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

[purkinje]

Hallo Hubert, hallo Florian,
das ist immer wieder und noch ein spannendes Thema 'Beleuchtung des Objekts'.
Wie Hubert schon sagte hat der "Abbe" schon eine erstaunliche Wandlung erlebt, so wurde diese Bezeichnung zB hier im Carpenter "The microscope and its revelations" von 1901 (download oder online) ab S. 300 ganz ehrwürdig für achromatische Kondensoren verwandt, wohingegen heute alles ab 2 Linsen als Abbe bezeichnet wird. Aber auch die "neueren" und zumindest aplanatischen wenn nicht gar achromatischen Kondensoren firmieren ja im Mikro-Sprech despektierlich unter "Aschenbecher" (Zeiss) und "Badewanne" (Leitz) 

In dem oben genannten Carpenter gibt es einige interessante Kondensoren inkl. Ringförmiger Beleuchtung (!) zu bestaunen (ab S 331 im Digitalisat)
Beste Grüße Stefan

[Lupus]

Hallo Stefan,

Wie Hubert schon sagte hat der "Abbe" schon eine erstaunliche Wandlung erlebt, so wurde diese Bezeichnung zB hier im Carpenter "The microscope and its revelations" von 1901 (download oder online) ab S. 300 ganz ehrwürdig für achromatische Kondensoren verwandt, wohingegen heute alles ab 2 Linsen als Abbe bezeichnet wird.

das kann ich jetzt nicht ganz nachvollziehen. Im Carpenter wird lediglich einer von Abbe entwickelter Kondensor als Abbe Kondensor bezeichnet, was ja richtig ist. Man kann jeden von Abbe entwickelten Kondensor allgemein Abbe Kondensor nennen (das wären aber natürlich nur die historischen Modelle).

Ansonsten wird heute nach meiner Kenntnis normalerweise nur ein einfacher, nicht achromatischer zwei oder dreilinsiger Kondensor ähnlich der ursprünglichen Abbe-Konstruktion aus dem Jahr 1870, als der Abbesche Beleuchtungsapparat von Zeiss eingeführt wurde, als Abbe-Kondensor bezeichnet (S. 309 und 310 Deines verlinkten Carpenter). So wie er z.B. auch hier erwähnt wird  https://www.spektrum.de/lexikon/physik/kondensor/8258

Also diese Kondensoren:



Hubert

[Florian D.]

Hallo zusammen,

ich fürchte, ich habe hier für Verwirrung gesorgt. Statt von Abbe Kondensor und Nelson Kondensor zu sprechen, hätte ich von Köhlerscher Beleuchtung und kritischer Beleuchtung sprechen sollen.
Die Köhlersche Beleuchtung scheint jedenfalls die von Nelson aufgestellte Forderung an eine Beleuchtung zu umfassen, nämlich die Möglichkeit, das Objekt mit der Apertur des Objektivs auszuleuchten.

Viele Grüsse
Florian

[Lupus]

Hallo Florian,

Die Köhlersche Beleuchtung scheint jedenfalls die von Nelson aufgestellte Forderung an eine Beleuchtung zu umfassen, nämlich die Möglichkeit, das Objekt mit der Apertur des Objektivs auszuleuchte

man könnte es auch anders formulieren: Die Köhlerbeleuchtung ist nichts anderes als eine kritische Beleuchtung, bei der die Lichtquelle durch eine dazwischengeschaltete Optik effizient zu einer homogenen Leuchtfläche umgewandelt wurde. Effizient deshalb, weil früher bereits zu diesem Zweck Mattscheiben verwendet wurden, die aber einen hohen Lichtverlust bewirken. Das erwähnt Köhler übrigens explizit in seiner Veröffentlichung von 1893.

Eigentlich war es Absicht meines Beitrages, gerade darauf hinzuweisen dass die kritische Beleuchtung der Kern einer guten Mikroskopbeleuchtung bezüglich der Objektauflösung ist, die Köhlerbeleuchtung "nur" eine Optimierung hinsichtlich der homogenen Ausleuchtung und Ausnutzung der Lichtquellenintensität.

