Auflösung eines Wild Stereomikroskops M7S in der Praxis

[Stuessi]

Hallo liebe Mikroskopiker,

seit einiger Zeit besitze ich ein Wild Stereomikroskop M7S. Bei diesem Instrument kann man das Objektiv seitlich so verschieben, dass der Strahlengang für ein Okular senkrecht zum Objekttisch verläuft, das Stemi wird also zum Makroskop.




Das recht schwere Objektiv mit Vergrößerung 1x hat eine Brennweite von ca. 100 mm und ermöglicht einen Arbeitsabstand von 91 mm.
Von der relativ großen Öffnung bleibt nur "wenig" übrig, wie ein Blick von unten in das M7 bei herausgenommenem Objektiv zeigt.



Die Eintrittsöffnung der Relaisoptik beträgt ca. 14 mm. Mit f=100mm erhält man einen Blendenwert von 7,1 und eine numerische Apertur von nA=0,07. Die maximale zu erwartende Auflösung liegt demnach bei etwa 210 Linienpaaren/mm.

In einer Tabelle habe ich meine Messwerte zusammengefasst.

Einstellung am Stemi jeweils: 6 / 10 / 20 / 31 (Vergrößerungswerte mit 1x Objektiv und 10x Okular)
ABM: Abbildungsmaßstab (ohne Okular) bei meiner Fotoadaption mit 180mm Brennweite. Dies entspricht fast den eingravierten Werten.
Stereo 10x gut! Werte sind im Stereobetrieb ohne besondere Anstrengung sichtbare Auflösungen.
Alle übrigen Ergebnisse sind maximal erreichbare Werte und beziehen sich auf die Makroskopie Einstellung des Geräts.
MTF50 und MTF10 Werte wurden mit QuickMTF ermittelt aus Fotos von Schneiden einer Rasierklinge im Durchlicht.



Die Ergebnisse sind meiner Meinung nach ordentlich und liegen im erwarteten Bereich.
(Interessant wäre ein Vergleich mit dem einzig verfügbaren  modernen Lupenobjektiv MP-E 65...)

Im 2 Bild sieht man den links angeklebten Adapter für Mikroskopobjektive.
Mit einem Leitz NPL 10/0,2  00/- Objektiv habe ich (ohne Okular) die Vergleichsmessungen gemacht (daher der große Farbfehler).

Viele Grüße,
Stuessi

[Kurt Wirz]

Hallo Stuessi

Vielen Dank für deine Messwerte.
Vorerst mal die erste Frage:
Welche Kamera verwendest du,
es geht mir vor allem um die Pixelgrösse?

Kurt

[Stuessi]

Hallo Kurt,

Kamera: NEX-5N,
Pixelpitch: 4,78 µm

Gruß,
Stuessi

[Kurt Wirz]

Hallo Stuessi
Ich bin's nocheinmal.
Zur Beurteilung des Auflösungsvermögen fehlt noch eine entscheidende Angabe: Die Arbeitsdistanz!
Hast du diese gemessen?

Kurt

[Kurt Wirz]

Hallo Stuessi

Ich erkläre mal meine Verständnisweise und bitte die Leser zu korrigieren, danke.

Betrachten wir die Situation bei einem Abbildungsmassstab von 10:1.
Ein 10/0.3 Mikroskop Objektiv löst etwa 1000 LP/mm auf.
Verwendet man dieses direkt an einer Kamera, dann kann es sein, dass es viele Abbildungsfehler zeigt, da es auf ein Okular angewiesen ist, das seine Fehler kompensiert. Üblicherweise verwendet ein Mikroskopiker dazu ein Okular, das etwa 10x vergrössert und so spricht er dann von einer Vergrösserung von 100 mal mit einer Auflösung von 1000 LP/mm.
Verwendet man ein "voll" auskorrigiertes Mikroskop Objektiv, z.B. das NIKON CFN, PLAN 10/0.30, 160/0.17 dann muss kein Okular verwendet werden. Das bedeutet, dass auf dem Chip 10 mal mehr Bildbreite Platz findet und die Auflösung ebenfalls bei 1000LP/mm ist, sofern der Chip genügend kleine Pixel besitzt.

