Mikroskopietechnik Teil 2 Lothar Fischer MST-Mikroskoptechnik

(Beitrag vom 26.09.2008 korrigiert am 19.05.2015)

Mikroskopietechnik (Teil2) Grundsätzliches

Es gibt in der Mikroskopie neben den individuellen Unterscheidungen in Qualität, Anwendung, Systemart, etc. zwei optische Mikroskop-Prinzipien:

  1. Mikroskope mit unendlich korrigierte Optik
    Sie sind gleichbedeutend mit denen der klassischen Mikroskopoptik, also die, die seit bestehen der Mikroskopie entwickelt und gebaut worden sind.
    Hauptmerkmal diese Optik sind begrenzte sogenannte Tubuslängen von 150 mm, 160 mm oder auch andere.
    (Im Endeffekt heißt das: man muss die Augen auf nahe Distanzen einstellen z.B. als wolle man Zeitung lesen also mit kurzem Leseabstand )


  2. Mikroskope mit endlich korrigierte Optik
    diese haben Tubuslängen in der Größenordnung von z.B. 760 mm – oder andere;
    (d.h. die Augen müssen nicht mehr auf Nahdistanz (wie beim Lesen) angestrengt werden; man blickt entspannt in die Ferne)
    Vorteile der "unendlichen Systeme"
    1. ermüdungsfreies Arbeiten
    2. hohe Bildqualitäten
    3. große Bildfelder mit nahezu konstanter Brillanz über das gesamte Bildfeld
    4. homogene Ausleuchtung



Nachteil der "unendlichen Systeme"

  1. der technische Aufwand ist wesentlich größer als der bei "endlichen Systemen"
  2. der Preis ist wesentlich über der klassischen Optik angesiedelt
Unendlich korrigierte Systeme (Mikroskope) werden von Zeiss, Olympus, Nikon und Leica produziert.

Durchlicht/Dunkelfeld - Dunkelfeldmikroskopie als eine Durchlichtmethode

das Licht, wird optisch im Dunkelfeldkondensor in seiner Richtung so umgestaltet ist, dass eine seitliche Objektbeleuchtung
erfolgt. Voraussetzung ist dabei ein kleinerer Blickwinkel am Objektiv als der Ausleuchtungswinkel am Kondensor.
Erreicht wird diese Bilddarstellung dadurch, dass das Licht durch einen speziellen Lichtkondensor geschickt wird.

Es gibt 2 Arten von Kondensoren:

  1. Kardioid-Systeme
    Der Lichtstrahl geht senkrecht von unten in den Kondensor. Im Kondensor wird der Lichtstrahl reflektiert und
    über eine kugelig Linsenkonstruktion (Totalreflexion) wird der Lichtstrahl schräg nach oben in Richtung
    Präparat ausgeleitet. Der Ausleitungswinkel ist immer größer als der maximale Blickwinkel des jeweiligen Objektivs
    Wesentlich ist aber dabei, dass nahezu die gesamte Menge an Licht aus dem Kondensor heraus geleitet wird.
    Das schräg austretende Licht beleuchtet seitlich. Vorder- und Hintergrund sind nicht sichtbar. Der Hintergrund
    erscheint schwarz und damit als nicht existent.

  2. Ausblend-Systeme
    Der Lichtstrahl geht senkrecht von unten in den Kondensor. Zentrisch ist der Kondensor mit einer opaken, nach
    innenverspiegelten, kreisrunden Fläche versehen. Diese Fläche ist durchmessermäßig mindestens so groß, wie
    der Blickwinkel des jeweiligen Objektivs maximal überblicken kann. Der Teil des Lichtstrahls, der auf diese Fläche trifft
    wird in sich reflektiert.
    Aus dem Kondensor wird dann nur noch der Lichtstrahlteil nach oben hin in Richtung Präparat ausgeleitet, der auf den
    kreisrunden Randbereich des Kondensors, also der Bereich der nicht in sich verspiegelt wurde, trifft.
    Der Effekt entspricht dem des Kardioiden mit dem Nachteil, dass eine erhebliche Menge an Licht verloren gegangen ist
    Zur Objektbeleuchtung dient nur der ringförmig austretende Randlichtstrahl.
    Mit echten Kardioiden (Dunkelfeldkondensoren) werden darüber hinaus die besseren Bilder erzeugt als mit
    Ausblendsystemen, weil die Lichtintensität und die Lichtfarben in einem Durchmesser - dimensionierten
    Lichtstrahlenbündel nicht homogen ist und diese Inhomogenität zu Rand hin anwächst!


