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
Technische Grundlagen

Adaption:

In der analogen Kleinbild-Mikrofotografie wurden üblicherweise Kameras mit Wechseloptik verwendet, meist Spiegelreflex-Kameras, in Einzelfällen auch geeignete Messsucher-Kameras, z. B. aus der Leica M-Serie. Die kameraeigene Optik wurde jeweils entfernt; die Kameras wurden in geeignetem Abstand oberhalb des Okulars/Fotookulars platziert. Sofern Fotookulare höherer Sehfeldzahl verwendet wurden (Sehfeldzahl 18 oder höher), konnte prinzipiell auf eine zusätzliche Optik verzichtet werden; die Optik der Kamera wurde folglich ersetzt durch die Optik des Mikroskopes. Bei speziellen Kameraadaptern (z.B. Leitz/Leica Combiphot) konnten auch speziell gerechnete Optiken erforderlich sein, die als Fotoobjektive zwischen Okular und Kamera zu schalten waren, um einen geeigneten Bildausschnitt zu realisieren.

Auf dem Sektor der Digitalkameras existieren bislang keine Messsucherkameras mit entfernbarer Optik. Daher können nur digitale Spiegelreflexkameras in Analogie zu der vorbeschriebenen Montage analoger Kameras an einem Mikroskop verwendet werden. Kompakt- und Bridge-Kameras sind hingegen so am Mikroskop zu adaptieren, dass sich unter Beibehaltung der kameraseitigen Optik brauchbare Ergebnisse erzielen lassen.

Verschluss und Auslösung:

Ein besonderes technisches Problem stellte schon zu früherer Zeit die Gefahr von Verwacklungen durch den Auslösevorgang dar. Daher war die Kamera entweder berührungsfrei über dem Mikroskop zu montieren, dies unter Inkaufnahme aufwendiger und voluminöser Konstruktionen, oder es waren spezielle Bauteile zu verwenden, in denen ein erschütterungsfrei gelagerter Zentralverschluss (Compurverschluss) integriert war (z. B. Combiphot-Kamerasysteme von Leitz/Leica). Im letztgenannten Fall diente die analoge Kamera lediglich als Filmtransportgehäuse. Vor der beabsichtigten Mikroaufnahme war der Kameraverschluss auf Langzeitbelichtung (B) einzustellen. Nachdem der Verschluss geöffnet war und sämtliche hierdurch hervorgerufenen Erschütterungen abgeklungen waren, wurde die eigentliche Aufnahme durch Betätigen des erschütterungsfreien Zentralverschlusses realisiert. Die Belichtungsmessung wurde üblicherweise durch integrierte Messsysteme sicher gestellt.

Auch bei der digitalen Fotografie können auslösungsbedingte Erschütterungen entstehen, vor allem bei Verwendung digitaler Spiegelreflexkameras. Auch wenn mit Spiegelvorauslösung gearbeitet wird, kann das Öffnen und Schließen des Verschlusses selbst zumindest im mittleren und hohen Vergrößerungsbereich je nach Art der Kameraadaptation zu Verwacklungsunschärfen führen. Digitale Kompakt- und Bridge-Kameras, welche über keine auswechselbaren Objektive verfügen und nicht nach dem Spiegelreflexsystem arbeiten, lösen deutlich erschütterungsärmer aus. Mehrheitlich verursacht der Verschluss einer solchen Kompaktkamera weniger Erschütterungen als der Auslösevorgang einer digitalen Spiegelreflexkamera nach Spiegelvorauslösung.

Chip versus Film:

Ein weiteres Problem ergibt sich aus dem Umstand, dass anstelle eines fotografischen Films ein lichtempfindlicher Chip belichtet wird. Bekanntermaßen reagieren die Chips digitaler Kameras besonders empfindlich auf schräg einfallende bildgebende Strahlenanteile. In diesem Fall können Blooming-Artefakte (punktuelle Überbelichtungen und Lichthöfe infolge Streustrahlung), mangelhafte Bildschärfe und Farbsäume entstehen (Altmann 2003). Ein fotografischer Film reagiert vergleichsweise “robust” im Hinblick auf schräg einfallende Strahlenkomponenten. Diese gesteigerte Empfindlichkeit der Chips gegenüber schräg einfallendem Licht ist bei der Adaptation einer Digitalkamera zu berücksichtigen.

Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die Dimensionierung der üblicherweise in Digitalkameras befindlichen Chips deutlich niedriger liegt als das Kleinbildformat von 24 x 36 mm; eine Ausnahme stellen lediglich Vollformat-Sensoren dar, welche sehr kostspielig sind und aus konstruktiven Gründen auch ihre besonderen Probleme im fotografischen Grenzbereich aufweisen (z. B. gesteigerte Vignettierung infolge technisch bedingtem Helligkeitsabfall zum Rand des Bildes). Tabelle 1 stellt vergleichend die ungefähren Längen- und Flächenmaße eines Kleinbildfilms und verschiedener handelsüblicher digitaler Chips dar. Hieraus ergibt sich, dass eine technische Konstruktion, die bei Adaptation einer Kleinbildkamera eine optimale Abmessung des aufzunehmenden mikroskopischen Bildes ergibt, bei identischer Verwendung einer Digitalkamera zu deutlich kleineren Bildausschnitten führt; Qualitätsverluste infolge Leervergrößerung können die Folge sein.

 

Länge (mm)

Breite (mm)

Diagonale (mm)

Fläche (cm2)

Kleinbild/Vollformat-Chip

36 mm

24 mm

43 mm

8,6 cm2

APS-Chip (z.B. EOS 350 D, 20 D)

23 mm

15 mm

26 mm

3,5 cm2

Four-Thirds (z. B. Olympus SLR)

17 mm

13 mm

21 mm

2,2 cm2

2/3-Zoll (z.B. Leica Digilux 2)

  9 mm

  6,5 mm

11 mm

0,6 cm2

1/2-Zoll (diverse digitale Kompaktkameras)

6,5 mm

  5 mm

  8 mm

0,3 cm2

Tab. 1: Maße gebräuchlicher Sensoren im Vergleich zum Kleinbild (Zahlen gerundet)

Anmerkung zu Tabelle 1:
Die Größenangabe bezieht sich auf die jeweilige Bilddiagonale, welche dem Durchmesser eines geometrisch anlegbaren Umkreises entspricht.
1 Zoll = 2,54 cm, aber im CCD-Bereich gilt: 1 Zoll = ca. 1,6 cm!
(Quellen: Stefanus 2006, Steinhauser 2006)
 

Bildauflösung:

Das Auflösungsvermögen des jeweiligen Kamerachips ist neben einer qualitativ hochwertigen Optik und einer optimierten Signalverarbeitung ein wesentlicher qualitätsbestimmender Faktor. Speziell bei Verwendung von Stereomikroskopen oder Lupenobjektiven ergibt sich eine sehr hohe Informationsdichte des Bildes, welche durchaus der üblichen bildgebenden Fotografie vergleichbar ist.

In der analogen Mikrofotografie sollten Filme mit niedriger Empfindlichkeit und entsprechender Feinkörnigkeit bevorzugt werden, um bei Einsatz qualitativ hochwertiger Optik die gegebenen Details des Objektes verlustfrei zu dokumentieren. Folglich sollten die digitalen Chips in ihrer Auflösung so bemessen sein, dass sie hinsichtlich der resultierenden Bildqualität einem feinkörnigen Kleinbildfilm entsprechen oder nahe kommen.

In der analogen Kleinbildfotografie liegt die fotografisch realisierte Bildauflösung nach Literaturangaben durchschnittlich bei etwa 50 Linienpaaren pro mm; als maximal möglicher oberer Grenzwert gelten 100 Linienpaare pro mm. Ein durchschnittliches Zoom-Objektiv löst etwa 40 Linienpaare pro mm auf; eine Hochleistungs-Festbrennweite kann etwa 60 Linienpaare pro mm auflösen. Übertragen auf die Digitalfotografie entsprechen 40 Linienpaare pro mm etwa 5,5 Megapixel, 50 Linienpaare 8,5 Megapixel und 60 Linienpaare 12 Megapixel. Folglich sollte eine Digitalkamera Auflösungen von 5,5 – 12 Megapixel realisieren lassen, um die Bandbreite von durchschnittlichen Zoom-Objektiven bis zu Hochleistungs-Festbrennweiten abzudecken. Ein tragfähiger Kompromiss, welcher den durchschnittlich realisierten etwa 50 Linienpaaren pro mm im Kleinbildbereich entspricht, ergibt sich bei etwa 8 Megapixel.

Farbcodierung und Interpolierungsartefakte:

Weiterhin ist unter theoretischem Aspekt zu berücksichtigen, dass bei einem Kleinbildfilm die gesamte Fläche des Films in vollem Umfang für die drei Grundfarben zur Verfügung steht, die zur Realisierung von Farbaufnahmen benötigt werden, indem drei den Grundfarben entsprechende lichtempfindliche Schichten übereinandergelagert werden.

