Ein Kollege zeigte mir eines Tages den Baubericht des AATiS-Spektrometers in einer Zeitschrift http://www.aatis.de/content/bausatz/AS513_AATiS-Spektrometer , das interessierte mich brennend. Leider war der Bausatz zu der Zeit nicht zu bekommen, also war ein neues Projekt geboren.
Die Optik / Mechanik ist stark an das AATiS-Design angelehnt (warum sollte man das Rad neu erfinden?). Nach einem geeigneten Sensor habe ich dann selber recherchiert, da ich zu dem Zeitpunkt noch nicht wusste welcher Sensor im AATiS-Spektrometer eingesetzt ist. Dabei bin ich über den gleichen Typ wie im AATiS-Spektrometer gestolpert, da dieser sehr einfach anzusteuern ist. Dies übernimmt in meinem Gerät ein ATmega32 der in BASCOM programmiert wurde. Er übermittelt die Daten über RS232 zum PC in dem ein X-Profan Programm werkelt.

Erster Aufbau der optischen Komponenten auf einem Holzbrett als "optische Bank".
 

mit Sensor und AVR-Controller.
 

Ins Gehäuse eingebaut.
 

Erstes Spektrum: Energiesparlampe.
 

Soweit sieht das ja schon mal gar nicht so falsch aus, aaaber....

Spektrum eines LED-Scheinwerfers, ... da fehlt doch was!

Weiße Leistungs-LEDs sind von Hause aus eigentlich blaue LEDs. Ein Teil der blauen Strahlung regt
ein Fluoreszens-Material an, welches dann die für weißes Licht fehlenden Wellenlängen beisteuert.
Das Spektrum einer solchen LED zeigt einen breiten Hügel der einem gelben Licht entspricht, aber
auch die blaue Strahlung der LED selber ist als schmalerer, hoher Peak sichtbar.
Im gezeigten Spektrum fehlt dieser Peak komplett. Man kann aber am linken Rand einen Anstieg der
Funktion erahnen. Fazit: Der blaue Bereich des Spektrums fehlt.

Für die Justage brauche ich also irgendwelche Referenzmarken, naheliegend sind da erst mal meine Laserpointer:

Roter Laserpointer

Grüner Laserpointer


Dummerweise kenne ich die genaue Wellenlänge der Laserpointer nicht, eine Recherche im Netz ergab aber
erste Anhaltspunkte. Außerdem sind mir die Neben-Maxima der Laserpeaks äußerst suspekt. Ich gehe davon
aus, dass die Kameraeinheit (Sensor und/oder Projektionslinse) leicht aus der Achse des Strahlengangs
steht und somit durch Reflektion im Fenster des Sensorchips "Geisterbilder" auftreten. Dies wäre aber
wiederum ein gutes Hilfsmitter zur Justage des Sensors.
(Für die Justagearbeiten enthält die Software einen "service-mode". In diesem Modus wird der Sensor-Chip
fortlaufend ohne Digitalisierung ausgelesen. Auf einem Oszilloskop kann nun das Videosignal ohne Totzeit
durch Digitalisierung und Datenübertragung angesehen werden, was die Justage des Systems deutlich vereinfacht).

Nach einigen Recherchen und Überlegungen habe ich beschlossen, für die Justage und spätere Kontrollen ein
Justiermodul mit drei farbigen LEDs zu bauen. Eine monochrome LED hat eine Halbwertsbreite von etwa 15nm,
das sollte für meine Zwecke ausreichend schmal sein wenn man die Mittellage aus der Lage der beiden
Halbwerts-Werte ermittelt. Allerdings ist die Mittellage auch etwas von der Temperatur der LED abhängig
(verschiebt sich bei Erwärmung zum langwelligeren hin mit ca. 0,3nm/K). Aus diesem Grunde wurde dem Modul
eine Temperaturregelung spendiert (40°C +/-0,5°C):
 

Justiermodul mit roter, grüner und blauer LED.

Glücklicherweise habe ich in der Firma die Möglichkeit das Justiermodul mit einem professionellen Spektrometer
ausmessen zu lassen :-).
 


Mittlerweile habe ich einige Versuche unternommen den abgebildeten Spektralbereich zu optimieren. Dabei störte
mich immer wieder die umständliche Justage des Kamera-Teils. Es müssen fünf Parameter stimmen:

- Abstand Linse zu Sensor (Fokusierung),
- Mitte Sensor auf Linsenachse,
- Sensorebene rechtwinklig zu Linsenachse,
- Mittelachse Kameraeinheit in Richtung Mitte des Transmissionsgitters,
- Kameraeinheit im richtigen Winkel zum Transmissionsgitter.