Hubert

[Rene]

Thanks for your insights, Hubert. Just an addition and not unimportant so: Kohlerillumination needs a better corrected condenser than the Nelsonian type (Sterrenburg 1975: Leidraad bij de microscopie). Other way around:  the Abbe condenser performs better in Nelsonian than in Kohler setup!

Regards, René

[Lupus]

Hallo,

ich ergänze aufgrund der Diskussion meinen Anfangsbeitrag noch etwas:

Zeiss-Kondensoren im 19.Jh.

Als Zeiss sein erstes einfaches, nur mit einem Linsendublet und Triplet ausgestattetes Präpariermikroskop 1847 vorstellte, gab es insbesondere im viktorianischen Großbritannien bereits achromatische Kondensoren. Im kontinentalen Europa waren auch die Mikroskope insgesamt einfacher, und die Beleuchtung öfter ohne Kondensor. Eine der ersten gerechneten Neuentwicklungen bei Zeiss durch Abbe waren die zwei- und dreilinsigen, nichtachromatischen Kondensoren hoher NA, in Verbindung mit dem zugehörigen Beleuchtungsapparat (ca. 1870). Die waren aufgrund der vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten und doch guten Qualität relativ schnell weit verbreitet. In Bild 4 oben sind die beiden Kondensoren auch vom Aufbau her dargestellt.

Nachdem die Fotografie vermehrt gegen Ende des 19.Jh. eingesetzt wurde und die Qualitätsansprüche stiegen (1886 entwickelte Abbe das erste apochromatische Objektiv), gab es bei Zeiss auch achromatische Kondensoren und einen nichtachromatischen aplanatischen Kondensor (d.h. mit insbesondere besser korrigierter sphärischer Aberration) - siehe Bildmitte.
Zur ergänzenden Information habe ich im Vergleich auch den bekannten Kondensor mit klappbarer Frontlinse für das Standard-System nach dem 2.WK abgebildet, der von Zeiss 1948/49 entwickelt wurde. Zum wegklappen musste die Frontlinse mit größerem Abstand versehen werden als bei der alten Konstruktion, aber im Prinzip könnte man hier auch von einem "Abbe-Kondensor" sprechen (Bild unten). Der große Abstand der Linsen hat auch den Vorteil besserer Fehlerkorrektur.



Bild 4

Verbesserte "kritische" Beleuchtung zur Fotografie

In dieser Zeit stiegen gleichzeitig die Anforderung an die Beleuchtung durch den vermehrten Einsatz von Fotografie, dies war natürlich auch zeitlich weit vor der Veröffentlichung der Köhlerbeleuchtung der Fall. Aus einem Zeiss-Katalog von 1888 (Special-Catalog über Apparate für Mikrophotographie - geschrieben von Roderich Zeiss, dem Sohn von Carl Zeiss) kann man interessante Erkenntnisse über die damalige Technik gewinnen. Man setzte damals bereits bevorzugt achromatische Kondensoren ein, und auch direktes Sonnenlicht zur Beleuchtung, das mit einem Heliostaten in den Strahlengang eingespiegelt wurde.

Die Bilder 5 und 6 sind daraus entnommen und geben eine Vorstellung, wie 5 Jahre später vielleicht Köhler an seinen Zoologischen Institut arbeitete. Z.B. beschrieb er in seiner Veröffentlichung, dass die Kollektorlinse seines Beleuchtungsaufbaus einen Durchmesser von 10 cm und eine Brennweite von 25 cm hatte - das passt gut zu der abgebildeten Technik mit optischer Bank und großen Plattenkameras.



