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Lexikon der Optik: Mikroskopobjektiv

Mikroskopobjektiv, das optische System am Mikroskop, das dem Objekt zugewandt ist und die erste Stufe der vergrößernden Abbildung im zusammengesetzten Mikroskop bewirkt (mikroskopische Abbildung). Gelegentlich wird das M. auch unschön als Mikroobjektiv bezeichnet. Das M. ist der wichtigste und wertvollste Teil des Mikroskops, denn seine Leistungen sind ausschlaggebend für die Gesamtleistung. Die numerische Apertur des M. bestimmt das Auflösungsvermögen des Instrumentes und sein Korrektionszustand die erreichbare Bildgüte.

Die Einteilung der M. erfolgt nach folgenden Merkmalen: optischer Aufbau (Linsenobjektiv, Spiegelobjektiv, Spiegellinsenobjektiv), Korrektionszustand (axiale und laterale Farbkorrektion, Bildfeldebnung), Vergrößerung bzw. Abbildungsmaßstab, numerische Apertur, endliche oder unendliche Bildweite (mikroskopische Abbildung), mit oder ohne Deckglas, Trocken- oder Immersionssystem. Weiterhin wird unterschieden nach der Fassungsart (fest, Federfassung, Korrektionsfassung) und nach besonderen Ausführungsarten für die verschiedenen mikroskopischen Verfahren.

1) Linsenobjektive. Sie werden nach Farbkorrektion und Bildfeldebnung eingeteilt in: Achromate, Fluoritobjektive, Apochromate, Planobjektive (Planachromate, Planapochromate), Großfeld-Objektive (GF-Planachromate, GF-Planapochromate), CVD-freie Objektive und Monochromate.

a) Achromate sind M., die im Vergleich zu anderen Objektivtypen den einfachsten optischen Aufbau und das niedrigste Preisniveau haben. Die Korrektion ist am günstigsten im mittleren (grünen) Teil des sichtbaren Spektrums (e-Linie bei der Wellenlänge 546 nm), den das menschliche Auge am hellsten wahrnimmt. Die Bildorte für die blauen (F'-Linie, 480 nm) und roten (C'-Linie, 644 nm) Strahlen liegen weiter vom Objektiv entfernt (Abb. 1). Stärkere Achromate haben einen wellenlängenabhängigen Öffnungsfehler (Gauß-Fehler). Außerdem zeigen die Achromate stets Bildfeldwölbung. Hinsichtlich der chromatischen Vergrößerungsdifferenz (CVD) kann es erhebliche Unterschiede geben. Achromate finden vorrangig Anwendung in Kurs- und einfacheren Labormikroskopen sowie für Routinearbeiten, wenn die noch vorhandene Bildfeldwölbung nicht stört.

b) Als Fluoritobjektive (Fluoritsysteme, Semi-, oder Halbapochromate; Handelsname Fluotar, Neofluar) werden solche M. bezeichnet, die hinsichtlich der axialen Farbkorrektion eine Mittelstellung zwischen den Achromaten und den Apochromaten einnehmen. Durch Verwendung von Flußspatlinsen ist das sekundäre Spektrum vermindert. Fluoritobjektive werden im allgemeinen in Verbindung mit Kompensationsokularen benutzt.

c) Apochromate (E. Abbe 1886) sind M., bei denen durch Verwendung von Glasarten mit speziellem Dispersionsverlauf und vor allem von Flußspat das sekundäre Spektrum beseitigt ist und die Bildorte für drei Farben übereinstimmen. Für die dazwischen liegenden Farben sind die Abweichungen der Bildorte sehr gering. Außerdem ändert sich der Öffnungsfehler nur sehr wenig mit der Wellenlänge (korrigierter Gauß-Fehler). Bei der Korrektion der Apochromate mußte ein Farbvergrößerungsfehler (chromatische Vergrößerungsdifferenz, CVD) in Kauf genommen werden, der durch Kompensationsokulare ausgeglichen wird (Kompensationssystem). Außerdem zeigen Apochromate Bildfeldwölbung. Wegen der besseren Korrektion sind bei Apochromaten gleicher Vergrößerung die Aperturen höher als bei Achromaten. Dadurch kann ein weiterer Vergrößerungsbereich genutzt werden. Apochromatische M. sind besonders geeignet, wenn feinste Farben- und Struktureinzelheiten zu beobachten sind. Das hohe Apertur/Vergrößerungs-Verhältnis ist vorteilhaft für die Anwendung in der Fluoreszenzmikroskopie.

