Tubuslinse für Focus Stacking – warum?

Warum brauchen manche Mikroskopobjektive eine Tubuslinse, andere dagegen nicht? Was ist das überhaupt, eine Tubuslinse?

Manche Mikroskopobjektive benötigen Tubuslinsen, andere nicht. Warum ist das so?

Um Tubuslinsen zu verstehen, müssen wir uns anschauen, wie ein Mikroskop arbeitet, denn nur eine bestimmte Kategorie von Mikroskopobjektiven benötigt sie. Im 19. Jahrhundert erlebte die Mikroskopentwicklung eine sehr dynamische Zeit, und man versuchte, die zahlreichen unterschiedlichen Objektivgrößen zu standardisieren, damit am Mikroskop mehrere davon im Drehrevolver betrieben werden konnten, ohne den Objekttisch zu verstellen. Diese Objektive produzierten in einem standardisierten Abstand von 160 mm (bei Leitz auch 170 mm) ein Zwischenbild, das durch den Tubus (die Rohrverbindung zwischen Objektiv und Okular) nach oben gelangte, wo es dann durch das Okular noch einmal vergrößert und ins Auge des Mikroskopierenden projiziert wurde. Ein Zwischenbild ist das Bild, das vom Objektiv geliefert wird, mit seiner Nominalvergrößerung, die auch außen auf dem Gehäuse aufgedruckt ist. Dieses Zwischenbild wird vom Okular aufgenommen und nachvergrößert. Man könnte das Zwischenbild also theoretisch sehen oder mit einer Kamera abbilden, wenn es von einer Mattscheibe aufgefangen würde.

Aber kein Vorteil ohne Nachteil: Im Innern solcher Objektive war nun der Platz zu knapp, um zusätzliche Linsen mit bestimmten optischen Aufgaben einzubringen. Hinter dem Objektiv konnte kein optisches Element mehr eingefügt werden, denn die Lichtstrahlen verließen das Objektiv ja schon gebündelt und fixiert auf die Stelle, an der sie vom Okular aufgenommen werden sollten.

Links die schematische Darstellung des Lichtwegs durch ein Endlich-Objektiv und das Okular ins Auge, ohne Tubuslinse, und im Vergleich dazu rechts der Lichtweg durch ein Unendlich-Objektiv und die nachgeschaltete Tubuslinse und das Okular ins Auge

Die Tubuslinse

Die Lösung dieses Problems bestand darin, dass man eine bestimmte Linse aus dem Objektiv herausnahm und sie weiter oben im Tubus montierte. Genau dadurch wurde sie zur Tubuslinse. Die Lichtstrahlung verließ nun das Objektiv nicht mehr auf einen bestimmten Punkt im Tubus fokussiert, in der Grafik links, sondern völlig geradeaus, quasi ins Unendliche gerichtet (in der Grafik rechts). Alle Lichtstrahlen liefen nun also nicht aufeinander zu, um sich zu bündeln, sondern parallel, also quasi geradeaus bis zur Tubuslinse.

Nun konnten zwischen Objektiv und Tubuslinse nach Belieben zusätzliche Linsen oder Filter untergebracht werden. Erst in der Tubuslinse wurde diese Strahlung dann gebündelt und auf einen bestimmten Punkt fokussiert, wo sie dann vom Okular aufgenommen und nachvergrößert wurden. Weil die aus dem Objektiv austretende Lichtstrahlung ins Unendliche gerichtet war, bezeichnete man diese neueren Konstruktionen als Unendlich-Objektive, kenntlich an der liegenden 8 als Unendlich-Symbol. Genau genommen ist also die Tubuslinse ein funktioneller Teil des Unendlich-Objektivs. Die der früheren Generation mit der Angabe „160“ oder „170“ hießen Endlich-Objektive.

Endlich-Optik und Unendlich-Optik im Vergleich – links vier typische Endlich-Objektive von Leitz und Zeiss, rechts drei metallurgische Unendlich-Objektive, die eine Tubuslinse benötigen. Man erkennt den Unterschied nicht an Größe oder Gestalt, sondern nur an der Aufschrift: „160“ bzw. „170“ für die Endlich-Optik oder die liegende 8 für die Unendlich-Optik

Mikroskopobjektiv an der Kamera

Wenn wir nun ein Mikroskopobjektiv direkt auf unsere Kamera setzen wollen, müssen wir zwei wichtige Dinge berücksichtigen. Einerseits müssen wir den Mikroskoptubus – also die Rohrverbindung zwischen Objektiv und Okular – ersetzen, z. B. durch eine Röhre, mehrere aufeinander geschraubte Zwischenringe oder ein Balgengerät. Das Objektiv braucht also einen bestimmten Abstand zum Kamerasensor, der so groß ist wie er im Mikroskop wäre. Und andererseits müssen wir klären, ob unser Objektiv eine Tubuslinse benötigt oder nicht. Verwenden wir ein älteres Endlich-Objektiv, das Sie an der Aufschrift „160“ bzw. „170“ erkennen, ist das also nicht nötig, bei den jüngeren Unendlich-Optiken ist die Tubuslinse unverzichtbar.

