Einleitung
Einführung in  
 Kompaktkameras
Technische Grundlagen
Vorteile der 
 Digitalfotografie
Schwarz-Weiss- 
 Digitalfotografie
Praktischer Einsatz  
 von Kompaktkameras
Erprobte Modelle
Bewertung von 
 Kompaktkameras
Einführung in  
 Spiegelreflexkameras
Vor- u. Nachteile v. 
 Spiegelreflexkameras
Adaptation von  
 Spiegelreflexkameras
Erprobung von  
 Spiegelreflexkameras
Bewertung von  
 Spiegelreflexkameras
Verwendung von  
 Elektronenblitzgeräten
Empfehlungen zur  
 Auswahl einer Kamera
Einführung in 
 Stacking-Software
Optische Steigerung 
 der Tiefenschärfe
Funktionsweise von 
 Stacking-Software
Erprobte Programme
Ergebnisse der  
 Software-Tests
Bewertung der  
 Stacking-Software
Einführung in  
 Astro-Filter
Getestete Astro-Filter
Ergebnisse  
 der Filtertests
Bewertung  
 der Astro-Filter
Einführung in  
 Ringartefakte
Beschreibung der 
 Ringartefakte
Physikalische Aspekte  
 von Ringartefakten
Schlussfolgerungen  
 über Ringartefakte
Großflächige Objekte
Literatur,  
 Quellennachweis
Eigene Publikationen 
 zur Mikroskopie
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Optische Steigerung der Tiefenschärfe

Software-unabhängig bestehen grundsätzlich Möglichkeiten, auf optischem Wege die jeweilige Tiefenschärfe zu verbessern. Der erreichbare Tiefenschärfegewinn vollzieht sich in jeder einzelnen erstellten Aufnahme; daher lassen sich Software-unabhängige Methoden der Tiefenschärfeverbesserung in allen fotografischen Situationen, d.h. auch bei der Fotografie bewegter Objekte mit Erfolg einsetzen.

Da schwächer vergrößernde Objektive im Vergleich zu stärker vergrößernden Systemen eine erhöhte Tiefenschärfe besitzen, kann vorteilhaft sein, ein dreidimensionales Objekt bei geringerer Vergrößerung unter Verwendung eines schwächer vergrößernden Objektivs zu fotografieren. Auf diese Weise kann es im Einzelfall gelingen, bei höherer Tiefenschärfe räumlich unterschiedlich positionierte bildwichtige Details in einer Aufnahme mit hinreichender Schärfe zu dokumentieren, wenn sich diese Details bei Verwendung eines stärker vergrößernden Objektivs nicht in einer Aufnahme scharf abbilden lassen.

Unter Aspekten der Tiefenschärfe können entgegen sonstiger “Grundregeln” Objektive mit einer relativ niedrigen numerischen Apertur von Vorteil sein, da die Tiefenschärfe eines Objektivs umso geringer ausfällt, je höher die jeweilige Apertur liegt. Auch Spezialobjektive mit integrierter Irisblende (z.B. abblendbare Lupenobjektive mit RMS-Standardgewinde) können daher in der Mikrofotografie zu Verbesserungen der Tiefenschärfe beitragen. Der so erreichte Gewinn an Tiefenschärfe wird durch einen Verlust an Auflösung “erkauft”. Daher ist in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufnahmesituation abzuwägen bzw. durch Vergleichsaufnahmen zu ermitteln, welches Verhältnis von Tiefenschärfe und Auflösung im Einzelfall das insgesamt beste Ergebnis bringt.

 

 

Die jeweilige Tiefenschärfe, gemessen in µm, ist abhängig von der Gesamtvergrößerung und der numerischen Apertur des Objektivs. Diese Zusammenhänge werden in dem nebenstehenden Nomogramm dargestellt (modifiziert nach Determann und Lepusch).

Sofern die ungefähre Schichtdicke eines Objektes bekannt ist oder z.B. durch Verstellen der Mikrometerschraube abgeschätzt werden kann, lässt sich anhand eines solchen Nomogramms näherungsweise ermitteln, welche Apertur bei einer bestimmten Gesamtvergrößerung noch eine hinreichende Tiefenschärfe erwarten lässt.



 

Wenn entsprechend hoch auflösende Materialien verwendet werden (möglichst feinkörniger Film im Analogbereich, möglichst hoch auflösender Chip im Digitalbereich), können nachträgliche Ausschnittsvergrößerungen des mit schwächer vergrößerndem Objektiv aufgenommenen Bildes ggf. zu besseren Gesamtresultaten führen, als wenn mit stärker vergrößerndem Objektiv bei geringerer Tiefenschärfe fotografiert wird.

