Wie leistungsfähig kann ein Schülermikroskop sein?

Veröffentlicht am 4. November 2017 von H-D-S

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

kann ein Schülermikroskop mit einem Labormikroskop hinsichtlich Abbildungsleistung konkurrieren?

Natürlich nicht! Aber wie groß fällt der Unterschied eines guten Schülermikroskops im Vergleich zu einem guten Labormikroskop tatsächlich aus? Dieser Frage möchte ich in diesem Blogbeitrag nachgehen, und schränke sofort ein: Meine Aussage gilt nur für Mikrofotos von Kristallen im polarisierten Licht bei schwacher Vergrößerung. Und, ob jedes Schülermikroskop so gut ist wie das von mir verwendete, kann ich natürlich auch nicht sagen. Ins Rennen gehen:

Schülermikroskop Meopta AZ2 aus Tschechien mit achromatischen Objektiven. Das Instrument stammt aus dem Jahre 1986 und hat zu der Zeit ca. 100 DM gekostet. Es wird wohl nicht mehr hergestellt.

Schülermikroskop Meopta AZ2

Labormikroskop Hund H600 mit planachromatischen Objektiven, Kameraadapter und orientierender Polarisationseinrichtung. Preis ca. 3000 EURO.

Labormikroskop H 600

Kostenmäßig sprechen wir also von ganz unterschiedlichen Welten.

Als Kamera wurde beim Meopta AZ2 eine Nikon D300s, beim Hund H600 eine Nikon D610 verwendet.

Die Adaption an das Meopta AZ2 erfolgte mit einem T2-Ring (gibt es für alle gängigen Spiegelreflexkameras z.B. bei Amazon), auf dem ein drehbares Zirkularpolarisationsfilter saß, und einem Schaumstoffschlauch aus dem Baumarkt. Der Schlauch ragt etwa 3 mm über das Okular hinaus, der T2-Ring mit dem Polarisationsfilter liegt auf dem Schlauch lichtdicht auf.

Nikon D300s an Meopta AZ2.

T2-Ring mit Zirkularpolarisationsfilter und Schaumstoffschlauch.

2.Zirkularpolarisationsfilter unter dem Objektträger.

Auf dem Objekttisch, unter dem Objektträger befindet sich ein weiteres Zirkularpolarisationsfilter. Der besondere Vorteil dieses simplen Adaptersystems liegt darin, dass Erschütterungen beim Auslösen der Kamera kaum auf das Mikroskop übertragen werden. Die Kamera wurde mit einer Wasserwaage horizontal ausgerichtet. Schließt der Schlauch oben nicht ganz lichtdicht ab, kann man mit schwarzem Isolierband um Schlauch und Polfilter abdichten. (Ich fotografiere meist in einem abgedunkelten Raum, da geht es ohne Abdichtung).

Als Objekt wurde Adipinsäure verwendet, die auf einem Objektträger mit Deckglas aufgeschmolzen wurde. Die Fotos wurden im RAW-Format aufgenommen und in das JPG-Format ohne jegliche Nachbearbeitung konvertiert.

Hier die Ergebnisse:

Adipinsäure AZ2 Objektiv 3,3x Okular 15x

Adipinsäure
Meopta AZ2
Okular 15x
Achromatisches Objektiv 3,3x

Adipinsäure
Hund H600
Okular 10x
Planchromatisches Objektiv 4x

Meopta AZ 2
Okular 15x
Achromatisches Objektiv 3,3x

Adipinsäure
Hund H600
Okular 10x
Planchromatisches Objektiv 4x

Adipisäure
Meopta AZ 2
Okular 15x
Achromatisches Objektiv 3,3x

Adipinsäure
Hund H600
Okular 10x
Planchromatisches Objektiv 4x

Adipinsäure
Meopta AZ 2
Okular 15x
Achromatisches Objektiv 3,3

Adipinsäure
Hund H600
Okular 10x
Planchromatisches Objektiv 4x

Ein Vergleich der Aufnahmen zeigt schon recht deutliche Schärfenunterschiede. Auf einem großen Monitor betrachtet, kommen diese noch klarer heraus. Das war aber auch zu erwarten, sonst wäre der finanzielle Aufwand für ein gutes Labormikroskop nicht zu rechtfertigen. Aber ich finde, auch die Aufnahmen mit dem Schülermikroskop sind sehr ansehnlich, und wenn man sie etwas nachschärfen würde, sähen sie richtig gut aus.

Diese Aufnahmen gelingen mit dem Body einer Spiegelreflexkamera besser, als mit Digitalkameras mit festem Objektiv. Letztere lassen sich mit der Methode wie hier beschrieben nicht immer formatfüllend adaptieren. Man muss es im Einzelfall ausprobieren. In beiden Fällen kann man das Original Okular verwenden. Ich löse immer mit dem Selbstauslöser aus, um Verwacklungen zu vermeiden. Oder man steuert die Kamera über den PC, siehe meinen Blogbeitrag :

https://mikrokristalle.com/2015/10/01/digicamcontrol-ein-steuerungsprogramm-fuer-digitalcameras/

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Auch wenn in diesem Jahr weniger Äpfel an unseren heimischen Bäumen gereift sind, ist die Äpfelsäure das Thema meines nächsten Blogbeitrags.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

Verborgene Kristallwelten – Jahresprojekt eines Schülers.

Veröffentlicht am 5. Dezember 2016 von H-D-S

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

eigentlich hatte ich ja Mikrokristalle von Natriumcitrat angekündigt. Ich möchte aber einen anderen Beitrag vorziehen, der mir sehr am Herzen liegt.

Es ist der Bericht von Jaro Junker, Schüler an der Waldorfschule in Lüneburg. Er hat ihn dort als Jahresarbeit vorgelegt. Das Thema: „Verborgene Kristallwelten“. Sein Großvater hat ihm dazu ein Polarisationsmikroskop zur Verfügung gestellt und stand ihm auch bei seinen Experimenten mit Ermutigung und Rat zur Seite. Diese Arbeit hat mich sehr beeindruckt, und ich habe Jaro und seinen Opa um die Erlaubnis gebeten, den Bericht auf meinem Blog zu zeigen. Sie haben mir die Erlaubnis gerne erteilt. Ich möchte mit dieser sehr gelungenen Arbeit auch anderen Schülerinnen und Schülern Mut machen, sich mit den oft so nüchtern erscheinenden Naturwissenschaften zu beschäftigen. Manchmal verbergen sich hinter der scheinbar so kühlen Physik und Chemie wunderbare Farben- und Formenwelten, die es von jungen Forschern zu entdecken gilt.

