Schiefe Beleuchtung bei Stereomikroskopen

[Lupus]

Hallo Jürgen,

ich kenne jetzt die Details aktueller Stereomikroskope der verschiedenen Hersteller nicht gut. Man muss dazu sagen, dass es erst vor nicht allzu langer Zeit "Mode" geworden ist, Stereomikroskope bewusst mit schiefer Beleuchtung auszustatten und auch damit zu werben.

Manche frühere Beleuchtungssysteme wurden meiner Meinung nach von den Anwendern auch für schiefe Beleuchtung "zweckentfremdet", weil es prinzipiell auch möglich ist. Z.B. dürfte es sich bei Deinem Zeiss-SV nur um eine Dunkelfeldbeleuchtung handeln, jedenfalls ist im Zeiss-Prospekt nur von einem schwenkbaren Spiegel zur Erzeugung von einseitigem Dunkelfeld die Rede. Bei der Methode entsteht praktisch keine Ungleichmäßigkeit der Dunkelfeld-Beleuchtung, dagegen ist mit der Konstruktion bei schiefer Beleuchtung nur mit zusätzlichem Aufwand ein gleichmäßiger Hintergrund zu erreichen.

Für eine homogene (ideale) schiefe Beleuchtung müssen zwei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein: Der Hintergrund muss wie bei Hellfeld homogen ausgeleuchtet sein, und das Objekt darf nur halbseitig ausgeleuchtet werden. Das geht technisch optimal am einfachsten mit einer Kondensorbeleuchtung weil ja nur eine etwa halbseitige Blende als Aperturblende in der Brennweitenebene des Kondensors eingefügt werden muss (wie bei Nikon).

Bei der "klassischen" Methode älterer Stereomikroskope mit schwenkbarem, ca. 45° geneigtem Spiegel, aber ohne Kondensor, ist für eine gute schiefe Beleuchtung Voraussetzung, dass die Leuchtfläche der Lichtquelle homogen und groß genug ist um die NA des Objektives halbseitig auszuleuchten. Und in Querrichtung muss sie breiter sein da hier beide Objektive gleichzeitig homogen ausgeleuchtet werden müssen. Der notwendige Beleuchtungswinkel ist hier über doppelt so groß wie der Einzelwinkel für ein Objektiv. Gerade bei Stereomikroskopen ist die gleiche Ausleuchtung beider Stereo-Strahlengänge wichtig um den Stereoeffekt nicht zu stören. Außerdem muss der Abstand der Lichtquelle zum Objekttisch deutlich größer sein als der Durchmesser des auszuleuchtenden Objektfeldes. Ist er das nicht variiert der Effekt der schiefen Beleuchtung erkennbar von der Bildmitte zum Bildrand.

In einem fliegenden Aufbau auf die Schnelle habe ich einmal eine LED-Fotoleuchte genommen und mittels Mattglas nicht allzu feiner Körnung eingespiegelt; durch Kippen kann man damit tatsächlich einen guten Oblique-Effekt mit relativ homogenem Hintergrund erzielen.

Ein nicht zu grobkörniges Mattglas reflektiert ja auch ähnlich wie eine glatte Glasscheibe, nur überlagert mit einer Winkelverbreitung der Strahlenbündels durch die Streuung an der Oberfläche. Und dadurch wird virtuell eine homogenere flächige Lichtquelle erzeugt, die zu der notwendigen homogenen Hintergrundausleuchtung führt. Die Drehung des Spiegels bewirkt optisch nichts anderes als die Verschiebung der Lichtquelle weg von der optischen Achse. Für eine optimale Wirkung der schiefen Beleuchtung müsste die Verschiebung gerade so groß sei wie der halbe Lichtquellendurchmesser.

Bei der Olympus-Konstruktion könnte ich mir vorstellen, dass das von Frank beschriebene Liniengitter auf der drehbaren Scheibe eine Art räumliche, schräg zur Oberfläche angeordnete Lamellenstruktur darstellt. Etwa wie Jalousien am Fenster. Durch Veränderung der Neigung der Scheibe in der Form, dass die Durchlässigkeit senkrecht von oben betrachtet geringer wird, werden schräge Lichtstrahlen bevorzugt durchgelassen. Und dadurch eine verstärkte schiefe Beleuchtung erzeugt die aber so homogen ist wie die Grundbeleuchtung ohne schiefe Beleuchtung. Die darüber liegende Mattscheibe macht die Linien dann im Objektiv unsichtbar. Irgendwie muss ja der Preis von etwa 400.- bis fast 600.- € für eine einzige derartige Schieflichtkassette begründet sein. Das ist jedenfalls meine Vermutung nach der bisherigen Beschreibung....

