Mikrokristalle fotografieren mit dem Smartphone.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

Mit einem einfachen Mikroskop und einer Smartphone-Kamera Mikrokristalle im polarisierten Licht fotografieren, geht das?

Ja, es geht und sogar gar nicht schlecht. Als Objekt dient das Schmerzmittel Paracetamol, das rezeptfrei in der Apotheke gekauft werden kann. Wie man daraus den Wirkstoff isoliert, findet man im Blog-Beitrag „Paracetamol“.

Das abgebildete Mikroskop ist ein Instrument der tschechischen Firma Meopta und wurde um 1980 herum gebaut. Es hat damals ca. 100 DM gekostet. Es ist ein so genanntes Feldmikroskop. Leider wird es nicht mehr hergestellt, manchmal findet man es noch bei eBay.

 

Meopta-Feldmikroskop

Meopta-Feldmikroskop

 

Das Mikroskop besitzt 3 Objektive 3,3x, 6,7x und 20x sowie ein Okular 15x. Die für die Aufnahmen erforderliche Polarisationseinrichtung wird aus einer linearen Polarisationsfolie zurecht geschnitten. Im Internet gibt es, z.B. von der Firma Screen-Tech, lineare Polarisationsfilter-Folien 100 x 100 x 0,4 mm. Kostenpunkt ca. 20 EURO pro Folie. Als Polarisator wird ein Folienstück in der Größe eines Objektträgers mit Tesafilm auf den Objekttisch geklebt.

 

Polarisator

Polarisator

Ein zweites Folienstück, etwa in der Größe einer 2 EURO-Münze, dient als Analysator und wird direkt auf den Objektträger gelegt. Man hat also ein Sandwich, Objektträger mit Präparat zwischen 2 Polarisationsfiltern.  Verwendet man kein Deckglas, wird die Analysator-Folie besser auf das Okular gelegt. Auf jeden Fall muß der Analysator drehbar sein.

Die Kamera eines Samsung Galaxy S5 dient als Aufnahmegerät. Die  notwendige Halterung  wurde einem Objektiv-Set der Firma CamKix (Amazon) zweckentfremdet. Dieses Set enthält neben der Halterung und einer Schale mit Gewinde noch verschiedene Objektive und ein kleines Stativ mit Kugelkopf. Die Objektive, (finden hier keine Verwendung),  werden mittels dieser Einrichtung vor das Smartphone-Objektiv geschraubt. Solche Sets gibt es für fast alle gängigen Smartphones. Das Set kostet ca. 35 EURO. (Stand April 2016).

 

_DSC6871 -1

Samsung Galayx S5 mit Gewindeschale und Halterung.

Die schwarze Schale setzt man auf das Smartphone und klemmt darüber die Halterung mit dem Stativgewinde an.

Samsung Galaxy S5 mit Halterung zusammengebaut.

Samsung Galaxy S5 mit Gewindeschale und Halterung zusammengebaut.

Um das Smartphone bequem über dem Mikroskop platzieren zu können, kann z.B. das Stativ eines alten Vergrößerungsapparates verwendet werden, an das ein Kugelkopf geschraubt wird. Natürlich muss der Kugelkopf nicht so groß dimensioniert sein wie hier gezeigt. Dieser trägt normalerweise das Gewicht einer Spiegelreflexkamera. Für ein Smartphone reicht ein ganz einfacher, der unter 20 EURO kostet.

 

Smartphone an Stativ

Samsung Galaxy S5 mit Kugelkopf an Stativ.

Das Smartphone wird exakt mit einer Wasserwaage ausgerichtet. Wer keine Wasserwaage besitzt, kein Problem. Man kann sich kostenlos aus dem Internet eine auf das Smartphone herunterladen und es damit sauber ausrichten. Das funktioniert ganz ausgezeichnet, sogar besser, als mit der hier gezeigten externe Wasserwaage.

Jetzt wird der Objektträger mit dem Paracetamol-Kristallen auf dem Objekttisch des Mikroskops plaziert.  Man legt die zweite Polarisationsfilter-Folie darüber. Durch Höhenverstellung des Objekttisches wird scharf gestellt. Dann dreht man die obere Folie, bis der Raum um die farbigen Kristalle herum schwarz ist. Das Mikroskop wird nun unter das Smartphone geschoben und die Kamera eingeschaltet.

Gesamter Aufbau

Gesamter Aufbau

 

Das Smartphone wird soweit heruntergefahren, bis nur noch ein schmaler Spalt zwischen Okular und Smartphone vorhanden ist.