Was man mit Freude am Experiment, Ausdauer und Leidenschaft erreichen kann, zeigt die folgende Arbeit des 12 jährigen Jaro. Hier ist sein Bericht:

Klick hier auf „Verborgene Kristallwelten“ von Jaro Junker

Wer sich als Großeltern oder Eltern ebenso an der Arbeit Jaros begeistern konnte wie ich, liebe Freunde der Mikrokristalle, sollte daran denken, dass Weihnachten naht. Warum nicht Enkelin oder Enkel, Tochter oder Sohn, zu Weihnachten ein Schüler-Mikroskop schenken? Es gibt einige Blogbeiträge von mir die zeigen, dass man auch mit einfacher mikroskopischer und fotografischer Ausrüstung beachtliche Resultate erzielen kann.

Und jetzt noch ein wenig Eigenwerbung zur Weihnachtszeit: Tolle Puzzles und einen Kalender, beide mit Motiven von Mikrokristallen des Autors, findet ihr bei Amazon. Ein Klick auf die Links führt Euch direkt ans Ziel:

Puzzles: Puzzles von Mikrokristallen

Kalender: Surreale Farbwelten – Mikrokristalle

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

In meinem nächsten Blogbeitrag hole ich die Mikrokristalle von Natriumcitrat nach.

Bis dahin wünsche ich eine geruhsame Adventszeit.

H-D-S

Lineares Polarisationsfilter und λ/4-Plättchen II.

Veröffentlicht am 23. September 2016 von H-D-S

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

es hat etwas gedauert, mit dem zweiten Beitrag zur Zirkularpolarisation, in dem ich das Prinzip und den Aufbau eines Zirkularpolarisationsfilters beschreibe.

In meinem letzten Blogbeitrag habe ich experimentell gezeigt, wie sich die Intensität des polarisierten Lichts beim Passieren durch ein zweites lineares Polarisationsfilter in Abhängigkeit vom Drehwinkel verändert. Eine Lichtwelle wurde als eine sinusförmige Schwingung, vergleichbar mit der Schwingung eines angeregten Seils dargestellt.

Skizze einer horizontal und einer vertikal schwingenden Welle

Da gibt es aber einen Widerspruch. Würde sich eine Lichtwelle tatsächlich wie eine Seilwelle verhalten, würde schon ein geringfügiges Drehen eines Polarisationsfilters ausreichen, um den gesamten Lichtdurchgang zu sperren. Man hat aber gesehen, daß beim Verdrehen eines der Filter zunächst wenig passiert, dann aber geht es sehr schnell. Die Intensität, mit der das Licht die Polarisationsfilter passiert wurde mit Hilfe des Amplitudenvektors mathematisch beschrieben. Dazu wurde der Amplitudenvektor in seine horizontale und vertikale Komponente zerlegt. Die vertikale Komponente erwies sich als Maß für die Intensität des passierten Lichts. Man muß sich also von der Vorstellung frei machen, daß eine Lichtwelle einer mechanischen Seilwelle sehr ähnelt. Das Modell der Seilwelle dient nur dem besseren Verständnis. Ich arbeite hier bewusst nicht mit magnetischen und elektrischen Feldvektoren, um die Sache nicht zu kompliziert zu machen. Wenn ich von Wellenvektoren spreche sind die elektrischen Feldvektoren gemeint.

Man kann, wie wir gesehen haben, eine linear polarisierte Lichtwelle, mit einer wie auch immer gearteten Orientierung, mathematisch in einen horizontalen und einen vertikalen Wellenanteil zerlegen.

Horizontale und vertikale Komponente einer polarisierten Welle.

Horizontale und vertikale Wellenanteile einer polarisierten Welle.

Beide Wellenanteile verlaufen genau synchron. Nun stelle man sich einmal gedanklich vor, eine der beiden Wellenanteile würde um ein viertel der Wellenlänge, also λ/4 versetzt laufen, wie im folgenden Bild zu sehen ist.

Zwei Wellenanteile einer polarisierten Welle um λ /4 versetzt mit den Wellenvektoren.

Diese beiden Wellenanteile verlaufen jetzt nicht mehr synchron. Kann man so etwas praktisch durchführen? Ja man kann. Und zwar, man ahnt es schon, mit einem λ/4-Plättchen. Wie funktioniert das?

Bei manchen Kunststoff-Folien können die Moleküle durch mechanisches Strecken in die Länge gezogen werden. Moleküle behindern das Licht beim Passieren und verlangsamen die Lichtgeschwindigkeit. Bei solch langgestreckten Molekülen ist es nicht egal, ob passierende Lichtwellen längs oder quer zur Streckrichtung schwingen, sie werden unterschiedlich stark abgebremst . Und so gelingt es, eine Gangunterschied mit solchen Kunststoffen zu erzeugen. Man kann die Dicke einer solchen Kunststoffschicht so bemessen, daß man genau einen Gangunterschied von λ/4 also ein Viertel Wellenlänge erhält, und schon haben wir unser λ/4-Plättchen.

Sind nun beide Wellenanteile um λ/4 gegeneinander versetzt, so führt der Wellenvektor eine schraubenförmige Rotationsbewegung durch. Daher wird die so polarisierte Lichtwelle zirkular polarisiert genannt.

Meine zeichnerischen Fähigkeiten sind leider zu begrenzt, die Rotation des Wellenvektors vernünftig darzustellen. Ich habe aber auf YouTube eine Animation gefunden, die diese Rotation sehr schön zeigt:

Man sieht zunächst die synchron laufenden Wellenanteile bei denen der Wellenvektor nicht rotiert , und danach die um λ/4 versetzten mit dem rotierenden Wellenvektor. Ich finde die Animation ganz hervorragend, dem Autor kann man nur gratulieren. (Zur Wiederholung unten ganz links das runde Pfeilsymbol anklicken).

Ein Zirkularpolarisationsfilter besteht nun aus einer Kombination aus linearem Polarisationsfilter und nachgeschalteter λ/4-Folie. Man verwendet diese Art von Filter in der Fotografie und vor allen Dingen bei Sonnenbrillen.

Für die Mikrofotografie, ich hatte es im letzten Blogbeitrag erwähnt, benutzt man beide Komponente besser getrennt. Ein Zirkularpolarisationsfilter ersetzt hier also nicht das λ/4-Plättchen. Hier zwei Fotos von L-Weinsäure im polarisierten Licht, jeweils mit und ohne λ/4 Plättchen. Die L-Weinsäure wurde im Methylethyketon gelöst und bildete einen sehr dünne Kristallschicht auf dem Objektträger.

