Webcam an Stabmikroskop adaptieren

[newtoolsmith]

Hallo Optikfreunde,

außerhalb des Netzes heiße ich Benjamin, bin Maschinenbauingenieur und beschäftige mich hobbymäßig, wie mein Nickname schon aussagt, mit Werkzeugen und Metallverarbeitung.

In genau dieser Sache ersuche ich eure Hilfe, weil ich damals in Physik wohl nicht ausreichend ausgepasst habe... 

Es geht um folgendes Messprinzip:

Wenn von einem großen Gegenstand behauptet wird, er sei eben (im Sinne von Ebene aber nicht unbedingt waagerecht), dann kann man das überprüfen, indem man am linken und rechten Ende des Gegenstandes je ein kleines Metallstück platziert. Die beiden müssen exact gleich hoch sein, also z.B. unter 0,001mm Höhendifferenz. Das ist bei Parallel-Endmaßen gegeben.

Man spannt nun über die beiden Endmaße einen dünnen und daher leichten Stahldraht, der bis kurz vor dem Zerreissen gespannt wird. Dieser Draht bildet eine Kettenlinie, die man genau berechnen kann. Auf kurze Distanzen kann man so tun, als sei es eine echte Gerade.

Weiter nimmt man ein Stabmikroskop und montiert es waagerecht auf einem kleinen kippsicheren Untergestell, so dass die optische Achse auf der Höhe des Drahtes liegt. Das kann ein Stahlklotz im von 10x10cm sein. Blickt man durch das Mikroskop, so kann man es auf dem Gegenstand so verschieben, dass der Draht scharf gestellt wird.

Abschließend wird ins Okular eine senkrecht stehende Skala eingebaut (z.B. 0..100), damit man eine Referenzposition angeben kann.

Fährt man nun mit dem Mikroskop am Draht entlang, so wird der Draht immer an der selben Position der Skala zu sehen sein, falls Draht und Oberfläche des Gegenstandes völlig parallel verlaufen. Ist die Oberfläche wellig, so scheint der Draht nach oben oder unten zu wandern.

Aus derart aufgenommenen Messpunkten, beispielsweise alle 5cm notiert, und aus dem rechnerischen Durchhang des Drahtes an der entsprechenden Position kann man die tatsächliche Abweichung des Gegenstandes von der Ebene sehr genau bestimmen. Das funktioniert auch auf 100m mit Unsicherheiten unter einem µm.

So weit will ich aber gar nicht. Ich möchte bloß das Bett meiner Drehmaschine (1500mm) vermessen und danach entsprechend nacharbeiten um eine Steigerung der Präzision zu erreichen.

Dazu habe ich vom Trödel ein solches Stabmikroskop aus russischer Herstellung gekauft. Mit russischen Werkzeugen habe ich schon oft sehr gute Erfahrungen gemacht.

Das Mikroskop besteht aus einem teleskopierbaren Tubus von 130mm bis 190mm Länge. Die 160mm Marke ist besonders hervorgehoben.

Das Objektiv trägt die Aufschrift 3,7 / 0,11, das Okular 15x. Im Okular (23mm Durchmesser) sind zwei Linsen verbaut und dazwischen eine Skala mit 60 Teilen.

Wenn man durch das Mikroskop blickt, ohne Brille, ist die Skala immer scharf zu sehen, der betrachtete Gegenstand jedoch nur, wenn man den richtigen Abstand einhält.

Ein Test hat gezeigt, dass es bei der gegebenen Vergrößerung etwa 0,02mm von Strich zu Strich sind. Müsste mal ganz genau bestimmt werden, anhand einer genau bekannten Referenz.

Jetzt soll an dieses Mikroskop eine billige Webcam angeschlossen werden. Ebenfalls vom Trödel.

Erste Tests haben gezeigt, dass die Webcam als solche sich schlecht scharfstellen lässt. Vorn ist ein Objektiv mit M12x0,5 eingeschraubt, an dem man angeblich scharfstellen kann. Angeblich.

