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Die Erfindung betrifft ein Spektroskop, das zur spektralen Zerlegung und Untersuchung von Licht ausgelegt ist, insbesondere ein Handspektroskop mit einem Gehäuse, einem Eintrittsspalt und einem spektral dispersiven Element. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Bausatz zur Herstellung des genannten Spektroskops. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Spektrometer, welches das Spektroskop und eine Kameraeinrichtung, z. B. in einem Mobiltelephon oder einem Tablet-Computer umfasst, dessen integrierte Kamera als Detektor des Spektrometers verwendet wird. Anwendungen der Erfindung sind bei der Untersuchung von Lichtquellen, insbesondere bei der Charakterisierung des Emissionsspektrums von Lichtquellen, und für Unterrichtszwecke gegeben.
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Spektroskope zur spektralen Zerlegung von Licht einer zu untersuchenden Lichtquelle und zur visuellen oder Detektor-basierten Untersuchung des spektral zerlegten Lichts sind allgemein bekannt. Typischerweise umfasst ein Spektroskop ein Gehäuse mit einem Eintrittsspalt und einem spektral dispersiven Element, wie z. B. einem Prisma oder einem Beugungsgitter. Das zu untersuchende Licht wird mit dem spektral dispersiven Element wellenlängenselektiv zerlegt und beispielsweise mittels eines Objektivs visuell beobachtet oder mit einem Detektor erfasst. Die Kombination des Spektroskops mit dem Detektor wird als Spektrometer bezeichnet.
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Es sind zahlreiche Bauformen von Spektroskopen und Spektrometern bekannt, die sich insbesondere durch die Konfiguration des spektral dispersiven Elements, des Detektors und des optischen Strahlengangs unterscheiden. Beispielsweise kann ein sich drehendes Beugungsgitter mit einem einzelnen Detektorelement kombiniert werden, was für Präzisionsmessungen, z. B. in der Absorptions- oder Fluoreszenzspektroskopie bevorzugt wird. Alternativ kann ein feststehendes Beugungsgitter mit einem ortsauflösenden Detektor (Array von Detektorelementen, Kameradetektor) kombiniert werden. Diese Bauform wird wegen der schnellen Erfassung eines vollständigen Spektrums beispielsweise bei der Charakterisierung von technischen Lichtquellen bevorzugt.
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Spektroskope, die für einen manuellen Gebrauch ausgelegt sind (so genannte Hand-Spektroskope) haben typischerweise Vorteile hinsichtlich ihres einfachen Aufbaus und geringen Gewichts, jedoch auch Nachteile aufgrund eines beschränkten Auflösungsvermögens und einer beschränkten Lichtstärke. Diese Nachteile können jedoch bei zahlreichen Anwendungen, z. B. beim Routinegebrauch zur Charakterisierung von technischen Lichtquellen oder im Schulunterricht vernachlässigt werden.
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Ein Karton-Bausatz zum Bau eines Hand-Spektroskops wird von „AstroMedia” (www.astromedia.de) angeboten. Das AstroMedia-Spektroskop besteht aus einem Gehäuse mit einem Primär-Strahlengang, der sich von einem Eintrittsspalt über ein Beugungsgitter zu einer Beobachtungslupe erstreckt, und einem Sekundär-Strahlengang des am Beugungsgitter gebeugten Lichts zu einer Skala. Mit der Beobachtungslupe können das spektral zerlegte Licht und die Skala gleichzeitig betrachtet werden.
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Sowohl der Aufbau als auch die Anwendung des AstroMedia-Spektroskops sind mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Durch die Schaffung der Primär- und Sekundär-Strahlengänge hat das Gehäuse einen komplexen Aufbau, was sich nachteilig auf die Handhabung und das Gewicht des Spektroskops auswirkt.
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Der Bausatz zur Herstellung des Spektroskops besteht aus mindestens fünf Einzelteilen, die für eine korrekte Funktion des Hand-Spektroskops einen präzisen Zusammenbau und entsprechende Fertigkeiten des Nutzers erfordern. Schließlich ist die Anwendung des Spektroskops auf visuelle Untersuchungen, basierend auf der Kombination der Beobachtungslupe mit dem menschlichen Auge beschränkt. Die visuelle Betrachtung des spektral zerlegten Lichts ergibt jedoch nicht nur Beschränkungen bei der quantitativen Charakterisierung der einzelnen Wellenlängenkomponenten. Von Nachteil ist auch, dass an der Beobachtungslupe unerwünschtes Streulicht in das Gehäuse eintritt, das die Betrachtung des spektral zerlegten Lichts erschwert oder bei schwachen Lichtquellen sogar ausschließt.
