Optische Instrumente

Gliederung 1.Das Menschliche Auge 2.Lupe 3.Fernrohre 4.Mikroskop 1.1 Aufbau 1.1.1 Augenmuskeln 1.2 Auflösungsvermögen 2.Lupe 2.1 Sehwinkel und konventionelle Sehweite 2.2 Berechnung der Vergrößerung 3.Fernrohre 3.1 Die Erfindung 3.2 Astronomische- / Terrestrische Fernrohre 3.3 Linsenfernrohre 3.4 Spiegelfernrohre 3.5 Auflösungsvermögen 3.6 Beispiel 3.7 Beeinträchtigungen der geometrischen Optik 4.Mikroskop 4.1 Grundsätzliches zum Mikroskop 4.2 Bezeichnungen auf dem Mikroskopobjektiv 4.3 Strahlengang im Mikroskop 4.4 Berechnung der Vergrößerung 4.5 Numerische Aperatur und Auflösung 4.6 konvokale Lasermikroskopie 4.7 Röntgenmikroskopie 5.Spektralapparate 5.1 Monochromator 5.2 Spektrometer 6.Das FTIR-Spektrometer 7.Michelson Interfrometer 8.Quellenverzeichnis

Säugetierauge = Menschenauge 1.Das Menschliche Auge 1.Das Menschliche Auge Säugetierauge = Menschenauge Quelle: http://static.twoday.net/sravana/images/Schweineauge.jpg Quelle: http://www.designladen.com/christina/source/dsc01069-auge-kleine.html

1.1 Aufbau Aufbau Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Auge.png

1.1 Aufbau Aufbau Quelle: http://wertoptik.lamp-solutions.de//gfx/wissenswertes/w07-08-augen-details-01.jpg

Augenmuskeln 1.1.1Augenmuskeln Quelle: http://www.lehrer-online.de/dyn/9.asp?url=351031.htm Quelle: http://www.ana.uni-heidelberg.de/images/sammlung/Augenmuskeln%20copy.jpg Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f3/Eyemuscles.jpg

1.2 Auflösungsvermögen Auflösungsvermögen

Lupen Leselupe Fadenzähler

Berechnung der Vergrößerung

Die Brennweite f ´(die Brennweite auf der dem Auge zugewandten Seite) bestimmt somit nach Formel (5) die Vergrößerung durch eine Lupe. Eine Lupe mit der Brennweite von 25 mm hat somit eine 10 - fache Vergrößerung.

3.1Erfindung Das Fernrohr Das Fernrohr wurde im Jahre 1608 von Johannes Lipperhey konstruiert. 1609 Baute Galileo Galilei dieses nach und entdeckte die Monde des Jupiter Das erste astronomische Fernrohr wurde 1611 von Johannes Kepler erfunden. Der Schotte James Gregory erfand 1661 das Spiegelteleskop. 1668 konstruierte Newton das erste Spiegelteleskop

Astronomische- / Terrestrische Fernrohre Astronomische Fernrohre Terrestrische Fernrohre Quelle: http://www.phyta.net/images2/fernrohr03.gif Quelle: http://www.phyta.net/images2/fernrohr03.gif

Linsenfernrohre 3.3Linsenfernrohre Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Linsenfernrohre2.gif

Spiegelfernrohre Das Newtonsche Spiegelfernrohr ( Reflektor ) Das Spiegelfernrohr nach Cassegrain ( Reflektor ) Quelle: http://www.phyta.net/fernrohr.htm Quelle: http://www.phyta.net/fernrohr.htm

3.5Auflösungsvermögen Auflösungsvermögen Die Auflösung steigt mit der Größe der Öffnung D des Fernrohrs Linsenfernrohre Spiegelfernrohre Fertigung größer Linsen ist schwierig da sie transparent und blasenfrei bleiben müssen Große Linsen können nur am Rand gehalten werden Linsen können durchhängen Brechung des lichtes am Phasenübergang Oberflächenspiegel nicht Spiegel können zusätzlich in der Mitte gehalten werden Keine Brechung des lichtes

3.6Beispiel Beispiel zur Berechnung der Vergrößerung fob = 19,00 cm fok = 2,53 cm D = 50,00 mm D' = 6,67 mmGesucht: v v = fob / fok = 19,00cm / 2,53 cm = 7,5 oder v = D / D' = 50,00 mm / 6,67 mm = 7,5

Beeinträchtigungen der geometrischen Optik Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/0/02/Sphaerische_Aberration.png Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/5/5f/Koma_%28Optik%29.png Abbildungsfehler

„Seeing“ = Bewegung warmer aufsteigender luft 3.7Beeinträchtigungen der geometrischen Optik „Seeing“ = Bewegung warmer aufsteigender luft

Mikroskop

Strahlengang im Mikroskop

Bezeichnungen auf dem Objektiv Beispiel: modernes Objektiv mit Unendlicher Bildweite Carl Zeiss . A-Plan: Objektiv aus der A-Plan Serie (Objektive für die Routine mit erweiterter Bildfeldebnung) 40x: Abbildungsmaßstab des Objektivs 0.65: numerische Apertur des Objektivs. ¥: Tubuslänge unendlich. 0.17: Objektiv für Deckgläser mit der Dicke 0,17 mm berechnet.

