Ein einfaches Webcam-Spektrometer – Teil 1/3 – Der Bau

Vor einiger Zeit hatte ich mal mit einerCD-ROM als Beugungsgitter im Strahlengang des Teleskops experimentiert und Sternspektren aufgenommen und darüber auch diesen Blogbeitrag verfasst. Seitdem ist doch einige Zeit verstrichen, ohne dass ich Nennenswertes in Richtung Spektrometrie unternommen hätte. Umso mehr habe ich mich über das neueste Video von Frank Sackenheim (Astrophotocologne) gefreut, in welchem es um ein kleines, selbstgebautes Spektrometer geht.

Die Einfachheit dieses Spektrometers ist bestechend und die Materialkosten halten sich mit < 50 € wirklich im Rahmen. Zudem ist die dort vorgestellte Software “Theremino Spektrometer” sehr einfach zu bedienen und wirklich intuitiv. Also habe ich die Vorlage von Frank gerne aufgegriffen und habe das Spektrometer nachgebaut.

Wie einfach und primitiv mir das gelungen ist und was es beim Bau zu beachten gibt, davon handelt Teil 1 dieser dreiteiligen Artikelreihe.

Grundlegendes Konzept

Wie jedes Spektrometer, so soll natürlich auch dieses Do-It-Yourself (DIY) Spektrometer Licht (oder allgemeiner: elektromagnetische Strahlung) so auftrennen, dass man sehen kann, aus welchen Wellenlängen (und damit aus welchen Energien) die Strahlung zusammengesetzt ist. Hierzu benötigt man ein sogenanntes “wellenlängendispersives Element”, also irgendein Bauteil, das ist der Lage sein muss, die Strahlung zu zerlegen. Üblicherweise wird hierzu ein Prisma oder ein Beugungsgitter verwendet.

Klingt erst einmal alles recht exotisch! Zum Glück hat aber eigentlich jeder von uns zumindest ein paar Beugungsgitter zu Hause rumfliegen – nämlich in Form von DVDs oder CDs. Hält man diese schräg gegen das Sonnenlicht oder eine andere starke Lichtquelle, dann sieht man die Aufspaltung des Lichts in seine einzlenen Lichtwellenlängen in der Form eines bunten Regenbogenverlaufs auf der Oberfläche der Scheibe.

Um hiermit ein Spektrometer zu bauen braucht es im einfachsten Fall einen schmalen Eintrittsspalt, das dispersive Element (DVD oder CD) und einen geeigneten Detektor (Abb. 1).

Abb. 1: Schematischer Aufbau des Do-It-Yourself (DIY) Spektrometers

Im Falle dieses Selbstbauspektrometers wird der Eintrittsspalt aus zwei Rasierklingen hergestellt, das dispersive Element ist ein käufliches Transmissionsgitter (Ebay/Amazon) oder alternativ ein Stück einer DVD. Als Detektor muss eine günstige Webcam herhalten.

Material

Butter bei die Fische: Was wird benötigt? Ich liste mal auf, was ich zum Bau verwendet habe:

Die Webcam vorbereiten

Die in solchen Webcams verbauten CMOS-Sensoren sind neben dem sichtbaren Licht auch für Anteile des infraroten Lichtes empfindlich. Genauer gesagt für nahes Infrarot (NIR), was letztendlich Wärmestrahlung ist. Diese NIR Empfindlichkeit ist aber für die normale Betriebsweise einer Webcam nicht gewollt. Es hat wenig Sinn bei Konferenzen oder Chats. Deshalb verbauen die Hersteller üblicherweise vor dem Sensor einen kleinen Infrarotsperrfilter. Für den Einsatz als Kamera im Spektrometer ist aber auch das NIR-Licht durchaus von Interesse und und es Nutzbar zu machen, muss der Sperrfilter entfernt werden.

Also habe ich, wie im verlinkten Video vom Frank zu sehen ist, zuerst das Gehäuse der Cam zerlegt. Wenn man die schwarze, spiegelnde Frontplatte der Cam abhebt und löst, kann man das Gehäuse durch zwei Schrauben öffnen. Den hinteren Teil des Gehäuses habe ich zerschnitten, eingeschnitten und dann das Objektiv mithilfe von zwei Kombizangen vorsichtig aus der Fassung gedreht. Danach liegt der Sperrfilter frei (ebenfalls Abb. 2).

