Von der Köhlerschen- und der Kritischen Beleuchtung.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,
ich hatte es angekündigt, die Köhlersche Beleuchtung ist heute mein Thema.

Diese Art der Beleuchtung ist nach Professor August Karl Valentin Köhler benannt, der sie 1893 im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelte, um korrekt belichtete Mikrofotos bei bestmöglicher Ausnutzung der Abbildungsleistung seines Mikroskops zu erhalten. Seine Arbeitsmethode war so bahnbrechend, daß sie bis heute von fast allen Mikroskopikern angewandt wird. Dennoch wird sie, inzwischen über 120 Jahre alt, durchaus in Foren kontrovers diskutiert. Es wird gefragt, ob das „Köhlern“, wie man die Arbeitsmethode meist nennt, noch wirklich zeitgemäß ist, da die Qualität der Mikroskope von 1893 mit den heutigen schließlich nicht mehr zu vergleichen ist.

Zunächst möchte ich die Köhlersche Beleuchtung beschreiben. Die Methode kann nur mit Mikroskopen durchgeführt werden, die folgende Komponenten besitzen: Kollektor, Leuchtfeldblende und Kondensor mit Aperturblende.

Image1_1

Ziel der Köhlerschen Beleuchtung ist es, ein möglichst homogen ausgeleuchtetes Bild ohne Streulicht zu erzeugen. Dafür wird das Lampenlicht des Mikroskops über einen Kollektor gebündelt und der Kondensor wird so eingestellt, daß die Lichtquelle in der Ebene der Aperturblende abgebildet wird. Das Objekt wird so von parallelen Lichtstrahlen, homogen bei maximaler Intensität durchleuchtet. In der folgenden Abbildung ist der Beleuchtungsstrahlengang grün dargestellt:

koehler_05
Man sieht, daß die Lichtquelle in der Ebene der Aperturblende abgebildet wird. Die Beleuchtungsstrahlen werden dann durch den Kondensor parallel ausgerichtet und treffen so auf das Präparat in der Objektebene. Beleuchtungsstrahlen die nicht auf Punkte in der Objektebene treffen, werden auf der Netzhaut als homogene helle Fläche wahrgenommen. Der Abbildungsstrahlengang ist rot dargestellt.

Und hier das Rezept für die Köhlersche Beleuchtung. Vorausgesetzt ist, daß Leuchtfeldblende und Kondensor zentriert sind:

  • Präparat unter das Mikroskop legen und Beleuchtung einschalten.
  • Leuchtfeldblende ganz öffnen.
  • Aperturblende ganz öffnen.
  • Kondensor bis zum oberen Anschlag vorsichtig hochfahren.
  • Präparat scharf stellen.
  • Leuchtfeldblende vollständig schließen.
  • Kondensor soweit herunterfahren, bis der Rand der Leuchtfeldblende möglichst scharf ist (ev. Farbsaum schlägt von Rot nach Blau um).
  • Leuchtfeldblende soweit öffnen, bis Blendenrand gerade aus dem Sichtfeld verschwindet.
  • Aperturblende ca. halb schließen.

Bei jedem Objektivwechsel muß der Vorgang wiederholt werden.

Manche Mikroskope besitzen zwar einen Kondensor mit Aperturblende, aber keine Leuchtfeldblende. In solchen fällen kann man sich mit der sogenannten „Kritischen Beleuchtung“ helfen. Man benötigt einen Objektträger, auf den man mit einem Filzstift ein kleines Kreuz zeichnet.

  • Präparat unter das Mikroskop legen und Beleuchtung einschalten.
  • Aperturblende ganz öffnen.
  • Kondensor bis zum oberen Anschlag vorsichtig hochfahren.
  • Präparat scharf stellen.
  • Objektträger mit Kreuz auf die Beleuchtungseinrichtung legen.
  • Kondensor soweit herunterfahren, bis das Kreuz scharf abgebildet wird.
  • Objektträger mit Kreuz wieder entfernen.
  • Aperturblende ca. halb schließen.

Auch hier muß der Kondensor mit den Zentrierschrauben vorher zentriert worden sein. Die Kritische Beleuchtung hat den Nachteil, daß eventuell die Wendel der Leuchtquelle stört. In solchen Fällen den Kondensor etwas herunterdrehen oder ein Mattscheibenfilter verwenden.

Hier Vergleichsaufnahmen:

Benzoesäure 40x

Benzoesäure 40x
Kondensor am oberen Anschlag
Leuchtfeldblende ganz geöffnet.

 

Benzoesäure_40x_kr

Benzoesäure 40x
Kritische Beleuchtung.

 

Benzoesäure_40x_k

Benzoesäure 40x
Köhlersche Beleuchtung.

 

Benzoesäure_100x

Benzoesäure 100x
Kondensor am oberen Anschlag
Leuchtfeldblende ganz geöffnet.

 

Benzoesäure_100x_kr

Benzoesäure 100x
Kritische Beleuchtung.

 

Benzoesäure_100x_k

Benzoesäure 100x
Köhlersche Beleuchtung.

 

Alle Aufnahmen sind vollkommen unbearbeitet. Auf einem großen Monitor betrachtet erkennt man bei den Originalbildern durchaus gewisse Unterschiede, die hier auf dem Blog nicht so klar herauskommen. Es liegen aber keine Welten dazwischen. Ich konnte aber bei verschiedenen Vergleichsaufnahmen immer wieder die Erfahrung machen, daß ausnahmslos die geköhlerten Aufnahmen die besten waren. Mir ist das Köhlern in Fleisch und Blut übergegangen, so daß ich es vor jeder Aufnahme bei Objektivwechsel vornehme. Aber es sei gesagt, wer die Einrichtung zum Köhlern an seinem Mikroskop nicht besitzt, muß nicht verzweifeln, so groß sind die Unterschiede nicht.

