von Bild - Informationen als Bitmap - Datei. Im so erhaltenen Spektrum sind nur die 3 stärksten Spektrallinien von Quecksilber im sichtbaren Spektralbereich erkennbar:

 

 

Die weiße Linie am linken Bild - Rand wird vom ohne Beugung durch das Gitter gehenden Spalt - Blende - Licht erzeugt, vom Spektrum 0. Ordnung, in dem alle Wellenlängen am gleichen Ort vereint sind.

Mit "ImageJ" wurde aus der gesamten Fläche des obigen Photos folgendes Spektrogramm erzeugt, hier mit 10-facher Vergrößerung, die erzeugt wurde mit der Befehlsfolge im primären Spektrogramm - Fenster "More >>" -> "High-Resolution Plot..." -> Im dann sich öffnenden "High-Resolution Plot..." - Fenster Titel und Vergrößerungsfaktor wählen -> "OK":

 

 

Das Spektrogramm oben wie auch die numerische, von "ImageJ" erzeugte Bild - Grauwerte - Liste zeigt, dass die hier eingesetzte Webcam in der Regel Helligkeitswerte unterhalb des Messwerts 9 auf diesen Wert nivelliert. Nur beiderseits heller Spektrallinien kann ein Messwert zwischen den Grauwerten 8 und 9 liegen. Dies könnte ein Effekt der Kamera - Elektronik sein. Abseits dieser Anomalien werden also Linien unterhalb des Grauwerts 9 im Spektrum - Photo und damit auch im Spektrogramm unterdrückt.

Die Grauwerte - Liste zeigt auch, dass in diesen Daten mehr spektrale Information enthalten ist als im Photo, im primär von dieser Software erzeugten Spektrogramm oder in dessen Vergrößerung, siehe oben. Um diese zunächst verborgenen Informationen sichtbar zu machen wurden folgende Möglichkeiten getestet:

Im Spektrogramm - Fenster von "ImageJ" wurde mit der Befehlsfolge "More >>" -> "Set Range..." als Ausschnitt aus der Y - Achse der Grauwert - Bereich 9 bis 9.2 eingestellt. Das resultierende Spektrogramm ist nachfolgend abgebildet:

 

 

Im obigen Detail - Spektrum tritt nun auch ein Peak im Bereich der Kamera - Sensor - Pixel - Spalten 36 bis 38 auf. Da jedoch dieser sowie der Peak in den Spalten 77 bis 80 auch im Spektrum des Lichts einer LED - Lampe, siehe unten, vorhanden sind, scheinen beide Peaks durch, vielleicht herstellungsbedingte, Unregelmäßigkeiten der Eigenschaften der Licht - empfindlichen Sensor - Pixel verursacht zu sein.

Ein Versuch, besagte schwache Messwert - Peaks als Diagramm - Peaks sichtbar zu machen durch Kopieren der Liste mit den Messwerten und Messwertnummern in ein Tabellenformular der Tabellenkalkulation "Excel Starter", Zubehör von "Microsoft Windows", Erstellung eines Diagramms durch diese Software und Vergrößerung des Diagramms durch Ziehen an den Anfassern im Diagramm - Rahmen brachte folgendes Ergebnis: Statt eines Hervortretens schwacher Peaks bei Diagramm - Vergrößerung verschwand der schwache Peak bei Pixel 77 bis 80, siehe Spektrogramm oben, und blieb auch beim Zurückfahren der Diagramm - Größe auf das Ausgangsformat verschwunden.

Da der Webcam die Möglichkeit zur Langzeitbelichtung fehlt, entfällt auch die Option einer Verstärkung schwacher Peaks auf diese Weise.

