Autor Thema: Pleurosigma angulatum und „Schiefe Beleuchtung“  (Gelesen 491 mal)

Carlos

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Pleurosigma angulatum und „Schiefe Beleuchtung“
« am: November 08, 2019, 18:09:25 Nachmittag »
Hallo,
Mit schiefer Beleuchtung kann man das „Auflösungsvermögen“ in einem Teil des Sehfeldes erhöhen. Im anderen Teil des Sehfelds wird es dagegen verringert. Die Aufteilung des Sehfeldes in diese beiden Bereiche ist abhängig von Richtung aus der schief beleuchtet wird und dem Grad der Dezentrierung der Blende und deren Größe.
Mit einer drehbaren, und variabel einstellbaren Blende, einsetzbar im Lichtaustritt im Fuß eines Ortholux unter einem Kondensor sollte man so nacheinander praktisch alle Bereiche des Sehfeldes nach und nach in höherer Auflösung betrachtet können. Durch Zusammenlegung digitaler Bilder dieser Bereich mit üblicher Software sollte man so zu Bildern kommen, die das gesamte Sehfeld  in höherer Auflösung wiedergeben.
Dies hab ich mit einem geliehenen (Danke Wolfgang!), original Leitz-Zusatzteil für ein Ortholux, mit einer verstellbaren und drehbaren Irisblende, die in den Lichtaustritt im Fuß des Ortholux-Stativs eingesteckt wird, nachgestellt.
Nach vielen Versuchen mit unterschiedlichen Objekten und unterschiedlichen Objektiven und Kondensoren hat sich für die Demonstration der Effekte folgende Kombination als besonders geeignet erwiesen:
1.   Als Objekt:  die Diatomee „Pleurosigma angulatum“
Sie wird häufig als Testdiatomee in der Mikroskopie zur Prüfung des Auflösungsvermögens von Objektiven und Kondensoren benutzt. Betrachtet wird dabei, ob die Feinstruktur der Diatomee erkennbar („aufgelöst“) wird. Erst ab einer „wirksamen“  Mindest-Apertur von ca. 0,75, hier wirken die  Apertur des Kondensors und des Objektivs zusammen, ist die Feinstruktur erkennbar. ( Im verwendeten Präparat ist die chemisch gereinigte Pleurosigma angulatum Diatomee in einem Eindeckmittel mit hohem BrechungsIndex zwischen Objektträger und Deckglas eingedeckt.)

2.   Als Objektiv:  Achromat-Leitz-Objektiv 25-fach 170/0,18  A =0,5
Der Abbildungsmaßstab des Objektivs könnte im Sehfeld gerade noch die Feinstruktur erkennen lassen, aber die Apertur reicht hierzu nicht aus. (Nur in Kombination mit einem Kondensor mit deutlich höherer Apertur könnte es reichen.)
3.   Als Kondensor für Schiefe Beleuchtung:  Leitz-Phaco-Revolver-Kondensor in DL Stellung mit bei offener Aperturblende  A = 0,95
Mit diesem Kondensor und dem Objektiv sollte eine „wirksame Apertur“ von nahe 0,75 erreichbar sein. Die Feinstruktur der Diatomee sollte damit gerade noch erkennbar sein.
Vorgehensweise:  Zunächst wurde die im Fuß des Ortholux eingebaute Leuchtfeldblende in der Ebene der Diatomee abgebildet, zentriert und dann durch Öffnen der Leuchtfeldblende das Sehfeld bis an den Rand ausgeleuchtet. (Köhlern, die Zusatz-Blende für schiefe Beleuchtung war zentriert  und geöffnet.)
Bei den Versuchen hat sich gezeigt, dass bei schiefer Beleuchtung die Zusatzblende soweit geschlossen werden soll, dass die Dezentrierung der Blende über den Rand des Sehfeldes reichen soll und so weniger als die Hälfte der Schieflicht-Blende das Sehfeld beleuchtet. (Diese Beleuchtung sollte bis etwa ¼ des Durchmessers des Sehfeldes reichen. In dieser Stellung kann dann die Blende entlang des Randes des Sehfeldes gedreht werden, um so aus unterschiedlicher Richtung das Objekt  gleichartig „schief“ zu beleuchten.)
Nachfolgend einige Bilder:
Alle Bilder wurden mit einer 5 MP Touptek –Okularkamera mit „Zwischen-Optik“ aus 17 mm Plössl-Astro-Okular + 10 x Periplan Mikroskop-Okular aufgenommen.  Die Ausschnitts-Bilder wurden mit Piccasa 3 erstellt, Bild 7 wurde mit der ToupView 3.7 „EDF“-Funktion erstellt.
   
