Für professionelle Aufnahmen von integrierten Schaltkreisen verwendet man üblicherweise Auflichtmikroskope. Mit diesen Mikroskopen kann man unter anderem die Kristallstrukturen von Metallen untersuchen. Sie werden deswegen oft auch als metallurgische Mikroskope bezeichnet. Wie die Bezeichnung Auflichtmikroskop bereits andeutet, erfolgt die Beleuchtung des Objekts von oben. Man nennt diese Art der Beleuchtung auch koaxiale Beleuchtung. Bei sehr hohen Vergrößerungsfaktoren und entsprechend kleinen Arbeitsabständen ist es anders gar nicht möglich das Objekt ausreichend auszuleuchten. Der Lichteinfall von oben sorgt außerdem dafür, dass die Interferenzen in den Halbleiterstrukturen stark mit den Schichtdicken korrelieren. So ergeben sich die bekannten, sehr farbigen Bilder, die deutlich die unterschiedlichen Strukturen der Schaltkreise aufzeigen.
Gute Auflichtmikroskope und passende Objektive sind leider sehr teuer. Im Hobbybereich kommt oft das relativ alte und entsprechend günstige Olympus BH2 zum Einsatz. Das Mikroskop, die passenden Objektive und auch Ersatzteile sind gut verfügbar. Nachfolger des BH2 ist die BX-Familie. Auch aus der BX-Familie finden sich ab und zu gute Angebote. Hier ist das Olympus BX51 zu sehen.
Auflichtmikroskope liefern bei hohen Vergrößerungsfaktoren eine deutlich bessere Bildqualität als man mit einer Spiegelreflexkamera erreichen kann. Sie haben aber auch Nachteile. Will man Objekte mit einer gewissen Tiefe abbilden, so kämpft man oftmals mit einem geringen Arbeitsabstand und einer geringen Schärfentiefe.
Die Mikroskope der BX-Familie sind modular aufgebaut und bieten viele verschiedene Konfigurationsmöglichkeiten. Es gibt Modelle mir Durchlicht, mit Auflicht und mit beiden Lichtoptionen. Hier ist nur die Auflichtoption integriert. Als Lichtquelle dient eine Halogenlampe (gelb). Sie befindet sich in einem Gehäuse hinter dem Mikroskop. Die Helligkeit kann man über einen im Mikroskop integrierten Dimmer regeln.
Die Lichtquelle ist mit einem länglichen Modul verbunden. Darin sind die Elemente integriert, die man für eine sogenannte Köhlersche Beleuchtung benötigt (rot). Dazu später mehr. An zwei Stellen befinden sich Einschübe, wo man Filter einsetzen kann (türkis). Das Mikroskop bietet aber noch an anderen Stellen Optionen für Filter. Das Licht wird letztlich über einen halbdurchlässigen Spiegel (blau) in den Strahlengang gelenkt. Das Licht, mit dem das Objekt ausgeleuchtet wird, durchläuft folglich auch das Objektiv (rosa).
Das vom Objekt reflektierte Licht (weiß) passiert das Objektiv, den halbdurchlässigen Spiegel und erreicht schließlich den triokularen Kopf. Dort wird über Prismen (orange) das Licht zu den Okularen (grün) geleitet. Der triokulare Kopf bietet zusätzlich einen Anschluss für eine Kamera. Ein Schieber erlaubt es zwischen Okular und Kamera umzuschalten. Zusätzlich kann man das Licht im Verhältnis 30:70 aufteilen.
Beim älteren Olympus BH2 liefern die Objektive noch kein perfektes Abbild des Objekts. Spezielle Okulare kompensieren die Schwächen der Objektive. Aus diesem Grund benötigt man auch ein spezielles Okular im Anschluss für die Kamera. Das BH2 ist außerdem so alt, dass der Kameraanschluss noch für analoge Kameras ausgelegt wurde, vor allem für Kameras mit großen Filmformaten. Der Okulartyp, der sich für die heute gängigen Sensorgrößen eignet, findet sich nur sehr selten und ist dann entsprechend teuer.