Bild 5



Bild 6

Im Text zur Beleuchtung sind folgende Passagen aufschlussreich:

"Bei der Beurteilung der zu wählenden Lampe muss berücksichtigt werden, dass es nicht auf den Grad der Helligkeit allein ankommt, welcher nur von der Größe der Flamme abhängt ..... sondern einzig und allein darauf, dass die Lampe eine Flamme gewährt, von welcher wenigstens ein Theil ein völlig weißes Licht ausstrahlt. Bekanntlich sind sowohl auf dem Gebiete der Gas- als auf dem der Petroleumbeleuchtung in neuerer Zeit erhebliche Fortschritte gemacht worden, so dass es leicht ist, eine dem vorliegenden Bedürfnisse entsprechende Lampe zu erhalten." (Das bezog sich auf die für die damaligen Emulsionen wichtigen Blauanteil des Lichtes.)
"Von anderen künstlichen Lichtquellen ist noch das Kalklicht zu erwähnen, welches seiner Intensität wegen sich im Allgemeinen für mikrophotographische Aufnahmen empfiehlt und vermöge der Constanz seines Lichtpunktes für die directe Verwendung geeignet ist."

Zwei besonders lichtstarke aber räumlich inhomogene Lichtquellen werden ebenfalls beschrieben, die aber nur mit Mattscheiben verwendet werden konnten - in dem Text wird daher zwischen direkter und indirekter Verwendung des Lichts unterschieden:
"Anwendung der Lichtquelle indirect (mit matter Scheibe)
....
Das Magnesiumlicht ist chemisch vorzüglich zu photographischen Zwecken brauchbar, weil es intensiv weiß leuchtet, also Strahlen von jeder Farbe des Spectrums in gleichmässiger Vertheilung enthält. ....  Ich selbst habe mich jedoch ... nie dazu entschliessen können, größere Aufnahmen mit demselben zu machen, weil die fortwährenden Schwankungen in der Intensität welche während des Abbrennens des Magnesiumdrahtes erfolgen, mir die Ruhe beim Einstellen und Exponiren rauben.
....
Dagegen kann ich aus voller Ueberzeugung das elektrische Bogenlicht ... zur indirekten Verwendung für mikrophotographische Aufnahmen empfehlen. Wie aus dem Obigen leicht zu schliessen ist, findet diese indirecte Verwendung des elektrischen Bogenlichtes so statt, dass mittelst desselben die mehrfach erwähnte matte Scheibe erleuchtet wird, welche nun ebenso in die Objektebene projicirt wird, wie es bei der indirekten Anwendung des Sonnenlichtes beschrieben wurde."

D.h. Mattscheiben wurden, wie auch schon gelegentlich Jahrzehnte früher, regelmäßig bei den für die Fotografie besonders Intensiven Lichtquellen hoher Farbtemperatur verwendet. Köhler hatte ebenfalls schon darauf verwiesen, aber auf den bisher üblichen Beleuchtungsaufbau wegen des von ihm erwähnten Lichtverlustes verzichtet. Die eigentlich trotzdem erforderliche Mattscheibe in seiner neuen Beleuchtung, um die Aperturblende homogen auszuleuchten, hat er offensichtlich nicht verwendet (seine Beschreibung der Komponenten geht ins Detail) und das Problem wohl mangels optischer Kenntnisse auch nicht erkannt.

Wenn man nun die hier notwendige Mattscheibe bei bisheriger "kritischer Beleuchtung" und auch die für die Köhler-Beleuchtung notwendige Mattscheibe zur Homogenisierung der Aperturblendenausleuchtung (auch wenn da schwächere ausreichen) in die Grafiken von Bild 1 einträgt, sehen kritische und Köhler-Beleuchtung wie in Bild 7 aus:



Bild 7

Also kein sehr großer Unterschied mehr. Eigentlich besteht hier ein fließender Übergang zwischen Köhler-Beleuchtung und Mattscheibenbeleuchtung, die man auch mit einer Feldlinse an der Mattscheibe versehen kann um den Hot-Spot von schwächeren Mattscheiben zu vermeiden.

