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Praktische Adaption digitaler Kompaktkameras an Mikroskope und Aufnahmeeinstellungen für Mikroaufnahmen

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03. März 2009 23:38
Zusammenfassung
Dieses Skript eines Vortrages vor dem Arbeitskreis Mikroskopie Bonn am 26. Februar 2009 beschreibt die Voraussetzung für einfache aber sichere Adaption von digitalen Kompaktkameras an einem Lichtmikroskop mit drei praktischen Beispielen. Darüber hinaus werden für Mikrofotografien notwendige Einstellungen an Lichtmikroskop und Kamera behandelt. So sollte jeder Anwender in der Lage sein, für sich selbst die Eignung eines Kameramodells zu beurteilen und gute, wenn nicht sogar sehr gute Aufnahmen zu machen.

Einleitung
Mit digitalen Kompaktkameras kann man einfach und hinreichend gute Aufnahmen machen, wenn man die notwendigen optisch-physikalischen Voraussetzungen berücksichtigt und einige praxisorientierte Voraussetzungen beachtet.

Das Prinzip ist im Grunde genommen recht einfach. Wir fotografieren genau das Bild, welches wir mit unseren Augen durch das Mikroskopokular sehen. Das Mikroskop entwirft ein Bild im Unendlichen, was mit der digitalen Kompaktkamera wie ein weit entfernter Gegenstand (Landschaftsbild!), aufgenommen werden kann. Eine besondere Einrichtung am Mikroskop wie z.B. Trinokulartubus bedarf es nicht, es reicht die Ausstattung mit Monokular- oder Binokulartubus.

Voraussetzung für System Lichtmikroskop <> digitale Kompaktkamera
Für das vom Mikroskop entworfene und zu fotografierende Bild gibt es nur einen idealen Ort. Das ist die sogenannte Austrittspupille des Mikroskopokulars. Es ist ein Bild der Mikroskopokularfeldblende, das oberhalb der Okularlinse abgebildet ist. Dieses Bild nimmt unser Auge auf. Mit mattiertem Glas, Transparentpapier oder dünnem weißen Papier kann dieser Ort für jedes Okular ganz gut bestimmt werden. Man hält das gewählte Medium direkt vor dem Okular und bewegt es so lange, bis das Strahlenbündel als helle kreisrunde Scheibe mit scharfem Rand zu sehen ist. Wenn man genau hinschaut, ist sogar das mikroskopische Bild zu erkennen.

Dieses Bild wird von der Kamera aufgenommen. Hier gibt es ebenfalls nur einen idealen Ort. Das ist die Eintrittspupille, ein Bild der Kameraobjektivblende auf der Gegenstandsseite. Es ist zu sehen, wenn wir von vorne in das Kameraobjektiv schauen.

Für eine Mikroaufnahme müssen wir jetzt die Austrittspupille des Mikroskopokulars mit der Eintrittspupille des Kameraobjektivs in Übereinstimmung bringen.

Die Austrittspupille liegt außerhalb des Okulars wie wir es mit dem Transparentpapiertest sehen konnten. Aber die Eintrittspupille des Kameraobjektivs kann so liegen, das eine Übereinstimmung nicht möglich ist.

Das geeignete Mikroskopokular und die geeignete Kamera
Für eine erfolgreiche Adaption benötigen wir jetzt ein Mikroskopokular mit hoch liegender Austrittspupille, das sind Okulare für Brillenträger, mit denen die heutigen Mikroskope schon fast standardmäßig ausgestattet sind.

Die Kamera muss eine nicht zu weit innen liegende Eintrittspupille haben, die zu dem bei Brennweitenverstellung (Zoom) auch nicht zu sehr nach innen wandert.

Im übrigen kann man die Lage der Eintrittspupille nachmessen. Das Prinzip und eine Messanordnung ist hier beschrieben: [www.juelich-bonn.com] .

Übereinstimmung Austrittspupille mit Eintrittspupille
Einfacher und präziser geht es, wenn wir die Übereinstimmung Austrittspupille mit Eintrittspupille optisch bestimmen. Mikroskop und Kamera werden, wie am Ende des Beitrags beschrieben, eingestellt (auf Präparat scharf stellen, Lichtführung nach Köhler oder kritische Beleuchtung, Kondensor auf ca. 2/3 oder ganz öffnen, Kameraentfernungseinstellung auf Unendlich, Zeitautomatik, besser ist Programmautomatik).