Soviel für heute liebe Freunde der Mikrokristalle.

In meinem nächsten Blogbeitrag geht es um Mikrofotos von Naproxen. Diesen pharmazeutischen Wirkstoff kann man leicht aus rezeptfreien Tabletten isolieren. Man bekommt atemberaubende Aufnahmen.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit und fröhliches Köhlern.

 

H-D-S

 

 

 

 

 

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Anisotropie und Optische Aktivität.

 Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

in meinem letzten Blogbeitrag im November habe ich beschrieben, wie es zu den farbigen Bildern von Mikrokristallen im polarisierten Licht kommt. Es waren die anisotropen Eigenschaften vieler Kristalle, die für die prächtigen Interferenzfarben verantwortlich waren. Eine Rolle spielte dabei die Fähigkeit anisotroper Kristalle, linear polarisierte Lichtwellen aufzuspalten, Teilwellen abzulenken und dabei die Polarisationsebenen zu drehen.

Es gibt auch chemische Verbindungen, die in der Lage sind, die Ebene des polarisierten Lichts zu drehen. Wir nennen sie optisch aktiv. Mikrokristalle optisch aktiver Verbindungen ergeben häufig schöne Farbwirkungen unter dem Mikroskop im polarisierten Licht.

Vergleicht man Bilder optisch aktiver chemischer Verbindungen mit nicht optisch aktiven, sieht man aber keine Unterschiede in der Farbigkeit. Ich habe die optisch aktive D-Weinsäure mit der nicht optisch aktiven Zitronensäure verglichen.

D-Weinsäure besitzt 2 asymmetrische Kohlenstoffatome und ist somit optisch aktiv.

D-Weinsäure

D-Weinsäure
Sie besitzt 2 asymmetrische Kohlenstoffatome.

Zitronensäure verfügt über keine Asymmetriezentren und ist somit auch nicht optisch aktiv.

 

Zitronensäure

Zitronensäure
Verfügt über kein Asymmetriezentrum.

Die Mikrokristalle beider Säuren ergeben unter dem Mikroskop im polarisierten Licht sehr schöne farbige Kristalle.

Weinsäure_01

Mikrokristalle der D-Weinsäure unter dem Mikroskop.
Fotografiert im polarisierten Licht.

 

Weinsäure Nr. 08

Mikrokristalle der D-Weinsäure unter dem Mikroskop.
Fotografiert im polarisierten Licht.

 

Zitronensaure

Mikrokristalle der Zitronensäure.
Fotografiert unter dem Mikroskop im polarisierten Licht.

 

 

Cirtonensäure01_k

Mikrokristalle der Zitronensäure
Fotografiert unter dem Mikroskop im polarisierten Licht.

Anisotropie ist eine Eigenschaft die im Kristallbau begründet ist. Die optische Aktivität ergibt sich im Gegensatz dazu aus dem Molekülbau. Daher verschwinden anisotrope Eigenschaften auch mit dem Auflösen des Kristalls. Die optische Aktivität bleibt hingegen auch in Lösungen erhalten.

Das liebe Freunde der Mikrokristalle, sollte eine kleine Ergänzung zu meinem vorangegangenen Blogbeitrag sein, in dem es um die Frage ging, warum Mikrokristalle im polarisierten Licht unter dem Mikroskop so farbenprächtig sind.

In meinem nächsten Beitrag geht es um HDR-Aufnahmen (High Dynamic Range).

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

p.s. in früheren Blogbeiträgen habe ich Begriffe wie „polarisiertes Licht“, „optische Aktivität“ und „asymmetrische Kohlenstoffatome“ näher beschrieben, einfach mal bis April 2015 zurückgehen.

 

 

Warum ergeben Mikrokristalle im polarisierten Licht farbige Bilder?

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

in meinem letzten Blogbeitrag hatte ich die Glutaminsäure angekündigt.

Da es sich heute um meinen 30. Blogbeitrag handelt, habe ich mir aber ein besonderes Thema vorgenommen. Ich möchte am Beispiel der Glutaminsäure beschreiben, warum wir unter dem Mikroskop im polarisierten Licht so eindrucksvolle farbenfrohe Bilder sehen und fotografieren können. Dabei will ich  versuchen, das Thema ohne Mathematik und allzuviel Physik und Chemie zu behandeln. Aber es sei gesagt, ganz ohne geht es nicht, das Thema ist etwas sperrig.

Wir wissen: Ein Mikroskop mit Polarisationseinrichtung wird benötigt. Sie besteht aus 2 Polarisationsfiltern. Eines befindet sich unter dem Objekt, das andere darüber.

Mikroskop mit Polarisationseinrichtung.
Das folgende Foto zeigt ein Mikroskop mit solch einer Polarisationseinrichtung:

Polarisationsmikroskop

Mikroskop mit Polarisationseinrichtung.

Ein Polarisationsfilter, der Polarisator, befindet sich über der Beleuchtungseinrichtung. An dem kleinen Hebel kann man das Filter drehen. Oberhalb des Objektivrevolvers sieht man ein zweites Polarisationsfilter, den Analysator. Beide Polarisationsfilter sehen wir in der nächsten Abbildung etwas genauer:

Polfilter

Polarisator und Analysator.

