Ich hatte das große Vergnügen auf dem 34. Chaos Communication Congress (34c3) einen Vortrag zu halten. Es ging vor allem darum, was man wissen muss um mit der Mikroskopie anzufangen, welche Geräte ganz gut für den Anfang sind und was man tunlichst nicht kaufen sollte, weil es keinen Sinn macht. Ich werde das in diesem Text nochmal genauer auseinander nehmen, aber hier zunächst der Vortrag:
Es gibt den Vortrag auch mit engischem voice over, hier.
Ich habe kein umfassendes Wissen über alles was es so zu kaufen oder zu basteln gibt. Alle Empfehlungen gebe ich auf Grund von eigenen Erfahrungen. Wenn ihr andere Erfahrung habt oder eine Empfehlung abgeben wollt: bitte tut das! Entweder in den Kommentaren oder per mail an andre.lampe{ät]fu-berlin.de.
Es gibt eine kleine Linkliste zum Vortrag hier.
Im folgenden Text versuche ich alle Dinge aus dem Vortrag aufzuarbeiten und ein paar mehr Einordnungen anzubieten.
Welche Parameter sollte man kennen?
- Vergrößerung
- Arbeitsabstand
- Schärfentiefe
- Welche Mikroskop-Typen es gibt
- Wie man digitale Bilder macht
Alles andere ist für den Anfang nicht wahnsinnig wichtig. Diese fünf Punkte sollten jeden dazu befähigen einen guten Start in die Mikroskopie zu machen. Grundsätzlich bin ich davon überzeugt, dass man immer eine Variante wählen sollte bei der man sowohl mit “dem Auge durchgucken” als auch digitale Bilder machen kann. Warum erkläre ich im Vortrag und habe ich auch in Die Frage nach der Wissenschaft, der Kommunikation und dem ganzen Rest aufgeschrieben.
Vergrößerung
Die Vergrößerung ist DER Parameter schlechthin, auf den wohl jeder instinktiv bei einem Mikroskop schaut. Bevor wir aber dazu kommen was dieses “x” oder “fach” bei der Vergrößerung genau heißt, habe ich mal einen Maßstab gemacht, mit dem man die Dimensionen der Welt des Kleinen verstehen kann. Weil ich glaube, dass dieser Maßstab sinnvoll ist und ganz im Sinne von open science, will ich den Maßstab auch als public domain veröffentlichen. Nehmt und nutzt das Bild wie ihr wollt – wenn ihr Bock habt nennt meinen Namen oder linkt hier her 😉
Hund, Singvogel, Computerchip, Floh, Durchmesser menschliches Haar, Pollen, Bakterien, Viren, Strukturen auf einem Computerchip, DNA, Gold-Atome. Klick für vollständige Größe
Nun aber zu dem Ausdruck “400fach” oder “2000fach” im Bezug auf Vergrößerung. Diese Angabe bezieht sich immer auf die Betrachtung eines Objekts mit dem “unbewaffnetem” Auge in 25cm Abstand. Dieser Abstand ist die optimale Entfernung für unser Auge um etwas zu betrachten, und wird auch als deutliche Sehweite bezeichnet. Ein Objekt in 25cm Entfernung zu betrachten wäre damit also eine Vergrößerung von 1fach, in 50cm eine “Vergrößerung” von 0,5fach. Um die Vergrößerung eines Mikroskops auszurechnen multipliziert man die Vergrößerung des Okulars (meistens 10fach) mit der Vergrößerung des Objektivs (zum Beispiel 40fach). Mit den Zahlenwerten aus den Klammern dann also 400fache Vergrößerung. Das heißt: Im Mikroskop betrachtet ist ein Objekt 400 mal größer als in 25cm Entfernung mit dem “unbewaffnetem” Auge betrachtet.
