mini|hochkant=0.7|„Großes Mikroskop“ von Carl Zeiss von 1879 mit Optiken berechnet von Ernst Abbe.
Lichtmikroskope (von griechisch μικρόν mikrón „klein“; σκοπεῖν skopein „betrachten“) sind Mikroskope, die stark vergrößerte Bilder von kleinen Strukturen oder Objekten mit Hilfe von Licht erzeugen. Die Vergrößerung erfolgt gemäß den Gesetzen der Optik unter Ausnutzung von Lichtbrechung an Glaslinsen.
Um im erzeugten Bild Strukturen erkennen zu können, muss das Bild ausreichend Kontrast enthalten, der in vielen biologischen Objekten wie z. B. Gewebeschnitten oder kleinen Wasserlebewesen kaum vorhanden ist. Das ‚typische‘ mikroskopische Verfahren für solche Objekte ist die Hellfeldmikroskopie, bei der Kontrast durch farbige oder dunkle Strukturen im durchleuchteten Präparat hervorgerufen wird, bei Bedarf verstärkt durch zusätzliche künstliche Färbung des Objektes. Bei farblosen Präparaten kann Kontrast auch mit speziellen Beleuchtungsverfahren hervorgerufen werden, indem Unterschiede in der optischen Dichte (Brechungsindex) in Helligkeitsunterschiede umgewandelt werden. Dies geschieht bei Dunkelfeldmikroskopie, Phasenkontrastmikroskopie und bei Differentialinterferenzkontrast (DIC) oder bei dem bereits in den Anfängen der Mikroskopie verwendeten Verfahren mit schiefer Beleuchtung. Unterschiede im Polarisationsverhalten des Präparats werden bei der Polarisationsmikroskopie genutzt. Fluoreszente Strukturen im Präparat sind Voraussetzung für die Fluoreszenzmikroskopie und ihre zahlreichen Spezialverfahren. Weitere mikroskopische Verfahren sind die Konfokalmikroskopie und die Multiphotonenmikroskopie. All diese Verfahren sind in ihren eigenen Artikeln behandelt. Der Artikel hier stellt gemeinsame Grundlagen verschiedener mikroskopischer Verfahren dar.
Funktionsweise von einfachen und zusammengesetzten Mikroskopen Lichtmikroskopie kann mit „einfachen“ oder mit „zusammengesetzten“ Mikroskopen durchgeführt werden. Heutige Mikroskope sind typischerweise „zusammengesetzte Mikroskope“.
Einfache Mikroskope mini|links|Nachbau eines van-Leeuwenhoek-Mikroskops. Siehe Text für Einzelheiten.
Einfache Mikroskope besitzen nur ein einzelnes optisches System zur Vergrößerung und funktionieren wie eine Lupe (zum Prinzip der Vergrößerung siehe dort). Ursprünglich verwendete man dazu nur eine einzelne Glaslinse. Um die für Mikroskope typische starke Vergrößerung zu erreichen, benötigt man eine sehr kurze Brennweite. Wegen der damit verbundenen starken Krümmung der Linsenoberfläche muss die Linse einen kleinen Durchmesser im Millimeterbereich haben. Sie muss mit entsprechend geringem Abstand dicht vor das Auge gehalten werden, was anstrengend ist und zur geringen allgemeinen Verbreitung dieser Mikroskope führte. Im einfachsten Fall bestand ein einfaches Mikroskop nur aus einer Glaslinse und einer Halterung für diese.
Die bekanntesten dürften jene von Antoni van Leeuwenhoek gebauten Geräte sein, mit denen eine mehr als 200-fache Vergrößerung erreicht wird. Damit gelangen ihm Ende des 17. Jahrhunderts zahlreiche wissenschaftliche Entdeckungen. Der in der Abbildung dargestellte Nachbau eines solchen Mikroskops wird mit der Seite, die auf der Unterlage liegt, dicht vor das Auge gehalten. Rechts im Bild ist am Ende einer Raute eine Spitze zu sehen, auf die das Präparat montiert wurde und mit der Spitze mittels eines Schraubgewindes in Position gebracht wurde. Darunter ist die Glaslinse in die Metallplatte eingelassen.
Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche Varianten einfacher Mikroskope entwickelt wie z. B. das „Flohglas“, das Zirkelmikroskop, einfache Screw-barrel-Mikroskope, klassische Präpariermikroskope und die so genannten botanischen Mikroskope. Auf der Suche nach besserer Abbildungsqualität verwendete man im 19. Jahrhundert auch Edelsteinlinsen wegen ihres hohen Brechungsindex und damit geringerer sphärischer Aberration oder eine Kombination aus zwei oder drei Plankonvexlinsen (Doublet, Triplet), ebenfalls zur Verringerung von Abbildungsfehlern. Es gab auch einfache Mikroskope mit kombinierbaren Einzellinsen mit Schraubfassung zur Änderung der Vergrößerung. Solche einfachen Mikroskope wurden noch bis Ende des 19. Jahrhunderts angeboten. Zum Beispiel stellte Zeiss nach Firmengründung in Jena ab den 1850er Jahren Doublets bis 125facher Vergrößerung und Triplets bis 300facher Vergrößerung her, 1895 noch ein Doublet 70fach.
