Mit Spektrographen wie dem links abgebildeten Prismen - Typ aus dem Jahr 1912 [23] wurden in vordigitalen Zeiten Spektren photographisch aufgenommen. Auch deren Auswertung erfolgte damals noch ohne Computer - Unterstützung.

Allgemeines

Spektrographen dienen zur photographischen Aufzeichnung von Spektren. Im 19. und bis weit ins 20. Jahrhundert hinein waren photographischen Filme oder Platten auf Silbersalz - Basis als Aufzeichnungsmedien üblich. Solche Spektrographen sind als Hilfsmittel für chemische Analysen zu Beginn des 21. Jahrhunderts außer Mode gekommen. Professionelle Labore arbeiten inzwischen mit Spektrometern, die ein Spektrum elektronisch erfassen. Solche Geräte sind 2009 zu Preisen ab etwa 800 EUR erhältlich. Derartige "Billig" - Spektrometer haben fest installierte Optiken, Sensoren mit weniger als 1000 eindimensional aufgereihten Licht - registrierenden Elementen (Sensor - Pixeln) und nominelle Wellenlängen - Auflösungen von etwa 2 nm. Ein Selbstbau - Spektrograph mit einer 12 Megapixel - Standard - Spiegelreflex - Digital - Kamera bietet für deutlich weniger Geld doppelt so viele reale Bild - Punkte (nach Umrechnung von nominalen Sensor - Elementen auf reale Bildpunkt - Sensoren) in Richtung der längeren Bild - Seite, eine 2-dimensionale Spektrum - Aufnahme, was eine bessere Unterscheidung zwischen echten spektralen Mustern und nur von der Technik vorgetäuschten Mustern (Artefakten) ermöglicht, und eine austauschbare Optik zur Aufnahme von wahlweise Übersichtsspektren oder Detail - Spektren mit deutlich höherer Wellenlängen - Auflösung als die genannten preisgünstigen Spektrometer. Schwachpunkte solcher Spektrographen sind allerdings die relativ geringe Zahl registrierbarer Intensitätsabstufungen pro Bild und die für eine optimale analytische Auswertung notwendige Umsetzung eines Spektrum - Photos in ein Spektrogramm.

Die im Folgenden vorgestellten Selbstbau - Spektrographen sind nur Ausführungsbeispiele. Kreative Bastler/innen können ihre eigenen Ideen bei Konstruktion und verwendeten Baumaterialien verwirklichen oder die Anderer übernehmen [16]. Bezüglich der optischen Eigenschaften sollte dabei Folgendes berücksichtigt werden:

Bei der Wahl zwischen Gitter oder Prisma als Licht - Zerleger kann vielleicht ein anderes Kapitel dieser Site weiterhelfen [12]. Die vom Eingangsspalt kommenden Lichtstrahlen sollten möglichst parallel zueinander laufend auf das Prisma oder das Gitter treffen, um Verzerrungen der Spektrum - Abbildung zu minimieren. Ohne ein Objektiv hinter dem Eingangsspalt ist dies nur annäherbar: Je größer die Distanz zwischen Spalt und Prisma oder Gitter, desto mehr nähert sich der Verlauf der letztere erreichenden Lichtstrahlen der Parallelität. Allerdings nimmt damit auch der genutzte Teil des Spalt - Lichtes ab, so dass die Lichtstärke des Spektrums abnimmt.

Im Unterschied zu einem einfachen Prisma mit geringerer Lichtzerlegekraft (Dispersion), Abstrahlung des zerlegten Lichts in einem größeren Winkel zum vom Spalt kommenden einfallenden Licht und bei Verwendung einer Abbildungsoptik schief zur optischen Achse stehendem Spektrum - Bild bietet ein aus 3 aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Einzelprismen zusammengesetztes Prisma (Amici - Prisma) eine viel größere Dispersion, eine Abstrahlung des zerlegten Lichts nahe der optischen Achse (Daher auch Geradsicht - Prisma genannt) und ein annähernd rechtwinkelig zur optischen Achse stehendes Spektrum - Bild bei Verwendung einer abbildenden Optik. Ein Amici - Prisma ist aber auch sehr viel teurer als ein Einzelprisma bei vergleichbarer Glas - Sorte. Eine kleinere und kürzere, billigere Ausführung eines Geradsichtprismas zeigt wegen des kürzeren Licht - Weges durch den Glas - Körper zwar eine höhere Durchlässigkeit für kurzwelliges Licht, aber auch eine geringere Entfernung des scheinbaren (virtuellen) Spektrum - Bildes vom Prisma als ein größere, längere und teurere. Da eine Spektrographenkamera auf ein virtuelles Spektrum - Bild scharf gestellt wird und mit ihrer Frontlinse nahe an das Prisma heranragen sollte ist zu bedenken, dass manche Kameras mit Megazoom - Objektiven so große Mindestentfernungen zur scharfen Abbildung eines Objekts verlangen, dass mit ihnen auf ein näher gelegenes virtuelles Spektrum eines kleineren Prismas nur nach Wegrücken der Kamera vom Prisma scharf gestellt werden kann. In diesem Fall kommt es zu Verlusten an Licht für die Kamera und ist das Spektrum - Bild eventuell nur abschnittweise photographierbar.

Bildaufnahme - Systeme

Als Hilfe bei der Entscheidung zwischen Silbersalz - Film - und digitaler Photographie sind im Folgenden einige Eigenheiten beider Systeme zusammengestellt. Weitere Informationen über Photographie und Spektrographie sind in anderen Veröffentlichungen zu finden [3][4][9][35][38].

 

Silbersalz - Film - Kameras	Digitale Kameras
Abgesehen von Kamera und technischen Hilfen zur Bild - Auswertung kostet ein Bild Film und Entwicklung.	Abgesehen von Kamera und technischen Hilfen zur Bild - Auswertung kostet ein Bild Batterie - oder Akku - Strom.
Kameras billiger als digitale für Bilder vergleichbarer Größe und Auflösung des Primärbilds.	Kameras teurer als Silbersalz - Film - Kameras für Bilder vergleichbarer Größe und Auflösung des Primärbilds.
Ansicht von Photos erst nach chemischer Entwicklung des Films möglich, was nur bei teuren Sofortbild - Systemen schnell geht. Die Wartezeit auf zur Entwicklung weggegebene Filme macht das Herausfinden optimaler System - Einstellungen mittels Test - Aufnahmen sehr umständlich.	Ansicht von Photos unmittelbar nach Aufnahme möglich.
Aufnahme lichtschwacher Spektren mittels Langzeit - Belichtung unter Erhalt der Bild - Qualität möglich.	Aufnahme lichtschwacher Spektren bei billigeren Kameras nur unter Inkaufnahme von erhöhtem Bildrauschen oder verringerter Auflösung möglich.
Silbersalz - Filme für ultraviolettes Licht empfindlicher als Silizium - Bildwandler von Digital - Kameras.	Silizium - Bildwandler von Digital - Kameras empfindlicher für infrarotes Licht als Silbersalz - Filme.
Die Feinkörnigkeit eines Films und damit die mögliche Bild - Auflösung steht in umgekehrtem Verhältnis zu dessen Licht - Empfindlichkeit.	Die reale, nicht die durch Interpolation vorgetäuschte, Pixel - Dichte eines Bildwandlers steht in umgekehrtem Verhältnis zu dessen Licht - Empfindlichkeit. Schwarzweißwandler lösen stärker auf als Farbwandler, ausgenommen Foveon - Typen, bei gleicher nominaler Pixel - Dichte und Chip - Größe.
Zur digitalen Bild - Bearbeitung, - Auswertung und - Speicherung unter Nutzung der gesamten Bild - Information wird ein hochwertiger, teurer Film - Scanner benötigt.	Scanner entfällt.

 

Bei beiden Systemen sind zur Einstellung der Bildschärfe die besonders lichtempfindlichen Spiegelreflex - Sucher kombiniert mit manueller Scharfstellmöglichkeit mittels Einstellring am Objektiv am Besten geeignet. Ein Schnittbildindikator - Feld im Sucherbild erleichtert speziell bei Spektrallinien im Bild die Scharfstellung.

Auf Monitoren digitaler Kompakt - oder Bridge - Kameras sind lichtschwache Spektren kaum erkennbar, die auf den Photos noch zu sehen sind. Dies erfordert zur Sicht - kontrollierten Einstellung von Bild - Schärfe und - Ausschnitt eine lichtstarke Hilfsspektrum - Lichtquelle (Leuchtstoff - Lampe). Eine elektronische Monitor - Lupe erleichtert die Scharfstellung. Seit dem Jahr 2011 sind System - Kameras, also Geräte mit austauschbaren Objektiven, erhältlich, die statt eines Spiegelreflexsuchers einen Bildschirm - Sucher aufweisen, der auch Licht - schwache Objekte abbildet.

Bei Silbersalz - Film - Kameras erlauben einfache Durchblick - Sucher bei Spektren - Aufnahmen weder eine Kontrolle des Bildausschnitts noch eine der Bildschärfe. Ein umständlicher und Zeit raubender Behelf könnte hier in einer Reihe von Aufnahmen eines Test - Spektrums unter Variation und Notierung der Entfernungseinstellung bei jedem Einzelbild sein. Nach Film - Entwicklung kann dann das Bild mit am schärfsten abgebildeten Spektrallinien herausgesucht und die zugehörige Entfernungseinstellung übernommen werden. Die Kamera muss dabei während der Test - Aufnahmen und der Aufnahme von Proben - Spektren unverückbar befestigt bleiben, da anderenfalls die herausgefundene Objektiv - Einstellung möglicherweise nicht mehr zu einer veränderten Distanz zwischen scheinbarem (virtuellem) Spektrum - Bild und Objektiv passt.

Eine schnelle Entwicklung photochemischer Silbersalz - Filme direkt nach Bild - Aufnahmen und ohne Photolabor ist mit dem Polaroid - System möglich. Nachdem Dieses Sofortbild - Verfahren Anfang des 21. Jahrhunderts zunächst fast ganz von der digitalen Photographie verdrängt worden war, sind im Jahr 2011 wieder Polaroid - Filme erhältlich, die in die früher einmal vertriebenen zugehörigen Kameras passen [68].

Bei manchen chemischen Elementen liegen deren intensivste Emissionsspektrallinien im Bereich des ultravioletten Lichts. Um ein derartiges UV - Spektrum simultan, also mit allen Spektrallinien gleichzeitig, aufzunehmen, was zum Beispiel bei Anregung der Licht - Emission einer Analysenprobe mit Funken oder Lichtbogen sinnvoll ist, wird bei professionellen Geräten eine Spiegel - oder Quarzglas - Optik zur Abbildung des Spektrums auf einen UV - empfindlichen Silbersalz - Film oder elektronischen Bild - Sensor verwendet, da die Licht - Durchlässigkeit von gewöhnlichem optischem Glas zu den UV - Wellenlängen hin schnell abnimmt. Als billige Alternative zu solchen Spektrographen könnte vielleicht statt einer das Spektrum - Bild in einer Bild - Ebene entwerfenden fokussierenden Optik aus dem von einer Analysenprobe kommenden Licht durch 2 Spalt - Blenden ein schmales Band ausgeschnitten werden, so dass nach Durchlaufen eines Beugungsgitters oder eines Dispersionsprismas ohne weitere optische Bauteile ein Spektrallinien - Bild entsteht analog dem Prinzip einer Loch - Kamera. Vielleicht kann auch ein Billig - Astroteleskop mit oberflächenverspiegelten Abbildungsspiegeln zum Entwerfen eines UV - Spektrums verwendet werden [67]. Eine Aufnahme von UV - Spektren mit gewöhnlichen Kameras könnte vielleicht durch Projektion eines UV - Spektrums auf einen Leuchtschirm gewonnnen werden, der mit einem das UV - Licht in sichtbares Licht umwandelnden Leuchtststoff beschichtet ist. Das Leuchtschirm - Bild kann mit einer Kamera photographiert werden, deren Verschluss mittels Langzeit - Belichtung - Funktion für die Dauer des Leuchtschirm - Bildes geöffnet werden kann.