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht mit L/4-Plättchen.

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht mit λ/4-Plättchen.

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht ohne L/4-Plättchen.

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht ohne λ/4-Plättchen.

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht mit λ /4-Plättchen.

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht ohne L/Plättchen.

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht ohne λ/Plättchen.

Wie man sieht, kann man mit einem λ/4-Plättchen manchmal interessante Effekte erzielen. Als Folien sind die λ/4-Plättchen im Internet relativ preiswert zu bekommen.

Soviel für heute liebe Freunde der Mikrokristalle. Der nächste Blogbeitrag wird nicht so lange auf sich warten lassen. Es ist zur Abwechslung mal wieder ein Zucker bzw. ein Zuckerersatzstoff dran, den man sich leicht beschaffen kann. Es ist der Sorbit.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

p.s.

Wer Freude an schönen Bildern von Mikrokristallen hat, sie aber nicht selber fotografieren will, dem empfehle ich meinen neuen Kalender für 2017, der seit dem ersten Juni im Handel ist.

Titel: Surreale Farbwelten-Mikrokristalle

Autor: Dieter Schenckenberg

Hier die ISBN-Nummern:
Wandkalender 2017 DIN A4 quer ISBN 978-3-664-84126-4

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Lineares Polarisationsfilter und λ/4-Plättchen I.

Veröffentlicht am 5. August 2016 von H-D-S

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

wie funktioniert ein λ/4-Plättchen in Kombination mit einem linearen Polarisationsfilter?.

In meinem letzten Blogbeitrag hatte ich Fotos mit dieser Filterkombination gezeigt und erwähnt, daß aus einem linearen Polarisationsfilter ein zirkulares wird, wenn man es mit einem λ/4-Plättchen kombiniert. Um zu beschreiben, was da passiert, müssen wir uns das Phänomen der Polarisation etwas näher anschauen. Da mein Blog von einer sehr breiten Leserschaft gelesen wird, möchte ich auch einige Begriffe erläutern, die physikalisch bewanderten Lesers natürlich vertraut sind, manchem Leser aber nicht so sehr. Das Thema teile ich wegen des Umfangs in 2 Blogbeiträge auf.

Was Licht genau ist, kann niemand erschöpfend beantworten. Das ist schon einmal tröstlich. Lange hatte man sich Licht als Strahlen vorgestellt. Für die Berechnung von Linsen war und ist dieses Modell sehr dienlich. Manche physikalischen Eigenschaften des Lichts konnten aber nicht mit dem Strahlenmodell erklärt werden. Dazu gehörte die Polarisation. Die Physiker ersannen daher ein anderes Modell für Licht, das Wellenmodell. Damit ließ sich auch die Polarisation gut beschreiben.

Stellen wir uns vor, wir hätten einen Lattenzaun mit horizontal angeordneten Latten mit Zwischenräumen. Durch einen der Zwischenräume spannen wir ein Seil, das wir an einer Wand hinter dem Lattenzaun befestigen. Das andere Ende regen wir an, indem wir es relativ schnell horizontal bewegen. Es entsteht eine horizontal schwingende Welle, die ungehindert den Lattenzaun passieren kann. Würden wir versuchen, das Seil vertikal zum Schwingen zu bringen, könnten die erzeugten Wellen den Zaun nicht passieren. Drehen wir den Lattenzaun aber um 90º, können nun die vertikal schwingenden Seilwellen den Zaun passieren.

Hier eine Skizze dazu:

Lichtwellen, wie sie z.B. von der Sonne kommen, führen sinusförmige Schwingen in alle möglichen Richtungen aus. Die in der Skizze dargestellten senkrechten und horizontalen Schwingungen sind also nur ein Ausschnitt aus dem gesamten Schwingungsspektrum. Filtert man aus den vielen Schwingungsebenen des natürlichen Lichts eine Schwingungsebene heraus, so spricht man von Polarisation. Die dazu verwendeten Filter nennen wir lineare Polarisationsfilter. Die Schwingungen der Wellen verlaufen rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung. Solche Wellen werden Transversal-Wellen genannt.

Soweit so gut. Was passiert aber, wenn man zwei Polarisationsfilter übereinander legt? Besitzen beide Filter die gleiche Orientierung, besitzen also die Latten unserer Lattenzäune beide die genau gleiche Orientierung, so können wir erwarten, daß das in ersten Filter polarisierte Licht mit maximaler Intensität das zweite Polarisationsfilter passiert. Drehen wir eines der Filter um 90 ° so „kreuzen sich die Latten“ und sperren das Licht vollständig, die Intensität ist dann Null. Aber was passiert dazwischen?

Hierzu habe ich den folgenden Versuch durchgeführt: Auf ein Smartphone habe ich das Bild eines Winkelmessers geladen. Darüber habe ich eine Polarisationsfilterfolie gelegt, um polarisiertes Licht einer bestimmten Ebene zu erzeugen. (Prinzipiell ist das eigentlich nicht notwendig, denn das von einem Smartphone abgestrahlte Licht ist bereits polarisiert. Es hatte aber nicht die Schwingungsebene die ich wollte. Daher also die Polarisationsfilterfolie). Über die Folie habe ich ein zweites Polarisationsfilter in Form eines zurecht geschnittenen Zeigers gelegt.

Und so sieht das Ganze im Ausschnitt aus: Der Zeiger steht auf 0º, beide Polarisationsfolien besitzen die gleiche Orientierung. Wir haben die maximale Intensität des passierenden Lichts. (Die leichte Abdunklung ist auf Absorptionsvorgänge der Folien zurückzuführen).

Winkel 0 Grad. Beide Polarisationsfilter besitzen die gleiche Orientierung. Maximale Intensität.

Im Weiteren habe ich den Zeiger um jeweils ca. 10º gedreht, man beachte die Veränderung der Intensität:

Intensität des Lichts bei ca. 10 Grad Drehung.

Intensität des Lichts bei ca. 20 Grad Verschiebung.

Intensität des Lichts bei ca. 20 Grad Drehung.

Intensität des Lichts bei ca. 30 Grad Drehung.

Intensität des Lichts bei ca. 40 Grad Drehung.

Intensität des Lichts bei ca. 50 Grad Drehung.

Intensität des Lichts bei ca. 60 Grad Drehung.

Intensität des Lichts bei ca. 70 Grad Drehung.

