Entwurf einer Auflicht-Beleuchtung für Selbstbau-Mikroskop

[ChristianH]

Hallo,
zur Einarbeitung in die optische Spektroskopie habe ich während einer längeren gesundheitlichen Auszeit mit dem Selbstbau eines Mikroskops mit angedocktem Spektrometer begonnen. Ziel ist die ortsaufgelöste Spektroskopie speziell von Oberflächen. Aktuell bin ich beim Entwurf der Auflichtbeleuchtung und suche dafür noch Informationen. Zuerst kommt eine kurze Vorstellung des Projekts und dann der Stand der Auflichtbeleuchtung.

Das ganze soll als Hobby-Projekt bezahlbar bleiben und basiert auf Resten aus einer Labor-Auflösung, optischen und mechanischen Komponenten aus der Bucht und Selbstgebautem. Im Anhang sind Fotos als Überblick. Das Stativ stammt aus einer mechanischen Werkstatt und erlaubt eine grobe Höheneinstellung der optischen Komponenten. Darauf befestigt ist eine optische Schiene mit vier Schiebern. Unten ist ein Objektivrevolver mit Platz für 4 RMS-Objektive (altes Lomo-Teil), darüber die Auflichtachse, darüber Platz für Filter, und oben eine 5 MP China-Mikroskopkamera mit Okular. Die Kamera sitzt auf einem Schlitten um alternativ das Licht in das Spektrometer zu leiten (aktuelle Planung über Wellenleiter, ist aber noch nicht fertig). Die Probenbühne besteht aus 3 gestapelten Linearvorschüben und soll noch motorisiert werden. Für Durchstrahlung gibt es unten eine LED-Taschenlampe und einen noch nicht angebauten Kondensor (Hersteller PZO).

Das Spektrometer besteht aus einem alten 250 mm Monochromator, den ich gereinigt und motorisiert habe (Schrittmotor, 3200 Schritte pro Umdrehung). Als Detektor ist ein CCD-Array mit 3648 Pixeln verbaut (Toshiba TCD1304AP, ca. 10 Euro), die Ansteuerung geht mit einem Arduino und einer sehr guten Firm/Freeware (https://tcd1304.wordpress.com/). Die theoretische Wellenlängenauflösung ist 0.01 nm, gemessen habe ich bisher 0.03 nm (587 nm Linie einer Energiesparlampe). Das CCD-Array ist umgebaut auf Peltier-Kühlung bis ca. -20°C zur Rauschminderung.

So, jetzt zur Auflichtachse. Im Strahlengang befindet sich ein 30/70 Scheiben-Strahlteiler, mit dem das Licht einer LED-Taschenlampe (später auch ein Laser) auf die Rückseite der Objektive gelenkt wird. Zur Strahlformung habe ich 3 Linsen und eine Iris-Blende. Ausgehend von der Rückseite der Objektive befindet sich die erste Linse f100 in einem Abstand von 115 mm. Dann kommt in einem Abstand von 60 mm eine f80-Linse, dann nach weiteren 40 mm die Iris, nach 50 mm eine f50-Linse und dann die fokussierte LED. Die Abstände wurden durch Ausprobieren gefunden und ergeben eine halbwegs gleichmäßige Beleuchtung der Probe. Wichtig ist die Position der f80-Linse als Kompromiss zwischen Kontrast und gleichmäßiger Ausleuchtung, die Iris ist fast zu. Das Ausprobieren war lehrreich, aber ich würde mir eine etwas präzisere Herangehensweise wünschen. Daher bin ich auf der Suche nach Methoden zur Berechnung der Beleuchtung. Im Netz gibt es zwar diverse Bildchen zur Köhler-Beleuchtung, aber ohne Details zu den Berechnungsgrundlagen. Über Unterstützung würde ich mich sehr freuen.

Viele Grüße
Christian
 

[Lupus]

Hallo Christian,

eine Köhler-Beleuchtung wird das so nicht. Das beginnt schon damit, dass man eine definierte Flächenlichtquelle benötigt. Eine LED Taschenlampe beinhaltet selbst eine abbildende Optik die man berücksichtigen muss, und ein Laser macht beleuchtungstechnisch wenig Sinn außer man benötigt ihn zur engbandigen Fluoreszenzanregung. Dann muss man den Strahlengang umbauen.
Für eine gute Beleuchtung würde man eine zweite Irisblende benötigen (Aperturblende und Leuchtfeldblende).

