Mitutoyo, Raynox, NIR, Aufbau "Freespace" Mikroskop

vonsth · Mai 31, 2023, 11:33:56 VORMITTAG

Liebe Schwarmintelligenz,

für Spektroskopie-Anwendungen möchten wir ein Auflicht-Setup aufbauen. Dieser soll auf einem optischen Tisch stehen, also sind alle Elemente einzeln gut justierbar. Prinzipiell wird sowohl konfokal gearbeitet, als auch von der Beleuchtungs-/Anregungs-seite in der konjugierten Fokusebene - wie ja beim Mikroskop für die Beleuchtung üblich. Das Licht von der Probenoberfläche (Reflektion/Lumineszenz) soll spektral gefiltert werden können und per Kamera betrachtet.
Vorhanden sind einige Mitutoyo (NIR, PlanAPO, long working distance), zunächst wird das 20x mit NA=0.4 in Nutzung sein. Da viele von guten Erfahrungen berichten, soll das Bild mittels einer Raynox DRC-250 als Tubuslinse auf eine CMOS-Kamera mit Sensorgröße ~15mm abgebildet werden.
Ich habe folgende Fragen:

1: Kennt jemand die Transmission dieser Linse im Nah-Infrarot? Also im Bereich "sichtbar bis ~950nm"? Oder hätte irgendwelche Informationen zum genutzten Coating?
2: Gibt es Kamera-Empfehlungen? Es muss nicht ein exaktes Modell sein, sondern gern auch Hersteller/Zulieferer. Im Moment ist "the imaging source" angedacht, mit Sensor ~10-15mm, Pixelgröße im 5µm Bereich. Es soll unbedingt mit USB verbunden werden und wenn möglich kein Infrarot-Filter verbaut sein. Die Kamera kann aber je nach Anwendungsfall auch getauscht werden von z.B. Farbchip auf Monochrome.
3: In einer solchen Konfiguration, also Raynox 250 auf 15mm CMOS-Chip - ist hier ein planes Abbild zu erwarten? Bzw. mangelt es mir an dieser Stelle generell an Verständnis; ist denn die Tubuslinse üblicherweise dafür verantwortlich, ein planes Abbild zu erzeugen? Oder ist das einfach normalerweise nicht kritisch, da bei Fokuslängen von ~200mm der Fokusshift an den Randbereichen der Kamerachips nicht/kaum sichtbar ist? Das wäre ja dann hier eventuell zu bedenken, da die DRC-250 wohl nur ~100mm Brennweite hat.
4: Da mehrere optische Pfade auf der Beleuchtungs-seite eingekoppelt werden, können wir leider nicht beliebig nah mit dem "Auflichtkondensor" an das Objektiv. Thorlabs zeigt hier (https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8565) unter "optical diagrams" auf der linken Seite eine Variante mit 100mm Linse, um in die back-focal-plane des Objektivs zu fokussieren. Klingt so etwas für Euch empfehlenswert? Oder hat jemand Ideen und Gründe, wieso man das anders realisieren sollte? Genutzt werden sollen zunächst verschiedenfarbige LEDs.
5: Auch zur Beleuchtung: Ist es denn wichtig, dass die Lichtquelle eine physische Fläche besitzt? Ich meine damit, ob man ein besseres/schlechteres Bild erhält, wenn man die LED auf ein 50µm Pinhole fokussiert und dieses dann als "Punktlichtquelle" nutzt, oder eben die (1-3mm) Fläche einer möglichst planen LED nutzt?

Vielen Dank für jegliche Hilfe zu diesen Punkten
Martin

Werner · Mai 31, 2023, 12:40:02 NACHMITTAGS

Hallo Martin!

Wenn da NIR draufsteht, ist das jedenfalls Breitbandentspiegelt. Die Durchlässigkeit ist nur geringfügig anders als im VIS, in normalen optischen Gläsern sind keine krassen Absorptionskanten im NIR, das ja bis etwa 2,5 µm definiert wird. Genaueres müßte Mitutoyo wissen, aber ich weiß nicht, wie mitteilungsfreudig die sind.

