Bau eines NIR-Durchlichtmikroskops (?)

[Stefan Lange]

Hallo zusammen,

wie bereits im Vorstellungs-Topic angekündigt, eröffne hier ein Thema zum geplanten Bau eines Mikroskops.

Gleich vorne weg: ich bin Anfänger. Im Rahmen meines Studiums untersuche ich Halbleiterproben im IR-Durchlicht auf Einschlüsse im Bereich von ca. 2 bis 100 µm. Halbleiter besitzen eine Absorptionskante die etwa ihrer Bandlücke entspricht (z.B. GaAs, Eg = 1,4 eV entspricht etwa 890 nm, höhere Energien/niedrigere Wellenlängen werden absorbiert), sprich ich arbeite im Bereich ab ca. nm im nahen Infrarot (begrenzt bis ca. 1100-1200 nm durch das Aufnahmespektrum von Si-CCDs). Das konnte ich einige Zeit an einem Zeiss Imager (mit Plan-Apochromaten, normaler 100 Watt Halogenlampe, normaler CCD-Kamera, überhaupt nichts für Infrarot ausgelegt!) testen. Ich konnte alles was ich wollte in sehr guter Qualität sehen und fotografieren.  Nun ist es meine Aufgabe ein Mikroskop eigens zu diesem Zweck zu beschaffen. Es muss im Prinzip ,,nur" folgenden Bedingungen genügen:

-   Ausreichendes Durchlicht im NIR (800-1200 nm)
-   Gleichmäßige Ausleuchtung des Bildfeldes
-   Auflösung möglichst nahe an 2 µm
-   Weite Verfahrwege bei hoher Präzision
-   Im Infraroten brauch ich nichtmal ein Okular, nur etwa eine CCD-Kamera

Da alle Mikroskope die ich bisher gefunden habe, die auch allen Anforderungen (speziell die weiten Verfahrwege!) genügen, sehr teuer sind und alle möglichen Funktionen bieten die überhaupt nicht benötigt werden (DIC, Ph, Dunkelfeld, Auflicht, Okular... usw.), lag irgendwann der Gedanke nahe, selber ein Mikroskop zu bauen. (An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass ich auch sehr dankbar wäre wenn jemand solche Komplettsysteme kennt, die ich nicht gefunden habe!) Nun bin ich mir aber gar nicht so sicher, ob das nicht etwas zu hoch gegriffen ist. Da rein prinzipiell jedoch schließlich so einiges möglich ist, habe ich die Planung dazu in Angriff genommen Bisher bin ich so weit, ich fange einmal oben an:

-   Objektivrevolver mit vielleicht  2.5x, 5x, 10x und 20x Objektiven (soweit ich das beurteilen kann sind dazu bereits Zeiss A-Plan oder Achroplan Objektive geeignet. Wie ich hier im Forum gelesen habe, bieten Planachromate inzwischen sehr gute Qualität in der Bildfeldebnung. Ich frag mich nur inwiefern die chromatische Aberration hier ein Rolle spielt. Und die Transmissionskurven sehen auch sehr brauchbar aus. Außerdem: Unendlichoptiken.). Die Proben sind z.t. dick (~10 mm), haben jedoch eine hohe Lichtbrechung (~n=3), erscheinen in der Fokusposition nur 1/3 so groß. Darunter ist jedoch noch eine Glasplatte von einigen mm Dicke. Reicht mir also ein nominaler Arbeitsabstand von 4 mm?
-   Normale CCD-Kamera mit passender Größe zum Bildfeld. Durch die Unendlichoptik wäre die Position sehr flexibel und weitere Linsen überflüssig (Strahlengang vom Objektiv direkt auf den Detektor). Ein Gehäuse dazu würde die Werkstatt anfertigen. Damit wäre der obere Teil bereits fertig (+Software etc.). Oder übersehe ich etwas?
-   Stativ und Stage (x,y,z): sehe ich als kleinstes Problem an. Außerdem kenne ich Spezialisten für Verfahrtische. Nur nicht für Optik, also weiter in der Optik:
-   Kondensor der unten an den Tisch passt. Er sollte für alle Objektive geeignet sein und eine gute (köhlersche?) Beleuchtung ermöglichen. Das muss noch genauer geplant werden...
-   Lampe bzw. Lampengehäuse mit Kollektorspiegel, Kollektorlinse (möglichst als ein fertiges Bauteil. Möglich?), Trafo... 100 Watt Halogen, was ein ausreichendes Spektrum abwirft und nicht alles verbrennt (evtl. auf Wärmeschutzfilter verzichten?).
-   Umlenkspiegel 45°. Muss der im Fokus der Kollektorlinse sein? Oder ist die Verzerrung des Strahlengangs im Spiegel außerhalb des Fokus vernachlässigbar?
-   Leuchtfeldblende + Lichtaustrittsöffnung (normales Glasfenster?). Die letzten 3 Teile (Lampe, Spiegel, Leuchtfeldblende) sollten möglichst auch in ein Gehäuse, um Verstaubung zu verhindern, aber das ist wohl wiederum ein Fall für die Werkstatt.

