Grundlagen zu Mikroskopen und Mikroskopobjektiven

Bestandteile von Mikroskopen | Wichtige Konzepte und Spezifikationen | Anwendungsbeispiele der optischen Mikroskopie

Ein Mikroskop ist ein optisches Gerät, mit dem ein Objekt für das menschliche Auge oder ein Bildaufnahmegerät abgebildet werden kann. Die ersten Mikroskope, die aus zwei Elementen bestanden, erzeugten einfach ein größeres Bild des zu untersuchenden Objekts, als das, was ein menschliches Auge beobachten konnte. Das Design hat sich im Laufe der Geschichte des Mikroskops weiterentwickelt und umfasst heute mehrere Linsen, Filter, Polarisatoren, Strahlteiler, Sensoren, Beleuchtungsquellen und eine Vielzahl anderer Komponenten. Um diese komplexen optischen Geräte zu verstehen, sollten Sie sich die Komponenten eines Mikroskops, die wichtigsten Konzepte und Spezifikationen sowie die Anwendungen ansehen.

Bestandteile von Mikroskopen

Ein zusammengesetztes Mikroskop besteht aus mehreren Linsenelementen. Es funktioniert ähnlich wie ein einfacher Vergrößerer, der mit einer einzigen Linse ein kleines Objekt vergrößert, damit das menschliche Auge seine Details erkennen kann. Bei einem einfachen Vergrößerer wird das Objekt innerhalb der Brennweite der einzelnen Linse platziert. Dadurch entsteht ein vergrößertes, virtuelles Bild. Bei einem Mikroskop ersetzt ein Relais-Linsensystem die Einzellinse; ein Objektiv und ein Okular arbeiten zusammen, um das Bild des Objekts auf das Auge oder einen Sensor zu projizieren – je nach Anwendung. Ein Mikroskop besteht aus zwei Teilen, die die Gesamtvergrößerung des Systems erhöhen: dem Objektiv und dem Okular. Das Objektiv, das dem Objekt am nächsten ist, gibt ein reales Bild des Objekts an das Okular weiter. Dieser Teil des Mikroskops wird benötigt, um die Grundvergrößerung zu erzeugen. Das Okular, das sich am nächsten zum Auge oder zum Sensor befindet, projiziert und vergrößert dieses reale Bild und erzeugt ein virtuelles Bild des Objekts. Okulare bieten in der Regel eine zusätzliche 10-fache Vergrößerung, die jedoch von 1 bis 30 variieren kann. In Abbildung 1 sind die Bestandteile eines zusammengesetzten Mikroskops dargestellt. Außerdem zeigt Gleichung 1, wie man die Gesamtvergrößerung des Systems berechnet. In Gleichung 1 ist m die Vergrößerung.

Abbildung 1: In Abbildung 1 sind die Bestandteile eines zusammengesetzten Mikroskops dargestellt.

Okulare

Bei der Erfindung der Mikroskope spielten die Okulare eine wichtige Rolle, da sie die einzige Möglichkeit darstellten, das zu untersuchende Objekt tatsächlich zu sehen. Heute wird mit analogen oder digitalen Kameras ein Bild des Objekts auf einen Monitor oder einen Bildschirm projiziert. Mikroskopokulare bestehen in der Regel aus einer Feldlinse und einer Augenlinse, wobei es mehrere Designansätze gibt, die jeweils ein größeres Bildfeld (FOV) als ein Okular mit nur einem Element bieten. Eine einfache Anleitung zur Auswahl des richtigen Designs finden Sie unter Auswahl des richtigen Okulars.

Beleuchtung

Die Beleuchtung in einem Mikroskop ist ebenso wichtig wie die Wahl des richtigen Okulars oder Objektivs. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen, muss die richtige Beleuchtung gewählt werden. Bevor Sie sich für eine Beleuchtungsart entscheiden, sollten Sie die Anwendungsbedingungen, das zu prüfende Objekt und die gewünschten Ergebnisse berücksichtigen.