Die Objektive der BX-Familie haben den großen Vorteil, dass sie vollständig korrigiert sind. Sie liefern bereits ein optimales Bild. Für den Kameraanschluss gibt es diverse alte und neue Adapter, die mehr als 1.000€ kosten können. Sie beinhalten üblicherweise Linsen, die das projezierte Bild des Objekts verkleinern. Passt der abgebildete Bildkreis einigermaßen zum Kamerasensor, so kann man eine Kamera aber auch direkt und ohne optische Elemente mit dem Mikroskop verbinden. Man benötigt lediglich einen mechanischen Adapter mit einem sogenannten Dovetail für den Anschluss am Mikroskop und einem Bajonett für die Kamera. Solche Adapter kann man günstig über Aliexpress beziehen oder mit einem 3D-Drucker selbst anfertigen. Der Verzicht auf zusätzliche Linsen reduziert die Gefahr zusätzliche optische Fehler in das System einzubringen.
Wie bei der Makro-Fotografie ist es auch hier von Vorteil, wenn die Kamera ohne eine Bewegung von Spiegel und Vorhang Bilder aufnehmen kann. Das BX51 ist sehr stabil und schwer. Bei großen Vergrößerungsfaktoren führen Vibrationen trotzdem zu einer Verschlechterung der Bildqualität.
Die Länge des Kameraadapters sollte den Spezifikationen entsprechen. Für die BX-Familie hat Olympus damals die UIS2 Objektive entwickelt. Olympus zeigt in einem "Microscope Components Guide" auf welche Längen das optische System ausgelegt ist. Relevant sind die 102mm vom Dovetail oberhalb des Triokulars bis zum Sensor. Zu beachten ist das Auflagemaß, das bei den Canon Kameras mit EF-Objektiven 44mm beträgt. Das bedeutet, dass der Adapter selbst 58mm lang sein sollte.
Will man eine Kamera an ein Mikroskop adaptieren, so muss man darauf achten, dass die Sensorgröße und die Pixelgröße zum Mikroskop und den Objektiven passen. Viele der UIS2 Objektive bieten einen Bildkreis mit einem Durchmesser von 26,5mm. Die Abmessungen des APS-C Sensor in der Canon 90D betragen 22,3mm x 14,8mm. Der Sensor wird entsprechend sehr gut ausgeleuchtet. Bei Vollformatkameras (Sensorbreite 36mm) wäre die Ausleuchtung schon nicht mehr ausreichend. Kameras für Mikroskope besitzen oft deutlich kleinere Sensoren, wodurch man sehr viel des projezierten Bilds nicht nutzen kann. Um die Bildfläche anzupassen kann man den Abstand zum Mikroskop vergrößern oder verkleinern. Das vergrößert oder verkleinert auf einfache Weise den Bildkreis. Man riskiert aber gleichzeitig eine Verschlechterung der Bildqualität. Alternativ kann man wie bereits beschrieben Adapter mit Linsen nutzen, die den gewünschten Vergrößerungsfaktor mit sich bringen. Diese Linsen müssen allerdings eine hohe Qualität aufweisen, ansonsten verschlechtert man auch damit die Bildqualität.
Bei der Auswahl der Kamera muss man außerdem auf die Pixelgröße achten. Die Pixel sollten klein genug sein, so dass sie nicht den begrenzenden Faktor beim Auflösungsvermögen des Gesamtsystems darstellen. Sind die Pixel deutlich kleiner als das Auflösungsvermögen, so ist das optisch kein Nachteil, man produziert aber sehr große Bilder, in denen viele Pixel die gleichen Informationen enthalten wie die benachbarten Pixel. Das ist bei der hier eingesetzte Canon 90D der Fall.
Das Olympus BX51 besitzt einen XY-Tisch, der für die Platzierung und Bewegung des Objekts äußerst hilfreich ist. Bei der Dokumentation von integrierten Schaltkreisen ist es wichtig, dass das Die möglichst ideal in der schmalen Schärfeebene des Mikroskops liegt. Um dies zu erreichen, kommt ein Kippbühne zum Einsatz. Zwei Mikrometerschrauben ermöglichen es das Objekt um die X- und um die Y-Achse zu verkippen.