Der Mikroskopiker mit Okular schiebt bei der Betrachtung das Objekt hin und her, rauf und runter, dabei sieht er eine Auflösung von 1000LP/mm. Der Fotograf ohne Okular vergrössert sein Bild, der Betrachter geht hin und her, rauf und runter und schaut sich so von der Nähe die Details an (1000LP/mm).

Was ich damit sagen will, das Okular macht die Auflösung sichtbar, die das Objektiv ihm bietet. Ist ein Objektiv "voll" auskorrigiert benötigt es kein Okular um seine Auflösung zu zeigen. Beide Male bietet ein 10/0.30 eine Auflösung von 1000LP/mm,
jedoch das Auskorrigierte eine 10 mal höhere Bildbreite.
Von Randproblemen spreche ich jetzt nicht!

Verwendet man eine Kamera mit einem Pixelpich von 4.78 µm dann kann sie rein theoretisch bei 1:1, Linienpaare abbilden die 9.56 µm breit sind, also 104.6 LP/mm. Bei 10:1 sind dies dann etwa 1046 LP/mm.
Da der verwendete Sensor der NEX-5N ein Bayer ist und somit sowohl in der Bildbreite wie auch in der Bildhöhe jeweilen zwei Pixel braucht um die gesamte Farbinformation rüber zu bringen halbieren sich seine LP/mm. Dem ist bedingt durch den intelligenten Algorithmus aber zum Glück nicht ganz so, doch seine Auflösung bewegt sich so um die 80% der Anzahl Pixel, also im Falle deiner NEX-5N um die 837 LP/mm.
Das heisst, wenn du das Bild nur mit einem 10/0.3 Mikroskop Objektiv auf dem Chip abbildest, liegt das Maximum der Auflösung bei 837 LP/mm, verwendest du zusätzlich ein 10X Okular, dann sind die Linienpaare 10 Mal breiter und die Kamera kann die volle Auflösung des Objektives abbilden, also 1046 LP/mm (jedoch ist die Bildbreite nur ein Zehntel).

Meine Messergebnisse zeigen klar, dass bei 10:1 ein nicht zu unterschätzender Unterschied in der Auflösung besteht, zwischen Pixelpitch von 6 µm (Nikon D600), 5.4 µm (Nikon D300) und 3.9 µm (Nikon 7100).

Zur Arbeitsdistanz:
Je höher die Apertur, umso kürzer die Arbeitsdistanz. Optiker sollen dies nach Bedarf genauer präzisieren.
Je höher die Apertur, umso höher die Auflösung!
Also folgert daraus, je höher die Arbeitsdistanz umso geringer die Auflösung. Somit ist für eine Beurteilung deiner Messwerte nicht nur die Apertur (Blende) sehr massgebend, sondern auch die Arbeitsdistanz.
Wie sich dies in Realität und zu meinem Erstaunen verhält, habe ich hier beschrieben! Hochleistungs-Stereomikroskop LEICA M205C
http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=14150.0

Viel Spass beim Berücksichtigen, aller Faktoren

Kurt

[Stuessi]

Hallo Kurt,

hier sind die gewünschten Werte.  
Der freie Arbeitsabstand beträgt für
0,5x: 154  mm
1,0x:  91 mm
1,5x:  38 mm
2,0x:  25 mm
Leitz 10x/0,2:  17 mm

Gruß,
Stuessi

[Kurt Wirz]

Hallo Stuessi

Vielen Dank für die Werte.
Antworten kann ich auf:
2:1, da zeichnet mein AF MICRO NIKKOR 105mm, 1:2.8 D mit Balgen, bei einer Arbeitsdistanz von 95mm eine Auflösung von 230LP/mm.
Bei 10:1 mit dem NIKON CFN, PLAN 10/0.30, 160/0.17, ohne Zwischenlinse oder Okular und einer Arbeitsdistanz von 9mm, beträgt die Auflösung 1000LP/mm.

Geniesse den 1. Mai

Kurt

[Werner]

Die Apertur, welche ja die Auflösung bestimmt, ist ein Winkelmaß - hat also primär nichts mit dem Abstand zu tun.

Bei der Kamera gibt man die Blendenzahl K an, enspricht der Brennweite geteilt durch die Eintrittspupille. Letztere kann man mit dem Durchmesser der Frontlinse annehmen. K = f / D.
Bei Abbildung nach unendlich ist der Arbeitsabstand gleich der Brennweite.
Die Apertur A ist mit dem halben Winkel definiert, also A = 1 / 2 K = D / 2 f. (In Luft ist n = 1, n kann also hier vernachlässigt werden).

