Ich hatte das große Vergnügen auf dem 34. Chaos Communication Congress (34c3) einen Vortrag zu halten. Es ging vor allem darum, was man wissen muss um mit der Mikroskopie anzufangen, welche Geräte ganz gut für den Anfang sind und was man tunlichst nicht kaufen sollte, weil es keinen Sinn macht. Ich werde das in diesem Text nochmal genauer auseinander nehmen, aber hier zunächst der Vortrag:

Es gibt den Vortrag auch mit engischem voice over, hier.

Ich habe kein umfassendes Wissen über alles was es so zu kaufen oder zu basteln gibt. Alle Empfehlungen gebe ich auf Grund von eigenen Erfahrungen. Wenn ihr andere Erfahrung habt oder eine Empfehlung abgeben wollt: bitte tut das! Entweder in den Kommentaren oder per mail an andre.lampe{ät]fu-berlin.de.

Es gibt eine kleine Linkliste zum Vortrag hier.

Im folgenden Text versuche ich alle Dinge aus dem Vortrag aufzuarbeiten und ein paar mehr Einordnungen anzubieten.

Welche Parameter sollte man kennen?

  • Vergrößerung
  • Arbeitsabstand
  • Schärfentiefe
  • Welche Mikroskop-Typen es gibt
  • Wie man digitale Bilder macht

Alles andere ist für den Anfang nicht wahnsinnig wichtig. Diese fünf Punkte sollten jeden dazu befähigen einen guten Start in die Mikroskopie zu machen. Grundsätzlich bin ich davon überzeugt, dass man immer eine Variante wählen sollte bei der man sowohl mit “dem Auge durchgucken” als auch digitale Bilder machen kann. Warum erkläre ich im Vortrag und habe ich auch in Die Frage nach der Wissenschaft, der Kommunikation und dem ganzen Rest aufgeschrieben.

Vergrößerung

Die Vergrößerung ist DER Parameter schlechthin, auf den wohl jeder instinktiv bei einem Mikroskop schaut. Bevor wir aber dazu kommen was dieses “x” oder “fach” bei der Vergrößerung genau heißt, habe ich mal einen Maßstab gemacht, mit dem man die Dimensionen der Welt des Kleinen verstehen kann. Weil ich glaube, dass dieser Maßstab sinnvoll ist und ganz im Sinne von open science, will ich den Maßstab auch als public domain veröffentlichen. Nehmt und nutzt das Bild wie ihr wollt – wenn ihr Bock habt nennt meinen Namen oder linkt hier her 😉

Klick für vollständige Größe

Hund, Singvogel, Computerchip, Floh, Durchmesser menschliches Haar, Pollen, Bakterien, Viren, Strukturen auf einem Computerchip, DNA, Gold-Atome. Klick für vollständige Größe

Nun aber zu dem Ausdruck “400fach” oder “2000fach” im Bezug auf Vergrößerung. Diese Angabe bezieht sich immer auf die Betrachtung eines Objekts mit dem “unbewaffnetem” Auge in 25cm Abstand. Dieser Abstand ist die optimale Entfernung für unser Auge um etwas zu betrachten, und wird auch als deutliche Sehweite bezeichnet. Ein Objekt in 25cm Entfernung zu betrachten wäre damit also eine Vergrößerung von 1fach, in 50cm eine “Vergrößerung” von 0,5fach. Um die Vergrößerung eines Mikroskops auszurechnen multipliziert man die Vergrößerung des Okulars (meistens 10fach) mit der Vergrößerung des Objektivs (zum Beispiel 40fach). Mit den Zahlenwerten aus den Klammern dann also 400fache Vergrößerung. Das heißt: Im Mikroskop betrachtet ist ein Objekt 400 mal größer als in 25cm Entfernung mit dem “unbewaffnetem” Auge betrachtet.