d) Planobjektive (H. Boegehold 1938), d.h. Planachromate bzw. Planapochromate, sind M. mit achromatischer bzw. apochromatischer Korrektion, bei denen insbesondere durch Verwendung dicker Menisken zusätzlich die Bildfeldwölbung für ein Zwischenbild mittlerer Größe (Normalfeld) korrigiert ist. Moderne Planobjektive haben ein geebnetes Bildfeld von 20 bis etwa 25 mm Durchmesser. Sie finden Anwendung in Labor- und Routinemikroskopen sowie in der Mikrophotographie.

e) Großfeld-Objektive (GF-Planachromate, GF-Planapochromate) sind planachromatisch bzw. planapochromatisch korrigierte Objektive, die für eine Zwischenbildgröße von 28 bzw. 32 mm ein geebnetes Bildfeld ergeben (Großfeld). Besonders vorteilhaft ist die Großfeld-Abbildung in Verbindung mit CVD-freier Abbildung (s.u.). Gegenüber Planobjektiven mit 20 mm Zwischenbildgröße ergibt sich eine Steigerung des gleichzeitig scharf abgebildeten Informationsgehaltes auf 250%. Großfeld-Objektive finden Anwendung in anspruchsvollen Routine- und Forschungsmikroskopen.

f) CVD-freie Objektive (H. Riesenberg 1968, 1980) sind M. mit beseitigtem Farbvergrößerungsfehler (ohne chromatische Vergrößerungsdifferenz, chromatical aberration free, abgekürzt CF) im Zwischenbild. Dies wurde durch ein neues Konstruktionsprinzip erreicht, wonach ein "invers-achromatisches" Kittglied im hinteren Teil des optischen Systems verwendet wird. Durch Kombination mit CVD-freien Okularen im CVD-freien System bleibt die Farbfehlerfreiheit im gesamten Bildfeld erhalten. Ein solches System bietet gegenüber dem Kompensationssystem deutliche Vorteile durch farbsaumfreie Abbildung des mikroskopischen Objektes sowie von Markierungen, Skalen und Blenden, die in der Zwischenebene angeordnet sind. In den Jena-Mikroskopen 250-CF sind erstmals sämtliche verwendeten Objektivtypen (Achromate, Apochromate, Planobjektive, Großfeld-Objektive) CVD-frei.

g) Monochromate (M. v. Rohr 1904) sind nur für eine Wellenlänge korrigiert; sie bestehen aus Quarzglas-Linsen. Sie wurden für die UV-Mikroskopie entwickelt. Die starke Abhängigkeit des Bildortes von der Wellenlänge erfordert monochromatisches Licht. Sie werden nicht mehr hergestellt. Neuerdings werden für die UV-Mikroskopie UV-VIS-achromatische Linsenobjektive (Handelsname Ultrafluare) oder Spiegel- bzw. Spiegellinsenobjektive (s.u.) benutzt.

2) Optischer Aufbau der Linsenobjektive. Dieser ist vielgestaltig und hängt vorrangig von der numerischen Apertur und dem Korrektionstyp ab. Bei mittleren und hohen numerischen Aperturen ist die Frontlinse plankonvex (Abb. 2a, b) oder meniskusförmig mit hohler Frontfläche (Abb. 2c, d, e) ausgebildet, wobei die dem Objekt abgewandte Fläche häufig aplanatisch ist. Bei stärkeren Systemen kann die Frontlinse halbkugelig oder überhalbkugelig sein. Hinter der Frontlinse kann zur weiteren Divergenzverminderung des abbildenden Strahlenbündels eine plankonvexe oder dünne Meniskuslinse angeordnet sein (Duplexfront). Da bei Immersionssystemen aus Gründen der Handhabung auf eine hohle Frontfläche verzichtet werden muß, kittet man eine plankonvexe Linse von niedriger Brechzahl in eine dicke Meniskuslinse von hoher Brechzahl, um die für Planobjektive wichtige Wirkung des Frontmeniskus zu erreichen. Die folgenden Kittglieder dienen vorrangig der achromatischen bzw. apochromatischen Korrektion, wobei bei (Plan-)Apochromaten und bei neueren planachromatischen M. Flußspat oder flußspatähnliche Gläser Verwendung finden. Im hinteren Systemteil angeordnete Meniskuslinsen dienen der weiteren Verbesserung der Bildfeldebnung bei Planobjektiven und Großfeld-Objektiven. Durch ein im hinteren Systemteil angeordnetes "invers-achromatisches" Kittglied, das auch als Meniskus ausgebildet sein kann, werden in Verbindung mit einer im vorderen Systemteil erzeugten chromatischen Überkorrektion CVD-freie Objektive erzielt. Beispiele für den optischen Aufbau mittelstarker M. sind in Abb. 2 angegeben.

