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Licht ins Dunkel der Mikroskopie - Halogen oder Kaltlicht LED?

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04. Oktober 2013 14:12
Einführung

Befragt man Mikroskopiker zum Thema Beleuchtung, so stellt man fest, dass sich die Geister scheiden, selbst wenn es um die heikle Mikro-Fotografie geht. Man findet den Halogen Fan und neuerdings auch den Befürworter der "coolen" LED-Beleuchtung. Doch, ist es wirklich eine Frage des Glaubens, oder sprechen sogar ernste Vorteile für eine der beiden Beleuchtungsarten? Gibt es vielleicht sogar ein "optimales Weiß" für die Fotografie und Videografie am Mikroskop? Dieser Beitrag will versuchen sprichwörtlich und auch praktisch mehr Licht ins Dunkel zu bringen - mit eventuell überraschendem Ergebnis.

Halogen oder LED, das ist die Frage

Für die visuelle Bewertung mikroskopischer Präparate mag es eine Frage der Gewohnheit sein, ob man den Wechsel von Warmweiß nach Kaltweiß vollzieht. Sind doch gerade bei älteren Mikroskoptypen die seinerzeit angebotenen Glühlampenkonzepte ohnehin eher als "rotweiß", denn als "warmweiß" zu bezeichnen. Doch selbst moderne High-Tech Mikroskope, ausgerüstet mit einer Halogenlampe liefern ein eher sepiafarbenes bis dunkelbraunes Bild, das das Auge vermeintlich in ein Weiß "umrechnet". Dieser Umstand war schon in der chemischen Fotografie stets zu beklagen. Für den Farbabgleich blieb nur der Einsatz eines Blaufilters.

Ein weiteres Argument spricht gegen den Einsatz von Halogenlampen: Sie strahlen einen nicht unerheblichen Anteil infraroten Lichts als Wärme ab. Die hohe Lichtdichte zieht eine ebenso erhöhte Erwärmung der Präparate nach sich, sofern man noch auf die Halogenlampe setzt. Die Verdunstungsrate des Wassers bei Einsatz von intensiven Halogenlampen und die Notwendigkeit, ständig Frischwasser zuzuführen, dürfte dem Tümpler nicht unbekannt sein.

Da heute viele Mikroskopiker zumindest gelegentlich Fotos erstellen werden, möchte der Autor mit diesem Test vor allem die Vorzüge für die Fotografie herausarbeiten, um den Vor- oder Nachteil beider Arten von Lichtquellen herauszuarbeiten und das "optimale Weiß" vorzustellen.

Moderne Mikroskope kommen inzwischen ohne spezielle Lampengehäuse oder "Brenner" aus und bieten meist eine kompakte Beleuchtung, welche Halogenlampen mit Reflektor Bauform nutzt. Entspricht diese gängigen Stecksockeln, wie etwa dem GU5.3 Stecksockel, hat man die Möglichkeit, diese Mikroskope ohne hohen Kostenaufwand mit handelsüblichen LEDs zu betreiben. Hier werden die Halogenlampen einfach gegen adäquate LED Lampen ausgetauscht. Es gilt die Faustregel 50W Halogen entsprechen 3W LED. Hier beginnt das Experimentierfeld bereits auch spannend zu werden. Denn nicht jede LED Lampe ist geeignet. Einiges hängt auch von der Optik der Lampe und der Optik der Beleuchtung im Mikroskop ab.

Sieht man sich die Spezifikationen der von Zeiss beispielsweise verwendeten Halogenlampen an, so fällt beim Studium der Verpackung auf, dass die mitgelieferte Osram Halogen Eco Star einen recht schmalen Lichtkegel (Spot) von lediglich 10° liefert. Dementsprechend darf man von Lampen mit einem breiterem Kegel von typisch 35° nicht erwarten, dass sie die gleiche Lichtstärke bei gleicher Watt Leistung liefern werden. Das hat einfach optische Gründe. Ein breiterer Lichtkegel der Lampe verteilt die gleiche Strahlungsleistung auf eine größere Fläche. Eine Verdopplung des Abstrahlwinkels gegen über 10°, also ein Winkel von 20° bedeutet, dass die Lichtstärke nur noch einem Viertel entspricht, bei einer Verdreifachung des Lichtkegels (30°) bleiben sogar nur knapp 11% der Lichtstärke übrig. Das sind nur grobe Richtwerte. Sie hängen in der Praxis vom tatsächlichen Aufbau der optischen Strahlenführung und der Winkelabhängigkeit der Strahlungsleistung im Abstrahlkegel ab. Auf die konkreten Auswirkungen im Strahlengang nach Köhler soll hier nicht im Detail eingegangen werden.

