Mikroskop

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Hintergrund

Ein Mikroskop ist ein Instrument, das verwendet wird, um vergrößerte Bilder von kleinen Objekten zu erzeugen. Die gebräuchlichste Art von Mikroskop ist ein optisches Mikroskop, das Linsen verwendet, um Bilder aus sichtbarem Licht zu erzeugen. Elektronenmikroskope erzeugen Bilder aus Elektronenstrahlen. Akustische Mikroskope erstellen Bilder aus hochfrequenten Schallwellen. Tunnelmikroskope bilden Bilder von der Fähigkeit von Elektronen, in extrem kleinen Abständen durch die Oberfläche von Festkörpern zu "tunneln".

Ein optisches Mikroskop mit einer einzigen Linse wird als einfaches Mikroskop bezeichnet. Einfache Mikroskope umfassen Lupen und Juwelierslupen. Ein optisches Mikroskop mit zwei Linsen wird als Verbundmikroskop bezeichnet. Die grundlegenden Teile eines zusammengesetzten Mikroskops sind das Objektiv, das die Linse in der Nähe der Probe hält, und das Okular, das die Linse in der Nähe des Beobachters hält. Ein modernes zusammengesetztes Mikroskop enthält auch eine Lichtquelle (entweder einen Spiegel zum Auffangen von Außenlicht oder eine Glühbirne zum Bereitstellen von Innenlicht), einen Fokussiermechanismus und einen Objekttisch (eine Oberfläche, auf der das zu untersuchende Objekt festgehalten werden kann). . Verbundmikroskope können auch eine eingebaute Kamera für die Mikrofotografie enthalten.

Alte Völker stellten fest, dass Objekte, die durch Wasser gesehen wurden, größer erschienen. Der römische Philosoph Seneca des ersten Jahrhunderts hat die Tatsache aufgezeichnet, dass Buchstaben, die durch eine mit Wasser gefüllte Glaskugel gesehen werden, vergrößert wurden. Die ersten einfachen Mikroskope bestanden aus einem Wassertropfen, der in einem kleinen Loch in einem Stück Holz oder Metall gefangen wurde. Während der Renaissance ersetzten kleine Glaslinsen das Wasser. Ende des 17. Jahrhunderts baute die niederländische Wissenschaftlerin Antonie van Leeuwenhoek herausragende einfache Mikroskope mit sehr kleinen, hochwertigen Objektiven, die zwischen dünnen Messingplatten montiert waren. Aufgrund der Vorzüglichkeit seiner Mikroskope und der Tatsache, dass er der erste war, der mikroskopische Organismen beobachtete, wird Leeuwenhoek oft fälschlicherweise als Erfinder des Mikroskops angesehen.

Das zusammengesetzte Mikroskop kam zwischen den Jahren 1590 und 1608 zum ersten Mal auf. Diese Erfindung wird oft Hans Janssen, seinem Sohn Zacharias Janssen oder Hans Lippershey zugeschrieben, die alle niederländische Brillenmacher waren. Frühe zusammengesetzte Mikroskope bestanden aus Linsenpaaren, die in einem kleinen Metallrohr gehalten wurden und ähnelten modernen Kaleidoskopen. Wegen des Problems der chromatischen Aberration (die Tendenz einer Linse, jede Lichtfarbe an einem etwas anderen Punkt zu fokussieren, was zu einem verschwommenen Bild führt) waren diese Mikroskope gut gebauten einfachen Mikroskopen dieser Zeit unterlegen.

Die frühesten schriftlichen Aufzeichnungen über mikroskopische Beobachtungen wurden von dem italienischen Wissenschaftler Francesco Stelluti im Jahr 1625 angefertigt, als er Zeichnungen einer Biene veröffentlichte, die durch ein Mikroskop gesehen wurde. Die ersten Zeichnungen von Bakterien wurden 1683 von Leeuwenhoek angefertigt. Während des 17. und 18. Jahrhunderts wurden in Italien zahlreiche mechanische Verbesserungen an Mikroskopen vorgenommen, darunter Fokussiervorrichtungen und Vorrichtungen zum Fixieren von Präparaten. 1733 entdeckte der Amateuroptiker Chester Moor Hall in England, dass die Kombination zweier richtig geformter Linsen aus zwei verschiedenen Glasarten die chromatische Aberration minimiert. 1774 verwendete Benjamin Martin diese Technik in einem Mikroskop. Im 19. Jahrhundert wurden viele Fortschritte im Bau von Mikroskopen gemacht und das zwanzigste Jahrhundert. Elektronenmikroskope wurden in den 1930er Jahren entwickelt, akustische Mikroskope in den 1970er Jahren und Tunnelmikroskope in den 1980er Jahren.

