Adaption einer C- / CS-Mount CMOS Kamera
In den letzten Jahren haben kleine Kameras einen enormen Leistungssprung gemacht. Meist werden diese Kameras als sog. C-Mount Versionen angeboten, d.h. mit einem Objektiv-Gewinde von 1 Zoll x 32 GpZ 60° was etwa M 25,5 x 0,79 mm entspricht. Das Auflagemaß beträgt 17,52mm bei C-Mount und 12,52 mm bei CS-Mount.
Häufigstes Problem stellt sich in der optischen und mechanischen Adaption einer solchen Kamera an ein Mikroskop.

Die Kamera
Leider sind die Chips solcher Kameras recht klein und es ist unbedingt nötig eine passende Optik vor die Kamera zu setzen. Die Aufgabe ist, das Zwischenbild des Mikroskops mit 18 - 20 mm Durchmesser und unterschiedlicher Korrektur auf die kleine Sensorfläche zu übertragen.
Die Größe von Bildsensoren wird in Zoll (1 Zoll = 25,4 mm) angegeben, gebräuchliche Größen für professionelle Kameras sind 2/3" und 1/2", für Prosumer-Geräte 1/3" und für Consumer-Geräte 1/4" oder kleiner. Die Bezeichnung der Chipgrößen wurde von den Außendurchmessern der alten Bildaufnahmeröhren abgeleitet. Allerdings war die lichtempfindliche Fläche der Röhren deutlich kleiner als der Außendurchmesser der Röhren: So hatte z. B. eine 1"-Röhre eine aktive Fläche mit einer Bilddiagonalen von ca. 16 mm. Ein 1"-CCD-Chip hat per Definition die gleiche Bilddiagonale wie eine 1"-Röhre. Man muss also die Länge der Bilddiagonalen kennen (bei 1/2"-Kameras 8 mm, bei 1/3"-Kameras 6 mm), um die richtigen Maße der lichtempfindlichen Fläche zu errechnen:

CCD und CMOS Kameras,

2 Beispiele von CCD und neuen CMOS Kameras der Firma The Imaging Source
Oben eine CCD-Kamera mit 1/2" Chip, unten eine neue CMOS-Kamera mit 1/2,5" Chip
Die optische Adaption
Es gibt unzählige Versuche und Lösungen, wie eine Kamera, ob Spiegelreflex-, Kompakt-, Video- oder Webcam an ein Mikroskop zu adaptieren ist. Genau hier treten Probleme und Verwirrungen auf, denn nicht nur die Kameras sind sehr unterschiedlich, sondern auch im Mikroskopbau haben sich im Laufe der Zeit unterschiedliche Systeme entwickelt.

1. Mikroskop mit Endlichsystem, Tubuslänge 160 mm

Das sog. Zwischenbild ist mit 2 typischen Fehlern behaftet, welche erst durch ein entsprechendes Kompensationsokular korrigiert werden. Hierzu zählen die CVD = chromatische Vergrößerungsdifferenz und die Bildfeldwölbung. Damit scheiden alle Versuche eine Kamera in diese Bildebene zu setzen aus, da dann das erzeugte Bild mit erheblichen Fehlern behaftet wäre. Einziger Ausweg ist, das korrigierte Bild nach dem zugehörigen Kompensationsokular durch eine "Zwischenoptik" zur Kamera zu lenken.

2. Mikroskop mit Unendlichsystem und einer Tubuslinse

Mikroskopobjektiv und Tubuslinse dieser Systeme sind so aufeinander abgestimmt, dass in der Regel ein auskorrigiertes Bild in der Zwischenbildebene entsteht. Es werden keine Kompensationsokulare benötigt. Damit wäre es sehr einfach in diese Bildebene eine Kamera zu setzen, wenn nur die Chipgröße der Kamera besser angepaßt wäre. Eine DSLR ist hier bereits eine gute Lösung.
Was aber mit Kompakt- und C-Mount-Kameras ?

3. Die Universaladaption ?

Um alle Hindernisse einer guten und optisch einwandfreien Lösung zu umgehen sind andere Wege zu beschreiten.
Grundgedanke :
Das Bild nach dem Okular ist optisch perfekt korrigiert !
Es wird somit nach einer Optik gesucht, welche nicht die üblichen Probleme der Kameraadaption mit Kompaktkameras beinhaltet.

Okular und Kameraobjektiv

 Der Aufbau des Okulars und der Strahlengang sollen verdeutlichen, auf welche Punkte bei der richtigen Lösung der Adaption zu achten ist. Werden die Abstände der Austrittspupille am Okular und die Lage der Eintrittspupille des Objektivs nicht beachtet, so treten reine Zufallsergebnisse in der Bildqualität auf. Total unübersichtlich wird die Lage, wenn eine Kompaktkamera mit Zoomobjektiv bei unterschiedlichen Einstellungen benutzt wird. Hierzu das Diagramm "Blendenlage".
Blendenlage
4. Die Lösung

