From fc3ec276bc47d208beaf2d7602258e13de1385a1 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: Benedikt Peetz Date: Mon, 16 Sep 2024 18:41:09 +0200 Subject: chore(references): Add testing data --- .../content/05_aufbau/sections/auswertung.tex | 54 ++++++++++++++++++++ .../content/05_aufbau/sections/design.tex | 37 ++++++++++++++ .../content/05_aufbau/sections/kalibrierung.tex | 59 ++++++++++++++++++++++ .../05_aufbau/sections/material_und_methoden.tex | 48 ++++++++++++++++++ .../vergleich_dieses_aufbaus_zu_dem_des_papers.tex | 7 +++ 5 files changed, 205 insertions(+) create mode 100644 reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/auswertung.tex create mode 100644 reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/design.tex create mode 100644 reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/kalibrierung.tex create mode 100644 reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/material_und_methoden.tex create mode 100644 reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/vergleich_dieses_aufbaus_zu_dem_des_papers.tex (limited to 'reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections') diff --git a/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/auswertung.tex b/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/auswertung.tex new file mode 100644 index 0000000..5b39717 --- /dev/null +++ b/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/auswertung.tex @@ -0,0 +1,54 @@ +%! TEX root = ../../../facharbeit.tex +% LTeX: language=de-DE + +\newcommand{\imgplot}{\texttt{img2plot}} +\newcommand{\Imgplot}{\texttt{img2plot}} + +\section{Auswertung}\label{sec:Auswertung} % 2024-04-28 (16:01) +Die Auswertung hält sich nah an der Methode, die in \cite{cellPhoneRamanSpec} vorgeschlagen wird. + +Sie wird vollends durch ein Programm, \imgplot{} genannt, umgesetzt. + +Die Auswertung ist in vier Schritte unterteilt (welche sich aus \vref{chap:Code} ergeben): +\begin{enumerate} + \item Das Bild wird so oft um \qty{90}{\degree} gedreht, bis die Spektrale Aufspaltung + horizontal vorliegt. Die Anzahl der Rotationen müssen \imgplot{} angegeben + werden. + + \item Das Bild wird in seine einzelnen Spalten unterteilt. Für jede dieser Spalten + wird ein Medianwert aus ihren Pixeln errechnet. Das Bild hat danach eine Höhe von + einem Pixel, behält aber seine originale Breite. Ziel dieses Schrittes ist es, + mögliche Unreinheiten oder Lichteinschläge des Bildes zu entfernen. Der Effekt + dieser Normalisierung kann in \vref{fig:ProcessingMedianClean} gesehen werden.\label{subsec:MedianClean} + + \item Mögliche Rayleigh Streuung wird am linken Bildrand ausgeblendet, indem eine + spezifizierte Anzahl von Pixeln entfernt wird. Dies macht es möglich, störende + Rayleigh Streuung aus dem resultierenden Graphen zu filtern. In + \vref{sec:Design} wird dargelegt, warum der Verlust der niedrigen Wellennummer + Verschiebungen akzeptable ist. Diese Ausblendung findet nur statt, wenn sie + explizit spezifiziert wird. \label{subsec:RayleigGone} + + \item Das Bild, welches ab \vref{subsec:MedianClean} als 2D Repräsentation vorliegt, + wird in Datenpunkte für den resultierenden Graphen umgewandelt: \Imgplot{} + durchläuft hierbei die Pixel des 2D Bildes von links nach rechts, normalisiert die + Rot-, Grün- und Blauwerte (d.