Makrofotografie Technik 1

[peter-h]

Liebe Makrofotografen / innen,

in letzter Zeit wurden schon ausgezeichnete Bilder von allen möglichen Objekten gezeigt. Teilweise mit sehr gut beschriebenen Ausrüstungen, teilweise mit etwas unkonventionellen Kombinationen optischer Glasteile. Vereinfacht : ein Bild gibts immer 

Nun hat mir ein liebes Forenmitglied sehr exklusive feine Testplatten geliehen und habe damit begonnen einige Testreihen zu fahren. Ziel der Untersuchung ist herauszufinden, ob ein einfaches System aus einem Objektiv, oder ein zusammengesetztes System aus 2 Objektiven (Tandem) die höhere Auflösung bei besserem Kontrast liefert. Klingt einfach, aber der Teufel steckt wie immer im Detail. Dazu kommt eine sehr zeitintensive Auswertung und ganz zu schweigen von der Materialschlacht an Zwischenringen, Verlängerungen, Reduzierstücken usw.

Noch ist das Ende nicht in Sicht, aber einen ersten Eindruck möchte ich geben. Zunächst der Aufbau für die 2 unterschiedlichen Systeme.

Ein Objektiv in Retrostellung mit entsprechendem Auszug für M = 4 : 1


Zwei Objektive als Tandem mit Brennweiten für für M = 4 : 1, ähnlich der Beschreibung von H.Husemann.


Als Testobjekt eine Lithografiemaske Chrom auf Glas mit Teilungen bis 0,7µm Linienbreite bzw. 715 Lp/mm. Der zu untersuchende Bereich liegt aber nur bis 300 Lp/mm, danach wird es mikro- und nicht makroskopisch.

Testobjekt , die rote Linie markiert die spätere Auswertung


Die Intensitätssprünge werden mit einem Programm (Fitswork) ausgewertet und in Kontrast umgerechnet. Dann die ersehnte Auswertung und Darstellung im Diagramm für unterschiedliche Blendenwerte.

Eine erste Grafik für ein Einfachsystem mit einem guten Vergrößerungsobjektiv in Retrostellung.


Leicht zu erkennen, dass niemals ein Zahlenwert eine Entscheidung über gut oder schlecht bringen kann, sondern nur der leider etwas komplexe Zusammenhang von Maßstab, Blende, Kontrast und Auflösung eine Beurteilung erlaubt.
Und selbst mit dieser Darstellung fehlen noch die Kriterien wie, Farbreinheit, Planität, Randschärfe usw.
Trotzdem hoffe ich, dass durch diese Meßreihen ein klein wenig Licht ins Dunkel kommt.

Es kann noch spannend werden  wer wird Sieger ? Einfachsystem mit wenig Linsen oder 2 Objektive zusammengesetzt mit 10 - 15 Linsen? Für die Auflösung werden leider noch Tage oder Wochen vergehen. Ich hoffe dass dann noch Interesse besteht. 

Viel Spaß und Grüße
Peter

P.S. die vielen techn. Details zum Aufbau und Auswertung folgen später.

[koestlfr]

Hallo Peter!

Ich kann mich Wolfgang nur anschliessen und bin gespannt wie ein Flitzebogen!

Liebe Grüße
Franz

[Rawfoto]

Hallo Peter

Natuerlich finde ich das spannend!!!

Im Besonderen weil ich seit kurzem auch ein Testtarget mein Eigen nenne und das Canon MP 65 unter die Lupe genommen habe, allerdings ohne die schoene Auswertung. Ich mache die Kontrolle bei 100% am Bildbearbeitungsplatz, also wie in der Praxis mit normalen Bilddaten ...

Wobei ich noch nicht wirklich verstanden habe wie Du die Diagramme erzeugst, ich gehe gehe von Automatisierung aus?!?

Ich kann da nur manuell mit dem X-Rite Colorimeter manuell rangehen ...

