Experimente mit schiefer Beleuchtung

Begonnen von D.Mon, Februar 02, 2021, 00:38:38 VORMITTAG

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Jürgen H.

Hallo Hubert,

wir sollten uns darauf einigen, was wir mit schiefer Beleuchtung meinen. Soll das Hauptmaximum an den Rand des Gesichtsfeld verschoben werden, oder soll nur ein Teil der Nebenmaxima durch eine Blende herausgefiltert werden.  Im zweiten Fall ist selbstverständlich, dass die Auflösung an keiner Stelle verbessert werden kann, sondern allenfalls der Kontrast.

Schöne Grüße

Jürgen

Lupus

Hallo Jürgen,

Zitatwir sollten uns darauf einigen, was wir mit schiefer Beleuchtung meinen
das ist sicherlich sinnvoll, wobei ich diesen Thread i.V. mit den Fotobeispielen so interpretiere, dass es um eine optimale Darstellung von Phasenobjekten geht, also um die beste Blendenform dafür.
ZitatSoll das Hauptmaximum an den Rand des Gesichtsfeld verschoben werden
Was verstehst Du unter Hauptmaximum? Das klingt als hättest Du wieder das Abbesche Beugungsexperiment vor Augen. Ein isoliertes zentrales Maximum (also die Beugung nullter Ordnung) gibt es nur, wenn man das Objekt nur mit einer ebenen Welle oder zumindest einem Lichtbündel sehr geringer Divergenz beleuchtet. Und das erzielt man bei der Normalkonstellation einer Kondensorbeleuchtung nur durch eine nahezu auf den kleinsten Durchmesser zugezogenen Aperturblende, egal wohin die dann verschoben wurde.

Hubert

Jürgen Boschert

Hallo Hubert,

ich gehe nicht davon aus, dass Du die Abbe´schen Beugungsexperimente nun grundsätzlich in Frage stellen willst; denn immerhin geben sie uns durch genau definierte Vorgaben die Möglichkeit, was genau bei der Bildentstehung geschieht zu verstehen.

Und sie zeigen uns auch ganz klar, dass durch eine einseitig schiefe Beleuchtung das Auflösungsvermögen gesteigert wird. Durch Verschieben des Kondensors nach einer Seite wird das Hauptmaximum (0. Ordnung) an eine Seite der Austrittspupille verschoben; viel entscheidender ist jedoch, dass nun Nebenmaxima an der Bildentstehung mitwirken können, die bei gerader Beleuchtung durch die Begrenzung der Austrittspupille durch den Öffnungswinkel des Objektives nicht zur Wirkung kommen. Etwas überspitzt kann man formulieren, dass durch Verschieben des Maximums 0. Ordnung an den Rand in einer Richtung nicht nur der halbe Öffnungswinkel des Objektives, sondern der ganze zum Tragen kommt, die Auflösung damit verdoppelt wird; wie objektähnlich dann noch die erzielte Abbildung ist, steht auf einem anderen Blatt (solange wir das Maximum 0. Ordnung nicht auch noch ausblenden, sollte die Abbildung durchaus noch objektähnlich sein. Es ist gleichsam so, als hätten wir das Objektiv durch eines mit doppelter NA ersetzt, dann aber die Austrittspupille mittig halbiert.
Beste Grüße !

JB

junio

Hallo Hubert, Jürgen H. und Jürgen B.,

selbstverständlich verfolge ich die spannende Diskussion zum Thema der schiefen Beleuchtung.
Ich habe mir gerade noch einmal ein Gitter angesehen. Beim Verschieben der kleingezogenen Aperturblende ist der von den "Jürgens" geschilderte Effekt nachzuvollziehen, aber was passiert beim Öffnen der seitlich verschobenen Aperturblende auf Arbeitsniveau? Sind Informationen der einseitig äußeren Beugungsmaxima vorhanden, aber für die Bildentstehung nicht relevant (zu schwach, zu kontrastarm)?
Hier wäre es für mich hilfreich, lieber Hubert, wenn Du dazu noch einmal etwas sagen könntest.
Beste Grüße von Jürgen     

Lupus

Hallo Jürgen (B.),

wir drehen uns argumentativ etwas im Kreis bzw. reden aneinander vorbei. Über die Abbeschen Experimente müssen wir nicht diskutieren weil kein Dissens besteht.

