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Aufbau von digitalen Videomikroskopen
Edmund Optics GmbH

Aufbau von digitalen Videomikroskopen

Vier Komponenten | Sieben Komponenten

Inverted Stereo Microscope

Digitale Videomikroskope nutzen eine Kamera zur Aufzeichnung von Bildern, während die Bilder konventioneller Mikroskope nur mit dem freien Auge, über das Okular betrachtet werden können. Die Vorteile digitaler Viedeomikroskope liegen in der höheren Auflösung und Genauigkeit, sowie in den zusätzlichen Möglichkeiten der Bildauswertung und -bearbeitung am Computer. Es gibt viele Anwendungen und Konfigurationen für solche Mikroskope, eingesetzt werden sie sowohl mit Standard-DIN- und JIS-Objektiven als auch mit modernen, unendlich korrigierten Objektiven. Die Konstruktion von unendlich korrigierten, digitalen Videomikroskopen kann eine Herausforderung sein; wenn Sie jedoch wissen, welche Komponenten Sie verwenden müssen, und wie diese zusammenarbeiten, sind solche Konstruktionen für Anwendungen in der Biologie, Industrie und andere Prüfanwendungen kein Problem.

Zunächst ist es wichtig, die grundlegenden Unterschiede zwischen endlich und unendlich korrigierten Objektiven zu kennen. Endlich korrigierte Objektive, wie sie bei normalen Mikroskopen im Labor oder in der Universität verwendet werden, fokussieren direkt auf einen Sensor oder das Okular. In der Regel sind diese Objektive achromatisch und nur für rote und blaue Wellenlängen farbkorrigiert. Unendlich korrigierte Objektive erzeugen dagegen eine Abbildung im Unendlichen und erfordern eine zusätzliche optische Komponente, eine Tubuslinse, um das Licht auf einen Sensor oder ein Okular zu fokussieren. Zwischen Objektiv und Tubuslinse ist das Licht praktisch parallel. In diesem Bereich können Filter, Strahlteiler für die Inline-Beleuchtung oder andere optische Komponenten eingefügt werden, ohne die Korrektur der Abbildungsfehler zu stören oder das Bild anderweitig negativ zu beeinflussen. In der Regel sind diese Optiken Apochromate und korrigieren die chromatische Aberration bei drei Wellenlängen (üblicherweise blau, gelb und rot). Außerdem haben sie eine höhere numerische Apertur und damit eine höhere Lichtstärke und mehr Kontrast. Eine detaillierte Beschreibung der verschiedenen Objektivarten finden Sie unter Grundlagen zu Mikroskopen und Objektiven.

Digitales Videomikroskop aus vier Komponenten

Bei der Konstruktion eines Mikroskops mit einem unendlich korrigierten Objektiv gibt es zwei Konfigurationen zum Einbau einer Kamera für Live-Videoaufnahmen und Standbildaufnahmen. Die einfachste Variante eines digitalen Videomikroskops lässt sich schnell und einfach, selbst für einen Abbildungsmaßstab von 200X aufbauen. Es sind lediglich vier Komponenten notwendig: Eine Kamera, ein Verlängerungstubus, die Tubuslinse und das Mikroskopobjektiv (Abb.1).

Simple Infinity Corrected Digital Microscope System
Abb.1: Einfaches, unendlich korrigiertes digitales Videomikroskop

Die einfache Variante des Videomikroskops erlaubt bereits hohe Vergrößerungen und, je nach Kamera, hohe Auflösung oder hohe Bildwiederholraten. Erwähnenswert ist, dass der Aufbau unabhängig von den Anforderungen der Anwendung immer gleich ist, nur Objektiv und Kamera sollten den Bedürfnissen angepasst werden werden. Als ideales Einstiegssystem empfehlen wir die Produktnummern in Abbildung 2 und Tabelle 1.

Tabelle 1: Produktnummern für die Beispielkonfiguration des digitalen Videomikroskops aus vier Komponenten
Produkt-Nr.Beschreibung
#59-367 EO-3112C ½" CMOS-Farb-USB-Kamera
#56-992 Mitutoyo auf C-Mount 152.5mm Verlängerungstubus
#54-428 MT-4 Tubuslinse
#59-877 10X EO M-Plan-Apo mit langem Arbeitsabstand, unendlich korrigiert

Die Beispielkomponenten werden ganz einfach verschraubt, die Systemlänge liegt knapp unter 267 mm und das System hat 10fache Vergrößerung. Die Länge des digitalen Videomikroskops ändert sich je nach dem Abbildungsmaßstab des verwendeten Objektivs etwas. Als Faustregel gilt: Je kleiner der Abbildungsmaßstab des Objektivs, umso kürzer die Systemlänge. Allerdings sind viele Objektiv-Serien parfokal abgeglichen, das heißt trotz schwankender Systemlänge bleibt der Abstand Objekt - Kamera konstant, unabhängig von der Vergrößerung des Objektivs.

