Abbildung von kleinsten Objekten

[Crabman]

Hallo zusammen,

ich stehe gerade vor einem Problem, dass ich bis jetzt nicht lösen kann.

Ich möchte im Sinne einer Forschungsarbeit kleinste kugelige Objekte mit einer Größe von ca. 10-20 µm abbilden. Die Entfernung dabei beträgt einmal 30 cm und einmal 100cm.
Die Idee war, mit Linsen zu arbeiten um das Objekt zu vergrößern und das virtuelle Bild dann mit einer Kamera aufzunehmen. Oder direkt mit einer Kamera und Objektiv...

Ich komm aber nicht wirklich weiter welche Kombination aus Linsen / Objektiven ich hier bräuchte.

Hat zufällig schonmal jemand mit einem ähnlichen Problem zu tun gehabt und könnte mir Tipps geben?

Vielen Dank schon mal für eure Hife!
Phillip

 

[wl1860]

Die Einheit ist schon richtig benannt, oder? Also kleinste Objekte mit einer Größe von 0,01 oder 0,02mm. Die sollen nun in irgendeiner Form aufs Bild kommen. Wenn ein solch ein Kügelchen auf einem 1"-Sensor von ca 16x10mm meinetwegen die Größe von 4mm einnehmen soll, sprechen wir hier von 200facher Vergrößerung. Wenn man das auf einen KB-Sensor hochrechnen würde, entsprechend von knapp 600facher Vergrößerung.

Also es gibt Mikroskop-Objektive, die bringen das. Ist ein Mikroskop mit Kameraaufsatz eine Option?

Was natürlich ein wenig gegen die Angabe von 30cm Abstand und einem Meter Abstand steht

 

[Fabricator]

Ich möchte im Sinne einer Forschungsarbeit kleinste kugelige Objekte mit einer Größe von ca. 10-20 µm abbilden. Die Entfernung dabei beträgt einmal 30 cm und einmal 100cm.

Welche Detailgröße soll bei der Abbildung noch aufgelöst werden?`
Geht es nur daum zu erkennen ob ein Objekt vorhanden ist und in etwa welche Form es hat oder um feine Strukturen dessen Oberfläche?

 

[SeikoDiver]

ich stehe gerade vor einem Problem, dass ich bis jetzt nicht lösen kann.

Ich möchte im Sinne einer Forschungsarbeit kleinste kugelige Objekte mit einer Größe von ca. 10-20 µm abbilden. Die Entfernung dabei beträgt einmal 30 cm und einmal 100cm.

0,02mm große Objekte aus 1m Entfernung? Da brauchst Du ein absolut fehlerfreies Makro-Objektiv und den höchstauflösenden Sensor, den Du bekommen kannst. Ob dann überhaupt etwas zu sehen ist, könnte man vielleicht vorher ausrechnen.

Mich würde mal interessieren warum Du an die Objekte nicht näher heran kannst. So "funktioniert" Makro normalerweise.

 

[wl1860]

Da brauchst Du ein absolut fehlerfreies Makro-Objektiv und den höchstauflösenden Sensor, den Du bekommen kannst. Ob dann überhaupt etwas zu sehen ist, könnte man vielleicht vorher ausrechnen.

Da musst Du deutlich größere Kaliber auffahren...

Aus einem Meter Entfernung nimmst ein Nikon 200mm Micro an einer Nikon 1J5. Damit bekommst Du ein Bildfeld von 3,4 x 2,5 Zentimeter. Das sind 34000 x 25000 Mikrometer. Bei einer Auflösung von 20MP, sprich 5568x3712 Pixel entspricht ein Pixel etwa 6 Mikrometer. D.h. die Kügelchen sind ca 2-3 Pixel groß.

Ich hab die Rechnung mit dem 1"-Sensor gemacht, weil selbst eine Sony A7RV mit dem 60MP-Sensor keine solche Vergrößerung hinbringt. Da hätte man mit dem 200er Micro ein Bildfeld von 94000 x 63000 Mikrometern und bei der Auflösung von 9504x6336 Pixeln wäre jeder Pixel bereits knapp 10 Mikrometer groß.