Vergrößerungen

Beispiel Gitter (Verschiedene Kombinationen von Objektiven und Okularen. Kästchenabstand des Gitters ist 0,1 mm. Das Bild wurde auf 80% verkleinert, klicken für Vollbild (4459 x 7398 pixel))

Die Angaben mit “x” oder “fach” beziehen sich immer nur auf das menschliche Auge. Die Vergrößerung bei Verwendung einer Kamera errechnet man über die Pixelgröße der Kamera. Benutzt man eine Kamera mit einer Pixelgröße von 12µm und ein Objektiv mit einer 40fachen Vergrößerung, hat jedes Pixel im digitalen Bild später eine Größe von 12µm / 40 = 0,3µm. Oft besitzen Kameras für Mikroskope noch eine Reduktionslinse mit einer Vergrößerung von 0,5fach. Dies berechnet man dann mit so mit ein: 12µm / (40 mal 0,5) = 0,6µm. Einfacher ist es jedoch, ein kleines Gitter mit bekannter Größe abzubilden und dann die Pixelgröße auszurechnen (siehe Bild – aus Rezension “BRESSER”…). So habe ich das übrigens immer gemacht, wenn ich mein Smartphone als Kamera benutzt habe. Aus so einer Messung mit dem Gitter errechnete ich dann die Länge eines kleinen Balken im Bild, wie man ihn zum Beispiel bei Dinge unter’m Mikroskop IV – Nadeln und Kanülen sehen kann.

Es gibt eine natürliche Grenze, bis zu der Vergrößerung Sinn macht: die Beugungsgrenze. Darüber habe ich bereits in Ernst Abbe war ein faszinierender Mensch etwas geschrieben. Eine Vergrößerung für das Auge macht nur bis ca. 1250fach Sinn, bzw. bis zu einer Pixelgröße im Bild von ca. 0,1µm. Bei höherer Vergrößerung schlägt die Physik zu und man sieht keine weiteren Details.

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Kommentare (12)

  1. #1 Markus
    10. Januar 2018

    Interessanter Beitrag. Ich hätte da noch ein paar Fragen:

    a) wieso kommt man bis 0,1µm? Grünes Licht ist zB bei 550nm, das wäre dann ja Faktor 5 besser als die Wellenlänge. ich dachte immer, man kommt nur etwa bis zur Wellenlänge.

    b) Wenn der scharfe Bereich so klein ist, ist der dann nicht schwer zu treffen? Ich hatte mal ein Discounter USB-Mikroskop (30€), bei dem war die Höhenverstellung des Tisches nicht so toll. Da Du das Thema nicht ansprichst, gehe ich mal davon aus, dass die getesteten Mikroskope diesbezüglich unkritisch waren?

    c) Wegen der geringen Tiefenschärfe wäre doch sicherlich auch Fokusbracketing interessant? Oder sind die Proben so dünn, dass das keine Rolle spielt?

    d) Das Allerwichtigste: Was schaut man sich denn auf Dauer so an? Bei den Makrofotografen scheinen Insekten sehr beliebt zu sein, das finde ich jetzt weniger spannend.

    • #2 André Lampe
      11. Januar 2018

      Hallo Markus,
      freut mich! Die Fragen beantworte ich gerne:
      a) Man kann sagen das es ungefähr bis zur halben Wellenlänge des Lichts geht. Das hab ich im Artikel Ernst Abbe war ein faszinierender Mensch genauer erklärt. Aber Auflösung hat nicht unbedingt etwas mit der Pixelgröße zu tun. Nur weil man keine Details ausmachen kann, die kleiner als 0,25µm sind, muss man nicht deswegen das Pixelraster in dieser Größe wählen. Ich habe in der Hochauflösungsmikroskopie gearbeitet, an einer Methode die SD-dSTORM heißt. Dort haben wir Licht mit einer Wellenlänge von mehr als 655nm abgebildet in einem Setup, in dem die Pixel eine Größe von 0,1µm hatten, um nacher mit den beugungsbegrenzten “Flecken” ein bisschen Mathe zu machen. Wenn man zu so hohen Vergrößerungen geht, egal ob es jetzt mit dieser Technik ist oder mit etwas anderem, dann will man das letzte kleine Detail, dass man noch sehen kann, vielleicht in mehr als einem Pixel abbilden. Vielleicht um damit rumzurechnen oder damit es schöner aussieht. Es war eher als Richtwert gemeint à la “viel kleine Pixelgrößen machen keinen Sinn”.

