Grundlagen der Mikrofotografie - Kameraadaptionen

[Peter V.]

Hinweis: Dieser Artikel dient zur Einführung in die Grundlagen und Prinzipien der Kameraadaptionen.

Eine umfangreiche Linksammlung zu bisher im Forum veröffentlichten speziellen Threads mit dem Thema "Kameradaption" findet ihr hier


Grundlagen der Mikrofotografie von Jürgen Stahlschmidt

Diese Einführung in die Mikrofotografie wendet sich an Mikroskopiker, die in die Mikrofotografie einsteigen möchten, aber noch nicht über das notwendige Grundlagenwissen verfügen. Es soll den Einstieg in Selbstbaulösungen erleichtern, aber auch eine Basis schaffen, evtl. notwendige Beratungsgespräche mit ,,Experten" strukturierter durchführen zu können.

Bei der Mikrofotografie am zweistufig zusammengesetzten Mikroskop (d. h. das Mikrokopobjektiv entwirft ein Bild und das Okular vergrößert dieses Bild für den Betrachter) geht es darum, das mikroskopische Bild möglichst unverfälscht von optischen Fehlern und ausreichend groß  auf einen Bildträger (heute im Allgemeinen nicht mehr der Film sondern der  Bildsensor der Kamera) zu bringen.

Also gibt es im Mikroskop zwei Bilder, die man fotografieren kann:

1) Das eine ist das Bild, das in endlicher Entfernung unterhalb des Tubusrandes in der Okularabgleichebene oder auch Zwischenbildebene genannt entsteht, das sogenannte Zwischenbild.

2) Das andere ist das Bild, das vom Okular im Unendlichen entworfen wird und mit der kurzbrennweitigen Augenlinse auf der Netzhaut des Betrachterauges abgebildet wird.

Die Qualität dieser  Bilder kann unterschiedlich sein. Denn bei den sogenannten endlichen Mikroskopsystemen  dient das Okular nicht nur der vergrößernden Betrachtung des Zwischenbildes, es korrigiert auch Abbildungsfehler des Objektivs, die zum Teil erheblich sein können. Bei den unendlichen Systemen ist das Zwischenbild (zumeist, es gibt einige Ausnahmen) durch eine vorgeschaltete Tubuslinse schon um diese Abbildungsfehler korrigiert. Hier hat das Okular nur die vergrößernde Funktion, das heißt, dass in solchen Fällen oft eine einfache optiklose  "Ofenrohradaption" (Erklärung erfolgt weiter unten) ausreicht.

Ob man es mit einer Endlich- oder der moderneren Unendlichoptik zu tun hat, ist in der Regel auf dem  Objektiv vermerkt (z. B. 160 mm oder das Unendlich-Symbol).
Die Qualität des mikroskopischen Bildes hängt u. a. erheblich von der Einhaltung des richtigen Arbeitsabstandes des Mikroskopobjektives ab. Dieser Arbeitsabstand ist  - auch wenn er bekannt ist -schlecht messbar. Er ist aber dann richtig eingehalten, wenn das Objektiv und das Okular und die vorgesehene mechanische Tubuslänge zueinander passen. Das ist sichergestellt, wenn man Optiken eines Herstellers kombiniert. Die mechanische Tubuslänge ist nur beim Einsatz eines geraden Tubusses messbar (Entfernung Objektivanschlag am unteren Tubusende bis zum oberen Tubusrand). Bei Schrägtuben oder Binokulartuben ist die optische Tubuslänge mit Bordmitteln nicht auszumachen.







An dieser Stelle ein wichtiger Hinweis: egal, welches Objektiv, welches Okular, welche Tubuslänge zum Einsatz kommen, ein Bild gibt es immer über die Defokussierung des optischen Systems, d.h. über die Änderung des vorgeschriebenen Arbeitsabstandes des Objektivs. Der Preis dafür ist immer die Verschlechterung der Bildqualität. Es kann bei stärkerer Defokussierung  sogar vorkommen, dass bei dem 100er Objektiv der Arbeitsabstand so klein wird, dass die Frontlinse das Deckglas berührt.

Im nächsten Schritt kann man an die Konzeption der Fotoeinrichtung gehen.