Zeiss und auch MST setzt nur Kardioide ein!
Bei den Mikroskopen der Firmen Hund, Olympus oder auch bei anderen Herstellern werden Ausblendsysteme angewendet! (Ursache: Kosten, Verfahrenstechnologien, Patentrechte)
Die Mikroskope MST-Axiostar (unendlich)
  • MST-MAD-500 (endlich)
  • MST-BM-100 (endlich)
sind mit Kardioidsysteme ausgestattet .

Licht-Technisches
Grundsätzlich ist nicht entscheidend, wie viel Licht für die Beleuchtung des Objektes in einem Mikroskop erzeugt wird, sondern wie viel Licht durch den Kondensor in das Präparat abgestrahlt wird.
Ausblendsysteme besitzen den geringsten Wirkungsgrad, sie verbrauchen bis zu 90% des eingesetzten Lichtes in der Lichtübertragung – effektiv werden dann nur noch geringe Lichtleistungen in das Präparat gesendet!
Die Folge: man muss hohe Lichtwerte erzeugen, um noch einigermaßen effektive Beleuchtungsergebnisse zu erzielen.
Kardioide verbrauchen dagegen wesentlich weniger Licht, weil alles Licht, was in den Kondensor reingeschickt wird, den Kondensor abgewinkelt in Richtung Präparat wieder verläßt. Ein Verlust kommt nur durch den Transmissionsgrad des Kondensors und Reflexion im System zustande.
Bei Einsatz von Kardioidsysteme können aufgrund der winkligen Lichtabstrahlung und der geringen Lichtverluste solche Okulare mit großen Blickfelder eingesetzt werden, da die Objektausleuchtung wesentlich größer ist als bei je bei Ausblendsystemen konzipiert werden kann.

Höherwertige Lampenleistungen verbessern bei Kardioiden damit die Ausleuchtungshomogenität und natürlich auch die Handhabungssicherheit.

Bei Ausblendsystemen sind hohe Lampenleistungen (Wertangabe zur Apertur) qualitativ nicht relevant!
Derartige Angaben beschreiben lediglich das Einsatzgebiet (Vergrößerungsbereiche) der Kondensoren.

Es gilt:
  1. Kondensoren mit Aperturzahl kleiner 1,0: Objektive bis maximaler Lupenvergrößerung 40x / 50x
    hier werden häufig nur Trockensysteme eingesetzt !
  2. Kondensoren mit Aperturzahl größer 1,0: Objektive bis Lupenvergrößerung 100x
    hier werden in der Regel immersive Systeme eingesetzt (Oil)
Höherwertige Lampenleistungen verbessern bei Kardioiden damit die Ausleuchtungshomogenität und natürlich auch die Handhabungssicherheit.

Homogenität

Die Homogenität des Lichtes stellt einen wesentlichen Qualitätsaspekt dar. Bei Kardioden wird die Lichtmenge einer Lichtquelle gleichmäßige über das gesamte Objektfeld verteilt. Bei Ausblendsystemen wird dies sehr von der eingesetzten Lampe, der Lampenjustierung und letzt endlich von der Optikqualität beeinflußt. Ein hoher Justageaufwand beim Lampenwechsel ist in Regel die Folge.

Bei MST-Mikroskopen wird eine externe 100 Watt Kaltlichtquelle eingesetzt. Es steht eine mehr als ausreichende Lichtmenge zur Verfügung. Das Licht wird über ein Kardioidsystem schräg aber homogen in das Präparat geleitet.

Es wird keine Wärme mit dem Lichtstrom übertragen.
Diese Effekte kommen letztendlich der Bildqualität sowie der Lebensdauer der Präparate zu gute!

Zentrierung

In einem Mikroskop müssen alle optischen Bauelemente mechanisch so eingebaut sein, dass alle Optiken zu einander zentriert (Qualität des Mikroskope) sind. Die Mechanik und deren Ausfertigung begründet hier die Qualitätsklasse der Mikroskope und auch letztendlich deren preisliche Einstufung.
Die Beleuchtung als Lichtstrom muss ebenfalls mittig zentriert im optischen Strahlengang (optische Achse) angeordnet sein. Mittels Zentrierschrauben, mit denen die Lage des Kondensors horizontal verstellt werden kann, wird diese Zentrierung erreicht.

Mikroskope die eine derartige Zentriermöglichkeit nicht aufweisen, sind keine Geräte mit denen eine seriöse und ordentliche Mikroskopie betrieben werden kann.

Einiges Grundsätzliches zur qualitativen Beurteilung:
Es gibt 3 Objektiv - Klassen:
  1. Klasse. Achromate: Farbe ist korrigiert
  2. Klasse. Plan-Achromate: Farbe und Geometrie ist korrigiert
  3. Klasse. Apo-Plan-Achromate: doppelte - oder mehrfache Korrektur in Farbe und Geometrie
natürlich gibt es auch Zwischenstufen wie z.B. die Semi-Plan-Achromate (zwischen 1. und 2.)
Diese Klassifizierung bezieht sich auf die Gestaltung der Objektive im Bezug auf deren theoretischen Abbildungsleistung der real zur betrachteten Wirklichkeit.
MST setzt bei allen Mikroskopen nur Plan-Achromate oder bessere Optiken ein!