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Aus der Praxis ist bekannt, ein Hand-Spektroskop für die visuelle Untersuchung von Licht mit einer digitalen Photokamera zu koppeln, um ein manuell handhabbares Spektrometer zu schaffen. Für die Kombination eines Hand-Spektroskops, z. B. des AstroMedia-Spektroskops, mit einer Photokamera, ist jedoch bisher keine zuverlässige Kopplung bekannt, die leicht herstellbar und für einen routinemäßigen Gebrauch ausreichend stabil ist. Ein weiteres Problem von herkömmlichen Spektroskop-Kamera-Kombinationen besteht in der beschränkten Unterdrückung von Streulicht, das von der Kamera aufgenommen wird.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Spektroskop, insbesondere für die manuelle Handhabung, bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Spektroskope vermieden werden. Das Spektroskop soll sich insbesondere durch einen vereinfachten Aufbau auszeichnen, erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bieten und/oder die Kombination mit einem Detektor vereinfachen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Bausatz zur Herstellung eines Spektroskops bereitzustellen, mit dem Beschränkungen herkömmlicher Bausätze überwunden werden. Der Bausatz soll sich insbesondere durch einen vereinfachten Aufbau, eine verringerte Anzahl von Einzelteilen und/oder verringerte Anforderungen an die Fertigkeiten des Nutzers des Bausatzes auszeichnen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Spektrometers, basierend auf einem Hand-Spektroskop und einem Kameradetektor, mit dem Nachteile herkömmlicher Spektrometer überwunden werden. Das Spektrometer soll sich insbesondere durch eine vereinfachte und zuverlässigere Kopplung von Spektroskop und Detektor auszeichnen und eine geringere Streulicht-Anfälligkeit bieten.
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Diese Aufgaben werden durch ein Spektroskop, einen Bausatz und ein Spektrometer mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Spektroskop gelöst, das ein Gehäuse mit einer Vorderwand, Seitenwänden und einer Rückwand umfasst und mit einem Eintrittsspalt und einem spektral dispersiven Element ausgestattet ist. Die Vorderwand und die Rückwand sind an zueinander entgegengesetzten Seiten des Gehäuses angeordnet. Der Eintrittsspalt für Licht, das mit dem Spektroskop untersucht werden soll, ist in der Rückwand angeordnet, z. B. durch eine Lücke unmittelbar in der Rückwand gebildet oder durch zwei an der Rückwand befestigte Spaltelemente geformt.
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Gemäß der Erfindung ist die Vorderwand mit einem Austrittsfenster ausgestattet, in dem das spektral dispersive Element, wie z. B. ein Prisma oder bevorzugt ein Beugungsgitter, angeordnet ist. Das spektral dispersive Element liegt zur Außenseite des Gehäuses hin frei. Mit anderen Worten, das durch das spektral dispersive Element hindurchtretende, spektral zerlegte Licht, tritt unmittelbar auf der Außenseite des Gehäuses aus. Vorteilhafterweise hat das Spektroskop mit dieser Gestaltung einen einzigen, geraden Strahlengang vom Eintrittsspalt zum spektral dispersiven Element, so dass sich der Aufbau des Gehäuses vereinfacht und das Gewicht des Spektroskops verringert wird. Durch das Freiliegen des spektral dispersiven Elements wird die Kopplung des Spektroskops mit einem Detektor vorteilhafterweise vereinfacht. Vorzugsweise ist das spektral dispersive Element parallel zur Rückwand unmittelbar auf deren Innenseite oder deren Außenseite befestigt, so dass die Kopplung des Spektroskops mit dem Detektor und die Streulichtunterdrückung vereinfacht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Gehäuse eine langgestreckte Gestalt, die sich entlang einer Hauptrichtung (z) erstreckt. Der Strahlengang vom Eintrittsspalt zum spektral dispersiven Element verläuft entlang der Hauptrichtung. Die Vorderwand mit dem spektral dispersiven Element ist relativ zur Hauptrichtung geneigt angeordnet. Vorteilhafterweise ermöglicht dies gleichzeitig eine optimale Beugung von spektral zerlegtem Licht hin zu einem Detektor und einen Austritt des spektral zerlegten Lichts mit einer Richtung senkrecht zur Vorderwand, so dass die Kopplung mit dem Detektor vereinfacht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das spektral dispersive Element ein Transmissions-Beugungsgitter, vorzugsweise basierend auf einer mit einem Beugungsgitter versehenen, lichtdurchlässigen (nicht absorbierenden) Folie (Beugungsfolie) oder formstabilen Scheibe aus Kunststoff oder Glas. Besonders bevorzugt wird das Transmissions-Beugungsgitter mit ebener Ausdehnung auf die Innenseite des Austrittsfensters der Vorderwand des Gehäuses befestigt, z. B. geklebt. Das Beugungsgitter kann allein aus der Beugungsfolie oder -scheibe bestehen oder zusätzlich mit einer nach außen gerichteten Schutzschicht, z. B. einer transparenten Schutzfolie oder -platte ausgestattet sein.