Dies Alles mit der "try & error" -Methode hin zu bekommen ist purer Krampf und führt zwangsläufig zu suboptimalen
Ergebnissen. Um dieses Problem halbwegs in den Griff zu bekommen habe ich Linsen- und Sensor-halter zu einer
Einheit zusammengefasst. Bei diesem Unit geschieht die Fousierung grob durch verschieben eines Andrücker-Blocks auf
einer Achse und fein mittels einer Schraube. Dann kann die Kameraeinheit als Ganzes in die richtige Position zum
Gitter gebracht werden. Die Fixierung erfolgt nun, anstatt mittels einer Schraube, mit einer Spannpratze. Diese
Lösung bietet größere Freiheiten für die Justage bei einfachere Fixierung der optimierten Position.

Um den abgebildeten Spektralbereich an den Sensor anzupassen habe ich mit Linsen anderer Brennweiten experimentiert,
dabei habe ich mich auch an der AATiS-Konfiguration orientiert, die mich aber nicht zufrieden stellte. Mittlerweile
bin ich wieder bei den ursprünglichen Brennweiten (beide Linsen f = 26,5mm) gelandet, benutze allerdings ein Gitter
mit "nur" 500 Linien pro Millimeter anstatt 1000 Linien/mm wie beim AATiS-Spektrometer. Damit wird nun etwas mehr
als nur der sichtbare Spektralbereich abgebildet, was für mich den bisher annehmbarsten Kompromiss darstellt, obwohl
es auf Kosten der Auflösung geht und auch die Beugung zweiter Ordnung noch etwas "mitspielen" will. Hier behalte ich
mir noch etwas Verbesserungspotential für die Zukunft ;-).

Neue Kammera-Einheit (die "Spannpratze" werde ich wohl noch etwas professioneller gestalten ;-).
 

Die neue Spannpratze, im Schweiße meiner Füße aus dem Vollen gefiedelt (das Auge sieht mit! ;-).
 

Die eingebaute neue Kameraeinheit. Die Schraube zwischen den beiden Druckfedern dient zur Fokusierung.
 


Update 4/2015: Alles was zum Nachbau noch fehlt :-)

Erst mal das Schaltbild (wie man sieht ist es recht "übersichtlich" gehalten:



Ein Layout für einen Print liegt zwar vor, aber das ist für den Nachbau nicht optimal geeignet, deshalb wird es
hier erst mal nicht veröffentlicht. Ich habe vor es noch zu optimieren und dann hier einzustellen, allerdings
kann ich zum Zeitrahmen keine Versprechungen machen. Wer die derzeitige Version haben möchte kann sich gerne per
E-Mail an mich wenden. Man könnte die paar Bauteile aber auch auf Lochraster fädeln.


Die Bauteile:

Die optischen Komponenten sind zu beziehen bei AstroMedia:
http://astromedia.de/
Verwendet wurden die Durchlichtbeugungsgitter mit 1000 Linien/mm sowie 500 Linien/mm.
Als Kollimator- und Projektionslinse die Achromate mit 26,5mm sowie 39,5mm Brennweite.
Mit der Kombination dieser Elemente lässt sich vorzüglich experimentieren, weswegen ich hier keine endgültige
Konfiguration angebe. Ich selber werde hier wohl auch noch Einiges ausprobieren.
Der Spalt ist aus zwei Cutter-Klingen aufgebaut und hat 0,1mm - 0,2mm Breite (Auflösung / Lichtempfindlichkeit).
Als Halterungen für die optischen Elemente eignen sich Abschnitte von Alu-Winkelprofilen aus dem Baumarkt.
Die Sitze für die Linsen wurden mit einem Stufenbohrer gefertigt. Bei 18mm Linsendurchmesser bohrt man diese Stufe
nicht ganz durch das Material, es verbleibt dann ein Rand mit kleinerem Durchmesser der die innere Linsenauflage bildet.

