Handbuch der Mikroskopie

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1 Handbuch der Mikroskopie Herausgeber der 1. und 2. Auflage: Dr. rer. nat. Hermann Beyer f Herausgeber der 3. Auflage: Dr. rer. nat. Horst Riesenberg 3., stark bearbeitete Auflage g VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

2 Inhaltsverzeichnis 1. Historischer Rückblick Dr. rer. nat. Hermann Beyer Einleitung Die ersten 150 Jahre der mikroskopischen Entwicklung Einführung achromatischer optischer Systeme Wechselseitige Abhängigkeit von Zytologie, Histologie, Bakteriologie und der Mikroskopentwicklung im 19. Jahrhundert Die letzten 100 Jahre der Mikroskopentwicklung Optisches System des Mikroskops Dr. rer. nat. Horst Riesenberg Gaußsche Abbildung oder fehlerfreie Abbildung Vorzeichenfestlegung Übersicht über die wichtigsten Begriffe und ihre Bezeichnungen in der Gaußschen Abbildung Definition der Brennweiten Abbildungsgleichung für den Fall eines im Brennpunkt oder Unendlichen gelegenen Objekts Bildkonstruktion Abbildungsgleichungen Abbildungsmaßstab Newtonsche Abbildungsgleichung Allgemeine Abbildungsgleichung Tiefenmaßstab, Winkelverhältnis und ihr Zusammenhang mit dem Abbildungsmaßstab Tiefenmaßstab oder Tiefenverhältnis Winkelverhältnis Vergrößerung Scheinbare Größe Definition der Vergrößerung Lupenvergrößerung, Mikroskopvergrößerung, Okularvergrößerung Gaußsche Abbildung durch zusammengesetzte 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 Bildweite und Tubuslinse) 33 Aus zwei optischen Systemen zusammengesetztes afokales System (z.b. Fernrohr) 33 Strahlengang im zusammengesetzten Mikroskop - Vergrößerung - Abbildungsmaßstab 34 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) 35 Anordnung des Mikroskops wie bei subjektiver Beobachtung, jedoch anstelle des Auges eine fotografische Kamera 36 Anordnung des Mikroskops mit Projektiven für Mikroprojektion und Mikrofotografie 36 Abbildungsstrahlengang im zusammengesetzten Mikroskop bei Mikroskopobj ektiven 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

3 8 Inhaltsverzeichnis Strahlenraum, Blenden, Pupillen Meßgrößen der Öffnung Numerische Apertur Öffnungsverhältnis Zusammenhang zwischen numerischer Apertur und Öffnungsverhältnis Zusammenhang zwischen numerischer Apertur und Durchmesser der Austrittspupille Meßgrößen des Feldes Wellenoptische und aberrationsbehaftete Abbildung Wellenoptische Abbildung eines leuchtenden Punkts Beugungsfigur und Auflösungsgrenze bei kreisförmiger Pupille Beugungsfigur und Auflösungsgrenze bei ringförmiger Pupille Defokussierung und Schärfentiefe Einfluß der Defokussierung auf die Beugungsfigur Schärfentiefe bei der mikroskopischen Abbildung Monochromatische Abbildungsfehler Öffnungsfehler, Definitionshelligkeit Koma Zweischalenfehler (Astigmatismus) Bildfeldwölbung Verzeichnung Chromatische Abbildungsfehler Chromatische Längsaberration (Farblängsfehler) Chromatische Vergrößerungsdifferenz (Farbvergrößerungsfehler) Mikroskopoptik des zusammengesetzten Mikroskops Kompensationssystem CVD-freies System oder CF-System Großfeld-Optik, Normalfeld-Optik, Optik ohne Bildfeldebnung Endlich-Optik, Unendlich-Optik Mikroskopobjektive Allgemeines Anpassungsmaße Vergrößerung bzw. Abbildungsmaßstab der Objektive Numerische Apertur - Trockenobjektive-Immersionsobjektive Objektive mit und ohne Deckglas - Einfluß abweichender Deckglasdicke Objektivfassung - Präparateschutz - Korrektionsfassung Einteilung und Kennzeichnung der Objektive Objektive für einen breiten Anwendungsbereich Objektive für spezielle Anwendungen Objektive für Polarisation, Phasenkontrast und Dunkelfeld Okulare und Projektive Okulare Anpassungsmaße Grundsätzlicher Aufbau von Okularen mit Vorder- und Mittenblende Okulartypen Bildfeldgröße des Okulars und ihr Zusammenhang mit der Objektfeldgröße Kennzeichnung der Okulare - Okularübersicht Projektive Kondensoren Beugungstheorie der mikroskopischen Abbildung Dr. rer. nat. Hermann Beyer, überarbeitet von Dr. rer. nat. Horst Riesenberg Einleitung Wellenoptische Grundlagen Licht als Wellenbewegung Kohärenz des Lichts Interferenz und Beugung Anwendung der Beugung auf die mikroskopische Abbildung Abbesche Versuche zur Bildentstehung im Mikroskop Mechanischer Aufbau des Mikroskops und seine Pflege Dr. Ing. Hans Tandler Qualitätsmerkmale und Funktionen Führungen Getriebe Das Objektiv und seine Wechseleinrichtung Dynamische Dimensionierung Temperaturverhalten Baueinheiten mikroskopischer Geräte Stativ Leuchte Illuminator. 124