Für eine digitale Kamera bedeutet mehr Licht, dass man weniger Rauschen und/oder kürzere Belichtungszeiten erwarten darf. Diese beiden Kenngrößen, Rauschen und Belichtungszeit, sind für die Lebend-Beobachtung wichtig, denn sie bestimmen Bildqualität, möglichen Kontrastumfang und Detailwiedergabe. Je kürzer die Belichtung ausfällt, um so mehr Details wird das bewegte Bild zeigen. Oft ergeben sich mit modernen Kameras in der fotografischen Aufnahme erst Details, die dem trägen Auge verborgen bleiben. Andererseits führt hohes Bildrauschen bei JPEG Bildformaten oder MPEG Videoformaten wie etwa MPEG-4 oder H.264 zu deutlichen Bildartefakten auf kleinen wie großen Skalen.

Der Praxistest

Für den Test wurde ein Zeiss AxioLab.A1 mit N-Achroplan 40/0.65 Ph2 verwendet. Die Phasenblende wurde mit einem Einstellmikroskop justiert. Die Lampe ist bei diesem Mikroskop hinten im Fuss des Stativs gut zugänglich und kann schnell gewechselt werden. Als Kamera diente eine Canon EOS 60D am Zeiss DSLR Adapter 1,6x. Für die Abbildung wurde bewusst auf die Lebendbeobachtung im Phasenkontrast gesetzt, einer Licht schluckenden Methode, die dem Mikroskop in der Fotografie besonders viel Licht abverlangt. Histologie und andere Teilbereiche in der Durchlicht-Mikroskopie mögen diese Einschränkung verzeihen, doch die Farbkontraste gefärbter Präparate im Hellfeld bei weißem Hintergrund sind eventuell weniger aussagekräftig, um die Auswirkungen solcher Beleuchtungen zu studieren. Ferner ist bei fixierten Präparaten die Belichtungszeit weniger kritisch. Dennoch lassen sich die Ergebnisse eventuell auch hier extrapolieren, um Rückschlüsse auf die Eignung der Lichtquellen auch für solche Anwendungen zu erhalten.

Das in Szene gesetzte Objekt wurde einem vor Monaten angesetzten Moos-Aquarium entnommen. In der Tropfen-Probe war schnell eine häufig vorkommende Kieselalge ausgemacht, die sich während der Aufnahmen nicht bewegte. Im Test wurde die Belichtungszeit mit 1/500 Sekunde konstant gewählt für alle Aufnahmen. Eine Kontrastanhebung durch die Kamera zum Helligkeitsausgleich erfolgte durch automatische Anpassung der ISO Zahl. Der automatische Weißabgleich blieb deaktiviert.

Die Lampenaufnahme dieses Mikroskop-Typs ist für übliche Halogen-Reflektoren mit GU5.3 Steckfassung konzipiert. Wahlweise gibt es hierzu passend eine fast unüberschaubare Menge an LEDs mit gleichem Sockel im Handel. Im Test wurden folgende Lampentypen eingesetzt:
1. Osram Eco Star, 35W, 10° Abstrahlwinkel, mit Blaufilter (Zeiss Nr. 1220-224)
2. LED aus dem Baumarkt, 3W, 38° Abstrahlwinkel, kaltweiß
3. Paulmann LED, 3W, 20° Abstrahlwinkel, kaltweiß, von der Firma Jülich für diese Mikroskope angeboten
4. Bartelme LED, 4W, 8° Abstrahlwinkel, kaltweiß aus dem Sortiment von Conrad

Vergleichbare Angaben, Liefermöglichkeiten und Preise zu den von Zeiss für diese Mikroskopserie angebotenen LED Lampen waren zum Zeitpunkt des Tests im Zeiss Microshop nicht verfügbar.

Ergebnis

Die folgende Abbildung gibt die Bildergebnisse aus vier Videosequenzen (1920x1080, Full HD) der Kamera im Ausschnitt wieder, die jeweils mit den verschiedenen Lichtquellen aufgenommen wurden.


Abb. 1: Kieselalge aus Moosaquarium mit den getesteten Lampen aufgenommen, Belichtung: 1/500 Sekunde.

Ohne Weißabgleich der Kamera tendiert die gefilterte Aufnahme mit der Halogenlampe plus Filter offenbar zu einer Überbetonung des roten Farbanteils. Der blaue Hintergrund des Phasenkontrast erscheint gegenüber den Aufnahmen mit Kaltlicht-LEDs in einem dunkleren Blauton mit leicht schmutzigem Stich. Sieht man sich ungefilterte Mikroaufnahmen mit Halogenbeleuchtung an, erscheinen diese eher ockerfarben bis schmutzig-rotbraun, können jedoch nicht als "warmweiß" bezeichnet werden. Bei Einzelbildern lassen sich diese Farbverschiebungen mit Bildbearbeitungs-Programmen bedingt korrigieren. Die Videowiedergabe würde jedoch entsprechende Software erfordern, um diesen Nachteil mit hohem Zeitaufwand zu korrigieren. Dies darf als großer Nachteil angesehen werden. Den Farbeindruck des Auges unter solchem Licht herzustellen, ist also nur mit höherem technischen Aufwand möglich. Der Erfolg hängt zudem noch von der spektralen Empfindlichkeit der Kamera ab.