Die Linien in einem Spektrum - Bild sind Abbildungen des Spektrographenspalts. Zur scharfen Abbildung von Spektrallinien muss also das Kamera - Objektiv etwa auf die Entfernung zwischen Diesem und dem Spalt eingestellt werden. Die genaue Einstellung muss jedoch durch visuelle Beurteilung der Bild - Schärfe erfolgen, da das Licht - zerlegende Bauteil (Gitter oder Prisma) zwischen Spalt und Objektiv die Scharfstellung beeinflusst. Diese richtet sich also nach der für das Objektiv scheinbaren Spalt - Entfernung. Auch hier gilt jedoch das Prinzip, dass für den Fall der scharfen Abbildung ein Objekt um so größer abgebildet wird, je größer die Entfernung zwischen Objektiv und Bild - Ebene (Photofilm, Bild - Sensor), die Bildweite, und je kleiner die Entfernung zwischen Objektiv und Aufnahme - Objekt, die Gegenstandsweite, ist.

In der Spektrographie bedeutet eine Zunahme der Abbildungsgröße potentiell auch eine bessere Unterscheidbarkeit eng benachbarter Spektrallinien. Das hier aktuell Mögliche wird jedoch auch von den anderen an der Abbildung beteiligten Spektrographenbauteilen mitbestimmt. Viele für den Massengebrauch hergestellte Objektive erlauben zwar eine vergrößerte Abbildung eines Objekts mittels optischer Zoom - Funktion (Digitaler Zoom ist dagegen Augenwischerei), was aber oft mit einer für spektrographische Zwecke zu großen Mindestentfernung des Spalts als Aufnahme - Objekt verknüpft ist. Bei derart großen Entfernungen wird das Spektrum - Licht nur zum Teil von der Kamera erfasst, was schwache Spektrallinien oder Teile des Gesamtspektrums der Erfassung entgehen lässt. Objektive mit Makro - Funktion sind im Vergleich dazu die bessere Wahl.

Eine billige Alternative zu teuren komplex gebauten Makroobjektiven besteht im Anschrauben einfacher Vorsatzlinsen an die Vorderseite eines Normalobjektivs. Ihre Wirkung wird an folgenden mit dem Selbstbau - Spektrograph 3, siehe unten, aufgenommenen Photos des Emissionsspektrums einer Quecksilberdampf - Lampe erkennbar. Das obere Bild wurde mit, das untere ohne Makro - Linse aufgenommen [59]:

Anstelle speziell für Kameras gefertigter Vorsatzlinsen können auch Leselupen verwendet werden, wobei aus mehreren Linsen Bestehende bessere Bilder ergeben als einfache Einlinselupen. Zu weiteren preisgünstigen Vorrichtungen zur Makrophotographie wird auf andere Quellen verwiesen [66].

Die billigsten fabrikneuen Digital - Kameras sind wohl Webcams. Für spektrographische Zwecke vorteilhaft ist ein Modell mit einem auf einem Gewinde sitzenden drehbaren (fokussierbaren) Objektiv, da dann für eine möglichst große Abbildung eines Spektrums die Gegenstandsweite verringert und damit gleichzeitig die Bildweite vergrößert werden kann. Oft sind die Objektivringe aber schwergängig und daher nur zur groben Einstellung der Abbildungsgröße brauchbar. Die Feineinstellung der Bild - Schärfe muss dann durch Variieren des Abstands des Spektrographenspalts erfolgen. Bei einer Webcam mit fest arretiertem Objetiv (Fixfocus) kann eine Manipulation des Abbildungsmaßstabs mittels Vorsatzlinsen erreicht werden. Nach den im vorliegenden Kapitel beschriebenen Tests liefern Webcams Spektren - Photos in einer nur begrenzt für chemische Analysen geeigneten Qualität. Vielleicht kann durch Austausch eines üblichen Primitiv - Objektivs gegen ein auf Abbildungsfehler korrigiertes eine Verbesserung erreicht werden [19][64].

Fehlt wie bei einfachen Spektrographen ein das vom Spalt kommende Licht bündelndes Objektiv vor dem Prisma oder Gitter, nimmt mit zunehmender Entfernung zwischen Spalt und Kamera die Lichtstärke eines Spektrums besonders stark ab. Zugleich steigt jedoch mit allerdings abnehmendem Zuwachs die Breite eines scheinbaren Spektrum - Bildes. Folgende Extrem - Konstellationen sind denkbar:

• Gitter oder Prisma sind so nahe an den Spalt gerückt, wie es die Naheinstellgrenze für die Entfernung an der verwendeten, so nahe wie möglich ans Prisma oder Gitter gerückten Kamera erlaubt. Hierbei ist eine Makro - Funktion des Kamera - Objektivs nützlich. Fehlt sie, ist vielleicht mit einer Vorsatzlinse (Nahlinse) Etwas zu machen [43]. Die Objektiv - Öffnung sollte möglichst groß (Niedrigste Blendenzahl) sein, um möglichst viel des vom Prisma oder Gitter aufgefächerten Objekt - Lichts zu erfassen. Dann ist mit lichtstärkeren, aber weniger gut Detail - aufgelösten Spektren zu rechnen.

• Die andere Extrem - Option ist die Anordung des Licht - zerlegenden Elements in größerer Entfernung vom Spalt, um ein möglichst breit gespreiztes Scheinbild eines Spektrums zu erhalten. Hier ist eine zusätzliche Vergrößerung der Spektrum - Abbildung durch Einsatz eines Megazoom - Objektivs erreichbar, dessen in der Regel relativ große Mindestdistanz bei der Entfernungseinstellung hier weniger nachteilig ist. So ist eine zwar lichtschwächere, aber besonders detaillierte Spektrum - Abbildung möglich.

Da mit steigendem Abbildungsmaßstab einer Kamera bei gleichbleibender Breite des Eingangsspalts auch die Breite einer Spektralinie als Abbild des Spalts zunimmt, bringt eine stärkere Abbildungsvergrößerung alleine wegen gleich bleibendem Verhältnis Spektrallinienbreite / Spektrumlänge keinen Auflösungsgewinn. Für einen solchen muss daher zusätzlich die Spalt - Breite verringert werden. Übrigens ist bei Digital - Kameras nur ein optischer Zoom von Vorteil, nicht jedoch ein digitaler, per Software vorgetäuschter, der in den Sensor - Pixeln vorhandene Informationen einfach auf eine größere Fläche spreizt, ohne realen Informationsgewinn.

Eine möglichst große Objektiv - Öffnung erhöht nicht nur die Licht - Empfindlichkeit, sondern erfasst auch besser den vollen Umfang des nach Verlassen des Prismas oder Gitters nach Wellenlängen getrennt auseinanderlaufenden (divergierenden) Licht - Bündels. Bei zu kleiner Öffnung kann, wie in den Abbildungen unten zu sehen, der blaue oder rote Rand eines Spektrums der Abbildung entgehen.

Kamera - Objektive erzeugen in der Regel auf einer Bild - Registrierfläche, zum Beispiel einem Silberfilm oder einem elektronischen Bild - Sensor, ein gegenüber dem aufgenommenen Objekt seitenverkehrtes Bild dieses Objektes. Bei photographischen Silberfilmen hilft ein im Herstellwerk angebrachter Text - Aufdruck außerhalb des Bild - Feldes bei der Orientierung des entwickelten Films nach Rechts, Links, Oben und Unten, falls dies nicht alleine schon anhand des photographierten Motivs möglich ist. Digital - Kameras korrigieren die Seitenverkehrtheit jedoch selbstständig, so dass trotz seitenverkehrter Abbildung auf dem Bild - Sensor das ausgegebene Bild seitenrichtig erscheint. Bei der spektralen Licht - Zerlegung mit einem Beugungsgitter wird innerhalb einer Beugungsordnung kürzerwelliges Licht weniger stark von der optischen Achse, die senkrecht zur Gitter - Ebene verläuft, abgelenkt als längerwelliges [11][12]. Sind Digital - Kamera und Gitter so zueinander angeordnet wie unten im Abschnitt "Kamera - Plattform aus Lochblechen" abgebildet, erscheint in einem aufgenommenen Spektrum - Bild innerhalb einer Beugungsordnung wegen der Kamera - internen Seitenumkehrung das vom Gitter weniger stark abgelenkte kürzerwellige Licht im Bild links, das stärker abgelenkte längerwellige Licht im Bild rechts. Das Gitter erzeugt jedoch auch eine zweite Serie von Beugungsbildern von der im Beispiel hier abgebildeten Kamera aus gesehen jenseits der Gitter - Achse und zwar spiegelverkehrt zu der von der Kamera erfassten Serie. Würde die Kamera unter Beibehaltung der Unten - Oben - Ausrichtung auf diese zweite Serie hin ausgerichtet, würde das kürzerwellige Licht im ausgegebenen Bild rechts erscheinen, das längerwellige Licht links. Ob also in einem digitalen, mittels Beugungsgitter aufgenommenen Spektrum - Photo auf einer gedachten Licht - Wellenlänge - Skala innerhalb einer Beugungsordnung die Wellenlänge von links nach rechts oder von rechts nach links zunimmt, ist abhängig davon, auf welcher Seite der optischen Achse des Gitters die Kamera positioniert ist und wie die Kamera bezüglich ihrer Ober - und Unterseite, bezogen auf das ausgegebene Bild, ausgerichtet ist. Bei Aufnahmen von mittels Dispersionsprisma erzeugten Spektrum - Bildern gilt dagegen Folgendes: Zum Einen wird kürzerwelliges VIS - Licht von einem Prisma stärker aus der Richtung des Einfallslichtbündels abgelenkt als längerwelliges. Zum Anderen erzeugt ein Prisma nur ein einziges Spektrum - Bild, falls keine Bild - Vervielfachung durch Spiegelung, ein Abbildungsfehler, auftritt [11][12].

Wie die Beispiel - Photos unten zeigen, passen von Kameras mit Normal - Objektiven abgebildete, von je einem einzelnen Prisma oder Gitter erzeugte Spektren in ihrer Gesamtheit gut auf ein Silbersalz - Film - Kleinbild oder einen Bildwandler - Chip. Um deren Kapazität zur Speicherung von Bild - Informationen möglichst gut zu nutzen sollte der Abbildungsmaßstab der Kamera - Optik mindestens so groß gewählt werden, dass Breite oder Höhe des bildaufnehmenden Mediums voll zur Spektrenabbildung genutzt werden.