3) Trocken- und Immersionssysteme. Im ersten Falle befindet sich Luft, im zweiten eine als Immersionsflüssigkeit oder kurz als Immersion bezeichnete Flüssigkeit (Öl, Wasser, Glycerin u.a.) zwischen dem Objekt und der Frontlinse des M.

a) Bei schwachen Trockenobjektiven (bis zu einer numerischen Apertur von etwa 0,3) ist es für die Bildgüte gleichgültig, ob das Objekt mit einem Deckglas bedeckt oder ob es unbedeckt ist. Bei größeren numerischen Aperturen ist die Vorschrift, ob das Objektiv mit oder ohne Deckglas zu verwenden ist, unbedingt einzuhalten. Bei sehr hohen Aperturen sind von der vorgeschriebenen Deckglasdicke 0,17 mm Abweichungen von nur ±0,01 mm zulässig. Deshalb werden starke Trockensysteme mit Korrektionsfassung (s.u.) ausgeführt. Die höchste mit Trockensystemen erreichbare numerische Apertur ist 0,95.

b) Immersionsobjektive werden hauptsächlich dann verwendet, wenn die numerische Apertur A und damit das Auflösungsvermögen erhöht werden soll. Da A proportional zur Brechzahl n der Immersionsflüssigkeit ist, unterscheiden sich Trocken- und Immersionsobjektive, die Strahlen gleichen Öffnungswinkels aufnehmen, in der numerischen Apertur um den Faktor n. Zu besonderen Zwecken kann es vorteilhaft sein, auch Immersionsobjektive von geringerer numerischer Apertur zu verwenden. Von einer homogenen Immersion (J.W. Stephenson und E. Abbe, 1878) spricht man, wenn das Immersionsmittel nahezu die gleiche Brechzahl und Dispersion wie die Frontlinse (und gegebenenfalls das Deckglas) hat. Bei der homogenen Immersion ist die erste brechende Fläche die aplanatische Fläche der Frontlinse, die ohne Öffnungsfehler abbildet und dabei gleichzeitig die Sinusbedingung erfüllt. Ölimmersionen mit Zedernholzöl oder synthetischem Immersionsöl (nd≈1,515, Abbesche Zahl νd≈50) wirken annähernd als homogene Immersion. Die Wasserimmersion (nd=1,333, νd=55,6) wird zum Untersuchen lebender Objekte in wäßrigen Lösungen und in der UV-Mikroskopie benutzt. UV-durchlässig ist auch die Glycerinimmersion, die aus einem Gemisch aus Glycerin und Wasser besteht.

4) Die Fassung des M. Sie ist der mechanische Teil, der die optischen Bauelemente zentriert und in den vorgeschriebenen Abständen zusammenhält. Meist werden die Linsen bzw. verkitteten Linsenglieder in einzelnen Fassungen zentriert und gehalten, in ein Fassungsrohr gefüllt und durch einen Vorschraubring gehalten (Füllfassung).

Stärkere Trocken- und Immersionssysteme, die einen kleinen freien Arbeitsabstand haben, werden häufig in Federfassung ausgeführt; man spricht auch von M. mit Präparateschutz. Hierbei ist das Fassungsteil, das das optische System aufnimmt, gegenüber einem äußeren starren Fassungsrohr bis zu einem oberen Anschlag beweglich und weicht z.B. beim versehentlichen Anstoßen auf das Präparat zurück.

Zum Ausgleich von Deckglasdicken, die von dem vorgeschriebenen Wert 0,17 mm abweichen, werden starke Trockensysteme in einer Korrektionsfassung ausgeführt. Hierbei wird durch Drehung eines Korrektionsringes eine Änderung des Abstandes zwischen dem vorderen und dem hinteren Teil des optischen Systems bewirkt, wodurch die optimale Bildgüte wieder hergestellt wird.

5) M. in besonderen Ausführungsarten und Spezialobjektive. Sie dienen speziellen Anwendungen in der Mikroskopie. Bei M. für das Phasenkontrastverfahren (Ph-Objektive o.ä.) ist in der Nähe der hinteren Brennebene ein Phasenring angeordnet. M., die für Messungen in der Polarisationsmikroskopie vorgesehen sind (Pol-Objektive), sind weitgehend frei von Spannungsdoppelbrechung. Für polarisationsoptische Untersuchungen mit Universaldrehtischen werden Segment-Objektive (S-Objektive) benutzt, bei denen sich im Objektraum ein Kugelsegment befindet. LD-, LDN-Objektive (oder ähnlich benannt) sind M. mit großem Arbeitsabstand (LD Abk. für engl. long distance), die bei besonders großem Arbeitsabstand eine größere Abgleichlänge als übliche M. besitzen. In die Korrektion von LD- bzw. LDN-Objektiven kann eine planparallele Platte von bestimmter Dicke einbezogen sein (Abb. 3d), so daß sie für die Mikroskopie mit Kammern (z.B. Heizkammern) geeignet sind. Hell-Dunkel(HD)-Objektive sind Spezialobjektive für die Auflichtmikroskopie (Mikroskopkondensor).