1) Liegt ein unendliches System vor, kann man das Zwischenbild fotografieren. Voraussetzung ist dabei, dass man abmessungstechnisch an das Zwischenbild, welches unterhalb des Tubusrandes entsteht, mit dem Kamerasensor herankommt. Es kommt hier darauf an, wie der Mikroskophersteller diese Schnittstelle konstruiert hat. Wo das Zwischenbild liegt, weiß der Hersteller, oder man muss es empirisch ermitteln (ohne umzufokussieren!!). D.h. das Objektiv wird auf richtigen den richtigen Arbeitsabstand eingestellt, indem mit originalem Tubus und richtiger Dioptrienkorrektur am Okular ein Objekt scharf gestellt wird. Dann wird am Kameraausgang  des Trinokulartubusses mit dem Bildsensor der Kamera die Lage, die zur schärfsten  Abbildung des Zwischenbildes führt, gesucht. Zwischen Kamersensor und Fotoausgang des Mikroskops benötigt man also im einfachsten Falle keinerlei Optik, es genügt eine Art entsprechend langer "Abstandhalter" zwischen Kamera und Mikroskop. Hier kommen üblicherweise sogenannte "Ofenrohradapter" zum Einsatz, einfache, am besten von innen reflexmindernd geschwärzte Rohre, die unten mit einen Anschluss zum Fotoausgang des Mikroskops und oben mit einen Anschluss an eine Kamera mit T2-Adapter ausgestattet sind.


2) Liegt ein endliches System vor, gibt es nur einen zufriedenstellenden Weg. Es muss auch ein Okular in das fotografische Abbildungssystem.
Wird ein Okular im fotografischen Strahlengang verwendet, kann man

a) das System umfokussieren, d. h. den Arbeitsabstand des Objektivs verändern, um in vielleicht 125 mm Entfernung vom Okular ein Bild zu erzielen. Abbildungsfehler sind wie oben schon erläutert die Folge. Kompensieren kann man diese Fehler durch Anheben des Okulars. Die Höhe des Anhebens ist abhängig vom eingesetzten Okular.







b) das Okular durch ein Projektiv des Mikroskopherstellers ersetzen. Dieses Projektiv bildet das vom Objektiv erzeugte Zwischenbild unter Beibehaltung seiner Lage nicht im Unendlichen, sondern auf dem Bildträger ab (in der Regel in 125 mm Entfernung) bei gleichzeitiger Kompensation der vom Objektiv erzeugten Bildfehler.


c)  oberhalb des Okulares ein Kameraobjektiv (genannt Relaisoptik) verwenden. Die notwendige Abbildungsgröße hängt von der Größe des Kamerasensors ab, denn es soll ja in der Regel das fotografisch festgehalten werden, was auch das Auge sieht. Natürlich mit den Abstrichen, dass ein rundes Okularsehfeld größer ist als das Rechteck, das die Kamera abbildet. In der Regel sind Kameraobjektive mit 40-60 mm Festbrennweite im Allgemeinen passend für ein Okular 10 mit der Sehfeldzahl 18. Sehr bewährt haben sich die ,,dünnen" Objektive (Pancakes), deren Blende in der Nähe der Frontlinse liegt. Zoomobjektive können sich u. U. optisch und mechanisch eignen. Man muss es im Einzelfall testen.


Die mechanische Anpassung

Zum Fotografieren des Zwischenbildes reicht ein ,,Ofenrohradapter", d. h. ein rein mechanisches Bauteil ohne Optik. Ein T2-Adapter (Kamera-Bajonett auf Gewinde M42 x 0,75) oder M42-Adapter (Kamera-Bajonett auf Gewinde M42 x 1)schafft die Verbindung zwischen Kamera und Tubusrohr.  Der Bildsensor im Kameragehäuse liegt in einem bestimmten Abstand zur Befestigungsfläche des Objektivs. Dieser Abstand ist herstellerspezifisch. Er wird als Auflagemaß bezeichnet. Tabellen mit den Auflagemaßen verschiedener Kameras findet man Im Internet. Der  T2-Adapter verändert  durch unterschiedliche Dicken das kameraspezifische Auflagemaß auf generell  55mm. Zur Erläuterung: der T2 Adapter für das Canon EF-Bajonett ist  11 mm dick (das Kameraauflagemaß der Canon-Eos ist 44mm), während der Adapter für die analoge OM 9mm dick ist (das OM-Auflagemaß beträgt 46mm).

