Mitutoyo, Raynox, NIR, Aufbau "Freespace" Mikroskop

[vonsth]

Hallo Hubert,

das grundlegende Prinzip von dem Thorlabs Aufbau dachte ich zumindest zu verstehen und mit Lineal und Stift würde ich (hoffentlich) die entsprechende Abbildung auch aufmalen können. Die axialen "Strahlen" ohne zögern, die außeraxialen hoffentlich nach kurzer Zeit.

Nun ist ja verstehen immer etwas subjektiv, daher beschreibe ich mal, wie ich den Aufbau interpretiere:
Die Lichtquelle wird erst kollimiert, dann mittels der ersten kurzbrennweitigen Linse nochmal abgebildet, damit man eine Aperturblende unterbekommt, mit der zweiten kurzbrennweitigen Linse wieder kollimiert. In dem folgenden, zur eigentlichen Objektebene konjugierten, Bereich findet eine Feldblende Platz, und dann bildet die (zwangsweise) etwas längerbrennweitige Linse all das, was von der Aperturblende durchgelassen wurde, in die rückseitige Brennebene des Objektivs ab-> und wird durch selbiges quasi wieder kollimiert, so dass das Objekt homogen beleuchtet wird und keine Abbildung der Lichtquelle auf dem Objekt entsteht.

Nun würde doch eine vollständig geschlossene Aperturblende jegliche außeraxialen Komponenten blocken und dann wäre der Winkel (im Bereich zwischen Frontlinse des Objektivs und Objekt) zwischen dem axialen blauen und dem dann nicht mehr existenten grünen eben 0°, das meinte ich oben, wenn das Abbild der Lichtquelle in der hinteren Brennebene des Objektivs "unendlich" klein gemacht wird. Wo ist mein Denkfehler oder ist der "Beleuchtungswinkel" was ganz anderes?

Danke und Grüße
Martin

[Lupus]

Hallo Martin,

ja, so in etwa könnte man es ausdrücken. Im Prinzip ist es eine Köhler-Beleuchtung mit dem Objektiv als Kondensor, wegen der Unzugänglichkeit der eigentlichen Aperturblendenebene am Objektiv wird eine zusätzliche abbildende Linsengruppe vorgeschaltet. Für die Dimensionierung der Lichtquelle (LED) und dessen Abstrahlwinkel, der Apertur- und Leuchtfeldblende ist aber wichtig, dass der ganze Abbildungsstrahlengang richtig berücksichtigt wird. Außer wenn das Ergebnis im Detail egal ist und hauptsächlich irgend ein Licht auf das Objekt treffen soll.  
Ich habe das Ganze einmal schematisch aber maßstäblich nochmal aufgezeichnet (außer für den auszuleuchtenden Objektfelddurchmesser, der noch von der Kamera abhängt). Oben der Strahlengang der Lichtquelle mit Aperturblende, die den Beleuchtungswinkel des Objektes definiert, unten der Strahlengang der Leuchtfeldblende für den Ausleuchtungsdurchmesser der Objektfläche.

Hubert

[Werner]

Es ist hilfreich, wenn man daran denkt, daß eine EINZELNE Linse nicht nur das Objekt abbildet, sondern auch eine Pupille/Luke und eine irgendwo befindliche Blende (oder Linsenrand/Fassung), sei es reell oder virtuell. Virtuelle Bilder können durch benachbarte Linsen reell abgebildet werden. In manchen Strahlengängen sind Pupillen bequemerweise mit kleinen Begrenzungskreisen in Lage und Größe markiert. Man muß also die Abbildungsgleichung dreimal anwenden.
Für mich persönlich habe ich noch keine geschlossene Formel für alles gefunden bzw. eine Beschreibung, wie die Optikprofis an eine neu gestellte Aufgabe herangehen.
Deswegen überprüfe ich das lieber praktisch auf einem einer optischen Bank ähnlichen Aufbau. Alle Komponenten müssen in der gleichen Höhe der optischen Achse angeordnet werden und können entlang eines Lineals auf dem Tisch verschoben werden. Damit kann man die richtigen Abstände für die Fertigung auch ohne Kenntnis der Hauptebenenlagen ausmessen.

Gruß - Werner

[vonsth]

Hallo,
erstmal Verzeihung für die späte Antwort und vielen Dank für das schöne gezeichnete Schema und die Mühe! Mit welchem Programm hast Du das angefertigt? Damit wären nun die weiteren Parameter zu klären und wir haben eine wunderbare Grundlage!
Daher bitte ich um Korrektur/Bestätigung für die folgenden beiden Winkel:

1. Wie ist die Definition des "Beleuchtungswinkels" ? Ist es korrekt, dass dieser bei einer gegen Null gehenden Aperturblende dann auch gegen 0° geht oder ist das einfach falsch?

