Objektive und Okulare für Mikroskope

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Das Objektiv

Ist die Beleuchtung das Herz eines Mikroskops, so kann man das Objektiv durchaus als dessen Seele bezeichnen. Diese sicherlich sehr pathetische Formulierung soll unterstreichen, dass nur das Zusammenspiel eines leistungsstarken, richtig eingestellten Beleuchtungsapparates mit einem qualitativ hochwertigen Objektiv brillante mikroskopische Bilder erzeugt.

Bei den Mikroskopobjektiven den "Durchblick" zu behalten ist wahrlich nicht einfach. Bei einer Durchsicht der Unterlagen zu meinem BHS-Mikroskop von Olympus bin ich auf rund 70 verschiedene Objektive zu diesem Gerät gekommen. Wer sich beispielsweise ein Mikroskop neu zulegt, der steht auch vor der Frage nach den für ihn geeigneten Objektiven. Will man Fehlinvestitionen vermeiden ist es deshalb notwendig, sich zunächst über die unterschiedlichen Objektive und ihre Einsatzmöglichkeiten zu informieren. Die andere Möglichkeit wäre natürlich, um bei dem obigen Beispiel zu bleiben, sich einfach alle 70 möglichen Objektive zu kaufen und dann später einfach zu probieren, was man damit so alles machen kann. Der Nachteil dieser Vorgehensweise liegt auf der Hand - die Kosten würden wohl jeden Rahmen sprengen.

Betrachtet man die Objektive eines Mikroskops, so erkennt man, dass sie eine unterschiedliche mechanische Länge aufweisen. Schwach vergrößernde Objektive haben meist eine wesentlich kürzere Bauweise als stärker vergrößernde Systeme. Der Abstand zwischen dem Deckglas und der Objektivfrontlinse bei der mikroskopischen Untersuchung wird als Arbeitsabstand bezeichnet. Dieser Arbeitsabstand hat für jedes Objektiv einen charakteristischen, festen Wert. Er kann bei den Objektiven mit großem Abbildungsmaßstab sehr gering werden. Ein Objektiv mit einem Abbildungsmaßstab 40:1 meist einen Arbeitsabstand von etwa 0,5 mm. Um die Objektivfrontlinse und das Präparat zu schützen haben Objektive mit kurzem Arbeitsabstand eine gefederte Objektivfrontlinse.

"Normen"

Immer wieder trifft man in Prospekten - insbesondere der weniger namhaften Hersteller - auf Ausdrücke wie "Normoptik" oder "DIN-Optik". Die einzige wirklich relevante Norm im Bereich der mikroskopischen Optik ist die DIN 58887. In dieser Norm sind folgende Parameter festgelegt:

Abgleichlänge der Objektive: 45 mm
mechanische Tubuslänge: 160 mm
Abgleichlänge der Okulare: 10 mm

Diese Norm beinhaltet somit lediglich mechanische Konstruktionsmerkmale. Qualitätsmerkmale hinsichtlich der optischen Leistung sind hier nicht definiert.

Mikroskop nach DIN 58887

Sämtliche namhaften Hersteller (Zeiss/Leica/Nikon/Olympus) halten sich nicht mehr an diese Norm. Diese Firmen haben ihr Programm auf moderne, jeweils firmenspezifisch definierte bzw. optimierte, "Unendlich-Optik" umgestellt. Aktuelle Optik von Zeiss lässt sich somit nur an Zeiss-Geräten verwenden. Das Gleiche gilt für die anderen drei Hersteller.

Wer also ein Mikroskop mit "Norm-Optik" erwirbt und daraus ableitet, dass er damit automatisch ein Gerät mit gesicherter Qualität und Kompatibilität zu anderen Herstellern hat unterliegt einem Irrtum.

Man sollte deshalb Optiken unterschiedlicher Hersteller nicht untereinander kombinieren.

Abgleichlänge der Objektive

	Wechselt man bei der Beobachtung zwischen zwei Objektiven, so sollte nach dem Objektivwechsel kein erneutes Scharfstellen erforderlich sein. Derartige Objektive werden als abgeglichen bezeichnet. Der Abstand zwischen der Objektebene im Präparat und der Anlagefläche des Objektivs am Objektivrevolver wird als Abgleichlänge bezeichnet. Die heute üblichen Objektive besitzen meist eine Abgleichlänge von 45 mm.