Demgegenüber erscheinen die mit Kaltlicht-LED aufgenommenen Bilder dem visuell gesehenen Farbeindruck im Phasenkontrast ähnlicher. Im Vergleich der LED Aufnahmen wird deutlich, welchen Vorteil ein kleiner Abstrahlwinkel hat. Er zeigt sich jedoch in den Aufnahmen nur indirekt: Die Kamera steuert bei der Videografie den Kontrast automatisch und angepasst an die eingestellte, feste Belichtungszeit. Dadurch erscheinen zwar alle vier Aufnahmen etwa gleich hell, doch der Rauschanteil fällt sehr unterschiedlich aus.

Bei der Baumarkt LED mit 38° Abstrahlwinkel tritt ein hohes Bildrauschen im blauen Hintergrund zu Tage, welches im Einzelbild des Videos zudem als wellige Artefakte in Erscheinung tritt. Hieraus darf man eine deutliche Unterbelichtung der Aufnahmen schließen, welche durch hohe digitale Anpassung des Kontrasts kompensiert wurde.

Vom Rauschen her besser ist die von Jülich vertriebene Paulmann 3W LED. Trotz größerem Abstrahlwinkel ist das Rauschen der von Zeiss bevorzugten Halogenlampe etwa ebenbürtig. Das Rauschen lässt sich durch Verlängerung der Belichtungszeit zwar reduzieren, doch wird man bei schnellen Bewegungen Grenzen der Belichtung finden. Farbwiedergabe und Kontrast erscheinen gegenüber der Halogenlampe differenzierter. Ein leichter Violettstich trübt eventuell das Ergebnis, ist jedoch nicht so stark ausgeprägt, wie bei der Halogenlampe.

Die Bartelme 4W LED ist sehr interessant für die Fotografie, denn sie liefert ein extrem helles Licht und lässt sogar die getestete Halogenlampe weit hinter sich. Eine Erwärmung der Präparate erfolgt nicht. Die Verdunstung am Deckglasrand ist dementsprechend nicht beschleunigt. Dies ist besonders vorteilhaft für längere Videosequenzen. Die Farbwiedergabe erscheint hier sehr neutral. Im Vergleich mit der visuellen Beobachtung wirkt die Farbwiedergabe authentischer. Ein Weißabgleich ist nicht erforderlich, die Bilder sind auch bei kurzen Belichtungszeiten unverrauscht. Ein interessanter Befund: Die Bartelme 4W LED scheint auch Farbsäume in den Beugungsfiguren zu beseitigen. Die Bilder wirken, als habe man plötzlich ein hochwertigeres Objektiv vor sich mit einer fast schon antiseptisch wirkenden Farbzeichnung im Detail. Der Autor versichert jedoch, dass für alle Aufnahmen das gleiche Objektiv verwendet wurde und lediglich die Lampen getauscht wurden.

Die folgende Abbildung zeigt den gleichen Bildausschnitt im Dunkelfeld bei identischer Belichtungszeit von 1/500 Sekunde aufgenommen mit der Bartelme 4W LED.


Abb. 2: Kieselalge im Dunkelfeld, Bartelme 4W LED, Videoausschnitt, 1/500 Sekunde.

Vergleichbare Halogenaufnahmen erreichen ihre Grenze eher bei 1/125 Sekunde. Noch kürzere Belichtungen führen schnell zu Rausch-Artefakten.


Abb. 3: Ciliat im Dunkelfeld, Halogenbeleuchtung mit Blaufilter, Videoausschnitt, 1/80 Sekunde.

Fazit

Sicherlich haben Fotografie und Videografie eventuell noch unterschiedliche Anforderungen. Mag man bei der Bearbeitung ausgewählter Einzelbilder den zusätzlichen Aufwand gerade noch hinnehmen, sie im Nachhinein farblich korrigieren zu müssen, wird man diesen zeitraubenden Aufwand eher vermeiden wollen, Videos nachträglich umrechnen zu müssen. So kann man sicherlich zu dem Schluss gelangen, dass eine optimale Lichtquelle für die Beleuchtung von Mikrovideos sicherlich auch als optimal für die Still-Fotografie gelten darf.

