Selbstbau Spektrometer um Filter zu untersuchen

[frasax]

Hallo Forum,

Wenn ihr mal die Wirkungsweise eine Filters anschaulich sehen wollt, dann könnt ihr euch für kleines Geld ein ziemlich leistungsstarkes Spektrometer bauen. Ich habe mal meinen Optolong L-Xtreme damit untersucht. Die Kosten belaufen sich auf unter 50€ und sogar für jemanden mit zwei linken Händen ist das machbar. Man kann natürlich noch einen Haufen anderer Experimente damit machen. Für Schulen, Vereine und Sternwarten sicher auch ganz nett. Mir hat die Abeit daran und damit viel Freude bereitet. Zusammengefasst habe ich das in einem Video.

Spektrometer zum selber bauen zur Vermessung von Astro Filtern. Optolong L-Xtreme Filter

In diesem Video zeige ich euch, wie man sich relativ kostengünstig aus einer alten Webcam und einer CD/DVD ein Spektrometer bauen kann. Mit diesem Spektromet...

youtu.be

CS Frank

 

[Optikus]

Hallo Frank,

auch wenn die Mechanik nicht Deine Lieblingsdisziplin ist, eine tolle Idee und gut umgesetzt! Dazu die wirklich toll anzusehende Software - Spektrum Live

Wie sagt der Ingenieur: fff = form follows function!

CS
Jörg

 

[frasax]

Hallo Jörg,

das kommt aus berufenem Munde, das freut mich
CS Frank

 

[Michael_Haardt]

Prinzipiell geht das so, aber der Teufel liegt im Detail. Spektrometer werden in beiden Achsen kalibriert: Wellenlänge und Intensität.

Bei der Wellenlänge muss man aufpassen, ab wo sich die Beugungen überschneiden und welche Auflösung man bekommt. Eine Kollimationslinse vor dem Gitter wäre evtl. nicht schlecht. Eine weite Entfernung zum Spalt geht auch, kostet aber viel Licht, was zum Messen von Filtern freilich kein Problem ist. Eine geringe Spaltbreite kostet ebenso Licht, bringt aber Auflösung. Die Gitterqualität ist für die Auflösung ebenfalls wichtig. Gedruckte Gitter oder Filmgitter haben sehr schlechte Kanten und streuen. Angeblich ist ein Stück eines DVD-Rohlings (ungebrannt), wenn man die Reflektionsschicht mit starkem Klebeband abreisst, recht gut. Die Linien werden dann zu Bögen, was eine Bildtransformation oder einen schmalen Streifen und Averaging bedingt, aber die scharfen Kanten sollen wenig streuen.

Die Intensität kannst Du mit einer modernen Webcam vergessen, weil das starke Postprocessing die Rücktransformation zu linearen Pixelwerten unmöglich macht. Mit einer QHY5 oder so geht hingegen sehr viel und Du kannst z.B. messen, ob ein Filter AR-Coating hat oder nicht und die Transmissionskurve des Filters bestimmen. Ein monochromer Sensor ist empfindlicher, bei einem Farbsensor hat man an den Filterübergängen oft ein schlechtes SNR. Dafür kann man theoretisch durch Auswahl der geeigneten Farbpixel einen Teil der benachbarten Beugungsordnung ausfiltern, aber ich weiß nicht, ob die Software das kann.

Die Transmissionskurven von Filtern bergen so manche Überraschung, in beiden Richtungen. Wenn man sie kennt, kann man manchmal zwei Filter kombinieren, anstatt einen neuen Filter zu kaufen.

Michael

 

[frasax]

Hallo Michael,

danke für deinen ausführlichen Beitrag. Bitte dabei beachten, dass es sich nicht um ein Projekt handelt um wirklich qualitativ und quantitativ eine gesicherte Aussage zu treffen z B über die Qualität eines Filters. Die Anschaulichkeit stand hier ganz klar im Vordergrund.
Alleine das kalibrieren ist ja hier falsch, denn ich habe ja am "Testobjekt" selber kalibriert, richtig wäre es gewesen an einem bekannten Spektrum z.B. bekannten Linien zu kalibrieren. Auch zwei Laser hätten es getan, habe aber nur einen. Tatsächlich konnte ich mir den Widerspruch in den "Messungen" zunächst nicht erklären, jetzt ist mir das auch klar. Im Praktikum hätte es dafür eine 6 gegeben

Die Spaltbreite habe ich so gering gehalten wie es geht wenn man zwei Rasierklingen mit Gaffa vorne anklebt. Das ganze mal zu verfeinern mit einem echten mechanisch verstellbaren Spalt, einer Kollimatoroptik etc. wäre sicher mal ein spannendes Projekt (gibt es ja auch) aber dann ist es eben kein 50€ Bastelprojekt mehr.
Quantitativ messen kann man m.E. mit diesem Selbstbau Teil nicht, auch das sollte klar sein. Beim Filterhersteller stehen hoffentlich hochwertigere Spektrometer.
Der liebe Josef Pöpsel hat mal ein Spektroskop gebaut für das Ganymed Teleskop, das ist eine ganz andere Hausnummer. Er hat mir angeboten es mal zu testen.

Scientific projects at Capella Observatory

www.capella-observatory.com

Dass eine CD/DVD u.U. sogar besser funktioniert habe ich auch erst gelesen, nachdem ich das Gitter schon gekauft hatte. Erstaunlich!