Beispiel Gitter (Verschiedene Kombinationen von Objektiven und Okularen. Kästchenabstand des Gitters ist 0,1 mm. Das Bild wurde auf 80% verkleinert, klicken für Vollbild (4459 x 7398 pixel))
Die Angaben mit “x” oder “fach” beziehen sich immer nur auf das menschliche Auge. Die Vergrößerung bei Verwendung einer Kamera errechnet man über die Pixelgröße der Kamera. Benutzt man eine Kamera mit einer Pixelgröße von 12µm und ein Objektiv mit einer 40fachen Vergrößerung, hat jedes Pixel im digitalen Bild später eine Größe von 12µm / 40 = 0,3µm. Oft besitzen Kameras für Mikroskope noch eine Reduktionslinse mit einer Vergrößerung von 0,5fach. Dies berechnet man dann mit so mit ein: 12µm / (40 mal 0,5) = 0,6µm. Einfacher ist es jedoch, ein kleines Gitter mit bekannter Größe abzubilden und dann die Pixelgröße auszurechnen (siehe Bild – aus Rezension “BRESSER”…). So habe ich das übrigens immer gemacht, wenn ich mein Smartphone als Kamera benutzt habe. Aus so einer Messung mit dem Gitter errechnete ich dann die Länge eines kleinen Balken im Bild, wie man ihn zum Beispiel bei Dinge unter’m Mikroskop IV – Nadeln und Kanülen sehen kann.
Es gibt eine natürliche Grenze, bis zu der Vergrößerung Sinn macht: die Beugungsgrenze. Darüber habe ich bereits in Ernst Abbe war ein faszinierender Mensch etwas geschrieben. Eine Vergrößerung für das Auge macht nur bis ca. 1250fach Sinn, bzw. bis zu einer Pixelgröße im Bild von ca. 0,1µm. Bei höherer Vergrößerung schlägt die Physik zu und man sieht keine weiteren Details.
Arbeitsabstand
Den Arbeitsabstand unterschätzt man immer – mir geht das auch oft so. Jedes Objektiv hat einen eigenen Abstand, bei dem es ein scharfes Bild liefert. Je höher die Vergrößerung des Objektivs, je näher muss man an die Probe heran. Bei Objektiven mit einer Vergrößerung von 40x kann das bereits unterhalb eines Millimeters sein. In meiner Doktorarbeit habe ich mit einem 100x Objektiv gearbeitet, dessen Arbeitsabstand im Bereich von 200µm war.
Der Arbeitsabstand
Wenn man eine hohe Vergrößerung will muss man davon ausgehen, dass man nah an seine Probe ran muss. Das kann bedeuten, dass man zunächst einiges an Arbeit in die Probenpräparation stecken muss. Das sollte man im Hinterkopf behalten.
Schärfentiefe
Ich sage im Vortrag “Tiefenschärfe”. Meistens sagt man Schärfentiefe. Wie es “korrekt” heißt, darüber wird sich schon lang gestritten (kann man hier nachlesen).
Die Schärfentiefe ist ein Maß für den Bereich in dem die Abbildung eines Objekts scharf ist. Ähnlich wie beim Arbeitsabstand hat die Vergrößerung eines Objektivs auch Auswirkungen auf die Schärfentiefe. Je größer die Vergrößerung eines Ojektivs ist, je geringer ist die Schärfentiefe. Das heißt, man sollte eine Probe, die man mit hoher Vergrößerung betrachten oder abbilden möchte, so dünn präparieren, dass sie innerhalb der Schärfentiefe liegt. Das kann für ein 40fach Objektiv bedeuten, dass man dünne Schnitte von 10µm herstellen sollte – zugegeben, nicht ganz einfach. Ein paar Bilder mit unterschiedlichen Objektiven (aus dem Vortrag) machen das deutlicher. Hier sieht man einen kleinen Staub-Faden auf der Probe liegen, ca. 170µm von der eigentlichen Probe entfernt. Mit höherer Vergrößerung wird das Fädchen immer unschärfer – es liegt nicht mehr im Bereich der Schärfentiefe. Der kleine Kringel im Bild des 40x Objektivs ist ein anderes Stück Staub, dass sich irgendwo ins Linsenssystem des Mikroskops geschlichen hat.
Schärfentiefe verschiedener Objektive. Klick für vollständige Grüße.