Der Analysator wird in das Mikroskop eingeschoben. Solch eine Anordnung wird „Orientierende Polarisationseinrichtung“ genannt. Man kann damit im Gegensatz zu anspruchsvolleren Einrichtungen keine Polarisationswinkel messen.

Wir wissen also jetzt, ein normales Lichtmikroskop muß durch 2 Polarisationsfilter ergänzt werden, damit wir die schönen farbigen Bilder erhalten. Das hilft uns aber noch nicht viel weiter.

Um zu verstehen, warum die Mikrokristalle so schön farbig werden, wollen wir Schritt für Schritt den Weg des Lichts durch das Mikroskop verfolgen und einige Experimente dazu durchführen. Ich verspreche Euch eine interessante Reise.

Wir beginnen mit der Beleuchtung des Mikroskops und müssen uns zunächst fragen, welche Eigenschaften Licht eigentlich besitzt. Ich will hier kein Physikbuch schreiben und beschränke mich darum auf die für unsere Betrachtung notwendigen Eigenschaften:

1.Licht besitzt Wellencharakter.
Früher hat man angenommen, daß Licht Strahlencharakter besitzt. Viele optische Erscheinungen lassen sich aber nicht mit dem Strahlencharakter erklären. Die Wirkungsweise von Polarisationsfiltern z.B.  läßt sich sehr gut beschreiben, wenn man dem Licht Wellencharakter zuordnet, wie wir später sehen werden.

2. Farbloses Licht besitzt ein ausgeglichenes Wellenspektrum.
Das sichtbare Licht besitzt ein  Lichtwellenspektrum von ca. 380 nm bis ca. 780 nm. Wenn  eine Lichtquelle all diese Wellenlängen aussendet, empfinden wir das Licht als farblos. Auf Sonnenlicht z.B. trifft das zu. Entfernt man aus dem Lichtspektrum eine Wellenlänge, z.B. die der Farbe blau, so empfinden wir das Licht in der Komplementärfarbe gelb.

3. Lichtwellen schwingen in verschiedenen Ebenen.
Lichtwellen schwingen in verschiedenen Ebenen. Es gibt dabei keine bevorzugte Schwingungsebene, alle Ebenen sind vorhanden.Die folgende Skizze zeigt, als Ausschnitt aus dem gesamten Ebenenspektrum,  eine horizontal und eine vertikal schwingende Welle.

 

Skizze einer horizontal und einer vertikal schwingenden Welle Auch die Lampe in unserem Mikroskop liefert ein Licht, das in allen möglichen Ebenen schwingt und dessen Wellenspektrum ziemlich ausgeglichen ist.

Wir müssen für unsere weiteren Betrachtungen die beiden Aspekte, Schwingungsebenen, Wellenspektrum besonders im Auge behalten.

Starten wir unser erstes Experiment: Auf einem Objektträger habe ich Glutaminsäure-Kristalle gezüchtet. Wir legen sie ohne Polarisationsfilter unter das Mikroskop:

Glutaminsäure ohne Filter

Glutaminsäure-Kristall ohne Polarisationseinrichtung
Belichtungszeit 1/13 s

Der Glutaminsäure-Kristall wirkt völlig unspektakulär, Farben sind kaum sichtbar.

Jetzt legen wir den Polarisator auf die Lampe des Mikroskops und wiederholen die Aufnahme mit der gleichen Belichtungszeit von 1/13 s.

Glutaminsäure_mit_Polarisator

Glutaminsäure_Kristall mit Polarisator
Belichtungszeit 1/13 s

Auch hier sind kaum Farben erkennbar. Die Aufnahme ist stark unterbelichtet. Was ist passiert? Hier kommen wir zur Wirkungsweise von Polarisationsfiltern.

Polarisationsfilter.
Betrachten wir nochmal die obige Skizze mit den Wellen. Daneben sind 2 Gitter gezeichnet. Sie sollen das Prinzip von Polarisationsfiltern darstellen. Polarisationsfilter besitzen solche Gittereigenschaften. Bei dem einen Gitter verlaufen die Gitterlinien horizontal. Dieses Filter läßt nur Lichtwellen die in horizontaler Richtung schwingen passieren. Alle anderen Lichtwellen werden gesperrt. Dreht man das Filter um 90 Grad, haben wir vertikale  Gitterlinien. Entsprechend läßt das untere Filter nur vertikal schwingende Lichtwellen durch. Legt man 2 Polarisationsfilter übereinander, und zwar so, daß die Gitter gekreuzt sind, werden keine Lichtwellen mehr durchgelassen.

Wir schauen uns das auf den folgenden Bildern an:

Im ersten Bild sehen wir eine Polarisationsfilterfolie, auf der ein zweites Polarisationsfilter liegt. Die Gitter beider Filter sind gleich ausgerichtet. Somit kann Licht einer Schwingungsebene die Filter passieren.

 

zwei Polarisationsfilter mit gleicher Gitterorientierung.

Zwei Polarisationsfilter mit gleicher Gitterorientierung.

 

In der nächsten Aufnahme ist die untere Polarisationsfilterfolie um 90 Grad gedreht. Die Gitter sind jetzt gekreuzt und lassen  kein Licht mehr passieren. Verwendet man hochwertige Polarisationsfilter und kreuzt sie, werden über 90% der Lichtwellen zurückgehalten.