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Vorzugsweise ist die Vorderwand mit dem Transmissions-Beugungsgitter relativ zur Hauptrichtung mit einem Neigungswinkel geneigt angeordnet, der im Bereich von 50° bis 65°, insbesondere von 55° bis 59°, gewählt ist. Beispielsweise beträgt für ein Beugungsgitter mit 1000 Strichen pro mm der Neigungswinkel vorzugsweise 57°. Mit einem Neigungswinkel in den genannten Bereichen ist die Richtung der mittleren Wellenlängen, insbesondere des grünen Spektralbereichs, welche aus dem spektral dispersiven Element austreten, vorteilhafterweise senkrecht zur Vorderwand ausgerichtet, und der mittlere Wellenlängenbereich fällt entsprechend mittig auf den Detektor. Für ein Beugungsgitter mit einer anderen Liniendichte oder ein Prisma wird der Neigungswinkel entsprechend so angepasst, dass mittlere Wellenlängen des sichtbaren Spektrums mittig auf den Detektor der Kameraeinrichtung abgebildet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt der Abstand zwischen dem Eintrittsspalt und dem spektral dispersiven Element mindestens 9 cm, vorzugsweise mindestens 10 cm, wie z. B. 11 cm oder mehr. Ein derartiger Abstand hat sich als günstiger Kompromiss zwischen einerseits der Bereitstellung von möglichst parallelem Licht am spektral dispersiven Element und andererseits der Minimierung der Größe und des Gewichts des Spektroskops erwiesen. Es kann auf optische Elemente, insbesondere eine Kollimator-Linse, zwischen dem Eintrittspalt und dem spektral dispersiven Element verzichtet werden, was sich ebenfalls vorteilhaft auf den einfachen Aufbau und das Gewicht des Spektroskops auswirkt.
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Vorzugsweise ist das Gehäuse aus einem opaken, schichtförmigen, faltbaren Werkstoff, insbesondere lichtdichtem Karton oder alternativ lichtdichtem Kunststoff, hergestellt. Aufgrund des einfachen Aufbaus des Spektroskops in Gestalt eines langgestreckten, abgeschrägten Quaders werden relativ geringe Anforderungen an die Stabilität des Werkstoffs gestellt. Vorteilhafterweise hat sich die Verwendung von Karton mit einem Flächengewicht von mindestens 270 g/m2, insbesondere 300 g/m2, als ausreichend erwiesen, wobei jedoch auch ein Karton mit höherem Flächengewicht verwendet werden kann.
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Wenn das Gehäuse gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus dem schichtförmigen Werkstoff einstückig gebildet ist, ergeben sich besondere Vorteile für den Aufbau des Spektroskops, die Minimierung von dessen Gewicht und die Unterdrückung von Streulicht.
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Das erfindungsgemäße Spektroskop ist für eine visuelle Untersuchung des spektral zerlegten Lichts geeignet. Besonders bevorzugt sind jedoch Anwendungen in einem Spektrometer, wobei das Spektroskop mit einem Detektor gekoppelt ist. Vorzugsweise wird als Detektor eine Kameraeinrichtung, insbesondere die Kamera eines Mobiltelephons, die Kamera eines Tablet-Computers, eine Webcam-Kamera oder eine Photo- oder Videokamera (z. B. Kompakt- oder Spiegelreflexkamera) verwendet. Für die Kopplung des Spektroskops mit der Kameraeinrichtung ist das Gehäuse des Spektroskops vorzugsweise mit einer Aufsetzeinheit ausgestattet, die so konfiguriert ist, dass im gekoppelten Zustand des Spektroskops und der Kameraeinrichtung das Objektiv der Kamera auf das spektral dispersive Element gerichtet ist, insbesondere zu dem spektral dispersiven Element benachbart angeordnet ist. Entsprechend ist die Aufsetzeinheit bevorzugt an der Vorderwand oder an vorderen Seitenwandabschnitten angeordnet, welche an die Vorderwand angrenzen.