Hubert

[Nochnmikroskop]

schräg zur Oberfläche angeordnete Lamellenstruktur darstellt

Hallo Zusammen,

ich habe mir die Linienstruktur des Innenlebens nochmals genauer angesehen, wofür hat man denn sonst so ein Mikroskop? 
Also es sind tatsächlich Lamellen, welche bei gerader Stellung des Einsatzes leicht schräg stehen und ca. 60% Licht durchlassen und bei max. Schrägstellung kein direktes Licht aus senkrechter Position zulassen. 
Die Lamellen dürften etwa 0,25 bis 0,3 mm Hoch sein.

Der "Schiefe Beleuchtungseffekt" zeigt sich nur durch die Lamellen, der Diffusor verhindert das man die einzelnen Lamellen als Linie im Objekt erkennen kann.

Was mir noch nicht klar ist, warum ohne angeschaltete Beleuchtung die Lamellen wie ein schwarzer Spiegel erscheint, bei näherer Betrachtung mit Licht aber deutliche Strukturen erkennbar sind.

LG Frank

[Lupus]

Hallo,

Evtl. gibt es ja eine Möglichkeit zum Selbstbau einer Einrichtung, die Schieflicht mit "schönem" Hintergrund im ganzen Vergrößerungsbereich ermöglicht.

Im Prinzip sollte das nicht allzu schwierig sein, es hängt aber vom technischen Aufbau des vorhandenen Mikroskops ab. Ich zeige kurz den möglichen Umbau am Beispiel des MBS-10. Der demontierbare Beleuchtungsuntersatz enthält einen drehbaren Spiegel (er besitzt auf der Rückseite zusätzlich eine matte weiße Fläche). Die Leuchte für Auflichtbeleuchtung kann man auf der Rückseite in eine Öffnung stecken (im Bild rechts, mit demontiertem Adapter) um damit entweder die weiße Fläche für Hellfeld zu beleuchten, oder den Spiegel für Dunkelfeld einzustellen. Die originale Leuchte kann man eigentlich entsorgen, sie ist zu schwach und leuchtet trotz eingebauter Linse recht ungleichmäßig aus.



Wenn man die weiße matte Scheibe verwendet entsteht eigentlich immer schwach der Effekt der schiefen Beleuchtung, da sie durch die Schrägstellung bei seitlicher Anstrahlung einen Helligkeitsgradienten besitzt. Diese Wirkung könnte man durch bewusstes inhomogenes Beleuchten der Scheibe verstärken, man erreicht aber nicht den optimalen differentiellen Phasenkontrast.

Bei Verwendung des Spiegels hängt der Beleuchtungseffekt dagegen ausschließlich von der Qualität (Homogenität und Größe) der Lichtquelle ab. Um das zu testen habe ich das Mikroskop - ohne Beleuchtungsuntersatz - provisorisch etwas erhöht aufgestellt um dann darunter in einigem Abstand mit Hilfe von weißen, angeleuchteten Papierstücken Leuchtflächen zu simulieren. Statt der Spiegelverdrehung lässt sich das Papier einfach auf dem Tisch verschieben, das hat die gleiche Wirkung. Die Versuche haben das bestätigt was ich bereits beschrieben hatte: Die Leuchtfläche muss einen ziemlich großen, unpraktikablen Abstand zum Objekt haben um auch mit geringen Vergrößerungen (und damit großer Objektfläche) das gesamte Feld einheitlich auszuleuchten.

