Theoretische Grundlagen der Koehlerschen Beleuchtung

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Theoretische Grundlagen der Köhlerschen Beleuchtung

Professor August Köhler (1866 - 1948)

Im Jahr 1893 veröffentlichte A. Köhler die Regeln für eine optimale Lichtführung im Mikroskop.

Bei einer nach den Köhlerschen Vorgaben konstruierten und eingestellten Beleuchtungseinrichtung wird bei maximaler Lichtausbeute eine homogene Ausleuchtung des Präparates erreicht. Gleichzeitig wird die Entstehung von kontrastminderndem Streu- und Falschlicht minimiert.

Ausgangsproblematik

Arbeitet man mit einem Objektiv 100X und einem Okular mit der Sehfeldzahl 20, so hat der überblickte Ausschnitt im Präparat einen Durchmesser von lediglich 0,2 mm (Sehfeldzahl von 20 mm geteilt durch 100). Neben dem von diesem kleinen Präparatausschnitt kommenden, für die Bildentstehung wichtigen Licht, gelangt jedoch auch noch so genanntes Falschlicht in das Objektiv und stört im weiteren Verlauf die Bildentstehung durch eine Verminderung des Kontrasts. Derartiges Falschlicht entsteht beispielsweise durch Streuung des Mikroskopierlichts an außerhalb des Gesichtsfeldes gelegenen Strukturen des Präparates. Daneben kommt es im optischen System des Mikroskops zusätzlich zu Reflexionen. Hierbei gelangt an Glasflächen reflektiertes Licht ebenfalls in den Bereich der Zwischenbildebenen und sorgt dort für eine Minderung des Kontrasts.

Um diese Effekte auszuschließen müsste man nun dafür sorgen, dass nur jener Bereich im Präparat beleuchtet wird, welcher gerade untersucht wird. Bei dem obigen Beispiel wäre dies ein ausgeleuchteter Kreis von 0,2 mm im Durchmesser. Es wäre theoretisch möglich, im mikroskopischen Präparat eine Blende unterzubringen, die entstehendes Falschlicht ausblendet. Dies ist jedoch praktisch nicht durchführbar, da sich die Blende direkt im Präparat befinden müsste und zudem die Herstellung und Handhabung derartig kleiner Blenden sehr schwierig wäre.

Beispiel für die Entstehung von Falschlicht

	Licht wird an Objektstrukturen (1) oder an einem Staubteilchen auf der Kondensor-Frontlinse (2) gestreut und gelangt über das Objektiv ins Mikroskop. Bei der Bildentstehung wird durch dieses Licht eine Kontrastminderung verursacht.
Eine hypothetische Lösung des Falschicht-Problems
	In der Objektebene wird eine Blende eingebracht, und das Streulicht wird ausgeblendet. Jetzt gelangt nur noch Licht ins Objektiv, welches den beobachteten Objektausschnitt passiert (rote Lichtkegel).

Die Lösung der beschriebenen Problemstellung gelang August Köhler im Jahre 1893 mit der nach ihm benannten optimierten Beleuchtung für die Lichtmikroskopie. Köhler war entscheidend an vielen wichtigen Entwicklungen der Lichtmikroskopie beteiligt und arbeitete ab dem 1. 10. 1900 bei Carl Zeiss.

Köhler löste das Problem des Streu- und Reflexlichts indem er nicht eine tatsächliche Blende, sondern das Bild einer Blende in die Präparatebene brachte. Hierzu wird die Leuchtfeldblende zwischen der Lichtquelle und dem Kondensor in den Strahlengang gebracht. Durch die Höhenverstellung und Zentrierung des Kondensors ist es möglich, das verkleinerte Bild dieser Leuchtfeldblende in das mikroskopische Präparat abzubilden. Die Leuchtfeldblende ist eine Irisblende und lässt sich in ihrem Durchmesser exakt an die Größe des Gesichtsfeldes anpassen.

Die konjugierten Ebenen der Köhlerschen Beleuchtung - Lukenstrahlengang und Pupillenstrahlengang

Der Lukenstrahlengang

Das Objektiv erzeugt ein Bild in der Zwischenbildebene. Dieses wird vom Okular dann weiter vergrößert. Wenn in der Zwischenbildebene das Präparat scharf erscheint, so muss in dieser Ebenen auch erneut ein Bild der Leuchtfeldblende erscheinen. Zuletzt wird diese Blende nochmals auf der Netzhaut abgebildet. Verfolgt man den Strahlengang bei richtig eingestellter Köhlerscher Beleuchtung, so existieren also vier miteinander konjugierte Ebenen, in deren Bereich die Leuchtfeldblende oder deren Bild scharf wiedergegeben wird. Diese Blende und ihre Bilder werden auch als Luken bezeichnet. Konstruiert man den Strahlengang für einen Punkt im Bereich der Leuchtfeldblende, so entsteht die bildliche Darstellung des Lukenstrahlengangs.

Die obige Darstellung trifft prinzipiell auch auf die Mikroskope neuerer Bauart mit Unendlich-Optik zu. Bei diesen Geräten ist der Strahlengang zwischen dem Objektiv und der Zwischenbildebene jedoch auf charakteristische Weise modifiziert. Als weiteres optisches Element besitzen diese Mikroskope eine weitere, in die Baugruppe des Tubus integrierte Linse. (Tubuslinse)

Der Pupillenstrahlengang

Auch von der zweiten wichtigen Blende, der Aperturblende des Kondensors, entstehen vier Abbildungen im mikroskopischen Strahlengang. Bilder der Aperturblende werden als Pupillen bezeichnet. Neben der Blende selbst entstehen Abbildungen in der Objektivbrennebene und der Austrittspupille des Okulars. Analog zum Lukenstrahlengang lässt sich somit auch ein Pupillenstrahlengang konstruieren. Strahlengänge sind umkehrbar, deshalb wird auch die Lichtquelle als Pupille bezeichnet, welche im Strahlengang zusammen mit der Aperturblende scharf erscheint.

Der Pupillenstrahlengang mit den konjugierten Ebenen

Konjugierte Ebenen

Optische Elemente


	Hinweis Das Wissen um Luken- und Pupillenstrahlengang ist auch von praktischer Bedeutung. Jedes Objekt, welches sich im Bereich einer Luke befindet, wird vom Mikroskopierenden scharf gesehen. Erscheinen somit Fettschlieren, Staubkörnchen oder ähnliche störende, nicht ins Bild gehörende Dinge deutlich sichtbar im mikroskopischen Bild, so muss sich die entsprechende Verunreinigung in der Nähe einer Luke befinden. Je weiter sich ein Partikel von einer Luke entfernt befindet, desto unschärfer erscheint er im mikroskopischen Bild. Schmutzteilchen im Bereich einer Pupille sind nie im mikroskopischen Bild zu erkennen. Die Pupillen sind quasi die Bereiche im Strahlengang, welche mit maximaler Unschärfe wahrgenommen werden. Dies ist leicht nachzuvollziehen, wenn man sich vergegenwärtigt, dass man zwar die Leuchtfeldblende (eine Luke), aber nie die Aperturblende (eine Pupille) im Mikroskop sieht. Tritt also eine Verunreinigung im mikroskopischen Bild auf, die sich nicht gleich lokalisieren lässt, so kann die Kenntnis des Strahlengangs im Mikroskop eine Hilfestellung bei der Auffindung dieser Verunreinigung bieten.