Teil 3: Lichtintensitäten einfach mit der Soundkarte messen.
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Teil 3: Lichtintensitäten einfach mit der Soundkarte messen.


Aus den ersten beiden Seiten dieser Reihe wurde bereits beschrieben, wie man mit Hilfe eines ausgeschlachteten Tintenstrahldruckers einfach an die Abtastmechanik für eine solche Messapparatur kommt, wie ein Schrittmotor funktioniert, und wie man ihn mit Hilfe der DTMF Technik aus dem Telefonbereich über den Line-Out Ausgang einer Soundkarte ansteuern kann.

Auf dieser Seite soll es nun darum gehen, wie man die Intensitätsverteilung der Interferenzerscheinung einfach mit der Soundkarte erfassen kann.


1.) Lichtintensitäten einfach mit der Soundkarte messen.

Seit relativ kurzer Zeit gibt es Intensitäts-Frequenz-Wandler, integrierte Schaltkreise, welche die eingestrahlte Lichtintensität in eine dazu proportionale Frequenz umwandeln, die mit der Soundkarte weiterverarbeitet werden kann.

1.1.) Der Licht/Frequenzwandler TSL 230R.

Für die Messwerterfassung über den Line-In Eingang der Soundkarte eignet sich dabei besonders der TSL 230R der amerikanischen Firma TAOS (Texas Advanced Optical Solutions).
Christoph Deußen aus Ratingen hat über die Anwendung dieses IC für Versuche in der Astronomie einen sehr lesenswerten Beitrag in Praxis der Naturwissenschaften, Aulis Verlag, Köln (Heft 8, 1. Dezember 2003) veröffentlicht.

Zu dieser Zeit war es noch etwas problematisch an den IC zu kommen. Mittlerweile kann man ihn relativ einfach bei Conrad unter der Bestellnummer 163953-12 beziehen. Der Schaltkreis kostet derzeit knapp 5 Euro. (Stand April 2005).

Dafür bekommen Sie aber einen echten Gegenwert, denn die Texaner haben wirklich einen tollen Chip entwickelt, der optimal zur Soundkarte passt und kaum weitere Bauteile erfordert!

TSL230 durch Lupe aufgenommen

Der TSL 230 im Photo:
der "dicke Leiter" links ist Pin 4 und Masse.

In einem transparenten Plastik-Gehäuse befindet sich ein Lichtsensor, der den ganzen Bereich des sichtbaren Lichts und noch etwas darüber hinaus abdeckt (320nm - 1050 nm). Die Empfindlichkeit läßt sich durch Spannungen an Pin 1 (S0) und Pin 2 (S1) steuern. (vgl Tabelle). Es ergibt sich eine Frequenz, die zur einfallenden Lichtintensität proportional ist.

Weiterhin enthält der Chip noch einen programmierbaren Frequenzteiler!

Bei voller Beleuchtungsstärke wird 1,1 MHz als maximale Frequenz ausgegeben, das ist für die Soundkarte natürlich viel zu viel!
Jedoch kann man durch Spannungen an den Pin 7 (S2) und Pin 8 (S3) eine Frequenzteilung durch 100 "programmieren", so dass die maximale Ausgangsfrequenz dann auf von Soundkarten verarbeitbare 10 kHz heruntergesetzt wird. (vgl. Tabelle)

Pinout des TSL230
S1 S0 Empfindlichkeit
L L aus
L H 1-fach
H L 10-fach
H H 100-fach
S3 S2 Teiler
L L 1 (keiner)
L H 2
H L 10
H H 100

Der Schaltkreis wird mit 5 Volt versorgt (Pin 4 und 5). An Pin 6 erscheint dann ein symmetrisches TTL-Signal (0-5 Volt Rechtecksignal) das man mit einem Potentiometer auf den "Soundkartenpegel" von 1 Volt herabsetzen kann.