Unteres Polfilter um 90 Grad gedreht, es passiert kein Licht mehr die Filter

Unteres Polarisationsfilter um 90 Grad gedreht, die gekreuzten Filter lassen kein Licht mehr passieren.

Soweit der kleine Einschub zu Wirkungsweise von Polarisationsfiltern. Kommen wir zurück zu unserm Glutaminsäure-Kristall.

Jetzt ist auch klar, was bei der zweiten Kristall-Aufnahmen, die mit dem Polarisator über der Mikroskoplampe aufgenommen wurde, passiert ist. Der Polarisator hat nur Lichtwellen einer Schwingungsebene passieren lassen. Man sagt, das Licht wurde linear polarisiert. Da nur ein Teil des Lampenlichts durch das Gitter des Polarisators gegangen ist, wurde die Aufnahme bei gleicher Belichtungszeit wie ohne Filterung stark unterbelichtet.

Trotz Polarisator haben wir aber noch kein farbiges Bild erhalten. Polarisiertes Licht alleine schafft also noch nicht die wunderschönen farbigen Aufnahmen.

Schieben wir nun das zweite Polarisationsfilter, den Analysator in den Strahlengang und sorgen dafür, das die Gitter gekreuzt sind. Die folgende Aufnahme wurde mit den gekreuzten Filtern aufgenommen.

 

Glutaminsäure_mit_gekreuzten Polfiltern

Glutaminsäure-Kristall zwischen gekreuzten Poarisationsfiltern.

 

WOW, jetzt haben wir es. Sind also die beiden gekreuzten Polarisationsfilter entscheidend für das farbige Bild?

Merkwürdig, wir haben doch gerade festgestellt, das gekreuzte Polarisationsfilter Lichtwellen vollständig sperren. Warum sehen wir dann plötzlich den farbigen Kristall? Schauen wir das Bild genau an. Um den Kristall herum ist alles schwarz. Das war zu erwarten, denn die beiden Polarisationsfilter sind gekreuzt und sperren das Licht vollständig. Der Kristall ist aber sichtbar. Das ist nur möglich, wenn er die Ebene des polarisierten Lichtes gedreht hat. Soweit so gut, aber wenn er nur die Ebene des polarisierten Lichts gedreht hätte, warum ist er dann auch noch zusätzlich farbig? Fragen über Fragen.

Machen wir ein zweites Experiment: Ich habe Kochsalz Kristalle (NaCl) auf einem Objektträger gezüchtet. Sie sind nicht sehr schön, aber hier geht es ja mehr um die Funktion. Zunächst eine Aufnahme ohne Polarisationsfilter.

 

Kochsalz ohne Filter

Kochsalz (Natriumchlorid) ohne Polarisationsfilter.

Und jetzt die gleiche Aufnahme mit gekreuzten Polarisationsfiltern:

 

Kochsalz mit Polfiltern.

Kochsalz-Kristalle mit gekreuzten Polarisationsfiltern.

Dieses Ergebnis entspricht unseren Erwartungen. Bei gekreuzten Polarisationsfiltern wird der Lichtdurchgang vollständig gesperrt, wir sehen praktisch nichts. Im Gegensatz zur Glutaminsäure, ist auch kein Kristall zu sehen.

Was schließen wir aus den bisherigen Experimenten? Offensichtlich gibt es Kristalle, welche die Ebene des polarisierten Lichtes drehen können, und somit auch bei gekreuzten Filtern sichtbar werden. Darüber hinaus sind sie sogar  noch farbig. Andere Kristalle wiederum besitzen diese Eigenschaften nicht. Wir müssen uns also etwas näher mit den Eigenschaften von Kristallen befassen.

Ich möchte an dieser Stelle nicht tiefer in den chemisch/physikalischen Aufbau von Kristallen einsteigen, (vielleicht in einem späteren Blogbeitrag), nur soviel: Es gibt zwei prinzipielle Arten von Kristallen:

1.Isotrope Kristalle.
Natriumchlorid (Kochsalz) ist ein Beispiel eines isotropen Kristalls. Es kristallisiert in Form von Würfeln. Wenn man  elektrischen Strom durch den Würfel leitet um die Leitfähigkeit von Natriumchlorid zu messen, ist es egal, ob man  z.B. in horizontaler oder in vertikaler Richtung misst. Die elektrische Leitfähigkeit ist bei Natriumchlorid unabhängig von der Durchleitungsrichtung.

Bild1

Bei isotropen Kristallen verhalten sich Lichtwellen unabhgängig von der Durchleitungsrichtung.

Auch wenn linear polarisiertes Licht Natriumchlorid-Kristalle passiert, verhält es sich von der Durchgangsrichtung völlig unabhängig. Kristalle, deren Moleküle oder Ionen sehr regelmäßig angeordnet sind, zeigen diese Eigenschaft. Stoffe, die sich optisch in allen Richtungen gleich verhalten, nennt man isotrop.

2. Anisotrope Kristalle.
Die Kristalle der Glutaminsäure und sehr viele andere Kristalle zeigen ein anderes Verhalten. Bei ihnen ist es nicht egal, ob die Durchleitungsrichtung horizontal oder vertikal oder irgend eine andere Richtung ist. Die Ursache liegt im chemisch/physikalischen Aufbau der Kristalle begründet. Je nach Durchleitungsrichtung erhält man ein anderes Resultat. Kristalle deren optisches Verhalten richtunsabhängig ist, nennt man anisotrop.