Bild 1,  normales DL
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Bild 2,  normales DL, Ausschnitt aus Bild 1
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Bild 3 DF, Ausschnitt
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Bild 4,  Ausschnitt, Schiefe Beleuchtung, von „unten“ , kleine, dezentrierte Blende ( Licht 1/3 bis zur Sehfeldmitte reichend)
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Bild 5,  Ausschnitt, Schiefe Beleuchtung, von „oben“, kleine, dezentrierte Blende ( Licht 1/3 bis zur Sehfeldmitte reichend)
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Bild 6,  Ausschnitt, Schiefe Beleuchtung, von „links“, kleine, dezentrierte Blende ( Licht 1/3 bis zur Sehfeldmitte reichend)
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Bild 7,  Ausschnitt, Schiefe Beleuchtung, von „rechts“, kleine, dezentrierte Blende ( Licht 1/3 bis zur Sehfeldmitte reichend)
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Bild 8,  Ausschnitt, EDF-Bild aus Bild 3, Bild 4, Bild 5 und  Bild 6

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Diese Art der „schiefen Beleuchtung“ ermöglicht m.E. reproduzierbar Details in Teilen von betrachteten Objekten zu erkennen, die bei gleicher Apertur von Objektiv und Kondensor nicht erkennbar sind. Auf welche Teile der Objekte dies zutrifft hängt von der Richtung des Schieflichts ab. Durch die Möglichkeit , mit entsprechender Software „Schieflicht-Bilder“ aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet zusammenzulegen, auch das gesamte, betrachtete  Objekt detailreicher darzustellen. Die hier zusammengestellten Bilder sind zwar nicht optimal und verbesserungsfähig, sie zeigen aber m.E. das Prinzip.
Gruß Carlos

d65

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Re: Pleurosigma angulatum und „Schiefe Beleuchtung“
« Antwort #1 am: November 10, 2019, 22:10:34 Nachmittag »
Hallo Carlos,

eine sehr schöne Beschreibung. Bilder 2,4 und 5 zeigen genau, was man bei einer hexagonalen Struktur bei erhöhter Auflösung in nur einer Richtung erwarten würde. Weißt Du zufällig, was die EDF-Funktion tatsächlich macht? Also so auf Bildverarbeitungsebene. EDF steht vermutlich für Extended Depth of Field, aber das erklärt ja nicht wirklich was.

Spannend wäre die Frage, ob das auch bei Objektiven mit einer NA von 1.4 noch zu einer Auflösungsverbesserung führt.

Noch zwei Anmerkungen: Eine Apertur von 0,75 ist für Pleurosigma nicht erfoderlich. Im Kurs verwende ich 40x0.65 Objektive um zu demonstrieren, dass bei geöffneter Kondensor-Apertur die Struktur zu sehen ist, bei geschlossener aber nicht mehr.

Du schreibst: "Nur in Kombination mit einem Kondensor mit deutlich höherer Apertur könnte es reichen." So wie ich das verstehe nützt es nichts, wenn die NA des Kondensors größer ist als die des Objektivs. Denn wenn der Strahlkegel des Kondensors breiter ist als was das Objektiv aufnehmen kann ist das wohl nutzlos. Von daher hilft bei niedriger NA des Objektivs auch ein guter Kondensor nichts.

Liebe Grüße
Steffen

Carlos

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Re: Pleurosigma angulatum und „Schiefe Beleuchtung“
« Antwort #2 am: November 12, 2019, 08:39:08 Vormittag »
Hallo Steffen,
Mit der EDF-Funktion kann man „Stacken“.  M.W. werden dabei nur die scharfen Bereiche von Einzelbildern unterschiedlicher Ebenen des Objekts rechnerisch zu einem Bild zusammengelegt. Für „Stacken“ gibt es mehrere Programme z.B. „Picolay“ von Herbert Cypionka. Da die Steuerungssoftware „ToupView“ der Touptek-Okular-Kamera hierfür die EDF-Funktion hat, habe ich diese verwendet. (Damit könnte man vermutlich auch „normale“ Landschaftsaufnahmen einer Digital-Foto-Kamera „Stacken“,  also scharfe Bilder vom Nah-Bereich, Mittel-Bereich- und Hintergrund zu einem scharfen Bild zusammenlegen.)
Zitat
So wie ich das verstehe nützt es nichts, wenn die NA des Kondensors größer ist als die des Objektivs. Denn wenn der Strahlkegel des Kondensors breiter ist als was das Objektiv aufnehmen kann ist das wohl nutzlos. Von daher hilft bei niedriger NA des Objektivs auch ein guter Kondensor nichts.
Das habe ich lange Zeit ungeprüft auch geglaubt, hauptsächlich, weil bei der Erklärung des Auflösungsvermögens von Objektiven mit deren Objektiv-Apertur erklärt wird. Was im Sehfeld des Mikroskops aufgelöst wird, hängt auch von der Apertur des Kondensors ab. Eine m.E. sehr gute Erklärung hierzu findest Du in „Die Mikrofibel von Klaus Henkel“ (findest du im Forum ganz oben rechts) „Kapitel 3,Grundlagen der mikroskopischen Abbildung, S. 95 bis 106. Die Bedeutung der Kondensor-Apertur findet man explizit auf S. 102. (Eine bessere Erklärung habe ich bisher nicht gefunden.)
Welche Apertur hat denn der Kondensor bei deiner Demonstration mit dem 40ziger, A= 0,65 Objektiv? Wenn es ein Trocken-Kondensor ist, etwas kleiner als 1. Damit lägest Du mit dem 40ziger Objektiv und Kondensor bei einer „ wirksamen“ Apertur gesamt von A =  ca. 0,8.
Gruß Carlos 

