Handbuch der Mikroskopie

Transkript

1 Handbuch der Mikroskopie Herausgeber: Dr. rer. nat. Hermann Beyer Wissenschaftlicher Mitarbeiter im VEB Carl Zeiss JENA 2., stark bearbeitete Auflage mit 493 Bildern und 45 Tafeln VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

2 Inhaltsverzeichnis 1. Historischer Rückblick von Dr. rer. nat. Hermann Beyer Einleitung Die ersten 150 Jahre der mikrosko pischen Entwicklung Einführung achromatischer optischer Systeme Wechselseitige Abhängigkeit von Zytologie, Histologie, Bakteriologie und der Mikroskopentwicklung im Jahrhundert Die letzten 100 Jahre der Mikroskop entwicklung Optisches System des Mikroskops von Dr. rer. nat. Horst Riesenberg Gaußsche Abbildung oder fehlerfreie Abbildung Vorzeichenfestlegung Übersicht über die wichtigsten Begriffe und ihre Bezeichnungen in der Gauß sehen Abbildung Definition der Brennweiten Bildkonstruktion Abbildungsgleichungen Abbildungsmaßstab Newtonsche Abbildungsgleichung Allgemeine Abbildungsgleichung Tiefenmaßstab, Winkelverhältnis und ihr Zusammenhang mit dem Abbil dungsmaßstab Tiefenmaßstab oder Tiefenverhältnis Winkelverhältnis Vergrößerung Scheinbare Größe Definition der Vergrößerung Lupenvergrößerung, Mikroskopvergrößerung, Okular Vergrößerung Gaußsche Abbildung durch zusam mengesetzte optische Systeme Aus zwei optischen Systemen zusam mengesetztes optisches System mit von Null verschiedener optischer Tubuslänge (z.b. Mikroskop) Aus zwei optischen Systemen zusammengesetztes System mit parallelem Strahlengang zwischen ihnen (z.b Mikroskopobjektiv für unendliche 2.4. Bild weite mit Tubuslinse) 33 Aus zwei optischen Systemen zusammengesetztes afokales System (z.b. Fernrohr) 34 Strahlengang im zusammengesetzten Mikroskop - Vergrößerung - Abbildungsmaßstab 35 Abbildungsstrahlengang im zusammengesetzten Mikroskop bei Mikroskopobjektiven mit endlicher Bildweite 35 Übliche Anordnung des Mikroskops bei subjektiver Beobachtung 35 Anordnung des Mikroskops bei virtueller oder reeller Bildlage (Einstellung bei beliebig akkommodiertem bzw. fehlsichtigem Auge, Mikroprojektion, Mikrofotografie) 36 Anordnung des Mikroskops wie bei subjektiver Beobachtung, jedoch anstelle des Auges eine fotografische Kamera 36 Anordnung des Mikroskops mit Projektiven für Mikroprojektion und Mikrofotografie 37 Abbildungsstrahlengang im zusammengesetzten Mikroskop bei Mikroskopobjektiven mit unendlicher Bildweite 37 Betrachtungsvergrößerung, Endvergrößerung, förderliche Vergrößerung 38 Übersicht über die wichtigsten Gleichungen für Vergrößerung und Abbildungsmaßstab im zusammengesetzten Mikroskop 39 Funktion des Objektivs und Okulars im zusammengesetzten Mikroskop.. 39 Strahlenbegrenzung und ihre Meßgrößen 41 Strahlenraum, Blenden, Pupillen Meßgrößen der Öffnung 43 Numerische Apertur 43 Öffnungsverhältnis 44 Zusammenhang zwischen numerischer Apertur und Öffnungsverhältnis Zusammenhang zwischen numerischer Apertur und Durchmesser der Austrittspupille 44 Meßgrößen des Feldes 45 Wellenoptische und aberrationsbehaftete Abbildung 45

