Instrumenten- Optik Mikroskop
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Optik 3. Lehrjahr Optische Instrumente InstrumentenOptik Mikroskop © Gewerblich-Industrielle Berufsschule Bern Augenoptikerinnen und Augenoptiker Optik 3. Lehrjahr Optische Instrumente Der mechanische Aufbau Die einzelnen mechanischen Bauteile eines Mikroskops bezeichnen und Lernziel ⇒ deren Aufgabe beschreiben. Ein Mikroskop besteht in der Regel aus ganz bestimmten Bestandteilen und hat dadurch eine charakteristische Form: © Berufsgruppe 2 Optik Nr. 3. Lehrjahr Bezeichnung Optische Instrumente Aufgabe 1 2 4 5 6 7 10 11 12 © Berufsgruppe 3 Optik 3. Lehrjahr Optische Instrumente Der geometrische Aufbau Den Aufbau und die Funktionsweise eines Mikroskops erklären. Lernziel ⇒ Die Begriffe Objektiv, Okular und Tubus erklären. Ein Mikroskop besteht im Wesentlichen aus zwei Sammellinsen, dem Objektiv und Okular, die in einem Rohr, dem Tubus, untergebracht sind. Das Objektiv ist die Linse, die dem Objekt zugewandt ist. Die Aufgabe des Objektivs besteht darin, ein stark vergrössertes, reelles Zwischenbild zu erzeugen. Das Okular ist die Linse, die dem Beobachterauge zugewandt ist. Die Aufgabe des Okulars besteht darin, das Zwischenbild nach Unendlich abzubilden. Es dient dem Beobachterauge als Lupe zur genaueren Betrachtung des Zwischenbildes Die Wirkungsweise des zusammengesetzten Mikroskops: Vom Objekt, das zwischen der einfachen und doppelten Brennweite des Objektivs, jedoch sehr nahe am Brennpunkt F1 liegt, wird ein vergrössertes, umgekehrtes Zwischenbild im Brennpunkt F2 des Okulars erzeugt. Dieses Zwischenbild dient dem Okular als Objekt und bildet dies wie bei einer Lupe vergrössert ab. © Berufsgruppe 4 Optik 3. Lehrjahr Optische Instrumente Mechanische und optische Tubuslänge Den Unterschied zwischen mechanischer und optischer Tubuslänge Lernziel ⇒ erklären. 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). Die optische Tubuslänge ist die Distanz zwischen den beiden einander zugekehrten Brennpunkte des Objektivs F’Obj. und des Okulars FOk. Vergrösserung des Mikroskops Lernziel ⇒ Die Vergrösserung eines Mikroskops berechnen. Wie erwähnt besteht das zusammengesetzte Mikroskop aus zwei funktionellen Einheiten. Das Objektiv produziert ein vergrössertes Zwischenbild, d.h. für die Berechnung der Mikroskopvergrösserung verwendet man den Abbildungsmassstab des Objektivs (basiert auf der Grundlage des Strahlensatzes): Die Vergrösserung des Mikroskops rechnet sich wie folgt: Γ ' M = β ' Obj . ⋅Γ ' Ok = a t ⋅ 0 f 'Obj . f Ok′ © Berufsgruppe FB.S.102 5 Optik 3. Lehrjahr Optische Instrumente Objektauflage Lernziel ⇒ Den Nutzen des Deckglases erklären und dessen Dicke kennen. In der Regel wird ein mikroskopisches Präparat mit dem so genannten Deckglas abgedeckt. Besonders bei stärker vergrössernden Objektiven ist die Abdeckung des Präparates auch aus optischen Gründen erforderlich. Die Deckglasdicke sollte hierbei möglichst exakt 0.17 mm betragen, da ansonsten die Qualität des mikroskopischen Bildes leidet. Gebrauchte Deckgläser sollte man entsorgen, da sie sehr leicht splittern. Das Deckglas besitzt einen anderen Lichtbrechungsindex als Luft und beeinflusst damit den Verlauf des vom Präparat kommenden Lichtes. Das Auflösungsvermögen Lernziel ⇒ Das Auflösungsvermögen beschreiben. Bevor auf das Thema Auflösungsvermögen weiter eingegangen wird, muss der Unterschied zwischen den Begriffen Auflösung und Vergrösserung geklärt werden: Es gibt sehr günstige Mikroskope, welche für wenig Geld eine sehr grosse Vergrösserung liefern. Der Unterschied zu den qualitativ hochstehenden Mikroskopen liegt darin, dass diese Billiggeräte trotz hoher Vergrösserung eine schlechte Auflösung liefern, Details werden nicht aufgelöst. Es ist wichtig zu wissen, ob Vergrösserung und Auflösung eines Mikroskops in einem sinnvollen Verhältnis zueinander stehen. Nur wenn dieses Verhältnis richtig ist, wird eine hohe Vergrösserung auch in greifbare Ergebnisse umgesetzt und Objektdetails werden erkennbar. Will man sehr kleine Strukturen untersuchen, so muss die Wellenlänge der Strahlung, mit der die Untersuchung durchgeführt wird, kleiner als die Abmessung des