Mit Hochstufung der Licht - Empfindlichkeit (ISO - Wert als Messgröße) eines Bildwandlers nimmt auch das von ihm erzeugte Rauschen (Von der Elektronik zufällig erzeugte Helligkeits- und Farbmuster im Bild) zu, und lichtschwache Spektrum - Muster aus Diesem herauszulesen wird zunehmend schwieriger. Letzteres gelingt am ehesten noch dem Auge, da der zugehörige Mensch weiß, wonach er sucht. Antirauschen - Funktionen von Kameras dagegen vernichten leicht schwache Spektrum - zusammen mit Rauschen - Mustern und sollten daher für spektrographische Arbeiten abschaltbar sein [58]. Zwar sind auch große, elektrisch gekühlte und daher rauscharme Bildwandler für Zwecke der Astrophotographie kommerziell erhältlich, aber im Verhältnis zu ihrer geringen Auflösungsfähigkeit ziemlich teuer. Die bei digitalen Kameras verbreitete Live View - Funktion ist für spektrographische Zwecke kontraproduktiv, da sie verstärkte Erwärmung des Bildaufnehmer - Chips und daher auch verstärktes Bild - Rauschen bewirkt.

Bild - Wandlern auf CMOS - Basis wird ein stärkeres primäres Rauschen nachgesagt als den CCD - Varianten. Dieses wird jedoch möglicherweise bereits durch die in jedem CMOS - Element enthaltene Elektronik unterdrückt, ohne dass Nutzer/innen dies verhindern können [42]. Dann würden auch bei abschaltbarer sekundärer Rauschunterdrückung lichtschwache Spektrum - Informationen besser von CCD - Kameras erfasst als von ansonsten optisch und elektronisch vergleichbaren CMOS - Typen. Der Umgang einer Digital - Kamera mit schwachen Licht - Signalen variiert auch je nach Herstellfirma [52]. Andererseits kann bei CCD - Bild - Aufnehmern an Stellen relativ hoher Intensität des einfallenden Lichts eine Art elektronischer Streuung in benachbarte Sensor - Pixel hinein auftreten (ähnlich Ausblühungen, daher englisch Blooming genannt).

Bei Digital - Kameras sollte zur Aufnahme lichtstarker Spektren eine Antiverwackelung - Funktion abschaltbar sein, wenn diese lediglich darin besteht, benachbarte Sensor - Pixel zur Erhöhung der Licht - Empfindlichkeit und dadurch verringerten Belichtungszeit zusammenzuschalten um den Preis einer verringerten Auflösung. Da die Kamera bei Spektren - Aufnahmen fixiert ist, würde ein solcher Schutz vor Verwackelung keinen Vorteil bringen, sondern nur den Nachteil geringerer Bild - Qualität. Sinnvoll ist eine bei Bedarf einschaltbare Pixel - Zusammenfassung (Binning [49]) dagegen, wenn die dadurch bewirkte Erhöhung der Licht - Empfindlichkeit (Höhere ISO - Wert - Einstellung an der Kamera) und Verringerung des Rauschen - Untergrunds eine bessere Erfassung lichtschwacher Spektrallinien ermöglicht und die verringerte Bild - Auflösung in Kauf genommen werden kann. Dennoch sollte bei der Wahl einer Kamera auf eine möglichst hohe reale Auflösung bei den höchsten Empfindlichkeitsstufen geachtet werden.

Das Speichern von Bildern im JPG (JPEG) - Format, bei dem geringe Helligkeits- und Farbunterschiede nivelliert werden (Bild - Komprimierung oder - Kompression), geht ebenfalls mit Verlusten von Bild - Details einher. Kameras sollten daher eine Speicherung von Spektren - Bildern im RAW - Format erlauben, bei dem sich die Kamera eigenmächtige Bild - Manipulationen weitgehend verkneift. Ohne diese Möglichkeit ist auch eine Speicherung im BMP - Format mit höchstmöglicher Auflösung akzeptabel. Fehlen der Kamera beide Optionen, kann mit dem unten näher erläuterten Programm "Paint", enthalten in Microsofts Windows - Betriebssystemen, ein Bild aus dem Kamera - Speicher geholt und als "24-Bit-Bitmap" - Datei (Name - Endung: .bmp) in einem anderen Speicher abgelegt werden.

Zur Aufnahme lichtschwacher Spektren sollte eine Langzeit - Belichtung möglich sein. Bei einem Teil der Kameras ist diese auf eine bestimmte Zeit - Spanne begrenzt, andere Geräte erlauben unbegrenzte, wie bei vollmechanischen Kameras für Silbersalz - Filme [21], oder nur von der Kapazität der Strom - Quelle begrenzte Belichtungsdauer mittels der "B" - ("Bulb") - Funktion. Für quantitative chemische Analysen müssen an der verwendeten Kamera konkrete Belichtungszeiten manuell definierbar sein, da zur Analyse einer Probe die Spektren mehrerer Teilproben mit unterschiedlichen Zusätzen nach Art und Menge bekannter Vergleichsstoffe (Standards) unter jeweils genau gleichen Belichtungsbedingungen aufgenommen werden müssen. Eine nur relative Änderungsmöglichkeit der von einer Automatik gewählten Belichtungszeit ist hierfür unzulänglich.

Kann ein Kamera - Verschluss nur durch Dauerdrücken des Auslösers ständig offen gehalten werden, kann diese Aufgabe ein arretierbarer Fernauslöser übernehmen. Für Kameras ohne Stutzen zum Anschluss dieses Teils gibt es Vorrichtungen, die am Kamera - Gehäuse befestigt werden und die Betätigung des Auslösers mittels eines darüber fixierten Stößels ermöglichen [37]. Soll ein solcher Fernauslöser automatisch immer dann betätigt werden, wenn der ein Spektrum anregenden Licht - Quelle eine neue Portion Probe zugeführt wird (Getriggerte Auslösung), kann er mittels eines Sensors und eines von Diesem gesteuerten Elektromagneten betätigt werden [24]. Bei Selbstbau - Kameras für Silbersalz - Filme kann Langzeit - Belichtung einfach durch eine von Hand bewegte Abdeckblende realisiert werden. Zum Umbau von Webcams [34] oder zur Software - Steuerung von Digital - Kameras allgemein [61] für Langzeitbelichtung siehe die angegebenen Quellen. Vielleicht kann auch eine Doppelbelichtung - Funktion genutzt werden, um bei Kameras mit begrenzter Belichtungszeit diese praktisch zu verdoppeln.

Bei Verwendung autonom arbeitender Digital - Kameras sollte vor Beginn von Aufnahmen sicher gestellt sein, dass Batterien oder Akkus genügend Energie enthalten um eine spektralanalytische Untersuchung ohne Unterbrechung wegen schwach gewordener Strom - Quellen zu ermöglichen.

Aktuelle Vorstellungen neuer Kamera - Modelle und bewertende Tests sind zu finden in Photographie - und Computer - Fachzeitschriften, in der Zeitschrift "Test" der Stiftung Warentest sowie in Internet - Portalen und - Foren besagter Zeitschriften und davon unabhängiger Sites. Einige Preisvergleich - Sites sowie die Fa. Amazon veröffentlichen Kritiken von Kamera - Nutzer/inne/n. Informationen zu technischen Details sind vor Allem auf den Sites von Herstellfirmen zu finden. Nach Hinweisen in Internet - Foren verkaufen manche Firmen in Deutschland nicht für dieses Land bestimmte Grau - Importe ohne CE - Zeichen, ohne die für reelle Ware in Deutschland gültige Garantie und ohne deutsche Anleitungen. Kaufinteressierte sollten sich demnach schriftlich bestätigen lassen, dass von ihnen bestellte Produkte keine solchen Grau - Importe sind.

Ein Selbstbau von Kameras für Kleinbild - Filme ist wegen der mit abnehmenden Marktanteilen sinkenden Preise von guten kommerziellen Modellen weniger lohnend. Solche für Mittel- und Großformat - Filme sind aber immer noch so teuer, das ein Selbstbau überlegenswert ist [19]. Da der Selbstbau fehlerarm abbildender Optiken einige Fachkenntnisse erfordert, kann auch nur das Kamera - Gehäuse selbst gebaut und ein kommerzielles Fertig - Objektiv dazugekauft werden. Noch anspruchsvoller dürfte der Selbstbau hochauflösender digitaler Kameras sein. Zwar könnte hier ein kommerzielles Fertig - Gehäuse, das rein manuelle Objektiv - Einstellungen zulässt, mit einem Selbstbau - Objektiv kombiniert werden. Ob ein solches jedoch eine zur vollen Ausnutzung der Bildwandler - Fähigkeiten genügende Abbildungsqualität erreicht, sei dahingestellt. Zur Technik des Auslesens optoelektronischer Bild - Wandler wird auf andere Quellen verwiesen [48].

Bei Verwendung des unten beschriebenen Taschen - Spektroskops zur Licht - Zerlegung verhindert der Abstand zwischen Front - Scheibe und Spalt - Blende in diesem Gerät ein überlagerungsfreies Aneinanderfügen von simultan aufgenommenem Proben- und Kalibrierspektrum, da hierzu das Abblenden je einer Spalt - Hälfte bei jeweils einem der beiden Spektren innerhalb einer Photo - Aufnahme notwendig wäre. Als Notlösung kann zeitlich separates Aufnehmen von einem oder mehreren Kalibrierspektren und Probenspektrum praktiziert werden. Eine Niederdruck - Quecksilber - Dampf - Röhre als Kalibrierlichtquelle macht solches Vorgehen sogar zwingend erforderlich, da zur scharfen Abbildung von deren verschiedenen Spektrallinien unterschiedliche Belichtungsintensitäten notwendig sind. Bei zeitlich separat von Probenspektren aufgenommenen Kalibrierspektren wird die Kalibrierung der Wellenlängen - Skala für ein Probenspektrum um so genauer, je genauer eine bestimmte Wellenlänge auf allen Photos an der gleichen Bild - Position entlang der Spektren - Achsen zu liegen kommt. Diese optische Stabilität eines Spektrographen wird von seiner mechanischen Stabilität bestimmt. Die Positionen der optischen Teile sollten von Aufnahme zu Aufnahme möglichst konstant bleiben.

Kommerzielle Spektrographen

Für Zwecke der Amateurastronomie sind kommerzielle Spektrographie - Module im Handel [69][70].

Selbstbau - Spektrographen

Bereits mit einem billigen, aus einem kommerziell angebotenen Karton - Bausatz hergestellten Selbstbau - Spektroskop kombiniert mit einer digitalen Kompakt - Kamera können ansehnliche Spektren - Photos gewonnen werden [50]. Mittels des Spektrums einer Licht - Quelle, das Linien mit bekannten Wellenlängen zeigt, kann die Skala für jedes Einzelexemplar eines Spektroskops individuell kalibriert werden. Wegen der zu erwartenden Anfälligkeit des Baumaterials Karton für Verformungen verursacht durch Schwankungen der Temperatur und Feuchte müsste eine solche Kalibrierung allerdings häufig überprüft werden. Sicherer ist es, auf die Nutzung der Skala zu verzichten und ein Vergleichs- oder Kalibrierspektrum aufzunehmen, am Besten zusammen mit dem Spektrum einer zu analysierenden Probe, zur Not aber auch vorher oder nachher, besser jedoch vorher und nachher und dann die Positionen der Linien auf den beiden Vergleichs- oder Kalibrierspektren auf Konstanz zu prüfen. Dies ist Pixel - genau mit einigen Bild - Betrachtungsprogrammen möglich [46].

Weitere Dokumente zum Bau und Gebrauch von Selbstbau - Spektrographie - Vorrichtungen sind im Quellenverzeichnis unten angegeben [71][72][73][74][75][76][77][78][79][80][81][82][83][84][85][86][87][88][89][90][91][92].