3 10 Inhaltsverzeichnis Wellenoptische Abbildungeines 3.3. leuchtenden Punkts Beugungsfigur bei kreisförmiger Pupille Beugungsfigur bei ringförmiger Pupille Defokussierung und Schärfentiefe Einfluß der Defokussierung auf die Beugungsfigur Schärfentiefe bei der mikroskopischen 4.2. Abbildung Monochromatische Abbildungsfehler Öffnungsfehler, Definitionshelligkeit Koma Zweischalenfehler (Astigmatismus) Bildfeldwölbung Verzeichnung Chromatische Abbildungsfehler Mikroskopobjektive Allgemeines Anpassungsmaße Vergrößerung bzw. Abbildungsmaßstab der Objektive Numerische Apertur - Trockenobjektive - Immersionsobjektive Objektive mit und ohne Deckglas Einfluß abweichender Deckglasdicke Objektivfassung - Präparateschutz - 5. Korrektionsfassung Einteilung und Kennzeichnung der 5.1. Objektive Objektive für einen breiten Anwendungsbereich Objektive für spezielle Anwendungen Objektive für Polarisation, Phasen kontrast und Dunkelfeld Okulare und Projektive Okulare Anpassungsmaße Grundsätzlicher Auf bau von Okularen mit Vorder- und Mittenblende Okulartypen Bildfeldgröße des Okulars und ihr Zusammenhang mit der Objektfeld große Kennzeichnung der Okulare - Okular Übersicht Projektive Kondensoren Beugungstheorie der mikroskopischen Abbildung von Dr.rer. nat. Hermann Beyer Kohärenz des Lichts Interferenz und Beugung Licht als Wellenbewegung Grundprinzipien der Interferenz Beugung Anwendung der Beugung auf die mikroskopische Abbildung 103 Abbesche Versuche zur Bildentstehung im Mikroskop 105 Mechanischer Aufbau des Mikroskops und seine Pflege von Ing. Friedrich Schulter 110 Fokussierbewegung 110 Führung 110 Trieb 111 Qualitätsmerkmale des Mikroskops (mechanisch) 112 Mechanische Verwirklichung der optischen Achse 113 Durchlichtmikroskop 113 Auflichtmikroskop 115 Baukastensystem des Mikroskopbaus 116 Bausteine 116 Koppelstellen der Bausteine 124 Anwendung der Bausteine 126 Mikroskope umgekehrter Bauart Auflichtmikroskop umgekehrter Bauart 131 Durchlichtmikroskop umgekehrter Bauart 131 Sondermikroskope 132 Pflege des Mikroskops 135 Lichtquellen und Lichtfilter von Ing. Joachim Bergner 137 Lichtquellen 137 Anforderungen an die Lichtquellen für die Mikroskopie 137 Quantität der Strahlung 137 Qualität der Strahlung 137 Zeitliche Konstanz der Strahlung Form des Strahlungskörpers und räumliche Konstanz der Strahlung Energieverbrauch und Nebenerscheinungen 139 Glühlampen 139 Kohlebogenlampen 140 Entladungslampen 140 Xenon-Höchstdrucklampen 140 Xenon-Blitzröhren 141 Quecksilber-Höchstdrucklampen Quecksilber-Halogenid-Lampen 142 Quecksilber-Niederdrucklampen (Leuchtstofflampen) 142 Lichtfilter 142 Kennzeichnung von Lichtfiltern 142 Lichtfiltergruppen 142 Kontrastfilter 142 Kompensationsfilter 143 Korrektionsfilter 143 Filterarten 143 Absorptionsfilter 143 Interferenzfilter 144 Übersicht über die Haupteigenschaften der gebräuchlichen Lichtquellen für die Mikroskopie 145