Unterschiedliche Qualiätsanforderung an Kondensor zwischen beiden Beleuchtungsarten

Kohlerillumination needs a better corrected condenser than the Nelsonian type (Sterrenburg 1975: Leidraad bij de microscopie)

Das zitierte Argument kann ich ohne Begründung der Quelle nicht nachvollziehen. Richtig ist dass ein "Abbe-Kondensor" keine sehr gute Korrektur bezüglich sphärischer Aberration aufweist (der Farbfehler spielt in diesem Zusammenhang eine geringere Rolle). Das ist auch der Grund wenn regelmäßig etwas "seltsame" Empfehlungen gegeben werden, die Kondensorhöhe je nach verwendeter Objektivvergrößerung und damit auszuleuchtender NA zu verstellen. Denn durch die sphärische Aberration leuchtet der Kondensor die Objektebene nicht gleichmäßig aus, speziell wenn man fälschlicherweise die Scharfstellung der Leuchtfeldblende bei Köhler-Beleuchtung als ausschließliches Kriterium der Einstellung der Kondensorhöhe verwendet. Die Folge ist dass je nach Einstellebene die Ausleuchtung eines Objektives mit hoher NA - erkennbar beim Blick in den Tubus ohne Okular - ringförmig abgedunkelt oder außen abgeblendet erscheinen kann.

Das ist natürlich schlechter als eine optimierte Schärfe der Leuchtfeldblende da es mit Auflösungsverlust verbunden ist. Das ist aber kein spezifisches Problem der Köhler-Beleuchtung, sondern kann bei falscher Einstellung des Kondensors auch bei "kritischer Beleuchtung" ohne Leuchtfeldblende passieren. Die Regel, den nichtaplanatischen Kondensor nach Schärfe der Leuchtfeldblende einzustellen konnte ich eigentlich noch nie nachvollziehen.

Hubert

[purkinje]

Hallo, nur als kurze Ergänzung zu den schönen Ausführungen: Die ersten Mikro"fotos" überhaupt, eigentlich Daguerreotypien, wurden um 1838 auch mit dem oben erwähnten (Wasserstoff-) Kalklicht unter anderen von J. E. Purkyně durchgeführt: Daguerreotype Journal, N. 2 Spring Issue
Beste Grüße Stefan

[Rene]

Hallo Hubert, the problem with the uncorrected condenser is indeed due to spherical abberation. Sterrenburg mentions a reduced numerical aperture by closing the field iris.

Figure 77, Koehler illumination with uncorrected (a) versus aplanatic (b) condenser;
Figure 78, Nelsonian (critical) illumination with uncorrected  condenser.
(Sterrenburg 1975)

Best wishes, René

BTW, found another example by Frithjof Sterrenburg  on http://www.microscopy-uk.org.uk/index.html?http://www.microscopy-uk.org.uk/primer/illumin.htm

[Lupus]

Hello René,

I mentioned the problem of inhomogeneous illumination of condensers with not well corrected spherical aberration, everyone can observe the too small illumination angle at the reduced exit pupil illumination of the objective.

To illustrate this, I have calculated a standard Zeiss condenser with a folding front lens (NA 0.9). Figure 1 shows the entire optical path.



Figure 1

Figure 2 shows the area between the front lens and the object plane. The optical data are not exactly identical to the original, but show the spherical aberration well enough.
The necessary image size of a field diaphragm for a 50-60x objective, for example, is shown in blue dashed line. The blue arrow is an example of the position of the (blurred) field diaphragm in the object plane, as it might be after apparently optimum focusing. Its location near the beam of rays with low NA results from the fact that the strongest visual contrast of the field stop edge is caused by the illumination of the (larger) inner aperture stop area with a smaller illumination aperture. The high illumination aperture cannot be utilised with this condenser position, the image resolution is reduced.



Figure 2

However, the same problem can also occur with "critical illumination" if the condenser is set too low. But, in this case the problem may be less severe because without a strongly closed field diaphragm, the more widely spread rays of the condenser can partially illuminate the object field with rays of high NA.

Hubert

[Lupus]

Hallo,

ein Nachtrag zum Zeiss Katalog Mikrofotografie von 1888:

Diese dort gezeigte Aufnahme von Pleurosigma angulatum wurde (natürlich) nicht mit Köhler-Beleuchtung aufgenommen sondern ganz klassisch mit der Projektion der Lichtquelle auf das Objekt, mit einem sehr frühen apochromatischen Objektiv NA 1.3 von Zeiss. Beleuchtung durch Sonne mittels Heliostat eingespiegelt, Kondensor Apochromat NA 0.3. Wie ich finde eine sehr gute Aufnahme, die beweist dass die Qualität der Optik wichtiger ist als die höchstmögliche Beleuchtungsapertur.