Zur weiteren Information können sie ein Datenblatt (englisch) hier herunterladen

1.2.) Montage des Lichtsensors auf dem Druckerschlitten.

Die Elektronik zur Aufnahme der Lichtintensität befindet sich auf einer kleinen Platine, die auf dem Druckkopf-Schlitten eines alten Tintenstrahldrucks montiert wird. Einfache, alte, schwarz-weiß Drucker eignen sich zum Ausschlachten besonders, weil diese - in der Regel - einen großen Druckkopf-Schlitten haben, auf dem die Elektronik gut befestigt werden kann.

Mess-Schlitten mit Sensor

Der TSL 230 wurde auf einen Präzisionssockel gesetzt, der einerseits guten Halt bietet, andererseits ein einfaches Wechseln des Schaltkreises zuläßt, falls dieser einmal defekt sein sollte. Weiterhin finden noch DIP-Schalter zur Einstellung der Teilerpegel ("Mäuseklavier") und ein Potentiometer zur Pegelanpassung auf der Platine Platz. Das auf einen Pegel von etwa1 Volt reduzierte Signal wird über einen abgeschirmte Leitung mit einem Mono-Klinkenstecker (3,5 mm) direkt dem Line-In Eingang der Soundkarte zugeführt.

Bei meinen ersten Layout, das auf dem Photo zu sehen ist, hatte ich die Pins 7 und 8 fest auf 5 Volt gelegt, wie in Christoph Deußens Vorschlag beschrieben (Teiler 100).

Beschaltung Lichtsensor


Für die sehr bescheidenen Beleuchtungsstärken bei einer Interferenzaufnahme war dann trotz Eingangs-Empfindlichkeit 100 der Bereich der Ausgangsfrequenz zu klein, selbst in der Mitte des Zentralmaximums kam ich über 1000 Hz Ausgangsfrequenz kaum hinaus.
(Übliche Mehrfachspalte beleuchtet mit einem 1mW Laserpointer von 650 nm).
Mit einem Teiler 10 klappt es schon besser.(Pin 8 fest auf Masse gelegt).

Für eine möglichst universelle Anwendung sollte man alle vier Pegel (für Empfindlichkeit und Teiler) schaltbar machen.
In der Beschaltung (Bild oben) und dem neuen Layout zum Download ist dies berücksichtigt. Bei geöffnetem Schalter "zieht" ein Widerstand von 2,2 kOhm (Wert nicht kritisch) den zugehörigen Pin des TSL230 auf High-Pegel, wird der Schalter geschlossen auf Low-Pegel. Die Widerstände werden stehend eingebaut.

Nur das Layout für die Sensorplatine herunterladen Bitmap Datei

Das Layout für die Sensorplatine und die Schrittmotorsteuerung herunterladen Bitmap Datei


3.) Programm zur Ansteuerung des Schrittmotors und Aufnahme der Lichtintensität.

3.1.) Über das Programm.

Zur Steuerung des Schrittmotors und Aufnahme der Lichtintensität entstand ein Delphi-Steuerprogramm, das Sie nach einer Kurzvorstellung herunterladen können. Es werden die TAudio Komponenten von John Mertus verwendet ( auf dieser Seite beschrieben.). Weiterhin wurden die Komponenten TAudioMixer von Vit Kovalcik (Freeware) benutzt.

Sollten Sie es für Ihre Verhältnisse anpassen müssen, oder weiterentwickeln wollen, können Sie auf Anfrage auch die Quellcodes erhalten.

Screenshot des Programms

Das Programm steuert den Schrittmotor mit DTMF-Signalen über einen Kanal des Line-Out Ausgangs der Soundkarte. Nach jeweils zwei Schritten wird eine Intensitätsmessung gemacht. Dies entspricht bei dem ausgeschlachteten Tintenstrahldrucker etwa einer Positioniergenauigkeit von 0,5 mm, was völlig ausreicht.

