Vollformat am Mikroskop - bringt das wirklich Vorteile?

[rheinweib]

Dort wo ich Fotografie gelernt habe gilt die Regel, die Ausrüstung ist überbewertet, sie ist nur zu maximal 10% für die Qualität verantwortlich .-)
Die Verantwortung liegt daher immer noch zum überwiegenden Anteil bei der Person hinter der Ausrüstung ...

Hallo Gerhard,
damit hast Du zweifellos Recht, aber 10% für die Ausrüstung sind doch ein bisschen wenig, oder?......Selbst der beste Fotograf kann kein
Spitzenbild produzieren, wenn er einen Glasschrotthaufen montiert hat.
Mit 70% Fotograf und 30% Equipment könnt ich mich anfreunden.

LG
Heike

[Klaus Herrmann]

Hallo Wolfgang,

dass mit der SZX 12 ist aber ein anderer Thread.

Jein - die Überschrift redet von Mikroskop, man sollte also schon differenzieren: hie so dorten anders.

[Lupus]

Hallo Paramecium,

viel Text und wenig Neues!
Das Zitat von Jorrit bezog sich auf die normale Fotografe, da sehe ich keinen Fehler in der Aussage dass mehr Photonen pro Pixel (bei gleicher Belichtungszeit und Lichtstärke des Objektives) bei Großformatsensoren zur Verfügung stehen. Und die Mikroskopie hat er ja ersichtlich ausgenommen, nämlich dass ein großer Sensor kein Vorteil ist weil trotzdem nur die gleiche Lichtmenge für das ganze Bildfeld und damit pro Pixel zur Verfügung steht. Ein Satz aber gleicher Inhalt. 

Über die Anpassung des Mikroskopobjektives, dessen Auflösung, die dazu passende Pixelanzahl und das Samplingtheorem wurde im Formum schon ausführlich in mehreren Threads diskutiert, insofern ist die Grundaussage relativ trivial.

Daher wird ein Vollformatsensor so angepasst, dass er im Gunde das gleiche Bildfeld sieht, wie eine APS Spiegelreflex-Kamera. Ansonsten würden die Bildfeldränder unscharf erscheinen, was unerwünscht ist. Dies hat zur Folge, dass ein Vollformatsensor am Mikroskop so angepasst wird, dass die größere Zahl von Pixel das Sampling-Theorem übererfüllen.

Die ganzen langen Ausführungen unterstellen die irrige Annahme, dass Vollformatsensoren automatisch eine höhere Gesamtpixelzahl aufweisen als das APS-Format. Wenn man von Exoten wie die Canon EOS 5Ds mit 50.5 Mpx oder Sony Alpha 7R mit 42 Mpx absieht, bewegen sich alle heutigen Formate im vergleichbaren Bereich von 16-24 Mpx, selbst Kompaktkameras. Insofern müsste die Grundaussage heißen, dass es in der Mikroskopie nicht auf die Formatgröße sondern auf die Pixelzahl und die richtige Anpassung an die theoretische Auflösung des Objektives ankommt. Warum eine Vollformatkamera automatisch das Samplingtheorem übererfüllt erschließt sich dem geneigten Leser nicht. Aber auch das ist bezüglich der Bildqualität nicht so trivial, da es vom zu untersuchenden Objekt abhängt. Nicht immer ist Auflösung das Kriterium, gerade bei lichtschwachen Objekten z.B. bei der Fluoreszenzmikroskopie ist das Bildrauschen dominierend. Und eine APS-Consumerkamera hat nicht automatisch die gleiche Sensorqualität (z.B. bezüglich Pixel-Rauschen) wie eine 5000 € Vollformatkamera.

