Wie gut sollte man die Fraunhoferlinien sehen?

[Michael_Haardt]

Ich habe ein Mini-Spektroskop und visuell sehe ich vielleicht ein gutes Dutzend Linien, einige davon sehr deutlich. Aber jeder Versuch, das Bild auf eine Kamera zu bekommen, ergab sehr viel schlechtere Ergebnisse, in denen man vielleicht 2-3 Linien ahnen kann. Nun ist die Auflösung dieses Systems natürlich bescheiden und die Linien sind sehr fein, also ist zu erwarten, dass die PSF sie weg glättet.

Aber was ich so an Spektrogrammen im Netz sehe, zeigt die Linien auch nur sehr wenig. Leider steht die Auflösung nie dabei. Bei einem OceanOptics HR2000 sieht man die Linien schon, wenn man die Faser in den Himmel hält, aber ich hatte irgendwie mehr als einen Absenkung von ein paar Prozent erwartet.

Kann mir jemand sagen, warum das visuell so viel besser ist? Oder mache ich auch beim HR2000 etwas falsch?

Michael

 

[Ehemaliges Mitglied]

Hallo Michael,

das HR2000 Spektrometer von Ocean Optics hat laut den technischen Spezifikationen bereits ein eingebautes lineares CCD-Detktor-Array (siehe Manual): Manual HR2000
Die in der Regel mitgelieferte "OOIBase32 Spectrometer Operating Software" für die Steuerung und Spektrenauswertung macht eigentlich das von Dir erwähnte abfotografieren überflüssig: OOIBase32

Aber jeder Versuch, das Bild auf eine Kamera zu bekommen, ergab sehr viel schlechtere Ergebnisse, in denen man vielleicht 2-3 Linien ahnen kann.

Oder habe ich etwas bezüglich Deiner Messanordnung falsch verstanden?

Die erreichbare Auflösung ist abhängig von von der Linienanzahl des eingebauten Reflexionsgitters und von der Spaltbreite (bzw. von der verwendeten optischen Faser, die zu Einkoppeln des Lichtes verwendet wird).

Beste Grüsse

Matthias

 

[Michael_Haardt]

Ich habe versucht, ein Mini-Spektroskop, wo ich die Linien visuell sehe, mit der Kamera zu erfassen und das gelingt kaum. Das HR2000 habe ich zum Vergleich benutzt. Da bekomme ich direkt Daten. Die Linien sind beim HR2000 als kleine, schmale Absenkungen sichtbar, aber ich hatte nach dem visuellen Eindruck am Spektroskop auch da mehr erwartet und beim HR2000 kann es eigentlich nicht an der Auflösung liegen.

Das erinnert mich etwas an die Fotografie von Planeten, die man im Okular scharf sieht, aber beim Fotografieren fängt man die neural kompensierte Luftunruhe mit ein. Aber mir ist nicht klar, ob es Frequenzjitter in den Fraunhoferlinien gibt, was diese Diskrepanz zwischen visuell und Abbildung erklärt, oder ob ich sonst einen Denkfehler bei meiner Erwartung habe.

Michael

 

[Ehemaliges Mitglied]

Ich habe versucht, ein Mini-Spektroskop, wo ich die Linien visuell sehe, mit der Kamera zu erfassen und das gelingt kaum. Das HR2000 habe ich zum Vergleich benutzt.

Ah ok. Ich hatte Dich vorher falsch verstanden.

Das erinnert mich etwas an die Fotografie von Planeten, die man im Okular scharf sieht, aber beim Fotografieren fängt man die neural kompensierte Luftunruhe mit ein. Aber mir ist nicht klar, ob es Frequenzjitter in den Fraunhoferlinien gibt, was diese Diskrepanz zwischen visuell und Abbildung erklärt, oder ob ich sonst einen Denkfehler bei meiner Erwartung habe.

Michael

Die Luftunruhe sollte bei einer diffusen Lichtquelle wie dem Tageslicht und einem Spalt-Spektrographen eigentlich keine Rolle spielen (ich gehe davon aus, dass Dein Mini-Spektroskop einen Eintrittsspalt besitzt).

Bei der Erfassung des Bildes mit einer Farbkamera (Bayer-Filter-Array des CMOS-Sensors) kann es beim Debayering und der Datenkompression zu Auflösungsverlusten kommen. Die Linien werden dadurch etwas breiter und sind weniger gut sichtbar.

Grüsse

Matthias

 

[Ehemaliges Mitglied]

Hier sind zum Vergleich einmal die Fraunhofer-Linien dargestellt, die ich mit einem einfachen selbstgebauten Handspektroskop detektieren kann. Das Transmissionsgitter war abweichend vom gezeigten Aufbau ein 300 Linien/mm Gitter von Thorlabs, welches für den NIR-Bereich optimiert wurde (zur Detektion der OH Meinel-Banden). Die Kamera war eine Canon 450 Da. Das Spektrum ist nicht korrigiert und wurde normalisiert.

 

[Michael_Haardt]

Vielen Dank! Dieser Vergleich des visuellen Bildes mit den Daten hilft mir enorm. Der visuelle Eindruck am Spektroskop ist mit Deinem Bild vergleichbar, wenn ich einmal davon absehe, kein NIR sehen zu können. Das Spektroskop hat einen Schlitz, aber es gab leider keinerlei Beschreibung dazu.