~h. sie werden durch ihren Maximalwert dividiert) + und bildet aus diesen dann ein gemeinsames arithmetisches Mittel. \Imgplot{} + gibt diese dann vorformatiert als \LaTeX{} Code aus, damit das Diagramm direkt + in einem (\LaTeX{}) Dokument eingebunden werden kann. +\end{enumerate} + +\input{content/05_aufbau/figures/fullProcess.tex} + +Dieser Prozess ist exemplarisch in \Vref{fig:ProcessingPicture} dargestellt. + +\hr + +Da die Pixelzahlen völlig von der Qualität, in der das Bild aufgenommen wurde, abhängen, +ist es notwendig eine Eichung vorzunehmen. Um zu bestimmen, welche Pixel Distanzen +welchen Wellennummer-Verschiebungen zuzuordnen sind, wird ein Graph mit einer Substanz +erstellt, von der ein Raman-Spektrum vorliegt. Dann werden die Peaks aufeinander +verschoben, und eine Zuordnung ist ablesbar. + +Da aber die Aufnahmen in diesen Aufbau nicht nutzbar sind, ist eine Kalibrierung auch +nicht möglich. Diese benötigt nämlich notwendigerweise ein Spektral Bild, aufgenommen in derselben +Qualität, um einen Vergleich der Werte zu ermöglichen. diff --git a/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/design.tex b/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/design.tex new file mode 100644 index 0000000..45ee543 --- /dev/null +++ b/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/design.tex @@ -0,0 +1,37 @@ +%! TEX root = ../../../facharbeit.tex +% LTeX: language=de-DE + +\section{Design}\label{sec:Design} % 2024-04-25 (11:56) +Wie schon kurz in \vref{chap:Einleitung} erwähnt, ist das Design des Spektrometers auf +zwei Parameter fokussiert: Ein relativ günstiger und simpler, von komplexen Laseroptiken +entfernter Aufbau, der es dem Raman Spektrometer ermöglicht auch in +Unterrichtsszenarien angewendet zu werden. + +\input{content/05_aufbau/figures/DetektorComparison.tex} + +Es gibt zwei hauptsächliche Ansatzpunkte, um die obengenannten Ziele umzusetzen: +\begin{enumerate} + \item Der Detektor muss notwendigerweise das Smartphone sein, da es als einziger + Detektor zu einer hohen Wahrscheinlichkeit bereits verfügbar ist, und deshalb nicht zu + den Materialien dazu gezählt werden muss. Damit werden die Kosten des Detektors aus + dem Gesamtpreis entfernt. + + % FIXME: Not a perfect fit, but I really tried (for like 10+ minutes) <2024-04-28> + \vspace*{250px} + + \item Die Laseroptiken sind zum Teil redundant, sofern der Detektor + einer rechtwinkligen Positionierung ($c$) unterzogen wird. In + \vref{fig:DetektorPositioning} werden die verschiedenen möglichen Geometrien + gezeigt. Wie in \cite{cellPhoneRamanSpec} erwähnt reduziert der Aufbau nach + $(c)$ die ankommende Rayleigh Streuung, was es ermöglicht die sowohl bei $(a)$ + und $(b)$ notwendigen Rayleigh Sperrfilter zu entfernen. Die Reduktion des + ankommenden Streulichts, welche die Rayleigh Sperrfilter überflüssig macht, + reduziert allerdings auch das ankommende Stokes (und anti Stokes) gestreute Licht. + Dies ist allerdings durch eine längere Belichtungszeit und nachträgliche Entfernung + der Rayleigh Streuung (wie in \vref{subsec:RayleigGone} gezeigt) auszugleichen, + da eine sehr hohe Genauigkeit, bei den genannten Zielen, zu vernachlässigen ist. +\end{enumerate} + +Da die Genauigkeit durch den -- geringen -- Anteil der Rayleigh Streuung, die die Aufnahme +stört, schon reduziert wurde, erscheint es sinnvoll auch auf Kunststoffoptiken zu setzen, +da diese sowohl günstiger als auch sicher vor Kratzern sind. diff --git a/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/kalibrierung.tex