Viele Mikroskope verwenden eine Hintergrundbeleuchtung im Gegensatz zur herkömmlichen Beleuchtung mit direktem Licht, da letztere das zu untersuchende Objekt in der Regel zu stark sättigt. Eine spezielle Art der Hintergrundbeleuchtung, die in der Mikroskopie eingesetzt wird, ist die Köhler-Beleuchtung. Bei der Köhler-Beleuchtung wird das zu untersuchende Objekt von einer Beleuchtungsquelle, z. B. einer Glühbirne, mit Licht von hinten angestrahlt (Abbildung 2). Dabei werden zwei konvexe Linsen eingesetzt: die Sammellinse und die Kondensorlinse. Die Köhler-Beleuchtung ist so konstruiert, dass sie eine helle, gleichmäßige Beleuchtung auf der Objektebene und auf der Bildebene bietet, wo das vom Objektiv erzeugte Bild dann durch das Okular wieder abgebildet wird. Dies ist wichtig, weil es sicherstellt, dass der Benutzer nicht den Glühfaden der Glühbirne abbildet. Da die Hintergrundbeleuchtung das Objekt großflächig von hinten beleuchtet, wird sie auch als Hellfeldbeleuchtung bezeichnet.

Abbildung 2: Aufbau der Köhler-Beleuchtung.

Die Hellfeldbeleuchtung erfordert eine Veränderung der Lichtdurchlässigkeit im gesamten Objekt. Ohne diese Änderung erzeugt die Beleuchtung eine dunkle Unschärfe um das Objekt herum. Das Endergebnis ist ein Bild mit relativem Kontrast zwischen Teilen des Objekts und der Lichtquelle. In den meisten Fällen, es sei denn, das Objekt ist extrem transparent, ermöglicht das resultierende Bild dem Benutzer, jeden Teil des Objekts mit einer gewissen Klarheit und Auflösung zu sehen. In Fällen, in denen die Transparenz eines Objekts die Unterscheidung von Merkmalen unter Einsatz einer Hellfeldbeleuchtung erschwert, kann eine Dunkelfeldbeleuchtung verwendet werden.

Bei der Dunkelfeldbeleuchtung werden keine direkten Lichtstrahlen in das Objektiv geschickt, sondern sie treffen in einem schrägen Winkel auf das Objekt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass diese Strahlen das Objekt in der Objektebene immer noch beleuchten. Das resultierende Dunkelfeldbeleuchtungsbild erzeugt einen hohen Kontrast zwischen dem transparenten Objekt und der Lichtquelle. Bei der Verwendung in einem Mikroskopie-Aufbau erzeugt die Dunkelfeldbeleuchtung eine Lichtquelle, die einen umgekehrten Lichtkegel bildet, der die zentralen Lichtstrahlen blockiert, aber die schräg einfallenden Strahlen weiterhin das Objekt beleuchten lässt. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für einen Dunkelfeldbeleuchtungsaufbau, bei dem der hohle Lichtkegel die numerische Apertur des Objektivs darstellt. Im Vergleich dazu werden bei einer Hellfeldbeleuchtungseinrichtung keine Strahlen blockiert. Das Design der Dunkelfeldbeleuchtung „zwingt“ das Licht, das zu untersuchende Objekt zu beleuchten, aber nicht in das optische System einzudringen, was bei transparenten Objekten vorteilhaft ist.

Abbildung 3: Ein Dunkelfeldbeleuchtungsaufbau.

Eine dritte Beleuchtungsart, die in der Mikroskopie verwendet wird, ist die Epi-Beleuchtung. Die Epi-Beleuchtung erzeugt Licht oberhalb des Objektivs. Daher ersetzen das Objektiv und die Epi-Beleuchtungsquelle einen Köhler-Beleuchtungsaufbau. Die Verwendung des Objektivs für einen großen Teil der Beleuchtung macht die Epi-Beleuchtung sehr kompakt – ein großer Vorteil dieser Konstruktion. Abbildung 4 zeigt einen Epi-Beleuchtungsaufbau, der häufig bei Fluoreszenzanwendungen verwendet wird. Weitere Informationen zur Fluoreszenzmikroskopie finden Sie unter Fluorophore und Filter für die Fluoreszenzmikroskopie.

Abbildung 4: Aufbau einer Epi-Beleuchtung.