Hubert

[reblaus]

Hallo -

ich fand den Beitrag von Paramecium trotz Wiederholung von früher an verschiedenen Stellen verstreuten Aussagen sehr anregend.
Wenn ich nun die beiden letzten Beitrag einigermaßen vollständig studiere, scheint mir die Kritik im zweiten nicht in allen Punkten berechtigt. In diesem sicher: Vollformat hat primär nichts mit höherer Pixelzahl zu tun - meine Frau hat in ihrer Kompaktkamera die gleiche Pixelzahl wie ich in meiner ollen EOS D5Mk2. Auch wenn Paramecium dies sicher auch weiß - in den Ausführungen kommt es anders rüber, vor allem wenn der Leser nicht alle Gedankengänge nachvollziehen kann.
Dass die Auflösung nicht immer das wichtigste ist wurde hingegen bereits in der Grafik 2 unter "Sonderfälle" deutlich vermerkt.
Natürlich sind die Aussagen recht theoretisch, denn den meisten Forumsmikroskopikern, zumal mit historischer Ausrüstung, steht es nicht frei eine nach einem Sampling-Theorem ideale Fotoadaption auszuwählen.

Was mich in diesem Zusammenhang aber interessieren würde: Für meine Zwecke sind 20 MPixel meist völlig überflüssig und ich reduziere deshalb gerne die Pixelzahl um Speicherplatz und Verarbeitungszeit zu sparen, zumal die Fotos später meist eh stark verkleinert werden. Canon schweigt sich über die Konsequenzen aus. Frage: Kriege ich dadurch Rauschreduzierung?

Viele Grüße

Rolf

[Lupus]

Hallo Rolf,

Natürlich sind die Aussagen recht theoretisch, denn den meisten Forumsmikroskopikern, zumal mit historischer Ausrüstung, steht es nicht frei eine nach einem Sampling-Theorem ideale Fotoadaption auszuwählen.

sehe ich auch so, das ist das Kernproblem solcher Diskussionen - danach müsste man für jedes Objektiv eine andere Anpassung und/oder eine andere Kamera verwenden.  Wer das macht soll sich bitte melden.....

ich reduziere deshalb gerne die Pixelzahl um Speicherplatz und Verarbeitungszeit zu sparen, zumal die Fotos später meist eh stark verkleinert werden. Canon schweigt sich über die Konsequenzen aus. Frage: Kriege ich dadurch Rauschreduzierung?

Einfach mal ausprobieren, z.B. bei einer Nachtaufnahme. Am Mikroskop kann man natürlich den Einfluss der geringeren Pixelzahl und damit geringeren Bildabtastung schwer von solchen Effekten trennen.

Hubert

[the_playstation]

Hallo paramecium.

1.) Schrieb ich, wie Lupus netterweise schon sagte, von normalen Kameraobjektiven. Und da sollte daß Objektiv zum Sensor passen, gerade, was die Lichtstärke betrifft.
2.) Schrieb ich explizit von Fläche pro Pixel (siehe mein Zitat). Das ist etwas völlig anderes als Fläche des CCD-Sensors.
Beispiel:
Vollformat CCD A hat 18 MegaPixel.
Vollformat CCD B hat 4 Pixel (mehr Fläche pro Pixel).
Welcher CCD wird wohl eher anfangen zu rauschen?

Im übrigen kann ein größerer Sensor trotzdem eine kleinere Fläche pro Pixel besitzen.
Ein Vollformat Chip mit 18 Megapixel hat eine kleinere Fläche pro Pixel als ein APS-C Chip mit 480*360 Pixel Auflösung.

Ein großer Sensor sammelt nicht mehr Licht, sondern weniger und produziert damit mehr Rauschen.

Falsch. Ein Sensor "sammelt" nicht. Weder mehr noch weniger. Er ist eine einfache Fläche, auf die Licht scheint. Eine Linse vor dem Sensor sammelt oder streut. Daher spricht man gegebenenfalls auch umgangssprachlich von "Sammellinse". Und eine große Sammellinse sammelt mehr Licht. Das beweist jedes "Brennglas". Auf ein großes Pixel fällt mehr Licht, als auf ein kleines Pixel.

Mehr Pixel bezogen auf die gleiche abgebildete Fläche bedeuten eine kleinere, lichtempfindliche Fläche und somit mehr Rauschen.

Stimmt. Die Pixelfläche verringert sich. Siehe mein Zitat Fläche pro Pixel.

Beste Grüße Jorrit.