Liebe Gruesse

Gerhard

[Kurt Wirz]

Hallo Peter

Da bin ich dabei, als treuer Leser,
werde auch eventuelle Ideen oder Kritik verlauten lassen
und wenn es mir den Deckel hebt, intervenieren.
UND natürlich auch Lob und Zustimmung senden.

Am Ende werde ich dann eventuell genötigt sein, meine Ergebnisse
zusammen zu suchen und zu präsentieren.

Das wird spannend.

Vorerst vielen Dank für die grosse Arbeit.

Kurt

[TPL]

Lieber Peter,
auch ich bin sehr an den Ergebnissen interessiert und danke Dir bereits jetzt für Deine gezeigten Messergebnisse!
Gespannte Grüße
Thomas

[Lothar Gutjahr]

Hallo Peter,

Klar, das ist ein tolles Thema. Ich habe gerade mal geschaut, meine CMOS 5MP Farbkamera läßt sich auch monochrom betreiben. Nun die Frage zum Sensor . Hast du da noch eine Optik zur Anpassung des Cropfaktors drinn oder wird der sicherlich nicht riesige Sensor direkt verwendet. ? Bei mir ist der ja vergleichsweise winzig und bringt dann eine Art Ausschnittvergrößerung. Aber um die Auflösung zu testen, sollte das fast egal sein. Ein weiterer Parameter könnte dann noch das verwendete Fotoobjektiv werden. Vorgestern habe ich mal mit einem 70 bis 200 mm Zoom gearbeitet, was aber nicht an sie Kombination Macro 105mm herankam, aber eine variable Vergrößerung ermöglicht. Na dann frohes Schaffen !

Gruß Lothar

[peter-h]

Liebe Leser der Testfraktion,

es überrascht mich, dass in so kurzer Zeit solch ein Interesse an meinen eher langweiligen Meßreihen vorhanden ist. Was ich berichten kann ist :

1. es sind bereits 11 Systeme gemessen !
2. jede Aufnahme wird aus 100 Einzelbilder gemittelt (kein Stack !) um das Rauschen zu eliminieren und die Dynamik etwas zu erhöhen. Gespeichert in TIF 16bit.
3. nach jeder Aufnahme wird der Intensitätsverlauf als Diagramm ermittelt und grafisch ausgegeben. Hier reichen 8bit.
4. jetzt erfolgt die Auswertung der Min. Max. Werte und Berechnung des Michelson-Kontrasts (Excel)
5. Eintrag der Werte in ein Eigenbau-Programm mit grafischer Darstellung und Anpassung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, entweder nach Y = A + B x ln(X) (logarithmisch)  oder  Y = A x X ^ B (nach der Potenzfunktion) , je nach besserem Korrelationskoeffizient.
6. Zusammenfügen der Ergebnisse für die unterschiedlichen Blendenwerte und Aufbereitung für die Darstellung.

Wer nun der Ansicht ist, dass es automatisch abläuft der irrt leicht 

Als Beleuchtung ist eine stabilisierte LED vorhanden, Kamera die ImagingSource DMK72 (monochrom) damit keine Bayermaske und eine Kamerasoftware noch etwas dazu dichtet. Pixelgröße mit 2,2 x 2,2 µm ausreichend klein. Die Besonderheit : zwischen Intensität und Kameraausgang herrscht tatsächlich Linearität !

Soweit noch als vorläufige Ergänzung zu meiner Ankündigung.

Schöne Mikrogrüße
Peter

[RainerTeubner]

Hallo Peter,

die Meßreihen und ihre Präsentation sind keineswegs langweilig!

Viele Grüße

Rainer

[wolfg]

Hallo,

das Thema ist hoch interessant, da es ja schier beliebig viele Wege gibt, zu diesen Abbildungsmaßstäben vorzudringen.
Bildqualität und Handhabbarkeit sind dabei jedoch nicht immer so gegeben.

Was ist das übrigens für ein nettes Stativ?