Objektive

Mikroskope können vergrößerte, reale Bilder dank Objektiven liefern. Objektive sind aufgrund ihres mehrteiligen Aufbaus vielleicht die komplexesten Komponenten in einem Mikroskopsystem. Objektive sind mit Vergrößerungen von 2X - 200X erhältlich. Sie werden in zwei Hauptkategorien eingeteilt: die traditionellen refraktive Objektive und die Spiegelobjektive. Jede Kategorie wird weiter in Typen unterteilt: endlich korrigiert und unendlich konjugiert (unendlich korrigiert). Um das richtige Objektiv zu wählen, müssen die Vorteile einer Kategorie und eines Typs gegenüber den anderen bekannt sein.

Objektive: Brechend

Die am häufigsten verwendete Kategorie von Objektiven sind refraktive Objektive. Bei einem refraktiven Design wird das Licht, das das System durchläuft, durch die optischen Elemente gebrochen bzw. gebogen. Jedes optische Element ist in der Regel antireflektierend beschichtet, um Rückreflexionen zu verringern und den Lichtdurchsatz zu verbessern. Refraktor-Objektive werden häufig in Bildverarbeitungsanwendungen eingesetzt, die eine Auflösung von extrem feinen Details erfordern. Es gibt mehrere refraktive Objektivdesigns, die jeweils unterschiedliche optische Konfigurationen verwenden. Die Ausführungen können von zwei Elementen in einfachen achromatischen Objektiven (eine achromatische Linse und eine Meniskuslinse) bis zu fünfzehn Elementen in plan-apochromatischen Objektiven reichen (Abbildung 5). Plan-apochromatische Objektive sind die komplexesten High-End-Objektive, bei denen die Farb- und Bildfeldkorrektur im Objektiv selbst erfolgt.

Abbildung 5: Apochromatisches Objektiv (links) und achromatisches Objektiv (rechts).

Objektive: Spiegelobjektive

Spiegelobjektive verwenden ein reflektierendes oder spiegelndes Design. Sie werden gegenüber refraktiven Objektiven oft übersehen, obwohl sie viele Probleme korrigieren können, die bei letzteren Objektiven auftreten. Spiegelobjektive bestehen aus einem Primär- und einem Sekundärspiegelsystem (Abbildung 6) zur Vergrößerung und Weitergabe des Bildes des zu untersuchenden Objekts. Edmund Optics^® verwendet das beliebte Schwarzschild-Design, es sind aber auch andere Designs verfügbar. Da das Licht von metallischen Oberflächen reflektiert und nicht wie bei Glasoberflächen gebrochen wird, leiden Spiegelobjektive nicht unter denselben Abbildungsfehlern wie refraktive Objektive und benötigen daher keine zusätzlichen Designkniffe, um diese Abbildungsfehler auszugleichen. Spiegelobjektive können eine höhere Lichtausbeute und ein besseres Auflösungsvermögen für die Abbildung feiner Details erzielen, da das System in erster Linie von der Spiegelbeschichtung und nicht vom verwendeten Glassubstrat abhängt. Ein weiterer Vorteil von Spiegelobjektiven ist die Möglichkeit, aufgrund der Verwendung von Spiegeln im Vergleich zu herkömmlichen refraktiven Optiken, tiefer im ultravioletten (UV) oder infraroten (IR) Spektralbereich zu arbeiten.

Abbildung 6: Der Aufbau eines Spiegelobjektivs.

Wichtige Konzepte und Spezifikationen

Die meisten Spezifikationen von Mikroskopobjektiven sind auf dem Objektiv selbst angegeben: Objektivdesign/Standard, Vergrößerung, numerische Apertur, Arbeitsabstand, Abstand zwischen Linse und Bild und Deckglasdickenkorrektur. Abbildung 7 zeigt, wie man die Spezifikationen von Mikroskopobjektiven ablesen kann. Da sich die Spezifikationen direkt auf dem Objektiv befinden, lassen sie sich leicht überblicken – dies ist besonders wichtig, wenn man mehrere Objektive in eine Anwendung integriert. Alle übrigen Spezifikationen, wie Brennweite, Bildfeld und Wellenlänge können leicht berechnet oder in den Spezifikationen des Anbieters oder Herstellers gefunden werden.

Abbildung 7: Ein typisches transmittierendes Mikroskopobjektiv.

