DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V.

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1 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

2 Gymnasium Oberalster Schüler experimentieren Laser-Pointer-Mikroskop - verbessert von Alexander Gundermann Alexander Gundermann (12 Jahre) Max-Herz-Ring Hamburg

3 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 Zusammenfassung Ausblick in die Zukunft 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

4 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-Pointer- Mikroskop. 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

5 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

6 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

7 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 Mega- Pixel besitzt, kann man sehr scharfe Fotos abspeichern oder sogar Filme in Full-HD aufzeichnen. 6

8 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

9 An der Kamera wird das Objektiv abgeschraubt und durch einen durchsichtigen UV- Filter 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

10 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

11 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

12 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

13 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 watch?v=7v1ght-e-ls ( ) 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