Mechanische Tubuslänge	Der Abstand zwischen der Anlagefläche des Objektivs und dem oberen Tubusrand wird als mechanische Tubuslänge bezeichnet. Im allgemeinen sind die Objektive für eine mechanische Tubuslänge von 160 mm berechnet. Ältere Objektive sind teilweise an andere mechanische Tubuslängen angepasst (z. B. 170 mm). Seit einigen Jahren gelangen jedoch zunehmend Objektivserien mit unendlicher Bildweite auf den Markt (z.B. Zeiss: ICS-Optik; Olympus: UIS-Optik). Für derartige Objektive muss keine bestimmte mechanische Tubuslänge eingehalten werden.

Deckglaskorrektur	Das Deckglas besitzt einen anderen Lichtbrechungsindex als Luft und beeinflusst damit den Verlauf des vom Präparat kommenden Lichts. Dies muss bei der Konstruktion der Objektive berücksichtigt werden. Allgemein sind Mikroskopobjektive für Deckglasdicken von 0,17 mm korrigiert.

Mechanische Tubuslänge

Der Abstand zwischen der Anlagefläche des Objektivs und dem oberen Tubusrand wird als mechanische Tubuslänge bezeichnet. Im allgemeinen sind die Objektive für eine mechanische Tubuslänge von 160 mm berechnet. Ältere Objektive sind teilweise an andere mechanische Tubuslängen angepasst (z. B. 170 mm). Seit einigen Jahren gelangen jedoch zunehmend Objektivserien mit unendlicher Bildweite auf den Markt (z.B. Zeiss: ICS-Optik; Olympus: UIS-Optik). Für derartige Objektive muss keine bestimmte mechanische Tubuslänge eingehalten werden.

Mechanische Tubuslänge

Hinweis

Besonders für höherauflösende Trockenobjektive ist die Einhaltung der richtigen Deckglasdicke sehr wichtig. Erscheint das mikroskopische Bild bei diesen Systemen sehr flau, so kann dies daran liegen, dass die Deckglasdicke zu sehr von ihrem Sollwert (0,17 mm) abweicht. Objektive mit geringerem Auflösungsvermögen reagieren dagegen weniger empfindlich auf "schlechte" Deckgläser. Objektive, für welche die Deckglasdicke von 0,17 mm eingehalten werden muss, sind durch eine entsprechende Gravierung gekennzeichnet.

Daneben hat sich die Federung der Frontlinse bei den längeren, stärker vergrößernden Objektiven allgemein durchgesetzt. Hierdurch erfolgt bei Fehlbedienung sowohl ein Schutz des Präparates, als auch eine Vorbeugung gegen Beschädigungen der Objektivfrontlinse. Dennoch bedingt der kurze Arbeitsabstand vieler Objektive ein hohes Maß an Sorgfalt und Vorsicht auf der Seite des Mikroskop-Benutzers.

Die wichtigsten technischen Daten sind den Objektiven aufgraviert. Hier finden sich Angaben zu Objektivserie, Maßstabszahl, Auflösungsvermögen (numerische Apertur), Deckglaskorrektur und mechanischer Tubuslänge.

Bedeutung der Objektivgravuren

Beispiel: modernes Objektiv mit Unendlicher Bildweite Carl Zeiss .

A-Plan: Objektiv aus der A-Plan Serie (Objektive für die Routine mit erweiterter Bildfeldebnung)
40x: Abbildungsmaßstab des Objektivs
0.65: numerische Apertur des Objektivs.
¥: Tubuslänge unendlich.
0.17: Objektiv für Deckgläser mit der Dicke 0,17 mm berechnet.

Objektivklassen

Die Bildqualität der Objektive wird mit viel Aufwand optimiert. Hierbei steht die Korrektur der Fehler, welche bei der Abbildung eines Objekts durch Glaslinsen immer auftreten, an erster Stelle. Objektive, bei denen alle wichtigen Abbildungsfehler behoben sind, sind jedoch sehr teuer. Außerdem ist die Bedeutung der Abbildungsfehler nicht für jeden Einsatzzweck gleich signifikant. Sollen beispielsweise Mikrofotografien angefertigt werden, so ist die gleichmäßige Schärfe des mikroskopischen Bildes bis an die Ränder wichtig (sogenannte Plan-Objektive mit Bildfeldebnung). Für die normale visuelle Mikroskopie kann man auf diese Forderung jedoch eher verzichtet werden. Der Mikroskopiker arbeitet ständig mit dem Feintrieb, somit kann er unscharfe Bereiche bei Bedarf fokussieren. Um diesen unterschiedlichen Bedürfnissen gerecht zu werden, haben die Hersteller meist mehrere Objektivserien mit unterschiedlicher Korrektur der Abbildungsfehler im Angebot. Hierbei unterscheidet man, unabhängig vom jeweiligen Hersteller, die nachfolgend aufgeführten Objektivklassen.

