Autor Thema: Die AL-Fluoreszenz und die Halogenlampe...  (Gelesen 486 mal)

Marcus_S

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Die AL-Fluoreszenz und die Halogenlampe...
« am: September 13, 2020, 17:47:52 Nachmittag »
Moin!

Da ja immer wieder einmal überlegt wird, ob man mit Halogenanregung (Auflicht-)Fluoreszenzmikroskopie betreiben kann (man kann!), hier ein wenig Futter dazu. Wissenschaftlich ist das überhaupt keine Sensation, neu ist es auch nicht, wurde auch hier schon diskutiert, ist aber vielleicht doch ein brauchbarer, erneuter Aufguß.


Für die Bildhelligkeit gibt es ja eine einschlägige Formel, die den Einfluß der Apertur und der Vergrößerung beschreiben soll:

(1)     Helligkeit ~ (numerische Apertur)^4 * Transmission / (Vergrößerung)^2

Die kommt mir aber sehr eigenartig vor, denn das würde ja nach meiner Überlegung bedeuten, daß die Bildhelligkeit entweder von der Transparenz der Optik im Wellenlängenbereich des Anregungslichtes oder der Transparenz im Wellenlängenbereich des emittierten Fluoreszenzlichtes unabhängig ist. Und das will mir nicht einleuchten.

Ich nehme also - abweichend von der o. g. Formel - ganz frech und eigenmächtig einen quadratischen Einfluß der Objektivtransmission an, da ja mit Sicherheit sowohl das Anregungslicht und auch das emittierte Licht vom Objektiv geschwächt werden:

(2)     Helligkeit ~ (numerische Apertur)^4 * Transmission(Ex) * Transmission(Em) / (Vergrößerung)^2

Füttert man ein Tabellenkalkulationsprogramm mit der Formel (2) und den typischen Daten einiger Objektive, dann erhält man ein hübsches Säulendiagramm (Bild 1a). Bei jeweils gleichem Präparat und jeweils gleicher mikroskopischer Umgebung ist also der Einfluß der numerischen Apertur doch erheblich. Es fallen da deutlich drei Objektiv-"Leuchttürme" auf, die aber leider auch in der Objektiv-Preisliste genauso deutlich auffallen. Aber: jeder Fitzel an Apertur zählt. Theoretisch.


Solche Zahlen sind natürlich nur schlecht greifbar. Der Wert 100 in dem Diagramm (also etwa der meiner "Hausreferenz" 10x/0,3) entspricht an dem hier verwendeten Testpräparat zufällig einer Helligkeit, die bequem in einer schwach beleuchteten Zimmerecke mit dem Auge sehr angenehm und hell, aber nicht blendend, sichtbar ist. Mit "100" kann man (also ich...) an deutlich fluoreszierenden Präparaten (was auch immer das ist...) schon was anfangen.
Und man darf nicht vergessen: das Auge guckt eher logarithmisch, die Kamera normalerweise eher nicht. Deshalb sieht das in der logarithmierten Darstellung schon sehr viel sparschweinfreundlicher aus (Bild 1a). Dennoch: das Logarithmieren hilft nur begrenzt, der Unterschied zwischen "100" und "200" ist für meine Äuglein deutlich erkennbar.


Und wenn man dann ein paar Objektive einmal an das Mikroskop schraubt, dann kann man das auch in der Realität bewundern (Bild 2).

Als Präparat diente das gelbe Beschriftungsfeld eines Objektträgers, mit ein wenig Glycerin mit Deckglas eingedeckelt. Auflicht-Fluoreszenzanregung mit 100 W - Halogenlampe (EVA), Superbreitband-Blauanregung (420 nm - 480 nm, da sollte die ggf. unterschiedliche Objektivtransmission noch nicht zu dramatisch reinpfuschen). Bilder alle mit unveränderter Beleuchtung mit der SW-Kamera (10 ms Belichtungszeit, Verstärkung 50) aufgenommen, absolut unbearbeitet mit IrfanView aneinandergebaut und beschriftet und dann fürs Forum verkleinert.

