Was ist eigentlich die kritische Beleuchtung (Nelson- / Critical Illumination)

[Lupus]

Hallo,

der Begriff "kritische Beleuchtung" wird heute leider meist fälschlich nicht mehr im ursprünglichen Sinn verwendet. Oft beschreibt man sie kurz als Beleuchtung, bei der im Gegensatz zur Köhler-Beleuchtung die Lichtquelle auf das Objekt abgebildet wird. Das ist aber nicht der Kern der Bedeutung.

Zur Erklärung muss man etwas in die Geschichte der Beleuchtung zurück gehen. Am Anfang der Mikroskopie war das Problem bei künstlicher Beleuchtung, dass die verfügbaren Lichtquellen sehr schwach waren (Kerzen, Öllampen), und gleichzeitig die numerische Apertur der Objektive gering und damit auch deren Lichtstärke. Die effektive NA war bis Ende des 18.Jh. auch bei den am stärksten vergrößernden Objektiven etwa auf einen Wert von 0.1 beschränkt. Man bildete daher mit Linsen (oder auch flüssigkeitsgefüllten Glaskugeln) die Flamme auf das Objekt ab was maximale Helligkeit ergab.

Beleuchtung Anfang 19. Jh.

Durch den sprunghaften Anstieg der NA und der Auflösung der Objektive in der 1. Hälfte des 19.Jh. entstand die praktische Erkenntnis, dass die Auflösung etwas mit der NA zu tun hat, und dass der Beleuchtungswinkel an die NA des Objektives angepasst werden sollte. Darauf verwies z.B. bereits Lister 1830 in einer Schrift zur Verbesserung der Objektive (er beschrieb den sog. aplanatischen Objektpunkt bei Linsenkombinationen). Er deutete auch an dass durch Abblenden der zentralen Strahlen feine Strukturen besser erkennbar seien, beschrieb also bereits eine Art ringförmige Beleuchtung. Der Kondensor bestand meist unverändert aus einer vor dem Mikroskop aufgestellten Linse.

Beleuchtung Mitte 19. Jh.

Nachdem zu dieser Zeit die NA der Objektive bereits den theoretisch maximal möglichen Wert für Trockenobjektive erreichte, musste der Beleuchtungskondensor nahe unter dem Objekttisch montiert werden um die dabei notwendige hohe NA der Beleuchtung erreichen zu können. In dieser Zeit wurden (insbesondere im viktorianischen Großbritannien) bereits sehr ausgefeilte, auch achromatische Kondensoren verwendet mit einer Vielzahl an wechselbaren Aperturblendenformen.

In der Beschreibung damaliger Lehrbücher heißt es z.B. sinngemäß: "Der Hauptgesichtspunkt bezüglich der Beleuchtung ist die Neigung der Beleuchtungsstrahlen, besonders bei transparenten Objekten. Allgemein sollen die Beleuchtungsstrahlen das Objektiv ganz ausleuchten, aber nicht darüber hinaus." Es gab auch bereits Anleitungen das Okular zu entfernen, um mit Hilfe der Objektivausleuchtung die Blendeneinstellung zu prüfen.

Das Beleuchtungsschema sah typischerweise wie in der Grafik oben in Bild 1 aus. Es gab bereits vereinzelt Leuchtfeldblenden vor der Lampe oder unter dem Objekttisch (in Klammer und gestrichelt angedeutet). Die Lampenflamme ist als Kondensorbild in der Objektebene dargestellt.



Bild 1

Kritische Beleuchtung

Aufgrund der gegen Ende des 19.Jh. langjährigen praktischen Erfahrungen einerseits und der Abbeschen Beugungstheorie seit 1873 andererseits beschäftigten sich insbesondere britische Mikroskopiker sehr intensiv mit den Kriterien zum Erreichen eines optimalen Mikroskopbildes. Dabei half auch der rege Austausch, den die britische Royal Society ermöglichte, es fanden geradezu Wettbewerbe über die Auflösung von Schmetterlingsschuppen und Diatomeen statt. Auch Abbe war dort Ehrenmitglied und hatte Briefverkehr mit der Gesellschaft. In zeitgenössischen Lehrbüchern (Hogg, Carpenter, Dallinger u.a.) wurden diese Kriterien beschrieben.