Für eine gute schiefe Beleuchtung bei geringer Objektivvergrößerung bleibt eigentlich nur ein einfacher Beleuchtungskondensor. Auch dazu habe ich einen Test gemacht, mit gleichen Aufbau wie bereits beschrieben. Ich hatte zufälligerweise gerade eine ideal passenden Linse greifbar mit etwa 8.5 cm Brennweite und genau den Durchmesser der Öffnung des Beleuchtungsuntersatzes. Daher habe ich das Mikroskop (wieder ohne Untersatz) auf Holzleisten aufgestellt, in Höhe der Brennweite über dem Tisch. Der Kondensor liegt zentriert ebenfalls auf den Leisten. Auch hier habe ich wieder die Lichtquelle durch weiße, mit einer LED-Spotlampe angestrahlte Flächen unterhalb des Kondensors simuliert. Die Lichtquelle muss, wie schon einmal erwähnt, quer zur Blickrichtung deutlich breiter sein als in Blickrichtung damit das linke und rechte Stereobild gleichartig ausgeleuchtet sind.



Bei dieser Anordnung ließ sich auch bei der geringsten Vergrößerung des Mikroskops (Objektiv 0.6x, Okular 8x mit 23 mm Sehfeld) das Objektfeld homogen ausleuchten, und der Effekt der schiefen Beleuchtung erscheint sehr gut, ich würde ihn besser als ohne Kondensor einschätzen.

Ich habe das Ganze dann mit dem Beleuchtungsuntersatz getestet und den Kondensor hilfsweise auf dessen Öffnung direkt unter die Glasplatte des Objekttisches gelegt.



Mangels optimal dimensionierter LED-Leuchte habe ich eine alte Energiesparlampe (Leuchtstofflampe) verwendet, die wiederum fast die richtige Größe und längliche Form hatte. Wegen der optimalen Zugänglichkeit habe ich die vordere Öffnung des Beleuchtungsuntersatzes verwendet, die Lampe liegt auf dem Bild nur provisorisch etwas außerhalb der richtigen Position.



Als Leuchte werde ich mir noch eine längliche 220V LED-Lampe besorgen (etwa diese Art https://www.gluehbirne.de/LED-Leuchtmittel-T30-Roehre-4W-GU10-Corn-3000K-warmweiss-360 ) und quer liegend in ein Gehäuse (mit Mattscheibe und rückseitigem Reflektor) einbauen, das in die vordere Öffnung des Beleuchtungsuntersatzes passt.

Durch Feinjustierung der Spiegeldrehung lässt sich die Beleuchtung stufenlos von Dunkelfeld bis zum differentiellen Phasenkonstrast einstellen. Bei einer geeigneten vorhandenen Beleuchtungseinrichtung wäre ein Umbau mit Kondensorlinse für das Stereomikroskop also möglich.

Hubert

[Nochnmikroskop]

Hallo Hubert,

Du beherrscht die Technik in Theorie und Praxis! Danke dass Du uns teilhaben lässt.

LG Frank

[Apochromat]

Hallo,

da Peter etwas über die schiefe Beleuchtung schrieb, die ihm an meinem Axiozooom.V16 so gefiel, schreibe ich kurz etwas. Die schiefe Beleuchtung im Durchlicht kann bei Stereomikroskopen und nicht- stereoskopischen Makrosystemen wie dem Axiozoom.V16 auf unterschiedliche Art und Weise erzeugt werden: Es gibt Durchlichteinrichtungen für Hellfeld, schiefe Beleuchtung und Dunkelfeld, die mit dreh- und kippbaren reflektierenden Flächen, verschiebbaren Spaltblenden, Dunkelfeldspiegelsystemen und Mattscheiben arbeiten. Auch unterschiedlich einstellbare lamellare Strukturen werden manchmal benutzt. Dabei unterscheidet sich beim Stereomikroskop/ Makrosystem der Strahlengang vom konventionellen (monoskopischen) zusammengesetzten Mikroskop durch das Fehlen der Köhler´schen Beleuchtung. Daher ist es so, dass bei den niedrigen Abbildungsmassstäben mit den hohen Abbildungstiefen und den großen abgebildeten Dingfeldern bei bestimmten Einrichtungen die das Dunkelfeld oder die schiefe Beleuchtung erzeugenden Bauteile gemeinsam mit dem Objekt mehr oder wenig deutlich/ störend zu sehen sind. Solche Einrichtungen sind aber sehr vorteilhaft bei der Kontrastierung sehr feiner transparenter Objekte (z.B. Zellkerne in Eizellen oder Schlieren in Gläsern) bei mitlleren und hohen Abbildungsmassstäben (Zoomstellungen). Für Übersichtsvergrößerungen eignen sich Durchlichtbasen mit reflektierenden Oberflächen (glänzend und mattiert), die kippbar und horizontal versschiebbar sind, besser (z.B Universelle Durchlichtbeleuchtungseinrichtung). Beim Axiozoom.V16 gibt es eine motorisierte Durchlicht- Beleuchtung (Durchlichtbasis 450 mot), die mit einem komplexen Zusammenspiel von verschiedenen teiltransparenten und stark beweglichen Flächen arbeitet und damit Hellfeld, schiefe Beleuchtung und streifendes Dunkelfeld erzeugen kann. Das ausgewählte Kontrastierungsverfahren wird dabei über nahezu den gesamten Zoombereich des Pankraten/ Objektivkombination beibehalten und automatisch mittels intelligenter Software nachgeführt. Der Nutzer kann dabei zuvor auch die "Stärke" des Reliefkontrastes visuell vorwählen. Die sehr aufwendige und einzigartige Lichtführung gibt es nur für das nicht- stereoskopische, hochauflösende Zoommikroskop Axiozoom.V16.