Die Kamera hält man in der kleinsten Zoomstellung so vor dem Okular, das ein von einer schwarzen Umfüllung umgebenes scharfes kreisrundes mikroskopisches Bild zu sehen ist. Das ist übrigens das Abbild der Okularfeldblende. Auf diesen scharfen Kreisrand ist jetzt zu achten. Die Brennweite wird durch Zoomen so lange vergrößert, bis das mikroskopische Bild formatfüllend abgebildet wird. Beim Zoomen muss der Kreisrand die Schärfe halten. Wenn das der Fall ist, hat man eine im ersten Schritt geeignete digitale Kompaktkamera gefunden.



Adaption von Kamera an ein Lichtmikroskop
Der zweite Schritt ist mehr ein mechanisches Problem. Für gute Aufnahmen sollte die Kamera unter Einhaltung der optischen Achse mit dem Mikroskop verbunden werden, der Aufnahmechip muss dazu senkrecht ausgerichtet sein.

Dieses erreicht man praktischerweise durch eine Gewindeverbindung von Okular zu Kamera. Hierfür nimmt man eine Kamera, die mit einem Filtergewinde für weiteres Zubehör ausgestattet ist. Diese Ausstattung ist oft optional und erfolgt über einen (Zubehör-)Adapter

Zubehöradapter haben ein Filterinnengewinde (z.B. 28 mm, 52 mm oder 58 mm), das man gut für die weitere Adaption ans Mikroskop nutzen kann. Wir müssen jetzt die Kamera mit dem Mikroskopokular verbinden, das ein Filteraußengewinde (z.B. 28 mm oder 37 mm) haben muss. Der Ausgleich zu unterschiedlichen Gewinden erfolgt über Filteradapterringe aus dem Fotozubehör oder als Sonderanfertigung.

Aber mit dem Mikroskopokular wird es schon schwieriger. Okulare mit Gewinde zur Aufnahme einer Adaption sind nicht üblich. Es gibt nur wenige, wo dann gleich die nächste Einschränkung gegeben ist. Das Mikroskopokular muss in jedem Fall mit dem Mikroskopobjektiv abgestimmt sein. Was für auf Endlichoptik ausgelegte Mikroskopstative unabdingbar ist, würde ich auch für auf Unendlichoptik ausgelegte Mikroskopstative empfehlen.

Z.B. ist ein Leitz Periplan-Okular nur mit den dafür passenden Leitzobjektiven zu verwenden, alles andere wäre suboptimal. Natürlich, die Praxis zeigt, das Anwender hier fleißig mischen. Es muss aber jeder für sich selbst entscheiden und auch verantworten, ob die erzielte Bildqualität dann vertretbar ist.

Es gibt ein Mikroskopokular, das vom Hersteller mit 28 mm-Außengewinde versehen ist und sich somit ideal für eine Kamera-Adaption eignet, nämlich das schon erwähnte Leitz Periplan mit darauf abgestimmten Leitz-Objektiven.

Darüber hinaus werden von Dienstleistern geeignete Zeiss KPL-Okulare Weitfeld Brille mit einem z.T. aufgesetzten 28 mm-Außengewinde versehen. In der Ursprungsausführung haben diese Okulare kein Gewinde, diese Leistung erfolgt also nachträglich und kann nur so lange angeboten werden wie KPL-Okulare vorhanden sind oder vom (Gebrauchtteile-)Markt angeboten werden.

Für die auf Unendlichoptik ausgelegten Zeiss Mikroskope bietet Zeiss einen Universal Digitalkamera-Adapter an, der nichts anderes ist als ein Mikroskopokular mit extrem hoch liegender Austrittspupille. Dadurch kann man weit aus mehr digitale Kompaktkameras verwenden, die dann nur noch durch die Ausstattung mit vorhandenen oder optionalen Filtergewinde begrenzt sind.

