Infinity Add-On – Lernpfad

Status: Skeleton. Quelle: infinitybox.md. Voraussetzung: CoreBox + Electronics Add-On.

Das Infinity Add-On hebt das CoreBox-Mikroskop auf Industrie­standard: unendlich-korrigiertes 10×-Objektiv, 100 mm CCTV-Tubuslinse, monochrome USB-3-Industrie­kamera (Sony IMX179) und Iris-Blende.

Lernpfad

Wieso unendlich? ─► Objektiv + Tubuslinse zusammensetzen ─► Industriekamera anschließen
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                            Vergrößerung kalibrieren ─► Blende & Auflösung ─► Live-Bild aufnehmen / speichern

Experimente

1. Endlich vs. Unendlich – der Vergleich

Einstieg / Phänomen

• Was passiert, wenn du ein Infinity-Objektiv ohne Tubuslinse benutzt – gibt es überhaupt ein Bild?
• Wie verschiebt sich die Bildschärfe, wenn du einen Glasblock (Filter) in den endlichen Strahlengang einschiebst?

Aufbau

• Wie baust du die endliche Konfiguration (Objektiv + feste Tubuslänge) neben der Infinity-Konfiguration auf?
• Welche Cubes brauchst du für den direkten Vergleich an derselben Probe?

Messung / Quantifizierung

• Miss die effektive Vergrößerung beider Systeme bei gleicher Probe – stimmen sie überein?
• Wie ändert sich die Bildposition auf dem Sensor, wenn du in der Endlich-Konfiguration einen 2 mm-Filter einschiebst?

Variation

• Setze denselben Filter in die Infinity-Konfiguration – ändert sich die Bildlage?
• Was passiert, wenn du die Tubuslinse aus dem Infinity-Pfad entfernst und durch eine mit anderer Brennweite ersetzt?

Physikalischer Hintergrund

• Warum erlaubt der parallele (kollimierte) Strahl zwischen Objektiv und Tubuslinse das beliebige Einschieben von Optiken ohne Bildversatz?
• Was bedeutet die Normtubuslänge von 200 mm (Nikon/Olympus) vs. 160 mm (endlich) für die Korrektionseigenschaften des Objektivs?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek I: Erkläre mit einer Skizze den Unterschied zwischen endlichem und unendlichem Strahlengang.

• Sek II / Vertiefung: Berechne den Bildversatz für einen Glasblock der Dicke $d$ und Brechzahl $n$ im endlichen Strahlengang.

• → experiments/01_endlich_vs_unendlich.md

2. Tubuslinsen-Brennweite & resultierende Vergrößerung

Einstieg / Phänomen

• Was siehst du auf dem Sensor, wenn du die 100-mm-Tubuslinse gegen die 50-mm-CoreBox-Linse tauschst?
• Wie ändert sich das Sichtfeld (in µm) bei gleicher Sensorauflösung?

Aufbau

• Wie montierst du die CCTV-Tubuslinse in den Cube und sicherst den C-Mount-Anschluss?
• Welche maximale Freiheit hast du für Objekte zwischen Objektiv und Tubuslinse?

Messung / Quantifizierung

• Berechne und verifiziere die Gesamtvergrößerung $M = f_\text{TL} / f_\text{Obj}$ für drei verschiedene Tubuslinsen-Brennweiten.
• Wie misst du die Vergrößerung mit einem Strichraster (USAF-Target), und stimmt sie mit der Rechnung überein?

Variation

• Wie groß ist das Bildfeld (in µm × µm) auf dem 1/2"-Sensor bei 10× vs. 5× Gesamtvergrößerung?
• Welche Vergrößerung ist für Überblicks-Scans geeignet, welche für Detailaufnahmen?

Fehleranalyse

• Was tust du, wenn das Bild an den Rändern unscharf ist (Verzeichnung, Abbildungsfehler der CCTV-Tubuslinse)?

