Ein einfaches Webcam-Spektrometer – Teil 2/3 – Kalibrierung und Messung

Nachdem das fertige und halbwegs justierte Spektrometer vor uns steht, müssen wir es kalibrieren um es sinnvoll nutzen zu können. Beim Kalibrieren strahlt man einfach gesagt Licht mit bekannter Wellenlänge in das Spektrometer ein und ordnet in der Software die entsprechenden Signale den Wellenlängen zu. Anschließend kann die Software unbekannten Signalen anhand dieser Kalibrierung eine Wellenlänge zuordnen.

Bevor jetzt die Leserschaft hier endgültig die Flucht ergreift, sei direkt gesagt: Das Kalibrieren unseres Spektrometers ist mit üblichen Hausmitteln möglich. Zudem ist es in der Software “Theremino Spektrometer” schnell und unkompliziert durchführbar. Also alles halb so wild und eine Sache von ein paar Minuten! Versprochen.

Ein paar Informationen zum Kalibrieren

Nach dem Zusammenbauen hat die Software noch keine Information dazu, wo welche Wellenlänge bei unserem Spektrometer eingentlich zu sehen ist. Im vorangegangenen Artikel konnte man dies sehr gut daran erkennen, dass die von der Software automatisch zugeordneten Farben nicht den Farben auf der Webcam-Anzeige entsprachen (Abbildung 11 – Teil 1). Das ändern wir nun mit einer Kalibrierung.

Wir brauchen hierzu Licht bekannter Wellenlänge. Und das sogar zweimal. Denn die Kalibrierung erzeugt mathematisch gesehen eine Gerade und verknüpft die Pixel der Webcam mit einer Wellenlänge. Um diese Gerade zu beschreiben, benötigen wir (mindestens) zwei Stützstellen. Als Quellen für Licht mit bekannter Wellenlänge eignen sich z.B. Laserpointer, Flammen mit Natriumionen aus Kochsalz oder noch viel einfacher: Energiesparlampen auf Quecksilberbasis. Die machen zwar bei der Entsorgung ständig Ärger, sind aber ideal zum Kalibrieren unseres Spektrometers.

Anmerkung: Dadurch, dass wir ein Spektrometer mit einem Beugungsgitter haben, genügen uns zwei Punkte zum Kalibrieren. Denn zum Glück ist die Wellenlängendarstellung bei einem Gitter linear. D.h. zwischen beispielsweise zwei Wellenlängen mit einer Differenz von 10 nm liegen im blauen Bereich genau so viele Pixel auf dem Sensor wie im roten Bereich. Anders ist dies bei Prismen. Hier werden unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich stark gebrochen und der Zusammenhang von Ort auf dem Sensor und Wellenlänge ist nicht mehr linear. Bei einem Prismenspektrometer würden uns 2 Stützstellen nicht ausreichen.

Kalibrieren mit einer Energiesparlampe

Wir benötigen natürlich zuerst einmal eine herkömmliche Energiesparlampe auf Quecksilberbasis (Abb. 1). Energiesparlampen auf LED-Basis tun es nicht, deren Spektrum ist völlig anders. Denn bei Energiesparlampen auf Quecksilberbasis handelt es sich um Linienstrahler. Die in der Lampe enthaltenen Gase und Metalle werden durch Energie angeregt und strahlen anschließend Licht ganz bestimmter und definierter Wellenlängen ab. Dadurch eignen sich diese Lampen zum Kalibrieren unseres Systems.

Abb. 1: Handelsübliche Energiesparlampe

Bei eingeschaltetem Spektrometer und gestarteter Software richten wir nun die eingeschaltete Energiesparlampe auf den Spalt. Anders als beim Spektrum einer LED Lampe sehen wir nun nicht einen großen, breiten Signal-Berg, sondern eine ganze Menge einzelner, spitzer Signale (Peaks). Direkt nach dem Einschalten treten neben den Peaks im sichtbaren Bereich auch eine ganze Reihe an Signalen im IR-Bereich (rechts) auf. In Abbildung 2 (noch unkalibriert) ist dies gut zu erkennen.

Abb. 2: Spektrum einer kalten Energiesparlampe mit Peaks im IR Bereich (unkalibriert)

Diese Peaks im IR werden mit der Zeit weniger und verschwinden nach einigen Minuten (Abb. 3) fast völlig. Mit dem Energiesparlampen-Spektrum auf dem Schirm rufen wir in Theremino über das Menü den Eintrag “Tools > Trim points > Fluorescent 436 546” auf. Wir müssen nun die beiden Peaks für 436 nm und 546 nm zuordnen. Dies gelingt uns durch Ziehen der gelben Kästchen über dem Spektrum . So können wir die Wellenlängen 436 nm und 546 nm auf die entsprechenden Signale setzten, wie in Abbildung 3 zu sehen.