Ich behaupte mal, dass das am Objektiv liegt denn die CMOS oder CCD Chips sollten heutzutage recht gut sein. Der Chip hat ein effektives Fenster von etwa 2,4x1,8mm, was wohl einem 1/6" Chip entspricht. Auch beim Blick ins Mikroskop liefert die Webcam kein wirklich gutes Bild obwohl die Skala ja immer scharf abgebildet werden müsste.

Vor allem wird die Skala nicht komplett abgebildet sondern das runde Blickfeld schneidet Anfang und Ende ab. Mit bloßem Auge sieht man aber, dass das Objektiv ein viel größeres Blickfeld hergibt, das etwa von -15 bis 75 reicht (Skala von 0 bis 60).


Ich hege jetzt die Hoffnung, dass ihr mir sagen könnt, in welcher Art und Weise ich einen Adapter konstruieren muss um die Webcamans Okular zu adaptieren.

Was ich bisher an Adaptern entdeckt habe geht von 23mm Aufnahme auf M12x0,5 und ersetzt das Okular. Dann ist aber die Skala weg. Funktioniert also nicht.

Ganz oben am Okular lässt sich der Deckel abschrauben durch dessen Linse man blickt. Das verbleibende Rohr des Okulars hat ein Innengewinde M18x1. Vielleicht kann man einen Adapter drehen, der M18x1 einerseits und M12x0,5 andererseits trägt. Innen dann noch ein durchgehendes Gewinde um vieleicht eine Linse zu befestigen.

Oder gibts sowas fertig?

Das originale Objektiv wäre dann überflüssig und bei richtiger Abstimmung würde auch die ganze Skala abgebildet.


Ich danke euch schonmal für euer Interesse und hoffe, dass ihr nicht ganz so ratlos seid wie ich.

MfG
Benjamin

[newtoolsmith]

Hallo Herr Bollmann,

danke für die rasche Antwort!

Ich habe das soeben mal probiert und stelle folgendes fest:

Es wird das volle Blickfeld wiedergegeben wenn ich das Kameraobjektiv direkt gegen das Okular halte. Man sieht also die Skala in voller Länge und noch etwas des seitlichen Bereichs. Das habe ich wohl gestern falsch gemacht, jedenfalls ist das Ergebnis heute besser.

Die Schärfe lässt sehr zu wünschen übrig. Die Skala ist verschwommen und unlesbar. Das gilt aber auch für die Wiedergabe irgendeines anderen Bildes.

Die Einstellung des Objektivs für Nah und Fern sind quasi identisch. Will sagen, ich habe das demontierte Objektiv wieder eingeschraubt - nur eine Umdrehung - und dann solange weiter eingeschraubt bis ein möglichst scharfes Fernbild entstand. Diese Einstellung bedarf nur einer winzigen Änderung um den Nahbereich scharfzustellen. Etwa eine halbe Objektivumdrehung also 0,25mm.

Wobei stets gilt: Scharf ist was anderes! Das Bild ist immer etwas verschwommen.


Halte ich das Objektiv nicht direkt gegen das Okular, so wird das abgebildete Blickfeld kleiner. Die schwarzen Ecken im Kamerabild wachsen mit steigendem Abstand rasch und es wird nur noch ein runder kleiner Bildausschnitt wiedergegeben. Der Abbildungsmaßstab scheint sich nicht zu verändern, man sieht halt nur noch einen Teil der Skala.

Mir stellt sich nun die Frage, ob ein anderes Objektiv besser funktionieren wird. Kann es sein, dass dieses Objektiv einfach keine gute Scharfstellung zulässt? In Netz gibts die Objektive mit M12x0,5 Gewinde ja Massenweise in allen erdenklichen Ausführungen.

MfG
Benjamin

[newtoolsmith]

Das Kamerabild wird nie so richtig scharf. Ob das nun am Objektiv, am Chip oder an beidem liegt, weiß ich natürlich auch nicht.

Ich überlege, ob ich mal eine andere, höherwertigt Kamera probiere...

Man kann hier http://www.youtube.com/watch?v=c3l0ptpokO8 eine ähnliche Situation sehen. Das ist scharf (zumindest mir scharf genug) aber die Skala ist nicht komplett zu sehen.