Die Effekte lassen sich aber nicht 1:1 auf die reale (z.B. Köhlersche) Beleuchtung übertragen weil deren Lichtverteilung komplexer ist als die der Demonstrationsversuche. Ich dachte ich hatte es schon einmal erklärt, aber das ist ohne bildhafte Darstellung nicht einfach zu verstehen, ich versuche wenn ich etwas Zeit habe eine Skizze dazu zu machen.

Hubert

Lupus

Hallo Jürgen (S.),

ich habe Deine Frage nicht so ganz verstanden. Aber es ist doch so: Jede kleine Teilfläche der realen (großen) Aperturblende (entsprechend einer kleinen Blende des Abbe-Experimentes) erzeugt ein Beleuchtungslichtbündel mit einem entsprechenden Objekteinfallswinkel und zugehöriger Beugungswellen durch das Objekt. Bei Köhlerscher Beleuchtung ist das Licht in der Aperturebene nicht kohärent, d.h. man kann die Intensitäten des jeweiligen Objektbildes, das durch die Beleuchtung der vielen kleinen gedachten Blenden entsteht, einfach zu den Intensitäten der anderen Bilder aller benachbarten gedachten Blenden adieren, bis die reale Aperturblende damit abgedeckt ist. Man muss nur die individuelle Lage dieser Blenden zum Rand der realen Kondensoraperturblende hin beachten um die Beschneidung ihrer höheren Beugungsordnungen an der Objektivaustrittspupille zu berücksichtigen (wenn man es berechnen möchte, die Natur macht das natürlich selbst  ;) ).

Inwieweit höhere Beugungsordnungen für das Bild relevant sind oder überhaupt entstehen hängt von der Feinstruktur des beleuchteten Objektes ab. Die Abbe-Experimente sind da auch etwas irreführend, weil sie vereinfachend von einfachen periodischen Strukturen ausgehen und dabei klar trennbare Beugungsordnungen entstehen. Reale Objekte haben meist stochastische Strukturen, die Beugungsverteilung ist nicht periodisch mit Maxima und reicht praktisch beliebig weit vom Beleuchtungsstrahl weg.

Hubert

Lumi

Guten Abend zusammen,
ihr habt ja richtig Ahnung von der Theorie, die habe ich überhaupt nicht.
Aber ich mache gerade Fotos und Filme direkt am Gurkenglas.
Wenn ich die Unterseite von der großen Blasenschnecke filme, die gerade die Glaswand abgrast, dann ist Durchlicht-Beleuchtung ideal, die ganze Schnecke wird durchleuchtet und auch der abgrasende Mund wird gut ausgeleuchtet.
Wenn ich aber eine Hydra an der Glaswand filmen möchte, dann ist Durchlicht extrem schlecht, die gesamte Hydra leuchtet nur strahlend weiß und der Weißabgleich vom Handy spielt verrückt und der Zoom auch. Jetzt sucht man die schiefe Beleuchtung, und die ist nicht einfach zu finden um Farbe und Details (z.B. Tentakelsegmente) richtig darzustellen, und ich bin schon drauf und dran einen verstellbaren Halter für die Lichtquelle zu drucken mit dem 3D-Drucker.

Ich glaube der Martin und ich suchen nach praktischen Ideen und Lösungen die der Eine oder Andere schon realisiert hat und auch zeigen kann.
Ich persönlich habe gerade zwei Ersatz-Kondensoren daliegen, und möchte einen davon so umbauen, mit dem ich die obere Linse (Fischauge) drehen und schwenken kann, (oder auch vielleicht umdrehbar, also Fischauge zum Objekt)
Nur der Platzmangel und die Mechanik dazu ist mir erst mal etwas zu komplex für den festklemmbaren Kondensor, und für den 3D-Druck ist das auch mal eine andere Schwierigkeitsklasse, ich benötige immer erst den nötigen A....tritt um in die Gänge zu kommen, aber dann gehts meistens schnell. Ob ich mir dadurch Lösungen verspreche? Keine Ahnung, solche Arbeiten mache ich meistens um den Geist nicht zu vergrauen.
Vielleicht kann ich irgendwann mal was vorstellen und zeigen, momentan halt nicht.