Abb. 3: Spektrum einer warmen Energiesparlampe ohne signifikante IR Anteile (kalibriert)

Es dauert eine kurze Zeit bis man sich im Gewirr der Signale zurechtgefunden hat. Ist das gelungen, setzt man die beiden Stützstellen auf die Signale, und zwar 436 nm auf “B” und 546 nm auf “C” (Abb. 3). Um die Stützstellen robuster zu machen, empfiehlt es sich darauf zu achten, dass die beiden Peaks “A” und “D” anschließend die Wellenlängen 405 nm (A) und 612 nm (D) besitzen. Ansonsten verschiebt man die beiden Stützstellen jeweils 1-2 Pixel nach links oder rechts. Im Idealfall haben nach der Zuordnung der Stützstellen die Signale A, B, C und D die Werte 405 nm (A), 436 nm (B), 546 nm (C) und 612 nm (D). So, und das war es eigentlich schon. Das DIY Spektrometer ist kalibriert.

Alternative Möglichkeiten zur Kalibrierung

Hat man gerade keine Energiesparlampe zur Hand, gibt es noch ein paar weitere Möglichkeiten zu kalibrieren. Beispielsweise mit zwei Laserpointern. Rote Laserpointer haben gewöhnlich 650 nm, grüne Laserpointer strahlen bei 532 nm. Bei nur einem Laserpointer wäre es beispielsweise Möglich, die zweite Stützstelle durch die Natriumlinie bei 589 nm zu kalibrieren. Hierzu kann man z.B. Kochsalz in eine Flamme geben. Dabei entsteht eine intensiv gelb-orange Flamme. Alles in allem ist aber die Vorgehensweise mit einer Energiesparlampe wohl die praktikabelste.

Beispielmessungen

Nachfolgend habe ich als Beispiel für die Möglichkeiten des Spektrometers einige Beispielspektren mit dem kalibrierten Spektrometer aufgenommen. Insbesondere bei den Lasern empfiehlt es sich, den Spalt mit einem dünnen Blatt Papier als Diffusor abzudecken. Der Laserstrahl ist ansonsten zu gerichtet und zu intensiv für den Aufbau. Aber auch bei den anderen Spektren (Energiesparlampe, LED etc) schadet ein Diffusor vor dem Spalt nicht und tut der Qualität der Spektren oft gut.

LED-Lampe

Die folgende Abbildung 4 zeigt das Licht einer kaltweißen LED Taschenlampe. Der Rotanteil des LED Lichts ist schwächer als der Blauanteil, weshalb solche LEDs kühl wirken. Bei den LEDs fehlt jeglicher Infrarotanteil, die Lichtabstrahlung erfolgt nahezu ausschließlich im sichtbaren Bereich.

Abb. 4: Spektrum einer kaltweißen LED Taschenlampe
Halogenlampe

Anders als LEDs emittieren Halogenlampen signifikante Mengen an Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) und sind deshalb nicht so energieeffizient. Abb. 5 zeigt das Licht einer Halogenlampe. Durch den hohen Rotanteil wirken solche Lampen deutlich wärmer, als dies z.B. die kaltweiße LED aus dem vorangegangenen Beispiel tut.

Abb. 5: Spektrum einer üblichen Halogenlampe mit IR Abstrahlung
Roter Laser (650nm)

Dies ist ein Justierlaser für mein Teleskop. Das Spektrum offenbart, dass es sich um einen herkömmlichen 650nm Laser handelt, wie er zuhauf in Laserpointern zum Einsatz kommt.

Abb. 6: Scharfe Laseremission bei 650 nm
Grüner Laser (532 nm)

Dies ist ein Grüner Laser (Typ 303) wie er im Internet bezogen werden kann. Spezifiziert sind die grünen Laser für 532 nm und das Spektrometer misst auch diese Wellenlänge.

Abb. 7: Grünes Laserlicht bei 532 nm
Natrium (Kochsalz) (589 nm)

Durch Hitze angeregtes Kochsalz (bzw. die Natriumionen aus dem NaCl) emittiert Licht auf der gelb-orangen Natrium D-Linie. Eigentlich handelt es sich um eine Doppelline bei 589 nm und 589,6 nm. Eine Auflösung der beiden Linien liegt aber wohl außerhalb dessen, was dieses DIY-Spektrometer leisten kann. Trotzdem wird die Wellenlänge der Emission recht gut gemessen. Lediglich 1 nm daneben ist die Anzeige bei der Messung.

Abb. 8: Natrium-Linie bei 588 nm gemessen und damit 1 nm neben dem theoretischen Wert

Fazit und Ausblick

Die Kalibrierung eines solchen DIY-Spektrometers mithilfe einer Energiesparlampe geht in der Software “Theremino” innerhalb von ein paar Minuten und ist unkompliziert durchzuführen. Arbeitet man mit zwei Stützstellen und setzt diese so, dass auch andere auffällige Peaks im Lampenspektrum stimmen, dann erhält man überraschend gute Ergebnisse (angesichts des einfachen Aufbaus).

Das war eine schöne Übung. Doch wie kann man das nun in der Astrofotografie nutzen? Zum Beispiel ist es mit so einem Spektrometer möglich zu bestimmen, welches Licht z.B. eine Straßenlaterne aussendet, die uns immer stört. Auch lassen sich fotografische Filter vermessen. So ist es möglich zu kontrollieren, ob die Herstellerangaben halbwegs stimmen. Auch lässt sich herausfinden, welcher der vorhandenen Filter z.B. für die doofe Straßenlaterne vor der Haustüre der passendste ist. Und genau darum wird es im letzten Teil der Serie gehen.

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