4 Kondensor 124 Objekttische 125 Objektivwechseleinrichtung 127 Tubusträger 128 Zwischentuben 128 Tubusoberteil 129 Baukasten mikroskopischer Geräte 130 Bedienungskomfort und Ergonomie 132 Pflege des Mikroskops 133 Lichtquellen und Lichtfilter Phys.-Ing. Joachim Bergner 135 Lichtquellen 135 Anforderungen an die Lichtquellen für die Mikroskopie 135 Quantität der Strahlung 135 Qualität der Strahlung 135 Zeitliche Konstanz der Strahlung Form des Strahlungskörpers und räumliche Konstanz der Strahlung. 137 Energieverbrauch und Nebenerscheinungen 137 Glühlampen 137 Kohlebogenlampen 138 Entladungslampen 138 Xenon-Höchstdrucklampen 138 Xenon-Blitzröhren 139 Quecksilber-Höchstdrucklampen Quecksilber-Halogenid-Lampen Quecksilber-Niederdrucklampen (Leuchtstofflampen) 140 Lichtfilter 140 Einsatz von Lichtfiltern 140 Lichtfiltergruppen 141 Kontrastfilter 141 Kompensationsfilter 141 Korrektionsfilter 141 Filterarten 142 Absorptionsfilter 142 Interferenzfilter 142 Mikroskopierverfahren und ihre Anwendung Durchlichtmikroskopie 144 Hellfeld Dr. rer. nat. Horst Riesenberg Allgemeines 144 Beleuchtungsverfahren und ihre Realisierung 144 Helligkeit des Bilds 148 Kontrastverfahren Dr. rer. nat. Hermann Beyer 151 Einleitung 151 Dunkelfeld 152 Inhaltsverzeichnis Phasenkontrast Differentieller Interferenzkontrast Weitere Kontrastverfahren Kontrasteinrichtungen Anwendungen in Biologie und Medizin Anwendungen in der Technik und Mineralogie, Farbimmersionsmethode Interferenzmikroskopie (Durchlicht) Dr. rer. nat. Hermann Beyer Aufgabenbereich und allgemeine Grundlagen Grundprinzipien zur praktischen Durchführung der Interferenzmikroskopie Einige Interferenzanordnungen, die praktische Bedeutung erlangt haben Anwendungen Polarisationsmikroskopie Phys.-Ing. Joachim Bergner Optische Grundlagen Durchlichtpolarisationsmikroskop Bestimmungen mit dem Durchlichtpolarisationsmikroskop Fluoreszenzmikroskopie Dr. rer. nat. Hartmut Storz Allgemeines Anwendungen der Fluoreszenzmikroskopie Geräte technische Grundlagen Kombination mit anderen Beleuchtungs- und Kontrastverfahren Mehrfachfluorochromierungen Ausbleichen - Fading Mikrofotografie Quantifizierung Mikrofluorometrie Mikroskopie mit unsichtbaren Strahlen Dr. rer. nat. Horst Riesenberg Einführung UV-Mikroskopie Infrarotmikroskopie Röntgenmikroskopie Ultraschallmikroskopie (Akustomikroskopie) Mikrofotometrie und Mikrospektralfotometrie Dr. rer. nat. Horst Riesenberg Allgemeines Physikalische und meßtechnische Grundlagen Auswahl einiger typischer kommerzieller Geräte Anwendungen Mikroskopische Partikelelektrophorese Dr. rer. nat. Karl-Heinz Geier

