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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Impressum, Kontakt
Physikalische Aspekte von Ringartefakten

Technische Grundlagen:

In der beschriebenen Versuchsanordnung entstehen die erkennbaren kameragebundenen Ringartefakte offensichtlich auf der Ebene des Kamerasuchers bzw. des vorgeschalteten Winkelsuchers, da die Mikroaufnahmen selbst bei Verwendung eines hochwertigen Leica-Objektivs artefaktfrei sind.

Das Leica-Objektiv besteht aus aufwendig gefertigten und streng selektierten Glaslinsen, die mit maximalem Konstruktions- und Fertigungsaufwand zu einem Objektiv zusammengefügt wurden. Die Vergütung der einzelnen Linsen ist unterschiedlich und den Eigenschaften der Glassorten präzise angepasst. Folglich verfügt dieses Objektiv über sehr hohe “Leistungsreserven”.

Der Sucher der EOS 350 D besteht hingegen gemäß eingeholter Werksauskünfte aus nur einer Kunststofflinse, welche eine vergleichsweise wenig aufwendige Vergütung besitzt. Im Sucher ist eine Einstell-Scheibe zur Schärfefokussierung integriert, deren Oberfläche mit zahlreichen kreisförmig angeordneten “Mikrolinsen” bestückt ist. Diese Mikrolinsen sollen die Fokussierung des Sucherbildes erleichtern.

Der Canon-Winkelsucher besteht aus mehreren Linsen, deren Oberflächen teilweise unmittelbar aneinander grenzen; auch die Linsen des Winkelsuchers sind relativ einfach vergütet (Werksangaben). Der Seagull-Winkelsucher ist optisch mit dem Canon-Winkelsucher vergleichbar.

Bei den eng aufeinanderfolgenden konzentrischen Kreisen, welche unabhängig von optischen Einstellungen gleichbleibend erkennbar sind, handelt es sich um die kreisförmig angeordneten Mikrolinsen auf der Einstellscheibe des Kamerasuchers. Die Anordnung der einzelnen ovalären Linsenelemente kann deutlicher erkannt werden, wenn von einem Foto dieses Ringsystems eine Ausschnittsvergrößerung angefertigt wird.

Die variablen konzentrischen Ringe, die erst ab Objektivvergrößerungen von etwa 40-fach sichtbar werden, entstehen durch Interferenzen und sind mit Newton-Ringen vergleichbar. Ebenfalls durch Interferenz werden die selten sichtbaren objektständigen Ringartefakte hervorgerufen.

Experimentell lässt sich auf Interferenzphänomene rückschließen, da sich Durchmesser, Breite und Lage der jeweiligen Ringfiguren bei gleichbleibenden sonstigen Parametern in Abhängigkeit von der vorherrschenden Lichtwellenlänge verändern.

 

Konstante kameraseitige Artefakte:

Je geringer die Abbildungs-Tiefenschärfe, d. h. die Schärfentiefe auf der Objektseite ist, desto größer ist die Schärfentiefe im Bildraum (sog. Fokustiefe). Optische Berechnungen anderer Autoren zeigen, dass die Schärfentiefe in der Film- oder Chipebene einer Kamera bei Adaptation am Mikroskop auf etwa 12,5 cm anwächst, wenn der Film bzw. Chip etwa 250 mm von der Austrittspupille des Okulars entfernt ist (Henkel, 2003). Aufgrund dieser extrem gesteigerten Fokustiefe können real vorhandene Strukturen innerhalb des Kameraobjektivs, z. B. Staub, Kratzer, Luftblasen oder Schleifspuren auf Linsenoberflächen im Bild erkennbar werden, auch wenn diese in fotografischen Standard-Situationen nicht in Erscheinung treten. So lange sich solche Strukturen nicht verändern, projizieren sie sich in gleichbleibender Weise in das jeweilige Bild, unabhängig davon, mit welchen konkreten Geräteeinstellungen am Mikroskop gearbeitet wird. Das Sichtbarwerden der zirkulär aufgebrachten Mikrolinsen im Sucher der Kamera kann auf diese Weise erklärt werden.

Wie bereits von anderen Autoren eruiert wurde, zeigen auch die Linsen mancher Digital-Kompaktkameras Oberflächenstrukturen, welche sich in entsprechender Weise als Artefakte einem mikroskopischen Bild überlagern können. So verweist Linkenheld ausdrücklich darauf, dass die Kunststofflinsen solcher Digitalkameras aufgrund wirtschaftlich diktierter Einsparungen im Produktionsaufwand für anspruchsvollere Anwendungen keine “Leistungsreserven” mehr zeigen (Linkenheld, 2006). Linkenheld und Henkel (2006) zitieren in diesem Kontext auch die Fa. Nikon, welche darauf verweist, dass die Oberfläche der asphärischen Linse der Coolpix 4500 strukturiert sei, um eine ideale Anpassung der Lichtstrahlen zur exakten Zentrierung auf den Schärfepunkt zu erhalten. Diese minimalen Linien sind in normalen Aufnahmesituationen nicht sichtbar, können jedoch bei Verwendung am Mikroskop mit abgebildet werden.