konsonant

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Re: Pleurosigma angulatum und „Schiefe Beleuchtung“
« Antwort #3 am: November 12, 2019, 14:14:23 Nachmittag »
hallo ,
das Schieflicht könnte (so wage ich zu behaupten) auch von einer anderen Lichtquelle stammen und bräuchte dafür keinen Kondensor (der aber noch weitere Bildrichtungen (0-12Uhr) abdeckt) , es müßte nur eben aus dem gesuchten Aperturwinkel stammen .

Das Detail am Objekt könnte als Gitter verstanden werden , die Beugung am Gitter führt zu Überlagerung von Lichtkugelwellen was ein Interferenzmuster als gewünschtes aufgelöstes Bild erzeugt . Die Beugung am Gitter hat bei bestimmtem Gitterabstand das Auftreten der Interferenzmaxima in bestimmtem Winkeln , dh Haupt- und Nebenmaximum entstehen in bestimmtem Winkel mit Objektgitter als Zentrum voneinander . Geht das Hauptmaximum (0.ter Ordnung) durch die Objektivachse , verfehlt das Nebenmaximum wegen zu geringer Numerischer Apertur den Eingang ins Objektiv , ergo das Gitter wird nicht aufgelöst . Kommt das Licht von der Seite (Schieflicht) nutzt das Hauptmaximum eben einen in der Numerischen Apertur des Objektives noch möglichen Winkel und wenn man Glück hat reicht es auf der anderen Seite der Apertur noch für Einfang des Nebenmaximums , ergo das Gitter ist aufgelöst .

Wenn der Kondensor den benötigten Schieflichtwinkel nicht erlaubt , wird das Gitter nicht aufgelöst . Es reicht aber die dem Objektiv gleiche Kondensorapertur um das Hauptmaximum (0.ter ordnung (erstes Maximum)) an den Rand der Objektivapertur zu projizieren (mehr geht eh nicht) , ergo das Bild wäre aufgelöst , wenn das Nebenmaximum (Maximum 1. 2. 3.ter ... Ordnung ) es auch noch ins Objektiv schafft .

Die Winkelhalbierende von Haupt- und Nebenmaximum sei in der Objektivachse , die Hälfte des Winkels zwischen Haupt- und Nebenmaximum des Objektes(Gitters) muß der Numerischen Apertur des Objektives (also dem halben Öffnungswinkel) entsprechen um aufgelöst zu werden . 

( Wie sieht es aus , wenn man nur Nebenmaxima betrachten will ?( da bräuchte man wohl höhere Kondensorapertur .))

Wie Artefakt-belastet Schieflichtbilder sind kann man gut sehen , weshalb ja gern die wissenschaftliche Verwertbarkeit angezweifelt wird .

(Jetzt hätte ich gern ein paar einschätzend erklärende Worte zum Effekt der  "Spurios Resolution"  (siehe als Beispiel)  : https://www.dpreview.com/forums/thread/3970862 ) ((Kann ich es hier als Überschreitung der numerischen Apertur-Bedingung als scheinbare Auflösung erleben ?))

gruß konsonant 

konsonant

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Re: Pleurosigma angulatum und „Schiefe Beleuchtung“
« Antwort #4 am: November 13, 2019, 21:40:00 Nachmittag »
Um die Spurious Resolution noch einmal zu verdeutlichen , hier ein Pdf von Paul van Walree im Anhang , der seine Internetseite leider nicht mehr aktualisiert hat , deshalb von meiner Festplatte die datei , ohne seine Erlaubnis (der Kontakt funktioniert auch nicht mehr ).

Man sieht wie sich aus dem Linienmuster in der Unschärfe (out of focus) ein weiteres mal ein Linienmuster bilden kann , aber mit anderer Linienanzahl . Kennt das Jemand ? ich will auch Carlos Thread nicht entern , sollte ich evtl einen neuen Thread dafür aufmachen ?
gruß konsonant