Physikalischer Hintergrund

• Wie leitet man aus dem Strahlengang her, dass $M = f_\text{TL}/f_\text{Obj}$ gilt?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek II / Vertiefung: Welche Tubuslinsen-Brennweite ergibt eine Vergrößerung von 20×, sodass sie dem Olympus-Standard (180 mm) entspricht?

• → experiments/02_tubuslinse_vergroesserung.md

3. Industriekamera in Betrieb nehmen

Einstieg / Phänomen

• Was zeigt die Kamera im Live-Bild, bevor und nachdem du Belichtungszeit und Gain richtig eingestellt hast?
• Warum ist monochrom oft besser als Farbe für wissenschaftliche Mikroskopie?

Aufbau

• Wie installierst du den HIK-MVS-Treiber oder bindest die Kamera in ImSwitch ein?
• Wie sicherst du den C-Mount-Anschluss, ohne die Tubuslinse zu verkippen?

Messung / Diagnose

• Wie liest du Pixel-Auflösung, Bit-Tiefe, Sensorformat (1/2") und Pixelgröße (2.9 µm) aus der Kamera-Software?
• Wie überprüfst du mit einem homogenen Leuchtfeld (Flat-Field), ob der Sensor gleichmäßig empfindlich ist?

Variation

• Wie verändert sich das Signal-Rausch-Verhältnis, wenn du Gain von 0 auf Maximum erhöhst?
• Was zeigt sich im Differenzbild (Dunkelstrom-Offset), wenn du die Kamera mit geschlossenem Deckel aufnimmst?

Fehleranalyse

• Was tust du, wenn die Kamera nicht erkannt wird (USB-3 vs. USB-2 Problematik, fehlender Treiber)?
• Wie behebst du horizontale Streifen im Bild (Rolling-Shutter-Artefakte bei fluoreszierender Probe)?

Physikalischer Hintergrund

• Wie funktioniert ein CMOS-Sensor auf Pixel-Ebene (Photodiode, Quanteneffizienz, Read-out-Rauschen)?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek II / Vertiefung: Berechne theoretische Detektionsschwelle (SNR = 1) für die Kamera bei gegebener QE und Photonenzahl.

• → experiments/03_industriekamera.md

4. Vergrößerung quantitativ kalibrieren

Einstieg / Phänomen

• Wie viele Pixel breit ist ein 10-µm-Strich auf dem Objektmikrometer – und stimmt das mit der berechneten Vergrößerung überein?

Aufbau

• Wie legst du ein Strichraster (USAF-Target oder Millimeter-Objektträger) auf den Probenhalter?
• Wie richtest du das Bild waagerecht aus, bevor du misst?

Messung / Quantifizierung

• Wie lautet die Kalibration in µm/Pixel, und wie trägst du sie in Fiji/ImageJ ein?
• Wie groß ist das Sichtfeld (Field of View) in µm bei deiner aktuellen Konfiguration?

Variation

• Wie ändert sich die Kalibration, wenn du die Tubuslinse wechselst oder näher an die Kamera verschiebst?
• Wie kontrollierst du die Wiederholbarkeit: Miss denselben Strich zehnmal und berechne die Standardabweichung.

Fehleranalyse

• Warum liefert eine nicht-senkrechte Kamera-Ausrichtung (Tilt) einen systematischen Kalibrierungsfehler?

Physikalischer Hintergrund

• Was ist Verzeichnung (Barrel vs. Kissen), und wie korrektierst du sie in Fiji mit dem „Distortion Correction"-Plugin?

Alltagsbezug / Erweiterung

• Wie kalibrieren kommerzielle Mikroskopsysteme (Zeiss ZEN, Leica LAS) automatisch und wozu dient ein NIST-zertifiziertes Strichraster?

• → experiments/04_kalibrierung.md

5. Iris-Blende, Numerische Apertur, Auflösung

Einstieg / Phänomen

• Was siehst du im Bild, wenn du die Iris bis auf ein kleines Loch schließt – heller oder dunkler, schärfer oder unschärfer?
• Kannst du am USAF-Target ablesen, welche Liniengruppe du noch auflöst vs. welche verschwimmt?

