Основы микрофотографии - адаптация камеры

von Jürgen Stahlschmidt

Данное введение в микрофотографию предназначено для микроскопистов, которые хотят заняться микрофотографией, но пока не обладают необходимыми базовыми знаниями. Оно призвано не только облегчить начало работы, но и создать основу для проведения необходимых консультаций со специалистами в более структурированном виде.

При микрофотографии на двухступенчатом микроскопе (т.е. объектив микроскопа создает изображение, а окуляр увеличивает его для зрителя) целью является перенос микроскопического изображения на носитель изображения (в настоящее время, как правило, уже не пленку, а матрицу фотоаппарата) как можно менее искаженным от оптических погрешностей и достаточно большим.

Таким образом, в микроскопе есть два изображения, которые можно сфотографировать:

1) одно - это изображение, которое формируется на конечном расстоянии под краем тубуса в плоскости наводки окуляра или еще называемой плоскостью промежуточного изображения, так называемое промежуточное изображение.

2) Другое - изображение, которое формируется окуляром на бесконечности и попадает на сетчатку глаза наблюдателя с помощью короткофокусного объектива.

Качество этих изображений может быть различным. Это связано с тем, что в так называемых конечных системах микроскопов окуляр служит не только для увеличения промежуточного изображения, но и для коррекции аберраций объектива, некоторые из которых могут быть значительными. В бесконечных системах промежуточное изображение (обычно, хотя бывают и исключения) уже скорректировано по этим аберрациям объективом тубуса. Здесь окуляр выполняет только увеличительную функцию, поэтому в таких случаях часто бывает достаточно простой безоптической адаптации “печной трубы” (см. ниже).

О том, с какой оптикой вы имеете дело - конечной или более современной бесконечной, - обычно указывается на объективе (например, 160 мм или символ бесконечности).

Качество микроскопического изображения в значительной степени зависит от соблюдения правильного рабочего расстояния объектива микроскопа. Это рабочее расстояние трудно измерить, даже если оно известно. Однако оно правильно выдерживается, если объектив и окуляр, а также предполагаемая длина механического тубуса совпадают. Это обеспечивается при совместном использовании оптики одного производителя. Механическая длина тубуса может быть измерена только при использовании прямого тубуса (расстояние от упора объектива на нижнем конце тубуса до верхнего края тубуса). При использовании наклонных или бинокулярных тубусов оптическая длина тубуса не может быть определена с помощью бортового оборудования.

Важное замечание: независимо от того, какой объектив, какой окуляр, какая длина тубуса используется, изображение всегда получается путем дефокусировки оптической системы, т.е. путем изменения предписанного рабочего расстояния объектива. Платой за это всегда является ухудшение качества изображения. При сильной дефокусировке может даже случиться так, что рабочее расстояние 100-мм объектива станет настолько малым, что передняя линза коснется покровного стекла.

Следующий шаг - проектирование фотооборудования.

1) Если система бесконечна, то промежуточное изображение может быть сфотографировано. Необходимым условием для этого является то, что к промежуточному изображению, которое создается под краем тубуса, можно получить доступ с помощью матрицы камеры. Это зависит от того, как производитель микроскопа спроектировал этот интерфейс. Производитель знает, где находится промежуточное изображение, или его нужно определить эмпирически (без перефокусировки!!). Это означает, что объектив устанавливается на правильное рабочее расстояние путем фокусировки на объекте с оригинальным тубусом и правильной диоптрийной коррекцией на окуляре. Затем на выходе тринокулярного тубуса с помощью датчика изображения камеры ищется положение, приводящее к наиболее резкому изображению промежуточного изображения. Таким образом, в простейшем случае между матрицей камеры и фотовыходом микроскопа не требуется никакой оптики, достаточно типа "проставки" соответствующей длины между камерой и микроскопом. Здесь обычно используются так называемые "печные трубы" - простые трубки, желательно зачерненные изнутри для уменьшения отражений, с нижним подключением к фотовыходу микроскопа и верхним подключением к камере с адаптером T2.

б) заменить окуляр на проекционный объектив от производителя микроскопа. Этот проекционный объектив формирует промежуточное изображение, создаваемое объективом, сохраняя его положение не на бесконечности, а на носителе изображения (обычно на расстоянии 125 мм), и одновременно компенсирует ошибки изображения, создаваемые объективом.