Mögen Halogenlampen heute noch immer zur Erstausrüstung moderner Mikroskope gehören, sollte man sie eigentlich bei einer Neuanschaffung gar nicht mehr in die engere Wahl ziehen. Die rot-stichige Beleuchtung kann den Anforderungen guter Bildwiedergabe in der Fotografie im Vergleich nicht mehr gerecht werden. Es ist bestenfalls ein Notbehelf, auf den man getrost verzichten und stattdessen auf optimale Beleuchtung setzen sollte. Gleiches gilt wohl für die unter der Handelsbezeichnung "warmweiß" vertrieben LED Lampen. Vergessen sollte man auch nicht, dass bereits die Halogenlampe als Kaltlichtquelle der konventionellen Glühwendel vorgezogen wurde. So besteht in der Verwendung von "coolen" LEDs sicherlich ein weiterer, konsequenter Schritt in die gleiche Richtung.

Die aus dem Baumarkt mitgenommene Kaltlicht LED mit 38° Abstrahlwinkel ist sicherlich günstig in der Anschaffung, aber weniger gut geeignet für die Fotografie mit einem Mikroskop. Hier zeigt sich deutlich der Nachteil solcher LEDs mit einem für die Mikroskopie ungünstigen, zu großem Abstrahlwinkel. Für die Beleuchtung des Labortisches mit einer LED und als Beitrag zum Umweltschutz durch Reduktion des Strombedarfs ist sie sicherlich hervorragend geeignet.

Ein adäquater Ersatz für die standardmäßig von Zeiss angebotene Halogenbeleuchtung ist die 3W 20° LED von Paulmann. Sie liefert eine vergleichbare Beleuchtungsstärke mit ebenso vergleichbaren Rauschwerten gegenüber der Halogenbeleuchtung. Die Farbwiedergabe erscheint deutlich neutraler und besser gegenüber der Osram Halogenlampe plus Blaufilter.

Der Sieger in diesem Test und eine echte Überraschung ist zweifellos die Bartelme 4W 8° Kaltlicht LED aus dem Conrad Sortiment. Sie ist zwar nur über den Versand zu beziehen, die Sonderbestellung belohnt einen wenige Tage später jedoch mit ungeahnten Möglichkeiten. Zwei Nachteile der Bartelme LED seien genannt: Sie lässt sich, im Gegensatz zu den hier getesteten Mitbewerbern, nicht dimmen. Bei der Intensität, die diese Lampe erzeugt, wird dies mitunter ein Problem darstellen, welches nur durch Neutralfilter zu beheben ist. Der zweite Nachteil ist in Abweichungen der Gehäusemaße zu finden. Die LED klappert lose in der vorgesehenen Halogenfassung des Mikroskops. Die vordere Ringwulst ist nicht so dick, wie bei den Glasgehäusen der Halogenlampen.

Moderne LEDs können dem Mikroskopiker sehr wohl mehr als ausreichende Mengen Licht zur Verfügung stellen. Und das bei einem Bruchteil des Strombedarfs gemessen an einer Halogenlampe. Die Lichtausbeute ist nicht nur von der elektrischen Leistung sondern auch von der Abstrahlcharakteristik abhängig. Der Abstrahlwinkel ist hier mit entscheidend.

Eine weitere Lehre kann aus diesem Test gezogen werden: Weiß ist eben nicht gleich Weiß. Auch beim Einsatz moderner, digitaler Spiegelreflexkameras sollte man besser zu einer Lampe greifen, die dem Tageslicht zur Mittagszeit ähnelt. Kaltweiß ist hier, ungeachtet seines schlechten Rufs, also von erheblichem Vorteil. Nicht mit jedem Motiv wird der softwarebasierte Weißabgleich gut funktionieren. Eine optimale Beleuchtung von Anfang an ist das A und O in der Fotografie mit dem Mikroskop.

Warnhinweis

Die Strahlungsleistung der vorgestellten 4W LED in dem genannten Mikroskop ist bereits so intensiv, dass sie für visuelle Beobachtungen im Hellfeld nicht empfohlen werden kann! Ohne Verwendung eines starken Neutralfilters bereitet der Blick ins Okular dem Auge bereits ein Schmerzempfinden ähnlich dem Eindruck hellen Sonnenlichts nach längerer Winterperiode. Dies und ein nachhaltiger Bildeindruck waren dem Autor Warnung genug. Der Autor setzt diese LED für visuelle Beobachtung im Hellfeld nur noch mit zwei kombinierten Neutralfiltern 0,25 und 0,06 von Zeiss ein. Neuerdings wird der LED Typ mit höheren Leistungen von 6W angeboten. Vorsicht vor Augenschäden bei solchen Lichtstärken ist geboten und der Einsatz des Graufilter sollte stets geprüft werden, bevor man ins Okular blickt!



2-mal bearbeitet. Zuletzt am 04.10.13 14:46.
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T. Bauer 4875 04. Oktober 2013 14:12



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