Selbstbau - Spektrograph 1

Dieser Spektrograph besteht aus einem Lichtschutz - Rohr (Tubus), eingangsseitig versehen mit einer Spalt - Blende. Auf ein Eingangsobjektiv wurde der Einfachheit halber verzichtet. Die Länge des Tubus wurde von der des Zeichenlineals bestimmt, auf dem er befestigt wurde [2]. Dieses wiederum ist mit einer feststellbaren Schraube als Achse drehbar mit einer weiteren Plattform verbunden, die aus zwei Linealen besteht mit einer Lücke zwischen beiden, in die eine Kamera - Schraube verschiebbar hineinpasst. Als Unterlage für den Prisma - oder Gitter - Halter dient eine Tragscheibe aus einer CD oder DVD, die auf der bedruckten Seite mattschwarz angestrichen ist [1][10]. Sie ist mit der schwarzen Seite nach oben mittig auf das Tubus - Lineal geklebt so, dass das Scheibenloch zentrisch auf dem Lineal - Bohrloch liegt. Eine zweite Scheibe, ebenfalls mit einer mattschwarz angestrichenen Seite nach oben, ist zum Niveau - Ausgleich mittig auf das andere Ende des Lineals geklebt.

Als höhenverstellbare Standfüße wurden Langmuttern (Distanzbolzen mit Innengewinde) senkrecht unter die Lineale geklebt und Schrauben eingedreht, deren Stellung in den Langmuttern durch normale Gegenmuttern fixiert werden können.

Zwei in einer Ebene liegende Lineale bilden mit ihren einander zugewandten Steilkanten einen Führungsschlitz, dessen Breite der des Schafts einer Kameragewinde - Schraube entspricht. Zusammengehalten werden die Lineale von 4 aufgeklebten Querstreben. 1 Paar davon an einem Lineal - Ende hat in der Mitte je ein Loch mit 4 mm Durchmesser, entsprechend dem des Lochs im als Tubus - Träger verwendeten Lineal. Als Streben können rechteckige Platten aus formstabilem Material verwendet werden oder Unterlegscheiben (Lochscheiben, Karosseriescheiben) mit 4 mm - Loch ("M 4") und großem Außendurchmesser. Da Letztere selten erhältlich sind, können bei größerem Innenloch der Scheiben auf der Plattform - Unterseite kleinere M 4 - Scheiben aufgeklebt werden (Bild links, 2. Skizze von oben).

Zur Herstellung der Spalt - Blende wurde auf einer rechteckigen Pappplatte, deren kurze Seite so lang ist wie der Außendurchmesser des Tubus und deren lange Seite diesen um einige cm übertrifft, mittig zur Längsseite und parallel zur Kurzseite eine Linie gezeichnet. Dann wurde in der Plattenmitte ein Fenster von 3 cm Länge, der eingezeichneten Mittellinie parallel laufend, und etwa 4 mm Breite ausgeschnitten [6]. Das Fenster musste so schmal sein, dass beim Anlegen einer Rasierklingenschneide in Fenstermitte, parallel zur kürzeren Blendenseite, die Innenaussparung der Klinge außerhalb des Fensters blieb. 2 schartenfreie Rasierklingen wurden dünn mit Photokleber bestrichen. Eine weitere Rasierklinge wurde als Platzhalter hochkant auf die beiden nach dem Ausschneiden verbliebenen Enden der eingezeichneten Linie aufgesetzt und leicht angedrückt gehalten. Die beiden mit dem Kleber versehenen Klingen wurden nun beiderseits neben die Platzhalter - Klinge auf die Pappplatte geklebt so, dass ihre Schneiden an die hochkant stehende Klinge stießen. Nach Wegnahme der Platzhalter - Klinge wurde der von den Schneiden gebildete Spalt vor einem hellen Hintergrund auf Gleichmäßigkeit der Breite kontrolliert. Nach Aushärten des Klebers wurde die Spalt - Blende auf beiden Seiten einschließlich der Klingen - Flächen mattschwarz gestrichen [7]. Sofort nach Auftrag der Farbe auf eine Seite wurde die lichte Öffnung des Spalts mit einer Rasierklinge von eingedrungener Farbe befreit. Die Loch - Blende hat die gleichen Außenmaße wie die Spalt - Blende. Durch Ansetzen eines Zirkels in ihrem Zentrum, markierbar durch zwei Diagonallinien zwischen den Blenden - Ecken, wurde eine Scheibe gezeichnet, deren Durchmesser etwas kleiner war als der Innendurchmesser des Tubus. Nach Auschneiden der Scheibe [8] wurde die Blende beidseitig matt schwarz angestrichen.

 

Bild oben: Der Tubus mit frontseitiger Spalt - Blende und rückseitiger Loch - Blende, befestigt auf seiner Unterlage, die drehbar mit der Kamera - Plattform verbunden ist. Bilder unten: Der Spektrograph bei der Arbeit, links mit Prisma, rechts mit in einen Dia - Rahmen mit Fuß - Winkeln als Standhilfe eingelegtem Gitter, jeweils mit in [12] beschriebenen Ausrichtungen. Zur besseren Austauschbarkeit wurden sie mit wenigen Tropfen eines leicht wieder ablösbaren Photo - Klebers auf einem mattschwarz angestrichenen Dosen - Deckel aus magnetisierbarem Blech befestigt und dieser wiederum durch einen kleinen starken Neodym - Magneten [18] auf der Unterseite der Drehachsenzone fixiert.

 

Test - Bilder

Als Licht - Quelle bei den nachfolgend wiedergegebenen Photos diente eine 12 W - Leuchtstoff - Lampe. Deren Leuchtstoff emittiert Licht breiter Wellenlängen - Bereiche, im Spektrum als leuchtende Banden sichtbar. Angeregt wird er dazu durch die Strahlung von Quecksilber - Dampf, die Linien im Spektrum erzeugt. Für die folgenden Photos wurde eine Kamera so nahe wie möglich an das Prisma oder das Gitter herangeschoben.

Bild links: Mit einem Kronglas - Prisma [26] erzeugtes Spektrum. Bild rechts: Mit einem Prisma aus Schwerflint - Glas (SF 10) [27] ererzeugtes Spektrum. Beide aufgenommen mit einer Webcam [25]. Die Spektrallinien erscheinen gebogen, weil vom Spalt kommenden Licht - "Strahlen", wenn sie schräg zur von den Stirnflächen des Prismas definierten Raumebene laufen, eine zusätzliche Brechung erfahren. Die Enden der Spektrallinien werden von den am schrägsten verlaufenden Strahlen gezeichnet und sind daher am meisten verschoben gegenüber den entlang der optischen Achse laufenden Strahlen in den Linienmitten.

Da bei Prismenspektrographen die Ebene, in der Spektrallinien scharf abgebildet werden, in einem von 90 ° verschiedenen Winkel zur optischen Achse verläuft, bei "normalen" Kameras die Film - oder Bildwandler - Ebene jedoch rechtwinkelig zu jener, kann mit solchen Kameras nur ein kleiner Bereich des Spektrums, abhängig von der Objektiv - Einstellung, scharf abgebildet werden. Je kurzwelliger das Licht, um so geringer ist die Bildweite einer Spektrallinie, also die Distanz zwischen Kamera - Objektiv und dem Ort der scharfen Abbildung der Linie [28]. Zur Unschärfe in den Bildern dürfte auch die automatische Belichtungssteuerung beigetragen haben durch Überbelichtung der helleren Spektrallinien und dadurch verursachte Überstrahlungen.

Schon mit einem einzelnen optischen Beugungsgitter können detailliertere Spektren erhalten werden als mit einem Einzelprisma. Die folgenden wurden mit oben genannter Webcam aufgenommen.

Links Spektrum erster Ordnung erzeugt durch ein low cost - Gitter mit 1000 Strichen / mm [29], rechts das mit einem professionellen Gitter mit 1200 Strichen / mm [30] erhaltene. Das sehr viel teurere Gitter erzeugt neben der größeren Spreizung des Spektrums auch eine schärfere Abbildung der Spektrallinien.

Das höhere Auflösungsvermögen und die bessere Farbwiedergabe eines Kleinbildfilms wird auf folgenden Bildern deutlich, aufgenommen mit einer Kleinbild - Kamera [31] auf Dia - Film [32], dessen Bilder digitalisiert [33] wurden.

		Spektrum erzeugt durch oben erwähntes Kronglas - Prisma bei Blende 3,4 und 1 s Belichtungszeit.
		Spektrum erzeugt durch oben erwähntes Schwerflintglas - Prisma bei Blende 3,4 und 1 s Belichtungszeit.
		Spektrum erzeugt durch oben erwähntes Schwerflintglas - Prisma, aufgenommen bei Blende 22 und 50 s Belichtungszeit.

Wegen größerem Abbildungsmaßstab sind die Spektren in den auf dem Kleinbild - Film entworfenen Primärbildern weiter gespreizt als in denen, die auf dem Bild - Wandler - Chip der Webcam abgebildet werden. Die Feinkörnigkeit des Films lässt zudem Spektren - Details bei Nachvergrößerung deutlicher hervortreten, während eine solche bei den Webcam - Bildern nur deren Unschärfe verstärkt hätte. Auch die Dia - Photos zeigen an Stellen intensiver Belichtung eine verfälschte Wiedergabe der Spektrum - Farben. Die auch hier nur geringe Ausdehnung des mit dem Kronglas - Prisma erhaltenen Spektrums lässt dieses nur in oben angesprochenen speziellen Fällen für chemische Analysen geeignet erscheinen. Die mit dem Schwerflintglas - Prisma erzeugten Spektren - Bilder zeigen durch Reflektion an den Prismen - Wänden eingespiegelte Spalt - Bilder in der Farbe des Lampenlichts sowie auf der stärker belichteten Aufnahme den blauen Rand eines Doppelbildes des Spektrums. Wegen der Neigung der Abbildungsebene gegen die Kamera - Film - Ebene bei mit Einzelprismen und Normalkameras ausgestatteten Spektrographen, siehe oben, werden bei starker Abblendung wegen dann erhöhter Schärfentiefe die Spektrallinien schärfer abgebildet.

Spektrum erzeugt durch oben erwähntes Profi - Gitter mit 1200 Linien / mm, aufgenommen bei Blende 22 und 50 s Belichtungszeit. Es fehlen Linien und Banden am roten Ende des Spektrums, was an der geringen Objektiv - Öffnung liegen könnte.
Spektrum erzeugt durch oben erwähntes low cost - Gitter mit 1000 Linien / mm, aufgenommen bei Blende 22 und 50 s Belichtungszeit. Aus gleichem Grund wie oben fehlen Linien, hier jedoch am blauen Ende des Spektrums, bedingt vielleicht durch zwischenzeitliche geringe Änderung der Kamera - Position bei einer Kontrolle der Bildschärfe.
Spektrum erzeugt durch oben erwähntes low cost - Gitter mit 1000 Linien / mm, aufgenommen bei Blende 3,4 und 1 s Belichtungszeit. Durch die große Objektiv - Öffnung sind hier das blaue und das rote Ende des Spektrums erfasst, die in den Bildern oben zum Teil fehlen, aber auch die Schärfentiefe geringer und Abbildungsfehler verstärkt, erkennbar an den weniger scharfen Spektrallinien im Vergleich zu den Spektren darüber.