в) Использовать объектив камеры (так называемый релейный объектив) над окуляром. Необходимый размер изображения зависит от размера матрицы фотоаппарата, поскольку целью обычно является фотографическая фиксация того, что видит глаз. Конечно, с той оговоркой, что поле зрения круглого окуляра больше, чем прямоугольник, который изображает камера. Как правило, для окуляра 10 с полем зрения 18 подходят объективы фотоаппаратов с фиксированным фокусным расстоянием 40-60 мм. Очень хорошо зарекомендовали себя "тонкие" объективы ("блины"), апертура которых близка к передней линзе. Зум-объективы могут быть подходящими оптически и механически. Это нужно проверять в каждом конкретном случае.

Механическое приспособление

Для фотографирования промежуточного изображения достаточно "печной трубы", т.е. чисто механического компонента без оптики. Переходник T2 (байонет камеры на резьбу M42 x 0,75) или M42 (байонет камеры на резьбу M42 x 1) создает соединение между камерой и тубусом. Датчик изображения в корпусе камеры находится на определенном расстоянии от поверхности крепления объектива. Это расстояние зависит от конкретного производителя. Оно называется фокусным расстоянием фланца. Таблицы с фокусными расстояниями фланцев различных камер можно найти в Интернете. Переходник T2 использует различные толщины для изменения фокусного расстояния фланца конкретной камеры до 55 мм в общем случае. Поясним: переходник T2 для байонета Canon EF имеет толщину 11 мм (фокусное расстояние фланца камеры Canon Eos составляет 44 мм), а переходник для аналогового OM - 9 мм (фокусное расстояние фланца OM составляет 46 мм).

Далее такой адаптер показан на примере камеры Jenaval. В нижней части он имеет кольцо типа "ласточкин хвост" для подключения к микроскопу, а в верхней части - резьбу для крепления адаптера T2 к камере. Для точного позиционирования чипа камеры в положении промежуточного изображения кольцо T2 на резьбе "печной трубы" изменяется по высоте в определенных пределах. (Следующие две фотографии получены от Peter V.)

При использовании релейного объектива необходимо изготовить переходник. Он соединяет объектив камеры с тубусом микроскопа через зажим тубуса, например, с помощью резьбы объективного фильтра. Такие зажимы для тубусов, называемые также адаптерами камер для микроскопов, можно приобрести в качестве аксессуаров для микроскопов. В редких случаях можно обойтись без небольшой доработки. Верхняя часть трубчатого зажима (возможно, с резьбой T2 или другой) должна быть соединена с внешней резьбой фильтра, подходящей для предполагаемого объектива камеры. Конструкция трубного зажима, как правило, может быть реализована для прямой или косой монокулярной трубы, возможно, для бинокулярной трубы и предпочтительно для тринокулярной трубы. Что касается имеющихся в продаже трубных зажимов, то тот факт, что размеры трубок стандартизированы уже несколько десятилетий, является большим преимуществом для любителя. Диаметр окуляров составляет 23,2 мм, иногда встречается и 30 мм или другие исключения. Это означает, что внешний диаметр трубы составляет примерно 25 или 32 мм. Конечно, существуют и другие интерфейсы, например, 40-миллиметровый тубус от Zeiss.

Поскольку изготовление резьбы фильтра на токарном станке - довольно тонкая работа, часто имеет смысл использовать резьбовое кольцо фильтра или регулировочное кольцо от фотопринадлежностей в измененном виде. UHU plus endfest 300 хорошо зарекомендовал себя при выполнении необходимых клеевых соединений. Следует избегать оголенных внутренних сторон деталей. Обычно достаточно окраски матовой черной эмульсионной краской.

Конструкция должна позволять в определенной степени изменять расстояние между окуляром и релейной оптикой, чтобы можно было установить оптимальное положение зрачка (расстояние между окуляром и объективом камеры), которое может иметь решающее значение для качества изображения.

При использовании тринокулярного тубуса полезно, чтобы длина тубуса также регулировалась (оптика также имеет производственные допуски). Это обеспечивает так называемую парфокальность, т.е. то, что резко видно на визуальном пути луча, резко и на фотографическом пути луча, и при смене объектива требуется лишь незначительная коррекция фокуса.

