Objektive: Abbildungsfehler und Objektivklassen

Wodurch entstehen Abbildungsfehler?

Bei Mikroskopen handelt es sich um komplexe optische Systeme, die häufig an der Grenze des physikalisch Machbaren arbeiten. Aus dem Zusammenspiel einer Vielzahl an optischen Komponenten kommt es grundsätzlich an verschiedenen Stellen zu Abweichungen von einer idealen Abbildung. Solche Abweichungen, die auch Abbildungsfehler genannt werden, können jedoch durch die geschickte Kombination hochwertiger Komponenten weitestgehend korrigiert werden. Zudem spielt auch die zu betrachtende Probe eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Abbildungsfehlern. Die wichtigsten Abbildungsfehler sind wie folgt:

  • Bildfeldwölbung
  • Chromatische Aberration
  • Sphärische Aberration

Bildfeldwölbung


Unter der Bildfeldwölbung versteht man die Abbildung einer Probe mit einer guten Schärfe in der Bildmitte und einer zum Rand hin zunehmenden Unschärfe. Die Bildfeldwölbung resultiert aus der natürlichen Eigenschaft von einfachen Objektiven, das Bild in Form einer gekrümmten Fläche und nicht in einer Ebene abzubilden. Die Bildfeldwölbung hat jeder schon einmal beobachtet, der eine einfache Lupe zum Vergrößern von flachen Gegenständen genutzt hat – auch hier zeigt sich eine erhebliche Randunschärfe: Während die Bildmitte eine durchaus passable Bildqualität hat, lassen sich am Rand keine Details mehr erkennen.

Zur Korrektur der Bildfeldwölbung werden spezielle Linsen so angeordnet, dass die Abbildung des Präparats wieder in einer Ebene stattfindet. Man spricht hier auch von einer Bildfeldebnung. Objektive mit einer solchen Korrektur werden Planobjektive oder Planachromate genannt, wobei der letzte Begriff zusätzlich eine Farbkorrektur beinhaltet. Der große Vorteil von Planobjektiven liegt darin, dass die Probe im gesamten Sichtfeld der Okulare scharf abgebildet wird und somit ein deutlich schnelleres, präziseres und komfortableres Arbeiten ermöglicht wird. Daher sollte jedes Mikroskop, das in einem professionellen Umfeld genutzt wird, mindestens mit planachromatischen Objektiven ausgestattet sein.

Das Ausmaß der Bildfeldebnung ist bei verschiedenen Herstellern und Qualitätsstufen sehr unterschiedlich. Daher ist es immer empfehlenswert, ein Objektiv vor dem Kauf daraufhin zu überprüfen, ob es auch wirklich in den Randbereichen ein scharfes Bild liefert.

Chromatische Aberration


Das Erscheinungsbild dieses Bildfehlers lässt sich durch eine Übersetzung aus dem griechischen und lateinischen gut ableiten: Dabei steht „chroma“ für Farbe und „aberrare“ für ein Abweichen – es handelt sich also um Farbabweichungen in der mikroskopischen Abbildung. Diese Farbabweichungen zeigen sich in Abhängigkeit von der Fokusebene in Form von gelben oder blauvioletten Farbsäumen. Die chromatische Aberration zeigt sich besonders deutlich bei einfarbigen Proben oder bei Präparaten mit einem starken Kontrast. Ursächlich für diesen Abbildungsfehler ist die Tatsache, dass Lichtwellen in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge in Linsen unterschiedlich stark gebrochen werden. Dadurch werden verschiedene Wellenlängen (also Lichtfarben) in unterschiedlichen Ebenen projiziert, sodass die ursprüngliche Lichtinformation in ihre einzelnen Spektralfarben aufgeteilt wird. Man spricht daher auch vom sogenannten Farblängsfehler.

Durch die geeignete Kombination von speziellen Linsentypen lässt sich die chromatische Aberration mehr oder weniger auskorrigieren. Die einfachste Korrekturstufe stellen sogenannte achromatische Objektive dar. Bei achromatischen Objektiven liegen die Brennweiten für rotes und blaues Licht sehr nah hintereinander, sodass es hauptsächlich zur Abweichung von grünem Licht kommt. Dadurch kommt es in allen Fokusebenen zu stärker ausgeprägten Farbabweichungen.