4 Inhaltsverzeichnis Mikroskopierverfahren und ihre Anwendung 6.1. Durchlichtmikroskopie Hellfeld von Dr.rer.nat. Hermann Beyer und Dr.rer.nat. Ludwig Otto Allgemeines Köhlersches Beleuchtungsverfahren Helligkeit des Bilds Praxis der Hellfeldmikroskopie Phasenkontrast und Dunkelfeld von Dr.rer.nat.Hermann Beyer Allgemeine Grundlagen Intensität und Kontrast bei Phasen kontrast und Dunkelfeld Nichtstrenges Zernike-Verfahren Farbiger Phasenkontrast Phasenkontrasteinrichtungen Anwendungen in Biologie und Medizin Anwendungen in der Technik und Mineralogie,Farbimmersionsmethode Interferenzmikroskopie (Durchlicht) von Dr. rer. nat. Hermann Beyer Aufgabenbereich und allgemeine Grundlagen Grundprinzipien zur praktischen Durchführung der Interferenzmikroskopie Einige Interferenzanordnungen, die praktische Bedeutung erlangt haben Anwendungen Polarisationsmikroskopie von Dr. rer. nat. Äa/w Gause Bedeutung Polarisationsoptische Erscheinungen Durchlichtpolarisationsmikroskop Messungen mit dem Polarisationsmikroskop Fluoreszenzmikroskopie von Dr. rer. nat. Ludwig Otto, Neubearbeitung von Dipl.-Phys. Gerhard Börner Allgemeine Betrachtungen Auf bau des Fluoreszenzmikroskops Technik der Fluoreszenzmikroskopie Geräte zur Fluoreszenzmikroskopie Fluoreszenz- und Kombinationsver fahren Mikroskopzubehör und Präpariertech nik Einsatzgebiete der Fluoreszenzmikro skopie Mikroskopie mit unsichtbaren Strahlen von Dr.rer.nat.Horst Riesenberg Einführung UV-Mikroskopie Infrarotmikroskopie Röntgenmikroskopie Mikrofotometrie und Mikrospektral- 146 fotometrie von Dr. rer. nat. Horst Riesenberg Allgemeines 244 Physikalische und meßtechnische Grundlagen 244 Auswahl einiger typischer kommerzieller Geräte 255 Anwendungen 259 Kernspurmikroskopie von Dr.rer.nat.ife/7Han«Beyer 260 Hinweise zur Präpariertechnik von Gt.rtr.naX. Ludwig Otto 265 Allgemeine Grundlagen 265 Einschlußmedien 267 Objektkammern 268 Herstellen von Dünnschliffen natürlicher und technischer Produkte von Ing. Joachim Bergner 269 Auflichtmikroskopie 272 Hellfeld von Wolfgang Oettel 272 Phasenkontrast und Dunkelfeld (Auflicht) von Dr. rer. nat. Hermann Beyer 279 Allgemeine Betrachtungen und Besonderheiten bei Auflichtbeobachtung 279 Technische Realisierung der Phasenkontrastuntersuchungen im Auf licht 281 Phasenkontrasteinrichtungen im Auflicht 283 Dunkelfeldanordnungen 283 Anwendungen 285 Interferenzmikroskopie (Auflicht) von Dr. rer. nat. Hermann Beyer 288 Aufgabenbereich und allgemeine Grundlagen 288 Interferenzanordnungen, bei denen der Vergleichsstrahlengang vom Objekt nicht beeinflußt wird 290 Interferenzanordnungen, bei denen der Vergleichsstrahlengang vom Objekt beeinflußt wird 292 Anwendungen 294 Auflichtpolarisationsmikroskopie von Ing. Joachim Bergner 301 Optische Grundlagen 301 Auflichtpolarisationsmikroskop 303 Bestimmungen mit dem Auflichtpolarisationsmikroskop 306 Auflichtmikroskopfotometrie von Ing. Joachim Bergner 311 Reflexion und Remission 311 Aufbau und Wirkungsweise von Mikroskopfotometern für die Messung des Reflexions Vermögens 312 Auf bau von Remissionsfotometern Anforderungen an die Probe 315 Reflexionsstandards 315