Rohstoffe

Ein optisches Mikroskop besteht aus einem optischen System (dem Okular, dem Objektiv und den darin befindlichen Linsen) und Hardwarekomponenten, die das optische System an Ort und Stelle halten und es ermöglichen, es einzustellen und zu fokussieren. Ein preiswertes Mikroskop kann einen Spiegel als Lichtquelle haben, aber die meisten professionellen Mikroskope haben eine eingebaute Glühbirne.

Linsen bestehen aus optischem Glas, einer besonderen Glasart, die viel reiner und gleichmäßiger ist als gewöhnliches Glas. Der wichtigste Rohstoff für optisches Glas ist Siliziumdioxid, das zu mehr als 99,9 % rein sein muss. Die genauen optischen Eigenschaften des Glases werden von seinen anderen Inhaltsstoffen bestimmt. Diese können Boroxid, Natriumoxid, Kaliumoxid, Bariumoxid, Zinkoxid und Bleioxid umfassen. Linsen erhalten eine Antireflexbeschichtung, meist aus Magnesiumfluorid.

Das Okular, das Objektiv und die meisten Hardwarekomponenten bestehen aus Stahl oder Stahl-Zink-Legierungen. Ein Kindermikroskop hat zwar eine äußere Hülle aus Kunststoff, aber die meisten Mikroskope haben eine Hülle aus Stahl.

Wenn ein Spiegel enthalten ist, besteht dieser normalerweise aus einem starken Glas wie Pyrex (ein Handelsname für ein Glas aus Siliziumdioxid, Bordioxid und Aluminiumoxid). Der Spiegel hat eine reflektierende Beschichtung aus Aluminium und eine Schutzbeschichtung aus Siliziumdioxid.

Wenn eine Glühbirne enthalten ist, besteht sie aus Glas und enthält einen Wolframdraht und Drähte aus Nickel und Eisen in einer Mischung aus Argon- und Stickstoffgasen. Der Sockel der Glühbirne besteht aus Aluminium.

Wenn eine Kamera ist im Lieferumfang enthalten, es enthält Linsen aus optischem Glas. Das Gehäuse der Kamera besteht aus Stahl oder anderen Metallen oder aus Kunststoff.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Herstellen der Hardwarekomponenten

• 1 Metallbeschlagteile werden aus Stahl oder Stahl- und Zinklegierungen mit Präzisionsmaschinen für die Metallbearbeitung wie Drehmaschinen und Bohrmaschinen hergestellt.
• 2 Wenn das äußere Gehäuse eines preiswerten Mikroskops aus Kunststoff besteht, handelt es sich normalerweise um einen leichten, starren Kunststoff wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-Kunststoff. ABS-Kunststoffkomponenten werden im Spritzgussverfahren hergestellt. Dabei wird der Kunststoff aufgeschmolzen und unter Druck in eine Form in Form des Endprodukts gepresst. Der Kunststoff wird dann wieder zu einem Feststoff abkühlen gelassen. Die Form wird geöffnet und das Produkt entnommen.

Optisches Glas herstellen

• 3 Die richtigen Rohstoffe für die gewünschte Art von optischem Glas werden im richtigen Verhältnis zusammen mit Altglas derselben Art gemischt. Dieses Altglas, bekannt als Scherben, wirkt als Flussmittel. Ein Flussmittel ist ein Stoff, der Rohstoffe bei einer niedrigeren Temperatur reagieren lässt als ohne sie.
• 4 Die Mischung wird in einem Glasofen erhitzt, bis sie zu einer Flüssigkeit geschmolzen ist. Die Temperatur variiert mit der Art des hergestellten Glases, beträgt jedoch typischerweise etwa 2550 °F (1400 °C).
• 5 Die Temperatur wird auf etwa 2800 °F (1550 °C) erhöht, um Luftblasen zu erzwingen, die an die Oberfläche steigen. Es wird dann langsam abgekühlt und ständig gerührt, bis es eine Temperatur von etwa 1800 °F (1000 °C) erreicht hat. Das Glas ist jetzt eine extrem dicke Flüssigkeit, die in Formen gegossen wird, die wie die herzustellenden Linsen geformt sind.
• 6 Wenn das Glas auf ungefähr 600 °F (300 °C) abgekühlt ist, wird es wieder auf ungefähr 1000 °F (500 °C) erhitzt. Dieser als Glühen bezeichnete Vorgang entfernt innere Spannungen, die sich während der anfänglichen Abkühlphase bilden und das Glas schwächen. Das Glas wird dann langsam auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Die Glasstücke werden aus den Formen entfernt. Sie werden heute als Leerzeichen bezeichnet.

