Für professionelle Aufnahmen von integrierten Schaltkreisen kommen üblicherweise spezielle Auflichtmikroskope zum Einsatz. Wichtig ist dabei die koaxiale Beleuchtung, bei der das Licht durch die Linsen geführt wird, mit denen man auch das Objekt betrachtet. Selbst gebrauchte Mikroskope dieser Art sind verhältnismäßig teuer. Dazu kommt oft weiteres Zubehör. Die verwendeten Objektive bestimmen einen Großteil der Abbildungsqualität. Zur Anbindung einer Digitalkamera benötigt man spezielle Adapter. Will man mit den Bildern ein Panorama erstellen, so benötigt man einen Objekttisch, der in X- und Y-Richtung verfahrbar ist. Eine Automatisierung dieser Mechanik ist sehr hilfreich.
Als Alternative zu einem Mikroskop kann man auch eine Digitalkamera mit wechselbarem Objektiv modifizieren und damit relativ große Vergrößerungsfaktoren erreichen. Die Abbildungsleistung ist etwas schlechter als bei einem guten Mikroskop. Die Kosten sind aber sehr viel geringer, wenn man bereits eine passende Digitalkamera besitzt.
Die meisten Bilder auf dieser Seite sind mit der modifizierten Kamera entstanden, es finden sich aber auch einige professionelle Aufnahmen darunter.
Will man kleine Strukturen fotografieren, dann nutzt man üblicherweise Makroobjektive, wie das hier zu sehende Canon EF 100mm f/2,8L Makro. Damit lassen sich Abbildungsmaßstäbe von 1:1 erreichen. Die Canon 90D besitzt einen APS-C Sensor und multipliziert daher noch einen Faktor von 1,6. Ein Vergrößerungsfaktor von 1,6 erscheint sehr klein, man muss aber die hohe Auflösung der Digitalkamera mit einrechnen. Die Canon 90D bietet eine Auflösung von 32,5 Megapixel. Gibt man sich mit 2 Megapixel zufrieden, dann erreicht man bereits einen Vergrößerungsfaktor von 26:1. Eine hohe Pixeldichte ist hier folglich von Vorteil.
Das Auflösungsvermögen der Canon 90D mit dem Canon EF 100mm f/2,8L Makro reicht gerade noch, um die Striche mit einem Abstand von 10µm getrennt voneinander darstellen zu können.
Der Vergleich verschiedener Objektiv-Konfigurationen erfolgt mit einem verhältnismäßig großen Die. Betrachtet wird dabei immer eine Teststruktur in der oberen rechten Ecke.
An dieser Stelle ist es sinnvoll einen Blick auf die Parameter zu werfen, die die Abbildungsleistung des Systems begrenzen. Der Vergrößerungsfaktor genießt oftmals die meiste Aufmerksamkeit. Man benötigt einen ausreichenden Vergrößerungsfaktor, um kleine Details erkennen zu können, ab einem gewissen Punkt wird das Auflösungsvermögen des optischen Systems allerdings wichtiger. Erhöht man den Vergrößerungsfaktor darüber hinaus, so erreicht man nur noch eine sogenannte leere Vergrößerung. Der Bildausschnitt schrumpft, es werden aber keine neuen Details sichtbar.
Das Auflösungsvermögen eines optischen Systems wird bestimmt von der Wellenlänge des verwendeten Lichts und der numerischen Apertur des Objektivs. Der Wellenlängenbereich ist üblicherweise festgelegt. Die Apertur hängt vom sogenannten Lichtsammelwinkel des Objektivs ab. Will man bei einer Digitalkamera ein besseres Bild erzielen oder die Schärfentiefe erhöhen, so kann man die Blende etwas schließen. Bei hohen Vergrößerungsfaktoren ist das fast immer von Nachteil, da sich damit die Apertur verringert. Dieser Zusammenhang ist im obigen Bild zu erkennen, wo die Blende von 2,8 auf 8 und schließlich auf 14 erhöht wurde.
Will man eine höheren Vergrößerungsfaktor erreichen, so kann man den Abstand zwischen Objektiv und Kamera erhöhen. Distanzringe sind eine günstige Möglichkeit dies zu realisieren. Der Abstand sorgt dafür, dass ein kleinerer Ausschnitt des Objekts auf dem Sensor abgebildet wird. Das erhöht den Vergrößerungsfaktor, reduziert aber auch die Lichtmenge, die den Sensor erreicht. Dazu kommt, dass die Bildqualität etwas sinkt, weil auch Schwächen des Objektivs herausgehoben werden.
