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          Digitalmikroskop

          Die Funktionsweise von und die Arbeit mit einem Digitalmikroskop ist vielschichtig. Erfahren Sie im Folgenden, was man unter einem Digitalmikroskop versteht und wie es im Detail funktioniert.

          WAS IST EIN DIGITALMIKROSKOP?

          Ein Digitalmikroskop ist ein Mikroskop, bei dem die Betrachtung mithilfe eines eingebauten Bildsensors über einen Monitor erfolgt. Das KEYENCE Digitalmikroskop kann Vergrößerungen von 0,1x bis 5000x erreichen und ist somit vielfältig in verschiedenen Anwendungsbereichen einsetzbar. Dadurch kann der Einsatz von Digitalmikroskopen in Laboren oder den Abteilungen Qualitätssicherung und Forschung und Entwicklung einen großen Mehrwert bieten.

          Aufbau des KEYENCE Digitalmikroskops VHX-7000

          Digitalmikroskop - Funktionsweise des Objektivs und Bildsensors

          Das Zoomobjektiv eines Digitalmikroskops zeichnet sich dadurch aus, dass durch einfaches Drehen des Zoomrings am Objektiv die Vergrößerung geändert und eine schnelle und einfache Betrachtung ermöglicht werden kann. Technisch funktioniert dies mithilfe eines komplexen Linsensystems, das mehrere einzelne Linsen miteinander kombiniert. Eine Abstandsveränderung der einzelnen Linsen zueinander bewirkt eine entsprechende Brennweitenverstellung des Zoomobjektivs eines digitalen Mikroskops.

          Die Leistungsfähigkeit eines Objektivs setzt sich unter anderem aus den Faktoren Tiefenschärfe, numerische Apertur und Aberration zusammen. Die Objektive des KEYENCE Digitalmikroskops besitzen eine hohe Tiefenschärfe. Diese ermöglicht, dass ein Objekt auch dann vollständig fokussiert betrachtet werden kann, wenn es sich nicht nur direkt im Brennpunkt des Objektivs sondern auch innerhalb eines großen Toleranzbereichs befindet. Zudem kann die Qualität eines Mikroskop-Objektivs im Allgemeinen auch durch dessen Vermögen bestimmt werden, das Licht zu fokussieren (numerische Apertur) sowie Abbildungsfehler (Aberrationen) möglichst gering zu halten.

          Digitalmikroskop-Aufnahme mit geringer (l.) und hoher Tiefenschärfe

          Der im Digitalmikroskop verbaute CMOS Bildsensor kann Licht, das durch das Objektiv eintritt, in digitale Daten umwandeln und diese Daten in Form eines Bildes ausgeben. Wenn Licht auf die an der Oberfläche befindlichen Fotodioden trifft, entstehen dabei Elektronen-Loch-Paare und somit elektrische Signale. Diese werden anschließend mittels einer Transferelektrode digitalisiert, sodass die Informationen des CMOS-Sensors auf dem Monitor des Digitalmikroskops angezeigt werden können.

          Der Weg des Signals vom Bildsensor zur Anzeige des Digitalmikroskops VHX-7000

          Da Fotodioden keine Farben erkennen können, werden diese mithilfe eines in das Mikroskop eingebauten Farbfilters oder Prismas reproduziert. Die Leistung der digitalen Wiedergabe bemisst sich schließlich an der Bildschirm- und Farbauflösung. Erstere wird durch die Anzahl der Pixel in X- und Y-Richtung wiedergegeben.

          Digitalmikroskop: Typische Bildschirmauflösungen

          Mehr zur Funktionsweise des Objektivs und Bildsensors erfahren Sie im 1. Band unserer Einführung in die Digitalmikroskopie.

          Leistungsfähigkeit der Bilderfassung eines digitalen Mikroskops

          Farbspektrum einer 8-Bit Farbauflösung

          Die Farbauflösung oder Farbtiefe ist ein Maß für die Anzahl der unterschiedlichen Farben, die ein Digitalmikroskop pro Pixel darstellen kann. Sie gibt Auskunft darüber, wie viele Intensitätsstufen der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau dargestellt werden können. Für gewöhnlich beträgt die Auflösung 8-Bit, was 256x256x256 Farbwerten entspricht. Damit können insgesamt über 16 Millionen Farben dargestellt werden.