Drei Beispiele für Kamera und Mikroskop (Stand 2007/ Frühjahr 2009)
Geeignete, dem jetzigen Stand der Technik entsprechende digitale Kompaktkameras sind für die Adaption an Periplan- bzw. nachträglich modifizierte KPL-Okulare beispielhaft die Nikon Coolpix P5000 mit Zubehöradapter auf 28 mm Innengewinde und die Canon Powershot A 570 mit Vorsatzlinsenadapter auf 52 mm Innengewinde zzgl. eines Adapters von 52 mm Außengewinde auf 28 mm Innengewinde (als Sonderanfertigung!). Deren Modellnachfolger sollten ggf. auch geeignet sein, was aber in jedem Fall zu überprüfen wäre.

Für Zeiss Unendlich-Mikroskope mit Zeiss Universal Digitalkamera-Adapter sind weitaus mehr Kameras zu verwenden. Sehr gute Erfahrung habe ich mit der Kamera Canon Powershot G9 mit Soligor-Adaptertubus auf 52 mm Innnengewinde gemacht. Bei Verwendung des Original Canon Adaptertubus ist noch ein Anschlussring 58 mm auf 52 mm erforderlich.

Beispiel 1
Mikroskopstativ Leitz SM (Endlichoptik) mit dazugehörigem Leitz Mikroskopobjektiv, Periplan mit 28 mm Außengewinde, Nikon Zubehöradapter, Kamera Nikon Coolpix P5000.

Beispiel 2
Mikroskopstativ Zeiss Standard (Endlichoptik) mit dazugehörigem Zeiss Mikroskopobjektiv, KPL-Okular Weitfeld Brille mit 28 mm Außengewinde, Gewinde-Adapterring mit 28 mm Innengewinde und 52 mm Außengewinde, Soligor Adaptertubus für Canon A570IS, Kamera Canon Powershot A 570.

Beispiel 3
Mikroskopstativ Zeiss Axiostar plus (Unendlichoptik) mit dazugehörigem Zeiss Mikroskopobjektiv (z.b. CP-Achromat oder A-Plan), Zeiss Universal Digitalkamera-Adapter, Soligor Adaptertubus für Canon G7/G9, Kamera Canon Powershot G9.

Es gibt noch andere Lösungen mit besonderen Okularen (Sehfeld > 18) bzw. Stülp- oder Stativ-Ansetzadapter. Sie sind nicht Gegenstand dieser Betrachtung, da sie mit anderen Nachteilen wie z.B. umständlich in der Anwendung, möglicher Fremdlichteinfall, Schwachstelle in mechanischer Verbindung usw. behaftet sind.

Freihandaufnahmen sollte man nicht in Erwägung ziehen. Die Gefahr von Bewegungsunschärfe ist doch größer als man meint, darüber dürfen auch nicht mögliche Belichtungszeiten von 1/500 Sekunde oder kürzer täuschen.

Ich gebe zu, manchmal Aufnahmen mit einer am Okular angesetzten und mit der Hand gehaltenen Kamera zu machen. Auf den ersten Blick erscheinen die Aufnahmen ganz annehmbar, doch sind im Vergleich zu einer mechanisch festen Adaption Mängel in der Bildqualität zu sehen.

Aufnahmeeinstellungen
Für gute Aufnahmen muss nicht nur die Kamera optimal an das Mikroskop adaptiert sein, genauso wichtig sind Mikroskop- und Kamera-Einstellungen.

Mikroskopeinstellung
Lichtintensität wie bei blendfreier visueller Präparatebetrachtung, Präparat durch Beobachtungsokular mit auf Unendlich akkommodierte Augen (=einen weit entfernten Gegenstand entspannt betrachtend) scharf stellen, Brillenträger nehmen hierfür ihre Fernbrille. Lichtführung nach Köhler („köhlern“) bzw. kritische Beleuchtung, Kondensorblende nach der 2/3-Regel einstellen oder ganz öffnen.

Kameraeinstellung
Für die Einstellung der Kamera sind folgende Bedienelemente erforderlich: manueller Weißabgleich, manuelle Entfernungseinstellung, ISO-Wert, Belichtungssteuerung Zeitautomatik (Auswahl „A“) oder besser Programmautomatik (Auswahl "P"), Belichtungskorrektur, Kamera-Histogramm für nachträgliche Bildbeurteilung am Kameramonitor.