Grüße
Franz

D.Mon

Hallo zusammen,

da habe ich ja etwas schönes angerichtet  ;).
Mich interessieren die physikalisch optischen Hintergründe sehr.
Ich habe da aber nur rudimentäre Kenntnisse und kann daher kaum etwas betragen.

Zitat von: Lupus in Februar 08, 2021, 15:06:21 NACHMITTAGS
..., wobei ich diesen Thread i.V. mit den Fotobeispielen so interpretiere, dass es um eine optimale Darstellung von Phasenobjekten geht, also um die beste Blendenform dafür.
Nicht ganz.
Mir geht es darum, meinen aktuellen Arbeitsstand vorzustellen und ganz allgemein Tipps zu erhalten, wie ich die Bildgebung meines Mikroskops und die Qualität meiner Fotos verbessern kann  - hier konkret bei Anwendung der schiefen Beleuchtung, aber nicht beschränkt darauf. Da ich bei de Fotos gar keine Blende verwendet habe (jedenfalls nicht im klassischen Sinn) ist die optimale Blendenform nur ein Nebenapsekt.

Ein Gesichtspunkt wurde in Eurer Diskussion meines Erachtens nur unzureichend berücksichtig (oder ich habe es nicht richtig verstanden).
Oben wurde sinngemäß gesagt, mit einer Blende entfernt man nur Teile es dem Strahlenbündel der Beleuchtung, die sonst auch zu Bildgebung beitragen würden, es kämen aber keine neuen Lichtstrahlen dazu. Deswegen sei eine Steigerung der Auflösung des Mikroskops faktisch nicht gegeben sondern nur eine Steigerung des Kontrastes bestimmten Bildbereichen. Ist es aber nicht so, dass man im Hellfeld die Aperturblende üblicherweise leicht zugezogen hat, diese bei Anwendung der schiefen Beleuchtung aber ganz öffnet, damit weitere Nebenmaxima der Beugungsinterferenzen ins Objektiv gelangen können? Wäre dann damit nicht doch eine gewisse Kontraststeigerung denkbar?

Viel Grüße
Martin
Bitte per "Du" - Martin alias D.Mon
--
Glück kann man nicht kaufen.
Aber man kann ein Mikroskop kaufen und das ist eigentlich dasselbe!
--
Mikroskope: Motic Panthera U, Lomo MBS-10
Kamera: Sony ILCE-6400

Lupus

#53
Hallo Martin,

das Ganze ist eigentlich ein Thema für ein längeres Kapitel in einem Lehrbuch über Mikroskopie, aber hier mit wenigen Worten und unterschiedlichen Grundkenntnissen einzelner Leser nicht leicht zu beschreiben.

Zitat... hier konkret bei Anwendung der schiefen Beleuchtung, aber nicht beschränkt darauf. Da ich bei de Fotos gar keine Blende verwendet habe (jedenfalls nicht im klassischen Sinn) ist die optimale Blendenform nur ein Nebenapsekt.
die Blende steht nur stellvertretend für irgend eine geeignete Methode zur Beeinflussung der Beleuchtung. Sie ist aber trotzdem der "Hauptaspekt" wenn man die schiefe Beleuchtung verstehen oder gezielt beeinflussen möchte.

ZitatIst es aber nicht so, dass man im Hellfeld die Aperturblende üblicherweise leicht zugezogen hat, diese bei Anwendung der schiefen Beleuchtung aber ganz öffnet, damit weitere Nebenmaxima der Beugungsinterferenzen ins Objektiv gelangen können? Wäre dann damit nicht doch eine gewisse Kontraststeigerung denkbar?
Auflösung und Kontrast lässt sich in der Theorie, aber weniger im realen Leben trennen. Was leider nie richtig auseinander gehalten wird ist das unterschiedliche optische Verhalten sog. Amplituden- und Phasenobjekte. Viele sog. Lehrbücher gehen auf diese Dinge nicht ein weil die Physik möglicherweise für die Autoren ein fremder Fachbereich ist.