      b) Man braucht schon etwas Fingerspitzengefühl beim Scharfstellen und etwas Übung, aber alle erwähnten Mikroskope sind da sehr komfortabel. Beim USB-Mikroskop an einem Halter ohne Schraube zum verstellen kann es schon etwas fummelig werden, das stimmt. Wenn es eine Mechanik gibt, die schlecht verarbeitet ist, wie du es beschreibst, dann kann ich mir vorstellen, dass das frustrierend ist.

      c) Ja, das stimmt, man kann mehrere Bilder machen an unterschiedlichen Schärfepunkten und die dann “stapeln”. Das Problem: Hohe Vergrößerung heißt immer geringer Arbeitsabstand und die Objektive sind schon recht breit, verglichen mit dem teilweise kleinen Arbeitsabstand von weniger als 1mm. Da bekommt man dann nur mit hohem technischen Mehraufwand Licht von vorne drauf, also muss man die Probe dünner präparieren damit man Licht durchschicken kann. Aber auch dabei könnte man das “stapeln” benutzen. Nur ist es gerade so, dass man bei hohen Vergrößerungen keine Alltagserfahrung hat wie das Objekt eigentlich aussieht, und bei so einer Bildmanipulation könnte man (ohne böse Absicht) etwas produzieren, dass so aussieht wie man meint das es aussieht und nicht wie es tatsächlich aussieht. Aber die Möglichkeit besteht. Ich habe es nicht erwähnt, weil dass für einen Anfänger schon eine ordentliche Hürde sein kann.

      d) Neben den vielen Präparaten die man zB online kaufen kann, gibt es auch tolle Anleitungen wie man selbst Präparate herstellt, meistens aus der Biologie. Auf dem 34c3 hat mir ein sehr netter Mensch ein Buch gezeigt (sorry, hab deinen Namen vergessen, sorry!), das beschreibt wie man im frühen 20. Jahrhundert chemische Prozesse unter dem Mikroskop angeschaut hat, weil man noch nicht so tolle Dinge wie Massenspektrometer oder ähnliches hatte. Aber Grundsätzlich kann man alles Mögliche drunter legen. Gewürze, Staub, Dreck, Klettverschluss, Asche, Elektronik – ich hab da eine kleine Serie zu: Dinge unter’m Mikroskop.

      Hab ich im Kern die Fragen beantwortet, oder habe ich einen Aspekt vergessen?

      Liebe Grüße, André

  2. #3 rolak
    10. Januar 2018

    Im Hintergrund läuft grad [!Autostart!] ne Doku über alle möglichen Besiedeler des menschlichen Körpers und prompt kam das übliche ~”hier in xfacher Vergrößerung” – – das generiert jetzt nurmehr ein leichtes Grinsen als sichtbare Auswirkung des in Gedanken inszenierten, aufspringenden, gestikulierenden “Dat sachisch dem André!

    • #4 André Lampe
      10. Januar 2018

      da könnt ich mich echt aufregen – manno :-)

  3. #5 Markus
    11. Januar 2018

    (Anscheinend kann Ich hier nicht direkt Antworten – dies ist also meine Antwort auf #2.)

    Hallo André,
    vielen Dank für die ausführliche Antwort.