[the_playstation]

Hallo.
Paramecium sprach ja hauptsächlich die Auflösung an. In der Mikroskopie gibt es leider viele Parameter, die berücksichtigt werden müssen.
Siehe z.B. Peters Thread über Adaptionen.

Pixelanzahl?
Pixelgröße?
N.A. des Objektives?
Sensorgröße?
Eigenrauschen des Sensors?
CCD-Typ/Art?
Rauschunterdrückungs-Algorithmus?
Zwischenbildgröße?
Eventuelle Nachvergrößerung oder Aufweitung, um das Zwischenbild an den Sensor anzupassen?
Okulare zwecks Korrektur notwendig?
Kamera-Objektiv (Festbrennweite) notwendig?
Lichtquelle?
Kondensor?
Kontrastverfahren?
Zu untersuchendes Objekt?
Schichtdicke?
...

Nur mal ein paar wenige Parameter.

Liebe Grüße Jorrit.

[Lupus]

Hallo Paramecium,

Durch geeignete Kombination eines Okulars mit der Optik einer passenden Digitalkamera kann man die Erfüllung des Sampling-Theorems selbst mit historischen Mikroskopen gut erreichen.

das ist reichlich realitätsfremd. Wenn ich z.B. ein 100x/1.25 verwende und dummerweise eine Canon EOS 60D mit 18 MP besitze, müsste ich nach der Theorie mein Mikroskopbild von z.B. 18 mm Bildfeld auf eine Sensorfläche von etwa 2 MP reduzieren, also auf 1/3 der Sensorbreite. Und bei jedem Objektivwechsel den Abbildungsmaßstab wieder anpassen. Welche Artefakte sollen denn beim Oversampling entstehen? Die scheinbar zu hohe Pixelauflösung (im Vergleich zur beugungsbedingten Bildauflösung) würde der Praktiker einfach durch nachträgliche Verkleinerung des Bildes im Bildbearbeitungsprogramm verringern - falls es Veranlassung zur Optimierung des Bildes gibt.

In der übrigen Diskussion gehe ich davon aus, dass wir nicht Äpfel mit Birnen sondern eine APS Kamera mit einem Vollformatsensor des gleichen Herstellers vergleichen. Tun wir das nicht, kann man natürlich alles mögliche konstruieren und behaupten, kommt aber auf keinen grünen Zweig.

Kann man gerne machen, z.B. die vorzugsweise verwendeten Canon-Spiegelreflexkameras: Die 7 aktuellen APS-Kameras haben 3x 18 MP, 2x 20.2 MP, 2x 24.2 MP. Die 4 Vollformat-Kameras 1x 18 MP, 1x 20.2 MP, 1x 22.3 MP und 1x 50.5 MP. Von der bereits erwähnten 50.5 MP-Kamera abgesehen unterscheiden sich APS und Vollformat nicht in der Pixelgröße.

Hubert

[the_playstation]

Hallo Paramecium.
Du solltest bedenken, daß viele Werte des Kamerabildes berechnet und durch div. Algorithmen bearbeitet wurden. Wenn man die Bilddaten verbessern will, bietet sich eine Manipulation der Firmware in der Canon Kamera und die Veränderung der Algorithmen an. Bei Astronomiebildern sollte man die Kamera zwingend runterkühlen. Ein Punkt, der wesentlich mehr bringt.

EDIT: Z.B mehr bringt als 12TB Netzwerkspeicher. Im Zweifelsfall kann man auch verlustfrei komprimieren. Ich verstehe nicht, wie man einmal einen derartigen Aufwand betreibt. Andererseits offensichtliche Punkte nicht genügend beachtet.

Ich denke, daß hier allgemein über Vollformat diskutiert wird. Egal, von welchem Hersteller und mit welcher Pixelanzahl. Siehe Titel und siehe ersten Beitrag von Peter.

Meiner Meinung nach, und da stimme ich mit Peter überein, ist die Canon APS-C für viele Zwecke und Adaptionen wegen ihrer Eigenschaften ideal. Ausser bei Spezialanforderungen. Wenn es z.B. um Geschwindigkeit geht (Serienbilder, ...).