Achromate

Die Achromate sind die am wenigsten aufwendigen Objektive. Daher sind die achromatischen Objektive besonders günstig und entsprechend weit verbreitet. Achromate weisen eine sogenannte Bildfeldwölbung auf. Dies bedeutet, dass das Zentrum und die Ränder des mikroskopischen Bildes nicht gleichzeitig scharf eingestellt werden können. Zudem weisen die Objektstrukturen mehr oder weniger deutlich erkennbare rötliche und bläuliche Farbsäume auf. Dennoch sind diese Objektive besonders gut für den Routineeinsatz in der Ausbildung und im Labor geeignet. Die beschriebenen Abbildungsfehler fallen nämlich bei der normalen visuellen Mikroskopie kaum auf. Auch der Hobbymikroskopiker wird sich in erster Linie derartige Objektive anschaffen, zumal er zumindest bei den namhaften Herstellern bereits in dieser Objektivklasse eine qualitativ hochwertige optische Ausstattung erhält. Das Auflösungsvermögen der Achromaten ist entsprechend ihres Einsatzzweckes nicht ganz so hoch, wie bei den unten beschriebenen Apochromaten.

Planachromate

Die Planachromate besitzen den gleichen Korrekturgrad wie die Achromate, jedoch mit Ausnahme der Bildfeldwölbung, welche bei diesen Objektiven behoben ist. Deshalb eignen sie sich besser für die fotografische Dokumentation. Zusätzlich verwendet man diese Objektive gerne zusammen mit Weitwinkel- bzw. Weitfeldokularen. Die Kombination aus Planachromaten und Weitfeldokularen ergibt ein großes Gesichtsfeld, bei dem das Präparat von der Bildmitte bis an die Ränder scharf abgebildet wird.

Apochromate

Bei den Apochromaten bewirkt die Korrektur die Ausschaltung der Farbsäume, welche die achromatisch korrigierten Objektive aufweisen. Zusätzlich ist meist das Auflösungsvermögen (die numerische Apertur) verbessert. Die Apochromate liefern somit ein besonders kontrastreiches Bild, welches auch kleinste Objektdetails erkennen lässt. Mittlerweile sind die Apochromate jedoch weitgehend durch die Planapochromate abgelöst worden.

Planapochromate

Die "Königsklasse" unter den Objektiven sind eindeutig die Planapochromate. Diese Objektive erzeugen ein kontrastreiches, ebenes Bild ohne Farbsäume, welches kaum noch Abbildungsfehler enthält. Entsprechend hoch ist der Preis derartiger Spitzenobjektive, der leicht mehrere tausend Mark pro Exemplar erreichen kann.

"Universalobjektive"

Viele Hersteller liefern zudem noch Objektive, die im weitesten Sinne zwischen den Planachromaten und den Planapochromaten liegen (z.B. Zeiss: "Plan-Neofluare"; Olympus: "UPLFL-Objektive"). Diese Objektive erzeugen ebenfalls ein kontrastreiches Bild mit verbesserter Auflösung und sind nicht so teuer wie die Planapochromate. Sie sind weitgehend spannungsfrei und auch dadurch für eine Vielzahl von Untersuchungen optimal geeignet, unter anderem auch besonders für den Differentiellen Interferenzkontrast und die Fluoreszenz-Mikroskopie. Dadurch hat diese Objektivklasse in der anspruchsvollen Labor- und Forschungsmikroskopie eine weite Verbreitung erfahren.