    a) Mir gings dabei um zwei Sachen:
    1. Wieviel besser ist ein Mikroskop im Vergleich zu meinem Fotoapparat? Man kann recht günstig mit einem Retroadapter (20€) ein Weitwinkelobjektiv verkehrt herum montieren und bekommt dann so etwa eine 4fache Vergrößerung. Bei 4µm Pixelgröße kann man also etwa 1µm auf 1 Pixel abbilden. Wenn man mit einem Mikroskop auf die halbe Wellenlänge kommt und berücksichtigt, dass das Objektiv ja auch nicht perfekt ist, dann ist da also noch etwa Faktor 5-10 an Auflösung drin. Das würde sich lohnen.
    2. Du hast bei Deinem Größenvergleich auch Bilder von Blütenpollen drin. Das hat mich fasziniert. Die Bilder sind zwar wahrscheinlich mit einem REM gemacht, aber wenn man große Pollen (100µm) hat und man 0,1µm Auflösung hätte, dann wären das ja trotzdem 1000 Pixel. Auch wenn man mit der Auflösung “nur” bis 250µm kommt, dann wären das trotzdem noch tolle Bilder (falls man man mit einem normalen Lichtmikroskop überhaupt vergleichbare Bilder machen kann).

    c) Interessantes Problem. Ich hatte das Problem eher darin gesehen, dass man eine motorisierte Höhenverstellung braucht, damit die Schrittweite konstant bleibt. Wobei ich noch gar nicht weiß, ob ich in die “unbekannte Welt” absteigen will.

    d) Ich wollte abschätzen, wie oft ich ein Mikroskop benutzen würde. Werde ich es ein Wochenende intensiv benutzen und alles drunter halten was mir in den Sinn kommt und danach landet es im Regal und wird nie wieder angefasst? Oder ist es eher so wie bei der Fotografie, die mich seit über 15 Jahren begeistert. Meinen Fotoapparat benutze ich immer noch regelmäßig. Deswegen die Frage nach der Anwendung. Deine “Dinge unter’m Mikroskop”-Serie kenne ich schon, aber da sieht man halt auch, dass Du da 2016 keinen Artikel hattest und 2017 nur zwei. Das ist schon ein starkes Indiz für die Regalthese.

    Gruß
    Markus

    • #6 André Lampe
      11. Januar 2018

      Hallo Markus, bitte gerne!

      a)1: Ich würde schätzen, dass du mit einem Umgedrehten Foto-Objektiv längst nicht so eine Hohe Auflösung (nicht Vergrößerung) hast. Wie man die Auflösung berechnet ist auch von der nummerischen Apartur des Objektivs abhängig, wobei die Formel von Abbe sich immer nur auf Mikroskope bezieht (NA vom Objektiv, NA vom Kondensor). Daher würde ich schätzen, dass du mit einem Mikroskop noch deutlich mehr Details ausmachen kannst. Aber das ist nur eine Schätzung. Vielleicht wäre mal ein direkter Vergleich hier im Blog spannend, mal sehen.
      a)2: Ja, richtig, das waren Elektronenmikroskop-Bilder. Ich hab noch nie versucht Pollen zu mikroskopiren – klingt nach einem lohnenden Versuch.

      c) Auch das mit dem konstanten Abstand ist ein Problem, stimmt – es gibt dabei so einiges an Schwierigkeiten. :-)

      d) Kurz zu den Zeit: Ich hab 2016 sehr viel Zeit mit dem Schreiben meiner Doktorarbeit verbracht und im Bereich 2016/2017 auch zum ersten mal richtig Reflektiert was ich denn jetzt genau tue, wenn ich über Mikroskope schreibe und nicht mehr jeden Tag im Labor stehe. Man könnte sagen, ich habe das Hobby gerade erst richtig begonnen – nimm mich da also nicht als Maßstab bitte. Was die Regalthese an geht: Bevor du selbst kaufst, könntest du auch mal schauen ob es irgendwo bei dir in der Nähe einen Verein oder eine Gesellschaft für Mikroskopie gibt. Oft sind die an Unis oder auch an Lehr-Krankenhäusern und die haben eigentlich immer auch eigene Mikroskope, so dass man selbst erstmal kein Gerät braucht. Das würde einem die Chance geben ein bisschen zu spielen ohne direkt was zu kaufen. Aber grundsätzlich würde ich sagen: Ein Mikroskop benutzt man eher zu Hause und drinnen, eine Kamera nimmt man oft mit – ich glaube da hat man schon eine Möglichkeit einzuschätzen wie hoch das Regal-Potential ist 😉

      Danke für deine ausführlichen Kommentare, ich freue mich immer über einen Austausch!