Ob durch eine Belichtung mit einer ein Spektrum mit kontinuierlicher Wellenlänge - Verteilung erzeugenden Licht - Quelle zusätzlich zum von einer Analysenprobe kommenden Licht schwache Probe - Peaks über die Schwelle der von der Kamera - Elektronik unterdrückten Licht - Intensitäten angehoben werden können, wurde mittels des Test - Spektrographen, der oben erwähnten Quecksilber - Entladungslampe und einer Leuchtdioden (LED) - Lampe geprüft. Das Kontinuum - Licht muss hierbei durch das Licht der Spektrallinien - Quelle hindurch scheinen, um eine Anhebung des Untergrunds unter den Linien zu erzielen. Im vorliegenden Fall wurde die Enladungsröhre im Betrieb vom LED - Licht durchstrahlt in Richtung der Spektrograph - Eingangsspalt - Blende. Eine Glühlampe als Kontinuum - Quelle hätte zwar eine gleichmäßigere Intensität - Verteilung über die Wellenlängen hinweg erzeugt, hätte aber im blauen Spektralbereich nur schwach gestrahlt. Bei zu starker Einwirkung des LED - Lichts können stärkere Peaks in den Bereich der Empfindlichkeitssättigung der Kamera - Sensoren gelangen, in dem alle Peaks mit einer darüber liegenden Intensität auf das Sättigungsniveau nivelliert werden. Im Spektrum - Photo würde sich Dies in Form einer einheitlich hellen weißen Tönung von Spektrallinien zeigen, im zugehörigen Spektrogramm in Form eines Abschneidens von Peak - Spitzen auf einem einheitlichen Nivellierungsniveau. Auch kann durch eine Verstärkung des Spektrum - Untergrunds die Unterdrückung des Bild - Rauschens ausgehebelt werden. Folgendes Bild zeigt das Spektrum des LED - Lichts alleine: 

 

Das Auffächerungsmuster im Spektrum könnte durch Unregelmäßigkeiten im Spiegel um die Leuchtdiode in der Lampe bedingt sein, da es im Spektrum - Photo des Quecksilber - Lichts, siehe oben, weniger ausgeprägt ist.

Bei Durchstrahlung der leuchtenden Quecksilber - Entladungsröhre mit dem LED - Licht wird folgendes Spektrum - Photo erhalten:

 

 

Aus diesen beiden Photos wurden mit "ImageJ" folgende Spektrogramme erstellt, zunächst das des LED - Lichts alleine:

 

 

Auch im obigen Spektrogramm sind Peaks im Bereich der Kamera - Sensor - Pixel - Spalten 35 bis 37 und 76 bis 80 erkennbar, wie bereits im Spektrogramm des Quecksilber - Lichts alleine, siehe oben, dazu noch ein Peak in den Spalten 511 bis 513. Diese Peaks können also nicht vom Quecksilber in der Entladungslampe stammen. Zudem hat gegenüber dem früher aufgenommenen Spektrum der Erstgenannte der obigen 3 Peaks an Höhe zugelegt.

Nachfolgend das aus der Überlagerung von Quecksilber - und LED - Licht erhaltene Spektrogramm:

 

 

Das Spektrum des LED - Lichts ist oben von den Peaks der 3 auch im Photo des Quecksilber - Spektrums erkennbaren Peaks überlagert.

Aus den von "ImageJ" gelieferten Messwerten zu den beiden obigen Spektrogrammen wurde mittels des "Windows" - Zubehörs "Excel Starter" ein Diagramm erstellt, das die Differenz zwischen den Grauwerten der vom LED - Licht durchstrahlten Quecksilber - Lampe und des LED - Lichts alleine zeigt:

 

 

Die negative Differenz der Grauwerte im Bereich der Sensor - Pixel - Spalten 380 und 440 bedeutet, dass in diesem Spektralbereich aus der Kombination von Quecksilber - Röhre - Licht und LED - Licht weniger Licht auf den Kamera - Sensor gefallen ist als aus der LED - Lampe alleine. Vielleicht wurde das LED - Licht im Plasma der Röhre absorbiert oder gestreut. Der Vergleich der beiden von "ImageJ" erstellten Spektrogramme oben legt außerdem nahe, dass sich mit zunehmender Leuchtdauer der LED deren Wellenlänge - abhängiges Intensitätsprofil ändert. Dieser Effekt lässt es wenig sinnvoll erscheinen, schwache Spektrallinien der Quecksilber - Röhre hervorzuheben durch Subtraktion des Spektrogramms für das LED - Licht alleine vom Spektrogramm für das Quecksilber - plus das LED - Licht, da dabei wegen der Änderungen der zeitlich versetzt aufgenommenen Spektren neue spektrale Muster entstehen, die eine Erkennung von Quecksilber - Spektrallinien erschweren würden.

Daher wurde in Detail - Ausschnitten aus dem LED - Licht - unterstützten Spektrum der Entladungsröhre nach schwachen Quecksilber - Linien gesucht, speziell nach dem Linien - Paar im orangen Spektralbereich, das auch im Spektrum oben am Anfang des vorliegenden Kapitels zu sehen ist:

 

 

Möglicherweise ist durch den hellen Untergrund des LED - Lichts die Überstrahlung zwischen den Sensor - Pixeln der Webcam so stark, dass die beiden eng benachbarten Peaks des orangen Quecksilber - Linien - Paars, im Spektrogramm zur Leuchtstoff - Lampe unten in den Pixel - Spalten 405 und 408 gelegen, zu einem Gemeinschaftspeak im Spektrogramm verschmelzen.