Will man einen größeren Arbeitsabstand bei gleicher Apertur (Auflösung), muß man auch den Linsendurchmesser vergrößern. Das ist grafisch sofort ersichtlich, wenn man die Randstrahlen verlängert.
Größere Linsen erfordern aber einen höheren Korrekturaufwand zur Beseitigung der Bildfehler.

Hochauflösende Teleskope müssen einen großen Durchmesser haben, ein Fernglas 8x50 ist trotz gleicher Vergrößerung schärfer als ein 8x30.

Einen schönen Tanz in den Mai - wers mag -  Werner

[peter-h]

Hallo Kurt,

ich kann leider nicht ganz folgen. Da kommt der kernige Satz :

Zitat
Je höher die Apertur, umso kürzer die Arbeitsdistanz. Optiker sollen dies nach Bedarf genauer präzisieren.
Zitat Ende

Und sofort bekam ich Falten auf die Stirn und habe nachgesehen.
Zeiss West hat ein Planapo 10/0,32 , Arbeitsabstand 0,35 mm
bei Olympus  hat ein SPlanapo 10/0,40 , Arbeitsabstand 0,55 mm
- somit umgekehrt

oder

ein Zeiss West Planachromat 10/0,22 , Arbeitsabstand 4,8 mm
ein Zeiss West Neofluar 10/0,30 , Arbeitsabstand 4,8 mm
ein Olympus SPlanachromat 10/0,30 , Arbeitsabstand 7,5 mm
- unterschiedliche Apertur, aber gleicher Arbeitsabstand, bzw. gleiche Apertur aber unterschiedlicher Abstand.

So könnte man nun zig Beispiele aufführen, denn diese beiden Parameter sind nicht direkt gekoppelt, sondern hängen mit konstruktiven Merkmalen zusammen.

Viele Grüße
Peter

[Rawfoto]

Hallo Kurt

Das mit der NA wurde ja schon richtiggestellt, das mit dem Bayermuster noch nicht .-)

Ich habe fuer mein aktuelles Buchprojekt Vergleiche zwischen der theoretischen Aufloesung und der realen Aufloesung gemacht, und das bei unterschiedlichen Abbildungsmassstaeben ...

Ergebnis, Du hast zum Glueck nicht Recht => bei 1 : 1 komme ich mit meinen Kameras auf einen Wirkungsgrad von 98 bis 96%. Die Verluste durch das Bayermuster sind folglich sehr gering ...

Wie das die Hersteller bewerkstelligen ist mir auch nicht vollstaendig transparent, teilweise interpolieren sie, das wirkt sich so aus, dass von den ueber die volle Bildbreite gehenden Linienpaaren 2 Linien nicht korrekt wiedergegeben werden. Was fest steht, zur Berechnung der Farben werden jeweils die umliegenden Pixel herangezogen. Also jedes Pixel wird mehrfach verwendet, der Beweis dafuer liegt in einem toten Pixel, das hatte nicht nur Auswirkungen auf eines, nein auf die Umliegenden und das gab bei der Kamera einen kleinen violetten Fleck im RAW ...

Was ich gut feststellen konnte, im Bereich von 1 : 1 ist der Wirkungsgrad am besten, um so groesser die Vergroesserung wird, um so mehr wird die NA des Objektives zum limetierendem Faktor und so landet man bei 50x bei Werten unter 35% ... ==> das Objektiv schafft bei weitem die Moeglichkeiten der Sensoren nicht mehr ...

Wird in diesen Bereichen eine Oeloptik eingesetzt und man hat beim 40x ploetzlich eine NA von 1,3 geht der Wirkungsgrad deutlich nach oben ( die CV auch - der Olympus Testkanditat braucht seine zweite Haelfte, das Projektiv, um die CV in den Griff zu bekommen) ...

Aber wir koennen unsere Objekte in der Lupenfotografie ja ohnehin nicht unter Oel setzen und mit Durchlicht arbeiten, wobei ein Fluegen einer Fliege koennte so funktionieren ...