b/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/kalibrierung.tex new file mode 100644 index 0000000..7fef5da --- /dev/null +++ b/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/kalibrierung.tex @@ -0,0 +1,59 @@ +%! TEX root = ../../../facharbeit.tex +% LTeX: language=de-DE + +\section{Kalibrierung} % 2024-04-28 (15:05) +Vor der Auswertung werden die Brennpunkte der beiden Linsen aufeinander eingestellt, indem man +den Laser um \qty{90}{\degree} dreht, damit er direkt auf die Mitte der Streuung einfangenden +Linse leuchtet. Diese leichte Veränderung ermöglicht es, den Gitterhalter, der normalerweise +auf der Smartphone-Halterung angebracht ist, gegen ein weißes Blatt Papier zu tauschen, auf dem +sich dann die Fokussierung des Lasers in Form eines grünen Punktes ersichtlich macht. Hierbei +werden die Entfernungen zwischen den beiden Linsen und zwischen der letzten Linse und dem Gitter +so lange verändert, bis der Laserpunkt möglichst scharf zu sehen ist. Zum Eigenschutz, und +um den Laserpunkt, der sonst von dem Streulicht der Reflexion an dem Papier überdeckt wird, +sehen zu können, wird eine Laserschutzbrille getragen. + +Nach Befestigung der Linsen- und des Smartphone-Halters durch die Schrauben in der Schiene, +wird der Laser wieder auf den rechtwinklig positionierten Sockel gesetzt. Um nun den Laser +selbst auf die Probe zu fokussieren, wird dieser so weit nach vorne bewegt, bis in der Küvette +(gefüllt mit Wasser) ein klarer Strahl ersichtlich ist. Auch dies wird mit einer Schutzbrille +durchgeführt. + +\section{Aufnahme} +Die wirkliche \emph{Aufnahme} des Spektral-Bildes soll an dieser Stelle durch +Wiederanbringung des Gitters an dem Smartphone-Halter und Einlage des Smartphones leicht +vonstattengehen. + +Um die Aufnahmen zu machen wird die OpenCamera \cite{openCamera} Anwendung auf einem Samsung +A50 Smartphone genutzt. Sie wird durch F-Droid \cite{fDroid} installiert. Die Einstellungswerte +(ISO, Verschlusszeit, etc.) werden der Automatik überlassen, da keine nennenswerten +Unterschiede, durch Veränderung, ersichtlich sind. + +\begin{figure}[h] + \centering + \includegraphics[width=0.9\linewidth]{figures/own/d.jpg} + \caption{ + Aufnahme des Smartphones, nachdem alle Schritte der Kalibrierung vollzogen waren. + Man beachte, dass das Gitter vor der Smartphone-Kameralinse eine Aufspaltung des + Lichts verursachen sollte, diese Aufspaltung allerdings nur minimal in der Verdopplung der + Linse erkennbar wird. + } + \label[Bild]{fig:AufgenommensBild} +\end{figure} +\begin{figure}[h] + \centering + \includegraphics[width=0.9\linewidth]{paper/input_cleaned.png} + \caption{ + Aufnahme entnommen aus \cite{cellPhoneRamanSpec}. Man erkennt, im Gegensatz zu + \vref{fig:AufgenommensBild}, dass hier eine Aufspaltung des Lichts stattfand. + } + \label[Bild]{fig:SpektrumAusDemPaper} +\end{figure} + +\Vref{fig:AufgenommensBild} zeigt eine der Aufnahmen, die nach der Kalibrierung, +aufgenommen wurden. +\Vref{fig:SpektrumAusDemPaper} hingegen zeigt eine Aufnahme, welche aus +\cite{cellPhoneRamanSpec} entnommen wurde. Mögliche Gründe, woher diese Unterschiede in +den Aufnahmen kommen, werden in \vref{chap:BewertungDerErgebnisse} weiter erörtert. + +Da die Auswertung abseits der initialen Bildaufnahme funktioniert, wird nachfolgend +\vref{fig:SpektrumAusDemPaper} exemplarisch ausgewertet. diff --git a/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/material_und_methoden.tex