Da ein einfaches Mikroskop mit hoher Vergrößerung dicht vor das Auge gehalten werden muss, ist eine Beleuchtung des Präparats meist nur von der Rückseite möglich. Es wird dabei also in der Regel mit Durchlicht-Beleuchtung gearbeitet. Es gab aber seit der Erfindung eines die Linse umschließenden, zum Objekt gerichteten Beleuchtungs-Hohlspiegels durch Johann Lieberkühn (1740) auch die Möglichkeit der Auflichtbeleuchtung. Die geringer vergrößernden damaligen einfachen „Naturforschermikroskope“ waren meist Auflichtmikroskope.
Zweistufige Vergrößerung beim zusammengesetzten Mikroskop mini|Zweistufige Vergrößerung beim zusammengesetzten Mikroskop Zusammengesetzte Mikroskope bestehen aus mindestens zwei hintereinander geschalteten optischen Systemen mit jeweils eigener Vergrößerung. Das vordere, das Objektiv, erzeugt ein vergrößertes reelles Bild, das Zwischenbild, welches vom Okular ein zweites Mal vergrößert wird. Das Okular funktioniert dabei wie eine Lupe und erzeugt ein virtuelles Abbild des Zwischenbildes. Die Gesamtvergrößerung des Mikroskops ist das Produkt aus Objektivvergrößerung und Okularvergrößerung. Bei einem 20x Objektiv und einem 10x Okular beträgt die Gesamtvergrößerung also 200x.
Die ersten zusammengesetzten Mikroskope bestanden aus nur zwei Einzellinsen, sehr bald wurde das Okular zur Vergrößerung des nutzbaren Bildfeldes und Verringerung der Abbildungsfehler aus zwei Linsen zusammengesetzt (z. B. Huygens-Okular). In modernen Mikroskopen bestehen Objektive und Okulare aus mehreren Linsen, um verschiedene optische Abbildungsfehler auszugleichen. Hier ist etwa die chromatische Aberration zu nennen, die erst im 19. Jahrhundert durch Einführung neuer Glassorten begrenzt werden konnte. Da sich die Abbildungsfehler von Objektiv und Okular multiplizieren, waren zusammengesetzte Mikroskope den einfachen Mikroskopen zunächst unterlegen. Die Objektive und Okulare sind in der Regel wechselbar, so dass die Vergrößerung der jeweiligen Aufgabenstellung angepasst wird.
Bauweisen von zusammengesetzten Mikroskopen Durchlicht- oder Auflichtmikroskopie
Je nachdem von welcher Seite das Licht auf das Präparat fällt, wird zwischen Auflicht- und Durchlicht-Beleuchtung beziehungsweise zwischen Auflicht- und Durchlichtmikroskopie unterschieden.
Bei der Durchlichtmikroskopie wird die Beleuchtung von hinten durch das Präparat hindurchgeleitet, bevor es vom Objektiv des Mikroskops aufgefangen wird (orange Pfeile in der Schemazeichnung). Daher sind durchsichtige oder dünn geschnittene Präparate erforderlich. Diese Technik wird beim häufigsten mikroskopischen Verfahren angewendet, der Durchlicht-Hellfeldmikroskopie.
Bei der Auflichtmikroskopie wird das Licht entweder vom Mikroskop kommend durch das Objektiv auf das Präparat geleitet (hellblaue Pfeile) oder von der Seite eingestrahlt (grüner Pfeil). Das vom Präparat reflektierte Licht wird wiederum vom Objektiv aufgefangen. Auflichtmikroskopie ist auch mit undurchsichtigen Präparaten möglich. Solche Präparate sind etwa in den Materialwissenschaften häufig, wo Probestücke eines Materials geschliffene und polierte oder auch angeätzte Oberflächen erhalten, die dann mikroskopisch untersucht werden. Auflichtbeleuchtung durch das Objektiv ist auch bei der Fluoreszenzmikroskopie weit verbreitet. Stereomikroskope arbeiten meist mit seitlicher Auflichtbeleuchtung. Ein Lieberkühn-Spiegel ermöglicht Auflichtmikroskopie mit einem Durchlichtmikroskop durch Umleitung des Lichts.
Eine seitliche Beleuchtung (magenta-farbener Pfeil) wurde oder wird bei manchen Spezialverfahren verwendet (siehe Spaltultramikroskop und Lichtscheibenmikroskopie).