Ich hab mal mit einem Mikroskophändler geredet, der meinte er kann mir diese Komponenten liefern (bis auf Leuchtfeldblende und Umlenkspiegel). Sehr cool fände ich es natürlich, wenn ich komplette Einheiten kaufen (wie oberer Teil mit Objektivrevolver + Kamerastutzen im Gehäuse und unterer Teil mit kompletter Beleuchtung im Gehäuse), aber der Händler meinte, das rücken die Mikroskophersteller nicht raus, was ja auch verständlich ist.
Das sind soweit die Überlegungen auf der Basis meines derzeitigen Wissens. Der Gedanke dabei ist, alles so einfach wie möglich, aber doch so hochwertig wie nötig zu halten. Damit wende ich mich hier an Experten um eine Einschätzung zu bekommen, ob das wenigstens annähernd realistisch ist
Sehr freuen würde ich mich über Kritik (Denkfehler, Ungereimtheiten, Bildungslücken, Unmöglichkeiten), Tipps, Literaturempfehlungen zum Bau von Mikroskopen und Diskussion. Gerne auch Empfehlungen zu Händlern falls so was hier nicht ungern gesehen ist.
Wie gesagt, ich bin Anfänger und weiss gar nicht wo anfangen auf diesem großen Gebiet. Aber irgendwo musste ich ja anfangen

Viele Grüße,
Stefan Lange

[jibi]

Hallo Herr Lange,
ich bin zwar kein Spezialist für den Selbstbau von Mikroskopen, jedoch habe ich einige Jahre mit IR-Mikroskopen gearbeitet. Da diese Geräte im Preis tatsächlich jenseits von Gut und Böse lagen, brauche ich wohl auch keine Hersteller nennen. Aber etwas zum Aufbau sagen: Optiken im NIR-Bereich waren tatsächlich normale Serienprodukte, die Lichtquelle normale Halogenlampen ohne Wärmeschutzfilter. So können Sie meiner Meinung nach fast jedes Mikroskop ohne LED-Quelle für den Bereich bis 1200nm nach kleinem Umbau benutzen. Bei Anspruch auf Qualität eben ein Gebrauchtes der Markenhersteller.  Auf ein visuelles Okular würde ich allerdings nicht verzichten. Objektauswahl und Beurteilung sind am Monitor schon fummeliger als am Okular.

Mit besten Grüßen
Jürgen

[Werner Jülich]

Klingt interessant.
Können Sie einmal präzisieren, was Sie unter  "Weite Verfahrwege bei hoher Präzision" verstehen.
Unendlichoptik bedeutet Tubuslinse, aber das ist Ihnen sicher vom AxioImager her bekannt.
Was den Arbeitsabstand betrifft, den können Sie ja selber bestimmen, sonst müssten Sie noch die Dicke der Glasplatte angeben.
Wie groß sind die Proben?
Werner Jülich

[Stefan Lange]

Hallo,

danke für die Antworten. Ich muss zugeben, am Zeiss-Mikroskop habe ich nicht einmal durch das Okular geblickt. Und da es sowieso nur Durchlicht > 800 nm geben wird, macht ein Okular wenig Sinn. Die Auswahl sehe ich auch mit bloßem Auge, so klein sind die Proben nicht.

Herr Jülich: Die Proben sollten auch 30-40 cm groß sein können. Die Präzision sollte im Bereich von 1 µm liegen, was mit Linearmotoren realisierbar sein sollte.