Jetzt könnte man natürlich noch sowas wie Zwischenringe ins Spiel bringen, aber die erforderliche Vergrößerung ist nicht sooo leicht zu erhalten.

 

[felix_hh]

Welche Rolle genau spielt denn der Abstand, in dem Aufgenommen wurde? Muss da irgendwas zwischen Kamera und Objekt positioniert werden?

Wichtig ist nämlich eher der Abbildungsmaßstab, den man am Ende haben möchte. Und da kriegt man mit einem normalem Makro-Objektiv eben nur meist maximal 1:1, was hier wohl nicht reicht für Details bei 10µm großen Objekten. Schließlich sind die Pixel der Kameras gerade mal 4µm bis 12µm groß, je nach Kamera bzw. Sensorgröße und dessen Auflösung. D.h. eine 24Mpix Crop oder eine 48 Mpix Vollformat-Kamera kann da geraaade noch so passen mit der Auflösung - wenn man sehr gute Objektive hat, die das dann auch auflösen können.

Makros haben hier also meist nur 1:1 als größtmögliche Abbildung, wobei man beim 105mm Makro meist 15cm Arbeitsabstand hat (und knapp unter 30cm Fokusdistannz) und bei einem 200mm Makro rund 25cm Arbeitsabstand und 50cm Fokusdistanz bei 1:1. Und ein stärkere Vergrößerung kriegt man hier dann mit einem Zwischenring (der aber die Distanzen verkleiner) oder mit einem Telekonverter (der das Bild einfach vergrößert und z.B. bei gleichem Arbeitsabstand eine 1.4:1 oder eine 2:1 Vergrößerung möglich macht - aber auf Kosten der Qualität) oder man kann auch noch Nahlinsen einsetzen, die quasi eine "Lupe vor dem Obektiv" sind und das Bild dort vergrößern - und auch verschlechtern, wobei gleichzeitig auch wieder der Arbeitstand bzw. die Fokusdistanz sinkt.
Und eine 1:1 Abbildung aus 1m Distanz ist mit "normalem Foto-Equipment" eher nicht drin. Da bräuchte man schon ein "500mm Makro" - oder was in der Art.

Die zentrale Frage ist also: Warum genau die 30cm bzw. 1m?

Edit:
Zur Erklärung:
Der Abbildungsmaßstab gibt an wie groß ein Objekt auf dem Sensor abgebildet wird. Bei 1:1 (maximal möglicher Maßstab an vielen Objektiven) wird ein 10µm großes Objekt auch 10µm groß auf dem Sensor abgebildet.
Bei 2:1 ist es eine 2-Fache Vergrößerung und das Objekt wird 20µm groß abgebildet, bei 5:1 (mit Zwischenringen machbar..) entsprechend 50µm. Und normale Obektive wie z.B. ein gutes 200mm Teleobjektiv verkleinern aber das Bild immer, d.h. die haben z.B. bei 1m Distanz dann nur einen Maßstab von 1:5, man hat hier also eine "0,2-fache Vergrößerung". Und die 10µm werden auf dem Sensor eben nur noch 2µm groß abgebildet. Kleiner als ein Pixel.

 

[_mbf_]

Beschreibe bitte genau, was wie abgebildet werden soll, hier können sich unterschiedliche Lösungen ergeben. Oder eine Limitierung.

Beispiel: Feststellen, dass auf einem dunklen Untergrund helle Partikel sind... fast problemlos.
Beispiel: Feststellen, dass auf einem hellen Untergrund dunkle Partikel sind... da muss man genauer schauen, wieviel Pixel so ein Partikel auf dem Sensor braucht. Kann klappen.
Beispiel: 10 um große Partikel formatfüllend abbilden... äh, nö... man kriegt vielleicht eine 100-fache Vergrößerung hin (was allein fotografisch schon alles andere als trivial ist, vgl. z.B. hier oder hier oder hier), dann aber mit Arbeitsabständen im Bereich eines Millimeters. Das mag aber zum Bewerten der Partikel ausreichen - wenn man es fotografisch beherrscht...
Beispiel: 10 um große Partikel formatfüllend aus einem Abstand von 30 cm abbilden: Nö. Einfach nö.