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Die Aufsetzeinheit umfasst beispielsweise eine einseitig offene Einschub-Aufnahme mit einer Innenform, die an die Außenform der Kameraeinrichtung angepasst ist und in die die Kameraeinrichtung mit einer Gehäuseseite, die das Objektiv enthält, teilweise eingeschoben werden kann. Die Einschub-Aufnahme ist derart am Gehäuse des Spektroskops befestigt und dimensioniert, dass im eingeschobenen Zustand der Kameraeinrichtung in die Einschub-Aufnahme das Objektiv der Kamera auf das spektral dispersive Element gerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Aufsetzeinheit ein Klammerelement, das für ein Umgreifen der Kameraeinrichtung eingerichtet ist.
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Gemäß bevorzugten Varianten der Erfindung erfüllt die Aufsetzeinheit neben der Kopplung des Spektroskops mit der Kameraeinrichtung mindestens eine der folgenden Zusatzfunktionen. Erstens kann die Aufsetzeinheit für eine Abschirmung des Lichtwegs zwischen dem spektral dispersiven Element und dem Objektiv gegen Streulicht aus der Umgebung ausgelegt sein. Die Aufsetzeinheit ist in diesem Fall so dimensioniert und geformt, dass im gekoppelten Zustand des Spektroskops und der Kameraeinrichtung die Umgebung des Lichtwegs zwischen dem spektral dispersiven Element und dem Objektiv lichtdicht abgeschirmt ist. Zweitens kann die Aufsetzeinheit eine Halterung des Spektroskops an der Kameraeinrichtung bilden. Hierzu ist die Aufsetzeinheit mit einer derartigen Form und mechanischen Stabilität gebildet, dass das Spektroskop von der Kameraeinrichtung getragen und mit dieser gehandhabt werden kann.
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Die Aufsetzeinheit ist vorzugsweise aus demselben schichtförmigen Werkstoff wie das Gehäuse des Spektroskops, insbesondere aus Karton hergestellt. Die Aufsetzeinheit kann mit dem Gehäuse des Spektroskops einstückig verbunden sein. Alternativ kann die Aufsetzeinheit als zusätzliches Bauteil bereitgestellt werden, das bei Bedarf am Gehäuse des Spektroskops befestigt, z. B. aufgeklebt wird.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist die Aufsetzeinheit bevorzugt so konfiguriert, dass im gekoppelten Zustand des Spektroskops mit der Kameraeinrichtung das spektral dispersive Element, insbesondere das Transmissions-Beugungsgitter senkrecht zur optischen Achse des Objektivs der Kamera ausgerichtet ist. Vorteilhafterweise wird damit, wenn der Eintrittsspalt des Spektroskops senkrecht zu den Pixelzeilen des Kamerasensors ausgerichtet ist, ein Beugungsbild erhalten, bei dem die Spektrallinien des spektral zerlegten Lichts parallel zum Rand des Kamerabildes verlaufen. Wenn des Weiteren der Eintrittsspalt (und damit auch die Pixelspalten des Kamerasensors) parallel zu den Gitterlinien des Beugungsgitters ausgerichtet sind, liegen die (zueinander parallelen) Spektrallinien auch auf derselben Höhe im Beugungsbild auf dem Kamerasensor.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das Gehäuse und die Aufsetzeinheit in Abhängigkeit von der Brennweite des Objektivs der Kameraeinrichtung so dimensioniert, dass im gekoppelten Zustand des Spektroskops mit der Kameraeinrichtung das Beugungsbild des Eintrittsspalts des Spektroskops mit dem Objektiv auf den Sensor der Kameraeinrichtung abgebildet wird. Vorteilhafterweise werden damit die Lichtempfindlichkeit und das Auflösungsvermögen bei der Untersuchung des spektral zerlegten Lichts optimiert.
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Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Austrittsfenster der Vorderwand Abmessungen aufweist, die größer als die des Objektivs der Kamera sind. Zusätzlich hat die Aufsetzeinheit vorzugsweise einen Fensterabschnitt, durch den der Lichtweg vom spektral dispersiven Element zum Objektiv der Kamera verläuft und dessen Abmessungen größer als die des Austrittsfensters der Vorderwand sind. Mit diesen Merkmalen wird die Ausrichtung des Spektroskops relativ zum Mobiltelephon vorteilhafterweise vereinfacht.