6) Spiegelobjektive. Neben den Lisenobjektiven, die auch dioptrische Objektive genannt werden, benutzt man in der Mikroskopie auch Spiegelobjektive (katoptrische M.). Man unterscheidet je nach der Anzahl der gekrümmten Spiegelflächen Ein-, Zwei- oder Mehrspiegelsysteme. Für die praktische Mikroskopie haben vorrangig solche Zweispiegelsysteme Bedeutung erlangt, bei denen das vom Objekt ausgehende Licht zunächst auf einen großen Konkavspiegel fällt und von diesem über einen kleinen Konvexspiegel zur Bildebene weitergeleitet wird (Abb. 3). Dieser grundsätzliche Aufbau wird als Schwarzschild-Typ bezeichnet (Abb. 3a). Er liegt auch dem Blocksystem nach Abb. 3b und den katadioptrischen M. nach Abbn. 3c, d zugrunde. Diese Objektive haben eine Zentralabschattung, d.h., der mittlere Teil des abbildenden Strahlenkegels wird ausgeblendet (ringförmige Pupille). Dies führt im Vergleich zu einem zentralabschattungs- und aberrationsfreien M. zu einer Verminderung der Intensität im Beugungsscheibchen und zu einer Zunahme der Intensität in den Beugungsringen. Ähnlich verhalten sich mit Öffnungsfehlern behaftete M. Wird die Zentralabschattung klein gehalten, wie dies insbesondere bei katadioptrischen M. möglich ist, so tritt keine Beeinträchtigung der Bildgüte auf.

Katoptrische M. sind völlig frei von chromatischen Aberrationen, jedoch darf nicht übersehen werden, daß bei Benutzung eines Deckglases ein Farbfehler entsteht, der nur bei katadioptrischen Systemen korrigiert werden kann. Konzentrische Zweispiegelsysteme, bei denen die Krümmungsmittelpunkte beider Spiegel zusammenfallen, sind aplanatisch und besitzen auch keinen Zweischalenfehler. Ihre Zentralabschattung ist jedoch relativ groß (linear etwa 45%, flächenmäßig etwa 20%). Wird die Apertur von 0,5 überschritten, tritt ein Öffnungsfehler auf, der nur für den Einsatz im Infraroten noch zulässig ist. Eine Variante des Zweispiegelsystems ist das Blocksystem. Bei diesem werden Spiegelflächen benutzt, die einem Stück brechenden Materials (z.B. Quarzglas) so angeschliffen sind, daß die Reflexion innerhalb desselben erfolgt (Abb. 3b).

Katadioptrische M. für die Ultraviolettmikroskopie enthalten außer den Spiegeln noch Linsen aus Quarzglas und Flußspat (Abb. 3c). Die Bildorte bleiben über ein großes Spektralgebiet nahezu unverändert (UV-VIS-apochromatische Korrektion, analog der Kurve 3 in Abb. 1). Ihre Zentralabschattung ist gering und damit nicht störend. Katadioptrische M. können auch als Immersionssysteme ausgebildet sein. – Katadioptrische M. haben auch Bedeutung für das sichtbare Spektralgebiet, weil mit ihnen extrem großer Arbeitsabstand und gleichzeitig hohe Apertur und hohe Bildgüte erreicht werden kann (Abb. 3d). Anwendungsgebiete sind die Mikroskopie mit Kammern sowie die Laser-Mikrospektralanalyse.



Mikroskopobjektiv 1: Farblängsfehler bei achromatischer (1), halbapochromatischer (2) und apochromatischer Korrektion (3).



Mikroskopobjektiv 2: Optischer Aufbau von Mikroskopobjektiven unterschiedlichen Korrektionstyps mit der numerischen Apertur 0,65. a Achromat 40/0,65, b Apochromat 20/0,65, c Planachromat 40/0,65, d GF-Planachromat 40/0,65, e GF-Planachromat 40/0,65 (Bildweite unendlich, CVD-frei). Schraffur: Flußspat.



Mikroskopobjektiv 3: a Zweispiegelsystem vom Schwarzschild-Typ, b Blocksystem nach D. D. Maksutov, c katadioptrisches System (für UV-VIS) nach D. S. Grey, d katadioptrisches System (planapochromatisch) nach H. Riesenberg.

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