2. Zur Größe des Objektfeldes: Das Mitutoyo hat 20x bezogen auf 200mm Tubuslinse. Daher nominell eine Brennweite von 10mm. Mit einer Tubuslinse von 200mm ergibt sich also eine 20-fache Vergrößerung, mit einer Tubuslinse (Raynox) von näherungsweise 100mm eine Vergrößerung von 10-fach. Oben hatte ich einen CMOS-Chip von 1cm^2 angenommen. Dies ist bei den kleinen Chips leider durchaus realistisch (und bei einer alten Canon den IR-Filter zu entfernen erscheint mir erstmal nicht ideal, da es ein größerer Eingriff ist).
Wir können ja lieber mit der Diagonale rechnen, da ansonsten alle Elemente kreisförmig sind. 1cm*1cm ergäbe die Diagonale von 1.4cm = 14mm. Also mit der 200mm-Tubuslinse ein Feld auf dem Objekt von 700µm und mit der Raynox ein Feld von 1400µm, jeweils Diagonale. Ist dies bis hier korrekt? Wo liegt dann der "Bildwinkel" bzw. wie errechnet man diesen? Oben hatte ich einfach die Brennweite des Mitutoyo bezogen auf die horizontale Breite des Objektfeldes und zugegeben einen Fehler gemacht, da der tangens natürlich nur im rechtwinkligen Dreieck gilt, allerdings käme da fast das gleiche raus bei der relativ langen Brennweite des Mitutoyo auf das durch den Chip bedingte kleine Objektfeld.

vielen Dank! und viele Grüße

[Lupus]

Hallo Martin,

ich habe als Beleuchtungswinkel den in der obigen (jetzt ergänzten) Grafik eingetragenen Winkel 𝛼 definiert, also der größte Winkel des Beleuchtungsstrahlenbündels zur optischen Achse. Der kann maximal natürlich nur der numerischen Apertur des Objektives entsprechen, und auch gegen Null gehen wenn entweder die Aperturblende (AB in der Grafik) oder der Durchmesser der Lichtquelle - je nachdem was kleiner ist - gegen Null geht.

Das durch die Kamera abgebildete Objektfeld berechnet sich natürlich so wie Du es beschrieben hast. Mit dem Begriff "Bildwinkel" kann ich in diesem Fall wenig anfangen. Eigentlich bezeichnet man damit in der Fotografie den Winkel, mit dem das Objektiv das Objekt "sieht" und der durch das Verhältnis Bildbreite/-Höhe zur Gegenstandsweite oder Brennweite bestimmt wird. Beim Mikroskop sehe ich keinen großen Sinn dahinter, da ist bei der Kameraaufnahme eigentlich nur der Abbildungsmaßstab relevant. Natürlich kann man mittels Breite des Objektfeldes und Objektivbrennweite einen Winkel berechnen, aber für welchen Zweck?

Hubert

PS: Solche Grafiken zeichne bzw. bearbeite ich mit Paint.NET, ein sehr einfaches, übersichtliches und kostenloses Bildbearbeitungsprogramm, das aber alles hat was man benötigt.

[vonsth]

Hallo Hubert,
danke für die schnelle Antwort und die Folge-erklärung. Der Begriff Bildwinkel wird hiermit aus der Diskussion verbannt - das war ein Missverständnis.

Wie sind denn Auflicht-übliche Beleuchtungswinkel? Dann könnte man die benötigte Abbildung der Lichtquelle in der hinteren Brennebene bestimmen. Die Objektiv NA ist 0.4.

Und bezüglich der Auslegung der Feldblende, darf man da auch so einfach mit einer Brennweite von f=10mm des Mitutoyo rechnen? Das würde ja bedeuten, dass der Feldblendendurchmesser auch ~14mm sein müsste, wenn eine 100mm Linse wie im Thorlabs Aufbau genutzt wird.

Herzlichen Dank!
Martin

[Lupus]

Hallo Martin,

Wie sind denn Auflicht-übliche Beleuchtungswinkel?

im Prinzip ist jeder Winkel möglich, bis hin zum Dunkelfeld (mit Spezialobjektiven). Jedenfalls bis zur NA des Objektives. Das müsstest Du eigentlich selbst beurteilen können und festlegen, hängt ja von der Aufgabenstellung ab.

Und bezüglich der Auslegung der Feldblende, darf man da auch so einfach mit einer Brennweite von f=10mm des Mitutoyo rechnen?

Mit welcher Brennweite willst Du sonst rechnen wenn Du dieses Objektiv verwendest?

Hubert