In digitalen Consumer-Kameras werden die einzelnen Pixel des Chips jedoch den drei Grundfarben entsprechend mit Farbfiltern versehen (siehe Abb.), wobei vier benachbarte Chips jeweils eine Einheit bilden. Zwei dieser Chips werden mit grünen Farbfiltern versehen und je ein angrenzender Chip mit einem roten und blauen Farbfilter (sog. Bayer-Schema, Altmann 2003). Folglich werden im Falle eines Farbchips 50 % der vorhanden Pixel von Grünanteilen erregt und jeweils 25 % von Rot- bzw. Blauanteilen.


 

Übertragen auf die Mikrofotografie bedeutet dies, dass bei Verwendung einer 8 Megapixel-Kamera im Falle eines rot oder blau eingefärbten Objektes lediglich 2 Megapixel auf direktem Wege zur Bildentstehung beitragen. Für die 75 % verbleibenden Pixel, die nicht auf direktem Wege belichtet bzw. erregt werden, interpoliert die Kamera Bildinformationen, welche sie aus dem Belichtungsmuster der vorhandenen rot bzw. blau codierenden Pixel ableitet. Diese Interpolierung führt im fotografischen Grenzbereich zu Qualitätseinbußen bei Vergleichsziehung zu einem entsprechenden Bild, welches real durch direkte Belichtung von 8 Megapixel zustande käme. Diese Einbußen können sich in Konturunschärfen, Stufenbildungen und Farbsäumen im Randbereich von Konturen äußern.

Diese Artefakte zeigen sich vor allem bei hohen Ausschnittsvergrößerungen bzw. Erstellung großformatiger Bildabzüge.

Sonstige Artefakte:

Weitere Probleme der digitalen Fotografie können im Einzelfall in Abhängigkeit von den Eigenschaften des vorhandenen Chips durch sichtbares Bildrauschen entstehen. Dieses ist vor allem von der eingestellten ISO-Empfindlichkeit, der Temperatur und Größe der Chips abhängig; es kommt zu Stande, wenn sich der Chip bei längerer Belichtung zunehmend erwärmt und steigt mit zunehmender Lichtempfindlichkeit, d. h. hohen ISO- bzw. ASA-Werten. Moiree-Artefakte, die vor allem bei der digitalen Bildwiedergabe bestimmter konstanter Muster entstehen, spielen üblicherweise in der biologisch-medizinischen Mikrofotografie keine relevante Rolle.

Unter theoretischem Aspekt wird vielfach auch die Fläche des Chips bzw. die Größe des einzelnen Pixels als qualitätsbestimmendes Merkmal herausgestellt. Grundsätzlich darf als physikalische Gesetzmäßigkeit betrachtet werden, dass ein digitales Bild bei ansonsten gleichen Aufnahmebedingungen um so weniger Rauschen, Blooming-Artefakte und Farbverschiebungen zeigt, je größer der verwendete Chip bzw. die Größe des einzelnen bilderzeugenden Pixels ist. Bei identischer Pixelzahl wird folglich ein großflächiger dimensionierter Chip die qualitativ besseren Ergebnisse bringen.

Dieses physikalische Grundgesetz relativiert sich allerdings zur Zeit, da die Methoden der elektronischen Signaloptimierung zunehmend verbessert werden. Dies verringert den Stellenwert der Chipfläche bzw. Pixelgröße unter Aspekten der praktischen Relevanz.

Speziell im Hinblick auf die digitale Mikrofotografie wurden von verschiedenen Autoren Ringartefakte beschrieben (Henkel 2003). Es handelt sich hierbei um konzentrische, wechselweise helle und dunkle Ringe, die vor allem bei gleichmäßig hellen Bildflächen und kontrastschwachen Objekten entstehen können. Nach Maßgabe mehrerer Autoren sind diese Ringartefakte abhängig von der verwendeten Kamera. Der genaue Entstehungsmechanismus dieser Artefakte gilt bislang als nicht abschließend geklärt. Aufgrund eigener Untersuchungen darf jedoch als weitgehend sicher gelten, dass es sich meist um Interferenzphänomene handelt, die an Linsengrenzflächen entstehen. Solche Ringartefakte wurden in der analogen Mikrofotografie nicht beschrieben.

 Copyright: Jörg Piper, 2007