Die Tandemoptik,
die Kombination zweier Okulare 		Gesucht wurde nach einem Objektiv für C-Mount Kameras, welches A) eine sehr günstige Blendenlage und B) in der Preislage um oder unter 50.-€ lag. Also mußten unkonventionelle Wege beschritten werden.
Ein Okular für astronomische Fernrohre soll das überwiegend beugungsbegrenzte Bild eines Sterns in bester Abbildung dem Betrachter zeigen. Diese Okulare sind für ein ebenes und voll korrigiertes Bild ausgelegt. Die Austrittspupille liegt je nach Typ bei 10 - 25 mm.
Kehrt man die Funktion des Okulars um, so erhält man ein gut bis sehr gut korrigiertes Objektiv für kleine Bildgrößen und mit einer Blendenlage vor den Linsen !
Wichtig für den Nachbau :
Moderne Optikkonstruktionen der Plössl-Okulare basieren nicht unbedingt auf einem ganz symmetrischen Linsendesign. Daher ist es wichtig, dass je nach Umbau des Okulars, darauf geachtet wird, dass der Strahlenverlauf wie in der Zeichnung dargestellt erhalten bleibt. Weiter ist zu beachten, dass die Pupillenlagen wie in der Grafik gezeigt eingehalten werden. Abweichungen bringen entweder Randunschärfen oder Vignettierung.

Rechnungen zur Adaption :
 Die neue CMOS Kamera DFK72 von Imaging Source mit einem 1/2,5" Sensor, somit einer Bilddiagonalen von 7,12 mm und 2592 x 1944 Pixel ( 5 Mega Pixel ) soll ein möglichst großes Bildfeld (Zwischenbild) übertragen und zudem die theoretische Auflösung der Objektive nicht durch Unterabtastung Undersampling reduzieren. Weiter ist gefordert, dass es Okulare auf dem Markt gibt, welche diese optische Leistung zeigen und im gewünschten Preisrahmen stehen.

All diese Forderungen können durch ein Plössl-Okular mit 12,5 mm Brennweite erfüllt werden.

 Geht man von einem Mikroskopokular mit 10-facher Vergrößerung aus, ( f = 25 mm ) und der Kombination mit dem 12,5 mm Plössl-Okular als Kameraobjektiv, so wirkt diese Konstruktion wie ein Adapter mit einem Faktor von 0,5x ( 12,5mm / 25mm ).
Der Chip mit einer Diagonalen von 7,12 mm überdeckt also einen Bildkreis in der Zwischenbildebene von 7,12mm / 0,5 = 14,24 mm. Es könnte etwas mehr sein, jedoch besteht der einfache Ausweg in einem Mikroskopokular mit geringerer Vergrößerung, z.B. 8-fach.

Wie steht es um die Auflösung ?
 Ausgehend von der theoretischen Auflösung eines Objektivs nach : d = 0,61 * Wellenlänge / NA , ergeben sich folgende Werte :
Planapochromat 4/0,16 ----> d = 2,10 µm
Planachromat 10/0,25 -----> d = 1,34 µm
Planachromat 40/0,65 -----> d = 0,52 µm
Planapochromat 100/1,32 -> d = 0,25 µm

Die Kamera DFK72 hat Pixel mit einer Größe von 2,2 µm x 2,2 µm. Um sicher 2 Punkte zu trennen ist ein Abstand von 2 * 2,2µm , und der Faktor 1,4 für einen diagonalen Abstand der Pixel erforderlich. Somit 6,16µm !
Daraus ergibt sich : 6,16µm / (Tubusfaktor * Objektivvergrößerung)
Planapochromat 4/0,16 ----> d = 3,08 µm
Planachromat 10/0,25 -----> d = 1,23 µm
Planachromat 40/0,65 -----> d = 0,31 µm
Planapochromat 100/1,32 -> d = 0,12 µm

Nur im Fall des Apo 4/0,16 ist die theoretische Auflösung des Objektivs besser als es die Abtastung der Kamera erlaubt. Dieser Kompromiss sollte aber akzeptabel sein, denn alle sonstigen Forderungen an die Adaption sind erfüllt.

5. Die Ergebnisse

Die Einzelteile
Auf das Okular wurde ein CS-Mount Gewinde
geschnitten.

Kamera einsatzbereit !
Kamera an einem Zeiss
Standard mit Bino
Bild mit einem PlanApo 10/0,32
Obwohl das Objektiv von Zeiss West und das Okular von CZJ, zeigt sich eine gute Adaption, welche sich nur geringfügig durch ein Kpl Okular noch verbessern läßt. Damit ist gezeigt, dass es mit relativ einfachen Mitteln gelingt, eine neue 5 Mega Pixel Kamera, ohne aufwändige Objektivkonstruktion und teure Adapter an unterschiedliche Mikroskope anzupassen.


Bild mit Olympus SPlan 10/0,3
+ WHK 10x/20
Bild mit Nikon Achr 10/0,25
+ CFW 10x
Bild am Stereomikroskop

 		Ob Leitz, Nikon, Olympus oder Zeiss, es ist nur auf die Kombination von Mikroskop-Objektiv und Mikroskop-Okular zu achten. Das als neues Kameraobjektiv benutzte Astro-Okular bringt keine zusätzlichen Fehler in das System.
Bei der Auswahl von Plössl-Okularen sollte man unbedingt darauf achten, dass das Okulargehäuse aus Metall besteht, die Optik sich während der Bearbeitung entfernen läßt und das Linsensystem eine gute Entspiegelung zeigt. Auch geschwärzte Linsenkanten dienen der Kontrastverbesserung.
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Kamera und Adapter wurden an der TU-Darmstadt im Juni 2010 vorgeführt - Peter Höbel
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