Lichtfeld-Kameras für Mineralienfotografie

[joy]

Ich habe vor kurzem ein wenig nach plenoptischen Kameras recherchiert, bei denen salopp gesagt die Sensorauflösung für eine höhere Tiefenschärfe genutzt werden kann. Diese sind ja für Stacking sehr interessant. Nach Auskunft von H. Wietzke (raytrix GmbH) ist bei gleicher Blende die Tiefenschärfe 6x so hoch. Ein paar interessante Produkte gibt es bereits auf der HP von raytrix https://www.raytrix.de/produkte/  (R10 micro series und R12 micro series). Bei 100 Stacks ergeben sich also 16 Aufnahmen. Aus dem Bauch heraus würde ich sagen, dass sich damit auch noch höhere Vergrößerungen realisieren lassen. Das Problem ist ja oft, dass die mechanische Verschiebung nicht mehr präzise genug ist (mechanische Auflösung) und die Tiefenschärfe quadratisch abnimmt mit der Vergrößerung. Die Kohärenz zwischen den einzelnen Bilder ist also bei hohen Vergrößerungen und fester Schrittweite zwischen den Aufnahmen größer.

Ich werde bald eine Demo haben und berichte dann noch einmal. Preise sind 5 stellig, verglichen mit Alternativen von Mitbewerbern (Keyence, etc) aber fair.

[Josef 84,55]

Hallo Joy,
hört sich Interessent an. Ich bin mir nicht sicher, ob sich damit eine höhere Auflösung bei gleichem Objektiv erzielen lässt? Die Beugungserscheinungen dürften bei dieser Technologie doch die gleichen sein?
Ein Vorteil könnte aber der wahrscheinlich natürlichere Unschärfeverlauf sein. Bei hochauflösenden Objektiven ist es nicht selten, das die Bildern künstlich wirkenden, weil die Kristalle abrupt Unscharf werden.
Ich freue mich auf Deinen Bericht und bin gespannt auf die Ergebnisse.
Grüße Josef

[joy]

Hallo Josef,

Natürlich ist die Grenze der optischen Auflösung unbeeinflusst von dieser tiefentechnologie.
Das Problem ist aber sei hohen Vergrößerungen vernünftige kohärente Aufnahmen zu bekommen. Hier limitiert nämlich meistens die z Auflösung der Mechanik. Das ist ein ganz kritischer Parameter. Das betrifft fast ausschließlich Bildbreiten von weniger als 1000um.

[Josef 84,55]

Hallo Joy,
ich weiß, die mechanische Auflösung ist natürlich ein Thema, aber es gibt Mechaniken die das leisten können. Ich verwende den Feintrieb eines Zeiss Standart 14 (30 Jahre alt!) mit Schrittmotor und habe selbst mit dem Nikon CF 50x/0.55 ELWD und Schrittweiten von ca. 2um kein großes Problem. Ich denke auch die Tische von Suruga Seiki, Newport, Thorlabs usw. sollten das können, ein durchgehender Feintrieb wie der Zeiss, ist günstiger und vorausgesetzt er passt unter das Hauptstativ eine Alternative zu den Präzisionstischen.
Grüße Josef

[joy]

Wenn ich nicht abblende brauche ich schon beim 20x 2um Schrittweite. Und dummerweise hast du bei einer Verdopplung der Vergrößerung schon ungefähr 4 Fach geringere Tiefenschärfe.
Bei einem 40x bräuchte ich schon 0.5um Schritte. Ich hatte mal ein Instrument das 0,1um auflösen konnte aber das war manuell.
Hinzu kommt hierbei natürlich noch was so ein verschub an lateralem Versatz bedeutet. Der ist jetzt vermutlich auch größer. die Grenze der optischen Auflösung erreiche ich jedenfalls mit 20x objektiv am balgen noch nicht. Wie gesagt ich bleibe bei meinem Statement, dass hier die mechanischen Aspekte und die noch geringere Tiefenschärfe die limitierenden Faktoren sind.

Beides wird durch Lichtfeldsysteme verbessert: Bezogen auf den oberen Gedankengang wäre mit diesem System bei 40x ein verschub um 3um ausreichend bei theoretisch gleicher kohärenz. Oder ich gehe mit nochmehr überlapp der Bilder Ans Werk und stelle mir den Vorschub auf 1-2um. Jetzt sollten die Bilder einen super Tiefenschärfe Verlauf haben und nicht wie du schreibst unnaturürlich wirken.

Nachteil ist die Sensor-Auflösung bei plenoptik, aber Sensorshift wäre hier eine Option.