 

Abstand

Abstand

Wenn das Smartphone exakt ausgerichtet ist und das Okular des Mikroskops genau mittig unter dem Kameraobjektiv steht, ist nach dem Scharfstellen am Mikroskop ein scharfes Bild auf dem Smartphone zu sehen, das schwarze Ränder hat wie auf den folgenden Aufnahmen zu sehen ist. Die Bilder sind unbearbeitet. Weder Schärfe, noch Kontrast oder Farbe wurden verändert! Um bei der Aufnahme Verwacklungen zu vermeiden, wurde mit Selbstauslöser ausgelöst.

 

Paracetamol_01

Paracetamol aufgenommen mit Samsung Galaxy S5 und Meopta Feldmikroskop.

 

 

Paracetamol_2

Paracetamol aufgenommen mit Samsung Galaxy S5 und Meopta Feldmikroskop.

 

Paracetamol_3

Paracetamol aufgenommen mit Samsung Galaxy S5 und Meopta Feldmikroskop.

 

Hier ein Beispiel, wenn Okular und Mikroskop nicht exakt ausgerichtet sind:

 

20160424_122811

Kamera-Objektiv und Okular sind nicht exakt ausgerichtet.

 

Manchmal sind Kristalle aus der reinen Spirtus-Lösung nicht sehr schön. Dann kann man zu der Spirituslösung ca. die gleiche Menge destilliertes Wasser geben und erneut eine Probe auf einem Objektträger kristallisieren lassen. Häufig entstehen so noch schönere Kristallbilder. Man kann später auf die Kristall-Proben ein Deckglas legen und die Probe vorsichtig auf einer Herdplatte aufschmelzen. Über Nacht entstehen daraus sehr interessante Kristallformationen.

Es ist doch wirklich erstaunlich, wie man mit relativ einfachen Mitteln in die fantastische Farben- und Formenwelt der Mikrokristalle im polarisierten Licht eintauchen kann. Vielleicht erreicht dieser Beitrag auch experimentierfreudige Schülerinnen und Schüler, die ich ermutigen möchte, erste Schritte in diesem Feld der surrealen Biderwelten zu wagen.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Es ist Spargelzeit, ein guter Grund sich mit der Asparaginsäure zu befassen, die daher das Thema meines nächsten Blogbeitrags sein wird.

 

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

 

H-D-S

 

 

 

 

 

 

 

 

Advertisements

JPEG oder RAW das ist hier die Frage.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

noch vor wenigen Jahren war das RAW-Format nur hochwertigen Kameras vorbehalten. Inzwischen lassen sich aber auch bei vielen preiswerten Kameramodellen Bilder im RAW-Format abspeichern. Von Seiten der Kameratechnik erfordert das Speichern im RAW-Format keinerlei zusätzlichen apparativen Aufwand. Die Zurückhaltung gegenüber dem RAW-Format erklärt sich wohl eher aus zwei anderen Gründen:

  1. Der Speicherbedarf von RAW-Dateien ist erheblich größer als der von JPEG-Dateien.
  2. Ein Nachbearbeitungsprogramm ist für RAW-Dateien zwingend erforderlich.

Vor dem Hintergrund dieser Nachteile stellt sich natürlich die Frage, warum man sich dann überhaupt mit dem RAW-Format beschäftigen soll.  Um es gleich vorweg zu nehmen: Der Fotograf besitzt bei der Bearbeitung von RAW-Dateien einen erheblich größeren Freiraum als bei JPEG-Dateien.

Um den Unterschied zwischen beiden Formaten zu verstehen, möchte ich zunächst die grundlegende Arbeitsweise eines Kamera-Sensors darstellen. Die meisten Kameras verwenden heute CMOS-Flächensensoren. Hier der prinzipielle Aufbau:

CMOS-Flächensensor

CMOS-Flächensensor

 

Man kann sich den Sensor wie ein Schachbrett vorstellen. Jedes Feld ist ein Pixel und besteht aus einer Fotodiode mit einer darüber liegenden Mikrolinse. Die Mikrolinsen fokussieren das einfallende Licht, das von den Fotodioden in elektrische Ladungen umgewandelt wird. Es wird hier also die Energie des einfallenden Lichts in elektrische Energie umgewandelt. Das geschieht in jeder der Fotodioden separat. Jede Fotodiode wird also separat ausgewertet. Fällt auf eine Fotodiode viel Licht, entsteht eine starke elektrische Ladung, fällt wenig darauf, ist sie entsprechend schwächer. Immer aber ist sie proportional der einfallenden Lichtmenge. Diese setzt sich zusammen aus der Zeit in der das Licht auf die Fotodiode fällt (Belichtungszeit) und der Lichtintensität.Die von jeder der Fotodioden erzeugte elektrische Ladung wandert durch eine Ausleseelektronik, einen Analog/Digital-Wandler und einen Verstärker. Soweit so gut.