Der Objektivstandard

Wenn das Objektiv einer einfachen Mikroskopnorm entspricht (z. B. DIN oder JIS), ist diese auf dem Gehäuse angegeben, um zu zeigen, welche Spezifikationen im System vorhanden sein müssen. Die meisten zusammengesetzten Mikroskope verwenden die Deutsche Industrienorm (DIN). Die DIN-Norm hat einen Abstand von 160 mm vom Objektivflansch zum Okularflansch (Abbildung 8). Die andere verfügbare Norm ist die Japanische Industrienorm (JIS). Die JIS-Norm hat einen Abstand von 170 mm vom Objektivflansch zum Okularflansch (Abbildung 9). Diese beiden Entfernungen müssen bei der Wahl des richtigen Objektivs und Okulars beachtet werden, um sicherzustellen, dass das vom Objektiv projizierte Bild durch das Okular richtig abgebildet wird. Obwohl die Bildabstände bei DIN und JIS unterschiedlich sind, gibt es keinen Unterschied in der optischen Leistung; sie sind von gleicher Qualität. Ebenso verwendet jede Norm das gleiche RMS-Montagegewinde von 0,7965" x 36TPI.

In der Vergangenheit wurden DIN und JIS verwendet, wenn es um ein klassisches zusammengesetztes Mikroskop ging. Einige Mikroskophersteller ziehen es vor, die Tubuslinsenlänge nach den optischen Eigenschaften statt nach den mechanischen anzugeben. Bei einem Objektiv nach DIN-Norm ändert sich dadurch die Tubuslinsenlänge auf 150 mm, da das Okular die Zwischenbildebene abbildet (Abbildung 8). Schließlich gibt es noch eine Größe, die üblicherweise für Mikroskopobjektive angegeben wird: der parfokale Abstand, auch als Abgleichlänge bezeichnet (PD). Der parfokale Abstand ist der Abstand vom Flansch des Objektivs bis zum betrachteten Objekt. Bei DIN-Objektiven beträgt dieser Abstand standardmäßig 45 mm und bei JIS-Objektiven 36 mm (Abbildungen 8 und 9).

Abbildung 8: Die DIN-Norm.

Abbildung 9: Die JIS-Norm.

Vergrößerung

Okulare und Objektive haben beide eine Vergrößerung, die jeweils zur Gesamtvergrößerung des Systems beitragen. Die Vergrößerung wird in der Regel durch ein X neben einem numerischen Wert angegeben. Die meisten Objektive haben einen farbigen Streifen um den gesamten Umfang des Gehäuses, der ihre Vergrößerung anzeigt (Abbildung 7). Ein gelber Streifen bedeutet zum Beispiel eine 10-fache Vergrößerung.

Numerische Apertur

Die numerische Apertur (NA) eines Objektivs ist eine Funktion der Brennweite und des Eintrittspupillendurchmessers. Objektive mit großer NA erfordern manchmal die Verwendung von Immersionsölen zwischen dem zu untersuchenden Objekt und der Vorderseite des Objektivs. Der Grund dafür ist, dass die höchste NA, die in Luft erreicht werden kann, eine NA von 1 ist (was einem Lichtwinkel von 90° entspricht). Um einen größeren Winkel zu erhalten und die in das Objektiv eintretende Lichtmenge zu erhöhen (Gleichung 2), muss mit Immersionsöl (Brechungsindex typischerweise = 1,5) der Brechungsindex zwischen dem Objekt und dem Objektiv verändert werden. Objektive mit hoher NA in Verbindung mit Immersionsöl sind eine einfache Alternative zum Wechsel der Objektive, der kostspielig sein kann.

Bildfeld

Das Bildfeld (FOV) ist der Bereich des Objekts, der von einem Mikroskopsystem abgebildet wird. Die Größe des Bildfeldes wird durch die Vergrößerung der Objektive bestimmt. Bei der Verwendung eines Okular-Objektiv-Systems wird das Bildfeld des Objektivs für die Betrachtung durch das Okular vergrößert. In einem Kamera-Objektiv-System wird dieses Bildfeld auf einen Kamerasensor übertragen. Der Sensor einer Kamera ist rechteckig und kann daher nur einen Teil des gesamten kreisförmigen Bildfeldes des Objektivs abbilden. Im Gegensatz dazu kann die Netzhaut Ihres Auges einen kreisförmigen Bereich abbilden und erfasst das gesamte Bildfeld. Aus diesem Grund ist das Bildfeld eines Mikroskopsystems mit Kamera in der Regel etwas kleiner als das eines Mikroskopsystems mit Okular. Die Gleichungen 3 und 4 können zur Berechnung des Bildfelds in den vorgenannten Systemen verwendet werden. In den Gleichungen 3 und 4 ist $ \small{H_{\small{\text{Kamerasensor}}}} $ die Sensorgröße der Kamera und $ \small{H_{\small{\text{Okular-Feldblende}}}} $ die Feldblende des Okulars.