Bitte beachtet das ein großer Teil der Astrogemeinde nichtmal weiß was ein kontinuierliches Spektrum ist oder ein Linienstrahler. Geschweige denn wie man quantitativ Spektroskopie betreibt. Die Leute kaufen mehr oder weniger blind irgendwelche Filter weil Astrofotograf X Y damit so tolle Bilder macht. Mein Anspruch ist es den Leuten einmal anschaulich zu zeigen was sie da machen, wenn sie einen Filter in den Strahlengang setzen. Warum eine Astromodifikation dann Sinn ergibt, und dass sie damit nicht auf einen Reflexionsnebel oder eine Galaxie halten. Die Neulinge wissen manchmal nichtmal wo der Polarstern ist oder was der Zenit ist. Diese Bandbreite an (Vor)Kenntnissen haben wir in der Astroszene.

CS Frank

 

[Michael_Haardt]

Hallo Frank,

der Preis erlaubt durchaus noch mehr. Als Kollimationslinse wird manchmal ein altes M42 Objektiv benutzt, aber im Grunde kann man irgendwas nehmen, um ein paralleles Strahlenbündel zu erzeugen. Ich benutze zu dem Zweck gerne eine einfache 150 mm Linse, weil nicht so starke Radien weniger Fehler machen. Ein günstiger Achromat mit weniger Brennweite ist natürlich besser, wenn Du ihn in einer Fassung einklebst. Deine Kiste hat ja genug Platz. Das bringt Dir weniger Winkelfehler am Gitter und vor allem mehr Licht. Wie Du siehst, geht es nur mit Abstand auch, aber eine Linse ist eine sehr einfache und wirkungsvolle Verbesserung.

Zur Prüfung des Messbereichs und der groben Kalibrierung der Wellenlängen kann man ein paar 5 mm LEDs benutzen. Man sieht dann, ob die Beugungsordnungen sich überlappen. Die Kosten liegen im Centbereich.

Die Spalteinstellung ist natürlich kitzlig. Alufolie ergibt ganz gute Abstandhalter für kleine Abstände. Gegen Klebeband zur Fixierung ist nichts zu sagen und ein verstellbarer Spalt muss nicht sein.

Die Kamera ist ein Thema, denn alte Webcams ohne Postprocessing sind heute kaum noch zu bekommen. Die allerbilligste Astrokamera, die lineare Bilder rausrückt, wird sehr gut sein. Mit dem Aufbau kannst Du Transmissionskurven bestimmen und hast ein schönes Spektrometer - sofern Du genug Licht hast. Die Linien im Sonnenlicht sollten sehr klar zu erkennen sein.

Für noch mehr Auflösung und vor allem mehr Lichtstärke muss etwas bessere Optik und idealerweise ein größerer Sensor her. Hier eignen sich besonders Achromate auf beiden Seiten und ein bezahlbares Linien-CCD, was man an einem Arduino betreibt. Das ist kein 50 Euro Projekt mehr und auch nicht mal eben zusammengebaut, aber man kommt damit schon sehr weit und kann mit Peltierkühlung des CCDs gute Belichtungszeiten erzielen, ohne sich tief in Kosten zu stürzen. @Reinhard_Lauterbach hier aus dem Forum hat das sehr schön gemacht: Spektrometer

Um noch mehr Licht in die erste Beugungsordnung zu bekommen, braucht man ein Blaze-Gitter, was dann schon richtig teuer wird, exakt einstellbare Mechanik und Spiegel statt Linsen. Es kommt der Punkt, wo man sich auch was Fertiges kaufen könnte. Für den Betrieb am Teleskop ist eine Glasfaserleitung sinnvoll: Konfektioniert teuer zu kaufen oder man braucht einiges an Werkzeug, um selbst zu spleißen.

Michael

 

[frasax]

Hallo Michael,

tatsächlich habe ich noch ein 50mm M42 Objektiv hier rum fliegen. Eine CCD zwar nicht aber eine CMOS und Josef hat glaube ich noch ein Blaze Gitter. Mal schauen, vielleicht mache ich ja dann einen Teil 2 Welche Software empfiehlst du denn zur Analyse?
Interessanter finde ich derzeit aber diese Filter, Staranalyzer 100 und 200.

CS Frank

 

[Michael_Haardt]

Mit fertiger Software habe ich keine Erfahrung. Letztlich muss sie halt die Belichtungszeit und evtl. gain setzen können, man liest die Daten aus und danach ist es wie in der Astrofotografie: Das Dark heisst auch so und das Flat wird Instrumentenfunktion genannt, weil es neben den Pixeleigenheiten auch die spektrale Empfindlichkeit korrigiert. Averaging/Stacking machst Du auch je nach Anspruch an das SNR. Die Auflösung entspricht der PSF beim Fotografieren, d.h. wenig Auflösung macht aus scharfen Peaks kleine Hügel, was beim Vergleich von Spektrogrammen schon mal etwas Fantasie erfordert, wenn die Referenz mit irgendwas richtig Teurem gemacht wurde. Eine schlechte Auflösung ergibt leider ein gutes SNR und umgedreht, aber das ist bei der Fotografie ja auch so: Engbandige Filter brauchen mehr Licht als breitbandige Filter.

Für Filter ist die Instrumentenfunktion egal, da reicht der Dunkelbildabzug. Ohne teure Lichtquellen kann man Belichtungsreihen machen und aus jeder Reihe den Teil nehmen, der gut belichtet ist: Auch in Halogenlicht ist noch ein klein wenig kurzwelliges Licht drin. Das macht man einmal mit und einmal ohne Filter, teilt es, und hat dann die Transmissionskurve. Ich habe die Daten bisher mit Skripten analysiert, allerdings machte ich noch nie Spektrometrie am Teleskop. Ein Spektrometer ist wirklich interessant und sollte in keinem Haushalt fehlen.

Michael