LG

Michael

[Lupus]

Hallo,

Daher ist es so, dass bei den niedrigen Abbildungsmassstäben mit den hohen Abbildungstiefen und den großen abgebildeten Dingfeldern bei bestimmten Einrichtungen die das Dunkelfeld oder die schiefe Beleuchtung erzeugenden Bauteile gemeinsam mit dem Objekt mehr oder wenig deutlich/ störend zu sehen sind.

hierzu noch eine technische Ergänzung:

Die Problematik bei Stereomikroskopen besteht einerseits darin, dass die vom Objektrand ausgehenden Lichtstrahlen (im Mittel) oft schräg zur optischen Achse auf das Objektiv auftreffen, im Gegensatz zu den Strahlen aus dem Objektzentrum. Dadurch wird es schwieriger, bei Dunkelfeld-Durchlichtbeleuchtung, und ganz besonders bei schiefer Beleuchtung, eine homogene und optimale Beleuchtung zu erreichen.

Andererseits besteht das zusätzliche Problem, dass durch die beiden zueinander geneigten Stereo-Strahlengänge quer dazu (in Richtung der Verbindungslinie der beiden Objektive) die Neigung der vom Objekt zu den Objektiven gehenden Strahlenbündel über doppelt so groß ist wie senkrecht dazu ist. D.h. konstruktiv muss eine optimale schiefe Beleuchtung unsymmetrisch gestaltet werden. In Querrichtung darf also die Beleuchtung nicht schief/unsymmetrisch sein, das Objektfeld muss gleichmäßig diffus über die gesamte Breite ausgeleuchtet werden. In Längsrichtung muss dagegen der unterschiedliche mittlere Einfallswinkel der Objektstrahlen von Objektzentrum und -Rand berücksichtigt werden.

Zur Demonstration hier ein paar gerechnete Strahlenverläufe einfacher Objektive.

Normale Mikroskopobjektive nicht zu geringer Vergrößerung sind in der Regel so konstruiert, dass die Strahlenbündel im Mittel auch aus dem Objektrandbereich etwa parallel zur optischen Achse einfallen. Das Bild zeigt ein sehr einfach konstruiertes Objektiv 10/0.3. Im vergrößerten unteren Ausschnitt ist als roter Pfeil der mittlere Strahl vom Objektrand eingezeichnet. Er verläuft praktisch parallel zur optischen Achse (schwarz gestrichelt). Das ist u.a. auch für die richtige Wirkung der Aperturblende bedeutsam, ganz speziell für die Funktion von Phasenblenden beim Phasenkontrast. Wichtig ist in der konstruktiven Optik hier die Lage der Blende.



Das folgende Beispiel zeigt ein noch einfacher konstruiertes Objektiv geringerer Vergrößerung (4.5/0.05). In der oberen Ausschnittsvergrößerung ist wieder als roter Pfeil die Hauptrichtung des Strahlenbündels vom Objektrand eingezeichnet, die deutlich schräg zur optischen Achse verläuft. Durch Verlagerung der Blende weg vom den Linsen könnte dies korrigiert werden. Das ist aber praktisch kaum möglich, da hierzu die Tubuslänge (und natürlich die Objektivlänge) nicht ausreicht. Bei höheren Anforderungen kann durch eine komplexere innere Objektivkonstruktion eine ähnliche Wirkung wie im Fall der entfernten Blende erreicht werden. Bei normalen Stereomikroskopen ist das aber nicht praktikabel, daher entsteht das beschriebenen Problem der schrägen Randstrahlen.



