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Der LCTF

 

Die Erzeugung der monochromatischen Reize erfolgt dadurch, daß aus dem von der Halogenlampe abgestrahlten Spektrum ein schmalbandiger Bereich herausgefiltert wird. Bisher werden dazu sogenannte Monochromatoren eingesetzt, die durch Beugung oder Brechung Licht in sein Spektrum zerlegen können. Solche Monochromatoren besitzen aber nur eine sehr geringe Transmission und müssen über bewegliche Teile verstellt werden.

Für dieses Experiment wird ein neu entwickeltes Gerät zur Erzeugung monochromatischer Spektren eingesetzt, ein durchstimmbarer Flüssigkristallfilter (Liquid Crystal Tunable Filters, kurz LCTF). Diese optischen Filter ermöglichen es, das Maximum des durch sie hindurchtretenden Spektrums computergesteuert über eine angelegte Spannung zu regulieren, ohne daß dazu mechanisch Teile bewegt werden müssen. Masterson, Sharp und Johnson (1989) stellen die diesen Geräten zugrundeliegende Funktionsweise formal dar und Morris, Clifford und Treade (1994) schildern neben dem Grundprinzip auch eine mögliche Anwendung solcher Filter bei der Fluoreszenz-Mikroskopie zur Untersuchung von Makromolekülen in komplexen biologischen Verbindungen.

Der hier verwendete Filter der ersten Gerätegeneration stammt vom zum Zeitpunkt der Beschaffung weltweit einzigen Hersteller Cambridge Research & Instrumentation und trägt die Produktbezeichnung Varispec Tunable Filter VS-VIS2-05-HC-SQ. Wie in Abbildung 2.5 zu sehen ist, besteht er aus einem Optikmodul, das in den Strahlengang eingebracht wird, und aus einer Steuereinheit zum Einstellen des Transmissionsspektrums, die entweder über die RS-232 Schnittstelle eines Computers oder über ein TTL-Signal angesprochen wird, das beispielsweise vom Verschluß einer Kamera ausgelöst werden kann. Damit kann monochromatisches Licht mit Bandbreiten von 5 nm in einem Bereich zwischen 420 und 780 nm erzeugt werden, wobei diese Bandbreite relativ genau eingehalten wird mit einer durchschnittlichen Transmission von weniger als 0.01% außerhalb des angegebenen schmalen Frequenzbandes. Außer im unteren Randbereich des sichtbaren Spektrums liegt die Transmission dieses Geräts zwischen 0.1 und 0.3. Probleme ergeben sich dadurch, daß die Transmission des LCTF stark von der gerade eingestellten Wellenlänge abhängt (siehe Abbildung 2.6) und auch kurz- und längerfristigen zeitlichen Schwankungen unterliegt (siehe Abschnitt 2.7 bzw. Abbildung 2.10).

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Abbildung 2.5:  

Liquid Crystal Tunable Filter (LCTF) und seine Steuereinheit: Auf dieser Fotografie vom Hersteller Cambridge Research & Instrumentation sieht man einen LCTF, der an die dazugehörige Steuereinheit angeschlossen ist. Abweichend von dem abgebildeten Gerät besitzt der für das hier dargestellte Experiment verwendete LCTF ein eckiges Gehäuse.

 

Ein großer Vorteil dieses Gerätes ist die relativ große runde Austrittsöffnung von 20 mm Durchmesser (es ist sogar eine Version mit 35 mm Durchmesser der Austrittsöffnung lieferbar): Dadurch muß die Justierung der Apparatur nicht so präzise erfolgen wie bei optischen Bänken, in die ein Gittermonochromator eingebaut ist.gif Die Bestandteile der optischen Bank, auf der der Versuchsaufbau befestigt ist, können wegen des großen Durchmessers des Lichtstrahls sogar ohne Zuhilfenahme von Meßgeräten ausgerichtet werden. Die große Fläche der Austrittsöffnung und die geringe Anzahl an Optikkomponenten (wie Linsen), die den Lichtstrahl weiter abschwächen, ermöglichen zusammen außerdem eine hohe Intensität des auf die Projektionsfläche treffenden Lichts. Nur so ist es möglich, Reize in der hier erforderlichen Größe und Leuchtdichte zu produzieren. Die von Gittermonochromatoren erzeugten Reize sind dagegen in der Regel so schwach, daß sie direkt ins Auge der Versuchsperson projiziert werden müssen (sog. maxwellian view). Ein weiterer Vorteil besteht in der extrem kurzen Durchstimmzeit von 50 Millisekunden, die sich durch vorherige Definition einer Farbpalette noch verkürzen läßt, so daß die eingestellte Wellenlänge ohne erkennbare Verzögerung verändert werden kann.

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Abbildung 2.6:  

Transmission LCTF: Diese Abbildung zeigt in logarithmierter Darstellung die gemessene absolute Transmission des LCTF für den sichtbaren Bereich des Spektrums. Die Messung der einzelnen Punkte erfolgt direkt im Strahlengang, nachdem das Maximum des Transmissionsspektrums auf den an der Abszisse angegebenen Wert eingestellt ist.

Ein gewisser Nachteil besteht in der hohen Temperaturempfindlichkeit dieses Filters, aufgrund derer sich bei Temperaturänderungen um wenige Grad Celsius auch das Transmissionsspektrum verändert. Allerdings ist durch Senden eines Reset-Befehls eine Korrektur und Neueinstellung möglich. Außerdem muß darauf geachtet werden, daß das Gerät keinen zu hohen Temperaturen über tex2html_wrap_inline7722 Celsius ausgesetzt wird, da es ansonsten permanent geschädigt wird. Deshalb muß der Wärmeanteil durch einen mit destilliertem Wasser gefüllten Filter aus dem auftreffenden Licht herausgefiltert werden.


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Last modified 10-29-98