Beleuchtung: eine Abbildung auf ein Pinhole ist mit vielen Verlusten verbunden (eine grafisch gezeichnete Abbildungsgleichung zeigt das). Die Chipgröße einer 1- oder 3-W-Led ist klein genug, um relativ gute Parallelstrahlen hinzubekommen. Noch kleiner wird das Chipbild, wenn man die Plastiklinse der Led plan abfeilt und mit Plexiglas-Polierpaste poliert.

Gruß - Werner

vonsth · Mai 31, 2023, 13:02:12 NACHMITTAGS

Hallo Werner,

zunächst danke für die Antwort - und verzeih´ ein kleines Missverständnis: Die Transmissionskurve der Mitutoyos ist auf deren Seite oder zB bei Edmund Optics gut zu finden. Es ging mir um die Entspiegelung der Raynox - hier habe ich gar nichts finden können, und in der Photographie ist alles außerhalb des Sichtbaren ja häufig eher "unerwünscht"

und dann hat man möglicherweise plötzlich starke Reflexe.

Bezüglich der LED: Wenn es hier nur um Intensitäts-Verluste aufgrund der Abbildung LED->Pinhole geht, könnten wir damit gut leben, allerdings nicht mit dadurch weiter hinzugefügten Abbildungs-Fehlern durch z.B. Beugungseffekte. Falls letzteres der Fall ist, freue ich mich über Hinweise, wo ich am besten danach suchen gehe.

liebe Grüße
Martin

Werner · Mai 31, 2023, 14:04:47 NACHMITTAGS

In dem Fall verwende lieber einen Halbleiterlaser. Der ist monochromatisch und paßt auch gut durch ein Pinhole.

Gruß - Werner

vonsth · Mai 31, 2023, 14:29:35 NACHMITTAGS

Verschiedenfarbige Laser werden auch in den Aufbau eingekoppelt. Hier war allerdings angedacht, auf einem zweiten Strahlengang diese mittels der letzten Linse im Kondensor wieder zu kollimieren, sodass konfokal gearbeitet wird und eben nur ein kleiner Ort auf der Probenoberfläche angeregt.
Es klingt aber sehr interessant! Kann man denn mit einem Laser, welcher auf der Probe kollimiert wird, ein gutes Bild erhalten? Oder ist hier die einzelne Farbe eher von Nachteil? Die üblichen Anregungswellenlängen sind im Bereich 500-600nm, die erwartete Emission dann bei niedrigerer Energie.
lg

Lupus · Mai 31, 2023, 15:16:35 NACHMITTAGS

Hallo Martin,

wenn im NIR-Bereich gearbeitet werden soll - für den ja auch das Mitutoyo Planapo-Objektiv konstruiert wurde - halte ich eine nicht spezifische Tubuslinse wie die Reynox DRC-250 zumindest nicht für die optimale Wahl. Das Problem dürfte weniger in der Entspiegelung liegen als in der Bildkorrektur außerhalb des sichtbaren Bereiches. Das Ganze hängt aber doch sehr von den Bildqualitätsanforderungen der Aufgabenstellung ab. Auch die Frage der planen Abbildung durch die Reynox-Linse ist daher schwer zu beantworten, die ist ja universell als Vorsatzlinse für Makroaufnahmen an beliebigen Fotoobjektiven gedacht und nicht speziell für eine ideale plane Abbildung über das ganze Bildfeld. Die erreichte Bildebnung kann hier von der Position der Tubuslinse abhängen, da das Strahlenbündel für den Bildrand auch in unterschiedlichem Abstand von der optischen Achse auf die Linse trifft.

Die optische Konfiguration des Beleuchtungsstrahlenganges hängt stark von den geometrischen Eigenschaften der Lichtquelle ab, also z.B. die Größe der LED, und analog vom gewünschten Beleuchtungswinkel in der Objektebene. Natürlich kann man es prinzipiell so machen wie bei Thorlabs gezeigt wurde.

