Stereomikroskop

Das Stereomikroskop ( auch Stereoskopie- , Operations- oder Präpariermikroskop genannt) ist eine Variante des optischen Mikroskops , die für die Untersuchung von Proben bei geringer Vergrößerung entwickelt wurde. Es nutzt typischerweise Licht, das von der Oberfläche eines Objekts reflektiert wird, anstatt es durchzulassen. Das Instrument verwendet zwei separate Strahlengänge mit jeweils einem Objektiv und einem Okular, um dem linken und rechten Auge leicht unterschiedliche Betrachtungswinkel zu ermöglichen. Diese Anordnung erzeugt eine dreidimensionale Visualisierung zur detaillierten Untersuchung fester Proben mit komplexer Oberflächenstruktur . [ ^{1 ] Der} typische Vergrößerungsbereich und die Anwendungsgebiete der Stereomikroskopie überschneiden sich mit denen der Makrofotografie .

Stereomikroskope werden häufig zur Untersuchung von Oberflächen fester Proben oder für Detailarbeiten wie Präparationen , Mikrochirurgie , Uhrmacherei , Leiterplattenherstellung oder -prüfung sowie zur Untersuchung von Bruchflächen , beispielsweise in der Fraktographie und der forensischen Technik , eingesetzt . Sie finden daher breite Anwendung in der Fertigungsindustrie für Produktion , Inspektion und Qualitätskontrolle . Auch in der Entomologie sind Stereomikroskope unverzichtbare Werkzeuge .

Obwohl Chérubin d'Orléans bereits 1671 ein Binokularmikroskop mit zwei getrennten optischen Strahlengängen entworfen und gebaut hatte [ ^{1 ] [ 2 ] : 87, wurde} das erste praktische Stereomikroskop 1892 von dem amerikanischen Zoologen Horatio Saltonstall Greenough entwickelt und 1896 von der Zeiss AG in Jena kommerziell vertrieben ^{[ 3 ] [ 4 ] : 90.} Greenoughs Erfindung basierte auf der von Ignazio Porro entwickelten Prismenanordnung zur korrekten Darstellung von Relief und Textur ^{[ 2 ] : 87.}

Greenough wuchs in der Bostoner Elite, Massachusetts , als Sohn des berühmten Bildhauers Horatio Greenough Sr. auf . Ohne den Druck, seinen Lebensunterhalt verdienen zu müssen, verfolgte er stattdessen eine wissenschaftliche Karriere und zog nach Frankreich. An der Meereswarte in Concarneau an der Küste von Bretagne, unter der Leitung des ehemaligen Direktors des Muséum national d'histoire naturelle , Georges Pouchet , wurde er von den neuen wissenschaftlichen Idealen der Zeit, insbesondere dem Experimentieren, beeinflusst. Während die Sektion toter und präparierter Exemplare das Hauptaugenmerk von Zoologen, Anatomen und Morphologen gewesen war, erwachte während Greenoughs Aufenthalt in Concarneau das Interesse an Experimenten mit lebenden und sich entwickelnden Organismen neu. So konnten Wissenschaftler die Embryonalentwicklung in Aktion studieren, anstatt sie nur als eine Reihe versteinerter, zweidimensionaler Präparate zu betrachten. Um Bilder zu erhalten, die der Dreidimensionalität und der relativen Größe sich entwickelnder wirbelloser Meeresembryonen gerecht wurden, war ein neues Mikroskop erforderlich. Obwohl es bereits zuvor Versuche zum Bau von Stereomikroskopen gegeben hatte, beispielsweise von Chérubin d'Orleans und Pieter Harting , war keines davon optisch hochentwickelt. Zudem benötigte bis in die 1880er Jahre kein Wissenschaftler ein Mikroskop mit solch geringer Auflösung.

Greenough handelte und, beeinflusst von den Versuchen seines Kollegen Laurent Chabry aus Concarneau , komplexe Mechanismen zur Drehung und Manipulation des lebenden Embryos zu konstruieren, entwickelte er sein eigenes Instrument. Aufbauend auf der kurz zuvor von Charles Wheatstone entdeckten Binokularität als Ursache der Tiefenwahrnehmung , entwarf Greenough sein Instrument mit Blick auf das Phänomen der Stereopsis. ^{[ 3 ]}

Das Greenough-Design verwendet zwei unabhängige Objektive, die auf ein einzelnes Objekt fokussiert sind. ^{[ 2 ] : 89 [ 5 ] : 38 [ 6 ] : 19} Die meisten modernen Stereomikroskope verwenden ein binokulares Design mit einem gemeinsamen Hauptobjektiv; ^{[ 6 ] : 18, 20} der Lichtweg verläuft für jedes Auge parallel innerhalb des Mikroskopgehäuses, was eine stufenlose oder diskrete Vergrößerungsänderung ermöglicht. ^{[ 7 ] : 5–6}

