Smartphonehalterung - Kaufen oder selbst bauen?

[Lupus]

Hallo,

mittlerweile hat sich die Verwendung von Smartphones zur Fotografie am Mikroskop eingebürgert. Manche halten es lediglich manuell vor das Okular, damit lassen sich aber nur mäßig gute oder wenig reproduzierbare Fotos machen. 

Das Smartphoneobjektiv sollte eigentlich mit Millimetergenauigkeit sowohl quer zur optischen Achse als auch bezüglich des Abstandes zum Okular adaptiert werden. Im Vergleich zur z.B. großformatigen Systemkamera ist das Objektiv sehr kurzbrennweitig mit der damit verbundenen kleinen Blendenöffnung. Als Anhaltspunkt: Typische (Weitwinkel-)Objektive der Smartphonekameras haben Brennweiten von ca. 3-5 mm, bei Blenden etwa im Bereich f/1.5...f/2.2. D.h. dass die effektive Objektivöffnung etwa im Bereich 1.5-2.2 mm liegt. Z.B. hat mein älteres Samsung S5 eine Brennweite f=5 mm Blende 2.2, mein Samsung Tablet f=3.1 mm Blende 2.0. Und an diese geringe Blendenöffnung muss die Austrittspupille des Mikroskops angepasst werden.

Die Austrittspupille hinter dem Okular ist das Bild der Objektivaustrittspupille (=Blende des Objektives), die durch die optische Abbildung des Okulares erzeugt wird. Die Lage hängt von der Bauart (und Brennweite) des Okulares ab, bei einfachen 10x Huygens-Okularen liegt sie etwa 6 mm hinter dem Okular, bei besseren Standardokularen wie Zeiss Kpl oder Leitz Periplan dürfte der Abstand typisch bei 11 mm liegen, während Brillenträgerokulare einen Abstand von etwa 16-22 mm haben. Man kann den Abstand bereits grob durch den Augenlinsendurchmesser abschätzen, denn das Licht verengt sich als Kegel mit einem dem Bildwinkel entsprechenden Kegelwinkel von der Linse aus bis zur Austrittspupille. Und zwangsläufig ist der Austrittsdurchmesser bei großem Austrittspupillenabstand ebenfalls groß.

Interessant ist auch der Austrittspupillendurchmesser an der Spitze dieses Lichtkegels, weil er die erforderliche Genauigkeit der Kameraadaption bestimmt. Dieser Durchmesser ergibt sich aus dem Durchmesser der Objektivaustrittspupille, der durch den Abbildungsmaßstab der anschließenden Okularabbildung verkleinert wird. Der erste Durchmesser kann aus der Objektivbrennweite und dessen numerischer Apertur berechnet werden, dessen Bild aus dem Verhältnis Okularbrennweite/Abstand Objektivpupille-Okularbrennebene. Näherungsweise kann man man den Durchmesser mit d_AP=500*NA/V_gesamt abschätzen. V_gesamt ist die Mikroskopvergrößerung aus Okular und Objektiv. Der Austrittspupillendurchmesser liegt bei üblichen, stärker vergrößernden Objektiven etwas unter 1 mm. Nur bei schwachen Objektiven und bei mittleren Objektiven mit sehr hoher NA liegen die Werte signifikant darüber.

D.h. dass die Austrittspupille mit ca. 1 mm Durchmesser an das Smartphoneobjektiv mit etwa 2 mm Blendenöffnung angepasst werden muss. Da liegt die Toleranz quer zur optischen Achse (xy-Richtung) etwa bei +/- 0.5 mm wenn der Abstand der Austrittspupille zur Objektivblende (z-Richtung) bereits richtig ist. Wenn dieser ebenfalls vom Optimum abweicht verringert sich entsprechend dem Kegelwinkel (= Bildwinkel des Okulars) auch die Toleranz quer zur optischen Achse. Eine Smartphonehalterung sollte also sowohl in xy-Richtung als auch z-Richtung justierbar sein.