Welchen Sinn soll es machen, die LED als "Punktlichtquelle" umzuwandeln? Zunächst hängt alles davon ab wie groß das ausgeleuchtete Bildfeld und der Ausleuchtungswinkel sein soll. Mit der Bildqualität hat das bei Auflicht erst einmal weniger zu tun.

Hubert

vonsth · Mai 31, 2023, 15:30:30 NACHMITTAGS

Hallo Hubert,
auch Dir vielen Dank fürs Einschalten!
Auf die Idee mit Raynox kam ich durch recht gute Berichte (https://www.closeuphotography.com/tube-lens-test/2018/7/29/tube-lens-test-18-lenses-compared) in Kombination mit dem günstigen Preis. In dem verlinkten Artikel ist auch die Originale Mitutoyo-Tubuslinse mit aufgeführt und schneidet nicht unbedingt besser ab ---> Dein Einwand der Wellenlängen ist hier sicherlich sehr berechtigt und auch das verwendete Mitutoyo ja für sichtbares Licht ! - wenn jemand mehr dazu weiß, gern äußern! Oder hättest Du direkte Vorschläge für Tubuslinsen-Kandidaten, die nicht allzu teuer wären?

Das mit der Punktquelle kam als Idee, da man dann weniger freie Parameter hat, wenn man die Beleuchtung ändert, sondern im Bestfall einfach das Pinhole mit einer anderen LED beleuchtet. Der Ausleuchtungswinkel wäre ja hauptsächlich von der letzten Linse (f-Zahl) abhängig (?) und wir würden die Punktquelle einfach so gut als möglich füllend auf diese kollimieren, um hier keine weitere Intensität wegzuwerfen. Im Unendlichbereich zwischen diesen beiden Linsen hätte man dann Zugang für zB eine Feldblende wie bei Thorlabs. Kurz, wenn wir mit einer f=100 Kondensorlinse mit 25.4mm Durchmesser das betrachtete Feld gut homogen ausleuchten, wären wir glücklich

lg

Lupus · Mai 31, 2023, 16:27:52 NACHMITTAGS

Hallo Martin,

ich kann mir nicht vorstellen dass es jemand gibt der zu dem speziellen Problem (im NIR-Bereich) Erfahrungen mit der Reynox-Linse hat, und auch nicht mit billigen Alternativen. Bei dem Preis einfach ausprobieren!

Wenn die Beleuchtung räumlich zu kohärent ist, und kohärenter wird sie durch eine sehr kleine Lochblende, kann es natürlich schon Interferenzeffekte im Bild geben. Ich sehe keinen Sinn in einer sehr kleinen Lochblende, auch wenn man LEDs einfach austauschen möchte. Deren Leuchtfläche ist doch nie so klein. Der Ausleuchtungswinkel geht bei dem Thorlabs-Aufbau dann gegen Null.

Hubert

FabianVoigt · Juni 01, 2023, 12:06:50 NACHMITTAGS

Hallo zusammen,

ich kann zur Kombination der Raynox-Linse mit den Mitutoyo-NIR-Objektiven nichts beitragen, allerdings sagen, dass die Mitutoyo M Plan Apo 5x/10x/20x-Objektive in Kombination mit der Olympus SWTLU-C Tubuslinse exzellente & plane Abbildung über grosse sCMOS Sensoren (Teledyne Photometrics Iris 15, rund 25 mm Chip-Diagonale) erreichen. Olympus wird auf Anfrage auch die Transmissionskurven rausgeben und ich bin mir ziemlich sicher, dass die SWTLU-C bis ins NIR hinein korrigiert ist.