Liebe Gruesse aus Wien

Gerhard

PS: das die D7100 sich in diesem Bereich gut macht kann ich bestaetigen, nach meinem letzten Stackingworkshop bin ich mir auch eine kaufen gegangen. Und das als Canon und Hasselblad-User .-)
Der fehlende Tiefpassfilter ist zusaetzlich ein voller Gewinn (zusaetzlich zum von Dir bereits beschriebenem Pixelabstand), aus meiner Sicht ist der Hauptvorteil der fehlende Filter ...

[Stuessi]

...bei 1 : 1 komme ich mit meinen Kameras auf einen Wirkungsgrad von 98 bis 96%. Die Verluste durch das Bayermuster sind folglich sehr gering ...

Hallo Gerhard,

diesen Satz verstehe ich nicht.
Soll das bedeuten, dass ein Sensor mit 5,94 µm Pixelabstand, also einem theoretischem Auflösungsvermögen von 84 Lp/mm, 81 Lp/mm wiedergeben kann?

Meine Versuche in dieser Richtung mit der Alpha 900 von Sony zeigen etwas ganz anderes. Ein Strichgitter mit ca 55 Lp/mm kann nur einigermaßen gescheit wiedergegeben werden. Der Wirkungsgrad liegt dann bei ca. 65%. Der Wirkungsgrad für gute Wiedergabe liegt bei unter 50%.

Ich habe dazu dieses Gitter




aus unterschiedlichen Entfernungen fotografiert.

Das Ergebnis:





Gruß,
Stuessi

[Kurt Wirz]

Hallo Stuessi

Meine Messwerte sind, wenn überhaupt, Messwerte die ich für mich, wenn sie wirklich gleich ermittelt wurden, zu Vergleichszwecken verwenden kann.
Da sagen sie einiges aus, werfen aber auch Fragen auf.
Inzwischen lege ich die Striche im 30° Winkel zu den Sensorpixeln an, da dann die Streuung der Messwerte bei gleichem Aufbau aber anderer Zeit, geringer wird,
also eher reproduzierbar.

Im Bereich meiner Messungen von 1:1 bis ca. 100:1 erreiche ich mit der D7100 (Pixelpitch = 3.9µm) auf dem Sensor die höchste Auflösung bei 1:1.
Dies sieht dann in etwa so aus wie dein Bild bei 78LP/mm.
Bei der D7100 entspricht dies 125LP/mm, da sind noch vereinzelt Linien zu erkennen. 128LP/mm wären bei einem Pixelpitch von 3.9µm das Maximum.
Eine saubere Auflösung ist bei 100LP/mm zu erkennen, also bei etwa 25% weniger LP/mm. Die Saubere Auflösung beträgt somit etwa 78% des rechnerischen Maximums, man verzeih mir, wenn ich oben von 80% geschrieben habe.

Richtigerweise müssten, die Messwerte auch an anderen Orten zu anderer Zeit reproduzierbar und vergleichbar sein, und deshalb mit Fitswork ausgemessen werden.
Dies ist mir aber ein zu hoher Aufwand, da ich sehr oft solche Vergleiche anstelle und 100% berufstätig bin.
Vermute ich, einen Unterschied, dann wiederhole ich aktuell die Messung der zu vergleichenden Objektive (oder des veränderten Setups).
Es werden also immer aktuelle Messwerte miteinander verglichen.
Die Bilder zeigen dann beim aktuellen Vergleich mit dem Auge, klare Unterschiede, oder eben nicht. So fallen dann auch andere Unterschiede in der Abbildungsleistung auf, die neben der Auflösung ebenfalls wichtig sein können.
Bestätigen sich die Unterschiede dann auch beim Vergleich mit einem realen Objekt, also kein Zebramuster, dann ist mein Interesse geweckt. So wanderten in den letzten Jahren Objektive in der Schublade an hinterster Stelle. Wurden aber schon oft wieder hervorgeholt und in eine neue Vergleichsreihe eingeordnet.

Ich besitze Messwerte bis zu einige Jahre zurück, nehme diese aber nur als Anhaltspunkt.
Deine Messwerte vom 24.9.2009 würde ich somit wiederholen.

Zu deiner Tabelle:
"Die Ergebnisse sind meiner Meinung nach ordentlich und liegen im erwarteten Bereich.
(Interessant wäre ein Vergleich mit dem einzig verfügbaren  modernen Lupenobjektiv MP-E 65...)"