Selbstbau - Spektrograph 2

Für weitere Tests wurde ein weiteres Provisorium hergestellt, der links abgebildete Selbstbau - Spektrograph 2. Trotz geringer Bild - Qualität sollte die Wiederverwertung der Kamera - Plattform und des Tubus vom Selbstbau - Spektroskop 1 erkennbar sein. Die Plattform steht auf 4 Gewindebolzen - Füßen, die Spalt - Blende wurde hergestellt wie an anderer Stelle beschrieben [12]. Der Tubus wird mittels zweier Tabletten - Döschen auf der Höhe des Kamera - Objektivs gehalten. Seine Spalt - seitige Öffnung wird durch eine runde Blende aus beidseitig schwarzem Karton, die nur das Spalt - Licht durchlässt, gegen Störlicht abgedichtet. Erzeugt wird ein Spektrum durch ein low cost - Gitter [29] und aufgenommen mit einer low cost - Digital - Kamera [17], deren Objektiv schräg seitlich auf ein Spektrum 1. Ordnung gerichtet ist und die durch schwarzen Bastelkarton vor Störlicht geschützt wird. Die Baulänge wurde erzwungen durch die Naheinstellgrenze der Kamera von etwa 30 cm. Kameras mit geringerem für scharfe Abbildung zulässigem Objekt - Abstand würden näheres Heranrücken von Gitter und Kamera an den Spalt ermöglichen und damit auch lichtempfindlichere Aufnahmen.

Lehren aus dem Gebrauch der Spektrographen 1 und 2

In der Praxis hat sich das Aufstellen auf nur 3 Stelzfüße beim Spektrograph 1 als recht wackelanfällig erwiesen. Dies ist zur Not tolerierbar, wenn die Kamera ohne Handberührung ausgelöst werden kann (Fernauslöser oder Computer - Steuerung). Es scheint jedoch empfehlenswert, die Füße der Tubus - Plattform auf eine unterliegende Halteplatte festzuschrauben.

Die Befestigung einer Silbersalz - Film - Kamera mittels Bodenschraube auf der beschriebenen Plattform bringt Anfälligkeit gegen Verdrehung beim Betätigen des Filmtransport - Hebels mit sich, was häufige Neujustierung der Kamera - Stellung erfordert. Eine solche Kamera sollte besser in einem sie umgreifenden Halter befestigt werden, der zum Schutz gegen Verdrehungen mit 2 Schrauben auf der Unterlage befestigt ist.

Zoom - Objektive für Silbersalz - Film - Kameras sind im Vergleich zu solchen für Digital - Kameras bei gleichen Öffnungsverhältnissen voluminöser und schwerer. Beim oben beschriebenen Spektrograph 1 mit Kleinbild - Kamera führte dies zum Aufliegen des Objektives auf der Plattform, was dessen Verstellung durch Drehbewegung der Kamera beim Betätigen des Filmtransport - Hebels zur Folge hatte. Kameras sollten daher so auf ihrem Halter befestigt werden, dass ihr Objektiv allseitig frei steht.

Die für Lichtschutz - Anstriche verwendete Casein - Farbe neigt nach dem Trocknen auf sehr glatten Flächen stark zum Abplatzen bei mechanischer Beanspruchung. Auch der oben empfohlene Photokleber haftet schlecht auf solchem Untergrund. Mattschwarzer Lack bildet nach Erfahrung des Verfassers nach dem Trocknen spiegelnde Oberflächen. Ihm erscheint mattschwarz beschichteter Bastelkarton am Besten geeignet zur Störlicht - Verringerung.

Standard - Photokameras sind wegen der fixen Ausrichtung der Film - Ebene senkrecht zur optischen Achse ungeeignet zur Aufnahme von durch einfache Prismen erzeugten Spektren, deren Bild - Ebenen schiefwinklig zur optischen Achse stehen. Abhilfe ist durch teure Geradsicht - Prismen möglich oder durch Selbstbau - Silbersalz - Film - Kameras mit justierbarer Lage des Films oder durch Verwendung kommerzieller Spiegelreflex - Kameras und Ersetzen ihrer Standard - Objektive durch ein Objektiv, dessen Linsen - Ebenen schräg zur optischen Achse der Kamera justiert werden können. Trotz dieser Schwierigkeiten: Prismen sind bezüglich Licht - Empfindlichkeit und damit Empfindlichkeit bei Analysen von Proben auf ihre Inhaltsstoffe bei Emissionsspektralanalysen Gittern überlegen.

Vergleiche mit in anderen Quellen veröffentlichten Photos zeigen eine der oben genannter Beugungsgitter weit überlegene Wellenlängen - Auflösung von als Gitter verwendeten CD / DVD [47][48]. Die Ermittlung geeigneter Techniken zur Nutzung von CD / DVD für chemische Analysen trotz Krümmung der von ihnen erzeugten Spektrallinien erscheint daher sinnvoll.

Zur Aufnahme von mittels offener Flammen, elektrischer Lichtbögen oder Funken angeregten Spektren ist eine Ausführung zumindest des Eingangsspalts und des anschließenden Tubus aus feuerfestem Material zu empfehlen.

Je weniger lichtempfindlich eine Kamera ist, desto stärker muss die Intensität des zu untersuchenden Lichts und die des Kalibrierspektrums sein.

Selbstbau - Spektrograph 3

Unterschiedliche Kameras und sowohl Prismen als auch Gitter sind einsetzbar im Selbstbau - Spektrograph 3. Auch bei diesem wird eine tragende Plattform aus 2 Zeichenlinealen gebildet, hier bestehend aus Aluminium und etwa 40 cm lang, die parallel nebeneinander in einer Ebene mit etwas Abstand zueinander angeordnet sind und von 4 Metall - Winkeln fixiert werden, die zugleich als Standfüße dienen [53]. Der Leerraum zwischen den Linealen ist hier so breit, dass der Schaft einer Kamera - Schraube mit etwas Spiel darin hin und her bewegt werden kann. Wegen kleiner Variationen bei den Biegungswinkeln und Schenkel - Längen der Winkel kann es sein, dass das Ende eines Standfußes außerhalb der von den Enden der drei übrigen Füße markierten Raum - Ebene liegt, was Wackeln des Gesamt - Gebildes auf einer ebenen Unterlage zur Folge hat. In diesem Fall kann unter einen oder auch alle vier der Füße ein Stück weiches Material gelegt werden, in das jeder Fuß seiner Auflast entsprechend einsinkt und so alle vier Füße festen Kontakt zur Unterlage erhalten. Beim vom Verfasser gefertigten Modell bewirkte anscheinend die geringe Elastizität der Alu - Lineale eine geringe mechanische Entkoppelung der beiden Standfuß - Paare, was für einen festen Stand der Plattform auf halbwegs ebenen Unterlagen sorgte.

Im vorliegenden Fall sind jeweils zwei Metall - Winkel entgegengesetzt zueinander und rechtwinkelig zu den Längsseiten der Lineale nahe deren Enden angeklebt. Die Winkel - Schenkel stützen dabei die Lineale von unten. Ein Ankleben der Schenkel an die Lineal - Oberseiten hätte zur Folge, dass bei Belastung der Plattform die aneinandergeklebten Teile auseinander gedrückt und die Klebungen destabilisiert werden würden. Sind die Metall -Winkel mit Bohrlöchern versehen, ist das Ankleben ihrer Schenkel so zu empfehlen, dass jeweils ein Bohrloch inmitten des Führungsschlitzes für die Kamera - Schraube zu liegen kommt. Dann kann ein solches Loch zur Befestigung von Konstruktionsteilen genutzt werden.

Variante mit kommerziellem Prismenspektroskop

Aufgrund oben beschriebener Erfahrungen wurde für die Ausführung des Spektrograph 3 als Prisma - Gerät ein Geradsicht - Prisma (Amici - Prisma) zur Licht - Zerlegung benutzt. Um häufigen Wechsel zwischen Spalt - Blenden mit unterschiedlichen Spalt - Breiten zu vermeiden wurde außerdem eine Blende mit stufenlos einstellbarer Spalt - Breite verwendet. Da beide Komponenten als Einzelstücke gekauft teurer gewesen wären als ein kommerzielles Spektroskop, das die Teile eingebaut enthält, entschied sich der Verfasser zum Kauf des Letzteren [54].

Das Bild unten zeigt die Plattform mit Spektroskop und Kamera, die mit einer Kamera - Schraube im Führungsschlitz zwischen den Linealen befestigt ist. Da die Dicke der Lineale zu gering war, um die Schraube festziehen zu können, wurde eine Lochscheibe mit 6 mm - Loch zusätzlich auf der Plattform - Unterseite eingefügt.

 

 

Das Spektroskop lagert auf den Flügeln zweier Flügelschrauben, die im Führungsschlitz festgeschraubt sind unter Zuhilfenahme von vier großen Lochscheiben und vier kleinen mit 6 mm - Loch zur Verbesserung der Stabilität der Verschraubung. Sind nur Flügelmuttern verfügbar, können auch diese auf Schrauben mit anderen Köpfen oder Gewindestangen aufgedreht als Spektroskop - Halter dienen. In diesem Fall sollten die Flügelmuttern aber durch unterliegende Gegenmuttern gegen Wackeln gesichert werden. Eine solche Halterung erlaubt die Anpassung der Höhenlage des Spektroskops an unterschiedliche Höhenlagen der optischen Achsen verschiedener Kameras. Das Spektroskop kann mit ein wenig leicht wieder ablösbarem Photokleber in seiner Halterung fixiert werden, wobei natürlich kein Kleber in den Spalt - Stellring oder in den Führungsschlitz für das verschiebbare Okular gelangen sollte.

Versuche mit besagtem Spektroskop und einer angekoppelten, auf 55 mm Brennweite eingestellten Spiegelreflex - Kamera zeigten, dass nur bei vollständigem Einschieben des Okulars in das Spektroskop und Platzierung der Okular - Öffnung dicht vor der Frontlinse der Kamera das rote und das blaue Enden eines Spektrums gleichzeitig abgebildet wurden. Allerdings ließ die Schärfe der mit dieser Konstellation gewonnenen Bilder zu wünschen übrig. Größere Entfernung zwischen Spektroskop und Kamera erlaubte zwar die Einstellung eines Schärfe - Maximums, doch wurde dies durch eine Schwächung oder gar ein Abschneiden des vom blauen oder roten Rand eines VIS - Spektrums kommenden Lichts erkauft. Vielleicht liegt Dies mit daran, dass das Spektroskop ja für ein dicht am Spektroskop - Ausgang platziertes menschliches Auge konstruiert ist und nicht für die optische Ankoppelung eines mehrlinsigen Kamera - Objektivs. Beim Kauf eines kommerziellen Spektroskops und eines Kamera - Objektivs ohne vorherige Prüfung des optischen Zueinanderpassens besteht also die Gefahr, dass das Potential des Spektroskops von der Kamera nicht voll genutzt werden kann. Im vorliegenden Fall hätte es eines Objektivs bedurft, das die scharfe Abbildung eines Objekts in weniger als 25 cm Entfernung vom Objektiv ermöglicht, um das Abbildungspotential des Spektroskops voll auszunutzen.

Bei einer sehr hell abgebildeten Spektrallinie können ein wenig gegen das Hauptbild der Linie versetzte Licht - schwächere Nebenbilder auftreten, wahrscheinlich infolge Spiegelungen im Spektroskop oder zwischen Diesem und der Front - Linse der Kamera. Das folgende Spektrum zeigt eine solche Abbildungsstörung bei der grünen Hauptlinie im Emissionsspektrum des Quecksilbers. Bei spektralanlytischen Untersuchungen ist ein solcher Abbildungsfehler natürlich hinderlich.