Bei der Firma Hund werden Achromate für 4x, 10x, 40x und Semi-Plan-Achromate für 100x ( H-600LL ) als Basissysteme eingesetzt. Plan-Achromate wären dort sicher auch möglich – diese erhöhen aber die Kosten für das Mikroskop erheblich!
(die qualitativen Ansprüche der Hersteller an sich selbst - sind hier ausnahmsweise einmal nicht mit beachtet!)

Einiges Optisches

Die Vergrößerung eines Mikroskops ist kein Maßstab der Qualität ! ... weil die Vergrößerung ein funktionelles Produkt zwischen Objektiv-Vergrößerung und der Vergrößerung der zum Einsatz gebrachten Okulare ist.
Es gibt keine Objektive, die höher als 100x vergrößern. Das wird durch die physikalischen Grenze in der optischen Abbildung bestimmt. Das Brechungsvermögen(index) der Linsen (Glaseigenschaften) ist die bestimmende Eigenschaft.

  • Apertur: Verhältniszahl aus
    Öffnung der Frontlinse eines Objektivs (Verhältnis aus Linsendurchmesser zu Objektabstand) zum Brechungsindex des eingesetzten Glases

  • Vergrößerung/Mikroskop: Produkt aus Objektivvergrößerung (z.B.100x ) X Okularvergrößerung (z.B.10x ) = Gesamtvergrößerung (hier im Beispiel 1000x )
    (Beschriftung auf den Objektive und Okularen: immer die jeweils erste deutlich sichtbare Zahl)
Nominelle Vergrößerungen größer als (hier bei 1000x) können (werden) nur über einen Okularwechsel mit höheren Vergrößerungen wie z.B.: 12,5x, 15x oder 16x oder... erreicht. Dabei wird mit höherer Gesamtvergrößerung des Mikroskops der Durchmesser des sichtbaren Bildes (Bildkreisdurchmesser) immer kleiner und die Beleuchtungsstärke ( Bildhelligkeit) nimmt expotentiell ab.

Auch bei den Okularen gibt es, physikalisch und damit technische Grenzen. In der Mikroskopie beziehen sind diese
Grenzen immer auf die jeweilige Mikroskopieraufgabe.

Auflösungsgrenze

Das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges ist im Zusammenspiel mit den jeweiligen Beleuchtung zu betrachten.
Man spricht von physiologischen Grenzen und dem Mikroskopieren in "leeren" Vergrößerungen ab 1.500fach. Ab hier kann man 2 Punkte nicht mehr als 2 Punkte auflösen bzw. erkennen! – die Bilder werden zwar größer dargestellt;

die Details als die Trennung der abgebildeten Objekte in ihre Details werden aber damit leider nicht mehr !
Diese Zusammenhänge gelten auch für Kameratechniken, die im sichtbaren Lichtbereich arbeiten (Bradford).
Es wird der jeweilige "Unschärfekreis" des dargestellten Bildes weiter vergrößert. Die Detailhaftigkeit wird nicht größer.

Handhabung

Die Reproduzierbarkeit der Einstellung ist eine der Hauptbedingungen für die Mikroskopie und speziell der DFMikroskopie.
Mit unseren Mikroskopen MS-MAD-500 oder aber den MST/Zeiss-Systemen wird eine hohe Reproduzierbarkeit und funktionell sichere Handhabung erreicht. Beim MST-MAD-500, bei MST-BM-100 und bei MST-Axiostar - System ist ein einfache und übersichtliche Handhabung, besonders beim Reinigen, bei der Demontage und Montage der optischen Bauelemente, die mit Oil benetzt werden, gegeben. Diese Systeme sind in der Handhabung einfach und unkritisch.

Die Handhabung des Mikroskops, eine Anlieferung, Aufstellung und Einweisung in die Bedienung des Mikroskops sollte für den Kunden ein abschließendes und damit auch wesentliches Entscheidungskriterium sein.

Zusammenfassend
Entscheidend ist nicht das nominell vergrößerungsstärksten Okulare/Objektiv, sondern solche Systeme, mit denen man für die jeweilige Aufgabe optimale bzw. vernünftigste Bilder erzeugen kann!
und genau dieser Zusammenhang ist auch die Ursache für die Vielfalt der Mikroskopierarten und dann natürlich der Mikroskope selbst!

zum Teil1 Mikroskopietechnik


Lothar Fischer
MST MicroSystemTechnik GmbH


 


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