Für das normale Hellfeld ist eigentlich seit dem letzten Drittel des 19. Jh. allen Praktikern bekannt, dass die höchste Auflösung durch achssymmetrische Beleuchtung und der Bedingung NABeleuchtung = NAObjektiv oder minimal 2/3 der NAObjektiv erreicht wird. Daher kommt der durch den Mikroskopiker Nelson damals geprägte Begriff der kritischen Beleuchtung (der praktisch von jedem heute falsch interpretiert wird). Für ein reines Amplitudenobjekt muss die Aperturblende nicht reduziert werden da der Bildkontrast aus der Lichtabsorption kommt, die Auflösung ist durch die hohe NABeleuchtung maximal - außer man hat andere Probleme wie Streulicht oder Bildfehler durch das Objektiv.

Reine (schwache !) Phasenobjekte zeigen dagegen bei offener Aperturblende keinen Kontrast und sind im Idealfall unsichtbar. Durch Schließen der Aperturblende können aber hier Strukturen sichtbar gemacht werden, weil die Beleuchtung dabei zunehmend kohärent wird und Interferenzen in der Bildebene die Bildhelligkeit dominieren. Umso optisch dicker (Produkt aus Dicke und Brechungsindexdifferenz zur Umgebung) das Objekt ist desto kontrastreicher sind diese Strukturen erkennbar. Daher benötigt man für optisch dickere Phasenobjekte auch kein Phasenkontrastverfahren, im Gegenteil kann es sogar bildverschlechternd sein.

Reale biologische Objekte (z.B. gefärbte Präparate) sind fast immer eine Mischung aus Amplituden- und Phasenobjekt. Da ist dann das moderate Schließen der Aperturblende ein Kompromiss zwischen maximaler Auflösung (Amplitudenobjekt) und Kontrast (Phasenobjekt) sowie Minimierung der Artefakte die durch Interferenzeffekte bei reduziertem Blendendurchmesser entstehen.

Schiefe Beleuchtung dagegen ist primär ein Phasenkontrastverfahren, man muss bzw. soll daher die Aperturblende nicht zur Kontraststeigerung schließen. Stattdessen erfolgt der Phasenkontrast durch die einseitige Ausblendung der Beleuchtungsrichtung, die Unsymmetrie der gebeugten Wellen kann jetzt in der Bildebene durch Interferenz ausgeprägte Helligkeitsunterschiede erzeugen. Und die hohe Auflösung bleibt richtungsabhängig erhalten weil zumindest einseitig die gleichen Beugungsordnungen  in das Objektiv gelangen wie beim Hellfeld.

Hubert

Michael

Hallo,

so interessant die theoretische Betrachtung des Auflösungsvermögens bei unterschiedlichen Beleuchtungsverfahren ist, für die meisten von uns ist die maximale Auflösung bei der Beobachtung nicht ausschlaggebend. Dazu müsste man eine optimale Optik und ein optimales Präparat mit unendlich kleiner Schichtdicke haben - für mich trifft das zumindest nicht zu.
Ich möchte deshalb in die Diskussion einen anderen Aspekt einbringen, der mich bei der schiefen Beleuchtung anspricht.

Bitte verbessert mich, wenn ich falsch liege, aber für mich ist die schiefe Beleuchtung das Beleuchtungsverfahren, das unserer gewohnten, täglichen Seherfahrung am meisten entspricht. Genauso wie ich eine Glasscheibe "in real live" nicht sehen kann, wenn ich sie senkrecht beleuchte, erkenne ich sie (und andere Phasenobjekte), wenn  sie schief beleuchtet wird, da der Reflexionskoeffizient (und die Transmission) von Winkel und Brechungsindex abhängt. Dadurch erhalte ich eine Kontrastverstärkung bei Phasenobjekten. Ebenso erkenne ich bei Blick aus dem Flugzeug die Details (das Relief) der Landschaft besser, je schiefer die Beleuchtung ist. Genauso erkenne ich in einem dreidimensionalen Präparat das Relief durch den Schattenwurf besser. Beim idealen zweidimensionalen Präparat gibt es diesen Reliefeffekt auch bei schiefer Beleuchtung nicht (bei DIK den "Pseudoreliefeffek" schon!).
Für mich entspricht die mikroskopische schiefe Beleuchtung also der schiefen Beleuchtung im täglichen Leben. Deshalb kann ich das Bild, solange ich mich nicht an die optimale Auflösung rantasten will, wie gewohnt interpretieren - auch wenn man wie üblich optischen Täuschungen aufsitzen kann.
Vielleicht liege ich mit dieser Ansicht auch falsch und die Theorie sagt was anderes.