Wenn linear polarisiertes Licht einen Glutaminsäure-Kristall passiert, wird es je nach Eintrittsrichtung aufgespalten. Ein Teil passiert den Kristall unverändert, bei dem anderen Teil wird die Schwingungsebene  um 90 Grad gedreht und auch die Durchgangsrichtung  wird geändert. Verfolgen wir den Weg einer Welle:

Anisotropes Medium

Aufspaltung und Drehung einer Lichtwelle im anisotropen Medium

Die schwarze Teilwelle passiert den Kristall unverändert, die rote Teilwelle ändert ihre Richtung und wird um 90 Grad gedreht. Durch die Richtungsänderung wird der Weg der roten Welle länger, es tritt ein Gangunterschied zwischen beiden Teilwellen ein, symbolisiert durch den kürzeren roten Strich.

Kehren wir an dieser Stelle zu unserem zweiten Foto, der unterbelichteten Aufnahme des Glutaminsäure-Kristalls zurück. Hier haben wir die Situation, wie gerade beschrieben. Beim Durchtritt durch den anisotropen Glutaminsäure-Kristall werden die Lichtwellen aufgespalten. Ein Teil der Wellen passieren den Kristall unverändert, bei dem anderen Teil wird die Schwingungsebene um 90 Grad gedreht und der Weg durch den Kristall wird länger. Es entsteht ein Gangunterschied.

Jetzt kommt das zweite Polarisationsfilter, der Analysator ins Spiel. Wir haben gesehen, das erst mit dem Zuschalten des Analysators das Bild bunt wird. Wie ist das zu erklären?

Es bleibt uns nicht erspart, liebe Freunde der Mikrokristalle, um eine Erklärung dafür zu finden, müssen wir noch ein weiteres Verhalten von Lichtwelle besprechen, die Interferenz.

Interferenz
Wenn wir an einem Teich mir ruhiger Wasseroberfläche stehen und werfen, sagen wir im Abstand von einem Meter, 2 Steine gleichzeitig ins Wasser, dann sehen wir, wie sich 2 Wellen ausbreiten und sich dann überlagern. Bei der Überlagerung von Wellen kommt es zu teilweiser Abschwächung, Auslöschung und Verstärkung. Um das zu verstehen,  kommen wir zurück auf die Skizze mit dem Gangunterschied und der Ebenendrehung von Wellen.

Wir haben gesehen, daß Lichtwellen bei dem Aufspalten ihre Richtung ändern, einen längeren Weg durch den Kristall zurücklegen müssen und daher auch zeitlich verzögert aus dem Kristall wieder austreten. Sie erleiden damit einen Gangunterschied. Der Gangunterschied ist dafür verantwortlich, daß sich Wellen beim Überlagern ausgelöscht werden können, wie die folgende Skizze verdeutlichen soll.

Totalauslöschung

Totalauslöschung zweier überlagerter Wellen.

 

Wir sehen zwei überlagerte Wellen. Hier beträgt der Gangunterschied der  roten Welle gegenüber der schwarzen eine halbe Wellenlänge. Wo die schwarze Welle ihe maximale Auslenkung erreicht, liegt das Minimum der roten Welle. Addiert löschen sie sich aus. Abhängig vom Gangunterschied können auch nur Abschwächungen oder auch Verstärkungen eintreten. Das ganze nennen wir Interferenz. Wellen können aber nur  interferieren, wenn sie etwa die gleiche Wellenlänge besitzen und  in einer Ebene schwingen.

Aufgabe des Analysators
Nachdem die Lichtwellen im anisotropen Glutaminsäurekristall aufgespalten wurden, Richtungsänderungen und Ebenendrehungen erfahren haben, treten sie nun durch das zweite Polarisationsfilter. Hier werden aber nur Lichtwellen gleicher Schwingungsebene durchgelassen. Es sind dies die Lichtwellen, die die gleiche Orientierung wie der Analysator besitzen. Und da sie nun alle in einer Ebene schwingen, Gangunterschiede besitzen, können sie auch interferieren.  Dabei werden manche Wellen vollkommen ausgelöscht, andere abgeschwächt oder verstärkt.  Das Lichtspektrum ist jetzt nicht mehr ausgeglichen, was ja die Voraussetzung für farbloses Licht ist, außerdem ist es um 90 Grad gedreht. Der Kristall wird sichtbar und wir sehen seine prächtigen Interferenz-Farben.

Es war ein ziemlich langer Weg bis hierhin, liebe Freunde der Mikrokristalle, darum kommen zur Entspannung jetzt noch zwei Fotos von Glutaminsäure-Kristallen. Ganz nebenbei, ich habe hier nicht die optische Aktivität erwähnt, denn Glutaminsäure ist eine optisch aktive Verbindung. Für unsere Betrachtung hätte die Einbeziehung der optischen Aktivität die Sache nur  unnütz verkompliziert.

 

Glutaminsäure

Glutaminsäure-Mikrokristall im polarisierten Licht.

 

Glutaminsäure

Glutaminsäure-Mikrokristall im polarisierten Licht.

 

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Im nächsten Beitrag gibt es eine Vergleich einiger optisch aktiver Kristalle mit optisch inaktiven.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

 

 

 

 

 

Kristallwachstum unter dem Mikroskop beobachten und fotografieren.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

es ist sehr spannend, das Wachstum von Mikrokristallen unter dem Mikroskop zu beobachten und zu fotografieren.