Wenn man sich die angebotenen kommerziellen Halterungen ansieht, stellt man fest dass diese nur sehr eingeschränkt eine vernünftige Justierung zulassen. Manche verändern beim lösen von Schrauben für die Querrichtung dann wieder die Justierung in der z-Richtung. Dazu kommt, dass eine universelle Befestigung am Mikroskop nicht so einfach ist, da Okulare und Okulartuben sehr unterschiedlich konstruiert und dimensioniert sind. Beispiele verschiedener Bauarten sind in Bild 1 dargestellt. Z.B. im 2. Foto von links in der 2. Reihe ist der Okulartubus eines Zeiss GFL mit zwei gleichartigen Kpl 10x Okularen, aber verschiedener Baureihe abgebildet (habe ich natürlich nur zur Demonstration so eingesteckt), mit deutlich unterschiedliche Durchmessern. Da kann eine Universalhalterung problematisch sein. Bei manchen kommerziellen Smartphonehalterungen sind auch die Ränder am Ende mancher älterer Okulare problematisch wenn sie durchgängig zylindrische Okulare voraussetzen. Nachfolgend habe ich 11 Links zu diversen kommerziellen Smartphonehalterungen angefügt (willkürlich, wie sie sich aus einer Bildersuche ergeben haben). Die Preise reichen immerhin von unter 10.- € bis 100.- €.

https://www.amazon.de/LAKWAR-Universal-Handy-Adapter-Halterung-kompatibel-Mikroskop-Smartphones/dp/B07V29G1P2

https://www.ebay.de/itm/293369312101

https://www.optikshop24.de/de/omegon-1-25-halterung-fuer-smartphones-und-kameras.html

https://www.astro-shop.com/Bresser-Universal-Smartphone-Kameraadapter.html

https://de.levenhuk.com/katalog/zubehor/a10-smartphone-adapter

https://www.amazon.de/Smartphone-Mikroskop-Fernglas-Monokular-Anschluss/dp/B0759GGDBK

https://www.omegon.eu/de/smartphone-digicam-klemmen/omegon-smartphone-adapter-red-edition-/p,56977

https://astrogarten-shop.de/de/zubehoer/kamera-adapter-t-ringe/vixen-smartphone-kamera-adapter.html#lg=1&slide=2

https://www.bresser.de/Mikroskopie/BRESSER-Deluxe-Smartphone-Adapter-fuer-Teleskope-und-Mikroskope.html

https://www.testbericht.de/produkte/national-geographic-40x-1280x-mikroskop-inkl-smartphone-halterung

https://www.optik-pro.de/smartphone-digicam-klemmen/celestron-smartphone-halterung-nexyz/p,58298

Man muss dazu sagen, dass die meisten Halterungen nicht speziell für Mikroskope konstruiert wurden, sondern eher bevorzugt am Teleskop verwendet werden. Dort ist die Adaption viel unkritischer, da die Austrittspupille meist wesentlich größer ist und daher nicht so empfindlich ist bezüglich der Toleranzen. Z.B. hat mein noch nicht einmal lichtstarkes Leitz-Fernglas 10x40 bereits 4 mm Austrittspupille, ein Smartphone mit 2 mm Eintrittspupille lässt sich da problemlos ohne große Justage an die Gummierung des Okulares halten.

Der letzte Link bezieht sich auf eine in x-,y- und z-Richtung feinjustierbare Halterung (die hier https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=33067.msg243612;topicseen#msg243612 und hier http://www.mikroskopie-bonn.de/bibliothek/mikroskopische_technik/274.html schon einmal beschrieben wurde). Im 2. Bild habe ich die Verstellmöglichkeiten dieser komplexen Halterung noch einmal dargestellt. Die Halterung hat aber auch bezüglich der Montage an einigen Mikroskopen Schwächen, ohne zusätzliche Anpassungen kann die Verwendung da schwierig werden. Bei fast allen kommerziellen Konstruktionen wird das Smartphone festgeklemmt, da Teleskope auch nach oben gerichtet sein können. Das macht natürlich die Konstruktion komplizierter und schränkt den Bau einfach bedienbarer Feineinstellungen ein. Am Mikroskop ist das nicht notwendig, da könnte die Konstruktion wesentlich vereinfacht werden und mehr auf eine Feinjustierung des Smartphones ausgelegt werden.