Intensität des Lichts bei ca. 80 Grad Drehung.

Intensität des Lichts bei ca. 90 Grad Drehung.

Im letzten Bild sind die Filter genau gekreuzt, kein Licht geht mehr hindurch, die Intensität ist Null. Welche Erkenntnisse kann man aus dem Experiment ziehen?

Bei der Betrachtung der Aufnahmen fällt auf, daß die Abnahme der Intensität nicht linear verläuft. Es geht langsam los und steigert sich dann sehr schnell. Und offensichtlich ist, daß der Winkel um den man eine Folie dreht, dabei von ausschlaggebender Bedeutung ist.

Bei einer sinusförmig schwingenden Licht-Welle ist die Amplitude, also die maximale Auslenkung, ein Maß für die Intensität des Lichts.

Sinusförmig schwingende Lichtwelle.

I = (Amplitude)² (1)

Man muss die Amplitude ins Quadrat setzen, da ihr Maximum sowohl positiv also auch negativ sein kann, wie die Grafik zeigt. Das Quadrat ist aber immer positiv. Der Amplitude kann der Zahlenwert der Auslenkung zugeordnet werden. Sie besitzt aber auch eine Richtung, das ist der Ebenenwinkel, in der die Welle schwingt. Damit ist die Amplitude einer Welle ein Vektor.

Ein kleiner Einschub: Es gibt im Wesentlichen zwei Arten physikalischer Größen, Skalare und Vektoren. Beispiel für eine skalare physikalische Größe: Der Temperatur in einem Raum, sagen wir 20º C kann man keine Richtung zuordnen. Die Richtung spielt für eine Temperaturangabe keine Rolle. Daher ist die Temperatur eine skalare Größe, die auf der Temperaturskala liegt. Beispiel für eine vektorielle physikalische Größe: Um einen Handwagen in eine bestimmte Richtung zu ziehen, benötigen wir eine Kraft. Diese Kraft hat einen bestimmten Betrag. Dazu gehört aber auch eine Richtung. Üben wir die Kraft in eine falsche Richtung aus, kommen wir nicht ans Ziel. Daher setzt sich die Kraft die auf den Wagen ausgeübt wird aus einem Betrag und einer Richtung zusammen. Solche Größen werden Vektoren genannt. Vektoren werden grafisch durch einen Pfeil dargestellt. Die Länge gibt den Betrag der physikalischen Größe an, der Winkel die Richtung der wirkenden Größe.

Der Vektor der Amplitude ist im Folgenden durch einen roten Pfeil dargestellt. Dabei repräsentiert die Länge des Pfeils den Betrag der Intensität, sein Winkel gibt die Ebene an, in der die Lichtwelle schwingt. Beträgt der Winkel zwischen beiden Polarisationsfiltern 0º, so haben wir die maximale Durchlässigkeit Imax. In einem Koordinatensystem sieht das dann so aus:

Maximale Durchlässigkeit, Winkel 0 Grad.

Maximale Durchlässigkeit, Winkel 0º.

Verdrehen wir das Filter um 90º, wird der Lichtdurchgang vollständig gesperrt.

Vollständige Sperrung, Winkel 90º

Die Projektion des Amplituden-Vektors auf die senkrechte Achse ergibt die durchlässigen Anteile. Die Projektion auf die horizontale Achse ergibt die undurchlässigen Anteile.

Durchlässige- und undurchlässige Anteile ergeben sich aus der Projektion des Vektors auf die Koordinatenachsen.

Durchlässige- und undurchlässige Anteile ergeben sich aus der Projektion des Amplituden-Vektors auf die Koordinatenachsen.

Bei einem Winkel von 90º ist die Durchlässigkeit I = 0. Auch cos 90º ist 0. Bei einem Winkel von 0º ist die Durchlässigkeit I = Imax. und cos 0º ist 1. Wir können daher annehmen, daß der Zusammenhang zwischen Winkel und Durchlässigkeit durch die Cosinus-Funktion korrekt beschrieben wird. Gleichung (1) können wir dann folgendermaßen schreiben:

I = Imax · cos² ∝ (2)

Die mathematische Gleichung deckt sich mit unserer Beobachtung. Bei kleinen Winkeln passiert zunächst noch nicht viel, aber ab dann geht es sehr schnell mit der Abnahme der Licht-Intensität, es ist eine quadratische Abnahme.

Im zweiten Teil kommen wir dann zu unserem λ/4-Plättchen und zum Zirkularpolarisationsfilter.

Vorher aber noch einige Mikrofotos von Brenzcatechin. Dazu wurden einige Kristalle auf einem Objektträger im Methylethylketon gelöst. Nach wenigen Minuten setzt die Kristallisation ein. Vorsicht beim Umgang mit Brenzcatechin. Der Stoff ist giftig und die Kristalle verdampfen recht schnell! Also nie offen stehen lassen! Nur mit kleinen Mengen arbeiten.

Brenzcatechin im polarisierten Licht, ohne Lambda-Plättchen

Brenzcatechin im polarisierten Licht ohne λ/4-Plättchen.

Brenzcatechin im polarisierten Licht, mit Lambda/4-Plättch

Brenzcatechin im polarisierten Licht mit λ/4-Plättchen.

Brenzcatechin im polarisierten Licht ohne λ/4-Plättchen.

Brenzcatechin im polarisierten Licht mit λ/4-Plättchen.

Auch die folgenden Aufnahmen sind Brenzcatechin. Das interessante daran ist, sie stammen, zusammen mit den oberen Aufnahmen, von einem einzigen Objektträger. Ich möchte damit zeigen, wie vielfältig die Motive von Mikrokristallen sein können.

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Brenzcatechin im polarisierten Licht ohne λ/4-Plättchen.

Brenzcatechin im polarisierten Licht mit λ/4-Plättchen.

Brenzcatechin im polarisierten Licht ohne λ/4-Plättchen.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Im nächsten Blogbeitrag folgt der zweite Teil mit der Besprechung des λ/4-Plättchens und des Zirkularpolarisationsfilters.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

p.s.

Wer Freude an schönen Bildern von Mikrokristallen hat, sie aber nicht selber fotografieren will, dem empfehle ich meinen neuen Kalender für 2017, der seit dem ersten Juni im Handel ist.

Titel: Surreale Farbwelten-Mikrokristalle

Autor: Dieter Schenckenberg

Hier die ISBN-Nummern:
Wandkalender 2017 DIN A4 quer ISBN 978-3-664-84126-4

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Mikrofotos im polarisierten Licht mit zusätzlicher Verzögerungsplatte.