Beste Grüße Jorrit.

[the_playstation]

Hallo Hubert.
Genau. Ich sehe es ähnlich. Wenn ich die 18MPixel nicht brauche, wird einfach die Pixelauflösung reduziert. Ich rechne auch bei jedem Bild nicht nach, wie die Samplingrate sein sollte. Eher z.B. ob das Objekt mit 900x hier formatfüllend ins Form paßt, ...

Liebe Grüße Jorrit.

[reblaus]

Hallo Paramecium -

Du schreibst:

"Durch geeignete Kombination eines Okulars mit der Optik einer passenden Digitalkamera kann man die Erfüllung des Sampling-Theorems selbst mit historischen Mikroskopen gut erreichen".

Genau darauf bezog sich meine Aussage, dass diese Diskussion (auch wenn sie mich persönlich interessiert) nur einen kleinen Prozentsatz der angewandten Mikroskopiker im Forum erreicht! Diese wollen ganz einfach mit zufällig vorhandenen Mikroskopen, Okularen und Kameras auskommen und damit ein Mikrofoto machen, das seinen Zweck erfüllt - ihnen ist das Sampling-Theorem ganz einfach wurscht, sondern ihnen genügt die Versicherung: Mit den heute üblichen 20 Megapixeln kommst du auf jeden Fall hin und meistens wirst du auch zu 5 MPixeln keinen Unterschied merken, wenn du nicht endlich den Kondensor hochkurbelst!

Viele Grüße

Rolf

[the_playstation]

Hallo Rolf.
Na ja. Mit 18 Megapixeln ist man denke ich mikroskopisch auf der sicheren Seite. Im übrigen nicht nur samplingmässig sondern auch rechenmässig, weil die CCD Daten immer gerechnet werden. Auch bei den Roh-Raw-Daten. Eine Digitalkamera ist ein Computer. Und die Daten eines CCDs sind nicht anders als die einer CD (mit Fehlern) oder einer Datasette. Da wird dran rumgrerechnet. Sampling hin oder her. Wer glaubt, daß seine CCD Daten sicher im Safe verpackt, unangetastet zur Verfügung stehen, der irrt sich.

Ist in etwa wie das Bild, daß Wir mit den Augen / Gehirn sehen. Das hat mit dem realen Bild und Samplingraten auch nicht viel zu tun. Das Gehirn rechnet massiv an den Daten rum.

Ausserdem kommt es auf den Zweck an. Wenn ich das Aufleuchten eines leuchtenden Bakteriums detektieren will, brauche ich samplingmässig nur 1 Pixel. Sprich Leuchtdiode. Ganz zu schweigen von Kontrast, Schichtdicke, ...

Ich wäre sehr an einer Formel interessiert, die alle Parameter abdeckt.

Liebe Grüße Jorrit.

[Eckhard]

Hallo in die Runde,

Ein großer Sensor sammelt nicht mehr Licht, sondern weniger und produziert damit mehr Rauschen.

Das ist so nicht korrekt. Ja, ein grosser Sensor sammelt nicht mehr Licht, denn das Licht eines Objektes wird auf eine grössere Fläche verteilt. Aber deswegen rauscht er nicht mehr.

Nur das Aufnahmerauschen ist jetzt etwas grösser (und kann durch mehr Licht vollkommen kompensiert werden). Ausleserauschen und thermisches Rauschen sind grösser, wenn die Pixel auf dem Chip näher beieinander sind. Bei gleicher Anzahl Pixel pro Chip rauschen kleine, dichte Pixel mehr als grosse, verteilte.

Deshalb ist in der Praxis das geringere Eigenrauschen (thermisches- und Ausleserauschen) bei diesen Chips so niedrig, dass ich ein viel besseres Signal bekomme.

In der Mikroskopie spielt ein Theorem eine wichtige Rolle, das gerne unterschlagen wird: Das Sampling-Theorem.

Ja und nun? Deine Theorie, dass Oversampling in der Mikroskopie zu schlechten Bildern führt ist einfach falsch. Du überträgst Erfahrungen aus der Astro- auf die Mikrofotografie. Ansonsten begründe das doch bitte.