Geduld und auch Glück sind erforderlich. Nicht immer wachsen die Kristalle nach unserem Wunsche. Relativ einfach funktioniert es mit der Weinsäure. Auch Vitamin C (Ascorbinsäure) eignet sich sehr gut. Beides bekommt man in der Apotheke, wenn man dem Apotheker sagt, was man damit machen will. Zucker ist weniger geeignet, weil die Kristalle sehr langsam wachsen.

Die hier abgebildete Kristall-Serie ist folgendermaßen entstanden:

270 mg D-Weinsäure (eine Teelöffelspitze) wurden in einer Lösung aus 5 ml dest. Wasser und 5 ml Spiritus kalt gelöst. Ein Tropfen der Lösung wurde auf einen Objektträger ohne Deckglas gegeben und an einem staubfreien Ort getrocknet. Die entstandenen Kristalle wurden mit einem Tropfen Spiritus wieder teilweise gelöst. Der Objektträger wurde unter ein Mikroskop, ausgerüstet mit einer Spiegelreflexkamera und gekreuzten Polarisationsfiltern, gelegt. Sobald der Spiritus zu verdunsten begann, setzte die Kristallisation ein. Im Abstand von einer Minute wurden die folgenden Bilder aufgenommen:

D-Weinsäure

Die Aufnahmen, Vergrößerung 50x,  sind nicht besonders schön, aber es soll hier ja nur das Prinzip gezeigt werden.

Auf YouTube zeige ich das Wachstum von Vitamin C Kristallen. Die Bilder wurden über 30 Minuten im Abstand von 30 Sekunden aufgenommen. Daraus wurde eine Diashow erzeugt, die wie ein Film wirkt. Schaut es Euch mal an. Hier der Link: https://youtu.be/wBAHStWTcd8

Viele Kameras erlauben Intervallaufnahmen, es läßt sich sowohl der Zeitabstand als auch die Gesamtzahl der Bilder an der Kamera voreinstellen. Auch ein Fernauslöser ist für Intervallaufnahmen gut geeignet. Die beste Kontrolle besitzt man allerdings, wenn die Kamera über einen PC oder Laptop gesteuert wird. Man kann so die Entwicklung des Kristallwachstums auf dem Bildschirm beobachten und den Verschluss der Kamera (mit Spiegelvorauslösung, falls vorhanden) ohne Verwackelungsgefahr auslösen.

Bei den hier gezeigten Aufnahmen wurde das Softwareprogramm „CameraControl“ von Nikon verwendet. Für die meisten Spiegelreflexkameras, sie müssen aber über Liveshow verfügen, ist „Helicon Remote“ zur Steuerung der Kamera über einen Computer geeignet. Man kann es zusammen mit „Helicon Focus“ erwerben. Dieses Programm wurde schon einmal kurz in einem Blogbeitrag im Zusammenhang mit dem Stacking  (Erweiterung der Tiefenschärfe) vorgestellt.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Im nächsten Blogbeitrag wird die Steuerung der Kamera über einen Laptop etwas näher erläutert.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

 

Ein Trinokulares Mikroskop im unteren Preissegment

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

Mikroskope namhafter Hersteller sind bekanntlich nicht billig. Neue Instrumente beginnen bei ca. 2000 Euro, nach oben ist die Skala offen. Diese Preise sind durchaus berechtigt. Eine Alternative sind gebrauchte Mikroskope von seriösen Händlern.

Es werden aber auch Mikroskope von deutschen Unternehmen angeboten, die z.B. mit chinesischen Herstellern zusammenarbeiten. Diese Geräte kosten teilweise wenige hundert Euro. Hier soll ein solches Mikroskop vorgestellt werden. Es ist das Bresser Researcher Trino. Zum Zeitpunkt des Kaufs, 2011, lag der Preis bei 294 Euro.

Dieser Blogbeitrag ist kein Test des Mikroskops, dazu ist der Autor nicht berufen. Hier wird über Erfahrungen und subjektive Eindrücke berichtet.

Bresser Researcher Trino

Bresser Researcher Trino

Das Instrument besitzt einen trinokularen Aufsatz, so daß eine Kamera adaptiert werden kann. Der Kreuztisch hat leider einen kleinen Mangel, man kann ein Objekt nicht in der ganzen Breite des Objektträgers ansehen, da  beim Verschieben nach hinten der Kreuztisch am Stativ anstößt und der Objektträger umgedreht werden muß. Keine Katastrophe, aber nicht schön. Der Feintrieb könnte etwas feiner sein, bei Vergrößerungen ab 400 x wird das Durchfahren durch das Objekt etwas schwierig.

Die Halogenbeleuchtung (20W) ist über einen Dimmer regelbar. Leider besitzt sie keine Leuchtfeldblende, köhlern ist also nicht möglich. Der Kondensor, ausgerüstet mit einer Aperturblende und einem Filterhalter ist zentrierbar und kann in der Höhe verstellt werden.

Die optische Ausrüstung besteht aus 2 DIN WF 10x Okularen und 4 Objektiven DIN 4x/10x/40x/100x.

Der Kameratubus kann homofokal eingestellt werden.

Insgesamt macht das Mikroskop einen durchaus soliden Eindruck.

Eine Polarisationseinrichtung gibt es für das Mikroskop nicht, hier muß etwas improvisiert werden. Nimmt man den Aufsatz ab, man muß nur die linke Schraube im unteren Bild lösen, findet sich im Stativ genügend Platz für ein Polarisationsfilter oder eine zurecht geschnittenen Polarisationsfilterfolie:

Das hier verwendete Filter hat einen Außendurchmesser von 30 mm und ist 8 mm dick.