Veröffentlicht am 20. Juli 2016 von H-D-S

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

ich hatte es angekündigt, und hier kommt sie, die λ/4-Verzögerungsplatte.

Sie bewirkt manchmal wahre Farbwunder, wie die später gezeigten Aufnahmen dokumentieren werden.

Für Mikrofotos im polarisierten Licht verwenden wir normalerweise 2 lineare Polarisationsfilter, den Polarisator und den Analysator. Dazwischen befinden sich unsere Mikrokristalle. Was dabei physikalisch passiert, habe ich in früheren Blogbeiträgen ausführlich beschrieben. Wie gesagt, normalerweise werden lineare Polarisationsfilter verwendet. Daneben gibt es zirkulare Polarisationsfilter. Diese werden meist beim Fotografieren eingesetzt. Auch hochwertige Sonnenbrillen verwenden manchmal Zirkularpolarisationsfilter. Was ist nun aber der Unterschied zwischen den beiden Filtertypen? In meinem nächsten Blogbeitrag werde ich das ausführlich darstellen, heute nur soviel: Bei linearen Polarisationsfiltern bewegen sich die Wellen des polarisierten Lichts geradlinig. Bei Zirkularpolarisationsfiltern führen sie eine schraubenförmige Bewegung aus.

Was hat das Ganze nun aber mit einer λ/4-Verzögerungsplatte zu tun? Kombiniert man ein lineares Polarisationsfilter mit einer λ/4-Verzögerungsplatte, so erhält man ein Zirkularpolarisationsfilter. Die Verzögerungsplatte wandelt also ein lineares Polarisationsfilter in ein zirkulares Polarisationsfilter um. Beide Elemente sind fest miteinander verbunden. Bei den im Folgenden gezeigten Mikrofotos wurde eine λ/4-Verzögerungsplatte auf das lineare Polarisationsfilter über der Beleuchtung gelegt, und um verschiedene Beträge gedreht. Ein Zirkularpolarisationsfilter ersetzt also nicht die bewegliche Kombination aus Verzögerungsplatte und linearem Polarisationsfilter. Was kann man mit dieser Filterkombination anstellen?

Gelegentlich zeigen Mikrokristalle im linear polarisierten Licht nicht die erhofften tollen Farben. Dann kann eine Verzögerungsplatte helfen. Hier zwei Beispiele mit Mikrokristallen von Brenzcatechin:

Brenzcatechin im liear polarisierten Licht.

Brenzcatechin im linear polarisierten Licht.

Brenzcatechin im polarisierten Licht, zusätzlich mit Lamda/4-Plättchen.

Brenzcatechin im polarisierten Licht, zusätzlich mit λ/4-Plättchen.

Brenzcatechin im linear polarisierten Licht.

Brenzcatechin im polarisierten Licht, zusätzlich mit Lambda/4-Plättchen.

Brenzcatechin im polarisierten Licht, zusätzlich mit λ/4-Plättchen.

Um diese Effekte zu erzielen, muß man über dem Polarisator das λ/4-Filter anordnen und beide Filter gegeneinander verdrehen. Je nach Drehwinkel erhält man unterschiedliche Farbwirkungen. Verzögerungsplatten gibt es im Handel als Folien. 5×5 cm kosten ca. 15-20 Euro. Hochwertige Verzögerungsplatten, z.B. aus Quarz kosten ca. 400 Euro. Für unsere Zwecke sind Folien völlig ausreichend.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. In meinem nächsten Blogbeitrag beschreibe ich die physikalischen Hintergründe von linear und zirkular polarisiertem Licht etwas genauer und es gibt weitere Fotos von Brenzcatechin, das älteren Lesern dieses Blogs wohl noch als Fotoentwickler in guter Erinnerung ist.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

p.s.

Wer Freude an schönen Bildern von Mikrokristallen hat, sie aber nicht selber fotografieren will, dem empfehle ich meinen neuen Kalender für 2017, der seit dem ersten Juni im Handel ist.

Titel: Surreale Farbwelten-Mikrokristalle

Autor: Dieter Schenckenberg

Hier die ISBN-Nummern:
Wandkalender 2017 DIN A4 quer ISBN 978-3-664-84126-4

Wandkalender 2017 DIN A3 quer ISBN 978-3-664-84127-1

Wandkalender 2017 DIN A2 quer ISBN 978-3-664-84128-8

Den Kalender gibt es bei

http://www.amazon.de

http://www.amazon.co.uk

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http://www.ebook.de

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Mikrokristalle fotografieren mit dem Smartphone.

Veröffentlicht am 26. April 2016 von H-D-S

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

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

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).

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.

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

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

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 aufgenommen mit Samsung Galaxy S5 und Meopta Feldmikroskop.

Paracetamol aufgenommen mit Samsung Galaxy S5 und Meopta Feldmikroskop.

Paracetamol aufgenommen mit Samsung Galaxy S5 und Meopta Feldmikroskop.

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

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

JPEG oder RAW das ist hier die Frage.

Veröffentlicht am 9. April 2016 von H-D-S

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:

Der Speicherbedarf von RAW-Dateien ist erheblich größer als der von JPEG-Dateien.
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

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

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.

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

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

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).

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

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.

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

HDRI-Technik angewandt auf Fotos von Mikrokristallen III.

Veröffentlicht am 25. Januar 2016 von H-D-S

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

das Thema HDR (High Dynamic Range) möchte ich abschließen mit einer Simulation des Tone Mapping-Verfahrens. Wir erinnern uns: Beim Tone Mapping wird der Kontrastumfang eines Hochkontrastbildes (Farbtiefe 16-32 Bit) soweit verringert, daß es auf herkömmlichen Ausgabegeräten (Bildschirmen oder Druckern) dargestellt werden kann (Farbtiefe 8 Bit). Was bedeutet eigentlich Farbtiefe von 8 oder 16 Bit?

Um das zu verstehen, machen wir einen kleinen Ausflug in die Arbeitsweise der Computerspeicher. Stellen wir uns einen Computerspeicher vor, wie ein kariertes Blatt Papier. Jedes Karo ist ein Bit, das kleinste ansprechbare Speicherelement. Bits kennen keine Farben. Sie kennen nur zwei Zustände, ausgedrückt in den Zahlen „0“ und „1“. Wir können in ein Karo also entweder eine „0“ schreiben, oder eine „1“. Mehr geht nicht. Farben müssen also irgendwie in Kombinationen dieser 2 Ziffern dargestellt werden.