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Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch einen Spektroskop-Bausatz gelöst, der zur Herstellung des Spektroskops gemäß dem oben genannten ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung konfiguriert ist und einen opaken, schichtförmigen, faltbaren Werkstoff, insbesondere Karton, zur Bildung des Gehäuses, gegebenenfalls einschließlich der Aufsetzeinheit, und das spektral dispersive Element umfasst. Vorzugsweise ist der schichtförmige Werkstoff einstückig gebildet und aus ebenen Wandabschnitten und Befestigungslaschen zusammengesetzt so geformt, dass das Gehäuse des Spektroskops einfach durch Falten des Werkstoffs und Fügen der aneinandergrenzenden Wandabschnitte bzw. Befestigungslaschen, z. B. durch Kleben, fertiggestellt werden kann. Im Unterschied zu herkömmlichen, kommerziell verfügbaren Bausätzen umfasst der erfindungsgemäße Spektroskop-Bausatz mit dem Werkstoff und dem spektral dispersiven Element vorzugsweise nur zwei, bei gesonderter Ausführung der Aufsetzeinheit gegebenenfalls drei, Bestandteile, wodurch der Zusammenbau des Spektroskops vereinfacht und weniger Anforderungen an die handwerklichen Fähigkeiten des Nutzers gestellt werden. Die Wandabschnitte sind vorzugsweise durch Faltlinien getrennt, die auf dem Werkstoff aufgedruckt sind. Zusätzlich können entlang der Faltlinien Vertiefungen im Werkstoff vorgesehen sein, welche das Falten des Werkstoffs zum Bau des Gehäuses vereinfachen.
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Besonders bevorzugt umfasst der schichtförmige Werkstoff eine einstückige Abwicklung der Gehäusewände mit einem ersten rechteckigen Wandabschnitt mit der Form einer ersten Seitenwand des Gehäuses, einem ersten trapezförmigen Wandabschnitt mit der Form einer zweiten Seitenwand des Gehäuses, einem zweiten rechteckigen Wandabschnitt mit der Form einer dritten Seitenwand des Gehäuses und einem zweiten trapezförmigen Wandabschnitt mit der Form einer vierten Seitenwand des Gehäuses, einen dritten rechteckigen Wandabschnitt zur Bildung der Vorderwand des Gehäuses, wobei der dritte rechteckige Wandabschnitt mit einer Schmalseite des ersten rechteckigen Wandabschnitts verbunden ist, und einen vierten rechteckigen Wandabschnitt zur Bildung der Rückwand des Gehäuses, wobei der vierte rechteckige Wandabschnitt mit einer Schmalseite des zweiten rechteckigen Wandabschnitts verbunden ist. Mit anderen Worten, die Vorderwand ist eine Verlängerung des ersten rechteckigen Wandabschnitts, und die Rückwand ist eine Verlängerung des zweiten rechteckigen Wandabschnitts an einer zur Vorderwand entgegengesetzten Seite des Werkstoffs. Wenn die Aufsetzeinheit mit dem Gehäuse einstückig gebildet ist, umfasst der schichtförmige Werkstoff des Weiteren eine Abwicklung von Wandabschnitten der Aufsetzeinheit, die mit dem dritten rechteckigen Abschnitt, d. h. der Vorderwand des Gehäuses verbunden ist.
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Die Wandabschnitte der Aufsetzeinheit sind in Abhängigkeit von der Form und Dimension des Mobiltelephons gewählt, mit dem das Spektroskop gekoppelt wird. Vorzugsweise umfasst die Aufsetzeinheit mindestens einen fünften rechteckigen Wandabschnitt (Hauptwand der Aufsetzeinheit) mit einem Fensterabschnitt, der im gekoppelten Zustand mit dem Austrittsfenster der Vorderwand des Spektroskops und dem Objektiv der Kamera ausgerichtet ist, und gegebenenfalls weitere rechteckige oder trapezförmige Wandabschnitte zur Bildung der gewünschten Form der Aufsetzeinheit, z. B. in Gestalt einer Einschub-Aufnahme oder einer Klammer.
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Der Bausatz gemäß der Erfindung kann so vorkonfektioniert sein, dass die Spaltbreite und/oder das spektral dispersive Element, insbesondere das Transmissions-Beugungsgitter, vorgegeben sind. Der Eintrittsspalt kann mit der gewünschten Breite im Material des vierten rechteckigen Wandabschnitts, d. h. der Rückwand des Gehäuses gebildet sein. Das spektral dispersive Element kann auf der Innenseite des dritten rechteckigen Wandabschnitts, d. h. der Vorderwand, das Austrittsfenster überdeckend, befestigt, z. B. aufgeklebt sein. Vorteilhafterweise kann durch diese Maßnahmen das Spektroskop an die Anforderungen einer konkreten Anwendung angepasst werden, so dass die Handhabung für den Nutzer vereinfacht wird.