Der Planktonfotograf wird kaum bemerken, ob ein Objektiv eine Bildfeldkrümmung besitzt, denn seine Bilder sind im Idealfall scharf, weil das Objekt dreidimensional ist (abgesehen von extremen Quetschpräparaten). Derjenige, der gefärbte Schnitte photografieren muss wird hingegen schon bemerken, wann ein Schnitt uneben oder gekrümmt ist.

Das verstehe ich nicht. Warum soll das bei einem 3-dimensionalen Objekt anders sein?

Tragen wir Mikroskopobjektive mit deren numerischer Apertur gegen die Vergrößerung auf, so fällt auf, dass bestimmte Baureihen auf einer Geraden liegen. Etwa die typischen Standardoptiken vom 10x/0,25 bis zum 40x/0,65. Diese Vergrößerungen und Aperturen sind typisch für solche Achromate, bessere Achromate, Achroplane, N-Achroplane und ähnliche Standardobjektive in der Mikroskopie, wie sie auch immer alle heißen mögen.

Natürlich liegen die Objektive auf einer Geraden - die Optiken wurden ja vom Hersteller exakt so gerechnet, damit sie auf einer Geraden liegen  

Aus der Grafik ergibt sich, dass verschiedene Objektive unterschiedliche Adaption der Kamera erfordern.

Für ein Objektiv 63x / 1.40 erhält man bei 550 nm Wellenlänge eine Auflösung von 240 nm bzw. eine geforderte Breite des Pixel von 120 nm. Mit der Vergrößerung 63x erhält man daraus eine ideale Pixel-Breite von 7.5 µm. Dieses Objektiv ist natürlich nicht willkürlich gewählt, denn es vervollständigt die Gerade der Standardoptiken zu hohen Vergrößerungen. Die minimale Vergrößerung V für den Kameraadapter zur Erfüllung des Sampling-Theorem lässt sich aus der Pixelbreite bpix in µm empirisch abschätzen:

V = bpix / 7.5

Tut mir leid, Thilo. Das ist so einfach nicht richtig. Man kann das einfach rechnen, denn von Zeiss gibt es eine praktische Näherungsformel:

AuflösungMikroskop = (3000 * NAObjektiv)/(MObjektiv * MAdapter)

wobei M der Vergrösserungsfaktor ist. Das Ergebnis sind "Lines per mm", lpmm.


Beispiel 1: 20x 0,50 NA EC Plan Neofluar, Zeiss Kameraadapter mit Vergrösserung 1,6 für APS-C Chip (Nikon DX Kameras)

(3000 * 0,5) / (20 * 1,6) = 46,88 lpmm

Nun multiplizieren wir die lpmm mit der Chipgeometrie und dem Faktor 2 (Nyquist Kriterium) und bekommen die benötigte Anzahl Pixel, um das vom Kameraadapter gelieferte Bild verlustfrei aufnehmen zu können. Für eine Nikon DX Kamera mit APS-C Chip (23,6 mm * 15,8 mm) haben wir also:

Benötigte Auflösung KameraDX Chip = (2 * 46,88 * 23,6) * (2 * 46,88 * 15,8) = 2213 * 1481 = 3,28 Mega Pixel


Beispiel 2: 20x 0,50 NA EC Plan Neofluar, Zeiss Kameraadapter mit Vergrösserung 2,5 für Vollformat Chip (Nikon FX Kameras)

(3000 * 0,5) / (20 * 2,5) = 30 lpmm

Benötigte Auflösung KameraFX Chip= (2 * 30 * 23,9) * (2 * 30 * 36) = 1434 x 2160 = 3,1 Mega Pixel


Beispiel 3: 20x 0,80 NA Planapochromat, Zeiss Kameraadapter mit Vergrösserung 2,5 für Vollformat Chip (Nikon FX Kameras)

(3000 * 0,8) / (20 * 2,5) = 48 lpmm

Benötigte Auflösung KameraFX Chip= (2 * 48 * 23,9) * (2 * 48 * 36) = 2294 x 3456 = 7,93 Mega Pixel

Nun kommt noch das persönlich präferierte "Oversampling" hinzu. Meiner Erfahrung nach ist ein 4-faches Oversampling ideal. Deswegen macht eine 24 MP Vollformat Kamera (Bsp.: Canon EOS 5D Mk2) so gute Bilder auf dem Mikroskop.