Фотографический результат

Работоспособность фотомикрографического оборудования может быть достаточно хорошо проверена с помощью объекта-микрометра. Фотография такого объект-микрометра позволяет получить информацию о плоскостности изображения и о хроматических аберрациях. Для этого с помощью программы просмотра изображений на компьютере сильно увеличьте разделительные линии центра и краев и оцените резкость, хроматические ошибки (синяя и красная цветовая кайма) на четкость и равномерность справа и слева.

Совет по получению тестовых фотографий:

Микроскопно-камерная система является достаточно неустойчивой конструкцией и подвержена колебаниям, вызванным внешними (например, проезжающий мимо грузовик) или внутренними (например, затвор камеры, удар зеркала) факторами. Использование более длительных выдержек (более 1-2 с) позволяет избежать дрожания камеры, вызванного последовательностью срабатывания затвора и возможным ударом зеркала. Таким образом, устраняется один из источников, который может привести к неверной интерпретации результатов фотографирования.

Компактные камеры

Цифровые камеры с видоискателем также в целом подходят для микрофотографии. Однако из-за широкого ассортимента здесь можно упомянуть лишь некоторые моменты.

Как правило, камеры с низким коэффициентом увеличения более пригодны из-за конструкции объектива. Механическое соединение с тубусом над окуляром или на уровне промежуточного изображения может быть непростым. Резьба для фильтра часто отсутствует, а объектив при регулировке фокусного расстояния и фокусировке обычно смещается, так что прикрепить камеру к объективу не получается. Здесь поможет возможность подключения к корпусу, которая предусмотрена в некоторых камерах.

Следует отметить, что требуется ручная установка расстояния до бесконечности, так как окуляр создает изображение на бесконечности (см. выше). Автофокус может быть перегружен.

Перед покупкой рекомендуется проверить удобство использования таких компактных камер на микроскопе.

Видеокамеры

Адаптация видеокамер представляет собой еще одну проблему. Датчик изображения очень мал по сравнению с датчиком в так называемых цифровых зеркальных камерах. Это означает, что участок изображения от промежуточного изображения или поля зрения окуляра очень мал. Известные производители микроскопов предлагают соответствующую уменьшающую оптику для своих текущих моделей, но за это приходится платить. На домашней странице нашего коллеги по форуму Петера Хёбеля (Peter Höbel) представлено очень удачное решение с использованием уменьшающего объектива.

Однако многие камеры DLSR (т.е. цифровые однообъективные зеркальные камеры) также позволяют вести видеосъемку и имеют более крупную матрицу. В этом случае действуют вышеуказанные правила адаптации.

Окулярные камеры

Окулярные камеры заменяют окуляр и имеют встроенный датчик изображения, подключаемый к компьютеру.

Такие окулярные камеры не компенсируют или, по крайней мере, не обязательно компенсируют объектив микроскопа. Длина регулировки окуляра не документирована. Ее необходимо определять эмпирически, чтобы избежать дефокусировки путем поднятия окуляра. Необходимо следить за тем, чтобы изображение было достаточно сфокусировано.

Как и в случае с камерами с видоискателем, здесь поможет только тестирование перед покупкой.

Реализация адаптации

Как видно из предыдущих объяснений, не обойтись без некоторого количества экспериментов.

Необходимо ответить на несколько вопросов:

1. Можно ли получить изображение на матрице камеры без дефокусировки микроскопа?

2. Достаточно ли сечение изображения?

3. Достаточна ли плоскостность изображения?

4. Допустимы ли возможные ошибки цветового окаймления?

Существует множество способов заранее сымпровизировать фотоустановку (скотч, рулоны туалетной бумаги, монтажная лента, вспомогательные штативы и т.д.).

После этого этапа испытаний наступает время механической реализации. Это зависит от Ваших собственных навыков и возможностей, а иногда и от хороших отношений с опытными помощниками.

Если Вы хотите глубже вникнуть в суть вопроса, то можете обратиться к уже упоминавшейся литературе, а также к соответствующим сайтам. Вот небольшая подборка:

http://www.klaus-henkel.de/mikrofibel.pdf
http://www.mikroskopie.de/pfad/index.html
http://www.mikroskopie-ph.de/index-canon.html
http://www.mikroskopie-ph.de/Home-Page-Bildfelder.html
http://www.mikroskopie-ph.de/Home-Page-Kamera.html
http://www.nwv-hagen.de/mikroskopie%20mikroblitz%201.htm