In vielen Fällen lassen sich mittels Ausschnittsvergrößerung passable Ergebnisse erzielen, wenn auch beim Postprocessing für eine Optimierung der Bildqualität gesorgt wird. Im analogen Bereich beziehen sich die Optimierungsmöglichkeiten auf den Prozess der Filmentwicklung und nachfolgende Laborarbeiten; im Digitalbereich können die Möglichkeiten des “elektronischen Fotolabors”, welche von jeder guten Bildbearbeitungssoftware geboten werden, wesentlich zur Qualitätsverbesserung einer Ausschnittsvergrößerung beitragen (Einflussnahme auf Bildschärfe, Helligkeit, Kontrast, Farbsättigung und Gradationskurve bzw. Histogramm).

Durch Spezialsoftware, welche ausschließlich zum Zweck einer gesteigerten Vergrößerungsfähigkeit digitaler Bilder entwickelt wurde (z.B. S-Spline, PhotoZoom) können ggf. noch weitreichendere Optimierungen solcher Ausschnittsvergrößerungen realisiert werden.

Jede optisch basierte Verbesserung der Tiefenschärfe ist mit zwei grundsätzlichen Nachteilen behaftet:

  1. Der Zugewinn an Tiefenschärfe vollzieht sich auf Kosten der Bildauflösung, da das Auflösungsvermögen eines Objektives mit abnehmender Vergrößerung und abnehmender Apertur sinkt.
     
  2. Je größer die räumliche (vertikale) Ausdehnung eines Objektes ist, desto eher stößt die Steigerung der Tiefenschärfe durch schrittweise Verringerung der Objektivvergrößerung und/oder Apertur an Grenzen.

Software-gestützte Methoden bieten hingegen die Möglichkeit, die Tiefenschärfe mikroskopischer Bilder auch bei Verwendung hoch auslösender und entsprechend stark vergrößernder Objektive nahezu unbegrenzt zu steigern, so dass dreidimensionale Strukturen bei optimierter optischer Auflösung ohne störende Bildunschärfen in einer resultierenden Gesamtansicht dargestellt werden können.

Die folgende Bildserie veranschaulicht die Möglichkeiten und Grenzen einer optischen Tiefenschärfeverbesserung am Beispiel eines Schmetterlingsflügels, welcher in toto unter Deckglas eingebettet wurde und daher eine relativ hohe Tiefenausdehnung besitzt. Zunächst wurde bei 10 facher Okularvergrößerung ein Übersichtsbild mit 6,3 fach vergrößerndem Planobjektiv erstellt. Hieraus wurde eine Detailansicht extrahiert, welche einer Aufnahme mit 40 fach vergrößerndem Objektiv entspricht. Diese Ausschnittsvergrößerung wurde mit Bildbearbeitungssoftware im Rahmen eines Postprocessings optimiert. Zum Vergleich wurde eine identische Detailaufnahme mit 40 fachem Planobjektiv bei ebenfalls 10 facher Okularvergrößerung angefertigt. Diese zeigt zwar eine höhere Auflösung, jedoch eine deutlich geringere Schärfentiefe. Schließlich wurde, wiederum mit 40 fachem Objektiv, eine Bildserie der selben Detailansicht erstellt, welche 25 unterschiedlich fokussierte Einzelbilder umfasste; dieser Scan wurde mittels Stacking-Software (Combine Z 5) zu einer 3D-Rekonstruktion verarbeitet. Im direkten Vergleich ist evident, dass die Bildüberlagerungstechnik zu einem überlegenen Endresultat führt.

Die Bilddateien umfassen jeweils etwa 250- 350 kB; sie können daher nach einem Download bei Bedarf auch im Vollbildmodus betrachtet werden.


Schmetterlingsflügel, Dunkelfeld, Planobjektiv 6,3 x, Okular 10 x,
Markierung des interessierenden Bilddetails durch weißen Rahmen

 

Ausschnittsvergrößerung des markierten Bilddetails aus obiger Aufnahme,
Anhebung von Schärfe und Kontrast durch Postprocessing

 

Detailaufnahme des selben Ausschnittes mit Planobjektiv 40x, Okular 10x

 

Software-gestützte Rekonstruktion der vorstehenden Detailansicht aus einer Bildserie,
Summationsbild aus 25 unterschiedlich fokussierten, überlagerten Einzelaufnahmen,
Planobjektiv 40x, Okular 10x, Combine Z 5

 Copyright: Jörg Piper, 2007