Digitale Bilder sind aus drei Grundfarben aufgebaut: Rot, Grün und Blau. Für jede dieser drei Grundfarben reservieren wir auf unserem karierten Blatt separate Speicherplätze, die wir Farbkanäle nennen. Es gibt also einen roten (R), einen grünen (G), und einen blauen (B) Farbkanal. Nehmen wir einmal an, wir reservieren für jeden Farbkanal genau je einen Speicherplatz, den wir mit einer „0“ oder einer „1“ belegen können. Schreiben wir z.B. in den roten Farbkanal eine „0“ so bedeutet das, er enthält keine Farbe. Schreiben wir eine „1“ hinein, enthält er die Farbe Rot. Analog können wir mit den beiden anderen Farbkanälen verfahren. Es ergeben sich dann daraus, mathematisch ausgedrückt, ( 2 ^ 1 )^ 3 = 8 mögliche Farbkombinationen, wie im folgenden Bild dargestellt:

Darstellbare Farben bei 1 Bit Farbtiefe.

Stellen wir pro Farbkanal nur einen Speicherplatz zur Verfügung, so sprechen wir von einer Farbtiefe von einem Bit.

Erhöhen wir gedanklich die Farbtiefe auf 2 Bit. Dann stehen jedem Farbkanal 2 Speicherplätze zur Verfügung, die mit „0“ oder „1“ belegt werden können. Das bedeutet, daß wir jetzt die Farben in (2^2) = 4 unterschiedlichen Intensitäten darstellen könnten.

R G B

0 0 0 0 0 0

0 1 0 1 0 1

1 0 1 0 1 0

1 1 1 1 1 1

Kombiniert man die Farbabstufungen der Einzelfarben miteinander, ergeben sich (2^2)^3 = 64 verschiedene Farbkombinationen.

Der sRGB-Farbraum arbeitet mit einer Farbtiefe von 8 Bit pro Farbkanal. Somit ergeben sich pro Farbkanal 2^8 = 256 Farbabstufungen. Die 3 Kanäle wiederum miteinander kombiniert ergeben (2^8)^3 = 16.777.216 also rund 17 Millionen Farben. Und für einen 16-Bit-Farbraum kommen wir auf (2^16)^3 = 281.474.976.710.656, also rund 281 Billionen mögliche Farben. Gute Bildschirme im Amateurbereich können den sRGB-Farbraum zu 100% abdecken. Nur für den professionellen Gebrauch decken Bildschirme den vollen RGB-Farbraum ab.

Kehren wir von unserem kleinen Ausflug zurück zu unserem Ziel, das Tone Mapping zu simulieren. Wer Photoshop Elements besitzt, im vorliegenden Beispiel wurde Photoshop Elements 14 benutzt, kann diese Simulation durchführen. Es wird hierbei der Kontrastumfang des Bildes kontrolliert reduziert.

Photoshop Elements besitzt ein Camera-RAW-Plugin, mit dem man auch Bilder im JPG-Format öffnen kann. Durch Verschieben der Schwarz-, Weiss-, Tiefen-, Lichter- und Klarheit- Regler kann man ein Tone Mapping simulieren und erreicht durchaus beachtliche Ergebnisse.

Ich möchte mich nicht mit fremden Federn schmücken, diese Technik habe ich dem sehr lesenswerten Buch „Photoshop Elements 14“ von Jürgen Wolf entnommen. Legen wir also los:

Als Ausgangsbild habe ich wieder das gleiche Mikrofoto von Cumarin verwendet wie in den beiden vorausgegangenen Blog-Beiträgen. Die dunklen Bereiche sind hier viel dunkel.

Mikroaufnahme von Cumarin im polarisierten Licht.

In Camera-Raw das Bild öffnen:

Öffnen einer JPG-Aufnahme in Camera RAW

Mikroaufnahme von Cumarin in Camera RAW.

Originalstellung der Regler.

Jetzt die Regler rechts im Bild folgendermaßen verstellen:

Schwarz ganz nach rechts auf +100

Weiß ganz nach links auf -100

Tiefen ganz nach rechts auf +100

Lichter ganz nach links auf -100

Klarheit ganz nach rechts auf +100

Simuliertes Tone Mapping.

Und hier die durch simuliertes Tone Mapping generierte Aufnahme:

Durch simuliertes ToneMapping (Dynamikkompression) verbesserte Mikroaufnahme von Cumarin.

Die Aufnahme hat doch gewaltig gewonnen.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Im nächsten Blogbeitag zeige ich Euch, wie man schöne Mikrokristalle von Cumarin, einem Stoff, der u.a. im Zimt enthalten ist, erzeugen kann.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

HDRI-Technik angewandt auf Fotos von Mikrokristallen II.

Veröffentlicht am 4. Januar 2016 von H-D-S

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle.

In meinem letzten Blogbeitrag wurde mit Hilfe von Photoshop Elements aus drei unterschiedlich belichteten Mikroaufnahmen ein Bild manuell erzeugt, das in allen Teilen korrekt belichtet war. Der hohe Kontrastumfang des Motivs konnte mit einer Aufnahme allein nicht befriedigend bewältigt werden. Daher kam die DRI-Technik zum Einsatz.

Wir haben dabei mit Ebenen gearbeitet. Wer sich mit Ebenen nicht so gut auskennt, braucht nicht zu verzweifeln. In Photoshop Elements kann man DRI (Dynamic Range Increase) auch ohne Kenntnis der Ebenen-Technik anwenden. Zur Erinnerung: DRI läuft im 8-Bit-Farbraum ab, ist also kein echtes HDRI (High Dynamic Imaging), dessen Ergebnisse aber ohnehin auf normalen Bildschirmen gar nicht dargestellt werden können.

Also, frisch ans Werk, wir verwenden die gleichen drei unterschiedlich belichteten Mikrofotos vom Cumarin, wie im letzten Beitrag. Wir öffnen Photoshop Elements und lesen die 3 Aufnahmen ein.

Die drei unterschiedlich belichteten Aufnahmen, in Photoshop Elements geöffnet.

Jetzt wechseln wir in den ASSISTENT-Modus:

Wechsel in den ASSISTENT-Modus.

Jetzt oben PHOTOMERGE anklicken:

PHOTOMERGE anklicken.

In das Bild PHOTOMERGE-EXPOSURE klicken:

Klicken auf „ALLE ÖFFNEN“

Jetzt werden die geöffneten drei Bilder verarbeitet und zusammengeführt:

Verarbeitung der 3 Aufnahmen.