Edward Nelson, ein englischer Mikroskopiker, begründete dabei den Begriff "critical Illumination" etwa Ende der 1880er Jahre. Es ging dabei um eine maximal objektgetreue Abbildung bester Auflösung. Der Kern des Begriffes bestand darin, dass
1. die Beleuchtung bezüglich der optischen Achse des Mikroskops sorgfältig zentriert werden sollte, und dass
2. die numerische Beleuchtungsapertur gleich der des Objektives sein sollte, oder je nach Objekt und Objektivqualität auf bis zu 3/4 der des Objektives abgeblendet werden durfte.
Also das was heute immer noch als Einstellkriterium angesehen wird.

Da gleichzeitig unverändert wie seit Beginn der Mikroskopie die Flamme der Lichtquelle durch den Kondensor auf das Objekt abgebildet wurde, ist dies natürlich auch Gegenstand der Beleuchtungsmethode, aber es definiert nicht die "kritische Beleuchtung". Im der englischen Sprache gibt es für die Lichtquellenabbildung den spezifischen Begriff der "source-focused Illumination".

In der späteren Zeit der 2. Hälfte des 19. Jh. wurden die Petroleumlampen meist mit Kollektorlinsen ausgestattet um den hochaperturigen Kondensor auch über einen größeren Abstand zum Mikroskop effektiv ausleuchten zu können, und um die Zentrierung des Beleuchtungsstrahlenganges zur "kritischen Beleuchtung" zu erleichtern. Daher ist in Bild 1 in der mittleren Grafik zusätzlich diese übliche Kollektorlinse eingezeichnet (das Grundprinzip entspricht aber dem der oberen Grafik). Eine typische Abbildung einer solchen Beleuchtung zeigt Bild 2.



Bild 2

Köhler-Beleuchtung

Diese Beleuchtung dürfte ausreichend bekannt sein, daher nur ein kurze Erläuterung. Schematisch ist sie im Vergleich zur "kritischen Beleuchtung" in Bild 1 in der unteren Grafik dargestellt. Das "Überraschende" besteht eigentlich darin, dass der Aufbau äußerlich dem der mittleren Grafik gleicht. Lediglich die Anordnung der Kollektorlinse rechts neben der Lampe ist bezüglich Brennweite und Abstand anders gewählt. Das Bild der Flamme befindet sich hier nicht im "Unendlichen" sondern im geringen Abstand, am Ort der Aperturblende. Kleiner Effekt - große Wirkung. Die Ebene der Leuchtfeldblende ist (bei thermischen Lichtquellen) automatisch gleichmäßig ausgeleuchtet, da jeder Ort innerhalb der Blende durch die gleiche Leuchtfläche der Lichtquelle bestrahlt wird.

Die Veröffentlichung von August Köhler erfolgte 1893, das originale Prinzipschema des Beleuchtungsaufbaus mit Ergänzung der Bezeichnungen ist in Bild 3 dargestellt. Köhler war damals am Zoologischen Institut in Gießen und hat sich primär wegen der notwendigen fotografischen Arbeiten am Mikroskop mit dem Thema beschäftigt.



Bild 3

Das Problem war zu dieser Zeit, dass zwar Petroleumlampen für visuelle Beobachtung weitgehend ausreichend waren, bei der damaligen Fotoemulsionstechnik aber Inhomogenitäten der Beleuchtung wegen der relativ steilen Gradation besonders ungünstig waren. Außerdem waren die Fotoplatten noch nicht panchromatisch sensibilisiert und für die mehr langwellig emittierenden Lampen auch relativ unempfindlich. Intensivere damalige Lichtquellen mit höherer Farbtemperatur wie z.B. das Auersche Glühlicht oder Gasentladungslampen und Kohlebogenlampen waren noch inhomogener als Petroleumlicht.

Köhler suchte daher nach einer alternativen Objektausleuchtung: In der Einleitung seiner Veröffentlichung erläutert Köhler den Beleuchtungsaufbau von Bildprojektoren, wo die Lichtquelle zur homogenen Ausleuchtung der Leinwand innerhalb der Austrittspupille der Projektoroptik abgebildet wird. Diese Geräte waren also offensichtlich Vorbild für seine entsprechende Umsetzung am Mikroskop.