Abb.2: Zerlegte Webcam mit beschrifteten Komponenten

Nun muss man sich entscheiden, ob man Löten will oder lieber nicht, denn das USB-Kabel ist sehr filigran an der Platine befestigt. Wenn man hier nicht aufpasst, dann sind ungewollt die feinen Kabel sehr schnell abgerissen und müssen wieder angelötet werden. Da ich das USB-Kabel aber eh durch ein Loch sauber in die Holzkiste verlegen wollte, entschied ich mich das Kabel komplett zu lösen und später wieder anzulöten.

Weitere notwendige Anpassungen an der Webcam nach dem Zerlegen sind dann noch:

  1. Entfernen des IR-Sperrfilters. Nach Abschneiden der Klebepunkte lässt sich der Sperrfilter gut mit einem Cutter-Messer anheben und entfernen.
  2. Trennen des Mikrofonkabels von der Platine. Das Kabel kann knapp über der Platine abgeknipst werden. Es muss noch kontrolliert werden, dass die beiden Reste der Kabel keinen elektrischen Kontakt haben!
  3. Abknipsen der LEDs knapp oberhalb der Platine. Auch hier kontrollieren, dass die Reste keinen Kontakt haben.
  4. Wiedereinsetzten des Objektivs durch Einschrauben

Die DVD-ROM vorbereiten

Als Transmissionsgitter eignen sich leere DVD-ROMs sehr gut. Um aus einer DVD ein solches Gitter herzustellen, nehme man eine leere DVD-ROM und schneide ca. ein 90° Kreisstück aus der DVD heraus. Hierbei aufpassen, dass man nicht mit den Fingern die DVD auf dem Schnittstück berührt oder den Bereich zerkratzt (Abb. 3).

Abb. 3: Teilstück der DVD

Das herausgeschnittene Stück kann nun vorsichtig hin und her gebogen werden. Dabei lösen sich irgendwann die Schichten der DVD an einer Ecke voneinander und man kann diese voneinander Trennen (Abb. 4).

Abb. 4: Die einzelnen Schichten der DVD-ROM

Die komplett transparente Seite des Schnittstücks wird unser Transmissionsgitter werden. Hier sollte man dringen acht geben, dieses nicht unbeabsichtigt auf der Fläche anzufassen oder zu zerkratzen.

Den optischen Spalt herstellen

Der optische Spalt hat die Funktion des kontrollierten Lichteinlasses. Er sollte möglichst schmal sein, aber noch ausreichend Licht in das Spektrometer lassen. Für den Spalt habe ich zwei Rasierklingen mit den scharfen Seiten aneinander gelegt und eine dritte Rasierklinge mittig dazwischen als Abstandshalter positioniert. In dieser Position habe ich dann die beiden Klingen mit Gaffer-Tape fixiert (Abb. 5).

Abb. 5: Zwei alte Rasierklingen und Klebeband als optischer Spalt

Zusätzlich habe ich links und rechts noch mit zwei kleinen Plastik-Teilen die Klingen lichtdicht abgedeckt. Das war es schon für den Spalt.

Alles zusammenbauen

Vor dem Zusammenbau habe ich mit einem Bohrkranz ein Loch in eine Seite der Holzkiste gesägt und zwei Spanplatten für den Einbau in die Kiste zurechtgesägt und auf gleicher Höhe ebenfalls mit dem Bohrkranz ausgesägt. Den vorbereiteten Spalt aus den Rasierklingen habe ich dann mit dem Spalt senkrecht auf die Öffnung der Kiste geklebt.

Als Nächstes habe ich dann das USB-Kabel der Webcam durch eine kleine Öffnung der Kiste gezogen und die Webcam wieder angelötet. Die Webcam habe ich dann auf eine der Spanplatten geschraubt. Damit mir die Kabel nicht beim kleinsten Zug von der Platine abgehen habe ich danach über die Lötstellen eine Befestigung aus Epoxidharz geklebt.

Das Transmissionsgitter habe ich schließlich auf der zweiten Spanplatte aufgeklebt. Die Ausrichtung ist dabei so zu wählen, dass die Mitte der imaginären, vollständigen DVD rechts oder Links mittig von der Öffnung liegen würde (Abb. 8).