5 10 Inhaltsverzeichnis Hinweise zur Präpariertechnik Dr. rer. nat. Ludwig Otto, überarbeitet von Dr. rer. nat. Hartmut Storz Allgemeine Grundlagen Objektträger und Deckgläser Einschlußmedien Objektkammern Herstellen von Dünnschliffen natürlicher und technischer Produkte Phys.-Ing. Joachim Bergner Auflichtmikroskopie Hellfeld Wolfgang Oettel, überarbeitet von Dipl.-Phys. Manfred Neupert Dunkelfeld Dipl.-Phys. Manfred Neupert Phasenkontrast im Auflicht Ing. Günter Schöppe Einleitung Technische Realisierung Phasenkontrasteinrichtungen im Auflicht Anwendungen Differentieller Interferenzkontrast im Auflicht Ing. Günter Schöppe Allgemeines Einrichtungen für differentiellen Interferenzkontrast Anwendungen Interferenzmikroskopie (Auflicht) Dr. rer. nat. Hermann Beyer Aufgabenbereich und allgemeine Grundlagen Interferenzanordnungen, bei denen der Vergleichsstrahlengang vom Objekt nicht beeinflußt wird Interferenzanordnungen, bei denen der Vergleichsstrahlengang vom Objekt beeinflußt wird Anwendungen Auflichtpolarisationsmikroskopie Phys.-Ing. Joachim Bergner Optische Grundlagen Auflichtpolarisationsmikroskop Bestimmungen mit dem Auflichtpolarisationsmikroskop Auflichtmikroskopfotometrie Phys.-Ing. Joachim Bergner Reflexion und Remission Aufbau und Wirkungsweise von Mikroskopfotometern für die Messung des Reflexionsvermögens Aufbau von Remissionsfotometern Anforderungen an die Probe Reflexionsstandards Meßverfahren Anwendung der Reflexionsfotometrie Mikroeindruck-Härtemessung Dr.-Ing. Reinhard Bernst Hinweise zur Präparation metallischer Proben und Erze Dr.-Ing. Reinhard Bernst Probennahme Einfassen und Einbetten der Proben Schleifen Polieren Mikrotomschneiden Entwicklung des Gefüges Beurteilung und Auswertung des metallografischen Befunds Herstellen polierter Anschliffe von stark heterogenen natürlichen und technischen Produkten Phys.-Ing. Joachim Bergner Stereomikroskopie Dr. rer. nat. Hermann Beyer, überarbeitet von Dr. rer. nat. Horst Riesenberg Stereoskopisches Sehen Realisierung der Stereomikroskopie Anwendungen Verfahren zur Dokumentation und Demonstration mikroskopischer Bilder Dr. rer. nat. Peter Moritz und Dr. rer. nat. Hartmut Storz Einleitung Historischer Überblick Zuordnung der Mikrofotografie zum Gesamtgebiet der Fotografie Strahlengang des Mikroskops zur Erzeugung reeller Bilder in der Mikrofotografie, TV-Mikroskopie, Kinematografie, Mikroprojektion und Demonstration Mikrofotografische Einrichtung Aufsetzkamerasystem Mikroskoptubus mit Fotoausgang Körper mit Verschlußteil und Einsteileinrichtung Einrichtungen zum Bestimmen und Steuern der Belichtungszeit Aufsetzkameras/Aufnahmeformate Abbildungsmaßstab des Mikrofotos Großfeldmikrofotografie Kameramikroskope Fotografische Bedingungen Schwarz-Weiß-Mikrofotografie