Farbkorrekturen durch Okulare

Nun könnte man annehmen, dass die älteren Endlich-Objektive sämtlich ohne weiteres Zubehör an die Kamera geschraubt werden können, doch ganz so einfach ist es leider nicht. Für viele gilt das durchaus, aber nicht für alle. Das hängt damit zusammen, dass bei manchen wegen des Platzmangels auch bestimmte andere Linsen weggelassen wurden, um sie weiter oben in den Okularen zu platzieren, denn da war jede Menge Platz. Das sind oft Linsen, mit denen Farbkorrekturen durchgeführt wurden. Die Firma Leitz ist dafür ein Beispiel, denn ihre Okulare mit dieser Farbkorrektur, die Periplan-Okulare, sind für die Objektive aus einem bestimmten Zeitraum unverzichtbar, egal ob das Bild in das Auge eines mikroskopierenden Menschen gelangen soll oder auf den Sensor einer Kamera. Fehlt diese Farbkorrektur, erkennen wir an den Konturen im Bild violette und grüne Farbsäume, als „chromatische Aberrationen“ bezeichnet.

Dieses Endlich-Objektiv und das Periplan-Okular von Leitz bilden in der Farbkorrektion eine funktionelle Einheit; fehlt das Okular, dann sind beim Bild Farbränder um alle Konturen zu erwarten, die zum Bildrand hin immer breiter und deutlicher wahrnehmbar sein werden

Vergleichbares gibt es bei weiteren Firmen, auch mit der Korrektur anderer Abbildungsfehler. Darum sollten Sie bei jedem Mikroskopobjektiv individuell klären, ob es ein Okular mit einer bestimmten optischen Leistung benötigt. Falls nicht, besitzt es schon eine interne Korrektur von Farbfehlern („chromatische Aberrationen“) und anderen Abbildungsfehlern wie Verzerrungen im Randbereich. Solche Objektive sind an der Kamera ohne Okular verwendbar, und sie sind im Focus Stacking sehr gesucht und daher meist recht teuer. In einem gesonderten Beitrag will ich gezielt auf Mikroskopobjektive und ihre Eignung für Focus Stacking eingehen.

Vergrößererobjektiv als Tubuslinse

Theoretisch bräuchten wir bei Objektiven, die eine Tubuslinse erfordern, also stets genau jene Linse, die auch im zugehörigen Mikroskop verbaut ist. Glücklicherweise lassen sich diese Linsen auch durch Optiken ersetzen, die eigentlich für ganz andere Zwecke geschaffen wurden. Ein Beispiel dafür sind verschiedene Vergrößererobjektive aus der Analogzeit mit der passenden Brennweite ab 135 mm, denn auch sie fokussieren die Lichtstrahlung auf einen bestimmten Punkt, und wir müssen sie so an unsere Kamera adaptieren, dass sich an dieser Stelle der Bildsensor befindet. Focus-Stacking-Experten verwenden hier gern Edel-Optiken von Firmen wie Schneider Kreuznach (z. B. Componon S 135mm f5.6) oder Rodenstock (Rodagon 150mm f5.6), die ehemals sehr teuer waren. Solche Vergrößereroptiken aus der Analogzeit gehen nicht einmal enorm ins Geld, weil es dafür heute kaum eine andere Verwendung gibt. Sie müssen hierbei lediglich die Adaption an Kamera und Mikroskopobjektiv herstellen.

Auch ein Vergrößererobjektiv aus der Analogzeit – hier Componon S 135mm f5.6 – kann für Unendlich-Mikroskopobjektive als Tubuslinse verwendet werden

Teleobjektiv als Tubuslinse

Stattdessen lässt sich auch manches herkömmliche Teleobjektive mit der passenden Brennweite verwenden, das möglicherweise ohnehin schon in Ihrem Objektivpark vorhanden ist. Auch das fokussiert die Lichtstrahlung auf unseren Kamerasensor. Allerdings sollte es eine ausreichend große Brennweite haben (mindestens 135 mm, gern mehr). Die Blende muss voll geöffnet sein und die Fokussierung auf Unendlich.