          Die neuesten Digitalmikroskope von KEYENCE verfügen über eine HDR-Funktion, welche 16-Bit-RGB-Bilddaten und damit 256 Mal mehr Informationen erfasst als vorherige Modelle. Durch automatische Optimierung von Farbe, Helligkeit, Kontrast und Textur können Objektdetails sehr präzise in naturgetreuer Qualität dargestellt werden. Zudem kann durch eine größere Anzahl an Helligkeitsstufen der Blendlichteffekt verringert und die Darstellung von Bereichen mit schwachem Kontrast optimiert werden.

          Mit dem KEYENCE Digitalmikroskop VHX-6000 aufgenommene Bilder eines Steckers (100x) und einer Stufenschablone (2000x) in 8 und 16 Bit

          In Band 2 der Einführung in die Digitalmikroskopie erfahren Sie mehr.

          Tiefenzusammensetzung des KEYENCE Digitalmikroskops

          Als Tiefenschärfe wird jener Bereich bezeichnet, in dem das zu betrachtende Objekt komplett fokussiert dargestellt wird, auch außerhalb des Brennpunkts. In der Regel nimmt die Tiefenschärfe bei höherer Vergrößerung ab. Mit der Fokussierungstechnologie des KEYENCE Digitalmikroskops kann diese Einschränkung überwunden werden. So ist eine tiefenscharfe Betrachtung auch bei hoher Vergrößerung über das gesamte Sichtfeld möglich. Diese Tiefenzusammensetzung wird durch die geringfügige Verschiebung des Objektivfokus und die anschließende Extrahierung und das Zusammenfügen der scharfen Pixel erzeugt. Damit kann das Bild auf dem Monitor des digitalen Mikroskops über das gesamte Sichtfeld scharf gestellt werden.

          Durch Extraktion und Zusammensetzung der scharfen Pixel jeder Ebene kann das Digitalmikroskop VHX-6000 ein komplett tiefenscharfes Bild über das gesamte Sichtfeld erstellen.

          Die Tiefenzusammensetzung wird in Band 3 unserer Serie zur Einführung in die Digitalmikroskopie genauer erläutert.

          Beleuchtungsoptionen eines Digitalmikroskops

          Digitalmikroskope verfügen über eine dedizierte Beleuchtung, wodurch eine optimale Lichtverteilung abhängig vom Betrachtungsabstand und dem Bildfeld des Objektivs möglich ist. In der Digitalmikroskopie existieren verschiedene Beleuchtungstechniken, welche für zahlreiche Oberflächenbeschaffenheiten und Messobjektformen angewendet werden können.

          Bei stark reflektierenden Oberflächen oder bei der Betrachtung der Textur eines Objekts ist eine punktförmige Beleuchtung, die sog. Koaxialbeleuchtung die erste Wahl. Mithilfe eines Halbspiegels kann das gesamte spiegelreflektierte Licht auf die Linse treffen und so die Bilddarstellung optimieren.

          Spiegel, bearbeitete Metalle oder Kunststoffe sollten mit einer diffusen Beleuchtung betrachtet werden, damit kein starker Glanz im Bild zu sehen ist. Dadurch beleuchtet das Digitalmikroskop das Objekt aus allen Richtungen gleichmäßig.

          Schematische Darstellung ausgewählter Beleuchtungstechniken für Digitalmikroskope: Koaxialbeleuchtung (l.) und diffuse Beleuchtung

          Durch einen 360°-Seitenlichtadapter ist eine Beleuchtung aus unterschiedlichen Winkeln möglich. Dadurch kann die Darstellung von Erhebungen und Vertiefungen eines Objekts optimiert werden. Zudem sind die Digitalmikroskope von KEYENCE auch mit einer Teilbeleuchtung ausgestattet, um Erhebungen und Vertiefungen weiter hervorzuheben.

          Transparente Objekte können schließlich am besten von unten mittels Durchlicht betrachtet werden. Mithilfe eines Polarisationsfilters ist es zudem möglich, nur das spiegelreflektierte Licht herauszufiltern, sodass Spiegelreflexionen im Bild verhindert werden können.

          Alles Weitere zu den Beleuchtungsoptionen von digitalen Mikroskopen erfahren Sie im 4. Band unserer Reihe.