6 Inhaltsverzeichnis Farbmikrofotografie Sofortbildverfahren Fluoreszenzmikrofotografie Polarisationsmikrofotografie Mikrofotografische Praxis Mikroskopisches Zeichnen Projektion mikroskopischer Bilder Videomikroskopie Optische und mechanische Kombination von Mikroskop und Videokamera Sehfeld auf dem Videomonitor Die Auflösung im Videobild Abbildungsmaßstab auf dem Videomonitor Auflösung im aufgezeichneten Bild des Videorecorders Videokameras und ihre Empfindlichkeit Mikrokinematografie und kinetische Analyse mikroskopischer Objekte Dr. rer. nat. AdalbertRakow Aufnahmegeräte Filmanalyse Film-oder Videoaufzeichnung Messen und Zählen mit dem Mikroskop Dipl.-Phys. Bernhard Gröbler Einleitung Grundlagen des mikroskopischen Messens Längenmessung mit dem Mikroskop Messung mit Okularskale - Bestimmung des Skalenwerts Messung am projizierten mikroskopischen Bild und am mikrofotografischen Bild Genauigkeit mikroskopischer Messungen Längenmessung durch objektive Fotometrie Winkelmessung mit dem Mikroskop Flächenmessung mit dem Mikroskop Volumenmessung mit dem Mikroskop Mikroskopische Messungen 1. Art Messungen mit der Skale des Objekttisches Tiefenmessung mit dem Feintrieb des Mikroskops Spezialaufgaben der Mikrometrie Teilchenzählung Zählkammermethoden Zählung mit Referenzsubstanz Auszählung heterogener Gemenge (Differentialzählung) Genauigkeit mikroskopischer Zählmethoden Mikroskopische Bestimmung der Korngrößenverteilung Eindeutige Korngrößenmaße Statistische Korngrößenmaße Praktische Korngrößenmeßverfahren Genauigkeit der Korngrößenmessung Stereologische Analyse und Gefügeanalyse Bestimmung von Volumenanteilen Bestimmung der Korngröße im Gefüge Bestimmung der Nachbarschaftsverhältnisse im Gefüge sowie weiterer Strukturparameter Richtreihenverfahren Halbautomatisches Messen und Zählen mit Digitalisiertableaus Probennahme und Präparation Probennahme und Präparation zur Teilchenzählung und Kornverteilungsanalyse Probennahme und Präparation zur stereologischen Analyse Abtastende Mikroskope Dipl.-Phys. Bernhard Gröbler Automatische Bildanalyse Begriffsbestimmungen Abtastgeräte Methoden der automatischen Bildauswertung Nutzen der automatischen Bildanalyse für die praktische Mikroskopie Bemerkungen zur Präparation für automatische Bildanalyse Eigenschaften und Anwendungen des Licht-Raster-Mikroskops (LRM) Einleitung Laser als Strahlungsquelle Grundtypen der optischen Übertragung Grundtypen der Abtastung Vorteile, nutzbare Effekte und Anwendungen 420

7 12 Inhaltsverzeichnis Spektrale Untersuchungen Fotothermale Effekte Optical beam induced current (OBIC) Interferenz Mikroskopie unter besonderen Temperatur- und Umweltbedingungen Dipl.-Phys. Manfred Neupert... All Hoch- und Tieftemperaturmikroskopie Temperaturbestimmung Temperaturmeßmittel Meßtechnische Probleme Energieübertragung Verfahren zur Erhitzung mikroskopischer Objekte Verfahren zur Abkühlung mikroskopischer Objekte Hoch- und tief temperaturmikroskopische 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 454 Literaturverzeichnis 456 Namenverzeichnis 480 Sachwörterverzeichnis 483