Ja, deine Ergebnisse liegen auch nach meiner Meinung im ordentlichen Bereich.

Zum MP-E 65mm.
Habe ich gelesen, dass seine Leistung mit dem LUMINAR 63mm vergleichbar ist.
Meine Vergleiche haben gezeigt, dass mit dem AF MICRO NIKKOR, 105mm, 1:2.8 D am Balgen, bei 1:1 bis 3:1 leicht bessere Ergebnisse, wie beim Luminar 63mm erzielt werden, jedoch das Handling um einiges umständlicher ist.
Bei 4:1 ist das Luminar 40mm bei meinen Vergleichen das beste Objektiv.
Ist jedoch eine hohe Arbeitsdistanz bei 4:1 erwünscht, dann schliesst das Luminar 63mm mit doppelt so hoher Arbeitsdistanz fast so gut ab wie das Luminar 40mm.
Durch die bessere Möglichkeit der Beleuchtung kann es dann sein, dass das Luminar 63mm bessere Bilder liefert.
Bei 5:1 sind die Ergebnisse des MP-E 65mm sichtbar schlechter, wie mit einem Luminar 25mm.
Für Aussenaufnahmen ist das MP-E 65mm bestens zu empfehlen auch deshalb, weil sein Arbeitsbereich betreffend Abbildungsmassstab und der Arbeitsabstand gross ist.

Kurt

[Klaus Henkel]

Guten Tag Mikro-Makro-Fotofreunde!

Die Arbeitsdistanz ist mir begrifflich sehr unklar. Ich kenne den freien Arbeitsabstand, gemessen vom Fassungsrand des Objektivs bis zur Oberfläche des Objekts. Wenn der gemeint ist, wäre es bestimmt hilfreich und irrtumsfrei, ihn zu verwenden, denn in der deutschsprachigen Fachliteratur ist er seit über 80 Jahren gut eingeführt. Die engl. Übersetzung lautet free working distance. In der Mikroskopie ist im Gegensatz dazu der Begriff Arbeitsabstand (AA) üblich, denn dieser Abstand ist nicht "frei", wenn er durch ein Deckglas hindurch bis zu dessen Unterseite gemessen wird.

Der freie AA wird im Fremdsprachlichen Optischen Wörterbuch, Teil IV Mikroskope (deutsch - englisch - französisch - spanisch) hrsg. v. K Radicke, Bearb. v.  Dr. W. Pietzsch, bei Borkmann-Verlag, Weimar 1928, unter "Objekt- oder Arbeitsabstand" auch freier Objektabstand genannt - was ich nicht irrtumsfrei finde. Später wurde der freie AA üblich.

Beim freien AA darf sich zwischen dem Fassungsrand des Objektivs und dem Objekt absolut nichts (!) befinden, auch kein Deckglas.

Terminilogische Grüße
KH

[Kurt Wirz]

Hallo Klaus

Meine Distanz zur Arbeit hängt von meiner Laune ab.
Diese Distanz ist hier nicht gemeint, sondern exakt die Distanz, die du mit deinem hohen Verständnis für meine trivialen Worte, herausfinden konntest.
Ich hoffe somit, dass durch deine Klärung mehr Mikroskopiker dem Sinn meines Beitrages folgen können.
Unter Arbeitsabstand meine ich freien AA.
Ist eine solche Präzisierung auch in der Mikrofibel beim Arbeitsabstand angebracht?
Vielen Dank, ich werde mich bemühen die Terminologie korrekt einzuhalten,
bitte dich auch in Zukunft, nach Bedarf aufklärende Kommentare zu meinen Beiträgen zu verfassen, damit mich auch Mikroskopiker verstehen können.

An dieser Stelle möchte ich mich für einen weiteren meiner so zahlreichen Mängel entschuldigen.
Schon vor über 50 Jahren hat sich mein Onkel, er war Korrektor fast die Lippen abgebissen, wenn er die Interpunktion meiner Zeilen überprüfte.

Da habe ich gleich noch eine Frage:
Was meinst du mit "Terminilogische Grüße" ?

Danke für euer Wohlwollen

Kurt

[reblaus]

Hallo Kurt -

dein Onkel würde sich im Grabe rumdrehen, wenn er gesehen hätte, dass du hinter "Korrektor" das Komma weggelassen hast!

Viele Grüße

Rolf