Das Prinzip besteht darin, dass die Leuchtfläche über eine erste Linse in die Öffnung einer Blende abgebildet wird (Aperturblende), das Leuchtflächenbild wiederum über ein oder zwei Linsen in die hintere Objektiv-Brennebene. Die Leuchtfeldblende (nach der zweiten Linse) wird entweder bei ausreichendem Abstand, der hier zur Verfügung steht, direkt vom Objektiv auf das Objekt abgebildet, oder mit zusätzlicher Hilfe einer dritten Linse vor dem Strahlteiler.

Man muss zur Dimensionierung erst einmal die Größe der Leuchtquelle kennen.

Hubert

[liftboy]

Es ist doch immer wieder erstaunlich, zu was alles Lomo-Teile missbraucht werden können ;-)
Wenn noch Teile benötigt werden, sprich mich ruhig an.

Grüße
Wolfgang

[Klaus Herrmann]

Hallo Christian, beachtliche Edelbastelerei.

Wir hatten als ich noch in Amt und Würden war in meinem Bereich in der Analytik ein IR-Mikroskop von Perkin Elmer. Heute haben sie das ersetzt - weil mit 20 Jahren schon steinalt - durch eine Wundermaschine, die ganze Bereiche abrastern kann und dann ein Oberflächenbild darstellen kann mit Materialidentifizierung. Hat aber auch 250000.- gekostet. Schon erstaunlich, was es inzwischen gibt.

Die Frage ist: willst du so etwas ähnliches auch im Vis-Bereich realisieren?

[konsonant]

hallo
Da Spektrometer und Kamera zugleich funktionieren sollen reicht es nicht allein den fokussierten Punkt zum Spektroskopieren zu beleuchten, sondern das Objektfeld müßte für die Kamera auch gut ausgeleuchtet sein. Es täte sonst reichen die Led in der Zwischenbildebene (160mm) des Objektivs zu positionieren, das hier zugleich der Kondensor ist, somit wäre die Led im Objekt abgebildet. Falls das Objekt aber spiegelt hätte man das Bild der Led auch direkt im Sensor bzw Auge.

Für Köhlersche Beleuchtung würde ich die Leuchtfeldblendenebene ins Zwischenbild des Objektives(=Kondensor) legen. Die Aperturblendenebene wähne ich in der Nähe der Entfernung der Brennweite des Objektives hinter dem Objektiv  (Eintrittspupille=Austrittspupille)  (Mikrofibel s 62). Das wäre aber sehr nah hinter dem Objektiv, und vermutlich deshalb schlägt Lupus der gewiss der Experte auf diesem Gebiet ist eine andere Lösung vor. Mir ist aber nicht so richtig klar, was Lupus hier vorschlägt. Die Led muß aber mit einer Kollektorlinse in die Aperturblendenebene des Objektives(=Kondensor) abgebildet werden, die Leuchtfeldblendenebene (=Zwischenbildebene des Objektives als Kondensor) liegt um direkte Abbildung von staubbehafteten Flächen oder Strukturen zu vermeiden hinter dieser Kollektorlinse. 
Bin ich mal gespannt wie das weitergeht , gruß conso

[Michael L.]

Hallo Christian,

beachtliches Projekt! Wofür brauchst Du Köhler Beleuchtung? Das Streulicht kannst Du durch Iris Blenden eingrenzen, Auflösungsverluste dürften für diese Anwendung egal sein. Laser Beleuchtung dürfte für Raman Spektroskopie gedacht sein oder?

Gruß,

Michael

[ChristianH]

Vielen Dank für die vielen Antworten. Ich antworte am besten mal der Reihe nach.

@ Lupus
Hallo Hubert, ja der Chip der LED hat eine Linse (Durchmesser ca. 5 mm) und die Taschenlampe eine zweite (Durchmesser ca. 25 mm, f ca. 20-25). Hoffe, das ist ein Ansatz für die Dimensionierung. Die f50 Linse fokussiert das Licht der Lampe auf die Iris. Da dann der Chip abgebildet wird, defokussiere ich etwas. Die fast geschlossene Iris stelle ich mir dann als Punktquelle vor. Anbei ein Foto mit einer Simulation des aktuellen Strahlengangs. Die Simulation wurde mit der Freeware OpticalRayTracer gemacht (https://arachnoid.com/OpticalRayTracer/), allerdings mit Näherungen (z.B. das Objektiv als Linse) und ich bin mir über die Interpretation nicht im klaren. Ich hatte Köhler so verstanden, das es eine Feldblende für den beleuchteten Ausschnitt und eine Aperturblende für die Helligkeit gibt. Die Helligkeit kann über die Spannung der LED geregelt werden, daher ist erstmal nur eine Blende vorgesehen (habe aktuell auch nur eine  ). Der Laser ist für die Spektroskopie.