Was sieht man? Ein 40x/1,3 macht hübsch hell... Und der Phasenring macht das 40x/0,65 Ph natürlich nicht wirklich konkurrenzfähiger. "Mißt" man den Mittelwert der Grauwerte (rechteckförmiges Meßfeld um die beiden "dicken Löcher" als obere linke und untere rechte Ecke des Feldes gelegt) mit Fitswork, dann erhält man diese Ungefähr-Werte:

40x/0,65 Ph   Mittelwert 15
40x/0,75   Mittelwert 34
40x/1,30   Mittelwert 135
20x/0,75   Mittelwert 101

Eigentlich müßte das 40x/1,30 Öl noch deutlich heller sein, das erscheint mir etwas komisch (kann das Präparat in der Sättigung sein? Gibt es in der Festkörperfluoreszenz sowas?). Die aus Bild 1 zu erwartende "Helligkeitsrangfolge" von etwa 1:2:6 für die drei "lichtschwachen" Objektive kann man aber mit ein wenig Wohlwollen doch erkennen.


Also: es lohnt vielleicht, statt auf eine Quecksilberlampe lieber auf ein möglichst hocheraperturiges Objektiv zu sparen. Und wenn das gerade nicht vorbeikommt, dann kann man ja für Fluoreszenzbilder auch etwas länger belichten, mit dem Gucken wird's dann manchmal bei schwach fluoreszierenden Präparaten schwierig.


Viele Grüße von

Marcus


Marcus_S

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Re: Die AL-Fluoreszenz und die Halogenlampe...
« Antwort #1 am: September 13, 2020, 17:51:25 Nachmittag »
... und weil ja auch die immer mal die Frage nach UV-Anregung mit Halogenlampen aufkommt, hier noch ein paar Überlegungen. Auch das ist alles nix Neues, nur nochmal aufgekocht...


Wenn man so vor sich hin fluoreszenzmikroskopiert, dann gelüstet es einen manchmal, auch mit UV anzuregen. Nicht nur, um mit Vollwaschmittelextrakten zu panschen.
Ein 100 W-Halogenlampenhaus ist für viele Mikroskope verfügbar oder sowieso schon vorhanden, die Halogenlampen sind billig und (noch) recht einfach erhältlich. Die Halogenlampen gibt es meines Wissens in der 100 W - Ausführung in zwei Versionen:

Typ EVA, 3300 K, Lebensdauer 2000 h, 2800 lm
Typ FCR, 3450 K, Lebensdauer 50 h, 3600 lm

Glaubt man dem Internet, so läßt sich eine Halogenlampe für Hobbyzwecke als schwarzer Strahler ansehen. Entnimmt man Wikipedia die Plancksche Strahlungsformel und füttert damit (hoffentlich richtig) ein Tabellenkalkulationsprogramm, dann erhält man ein hübsches buntes Bild (Bild 3), das die Strahlungsleistung als Funktion der Wellenlänge für die beiden o. g. Halogenlampen zeigt.
Das Bild sagt schon: im UV ist nicht mehr so viel Intensität im Angebot, aber deutlich mehr als nichts und das Erhöhen der Farbtemperatur lohnt durchaus, zumal man ja nur die Lampe in der Fassung wechseln muß, da die Wendelposition etwa gleich ist. Die Homogenität der Ausleuchtung mag dabei aber u. U. ein wenig leiden.

Allerdings gibt das Bildchen nur die Strahlung des schwarzen Strahlers an. Wenn der Lampenkolben dichtmacht, ist es natürlich duster. Die Firma Philips zumindest gibt aber in ihrem Datenblatt (vorgestern abgefragt) "Bulb Material Quartz-UV Open" an. Das macht Hoffnung.

Eine Fluoreszenzanregung mit Halogenlampe ohne Filtersatz ist eher unsinnig, die Durchlaßkurven der Filter müssen natürlich mit einberechnet werden. Und die Transparenz der Objektive. Und wenn man das so aus den ganzen Papieren zusammenkramt und abschätzt, dann bekommt man für verschiedene Olympus-Filtersätze und verschiedene Schwarzstrahlertemperaturen noch ein weiteres hübsches Bild (Bild 4).

Daraus sieht man, daß die Fluoreszenzintensität auch im UV durchaus merklich ist (natürlich nur, wenn das Präparat mitmacht...). Und daß man mit der Apertur was erreichen kann. Und daß man es bei Halogenanregung mit Schmalbandfilter nicht leicht hat. Bei der Standard-EVA-Lampe ist nach dieser Rechnung die Fluoreszenzintensität aber zumindest mit einem Breitband-UV-Filter (und ein wenig Apertur...) durchaus interessant. Soweit die Theorie.


Und wie sieht das in der Realität aus?

