So wird das Smartphone zum Spektrometer

  • 01. December 2017

Die App LightSpectra ermöglicht Spektroskopie des sichtbaren Lichts, wenn das Smartphone mit einem geeigneten Aufsatz versehen wird.

Mit der Kamera eines Smartphones lassen sich nicht nur Urlaubsschnappschüsse machen. Spezielle Aufsätze erweitern die Geräte zu Mikroskopen oder Infrarotkameras. Mit einem Spektrometeraufsatz und der App LightSpectra lassen sich alle Arbeitsschritte spektroskopischer Untersuchungen (Erzeugung, Aufnahme, Auswertung) mithilfe eines Smartphones realisieren. Ein klassisches Beispiel für eine einfache spektroskopische Untersuchung stellt die Analyse der Emissionsspektren unterschiedlicher Lichtquellen dar.

Zur Erzeugung eines Spektrums eignen sich unterschiedliche Arten von Spektrometeraufsätzen. Eine mögliche Realisierung bieten 3D-Drucker sowie im Internet frei verfügbare Druckdateien. Ohne eigenen 3D-Drucker können die Aufsätze im Internet bei privaten und kommerziellen Dienstleistern bestellt werden. Die gedruckten Aufsätze erhalten ihre Funktionalität durch den Einbau eines kostengünstigen Beugungsgitters (1000 Linien pro mm) oder die Sichtfolie einer noch kostengünstigeren Spektralbrille. Gegenüber anderen Arten von Spektrometeraufsätzen erscheinen 3D-gedruckte Modelle insbesondere aufgrund der Stabilität bei vergleichsweise geringen Kosten eine nachhaltige Lösung darzustellen.
Alternativ kann man auch einen Aufsatz aus Karton selbst basteln und ein Beugungsgitter (1000 Linien pro mm) einbauen. Neben diesen beiden kostengünstigen Varianten gibt es auch professionelle Aufsätze, die keine eigene Konstruktionsleistung, aber einen deutlich höheren finanziellen Aufwand erfordern.

Das erzeugte Spektrum kann grundsätzlich mit jeder Foto-App auf einem Smartphone aufgenommen werden. Dabei ist wichtig, dass deren Funktionalität einen Zuschnitt des aufgenommenen Spektrums ermöglicht. Für die nachfolgende Auswertung mithilfe der App LightSpectra und auch für alternative Auswertungsmethoden hat sich das Seitenverhältnis 50:1 als sinnvoll erwiesen, das heißt, man schneidet einen schmalen Ausschnitt aus einem Foto heraus, um es auf den Bereich des Spektrums einzuschränken. Beim Zuschnitt von Spektren sollten zum Zweck der Vergleichbarkeit zudem identische Bildausschnitte gewählt werden.

Für die Auswertung werden die Spektren in die App LightSpectra geladen. Innerhalb der Anwendung ist es möglich, zunächst eine automatisierte Positionierung mit erneutem Zuschnitt des Spektrums auszuwählen. Obwohl die Aufnahmen durch diesen Arbeitsschritt offenbar nicht verändert werden, erwies er sich für die quantitativen Auswertungen aufgrund signifikant besserer Messergebnisse als sinnvoll. Ebenfalls automatisiert erfolgt dann durch die App die Identifizierung der Intensitätsmaxima des Spektrums. Man erhält hierbei jedoch die Möglichkeit, die Parameter „Smoothing“ zur Kurvenglättung des Intensitätsverlaufs und „Intensity“ zur Festlegung eines Schwellenwertes für Untergrundrauschen zu variieren und festzulegen. Weiterhin lässt sich die zu berücksichtigende Anzahl von Bildzeilen vorgegeben. Zur Kontrolle der automatischen Erkennung der Maxima können der gesamte Intensitätsverlauf sowie nach Wellenlängen getrennte Intensitätsverläufe dargestellt werden (Abbildung 1).

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Abb. 1 Quantitatives Auswertungsergebnis des Spektrums einer Kompaktleuchtstofflampe mit Verlauf der Intensität des gesamten (weiß) und blauen Lichts sowie Darstellung erkannter Maxima (vertikale Balken).

Wie man die Spektren kalibriert und quantitativ auswertet sowie weiterführende Informationen beispielsweise zum 3D-Druck und Literaturtipps finden sie im Originalartikel, der in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen ist. Sie finden ihn hier bis zum 24.12.2017 zum freien Download (danach nur mit Online-Abo).

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