Für sein eigenes Mikroskopie-Vorhaben sollte man sich merken: Wenn ich etwas mit hoher Vergrößerung betrachten oder abbilden will, dann werde ich wohl um eine Präparation (Dünnschnitt oder Ähnliches) nicht herum kommen – oder ich akzeptiere das ich meine Probe nie vollständig scharf sehen werde.
Mikroskop-Typen
Für den Einstieg in die Mikroskopie kommen meiner Meinung nach drei verschiedene Mikroskop-Typen in Frage: Stereo-Mikroskop, “normales” Mikroskop (Auflicht/Durchlicht) oder günstiges(!) USB-Mikroskop. Jeder einzelne Typ bietet einen guten Start in die Mikroskopie mit Vor- und Nachteilen.
- Stereo-Mikroskop: oft keine Präparation nötig, großer Arbeitsabstand, Probe einfach drunter legen, keine sehr hohe Vergrößerung. Zellen wird schwierig
- “normales” Mikroskop (oder auch Schülermikroskop): Man muss öfter mal schneiden und Objektträger und Deckgläschen benutzen, manche Dinge kann man auch einfach drunter legen, hohe Vergrößerungen möglich, benötigt dann aber unter Umständen Anfärbemethoden.
- günstiges(!) USB-Mikroskop (für <20€): Der größte Nachteil ist, dass man nicht durchschauen kann – ist aber OK, wenn man nicht mehr als 20€ investiert. Auf jeden Fall über ein Stativ nachdenken – gute Bilder während man es in der Hand hält ist ein schöner Traum, wird aber nicht funktionieren.
Ein Stereo-Mikroskop habe ich mir bisher nicht im Detail angesehen, ich habe aber einen Artikel über die günstigen USB-Mikroskope geschrieben (hier) und zwei Rezensionen für Schülermikroskope: KOSMOS Experimentierkasten und BRESSER JUNIOR Biolux. Diese Geräte habe ich eingehend getestet. Dies hier ist keine Kaufempfehlung, bitte lest euch die Rezensionen durch – bei Fragen gerne auch Fragen.
Abraten möchte ich von jeder Art von “Ansteckmikroskop für das Smartphone” – das führt zu Frust und Ärger. Genau so wie Kombigeräte mit integrierter Kamera und Display. Warum ich davon abrate und einige Empfehlungen gibt es weiter unten im Text.
Verschiedene Mikroskop-Typen
Wie man digitale Bilder macht
Ich halte es für sehr wichtig, dass man durch ein Mikroskop durchschaut. Es ist ein Erlebnis und man kann an einer Probe für Stunden sitzen und faszinierende Dinge entdecken. Das ist wirklich etwas anderes als ein Bild auf einem Display zu betrachten. Ich habe etwas länger für dieses Physiker-untypische Denken gebraucht und möchte jedem noch einmal den Artikel Die Frage nach der Wissenschaft, der Kommunikation und dem ganzen Rest ans Herz legen.
Aber irgendwann möchte man Bilder machen. Um seine Entdeckungen zu teilen, um ein großes Bild zusammen zu setzen oder um vielleicht sogar Daten aus den Bildern zu ziehen – es gibt so viele schöne Möglichkeiten, wenn man erstmal ein paar Digitalbilder gemacht hat. Ich würde dafür zwei preisgünstige Methoden empfehlen wollen: Zum Einen die Kamera vom Smartphone und zum Anderen eine Okularkamera.
links: mit dem Smartphone Bilder machen; mitte: Aufsatz für Smartphone; rechts: Okularkamera. Klick für vollständige Größe.