 

Anordnung einer Kalibrierlichtquelle vor dem Fertig - Spektroskop

Beim oben genannten Prismenspektroskop ist der Eingangsspalt mehrere mm hinter einer Schutzglas - Scheibe angebracht. Soll das Spektrum einer Kalibrierlichtquelle zusammen mit dem Spektrum einer Probenlichtquelle aufgenommen werden, verhindert dieses Schutzglas das zum überlappungsfreien Aneinandergrenzen der Spektren notwendige Anstoßen einer optischen Trennwand zwischen den beiden Licht - Quellen direkt an den Spalt. Das daraus resultierende Ineinandergreifen beider Spektren kann störend wirken, wenn zum Beispiel eine Linie im Probenlicht - Spektrum und eine Linie im Kalibrierlicht - Spektrum einander überlagern. Auch deswegen ist der teurere und arbeitsaufwändigere Selbstbau eines Vorsatzes aus Spalt - Blende und Geradsicht - Prisma zur Licht - Zerlegung oder der Einsatz eines noch sehr viel teureren Fertig - Spektroskops mit nahe am Spalt angebrachtem Spiegel zum Einblenden eines 2. Spektrums dem hier verwendeten Fertig - Spektroskop vorzuziehen. Zur Not tolerierbar ist besagte Spektren - Überlappung jedoch bei der Aufnahme von Banden - Spektren, wenn der Spalt so schmal ist, dass Linien in einem Spektrum sich durch ihre geringe Breite deutlich von Banden darin unterscheiden.

Das Bild links zeigt eine UV - Handlampe als Kalibrierlichtquelle vor dem Prismenspektroskop in einer unten beschriebenen Halterung. Das Dach des Lichtschutz - Gehäuses der Lampe, etwa auf Höhe der längsseitigen Mitte des Spektroskop - Spaltes, dient als Wand zur Trennung des Lichts der Handlampe vom von der zu untersuchenden Licht - Quelle kommenden Licht.

Die wie zuvor beschrieben vor den Spektrograph - Eingang geklemmte Handlampe kann beim Betätigen ihres Schalters etwas ihre Position ändern. In diesem Fall variiert auch die Schattierwirkung des Lampengehäuses auf das von einer Analysenprobe kommende, oberhalb der Lampe vorbeilaufende Licht, was wiederum veränderte Helligkeit des Probenspektrums zur Folge hat. Daher ist diese Anordnung der Kalibrierlampe nur für qualitative chemische Analysen geeignet. Für quantitative Analysen, bei denen die Helligkeit spektraler Muster möglichst nur von der Konzentration der Probeninhaltsstoffe beeinflusst werden sollte, sind mechanisch stabilere Aufbauten erforderlich. So kann zum Beispiel möglichst dicht am Eingangsspalt ein Spiegel angebracht werden, der das Licht einer seitlich platzierten Kalibrierlichtquelle in den Spalt hinein reflektiert.

Anbau einer Halterung für Licht - Quellen

Bei der oben beschriebenen Ausführung des Spektroskop 3 ermöglichen die im Spalt zwischen den Linealen liegenden Bohrlöcher in den Standfuß - Winkeln folgende einfache Halterung für eine Licht - Quelle am vorderen Ende des Spektroskops:

 

Das Bild links zeigt einen Winkel ähnlich dem eines als Standfuß verwendeten, allerdings kleiner und mit einem Längsschlitz anstelle von Bohrlöchern in einem der beiden Winkel - Schenkel versehen [53], befestigt an der Spektroskop - Plattform mit zwei langen, durch den Winkel - Schlitz und die Bohrlöcher der als Standfüße verwendeten Winkel ragenden Metallschrauben. Der Schlitz ermöglicht die Positionierung des Winkels in der der Plattform parallel laufenden Raum - Richtung, die Schrauben lassen unterschiedliche Abstände des Winkel - Schenkels zur Plattform - Ebene zu. Am senkrecht zu dieser stehenden Winkel - Schenkel ist ein Bohrloch mit einer kurzen Metallschraube versehen, auf der das Gehäuse einer Licht - Quelle aufsitzen kann. Die Löcher in diesem Winkel - Schenkel können aber auch anders zur Befestigung einer Licht - Quelle genutzt werden.

Anbringen einer Schutz - Scheibe

Bei Anregung einer Probe zur Licht - Emission mittels offener Plasmen (Flamme, elektrischer Lichtbogen, elektrischer Funke) können Probenteilchen in die Umgebung geschleudert werden. Um die Spektrograph - Optik vor solchen glühenden oder ätzenden Teilchen zu schützen wurde eine Halterung für eine bedarfsweise einsetzbare Schutz - Scheibe aus durchsichtigem, farblosem Plexiglas [56] angebracht.   Das Bild rechts zeigt den "Spektrograph 3" mit nahe der Vorderkante in die beiden vertieften Bahnen der Alu - Lineale eingeklebten 2 Winkel - Paaren, zwischen denen die Schutz - Scheibe lose eingesteckt ist. Alternativ dazu können die Winkel auch an die Schutz - Scheibe selbst geklebt werden, was jedoch besonders exaktes Arbeiten zur Vermeidung eines späteren wackeligen Standes erfordert.

Prüfung auf optische Stabilität

Für die oben beschriebene Kombination von Spektroskop und Digicam wurde die optische Stabilität, siehe oben, geprüft mittels zweier zeitlich wenige Sekunden versetzter Aufnahmen eines Quecksilber (Hg) - Emissionsspektrums. Die Wellenlängen - Achse des Spektrums auf einem Bild verlief über die Pixel - Spalten hinweg. Als Test - Spektrallinien wurden die beiden eng benachbarten gelben Hg - Linien gewählt. In beiden Aufnahmen lagen die Maxima dieser Linien auf den gleichen Pixel - Spalten, wobei die Positionsbestimung bei beiden Bildern in der gleichen Pixel - Zeile erfolgte.

Weitere Optionen für Ausstattung und Betrieb

Die Scharfstellung eines Bildes über den Sucher der in den Spektrographen eingebauten Kamera strapaziert die Halswirbelsäule und die Augen. Bei der oben genannten, hier eingesetzten Kamera erlaubt die als Zubehör mitgelieferte Software "EOS Utility" die Auslösung des Verschlusses am Computer, was die Verwackelungsgefahr bei weniger stabiler Kamera - Montierung minimiert. Nach Ablauf der Belichtungszeit kann am Computer - Monitor das entstandene Bild in verkleinerter Form betrachtet werden. Da dieses Bild um ein Mehrfaches größer erscheint als das direkte Sucher - Bild, ist die Scharfstellung mittels Kontrolle am externen Monitor wesentlich bequemer, auch wenn hierzu mehrere Bilder in Folge aufgenommen werden müssen. Diese Hilfsbilder können aber nach Abschluss der Scharfstellung wieder gelöscht werden.

Ist die Kamera zur Aufnahmesteuerung nicht an einen Computer anschließbar, verringert ein Fernauslöser die Gefahr von Verwackelungsunschärfen [60].

Resümee

Die Erfahrung mit dem "Selbstbau - Spektrograph 3" hat gezeigt, dass bei Verwendung eines Prisma - Handspektroskops als Licht - zerlegendes Element die oben genannte Kamera mit Normalobjektiv nicht nahe genug an das im Spektroskop - Inneren befestigte Prisma herangerückt werden kann, um ein UV - VIS - Spektrum vollständig aufzunehmen. Ein gutes für Makro - Aufnahmen ausgelegtes Objektiv für diese Kamera hätte dieses Problem vielleicht behoben, aber preislich im Rahmen der Kosten für eine Bridge - Kamera mit Makro - Funktion gelegen. Eine billige einfache Vorsatz - Linse für das Normalobjektiv der Spiegelreflex - Kamera ist kein gleichwertiger Ersatz für ein Makro - fähiges Objektiv.

Selbstbau - Spektrograph 4

Je nach Untersuchungsziel unterschiedlichen Anforderungen an einen Spektrographen wird ein modularer Aufbau besser gerecht als ein weniger flexibles Gerät mit festgelegtem Aufbau. Beim Spektrograph 4 sind die optischen Komponenten und die Kamera variierbar auf einer Unterlage positioniert. Die Bezeichnung steht also weniger für ein definiertes Gerät, sondern mehr für ein Aufbau - Prinzip.

Low cost - Version mit Webcam

Das nachfolgende Bild zeigt eine Billig - Variante des Spektrograph 4 mit einer Selbstbau - Spalt - Blende aus Dia - Rahmen und 2 Rasierklingen [12], einem Licht - Zerleger aus einer in einen Dia - Rahmen eingeklemmten billigen Beugungsgitter - Kopie [12] und einer billigen Restposten - Webcam mit drehbarem Objektiv - Ring und Schnappschuss - Funktion [62]. Jede dieser Komponenten wurde in einen Uhrgehäuse - Halter eingeklemmt [63] und jedes der so entstandenen Module auf einem zur Verringerung von Störlicht dunkelfarbigen Frühstücksbrettchen wie folgt positioniert und eingestellt.

Unter Kontrolle mittels des von der Kamera gelieferten Computer - Monitor - Bildes wurde durch Drehen an deren Objektiv - Ring (Bewegung des Objektivs von der Kamera weg) ein großer Abbildungsmaßstab eingestellt und nach Vorsetzen einer ein Linien - Spektrum emittierenden Lampe vor den Spalt die Kamera selbst über den Grad der Schrägstellung zur optischen Achse zwischen Spalt und Gitter so positioniert, dass sie die gewünschte Beugungsordnung des Gitters, hier die 1., erfasste [12]. Dann wurde der Spalt durch Verschieben auf das Gitter zu oder von ihm weg in die Position gebracht, die zur schärfsten und hellsten Abbildung der Spektrallinien führte. Nach dieser Justierung wurden die Stellungen der Module auf dem Träger - Brettchen markiert und mit leicht ablösbarem Photokleber fixiert. Zur erhöhten Platzierung des Spektrographen wurde das Träger - Brettchen mit Standfüßen versehen und zwar 3 Stück für einen möglichst wackelarmen Stand. Als Füße wurden Distanzbolzen mit Innengewinde (Langmuttern) verwendet, da damit durch Eindrehen von Schrauben eine Höhenverstellbarkeit möglich ist.

Bei der Aufnahme des unten abgebildeten Test - Spektrums, das von einer Niederdruck - Quecksilberdampf - Lampe geliefert wurde, zeigten sich die Schwächen der Billig - Webcam. Wurde wie bei Spektren - Aufnahmen üblich das Umgebungslicht abgeschirmt um das Spektrum möglichst frei von Störlicht aufzunehmen, wurde es vollständig dunkel im Bild - Fenster der Kamera - Software. Erst bei einer Mindestintensität des in die Kamera einfallenden Umgebungslichts bequemte sich Diese, auch das Spektrum aufzunehmen. Die beiden blauen Spektrallinien konnten mit keiner Spalt - Position schärfer aufgenommen werden.

Bei Verwendung der mit der Webcam gelieferten, über das "Programme" - Verzeichnis aufrufbaren Software "AMCAP" können Einzelbilder nur mit der mechanischen Schnappschuss - Taste an der Kamera aufgenommen werden, was die Gefahr von Verwackelungsunschärfe mit sich bringt. Zudem werden bei dieser Vorgehensweise die auf der Umverpackung und in der Betriebsanleitung angegeben 1,3 Megapixel Auflösung unkorrigierbar weit unterschritten. Der Vorzug dieses Modus ist jedoch, dass die Schnappschüsse ohne Kompression im Bitmap - Format aufgenommen werden.