Kein Wunder also, dass die Zeiss Kameraadapter eine Nachvergrößerung von 1.6x bzw. 2.5x anbieten. Sie sind wohl weniger für die unterschiedlichen Kameratypen (APS, Vollformat) gedacht, als für die unterschiedlichen Objektive, von denen besagte Spezialoptiken (Immersionen) höhere Nachvergrößerungen benötigen, um optimal angepasst zu sein.

Die Nachvergrösserung dient einzig der Anpassung auf die Sensor-Geometrie und hat nichts mit den Objektiven zu tun.

Es ist übrigens Stil des Forums, auch auf Beiträge zu antworten, die eine andere Meinung vertreten und nicht, diese zu ignorieren.

Herzliche Grüsse zum Sonntag,
Eckhard

[Lupus]

Hallo Thilo,

auf dem Niveau kann man keine Diskussion führen. Es geht in dem Thread um mögliche Vorteile von Vollformatkameras. Grundlage Deiner These war, dass diese mehr Pixel aufweisen als das APS-Format und damit kleinere Pixel. Ich habe in meinem Beitrag die aktuellen Daten der Canon-Kameras genannt. Wenn man weiß dass der Vollformatsensor die 2.6fache Fläche hat sieht man auch ohne rechnen, dass (wie auch Adi schon bestätigt hat), praktisch keine dieser Vollformatkamera kleinere Pixel hat, nicht einmal die 5Ds mit 50 MP - die hat gerade gleich große wie die APS-Kameras von Canon. Und dieses nachgeschobene Argument

Und natürlich bleibt es dabei, dass ein Vollformat mit einer höheren Bildauflösung bei solcher Adaption an das mikroskopische Feld die Bildinformation mit kleineren Flächenelementen abtastet.

ist somit weder richtig noch verständlich - wieviel höher muss die Bildauflösung gegenüber was sein?

Hubert

[the_playstation]

Hallo Thilo.

Bei deinem Beweisfoto kann ich nicht 100% (nicht einmal zu 50%) sagen, daß die Farberscheinungen durch eine Verletzung der Samplingrate zustande gekommen sind. Spontan fallen mir da viele andere mögliche Ursachen ein.

Zur Bayermaske (kein Sensor):
1.) Hat nicht jede Farbkamera eine Bayermaske.
2.) Ist die Anordnung nicht bei jeder identisch. Da das menschliche Auge Helligkeitsunterschiede wesentlich hochauflösender wahrnimmt als Farben werden Helligkeitswerte in der Regel feiner abgetastet und oder verarbeitet. Z.B. im 4:2:2 Format oder 4:1:1 Format. Eine Bayermaske könnte z.B. daher so aussehen: GRGB. Gibt es eine Quelle für die RGGB Anordnung? GRGB ist die Norm.
Und daher kann man nur von einer Halbierung und nicht von 1/4 sprechen.

Näheres kann nur Canon, Nikon, Sony, ... b.z.w. die Entwickler sagen. Oder man schaut sich die Sensoren unter dem Mikroskop an und zählt und überprüft deren Art, Typ.

Die div. anderen Parameter, die ich angesprochen habe, werden ja konsequent ignoriert. Auch wenn Sie z.B. zum Rauschen wesentlich mehr beitragen.

Es gibt Sensoren, die auch bei fast völliger Dunkelheit (und ohne IR Aufhellung) nahezu taghelle, rauscharme Bilder und Videos erzeugen.
Weil bei ihnen halt die von mir angesprochenen Parameter berücksichtigt wurden.

Bevor ich mich mit den hier angesprochenen Parametern (Sampling) beschäftige, würde ich ersteinmal schauen, ob ich nicht andere Baustellen vergessen oder ignoriert habe.

Liebe Grüße Jorrit.