Die der Lichtintensität proportionale Frequenz wird über den Line-In Eingang der Soundkarte ausgewertet und zusammen mit der Position des Druckerschlittens gespeichert. Die Ausgabe der Messwerte kann wahlweise in einer Tabelle oder in einem Diagramm (screenshot) erfolgen.

Weiterhin können die beiden Werte - getrennt durch ein Semikolon - als Datei gespeichert und auch wieder geladen werden. Das Dateiformat heißt .idt - Intensitäts-Datei - ist aber eine reine Textdatei. Eine solche Textdatei läßt sich zur Auswertung auch leicht in ein Tabellenkalkulationsprogramm wie z.B. EXCEL importieren.

Programm "interfsound.exe" herunterladen. exe Datei

Eine Anleitung zum Programm herunterladen


3.2.) Mit der Apparatur erfasste Messbeispiele

Hier sind einige Beispiele von Intensitätsverläufen, die mit der beschriebenen Einrichtung und dem Programm aufgenommen wurden:

Alle Aufnahmen wurden mit gängigen Spalten von 0.05 mm Breite und 0.1 mm Spaltabstand gemacht. Als Lichtquelle diente ein HeNe-Laser (1 mW) bzw. ein Laserpointer. Der HeNe-Laser brachte etwas zuviel Intensität, die reduzierte Strahlungsleistung auf 0.2 mW erwies sich aber nicht als ausreichend. Generell ist es etwas schwierig Aufnahmen zu machen, in der das Zentralmaximum nicht übersteuert wird und dennoch in den anderen Maxima bzw. Nebenmaxima genügend Details erkennen läßt. Die Entfernung Gitter-Messapparatur betrug bei allen Messungen etwa 3 bis 4 Meter.

Alle Bilder sind in demselben Maßstab dargestellt aber gegenüber der Darstellung im Programm verkleinert. Im Originaldiagramm ist die Auflösung besser.

(Sie können meine Original-Messdatei jeweils durch Klicken in die Grafik herunterladen und dann in das Programm einlesen bzw. mit EXCEL bearbeiten.)

Einzelspalt:

Einfachspalt kleine Verstärkung Ein Einfachspalt mit Eingangsempfindlichkeit 10 aufgenommen, der Teiler war ebenfalls auf 10 eingestellt.
Zum Erkennen von Details in den höheren Ordnungen ist die Verstärkung zu klein.
Einfachspalt große Verstärkung Bei dieser Aufnahme wurde die Eingangsempfindlichkeit auf 100 erhöht (Teiler blieb bei 10). Sehr schön sind nun die Maxima 1. Ordnung zu erkennen. Dass sie nicht gleich "hoch" sind, liegt sicher an der Justierung. Das Zentralmaximum war hier zu intensitätsstark.
Es ist zu erkennen, dass die Wandlung bei einer Ausgangsfrequenz über etwa 8 kHz ins "Trudeln" kommt. (Eine Rasterlinie entspricht 1 kHz).
Dies könnte auch daran liegen, dass der eigentlich vorgesehene Spannungungs-Stabilisierungskondensator von 100 nF nicht eingebaut war.

Doppelspalt:

Doppelspalt kleine Verstärkung Diese Aufnahme eines Doppelspalts ist fast ideal gelungen. Die Maxima erster Ordnung sind wieder nicht ganz gleichmäßig. Rechts erkennt man sogar deutlich, dass das Maximum zweiter Ordnung ausfällt, weil der Spaltabstand d gerade doppelt so groß wie die Gitterbreite b ist. Das Maximum ganz rechts gehört zur dritten Ordnung.
Doppelspalt große Verstärkung Auch bei dieser Aufnahme ist das Ausfallen jeder zweiten Ordnung deutlich zu sehen. Das Zentralmaximum in der Mitte war auch hier wieder "übersteuert".