Erwähnenswert ist, dass mit der originalen Köhler-Beleuchtung zwar das Objekt homogen ausgeleuchtet wird, aber im Gegensatz zur historischen kritischen Beleuchtung nicht die Aperturblende, was natürlich im ungünstigsten Fall zu ungewollter Bildverfälschung führen kann. Insofern ist auch diese Methode nicht perfekt. Allerdings lässt sich das Problem mit einer leicht unscharfen Abbildung der Lichtquelle in der Aperturblende bzw. einer schwachen Mattscheibe im Strahlengang leichter beheben als eine inhomogene Objektausleuchtung.

Hubert

[reblaus]

Summa cum laude -bitte mehr!

Rolf

[junio]

Danke,lieber Hubert,
so griffig und mit Hintergrund findet man die ,,kritische Beleuchtung" nicht in der Literatur.
Ich schließe mich Rolf an: bitte mehr zu den verschiedensten optischen Themen.

Jürgen aus Hagen

[Jürgen Boschert]

Lieber Hubert,

vielen Dank für diese prägnante Darstellung der Prinzipien und des historischen Hintergrundes der verschiedenen Beleuchtungsarten.

[Florian D.]

Hallo Hubert,

vielen Dank für diese tolle Darlegung. Ich frage mich immer, wie man bei einem Mikroskop mit Spiegel eigentlich die Lichtquelle zu wählen hat und in welchem Abstand diese zu plazieren ist. Zumindest bei der Köhlerbeleuchtung sollte dieser Abstand ja eigentlich fest sein.

Viele Grüsse
Florian

[Lupus]

Hallo Florian,

Zumindest bei der Köhlerbeleuchtung sollte dieser Abstand ja eigentlich fest sein.

die Abstandsverhältnisse bei einem flexiblen Aufbau beim Mikroskop mit Spiegel hängen von mehreren Parametern ab. Fest stehen eigentlich die Kondensorbrennweite, die Aperturblende (maximale NA) und der Objektdurchmesser (minimale Vergrößerung). Dann kommt der Durchmesser der gewählten Lichtquelle und die verfügbare Brennweite der Kollektorlinse als variable Parameter dazu.

Nun muss man zwei Abbildungsbedingungen (Vergrößerungsmaßstäbe) gleichzeitig erfüllen, die Abbildung der Lichtquelle auf die Aperturblende und die der Leuchtfeldblende auf das Objekt. Dazu der feste Abstand dieser beiden verschachtelten Abbildungen zueinander. Das ergibt 5 Gleichungen aus denen man je nach Wahl von Kollektor und Lichtquelle die Abstände und Durchmesser relativ leicht berechnen kann. Geht natürlich auch durch probieren.

Hubert

[purkinje]

Hallo Hubert,
habe gestern spät nachts Deinen schönen Beitrag gelesen und dachte mir: So wie heute hier manchmal noch nach einer fehlenden mattierten Kollektorlinse aus den 60er Jahren gefragt wird, wird man evtl in 100 Jahren nach einem 50 Jahre alten LED-Array zur strukturierten Beleuchtung fahnden?! Wohin wird die Reise der Mikroskopischen Beleuchtung gehen?
Beste Grüße Stefan

[Apochromat]

Lieber Hubert,

das war ein sehr großer Genuss für mich, das von Dir hier zu lesen! Besonders interessant waren die Bemerkungen zum damaligen Filmmaterial und den sich daraus ergebenden Schwierigkeiten für die Mikrophotographen der Zeit.

Liebe Grüße

Michael

[Lupus]

Hallo,

herzlichen Dank für die positiven Rückmeldungen. Nachdem offensichtlich auch Interesse an solchen Randthemen besteht bedauere ich, dass ich den Beitrag entgegen ursprünglicher Absicht deutlich gekürzt habe um mich auf das Hauptthema zu beschränken. Es gäbe da noch viel zu erwähnen.....

Hubert

[Gerd Schmahl]

Hallo Hubert,

Nachdem offensichtlich auch Interesse an solchen Randthemen besteht, bedauere ich, dass ich den Beitrag entgegen ursprünglicher Absicht deutlich gekürzt habe, um mich auf das Hauptthema zu beschränken.