Eine Alternative ist daher der Selbstbau einer für die eigenen Ansprüche angepassten Halterung, mit etwas Geschick ist das nicht so schwer. Ich stelle als Anregung drei Varianten vor, alle aus leicht zu bearbeitenden weichem Holz gefertigt. Man kann solche Konstruktionen sogar aus Papier/Karton sehr stabil fertigen wenn man gar keinen "Zugang" zur einfachsten Holzbearbeitung hat, oder auch mit 3D-Druck.

Bild 3 zeigt eine einfach Auflage für ein Smartphone, das durch zwei verstellbare Leisten seitlich und unten (durch vergrößerte Schraubenbohrungen) einjustiert werden kann. Ich habe diese Halterung speziell für den Durchmesser des Okulartubus meines Leitz HM gebaut, das Auflagebrett ist mit einem halbierten Holzklotz verbunden, der mit einem zufällig zum Tubus passenden Bohrer aufgebohrt wurde. Wenn man sauber arbeitet ist der Winkel der Auflage ausreichend senkrecht zur optischen Achse, eine weitere Winkel-Justierung wird nicht erforderlich. Der Abstand der Auflage muss nicht bei jedem Aufsetzen nachjustiert werden, da die Halterung fest an die Austrittspupillenlage des Okulars angepasst wurde. Statt einer Bohrung könnte man auch zwei V-förmig gesägte Klötze zum Klemmen des Tubus verwenden.

Bild 4 zeigt eine weiter Smartphonehalterung, die speziell für ein MBS-10 Stereomikroskop gebaut wurde. Ich wollte die Halterung nicht an dem (recht langen) Okular befestigen, da sie für Stereo-Aufnahmen mit dem 180°-Umschlagverfahren gedacht war und sich daher keinesfalls bewegen sollte. Dazu musste eine 2. untere Klemmung gebaut werden. Der Rest ist identisch aufgebaut.

Ich verwende für solche Anwendungen gerne Weichholz (Pappelsperrholz), da man damit ein sehr gutes Gewichts/Festigkeitsverhältnis erreicht und es außerdem leicht zu bearbeiten ist.

Nachdem ich oft mit verschiedenen Mikroskopen und dabei auch verschiedenen Okularen experimentiere, habe ich mir eine weitere Halterung gebaut, die in Sekunden abnehmbar ist weil sie nicht geklemmt werden muss. Gleichzeitigt ist sie reproduzierbar wieder montierbar. Bild 5 zeigt ein Beispiel diverser verwendeter Zeiss-Okulare (+ China-Okular). Da hat praktisch jedes andere Durchmesser- oder Längenmaße oder einen störenden Rand am Ende. Die universellere Konstruktion sieht daher wie in Bild 6 aus. Dabei wird einfach das Drehmoment des einseitig wirkenden Gewichtes der Halterung incl. Smartphone verwendet, um die Halterung mittels zweier V-förmiger  Halterungen am Okulartubus zu fixieren (siehe rote Pfeile). Die beiden V-Halterungen sind für jeweils unterschiedliche Tubus- oder Okulardurchmesser verschiebbar.

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[Lupus]

Das Smartphone ist sowohl in xy—Richtung als auch im Winkel zur optischen Achse durch Schrauben feinjustierbar (Bild 7). Man kann die Halterung etwas verdrehfester gegenüber dem Okulartubus machen wenn man die unteren Auflagefläche der V-Halterung z.B. mit einem dünnen Doppelklebeband rutschfest macht. Der jeweilige Abstand Okular-Smartphonekamera wird durch Einlagen reproduzierbar eingestellt (Bild 8 ).