 

[Stuessi]

Aus einem Meter Entfernung .....entspricht ein Pixel etwa 6 Mikrometer. D.h. die Kügelchen sind ca 2-3 Pixel groß.

Der Abbildungsmaßstab bei e = 1 m und f = 200 mm beträgt 0,38 : 1.
Das Bild eines 20 µm großen Kügelchens ist dann 7,6 µm groß. Es bedeckt gerade 1 Pixel.

 

[Joschi98]

Das ist was für die Fraunhofer-Gesellschaft oä.
Mit Consumer-Mitteln mE nicht darstellbar.

 

[wl1860]

Der Abbildungsmaßstab bei e = 1 m und f = 200 mm beträgt 0,38 : 1.
Das Bild eines 20 µm großen Kügelchens ist dann 7,6 µm groß. Es bedeckt gerade 1 Pixel.

Cropfaktor beachten. Deswegen hab ich das doch mit der Beispielrechnung auf beiden Wegen vorgerechnet. Bei der Nikon 1 hast Du halt mit 20MP am 2,7er Cropsensor wenigstens nominell, wenn es das Objektiv hergibt, eine bessere Auflösung als bei einem KB-Sensor mit 60MP.

 

[Alexander95]

@Crabman, ich weiß nicht, in welchem Setting du das vorhast, in der klassischen Fotografie bist du mit dieser Aufgabe mMn falsch. Je nach Material empfiehlt sich aber Rasterelektronenmikroskopie (REM, oder Englisch Scanning-Electron-Microscopy, SEM).

Das sind in der Physik bzw. besonders in materialwissenschaftlichen Gruppen Standardmethoden. Geht da vielleicht irgendwie ne Kooperation mit einer Gruppe an der Uni oder einem nahen Forschungsinstitut? Ist aber sicher für ein Fotoforum Off-Topic, aber gerne mehr per PN.

 

[Gelöschtes Mitglied 540371]

Hat zufällig schonmal jemand mit einem ähnlichen Problem zu tun gehabt und könnte mir Tipps geben?

Ist dir "numerische Apertur" ein Begriff? Es lohnt sich, sich damit etwas intensiver auseinander zu setzen, denn es gibt bedingt durch Beugung ziemlich klare Grenzen, welche Strukturen ein optisches Gerät grundsätzlich auflösen kann. Wenn ich dann lese 10µm und 1m Entfernung fürchte ich, dass das Vorhaben richtig teuer -je nach Anspruch sogar unmöglich- wird.

 

[SeikoDiver]

@Crabman, ich weiß nicht, in welchem Setting du das vorhast, in der klassischen Fotografie bist du mit dieser Aufgabe mMn falsch. Je nach Material empfiehlt sich aber Rasterelektronenmikroskopie (REM, oder Englisch Scanning-Electron-Microscopy, SEM).

Aus 1m Abstand?

 

[saarpfälzer]

Technisch gesehen, genauso unmöglich wie mit dem Lamborghini zum Mond zu fahren.

 

[Alexander95]

Aus 1m Abstand?

Natürlich nicht, deshalb „in welchem Setting“. Aus 1 m Abstand, falls das absolut gesetzt ist, halte ich das für illusorisch, zumindest kenne ich keine Methode, die das könnte.

 

[SeikoDiver]

Natürlich nicht, deshalb „in welchem Setting“. Aus 1 m Abstand, falls das absolut gesetzt ist, halte ich das für illusorisch, zumindest kenne ich keine Methode, die das könnte.