Abb. 8: Teilstück der DVD aufgeklebt auf eine Spanplatte

Anschließend wird alles in die Holzkiste eingesetzt (Abb. 9).

Abb. 9: Anordnung der Komponenten zueinander

Dabei wird der Spalt in gerader Linie zum Gitter positioniert und das Gitter ungefähr in einem Winkel von 30° zur Spektrometerwand. Je nachdem mit welchem Material man Gitter und Cam befestigt, ist darauf zu achten, dass die Komponenten für das “Feintuning” noch zueinander beweglich sind. Also hier die Komponenten nur provisorisch einsetzten!

Anschließend kann man das Spektrometer gegen Streulicht noch von innen schwärzen. Ich habe dazu einfach schwarzen Molton-Stoff eingeklebt. Das gewinnt zwar keinen Schönheitspreis – ist aber effektiv.

Theremino Spektrometer installieren und Kamera verbinden

Als Software für da Spektrometer bietet sich die Software “Theremino Spektrometer” an. Nach dem Download wird das Programm lediglich entpackt und kann durch Ausführen der EXE Datei gestartet werden. Im Programm kann dann die Webcam ausgewählt werden und nach einem Klick auf “Run” sollte ein Bild und ein erstes Spektrum zu sehen sein – auch wenn das jetzt noch eher etwas Zufälliges ist (Abb. 10).

Abb. 10: Erstes, zufälliges “Spektrum” nach Start der Software

Feintuning

Nun wird es schon ein wenig spannender. Nach dem groben Anordnen der Komponenten im Spektrometer schließt man den Deckel und strahlt mit einer Taschenlampe oder einer anderen LED Leuchte auf den Spalt des Spektrometers. Das eher zufällige Spektrum zeigt nun deutlichere Ausschläge (Peaks). In Abbildung 11 ist ein Spektrum einer kaltweißen LED-Lenser Taschenlampe zu sehen.

Abb. 11: Spektrum einer kaltweißen LED

Im Bereich “A” ist zu sehen, was wirklich bei der Webcam auf dem Sensor ankommt. Im Fenster darunter generiert Theremino daraus ein UV/VIS/NIR Spektrum. Noch ist das Spektrometer nicht kalibriert. Dies ist gut daran zu erkennen, dass die Farben aus der Webcam nicht mit den Farben übereinstimmt, die Theremino dem Spektrum zuordnet. So ist im oberen Bereich der Webcam links ein eindeutig blauer Peak zu erkennen der im Spektrum aber noch eher im grün/türkisen Bereich angezeigt wird.

Damit das Spektrometer möglichst gut funktioniert, sind zuerst aber folgende Optimierungen zu empfehlen: Als allererstes sollten Spalt, Gitter und Kamera so zueinander stehen, dass das reale Bild in “A” möglichst waagerecht angeordnet ist.

Im unteren Spektrum entspricht der mit “B” bezeichnete Bereich dem UV-Bereich, der Bereich “C” mit dem Taschenlampenspektrum ist der sichtbare (VIS) Bereich und im Bereich “D” wäre IR-Strahlung zu sehen. Da dieses Spektrometer nur wenig UV-Licht nahe dem sichtbaren Bereich anzeigen kann, sollte wie folgt optimiert werden: Durch Variieren des Winkels von Gitter zu Kamera empfiehlt es sich das Spektrum so einzustellen, dass der Bereich “B” kleiner ist als Bereich “D”. (In etwa wie im oben gezeigten Bild).

Dadurch wird potenziell mehr IR-Strahlung angezeigt als UV-Strahlung, was auch den realen Möglichkeiten des Spektrometers entspricht. Wenn dieser Abgleich erfolgt ist, können Kamera und Gitter fixiert werden.

Ausblick

An dieser Stelle ist es soweit. Vor uns steht ein kleines, einfaches aber funktionales Spektrometer mit passender Software auf dem Tisch. Wie geht es weiter? Im nächsten Schritt kalibrieren wir das Spektrometer. Dies geht mit der Software und der richtigen Lampe sehr schnell. Anschließend ist das Spektrometer bereit für Messungen. Und genau ums Kalibrieren und Messen wird es dann im Teil 2 zum Spektrometer gehen.

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