Die höchste Qualitätsstufe stellen apochromatische Objektive dar, auch Apochromate oder bei einer Korrektur der Bildfeldwölbung Planapochromate genannt. Bei diesen Objektiven beträgt die Abweichung von rotem, grünem und blauem Licht weniger als die Schärfentiefe des Objektivs. Dadurch sind auch bei hohen Vergrößerungen keine Farbsäume mehr sichtbar, woraus sich ein extrem scharfes und farbechtes Bild ergibt. Der optische Aufwand bei apochromatischen Objektiven ist erheblich: Nicht selten bestehen Apochromate aus 12 oder mehr Linsen mit verschiedenen Glassorten, die zueinander extrem präzise ausgerichtet sind (s. folgende Abbildung). Die Justiergenauigkeit beträgt bei hoch vergrößernden apochromatischen Objektiven ca. 100 Nanometer, weshalb man hier zu Recht von wahren Wunderwerken der Optik sprechen kann.

Semiapochromatische Objektive liegen bezüglich der chromatischen Korrektur zwischen den einfachen Achromaten und den sehr hochwertigen Apochromaten. Hier beträgt die Abweichung von rotem, grünem und blauem Licht weniger als 2,5 Schärfentiefen des Objektivs. Der Qualitätsunterschied im Vergleich zu den Achromaten ist hier bereits deutlich sichtbar, weshalb sich viele Kunden für diese Qualitätsstufe entscheiden.

Es gibt eine Vielzahl an medizinischen und industriellen Anwendungen, bei denen die präzise Farbwiedergabe eine sehr große Rolle spielt. Als Beispiel lässt sich das Differentialblutbild in der Hämatologie anführen: Hier werden Blutzellen anhand feinster Farbunterschiede und Granulierungen voneinander unterschieden.

Sphärische Aberration


Unter der sphärischen Aberration versteht man die Gegebenheit, dass achsparallel verlaufende Strahlen beim Durchlaufen einer Linse je nach Abstand zur optischen Achse in verschiedenen Brennpunkten abgebildet werden. Als Resultat erhält man ein dunkles und unscharfes Bild. Da die sphärische Aberration bei hochwertigen Objektiven gut auskorrigiert ist, liegen die Ursachen für das Auftreten dieses Abbildungsfehlers meistens in der Probe selbst.

Ein wichtiges Stichwort ist die Deckglaskorrektur: Ein zu dickes oder zu dünnes Deckglas führt zum Auftreten einer sphärischen Aberration. Da einfache Objektive nur für eine bestimme Deckglasdicke korrigiert werden können, ist dieses Problem hauptsächlich durch hochwertige Deckgläser mit einer geringen Fertigungstoleranz behebbar. Dabei gilt, dass die Objektive umso empfindlicher gegenüber einer falschen Deckglasdicke reagieren, je höher die Apertur ist. Daher haben hochwertige und hochaperturige Objektive häufig einen sogenannten Korrektionsring, an welchem die Dicke des Deckglases stufenlos eingestellt werden kann. Eine weitere Ursache für ein unscharfes Bild im Rahmen einer sphärischen Aberration ist die Verwendung einer zu großen Menge an Einbettmedium, da hierdurch die Entfernung von der Frontlinse des Objektivs zum Präparat zu groß wird.



Transmission

Je nach Anwendung spielt die Transmission, also die Lichtdurchlässigkeit von Objektiven, eine entscheidende Rolle. Dies ist vor allem bei lichtschwachen Anwendungen wie z.B. bei der Fluoreszenz der Fall. Höherwertige Glassorten heben sich vor allem durch eine hohe Transmission im UV-Bereich hervor.

Gängige Qualitätsstufen im Handel

Aus einer Kombination der genannten Merkmale haben sich die folgenden Qualitätsstufen im Handel etabliert:

  • Achromatische Objektive (Achromate): Einfachste Objektivklasse, die fast nur noch bei einfachen Schulmikroskopen zu finden ist.
  • Planachromatische Objektive (Planachromate): Objektive mit guter Bildfeldebenung und einer einfachen Farbkorrektur. Es gibt innerhalb dieser Objektivklasse sehr große Unterschiede bezüglich der tatsächlichen Abbildungsqualität, weshalb ein ausführlicher Test vor einem Kauf immer zu empfehlen ist.
  • Plan-Semiapochromatische Objektive (Plan-Semiapochromate): Objektive mit einer guten Bildfeldebnung und einer guten Farbkorrektur. Die semiapochromatischen Objektive sind auch aufgrund ihrer sehr guten Transmission echte Allround-Talente.
  • Planapochromatische Objektive (Planapochromate): Die planapochromatischen Objektive stellen die höchste Qualitätsstufe dar. Neben einer sehr guten Bildfeldebnung zeichnen sich diese Objektive durch ein extrem scharfes und farbechtes Bild aus.

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