Lichtmikroskop
Das Lichtmikroskop ist ein spezielles Mikroskop, das es erlaubt, Objekte vergrößert anzusehen.
1. Okular
2. Objektivwechselrevolver (Revolver)
3. Objektiv
4. Grobeinstellung
5. Feineinstellung
6. Präparat
7. Spiegel
8. Kondensor
Prinzip
Das vom Objekt kommende Licht wird durch eine Kombination von mindestens zwei Linsensystemen, dem Objektiv (3) und dem Okular (1), optisch abgebildet. Dabei bildet zunächst das Objektiv das Objekt in ein reales Zwischenbild ab, welches durch das Okular analog zur Lupe vergrößert betrachtet wird. Die Vergrößerung des Mikroskops ergibt sich durch das Produkt aus Objektivvergrößerung und Okularvergrößerung. Die Objektive sind in der Regel wechselbar, so dass die Vergrößerung der jeweiligen Aufgabenstellung angepasst wird. Der Objektivrevolver (2) ermöglicht den schnellen Objektivwechsel durch Drehen des jeweils gewünschten Objektivs in den Strahlengang. Die Fokussierung erfolgt durch einen höhenverstellbaren Tubus oder Objekttisch. Dieser ist häufig auch mit einem verschiebbaren Objekthalter ausgestattet, um das beobachtete Objekt vor dem Objektiv zu positionieren.
Man unterscheidet die Durchlichtmikroskopie, bei der das Objekt transparent oder sehr dünn ist und von der dem Objektiv abgewandten Seite beleuchtet wird, und die Auflichtmikroskopie. Bei dieser wird durch Beleuchtung von der dem Objektiv zugewandten Seite die Oberfläche des Objekts untersucht. Bei der Auf- und Durchlichtmikroskopie unterscheidet man außer der normalen Hellfeldmikroskopie die Dunkelfeldmikroskopie und die Phasenkontrastmikroskopie.
Beleuchtungsoptik
Die Köhlersche Beleuchtung ist die übliche Methode einer Durchlichtanordnung. Sie besteht aus folgenden Elementen:
- Lichtquelle
- Kollektor
- Leuchtfeldblende
- Aperturblende
- Kondensor
Zum Erreichen der optimalen Leistungsfähigkeit eines Mikroskops ist eine korrekte Abstimmung der Blendenabbildung und der Objektabbildung nötig. Bei der Köhlerschen Beleuchtung bildet der Kollektor die Lichtquelle in die Aperturblende ab und gleichzeitig der Kondensor die Leuchtfeldblende in das Objekt.
Auflösung
Entscheidend für die Fähigkeit eines Mikroskops, Strukturen kleiner Objekte unterscheidbar abzubilden, ist nicht die Vergrößerung, sondern die Auflösung. Diese Tatsache ist nicht durch strahlenoptische Überlegung zu verstehen, sondern ergibt sich aus der Wellennatur des Lichts. Der Eisenacher Physiker Ernst Abbe erkannte als erster den entscheidenden Einfluss der Numerischen Apertur auf die Auflösung. Er gab als förderliche Vergrößerung
an. Dies bedeutet, dass die kleinsten vom Objektiv aufgelösten Strukturen nach der Abbildung durch das Okular im Auge noch aufgelöst werden können, also etwa unter einem Winkel von 2° erscheinen. Wird die Vergrößerung höher gewählt (z. B. durch ein Okular mit hoher Vergrößerung), wird das Bild des Objekts zwar größer dargestellt, aber es sind keine weiteren Objektdetails erkennbar. Objektive und Okulare müssen also aufeinander abgestimmt sein.
Nach den Gesetzen der Wellenoptik ist die Auflösung des Lichtmikroskops bei optimalen Bedingungen auf etwa 0,3 Mikrometer beschränkt: Das Mikroskop ist die Umkehrung der Fotolithografie mit der man ein Beugungsgitter belichten kann, indem man zwei Laserstrahlen in verschiedenen Winkel auf einer Photoplatte zur Interferenz (Physik) bringt. Das feinste Gitter erhält man, wenn die beiden Strahlen von entgegengesetzten Seiten in streifenden Einfall eintreffen. Dies ist gleichzeitig das feinste Gitter, welches ein Mikroskop sehen kann. Dies sieht man gut in dem Bild: Bei rotem Licht werden die Linien nur bis 0,5 Mikrometer aufgelöst. Diese vorläufige Beschränkung auf Gitter heißt auch Abbesche Theorie.
Zur Erhöhung der Auflösung kann entweder UV-Licht verwendet werden, was jedoch nicht zur Beobachtung mit dem Auge geeignet ist, oder zwischen Objekt und Objektiv wird Öl gegeben (Ölimmersionsmikroskop), wodurch das Mikroskop auch lichtstärker wird. Dabei wird in der Regel das Objekt durch ein Deckglas abgedeckt.