Am Okular kann ich nichts einstellen, das ist fix. Ob ich nun ohne oder mit Brille hineinsehe, die Skala ist immer gestochen scharf. Mit Brille komme ich aber nicht so nah ans Okular, sodass der Bildausschnitt sich verkleinert.

[peter-h]

Hallo,

mag sein, dass ich es nur nicht gefunden habe, aber welcher Typ von WebCam ist es denn ?
Wenn eine ältere mit USB 1 , dann hat man praktisch keine Chance ein sehr gutes Bild zu bekommen, schon garnicht wenn die Bildfrequenz auf höher als 5 Bilder/sec eingestellt ist.
Der Grund:
Alle Kameras mit USB 1 komprimieren die Bilddaten um über die langsame Verbindung überhaupt Daten zu bekommen. Damit wird auch ein guter CMOS oder CCD Chip zu einer Krücke gerechnet.

Dann gibt es die Kameras, welche von Werbeleuten erfunden sind, also mit tollen Auflösungszahlen, aber diese schönen Zahlen werden nur durch Interpolation der wenigen Pixel erzeugt. Wieder Krücken.

Man braucht also viel Glück und eine gute Nachverarbeitung um mit einer WebCam auch brauchbare Bilder zu präsentieren. Aber wichtig wäre zuerst der Typ der WebCam.

Verschwommene Grüße
Peter Höbel

[newtoolsmith]

Hallo Peter (ich nehme mal an, dass man hier im Forum "per du" ist...),

die webcam ist ein 10€ noname Teil. Zwar steht eCOM DD1042 3MPixel drauf, davon ist im Netz aber nichts zu finden und 3MPixel glaubt sowieso keiner. Anschluss über USB 2. Digitus verkauft mit der DA-70811 ein äußerlich identisches Modell. Das Objektiv sieht allerdings anders aus.

Ich werde mal testen, was passiert, wenn ich die Bildrate auf Minimum stelle. Das könnte eine gute Idee sein.

Ansonsten verstehe ich die ganzen Regler eh nicht: Gamma, Schärfe, Kontrast, ...   In der Software sind bestimmt zehn Verstellmöglichkeiten.

[newtoolsmith]

Also mit 5fps wirds auch nicht besser.

[wilfried48]

Aus derart aufgenommenen Messpunkten, beispielsweise alle 5cm notiert, und aus dem rechnerischen Durchhang des Drahtes an der entsprechenden Position kann man die tatsächliche Abweichung des Gegenstandes von der Ebene sehr genau bestimmen. Das funktioniert auch auf 100m mit Unsicherheiten unter einem µm.

So weit will ich aber gar nicht. Ich möchte bloß das Bett meiner Drehmaschine (1500mm) vermessen und danach entsprechend nacharbeiten um eine Steigerung der Präzision zu erreichen.....

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Das Objektiv trägt die Aufschrift 3,7 / 0,11, das Okular 15x. Im Okular (23mm Durchmesser) sind zwei Linsen verbaut und dazwischen eine Skala mit 60 Teilen.

Hallo Benjamin,

also das wage ich zu bezeifeln, das man mit dieser Methode auch nur annähernd diese Präzision auf dieser Länge bekommt. Und selbst wenn, dann könntest du mit diesem Mikroskop das nicht messen, weil die Auflösung bei einem Objektiv mit Apertur von 0,11 nur ca. 0,005 mm beträgt, also schon das 5 fache deines geforderten werts von 0,001 mm.

Und was soll überhaupt die Kamera ? Das Bild nachvergrössern, dass du auf der Skala ganauer als 0,02 mm ablesen kannst ?
Ich denke dass du an der falschen stelle mit der Optimierung angefangen hast.