An meinem kleinen alten Olympus mit einem Schmalband-UV-Filterblock (U-MNU) in der Auflichtachse traten als Beleuchtung an:
- eine sehr gebrauchte Philips 77241 EVA (3300 K, 2000 h - Type) mit noch immer klarem Lampenkolben,
- eine sehr selten gebrauchte, etwa 20 Jahre alte, aber im Lampenkolben mit reichlichem Metallniederschlag belegte Osram Xenophot HLX 64625 FCR (3450 K, 50 h - Type), geschätzt 10 h Betriebsdauer und
- meine LED-Wunderlampe: https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=37708.0

Daß es natürlich nicht in jedem Fall so wahnsinnig pfiffig ist, mit einer Halogenlampe breitbandig anzuregen und dann schmalbandig wieder auszufiltern und sich so um den Großteil der Anregungsintensität zu bringen, das sei hier einmal großzügig ignoriert. Ich habe nunmal keinen Breitband-UV-Würfel und für die LED paßt der ja wunderbar.

Als Präparat diente wieder das Beschriftungsfeld des Objektträgers, das auch bei UV-Anregung fluoreszierte, allerdings recht schwach. Geknipst wieder mit der Schwarzweißkamera mit jeweils identischer Verstärkung, allerdings mit recht unterschiedlichen (!) Belichtungszeiten.

Die Fluoreszenzintensität bei Verwendung der EVA mit dem 40x/0,75 war derart, daß ich im leicht abgdunkelten Zimmer schon recht gründlich gucken mußte, um mit dem Auge etwas zu erkennen (Trinotubus 100 vis.).

Und nun ein Blick auf Bild 5... Dazu muß man nicht viel schreiben. Apertur hilft, Farbtemperatur hilft auch (und ist einfach gemacht...). LED hilft noch mehr. Allerdings muß dazu gesagt werden, daß das hier verwendete Lampenhaus nur das nach vorn abgestrahlte Licht der Halogenlampe nutzt (warum auch immer), denn hinter der Lampe befindet sich in diesem Lampenhaus kein Spiegel. Mit anderen Lampenhäusern mag das für die Halogenlampe besser aussehen.

Zur Ehrenrettung der Halogenlampe muß aber noch gesagt werden, daß man im Gegensatz zu der LED mit ihren rund 700 mW Leistung natürlich nur den letzten kurzwelligen Zipfel des Spektrums nutzt. Summiert man die Schwarzstrahler-Intensität von 300 nm bis 5 µm und nimmt dann nur den Anteil, der im Durchlaßbereich des Filters abgestrahlt wird, dann bleibt von der Gesamt-Lampenleistung von 100 W nur noch 50 mW (EVA) bzw. 70 mW (FCR) bei Schmalbandanregung übrig, und die auch noch um die Lampenhaus-Abstrahl-Geometrie (kein Spiegel...) vermindert. Und dann paßt das mit den Bildhelligkeiten und Belichtungszeiten aus Bild 5 auch wieder ganz gut zusammen.


Mein Fazit: bei kooperativen Präparaten lohnt (zumindest zum Anfixen) der Versuch mit UV-Halogenanregung und Breitbandanregungsfilter durchaus. Die einfachste Tuningmöglichkeiten ist die hellere FCR-Lampe. Allerdings kommt die gegen eine einfache Bastel-LED-Beleuchtung nicht im Entferntesten an.


Nochmal Grüße von

Marcus


peter-h

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Re: Die AL-Fluoreszenz und die Halogenlampe...
« Antwort #2 am: September 13, 2020, 18:38:33 Nachmittag »
Hallo Marcus,

mit einem Kraftwerk die wenigen Prozent nutzbarer Strahlung herausfiltern ist schon einemutige Sache. Ich suche und finde kein geeignetes Schott Filterglas, welches "nur" für UV transparent ist. Leider haben die SW-Kameras bis 1000nm eine gute Empfindlichkeit und sehen dann den IR-Anteil, welcher von den UG-Filter nicht geblockt werden. Die heute üblichen UV-IR-Schutzfilter sind auch ungeeignet, denn sie sperren UV !
Zeige doch bitte Deine Filtervorschläge.

Gruß
Peter

Werner

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Re: Die AL-Fluoreszenz und die Halogenlampe...
« Antwort #3 am: September 13, 2020, 19:44:14 Nachmittag »
Bei der relativ geringen UV-Intensität der Halogenbirnen ist statt eines absorbierenden Filters die Verwendung eines Monochromators sinnvoll. Der einfachste Monochromator ist ein Konkavgitter, bei dem abbildende Elemente ja bereits gegeben sind.  Der Selbstbau damit ist nur wenig aufwändig und sehr kompakt. Man kann mit breitem Ausgangsspalt arbeiten, da ja nur das sichtbare Spektrum ausgeblendet werden soll. Damit hat man hohe Intensität. Eine Wellenlängen-(bereichs)einstellung kann durch Drehen des Gitters (bei festem Spalt) erfolgen.
UV-LC-Detektoren (und Fluoreszenz) werden manchmal günstig angeboten, da sind diese Teile drin, auch Deuteriumlampen als UV-Quelle. Ältere Geräte haben größere und damit lichtstärkere Komponenten, bei den neuen ist alles mini.