Kurzer Abstecher hierzu: Ein bekanntes unternehmen nutzt statt plenoptischen linsen ein optisches System mit 2mp Sensor mit blende, also kleiner divergenzwinkel des Lichts, für eine hohe Tiefenschärfe. Der cmos verfügt aber über den Sensor Shift und kann so das durch Blende verringerte auflösungslimit der Optik umgehen. Auf Beugung gehe ich jetzt mal nicht ein. Jeder der Erfahrung mit blenden gemacht hat weiß, wo der treshhold/Optimum liegt.
Ein im Vergleich zu plenoptischen Systemen ähnliches Ergebnis mit dem Unterschied dass eine Limitierung der Optik in Kauf genommen wird, die dank Sensor Shift relativiert wird.

Sorry für die gross klein Schreibung, Habs am Handy getippt

[etalon]

Hallo Joy,

da hätte ich jetzt auch noch ein paar Fragen dazu...

Wenn ich nicht abblende brauche ich schon beim 20x 2um Schrittweite.

Was ist das denn für ein Objektiv mit was für einer NA? Ist in der Angabe schon eine Ebenenüberlappung berücksichtigt?

Und dummerweise hast du bei einer Verdopplung der Vergrößerung schon ungefähr 4 Fach geringere Tiefenschärfe.

Dem würde ich gerne widersprechen wollen. Das sinken der Tiefenschärfe ist kein linearer Prozess und ist stark abhängig von der NA, welche für gewöhnlich langsamer als die Vergrößerung ansteigt.

Bei einem 40x bräuchte ich schon 0.5um Schritte

Auch das bezweifle ich stark. Dann hätten wir eine Tiefenschärfe im Bereich der Wellenlänge des Lichts! Wie soll das funktionieren und was soll dann bei 100x noch kommen?

Ich hatte mal ein Instrument das 0,1um auflösen konnte aber das war manuell.

Auch das bezweifle ich stark! Selbst Piezoelemente sind bei solch einer Auflösung am Limit, geschweige denn eine handbetriebene Mechanik und dann auch noch reproduzierbar. Hast Du alleine mal die Temperaturausdehnungskoeffizienten des Materials berücksichtigt? Da verleiden Dir schon Temperaturschwankungen von einem Grad die Reproduzierbarkeit... 

die Grenze der optischen Auflösung erreiche ich jedenfalls mit 20x objektiv am balgen noch nicht

Das hängt von Deiner Pixelgröße und der NA des Objektivs ab. Die aller meisten Sensoren der gebräuchlichen Kameras schaffen das aber heut zu Tage.

Oder ich gehe mit nochmehr überlapp der Bilder Ans Werk und stelle mir den Vorschub auf 1-2um. Jetzt sollten die Bilder einen super Tiefenschärfe Verlauf haben und nicht wie du schreibst unnaturürlich wirken

Was hat der Tiefenschärfeverlauf mit dem Überlapp der Bilder zu tun? Dieser hängt ausschließlich vom Winkel Deines Lichtkegels bildseitig und der Pixelgröße des Sensors ab (optische Abberationen mal außer acht gelassen). D.h. um so kleiner die Schärfentiefe ist, desto abrupter der Unschärfeverlauf. zwischen 2um und 4um vermag das menschliche Auge keinen großen Unterschied erkennen...

Der cmos verfügt aber über den Sensor Shift und kann so das durch Blende verringerte auflösungslimit der Optik umgehen

Das ist Nobelpreisverdächtig! wie kann der Sensorshift die Physik aushebeln? Das Limit der Optik bleibt bestehen. Ob ich dieses auflösen kann oder nicht, hängt einzig an der Pixelgröße meines Sensors. Sobald ich mit selbigem das Nyquist-Kriterium erfülle, sample ich alle Informationen, welche die Optik physikalisch in der Lage ist aufzulösen. Da in den meisten Fällen die NA einer Objektivreihe nicht so schnell ansteigt wie die Vergrößerung, reichen hin zu hohen Vergrößerungen auch Sensoren mit großen Pixeln, um Nyquist zu erfüllen...

Auf Beugung gehe ich jetzt mal nicht ein.

Schade, denn diese stellt das optische Limit ja dar...

Ein im Vergleich zu plenoptischen Systemen ähnliches Ergebnis mit dem Unterschied dass eine Limitierung der Optik in Kauf genommen wird, die dank Sensor Shift relativiert wird.

Da war er wieder, der Nobelpreis. Siehe oben... 

Ich sehe daher für das Stacking keinen Vorteil in dieser Kameratechnik, welche den immensen Geldaufwand rechtfertigt...