Das Ganze ist jedoch abhängig vom Objektiv-Abbildungsmaßstab. Das folgende Beispiel zeigt den Aufbau eines Stereomikroskops vom Typ Fernrohr/Abbe. Die Abbildung ist insgesamt nicht maßstäblich, die Brennweitenverhältnisse der Objektive und die NA sind aber richtig gewählt für ein MBS-10 (das etwa dem Zeiss Technival 2 entspricht). Das linke Frontobjektiv hat eine Brennweite von 90 mm, die rechte "Tubuslinse" 180 mm, insgesamt ohne eingeschaltetes Galilei-Teleskop zwischen beiden Linsen also eine 2fache Vergrößerung. Oben im Bild ist der Vergrößerungswechsler auf 4x gestellt, d.h. dass das zugeschaltete Linsensystem (nur mit zwei vertikalen Strichen angedeutet) eine zusätzliche 2fache Vergrößerung besitzt. Hier ist erkennbar, dass die gesamte Anordnung etwa zu achsparallelen Randstrahlenbündeln führt. Nach Umkehrung des Galilei-Teleskops auf 0.5fache Vergrößerung und damit Gesamtvergrößerung 1x (Bild unten) verlaufen die Randstrahlen wieder ausgeprägt schräg zur Achse.



Daraus folgt, dass bei solchen optischen Systemen schiefe Beleuchtung bei geringen Objektivvergrößerungen nur durch Kompromisse möglich ist. D.h. dass im 2. Fall der Winkel der Beleuchtung durch z.B. Wahl der Leuchtfläche nicht optimierbar ist (wie ich es beispielhaft im vorangegangenen Beitrag angedeutet habe), sondern die Fläche so groß gewählt werden muss dass auch im Objekt-Randbereich die Beleuchtungsstrahlen schräger (oder weniger schräg) als gewünscht einfallen damit die gesamte Bildfläche scheinbar homogen ausgeleuchtet wird. Dann verringert sich aber der Effekt der schiefen Beleuchtung erheblich, und er variiert über die Bildfläche.

Hubert

[Nochnmikroskop]

Hallo zusammen,

ich habe nochmals versucht die Gleichmäßigkeit der schiefen Beleuchtung darzustellen.
Die Aufnahmen stammen wieder mit dem 1x PlanApo Objektiv bei minimaler (7x) und maximaler (11,5x) Vergrößerung. Aufgenommen mit dem Handy durch das rechte Okular, senkrechter Strahlengang eingestellt.

Es handelt sich um Ostseesand in einer Kunststoff Petrischale. 

Das Objektiv hat lt. Datenblatt beim 1x PlanApo ein Bildfelddurchmesser von 31,4 mm bis 1,9 mm.

Zur besseren Beurteilung habe ich jeweils das halbe Bild in der Helligkeit und im Kontrast verringert. Dadurch sollte sich ein Gradient in der schiefen Beleuchtung erkennen können. 

Meiner Meinung nach erreicht Olympus mit dem flachen LED Stativ über den gesamten Bereich eine homogene schiefe Beleuchtung.

LG Frank

Tabelle Olympus


Sand Übersicht


Sand in Neigungsrichtung der schiefen Beleuchtung bearbeitet



Sand quer zur Neigungsrichtung der schiefen Beleuchtung bearbeitet

[Apochromat]

Hallo Hubert,
das ist ein ganz toller Beitrag von Dir. BRAVO !!!