Ich würde einen Nivellierlaser aus dem Baumarkt nehmen (billige Laser-Wasserwaage) und ihn auf einen der Blöcke setzten und den dann direkt in das Mikroskop fallen lassen das auf dem Verschiebeblock steht und auf die Skala scharf als kleinen Punkt abbilden.
Du brauchst dann für deine geforderte Präzision von 0,001 mm aber immer noch ein Mikroskopobjektiv mit einer numerischen Apertur von mindestens 0,5 , also z.B. ein 25/0,5 oder 40/0,65 Objektiv.

viele Grüsse
Wilfried

[newtoolsmith]

Natürlich darf man fragen - ist doch ein Forum, oder? 

Ziel der Aktion ist es, nicht ständig auf die Knie fallen zu müssen um durchs Mikroskop zu schauen.

Ich möchte das Mikroskop an eine Position stellen, einen Schnappschuss machen, das Mikroskop um einen definierten Betrag weiterschieben, nächster Schnappschuss, ...

Bei etwa 1500mm vermessbarer Strecke werden das 150 Messpunkte. Da wünscht man sich etwas Bequemlichkeit.

Später kann ich dann eine Excel Tabelle anlegen:

Spalte A: Position X-Achse
Spalte B: Skalenwert Oberkante Draht (Y-Achse)
Spalte C: Skalenwert normiert auf 1/100mm bezüglich Ymin
Spalte D: Drahtdurchhang als f(x)
Spalte E: Durchhangbereinigte Betthöhe

Falls die Skalenwerte bei Xmin und Xmax, also Bettanfang und Bettende, sich unterscheiden, wird der Bereinigung noch eine Korrekturgerade g(x)=mx ohne "b" überlagert. Das kann passieren, weil ich in diesem speziellen Fall keine Parallelendmaße verwenden kann sondern mit 5/100 Hasbergfolie unterlege.

Die beschriebenen 0,001mm auf 100m sind durchaus machbar aber nicht mit meinem Mikroskop. Man kriegt dann aber Schwierigkeiten weil der Draht bereits durch geringste Luftbewegungen in Schwingung gerät. Mit angehängten Metallfolienstreifen, die zur Dämpfung in Öl hängen, kriegt man das hin. Die zusätzliche Verzerrung des Durchhangs durch die angehängten Streifen wird erneut rausgerechnet.

Aber ich schrieb ja:

So weit will ich aber gar nicht.

Mir würde 1/100 Ablesegenauigkeit schon genügen. Momentan könnte ich also ablesen, ob die Drahtkante z.B. bei Strich 32 oder 33 steht - ich müsste aber schätzen, ob es vielleicht 32,5 sind.

Wenn ich statt eines 3,7er Objektivs nun ein 7,4er einbaute - falls es das gibt - halbiert sich dann die Auflösung der Skala wenn sich die Vergrößerung verdoppelt? Die Skala wird doch nicht mit vergrößert, sie sitzt ja im Okular!?

Ein 10/0,22 habe ich gerade entdeckt aber da gibt es planachromaten, achromat und viele weitere. Bahnhof!

Apertur: lese, lese, lese... Aha, um bezüglich 0,55µ Wellenlänge noch 1µ Auflösen zu können muss das Objektiv eine Apertur von mindestens 0,275 mitbringen. Mit 0,22 wären 1,25µ unterscheidbar.

Das Dilemma ist folgendes:

Wenn die Vergrößerung zu hoch wird, dann verschwindet der Draht bei stärkeren Ebenheitsabweichungen vielleicht ganz aus dem Blickfeld. Letzteres misst momentan etwa 2mm bei 160mm Tubuslänge und 3mm bei ~125mm. Nochmal Bahnhof.

Eine Verkleinerung des Blickfeldes auf 1mm mit der einhergehenden Vergrößerungssteigerung wäre vielleicht nicht verkehrt.

[newtoolsmith]

Der Draht ist 0,25mm dick und überdeckt damit etwa 12,5 Skalenteile. Einen 0,1mm Draht könnte ich besorgen

Wenn optisch nichts dagegen spricht müsste das aber egal sein, weil der Draht von hinten beleuchtet und eine Kante des Drahtschattens ausgewertet wird.

Es ist nicht so, dass der Draht zwischen zwei Skalenstriche passen würde.