Das hat aber auch den Vorteil, dass mehr Leser das Wesentliche erfassen und nicht schon vorher aussteigen. Eine Möglichkeit beide Interessengruppen zu bedienen wäre der gekürzte Artikel als Appetitanreger und die Vollversion als PDF-Anhang. Nach dem man das Wesentlicher erfasst hat, würde das geweckte Interesse vielleicht dann doch den einen oder anderen "Kurzleser" zum "Langleser" machen.

Auf jeden Fall ist die jetzt gegebene Darstellung gut geeignet, um darauf zu verweisen, wenn hier im Forum mal wieder ein Leihe nach der Köhlerbeleuchtung fragt oder gar ein Mikroskop nur durch das Einfügen einer zweiten Blende, mal schnell so umbauen will, dass  eine "Köhlerbeleuchtung" entstünde.

LG Gerd

[Florian D.]

Ich muss gestehen, dass mir ein Unterschied zwischen Nelson's kritischer Beleuchtung und der Beleuchtung, bei der die Lichtquelle in die Objektebene abgebildet wird, auch nicht bewusst war.
Oft hat ja auch eine Methode, die nach einer Person benannt ist, oft nicht mehr viel mit dem zu tun, was diese Person ursprünglich beschrieben hat. In solchen Fällen lohnt ein Blick in die Originalarbeiten:
Von Edward M. Nelson habe ich einen Artikel aus 1910 gefunden, also lange nachdem er den Begriff "kritische Beleuchtung" prägte:
Nelson, Edward M. "IX.—Critical Microscopy." Journal of the Royal Microscopical Society 30.3 (1910): 282-289.
Er kann z. B. hier eingesehen werden:
https://www.biodiversitylibrary.org/item/18891#page/344/mode/1up

Darin schreibt er:
"Critical Illumination.---An object is said to be illuminated critically when it is placed at the apex of a solid axial cone, the aperture of which is not less than three-quarters of the N.A. of the observing objetice (B)."

Von daher erfüllen eigentlich alle heutigen Kondensoren diese Bedingung.
Interessant ist, der Hinweis, dass der von uns so verehrte Abbe
sich gegen diese Art der Beleuchtung ausgesprochen hat, siehe
https://www.biodiversitylibrary.org/item/98135#page/291/mode/1up
Abbe hatte dafür plädiert, möglichst nur mit einem (evtl. möglichst schiefen) Strahl zu beleuchten. Die "Objektähnlichkeit" der konischen (hochaperturigen) Beleuchtung war ihm anscheinend noch fremd.
Die heutigen Kondensoren setzen in Wirklichkeit also eine Synthese aus den Ideen von Abbe und Nelson um und auch heutige Abbe Kondensoren erlauben kritische Beleuchtung im Sinne Nelsons.
Andererseits scheint zu dieser Zeit der reziproke Zusammenhang zwischen Auflösung und Kontrast auch noch nicht verstanden gewesen zu sein, so dass die unterschiedlichen Ansichten von Abbe und Nelson verzeihlich scheinen.

Viele Grüsse
Florian

[Lupus]

Hallo Stefan,

Oft hat ja auch eine Methode, die nach einer Person benannt ist, oft nicht mehr viel mit dem zu tun, was diese Person ursprünglich beschrieben hat.

das sollte eigentlich nicht so sein. Es wird gerne zu viel in die "Entdeckung" von Dingen durch einzelne berühmt gewordene Menschen hineininterpretiert. Dabei ist die menschliche technische Entwicklung - von wenigen Ausnahmen abgesehen - regelmäßig ein Ergebnis auch der Erkenntnisse der vorangegangenen Entdeckungen. Das ist auch der Grund, warum sich die Entwicklung im letzten Jahrhundert im Vergleich zum vorangegangenen Jahrtausend so exponentiell entwickelt hat: Weil immer mehr Menschen immer einfacher auf früheres, insbesondere zugänglich dokumentiertes Wissen zugreifen konnten.

Z.B. wurde die Glühlampe nicht von Edison "erfunden", sondern er hat nur den Durchbruch zur Gebrauchstauglichkeit geschafft, und auch das Mikroskop wurde nicht von einem einzelnen Menschen erfunden - von der Lupe als Vorform zum heutigen Mikroskop vergingen über tausend Jahre.

Von daher erfüllen eigentlich alle heutigen Kondensoren diese Bedingung.