Aufbau

• Wie setzt du die SK23-Iris in den Beleuchtungspfad, und an welcher Position hat sie den größten Effekt?

Messung / Quantifizierung

• Miss die NA deines 10×-Objektivs (NA 0.25): Wie viele µm entsprechen dem Abbe-Limit $d = \lambda/(2\cdot\text{NA})$ bei 550 nm?
• Wie viele Linienpaare/mm erkennst du am USAF-Target bei vollständig geöffneter vs. halb geschlossener Iris?

Variation

• Wie wirkt sich das Schließen der Aperturblende auf Schärfentiefe und Kontrast aus (Abbe-Trade-off)?
• Was passiert, wenn du das 4×-Objektiv (NA 0.1) nimmst – wie ändert sich die erreichbare Auflösung?

Fehleranalyse

• Warum kann auch ein hochauflösendes Objektiv schlechte Bilder liefern, wenn die Beleuchtungs-NA kleiner ist als die Detektions-NA?

Physikalischer Hintergrund

• Leite die Abbe-Formel $d = \lambda/(2\cdot\text{NA})$ aus dem Beugungsargument her.
• Was ist die Rayleigh-Kriterium-Variante und wie unterscheidet es sich von Abbe?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek I: Erkläre intuitiv, warum ein größeres Linsensystem besser auflöst.

• Sek II / Vertiefung: Berechne die Auflösung für NA 0.25, 0.45 und 1.25 (Öl) bei λ = 488 nm und trage sie tabellarisch auf.

• → experiments/05_blende_aufloesung.md

6. Bildaufnahme, Speicherung, einfache Analyse

Einstieg / Phänomen

• Was geht verloren, wenn du ein TIFF-Bild als JPEG speicherst – und woran erkennst du es im Histogramm?
• Welche Bildanalyse-Software ist kostenlos und in der Wissenschaft Standard?

Aufbau / Software

• Wie konfigurierst du ImSwitch für verlustfreie TIFF-Aufnahmen?
• Wie öffnest du das Bild in Fiji/ImageJ und siehst die Metadaten (Pixelgröße, Bit-Tiefe)?

Messung / Quantifizierung

• Wie misst du eine Struktur in µm in Fiji nach der Kalibrierung (Measure → Length)?
• Wie erstellst du einen Intensitätsprofil-Plot entlang einer Linie?

Z-Stack

• Wie nimmst du einen Z-Stack auf: Motor-Schrittweite festlegen, Stack-Anzahl, automatisches Speichern?
• Wie projizierst du den Z-Stack (Maximum Intensity Projection) in Fiji?

Fehleranalyse

• Was tust du bei Zitter-Artefakten im Z-Stack (Motor-Vibration, thermische Drift)?

Alltagsbezug / Erweiterung

• Welche weiteren Analyse-Schritte sind typisch in der Forschung: Segmentierung, Partikel-Tracking, Kolokalisierung?

• Sek II / Vertiefung: Schreibe ein Fiji-Makro, das automatisch einen Z-Stack aufnimmt und die Max-Projection speichert.

• → experiments/06_aufnahme_analyse.md

Cube-Module

Modul	Kurzbeschreibung	Datei
HIK USB3 Mono-Kamera (IMX179)	Detektion	modules/camera_hik_imx179.md
100 mm CCTV-Tubuslinse (C-Mount)	Tubuslinse	modules/tube_lens_100_cctv.md
10× Infinity-Objektiv (RMS)	Mikroskop-Objektiv	modules/objective_inf_10x.md
SK23 Iris-Blende	Apertur / Beleuchtungs­steuerung	modules/iris_sk23.md

Didaktische Anker

• Übergang Schul- zu Forschungs­optik.
• Begriffe NA, Auflösung, Modulationstransfer praktisch erfahrbar.
• Software-Pipeline (Treiber → Capture → Analyse) als Realweltkette.

Offene Fragen / TODO

• Vergleichstabelle Smartphone vs. Industriekamera.
• Empfohlene Standardproben (USAF-Target, Diatomeen).
• Eigene Seite für Treiberinstallation pro OS.