Man darf natürlich nicht vergessen, dass die Sonne als Lichtquelle einen signifikanten UV-Anteil besitzt, und die Fotoplatten zu dieser Zeit ebenfalls sehr blau-empfindlich waren (und sicher auch stark auf den UV-Bereich angesprochen haben). Also eine Aufnahme mit wohl unbewusst (?) höherer Auflösung durch die kurze Wellenlänge.   

Hubert

[purkinje]

Hallo Hubert,
angenommen man hätte 1888 einen halbwegs gut-korrigierten Kondensor nA 0,7 gehabt (was wohl nicht der Fall war) und ein semi-apochromatisches 40er Objektiv nA 0,85 verwendet (gab es mW) wäre es auch möglich gewesen P. angulatum aufzulösen.
Will auch sagen, die Verbesserung der Kondensoren bzgl Korrektur und nA haben die Verwendung von höheraperturigen Trockenobjektiven noch interessanter gemacht, wobei sich dann rasch das Deckglasdickenproblem einstellte, welches daraufhin wiederum mit Korrekturfassungen beantwortet wurde ... (zeitlich von der Abfolge würde es ja passen)
Beste Grüße Stefan

[Lupus]

Hallo Stefan,

1888 gab es von Zeiss bereits diverse Apochromaten (1886 entwickelte Abbe den ersten Apochromaten). U.a. zwei Trockenobjektive verschiedener Vergrößerung (42x und 62x bei damals üblichen Bezug auf 250 mm) mit NA 0.95 einschließlich Deckglaskorrektur sowie Immersionsobjektive mit NA 1.3 und 1.4(!). Der achromatische Kondensor von Zeiss hatte zu dieser Zeit eine NA von 1.0.

Übrigens wurde das Problem des Einflusses der Deckglasdicke und dessen Lösung durch objektivinterne Abstandsänderung von Linsen bereits in der Mitte des 19.Jh. erkannt.

Hubert

[purkinje]

Hallo Hubert, da war ich dann auf der Zeitachse wohl ein paar Jahrzehnte in meiner Erinnerung verrutscht.
Robert Koch hatte den (oder einen anderen ?) Kondensor glaube ich schon etwas früher erwähnt, 1878  (nachdem er vorher wohl mit Seibertschen Mikroskopen fotografiert hatte):
http://www.museum-optischer-instrumente.de/zeiss_3479.html
Beste Grüße Stefan

[rlu]

Hallo zusammen,

dieses Mikroskop ein HM-Lux3 sollte auf den ersten Blick eine kritische Beleuchtung haben?!
Ich möchte untersuchen, ob ich auf Basis der gegebenen Definitionen auf wiki und im ersten Teil von dem Beitrag eine Einschätzung vornehmen kann.

Leider habe ich nicht geschaut, ob man die Glühwendel der Birne ohne den Diffusor im Präparat sieht.

Liebe Grüße
Rudolf

Basierend auf der Frage: Was ist eigentlich die kritische Beleuchtung? Möchte ich die einzelnen Punkte durchgehen.

Kriterien für die kritsche Beleuchtung laut wiki: https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtmikroskop
-- Der Vorteil der kritischen Beleuchtung liegt, verglichen mit der Köhlerschen Beleuchtung, im geringen apparativen Aufwand und im einfachen Einstellverfahren.
    --> OK, weil weniger Hebel und Blenden zu sehen sind. Leuchtfeldblende fehlt, Höhenverstellung Kondensor fehlt.
-- Dabei überlagert allerdings die Struktur der Lichtquelle die Präparatstrukturen, was zum Teil stören kann.
    --> Vermutlich, habe ich leider nicht geprüft
-- Kondensor dicht am Präparat.
  --> Ok, der Kondensor befindet sich knapp unter dem Tisch.
-- Die Lichtquelle muss vergleichsweise weit vom Kondensor entfernt sein.
    --> Ok, das ist relativ aber das kann man so sehen
-- Um zu verhindern, dass das Bild der Glühwendel die Erkennung von Präparatstrukturen erschwert, wird unterhalb des Kondensors ein Mattglas-Filter in den Beleuchtungsstrahlengang gelegt.
    --> OK, der Mattglas-Filter ist abgenommen links zu sehen.
-- Sollte dies nicht ausreichend sein, kann der Kondensor etwas abgesenkt werden, so dass das Bild der Glühwendel unscharf wird.
    --> Nein, (War da jetzt ein Kondensortrieb/Höhenverstellung des Kondensors dran? Nein, nach dem Katalogbild)