USB Camera + Extension Tube + Tube Lens + Objective
Abb.2: #59-367 USB-Kamera + #56-992 Verlängerungstubus + #54-428 Tubuslinse + #59-877 Objektiv

Die Halterung des einfachen Videomikroskops ist genauso einfach, wie der Zusammenbau. Je nach Anwendung und Probe kann das Mikroskop vertikal oder horizontal montiert werden; organische und biologische Proben erfordern in der Regel eine vertikale Ausrichtung, damit die Probe bzw. Flüssigkeit nicht wegläuft. Es kann ein Stativ oder Stativhalter beliebiger Länge verwendet werden. Als ideales Einstiegssystem empfehlen wir die Produktnummern in Abbildung 3 und Tabelle 2.

Simple Mounting Configuration for Four-Component Digital Microscope System
Abb.3: Einfache Halterung für ein digitales Videomikroskop
Tabelle 2: Produktnummer des Montagesystems für das digitale Videomikroskop aus vier Komponenten
Produkt-Nr.Beschreibung
#52-930 C-Mount 30 mm Ringhalterung
#39-355 Rechtwinklige Halterung
#52-220 Horizontale Edelstahlstange 9"
#39-351 Vertikale Edelstahlstange 12"
#54-262 Lochplattenadapter 3/4"

Es können auch andere Montagesysteme verwendet werden, um Kamera und Objektiv zu fixieren, beispielsweise das Nano-Positioniersystem #85-008, ein piezogesteuertes Fokussierelement, das sich ideal für hochgenaue Systeme mit hoher Auflösung eignet. Die Ringhalterung mit drei Befestigungsschrauben #03-668 oder Komponentenhalter #03-669 eignen sich ebenfalls zur unkomplizierten Befestigung. Es wird empfohlen, zwei Halter zu verwenden, um die Stabilität und den sicheren Halt des Videomikroskops zu gewährleisten.

Aus nur vier einfachen Komponenten entsteht so ein digitales Videomikroskop mit einem Abbildungsmaßstab von bis zu 200X und einer Auflösung bis 300 nm. Informationen, wie Sie Bilder mit hoher und niedriger Vergrößerung bei einem unendlich korrigierten System aufnehmen, finden Sie unter Grundlagen zur Auflösung und Vergrößerung unendlich korrigierter Objektive.

Digitales Videomikroskop aus sieben Komponenten

Das unendlich korrigierte, digitale Videomikroskop aus vier Komponenten lässt sich zwar einfach aufbauen, hat jedoch nur wenige Anpassungsmöglichkeiten. Wenn zusätzliche optische Komponenten für eine Anwendung erforderlich sind, lässt sich ein passendes System aus lediglich sieben Komponenten aufbauen. Die zusätzlichen Komponenten sind in erster Linie mechanischer Art, um den Einbau der zusätzlichen Komponenten, wie Filter oder Strahlteiler, zu ermöglichen. Das System aus sieben Komponenten wird in der Regel in der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt und eignen sich außerdem allgemein für Anwendungen, die viel Licht und hohen Kontrast benötigen. Inline-Beleuchtungen gewährleisten geringes Rauschen im System und minimieren Geisterbilder und Spiegelungen.

Seven-Component Infinity Corrected Digital Microscope System
Abb.4: Unendlich korrigiertes, digitales Videomikroskop aus sieben Komponenten

Die Konfiguration aus sieben Komponenten kann eine Herausforderung sein, die folgenden Grundregeln sollten den Aufbau jedoch deutlich einfacher machen. Zuerst den MT-1/MT-2-C-Mount Adapter #58-329 öffnen und die MT-1- bzw. MT-2-Tubuslinsen einsetzen. Die Tubuslinsen selbst haben kein Gewinde, deshalb ist der Adapter mit dem beidseitigen C-Mount Gewinde notwendig. Zwischen dem Adapter und der C-Mount Kamera sind zusätzliche Verlängerungstuben mit 190 mm Länge erforderlich. Um das Objektiv an der Tubuslinse oder sonstigen C-Mount Komponenten zu befestigen, ist der Mitutoyo - C-Mount Adapter #55-743 notwendig. Zwischen Tubuslinse und Objektiv kann ein Abstand von 76,5 mm (optische Weglänge) liegen, ohne dass Vignettierung auftritt. Dieser Raum kann für die zusätzlichen optischen Komponenten verwendet werden. Die Adapter benötigen allerdings jeweils ca. 10 mm, daher bleiben effektiv 56,6 mm übrig.

Es ist zu beachten, dass es sich bei den 76,5 mm um den errechneten Abstand für einen 30 mm Bildkreis handelt. Bei einem größeren Abstand kann es zur Vignettierung kommen und der maximale Bildkreis sinkt entsprechend. Ein geringerer Abstand sollte keine negativen Auswirkungen auf die Bildqualität haben. Eine Übersicht zum Aufbau des digitalen Videomikroskops aus sieben Komponenten finden Sie in Abbildung 4.

Digitale Videomikroskope sind leistungsfähige optische Werkzeuge für Inspektionsaufgaben in Industrie und Biologie. Sie können so einfach oder komplex aufgebaut sein, wie es der Anwender wünscht. Wenn zusätzliche optische Elemente zwischen Kamera und Objektiv eingebaut werden müssen, ist ein unendlich korrigiertes System aus sieben Komponenten die ideale Wahl.

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Long working distance microscopy objectives for the UV, visible, or IR spectrum from manufacturers such as Mitutoyo, Olympus, or Nikon.

Ermitteln Sie den maximalen Abstand zwischen Tubuslinse und Objektiv für ein scharfes Bild.

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