Interessierte Grüße,

Michael
Gerne per Du

Jürgen H.

Hallo Hubert,

ZitatUnd die hohe Auflösung bleibt richtungsabhängig erhalten weil zumindest einseitig die gleichen Beugungsordnungen  in das Objektiv gelangen wie beim Hellfeld.

Damit sind wir doch ganz nah beieinander! Nur an dem"erhalten" störe ich mich etwas. Denn in der Regel wird ja die Aperturblende doch benutzt, achssymmetrisch und nur zur Steigerung des Kontrastes. Die Auflösung wird dadurch im Gegenzug verringert. Eine Kompromisslösung, denn die beste Auflösung  nützt nichts, wenn ich das Objekt wegen des fehlenden Kontrastes nicht sehe. Blende ich hingegen nicht mehr achssymetrisch, sondern etwa mit der Kreuzblende ab, nutze ich auf einer Seite die volle Apertur des Objektives, was vorher nicht der Fall war. Deshalb wird die Auflösung auch nicht einseitig erhalten und es gelangen andere Beugungsordungen in das Objektiv als vorher.

Ein etwas anderer Fall wäre die Verwendung eines Kondensors mit niedriger Apertur, als der des Objektives, zum Beispiel ein nicht immergierter Kondensor der Apertur 0,9 mit einer Ölimmersion 1,3 und eine Achsverschiebung des Kondensors selbst.

Schöne Grüße

Jürgen

Herbert Dietrich

Hallo Hubert,

das hast Du so erklärt, dass auch ich das verstanden habe. Bilde ich wenigstens ein.

Mein Gedankengang,  bitte korrigieren wenn ich falsch liege:

Bei Idealer Beleuchtung  NA/Bel =  NA/Objektiv und offener Ap-Blende ist Optimale Auflösung gegeben.
Bei Phasen-Objekten kann ich wegen der Überstrahlung das leider nicht erkennen.
Wenn ich nun eine Zentralblende verwende, die minimal kleiner ist als die Apertur des Objektives,
blende ich die Überstrahlung aus und erhalte die volle Auflösung. ???
Ich werde das demnächst versuchen.

Hallo Michael,

auch ich bin ein Freund der "schiefen Beleuchtung" und verwende die fast immer, außer bei gefärbten Objekten. Aber auch da hat
sie ihren Reiz.


Herzliche Grüße

Herbert

Lupus

Hallo Herbert,

ZitatWenn ich nun eine Zentralblende verwende, die minimal kleiner ist als die Apertur des Objektives,
blende ich die Überstrahlung aus und erhalte die volle Auflösung.
das habe ich so nicht gesagt. Ganz allgemein wird der Kontrast bei Phasenobjekten besser wenn ich die Aperturblende zunehmend schließe. Aber auch die Beugungsartefakte nehmen zu. Wenn man die Aperturblende nur minimal reduziert ist je nach Art des Objektes eventuell keine oder kaum eine Verbesserung des Kontrastes zu erkennen.

Hubert

Herbert Dietrich

Hallo Hubert,

das habe ich auch nicht behauptet, dass Du das gesagt hast.

Das ist mein Gedankengang, dass man das so machen könnte. Das ist mir schon klar mit der Aperturblende,
die lasse ich bei meinem Beispiel ganz offen. Ich ersetze die Aperturblende durch eine Zentralblende, wie bei
einfachem Dunkelfeld, mache die aber nur so groß, dass eben noch ein schmaler Spalt bleibt, von dem dann Licht ins Objektiv eintritt.
Ich versuche das einfach mal und berichte dann. Testdiatomeen habe ich.

Herzliche Grüße

Herbert

Lupus

Hallo Herbert,

wie mir gerade eingefallen ist, hier hatte ich bereits einen einfachen Vergleich mit einem Phasenobjekt und primitiven Mitteln (gedruckten Blenden auf Folie) durchgeführt.
https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=34817.msg254610;topicseen#msg254610 

Diatomeen halte ich übrigens nicht für optimal um Demonstrationen mit Phasenobjekten zu machen.

Hubert