Aufnahmevorbereitung und Mikroaufnahme, Aufnahme beurteilen
- ISO-Wert auf geringste Empfindlichkeit (z.B. ISO 80),
- Belichtungssteuerung auf Zeitautomatik (Auswahl „A“) *),
- Belichtungskorrektur auf +/-0,
- Kameraobjektiv Fokussierung auf Unendlich stellen, d.h. je nach Kameraausstattung manuelle Entfernungseinstellung auf Unendlich oder Landschaftssymbol,
- Brennweite zoomen bis das mikroskopische Bild auf dem Kameramonitor formatfüllend zu sehen ist (auf scharfe Abbildung der Okularfeldblende achten),
- Schärfe prüfen und ggf. am Mikroskop nachfokussieren,
- mit dem Mikroskopkreuztisch eine strukturfreie Stelle anfahren, die jedoch Deckglas und Einschlussmittel beinhalten muss,
- mit der Kamera manuellen Weißabgleich durchführen **),
- mit dem Kreuztisch in das aufzunehmende mikroskopische Bild zurückfahren,
- Selbstauslöser auf nächstmögliche Vorlaufzeit von z.B. 2 oder 3 Sekunden einstellen (10 Sekunden geht auch, ist aber nicht erforderlich),
- Scharfeinstellung prüfen und ggf. korrigieren, Auslöser für Aufnahme betätigen.

Aufnahme am Kameramontitor beurteilen. Hierfür das von der Kamera beigestellte Histogramm zuschalten. Ziel ist eine ausgewogene Kurven- bzw. Histogrammbalkendarstellung. In der Regel muss eine Belichtungskorrektur vorgenommen werden. Zeigen die Balken eine ausgesprochene Häufung nach rechts, dann ist das Bild unterbelichtet und eine Belichtungskorrektur nach (+) z.B. +1 nötig. Wiederholte Aufnahmen bis das Ergebnis zufriedenstellend ist.

Bei anderen Beleuchtungsverfahren als Hellfeld sind oft Grenzen der möglichen Belichtungskorrektur erreicht. In diesem Fall notiert man sich die zuletzt verwendete Blende und Belichtungszeit, schaltet auf manuelle Belichtung um und passt dann bei weiteren Aufnahmen die Belichtung manuell an.


Bei diesem Beispiel reichte die Belichtungskorrektur von max.+2 nicht, so dass für das beste Aufnahmeergebnis Blende und Belichtungszeit manuell eingestellt wurde. Man beachte die Entwicklung des Kamerahistogramms.

Die Aufnahmen wurden wie im Beispiel 3 beschrieben mit einem Objektiv A-Plan 20x gemacht.

Mit Mikroskop und Kamera stehen uns komplexe und hochpräzise Systeme zur Verfügung und ich denke, das nur bei konsequenter Berücksichtung aller notwendigen Erfordernisse erfolgreiche und zufriedenstellende Mikroaufnahmen möglich sind.

Gute und immer gelungene Aufnahmen wünscht
Rolf-Dieter Müller

Anmerkungen
*) Ich persönlich fotografiere eher mit Programmautomatik (Auswahl „P“), denn der manuelle Weißabgleich ist hier je nach Kameramodell intern besser abgestimmt.

**) Der manuelle Weißabgleich muss bei jeder Änderung an der Lichtführung des Mikroskops und bei Objektivwechsel zwingend wiederholt werden.

Hinweise zu den abgebildeten Präparaten
Bild 1 bis 3
Das Präparat ist ein Querschnitt eines Zahnstochers, zur besseren Kontrastierung nach Wacker gefärbt und in Euparal eingeschlossen. Zahnstocher werden aus Pappelholz hergestellt. Pappelholz ist geschmacksneutral und daher besonders gut für die Mundhygiene geeignet.

Bild 4 bis 6
Zweigquerschnitt Metasequoia glyptostroboides (Urweltmammutbaum), Wacker-Färbung, Einschluss in Euparal.

Literaturhinweise
Henkel, Klaus: Die Mikrofibel. Ausgabe 14. Juni 2003. Veröffentlicht auf der Hompage www.mikroskopie-muenchen.de.