Ein solches Teleobjektiv erleichtert sogar die Montage des Mikroskopobjektivs an der Kamera, denn es fungiert hier quasi als Adapter: Es sitzt selbst direkt am Kamerabajonett, und an seinem Frontgewinde lässt sich ein kleines Mikroskopobjektiv leicht befestigen. Das geht z. B. mit Step-up- und Step-down-Adapterringen und einer Rundplatte, die sich hinein schrauben lässt und mittig ein RMS-Gewinde besitzt (Royal Microscopy Society, 20,32 x 0,71 mm).

Stattdessen können Sie aber auch einen Snap-On-Halter von Raynox-Nahlinsen verwenden, wenn Sie eine Rundplatte mit 43-mm-Außengewinde finden, die zentral ein RMS-Gewinde besitzt. Dort hinein können Sie ein Mikroskopobjektiv schrauben, und der Adapter lässt sich auf ein Frontgewinde zwischen 52 und 67 mm klemmen. Mit 39-mm-Außengewinde sind diese Rundplatten gelegentlich zu finden, und eine solche müsste mit einem Step-down-Ring 43mm/39mm adaptiert werden. Alternative ist der Adapter „M43 (Raynox Snap) auf RMS“, den der Traumflieger-Webshop (www.traumflieger.de) anbietet.

Der Snap-On-Halter der Raynox-Nahlinsen kann als Adapter für Mikroskopobjektive verwendet werden, wenn man eine Rundplatte mit 43-mm-Außengewinde einschraubt und zentral ein RMS-Gewinde vorhanden ist. Hier wurde eine solche Platte mit Übermaß einfach auf den nötigen Durchmesser geschliffen und in die Vertiefung hineingedrückt.

Autofokus

Womit Sie Sie je nach Objektivkombination rechnen müssen, ist eine Abdunklung der Ecken, bis hin zu einem kreisrunden Bild. Andererseits könnte der Autofokus Ihres Objektivs bei dieser Konstellation aber durchaus funktionsfähig sein, was die Sache recht komfortabel machte. Leider bietet Ihnen diese Kombination Teleobjektiv/Mikroskopobjektiv aber nur eine extrem kleine Schärfentiefe. Doch auch dieses Problem ist lösbar: Wenn Ihre Kamera internes Focus Stacking („Focus Bracketing“) beherrscht, das ja über den Autofokus Ihres Objektivs erzeugt wird, können Sie dies möglicherweise auch mit dieser Objektivkombination durchführen, und das würde die extrem geringe Schärfentiefe dieser Konstellation kompensieren. Oder aber, Sie arbeiten auf herkömmliche Weise mit manuellem bzw. automatisiertem Stacking und einer Software Nachbearbeitung.

Nahlinse als Tubuslinse

Einfacher sind Nahlinsen, die man üblicherweise vor ein Kameraobjektiv schraubt, um näher an das Objekt heran gehen zu können, weil der Mindestabstand damit kleiner wird. Viele davon eignen sich ebenfalls als Tubuslinse, und auch bei ihnen ist die Brennweite ein entscheidender Faktor. Eines der bekanntesten Beispiele sind zwei Modelle von der Firma Raynox: DCR150 und DCR250. Sie bieten hervorragende Abbildungsqualität für relativ wenig Geld. Andere wären der „Live Size Adapter“ (LSA) von Sigma oder die Linse „Achromatic +4 Diopter“ von Century Precision Optics.

Unendlich-Mikroskopobjektiv im Verbund mit Tubuslinse, montiert am Balgengerät, mit dem die Auszugslänge (Distanz zwischen Kamerasensor und Tubuslinse) bestimmt werden kann. Alternative zum Balgen wären ein rohrförmiger Tubus oder aufeinander geschraubte Zwischenringe.

Oft stimmt die Brennweite dieser Linsen nicht exakt mit den Objektivanforderungen überein, aber gewisse Abweichungen tolerieren Mikroskopobjektive durchaus, allerdings mit entsprechend verändertem Abbildungsmaßstab. Viele Objektive aus der Metallurgie etwa weisen auf dem Gehäuse eine Zahl auf, die für die geforderte Brennweite der Tubuslinse steht, z. B. Mitutoyo oder HLB. Das bedeutet allerdings nicht, dass das betreffende Objektiv nur mit genau dieser Tubuslinsenbrennweite genutzt werden kann, oder dass es nur in dieser Paarung die optimale Schärfe produziert, wie allgemein angenommen. Tatsächlich sagt diese Zahl nur aus, dass zum Erreichen der Nominalvergrößerung – also dem Wert, der auf dem Gehäuse als Vergrößerung angegeben ist –, genau diese Tubuslinsenbrennweite eingesetzt werden muss. Für bestimmte Anwendungen in Metallurgie oder Materialprüfung ist ein exakter Abbildungsmaßstab unverzichtbar, für unsere Fotozwecke aber eher nebensächlich.