Ich wundere mich etwas, wie klein die Linien im Grün- und Blaubereich in den Daten sind. Normalerweise sieht man so kleine Abstufungen visuell nicht. Vielleicht liegt es daran, dass es Linien sind, dass man sie visuell besser wahrnimmt, und das ist die Auflösung meiner Frage.

Das HR2000 (leider nicht meins) zeigt schärfere Peaks, aber das ist bei dem Preis wohl auch zu erwarten. Ein Rohbild, ohne Schwarzabzug oder irgendwas sonst:

Wozu dient das Prisma in Deinem Aufbau? Wie breit ist der Schlitz? Hast Du keine Kollimationslinse, vielleicht wegen des Gitters mit nicht zu vielen Linien?

Ich werde mir die Sache mit der Kamera nochmal gründlich ansehen, nun wo ich eine Vorstellung habe, was maximal zu erwarten ist.

Michael

 

[Arnold3]

Hallo Michael,

ich habe mal mit dem Alpy 600 Spektrographen ein Spektrum bei bewölktem Himmel aufgenommen, der zeigt die Linien ähnlich tief wie das HR2000. Das Foto (mit einem Vergleichsspektrum zur Orientierung) zeigt die Linien visuell recht gut:

Die Auswertung zeigt dann aber, dass die Linien nicht sehr tief sind, da täuscht der visuelle Eindruck im Foto:

Die Linien der Sonne sind durch die geringe Oberflächen Temperatur recht schmal. So richtig tief zeigen sie sich bei mir erst im Sol'Ex Spektroheliographen, da kann ich die Linien ordentlich auflösen, sehe aber nur mehr einen kleinen Teil des Spektrums auf ein mal.

Wenn das Spektrum noch unschärfer ist, werden die Linien auf mehr Pixel verschmiert und dadurch noch seichter. Vielleicht hilft etwas Abblenden (Lochblende unmittelbar hinter dem Okular)?

CS
Arnold

 

[Michael_Haardt]

Dir auch vielen Dank! Das ist eine sehr gute Auflösung und bestätigt meinen Eindruck: Die Linien sind viel schmaler als ich ursprünglich dachte und die Faltung durch die Auflösungsbegrenzung verschmiert sie. Man sieht es visuell vermutlich nur, weil es Linien sind. Eigentlich müsste man das Spektrum einer Laserdiode oder so vermessen und mit dem Datenblatt vergleichen, um die Auflösung des Spektrometers zu prüfen, und das im Diagramm angeben. Bei so feinen Linien ändert das ja alles.

Macht die Software eigentlich Gebrauch davon, wenn das Spektrum schräg steht? Das ergibt ja ein Oversampling und man könnte das SNR verbessern, wenn man viele Pixel auswertet.

Michael

 

[Arnold3]

Die Schräge des Spektrums kommt daher weil ich den Spektrographen nicht sauber justiert habe (Spaltrichtung zu Gitter). Übliche Software kann aber die Krümmung der Linien und die Schrägstellung korrigieren. Die Pixel sind eher zu klein, ein künstliches Oversampling ist daher unnötig. Aber abseits der Mitte (wo die Optik gut korrigiert ist) kommt eine beachtliche Unschärfe durch die Optik zustande. Die macht mir vor allem im UV (H und K Linie) und im Infrarot zu schaffen. Einerseits schlägt die chromatische Längsaberration zu, die kann aber für eine Wellenlänge nachfokussiert werden. Aber die spärische Aberration ändert sich auch mit der Wellenlänge. Daher der Tipp mit dem Abblenden, hilft manchmal.

Eine Laserdiode ist kein gutes Objekt, die hat kein sauberes Spektrum. Da würde ich eher das Sonnenspektrum oder ein stellares Spektrum hernehmen und mit einem auf die richtige Linienbreite gerechneten Referenzspektrum vergleichen. Bei höherer Auflösung funktioniert das nicht mehr, weil die Gase auf der Sonne sich bewegen und man den Dopplereffekt sieht. Da sind die tellurischen Linien viel schmäler, die Erdatmosphäre hat vernachlässigbare Windgeschwindigkeiten, ca. 100 km/h im Jet Stream statt viele km/s auf der Sonne .

CS
Arnold

 

[Ehemaliges Mitglied]

Wozu dient das Prisma in Deinem Aufbau? Wie breit ist der Schlitz? Hast Du keine Kollimationslinse, vielleicht wegen des Gitters mit nicht zu vielen Linien?

Das Prisma dient zur Kompensation der Ablenkung durch das Transmissionsgitter und bringt das Spektrum wieder zurück auf die optische Achse. Dies erlaubt eine gerade Bauweise. Die direkte Kombination eines Gitters mit einem Prisma wird auch als "Grism" bezeichnet (Grating + Prism) und als dispersives Element auch im ALPY 600 von Shelyak verwendet. Die Spaltbreite beträgt ca. 50 Mikrometer. Auf eine Kollimationslinse habe ich verzichtet, da die Auflösung mit einem 500 Linen/mm Gitter bereits für meine Zwecke ausreicht (FWHM=10 Angström; Detektion von sehr breiten atmosphärischen Molekülbanden sowie Messung von Filterprofilen für die BVRI-Photometrie und Astrophotographie). Die Kalibration kann man mit einer einfachen Neonlampe durchführen:

Bei den Filter-Tests erlebt man öfters Überraschungen. "Lecks" im NIR sind häufig detektierbar (siehe CCD-CLS Filter oben).

Grüsse
Matthias