Genaue Wellenlängenmessung mit zwei Fotodioden

© 2001 by Knut Grahlmann und Nadine Hauptmann

(Dies ist die Beschreibung eines Projektes, mit dem Nadine Hauptmann und ich am Regionalwettbewerb Jugend forscht 2001 teilgenommen haben.)

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung
2  Methoden
2.1  Hardware
2.1.1  Der Wellenlängensensor SSO-WS-7.56-TO
2.1.2  Der Helligkeitssensor
2.1.3  A/D-Wandler
2.2  Vorversuche
2.3  Kalibrierung
2.3.1  Versuchsreihe 1
2.3.2  Versuchsreihe 2
2.3.3  Versuchsreihe 3
3  Ergebnisse
4  Diskussion
5  Ausblick
6  Danksagung
7  Literaturverzeichnis

1  Einleitung

Bei der Lektüre einer Funk-Fachzeitschrift stieß unser Physiklehrer auf eine Beschreibung des Wellenlängensensors SSO-WS-7.56-TO der Firma Silicon Sensor. Dieser versprach eine Meßgenauigkeit von 0,01nm. Die Benutzung sollte im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden (z.B. Prismenbrechung) auch sehr einfach sein. Dies erschien uns sehr verlockend und so versuchten wir, mit Hilfe dieses Sensors Wellenlängen sehr genau zu bestimmen.

2  Methoden

2.1  Hardware

2.1.1  Der Wellenlängensensor SSO-WS-7.56-TO
Abbildung 1: Aufbau des Sensors

Genau genommen besteht der Sensor aus zwei Fotodioden, welche übereinander liegen. Jede reagiert jeweils unterschiedlich auf die gleiche Wellenlänge. Die beiden Fotodioden liefern also verschiedene Signale, die jeweils eine Funktion in Abhängigkeit von der Wellenlänge bilden. Für jede Wellenlänge läßt sich aus diesen zwei Kurven ein eindeutiger Quotient bilden. Der Meßbereich des Sensors reicht von 450nm bis 950nm.

Abbildung 2: Kennlinien des Sensors

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß diese Werte nur ungenau sind. Daraus folgt, daß wir eine eigene Kalibrierung durchführen mußten.

2.1.2  Helligkeitssensor
Um bei der Kalibrierung die Intensität der Leuchtdioden (s.u.) konstant halten zu können, löteten wir einen Helligkeitssensor neben SSO-WS-7.56-TO.
2.1.3  A/D-Wandler
Die Meßwerte aller drei Sensoren werden mittels eines 16bit-A/D-Wandlers in den Computer eingelesen.

2.2  Vorversuche

Zuerst führten wir einige Vorversuche durch, die die Funktionsfähigkeit des Sensors bestätigen sollten. Wir nahmen hierzu eine Glühlampe und ließen den Lichtstrahl durch verschiedenfarbige Filter auf den Sensor fallen. Dabei stellten wir fest, daß jede Farbe einen unterschiedlichen Quotienten lieferte, wie es die Theorie vorausgesagt hatte. Allerdings veränderte sich bei schwankender Intensität auch der Quotient minimal. Dieses Ergebnis war vielsprechend und so führten wir das Projekt fort.

2.3  Kalibrierung

2.3.1  Versuchsreihe 1
Um überhaupt Messungen durchführen zu können, mußte der Sensor erst kalibriert werden. Das heißt, wir versuchten die Funktion des Quotienten in Abhängigkeit von der Wellenlänge herauszufinden. Dazu nahmen wir sechs Leuchtdioden mit den definierten Wellenlängen 470nm, 520nm, 615nm, 626nm, 875nm und 950nm. Damit wird fast der gesamtmögliche Meßbereich des Sensors abgedeckt.
Die LEDs wurden aus praktischen Gründen in einer Reihe in einem Kasten untergebracht, aus dessen Oberseite sie herausschauten. Jede von ihnen kann einzeln angesteuert werden, so daß zum "Wellenlängenwechsel" nur ein leichtes Verschieben des Kastens nötig ist. Dieser wurde vor eine optische Bank gestellt, auf welcher wir den Wellenlängensensor befestigten. Somit hatten wir die Möglichkeit, den Abstand zu den Leuchtdioden zu verändern. So konnten wir die Intensität bei allen LEDs ungefähr konstant halten. Bei dieser Versuchsreihe regelten wir die Intensität auf einen ungefähren A/D-Wert von 25.000 ein.
Damit die Messungen nicht durch Fremdeinwirkungen gestört wurden, plazierten wir einen Karton über den Versuchsaufbau. Bei den Messungen mit den Infrarot-Leuchtdioden (875 und 950nm) stellten wir fest, daß hier die Quotienten nicht stabil waren und demzufolge immer noch Störeinflüsse vorlagen. Bei genauerer Betrachtung fanden wir heraus, daß der Karton nur sichtbares Licht abschirmte. Deshalb kleideten wir selbigen mit Aluminiumfolie aus, was die Werte bei 875nm stabilisierte. Diese Meßreihe war trotzdem nicht von Erfolg gekrönt, weil die Werte der 950nm-LED immer noch stark schwankten.
2.3.2  Versuchsreihe 2
Im zweiten Anlauf veränderten wir die Intensität der Leuchtdioden (durch Verschieben der Sensoren auf der optische Bank) auf einen A/D-Wert von ca. 11.000. Da auch hier die Werte (besonders bei 470nm und 950nm) schwankten, versuchten wir zu ergründen, woran dies lag. Eine in die Nähe des Sensors gebrachte Hand ließ die Werte nicht schwanken, ein leichtes Pusten hingegen schon.
2.3.3  Versuchsreihe 3
Aus den zuerst obskur erscheinenden Beobachtungen aus 2.3.2 gelangten wir nach reiflicher Überlegung zu dem Schluß, daß unser Wellenlängensensor sehr temperaturabhängig ist. Um diese Problematik zu umgehen führten wir die Messungen im Fotolabor der Schule durch. Dieses läßt sich zum einen sehr gut abdunkeln und zum anderen wird es nur gering, aber gleichmäßig geheizt, die Temperatur ist also sehr konstant.
Zur weiteren Verbesserung bauten wir nur die optische Bank mit den Sensoren und die LEDs im Fotolabor auf. Der Computer und wir befanden uns im (beleuchteten) Nebenraum. Den Türspalt dichteten wir zur Sicherheit mit Zeitungspapier ab. Bei dieser Kalibrierung versuchten wir, die Intensität der Leuchtdioden für alle Messungen konstant zu halten. Dazu betrieben wir alle LEDs mit einem Betriebsstrom von 11,0 mA. Der Sensor wurde diesmal nicht verschoben.