b/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/material_und_methoden.tex new file mode 100644 index 0000000..a568ebb --- /dev/null +++ b/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/material_und_methoden.tex @@ -0,0 +1,48 @@ +%! TEX root = ../../../facharbeit.tex +% LTeX: language=de-DE + +\section{Material und Methoden}\label{sec:MaterialUndMethoden} % 2024-04-26 (19:29) +Die Materialien und ihre jeweiligen Preise sind \vref{fig:materialien} zu entnehmen. Insgesamt +kosten die Bauteile ca. \qty{77.41}{\text{\euro}}. + +\input{content/05_aufbau/figures/materialien.tex} + +Neben diesen genannten Materialien wird auch noch eine Küvette benötigt, die auf allen vier Seiten +klar ist. Dies ist notwendig, um die rechtwinklige Geometrie nutzen zu können. + +Den ausgebreiteten Prinzipien aus \vref{sec:Design} folgend, wird ein 3D Modell erstellt, +welches als Plattform den Aufbau signifikant erleichtert. \Vref{fig:threeDModel} zeigt dieses +Modell und die verschiedenen Teile. + +\input{./content/05_aufbau/figures/threeDModel.tex} + +Diese gedruckte Plattform bringt mehrere Vorteile mit sich: + +Zum einen ermöglicht sie, als durch OpenSCAD parametrisiertes, d.~h. mit Abhängigkeiten zwischen +den einzelnen Größen der Bauteile versehenes Modell, eine leichte Anpassbarkeit an abgeänderte Bauteile +(z.~B. ist der Aufwand einen \qty{1}{\centi\meter} längeren Laser zu nutzen, beschränkt auf die +Veränderung der Längenangabe des Lasers in der \texttt{measurements.scad} Datei. Der Sockel, +auf dem der Laser ruht, wird dann automatisch \qty{1}{\centi\meter} länger um sich an die vergrößerte +Länge anzupassen.). + +Zum anderen kann das Modell die Größenunterschiede der verschiedenen Teile ausgleichen: Der +Sockel des Lasers ist auf genau der Höhe, die benötigt wird, damit der Laserstrahl die Mitte +der Küvette treffen kann, die die zu analysierende Flüssigkeit enthält. + +Die Linsen sind ebenfalls durch Stiele auf eine Höhe gebracht, die es ermöglicht, +dass der Laserstrahl die Mittelpunkte der Linsen durchquert. (Man beachte hierbei den etwas +längeren Stiel der kleineren Linse in \vref{fig:threeDModel}.). + +Natürlich sind die einzelnen Höhen auch an die Position der Smartphone-Linsen angepasst. + +\hr + +Neben diesen Vorteilen, die sich alleine von der Parametrisierung ableiten, sind andere +ebenfalls wichtig: + +Die Linsen und die Smartphone-Halterung sind mit Ankern versehen, die es ermöglichen sie +in der Schiene zu verschieben, um die einzelnen Brennweiten aneinander anzupassen. Ist dies +geschehen, können in die Löcher, die in der Schienen Wand eingelassen sind, genutzt +werden, um diese zu fixieren. Hierbei werden M5x20 Schrauben benutzt. + +\input{./content/05_aufbau/figures/builtModel.tex} diff --git a/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/vergleich_dieses_aufbaus_zu_dem_des_papers.tex b/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/vergleich_dieses_aufbaus_zu_dem_des_papers.tex new file mode 100644 index 0000000..d878906 --- /dev/null +++ b/reference/C_Facharbeit_komplett/content/05_aufbau/sections/vergleich_dieses_aufbaus_zu_dem_des_papers.tex @@ -0,0 +1,7 @@ +%! TEX root = ../../../facharbeit.tex +% LTeX: language=de-DE + +% TODO: Vllt. schreibe ich hier noch etwas, aber es sieht zeitlich schlecht aus. <2024-04-30> + +% \section{Vergleich dieses Aufbaus zu dem des Papers} % 2024-04-28 (15:26) +% Dies ist etwas text -- cgit 1.4.1