Bild 9 zeigt mit dem Smartphone aufgenommene Justierbeispiele der Austrittspupille.
Das Foto 1 links oben demonstriert zunächst den zu großen Abstand des Smartphone, der Lichtkegel wird durch die Objektivblende abgeschnitten und der Bildwinkel ist daher klein. Ob man im Fall eines nicht in Bildmitte liegende Bildfeldes durch eine Kameraverschiebung in xy-Richtung oder durch Neigung des Smartphone das Bild zentrieren muss ist in diesem Fall nicht einfach erkennbar, da beides zu einer Verschiebung des Bildkreises führt.
Auf dem 2. Foto ist das Smartphone soweit an das Okular angenähert, dass das Bildfeld fast ganz abgebildet wird, aber der Rand wird immer noch etwas angeschnitten. Bei dem im Beispiel verwendeten Okular Zeiss Kpl entsteht aufgrund noch nicht optimaler Justierung ein starker blauer Farbsaum durch die im Okular eingebaute Farbkorrektur für das Objektiv.
Analog entsteht ein oranger Farbsaum bei zu geringem Okularabstand (3. Foto).
Wenn der Okularabstand nahezu optimal ist, zeigt das 4. Foto das Erscheinungsbild einer nicht vollständig in xy-Richtung zentrierten Kamera - dabei ist keine Dezentrierung des Bildkreises mehr sichtbar sondern nur eine Unsymmetrie der Ausleuchtung.
Das 5. Foto (2. Reihe) zeigt dagegen dass eine Neigung des Winkels zur optischen Achse die Zentrierung des Bildkreises verändert. Somit kann man iterativ das Bild justieren.
Foto 7 zeigt das justierte Bild mit einem Huygens-Okular. Da das Okular keine spezifische Farbkorrektur für das Objektiv besitzt, ist der Farbsaum schwach und hier im Gegensatz zum Kpl-Okular bläulich (Bei Huygens-Okularen ist großteils ihr Farbvergrößerungsfehler korrigiert).
Foto 8 zeigt das justierte Bild eines chinesischen Okular, ohne Farbsaum. Das ist offensichtlich farbkorrigiert, ohne Restfehler zur Korrektur des Objektives.

Solche einfach justierbaren Halterungen vereinfachen deutlich die Verwendung von Smartphones zur Fotografie.

Hubert

[plaenerdd]

Hallo Hubert,
danke für diesen ausführlichen Beitrag! Sehr einleuchtend und erhellend. Einziger Wermutstropfen sind für mich die nicht im Text eingebundenen Fotos. Ich weiß ja aus eigener Erfahrung, dass das Einbinden hier im Forum auch immer wieder zu Problemen führt. Vielleicht wäre es auch für diesen aus meiner Sicht sehr elementaren Beitrag eine Option ein PDF zu erstellen, das mit in den Text eingebundenen Bildern daher kommt, denn die sind ja nicht nur Illustrationen, sondern elementarer Bestandteil des Beitrags. Da ist es einfach schade, wenn man immer wieder rauf und runter scrollen muss, um das zur jeweiligen Textstelle gehörige Bild anzusehen und dann weiter lesen zu können.
Beste Grüße
Gerd

[Lupus]

Hallo Gerd,

vielleicht mache ich noch eine kurze Ergänzung zum Beitrag. Ich kann Dir dann eine PDF-Datei direkt zuleiten.

Hubert

[Lumi]

Hallo miteinander,
ich zeige hier nochmals meine Lösung für mein Samsung S5 mit Gummischutzhülle.
Den Adapter habe ich selbst gezeichnet und mit dem 3D-Drucker ausgedruckt.
Der Adapter ist freilich genau auf meine Augenbreite gezeichnet, andere können mit dem Adapter vermutlich nichts anfangen. Vorher muss man halt auch genau herausfinden, wie weit die Linse vom Handy entfernt sein muss vom Okular. Der Vorteil des Adapters ist, dass man das Handy aufgespannt auf dem Adapter zur Seite legen kann, und bei einem guten Fund sofort auflegen kann und losfilmen oder Fotos machen kann.