Dicke des Deckglases

Bei der Betrachtung von flüssigen Materialien wie Bakterien, Zellkulturen, Blut usw. muss ein Deckglas verwendet werden, um das zu untersuchende Objekt und die Mikroskopkomponenten vor Verunreinigungen zu schützen. Ein Deckglas oder Objektträger aus Glas verändert die Art und Weise, wie das Licht vom Objekt in das Objektiv gebrochen wird. Daher muss das Objektiv entsprechende optische Korrekturen vornehmen, um die beste Bildqualität zu erzielen. Aus diesem Grund gibt es Objektive mit einer Reihe von Deckglasdicken, für die sie optimiert sind. Dieser Wert wird in der Regel nach dem Unendlichkeitssymbol angegeben (das bedeutet, dass es sich um ein unendlich konjugiertes oder unendlich korrigiertes Objektiv handelt) und reicht von Null (keine Deckglaskorrektur) bis 0,17 mm.

Korrektur der Qualität

Die Qualität des Objektivs und Okulars bestimmt, wie gut das System funktioniert. Neben der Wahl des Vergrößerungsfaktors und der Komplexität des Designs ist die Kenntnis der korrekten Qualitätskorrektur bei der Entscheidung über die Art des zu verwendenden Objektivs äußerst wichtig. Die Qualitätskorrektur (d.h. achromatisch, apochromatisch, plan, semi-plan) wird oft auf dem Objektiv angegeben, um dem Anwender einen schnellen Hinweis auf das Design des Objektivs zu geben. Es gibt typischerweise zwei Stufen der achromatischen Aberrationskorrektur: Achromat und Apochromat. Achromatische Objektive sind die einfachsten und günstigsten Objektive. Sie sind so konstruiert, dass sie die chromatische Aberration im roten und blauen Wellenlängenbereich sowie die sphärische Aberration im grünen Wellenlängenbereich korrigieren. Die begrenzte Korrektur der chromatischen Aberration und das Fehlen eines flachen Bildfelds verringern die Leistung des Objektivs. Apochromatische Objektive hingegen bieten eine höhere Präzision und sind für Rot, Blau und Gelb chromatisch korrigiert. Sie bieten außerdem eine Korrektur der sphärischen Aberration für einen breiten Spektralbereich und haben aufgrund der extrem hohen numerischen Apertur (NA), die dieses optische Design bietet, im Allgemeinen einen großen Arbeitsabstand. Apochromatische Objektive sind ideal für Weißlichtanwendungen, während achromatische Objektive am besten für monochromatische Anwendungen geeignet sind. Beide Objektiv-Designs leiden allerdings unter signifikanter Verzeichnung und Bildfeldwölbung, die sich mit steigender Vergrößerung weiter verschlechtern. Daher ist es immer wichtig, sich auf die gesamte Systemleistung zu konzentrieren und nicht allein auf die Leistung der Objektive.

Plan-Objektive, auch bekannt als planar, semi-plan oder semi-planar, korrigieren die Bildfeldwölbung. Bildfeldwölbung bedeutet, dass das Bild außerhalb der optischen Achse nicht auf eine flache Bildebene fokussiert werden kann. Sie führt zu unscharfen Bildern außerhalb der optischen Achse. Abbildung 10 veranschaulicht die radial von der Mitte aus gemessene Bildfeldebenheit bei achromatischen, semi-planen und planen Objektiven. Achromatische Objektive haben ein flaches Feld in den mittigen 65% des Bildes. Plan-Objektive haben insgesamt die beste Korrektur und zeigen über 90% des Bildfeldes flach und im Fokus an. Semi-plane Objektive liegen zwischen den beiden anderen Typen, wobei 80% des Feldes flach erscheinen.