Daher können wir mit der Tubuslinsenbrennweite durchaus abweichen. Wie weit, das richtet sich allerdings nach der optischen Flexibilität des betreffenden Objektivs, und diese Toleranz kann durchaus enorm sein. Das kann so weit gehen, dass die geringere Tubuslinsenbrennweite (und der entsprechend verringerte Abstand Sensor-Tubuslinse) den Abbildungsmaßstab nahezu halbiert. Die Abbildungsschärfe ist dann zwar etwas schlechter als bei der Ideal-Brennweite, aber die Abbildungsleistung kann durchaus noch besser sein als bei einem Objektiv mit dem halben Abbildungsmaßstab.

Vergleichsaufnahme Schmetterlingsflügelschuppen Chrysiridia rhipheus, links mit Mitutoyo M Plan Apo 5x und Tubuslinse Raynox DCR 150 bei Auszug 210 mm (Sollwerte, annähernd Nominalvergrößerung), rechts Mitutoyo M Plan Apo 10x und Raynox DCR250 bei Auszug 125 mm (Werte und Abbildungsmaßstab stark verringert). Die Ausschnittsvergrößerung zeigt, dass das 10x mit verringertem Abbildungsmaßstab mehr Detailzeichnung hat als das 5x mit Nominalvergrößerung, was auf die unterschiedlichen NA-Werte zurückzuführen ist.

Schmetterlingsflügelschuppen Chrysiridia rhipheus, Vergleichsbild

Schmetterlingsflügelschuppen Chrysiridia rhipheus, Vergleichsbild

Ein Beispiel: HLB Planapo 10x mit einem NA-Wert (numerical aperture; Objektivöffnungswinkel) von 0,28, das für eine Tubuslinse mit 200 mm und Auszug von 200 mm vorgesehen ist, wird eingesetzt mit einer Tubuslinse von nur 125 mm Brennweite (Raynox DCR250) bei einem geringen Auszug von nur 125 mm. Der so erreichte Abbildungsmaßstab dürfte bei etwas mehr als dem halben Nominalwert von 10x liegen.

Zum Vergleich wird ein Mitutoyo M Plan Apo 5x herangezogen, NA-Wert 0,14, ausgestattet mit einer Tubuslinse von 208 mm (Raynox DCR150), bei einem Auszug von 210 mm. Tubuslinsenbrennweite und Auszug sind fast ideal passend. Hier bringt das 5x-Objektiv annähernd seine Bestleistung, ist in der Detailzeichnung dem 10x-Objektiv aber trotzdem deutlich unterlegen, trotz dessen massiver Abweichung bei Tubuslinsenbrennweite. Der Grund: Ein Objektiv mit stärkerer Vergrößerungsleistung und höherem NA-Wert besitzt auch eine größere Feindetailzeichnung. Das Beispiel zeigt aber, wie flexibel Objektive in dieser Hinsicht sein können, und dass es sich hier durchaus lohnt, zu experimentieren.

Sie können Mikroskopobjektive, die eine Tubuslinse brauchen, also prinzipiell auf dreierlei Weise an eine Kamera adaptieren: indem Sie ein Vergrößererobjektiv, ein Teleobjektiv oder eine Nahlinse als Tubuslinsenersatz verwenden. Erwarten Sie dabei aber keine Wunder, denn für die höhere Feinzeichnung, die Sie damit gegenüber einem Lupenobjektiv bei gleichem Abbildungsmaßstab erreichen, bezahlen Sie an anderer Stelle. Sie werden eine extrem geringe Schärfentiefe haben und ein Stativ brauchen. Am besten lässt sich eine solche Kombination unter Laborarbeitsbedingungen einsetzen, mit unbewegtem Motiv, stabilen Unterbau und hochwertigem Lineartisch, manuell oder motorisch gesteuert.

Wenn Sie vorhaben, mit diesem Objektiv an Ihrer Kamera im Garten freihändig auf Motivjagd zu gehen, wird es sehr anspruchsvoll, selbst wenn Sie den Autofocus und das interne Focus Stacking verwenden können. Seien Sie also nicht enttäuscht, wenn Sie eine steile Lernkurve erleben – das ist ganz normal, und wenn es zu schwierig wird, arbeiten Sie zunächst erst einmal mit Stativ und Lineartisch. Welche Mikroskopobjektive sich prinzipiell für diesen Zweck eignen, soll in einem separaten Beitrag erörtert werden.