Viele Grüße
Wolfgang

[hinrich husemann]

Lieber Herr Höbel,
wieder sehr eindrucksvoll, Ihre interessanten Messungen!
Nur ein Hinweis bezüglich des Zusammenhanges zwischen am Objektiv eingestellter Blendenzahl K und wirksamer Numerischer Apertur NA bei Benutzung  a) von Tandem-Sytemen ( wie in meinem Beitrag Mikro- und Makrofotografie mit Kombinationen ... vom 28. 09.) und  b) nur eines Objektivs wie bei Ihnen hier.

a) Beim Tandem ist die Gegenstandsweite g gleich der Brennweite f1 des vorderen, die Bildweite b gleich der Brennweite f2 des hinteren Objektivs; Der Abbildungsmaßstab M = b/g = f2/f1 . Die Blendenzahl K des vorderen Objektivs beträgt f1/D (mit D als Durchmesser der wirsamen Aperturblende), die Numerische Apertur - Einhaltung der Sinusbedingung vorausgesetzt -  NA = D/2g  =  D/2f1  =  1/2K.  
Damit ergibt sich für  K = 4  /  5,6  /  8  jeweils  NA =  0,125  /  0,0893  /   0,0625

b) Beim Einzel-Objektiv gilt  1/f  =  1/g  + 1/b  und  M =  b/g  bzw. b = g x M. Umformen und Einsetzen ergibt g = f x (M+1)/M ; damit für die NA :
NA  =  D/2g  =  (D/2f ) x [M/(M+1)]  =  (1/2K) x [M/(M+1)]
Mit M = 4 , wie bei Ihnen vorgegeben, ergibt sich für  K = 4  /  5,6  /  8  jeweils  NA =  0,10  /  0,071  /  0,050 .
Das Auflösungsvermögen sollte hier - zumindest theoretisch - etwas geringer, die Schärfentiefe etwas größer sein.

Freundliche - leicht theoretisierende - Mikrogrüsse
H. Husemann

[wilfried48]

Lieber Peter,

insgeheim habe ich es mir gleich gedacht, dass die Testobjekte bei dir in sehr guten Händen sind.
Endlich mal belastbare quantitative Daten zur Kontrastübertragungsfunktion von Makroanordnungen.

Ich bin mal gespannt wie der Vergleich der Kurven Einzelobjektiv gegen Tandemoptik ausfällt und ob die theoretisch
bessere Auflösung der Tandemoptik tatsächlich herauskommt, oder die vielen Linsenflächen der Tandemoptik den Kontrast doch zu sehr verschlechtern.

Obwohl ich erahnen kann wieviel Arbeit noch im Makrobereich auf dich wartet, würde mich das ganze auch im Mikrobereich interessieren. Also z.B. Vergleich 40 x Planapochromat, Neofluar, einfacher Achromat.
Da braucht man natürlich noch viel feinere Testobjekte. Du kannst dir ja schon mal Gedanken machen, wie ein ideales Testobjekt hierfür aussehen müsste und ich werde mich bemühen eine entsprechende Lithografiemaske zu liefern.

viele Grüsse
Wilfried

[Rawfoto]

Hallo Peter

Deine Arbeit beschäftigt mich sehr - das Du dabei so viel manuell machen must - Respekt ...

Meine Gedanke drehen sich um die Umsetzbarkeit der Erkenntnisse in die Praxis ==> nicht nur von Deinem Vergleich, das trifft auch auf meine Tests zu.
Ich muss nach meiner Erfahrung zwei Positionen betrachten, die Bildmitte und eine zweite Position in der Bildecke. Dabei fallt mir neben einem Qualitätsunterschied im Ergebnis (Kontrast, Verzeichnung, Farbsäume, ...) auch eine leichte Fokusdiffenernz (Planlage) auf ...

Wenn Du jetzt bei Deinem Testaufbau nur die Mitte betrachtest - und so sehe ich Deinen Aufbau - frage ich mich wie ich die Erkenntnis in die Praxis umsetze?

Du thematisierst da auch den Sensor, ja das kann ich nur bestätigen das der das Ergebnis beinflusst. Die Ergebnisse in der Bildmitte unterscheiden sich zwischen Canon 1D Mark IV und der neueren Canon 1DX ...