In dem Buch "Machine Tool Reconditioning", das sich auf 550 Seiten mit solcherlei Vorgehensweisen beschäftigt, wird ein 0,1mm Draht vorgeschlagen. Über optische Details schweigt der Autor leider.

[newtoolsmith]

Der Draht ist kaltgezogen und sehr homogen. Daher fällt die Querkontraktion gleichmäßig aus und beträgt knapp 1/3 der Dehnung.

Querkontraktion: dD/D = -µdL/L mit µ~0,3 für Stahl.

Dies geht nicht in die Messung ein weil nur eine Kante des Drahtes ausgewertet wird.

[newtoolsmith]

Alles Annahmen, um die Rechnung nicht zu verkomplizieren.

Den Einwand verstehe ich nicht. Das Material des Drahtes ist völlig homogen und daher wird die Querkontraktion an allen Stellen gleich sein, die die gleiche Zugspannung erfahren. Da der Draht abschnittsweise linear ist, ist auch überall die Zugspannung gleich.

Und delbst wenn das nicht so wäre - der Draht wird ziemlich genau bis Rp0,2 belastet, also 0,2% Dehnung. Die Querkontraktion beträgt das 0,3fache davon, also 0,06%. Wenn man von 0,25mm die 0,06% bildet, so erhält man eine Durchmesserverringerung um 0,00015mm. Das sind 0,15µ. Das ist etwa 1/67 meiner gewünschten Ablesegenauigkeit und damit voll im Rahmen.

Hat also mit "Annahme" oder gar "Willkür" nichts zu tun.


Den Support als Führung fürs Mikroskop zu nehmen wäre ungünstig, weil er 550mm breit ist und dadurch kleine Unebenheiten vertuscht. Über ein "Schlagloch" von z.B. 50mm Länge und 0,5mm Tiefe würde er einfach drüberfahren ohne dass man es merkt.

Im späteren Betrieb unter Last wundert man sich dann vielleicht.

Daher wird das Mikroskop auf ein kleines Gestell montiert an dessen Unterseite im einfachsten Fall drei Kugeln eingelassen sind. Drei Punkte bilden eine Ebene. Hier ist es stewa komplizierter, weil ich zwei invertierte V-Führungen habe und daher eine 5-Punkt-Auflage brauche. Sind mathematisch trotzdem Null +1 Freiheitsgrade und daher eine definierte Dreipunktebene.

Senkrecht über einer der Kugeln, der Messkugel,  befindet sich das Mikroskop - aber in möglichst geringer Höhe über der Kugel (z.B. 5cm). Die beiden anderen Kugeln, die Stützkugeln, sind 20-30cm entfernt. Diese Längenverhältnisse müssen so sein, damit Ebenheitsabweichungen an den Stützkugeln nicht zu sehr ins Messergebnis hineinpfuschen. Der Hebel machts. Wenn die weiter rechts (20cm) gelegene Stützkugel durch ein 10µ Schlagloch fährt, wird das Mikroskop um 2,5µ nach rechts gekippt (10µ*5cm/20cm). Das ist unerheblich. Fährt die weiter hinten gelegene Stützkugel durch ein 10µ Schlagloch, so wird das Mikroskop 1,67µ auf den Draht zu gekippt (10µ*5cm/30cm). Der SIN des Kippwinkels beträgt 1,67/5000 und der Winkel damit 0.0003°.


Falls hier im Forum übrigens Maschinenbau Grundlagen benötigt werden, könnt ihr mich gerne Fragen.

[wilfried48]

Die beschriebenen 0,001mm auf 100m sind durchaus machbar aber nicht mit meinem Mikroskop. Man kriegt dann aber Schwierigkeiten weil der Draht bereits durch geringste Luftbewegungen in Schwingung gerät. Mit angehängten Metallfolienstreifen, die zur Dämpfung in Öl hängen, kriegt man das hin. Die zusätzliche Verzerrung des Durchhangs durch die angehängten Streifen wird erneut rausgerechnet.

Aber ich schrieb ja:

So weit will ich aber gar nicht.