LG
Michael

[Lupus]

Hallo Frank,

das Kriterium ist eigentlich nicht so sehr die Gleichmäßigkeit der Helligkeitsverteilung, sondern die Wirkung der schiefen Beleuchtung als Kontrastverfahren bei Phasenobjekten über die ganze Fläche. Als Test ist der Sand kaum geeignet, dazu ist er nicht transparent genug. Man kann sich aber z.B. aus klarem PVA-Bastelkleber (o.ä.) brauchbare Testobjekte herstellen, indem man sehr kleine Klebertropfen auf einer Glasfläche zu dünnen, rundlichen Flächen eintrocknen lässt. Daran kann man die Wirkung schiefer Beleuchtung im Vergrößerungsbereich von Stereomikroskopen gut beobachten. Wenn der Kleber zusätzlich dünn ausgestrichen wird, z.B. in verästelter Form mit einer Nadel, lassen sich auch schwer sichtbare Phasenobjekte erzeugen die dann die Qualität der schiefen Beleuchtung besonders kritisch zeigen.

Hubert

[anne]

Hallo zusammen,
Bei meinem Nikon funktioniert die schräge Beleuchtung auch sehr gut, OCC genannt. Im link ganz unten erklärt:
https://www.microscope.healthcare.nikon.com/de_EU/products/stereomicroscopes-macroscopes/smz25-smz18

Lg
Anne

[Nochnmikroskop]

Wenn der Kleber zusätzlich dünn ausgestrichen wird, z.B. in verästelter Form mit einer Nadel, lassen sich auch schwer sichtbare Phasenobjekte erzeugen die dann die Qualität der schiefen Beleuchtung besonders kritisch zeigen

Hallo,

auf die Schnelle habe ich UHU (leider etwas zu viel) in eine Petrischale (ca. 33 mm Innendurchmesser) geträufelt mit Pipette verteilt und mit Cuttermesser Ritze in die Petrischale geritzt. Nach etwas Trocknung ebenfalls mit Pipette kleine Löcher in den noch nicht festen Klebstoff gedrückt. Anschl. wurde etwas Salz aufgestreut und angehaucht.

Die Bilder wurden mit der Pro Funktion des Handys gemacht, wobei die Belichtungszeit jeweils angepasst wurde, da die Helligkeit sonst nicht ausgereicht hätte, bzw. überstrahlt gewesen wäre.


Meine Einschätzung:
Beim dunkleren Bild scheint im Süden und auch seitlich ein Helligkeitsgradient zu sein. Das hellere Bild ist recht homogen.

Lieber Hubert, bitte schätze mal die Gleichmäßigkeit ein. 

Bilder bei 0,7 facher Vergrößerung (min), Regler schiefer Beleuchtung jeweils Anschlag Verstellbereich.

LG Frank

[Lupus]

Hallo Frank,

Uhu funktioniert sicher nicht so wie ich es meinte. Uhu enthält zu wenig Lösungsmittel und dadurch werden die Objekte optisch viel zu dick und auch ungleichmäßig. Und mir ging es darum dass natürlich nicht die ganze Glasfläche beschichtet wird sondern dass mehr oder weniger reproduzierbar auf klarem Glas einzelne sehr kleine, miteinander vergleichbare Phasenobjekte verteilt sind.

Hubert

[Nochnmikroskop]

Bei meinem Nikon funktioniert die schräge Beleuchtung auch sehr gut, OCC genannt

Hallo Anne,

hat Dein Stemi denn auch die dünne LED Basis? 
Wie ist da die Gleichmäßigkeit / der Effekt bei geringen Vergrößerungen?

LG Frank

[anne]

Hallo Frank,
ja ich habe die dünne Basis.
Die Ausleuchtung ist insgesamt sehr gleichmäßig, aber bei geringen Vergrößerung habe ich auch einen Gradient.
lg
anne

[Lupus]

Hallo Frank,

ich dachte an solche Phasenobjekte, durch den hohen Wasseranteil des dünnflüssigen Klebers bleiben sehr dünne Schichten nach Eintrocknung übrig. Den "Kraken" habe ich durch ausstreichen aus dem runden Tropfen mit Hilfe einer Nadel erzeugt. Das letzte Bild stammt von einem etwas zerkratzten Objektträger, unten rechts reicht ein maximal ausgestrichener Tropfen in das Bildfeld.








Die Objekte sind im Hellfeld z.T. nicht erkennbar. Die Aufnahmen stammen von meinem MBS-10 mit 4facher Vergrößerung. Die recht gut wirksame schiefe Beleuchtung habe ich wie im früheren Beitrag beschrieben durch Optimierung der Leuchtflächengröße erreicht, die ist im normalen Mikroskop auch nicht besser machbar.

Hubert