Das mit der Glasplatte könnte ich noch ausrechnen. Die dürfte den Arbeitsabstand ja allenfalls vergrößern wenn ich das richtig verstanden habe, deshalb sollten die nominalen 4 mm ausreichen die bis zum 10x Objektiv nicht unterschritten werden. Das 20x Objektiv muss nicht unbedingt durch die dicksten Proben kommen.

Danke für den Hinweis mit der Tubuslinse, da hatte ich wirklich etwas nicht richtig verstanden. Das macht es für mich nochmal etwas komplizierter, muss ich noch recherchieren. Am besten wäre wohl wirklich, einen ganzen Tubus als Einheit zu kaufen wenn möglich.

Lg,
Stefan Lange

[Werner Jülich]

Der große Messtisch ist eine Herausforderung, lieferbar aber a) nicht an jedem Stativ möglich und b) nicht besonders günstig. Ob und wie man damit Köhlern kann lasse ich offen, mit der serienmäßigen Glasplatte wird es jedenfalls spannend.
Können Sie einmal genauer erläutern, warum Sie überhaupt einen Kondensor + Leuchtfeldblende usw. brauchen? Die Auflösung schafft das 20er Objektiv doch auch so, selbst bei 1µm Wellenlänge.
Wenn Sie nämlich auf den ganzen Zauber unter dem Tisch verzichten, kann man diesen freistehend wählen und lediglich für passendes Durchlicht sorgen.
Haben Sie den Preis für den Imager im Kopf? Alleine der gewünschte Tisch kommt auf 1/3 der Imagers.

Werner Jülich

[Stefan Lange]

Darum soll der Messtisch auch selbst gebaut werden. Mir kam gerade die spontane Idee, den gesamten Tisch als Glasplatte zu realisieren. Das Lineartechnik in den 5-stelligen Bereich kommt ist mir klar. Ein Imager fängt mit der Grundausstattung bei etwa 50k an, soweit ich weiss. Trotzdem lässt schon das allein Stativ keine allzugroßen Verfahrwege zu.

Am Imager war auch immer eine Glasplatte (schätzungsweise 5 mm) montiert, mit der war es mir trotzdem möglich zu köhlern.

Warum ich einen Kondensor usw. brauche? Nun, ich habe noch nie ein Durchlichtmikroskop ohne gesehen und hatte einfach vorausgesetzt dass er essentiell für eine anständige Beleuchtung ist. Mit der Aperturblende habe ich außerdem oft den Kontrast eingestellt. Leuchtfeldblende... ok, die habe ich nur immer zum Köhlern verwendet, ansonsten war sie zu 100% offen. Wie sieht denn die alternative aus? Paralleler Strahlengang?

Ich würde schon auf alles verzichten, was ich nicht brauche. Es muss aber auf jeden Fall funktionieren.

[Werner Jülich]

Es klingt zum Glück nicht sonderlich kompliziert, wenn man mal von Generalthema Kosten absieht.
Bei der Beleuchtung haben wir in einem ähnlichen Fall mit einer Steuscheibe als Lichtaustrittfläche gute Erfahrungen gemacht. Das spart jede Menge unschöner Mechanik, man denke z.B. einfach an die Zugänglichkeit der Stellschrauben zur Kondensorzentrierung unter dem riesengroßen Tisch, der ausserdem nicht an ein Stativ, sondern auf festen Untegrund gehört.
Wenn Sie den Punkt akzeptieren, dann bleibt noch das Stativ als Sonderbau komplett neu oder modifiziert. Der Rest ist dann nur anzuschrauben, fertig.

Werner Jülich

[Stefan Lange]

Hmm, d.h. einfach diffuses Licht auf die Probe leiten? Geht dabei nicht ein Großteil an Intensität verloren? Das Spektrum der Lampe wird ja sowieso auf den sichtbaren Bereich optimiert sein, außerdem absorbieren die Proben sicherlich noch einen guten Teil (werde ich noch prüfen). Was halten Sie von Glasfaseroptiken zur besseren Ausbeute? Die sollen das Bild verpixeln hab ich mal gehört.

Das ganze sollte vielleicht aber so konzipiert werden das notfalls doch ein Kondensor etc. verbaut werden könnte, falls der teure Aufbau gar nicht funktioniert. Falls der Tisch nur die x- und y- Positionierung übernimmt und die z-Fokussierung über den Objektivblock gehandhabt wird, müsste der Kondesor ja nicht am Tisch befestigt werden, sondern könnte mit dem Stativ verbunden (+höhenverstellbar eben) bleiben.