Alternativ zur oben angegebenen Vorgehensweise kann ein Fenster mit der Anzeige des Webcam - Bildes auch durch Anklicken des Eintrags "Hama MX Pro II Webcam" im Datenträger - Verzeichnis des Windows Explorer geöffnet werden. Nach Schließen des dort zunächst angezeigten Ordner - Verzeichnisses erscheint ein Anweisungsfenster mit dem Titel "Kameraaufgaben", das eine per Software auslösbare Bild - Aufnahme ermöglicht. Zwar werden dann die Photos komprimiert im Format JP(E)G gespeichert. Die Aufnahmen können aber durch Anklicken der Anweisung "Neues Bild aufnehmen" im neben dem Bild - Fenster stehenden Optionen - Fenster ausgelöst werden, was bei wackeliger Kamera - Befestigung natürlich der Bildschärfe zugute kommt. Zur Vermeidung weiterer Kompression - bedingter Verluste von Bild - Informationen sollte ein JP(E)G - Photo vor einer Bearbeitung mit einem Programm in Diesem ins Format 24-Bit-Bitmap umgewandelt werden.

Nachteilig ist auch die geringe Farbtreue eines aufgenommenen Bildes, da eine Groborientierung in einem UV - VIS - Spektrum durch die Farben von Spektrallinien erleichtert wird. So müsste die 3. Linie von rechts deutlich grün wiedergegeben werden, die 4. Linie von rechts orangegelb.

Möglicherweise könnte der Austausch des einfachen Objektivs der Webcam gegen Eines mit besserer Abbildungsqualität die Bild - Qualität verbessern. Dazu und zur Steuerung der Belichtungszeit einer Webcam mit spezieller Software siehe oben den Abschnitt "Bildaufnahme - Systeme".

Kamera - Plattform aus Lochblechen

Für eine Kamera mit einem Innengewinde im Boden zur Aufnahme einer Kamera - Schraube kann eine Spektrographenplattform aus gelochten Eisenblechen hergestellt werden, wie sie in Baumärkten als Beschläge für Möbel, als Flachverbinder, als Flachstahl - Betonanker oder als Lochplatten erhältlich sind. Die im Bild unten gezeigte Plattform wurde aus solchen Blechen zusammengeschraubt [65]. Sind die Bleche sehr dünn und die Gewinde - Öffnung im Kamera - Boden nur wenig tief, erreicht die Kamera - Schraube eventuell das Ende der Gewinde - Öffnung, bevor der Schraubenkopf am Plattform - Blech fest sitzt. Dann ist es erforderlich, Lochscheiben (Unterlegscheiben, Karosserie - Scheiben) um die Kamera - Schraube zu legen, um sie in der Gewinde - Öffnung der Kamera festziehen zu können. Spalt und Prisma oder Gitter sind auch hier in oben schon erwähnte Uhrgehäuse - Halter eingeklemmt, beim Prisma zu dessen Schonung unter Verwendung der zu diesen Haltern gehörenden aufsteckbaren Plastik - Noppen. Die Halter können mit ablösbarem Photokleber auf der Plattform festgeklebt werden. Auch hier dienen wieder Langmuttern beziehungsweise Gewindebolzen als Standfüße.

Bild oben: Eisenblech - Version des Selbstbau - Spektrograph 4 mit einstellbarem Eingangsspalt und Geradsichtprisma [12]. Die optischen Achsen der Spalt - Prisma - Kombination und der Kamera fallen ungefähr zusammen.

Bild unten: Hier ist ein Beugungsgitter das Licht - zerlegende Element [12]. Daher ist die Kamera im von zwei benachbarten Blechrändern gebildeten Führungsschlitz seitlich verschoben befestigt und die optische Achse der Kamera steht schräg zu der der Spalt - Gitter - Kombination.

Die beiden oben abgebildeten Varianten des Selbstbau - Spektrograph 4 sind zwecks besserer Erkennbarkeit von Details noch ohne Licht absorbierende Anstriche oder Blenden. In diesem Zustand kann Umgebungslicht leicht Überstrahlungen auf Spektrenbildern hervorrufen und so die Erkennbarkeit schwacher Spektrallinien erschweren. Um solche Störungen zu reduzieren können die Eisenbleche der Plattform mattschwarz angestrichen oder mit schwarzem Zeichenkarton beklebt werden. Aus Zeichenkarton kann auch ein einfaches Gehäuse hergestellt werden, das die Spektrograph - Plattform gegen Umgebungslicht abschirmt.

Photostativ als Kamera - Träger

Werden Spektrographenspalt und Lichtzerleger (Gitter oder Prisma) als frei positionierbare Module auf einer Unterlage nahe dem Rand eines Arbeitstisches befestigt, kann die Kamera auch auf einem vor dem Tisch auf dem Boden des Arbeitsraums stehenden Photostativ befestigt und mittels dessen Verstellbarkeit auf die genannten optischen Teile ausgerichtet werden.

Arbeiten mit Spektrographen

Für chemische Analysen von Proben mittels Spektrographie gibt es kein Einheitsrezept. In der Praxis sind in der Regel mehrere Vorversuche unter verschiedenen Aufnahme - Bedingungen alleine schon dafür notwendig, um ein für qualitative oder quantitative Analysen geeignetes Verfahren zu erarbeiten. Im Folgenden wird auf einige technische Aspekte der Aufnahme von Spektren eingegangen.

Um eine Überstrahlung lichtschwacher Spektrum - Details durch in einen Spektrographen eindringendes Umgebungslicht zu verringern ist die Abdunkelung des Arbeitsraums zu empfehlen. Im Dunkeln hell strahlende Monitore von Digital - Kameras sollten, nachdem sie ihre Aufgabe als Scharfstellhilfe erfüllt haben, abgedeckt oder dunkel gestellt werden. Da Wandschalter für die Arbeitsraum - Beleuchtung im Dunkeln erschwert zu finden sind, sollte beim Arbeiten im Dunkeln immer eine Taschenlampe am Körper getragen werden.

Ist die optimale Stellung eines Spektrographenspalts zu einer Licht - Quelle anhand des Helligkeitsmaximums eines Spektrums im Kamera - Sucher schwierig zu finden, was bei lichtschwachen Spektren der Fall ist, kann bei Gitter - Spektrographen das ungebeugt durch das Gitter fallende Spalt - Licht, zu sehen bei senkrechtem Blick auf das Gitter als Bild des Spalts in der Originalfarbe der Licht - Quelle, zur optimalen Ausrichtung von Licht - Quelle und Spalt zueinander genutzt werden.

Wird bei Kameras mit manueller Scharfstellung gearbeitet und diese anhand eines Monitors oder Spiegelreflex - Suchers kontrolliert, sollte nach jeder Betätigung einer realen, also objektivoptischen Zoom - Funktion die Bild - Schärfe geprüft und erforderlichenfalls nachgeregelt werden.

Bei Verwendung von Digital - Kameras kann bei spektralanalytischen Arbeiten häufiges An- und Abkoppeln einer Kamera an einen Computer notwendig sein, um die Wirkung von Einstellungen und Justierungen anhand der am Computer - Monitor deutlicher als am Kamera - Monitor zu sehenden Photos zu begutachten. Um den Verschleiß der Kupplung für das Verbindungskabel an der Kamera zu verringern, sollte der Kabel - Stecker nach Möglichkeit zumindest während eines Arbeitsprogramms ständig in der Kamera belassen werden. Zur Schonung des Objektivs sollte bei Nichtgebrauch dessen Schutzdeckel angebracht werden.

Optimierung der Spalt - Breite

Zur Auswertung von Spektren - Photos für chemische Analysen sollten möglichst viele Details zu sehen sein, was einen sehr engen Eingangsspalt erfordert, aber auch möglichst viele lichtschwache Strukturen, was durch einen etwas breiteren Spalt erleichtert wird. Eine Konkurrenz gegensätzlicher Erfordernisse ergibt sich auch bei der Belichtung. Mit zunehmender auf den Bild - Empfänger wirkender Licht - Energie werden zwar zunehmend lichtschwache Spektrum - Muster erfasst, zugleich entstehen aber auch um die helleren Muster herum zunehmend Überstrahlungseffekte, die eng benachbarte lichtschwache Details überdecken können. Diese Effekte sind an den unten abgebildeten Spektren erkennbar. Aufgenommen wurden sie mit dem Selbstbau - Spektroskop 2, dessen Kamera auf maximale Licht - Empfindlichkeit und Belichtungsdauer eingestellt war.

Das oberste Spektrum wurde vom Licht einer Leuchtstoff - Lampe erhalten unter Verwendung eines Spalts mit 1/4 mm geschätzter Breite. Die obere Häfte dieses Spektrums stammt vom im Lampenschirm reflektierten schwächeren Licht, die untere Hälfte vom direkt von der Lampe kommenden Licht. Letzteres verursacht wegen seiner hohen Intensität starke Überstrahlungen heller Spektrum - Partien in deren Umgebung. An solchen Stellen ist zudem der Verlust der Farbinformation zu erkennen, an deren Stelle eine weiße Tönung getreten ist. Im wegen Streuung im Lampenschirm lichtschwächeren, von indirektem Lampenlicht erzeugten oberen Teil des Spektrums sind die Spektrallinien und -banden in naturnäheren Farben und mit geringerer Streuungsverbreiterung zu sehen.

Das zweitoberste Spektrum wurde mit oben genannter Lampe, aber schmalerem Spalt erhalten. Die Linien und Banden sind ein wenig schmaler und ohne stärkere Überstrahlungen, aber auch lichtschwächer. Im verengten Spalt verursachen schon kleinste Unebenheiten starke relative Verringerungen der Spalt - Breite, die sich im Spektrum als dunkle Querstreifen bemerkbar machen. Das zweitunterste Spektrum stammt vom Licht einer 4 W - Quecksilber (Hg) - Niederdruck - Gasentladungslampe ohne Leuchtstoff und wurde mit dem breiteren Spalt aufgenommen. Zu sehen sind nur einige Emissionslinien von Hg.

Das unterste Spektrum stammt ebenfalls von der Hg - Lampe und wurde mit dem engeren Spalt erhalten. Die Spektrallinien sind zwar schmaler als im Spektrum darüber, was für chemische Analysen wünschenswert ist, aber auch so viel lichtschwächer, dass nur noch die hellste der blauen Linien zu erkennen ist.

Bild - Fehler und Störungen

Störlicht aus der Umgebung eines Spektrographen, interne Reflektionen in Diesem oder defekte Gerät - Teile können Muster auf einem Spektrum - Photo erzeugen, die fälschlich als von einer Analysenprobe verursacht interpretiert werden könnten. Das folgende Spektrum einer Niederdruck - Quecksilber - Gasentladungslampe wurde mit dem oben beschriebenen "Selbstbau - Spektrograph 4" aufgenommen unter Verwendung eines relativ teuren Beugungsgitters als Licht - Zerleger. Das Gitter war in einem Dia - Rahmen zwischen 2 Schutzgläsern untergebracht. Das Spektrum zeigt Vervielfachungen einzelner Spektrallinien, was durch Mehrfachreflektion des Lichts im Gitter - Dia oder in der Kamera verursacht sein könnte.