Linkenheld, Christian: Die Kompaktdigitalkamera am Mikroskop. Veröffentlicht auf der Homepage www.mikroskopie.de.
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Praktische Adaption digitaler Kompaktkameras an Mikroskope und Aufnahmeeinstellungen für Mikroaufnahmen

Rolf-Dieter Müller 12816 03. März 2009 23:38

Re: Praktische Adaption digitaler Kompaktkameras an Mikroskope und Aufnahmeeinstellungen für Mikroaufnahmen

Volker Werres 2199 04. März 2009 15:36

Unendlichoptik - Fremdokulare

Rolf-Dieter Müller 3629 05. März 2009 23:44

Sie zeigen vielleicht nur die unterschiedliche Okularqualität oder?

Volker Werres 1855 06. März 2009 15:29

Re: Sie zeigen vielleicht nur die unterschiedliche Okularqualität oder?

Rolf-Dieter Müller 1986 08. März 2009 13:12

Re: Unendlichoptik - Fremdokulare

Daniel Pfau 2134 07. März 2009 20:12

Re: Unendlichoptik - Fremdokulare

Rolf-Dieter Müller 1772 08. März 2009 12:57

Re: Praktische Adaption digitaler Kompaktkameras an Mikroskope und Aufnahmeeinstellungen für Mikroaufnahmen

Einsteiger 1978 07. März 2009 12:25

Re: Praktische Adaption digitaler Kompaktkameras an Mikroskope und Aufnahmeeinstellungen für Mikroaufnahmen

Daniel Pfau 1811 07. März 2009 20:55

Re: Praktische Adaption digitaler Kompaktkameras an Mikroskope und Aufnahmeeinstellungen für Mikroaufnahmen

Rolf-Dieter Müller 1713 08. März 2009 14:12

Re: Praktische Adaption digitaler Kompaktkameras an Mikroskope und Aufnahmeeinstellungen für Mikroaufnahmen

Peter Hecking 2068 08. März 2009 10:05

Was denn nun?

Volker Werres 1799 08. März 2009 11:36

Re: Praktische Adaption digitaler Kompaktkameras an Mikroskope und Aufnahmeeinstellungen für Mikroaufnahmen

Rolf-Dieter Müller 2176 08. März 2009 13:59

Re: Praktische Adaption digitaler Kompaktkameras an Mikroskope und Aufnahmeeinstellungen für Mikroaufnahmen

Norbert Blume 2075 11. März 2009 12:26

Re: Praktische Adaption digitaler Kompaktkameras an Mikroskope und Aufnahmeeinstellungen für Mikroaufnahmen

Rolf-Dieter Müller 1984 14. März 2009 17:16

Arbeitskreis Mikroskopie Bonn

Oliver Vonhoff 1896 03. Mai 2009 17:39

Re: Arbeitskreis Mikroskopie Bonn

Rolf-Dieter Müller 1716 04. Mai 2009 23:00

Welche Vorkenntnisse sind erforderlich?

Joachim Kühn 1659 05. Mai 2009 14:27

Re: Welche Vorkenntnisse sind erforderlich?

Rolf-Dieter Müller 1684 05. Mai 2009 22:07

Re: Arbeitskreis Mikroskopie Bonn

Rolf-Dieter Müller 2041 19. Mai 2009 21:03

Re: Praktische Adaption digitaler Kompaktkameras an Mikroskope und Aufnahmeeinstellungen für Mikroaufnahmen Anhänge

Marco Gebert 2115 03. Mai 2009 22:00

Kpl-Okulare mit Gewinde

Rolf-Dieter Müller 2786 04. Mai 2009 22:38

Re: Kpl-Okulare mit Gewinde

Marco Gebert 2015 05. Mai 2009 09:43

Re: Kpl-Okulare mit Gewinde

Rolf-Dieter Müller 1710 05. Mai 2009 21:58

Re: Kpl-Okulare mit Gewinde

Marco Gebert 1712 06. Mai 2009 10:55

Re: Kpl-Okulare mit Gewinde

Werner Jülich 1711 06. Mai 2009 11:42

Arbeitskreis Mikroskopie in Bonn

Erwin Fleischmann 2107 18. Mai 2009 16:53

Re: Arbeitskreis Mikroskopie in Bonn

Eike Kaufmann 1841 19. Mai 2009 15:17

Re: Arbeitskreis Mikroskopie in Bonn

Rolf-Dieter Müller 1762 19. Mai 2009 21:01



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