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Alternativ kann der Bausatz so gestaltet sein, dass die Spaltbreite und/oder das spektral dispersive Element vom Nutzer gewählt werden. Beispielsweise kann der vierte rechteckige Wandabschnitt, d. h. die Rückwand, mit einem Eintrittsfenster ausgestattet sein, dessen Breite durch zusätzliche Spaltelemente eingestellt wird. Die Spaltelemente umfassen rechteckige Streifen, die vorzugsweise aus dem Werkstoff des Gehäuses, z. B. Karton, hergestellt sind und auf der Innenseite des vierten rechteckigen Wandabschnitts so über das Eintrittsfenster geklebt werden, dass der Eintrittsspalt mit der gewünschten Spaltbreite frei bleibt. Ferner kann das spektral dispersive Element, wie z. B. eine Beugungsfolie aus einem Angebot von mehreren Beugungsfolien mit verschiedenen Gitterkonstanten gewählt und auf der Innenseite des dritten rechteckigen Wandabschnitts, d. h. der Vorderwand, befestigt werden.
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Gemäß einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Spektrometer gelöst, welches das erfindungsgemäße Spektroskop und eine Kameraeinrichtung, insbesondere ein Mobiltelephon mit integrierter Kamera, einen Tablet-Computer mit integrierter Kamera, eine Webcam-Kamera oder eine Photo- oder Videokamera (z. B. Kompakt- oder Spiegelreflexkamera) umfasst. Die Kameraeinrichtung bildet einen Detektor für Licht, das mit dem Spektroskop untersucht werden soll und an dem spektral dispersiven Element austritt. Vorzugsweise ist die Kameraeinrichtung, wie im Falle eines Mobiltelephons (Smartphone) oder Tablet-Computers mit der Funktionalität und Konnektivität eines Computers ausgestattet. Ein Smartphone oder ein Tablet-Computer haben vor allem Vorteile wegen deren berührungsempfindlicher Anzeige, die sich typischerweise über die Vorderseite des Smartphones bzw. Tablet-Computers erstreckt und die Darstellung des Spektrums des untersuchten Lichts erleichtert, und wegen der Integration einer Computereinheit, die eine Auswertung und/oder Bearbeitung des Spektrums ermöglicht. Es kann jedoch auch die Kombination mit einer Photo- oder Videokamera mit der Funktionalität und Konnektivität eines Computers und/oder einer berührungsempfindlichen Anzeige vorgesehen sein.
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Vorzugsweise werden das Spektroskop und die Kameraeinrichtung so relativ zueinander ausgerichtet, dass der Eintrittsspalt des Spektroskops senkrecht zu den Pixelzeilen des Kamerasensors verläuft. Hierzu ist bei der Kopplung vorzugsweise eine Drehung des Spektroskops relativ zur Kameraeinrichtung um die optische Achse des Objektivs vorgesehen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1: eine schematische Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektroskops;
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2: eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bausatzes zur Herstellung eines Spektroskops gemäß 1;
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3: eine Illustration des Strahlengangs im Spektroskop;
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4: schematische Perspektivansichten bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Spektrometers; und
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5 bis 7: bevorzugte Varianten von Aufsetzeinheiten des erfindungsgemäßen Spektroskops.
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Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden insbesondere unter Bezug auf die Gestaltung des Gehäuses des erfindungsgemäßen Spektroskops und dessen Kopplung mit einem Mobiltelephon unter Verwendung der Aufsetzeinheit beschrieben. Es wird betont, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Alternativ kann das erfindungsgemäße Spektroskop beispielsweise ohne ein Mobiltelephon verwendet und für eine visuelle Beobachtung von spektral zerlegtem Licht oder eine Detektor-basierte Untersuchung mit einer herkömmlichen digitalen Photokamera oder mit einem Tablet-Computer mit integrierter Kamera ausgelegt sein. Obwohl im Folgenden beispielhaft auf die Kopplung des Spektroskops mit einem Smartphone des Herstellers Apple Bezug genommen wird, ist zu betonen, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf die Verwendung von Smartphones dieses Herstellers beschränkt, sondern auch mit anderen Mobiltelephon-Typen möglich ist, wie insbesondere unter Bezug auf die 6 und 7 beschrieben wird. Einzelheiten der geometrischen und optischen Parameter des Spektroskops bzw. des Spektrometers und/oder seiner Kalibrierung können vom Fachmann aufgrund seiner Kenntnisse in der Strahlenoptik, der Eigenschaften von Prismen oder Beugungsgittern, und der Eigenschaften des konkret gewählten Mobiltelephons gewählt werden.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektroskops 100 und des erfindungsgemäßen Bausatzes 200 zur Herstellung des Spektroskops 100. Das Spektroskop 100 gemäß 1 umfasst ein Gehäuse 10 mit einer Vorderwand 11, ersten bis vierten Seitenwänden 13.1–13.4 und einer Rückwand 14. Die Vorderwand 11 enthält ein Austrittsfenster 12, und in der Rückwand 14 ist ein Eintrittsspalt 15 gebildet.