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Blick durch das Mikroskop bei blauem Licht - Linien werden bis 0,4 Mikrometer aufgelöst -
Bei rotem Licht werden die Linien nur bis 0,5 Mikrometer aufgelöst
Ernst Abbe erarbeitete wesentliche wissenschaftliche Grundlagen zum Bau von Mikroskopen und produzierte zusammen mit Carl Zeiss Mikroskope in dessen optischen Werkstätten. Dabei profitierten sie von den von Otto Schott entwickelten optischen Gläsern.
Geschichte des Mikroskops
Es ist nicht möglich, den "Erfinder" des Mikroskopes zu benennen. Einfache Vergrößerungslinsen waren schon im 16. Jahrhundert bekannt, und das Prinzip der Vergrößerung durch mit Wasser gefüllte Glasschalen wurde bereits von den Römern beschrieben (Seneca).
Der niederländische Brillenmacher Hans Janssen und sein Sohn Zacharias Janssen werden häufig als die Erfinder des ersten zusammengesetzten Mikroskopes im Jahr 1590 angesehen. Dies basiert jedoch auf einer Erklärung von Zacharias Janssen selbst aus der Mitte des 17. Jahrhunderts. Das Datum ist dabei fragwürdig, da Zacharias Janssen selbst erst 1590 geboren wurde. Ein anderer Kandidat für den Titel „Erfinder des Mikroskopes“ war Galileo Galilei. Er entwickelte das Occhiolino oder zusammengesetzte Mikroskop mit einer konvexen und einer konkaven Linse im Jahr 1609. Allerdings hatte Zacharias Janssen ein Gerät mit dem gleichen Funktionsprinzip bereits ein Jahr zuvor auf der Frankfurter Messe vorgeführt. Galileis Mikroskop wurde von der „Akademie der Luchse“ gefeiert, die im Jahr 1603 von Federico Cesi gegründet worden war. Francesco Stellutis (Mitglied in der Akademie der Luchse) Zeichnung von drei Bienen, die mit Hilfe des Mikroskopes entstanden, waren Teil des Familienwappens von Papst Urban VIII. Stelluti schrieb in ein Banner oberhalb der Insektenzeichnung: „Für Urban VIII. Pontifex Optimus Maximus ..... von der Akademie der Luchse, und in ewiger Verehrung widmen wir Euch dieses Symbol“. (vgl. Stephen Jay Gould, Die Lügensteine von Marrakesch, pp. 52-53 S.Fischer Vlg., 2003).
Christiaan Huygens, ebenfalls Niederländer, entwickelte ein einfaches Zwei-Linsen-Okularsystem im späten 17. Jahrhundert. Es war achromatisch korrigiert und deshalb ein großer Fortschritt in der Entwicklung des Mikroskopes. Okulare nach Huygens werden bis heute produziert, sind jedoch im Vergleich zu modernen Weitfeldokularen optisch deutlich unterlegen.
Antoni van Leeuwenhoek (sprich: Lee-u-hen-huk) (1632-1723) wird generell dafür geehrt, die Mikroskopie für die Biologie erschlossen zu haben. Er war brillant im exakten Schleifen kleinster Linsen, eine Technik, die zuvor nur unzureichend gemeistert worden war. Seine einfachen Ein-Linsen-Mikroskope waren unhandlich zu benutzen, doch da er nur mit einer Linse mikroskopierte, konnte er kleinste Strukturen darstellen, die bis dahin in Mehrlinsen-Systemen mit akkumulierenden Linsenfehlern nicht darstellbar waren. Seine Mikroskope hatten eine bis zu 270-fache Vergrößerung. So entdeckte Leeuwenhoek die ersten „Animalkulen“, das heißt einzellige Bakterien und Protozoen. Es dauerte 160 Jahre, bevor das zusammengesetzte Mikroskop die selbe Abbildungsqualität erzeugte, wie Leeuwenhoeks einfaches Mikroskop. Moderne Mikroskope, die fest mit einer Kamera verbunden sind (USB-Mikroskope), bestehen wieder nur aus einer Linse (dem Objektiv ohne Okular) und können auch als Makro-Objektive bezeichnet werden.
Anschluss einer Digitalkamera an ein Lichtmikroskop
Für digitale Fotos ist eine mechanische und optische Anpassung notwendig. Ein Adapter verbindet die Kamera mit dem Mikroskop. Eine feste mechanische Verbindung ist besonders wichtig, da kleinste Bewegungen (Schwingungen) der Kamera die Bildqualität stark reduzieren. Des weiteren ist eine optische Anpassung des Strahlengangs notwendig, damit auf den Sensor der Kamera (CCD / CMOS) ein voll ausgeleuchtetes scharfes Bild projiziert wird.
Siehe auch
Weblinks
- Die Mikrofibel PDF-Dokument zur Lichtmikroskopie
- Optical Microscopy Primer: Umfangreiches Tutorial mit virtuellen Mikroskopen (englisch)
- Museum optischer Instrumente: Historische Mikroskope: Entwicklung des wissenschaftlichen Mikroskopbaus in Deutschland, illustriert mit über 2000 Fotos
- Mikroskop-Museum