In Y-Richtung bewegt sich der komplette Tisch. In X-Richtung bewegen sich nur die zwei schwarzen Schrauben, die im rechten Bereich zu sehen sind. Diese Schrauben fixieren normalerweise einen Probenhalter, der wiederum ein Trägerglas mit dem zu untersuchenden Objekt fixiert. Nachdem hier die verhältnismäßig große Kippbühne bewegt werden muss, wurde eine Lochrasterplatine passen ausgeschnitten und mit den zwei Schrauben an der X-Schiene fixiert. Die Kippbühne ist nicht allzu schwer, wodurch diese mechanisch nicht ideale Lösung sehr brauchbare Ergebnisse liefert.
Über das hier abgebildete vertikale Element kann man den XY-Tisch verfahren. Der untere Zylinder kontrolliert die X-Achse. Der obere Zylinder kontrolliert die Y-Achse. Der daneben liegende Drehknopf ist auf beiden Seiten vorhanden und kontrolliert die Z-Achse. Der zylindrische Körper dieses Drehknopfs stellt den Grobtrieb dar. Die Deckel bietet einen Feintrieb, der bei großen Vergrößerungsfaktoren sehr hilfreich ist. Auf den Deckel kann ein kleinerer Knopf aufgeschraubt werden, der sich bei diesem Bild gerade auf der anderen Seite befindet.
Die Köhler-Beleuchtung ist eine spezielle Beleuchtungsart, die das Licht derart formt, dass sie das Objekt möglichst optimal ausleuchtet. Dazu muss man zwei Blenden auf das jeweils benutzte Objektiv einstellen, die Leuchtfeldblende "FS" und die Aperturblende "AS".
Die Leuchtfeldblende ermöglicht es den ausgeleuchteten Bereich einzuschränken. In diesem Bild wurde die Blende so weit geschlossen, dass sie im Bild sichtbar wird. Üblicherweise öffnet man von hier aus die Blende bis sie gerade nicht mehr sichtbar ist. Das maximale Einschränken des ausgeleuchteten Bereichs ist sinnvoll, da ansonsten die Gefahr besteht, dass Licht im Außenbereich von Linsen oder an den Wänden des optischen Pfads gebrochen und reflektiert wird. Findet es dann seinen Weg zur Kamera, so verschlechtert dieses Streulicht die Bildqualität.
Zur optimalen Einstellung der Aperturblende entfernt man ein Okular und beobachtet das Bild, das sich darin einstellt. Schließt man die Aperturblende, so wird sie in der Abbildung sichtbar. Die bestmögliche Bildqualität ergibt sich, wenn die Aperturblende die Abbildung auf 2/3 bis 80% einschränkt. Eine weiter offene Blende erhöht die Auflösung, reduziert aber den Kontrast und die Schärfentiefe. Eine weiter geschlossene Blende reduziert etwas die Auflösung, erhöht aber Kontrast und Schärfentiefe.
Diese Bilder zeigen wie sich die Einstellung der Aperturblende auf die Bildqualität auswirkt. Das verwendete Objektiv besaß einen Vergrößerungsfaktor von 20x und einer numerischen Apertur von 0,4. Die komplett geschlossene Blende (rechts) liefert die schlechteste Bildqualität. Der Unterschied zwischen der ganz offenen Blende (links) und der ungefähr 2/3 geschlossenen Blende ist bei einem 20x Objektiv nicht allzu groß. Man kann aber bei der 2/3-Blende an manchen Stellen etwas mehr Details erahnen.
Bei einem 100x Objektiv sind die Unterschiede etwas deutlicher.
Das linke Bild ist das Beste, was mit einem Retro-Objektiv erreicht werden konnte. Das rechte Bild, das lediglich mit einem 20x Objektiv aufgenommen wurde, zeigt deutlich die bessere Qualität der Mikroskop-Bilder.
Verwendet man eine koaxiale Beleuchtung, so wird das auch als Hellfeld Mikroskopie bezeichnet. Das hier vorliegende BX51 bietet zusätzlich die Option der Dunkelfeldbeleuchtung. Dafür werden spezielle Objektive benötigt. Bei der Dunkelfeldbeleuchtung leitet ein Lichtkanal das Licht um das eigentliche Objektiv herum nach unten. Am unteren Ende des Objektivs wird das Licht schließlich zum Objekt gespiegelt.
Die Dunkelfeldbeleuchtung betont vor allem Strukturen wie Kanten, Unregelmäßigkeiten und Verschmutzungen, die mit der seitlichen Beleuchtung besonders hell erscheinen.