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Das Gehäuse 10 hat eine langgestreckte Gestalt, die sich entlang einer Hauptrichtung (z-Richtung) erstreckt und einen länglichen, in der Darstellung liegenden, abgeschrägten Quader, umfassend eine quadratische Grundfläche (Rückwand), rechteckige oder trapezförmige Seitenflächen (erste bis vierte Seitenwand) und eine abgeschrägte, rechteckige Deckfläche (Vorderwand), bildet. Der Eintrittsspalt 15 ist in der Mitte, parallel zu einem Rand der Rückwand 14 angeordnet. Das Austrittsfenster 12 ist entsprechend so angeordnet, dass die Achse entlang der Hauptrichtung z vom Eintrittsspalt 15 durch die Mitte des Austrittsfensters 12 verläuft.
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Des Weiteren umfasst das Spektroskop 100 ein spektral dispersives Element in Gestalt eines Transmissions-Beugungsgitters 20. Das Beugungsgitter 20 ist auf der Innenseite der Vorderwand 11, das Austrittsfenster 12 überdeckend, befestigt. Das Beugungsgitter umfasst z. B. eine Kunststofffolie mit einer Dicke geringer als 0,5 mm, insbesondere geringer als 0,1 mm, z. B. geringer als 0,05 mm, auf deren Oberfläche ein Liniengitter eingeprägt ist.
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1 illustriert des Weiteren schematisch ein Mobiltelephon 300 (siehe 4) mit einer integrierten Kamera, deren Sensor einen Detektor 310 bildet und deren Objektiv 320 spektral zerlegtes Licht auf den Detektor 310 abbildet. Die Kombination des Spektroskops 100 mit dem Mobiltelephon 300 stellt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektrometers 400 dar.
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Der Bausatz 200 zur Herstellung des Spektroskops 100 umfasst gemäß 2 einen faltbaren Karton mit einem ersten rechteckigen Wandabschnitt 210 zur Bildung der ersten Seitenwand 13.1 (in 2 oben), einen ersten trapezförmigen Wandabschnitt 220 zur Bildung der zweiten Seitenwand 13.2 (in 2 vorne), einen zweiten rechteckigen Wandabschnitt 230 zur Bildung der dritten Seitenwand 13.3 (in 2 unten), einen zweiten trapezförmigen Wandabschnitt 240 zur Bildung der vierten Seitenwand 13.4 (in 2 hinten), einen dritten rechteckigen Wandabschnitt 211 zur Bildung der Vorderwand 11 und einen vierten rechteckigen Wandabschnitt 231 zur Bildung der Rückwand 14. Der dritte rechteckige Wandabschnitt 211 enthält das Austrittsfenster 12 mit dem Beugungsgitter 20. Das Beugungsgitter 20 wird so auf dem Austrittsfenster 12 befestigt, dass die Linien des Liniengitters senkrecht zu den Pixelzeilen des Detektors 310 verlaufen. Im vierten rechteckigen Wandabschnitt 231 ist ein Eintrittsfenster 232 geformt, auf das zwei Spaltelemente 260 mit einem vorbestimmten Abstand zur Bildung des Eintrittsspalts 15 aufgeklebt werden. Des Weiteren sind an Rändern des Körpers Befestigungslaschen (z. B. bei 250) vorgesehen, an denen im gefalteten Zustand des Kartons zueinander weisende Ränder zur Bildung des Gehäuses 10 miteinander verbunden werden.