Abbildung 10: Korrektur der Bildebenheit: achromatisch 65% (links) vs. semi-plan 80% (Mitte) vs. plan 90% (rechts).

Fluorit-Objektive korrigieren Aberrationen zusätzlich durch moderne Gläser, die Fluorit oder andere synthetische Ersatzmaterialien enthalten. Genau wie achromatische Objektive sind auch Fluorit-Objektive so designt, dass sie chromatische Aberrationen für rote und blaue Wellenlängen korrigieren. Fluorit-Objektive sind jedoch außerdem so konzipiert, dass sie die sphärische Aberration bei zwei oder drei Wellenlängen statt nur bei grünen Wellenlängen korrigieren, haben in der Regel eine höhere NA und zeichnen sich durch ein besseres Auflösungsvermögen und einen höheren Kontrast aus. 

Endlich konjugiert (endlich korrigiert)

Ein endlich korrigiertes System fokussiert das Licht einer nicht im Unendlichen liegenden Quelle auf einen Punkt (Abbildung 11). Bei einem Mikroskop wird das Bild des betrachteten Objekts vergrößert und auf das Okular oder – bei der Benutzung einer Kamera – auf den Sensor projiziert. Der genaue Abstand im System wird durch den DIN- oder JIS-Standard charakterisiert, alle endlich korrigierten Mikroskope basieren auf einem dieser beiden Standards. Diese Objektivtypen machen den Großteil der Basismikroskope aus. Endlich korrigierte Objektive werden immer dann eingesetzt, wenn geringe Kosten und Einfachheit wichtige Faktoren sind.

Abbildung 11: Vereinfachter Aufbau eines endlich korrigierten Mikroskopobjektivs.

Unendlich konjugiert (unendlich korrigiert)

Ein unendlich korrigiertes System fokussiert das Licht einer im Unendlichen liegenden Quelle auf einen Punkt. Bei einem Objektiv entspricht der Punkt dem betrachteten Objekt und die unendliche Seite zeigt zum Okular oder Sensor, wenn eine Kamera eingesetzt wird (Abbildung 12). Bei diesem Design muss eine zusätzliche Tubuslinse zwischen Objektiv und Okular eingesetzt werden, um ein Bild zu erzeugen. Das Design ist wesentlich komplizierter als das endlich korrigierte Design, ermöglicht aber das Einbringen von optischen Komponenten wie Filtern, Polarisatoren und Strahlteilern in den optischen Strahlengang. Dadurch können zusätzliche Bildanalysen und Extrapolationen in komplexen Systemen durchgeführt werden. So kann man beispielsweise durch Hinzufügen eines Filters zwischen dem Objektiv und der Tubuslinse bestimmte Wellenlängen des Lichts betrachten oder unerwünschte Wellenlängen blockieren, die andernfalls mit dem Aufbau interferieren würden. In der Fluoreszenzmikroskopie wird der unendliche Designtyp eingesetzt. Ein weiterer Vorteil eines unendlich korrigierten Designs ist die Möglichkeit, die Vergrößerung je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung zu variieren. Da die Objektivvergrößerung das Verhältnis zwischen der Brennweite der Tubuslinse $ ( \small{f_{\small{\text{Tubuslinse}}}} ) $) und der Brennweite des Objektivs $ (\small{f_{\small{\text{Objektiv}}}} ) $) ist (Gleichung 5), ändert sich die Objektivvergrößerung, wenn die Brennweite der Tubuslinse erhöht oder verringert wird. In der Regel handelt es sich bei der Tubuslinse um eine achromatische Linse mit einer Brennweite von 200 mm, aber es können auch andere Brennweiten verwendet werden, um die Gesamtvergrößerung eines Mikroskopsystems anzupassen. Wenn ein Objektiv unendlich konjugiert ist, befindet sich ein Unendlichkeitssymbol auf dem Objektivkörper.

Abbildung 12: Vereinfachter Aufbau eines unendlich konjugierten (unendlich korrigierten) Mikroskopobjektivs.

Entdecken Sie unsere große Auswahl an Mikroskopen, Objektiven und mehr!