Dreifachspalt:

Dreifachspalt kleine Verstärkung Hier die Aufnahme eines Dreifachspalts. Als Quelle diente ein Laserpointer. Das eine Nebenmaximum zwischen jeweils zwei Hauptmaxima ist sehr schön zu sehen. Das Ansteigen der Intensität rechts im Bild stammt vom Einschalten einer Raumbeleuchtung!
Dreifachspalt große Verstärkung Eine detailreiche Aufnahme eines Dreifachspalts mit HeNe-Laser und Verstärkungsfaktor 100. Das Zentralmaximum war wieder überstrahlt. Jedoch sind die Nebenmaximal links und rechts des Zentralmaximums gut zu sehen. Ganz deutlich erkennt man auch hier wieder das Ausfallen jeder zweiten Ordnung der Hauptmaxima, weil der Spaltabstand genau doppelt so groß wie die Spaltbreite ist.

Vierfachspalt:

Vierfachspalt kleine Verstärkung Diese Aufnahme entstand mit einem Vierfachspalt. Man sieht, wie die Hauptmaxima immer schärfer und intensitätsstärker werden. Die beiden Nebenmaxima sind ebenfalls gut zu erkennen. Für die Hauptmaxima > 1 war jedoch die Intensität zu klein, obwohl das Zentralmaximum eine Frequenz von 10 kHz ergab.
Vierfachspalt große Verstärkung Eine Vierfachspaltaufnahme mit größerer Verstärkung (Empfindlichkeit 100). Die 3. und 5 Hauptmaxima sind gut zu erkennen (2 und 4 fallen wieder aus), ebenso die Nebenmaxima zwischen dem Zentralmaximum und den Hauptmaxima 1. Ordnung. Jedoch sind die Hauptmaxima in der Mitte (0. und 1.Ordnung) wieder übersteuert.

3.3.) Tipps zum Erfassen von Messungen aus der Praxis.

Bei unsachgemäßer Benutzung können einige Dinge schiefgehen - ihre Soundkarte können Sie aber kaum in Gefahr bringen:

  • die Messungen müssen natürlich im abgedunkelten Raum durchgeführt werden.

  • das Programm schaltet über den Windows Mixer die benötigten Komponenten selbständig an oder aus und setzt die Intensitäten auf den nötigen Pegel. Es ist mir bisher noch nicht gelungen bei der Ausgabe auch "wave out" automatisch zu aktivieren. Wenn der Schrittmotor nicht läuft, müssen Sie das im Windows Mixer ggf. von Hand machen.
  • haben Sie die beiden Stecker für die Schrittmotorsteuerung (Line-Out) und die Licht/Frequenz-Wandlung (Line-In) richtig angeschlossen? (Falls nein, passiert der Soundkarte nichts, aber es klappt eben nicht!)

  • Wenn Sie die Diodenanzeige für den Schrittmotor bestückt haben, zeigt diese wechselnde Bit-Kombinationen an?
  • Wenn Sie den Line-Out Stecker abziehen, hören Sie die "Wähltöne"?
  • Manchmal muß man bei Laptops den Lautstärkeregler hochdrehen, damit ein Signal an den Line-Out Ausgang ausgegeben wird.

  • Führen Sie zuerst den Schlitten an den hellsten Punkt ihrer Interferenz und stellen Sie die Empfindlichkeitseinstellung mit den DIP-Schaltern so ein, dass sie eine brauchbare Frequenz (zwischen 1000 und 10000 Hz) bekommen.
    Diese Frequenz wird im Programm unter der Tabelle bzw. dem Diagramm angezeigt, ebenso der Pegel Wert.

Ein wenig Probieren ist schon nötig, bis die Aufnahme guter Messungen gelingt, vor allem die Mehrfachspalte sollten gut justiert sein.


Ich wünsche Ihnen viel Freude und Erfolg beim Nachbau dieser Einrichtung, sowie viele gelungene Messungen!

Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver