schüex hamburg

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schüex hamburg
DEUTSCHE
GESELLSCHAFT FÜR
ZERSTÖRUNGSFREIE
PRÜFUNG E.V.
ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht
SCHÜEX HAMBURG
Laser-Pointer-Mikroskop
Alexander Gundermann
Schule:
Gymnasium Oberalster
Hamburg
Jugend forscht 2014
Gymnasium Oberalster
Schüler experimentieren
Laser-Pointer-Mikroskop
- verbessert von Alexander Gundermann 2.3.2014
Alexander Gundermann (12 Jahre)
Max-Herz-Ring 171
22159 Hamburg
Inhalt
Seite
Danksagung
2
1. Einleitung
3
2. Der erste Versuch
4
3. Verkleinerung der Tropfengröße
5
4. Verwendung eines Sensorchips
6
5. Eine überraschende Entdeckung
8
6. Justierung des Präparats mit Linearmotor
9
7. Der Sieg des Wassertropfens
10
8. Zusammenfassung
10
9. Ausblick in die Zukunft
11
10. Quellen und Abbildungsverzeichnis
12
Danksagung
Ich danke allen, die mein Projekt unterstützt haben, meinem Lehrer Herrn Stephan
Maaß für die freundliche Betreuung, Herrn Ingenieur Dieter Herrmann für seine
Beratung und Anregungen und den Firmen Schäferglas, Lenz-Laborglas und Paul
Marienfeld GmbH für die kostenlose Zusendung von Borosilikat-Glaskugeln.
Abb. 1 3D-Grafik Laser-Pointer-Mikroskop
2
1. Einführung
Die vorliegende Darstellung entspricht nicht einer streng wissenschaftlichen Arbeit, sie
ist eine Dokumentation der Entwicklungsschritte meines Laser-Pointer-Mikroskops von
der Idee bis zum heutigen Stand.
Als ich im Internet surfte, stieß ich auf ein Video der Sci Guys über ein Laser-PointerMikroskop. Dafür braucht man nur einen Laser-Pointer und eine Einwegspritze mit
Wasser aus der Natur, z. B. aus einem See, einem Moor oder einem Tümpel. Die
Spritze wird senkrecht fixiert, dann drückt man behutsam, sodass an ihrer Spitze ein
Tropfen entsteht (Abb. 2).
Abb. 2 Internetvideo des Versuchsaufbaus
Der Laser-Pointer wird so befestigt, dass sein Strahl genau auf den Tropfen trifft. Der
Tropfen wirkt nun wie eine starke Linse, die den Laserstahl bricht und auffächert. Wirft
man das Bild an eine Wand, so kann man erkennen, was im Wassertropfen enthalten
ist, z.B. Schmutz, Algen und sogar Mikroorganismen oder kleine Krebse (Abb. 3).
Abb. 3 Internetvideo: Mikroorganismen
3
2. Der erste Versuch
Die Idee fand ich brillant. Ich besorgte mir einen Laser-Pointer, um den Versuch selbst
durchzuführen. Mein Versuchsaufbau sah folgendermaßen aus (Abb. 4).
Abb. 4 Grafik des Versuchsaufbaus
Der
Versuch
hat
gut
funktioniert,
wie
im
Internetvideo
konnte
auch
ich
Mikroorganismen an meiner Zimmerwand erkennen. Indem ich den Durchmesser des
Laserstrahles,
des
Tropfens
und
des
Bildes
vermaß,
konnte
ich
den
Vergrößerungsfaktor errechnen.
Durchmesser des Laserstrahls: ca. 2 mm
Durchmesser des Wassertropfens: ca. 4 mm.
Durchmesser des Abbildes bei 1 m Abstand vom Wassertropfen: ca. 60 cm
Wenn sich der Strahl von 2 mm auf 600 mm verbreitert, so beträgt der
Vergrößerungsfaktor: 2 zu 600 = 1 zu 300, also ca. 300-fache Vergrößerung
4
3. Verkleinerung der Tropfengröße
Ich hatte beobachtet, dass der Tropfen mit 4 mm noch sehr groß war. Da überlegte ich,
ob man den Tropfen nicht verkleinern könnte. Ein kleinerer Tropfen hätte eine stärkere
Wölbung, so bricht er das Licht stärker und man hat eine noch höhere Vergrößerung.
So besorgte ich mir eine Kanüle.
An einer Kanüle entstehen wesentlich kleinere Tropfen von ca. 2 mm Durchmesser.
Beim selben Abstand vergrößert sich das Bild auf 120 cm (Abb. 5).
Abb. 5 Auswirkung verschiedener Tropfengrößen
Durchmesser des Laserstrahls: ca. 2 mm
Durchmesser des Wassertropfens: ca. 2 mm.
Durchmesser des Abbildes bei 1 m. Abstand vom Wassertropfen: ca. 120 cm
Wenn sich der Strahl von 2 mm auf 1200 mm verbreitert, so beträgt der
Vergrößerungsfaktor: 2 zu 1200 = 1 zu 600, also ca. 600-fache Vergrößerung
5
In Abb.6 sieht man eine etwa 600-fache Vergrößerung von einem kleinen Krebs. Diese
starke Vergrößerung kann man nur mit einer Kanüle erreichen. Leider sind die
Abbilder sehr dunkel und relativ unscharf.
Abb. 6 Originalfoto: Ein kleiner Krebs
4. Verwendung eines Sensorchips
Um die Helligkeit der Abbildung zu verbessern, beschloss ich mit dem Laser direkt auf
den Fotosensor einer Digitalkamera zu projizieren (Abb.7). Dafür benötigt man einen
möglichst großen Sensor, weil man mit einem kleinen Sensor zu nah an den Tropfen
heran muss und leicht verwackelt. Ich verwendete eine Sony NEX 3NLB mit einem
APS-C-Chip, der 18x23mm misst. Weil der APS-C-Chip eine Auflösung von 12 MegaPixel besitzt, kann man sehr scharfe Fotos abspeichern oder sogar Filme in Full-HD
aufzeichnen.
6
Abb. 7 Bildaufzeichnung mit Sensorchip
Würde man einen Sensor mit höherer Auflösung benutzen, bekäme man zwar
schärfere Bilder, aber dafür nimmt die Lichtempfindlichkeit ab und das Bild beginnt zu
rauschen. Der Sensor besteht zu 25% aus blauen Pixeln, zu 25% aus roten Pixeln und
zu 50% aus grünen Pixeln (Abb.8). Deshalb ist es günstig, einen grünen Laser zu
benutzen.
Abb.8 Grafik: Pixelanordnung auf einem APS-C Chip, stark vergrößert
7
An der Kamera wird das Objektiv abgeschraubt und durch einen durchsichtigen UVFilter ersetzt, damit der Sensor nicht einstaubt. Wenn man jetzt noch die Kamera sehr
nah am Wassertropfen positioniert, dann erhält man viel hellere und auch schärfere
Bilder (Abb. 9).
Abb.9 Schmutzpartikel im Wassertropfen
5. Eine überraschende Entdeckung
Ich hatte den UV-Filter mit Tesafilm über die Objektivöffnung geklebt, weil es keine
UV-Filter mit Bajonett-Verschluss gab. Bei einem meiner Versuche stieß ich an die
Kamera und der Laserstrahl fiel auf das Klebeband. Zu meinem Erstaunen war die
Abbildung sehr scharf (Abb. 10). Da überlegte ich mir, dass man ein Objekt auch
außerhalb des Wassertropfens positionieren kann.
Abb. 10 TESA-Film auf dem UV-Filter
8
Ich wiederholte den Versuch mit verschiedenen Dauerpräparaten, die ich zwischen
Wassertropfen und Kamera platzierte. Der Vorteil ist auch, dass man das Objekt nun
stufenlos vergrößern kann, je nachdem wie nah es am Tropfen ist. Da nun die
Verunreinigungen des Wassers stören, arbeitete ich mit destilliertem Wasser weiter.
Abb. 11 Regenwurm-Querschnitt
Abb.12 Frosch-Ei
Abb. 11 und Abb.12 zeigen zwei Dauerpräparate, links einen Regenwurm im
Querschnitt und rechts ein Frosch-Ei. Beide sind sehr verschieden in ihrer Größe trotzdem konnte man gut heranzoomen.
6. Justierung des Präparats mit Linearmotoren
Es ergibt sich noch ein Problem, wenn man ein Präparat außerhalb des
Wassertropfens positioniert. Aufgrund der hohen Vergrößerung wirkt sich bereits eine
kleine Verwacklung sehr stark auf das Bild aus. Man muss also das Objekt fest
einspannen und trotzdem minimal bewegen können. Dafür besorgte ich mir zwei
Linearmotoren der Firma Firgelli (Abb. 13), da ich diese mit NXC (Programmiersprache
für Lego Mindstorms im C++ Format) ansteuern kann.
Abb.13 Grafik eines Linearmotors
9
Ein
Linearmotor
wandelt
eine
Drehbewegung
durch
ein
Getriebe
in
eine
Längsbewegung seines Kolbens um. Bei der Programmierung von langsamen
Geschwindigkeiten kann man den Kolben auf ca. 100 µm. genau positionieren.
7. Der Sieg des Wassertropfens
Der Wassertropfen ist sehr unpraktisch, weil er schwer zu justieren ist, leicht
verschmutzt oder gar herunterfallen kann. So suchte ich nach einem Ersatz, der etwa
gleich groß, rund und rein sein musste. Deshalb setzte ich mich mit drei Glasfirmen in
Verbindung, die mir Borosilikat-Glaskugeln der Größen 2-4 mm zur Verfügung stellten.
Ich platzierte ich sie an der Stelle des Wassertropfens (Abb.14).
Abb.14 Glaskugel statt Wassertropfen
Abb. 15 Störungen im Borosilikat
Leider waren die Oberflächen der Kugeln so rau, dass bei der Brechung des Lichtes
viele Störungen auftaten (Abb.15). So stellte ich fest, dass Flüssigkeitstropfen eine
eigentlich perfekte runde Form haben.
8. Zusammenfassung
Wenn man das im Internetvideo gezeigte Laser-Pointer-Mikroskop mit meiner eigenen
Entwicklung (Abb. 16) vergleicht, kommt man zu folgendem Ergebnis:
-
Die Helligkeit des Bildes ist optimiert.
-
Schärfe und Kontrast sind bei gleicher Auflösung verbessert.
-
Man kann die Objekte in guter Qualität fotografieren und filmen.
-
Man kann Objekte außerhalb des Tropfens betrachten, z.B. Trockenpräparate
-
Das Mikroskop funktioniert auch bei Tageslicht, man braucht also nicht mehr
abzudunkeln.
10
Abb. 16 Das fertige Laser-Pointer-Mikroskop
9. Ausblick in die Zukunft
Im Vergleich mit einem Schülermikroskop erzielt mein Laser-Pointer-Mikroskop (Abb.
16) eine gleiche, wenn nicht gar eine höhere Auflösung. Zusätzlich kann mein
Mikroskop stufenlos an das Objekt heranzoomen und auf Knopfdruck Bilder oder Filme
aufnehmen.
Der große Nachteil ist, dass es nur einfarbige Bilder erzeugt. Außerdem bilden sich
Beugungsmuster bei hohen Auflösungen. Schon, wenn ein winziges Staubkorn im
Tropfen herumschwimmt, bilden sich störende Ringe (Abb.17).
Abb. 17 störende Beugungsmuster
11
Darum möchte ich im Laufe der weiteren Entwicklung den Laser-Pointer durch eine
starke weiße Lichtquelle ersetzen. Da die Farben des weißen Lichts unterschiedlich
stark gebeugt werden, überlagern sich die Beugungsringe und es müsste lediglich ein
schwacher Regenbogen um die Objekte entstehen. Außerdem wäre das Bild dann
bunt. Ich würde versuchen, dafür das Licht einer starken weißen Leuchtdiode mit
Glasfasern auf die Linse zu richten.
10. Quellen- und Abbildungsverzeichnis
Textquellen wurden nicht verwendet.
Abb. 2 und Abb. 3 sind YouTube-Screenshots von
The Sci-Guys: Science at Home - SE1 - EP 13: Laser Microscope
URL http://www.youtube.co watch?v=7v1ghT-E-Ls (20.1.2014)
Alle anderen Abbildungen sind Originalfotos oder von mir erstellte Grafiken.
Abb. 1 3D-Grafik Laser-Pointer-Mikroskop, S. 1
Abb. 4 Versuchsaufbau, S. 4
Abb. 5 Auswirkung verschiedener Tropfengröße, S. 5
Abb. 6 Originalfoto: Ein kleiner Krebs, S. 6
Abb. 7 Bildaufzeichnung mit Sensorchip, S. 7
Abb. 8 APS-C Chip stark vergrößert, S. 7
Abb. 9 Schmutzpartikel im Wassertropfen, S. 8
Abb. 10 TESA-Film auf dem UV-Filter, S. 8
Abb. 11 Regenwurm-Querschnitt, S. 9
Abb. 12 Frosch-Ei, S. 9
Abb. 13 Linearmotor, S. 9
Abb. 14 Glaskugel statt Wassertropfen
Abb. 15 Störungen im Borosilikat
Abb. 16 Das fertige Laser-Pointer-Mikroskop, S. 10
Abb. 17 störende Beugungsmuster, S. 11
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