Das zweite Polarisationsfilter kann man auf die Lampenfassung legen. Leider wird die Lampe schnell sehr warm, sie muß zwischendurch immer mal wieder ausgestellt werden, sonst wird das Polarisationsfilter zu heiß. Es empfiehlt sich, einen Distanzhalter zu basteln.

Man muß also überhaupt keinen großen Aufwand betreiben, um Aufnahmen mit diesem Mikroskop im polarisierten Licht zu machen.

Für das Mikroskop gibt es bei Bresser einen Fotoadapter mit Okular. Zusätzlich benötigt man für eine Spiegelreflexkamera einen für die Kamera spezifischen T2-Ring. (Über Kamera-Adaption wurde in früheren Blogbeiträgen berichtet).

Das Foto- Okular wird in den Adapter gesteckt. Achtung! Wenn man den Adapter über den T2-Ring an die Kamera anschließt, aufpassen, daß das Okular nicht in das Kameragehäuse rutscht! Kamera immer senkrecht halten!

So und schon kann es mit dem Fotografieren losgehen.

Das folgende Foto wurde mit einer Nikon D610 Spiegelreflex-Kamera, (CMOS-Sensor 35,9 x 24,0 mm), aufgenommen:

Nikon D610

Nikon D610 an Bresser Researcher Trino mit Bresser-Adapter

Man erkennt deutlich, daß das Format nicht vollständig ausgefüllt wird.

Die nächste Aufnahme entstand mit einer Nikon D300s Spiegelreflex-Kamera, CCMOS-Sensor 23,6 x 15,8 mm):

Nikon D300s

Nikon D300s an Bresser Researcher Trino mit Bresser-Adapter

Das Format wird weitgehend ausgefüllt, an den Rändern kommt es aber zu Abschattungen und Unschärfe.

Das folgende Foto wurde mit einer Nikon Coolpix 4500 Digitalkamera (CCD-Sensor 7,2 x 5,3 mm) und Fremdadapter aufgenommen:

Nikon Coolpix 4500

Nikon Coolpix 4500 an Bresser Researcher Trino mit Fremdadapter

Die Aufnahme füllt das ganze Format aus. Es kommt zu keinen Randabschattungen.

An diesen Aufnahmen ist zu erkennen, daß die Sensorgröße der Kamera einen maßgebenden Einfluß auf das Bildergebnis hat.

Bresser schreibt in der Betriebsanleitung zu dem Mikroskop: „Das Researcher Trino ist für den Einsatz mit einem Bresser MikrOkular konzipiert worden. Beim Einsatz einer Spiegelreflexkamera kommt es aufgrund der großen Aufnahmefläche zu einer sog. Abschattung. Die Abschattung wird stärker, je höher das Objekt vergrößert wird.“

Manche Digitalkameras liefern durchaus ansehnliche Ergebnissen. Hier einige Aufnahmen mit der Nikon Coolpix 4500 und Fremdadapter. Alle Aufnahmen sind Originalaufnahmen ohne jegliche Nachbearbeitung:

Schwefel-Kristalle

Schwefel-Kristalle
Nikon Coolpix 4500
Bresser Researcher Trino
Fremdadapter

Schwefel-Kristalle

Schwefel-Kristalle
Nikon Coolpix 4500
Bresser Researcher Trino
Fremdadapter

Schwefel-Kristalle

Schwefel-Kristalle
Nikon-Coolpix 4500
Bresser Researcher Trino
Fremdadapter

Die folgenden Aufnahmen, ebenfalls vollkommen unbearbeitet wurden mit Bresser-Adapter und der Nikon D 300s Spiegelreflex-Kamera, CMOS-Sensor 23,6 x 15,8 mm,  bei fünfzig- und hundertfacher Vergrößerung aufgenommen:

Nikon D300s

Schwefel-Kristalle
Nikon D300s
50x

Nikon D300s

Schwefel-Kristalle
Nikon D300s
100x

Nikon D300s

Schwefel-Kristalle
Nikon D300s
100x

Besonders an der letzten Aufnahme erkennt man gut die leichten Abschattungen. Das Bild ist aber ansonsten über einen weiten Bereich scharf.

Fazit:

Wegen der kleinen Sensorgröße liefern Digitalkameras hinreichen scharfe Bilder ohne Randabschattung. Es muß aber betont werden, daß aus Gründen der Objektiv-Konstruktion nicht jede Digitalkamera adaptiert werden kann.

Sogenannte Vollformat-Spiegelreflexkameras sind für dieses Mikroskop völlig ungeeignet, da das Format nicht vollständig gefüllt wird.

Spiegelreflexkamera mit kleineren Sensoren (23,6 x 15,8 mm) liefern Bilder mit leichten Abschattungen und werden zu den Rändern hin etwas unscharf. Die Adaption von Spiegelreflexkameras ist völlig unproblematisch, da nur der Kamerakörper ohne Objektiv benötigt wird.

Mit wenigen Handgriffen kann das Mikroskop für Aufnahmen im polarisierten Licht eingerichtet werden.

Es fehlt die Leuchtfeldblende, so daß man nicht die Köhlersche Beleuchtung einstellen kann.

Es macht Spaß mit diesem Mikroskop zu arbeiten, wer aber Wert auf gestochen scharfe Bilder von der Mitte bis zum Rand legt, muß schon sehr viel tiefer in den Geldbeutel greifen.