Herstellung der Linsen

• 7 Der Rohling wird nun in einen Schraubstock eingelegt und unter einem schnell rotierenden zylindrischen Fräser mit Diamantklinge gehalten. Dieser als Kurvengenerator bekannte Fräser trimmt die Oberfläche des Rohlings, bis eine genaue Annäherung an die gewünschte Kurve erreicht wird. Die geschnittene Linse wird inspiziert und bei Bedarf erneut geschnitten. Die Schwierigkeit dieses Verfahrens variiert stark je nach Art des zu schneidenden Glases und der genauen erforderlichen Krümmung. Es können mehrere Schnitte erforderlich sein und die benötigte Zeit kann einige Minuten oder mehr als eine halbe Stunde betragen.
• 8 Mehrere geschnittene Rohlinge werden so auf die Oberfläche eines gekrümmten Blocks gelegt, dass ihre gekrümmten Oberflächen so ausgerichtet sind, als ob sie alle Teil einer Kugeloberfläche wären. Dadurch können viele Linsen gleichzeitig geschliffen werden. Auf die Linsen wird eine gusseiserne Schleiffläche, ein sogenanntes Werkzeug, aufgesetzt. Der Linsenblock dreht sich, während sich das Werkzeug zufällig darüber bewegt. Zwischen dem Werkzeug und den Linsen bewegt sich ein stetiger Flüssigkeitsstrom. Diese Flüssigkeit, die als Aufschlämmung bekannt ist, enthält Wasser, ein Schleifmittel (normalerweise Siliziumkarbid) zum Schleifen, ein Kühlmittel, um eine Überhitzung zu verhindern, und ein Tensid, um zu verhindern, dass sich das Schleifmittel aus der Aufschlämmung absetzt. Die Linsen werden nach dem Schleifen inspiziert und bei Bedarf nachgeschliffen. Der Schleifprozess kann eine bis acht Stunden dauern.
• 9 Die Linsen werden zu einer Poliermaschine transportiert. Diese ähnelt der Schleifmaschine, aber das Werkzeug besteht aus Pech (einem dicken, weichen Harz, das aus Teer gewonnen wird). Ein Pechwerkzeug wird hergestellt, indem man Klebeband um eine gebogene Schüssel legt, heißes, flüssiges Pech eingießt und es wieder zu einem Feststoff abkühlen lässt. Ein Pitchwerkzeug kann ungefähr 50 Mal verwendet werden, bevor es umgeformt werden muss. Es funktioniert wie ein Schleifwerkzeug, jedoch enthält die Aufschlämmung anstelle eines Schleifmittels eine Poliersubstanz (meist Cerdioxid). Nach dem Polieren werden die Linsen inspiziert und der Vorgang bei Bedarf wiederholt. Das Polieren kann eine halbe bis fünf Stunden dauern. Die Linsen sind gereinigt und bereit für die Beschichtung.
• 10 Die Linsen sind mit Magnesiumfluorid beschichtet. Anschließend werden sie erneut geprüft, mit Herstelldatum und Seriennummer versehen und bis zum Gebrauch gelagert.

Den Spiegel herstellen

• 11 Wenn ein Spiegel enthalten ist, wird er ähnlich wie eine Linse hergestellt. Im Gegensatz zu einer Linse wird sie geschliffen, geschliffen und poliert, um flach und nicht gebogen zu sein. Anschließend wird eine reflektierende Beschichtung aufgebracht. Aluminium wird im Vakuum erhitzt, um Dampf zu erzeugen. Auf die Spiegeloberfläche wird eine negative elektrostatische Ladung aufgebracht, die die positiv geladenen Aluminiumionen anzieht. Dadurch kann eine dünne, gleichmäßige Metallschicht aufgebracht werden. Anschließend wird eine Schutzschicht aus Siliziumdioxid aufgebracht. Wie eine Linse wird der Spiegel inspiziert, beschriftet und gelagert.