@liftboy
Hallo Wolfgang, ich habe ein altes Binokular Lomo Biolam und finde es speziell bei dem Preis nicht schlecht. Daher habe ich jetzt auch Lomo-Teile verbaut. Der Revolver hat nur 10 Euro gekostet, allerdings war der Bau und die Justage der Halterung etwas fummelig. Für den Selbstbau benutzte ich drei Lomo Standard-Objektive (8x, 20x, 40x) und ein Olympus ULWD MS PLAN 80, 0.75, infty/0/f=180, mit großem Arbeitsabstand für Messungen an gekühlten Proben mit Deckglas zum Vermeiden von Vereisung. Unerwartet bildet das Olympus ohne Änderung am Aufbau ganz ordentlich ab, obwohl die Tubuslänge von 160 mm an die Lomo-Objektive angepasst ist und das Olympus eigentlich eine zusätzliche Linse benötigen müsste.

@Klaus Herrmann
Hallo Klaus, die Probenbühne soll mit drei Schrittmotoren analog zu einer Hobby CNC bestückt werden. Damit möchte ich plane Probenoberflächen rastern und ortsaufgelöst Spektren nehmen. Mit 3200 Schritten pro Umdrehung müssten theoretisch etwa 300 nm Schrittweite möglich sein, befürchte aber das die Mechanik nicht mitspielt. Das Spektrometer reicht von 400 bis 1000 nm, also VIS und NIR. Ich habe als "Vorbild" ein kommerzielles Raman-Spektrometer (Renishaw InVia), das bei etwa 150.000 Euro liegt.

So jetzt ruft die Pflicht, später mehr 

[liftboy]

Hallo Christian,

schon mal dran gedacht, als Lichquelle eine alte Stand-Köhlerleuchte (Zeiss/ROW/Lomo) zu verwenden? Damit kannst Du nach Bedarf köhlern!

Grüße
Wolfgang

[konsonant]

Hallo ,
ich verstehe nicht : soll die Led im Präparat abgebildet sein oder lieber ein größeres Leuchtfeld? Für das Kamerabild ist sicher die volle Apertur der Objektive zu nutzen von Vorteil. Sollen nur einige Pixel der Kamera ausgelesen werden ?
Das Zwischenbild müßte jetzt hinter der 100mm Linse sein, vielleicht in der 80mm Linse. ich würde lieber die 100mm Linse als Kollektor nehmen um die Led in den hinteren Objektivstrahlengang abzubilden, die Iris vor der 100mm als Leuchtfeldblende, die Iris 160mm vom Objektiv entfernt. Wenn man das Durchlicht benutzt kann man doch ein Präparat (zB Sieb) in den Auflichtstrahlengang abbilden (auf Papier) um die Zwischenbildebene zu finden. gruß conso

Nachtrag , berechnen kann man die Brennweiten schon, nur ist das nicht meine Stärke, aber es gibt die Linsenschleiferformel und die Brennweiteberechnung in Wikipedia zB, allein die Zeichnung dort stößt mich schon ab. Wünsche viel Vergnügen

[Lupus]

Hallo Christian,

ein Laser benötigt einen anderen Strahlengang, außer man verwendet eine Mattscheibe.

Die Aperturblende ist nicht primär für die Helligkeit sondert steuert den Beleuchtungswinkel des Objektes. Man kann ersatzweise auch eine einfache Lochblende zum Auswechseln verwenden.

Die Kollektorlinse der Taschenlampe kompliziert nur den Aufbau, ich würde sie entfernen. Der übliche Linsenvorsatz der LED erzeugt einen engeren Abstrahlwinkel, vergrö§ert die Leuchtfläche in Form eines virtuellen Bildes der LED und verschiebt dessen Ort nach hinten. Das wäre dann der Ausgangspunkt der Lichtquelle.