Just my 2 cents,
Gruß Markus

[joy]

Ich schreibe mal wieder vom Handy, daher ohne Zitate.

Ich gebe dir insofern recht, dass ich mal überprüfen muss inwiefern die Schrittweite korrekt ist, da die Steigung bei dem Schlitten vermutlich größer ist. Vermutlich ist dieser Wert nicht korrekt und du hast recht. Am besten ich verfahre mal über einen größeren Bereich und messe dann den Abstand mit einer Messuhr.

Ich hatte mal ein Newport ESP das zumindest eine Verstellmöglichmeit von einem 10.000el mm hatte, ob es dazu entsprechende Schlitten gibt muss man schauen. By the way: wie sollen elektronenmikroskope denn bitte sehr einen Stageverschub haben wenn damit bis in den nm erreich hinein gearbeitet wird?

 Einen natürlichen tiefenschärfe habe ich meines Erachtens nach bei einem Stack mit Einem Bild das noch genügend Informationen des vorherigen Bildes enthält. Lass die Größen wie divergenzwinkel mal fest und auch die sensorgrösse . Natürlich haben die einen Einfluss, aber über die rede ich nicht, weil beide wenn sie größer werden nachteilig für die Tiefenschärfe sind.

Und zuletzt nochmal zum sensorshift:

Wenn ich abblende verringere ich die NA des Objektivs,  oder? Ich habe höhere Tiefenschärfe, Kleineren divergenzwinkel und der kleinste auflösbare Lichtpunkt ist nun größer. Dann gibt es für diese Einstellung also auch eine ideale Anzahl und Größe der Pixel?
Müsste ich nicht trotzdem bei einem SensorShift etwas Informationen gewinnen? Eventuell ist das mein Denkfehler.

[etalon]

Hallo Joy,

Ich hatte mal ein Newport ESP das zumindest eine Verstellmöglichmeit von einem 10.000el mm hatte

Ich kenne diese Dinger. Da es sich hierbei auch um einen mechanischen Lineartrieb handelt, mag das unter temperaturkontrollierten Bedingnungen rechnerisch möglich sein, im normalen Laboralltag habe ich da aber meine Zweifel daran (allein was die mechanischen Fertigungstoleranzen betrifft). Und der Lineartrieb alleine hilft dir auch noch nicht weiter, da gehört noch einiges an Mechanik hinten dran, um damit ein Bild zu knipsen...

By the way: wie sollen elektronenmikroskope denn bitte sehr einen Stageverschub haben wenn damit bis in den nm erreich hinein gearbeitet wird?

Das kann ich Dir nicht beantworten, da ich nie mit Elektronenmikroskopen gearbeitet oder mich damit befasst habe. Ich kann mir aber vorstellen, dass das über die Elektronenstrahlfokussierung mittels Magnetfelder realisiert wird. Man möge mich da aber bitte korrigieren, wenn das nicht stimmt...

Einen natürlichen tiefenschärfer g habe ich meines Erachtens nach bei einem Stack mit Einem Bild das noch genügend Informationen des vorherigen Bildes enthält.

Dann hast Du einen durchgehend scharfen Bereich in z-Richtung. Der anschließende Übergang in den Unschärfebereich ist immer abrupt. Nur ist das anwachsen des Zerstreuungskreisdurchmessers im Unschärfebereich bei kleiner NA langsamer, und es gibt einen weicheren Unschärfeverlauf, welcher vom Auge als natürlicher empfunden wird, da das Auge an sich ja auch keine so hohe NA hat...

Wenn ich abblende verringere ich die NA des Objektivs,  oder? Ich habe höhere Tiefenschärfe, Kleineren divergenzwinkel und der kleinste auflösbare Lichtpunkt ist nun größer. Dann gibt es für diese Einstellung also auch eine ideale Anzahl und Größe der Pixel?

´d accor.

Müsste ich nicht trotzdem bei einem SensorShift etwas Informationen gewinnen? Eventuell ist das mein Denkfehler.

Nur, wenn Du vorher mit der Pixelgröße nicht das Nyquist-Kriterium erfüllt hast. Sonst kommt es zum Oversampling. Das ist zwar grundsätzlich nicht schlimm, da Du dadurch keine Informationen verlierst, aber der Photonenfluss verringert sich zum Quadrat, womit Dein S/N schlechter wird und damit die NWG des Messsystems (was aber bei der pretty picture Fotografie eher eine untergeordnete Rolle spielt). Ein gewisser Betrag an Oversampling ist aber in sofern sinnvoll, da viele Schärfungs- und Kontrastanhebungsalgorithmen in der EBV erst dadurch gut funktionieren...