Mehr erfahren

Anwendungsbeispiele der optischen Mikroskopie

Um zu verstehen, wie die Komponenten eines Mikroskops mit verschiedenen optischen, bildgebenden und photonischen Produkten kombiniert werden können, betrachten wir im folgenden Abschnitt zwei Anwendungen der optischen Mikroskopie: Fluoreszenzmikroskopie und Laserablation. Jede Anwendung verwendet ihren eigenen einzigartigen Aufbau.

Fluoreszenzmikroskopie

Ein Fluorophor (oder Fluoreszenzfarbstoff) wird zur Markierung von Proteinen, Geweben und Zellen für Untersuchungen oder Studien verwendet. Fluorophore können Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und Licht einer anderen Wellenlänge aussenden (fluoreszieren). In einem typischen Fluoreszenzmikroskopieaufbau werden drei Filter verwendet: ein Anregungsfilter, ein Emissionsfilter und ein dichroitischer Filter. Jedes Fluorophor hat ein spezifisches Absorptions- oder Anregungswellenlängenband, und der Anregungsfilter überträgt nur diesen spezifischen Wellenlängenbereich. Nach der Anregung emittiert das Fluorophor einen anderen Wellenlängenbereich. Der Emissionsfilter lässt nur die Emissionswellenlängen durch. Zur Trennung der Anregungs- und Emissionskanäle wird ein dichroitischer Filter verwendet, der speziell dafür ausgelegt ist, die Emissionswellenlängen zu reflektieren und die Anregungswellenlängen zu transmittieren. Abbildung 13 zeigt einen typischen Aufbau für die Fluoreszenzbildgebung. Weitere Informationen zur Fluoreszenzmikroskopie finden Sie unter Fluorophore und optische Filter für die Fluoreszenzmikroskopie.

Abbildung 13: Typischer Aufbau eines Fluoreszenzmikroskops.

Laserablation

Zwei häufige Verwendungszwecke von Lasern sind (1) das Erhitzen von Material auf einem Untergrund oder (2) das Abtragen von Material von einer Oberfläche. Für Laserablationssysteme werden Mikroskopkomponenten benötigt, da eine präzise Strahlmanipulation (d. h. Fokussierung, Biegung, Streuungsreduzierung usw.) erforderlich ist. Ein Laserablationssystem besteht in der Regel aus kundenspezifischen Optiken und nicht aus Standardkomponenten. Der Laser wird passgenau in das System integriert (Abbildung 14). Der Laser ist so ausgerichtet, dass die Fähigkeit des Mikroskopobjektivs, das Licht auf die Objektebene zu fokussieren, ausgenutzt und extrem kleine Lichtpunkte mit minimalen Aberrationen erzeugt werden. Mit einem Okular kann der Benutzer außerdem sehen, wo sich der Laser befindet, und sich vergewissern, dass alles ordnungsgemäß funktioniert. Filter sind notwendig, um zu verhindern, dass der Laser das Auge des Benutzers schädigt. Laserablationssysteme werden in der Medizin und Biologie eingesetzt, da sie eine höhere Präzision als herkömmliche chirurgische Methoden bieten.

Abbildung 14: Typischer Aufbau eines Laserablationssystems.

Mikroskope und Objektive sind komplexe optische Systeme mit vielen Einsatzmöglichkeiten. Sie werden nicht mehr nur für biologische Versuchsanordnungen verwendet (z. B. für die Untersuchung von Wangenzellen in einem Einführungskurs in Biologie). Vielmehr können sie zur Untersuchung der Emissionswellenlänge eines Fluorophors, zur Analyse eines 5 μm großen Defekts auf einem bearbeiteten Teil, zur Überwachung des Abtrags von Material von einer Oberfläche und für eine Vielzahl anderer Anwendungen in der Optik, Bildgebung und Photonik eingesetzt werden. Das Verständnis der Bedeutung der einzelnen Bestandteile eines Mikroskops und ihrer Spezifikationen ermöglicht es jedem Benutzer, das beste System auszuwählen und die besten Ergebnisse zu erzielen.

Vorheriger AbschnittNächster Abschnitt

Weiterführende Informationen

 Anwendungshinweis

Bedeutung und Auswahl der korrekten Beleuchtung

 Anwendungshinweis

Auflösung und MTF-Tests

 Anwendungshinweis

Fluorophore und Filter für die Fluoreszenzmikroskopie