Jetzt müsste sich der Threaderöffner mal melden und uns erhellen …

 

[Mi67]

Das ist was für die Fraunhofer-Gesellschaft oä.
Mit Consumer-Mitteln mE nicht darstellbar.

@Crabman, ich weiß nicht, in welchem Setting du das vorhast, in der klassischen Fotografie bist du mit dieser Aufgabe mMn falsch. Je nach Material empfiehlt sich aber Rasterelektronenmikroskopie (REM, oder Englisch Scanning-Electron-Microscopy, SEM). Das sind in der Physik bzw. besonders in materialwissenschaftlichen Gruppen Standardmethoden. Geht da vielleicht irgendwie ne Kooperation mit einer Gruppe an der Uni oder einem nahen Forschungsinstitut? Ist aber sicher für ein Fotoforum Off-Topic, aber gerne mehr per PN.

Kommt darauf an.

Wenn man eine wenigstens eine kompakte optische Komponente (Mikroskopobjektiv) nah ans Objekt heranbringen kann, wird auch eine weitergehende Projektion über 30 oder 100 cm kein irrwitziges Problem sein.

Wenn aber über die gesamten 30-100 cm keinerlei Optik positioniert werden kann, dann wird es schon weitaus schwerer, da ein Abbildungsmaßstab von ca. 1:1 erfordert wird, was mit einem langbrennweitigen Objektiv und Vorsatz-Achrometen hoher Brechkraft (+2 oder +3 Dioptrien) zwar prinzipiell geht, dann aber eine immer noch nahezu Beugungs-limitierte Abbildungsqualität bei f/2.8-f/4.0 erfordert.

In beiden Fällen wird man auch die mechanische Stabilität des Aufbaus maximieren müssen, oder mit Blitzgerät(en) arbeiten, um keinerlei Verwacklungen durch Auslösung (Verschluss, Spiegelschlag) oder Trittschall zuzulassen.

 

[Alexander95]

Kommt darauf an.

Wenn man eine wenigstens eine kompakte optische Komponente (Mikroskopobjektiv) nah ans Objekt heranbringen kann, wird auch eine weitergehende Projektion über 30 oder 100 cm kein irrwitziges Problem sein.

Ich bin immer für kreative optische Lösungen zu haben und eventuell habe ich auch einen Denkfehler, aber wenn ich mal die optische Auflösungsgrenze zugrunde lege (200 nm, also halbe Wellenlänge), dann kommen wir optisch im sichtbaren Bereich auf eine maximale Auflösung eines 20 um x 20 um großen Objekts von 100 x 100 Pixeln, unter idealsten Bedingungen und hochwertigen Optiken und Know How. Und dann wäre noch die Frage, was der TO mit den Bildern vor hat...

Aber ich schließe mich @SeikoDiver an, @Crabman müsste ein paar mehr Infos geben, sonst ist Spekulation schwierig.

 

[Mi67]

Ich bin immer für kreative optische Lösungen zu haben und eventuell habe ich auch einen Denkfehler, aber wenn ich mal die optische Auflösungsgrenze zugrunde lege (200 nm, also halbe Wellenlänge), dann kommen wir optisch im sichtbaren Bereich auf eine maximale Auflösung eines 20 um x 20 um großen Objekts von 100 x 100 Pixeln, unter idealsten Bedingungen und hochwertigen Optiken und Know How. Und dann wäre noch die Frage, was der TO mit den Bildern vor hat...

Auf wie viele Pixel man das projezieren möchte, ist beliebig. Eine gewisse über-Abtastung empfiehlt sich, um nicht neben dem optischen Auflösungslimit eine weitere Kontrastdämpfung durch zu grobe Abtastung hinnehmen zu müssen.

 

[Alexander95]

Auf wie viele Pixel man das projezieren möchte, ist beliebig.

Das stimmt, aber davon kriegt man kein höher aufgelöstes Bild. Man kann auch ein Dia mit dem Projektor beliebig groß projizieren, aber mehr Auflösung bekommt man dadurch nicht.