Eine solche Anordnung wäre farbenblind. Es könnten nur Grauwerte generiert werden. Um den Flächensensor farbsichtig zu gestalten, kam bei der Firma Eastman Kodak B. E.  Bayer 1975 auf die Idee, zwischen Mikrolinsen und Fotodioden Farbfilter in den Grundfarben Rot Grün und Blau einzufügen. (RGB-Farben). Die Anordnung der Farbfilter folgt einem ganz bestimmten Schema, das nach seinem Erfinder Bayer-Muster genannt wird. Den Sensor nennt man daher auch Bayer-Pattern-Sensor.

 

Bayer Pattern

Bayer Pattern

In diesem Farbschema sind die Farben Rot und Blau zu 25% und Grün zu 50% vertreten. Diese Prozentzahlen tragen den Eigenschaften des menschlichen Auges Rechnung, dessen Farbrezeptoren eine ähnliche prozentuale Verteilung besitzen.

Fällt nun Licht auf die einzelnen Sensorzellen (Fotodioden), so lassen die grünen nur den Grünanteil, die roten nur den Rotanteil und die blauen nur den Blauanteil des Lichts passieren und wandeln diesen in äquivalente elektrische Ladungen um. Nun wissen wir aber, daß jedes Pixels im fotografischen Bild eine Rot- Grün- und Blau-Anteil besitzt. Die durch den Bayer-Pattern-Sensor erzeugten Pixel besitzen aber nur jeweils eine Farbe: Rot Grün oder Blau. Sie müssen daher um die beiden jeweils fehlenden Farbanteile ergänzt werden. Dieses geschieht durch ein aufwendiges mathematisches Verfahren, das man Demosaicing, Bayer-Interpolation oder schlicht Farbinterpolation nennt. Interpolationsverfahren wendet man immer dann an, wenn zwischen Messwerten eine Lücke besteht. Nehmen wir an, jemand möchte abnehmen und mißt jede Woche einmal sein Gewicht. In der 1. Woche wiegt er 70,0 kg in der 2. Woche hat er vergessen sich zu wiegen und in der 3. Woche wiegt er 69,50 kg. Jetzt kann er den vergessenen Wert durch Interpolation annähernd ermitteln, indem er den Mittelwert aus den beiden Randwerten berechnet, also (70,0+69,5)/2=69,75 kg. Das wäre eine einfache lineare Interpolation. Grundsätzlich ähnlich, aber mathematisch viel komplizierter, verläuft die Bayer-Interpolation. Aber das Ziel ist klar: Jedem Pixel werden die jeweils fehlenden Farbanteile mit Hilfe der ihn umgebenden Pixel hinzugerechnet. Einem grünen Pixel, das z.B. von 2 starken roten Pixeln umgeben ist, wird eine relativ hoher Rotanteil hinzugerechnet. Sind die beiden umgebenden blauen Pixel hingegen sehr schwach, so wird  auch nur ein geringer Blauanteil hinzugerechnet. Am Ende des Interpolationsverfahrens besitzt jedes Pixels auf dem Bayer-Schema einen vollständigen RGB-Wert. (Wer sich mit RGB-Werten und Farbtiefe nicht auskennt, findet Infos in meinem Blogbeitrag über HDRI-Fotografie).

Nach der Bayer- Interpolation ist ein Bild entstanden, das in der Kamera noch weitere Schritte durchläuft. Dazu zählen u.a. Anpassung von Weißabgleich, Kontrast, Sättigung und Nachschärfen. Zusätzlich wird das Bild komprimiert, um den Speicherbedarf zu verringern. Das so entstandene Bild ist dann eine JPEG-Datei  und wird mit der Endung .JPG abgespeichert.

Worin liegt nun die Besonderheit der RAW-Datei?  Bei der Speicherung als RAW-Datei, wird der kamerainterne Verarbeitungsprozess schon vor der Bayer-Interpolation abgebrochen. Sowohl die Bayer-Interpolation als auch die weiteren Verarbeitungsschritte wie Weißabgleich, Sättigung u.s.w. erfolgen nicht wie bei JPEG-Dateien in der Kamera, sondern erst später am Computer mit der passenden Bearbeitungssoftware. Damit hat der Fotograf die volle Kontrolle über die Rohdaten und sehr viel mehr Spielraum bei der Bildbearbeitung. Leider gibt es keinen Standard für das RAW-Format. Selbst innerhalb verschiedener Kamera-Typen des gleichen Herstellers kann es Unterschiede geben. Das muss man beim Kauf eines Bildbearbeitungsprogramms beachten.

