Christian Linkenheld
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Nach den Anfängen der Mikroskopie im 17. Jahrhundert, als Leeuwenhoek mit seinen Einfachen Mikroskopen erstmals winzige Bakterien beobachten konnte und der Prägung des Begriffs "Zelle" durch Robert Hooke trat im 18. Jahrhundert in der Entwicklung der Mikroskopie eine Phase relativer Stagnation ein. Die Bildqualität der Mikroskope jener Zeit war so begrenzt, dass der Blick durch das Mikroskop wohl primär ein Appell an die menschliche Phantasie war. Jedenfalls wurde das Mikroskop von den Wissenschaftlern der damaligen Zeit überwiegend nicht als Arbeitsgerät akzeptiert. Dies sollte sich im 19. Jahrhundert grundlegend ändern und das Mikroskop fand seinen Weg vom Rokoko-Salon, wo es der Belustigung mehr oder weniger gebildeter Gäste diente, endgültig in das wissenschaftliche Laboratorium.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts werden erstmals achromatische Doppellinsen statt einer einfachen Linse als Objektiv eingesetzt. Eine wesentliche Verbesserung der Abbildungsleistung brachte dann die Kombination mehrerer derartiger Doppellinsen innerhalb eines Objektivs durch Selligue (1784-1845) und insbesondere Giovanni Battista Amici (1786-1863). Letzterer war an vielen wesentlichen Entwicklungen der mikroskopischen Optik der ersten Hälfte des 19, Jahrhunderts beteiligt. Durch diese Verbesserungen im Objektivbau waren sphärische und chromatische Aberration so weit reduziert, dass sich das Zusammengesetzte Mikroskop gegenüber dem Einfachen Mikroskop endgültig durchsetzte.

Ein Blick in die Literatur jener Zeit vermittelt auch heute noch ein eindrucksvolles Bild der damaligen Mikroskope. Besonders das zweibändige Werk von Leopold Dippel - Das Mikroskop und seine Anwendung (1867/69) - bietet hier interessante Einblicke in den Stand der Technik und deren Möglichkeiten.


Schematische Darstellung eines Mikroskopobjektivs aus mehreren achromatischen Doppellinsen aus Leopold Dippel - Das Mikroskop und seine Anwendung (Band I 1867)

Zur Konstruktion der damaligen Objektive schreibt Dippel:

"Um vollkommene Objektive von stärkerer und stärkster Vergrösserungskraft herzustelln, muss man zu dem zuerst von Selligue und Amici und seitdem von allen Optikern mit Erfolg angewendeten Mittel greifen und die einzelnen achromatischen Doppellinsen zu mehreren, zu einem Systeme verbinden."

Zum konkreten Aufbau eines Objektivs aus Doppellinsen lesen wir bei Dippel:

"Die dem Zwecke entsprechende Entfernung zwischen den einzelnen Linsencombinationen zu finden, ist, da die theoretisch geführte Berechnung zwar Anhaltspunkte geben, bei so kleinen Linsen aber die Art und Weise ihrer Verbindung zu einem Systeme nie ganz genau bestimmen kann, vorzugsweise Sache des Versuchens."

Die damaligen Objektive werden also nicht wirklich berechnet, sondern durch Ausprobieren unterschiedlicher Linsenkombinationen optimiert. Aus heutiger Sicht ist das sicherlich überraschend, aber damals war man der Überzeugung, dass Mikroskopobjektive wegen der Kleinheit ihrere Dimensionen nicht wirklich berechnet werden können. Die schwankende Qualität der verfügbaren Gläser war ein weiterer Grund für diese Art der Vorgehensweise.

Die Mikroskopfertigung erfolgte zu jener Zeit noch nicht in industriellem Maßstab, sondern in kleinen Werkstätten. Die durch empirisches Probieren gewonnenen Erkenntnisse wurden hierbei in aller Regel streng geheim gehalten und gingen hierdurch auch immer wieder verloren.

Eine der führenden Werkstätten in der Herstellung von Mikroskopen war die von Georg Oberhäuser (1798-1868) in Paris. Hier wurde um 1850 das so genannte "Hufeisenstativ" eingeführt, welches das äußere Erscheinugsbild des Mikroskops bis weit in das 20. Jahrhundert prägen sollte. Ein Mitarbeiter und späterer Nachfolger Oberhäusers war Edmund Hartnack (1826-1891), der für die hohe Qualität seiner Objektive bekannt war.