Viele Grüsse,

Fabian

Kay Hoerster · Juni 01, 2023, 13:46:47 NACHMITTAGS

Hallo zusammen,

die Kurve zur Olympus SWTLU-C findet man ja auch im Netz:

https://www.optik-pro.de/Produktdownloads/74467_AM5173_01_SWTLU-C_DeviceDataSheet.pdf

Viele Grüße Kay

Kay Hoerster · Juni 01, 2023, 13:53:13 NACHMITTAGS

Noch eine zusätzliche Info: Die Olympus TL hat eine Brennweite von 180mm, die Raynox DCR-150 eine Brennweite von 210 mm und die Raynox DCR-250 eine Brennweite von 109 mm laut Datenblatt. Daraus ergeben sich mit den Mitutoyo-Objektiven natürlich leicht geänderte Vergrößerungsfaktoren im Vergleich zu dem auf dem Objektiv gravierten Vergrößerungsfaktor. Aber das dürfte wahrscheinlich wohl bekannt sein...(nur für's Protokoll

)

Viele Grüße Kay

vonsth · Juni 02, 2023, 11:35:14 VORMITTAG

Hallo,
erst einmal danke für alle Kommentare - das mit Olympus finde ich sehr interessant und habe mal eine Angebotsanfrage erstellt zu der genannten sowie der "nicht-wide-field". Hatte ganz vergessen, dass die ja auch mit vollkorrigierten Bildern arbeiten und ich glaube man bekommt teilweise ganz ordentlichen "Forschungsrabatt".

Zum Vergrößerungs-Protokoll (

) ist es im Prinzip schon klar und nicht zu relevant für uns - aber die Idee Tubuslinsen kürzerer Brennweite zu suchen lag auch darin begründet, bei den winzigen Pixeln heutiger CMOS Chips nicht zu viel "leere" Vergrößerung zu produzieren. (Auflösung des 20x-Mitutoyo ~0.7µm -> diese Größe wird mittels der 180mm Olympus auf fast 4(!) Pixel abgebildet und es scheint gar nicht so einfach günstige USB Kameras zu bekommen, die noch deutliche größere Chips nutzen). Gut, ne alte Canon holen ginge auch, ist aber bisschen sperrig.

Mit LED und Pinhole werde ich einmal probieren - irgendwie hatte ich den Eindruck, dass diese günstigen LED mit Plastiklinse häufig nicht so gut plan abzubilden sind und dachte ein Pinhole könnte helfen, wenn man nicht viel Licht braucht. Der Rat, eine einfach mal herunterzufeilen, wird auf jeden Fall getestet, das klingt sehr vernünftig! Das hieße dann einfach die LED so gut als möglich mit Kollektorlinse kollimieren und direkt mit der zweiten Linse (~100mm) auf die Back-Focal-Plane abzubilden? Wenn es da Tipps/Erfahrungswerte gibt, gern her damit

Aber ich werde es einfach mal testen.

viele Grüße
Martin

Lupus · Juni 02, 2023, 13:31:33 NACHMITTAGS

Hallo Martin,

Zitatirgendwie hatte ich den Eindruck, dass diese günstigen LED mit Plastiklinse häufig nicht so gut plan abzubilden sind und dachte ein Pinhole könnte helfen, wenn man nicht viel Licht braucht. Der Rat, eine einfach mal herunterzufeilen, wird auf jeden Fall getestet, das klingt sehr vernünftig! Das hieße dann einfach die LED so gut als möglich mit Kollektorlinse kollimieren und direkt mit der zweiten Linse (~100mm) auf die Back-Focal-Plane abzubilden?

Warum beharrst du darauf die LED plan abzubilden? Das ist doch nur der Beleuchtungsstrahlengang. Die erste Frage ist, mit welchem Winkel soll das Objekt ausgeleuchtet werden, und damit verbunden ist die Größe des Bildes der Lichtquelle in der hinteren Brennebene des Objektives. Der Abstrahlwinkel der LED bestimmt dagegen die Größe des ausgeleuchteten Objektfeldes, der dürfte je nach Kollektorlinsenbrennweite bei diesem Aufbau bei grob 40° liegen. Die einfachen 5 mm LEDs gibt es mit verschiedenen Abstrahlwinkeln. Abschleifen ist nur dann sinnvoll wenn der Abstrahlwinkel der erhältlichen LED zu gering ist. Wenn man so einen Aufbau plant muss man zunächst die beiden Abbildungsstrahlengänge (für die Lichtquelle und die Feldblende) des Beleuchtungssystems überschlägig berechnen.