Aber ist es jetzt eine kritische Beleuchtung nach Nelson? Das war die Ausgangsfrage.

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.

1. --> Nein, da nicht zentrierbar.
2. --> Nein, da Kondensor nicht höhenverstellbar, d.h. der Einfallswinkel vom Licht auf die Apertur bzw. den Öffnungswinkel des Objektivs kann nicht eingestellt werden.

---> also doch keine kritische Beleuchtung nach Nelson.
Oder?

Ich hoffe die Leitz-Fans fühlen sich angesprochen ;-)


Dann noch eine Frage, wenn ich den Kondensor so einstellen könnte, dass der Lichteinfall gleich der Apertur/Öffnungswinkel ist und ich die Aperturblende zuziehe, d.h. es fällt weniger Licht ein als einfallen könnte, dann erhöhe ich den Kontrast und verringere gleichzeitig die Auflösung. Ist das richtig?






https://www.amuseum.de/mikroskopie/Anleitungen/LEITZ_HM_LUX3_small.pdf


Quelle: https://www.facebook.com/groups/735021843305949/permalink/1649870775154380/
Einfallswinkel steigt, bei steigenden Aperturen, z.B.: NA = 10x ; NA = 40x
These:
Der Lichtkegel, den der Kondensor erzeugt, muss dem Öffnungswinkel des Objektivs entsprechen.
Hier wurde das grüne Licht zur Demo von oben eingestrahlt und zeigt den Öffnungswinkel des Objektivs.
Der Kondensor muss diesen Öffnungswinkel bedienen können.

[purkinje]

Hallo Hubert,
zu unserer oben begonnene Diskussion zu Beleuchtung und Kondensor Ende des 19Jh., wollte ich ein Zitat von Nelson beisteuern, das etwas Licht auch auf die 'Dispute' der damaligen Zeit zu diesem Thema wirft.
Man kann also auch davon ausgehen das bei Zeiss die 'Hinwendung' zur höheraperturigen Beleuchtung nicht ohne Diskussionen mit Abbe abging.
Im Kern geht es dabei ja um die Frage wie koherent die Beleuchtung zu sein hätte und somit auch um die Objektähnlichkeit des produzierten mikroskopischen Bildes, ein Thema das uns ja bis heute in der Lichtmikroskopie beschäftigt...

"This paper [er meint Abbes Veröffentlichung im R.M.S. Journal im Dezember 1889] I consider to be the most dangerous paper ever published, and unless a warning is sounded it will inevitably lead to erroneous manipulation, which is inseparably connected with erroneous interpretation of structure.
If you intend to carry out his [Abbes] views and use narrow-angled cones, you do not need a condenser at all—more than this, a condenser is absolutely injurious, because it affords you the possibility of using a large cone, which, according to Prof. Abbe, yields an image dissimilar to the object. If there is the slightest foundation for Prof. Abbe's conclusion, then a condenser is to be avoided, and when a mirror is used with low powers care must be exercised to cut the cone well down by the diaphragm.
Let me at the place state that I wish it to be distinctly understood that I am not, in this paper, attacking Prof. Abbe's brilliant discovery that the image in the Microscope is caused by the reunion of rays which have been scattered by diffraction, neither do I question what I venture to think is his far more brilliant experiment, which exhibits the duplication of structure, when the spectra of the second order are admitted, while those of the first are stopped out. I regard these facts as fundamental truths of microscopy."
(Edmund Milles Nelson 1891 zitiert nach Wayne "Light and video microscopy", 2014, S 93)

Beste Grüße Stefan