Mir würde 1/100 Ablesegenauigkeit schon genügen. Momentan könnte ich also ablesen, ob die Drahtkante z.B. bei Strich 32 oder 33 steht - ich müsste aber schätzen, ob es vielleicht 32,5 sind.

Hallo Benjamin,

obwohl es fürs Mikroskopforum vielleicht etwas "off topic" ist, muss ich da nochmal nachhaken.

Ich wage zu bezweifeln dass man auch nur bei einem über 1m  gespannten Draht von z.B. 100 µm Dicke die Durchbiegung theoretisch so exakt bestimmen kann, dass sie mit einem Experiment auf 10 µ also dem zehntel des Drahtdurchmessers übereinstimmt.
Natürlich gibt es theoretische Formeln, aber darin kommen doch sicher wieder eperimentelle Parameter vor, wie E-Modul oder Zugkraft.
Wie genau musst du diese dann kennen bzw. messen ?
Kannst du mal zu meiner Glaubensstärkung eine Literaturstelle benennen, wo dies mit dieser Genauigkeit über 1m oder gar 100m gemacht wurde ?

viele Grüsse
Wilfried

[newtoolsmith]

Hallo Wilfried,

für 100m habe ich keine Beweise aber so wurden früher große Turbomaschinenstränge ausgerichtet und die können gerne mal 40-50m lang sein. Ich kanns aber nicht wirklich beweisen.

Bei uns in der Firma wurden Anfang des Jahres zwei neue Drehmaschinen installiert. Die größere ist 20m lang und wurde wie beschrieben ausgerichtet. Immerhin. 

Für den Durchhang des Drahtes gilt d(x)= [g/2F]x(s-x) mit Streckengewichtskraft g, freie Strecke s, Zugkraft F und beliebige Ordinate x.

Daran ist nichts theoretisches und auch nichts experimentelles. Das Streckengewicht des Drahtes wird durch auswiegen von z.B. 1000m bestimmt, die freie Strecke ermittelt ein Bandmaß hinreichend genau und die Zugkraft wird durch kalibrierte Gewichte aufgebracht. Der E-Modul spielt nicht mit weil die Längenänderung des Drahtes unwichtig ist. Dass die Querkontraktion vernachlässigbar ist habe ich ja schon vorgerechnet.

Für den maximalen Durchhang in der Mitte gilt übrigens d=gs²/8F. Kann man sich herleiten.

Übrigens ist die Kettenlinie strenggenommen keine Parabel, auch wenn das gerne mal behauptet wird. Für kleine Durchhangverhältnisse d/s ist der Unterschied zur Parabel aber gering und auch die Randbedingungen kann man vernachlässigen.

Hier http://www.fitg.de/fitg_deutsch/aktiv/fig2002/expo1005.htmlwird zumindest mal der Draht und das Mikroskop erwähnt.


Wegen des Seils: d=U/Pi; d´=(U+1)/Pi = U/Pi + 1/Pi = d+1/Pi mit 1/Pi~0,32. Mit r=2d ergibt sich die Höhe der Distanzstücke zu ~0,16m und zwar unabhängig vom Ausgangsdurchmesser oder Umfang. Keine Sorge, ich kann rechnen.

[wilfried48]

Hallo Benjamin,

vielen Dank für den interessanten link in die Industriegeschichte des Präzisionsmaschinenbaus.

Aber mich wundert es trotzdem, dass dies auch heute noch so gemacht wird. Ich dachte da hätte längst der Laser Einzug gehalten.

viele Grüsse

Wilfried

[Erwin Graeff]

Und wenn Sie den Draht spannen, wird er ja auch dünner.
Nun kommt die Frage auf, ob er auf der ganzen Länge gleichmäßig dünner
wird oder ob er sich in der Mitte mehr einschnürt.
Auch das wirkt sich auf Ihre Meßergebnisse aus.

Nun je nach Kraft schnürt der Draht etwar in der Mitte ein , man könnte aber
entweder eine Feder im Draht einbeziehen , oder den Draht mit einer bestimmten
Kraft spannen , zum Beispiel ein Behältnis , welches dann mit Gewichten gefüllt
wird und dieses Gewicht spannt den Draht .

Erwin