Hubert

vonsth · Juni 02, 2023, 17:59:18 NACHMITTAGS

Hallo Hubert,

danke, dass Du mich hier eventuell vor einem großen Irrweg bewahrst!

Vielleicht ein paar Schritte zurück, um die Nomenklatur für mich zu klären:
Der "Beleuchtungswinkel" wäre der Winkel, unter dem unterschiedliche Teile der Lichtquelle ein-und denselben Objektpunkt erreichen. Und bei einer unendlich kleinen Abbildung in der hinteren Objektivbrennebene ginge dieser gegen 0 ? Würde dieser im Normalfall durch die Aperturblende geregelt?
Und der Winkel, der den beleuchteten Feldausschnitt bestimmt (die geschätzten 40°) wären danach zu regeln, welchen Ausschnitt ich überhaupt auf den Chip abbilden kann (üblicherweise durch eine Feldblende geregelt)?
In unserem Fall wird dieses Feld wohl am ehesten durch die Chipgröße limitiert sein - und bei rechnerischer Brennweite des Mitutoyo 20x von 10mm und Tubuslinsen von 100 bzw. 200mm käme ich dann bei einem Chip von 10mm^2 eben auf 1mm^2 bzw. 500µm^2?
Darf ich dann einfach "geometrisch" sagen, der Winkel wäre "das Feld bezogen auf die Brennweite des Mit."? Also in diesem Fall (Tubuslinse 100mm) tan^-1 (0.1) und damit nur ~6° ? Oder fehlt hier ein Faktor 2 oder denke ich komplett falsch?

Das mit dem planen Abbild der Lichtquelle kam mir nur, da ich dachte es sei ungünstig, wenn man eben keine "plane" Quelle in die hintere Brennebene abbildet, sondern dort "verschiedene Ebenen der LED in verschiedenen Schärfegraden vorliegen hätte" - wie gesagt, vielen Dank fürs Einschreiten!

Lupus · Juni 02, 2023, 19:18:30 NACHMITTAGS

Hallo Martin,

ich bin mir nicht sicher ob wir da weiter kommen. Hast Du grundlegende Ahnung von geometrischer Optik und den Abbildungsgesetzen einfacher Linsen, z.B. wie der Strahlenverlauf ist wenn man eine Lichtquelle in der Brennebene einer Linse setzt und dann über mehrere Linsen die Quelle in der hinteren Brennebene des Objektives abbildet? Hast Du die Idee des von Dir verlinkten Strahlengangs von Thorlabs verstanden?

Da sind beispielhaft alle Linsen mit Brennweiten angegeben, die Lichtquelle links wird wie hier diskutiert genau in der hinteren Brennebene des Objektives abgebildet. Der blaue Strahl zeigt den Verlauf eines axialen Punktes der Lichtquelle, der dann nach Durchlaufen des Objektives als achsparalleles Bündel auf das Objekt trifft. Der grüne Strahl zeigt einen etwas außeraxial gelegenen Punkt der Lichtquelle, der dann zu einem ebenfalls parallelen Bündel führt, das aber schräg zur Achse auf das Objekt trifft. Die Abstände zwischen den Linsen bzw. den Blendenebenen entsprechen den jeweiligen Brennweiten der Linsen. Das kann man im Prinzip mit Lineal, Stift und Papier schematisch konstruieren (ohne Details der Linsen zu berücksichtigen) und die notwendige Lichtquellengröße und Abstrahlwinkel ermitteln.

Hubert