Nur so als Anregung - Werner
« Letzte Änderung: September 13, 2020, 19:47:01 Nachmittag von Werner »

Marcus_S

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Re: Die AL-Fluoreszenz und die Halogenlampe...
« Antwort #4 am: September 13, 2020, 19:45:17 Nachmittag »
Moin Peter,

dankeschön für Deine Anmerkungen. Du hast völlig Recht: elegant ist was Anderes, aber bei einer Quecksilberdampflampe dürfte die Sache mit dem ausgefilterten "Lichtabfall" nicht um Größenordnungen besser aussehen. LEDs sind hier für Hobby-Fluoreszenzler sicher die bessere oder gar die beste Wahl.


Zu Deiner Filterfrage: ich verwende kein Schott-Filterglas. Als Anregungsfilter, als Teilerspiegel und als Sperrfilter habe ich einen uralten U-MNU-Filterwürfel (noch aus einer Zeit, als es noch keine UV-LEDs gab) von Olympus in der Auflichtachse URA eingesetzt. Dazu gibt es Angaben zur Durchlaßkurve nur als kleines Bildchen mit linearer Skalierung im gedruckten Manual.

Der U-MNU laut diesem Bildchen in Worten:
- Anregungsfilter:
Durchlaßbereich Bandpaß 360 nm - 370 nm, ein spitzer, schmaler Peak mit max. 57 % Transmission, drumherum (bis 800 nm) Transmission 0 %
- dichroitischer Teilerspiegel:
DM 400: T = 10% bei etwa 390 nm, T = 50 % bei etwa 405 nm, T = 80 % bei etwa 420 nm, T(max.) etwa 93%
- Sperrfilter (Langpaß, BA420):
T = 10% bei etwa 410 nm, T = 50 % bei etwa 420 nm, T = 80 % bei etwa 430 nm, T(max.) etwa 90%

Vor der Kamera-Anpaßoptik und damit auch vor dem Kamerachip der ASI 178MM (also nach dem Sperrfilter) sitzt zusätzlich noch ein (Dir ja allerbest bekannter) Beloptik UV/IRcut on KG3 - Infrarot Sperrfilter.


Irgendwelche Probleme mit durchleckendem IR-Licht konnte ich bisher nicht feststellen, seitdem vor der Kamera der Beloptik sitzt, weder in AL noch in DL. Zumindest nicht bis zu einer Belichtungszeit von etwa 5 Sekunden bei etwa halber möglicher Verstärkung.


Hilft Dir das ein wenig?


Viele Grüße von

Marcus

Marcus_S

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Re: Die AL-Fluoreszenz und die Halogenlampe...
« Antwort #5 am: September 13, 2020, 20:07:04 Nachmittag »
Moin Werner,

die Idee mit dem Monochromator finde ich großartig, zumal hier im Regal ja noch einer aus einem ausgeschlachteten Pye Unicam-UV-Vis-Photometer rumliegt... Ich habe noch nie daran gedacht, den auch für Beleuchtungszwecke einzusetzen. Für irgendwelche Spezialexperimente merke ich mir das mal. Vielen Dank für die Anregung!

Aber - nimm es mir bitte nicht übel - für die "Hobby-Routine-UV-Anregung" ist mir so ein Umbau zu aufwendig, da bin ich mit meiner LED-Lampe an der Auflichtachse sehr zufrieden. Und bei der von mir bei meinen Spielchen meistgenutzten Blau- und Grünanregung sieht die Sache für die Halogenlampe ja auch nicht mehr ganz so unvorteilhaft aus, da kommt man ja auf eine beeindruckende "spektrale Ausnutzung" von über 1 %...  ;-)


Viele Grüße von

Marcus


reblaus

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Re: Die AL-Fluoreszenz und die Halogenlampe...
« Antwort #6 am: September 13, 2020, 20:12:25 Nachmittag »
Hallo Marcus -