  4. #7 Markus
    11. Januar 2018

    zu #6:

    Hallo André,
    a)1: Mir ist schon klar, dass Auflösung und Anzahl Pixel zweierlei sind, aber ich wüsste jetzt nicht, wie ich das sinnvoll messen könnte. Anhand realer Motive ist das schwer zu beurteilen und ich wüßte jetzt nicht, wo man zB einen Siemensstern oder ein Auflösungstestchart in der Auflösung (bezahlbar) herbekommt.

    c) Makroobjektive (nicht in Retrostellung) haben ja gerne einen Motor(auto)fokus, den man vom PC aus steuern kann. Damit ist gleichmäßiger Abstand kein Problem, aber dabei komm ich nur auf einen Abbildungsmaßstab von 1:1 (dafür gibts dann aber Testberichte mit Auflösungswerten).

    d) Die Gegend hier ist recht ländlich. Ich habe noch nie von irgendwas mikroskopartigem hier in der Gegend gehört. Die nächste Uni ist mit dem Auto >1h entfernt. Wahrscheinlich werde ich noch etwas googlen müssen, bevor ich mich entscheide.

    Gruß
    Markus

  5. #8 hmann
    14. Januar 2018

    Markus,
    die hohe Vergrößerung verspricht keinen Sinnengenuss.
    Kaufe Dir ein Auflichtmikroskop. Du glaubst gar nicht, was man bei 30x Vergrößerung alles entdecken kann.

  6. #9 Markus
    17. Januar 2018

    Hallo hmann,

    ja, ich denke auch, dass ich eher der “Auflichttyp” bin. 30fache Vergrößerung ist etwa das, was man mit dem Fotoapparat und einem Weitwinkelobjektiv in Retrostellung hinbekommt. Das habe ich vor 10 Jahren gemacht und deswegen weiß ich etwa, was mich da erwartet.

    Bei 30x ist der Sichtbereich etwa 4mm (jedenfalls bei dem Bresser Junior Mikroskop), da entspricht ein Bild noch sehr den Alltagserfahrungen. Deswegen will ich schon gerne stärker vergrößern.

  7. #10 rolak
    18. Januar 2018

    Heute wurden wieder einmal die Erinnerungen an den Talk ‘nach vorne geholt’: im aktuellen ArbeitspausenBuch von Becky Chambers, “Der lange Weg zu einem kleinen zornigen Planeten”, kam

    Wieso wird diese Debatte immer noch geführt, obwohl die Beweise so offensichtlich sind?
    Die Antwort muss natürlich lauten, dass biologische Gesetzmäßigkeiten kaum überprüft werden können, und Wissenschaftlern ist so etwas zuwider.

    Kontext wirrd nicht verrraten!

    • #11 André Lampe
      18. Januar 2018

      Kontext wirrd nicht verrraten!

      Warum…? Das klingt so spannend!

  8. #12 rolak
    19. Januar 2018

    Warum…?

    Unbezahlte KöderWerbung ;·)
    Nee, ob das Buch letztendlich so gut beurteilt wird, wie sein Eindruck es bisher nahelegt, kann bei erst⅓-½gelesen noch nicht abgeschätzt werden, doch der erste Teil stellte sich recht unterhaltsam und frei von abschreckend grotesken Fehlern dar.
    Und außerdem mußte das Filmzitat mal wieder gebracht werden, von dem ich nicht sicher bin, ob es überhaupt eines aus DGD ist, auch wenn es sich noch so ‘da gehört’ anfühlt.

    Es ging speziell um die Prognostik Umweltbedingung(Planet) ⇒ Phänotypen(Lebewesen), die teils jahrtausendelangen Untersuchungen dazu und warum die nichts geklärt haben; konvergente Evolution im Allgemeinen und Seitenhiebe auf die bis in die ferne Zukunft überlebt habenden VTartigen NichterklärungsModelle von Panspermie bis SaatZivilisation.