Mit diesem Aufbau sind etwas mehr Details zu erkennen. Mehr Distanzringe führen allerdings bereits zu einer Verschlechterung der Bildqualität. Der hier zu sehende Satz ist 65mm lang, kann aber auch in kleinere Elemente zerlegt werden.
Das Canon MP-E 65mm f/2,8 1-5x Makro ist ein Lupenobjektiv, dass Abbildungsmaßstäbe zwischen 1:1 und 5:1 darstellt. An der Canon 90D entspricht das einem Abbildungsmaßstab von bis zu 8:1. Gibt man sich mit einem 2 Megapixel-Ausschnitt zufrieden, so ist das ein Vergrößerungsfaktor von 130:1.
Ein Nachteil des Lupenobjektivs ist das Fehlen einer Fokuseinstellung. Man muss daher die Kamera oder das Objekt bewegen, um das Bild scharf zu stellen. Das ist bei derart hohen Vergrößerungsfaktoren nicht einfach.
Im Vergleich zum Canon EF 100mm f/2,8L Makro ist die Bildqualität des Lupenobjektivs deutlich besser.
Eine weitere Möglichkeit hohe Vergrößerungsfaktoren zu erreichen ist die Nutzung von sogenannten Retro-Adaptern. Damit wird das Objektiv mit der normalerweise außen liegenden Linse an der Kamera befestigt. Die dafür notwendigen Adapter gibt es für verschiedene Kameratypen und Filtergewinde. Die Kamera kann dann nicht mehr die Blende und die Fokussierung einstellen. Die Blendeneinstellung benötigt man aber üblicherweise nicht und die Fokussierung erfolgt sowieso manuell.
Nicht jedes Objektiv eignet sich für diesen Einsatz. Eine kleine Brennweite erzeugt in dieser Konfiguration einen hohen Vergrößerungsfaktor. Die besten Ergebnisse ergaben sich mit dem hier zu sehenden Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5. Ebenfalls gut geeignet ist das Kit-Objektiv Canon Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6. Dieses besitzt aber nur eine schwergängige Mikromotor-Fokuseinstellung, keinen Ultraschallmotor. Überraschend schlechte Bilder erzeugt das ansonsten fast makellose Canon EF 24-70mm f/2,8L. Mit Blick auf die Spezifikationen erscheint auch das Canon EF 28MM f/1,8 USM sehr gut geeignet. Es besitzt eine kleine Brennweite für einen großen Vergrößerungsfaktor, es besitzt eine große Blendenöffnung, was ein hohes Auflösungsvermögen verspricht und eine Ultraschallfokussierung. Tatsächlich liefert auch dieses Objektiv merklich schlechtere Ergebnisse als das Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5.
Wie wichtig eine kleine Brennweite ist, zeigt dieses Bild. Der 1:1-Bildausschnitt ist in der 22mm-Einstellung des Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 entstanden. Der begrenzende Faktor ist hier schon das Auflösungsvermögen, der Vergrößerungsfaktor bietet aber auch keine größeren Reserven.
In der 10mm-Einstellung muss man den Bildausschnitt bereits etwas verkleinern. Auf den ersten Blick meint man, dass das Bild etwas schlechter geworden ist, tatsächlich ist das Gegenteil der Fall. In der linken oberen Ecke befindet sich eine Teststruktur mit kleineren und größeren Elementen. Bei den größeren Elementen kann man hier bereits die Kontakte zur Metalllage erahnen. Bis hier bietet das Lupenobjektiv aber noch bessere Ergebnisse.
Ergänzt man das Retro-System mit Distanzringen, so erhöht sich der Vergrößerungsfaktor. In den obigen Bildern war bereits zu erkennen, dass das Auflösungsvermögen der begrenzende Faktor ist. Gleichzeitig reduzieren die Distanzringe die Lichtmenge, die den Sensor erreicht. Die Maßnahme wirkt sich aber trotzdem positiv auf die Bildqualität aus. Das lässt sich dadurch erklären, dass Objektive auf gewisse Mindestabstände optimiert sind. Beim Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 beträgt die sogenannte Naheinstellgrenze 24cm. Das ist der minimale Abstand, den man beim Fotografieren zwischen Objekt und Kamerasensor einhalten muss. Auf den meisten Kameras ist ein Symbol abgebildet, das anzeigt, auf welcher Höhe sich der Sensor befindet. Der Abstand zwischen dem Objekt und dem Objektiv beträgt nur wenige Zentimeter. Mit den Distanzringen liegt die Gesamtlänge der optischen Strecke ungefähr im Bereich der Naheinstellgrenze.