 

Mikroskopobjektiv um 1865 - Schemazeichnung
Hartnacks "Mittleres Hufeisenstativ"  aus Leopold Dippel - Das Mikroskop und seine Anwendung (Band I 1867)
Hufeisenstativ von Hartnack um 1865

 

Die Verbesserungen in der mikroskopischen Optik ermöglichen rasche Fortschritte in den Naturwisschenschaften. So setzt der Botaniker Matthias Schleiden (1804-1881) das Mikroskop intensiv für seine Forschungen ein und kommt zur Erkenntnis, dass die Bausteine aller Gewebe letztlich die Zellen sind und sich Wachstum nur über die Vermehrung dieser Zellen ergeben kann. Theodor Schwann (1810-1882) greift Schleidens Erkenntnisse auf, erweitert sie auf die Zoologie und veröffentlicht 1839 sein Werk "Mikroskopische Untersuchungen über die Übereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Tiere und Pflanzen". Dies gilt allgemein als die Geburtsstunde der Zellbiologie.

Rudolf Virchow (1821-1902) führt die Erkenntnisse von Schleiden und Schwann konsequnet weiter und gelangt schließlich zur berühmten und konsequenten Aussage "omnis cellula e cellula". Dies bedeutet, dass eine Zelle nur wiederum aus einer Zelle hervorgehen kann.

Louis Pasteur (1822-1895) bestätigt die Aussage Virchows und wiederlegt mit seinen bekannten Experimenten zu Beginn der 1860er Jahre die bis dahin verbreitete Theorie der "Urzeugung" (spontane Entstehung von Leben aus unbelebter Materie).

Diese wesentlichen Fortschritte und die unmittelbar bevorstehenden Entdeckungen - z.B. durch Robert Koch - wären ohne das Mikroskop gar nicht vorstellbar. Im Gegensatz hierzu steht die Art und Weise in welcher die Mikroskope jener Zeit hergestellt wurden:
es gab keine tragfähige "Theorie des Mikroskops" und die Herstellung basierte - wie oben beschrieben - nur auf Erfahrungswerten und der versuchsweisen Kombination von Linsen.

Es war zu jener Zeit nicht wirklich klar, wie überhaupt das reelle Zwischenbild im Mikroskop entsteht. Man dachte, dass bei einer möglichst exakten Vereinigung der Lichtstrahlen am Bildpunkt praktisch beliebige Vergrößerungen möglich und auch sinnvoll wären. Wir haben aber schon gesehen, dass die Lichtstrahlen der Geometrischen Optik tatsächlich die Ausbreitung von Lichtwellen beschreiben. Dies bedeutet, dass am Bildpunkt nicht die Strahlen, sondern vom Objektpunkt ausgehende Lichtwellen vereinigt werden. Was geschieht aber in diesem Bildpunkt genau? Wodurch werden die Verhältnisse des Objektpunktes hier reproduziert?

Wir haben auch beispielhaft ein Zusammengesetztes Mikroskop mit 100facher Vergrößerung konzipiert. Was hindert uns daran wesentlich stärker vergrößernde Systeme zu konstruieren? Wir können beispielsweise ein Objektiv mit einer Brennweite von 1mm mit einem Okular mit der Brennweite von 10mm kombinieren. Wählen wir dann als optische Tubuslänge eine Distanz von 500mm, so erhalten wir ein Mikroskop mit einer Brennweite von 1mm*10mm/500mm = 0.02mm. Dieses Mikroskop liefert dann eine Vergrößerung von 250mm/0.02 = 12500fach!
Ist eine derartige Vergrößerung auch bei einem theoretischen Ausschalten aller relevanter Abbildungsfehler sinnvoll? Läßt sich gleichzeitig mit der Vergrößerung auch die Auflösung, also die Fähigkeit getrennte Objektdetails auch im Bild wiederum getrennt darzustellen, prinzipiell beliebig steigern?

Die nachfolgende Darstellung zeigt den Unterschied zwischen Vergrößerung und Auflösung. Als Beispiel wird die Schale einer einzelligen Kieselalge gewählt.

 

Unterschiedliche Auflösung bei gleicher Vergrößerung
   

 

Wir wissen, wie die Brennweiten und Abstände von Objektiv und Okular die Vergrößerung bestimmen.

  • Welche Faktoren bestimmen jedoch das Auflösungsvermögen des Mikroskops?
  • Sind diesem Auflösungsvermögen irgendwelche physikalisch bedingten Grenzen gesetzt?
  • Gibt es tatsächlich keine Möglichkeit Mikroskopobjektive durch Berechnung so zu konstruieren, dass ihre Leistung bereits im Voraus beurteilt und diese dann auch mit reproduzierbarer Qualität hergesetellt werden können?

Diese Fragen waren bis deutlich über die Mitte des 19. Jahrhunderts weitgehend unbeantwortet und es liegt auf der Hand welche immensen Fortschritte deren Beantwortung bringen würde.

 

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06/03/2016