Bilder aus der Hand am Okular mit dem Smartphone zu machen bedarf ein wenig Übung, aber nach kurzer Zeit kommt man recht gut klar. Das müsst ihr mir nicht allein glauben, ihr könnt auch Florian Karsten (@messfehler auf Twitter) fragen, der hat im Bild oben, links das Handmodel gegeben. Von der Firma BRESSER gibt es einen Smartphone-Aufsatz (Bild oben, Mitte), leider nur passend für das 10x Okular von BRESSER. So etwas selbst zu bauen sollte aber eigentlich kein Problem darstellen. Für Teleskope gibt es Universal-Smartphone-Halterungen. Wie gut die sind, kann ich leider nicht sagen, weil ich die noch nicht ausprobiert habe – sieht aber auf den Bildern etwas wackelig aus. Zu guter Letzt gibt es Okularkameras. Anstatt des Okulars wird die Kamera direkt in den Tubus des Mikroskops gesteckt. Die passen so gut wie in alle Mikroskope, da die Tuben meistens einen Innendurchmesser von 23,2mm haben. Für eine solche Kamera der Firma BRESSER habe ich hier eine Rezension geschrieben. Es gibt aber noch andere Hersteller/Vertreiber. Solche Kameras werden entweder als Webcam erkannt oder kommen mit einem directShow Treiber. In jedem Fall kann man sie mit der freien Software micro-manager ansteuern (in micro-manager dazu unter “Camera” openCVgrabber auswählen).
Es gibt sicher noch andere Methoden, wenn man zum Beispiel eine alte Digitalkamera rumliegen hat, könnte man etwas basteln. Ich habe damit allerdings noch keine Erfahrungen gesammelt und habe mit den oben genannten Möglichkeiten bisher so gute Bilder gemacht, dass ich mich damit auch noch nicht beschäftigt habe.
Bonusrunde: Das Sichtfeld
Im Vortrag spreche ich auch das Sichtfeld oder Field of view (FOV) eines Mikroskops an. Das hilft einem nicht unbedingt bei der Kaufentscheidung weiter, aber man versteht ein wenig besser woher teilweise recht hohe Preisunterschiede bei den Mikroskopen herrühren. Aber Vorsicht: Nur weil etwas teurer ist, heißt das noch lange nicht, dass hier das Sichtfeld viel größer ist. Bevor es gleich mit den Warnungen und den Empfehlungen weiter geht, habe ich hier noch das Video zum Sichtfeld aus dem Vortrag eingebunden. Es steht unter CC BY Lizenz und kann gerne weiter verwendet werden.
Was man NICHT kaufen sollte
Ich rate von den folgenden Dingen ab, weil ich sie entweder selbst getestet habe, oder weil man anhand der Parameter bereits ablesen kann, dass das etwas ist, dass keine Freude bereitet.
Ansteckmikroskope für das Smartphone
Einfach weil man nicht vier Hände hat. Gleichzeitig das Smartphone ruhig zu halten, ohne zu wackeln an kleinen Knöpfchen am Ansteckmikroskop drehen und die Probe ruhig und im Bereich der Schärfentiefe zu halten ist ein spaßbefreites Geduldsspiel. Ich hab ein paar dieser Dinger getestet und nie ein Bild erhalten, das ich herzeigen wollen würde.
Sonstige (USB-)Mikroskope “die man einfach in der Hand hält”
Ich warne ausdrücklich vor “endoskopischen Mikroskopen” oder anderen Dingen, die digitale Bilder liefern während man sie “einfach” in der Hand hält. Niemand hat eine so ruhige Hand. Die Idee ist wirklich verlockend – in der Praxis funzt das aber leider nicht.
Mikroskope mit eingebauter Kamera (und Display)
Geräte bei denen man überhaupt nicht mit dem Auge durchschauen kann sollte man auf keinen Fall kaufen, es sei denn sie sind günstiger als 20€. Aber selbst wenn man durchschauen kann, und im Gerät eine Kamera und evtl. ein Display verbaut sind, muss man eigentlich immer damit rechnen, dass sowohl Kamera als auch Display keine gute Qualität liefern werden. Ich habe mir ein paar dieser “Kombigeräte” angesehen, und kein einziges vor der Nase gehabt, bei dem ich sagen würde, dass die produzierten Bilder OK sind. Abgesehen davon: Man sollte sich nicht ohne Not ein Gerät zulegen, bei dem man keine Chance hat eine bessere Kamera zu nehmen. Und “die bessere Kamera” ist oft einfach die bereits im eigenen Smartphone eingebaute.
Was ich empfehlen würde
Ich gebe nur sehr ungern eine Empfehlung, denn jeder Mensch hat andere Vorstellungen von der Mikroskopie, davon was sie oder er damit anstellen will und sehr unterschiedliche finanzielle Rahmen. Ich gebe hier trotzdem ein paar Empfehlungen, weil ich immer wieder gefragt wurde und weil ich glaube, dass ich einen Ansatz gefunden habe, bei dem ich ruhig schlafen kann: Ich richte mich danach was jemand ausgeben will.