Die Bildqualität ist mit den 65mm-Distanzringen deutlich besser.
Mit einem zweiten Satz Distanzringe zwischen Kamera und Objektiv erhöht sich der Abstand auf 130mm und die Bildqualität verbessert sich noch einmal minimal. Der Vergrößerungsfaktor erhöht sich weiter.
Ein dritter Satz Distanzringe, der den Abstand auf 195mm erhöht, bringt keine weitere Verbesserung der Bildqualität.
Mit dem Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 und 130mm-Distanzringen wird ein Millimeter mit 6.030 Pixeln abgebildet. Damit befinden sich sechs Pixel auf der Strecke eines Mikrometers. Der Sensor der Canon 90D ist 22,3mm breit und löst diese Breite mit 6.960 Pixeln auf. Das sind 312 Pixel pro Millimeter. So ergibt sich ein Vergrößerungsfaktor von 19,3:1. Bezogen auf einen 2 Megapixel Bildausschnitt beträgt der Faktor 314:1. Hier ist ein 1:1 Bildausschnitt zu sehen. Je nachdem um welche Strukturen es sich handelt, kann man bis zu 1µm kleine Elemente erkennen.
Der Vergrößerungsfaktor ist im Vergleich zum Auflösungsvermögen bereits etwas zu hoch. Eine Alternative zu den Distanzringen wäre eine Nahlinse zwischen Objektiv und Kamera. Bisher hat das aber die Bildqualität eher verschlechtert.
Dieser 1:1-Bildausschnitt zeigt die Linien auf dem Maßstab mit ihrem Abstand von 10µm.
Kennt man den Vergrößerungsfaktor des Aufbaus, so kann man Messungen in den Bildern durchführen. Die Freeware ImageJ ist dafür sehr gut geeignet.
Fokussiert man das Bild mit dem Fokusring des Objektivs, so ändert sich auch der Vergrößerungsfaktor. Die Fokuseinstellung wird nicht abgespeichert, so dass sich darüber ein zusätzlicher Messfehler ergibt, wenn man aus der Anzahl der Pixel die tatsächlichen Größen berechnet. Im Fall des Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 liegt der zusätzliche Messfehler allerdings bei vertretbaren 1%.
Hier sind die Bildausschnitte zu sehen, die sich mit den verschiedenen Konfigurationen ergeben. Ein großer Vergrößerungsfaktor ist wünschenswert, um kleine Details sichtbar zu machen. Gleichzeitig wird der Bildausschnitt aber immer kleiner. Man muss dann entweder Panoramabilder erstellen oder einzelne Detailbilder mit den passenden Vergrößerungsfaktoren aufnehmen.
Hier ist die hohe Auflösung der Digitalkameras ein großer Vorteil, da auch bei großen Vergrößerungsfaktoren noch ein erträglich großer Bildausschnitt verfügbar bleibt.
Statt der Distanzringe kann man zwischen Kamera und Retro-Objektiv ein Objektiv in normaler Konfiguration einbauen. Dazu benötigt man einen Adapter mit zwei passenden Filtergewinden. Das zusätzliche Objektiv passt den Strahlengang des Retro-Objektivs an die Kamera an. Der Vergrößerungsfaktor entspricht dann dem Verhältnis der Brennweiten. Hier erzeugt das Canon EF 100-400mm f/4,5-5,6L IS USM mit dem Canon EF 24-70mm f/2,8L einen Vergrößerungsfaktor von 16,6:1, bezogen auf 2 Megapixel wäre das ein Vergrößerungsfaktor von 271:1.
Es wurden Konfigurationen mit unterschiedlichen Objektiven getestet. Keine Kombination liefert eine gute Bildqualität. Das Auflösungsvermögen ist vor allem in den Randbereichen schlechter und es zeigt sich deutlich chromatische Aberration.
