Dieser Artikel konzentriert sich auf unendlich korrigierte Objektive, die heutzutage bei den meisten Mikroskopsystemen der Standard sind. Sie erzeugen kein direktes Bild, sondern kollimiertes Licht – über eine Tubuslinse entsteht dann ein reelles Bild. Der kollimierte, parallel verlaufende Lichtstrahl zwischen Objektiv und Tubuslinse bietet den Vorteil, dass in diesem Bereich weitere optische Komponenten wie z.B. Filter, Strahlteiler oder In-Line-Beleuchtungskomponenten eingesetzt werden können, ohne den Strahlengang zu beeinflussen (Bild 1).
Auflösung von Mikroskopobjektiven
Die objektseitige Auflösung der Objektive wächst proportional mit ihrer Vergrößerung. Allerdings spielen bei hohen Vergrößerungen vermehrt auch die Beugungseffekte des Lichts eine Rolle und begrenzen die Auflösung. Das Erreichen einer beugungsbegrenzten Abbildung ist somit essentiell für Mikroskopieanwendungen. Liegt die Abbildungsleistung des Objektivs nicht bei bzw. nahe der Beugungsgrenze, wird die durch eine hohe Vergrößerung erreichte Auflösung wieder zunichte gemacht. Sowohl die numerische Apertur als auch optische Abbildungsfehler, die bei nahezu jeder optischen Abbildung entstehen, haben einen direkten Einfluss auf das Auflösungsvermögen und sollten daher bei der Objektiventwicklung genau betrachtet werden.
Abbildungsfehler erhöhen Komplexität
Die Minimierung von Abbildungsfehlern erfordert zusätzliche optische Elemente, Gläser mit hohem Brechungsindex sowie komplexere Linsenformen – alles kostentreibende Faktoren. Zudem müssen optische und mechanische Komponenten präzise im Mikrometerbereich ausgerichtet werden. Es gibt drei Hauptfaktoren, welche die Abbildungsfehler und somit auch die Auflösung der Objektive beeinflussen: die numerische Apertur, das Sichtfeld und der Spektralbereich der eingesetzten Beleuchtung. Diese Parameter bestimmen maßgeblich Designaufwand, Herstellbarkeit und die Kosten der Objektive.
a) Numerische Apertur: Die numerische Apertur (NA) hat direkten Einfluss auf die Objektivauflösung und ist somit bei Mikroskopobjektiven häufig der kritischste Faktor. Die Abbesche Formel zeigt den Zusammenhang:
Auflösung = Wellenlänge / NA Objektiv
Bei konstanter Wellenlänge gilt: Je größer die NA, desto feiner die darstellbaren Details. Der Nachteil einer großen NA ist die steigende Anfälligkeit für chromatische Aberrationen und Bildfeldwölbung. Mit zunehmender NA wächst außerdem die Komplexität des Objektivs: Ein Objektiv mit NA 0,14 benötigt z.B. nur sechs Linsen, während ein Objektiv mit NA 0,42 bereits 13 Elemente mit präziser Justierung erfordert.
b) Spektralbereich: Der Spektralbereich des Objektivs beschreibt den Wellenlängenbereich, für den das Objektiv korrigiert ist und für den keine oder nur geringe chromatische Aberration entsteht. Achromatische Objektive sind für zwei Wellenlängen korrigiert, apochromatische für drei. Dies sorgt für eine deutliche Reduktion der Farbverschiebungen, aber auch für ein deutlich komplexeres optisches Design (Bild 2). Generell gilt: Je größer der Spektralbereich, desto mehr chromatische Aberrationen treten auf und desto komplexer und kostspieliger wird das Objektivdesign. Ist durch Filter oder schmalbandige Beleuchtung eine Eingrenzung des Spektralbereichs möglich, kann das Design erheblich vereinfacht werden. In der Fluoreszenzmikroskopie muss das Objektiv sowohl kurzwellige Anregungsstrahlung als auch langwellige Fluoreszenzstrahlung für die Abbildung transmittieren. Der Beleuchtungsstrahlengang erfordert zwar keine Korrektur der Abbildungsfehler, die Linsenmaterialien müssen jedoch für die kurzwellige Strahlung durchlässig sein, was die Auswahl an Gläsern einschränkt und die Fehlerkorrektur weiter erschwert.
c) Sichtfeld: Das Sichtfeld ist der vom Objektiv abgebildete Bereich und beeinflusst Abbildungsfehler wie Koma oder Astigmatismus. Je größer der objektseitige Öffnungswinkel des Objektivs ist, desto stärker die Abbildungsfehler. Bei festgelegter Bildgröße – etwa durch den Kamerasensor oder die Feldblende des Okulars – bestimmt der Öffnungswinkel bei unendlich korrigierten Systemen die Brennweite der Tubuslinse und hat somit auch Einfluss auf die Gesamtsystemgröße. Typische Mikroskopobjektive haben einen kleinen Öffnungswinkel (~4°), was Abbildungsfehler minimiert, das Design vereinfacht und die Systemgröße reduziert. Eine Vergrößerung des Sichtfeldes erfordert sorgfältiges Abwägen mit anderen Parametern, um die optische Leistung zu erhalten.
Fazit
Die gleichzeitige Maximierung aller drei Faktoren (s.o.) ist in der Praxis kaum realisierbar. Meist muss ein Parameter niedrig gehalten werden, um das Design technisch und wirtschaftlich umsetzbar zu machen. Für besonders kosteneffiziente Lösungen müssen sogar zwei der Spezifikationen niedrig ausfallen. Durch die Definition von Probenmerkmalen und Auflösungsanforderungen können Anwender gemeinsam mit Objektivherstellern die optimale Lösung für ihre Bildgebung finden. Auch Informationen zu Systemvorgaben – wie etwa dem Arbeitsabstand – helfen bei der Auswahl und ermöglichen ein ausgewogenes und auf die Anwendung zugeschnittenes Verhältnis zwischen numerischer Apertur, Spektralbereich und Sichtfeld.
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