Hindernisses sein. Die kleinste Wellenlänge beim sichtbaren Licht (Farbe Blau) beträgt ca. 400 nm = © Berufsgruppe 6 Optik 3. Lehrjahr Optische Instrumente 0,400 µm. Somit können mit Lichtmikroskopen Strukturen kleiner als 400 nm (z.B. Viren) nicht wahrgenommen werden. Die Beugung von Lichtwellen gewinnt besondere Bedeutung in der Mikroskopie, weil das mikroskopische Objekt eine Vielzahl kleinster Strukturelemente mit Kanten, winzigen Öffnungen und feinen Gitterstrukturen enthält, an denen Licht gebeugt werden kann. Die Grösse der Ablenkung vom geometrisch- optischen Strahlenverlauf hängt dabei von der Wellenlänge des Lichtes λ und der Feinheit der Objektstruktur da ab. Für eine annähernd objektgetreue Abbildung ist es Voraussetzung, dass möglicht viel gebeugtes Licht vom Objektiv aufgefangen wird. Je kleiner die Struktur des Präparats, desto kleiner sollte die Wellenlänge des Lichtes sein. Das Auflösungsvermögen eines Objektivs ist, vereinfacht ausgedrückt, davon abhängig, wie viel Licht von einer Struktur des Präparates in das Objektiv gelangt. Diese Lichtmenge ist wiederum abhängig vom sogenannten Öffnungswinkel des Objektivs. © Berufsgruppe 7 Optik 3. Lehrjahr Optische Instrumente Die numerische Apertur Die numerische Apertur beschreiben und berechnen. Lernziel ⇒ Die Begriffe Trocken- und Immersionsobjektiv unterscheiden und beschreiben. Die numerische Apertur eines optischen Elementes, beispielsweise eines Objektives, ist ein Mass für seine Lichtstärke und sein Auflösungsvermögen. In Bezug auf ein gutes Auflösungsvermögen ist entscheidend, wie gross der Öffnungswinkel υ zwischen Deckglas und Objektiv ist. Als Öffnungswinkel υ eines Objektivs wird der Winkel bezeichnet, den ein Punkt auf der optischen Achse mit dem Durchmesser der Objektivfassung bildet Der Öffnungswinkel sollte gross genug sein, damit auch das 1. Interferenzmaximum ins Objektiv gelangt kann. Beim folgenden Bild ist der Öffnungswinkel klein, der Strahl 3 wird so stark abgelenkt, dass er nicht mehr ins Objektiv gelangt und daher für die Abbildung nicht mehr relevant ist. Wenn sich Luft zwischen der letzten Linse und dem beobachteten Objekt befindet, ergibt sich die numerische Apertur als Sinus des Kegel-Spitzenwinkels (υ), der gleich dem halben Winkel des Objektives (υ/2) ist. Die numerische Apertur ist, in diesem Fall, stets kleiner als 1 (sin 90°=1.0), da sonst der Öffnungswinkel des Mikroskops 2x90°=180° wäre, und damit parallel zur Objektfläche verlaufen würde © Berufsgruppe 8 Optik 3. Lehrjahr Optische Instrumente Die numerische Apertur ist stark abhängig vom Brechungsindex zwischen Deckglas und Objektiv. Bei Immersionsobjektiven wird mit einem Immersionsöl zwischen Deckglas und Objektiv beobachtet. Damit erreicht man eine Verringerung der Brechzahlunterschiede der einzelnen Medien - der Öffnungswinkel wird grösser und somit resultiert eine höhere numerische Apertur. Beim folgenden Bild ist der Öffnungswinkel durch das verwendete Immersionsöl gross genug, damit auch der Strahl 3 ins Objektiv gelangt. Eine hohe numerische Apertur ergibt einen grossen Winkel und damit sowohl eine hohe Lichtstärke als auch ein hohes Auflösungsvermögen. AObj . = n ⋅ sin u FB.S.104 Die maximale Auflösung da ist der minimale Abstand zwischen zwei unterscheidbaren Strukturen. Dieser ist proportional zur Wellenlänge des verwendeten Lichtes λ und ergibt sich mit Hilfe der numerischen Apertur wie folgt. da = λ AObj . FB.S.105 Aufgrund der numerischen Apertur unterscheidet man Trocken- und Immersionssysteme: • Trockensysteme: Aobj < 1,0 • Immersionssysteme: Aobj > 1,0 Die Objektive sind speziell für das jeweilige Medium ausgelegt: Ölobjektive sind weder für Wasserimmersion noch für Luftmikroskopie geeignet. © Berufsgruppe 9 Optik 3. Lehrjahr Optische Instrumente Mikroskop-Objektive Lernziel ⇒ Die Gravuren auf einem Mikroskop-Objektiv interpretieren. Ein Objektiv wird durch seine Vergrösserung, seine numerische Apertur, den optischen Arbeitsabstand und den rückwärtigen Abbildungsabstand charakterisiert. Auf einem Mikroskop-Objektiv sind alle relevanten Daten eingraviert: ______________ ______________ ______________ ______________ ______________ © Berufsgruppe 10