Aufbau eines typischen zusammengesetzten Durchlicht-Mikroskops mini|Ein zusammengesetztes Durchlichtmikroskop einfacher Bauart: A) Okular, B) Objektiv, C) Objektträger, D) Kondensor, E) Objekttisch, F) Beleuchtungsspiegel
Die Baugruppen eines typischen Durchlicht-Mikroskops wirken wie folgt zusammen: Das Objektiv (B) erzeugt ein reelles Bild, das Zwischenbild. Moderne Mikroskope sind meist mit mehreren Objektiven ausgestattet, die in einen Objektivrevolver montiert sind. Dies ermöglicht den schnellen Objektivwechsel durch Drehen des Revolvers. Das Zwischenbild wird vom Okular (A) ein weiteres Mal vergrößert. Die Zwischenbildebene liegt typischerweise innerhalb des Okulars. Die Gesamt-Vergrößerung des Mikroskops errechnet sich durch Multiplikation der Vergrößerungen von Objektiv und Okular. Viele Okulare haben eine 10-fache (10×) Vergrößerung. Häufige Objektiv-Vergrößerungen liegen zwischen 10× und 100×. Die Röhre zwischen Objektiv und Okular wird als Tubus bezeichnet. Das Präparat (auch: Objekt) ist bei Durchlicht-Mikroskopen üblicherweise auf dem gläsernen Objektträger (C) aufgebracht. Der Objektträger wird am Objekttisch (E) befestigt. Damit das von unten kommende Licht das Objekt optimal ausleuchtet, haben Durchlicht-Mikroskope ein gesondertes Linsensystem, den Kondensor (D). Dieser ist am Objekttisch befestigt. Der Objekttisch kann zum Scharfstellen des Objekts auf und ab bewegt werden. Der Kondensor wird dabei mitbewegt. Als Lichtquelle alter und sehr einfacher neuer Mikroskope dient ein Spiegel (F). Sonst wird eine elektrische Lichtquelle eingesetzt.
Die Beleuchtung des Präparats kann mittels kritischer Beleuchtung oder Köhlerscher Beleuchtung erfolgen (s. u.).
Tubuslänge, Endlichoptik und Unendlichoptik mini|links|Strahlengang in einem zusammengesetzten Mikroskop mit Unendlichoptik. Die Objektive von älteren oder kleineren Mikroskopen sind angepasst an eine definierte Tubuslänge und erzeugen in einem genau definierten Abstand ein reelles Zwischenbild, das dann durch die Okularoptik vergrößert wird. Die Hersteller einigten sich auf eine Tubuslänge von 160 mm, bei älteren Mikroskopen kann diese Tubuslänge abweichen. So fertigte die Firma Leitz/Wetzlar nach einem hauseigenen Standard von 170 mm.
Diese definierte Tubuslänge bringt allerdings einige Nachteile mit sich. So können optische Elemente und Baugruppen nicht einfach in den Strahlgang eingefügt werden, da z. B. einfach der Platz hierfür nicht ausreichte. Neuere Mikroskope sind daher mit einer sogenannten „Unendlichoptik“ ausgestattet. In diesem Fall erzeugt das Objektiv kein reelles Zwischenbild, sondern das Licht verlässt das Objektiv als unendliche parallele Strahlen, was einen „unendlich“ langen Tubus ermöglicht. Somit können in den Strahlengang beliebig viele Zwischenelemente wie Filter, Strahlteiler etc. eingefügt werden. Da aus den parallel verlaufenden Lichtstrahlen kein Bild entstehen kann, befindet sich am Ende von unendlich-Tuben eine Tubuslinse. Diese erzeugt aus den parallelen Lichtstrahlen ein reelles Zwischenbild, das dann wieder durch die Okularoptik vergrößert werden kann. Unendlich Optik-Objektive erkennt man in der Regel an dem aufgebrachten ∞ (Unendlichzeichen).
In Abgrenzung zur Unendlichoptik wird die klassische Optik mit fester Tubuslänge als „Endlichoptik“ bezeichnet. Auf entsprechenden Objektiven ist die Länge des vorgesehenen Tubus in Millimetern angegeben, etwa 160 oder 170.
Aufrechte und inverse (auch: umgekehrte) Mikroskope mini|links|Inverses Mikroskop. Die Objektive befinden sich unter dem Präparat. Ein Mikroskop, bei dem sich das Objektiv oberhalb des Präparats befindet, wird als aufrechtes Mikroskop bezeichnet. Bei Durchlicht-Mikroskopen kommt das Licht dann von unten zum Präparat. Darüber ist das Objektiv, durch das das Licht nach oben zum Okular geht. Dies ist die häufigere Bauart.