Das Stereomikroskop ist nicht mit einem zusammengesetzten Mikroskop mit Doppelokularen und Binokularansatz zu verwechseln . Bei diesen Mikroskopen, deren Entwicklung um 1860 Francis Herbert Wenham zugeschrieben wird ^{[ 8 ] : 197,} wird das vergrößerte Bild nach dem Objektiv mithilfe eines Prismas geteilt, sodass beide Augen dasselbe Bild sehen. ^{[ 1 ] [ 2 ] : 94} Der Binokularansatz wurde in den 1910er Jahren von Jentzsch und Siedentopf mithilfe von Dachkantprismen weiterentwickelt; ^{[ 5 ] : 47} bei diesen Konstruktionen dienen die zwei Okulare einem höheren Sehkomfort. ^{[ 8 ] : 196 [ 4 ] : 87} Das Bild dieser Mikroskope unterscheidet sich jedoch nicht von dem, das mit einem einzelnen Okular erzeugt wird. ^{[ 2 ] : 98}

Ein großer Arbeitsabstand und eine große Schärfentiefe sind wichtige Eigenschaften dieses Mikroskoptyps. ^{[ 7 ] : 1} Beide Eigenschaften korrelieren umgekehrt mit der Auflösung: Je höher die Auflösung ( d. h. je größer der Abstand ist, in dem zwei benachbarte Punkte als getrennt unterschieden werden können), desto geringer sind Schärfentiefe und Arbeitsabstand.

Der große Arbeitsabstand bei geringer Vergrößerung ist nützlich für die Untersuchung großer fester Objekte wie Bruchflächen, insbesondere bei Verwendung von Faseroptikbeleuchtung, wie weiter unten beschrieben. Solche Proben lassen sich zudem leicht handhaben, um die relevanten Punkte zu bestimmen. Optimale Arbeitsabstände liegen im Bereich von etwa 150 bis 400 mm (5,9 bis 15,7 Zoll). ^{[ 7 ] : 3}

Manche Stereomikroskope erreichen eine nutzbare Vergrößerung von bis zu 100×, was der Kombination eines 10×-Objektivs und eines 10×-Okulars in einem normalen Lichtmikroskop entspricht. Dies ist jedoch nur etwa ein Zehntel der maximalen nutzbaren Auflösung eines Lichtmikroskops, die bis zu 500–1000× beträgt. ^{[ 5 ] : 35} Die praktische Obergrenze der Gesamtvergrößerung für Stereomikroskope liegt bei etwa 60×. ^{[ 7 ] : 3} Beim Greenough-Design ergibt sich die Obergrenze aus der Notwendigkeit, den physischen Abstand zwischen den beiden Objektiven aufrechtzuerhalten. ^{[ 2 ] : 10}

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  Zeiss; feste Vergrößerung, die durch den Austausch der Objektivlinsen angepasst werden kann.
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  Mikroskop vom Greenough-Typ mit diskreten Vergrößerungen, die durch die Drehtrommel gesteuert werden.
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  AO Spencer Zykloptikum; diskrete Vergrößerungsstufen mittels Galilei-Optik in einer rotierenden Trommel
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  Zeiss Discovery.V8; stufenlose Vergrößerungseinstellung, gesteuert über den großen blauen Drehknopf.

Die Vergrößerung in Stereomikroskopen kann entweder fest oder in diskreten oder kontinuierlichen Bereichen variabel sein. Bei fester Vergrößerung wird die Primärvergrößerung durch ein Paar Objektivlinsen mit einem festgelegten Vergrößerungsgrad erreicht.

Diskrete Vergrößerungsänderungen lassen sich mit einem System erzielen, das Galileo als „ Galilei -Optik“ zugeschrieben wird. Hierbei wird eine Anordnung von konvexen Linsen mit fester Brennweite verwendet, um eine feste Vergrößerung zu erzielen. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass dieselben optischen Komponenten im gleichen Abstand, wenn sie umgedreht werden, eine andere, aber weiterhin feste Vergrößerung ergeben. So kann ein Linsensatz zwei verschiedene Vergrößerungen ermöglichen; zwei Linsensätze vier Vergrößerungen auf einer Trommel; drei Linsensätze sechs Vergrößerungen, die ebenfalls auf eine Trommel passen. ^{[ 4 ] : 95} Die praktische Erfahrung zeigt, dass diese Galilei-Optiken genauso nützlich sind wie ein deutlich teureres Zoomsystem, mit dem Vorteil, die verwendete Vergrößerung als festen Wert zu kennen, ohne analoge Skalen ablesen zu müssen. (An abgelegenen Standorten ist die Robustheit der Systeme ebenfalls ein nicht zu vernachlässigender Vorteil.)