Grüße Markus

[joy]

Alles klar, danke für die Klarstellung. Mit dem Nyquist Kriterium habe ich mich nicht befasst, sieht auch nicht gerade trivial aus.

Jetzt verstehe ich was mit Tiefenschärfeverlauf gemeint war. Also der Bereich nach zusammengerechneten Bildern vor und hinter dem tiefenscharfen Bereich. Dieser abrupte Übergang Scharf/Unscharf stellt doch einen ästhetischen Anspruch dar, der mich primär erstmal nicht interessiert solange ich nicht einen guten Stack der Bereiche bekomme, die ich scharf sehen will.  Rein subjektiv geht die Qualität eines Stacks bei diesen Vergrößerungen häufig zu Lasten des mangelnden Überlapps und dass ich dann häufig den Stack mit einer Retouch Funktion nachbearbeiten muss, geht mir persönlich zu weit. An dieser Stelle liefert mir die Lichtfeldkamera doch den entscheidenden Vorteil. Ohne es getestet zu haben bin ich mir sicher, dass ich mit weniger Fehlern rechnen muss und mich um fehlende Schärfeelemente im Bild nicht so stark kümmern muss.

Scheinst ja einiges im Bereich Optik zu kennen, schön dass du uns an deinem theoretisch und praktisch erprobtem Wissen teilhaben lässt. Vieles von dem was ich bisher probiert habe war eben learning by doing, da hätte mir allein das theoretische Wissen wenig gebracht.

Im Moment fotografiere ich selbst mit den Mitutoyo APOs bis 20x, teilweise nehme ich auch mal LMPlanFl Linsen aus meinem Mikroskop, wenn es noch höherer Vergrößerung bedarf. Ich bin kameratechnisch mit Olympus OM-D´s ausgestattet. Auch wenn ich zufrieden bin, scheint es bessere Lösungen mit größerem Sensor und Pixeln zu geben. Da wollte ich mir bei meiner kleineren Sensorgröße den höheren Abbildungsmaßstab und die Tiefenschärfe erhalten.

[etalon]

Hallo Joy,

Dieser abrupte Übergang Scharf/Unscharf stellt doch einen ästhetischen Anspruch dar, der mich primär erstmal nicht interessiert solange ich nicht einen guten Stack der Bereiche bekomme, die ich scharf sehen will.

Das ist absolut richtig! Wenn Du aber schon im Schärfebereich unscharfe stellen hast, dann ist entweder Deine Schrittweite zu groß, oder Du hast intrinsische Schwingungen im System. Ein anderes Problem sind natürlich Schärfentiefesprünge am Objekt. Da gibt es dann außerhalb der Schärfeebene aufgrund des bei hoch auflösenden Optiken schnellen Anwachsens des Zerstreuungskreisdurchmessers bei vorgelagerten Strukturen eine Maßstabsänderung, so dass Strukturen, welche in der Schärfeebene darunter liegen davon verdeckt werden. Da in diesem Bereich also keine scharfe Bildinformation vorhanden ist, gibt es diese Artefakte an Kanten. Das ist physikalisch bedingt und lässt sich nur durch Optiken mit größerer Schärfentiefe dafür aber auch geringerer Auflösung abmildern, und ist der Preis, den wir für die rechnerisch erzeugte, große Schärfentiefe in Summe zahlen müssen...
In diesem Fall hilft die Retuschefunktion auch nichts, denn wenn es in diesem Bereich keine scharfen Bildinformationen im Einzelbild gibt, dann gibt es sie im Stack natürlich auch nicht. Wie gesagt, dieses Problem steigt mit zunehmender NA der Optik...

Letzten Endes machen ja wahrscheinlich die meisten von uns Bilder aus ästhetischen Gründen. Daher sollte meiner Meinung nach auch auf einen ästhetischen Bildaufbau geachtet werden. Dass dies nur all zu oft mit Kompromissen machbar ist, weiß ich nur all zu gut... 

Was die Ausrüstung betrifft arbeiten wir mit den selben Objektiven und Kamera. Das 20er Mitu habe ich allerdings wieder verkauft, da es im HighRes-Modus der Kamera einfach zu stark oversampelte Bilder geliefert hat. Ich bin mit dem 10er schon voll beugungsbegrenzt... (Falls es Dich interessiert, findest Du hier: https://www.mineralienatlas.de/forum/index.php/topic,40632.375.html ein paar Bilder von meinem verwendeten Equipment)


Ich muss meinen letzten Satz in meinem letzten Posting noch einmal etwas relativieren:

...Sonst kommt es zum Oversampling. Das ist zwar grundsätzlich nicht schlimm, da Du dadurch keine Informationen verlierst, aber der Photonenfluss verringert sich zum Quadrat, womit Dein S/N schlechter wird und damit die NWG des Messsystems (was aber bei der pretty picture Fotografie eher eine untergeordnete Rolle spielt). Ein gewisser Betrag an Oversampling ist aber in sofern sinnvoll, da viele Schärfungs- und Kontrastanhebungsalgorithmen in der EBV erst dadurch gut funktionieren...