Im Folgenden sei ein solcher Adapter am Beispiels des Jenaval gezeigt. Er verfügt unten über eine gerätespezifische Ringschwalbe zum Anschluß an das Mikroskop und oben ein Gewinde, das den T2-Adapter zur Kamera hin aufnimmt. Zur exakten Positionierung des Kamerachips in die Lage des Zwischenbildes ist der T2-Ring auf dem Gewinde des "Ofenrohres" in gewissen Grenzen höhenvariabel. (Die folgenden zwei Bilder stammen von Peter V.)





Bei der Verwendung einer Relaisoptik muss ein Mikrozwischenstück angefertigt werden. Es verbindet z. B. mit Hilfe des Objektivfiltergewindes das Kameraobjektiv mit dem Mikroskoptubus über eine Tubusklemme. Solche Tubusklemmen oder auch Kameraadapter für Mikroskope genannt  werden als Mikroskopzubehör angeboten. Ein bisschen Bastelei ist dabei selten zu vermeiden. Es muss eben der obere Teil der Tubusklemme (evtl. ein T2- oder ein anderes Gewinde) mit einem Filteraußengewinde passend für das vorgesehene Kameraobjektiv verbunden werden.   Die Tubusklemmen- Konstruktion ist in der Regel realisierbar für den geraden oder schrägen monokularen Tubus, evtl. für einen binokularen Tubus und am besten für einen trinokularen Tubus. Bzgl. der käuflichen Tubusklemme kommt dem Bastler sehr entgegen, dass es schon über Jahrzehnte eine Normierung der Tubusmaße gibt. Der Durchmesser der Okulare beträgt 23,2 mm, manchmal auch 30 mm oder andere Ausnahmen. Damit ist der äußere Tubusdurchmesser ca. 25 bzw. 32 mm. Natürlich gibt es auch andere Schnittstellen, z. B. einen 40 mm Tubus von Zeiss.

Da das Herstellen eines Filtergewindes auf der Drehbank eine recht filigrane Arbeit ist, macht es häufig Sinn, den Gewindering eines Filters oder eines Anpassungsringes aus dem Fotozubehör modifiziert zu verwenden. Für  notwendige Klebeverbindungen hat sich UHU plus endfest 300 sehr bewährt. Blanke Innenseiten an den Bauteilen sollten vermieden werden. Das Einfärben mit mattschwarzer Dispersionsfarbe reicht in der Regel.  
Die Konstruktion sollte es erlauben, den Abstand zwischen dem Okular und der Relaisoptik im gewissen Maße variabel zu gestalten, damit eine optimale Pupillenlage (Entfernung Okular zum  Kameraobjektiv) eingestellt werden kann, die entscheidend für die Abbildungsqualität sein kann.
Bei der Verwendung eines trinokularen Tubus ist es hilfreich, wenn dieser in seiner Tubuslänge auch anpassbar ist (auch Optiken haben Fertigungstoleranzen). Damit kann  die sogenannte Parfokalität sichergestellt werden, d. h. was dann im visuellen Strahlengang scharf gesehen wird, ist auch im fotografischen Strahlengang scharf und beim Objektivwechsel sind nur kleine Fokuskorrekturen notwendig.







Das fotografische Ergebnis:


Die Leistungsfähigkeit der Mikrofotografischen Einrichtung ist ausreichend gut mit einem Objektmikrometer zu testen. Eine Fotografie eines solchen Objektmikrometers sagt etwas über die Planität der Abbildung und über chromatische Fehler aus. Dazu vergrößert man mit dem Bildviewer des Computers die Teilstriche der Mitte und der Ränder sehr stark und beurteilt die Schärfe, die chromatischen Fehler (blaue und rote Farbsäume)auf Ausgeprägtheit und Gleichmäßigkeit rechts und links.
Ein Hinweis für das Anfertigen von Testfotos:
Ein Mikroskop-Kamera-System ist ein recht labiles Konstrukt und neigt zu Schwingungen, die durch externe Faktoren (z. B. Vorbeifahrt eines Lastwagens) oder interne Faktoren (z. B. Kameraverschluss, Spiegelschlag) ausgelöst werden. Das Einhalten längerer Belichtungszeiten (größer 1-2 sec) vermeidet Verwacklungen durch die Verschlussabläufe und den möglichen Spiegelschlag. Damit hat man eine Quelle, die zur Fehlinterpretation der fotografischen Ergebnisse führen kann, schon eliminiert.