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In einer konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bausatzes haben die Wandabschnitte beispielsweise die folgenden Maße: Wandabschnitt 210: 100 mm·30 mm; 230: 120 mm·30 mm; 220, 240: Schmalseiten: 30 mm, α: 57°; 211: 36 mm·30 mm; 12: 10 mm·16 mm; 231: 30 mm·30 mm; und 232: 4 mm·20 mm. Die Spaltelemente 260 umfassen zwei Rechtecke jeweils der Größe 6 mm·26 mm. Das Beugungsgitter 20 ist z. B. eine Acetatfolie mit einer Dicke von 0,05 mm mit einem Liniengitter mit 1000 Linien pro mm (Gitterkonstante: 1 μm). Mit einer Brennweite des Objektivs 320 des Mobiltelephons 300 (siehe 1) von 4 mm und einer Größe des Kamera-Detektors 310 von rund 4,6 mm·3,5 mm ergibt sich eine Abbildung eines Spektrums der Breite von rund 760 nm auf dem Detektor. Vorteilhafterweise kann somit das gesamte sichtbare Spektrum mit dem erfindungsgemäßen Spektrometer 400 erfasst werden.
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3 zeigt schematisch einen Teil des Strahlengangs des erfindungsgemäßen Spektrometers mit dem Beugungsgitter 20, dem Objektiv 320 und dem Detektor 310. Das Licht fällt vom Eintrittsspalt (nicht gezeigt) entlang der Hauptrichtung z auf das Beugungsgitter 20 mit einer Liniendichte von 1000 Linien pro mm, wobei der Einfallswinkel αe relativ zur Gitternormalen –33° gewählt ist. In diesem Fall wird der mittlere, grüne Wellenlängenbereich des Spektrums vorteilhafterweise in der Mitte des Detektors 310 erfasst. Zur Bereitstellung des genannten Einfallswinkels ist die Vorderwand 11 mit dem oben genannten Neigungswinkel 57° relativ zur dritten Seitenwand 13.3 geneigt. Das nahezu parallele Licht trifft unter dem Einfallswinkel αe auf das Beugungsgitter 20 und wird an diesem gebeugt. Der Winkel α1 bezeichnet den Beugungswinkel für die Beugung 1. Ordnung. Das gebeugte Licht trifft das Objektiv 320, das die Strahlen auf den Detektor 310 fokussiert.
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Die 4A und 4B zeigen schematisch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Spektrometers 400 mit dem Spektroskop 100 gemäß 1 und einem Mobiltelephon 300. Das Mobiltelephon 300 weist auf seiner Vorderseite eine Anzeige 330 auf, mit der ein Spektrum 340 des untersuchten Lichts visualisiert wird. Das Spektroskop 100 ist mittels einer Aufsetzeinheit 30 mit dem Mobiltelephon 300 gekoppelt (siehe 4B), die im Folgenden unter Bezug auf die 5 bis 7 erläutert wird.
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5 zeigt beispielhaft eine Variante einer Aufsetzeinheit 30 für die Kopplung des Spektrometers 100 mit einem Mobiltelephon 300 vom Typ iPhone 4s des Herstellers Apple (siehe 4B). Die Aufsetzeinheit 30 umfasst eine Hauptwand 31 mit einem Fensterausschnitt 32 und Umschlagwände 33, die im zusammengebauten Zustand der Aufsetzeinheit 30 eine Einschub-Aufnahme zum Einsetzen des Mobiltelephons 300 bilden. Die Aufsetzeinheit 30 wird auf der Vorderwand 11 des Spektroskops 100 so befestigt, z. B. aufgeklebt, dass der Fensterausschnitt 32 und das Austrittsfenster 12 zueinander entlang der Hauptrichtung z ausgerichtet sind.
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6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Aufsetzeinheit 30, die für Mobiltelephone anderer Hersteller mit einer Dicke im Bereich von 9 mm–11 mm ausgelegt ist und bei denen sich das Objektiv der integrierten Kamera im oberen Teil der Rückseite des Mobiltelephons befindet. Auch in diesem Fall umfasst die Aufsetzeinheit eine Hauptwand 31 mit einem Fensterausschnitt 32 und Umschlagwände 33, die an die Maße des jeweils gewählten Mobiltelephons angepasst sind.
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Schließlich illustriert 7 eine Ausführungsform einer universell verwendbaren Aufsetzeinheit 30 mit einer Hauptwand 31 und einem Fensterausschnitt 32. In diesem Fall umfasst die Hauptwand 31 lediglich ein Rechteck mit einer mittigen Aussparung, deren Abmessungen gleich den Abmessungen des Austrittsfensters 12 der Vorderwand 11 des Spektroskops 100 sind. Durch die Hauptwand 31 wird ein überstehender Rand gebildet, der zur Fixierung am Mobiltelephon, einem Tablet-Computer oder einer Photokamera, z. B. mit Klebestreifen oder Gummibändern verwendet werden kann.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können einzeln, in Kombination oder in Unterkombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.