Rechts sind noch einige Schieber um eventuell den letzten Schliff zu geben. Und hier ist dann das Endergebnis:

Cumarin DRI-Aufnahme aus drei unterschiedlichen Belichtungen zusammengesetzt. Bearbeitung mit Photoshop Elements

Hier nochmal zum Vergleich: Eine der 3 Aufnahmen, mit der von der Kamera vorgeschlagenen Belichtung, ohne weitere Bearbeitung.

Cumarin
Belichtungszeit 1/6s

Ich hatte es schon erwähnt, es gibt ein Programm „Photomatix Pro“, das echte HDRI-Technik anwendet. Wiederum mit den 3 unterschiedlich belichteten Cumarin-Aufnahmen, zeige ich ein paar Beispiele, die mit diesem Programm erzeugt wurden. Die 3 Aufnahmen wurden im RAW-Format in das Programm eingelesen. Man kann mit Photomatix Pro Aufnahmen auch sehr verfremden. Ich persönlich wende das Programm zwar gerne, aber sehr maßvoll an. Beim Arbeiten mit solchen Programmen ist es mein Ziel, den Eindruck, den ich beim Betrachten durch das Mikroskop habe im fertigen Bild möglichst getreu wiederzugeben. Man kann natürlich auch einen ganz anderen Ansatz vertreten, vielleicht wenn man künstlerische Ambitionen besitzt. Hier also ein paar Beispiele, immer mit den gleichen Ausgangsbildern, mit Photomatix Pro bearbeitet:

Cumarin HDRI-Aufnahme aus drei unterschiedlichen Belichtungen zusammengesetzt. Bearbeitung mit Photomatix Pro.

Cumarin HDRI-Aufnahme aus drei unterschiedlichen Belichtungen zusammengesetzt. Bearbeitung mit Photomatix Pro

Cumarin HDRI-Aufnahme aus drei unterschiedlichen Belichtungen zusammengesetzt. Bearbeitung mit Photomatix Pro

Die letzten 3 Aufnahmen sind echte HDRI-Bilder, die aber wie im vorigen Blogbeitrag beschrieben, wieder auf eine Farbtiefe von 8-Bit pro Farbkanal heruntergerechnet wurden, da mehr auf normalen Bildschirmen nicht darstellbar ist.

Soviel für heute liebe Freunde der Mikrokristalle.

Im nächsten Blogbeitrag zeige ich, wie man mit Photoshop Elements große Kontrastumfänge von Aufnahmen im RAW-Format durch Simulation von HDRI kontrolliert reduzieren kann.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

HDRI-Technik angewandt auf Fotos von Mikrokristallen I.

Veröffentlicht am 26. Dezember 2015 von H-D-S

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle.

High Dynamic Range Imaging ist heute unser Thema. Da es sehr umfangreich ist, möchte ich es in zwei Blogbeiträge unterteilen.

Wer kennt es nicht, ein Motiv besitzt einen Kontrastumfang, der die Möglichkeiten des Kamera-Sensors übersteigt. Belichtet man korrekt auf die hellsten Bereiche versinken die dunklen ins Schwarze und belichtet man korrekt auf die dunklen Bereiche sieht man die hellen Bereiche als weiße Flächen ohne jegliche Zeichnung. Diese Erfahrung macht man manchmal auch beim Fotografieren von Mikrokristallen im polarisierten Licht. Was kann man tun?

Die HDRI-Technik liefert die Lösung. Sie erzeugt Hochkontrastbilder, die große Helligkeitsunterschiede detailreich wiedergeben. Dafür werden allerdings Spezialkameras benötigt. Man kann aber auch über Belichtungsreihen mit herkömmlichen Kameras den Dynamikumfang erweitern.

Echte HDR-Aufnahmen besitzen eine Farbtiefe von 16 oder 32 Bit pro Farbkanal. Normale Bildschirme können einen so großen Kontrastumfang gar nicht darstellen. Sie schaffen gerade mal 8 Bit pro Farbkanal. Es können auch nicht alle Formate genutzt werden. JPG zum Beispiel arbeitet nur mit 8 Bit pro Farbkanal. Daher werden Hochkontrastbilder in einem zweiten Schritt wieder auf 8 Bit pro Farbkanal heruntergerechnet. Dieses Verfahren wird Tone Mapping oder Dynamikkompression genannt. Das erscheint vielleicht etwas verwirrend. Erst erzeugt man Bilder mit einem hohen Dynamikumfang und dann reduziert man ihn wieder. Aber die Dynamikkompression wird so durchgeführt, daß alle bildwichtigen, korrekt belichteten Bereiche erhalten bleiben. Es werden allerdings Helligkeitswerte und Farben dabei oft so verändert, daß eine Nachbearbeitung erforderlich ist.

Der HDRI-Prozess besteht somit aus 3 Schritten, der Erzeugung eines Hochkontrastbildes, dem Tone Mapping und der Nachbearbeitung. Diesen relativ aufwendigen Gesamtprozess beherrschen nicht alle Bildbearbeitungsprogramme. HDRI wird von Photoshop ab CS2 unterstützt, im Gegensatz zu Photoshop Elements das diesen Prozess, auch in neuster Version, nicht kennt. Es gibt Spezialprogramme wie Photomatix Pro mit denen man HDR-Bilder erzeugen kann, die dann von dem Programm durch Tone Mapping wieder heruntergerechnet werden und falls erforderlich, kann man sie mit Photomatix Pro noch nachbearbeiten.

Ein anderes Verfahren, DRI (Dynamic Range Increase) genannt, liefert ähnliche Resultate wie HDRI. Dynamic Range Increase kann mit jedem Bildbearbeitungsprogramm durchgeführt werden, das mit Ebenen arbeitet und einen Zauberstab besitzt, also auch mit Photoshop Elements.

DRI arbeitet mit 8 Bit pro Farbkanal. Daher ist kein anschließendes Tone Mapping erforderlich. Ich möchte versuchen, das Prinzip einigermaßen verständlich zu beschreiben, damit man es mit jedem Bildbearbeitungsprogramm durchführen kann. Anschließend folgt ein konkretes Beispiel mit Photoshop Elements.

Zunächst die grundlegende Vorgehensweise: Man nimmt 3-5 Mikrofotos mit unterschiedlichen Belichtungen auf. Dabei sollten 1-2 Zeitstufen zwischen den einzelnen Aufnahmen liegen. Der Vorteil bei mikroskopischen Bildserien von Kristallen ist, daß sie deckungsgleich sind und normalerweise keine Bewegung zwischen den Aufnahmen stattgefunden hat. Die Aufnahmen können im JPG-Format aufgenommen sein. Nehmen wir an, es liegen 3 Aufnahmen vor.