Es geht bei dem Begriff "kritische Beleuchtung" genau genommen nicht um die technische Eigenschaft der Kondensoren. Die waren auch Mitte des 19.Jh. schon so weit. Sondern um die Kenntnis wie die Nutzung der gesamten Beleuchtungseinrichtung optimal zu erfolgen hat.

Abbe hatte dafür plädiert, möglichst nur mit einem (evtl. möglichst schiefen) Strahl zu beleuchten. Die "Objektähnlichkeit" der konischen (hochaperturigen) Beleuchtung war ihm anscheinend noch fremd.

Da gab es einen "heftigen" Austausch zwischen Abbe und der Royal Society, denn das war leider zeitweise der Schwachpunkt bei Abbe, der die Verbreitung seiner Theorie speziell in Großbritannien etwas gedämpft hatte. Abbe war Physiker und Mathematiker, er lehrte z.T. auch das Fach mathematische Physik. Also nicht der Praktiker in Mikroskopie wie es dafür viele Mitglieder der Royal Society waren. Das Vereinen von Theorie und Praxis war in der Wissenschaft schon immer ein iterativer Prozess - Methode Trial-and-Error. Gerade weil Abbe sich speziell mit Beugung und Interferenz beschäftigte hatte er sozusagen die Sorge, dass sich die Lichtstrahlen bei voller Ausleuchtung der NA des Objektives zu sehr wieder "vermengen" und Bildinhalte abschwächen würden. Seine berühmten Experimente durch Filterung an der Austrittspupille des Objektives waren ja auch Demonstrationsbeispiele für die Extremfälle der Beleuchtung. Zu seiner Zeit fehlten die Rechenmöglichkeiten heutiger Computer, um auch theoretisch mittels Fourieroptik die Filtereffekte durch Beleuchtung in der Gesamtheit zeigen zu können.

Die heutigen Kondensoren setzen in Wirklichkeit also eine Synthese aus den Ideen von Abbe und Nelson um und auch heutige Abbe Kondensoren erlauben kritische Beleuchtung im Sinne Nelsons.

Die heutigen Kondensoren unterscheiden sich wie schon gesagt durch nichts von den Kondensoren bereits Mitte des 19.Jh., also vor Abbe und Nelson. "Abbe-Kondensor" ist eigentlich nur eine, historisch betrachtet heute auch nicht ganz richtig verwendete, eingebürgerte Bezeichnung für eine Kondensorbauweise. Und zwar für eine damals sehr kostengünstige, relativ einfache Bauweise eines trotzdem relativ guten Kondensors von Zeiss, der natürlich von Abbe entwickelt wurde.

Hubert

[Gerd Schmahl]

Hallo Hubert und die anderen Wissenden,
ich hatte unter einem "ABBE-Kondensor" bisher immer einen "Beleuchtungsapparat nach ABBE" verstanden, mit einem Kondensor, dessen Apperturblende sich dezentrieren ließ, um neben der "normalen" auch "Schiefe Beleuchtung" realisieren zu können. Liege ich da falsch? Sind "ABBE-Kondensor" und "Beleuchtungsapparat nach ABBE" keine ganz deckungsgleichen Begriffe?
LG Gerd

[Peter V.]

test

[Lupus]

Hallo Gerd,

es gab wie Du schon sagst einen sog. Beleuchtungsapparat nach Abbe, dessen Mechanik u.a. eine seitliche Verschiebung (und Drehung) der Irisblende für schiefe Beleuchtung zugelassen hat. Der war ursprünglich optional mit nichtachromatischen Kondensoren ausrüstbar, einen zweilinsigen mit NA 1.2 und dreilinsig mit NA 1.4. Aber es gab später auch andere Kondensoren wie z.B. einen achromatischen mit NA 1.0 oder einen aplanatischen mit NA 1.4. Genau genommen ist begrifflich der Kondensor nur Bestandteil des Abbeschen Beleuchtungsapparates und nicht gleichzusetzen.

Diese Bauart von "einfacheren", nicht achromatischen Kondensoren wird wohl auch heute noch gelegentlich als Abbe-Kondensor sogar in Prospekten heutiger anderer Mikroskophersteller bezeichnet (Da musst Du nur mal nach dem Begriff googeln). Ich verwende solche undefinierten Begriffe nie, weil sie missverständlich sein können. Ähnlich wie "köhlern".

Hubert