Deine Betrachtungen finde ich durchaus anregend!
Aber im Grunde wurde alles schon gesagt während ich noch gegrübelt habe:
Nur wenn man zufällig eine komplette Halogenbeleuchtung geerbt hat, bei der man nicht weiter investieren muss, mögen solche Erwägungen für UV sinnvoll sein, wenigstens so lange bis eine Neuanschaffung der Lampe ins Haus steht. Andernfalls kommt man mit einer UV-LED in den letzten Jahren billiger weg, die kann man sogar problemlos mit einer nichtregelbaren Konstantstromquelle mit 700 mA versorgen - die Fluoreszenz ist selten zu hell und eine HBO kann man ja auch nicht regeln ;D.
Zwar kommt man auch damit nicht ohne Anregerfilter aus, falls man noch Blaufluoreszenz erfassen will, aber in der Summe wird es damit mit der Zeit wesentlich billiger.

Viele Grüße

Rolf

Marcus_S

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Re: Die AL-Fluoreszenz und die Halogenlampe...
« Antwort #7 am: September 13, 2020, 21:39:40 Nachmittag »
Moin Rolf,

dankeschön für Dein Lob. Als Anregung waren meine Ausführungen auch gedacht.

Natürlich ist es heutzutage sinniger, mit LEDs in die Fluoreszenzmikroskopie neu einzusteigen statt mit Halogen, insbesondere im UV. Einen Fluoreszenzmikroskopie-Start mit neu zu Listenpreisen zu beschaffender Halogenbeleuchtung möchte ich auch nicht vorgeschlagen haben. Ich hoffe nicht, daß mein Geschreibsel so aufgefaßt werden könnte. Ich dachte, daß der Helligkeitsvorteil der UV-LED gegenüber den Halogenlampen bei Schmalbandanregung aus den Fotos ausreichend deutlich geworden ist.

Mit den Betriebskosten für vorzentrierte Lampen hast Du natürlich recht. Wenn allerdings nicht vorzentrierte Lampen funktionieren (beispielsweise weil man ein zentrierbares Lampenhaus geerbt hat), dann sind die Preise nicht so schockierend. Für Bühnenbeleuchtung werden die ("dunklen") EVA derzeit so etwa für 3 Eur/Stück aus recht seriöser Quelle angeboten. Habe ich aber noch nicht ausprobiert.

Trotzdem finde ich es erstaunlich, was man aus so einer kleinen Halogenlampe auch im UV noch herausquetschen kann. Ich bleibe bei meiner Meinung: zum Anfixen reicht's - wenn das mit den Filtern klappt. Aber LED ist luxuriöser, gar keine Frage.


Viele Grüße von

Marcus


Werner

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Re: Die AL-Fluoreszenz und die Halogenlampe...
« Antwort #8 am: September 14, 2020, 08:15:50 Vormittag »
Hallo Marcus!

Ich nehme Dir gar nichts übel, warum auch.

Zur Ankopplung des Monochromators: Ein Faserbündel vereinfacht die Bastelei. Bei einer Kaltlichtlampe geht das ja auch. Wenn man gebrauchte Faserbündel zerlegt und neu ordnet oder Meterware neu kauft, kann man sogar die Querschnittswandlung spaltförmig zu rund relativ einfach realisieren. Die Apertur des Lichtkegels ähnelt dann der Apertur des Monochromators (der Spiegelbrennweite). Der Monochromator bleibt dabei stehen, wo er ist.

Außerdem möchte ich nochmal an intensivere Lichtquellen erinnern: Xenon-Scheinwerfer-Umrüstkits.
Die gibt es paarweise als Ladenhüter für rund 40 € bei ebay, weil sich die Händler Massen davon auf Lager legten, ohne auf das Verbot der Umrüstung seitens der deutschen StVO zu achten.

Gruß - Werner


Marcus_S

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Re: Die AL-Fluoreszenz und die Halogenlampe...
« Antwort #9 am: September 15, 2020, 11:53:17 Vormittag »
Moin Werner!

Vielen Dank für auch diese für mich sehr inspirierenden Basteltips.

Eigentlich wollte ich ja ein wenig fluoreszieren und ein wenig tümpeln üben... Aber nun rumpelt es im Kopf und ich versuche, mir irgendeine Anwendung auszudenken, um mal das Mikroskop mit einem Lichtleiter mit dem Monochromator mit einem Lichtleiter mit der Kaltlichtquelle zusammenzutüdern... Aber das würde eher nicht Fluoreszenz sein - vielleicht wäre das Bestimmen von Brechungsindizes ja auch ein nettes Hobby...

Viele Grüße von

Marcus