Für den Preis erhält man ein solides Instrument, das besonders auch für Einsteiger interessant ist.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Wie man mit Mikroskopen, die zum Rand hin zu Unschärfe neigen, doch noch einigermaßen gute Resultate erzielen kann, wir das Thema des nächsten Blogbeitrags sein.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

„Umbau“ eines Schülermikroskops zum Polarisationsmikroskop

Hallo liebe Freunde der Mikrokristall-Fotografie.

Um Mikrokristalle so zu fotografieren, daß sie in prächtigen Farben erscheinen, benötigt man polarisiertes Licht.

Licht kann man sich als wellenförmige Schwingungen vorstellen. Diese Lichtwellen können horizontal oder vertikal oder in jeder anderen Ebene schwingen. Die folgende, etwas sehr simple Skizze soll das verdeutlichen. Sie zeigt eine horizontal und eine vertikal schwingende Welle, stellvertretend für das ganze Schwingungsspektrum:

Die rechts skizzierten Gitter sollen Polarisationsfilter darstellen. Polarisationsfilter lassen nur Licht einer Schwingungsebene passieren. Das obere Filter läßt nur den horizontal schwingenden Anteil des Lichts durch. Alle nicht horizontal schwingenden Lichtwellen werden zurückgehalten.

Im unteren Filter ist es umgekehrt. Hier werden nur die vertikal schwingenden Anteile des Lichts durchgelassen. Das untere Polarisationsfilter ist aber das gleiche Filter wie das obere, es ist nur um 90 Grad gedreht.

Packt man beide Filter zu einem Sandwich zusammen und zwar in den Durchlassebenen wie oben skizziert, wird alles Licht zurückgehalten. Dreht man dann das unteren Filter um 90 Grad, so daß seine Linien auch horizontal verlaufen, geht wieder horizontal schwingendes Licht durch die beiden Filter.

Die folgenden Fotos zeigen den Effekt. In den Fotos sind 2 Polarisationsfilter übereinander gelegt. Das untere ist eine Polarisationsfilter-Folie, das obere ein Polarisationsfilter für Fotoobjektive.

Im folgenden Bild sind die Filter so gedreht, daß sie Licht einer Schwingungsebene durchlassen:

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Lichtwellen einer Schwingungsebene passieren die beiden Filter

Dreht man eines der Filter um 90 Grad, das entspricht der Situation in der Skizze, kann kein Licht mehr die Filter passieren. Hier wurde das untere Filter gedreht:

Unteres Polarisationsfilter um 90 Grad gedreht, es passiert kein Licht mehr die Filter

Läßt man Licht durch ein Polarisationsfilter fallen, erzeugt man polarisiertes Licht, also Licht, das nur in einer Schwingungsebene schwingt. Es gibt chemische Substanzen, die in der Lage sind, die Ebene des polarisierten Lichts zu drehen. Bringt man solche Substanzen z. B. als Mikrokristalle zwischen 2 gekreuzte Polarisationsfilter, so werder sie vor schwarzem Hintergrund sichtbar. Durch sehr komplexe Vorgänge wie Doppelbrechung und  Interferenzerscheinungen entstehen zusätzlich prächtigen Farben.

Das Schülermikroskop muß also mit 2 Polarisationsfiltern ausgerüstet werden. Eine Polarisationsfilterfolie, (findet man im Internet, meist als 10×10 cm Folie, kostet ca. 15 Euro Stand 2015), wird entweder unter oder falls das nicht geht, auf den Objekttisch geklebt. Dieses Polarisationsfilter nennt man den Polarisator.

Polarisationsfilterfolie als Polarisator

Das zweite Polarisationsfilter, der Analysator, muß drehbar in der Nähe des Okulars angebracht werden. Hier zwei Varianten:

Ein passendes, drehbares Polarisationsfilter wird zwischen Kamera und Adapter geschraubt:

Adapter mit passendem Polarisationsfilter als Analysator

Das ist die teure Variante, aber es geht natürlich auch mit dem Schamstoffschlauch. Man klebt entweder ein passendes Polarisationsfilter oder Polarisationsfilterfolie auf den Schlauch. Man kann dann den ganzen Schlauch mit dem Analysator drehen. Für manche Digitalkameras gibt es aber auch passende aufschraubbare Filter, die sollten aber auch drehbar sein. Die schraubt man an das Kameraobjektiv und verbindet sie mit dem Schaumstoffschlauch wie früher beschrieben.

Polarisationsfilter auf Schaumstoffschlauch kleben

Polarisationsfilter auf Schaumstoffschlauch kleben

Es gibt sogenannte „Lineare Polarisationsfilter“ und „Zirkular-Polarisationsfilter“. Beide sind geeignet, Zirkular-Polarisationsfiltern müssen aber seitenrichtig eingesetzt werden. Man kann das testen, indem man beide Filter übereinander legt, sie ins Licht hält und eines der Filter dreht. Sind sie korrekt angeordnet sperren die Filter beim Drehen das Licht.

Als Beleuchtung eignen sich Tageslicht und Glühlampen. Leds sind ungeeignet.

So, liebe Frreunde der Mikrokristall-Fotografie, fototechnisch ist jetzt alles weitgehend geklärt. Im nächsten Beitrag geht es in die Küche zum Züchten der ersten Mikrokristalle.

Bis dahin eine schöne Zeit.

H-D-S