Die 50 mm Linse sollte sich zunächst in 100 mm Abstand nach der LED befinden, für ihre 1:1 Abbildung (lässt sich nach Bedarf verändern). An diesem Ort wäre die Position der Aperturblende. Bei Auflichtbeleuchtung ist das Objektiv gleichzeitig Kondensor, man kommt daher nicht an den richtigen Ort der Aperturblende heran (etwa hintere Objektivbrennebene) und erzeugt folglich dort ein Bild der vorher erwähnten Blende.

Nach der Aperturblende kommt nach 80 mm die 80mm Linse, nach weiteren 80mm die Leuchtfeldblende.
Die 100mm Linse folgt danach in etwas geringerem Abstand als ihre Brennweite für ein leicht divergentes Strahlenbündel am Objektiv (damit das Bild der LB durch die 100mm Linse + Objektiv scharf in der Objektebene abgebildet wird). Die 100mm Linse befindet sich in Brennweitenabstand zur Objektivrückseite.

Die Aperturblende wird folglich durch die 80mm + 100mm Linse in die hintere Objektivbrennebene abgebildet.

Nachdem der Pupillendurchmesser der Objektive im Vergleich zur Aperturblende eines normalen Durchlichtkondensors kleiner ist (typisch 6-9 mm), sollte auch der Strahlengang so angepasst sein dass das Bild der LED im Optimalfall etwa auf diese Größe gebracht wird. Für eine genaue Berechnung müsste man den LED Durchmesser (ihres virtuelles Bildes) kennen, den kann man durch die Bildgröße der Abbildung mit der 50mm Linse bestimmen.

Hubert

[ChristianH]

@konsonant
Hallo, die Kamera ist eher zum Aussuchen der Probenposition für die spätere Messung. Danach schalte ich um auf den Laser mit Spektrometer. Die LED-Beleuchtung soll die Probe dabei gleichmäßig ausleuchten, der Laser nur einen möglichst kleinen Spot. Ich befürchte, dass erfordert zwei separate Strahlengänge.

@Michael L.
Hallo Michael, ich habe für die Beleuchtung mit der Taschenlampe ohne weitere optische Komponenten begonnen, das Ergebnis war aber unbefriedigend. Dann kam immer mehr dazu bis zur aktuellen Konfiguration. Vor daher ist Köhler nicht die Vorgabe. Ich habe aber das Gefühl, dass jetzt die Grenzen des Ausprobierens erreicht sind. Der Mikroskopie-Teil soll nicht mit Profi-Geräten konkurieren, aber etwas besser als jetzt wäre schon schön.

Angehängt sind zur Illustration Bilder von einer glatten Oberfläche mit metallischen Kontakten, einmal mit einen soliden Leica-Mikroskop und dann mit dem Selbstbau aufgenommen. Die Kontakte sind beim Selbstbau etwas unschärfer, aber im Hinblick auf die deutlich einfacheren Objektive Ok. Mich stört die inhomogene Ausleuchtung (und der Staub auf der Optik).

@liftboy
Hallo Wolfgang, kenne ich nicht, wie sieht sowas aus?

@Lupus
Hallo Hubert, super, vielen Dank für den detaillierten Entwurf und den Hinweis zu den Blenden. Genau so ein Konzept habe ich gesucht. Das probiere ich am Wochenende mal aus. Durch das Baumarkt-Alu-U-Profil quasi als einfache optische Schiene müsste das relativ einfach gehen.

[Lupus]

Hallo,

hier die optische Anordnung als Skizze.

Hubert

[liftboy]

Hallo erstmal,

so sieht eine "traditionelle" Köhlerleuchte aus:

http://www.mikroskopfreunde-nordhessen.de/dateien/OI_19.pdf

Wolfgang

[Michael L.]

Hallo Christian,

kann es sein, dass die Aufnahme mit dem Leitz einen Polarisationsfilter im Beleuchtungsstrahlengang eingeschaltet hatte? Ist bei Auflicht und metallischen Oberflächen eigentlich üblich, kannst Du ja noch ganz einfach in Deine Konstruktion einbringen.

Gruß,

Michael

[konsonant]

Ah, jetzt verstehe ich, Lupus konstruiert eine zweite konjugierte Aperturblende (AB), weil die eigentliche Aperturblendenebene(AB') zu nah hinter dem Objektiv liegt. gruß conso