Was für ein Target hast Du da abgebildet?
Spielt Rauschen bei Deinen Vergleichen wirklich eine Rolle? (ich sehe bei ISO 50 oder 100 nicht wirklich einen Unterschied)

Liebe Grüße

Gerhard

[Kurt Wirz]

Hallo Peter
Für mich wäre interessant:
Die Chipgrösse im Millimeter und Anzahl Pixel x Anzahl Pixel.

Vielen Dank

Kurt

[peter-h]

Liebe Makrofreunde,

oh oh, was habe ich da losgetreten 

Zunächst das ursprüngliche Stemi.

BMS 144 Trino Zoom Stereomikroskop

Kein schlechtes Stemi (sehr ähnlich einem Olympus SZ40) zu einem sehr günstigen Preis und mit einer Optik, welche noch 300 Lp/mm gut zeigt. Großer Vorteil ist die Auf- und Durchlichtbeleuchtung, welche aber von mir in eine LED Beleuchtung umgebaut wurde. Der Trinoausgang ist eher als Spielzeug zu bewerten und ein Notbehelf.

@ Herrn Husemann,
vielen Dank für die erklärende Theorie zu beiden Systemen. Noch will ich die Katze nicht aus dem Sack lassen, aber es ist hinsichtlich der Auflösung Theorie und Praxis im Einklang. Wenigstens was meine Tests zeigen.

@ Gerhard,
es ist nur ein kleiner Ausschnitt aus dem Bereich der Makrofotografie. Selbstverständlich wären für eine umfassende Analyse noch weit mehr Parameter von Interesse, aber wo als kleiner Amateur aufhören?
Weiter ist zu bedenken, dass jedes Objektiv, jedes System immer ein einzelner Testfall darstellt. 10 Objektive der gleichen Baureihe, des gleichen Typs würden sicher auch unterschiedliche Ergebnisse zeigen. Oder wo gibt es NULL Fertigungstoleranz?

Es bleibt also bei allem guten Willen ein vorsichtiger Versuch die beiden Versionen zu vergleichen.
Das verwendete Target ist leider nicht käuflich zu erwerben und ein Testfeld auf einer Lithomaske.

@Kurt,
der Sensor in der Kamera hat : 2592 x 1922 Pixel mit 2,2 x 2,2 µm Pixel = 5,70 x 4,28 mm Chipfläche.
Es wurde absichtlich eine monochrome Kamera verwendet, damit nicht durch die bekannte Bayermaske und unbekannte Algorithmen, zusätzliche Störungen auftreten.
Mit dieser Pixelgröße liegt man in den meisten Fällen unterhalb der Pixelgröße von großen DSLRs.

Es wäre noch denkbar in ausgewählten Spektralbereichen diese Analyse durchzuführen, oder mittels variabler exzentrischer Kameraadaption auch in den Bildecken zu forschen, aber wo hört der Spaß dann auf? Ist jetzt schon eine "nette" Fleißarbeit.

Viele Grüße
Peter

[Rawfoto]

Hallo Peter

Das Objektive unterschiedlich sind kann ich nur bestaetigen, ich habe etliche meiner Objektive aus mehreren ausgewaehlt und es gab immer visuell sichtbare Unterschiede. Es ist oft wirklich nicht leicht eine Entscheidung zu treffen und sich fuer eines zu entscheiden. Dabei spreche ich von Objektiven einer Serie und nicht von vergleichbaren Objektiven quer ueber unterschiedliche Hersteller ...

Meine Erfahrungen beruhen auf Hersteller wie Canon, Leitz, Nikon, Rodenstock, Schneider und Zeiss und bei drei dieser Hersteller steht die Entscheidung an welche Objektive ich wieder abgebe ... Ich hoffe mit Hilfe von einem Testtarget der Entscheidung leichter treffen zu koennen, in der Vergangenheit bin ich nur ueber reale Motive vorgegangen. Jetzt bin ich gespannt und lerne durch Deine Beitraege dazu ...

Danke dafuer, schoenen Abend

Gerhard