Mikroskop zusammenbauen

• 12 Die gesamte Endmontage des Mikroskops erfolgt von Hand. Die Arbeiter tragen Handschuhe, Masken und Kittel, damit Schmutz weder die Linsen noch die internen Mechanismen des Mikroskops beschädigt. Zuerst die Linsen werden in die Stahlrohre eingesetzt, die das Okular und das Objektiv bilden. Diese Röhrchen werden in Standardgrößen hergestellt, wodurch sie zu einem Mikroskop in Standardgröße zusammengebaut werden können.
• 13 Der Fokussiermechanismus der meisten Mikroskope ist ein Zahnstangensystem. Diese besteht aus einem flachen Metallstück mit Zähnen auf einer Seite (der Zahnstange) und einem Metallrad mit Zähnen (dem Ritzel), das die Bewegung der Zahnstange steuert. Die Zahnstange und das Ritzel richten das Objektiv so aus, dass seine Bewegung auf das beobachtete Objekt zu oder davon weg gesteuert werden kann. Bei vielen Mikroskopen sind die Zahnstange und das Ritzel am Objekttisch (der flachen Metallplatte, auf der das beobachtete Objekt ruht) befestigt und das Objektiv bleibt stationär. Nachdem das Zahnstangen- und Ritzelsystem installiert ist, werden die Knöpfe, die es steuern, angebracht.
• 14 Das externe Gehäuse des Mikroskops ist um den internen Fokussiermechanismus herum montiert. Das Okular (oder zwei Okulare bei einem binokularen Mikroskop) und das Objektiv (oder eine rotierende Scheibe mit mehreren verschiedenen Objektiven) werden verschraubt. Okulare und Objektive werden in Standardgrößen hergestellt, sodass viele verschiedene Okulare und Objektive in jedem Standardmikroskop verwendet werden können.
• 15 Enthält das Mikroskop einen Spiegel, wird dieser unterhalb der Öffnung im Tisch am Mikroskopkörper befestigt. Wenn es stattdessen eine Glühbirne enthält, kann diese an derselben Stelle angebracht werden (um Licht durch das beobachtete Objekt zu strahlen) oder seitlich der Bühne platziert werden (um Licht auf das Objekt zu werfen). Einige professionelle Mikroskope enthalten beide Arten von Glühbirnen, um beide Arten der Beobachtung zu ermöglichen. Wenn das Mikroskop eine Kamera enthält, wird diese oben am Körper befestigt.
• 16 Das Mikroskop wird getestet. Bei korrekter Funktion werden Okular und Objektiv in der Regel vor dem Verpacken abgeschraubt. Die Teile des Mikroskops sind in eng anliegenden, mit Stoff oder Schaumstoff ausgekleideten Fächern sicher verpackt. Diese Fächer sind oft Teil einer Holz- oder Stahlkiste. Das Mikroskop wird dann in einen stabilen Pappbehälter gelegt und an den Verbraucher versandt.

Qualitätskontrolle

Der wichtigste Teil der Qualitätskontrolle eines Mikroskops ist die Genauigkeit der Linsen. Beim Schneiden und Polieren wird die Größe der Linse mit einem Messschieber gemessen. Dieses Gerät hält die Linse zwischen zwei Backen. Einer bleibt stehen, während der andere sanft in Position gebracht wird, bis er die Linse berührt. Die Abmessungen der Linse werden an einer Skala abgelesen, die sich mit der beweglichen Backe mitbewegt.

Die Krümmung der Linse wird mit einem Sphärometer gemessen. Dieses Gerät sieht aus wie eine Taschenuhr mit drei kleinen Stiften, die aus der Basis herausragen. Die beiden äußeren Stifte bleiben an Ort und Stelle, während der innere Stift ein- oder ausfahren kann. Die Bewegung dieses Stiftes ist mit einer Skala auf der Vorderseite des Sphärometers verbunden. Die Skala zeigt den Grad der Krümmung der Linse an. Eine typische Linse sollte nicht mehr als etwa ein Tausendstel Zoll (25 Mikrometer) variieren.

Während des Polierens sind diese Tests nicht genau genug, um sicherzustellen, dass das Objektiv das Licht richtig fokussiert. Es müssen optische Tests verwendet werden. Ein typischer Test, der als Autokollimationstest bekannt ist, besteht darin, eine punktgenaue Lichtquelle durch eine Linse in einem dunklen Raum zu strahlen. Ein Beugungsgitter (eine Oberfläche mit Tausenden von mikroskopischen parallelen Rillen pro Zoll) wird an dem Punkt platziert, an dem die Linse das Licht fokussieren soll. Das Gitter bewirkt, dass sich um den wahren Brennpunkt ein Muster aus hellen und dunklen Linien bildet. Er wird mit dem theoretischen Brennpunkt verglichen und die Linse bei Bedarf nachpoliert.

Auch die mechanischen Teile des Mikroskops werden auf ihre Funktionsfähigkeit getestet. Das Okular und das Objektiv müssen fest verschraubt und perfekt zentriert sein, um ein scharfes Bild zu erzeugen. Der Fokussiermechanismus mit Zahnstange und Ritzel wird getestet, um sicherzustellen, dass er sich leicht bewegt und der Abstand zwischen Objektiv und Tisch präzise kontrolliert wird. Drehscheiben mit mehreren Objektiven werden getestet, um sicherzustellen, dass sie sich reibungslos drehen und jedes Objektiv während des Gebrauchs fest an seinem Platz bleibt.

Die Zukunft

Hobbybeobachter können sich vielleicht bald Mikroskope mit kleinen, eingebauten Videokameras anschaffen, mit denen sich die Bewegungen mikroskopischer Organismen aufzeichnen lassen. Computer können in die internen Kontrollmechanismen des Mikroskops eingebaut sein, um eine automatische Fokussierung bereitzustellen.