3  Ergebnisse

Die letzte Versuchsreihe war sehr erfolgreich. Die Meßwerte der beiden Fotodioden waren teilweise bis auf fünf Nachkommastellen konstant, mindestens jedoch auf vier. Für die Berechnung der Werte nahmen wir immer nur die Zahlen bis zur vierten Nachkommastelle.
Wellenlänge (nm)Quotient
47016,1090
5203,9408
6150,9843
6260,9315
8750,1112
9500,0396

Aus diesen sechs Werten bildeten wir mittels einer kubischen Spline-Interpolation die Funktionen des Quotienten in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Für die Überprüfung dieser Funktionen bot sich eine Farbtemperaturmessung an, weil die Farbtemperatur eines Gegenstandes von der Wellenlänge mit der größten Intensität bestimmt wird. Für die Messung liehen wir uns von einem Fotogeschäft eine Glühlampe mit definierter Farbtemperatur aus und führten eine Wellenlängebestimmung. Diese Wellenlänge rechneten wir in die Farbtemperatur um; es war die gleiche wie die für die Glühlampe spezifizierte.

4  Diskussion

Bis jetzt sind wir mit den erzielten Ergebnissen unseres Projektes sehr zufrieden: Der Sensor ist einfach zu handhaben und liefert genaue Meßwerte. Allerdings gibt es noch mehrere Möglichkeiten, unser Projekt weiter zu verbessern. Wie bereits beschrieben, ist die Temperaturabhängigkeit des Dunkelstroms bei SSO-WS-7.56-TO sehr hoch. Die Schwesterversion behebt diesen "Fehler", kostet allerdings auch ca. 300 DM. Bei unserem begrenzten JugendFoscht-Budget war es leider nicht möglich, diesen Sensor einzusetzen. Für die Kalibrierung haben wir für einen Bereich von 500nm nur sechs Leuchtdioden eingesetzt, was teilweise "Löcher" von bis zu 250nm läßt. Es ist leider sehr schwer, Leuchtdioden mit definierter Wellenlänge auf dem Markt zu finden. Und schließlich sind selbst diese Angaben meist nur auf 1nm genau und nicht auf 0,01nm, wie es für die Güte des Sensors eigentlich nötig wäre. Wir würden also eine Möglichkeit benötigen, Licht mit der o.g. Genauigkeit zu erzeugen.

5  Ausblick

Bei Erhöhung der Spannung verändert eine Leuchtdiode ihre Wellenlänge, welche größer wird. Im Moment sind wir dabei, diese Behauptung zu verifizieren. Außerdem versuchen wir, die Temperaturabhängigkeit genauer zu untersuchen.

6  Danksagung

Unser Dank gilt unseren Familien, die uns bei dieser Arbeit unterstützten, sei es durch Korrekturlesen oder Werkzeug. Außerdem danken wir unserem Physiklehrer Herrn Thiele, der uns immer mit Rat und Tat zur Seite stand.

7  Literaturverzeichnis

[1] o.V.: datasheet sso-ws-7.56. URL: http://www.silicon-sensor.de/ws756/ws756.htm [Stand 29.11.1999]
[2] Wellenlängensensor mit hoher Auflösung. Klaus Sander. In: Funkamateuer 6/99, Seiten 656-658

Bildquellen:
Abbildung 1: http://www.silicon-sensor.de/ws756/ws756.htm
Abbildung 2: a.a.O.