5 12 Inhaltsverzeichnis i. l. ;.i.i. ;.l.l.l. i.l i M.2.! ( Meßverfahren und ihre Anwendung 316 Bestimmung der Mikrohärte von Wolfgang Oettel 316 Hinweise zur Präparation metallischer Proben und Erze von Dr.-Ing. Reinhard Bernst 322 Probennahme 323 Einfassen und Einbetten der Proben 325 Schleifen 326 Polieren 328 Mikrotomschneiden 333 Entwicklung des Gefüges 333 Beurteilung und Auswertung des metallografischen Befunds 337 Herstellen polierter Anschliffe von stark heterogenen natürlichen und technischen Produkten von Ing. Joachim Bergner 337 Stereomikroskopie von Dr.rer.nat. Hermann Beyer 340 Stereoskopisches Sehen 340 Realisierung der Stereomikroskopie Anwendungen 346 Verfahren zur Wiedergabe mikroskopischer Bilder von Gerhard Weidel 347 Einleitung 347 Charakteristik der Bildwiedergabeverfahren 347 Mikrofotografie 347 Mikrokinematografie 347 Mikrokinegrafie 348 Fernsehmikroskopie 348 Mikroprojektion 348 Zeichnen eines mikroskopischen Bilds 348 Umstellung des zusammengesetzten Mikroskops zur Bildwiedergabe Mikrofotografie 349 Einteilung fotografischer Aufnahmen 349 Aufnahmeformate dermikrofotografie 350 Geräte zur Mikrofotografie 350 Aufsetzkamera 350 Balgenkamera 350 Kameramikroskop 350 Mikrofotografie mit der Aufsetzkamera 350 Optisches Einstellsystem der Aufsetzkamera 351 Umstellung des Mikroskops - Okulare und Projektive 352 Bestimmung der Belichtungszeit Aufnahmeformat 355 Abbildungsmaßstab der Aufnahme Lupenfotografie mit der Aufsetzkamera 357 Mikrofotografie mit der Balgenkamera 358 Einstellung des Bilds 358 Umstellung des Mikroskops Bestimmung der Belichtungszeit Abbildungsmaßstab der Aufnahme Balgenkamera für Kleinbildaufnahmen 362 Lupenfotografie mit der Balgenkamera 362 Mikrofotografie mit einem Kameramikroskop 363 Kleinbild-Kameramikroskop in geschlossener Bauart 363 Großformat-Kameramikroskop in geschlossener Bauart 365 Kleinbild-Kameramikroskop in Baukastenform 365 Großformat-Kameramikroskop in Baukastenform 366 Handhabung eines Kameramikroskops 367 Fotografische Seite der Mikrofotografie 367 Grundzüge der Schwarzweißfotografie 367 Möglichkeiten zur Änderung des Bildkontrastes 372 Fotografische Schnellverfahren 372 Praxis der Farbenmikrofotografie Arbeitsgänge bei der Anfertigung mikrofotografischer Aufnahmen Aufnahmeprotokoll 378 Mikrokinematografie 378 Kinematografische Aufnahmeformate 378 Optische Anpassung der Laufbildkamera an das Mikroskop 378 Verwendung der Lauf bildkamera mit Fotoobjektiv 378 Verwendung der Lauf bildkamera ohne Fotoobjektiv 379 Mechanische Verbindung von Laufbildkamera und Mikroskop 379 Praxis der Mikrokinematografie Belichtungszeit des Einzelbilds 379 Veränderung des Zeitmaßstabs 380 Zeitraffermikrokinematografie 381 Vorbereitung und Aufnahme 382 Filmmaterial und Lichtfilter 382 Auswertung der Filmaufnahmen Mikrokinegrafie 383 Fernsehmikroskopie 384 Fernsehanlagen 384 Aufbau eines Fernsehmikroskops nit Industriefernsehanlage 384 Optische und mechanische Anpassung der Fernsehkamera an das Mikroskop 384 Praxis der Fernsehmikroskopie 384 Mikroprojektion 386 Projektionsverfahren 386 Geräte zur Mikroprojektion 386 Projektionsaufsatz 386 Mikroprojektionsgerät 389 Projektionsmikroskop 389 Praxis der Mikroprojektion 389