Für bestimmte lichtmikroskopische Verfahren werden Spezialobjektive benötigt. Nachfolgend noch zwei wichtige Beispiele für derartige Objektive

Phasenkontrast-Objektive

Für den Phasenkontrast benötigt man spezielle Objektive. Diese unterscheiden sich von "normalen" Objektiven durch den sogenannten Phasenring, welcher im Bereich der hinteren Brennebene des Objektivs angebracht ist. Dieser dunkle Ring befindet sich, je nach Lage der Objektivbrennebene, entweder auf einem eigenen Glasplättchen, oder er ist auf eine der Objektivlinsen aufgedampft. Von den Phasenkontrastobjektiven bieten die Hersteller meist die gleichen Objektivklassen an wie von den "normalen" Objektiven (Achromate, Planachromate etc.).

Immersions-
objektive

Die Objektive mit der größten Maßstabszahl (im allgemeinen 100X) und der höchsten Auflösung (numerische Apertur) sind in allen Objektivklassen als sogenannte Immersionsobjektive ausgeführt. Will man ein derartiges Objektiv zur Beobachtung einsetzen, so muss man vorher einen Tropfen Immersionsöl zwischen Deckglas und Objektivfrontlinse aufbringen. Nach Beendigung der mikroskopischen Arbeit muss die Objektivfrontlinse wieder von diesem Immersionsöl gereinigt werden. Heute ist allgemein Immersionsöl üblich, welches nicht verharzt. Dadurch genügt es, wenn man nach Gebrauch die Objektivfrontlinse mit Linsenreinigungspapier (erhältlich z.B. im Fotohandel) abwischt. Dann noch verbleibende, geringe Mengen Immersionsöl schaden dem Objektiv nicht. Die genaue Handhabung der Immersionsobjektive sollte beim Hersteller erfragt werden. Die schwächer auflösenden Objektive, für die kein Immersionsöl benötigt wird, werden zur Abgrenzung zu den Immersionsobjektiven auch als Trockenobjektive bezeichnet.

Hinweis

Wer wenig Erfahrung mit Mikroskopen hat, neigt dazu, die maximal mögliche Gesamtvergrößerung des Mikroskops als wesentliches Leistungsmerkmal zu betrachten. Um große Gesamtvergrößerungen zu erreichen, benötigt man aber ein Immersionsobjektiv. Deshalb wird der Einsteiger immer versucht sein, sich gleich zu Beginn auch ein Immersionsobjektiv zuzulegen um ein leistungsstarkes Gerät zu besitzen. Allerdings wird man in der Praxis relativ schnell feststellen, dass man ein Immersionsobjektiv nur sehr selten benötigt. Dies hat im wesentlichen folgende Gründe:

Immersionsobjektive haben eine sehr geringe Tiefenschärfe - deshalb sind viele Präparate für die Beobachtung mit diesen Objektiven nicht geeignet
Das Immersionsöl darf nicht auf die Frontlinse von Trockenobjektiven geraten, dadurch ist es nicht möglich, vom Immersionsobjektiv auf ein stärkeres Trockensystem zurück zu wechseln. Das sich auf dem Deckglas befindliche Öl würde unweigerlich die Objektivfrontlinse des Trockenobjektivs verschmutzen.

Wer sich ein Mikroskop zulegen will, aber nur über einen engen finanziellen Rahmen verfügt, der sollte deshalb überlegen, ob er nicht zunächst auf ein Immersionsobjektiv verzichten kann. Wichtiger sind gute Trockenobjektive mit geringer und mittlerer Maßstabszahl.

Hinweis

Phasenkontrastobjektive können auch zur Beobachtung im Hellfeld verwendet werden. Der Phasenring kann dann jedoch die Abbildungsqualität negativ beeinflussen. Deshalb liefern nicht alle Phasenkontrastobjektive ein befriedigendes Resultat bei der Untersuchung im Hellfeld. Wer sich ein Mikroskop für Untersuchungen im Hellfeld und Phasenkontrast zulegt, kann deshalb mitunter in eine etwas komplizierte Situation geraten. Liefert beispielsweise das Phasenkontrastobjektiv 40X keine gute Bildqualtität im Hellfeld, so kann die separate Anschaffung eines Hellfeldobjektivs erforderlich werden. Ärgerlich ist auch die Situation, wenn man sich zunächst ein Mikroskop für die Hellfeldbeobachtung zulegt, aber dann bemerkt, dass auch Untersuchungen im Phasenkontrast notwendig werden. In diesem Fall muß man prinzipiell zusätzlich einen neuen Satz Objektive für den Phasenkontrast erwerben. Deshalb sollten vor einem Mikroskopkauf, um unnötige finanzielle Ausgaben zu vermeiden, die eigenen Erfordernisse so gut wie möglich abgeklärt werden.