Unendlich Optik

Die Objektiv-Apertur Der Öffnungswinkel (vereinfachte Darstellung) Das Auflösungsvermögen eines Objektivs ist, vereinfacht ausgedrückt, davon abhängig, wie viel Licht von einer Struktur des Präparates in das Objektiv gelangt. Diese Lichtmenge ist nun wiederum abhängig vom sogenannten Öffnungswinkel des entsprechenden Objektivs Der Öffnungswinkel (vereinfachte Darstellung) Links: Objektiv mit großem Öffnungswinkel und somit hoher Auflösung rechts: Objektiv mit kleinem Öffnungswinkel und somit geringer Auflösung

•Je größer der Öffnungswinkel ist, desto besser löst ein Objektiv Details eines Präparates auf. Dennoch wird nicht der Öffnungswinkel, sondern die numerische Apertur (=Objektivapertur) auf dem Objektiv angegeben. Wie gut ein Objektiv Details auflöst hängt nämlich neben dem Öffnungswinkel auch von der Brechzahl des Mediums zwischen Deckglas und Objektiv ab.

Trockenobjektiv

Ölimmersionsobjektiv

Berechnung der Auflösung eines Objektivs auf der Basis der numerischen Apertur

Beispiele für die Berechnung des Auflösungsvermögens von Objektiven nach obiger Formel Als Wellenlänge wird ein Wert von 0.55 µm eingesetzt - dies ist der Bereich des sichtbaren Lichts, für welches das menschliche Auge am empfindlichsten ist

Berechnung der Vergrößerung Die Gesamtvergrößerung eines Mikroskops ergibt sich aus dem Produkt der Maßstabszahl des Objektivs und der Vergrößerung durch das Okular. VMikroskop =  MObjektiv * VOkular Beispiel: Für eine Kombination aus dem Objektiv 40X und einem Okular 10X ergibt mit 40 * 10 eine Gesamtvergrößerung von 400X.

Konvokale Lasermikroskopie

Leica TCS SP. Beispiel für ein konfokales Laserscanning Mikroskop: Leica TCS SP.   Das Gerät arbeitet mit einem Argon/Krypton-Laser, der sowohl blaues (488 nm als auch grünes (568 nm) Anregungslicht liefert. Das Laserlicht wird durch einen Lichtleiter zur Scan-Einheit gebracht.   In der Scan-Einheit befindet sich die Lochblenden, dichroischen Spiegel und PMTs.   Auf den Monitoren wird die Abbildung des Objekts betrachtet

Cat Kidney Eosin Hematoxylin "Real Color" laser scanning transmission image with 488 nm, 543 nm, 633 nm illumination Image acquired with the Leica TCS SP2 AOBS

Apis Mellifica Apis mellifica (head) 2 channel fluorescence and transmission image. Image acquired with the TCS SL. Gabriele Burger, Leica Microsystems Heidelberg GmbH, Mannheim, Germany

Vorteile Es werden keine Lichteinflüsse von außerhalb mit aufgenommen Es können echte dreidimensionale Daten aufgenommen werden Das Objekt kann in allen Achsen gedreht und somit betrachtet werden.

Röntgenmikroskopie Röntgenmikroskopie ist ein Mikroskopieverfahren, das statt sichtbarem Licht Röntgenstrahlung nutzt. Röntgenstrahlung bietet zunächst den Vorteil der kürzeren Wellenlänge, was potenziell höhere Auflösung ermöglicht. Darüber hinaus unterscheidet sich die Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie von der des sichtbaren Lichtes (zum Beispiel Durchdringungsvermögen, immanenter Elementkontrast, Brechzahlen), womit ergänzende Informationen über die Probe gewonnen werden können.

Spektralapparate Spektralapparate dienen dazu, Licht in seine Spektralkomponente (d.h. in einzelnen Wellenlängen oder Farben) zu trennen und die Intensität als Funktion der Wellenlänge, der Frequenz, der Energie oder – im Falle von Elementarteilchen, Atomen oder Ionen – der Masse. zu bestimmen.

Monochromator Die Funktion von Monochromatoren besteht darin, polychromatisches Licht in seine spektralen Bestandteile zu. Gittermonochromator Prismenmonochromator Quelle: http://www.chemgapedia.de/vsengine/topics/de/vlu/index.html Reflektionsgitter Quelle: http://www.chemgapedia.de/vsengine/topics/de/vlu/index.html

Spektrometer Gitterspektrometer Prismenspektrometer Quelle: http://www.fh-brs.de Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Prismenspektrometer Das komplette Spektrum kann gleichzeitig aufgenommen werden Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Prismenspektrometer

Michelson Interfrometer

Lindner – Physik für Ingenieure 8.Quellenverzeichnis Quellen Lindner – Physik für Ingenieure E. Hecht – Optik Internet