6 Inhaltsverzeichnis Mikroprojektion mit Rückprojektion 389 Mikroprojektion mit Aufprojektion Zeichnen eines mikroskopischen Bilds 392 Zeichenverfahren 393 Geräte zur zeichnerischen Bildwiedergabe 393 Projektionszeichenspiegel 393 Zeichenokular 393 Zeichenapparat 393 Sonderverfahren 394 Messen und Zählen mit dem Mikroskop von Dipl.-Phys. Bernhard Gröbler Einleitung 395 Grundlagen des mikroskopischen Messens 395 Längenmessung mit dem Mikroskop 395 Messung mit Okularskale - Bestimmung des Skalenwerts 395 Messung am projizierten mikroskopischen Bild und am mikrofotografischen Bild 398 Genauigkeit mikroskopischer Messungen 398 Winkelmessung mit dem Mikroskop 399 Flächenmessung mit dem Mikroskop 400 Volumenmessung mit dem Mikroskop 401 Mikroskopische Messungen l.art Messungen mit der Skale des Objekttisches 401 Tiefenmessung mit dem Feintrieb des Mikroskops 402 Spezialaufgaben der Mikrometrie Teilchenzählung 402 Zählkammermethoden 402 Lycopodiummethode 403 Auszählung heterogener Gemenge Genauigkeit mikroskopischer Zählmethoden 403 Mikroskopische Bestimmung der Korngrößenverteilung 404 Eindeutige Korngrößenmaße 404 Statistische Korngrößenmaße 405 Praktische Korngrößenmeßverfahren 405 Auswertung und Genauigkeit der Korngrößenmessung 406 Stereologische Analyse und Gefügeanalyse 407 Bestimmung von Volumenanteilen Bestimmung der Korngröße im Gefüge 409 Bestimmung der Nachbarschaftsverhältnisse im Gefüge sowie weiterer Strukturparameter 409 Richtreihenverfahren 410 Probennahme und Präparation 410 Probennahme und Präparation zur Teilchenzählung und Kornverteilungsanalyse Probennahme und Präparation zur stereologischen Analyse Automatische Bildanalyse Allgemeines Begriffsbestimmungen Abtastgeräte Methoden der automatischen Bildauswertung Nutzen der automatischen Bildanalyse für die praktische Mikroskopie Bemerkungen zur Präparation für automatische Bildanalyse Geräte für automatische Bildanalyse Der automatische Gefügeanalysator EPIQUANT Der automatische Bildanalysator QUANTIMET Mikroskopie unter besonderen Temperatur- und Umweltbedingungen von Dipl.-Phys. Manfred Neupert Hoch- und Tieftemperaturmikroskopie Temperaturbestimmung Temperaturmeßmittel Meßtechnische Probleme Energieübertragung Verfahren zur Erhitzung mikroskopischer Objekte Verfahren zur Abkühlung mikroskopischer Objekte Hoch- und tieftemperaturmikroskopische Einrichtungen Temperiereinrichtungen - Heiz- und Kühltische Heiz- und Kühlkammern für mittlere Temperaturbereiche Hoch- und Tieftemperaturkammern Einrichtungen für die Oberflächen- Hoch- und -Tieftemperaturmikroskopie Hochtemperaturmikroskope mit horizontal liegender Längsachse Mikroskopie bei Über- und Unterdruck sowie in spezieller Gassphäre Mikroskopie unter besonderen Bedingungen hinsichtlich Luftfeuchtigkeit Ausblick auf die zukünftige Entwicklung der Lichtmikroskopie von Dr. rer. nat. Hermann Beyer und Dipl.-Phys. Bernhard Gröbler 458 Literaturverzeichnis 461 Namenverzeichnis 483 Sachwörterverzeichnis 489