Man könnte den Adapter auch so zeichnen dass er in der Breite verstellbar ist, aber dann scheitert es beim nächsten am Okulardurchmesser oder an der Entfernung zur Linse. Solche Sachen muss man halt immer auf sein Mikroskop abstimmen, aber wenn man so einen Adapter universell gestalten möchte, dann wird es kompliziert.
Dennoch kann sich jeder im kostenlosen 3D-Zeichenprogramm FreeCad austoben und seinen eigenen Adapter zeichnen und bei den 3D-Druckanbietern ausdrucken lassen. Und wie heißt es im Handwerk so schön "gut gemessen ist halb gearbeitet". Ich habe das FreeCad gewählt, weil es dazu viele Tutorials gibt, und ein gutes mehrsprachiges Forum haben die auch.
Grüße
Franz

[Lupus]

Hallo Franz,

die horizontale Smartphonehalterung ist für binokulare Tuben sicher eine sehr gute Lösung, da die mechanischen Kräfte gut aufgenommen werden können und die Halterung sich auch nicht verdrehen kann. Man muss den Okularabstand gar nicht verstellbar konstruieren, sondern könnte die Halterung für das ungenutzte Okular horizontal oval formen, dann ist ein variabler Augenabstand möglich.

Hubert

[engineer]

Sehr interessanter Beitrag. Wenn ich mir das gelbe Teil ansehe, kommt mir die Idee, dass es mit einem zähelastischen Kunststoff möglich sein müsste, sich einen Universaladapter zu bauen, indem man einfach 2 solcher Tuben, die genau auf die Okulare passen, auf einer Plastikfläche aufzukleben und einen Durchbruch für die Smartphone-Linsen anzubringen. Da die Stereomikroskope praktisch immer eine Einstellung für den Augenausgleich haben, der sich hoch und runterschrauben lässt, bekommt man damit gfs den Kippwinkel hin (?)

[Lupus]

Welcher Kippwinkel?

Hubert

[plaenerdd]

Hallo Hubert,
ich fürchte Jürgen hat da was falsch verstanden. Siehe diesen Beitrag.
LG Gerd

[engineer]

Ich war in der Tat der Ansicht, durch Schrägstellen des Smartphones etwas ausgleichen zu können - jedenfalls hatte ich das auf die Schnelle irgendwie reingelesen - gfs auch beeinflusst durch den anderen thread. Manchmal funktioniert der Kopf irgendwie nicht 100% 

So oder so, halte ich den gelben Aufsatz für einen guten Ansatz, weil Feinjustieren muss man ja so oder so. Der Adapter, den ich bisher habe, taugt für das Teleskop so einigermaßen, allerdings ist die Angelegenheit für mein A52 schon sehr wackelig. Ohne Zeitauslöser geht da gar nichts. Und es ist nicht das Teleskop, das wackelt. Beim geringesten Tastendruck verschiebt sich das Bild.

Was die Frage des threads angeht, würde ich persönlich lieber was Gutes kaufen, statt mich dranzustellen und etwas zu bauen, aber es gibt anscheinend ausschließlich dünn gebackene Plastikteile im Netz. Lässt sich schlecht reproduzierbar platzieren

[plaenerdd]

Hallo Jürgen,
es gibt schon ganz ordentliche Adapter, aber die besseren kosten halt auch etwas mehr, wie z.B. dieser, der von Jörg Weiß getestet wurde. Ist aber jetzt auch schon wieder 5 Jahre her...
LG Gerd

[Lupus]

Hallo,

Lässt sich schlecht reproduzierbar platzieren

das sehe ich als größtes Problem, schließlich will nicht jeder das Smartphone längere Zeit am Mikroskop montiert lassen sondern es eventuell nur für spontane Aufnahmen während der visuellen Beobachtung nutzen. Da sind auch die teuren Adapter nicht unbedingt besser, man muss eigentlich bei den meisten wieder neu justieren (am häufigsten den Okularabstand). Nur wenn die Halterung an das eigene Mikroskop - speziell das Okular - zum Aufstecken angepasst ist, lässt es sich ganz ohne Justage montieren. Das war auch der Grund für meine letzte Konstruktion in diesem Thread, man kann den Adapter in Sekunden abnehmen und wieder anlegen, er justiert sich von selbst (quasi eine Dreipunktauflage, real sind es natürlich vier Punkte die nicht in einer Ebene liegen).