Bis auf den Sensor-Chip sind nur Standart-Elektronikbauteile verbaut. Der Sensor ist zu beziehen bei der Fa. Eureca in Köln:
http://www.eureca.de/neu-german/index.html


Das Programm auf dem AVR-Controller (ATmega32):
Im Netz gibt es die Demo-Version von BASCOM zum freien Download, was für diese Applikation vollkommen ausreicht
(einfach mal googlen). Hier nun der BASCOM-Sourcecode fürs Spektrometer zum Download:
BASCOM-Sourcecode

Was jetzt noch fehlt ist das Host-Programm welches auf dem PC läuft. Es ist in XProfan geschrieben, welches ebenfalls
im Netzt unter "http://xprofan.de/start.htm" frei verfügbar ist. Da die Anwendung nicht zeitkritisch ist, läuft sie
bei mir unter der Interpreter-Version "XProfanFree 11". Die Bedienung ist nicht unbedingt "Stand der Technik",
funktioniert aber erst mal. Da ist natürlich noch jede Menge Raum für Verbesserungen.
Hier nun der Download des Host-Sourcecodes:
XProfan-Sourcecode

In den Programmen sind ein paar Funktionen vorgesehen die in der Hardware noch nicht realisiert sind,
z. B. einen Shutter zur Aufnahme von Dark-Frames und eine Lichtquelle für Transmissionsmessungen ansteuern.
Also bitte nicht verwirren lassen.


Justage und Inbetriebnahme:

Eine sehr umfassende Beschreibung zur Justage des AATiS Spektrometers findet man unter:
http://dl3hrt.darc.de/AATiS-Spektrometer-Dateien/Aufbautipps%20AS513.pdf
Allerdings ist dort im Bild mit der Draufsicht des Aufbaus nach meiner Meinung ein Fehler enthalten,
die ebenere Seite der Achromat-Kollimatorlinse sollte zum Spalt hin weisen, dies ist dort anders abgebildet.
Ansonsten ist den dortigen Angaben eigentlich nicht viel hinzu zu fügen.
Zur Einstellung der AREF-Spannung am Pin32 des ATmega32 möchte ich aber noch einen Hinweis geben. Mit dieser
Einstellung wird der Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers auf den Ausgangshub des Sensors angepasst.
Meine Software enthält dazu eine sehr hilfreiche Funktion: Das Kommando "o" startet den "Service-Mode".
In dieser Betriebsart werden in einer Schleife mit höherer Geschwindigkeit nur die Taktsignale für den Sensor-Chip
erzeugt, es erfolgt keine A/D-Wandlung und keine Datenübertragung. Dieser Modus beendet sich nach einer gewissen
Zeit selbsttätig. Während die Schleife läuft kann man das analoge Ausgangssignal des Sensors mit einem Oszilloskop
kontrollieren. Nun justiert man die Intensität einer Lichtquelle so, dass im normalen Modus bei Ausführung des Kommandos
"take spectrum" keine Übersteuerung dieses analogen Signals auftritt. Danach ist das AREF-Poti so einzustellen, dass
auf dem Bildschirm die Y-Auflösung höchstmöglich ausgenutzt wird ohne zu begrenzen. So, das sollte es gewesen sein.


Noch ein kleiner Hinweis:
Ich bin nicht gerade der Software-Freak, deshalb sind die Programme recht einfach gehalten und die Funktionen evtl.
nicht unbedingt "elegant" aufgebaut, aber sie funktionieren bei mir auf meinem XP-Rechner mit RS232-Schnittstelle
einwandfrei. Die Programme dürfen genutzt und verändert (verbessert ;-) werden. Allerdings bitte ich darum, mir
verbesserte Versionen zukommen zu lassen und mir zu genehmigen, diese hier der Allgemeinheit zugänglich zu machen.
Nachbauten sind ausdrücklich erwünscht, denn das ist der eigentliche Sinn dieser Seite.
Rückmeldungen über hoffentlich erfolgreiche Nachbauten würden mich freuen. Soweit es mir möglich ist, werde ich
natürlich auch Unterstützung bei evtl. Nachbauten leisten.


Jetzt noch der obligatorische Hinweis:
Die Informationen auf dieser Seite sind nach bestem Wissen und Gewissen zusammen gestellt.
Bei mir läuft das Gerätchen in dieser Ausbaustufe zu meiner vollsten Zufriedenheit.
Es wird aber keinerlei Haftung für irgendwelche Schäden übernommen, die ggf. durch den Nachbau entstehen.
Der Nachbau sollte nur durch Personen erfolgen, welche die nötige Erfahrung in Elektronik Hard- und Software
mitbringen.



Offene Punkte:
- Justage für komlettes VIS-Spektrum (ist z. Zt. noch nicht optimal).
- Test Flintglas-Prisma zur Strahlzerlegung (+Empfindlichkeit, +keine Beugungen höherer Ordnungen, -unlineare X-Achse).
- Software erweitern für Skalierung X-Achse in "nm", Skalierung aus Textfile auf Festplatte.
- Skalierung Y-Achse in "%".


Wird fortgesetzt!
 

mail: Reinhard.Lauterbach[at]freenet.de