Man liest sie in das Bildbearbeitungsprogramm ein. Es muß, wie gesagt, die Ebenentechnik unterstützen. Jetzt legt man jedes Bild in eine Ebene. Das dunkelste nach ganz unter, das nächst hellere darüber, das hellste nach oben. Jetzt wird die oberste Bildebene aktiviert. Darin werden die überbelichteten Bereiche mit dem Zauberstab eingegrenzt. Dabei den Zauberstab so einstellen, daß nur diese Bereiche erfaßt werden. Man löscht den markierten Bereich, und der in der 2.Ebene genau darunter liegende Bereich wird sichtbar und ersetzt den gelöschten Bereich. Jetzt aktiviert man die 2. Ebene und kreist mit dem Zauberstab, falls notwendig, weitere zu helle Bereiche ein, dabei muß die Intensität des Zauberstabs verringert werden. Nach Löschen dieser Bereiche werden die darunterliegenden korrekt belichteten Bildteile sichtbar und ersetzen wiederum die gelöschten Bereiche. Jetzt haben wir eine in allen Teilen korrekt belichtete Aufnahme und wir führen die neu eingefügten Bildteile mit der oberen Ebene zusammen und speichern sie ab.

Hier gleich ein praktisches Beispiel, ausgeführt mit Photoshop Elements. Vom Cumarin wurden 3 Aufnahmen unter dem Mikroskop im polarisierten Licht aufgenommen.

Cumarin
Belichtungszeit 1/1.6s

Einige Bereiche dieser Aufnahme sind komplett überbelichtet.

Cumarin
Belichtungszeit 1/6s

Diese Aufnahme wurde mit der von der Kamera vorgeschlagenen Belichtung aufgenommen. Die dunklen Bereiche sind viel zu dunkel, einige kleine Bereiche im helle Teil sind noch zu hell.

Cumarin
Belichtungszeit 1/25s

Hier sind auch die hellsten Teile korrekt belichtet, die dunklen Teile sind fast nicht mehr sichtbar.

So, und nun gehen wir in Photoshop Elements, stellvertretend für jedes beliebige Bildbearbeitungsprogramm.

Zunächst laden wir die drei Aufnahmen:

Mit [Fenster], [Bilder],[Nebeneinander], werden die Bilder nebeneinander gestellt.

Wir sehen ganz rechts, blau unterlegt, die Hintergrundebene. Wichtig, dieses muß die dunkelste Aufnahme sei. darüber legen wir jetzt die mittlere Ebene, also das zweitdunkelste Bild. Es ist unten links. Dazu verwenden wir das Verschiebewerkzeug. Wir halten die Steuerungstaste gedrückt, klicken mit dem Verschiebewerkzeug in das untere linke Bild und ziehen es auf das Hintergrundbild. Rechts sehen wir jetzt, daß die neue Ebene 1 entstanden ist.

Jetzt gehen wir mit dem Verschiebewerkzeug in das linke obere Bild, es ist das hellste, und schieben es ebenfalls unter Drücken der Steuerungstaste über das rechte Bild. Rechts sehen wir jetzt, daß die Ebene 2 entstanden ist.

Es liegen jetzt 3 Ebenen übereinander. Das dunkelste Bild mit der Belichtung 1/25s ist die Hintergrundebene. Darüber, Ebene 1 das Bild mit der Belichtung 1/6s und ganz oben, Ebene 2 das hellste Bild 1/1.6s.

Die beide linken Bilder können wir jetzt entfernen durch klicken auf das kleine Kreuz, rechts oberhalb der Bilder. Dann sieht unser Bildschirm so aus:

Aus dem jetzt oben liegenden Bild (Ebene 2) werden die überbelichtete Bereiche mit Hilfe des Zauberstabs entfernt. Man stellt seine Intensität so ein, daß nur die hellen Bereiche isoliert werden. In diesem Fall wurde ein Wert von 60 gewählt. Man markiert die überbelichteten Bereiche, indem man mit dem Zauberstab in den hellsten Teil klicken. Dann [Ebene], [Ebenenmaske], [Alles Ausblenden] drücken um den markierten Bereich zu löschen.

Jetzt erscheint an Stelle des mit dem Zauberstab herausgeschnittenen Bereichs der genau darunter liegende aus der Ebene 1.

Jetzt, ganz wichtig, die mittlere Ebene 1, rechts im Fenster anklicken um sie zu aktivieren. Die Farbe wechselt von weiß nach blau. Mit dem Zauberstab den noch zu hellen Bereich anklicken. Die Intensität des Zauberstabs muß dabei verringert werden. In diesem Beispiel habe ich 15 gewählt. Wenn wir den isolierten Bereich, wie gerade beschrieben entfernen, wird der darunter liegende aus der Hintergrundebene sichtbar. Man sieht, das die fast weißen Anteile jetzt gelb geworden sind.

Mit [Ebene] [Sichtbar auf eine Ebene reduzieren] fügen wir alle zu einer Ebene zusammen und haben jetzt das fertige Bild.

Wir sehen jetzt rechts, daß nach dem Zusammenführen nur noch eine Ebene vorhanden ist, die wir jetzt als Bild abspeichern können.

Und hier die bearbeitete Aufnahme.

Sie entspricht weitgehend dem Bild, daß man im Mikroskop sehen kann. Die Bezeichnung DRI (Dynamic Range Increase) ist etwas irreführend. Der Dynamikbereich der Aufnahme wurde ja nicht wirklich erhöht. Er beträgt weiterhin 8 Bit pro Farbkanal. Das hier beschriebene Verfahren kann man, wie schon erwähnt, mit jedem Bildbearbeitungsprogramm durchführen. Dabei können die einzelnen Schritte anders aussehen, das Prinzip ist aber immer gleich. Man kann das Verfahren in Photoshop Elements und in anderen Programmen auch automatisch ablaufen lassen. Dann hat man aber nicht die Kontrolle, die man bei der manuellen Bearbeitung hat. Das untere Photo ist ein „echtes“ HDR-Photo. Es wurde mit Photomatix Pro bearbeitet. Es wurden die gleichen Ausgangsfotos verwendet, allerdings im RAW-Format.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Mit der Vorstellung von Photmatix Pro, werde ich das Thema HDRI im nächsten Blogbeirag fortsetzen.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.
H-D-S