Bei das Quecksilber - haltige Füllgas stärker anregenden Leuchtstoff - Lampen treten die beiden orangen Linien etwas deutlicher hervor:

 

 

Im Bereich der orangen Bande ist in deren zentralem Abschnitt sehr schwach die Andeutung einer orangen Doppellinie zu sehen. Wird nur in Höhe dieses Bereichs ein Spektrogramm aus einem bezüglich Höhe und Breite auf diesen Bereich begrenzten Ausschnitt - Rahmen erstellt, treten die beiden benachbarten Linien als Peaks in den Pixel - Spalten 405 und 408 hervor:

 

 

Wird der Rahmen für die Spektrogramm - Erstellung auf das ganze Spektrum - Photo ausgedehnt, werden die beiden Peaks wegen Einbeziehung inhaltsarmer Rand - Bereiche um die Spektrallinien herum eingeebnet und sind deswegen dann im Spektrogramm nicht mehr erkennbar.

Aus den obigen Tests ergibt sich, dass der hier beschriebene Webcam - Spektrograph nur brauchbar ist bei vorheriger Trennung der chemischen Elemente einer Analysenprobe. Wegen der breiten Spektrallinien in einem Spektrum - Photo ist nur die Anregung weniger starker Linien jeweils eines einzelnen Elements in einer Probentrennfraktion analytisch von Nutzen, da bei Spektren mit vielen Linien Diese sich gegenseitig überlappen könnten. Bei einer Analyse sollte die Anregung der Probe schrittweise intensiviert werden, bis im vom Spektrograph erzeugten Vorschau - Video die ersten, das bedeutet die stärksten, Linien eines chemischen Elements erscheinen. Nach Speicherung eines Photos davon kann die Anregung weiter verstärkt erfolgen, bis weitere schwächere Linien auftauchen. Die zuerst aufgetauchten Linien können dann allerdings zunehmend verbreitert erscheinen wegen zunehmender Überstrahlungseffekte zwischen den Pixel - Spalten des Webcam - Bild - Sensors. Da Dieser nur Licht - Intensitäten bis zu einer Obergrenze helligkeitsproportional erfassen kann, werden Spektrallinien bei Überschreiten dieser Grenze nur noch als einheitlich helle Balken in einem Spektrum - Photo wiedergegeben. Solche Spektrallinien sind dann für quantitative chemische Analysen nicht mehr nutzbar.

Hier noch einige Hinweise zur Unterscheidung der durch Unregelmäßigkeiten der Licht - Empfindlichkeiten und Dunkelströme der Kamera - Sensor - Pixel bedingten von durch eine untersuchte Analyse - Probe stammenden Mustern in einem Spektrum:

Eine Probe - Spektrallinie sieht aus wie die in den obigen Spektrum - Photo - Beispielen sichtbaren Linien.

Der Abbildungsmaßstab sollte bei der Spektrograph - Kamera so gewählt werden, dass eine echte Spektrallinie sich über einige Pixel - Spalten hinweg erstreckt und ihr Helligkeitsmaximum sich etwa inmitten dieser Spalten - Reihe befindet.

In ihrer Längsrichtung, also über die Pixel - Zeilen hinweg, kann eine Spektrallinie, bedingt durch unregelmäßige Kanten einer Spalt - Blende, variierende Helligkeiten aufweisen, doch sind diese Variationen bei echten Spektrallinien für solche unterschiedlicher Licht - Wellenlängen immer gleich.

Durch unterschiedliche Dunkelströme von Sensor - Pixeln erzeugte Bild - Muster können anhand eines Photos erkannt werden, dass bei völliger Abschattung des Kamera - Objektivs von Licht aufgenommen wurde.

Durch unterschiedliche Licht - Empfindlichkeiten von Sensor - Pixeln erzeugte Muster können durch Aufnahme von diffusem Licht, erzeugt durch eine im gesamten VIS - Spektralbereich strahlende Licht - Quelle und eine vor das Kamera - Objektiv platzierte, gleichmäßig ohne Helligkeitsunterschiede getönte graue bis weiße Fläche erkannt werden, wobei zusätzlich das Objektiv auf eine Entfernung weitab dieser Fläche scharf gestellt wurde./p>

Wegen möglicher Änderungen der Eigenschaften einer Kamera im Lauf der Zeit sollten Test - und Vergleich - Spektren vor jedem Spektralanalyse - Durchgang gewonnen werden.

