1 Das Lichtmikroskop

1.1 Auge – Lupe – Mikroskop

Unser Auge ist selbst ein „optischer Apparat“ ( ▶ Abb. 1.1). Allem Fortschritt zum Trotz ist das Auge als Sehorgan – verbunden mit dem gleich dahinterliegenden Gehirn – die leistungsfähigste Bildverarbeitung, die es heute gibt.

1.1.1 Auflösungsvermögen des Auges

Das Auge hat ein Auflösungsvermögen von ca. 50–100 um. Zum Größenvergleich: ein menschliches Haar hat eine Dicke von 50– 100 um. Ein Blatt Schreibpapier ist ca. 100 um dick. Ein Pantoffeltierchen (Paramecium bursaria) ist ca. 100 µm lang. Eines der größten Pollenkörner, der Kürbispollen (Cucurbita pepo), hat einen Durchmesser von ca. 200 um. Die Pollenkörner des Vergissmeinnichts (Myosotis palustris) sind mit ca. 4 µm extrem klein ( ▶ Abb. 1.2).

1.1.2 Von der Lupe zum Mikroskop

Limitierend für die Auflösung des Auges ist – abgesehen von den anatomischen Gegebenheiten – der Sehwinkel; er beträgt ca. 30° ( ▶ Abb. 1.3 – ▶ Abb. 1.7). Bringt man eine Sammellinse zwischen Auge und Objekt, so wird dieser Winkel vergrößert und wir sehen die Objekte ebenfalls größer: Eine Lupe 5 × macht uns jetzt Details von 10–20 um sichtbar. Das vergrößerte Bild bleibt dabei aufrecht ( ▶ Abb. 1.5)! Große Linsen lassen sich aber nur bis zu ca. 5-facher Vergrößerung herstellen. Legt man 2 Linsen aufeinander, so addieren sich im Wesentlichen die Vergrößerungen ( ▶ Abb. 1.6). Ein „Wunder“ passiert, wenn man 2 Linsen in einen passenden Abstand bringt: Die Vergrößerungen multiplizieren sich, und das Bild steht „auf dem Kopf“ ( ▶ Abb. 1.7). Wir haben jetzt ein einfaches, zusammengesetztes Mikroskop mit Objektiv und Okular vor uns.

1.2 Optik und Auflösung

1.2.1 Mikroskope vergrößern schrittweise

Das klassische Mikroskop vergrößert in zwei Schritten: Das Objektiv entwirft ein vergrößertes Bild des Objekts in der sogenannten Zwischenbildebene, und das Okular (lat. oculus = Auge) vergrößert wie eine Lupe das Zwischenbild. Bei modernen Mikroskopen gibt es eine Zwischenstufe: Zur Unterstützung des Objektivs kommt eine Tubuslinse hinzu. Das Objektiv entwirft ein Abbild in eine „unendliche“ Entfernung, die Tubuslinse mit ihrer Brennweite (hier: f = 164,5 mm) formt aus diesen parallelen Strahlen dann das Zwischenbild.

Das Okular dient wiederum als Betrachtungslupe, um dieses kleine Zwischenbild dem Auge noch stärker vergrößert erscheinen zu lassen.

1.2.2 Die Auflösung bestimmt, was sichtbar wird

Weißes Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, deren Periodenlängen 400 bis 700 nm betragen. Licht von grüner Farbe hat eine Wellenlänge von 550 nm.

Beobachtet man im Mikroskop kleine Objekte, so wird das einfallende Licht von solchen Objekten aus der ursprünglichen Richtung abgelenkt (gebeugt). Diese Ablenkung wird immer stärker, je kleiner die Strukturen werden. Um von kleinen Strukturen scharfe Bilder zu bekommen, muss das Objektiv möglichst viel von diesem gebeugten Licht „einsammeln“. Dies geht dann besonders gut, wenn das Objektiv einen großen Raumwinkel erfasst. Der Begriff Apertur („Öffnung“) beschreibt diese Eigenschaft. Der fundamentale Zusammenhang zwischen Auflösung, Wellenlänge und Öffnungswinkel wurde in bahnbrechenden Arbeiten von Ernst Abbe erstmals beschrieben ( ▶ Abb. 1.8).

Die „numerische Apertur“ ist ein Maß für den Raumwinkel, den ein Objektiv überblickt ( ▶ Abb. 1.9). Diese Formel gilt, wenn sich Luft (Brechungsindex n ˜ 1) zwischen Objektiv und Objekt befindet.

Für eine optimale Beleuchtung des Präparats wird ein Kondensor eingesetzt, dessen numerische Apertur der des Objektivs entspricht ( ▶ Abb. 1.9). Dadurch wird der wirksame Öffnungswinkel verdoppelt. So können vom Objektiv noch stärker gebeugte Lichtstrahlen eingefangen werden. Diese stärker abgelenkten Strahlen stammen von noch feineren Strukturen.

Eine weitere Möglichkeit den Öffnungswinkel zu vergrößern, ist zwischen der Frontlinse des Objektivs und dem Deckglas Immersionsflüssigkeiten einzubringen ( ▶ Abb. 1.10).

Bewährt hat sich ein bestimmtes Öl mit dem Brechungsindex n = 1,51, das genau an den Brechungsindex von Glas angepasst ist. Auf diese Weise werden alle Lichtreflexe auf dem Weg vom Objekt zum Objektiv beseitigt. Ohne diesen „Trick“ ginge bei größeren Winkeln immer Licht im Deckglas oder an der Frontlinse durch Reflexionen verloren. Die nutzbare Apertur des Objektivs würde durch diese Reflexionen verringert und das Auflösungsvermögen dadurch vermindert.

Okulare sind die Lupen, mit denen das mikroskopische Zwischenbild betrachtet wird ( ▶...