Das von mir geschriebene zum S/N gilt dann, wenn Sensoren mit kleineren Pixeln zum Erreichen des Nyquist-Kriteriums herangezogen werden. Der Vorteil beim bildseitigen Auflösungsgewinn durch Sensorshifting besteht ja in der Hauptsache im Erhalt der nativen Pixelgröße bei der Bildaufnahme. Damit bleibt das S/N zwar physikalisch weitestgehend erhalten, es kommen aber Rechenartefakte aus dem Drizzlealgorithmus zum Tragen, welcher dann aus den versetzten Bildern die höhere Auflösung bildseitig (also kleinere Pixel) errechnet. Dies hat wieder ein etwas schlechteres S/N im resultierenden Bild zur Folge, allerdings dann nicht mehr in quadratischem Zusammenhang. Einen Informationsgewinn erhältst Du auf jeden Fall aber nur dann, wenn Du vorher mit der Pixelgröße noch nicht das Nyquist-Kriterium erreicht hattest...

Grüße Markus

[joy]

Ich schreibe nochmal länger später, kurz aber eine Anmerkung. Mir scheint es eher so zu sein, dass ich den Schärfebereich im Stack enthalten habe, der mir manchmal nach dem zusammenrechnen fehlt. Sonst könnte ich es ja auch nicht mit der Retouch Funktion nachbearbeiten. Es ist eher so, als würde die Software mit dem entsprechenden Algorithmus diesen Bereich nicht richtig erkennen.

Gegen Schwingungen kämpfen wir alle, ich hauptsächlich am Elektronenmikroskop, aber meine Single Shots sind scharf. Ja das mit der Schrittweite kann sein, deswegen sage ich ja dass ich möglichst viele Bilder um ein kleines Detail herum brauche, damit es überhaupt von der Software richtig erkannt wird. Und trotzdem habe ich manchmal Lücken nach dem Stacken und muss es nachbearbeiten. Daher glaube ich dass man diese Anfälligkeit bei hohen Vergrößerungen mit einem plenoptischen System besser in den Griff bekommen wird.

[etalon]

Hallo Joy,

Es ist eher so, als würde die Software mit dem entsprechenden Algorithmus diesen Bereich nicht richtig erkennen.

Nun, diese Algorithmen sind sicher nicht perfekt, aber ich halte sie schon für ziemlich ausgereift. Anfangs hatte ich diese Vermutung auch mal. Das hat sich aber bei näherem Hinsehen nicht bestätigt. Von daher verwundert es mich etwas, dass das bei Dir anders sein soll... 

Was in der Tat ein Problem der Algorithmen ist, dass je nach dem, welchen Du verwendest, entsprechende Artefakte aus der Rechnerei entstehen. Diese überlagern natürlich das Gesamtbild und wirken Qualitätsmindernd. Um so mehr Ebenen also gestackt werden, desto mehr beeinflussen diese Artefakte den Informationsgehalt des Bildes. Daher sollte man auch tunlichst vermeiden, innerhalb der wellenoptischen Schärfentiefe mehr als eine Bildebene zu machen. Dieses Problem lässt sich in der Tat mit den plenoptischen Systemen etwas abmildern. Aber zu welchem Preis (monitär und physikalisch)? Ich sehe da nicht die Zukunft, was aber nur meine persönliche Menung ist... 

Grüße Markus

[joy]

Schau mal bei folgendem Stack:
Crop aus Aufnahme mit 20x, erste Aufnahme ist ein Stack, zweite ein Single Shot mit Detail, das im Stack eben fehlt. Bei einem kleineren Radius bekomme ich Probleme mit Artefakten

[joy]

Single Shot

[joy]

Hier das Problem des Stacks, Ebenen die senkrecht zur Optik/Sensor stehen haben so eine geringe Tiefenschärfe, dass diese Ebene kaum noch auszumachen ist. Siehe Bild im Anhang. Das is als würde man eine Nadel annähernd senkrecht fotografieren wollen. Hätte ich mehr Tiefenschärfe, wäre das Programm wohl in der Lage daraus was zu machen.