Weniger als 20€
Ein billiges USB-Mikroskop. Nicht die Art in Stiftform oder “Endoskop”. Meistens liegt eine Art einfacher Fuß oder Stativ bei. Bitte, nehmt die für unter 20€. Steuert sie mit micro-manager an, einer freien Software basierend auf ImageJ (in micro-manager dazu unter “Camera” openCVgrabber auswählen). Ich habe darüber bereits ausführlicher geschrieben, im Artikel Mikroskope – Dos & Don’ts beim Kauf, der sich vor allem mit den günstigen USB-Mikroskopen beschäftigt.
Weniger als 80€
Ein Schülermikroskop zwischen 65€ und 80€. Ich selbst habe den KOSMOS Experimentierkasten selbst getestet, aber es gibt sicher andere Mikroskope von anderen Herstellern in dieser Preisklasse. Lest Rezensionen und seid kritisch. USB-Mikroskope in dieser Preisklasse machen meiner Erfahrung nach keinen Sinn. Digitale Bilder kann man bei dieser Variante mit seinem Smartphone am Okular machen.
Weniger als 200€
Entweder: Ein Schülermikroskop zwischen 120€ und 140€, auf keinen Fall eines das eine eingebaute Kamera oder ein Display hat. Ich habe eines von BRESSER getestet, aber es gibt sicher andere Mikroskope von anderen Herstellern in dieser Preisklasse. Bitte Rezensionen lesen. Wenn dann noch Platz im Budget ist, kann man sich für ca. 60€ eine Okularkamera leisten. So eine habe ich auch schon von der Firma BRESSER getestet, aber es gibt die auch von anderen Herstellern. Mehr als 60€ sollte man hier allerdings nicht ausgeben. Ansteuern kann man die Kamera mit micro-manager, einer freien Software basierend auf ImageJ (in micro-manager dazu unter “Camera” openCVgrabber auswählen).
Oder: Sucht nach alten und gebrauchten Mikroskopen auf Flohmärkten, ebay oder wo man soetwas sonst noch finden könnte, und haltet euch an euer Budget von unter 200€ ;-). Auf die meisten Mikroskope passen auch Okularkameras, aber auch mit einem Smartphone kann man schöne, relativ reproduzierbare Bilder machen.
Bis zu 500€
Genau das tun was unter “Weniger als 80€” steht, ausprobieren, spielen und erste Bilder machen – Erfahrung sammeln und feststellen wovon man am ehesten “mehr” braucht. Vielleicht ist es Arbeitsabstand, vielleicht Vergrößerung, vielleicht Usability. Dann entweder mit dem restlichen Budget gebraucht kaufen (ebay etc.) oder mal zu einem Laden fahren und sich beraten lassen. Viele Teleskop-Shops haben auch eine Mikroskopabteilung. Von den meisten online-Shops für Mikroskope kann ich nur abraten, besonders von denen die keine Niederlassung irgendwo haben. Wenn es eine Niederlassung gibt einfach mal anrufen und ein Gespräch suchen – und dabei kritisch bleiben. Viele der online-shop Betreiber, die hier anscheinend auch oft lesen und regelmäßig versuchen in den Kommentaren zu spammen möchte ich an dieser Stelle ganz herzliche grüßen: Hallo ihr Flachzangen!
Bis zu 1500€
Genau das tun was unter “weniger als 200€” steht – und dann bitte oben bei “Bis zu 500€” nach dem ersten Komma weiterlesen.
Bis zu 10k€
Siehe “Bis zu 1500€” oder sie kontaktieren mich unter andre.lampe{ät]fu-berlin.de und wir quatschen mal.
Geld spielt keine Rolle
Wundervoll. Man kann mich auch für Vorträge oder eine Beratung buchen. Ansonsten das tun, was bei “Bis zu 10k€” steht.
Herzlichen Dank für eure Aufmerksamkeit.
orcid.org/0000-0003-0750-4757
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