Ich habe hier den am weitesten verbreiteten CMOS-Sensor beschrieben. Es gibt aber noch andere Sensoren, z.B. vom Sigma und Fujifilm, die nach anderen Prinzipien arbeiten.

Nach soviel Theorie hier mal ein ganz praktisches Beispiel, das den Vorzug von RAW-Dateien zeigt. Das im Folgenden beschriebene Verfahren läßt sich nicht mit einer JPEG-Datei durchführen. Ich fotografiere Mikrokristalle im polarisierten Licht immer mit einer Nikon, die auf das RAW-Format eingestellt ist. Manchmal bearbeite ich diese Dateien mit meinem Standard-Bildbearbeitungsprogramm Corel PaintShop Pro.

Mein Ziel ist es, bei meinen Aufnahmen die Wirkung zu erzielen, die ich am Mikroskop wahrnehme. Manchmal kommen erst  HDR-Aufnahmen diesem Ziel nahe. Dazu sind mindestens 3 Aufnahmen unterschiedlicher Belichtung erforderlich. Mit Corel PaintShop Pro kann man aber auch aus einer korrekt belichteten RAW-Datei 3 Aufnahmen generieren, indem das Programm durch Manipulation der RAW-Daten 2 zusätzliche Aufnahmen unterschiedlicher Belichtung erzeugen. Den Grad der Unter- bzw. Überbelichtung kann man vorgeben. Danach werden von den 3 Aufnahmen die jeweils optimal belichteten Bereiche zu einer Pseudo-HDR-Aufnahme zusammengefügt. (Pseudo- weil nicht 3 Original-Aufnahmen verwendet werden). Zunächst muß aber die RAW-Datei der Bayer-Interpolation unterworfen werden. In Corel PaintShop Pro ist ein Programm namens Camera RAW Editor enthalten, das diesen Vorgang durchführt.

Die RAW-Datei wird zunächst in Corel PaintShop Pro eingelesen, man landet direkt im Camera-Raw Editor. Hier wird die Bayer-Interpolation durchgeführt. Man kann, falls erforderlich, verschiedene Korrekturen vornehmen.

Camera Raw Editor

Durch Klicken auf „ok“ gelangt dann in das eigentliche Bearbeitungsprogramm.

 

Bearbeitungsprogramm

Hier klickt man ganz oben links „Datei“ an, es öffnet sich ein Pulldown-Menü und man wählt dort „HDR“ und „Einzelnes Foto“

 

"Datei" und "HDR" wählen

 

Jetzt müssen zunächst die 2 zusätzlichen Bilder generiert werden. Auf der unteren Leiste sieht man das Ausgangsbild. Links ist ein Menü, in dem man den Grad der Unter-/Überbelichtung festlegen kann.

Man wählt zunächst mit „EV-Intervall“ den Grad der Belichtungsabweichung vom Original. Klickt man dann auf „Foto teilen“,  werden die 2 zusätzlichen Bilder generiert, die man auf der unteren Leiste sehen kann, (im übernächsten Screenshot).

 

Links Interval auswählen und Harken setzen.

 

 

Bild001.4

Klickt man auf „Verarbeiten“ wird aus den 3 Bildern ein Pseudo-HDR-Bild erzeugt.

 

Bild001.5

 

Links sieht man verschiedene Vorschläge für die Farbe des endgültigen Bildes. Ich habe hier das mittlere rechte gewählt, man kann im linken Menü noch eine Reihe weiterer Einstellungen vornehmen. Ohne weitere Einstellungen sieht das endgültige Bild dann so aus:

 

Mikrokristalle von Naproxen, fotografiert im polarisierten Licht. Bearbeitet mit Corel Paint Shop Pro X8

Mikrokristalle von Naproxen, fotografiert im polarisierten Licht. Bearbeitet mit Corel Paint Shop Pro X8.

 

Wer die Möglichkeit hat, Fotos im RAW-Format abzuspeichern und die Arbeit mit Bildbearbeitungsprogrammen nicht scheut, sollte die große Flexibilität des Raw-Formats unbedingt nutzen, es lohnt sich.

So, liebe Freunde der Mikrokristalle, das war ein ziemlich langer Weg. In meinem nächsten Blogbeitrag widme ich mich mal wieder meinem geliebten Schülermikroskop. Ich möchte zeigen, wie man mit minimalen Mitteln, Smartphone-Kamera, Schülermikroskop und einfachen Polarisationsfilterfolien, erstaunlich gute Mikrofotos im polarisierten Licht erzeugen kann. Die Fotos werden mit Kristallen des Kopfschmerzmittels Paracetamol gemacht, das man sich leicht aus der Apotheke beschaffen kann.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S