Techniklexikon

Mikroskop

Laboratoriumsmethoden und -geräteOptik, Gerät zum Betrachten sehr kleiner Gegenstände. Das klassische Mikroskop (Lichtmikroskop, Elektronenmikroskop) besteht im wesentlichen aus einem Objektiv, einem Okular, einer Beleuchtungseinrichtung (Kondensor) sowie einem Objekttisch und einem Stativ zur Halterung der optischen Komponenten.

Das Objektiv entwirft vom Objekt O ein umgekehrtes, reelles und vergrössertes Zwischenbild in der Okularbrennebene (siehe Abb.). Das so entstandene Bild wird durch das Okular wie mit einer Lupe betrachtet. Dabei wird eine nochmalige Vergrösserung erzielt. Für beidäugiges Sehen stattet man das Mikroskop mit zwei Okularen aus.

Als optische Tubuslänge t wird der Abstand der Okularbrennebene von der Brennebene des Objektives bezeichnet. Da die optische Tubuslänge i.a. nicht leicht zu ermitteln ist, wird eine mechanische Tubuslänge festgelegt, die den Abstand zwischen Objektiv und Okular beschreibt. Der Kondensor als Beleuchtungseinrichtung hat die vom Objekt kommenden Lichtstrahlen so zu führen, dass das Objektiv in seiner vollen Apertur mit Licht gefüllt ist. Für den Kontrast ist es allerdings von Vorteil, die Apertur des Kondensors kleiner als die des Objektives zu halten. Zu diesem Zweck wird eine Blende in die Brennebene des Kondensors gestellt, mit der die Apertur des Kondensors variiert werden kann. Die Eintrittspupille des Objektives liegt stets in so grosser Entfernung, dass man zwischen Kondensor und Objektiv praktisch einen telezentrischen Strahlengang hat. Demgemäss liegt die Austrittspupille des Objektives in der hinteren Brennebene.

Je nach Art des zu untersuchenden Objektes unterscheiden sich die Beleuchtungseinrichtungen (Auflichtmikroskopie, Durchlichtmikroskopie, Hellfeldmikroskopie, Dunkelfeldmikroskopie).

Gemäss der Abbeschen Theorie erzeugen die am Objekt abgebeugten Lichtstrahlen zunächst in der Brennebene des Objektives ein Beugungsspektrum der Lichtquelle, die sog. primäre Interferenzerscheinung. Dieses Spektrum liefert in der Bildebene eine zweite Interferenzerscheinung, die das Bild des Objektes darstellt. Dieses Bild ist dem Objekt umso ähnlicher, je vollständiger alle primären Beugungsspektren in die Bildebene gelangen. Blendet man sämtliche primären Beugungsbilder der Lichtquelle in der Objektivbrennebene ab und lässt nur das direkte Licht durch, so entsteht in der Bildebene eine diffuse Helligkeit ohne jede Zeichnung. Die Mitwirkung wenigstens eines der Beugungsbilder liefert ein, wenn auch unvollkommenes, Bild des Objektes. Da das Licht umso stärker gebeugt wird, je kleiner das Objekt ist, folgt daraus, dass die Apertur des Objektives bestimmend für die Grenze der Sichtbarkeit sehr kleiner Objekte ist. Bleibt die Apertur zu niedrig, so kann das abgebeugte Licht nicht mehr in das Objektiv eintreten und das Objekt ist nicht erkennbar.

Zwei Objektpunkte im Abstand d werden noch als getrennt betrachtet, wenn d < l / 2A ist, wobei l die Wellenlänge und  die numerische Apertur (Apertur, numerische) mit der Brechzahl n und dem halben Offnungswinkel s sind (Auflösungsvermögen).

Die Güte eines Mikroskopes ist durch die Vergrösserung G und das Auflösungsvermögen gegeben; beide Grössen werden gemäss der Abbeschen Theorie durch die numerische Apertur des Objektives bestimmt. Das Aperturverhältnis des Lichtbündels vor und hinter dem Objektiv ergibt die Eigenvergrösserung des Objektives G_Ob. Zuweilen ist nicht die Eigenvergrösserung des Objektives, sondern die Brennweite f angegeben. Man erhält die Vergrösserung aus der optischen Tubuslänge t und der Brennweite über G_Ob = t / f_Ob. Für das Okular gilt hinsichtlich der Vergrösserung das gleiche wie für die Lupe mit G_Ok = 250 / f_Ok. Die Gesamtvergrösserung G des Mikroskopes ist das Produkt aus Objektiv- und Okularvergrösserung: G = G_Ob × G_Ok = t / f_Ob × 250 / f_Ok. Die Maximalvergrösserung liegt zwischen 500 A und 1000 A.

Durch die Wahl von Licht mit einer kürzeren Wellenlänge lässt sich das Auflösungsvermögen erhöhen (Ultraviolettmikroskopie). Des weiteren kann durch den Einsatz einer Immersionsflüssigkeit mit einer hohen Brechzahl wie Glycerin oder Öl zwischen Objekt und Objektiv die Apertur vergrössert werden.

Durch Ausstattung mit optischen Zusatzsystemen, z. B. der elektronischen oder photographischen Bildaufzeichnung (Mikrophotographie), der Anwendung besonderer Untersuchungsmethoden sowie durch den modularen Aufbau, wurde das Mikroskop zu einem vielseitig anwendbaren optischen Gerät. Der Untersuchung optisch anisotroper Substanzen wie Kristalle mit polarisiertem Licht dienen Polarisationsmikroskope. Mit Phasenkontrastmikroskopie und dem Interferenzmikroskop werden auch Objekte sichtbar, die sich nicht durch ihre Farbe oder Helligkeit (Amplitudenkontrast), sondern nur durch geringe Brechzahlunterschiede und somit einem Phasenunterschied der Lichtwellen von ihrer Umgebung unterscheiden. Fluoreszenzmikroskope (Fluoreszenzmikroskopie) dagegen dienen der Erzeugung eines Amplitudenkontrastes, indem das Präparat mit UV-Licht zum Fluoreszieren angeregt wird. Binokularmikroskope werden zur räumlichen Beobachtung und Präparation von Objekten eingesetzt.

Insbesondere in der Nahfeldmikroskopie gibt es neue Mikroskoptypen, die auf einem deutlich anderen Funktionsprinzip beruhen und aus diesem Grunde auch über einen anderen Aufbau verfügen (Rastertunnelmikroskop, Rasterkraftmikroskopie, Nahfeldmikroskopie). Eine weitere Art von Mikroskopen bedient sich elastischer Wellen als Informationsträger (Rastermikroskop, akustisches). (Mikroskopie)

Mikroskop: a) Strahlengang bei Abbildung in die Okularbrennebene. b) Strahlengang nach Unendlich in der Auflichtbeleuchtung.