   

Kompaktkameras

Auch digitale Sucherkameras eignen sich grundsätzlich für die Mikrofotografie. Hier lassen sich aber aufgrund der Angebotsvielfalt nur einige Dinge erwähnen.
Generell gilt, dass  Kameras mit geringem Zoomfaktor aufgrund des Objektivaufbaus geeigneter sind. Die mechanische Kopplung an den Tubus oberhalb des Okulars oder in Höhe des Zwischenbildes ist u.U. nicht ganz einfach. Häufig fehlt das Filtergewinde und in der Regel bewegt sich das Objektiv beim Einstellen der Brennweite und beim Fokussieren, sodass eine Befestigung der Kamera am Objektiv nicht funktioniert. Eine Verbindungsmöglichkeit zum Gehäuse, die einige Kameras vorsehen  ist hier hilfreich.
Es sei erwähnt, dass es einer manuellen Entfernungseinstellung auf Unendlich bedarf, da das Okular ein Bild im Unendlichen entwirft (s. oben). Der Autofocus könnte überfordert sein.
Ein Test auf Verwendbarkeit solcher Kompaktkameras am Mikroskop ist vor dem Kauf angeraten.

Videokameras:

Die Adaption von Videokameras stellt eine weitere Herausforderung dar. Der Bildsensor ist sehr klein gegenüber dem Sensor in den sogenannten digitalen Spiegelreflexkameras. Damit ist der Bildausschnitt aus dem Zwischenbild oder dem Okularsehfeld sehr klein. Die namhaften Mikroskophersteller bieten für ihre aktuellen  Modelle entsprechende verkleinernde Optiken an, die dann allerdings ihren Preis haben. Auf der Homepage unseres Mitforisten  Peter Höbel wird eine Lösung vorgestellt, mit einer verkleinernden Optik sehr zufriedenstellende Bildausschnitte zu erzielen.






Viele DLSR-Kameras (also digitale Spiegelreflexkameras) lassen aber auch Videoaufnahmen zu und haben einen größeren  Bildsensor. Insoweit gelten dann die oben genannten Adaptionsregeln.

Okularkameras

Okularkameras ersetzen das Okular und haben einen eingebauten Bildsensor, der mit dem Computer verbunden ist.
Solche Okularkameras kompensieren nicht, oder zumindest nicht unbedingt passend zum Objektiv des Mikroskops. Die Okularabgleichlänge ist nicht dokumentiert. Diese muss empirisch ermittelt werden, damit durch Anheben des Okulars die Defokussierung vermieden werden kann. Auf einen ausreichenden  Bildausschnitt ist zu achten.
Hier hilft wie bei den Sucherkameras nur der Test vor der Anschaffung.

Realisierung  der Adaption
Wie aus den vorausgegangenen Ausführungen ersichtlich, kommt man oft um ein gewisses Experimentieren nicht herum.
Man muss sich einige Fragen beantworten:
Kann ich ein Bild auf dem Kamerasensor erhalten, ohne das  Mikroskop zu defokussieren?
Ist der Bildausschnitt ausreichend?
Ist die Planität des Bildes hinreichend?
Sind die evtl. auftretenden Farbsaumfehler  vertretbar?
Es gibt dann im Vorfeld sehr viele Möglichkeiten einen improvisierten Aufbau der Fotoeinrichtung zu realisieren (Tesafilm, Klorollen, Montageband, Hilfsstative etc.).
Nach dieser Testphase geht es an die mechanische Ausführung. Hier kommt es auf die eigenen Fähigkeiten und Möglichkeiten, aber auch manchmal auf die guten Beziehungen zu versierten Helfern an.
Wer nun tiefer in die Materie eindringen will, kann sich neben der an anderen Stellen genannten Literatur aber auch mit den einschlägigen Internetseiten auseinandersetzen. Hier eine kleine Auswahl:
http://www.klaus-henkel.de/mikrofibel.pdf
http://www.mikroskopie.de/pfad/index.html
http://www.mikroskopie-ph.de/index-canon.html
http://www.mikroskopie-ph.de/Home-Page-Bildfelder.html
http://www.mikroskopie-ph.de/Home-Page-Kamera.html
http://www.nwv-hagen.de/mikroskopie%20mikroblitz%201.htm


Jürgen Stahlschmidt, Hagen im Juli 2015

Eine umfangreiche Linksammlung zu bisher im Forum veröffentlichten Threads mit dem Thema "Kameradaption" findet ihr hier