Hubert

[engineer]

@Hubert, ja das war meine Überlegung. Man bräuchte einen Adapter aus dem Drucker, genau für seine eigenen Augenabstandseinstellungen des Mikroskops. Da habe ich mit meinen Augen leider auch immer wieder etwas Mühe, das wieder herzustellen.

@plaenerdd: Danke für den link. Das Teil sieht nicht schlecht aus. Immerhin so rund 70,-  Könnte man aber investieren. Allerdings muss auch der immer neu justiert werden, weil die Klemmung ja dreh und verschiebbar ist. Naja ....

[junio]

Liebe Mikrofreunde,
den optischen Erläuterungen zur Fotografie durch das Mikroskop mit einem Handy ist, so wie man es von Hubert kennt, nichts hinzuzufügen.
Den mechanischen Problembereich möchte ich gerne mit meinem Ansatz ergänzen:
Die sicherste Methode, eine reproduzierbare Lage des Handys schnell herzustellen, erscheint mir eine feste Verbindung mit dem Okular zu sein. Da ich auch zumindest an zwei Mikroskoptypen (endlich und unendlich) fotografiere und ein Handyleben sehr endlich ist, macht eine Schnittstelle zwischen Okular und Handyauflage Sinn.
Als Auflage für das Handy dient eine Grundplatte aus 8mm Pertinax.  Diese Grundplatte hat verstellbare Anschläge zur Positionierung des Handys in x-und Y-Richtung. Die Verstellung über kleine Exzenter hat sich dabei als sehr probat erwiesen. Zusätzlich ist die Grundplatte mit einer zylindrischen Buchse ausgerüstet, die dann auf der anderen Seite der Grundplatte eine Schnittstelle für die Okularaufnahme bildet.
Die Okularaufnahme aus POM hat im oberen Bereich drei Schrauben zur Befestigung an der o.g. Schnittstelle und nimmt im unteren Bereich das Okular auf. Nach Positionierung des Okulars in der z-Achse wird das Okular mit einer Nylonschraube geklemmt. Später kann man noch einen passenden Distanzring in der Okularaufnahme platzieren.
Damit ist die Einrichtung fertig und perfekt. Das Handy ist in Okularwechselzeit „schussbereit“. Eine besondere Befestigung ist nicht nötig, da das Handy gut auf der Grundplatte ruht. Die Positionierung ist immer perfekt. Die mechanischen Belastungen der Okularaufnahme des Tubus sind völlig unkritisch.
Vergessen darf man aber nicht, die Autofokussperre zu aktivieren.   
Wahlweise kann man andere Okularaufnahmen anfertigen und jeweils an der Schnittstelle einsetzen, und wenn das Handyleben beendet ist und ein neues zum Einsatz kommt, ist hoffentlich die Grundplatte groß genug. Evtl. müssen dann neue Exzenter her und die Z-Achse, die die richtige Objektivlage des Handys sicherstellt, ist schnell eingestellt. 
Wo ist nun bei der Lösung der Haken?
Es ist ein zweites Okular erforderlich und eine Drehbank oder es gibt einen guten Freund, der eine Drehbank und Verständnis für Mikroskopikerwünsche hat.

PS:
Lieber Hubert,
ich hoffe, dass es in Ordnung war, Deinen Beitrag hier so zu ergänzen. Aber damit hat der geneigte Leser eine große Informationsbreite zu dem gesamten Themenkomplex in einem Faden.

Beste Grüße von Jürgen aus Hagen

Und hier zu den Bildern:

[Thomas Böder]

Gute Lösung Jürgen!