Die andere Art ist die Zoom- oder Pankratvergrößerung , die eine stufenlose Vergrößerung innerhalb eines festgelegten Bereichs ermöglicht. Zoomsysteme können durch den Einsatz von Zusatzobjektiven, die die Gesamtvergrößerung um einen bestimmten Faktor erhöhen, eine weitere Vergrößerung erzielen. Auch bei Festvergrößerungs- und Zoomsystemen lässt sich die Gesamtvergrößerung durch den Wechsel der Okulare variieren. ^{[ 1 ]}

Ein klassisches Lichtmikroskop verwendet Durchlichtbeleuchtung , bei der das Licht durch das zu untersuchende Objekt hindurchscheint ^{[ 9 ] : 26,} was bedeutet, dass die Probe oft transparent oder halbtransparent ist ^{[ 10 ] : 21–22} . Im Gegensatz dazu verwendet ein Stereomikroskop meist Auflichtbeleuchtung , also Licht, das von der Oberfläche eines Objekts reflektiert wird ^{[ 9 ] : 30.} Die Verwendung von reflektiertem Licht ermöglicht die Untersuchung von Proben, die für die Durchlichtbeleuchtung zu dick oder anderweitig undurchsichtig wären ^{[ 10 ] : 39.} Einige Stereomikroskope sind auch zur Durchlichtbeleuchtung fähig, typischerweise durch eine Lampe oder einen Spiegel unter einem transparenten Objekttisch. Im Gegensatz zum Lichtmikroskop wird die Durchlichtbeleuchtung jedoch in den meisten Systemen nicht durch einen Kondensor fokussiert ^{[ 11 ]} . Stereomikroskope mit speziell ausgestatteten Beleuchtungseinrichtungen können für die Dunkelfeldmikroskopie verwendet werden , wobei sowohl Auflicht- als auch Durchlichtbeleuchtung zum Einsatz kommen kann ^{[ 12 ] .}

Kleine Proben erfordern zwangsläufig eine intensive Beleuchtung, insbesondere bei hohen Vergrößerungen. Diese wird üblicherweise durch eine Glasfaserlichtquelle bereitgestellt . Glasfasern nutzen Halogenlampen , die bei gegebener Leistungsaufnahme eine hohe Lichtausbeute liefern. Die Lampen sind klein genug, um problemlos in der Nähe des Mikroskops angebracht zu werden, benötigen jedoch häufig eine Kühlung, um die hohen Temperaturen der Glühbirne zu reduzieren. Der Glasfaserschaft bietet dem Anwender große Flexibilität bei der Wahl der geeigneten Beleuchtungsbedingungen für die Probe. Der Schaft ist von einer Hülle umgeben, die sich leicht bewegen und in jede gewünschte Position bringen lässt. Normalerweise ist der Schaft unauffällig, wenn sich das beleuchtete Ende in der Nähe der Probe befindet, und stört daher in der Regel nicht das Bild im Mikroskop. Die Untersuchung von Bruchflächen erfordert häufig eine schräge Beleuchtung, um Oberflächenmerkmale während der Fraktographie hervorzuheben . Glasfaserleuchten sind für diesen Zweck ideal. Mehrere solcher Lichtschäfte können für dieselbe Probe verwendet werden, wodurch die Beleuchtungsstärke weiter erhöht wird.

Zu den neueren Entwicklungen bei der Beleuchtung von Präpariermikroskopen gehört der Einsatz von Hochleistungs-LEDs , die wesentlich energieeffizienter als Halogenlampen sind und ein Farbspektrum des Lichts erzeugen können, wodurch sie sich für die Fluorophoranalyse biologischer Proben eignen (was mit einer Halogen- oder Quecksilberdampflampe nicht möglich ist).

Einige Stereomikroskope sind mit Videokameras ausgestattet, die die vergrößerten Bilder auf einem hochauflösenden Monitor darstellen. Das große Display trägt dazu bei, die Augenermüdung zu verringern, die bei längerer Nutzung eines herkömmlichen Mikroskops auftreten würde.

Bei einigen Geräten wandelt ein eingebauter Computer die Bilder zweier Kameras (eine pro Okular) in ein 3D -Anaglyphenbild für die Betrachtung mit Rot/Cyan-Brillen oder in das Kreuzkonvergenzverfahren für klare Brillen und verbesserte Farbgenauigkeit um. Das Ergebnis kann von einer Gruppe mit den Brillen betrachtet werden. Üblicherweise wird jedoch ein 2D-Bild von einer einzelnen Kamera angezeigt, die an einem der Okulare angebracht ist.

• Forensische Ingenieurwissenschaften
• Fraktographie
• Rasterelektronenmikroskopie
• Operationsmikroskop
• Mikroskop

• Wilson, Erin E.; Chambers, William; Pelc, Radek; Nothnagle, Paul; Davidson, Michael W. (2020). „Stereomikroskopie in der Neuroanatomie“ . In: Pelc, Radek; Walz, Wolfgang; Doucette, J. Ronald (Hrsg.). Neurohistologie und bildgebende Verfahren . Neuromethods (153). New York: Springer. S.  245–274 . doi : 10.1007/978-1-0716-0428-1_9 . ISBN 978-1-0716-0426-7Die