Möglicherweise muss bei dem Tisch aus Kostengründen ein Kompromiss eingegangen werden, so dass nur Proben von 10-15 cm Durchmesser betrachtet werden können.

Einschlüsse im Bereich von 2 µm kann ich im Imager übrigens bereits mit dem 10x Objektiv (NA=0.3) sehen. Zwar nicht scharf, aber vorhanden. Es wäre schon gut, wenn ich mit dem 10er weiterhin alles sehen könnte.

Stefan Lange

[peter-h]

Hallo Herr Lange,

zur Kamera würde ich zunächst einmal bei Hamamatsu suchen. Z.B. InGaAs Camera C10633-13  900nm bis 1700nm !
Dann wäre doch bei der Optik ein Spiegelobjektiv recht tauglich. Für die restlichen Punkte sehe ich bis auf den Tisch keine Probleme.

Grüße aus dem Norden
Peter Höbel

[Jürg Braun]

Guten Abend

In der Dendrochronologie werden auch grosse Tische benötigt. Wenn man beim Link runterscrolt sieht man ein Bild eines Mikroskops Marken Eigenbau aus der Archäologie in Zürich. Es ist ein Kreuztisch aus der Industrie. Das Stemi ist an einem Bohrständer angebracht.

http://www.stadt-zuerich.ch/hbd/de/index/archaeologie_denkmalpflege_u_baugeschichte/dendro/dendroprinzip.html

Gruss

Jürg

[Stefan Lange]

Danke für die Antworten!

Bei Hamamatsu InGaAs Kameras hatte ich mich bereits umgesehen, aber ich denke die würden den Preis in die Höhe treiben. Wie gesagt, ich hab das bereits mit normalen Kameras mikroskopiert und es hat funktioniert. Bezüglich Spiegelobjektiven muss ich mich noch informieren, scheinen ja recht exotisch zu sein.

Die IR-LEDs kenne ich, damit hab ich mir mal spaßeshalber ein Nachtsichtgerät gebaut. Ich denke aber, mit einer normalen Halogen-Lampe ist es leichter zu realisieren.

Mit einem Standard-Kreuztisch werde ich wahrscheinlich nicht weit kommen, da er ja über einen weiten Bereich transparent sein muss. Die Beleuchtung bereitet mir noch am meisten Kopfzerbrechen.

Lg,
Stefan Lange

[Werner Jülich]

Es geht alles ganz brav mit normalen Komponenten, wenn Sie bei den Tischabmessungen flexibel sind, es gibt auch genügend ganz normale Kameras, solange Sie sich nicht jenseits von  1,1 µm Wellenlängen bewegen wollen. Wir haben bei einem ähnlichen Wellenlängenbereich bei einem medizinischen Projekt (Observer) an der Uni Mainz ganz brauchbare Ergebnisse erzielt und die ursprünglich angedachte Hamamatsu Kamera als unnötig verworfen. IR-LEDs müßte man prüfen.

Werner Jülich

[Rawfoto]

Hallo Stefan

Im eBay USA haben die bis vor ca. 2 Monaten so ein Teil angeboten, es ist von über 2000.- auf 700.- USD runtergegangen und es waren 2 Spezialojektive und ein Olympus Trinotubus mit dabei. Das hilft zwar jetzt unmittelbar nichts, ich will Dir damit sagen ==> es zahl sich aus den Gebrauchtmarkt zu durchforsten, auch wenn Du dabei nur Einzelteile bekommst ...

:-)

Gerhard

[peter-h]

Noch einma kurz.

Mit einer Halogenleuchte und einem Schott RG1000 / 3mm Glasfilter bekommt man einen guten IR-Strahler welcher von üblichen monochromen CCD oder CMOS Kameras noch gut genutzt werden kann. Der Schwerpunkt liegt dann bei ca. 1000nm.
Beispiel:
Eine Lötkolbenspitze bei 350°C konnte ich sehr schön mit einer einfachen monochromen CMOS-Kamera aufnehmen.

Gruß Peter Höbel

[Jürg Braun]

Guten Tag

Bei mir würde das Gerät aus einem umgebauten Mikroskop, einem Standartkreuztisch und einer Kamera etwas so aussehen. Die Glasplatte einfach über den Tisch heben.


Gruss

Jürg