Nach Austausch des teuren Gitters gegen ein low cost - Gitter ohne Schutzgläser wurde das nachfolgend abgebildete Spektrum - Bild erhalten. Trotz Überbelichtung tritt jede Spektrallinie soweit erkennbar nur einmal auf.

Die folgende Aufnahme des obigen Spektrums mit Blende 32 zeigt zahlreiche sechseckige Schatten, möglicherweise Spiegelbilder der Kamera - Blende. Auf einem mit Blende 5,6 aufgenommenen Photo fehlten solche Schatten - Muster.

Das nebenstehend abgebildete Spektrum einer Quecksilber - Entladungslampe zeigt im blauen und grünen Spektralbereich ganze Serien von schwachen Scheinlinien und neben der grünen Spektrallinie ebenfalls eine intensive Scheinlinie. Die Farben der Scheinlinien sind anders als nach deren Lage im Gesamtspektrum für richtige Spektrallinien zu erwarten ist. Möglicherweise handelt es sich um Spiegelungen zwischen den Einzellinsen des Objektivs der zur Aufnahme verwendeten Kamera. Solche Spiegelungen treten laut diversen Test - Berichten in Photographie - Fachzeitschriften in weniger teuren Objektiven manchmal auf.

 

Da durch Spiegelung an Linsen - Flächen verursachte Abbildungsfehler in photographierten Spektren von Analysenproben zu Fehlern bei der Interpretation und quantitativen Auswertung von für chemische Analysen aufgenommenen Spektren - Photos führen können, neigt der Verfasser zur Verwendung von oberflächenbeschichteten Spiegeln zur Erzeugung von Spektren - Bildern. Kommerzielle Spektrometer enthalten, soweit dem Verfasser bekannt, solche Spiegel als abbildende optische Elemente.

Bearbeiten von Spektren - Photos

Verstärkung lichtschwacher Muster

Mit bloßem Auge nicht mehr erkennbare Muster in einem Spektrum - Photo können günstigenfalls mittels Bild - Bearbeitung - Software zum Erscheinen gebracht werden, was für qualitative chemische Analysen nützlich sein kann. Einzelheiten hierzu sind den Bedienungsanleitungen solcher Programme zu entnehmen [41], die oft auch Digital - Kameras beigefügt sind. Die beiden folgenden Bilder zeigen oben das Spektrum einer Glimmlampe als Ausgangsphoto, unten das durch Verstärkung von Helligkeit und Kontrast mit dem unter [39] genannten Programm manipulierte Bild.

Von einer Kamera - internen Rauschunterdrückung zerstörte lichtschwache Bild - Inhalte können natürlich auch durch Hervorhebungsfunktionen einer Software nicht mehr sichtbar gemacht werden. Zudem wird durch eine Helligkeitsverstärkung per Software die Beziehung zwischen der Intensität spektraler Muster und den Konzentrationen der verursachenden Inhaltsstoffe von Proben verändert. Daher muss für quantitative Analysen der Grad der Helligkeitsverstärkung genau bekannt sein, um die ursprüngliche Helligkeit berechnen zu können, wenn die Spektren von Vergleichsproben ohne Verstärkung bleiben, oder Letztere müssen im gleichen Verhältnis (mit dem gleichen Proportionalitätsfaktor) verstärkt werden wie die zu analysierende Probe.

Eine andere Möglichkeit der Verstärkung lichtschwacher Bild - Inhalte ist die deckungsgleiche Überlagerung mehrerer bei exakt gleicher Positionierung aller optischen Teile eines Spektrographen aufgenommener Spektren - Photos derselben Probe (Bilder - Addition) per Software, ein in der Astrophotographie gebräuchliches Verfahren [3][4][9][35][40]. Rauschen - bedingte Helligkeitsunterschiede auf den einzelnen Photos schwanken zeitlich und räumlich und werden daher durch Mittelwert - Bildung beim Übereinanderlegen der Bilder nivelliert. Reale Muster in Spektren dagegen, die bei korrektem Vorgehen auf allen Photos an gleicher Stelle auftreten, werden durch Addition ihrer Helligkeiten verstärkt gegenüber ihrer Umgebung herausgehoben. Hierzu sollte bei Digital - Kameras eine Rauschunterdrückung durch die Kamera - interne Bild - Verarbeitung ausgeschaltet sein und die Speicherung der Bilder ohne Verlust darin enthaltener Informationen erfolgen, am Besten im RAW - Format.

Statt der Photos können auch die daraus gewonnenen Spektrogramme, siehe unten, addiert werden. Dies gilt auch für direkt, ohne Umweg über ein betrachtbares Bild, von Licht - Sensoren gelieferte Spektrogramme. Auch schon ein einzelnes Spektrogramm kann Spektrum - Muster sichtbar machen, die den Augen auf dem zugrunde liegenden Photo entgehen, siehe Beispiel unten.

Ausrichtung schief stehender Spektren

Im Idealfall stehen der Eingangsspalt eines Spektrographen, die kürzeste Verbindungslinie zwischen den beiden quer zum Spalt stehenden Kanten der Prisma - Lichteintrittsfläche sowie 2 Ränder des Bild - Aufnehmers (Silberfilm - Bild oder Digital - Kamera - Sensor) parallel zueinander. Dann stehen die Linien und Banden eines Spektrums senkrecht auf dessen Längsachse und senkrecht zu zweien der Ränder des Spektrum - Photos beziehungsweise parallel zu dessen beiden anderen Rändern, was die Auswertung des Spektrums mittels Bildbearbeitungsprogrammen sehr erleichtert.

Eine solche ideale Anordnung ist mit einfachen Mitteln schwierig herzustellen, zum Beispiel durch Rotation von Spalt, Prisma und Kamera gegeneinander um kleinste Winkelbeträge und ständiger Kontrolle des Ergebnisses, was nur bei Digital - Kameras mit zumutbarem Zeit - Aufwand möglich ist.

Sind ein Proben- und ein Kalibrierspektrum bei gemeinsamer Aufnahme durch eine Grenzlinie scharf voneinander getrennt und ist diese Linie in einem Programm - Fenster gegen eine horizontale Vergleichslinie (Funktion "Linien zeichnen" in Bildbearbeitungsprogrammen → 1 Pixel dicke Linie zeichnen → Linie ist horizontal, wenn bei vergrößerter Ansicht gesamte Linie in einer Pixel - Zeile steht) verdreht, kann mittels der Funktion "Bild - Rotation", siehe unten, die Grenzlinie in die Waagerechte gedreht werden.

Überlappen Probenspektrum und Kalibrierspektrum stufenlos, können sie so gedreht werden, dass Spektrallinien darin parallel zu 2 gegenüberliegenden Rändern des Fensters eines Bildbearbeitungsprogramms stehen.

Die Arbeitsschritte einer Rotation sind im Anhang unten beispielhaft für das Programm "IrfanView" erläutert [39]. Für solche Operationen sollten Bildbearbeitungsprogramme verwendet werden, die eine Rotation ohne Verlust von Bild - Informationen durchführen. Achtung: Manche Programme, wie das erwähnte "IrfanView", verlangen bei der Eingabe des Rotationswinkels einen Punkt als Dezimal - Trennzeichen! In solchen Fällen führt das Eintippen eines Kommas zu nichts!

Ausschneiden eines Spektrum - Bandes

Zur Auswertung eines Spektrum - Photos genügt manchmal ein Band - artiger Ausschnitt, auf dem das Spektrum zwar in seiner vollen Länge in Richtung der Wellenlängen - Abfolge, aber nur mit einer geringen Höhe in Richtung der Spektrallinien - Ausrichtung wiedergegeben ist. Dies reduziert die Größe von Bild - Dateien und den Zeit - Aufwand bei der Bild - Bearbeitung. Ein mit dem Programm "Paint" [55] geöffnetes Bild kann zwar mittels Menue "Bild" → "Attribute" → "Breite" / "Höhe" von der Unterseite und dem rechten Bild - Rand her beschnitten werden, nicht aber von der Oberseite und dem linken Rand her. Auch der Auswahl - Rahmen lässt sich nur wenig über das Bild - Fenster hinaus ziehen und ist daher kaum geeignet zur Isolierung von Spektren, die viel breiter sind als das Bearbeitungsfenster.

Ein das Bildbearbeitungsfenster übergreifender Ausschnitt eines Spektrum - Bandes ist dennoch mit "Paint" möglich, wenn mit der oben angegebenen Prozedur zunächst das Spektrum von seiner Unterseite und bei Bedarf von seiner rechten Seite her beschnitten wird, dann das Bild um 180 ° gedreht wird und die nun unten und rechts liegenden, nicht benötigten Bild - Partien wie oben erläutert weggeschnitten werden. Falls das Spektrum in seiner ursprünglichen Ausrichtung weiter genutzt werden soll, muss es erneut um 180 ° zurück in seine Ausgangsstellung gedreht werden.

Umsetzung von Spektren - Photos in Spektrogramme

Genauer als durch Vermessung auf einem Photo mit Messlinealen kann die Auswertung eines Spektrums erfolgen durch mathematische Analyse einer Diagramm - Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Helligkeit an einzelnen Stellen eines Spektrums einerseits und den Positionen dieser Stellen oder den daraus abgeleiteten Wellenlängen des Lichts andererseits (Spektrum - Diagramm, Spektrogramm). Nähere Informationen hierzu bietet ein anderes Kapitel der vorliegenden Site [46].

Sofern die in einem Silbersalz - Film - Bild oder einer digitalen Bild - Datei enthaltenen Informationen dies hergeben, sind in einem Spektrogramm die Zentren von Spektrallinien exakter lokalisierbar und Helligkeitsunterschiede im Spektrum in einem größeren Umfang für das Auge erkennbar darstellbar als im zugrundeliegenden Photo selbst, was auch die Sichtbarmachung von mit den Augen in einem Photo nicht erkennbaren Spektrum - Mustern einschließt. Warum also überhaupt Spektren als Photos aufnehmen und nicht gleich, wie in der professionellen Analytik allgemein üblich, mit einem Spektrometer als Diagramme? Zum Einen, weil das Massenprodukt Digital - Kamera die Aufnahme von Spektrogrammen, zwar über den Umweg von Photos, aber viel billiger ermöglicht als spezielle Spektrometer. Unter diesen gibt es Varianten, die nur ein Bild - Pixel zu einem Zeitpunkt registrieren können und zur Aufnahme eines Spektrums dieses über einen Weg und einen Zeitraum hinweg abtasten müssen (Sequenzielles Scannen). Auch solchen Spektrum - Aufnehmern ist eine Digital - Kamera wegen ihrer fast gleichzeitigen Registrierung des gesamten im Bild - Feld erscheinenden Spektrum - Abschnitts überlegen. Eine solche gleichzeitige Aufnahme des gesamten Spektrums einer Probe ist bei Kurzzeit - Anregung von Spektren notwendig. Zum Anderen kann der menschliche Verstand anhand eines Photos eine echte Spektrallinie besser von eine solche vortäuschenden Abbildungsfehlern unterscheiden als eine Spektrometer - Elektronik, die unter Umständen ein Staubkorn auf einem Sensor - Element in ein Spektrogramm - Muster umsetzt, das ähnlich aussieht wie eine Spektrallinie oder -bande. Auch arbeiten viele Spektrometer mit Licht - Empfängern, die aus nur einer oder nur wenigen Sensor - Pixel - Zeilen bestehen, zu wenig, um ein Proben- und ein Vergleichs- oder Kalibrierspektrum zusammen (simultan) zu registrieren

Quellen und Anmerkungen