Hinsichtlich weiterer Fabrikationsaspekte wird von diesen Autoren ausgeführt, dass aus Kostengründen bei bestimmten Kameras die inneren Linsenflächen vor dem Kitten nicht auspoliert, sondern im gefrästen Zustand zusammengefügt werden und beim häufig eingesetzten Schleudergussverfahren zur Herstellung von Kunststofflinsen durch Beschleunigung oder Abbremsung der rotierenden Gussform auf der unteren Linsenoberfläche Reibungsspuren entstehen können, welche beim Aushärtungsprozess nicht geglättet werden.

Diese Aspekte sind geeignet, diejenigen Arten von Artefakten zu erklären, die unabhängig von den mikroskopischen Einstellungen gleichbleibend vorhanden sind und sich wie ein individueller “Fingerabdruck” von Kamera zu Kamera unterscheiden.

 

Variable Ringartefakte:

Die anders gearteten variablen Ringartefakte, welche ebenfalls in großer Anzahl von anderen Autoren beschrieben und fotografisch dokumentiert wurden, entsprechen den Interferenzringen, die im Kamerasucher einer digitalen Spiegelreflexkamera zusätzlich erkennbar sind.

Die Entstehung solcher Interferenzmuster vollzieht sich nach den physikalischen Gesetzmäßigkeiten, die für Interferenzen an einem transparenten Keil gelten (siehe folgende Abbildung!).


                             Interferenzbildung am Keil, Strahlengang (nach Haase, 1976)


Trifft ein Lichtstrahl im Einfallswinkel α auf einen Keil mit dem Keilwinkel ε, wird ein Teil des Strahlenbündels an der Keiloberfläche im Ausfallswinkel α reflektiert. Ein anderer Teil des Strahlenbündels wird an der Keiloberfläche gebrochen, verläuft bis zum Boden des Keils und wird dort reflektiert, ehe er die Keiloberfläche wieder verlässt. Beide reflektierten Teilstrahlen schneiden sich im Schnittpunkt P, der im Abstand X nahe der Keiloberfläche liegt.

Die beiden reflektierten Teilstrahlen sind zueinander phasenverschoben; der Gangunterschied entspricht ihrer Wegdifferenz bis zu ihrer Vereinigung im Schnittpunkt P, ist weiterhin auch vom Brechungsindex des Keils abhängig.

Solche Phasenverschiebungen führen zu sichtbaren Überlagerungen von Lichtwellen (Interferenz), wenn die einander überlagernden Lichtwellen zusammenhängend (kohärent) sind.

Die Kohärenzlänge ungefilterten Weißlichtes liegt bei etwa 1000 nm; Weißlicht besteht demnach aus einer Vielzahl zusammenhängender Wellensegmente von etwa 1000 nm Länge. Bei Weißlichtbeobachtung kommen sichtbare Interferenzen an einem Keil nur zustande, wenn die Schichtdicke des Keils deutlich unter der o. g. Kohärenzlänge liegt. In diesem Fall entstehen an einer keilförmigen Schicht parallele Interferenzlinien (helle Interferenzmaxima im Wechsel mit dunklen Interferenzminima). Die Interferenzlinien markieren auf dem Keil Bereiche konstanter Schichtdicke (Gerthsen, Kneser und Vogel, 1977, Bergmann und Schäfer, 1978).

Wenn der Keilwinkel ε verkleinert wird, verringert sich die Anzahl der Interferenzlinien bei zunehmendem Abstand. Eine Vergrößerung des Keilwinkels ε  erhöht umgekehrt die Anzahl der Interferenzlinien und verringert deren Abstand. Fällt ein Lichtstrahl senkrecht auf die Keiloberfläche (Einfallswinkel α = 0°), befindet sich der Schnittpunkt P auf der Keiloberfläche (Abstand X = 0). Je schräger hingegen Licht auf die Keiloberfläche trifft, d. h. je größer der Einfallswinkel α ist, desto mehr entfernt sich der Schnittpunkt P von der Keiloberfläche (Zunahme von X).

Der optische Weg (Gangunterschied) der interferierenden Strahlen ist abhängig von der lokalen Schichtdicke d, dem Einfallswinkel α und dem Brechungsindex n der keilförmigen Schicht (vgl. obenstehende Abbildung des Strahlenganges am Keil)).

Bei geringem Brechungsindex (n ~ 1,0) und sehr kleinem Winkel α (~ senkrechter Lichteinfall) entspricht der Gangunterschied der doppelten Schichtdicke (Gerthsen, Kneser und Vogel, 1977, Bergmann und Schäfer, 1978).

Die Kohärenzlänge ist abhängig vom Spektralbereich der verwendeten Lichtquelle; je schmaler der Spektralbereich, desto größer die Kohärenzlänge (Bergmann und Schäfer, 1978). Die folgende Abbildung veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Kohärenzlänge und der Spektralbreite einer Lichtquelle.