Neben den beschriebenen Objektiven werden auch noch weitere Spezialobjektive zum Beispiel für die Fluoreszenz- und Polarisationsmikroskopie angeboten. Da ich diese Verfahren nicht näher beschreibe, seien diese Objektivtypen deshalb nur der Vollständigkeit halber erwähnt.

Das Okular

Die heute gängigen Mikroskope werden auch als "zusammengesetzte Mikroskope" bezeichnet. Zusammengesetzt deshalb, weil die Vergrößerung in zwei Stufen erfolgt. Das vom Objektiv erzeugte Zwischenbild wird nämlich in einer zweiten Vergrößerungsstufe durch das Okular nachvergrößert. Prinzipiell ist das Okular nichts anderes als eine Lupe, mit welcher der Benutzer das Zwischenbild beobachtet. Dabei sind die Okulare der Hersteller jeweils für die eigenen Objektivserien optimiert. Es empfiehlt sich deshalb keinesfalls Objektive und Okulare verschiedener Hersteller zu kombinieren.

Für den Benutzer eines Mikroskops sind in erster Linie die folgenden technischen Daten der Okulare interessant

Okular- Vergrößerung	Die gebräuchlichste Okular-Vergrößerung ist die 10fache Vergrößerung des Zwischenbildes. Daneben existieren, je nach Verwendungszweck auch noch Okulare mit anderen Vergrößerungen.

Austrittspupille	Bei der Beobachtung muß der Benutzer die Augenpupille mit der sogenannten Austrittspupille des Okulars zur Deckung bringen. Dies ist besonders für Brillenträger wichtig, denn nicht alle Okulare sind für die Beobachtung durch eine Brille geeignet. Ist nämlich die Austrittspupille des Okulars zu niedrig, dann stört die Brille, und die Augenpupille kann nicht mit der Austrittspupille zur Deckung gebracht werden. In diesem Fall überblickt der Beobachter nur einen Teil des möglichen Gesichtsfeldes. Brillenträger, die mit aufgesetzter Brille mikroskopieren wollen, müssen sich also bei der Anschaffung eines Mikroskops vorher darüber informieren, ob die eingesetzten Okulare durch eine entsprechend hohe Austrittspupille auch tatsächlich für sie geeignet sind.

Sehfeldzahl	Das vom Mikroskopobjektiv entworfene Zwischenbild entsteht in der sogenannten Sehfeldblende des Okulars. Deren Durchmesser (in mm) ist die Sehfeldzahl eines Okulars. Die Sehfeldzahl bestimmt die Größe des Gesichtsfeldes für den Beobachter. Je größer also ihr Wert ist, desto mehr überblickt der Beobachter vom Präparat. Die gängigsten Sehfeldzahlen sind 18 (Kurs- und Routinemikroskope), 20 und 22 (Labor- und Forschungsmikroskope). Darüber hinaus existieren auch sogenannte Großfeld-Okulare mit Sehfeldzahlen um 25-26. Für derartige Okulare sind jedoch in der Regel spezielle Beobachtungstuben erforderlich.

Sehfeld und Sehfeldzahl

unterschiedliche Sehfeldzahlen

Je größer die Sehfeldzahl des Okulars, desto größer ist das im Präparat überschaubare Gesichtsfeld.

Hinweis

Wer planachromatische oder gar planapochromatische Objektive einsetzt, der sollte die Qualitäten dieser Objektive ausnutzen und Okulare mit möglichst großem, an diese Objektive angepaßtem Sehfeld verwenden.

Spezielle Okulare

Dinge, die sich im Bereich des Zwischenbildes befinden (= Sehfeldblende des Okulars), sieht der Anwender bei der mikroskopischen Beobachtung ebenfalls scharf. Dieser Umstand wird ausgenutzt, um dem mikroskopischen Bild beispielsweise eine Skala für die Längenmessung "aufzuprägen". Für ein derartiges Messokular wird folglich ein sogenanntes Messplättchen auf der Sehfeldblende aufgebracht. Daneben kann im Bereich der Sehfeldblende auch eine Maske für die mikrofotografische Dokumentation angebracht werden. Durch eine derartige Fotomaske wird der Beobachter weitgehend unabhängig vom Sucher der Kamera, die ständige Bereitschaft für die mikrofotografische Dokumentation ist gewährleistet.