Ein mit der Kamera des oben beschriebenen Spektrographen aufgenommenes Dunkelphoto zeigt bei Einbeziehung der gesamten Bild - Fläche im mit "ImageJ" erstellten Grauwert - Profil über die Pixel - Spalten hinweg eine Linie mit dem Grauwert 0,000 im gesamten Verlauf bis auf die 2 letzten Pixel - Spalten am rechten Bild - Rand, anscheinend ein Artefakt der Kamera - Elektronik. Das deutet darauf hin, dass die Dunkelströme der Sensor - Pixel keine Peaks in einem Spektrum erzeugen.

Diffuse schwache Beleuchtung des Kamera - Objektivs erzeugt ein Photo, auf dem einzelne Bild - Pixel durch Farbe und Helligkeit hervortreten. Zum Beispiel zeigt das Grauwert - Profil eines eng um einen solchen Störpixel gezogenen Bild - Ausschnitts einen Peak in Pixel - Spalte 92, der einem Spektralpeak sehr ähnlich ist, wie folgendes Profil zeigt:

 

 

Dieser Störpeak wird aber bei Verbreiterung des Bild - Ausschnitts schneller kleiner als ein echter Spektralpeak wegen Einbeziehung benachbarter weniger auffälliger Bild - Pixel innerhalb der Störpeak - Spalte in die Grauwert - Berechnung. Bei einem echten Spektralpeak dagegen hat eine Verbreiterung des Bild - Auschnitts über die Pixel - Zeilen hinweg eine viel geringere Auswirkung auf die Peak - Höhe.

 

 

Quellen und Anmerkungen


 

1. Freeware "ImageJ": https://imagej.net/Welcome
2. Müller, Marina: Handyspektrometer für den Unterrichtseinsatz. Zulassungsarbeit an der Universität Augsburg, AG Experimentelle Plasmaphysik. Vorgelegt am 26.03.2015:https://www.ipp.mpg.de/4071259/ZuLa_Mueller.pdf
3. Rasierklingen sind in Drogerien und Supermärkten erhältlich, Trapezklingen in Baumärkten und im Webshop der Firma Pollin (http://www.pollin.de, Artikel - Nr. 511 055 und 510 925).
4. Gleichseitiges Kronglas - Prisma der Firma AstroMedia: http://astromedia.eu/Material-fuer-Selbermacher/OPTI-Media-Prismen/Das-Goethe-Prisma::251.html
5. Siehe Kapitel: "Prismen, Gitter und Spalte für die Spektralanalyse"
6. Hier wurde "Plaka" - Farbe, Marke "Pelikan", Nummer 70 schwarz matt, verwendet, erhältlich im Bastelartikel - Handel.
7. "OPTI Media Achromat Nr. 51" der Firma AstroMedia: http://astromedia.eu/
8. Klarglas - Quecksilber - Niederdruck - Gasentladung - Stiftsockel - Röhre "TUV 4W G4 T5", siehe auch http://www.lih.de/images/kataloge/katalog_79.pdf, erhältlich zum Beispiel bei Fa. Reichelt, http://www.reichelt.de, Artikel - Name "UV Löschlampe". Kann in Handlampen eingesetzt werden, die gleich dimensionierte (15 cm Länge über Stifte, etwa 1,5 cm Durchmesser) 4 Watt - Normal- oder Schwarzlicht - Leuchtstoff - Röhren nutzen.
9. AstroMedia Versand: http://www.astromedia.de Bestellnr. 407.NDI
10. "UV-Leuchte DL-01", 6 Volt (Batterien), 4 Watt, der Fa. Pollin Electronic, http://www.pollin.de
11. Arc Line Lamps. Veröffentlicht im Internet: http://www2.keck.hawaii.edu/inst/Iris/arc_calibrations.html
12. Kaye&Laby Tables of Physical and Chemical Constants. Veröffentlicht im Internet: http://www.kayelaby.npl.co.uk/general_physics/2_5/2_5_5.html
13. "Media Player Classic - Home Cinema". Diese Freeware ist auf manchen Speicher - Sticks installiert und kann aus dem Web abgerufen werden: http://sourceforge.net/projects/mpc-hc/

 

 

Zuletzt aktualisiert am 04.11.2018
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