Spektralbereich und Köhärenzlänge (nach Bergmann und Schäfer, 1978)
 

Die zugehörige Berechnungsformel ergibt für ungefiltertes Weißlicht eine Kohärenzlänge im vorerwähnten Größenordnungsbereich von etwa 1000 nm (errechnet für  λ 0 = 550 nm, Δλ = 300 nm). Für monochromatisches Grünlicht (λ 0 = 540 nm, Δλ = 10 nm) wächst die Kohärenzlänge auf etwa 30.000 nm an.

Eine keilförmige Schicht kann folglich sichtbare Interferenzen erzeugen, wenn Sie bei Weißlichtbeleuchtung deutlich dünner als etwa 500 nm ist. Bei monochromatischem Grünlicht muss die Schichtdicke hingegen unter etwa 15.000 nm liegen.

Die Kohärenz des Lichtes ist auch vom Durchmesser und Abstrahlungswinkel der Lichtquelle abhängig (Kohärenzbedingung, Abb. unten). Kohärentes Licht entsteht umso eher, je kleiner der Abstrahlungswinkel α, d. h. je schmäler das abstrahlende Lichtbündel, je kleiner der Durchmesser d der Lichtquelle und je größer die jeweilige Wellenlänge λ ist (Haas und Koch, 1977).


Kohärenzbedingung (nach Haas und Koch, 1977)
 

Bei einem Mikroskop ist der bildwirksame Strahlengang durch extrem schmale Lichtbündel mit geringem Winkel α charakterisiert. Zusätzlich nimmt der Durchmesser der optisch wirksamen Lichtquelle mit zunehmender Objektivvergrößerung ab. Durch Schließen der Apertur- und Leuchtfeldblende können sich weitere Verringerungen im Durchmesser des optisch wirksamen Lichtbündels ergeben.

Aus der Kohärenzbedingung lässt sich ableiten, dass in einer Digitalkamera bei Adaptation an einem Mikroskop aufgrund des spezifischen Strahlenganges deutlich eher störende Interferenzphänomene entstehen können, als unter üblichen fotografischen Bedingungen, bei denen der Durchmesser des bildwirksamen Lichtbündels erheblich größer ist und der Abstrahlungswinkel α nur durch die Öffnungsweite des Objektivs begrenzt wird.

Die Schichtdicke einer Linsenvergütung beträgt etwa 1/4 der durchschnittlichen effektiven Lichtwellenlänge, entsprechend etwa 140 nm (Netzwelt-Lexikon, 2006). Ungefiltertes Weißlicht mit einer Kohärenzlänge von etwa 1000 nm kann daher Interferenzerscheinungen an Linsenvergütungen hervorrufen, wenn die Vergütung ungleichmäßig aufgetragen ist und deren Schichtdicke geringfügige Schwankungen zeigt. Es ist bekannt, dass ungleichmäßig vergütete Linsen Newton-Ringe zeigen können (Netzwelt-Lexikon, 2006).

In gleicher Weise können bei eng miteinander verkitteten Linsen auch sichtbare Interferenzerscheinungen entstehen, wenn die Fugenbreite zwischen den angrenzenden Linsenflächen geringfügige Schwankungen von Bruchteilen einer Lichtwellenlänge zeigt.

Interferenzlinien an einem eben begrenzten dünnschichtiger Keil verlaufen geradlinig und parallel. Bei einem dünnen Rotationskörper mit keilförmigen Oberflächenprofil entstehen in analoger Weise konzentrische Interferenzringe anstelle gerader Interferenzlinien.

Es ist prinzipiell unerheblich, ob das Profil einer schräg verlaufenden Keilfläche bzw. eines keilförmig profilierten Rotationskörpers eben oder konkav- bzw. konvexbogig deformiert ist; bei nicht ebenen Oberflächenprofilen wechselnder Schichtdicke verändert sich der Keilwinkel ε punktuell entsprechend dem jeweiligen lokalen Neigungswinkel des Oberflächensegmentes.

Objektgebundene Interferenzen bei Auflichtbeleuchtung, z.B. an Erythrocyten im Ausstrichpräparat, entstehen in analoger Weise gemäß den dargelegten wellenoptischen Gesetzmäßigkeiten (Piper und Pera, 1980); die optisch wirksame Schichtdickenänderung von Erythrozyten im Ausstrichpräparat liegt durchschnittlich etwa bei 230 ± 4 nm (ungefärbt) bzw. 670 ± 5 nm (gefärbt) (Pera und Piper, 1980).

Aus diesen Ergebnissen kann veranschaulichend geschlossen werden, dass in einer Digitalkamera sichtbare Interferenzen an Linsenvergütungen oder Linsengrenzflächen entstehen können, wenn fertigungsbedingte optisch wirksame Schichtdickenabweichung in der Größenordnung der Eindellungstiefen ausgestrichener Erythrozyten vorliegen.

 Copyright: Jörg Piper, 2007