Okulare

Das Okular ist der Teil des Mikroskops, der das vom Objektiv des Mikroskops erzeugte Bild so vergrößert, dass es vom menschlichen Auge gesehen werden kann. In diesem Handbuch befassen wir uns mit den verschiedenen Arten von Okularen, ihren Bestandteilen, ihrer Funktionsweise und ihrer Verwendung.

Okular und Okularlinse

Okulare vergrößern in Kombination mit Mikroskopobjektiven das Zwischenbild nochmals, so dass das Objekt im Detail betrachtet werden kann. Okularlinsen ist eine alternative Bezeichnung für Okulare. Aus Gründen der Einheitlichkeit werden in dieser Erläuterung alle Okulare und Okularlinsen als Okulare bezeichnet.

Um die besten Ergebnisse in der Mikroskopie zu erzielen, sollten Objektive mit Okularen kombiniert werden, die für die jeweilige Korrektur und den Objektivtyp geeignet sind. Der grundlegende Aufbau eines typischen modernen Okulars ist in Abbildung 1 unten dargestellt. Die Beschriftungen an der Seite des Okulars geben die Eigenschaften und Funktionen an.

Bedeutung der Okularbeschriftungen

Die in Abbildung 1 dargestellten Okulare sind mit UW beschriftet (Abkürzung für Ultraweitfeld). Je nach Hersteller sind Okulare häufig auch mit der Bezeichnung H für hohe Einblickhöhe versehen, d. h. der Mikroskopiker kann bei der Betrachtung von Präparaten eine Brille tragen.

Andere Beschriftungen, die häufig auf Okularen zu finden sind:

• WF für Weitfeld
• UWF für Ultraweitfeld
• SW und SWF für Superweitwinkel
• HE für hohe Einblickhöhe
• CF für Okulare, die zur Verwendung mit CF-korrigierten Objektiven bestimmt sind.

Kompensationsokulare sind oft mit K, C oder comp sowie der Vergrößerung beschriftet. Okulare, die mit Flachfeldobjektiven verwendet werden, werden mitunter als plankompensiert bezeichnet.

Die Okularvergrößerung der Okulare in Abbildung 1 beträgt 10X, wie auf dem Gehäuse angegeben. Die Beschriftung A/24 steht für die Feldzahl 24, dies ist der Durchmesser (in Millimetern) der festen Blende im Okular. Diese Okulare verfügen außerdem über einen Fokustrieb und eine Rändelschraube, mit der sie in ihrer Position fixiert werden können. Heutzutage werden häufig Okulare mit Gummiaugenmuscheln hergestellt, die sowohl dazu dienen, die Augen im richtigen Abstand zur Frontlinse zu positionieren als auch verhindern, dass Raumlicht von der Linsenoberfläche reflektiert wird und die Sicht stört.

Arten einfacher Okulare: Negativ, positiv und modifiziert

Es gibt zwei Hauptarten von Okularen, die nach der Anordnung der Linsen und der Blende unterschieden werden: negative Okulare (oder Huygens-Okulare) mit einer inneren Blende und positive Okulare (oder Ramsden-Okulare) mit einer Blende unter den Linsen des Okulars.

Negative Okulare haben zwei Linsen:

• Die obere Linse, die dem Auge des Betrachters am nächsten ist, wird als „Augenlinse“ bezeichnet.
• Die untere Linse (unterhalb der Blende) wird oft als „Feldlinse“ bezeichnet.

In ihrer einfachsten Form sind sowohl die Augen- als auch die Feldlinse plan-konvex, d. h. die konvexen Seiten sind dem Objekt zugewandt. Etwa in der Mitte zwischen diesen Linsen befindet sich eine feste kreisförmige Öffnung oder eine innere Blende. Die Größe der Blende bestimmt das kreisförmige Sichtfeld beim Blick in das Mikroskop.

Im Folgenden erfahren Sie mehr über den Unterschied zwischen negativen und positiven Okularen.

Was ist ein Huygens-Okular?

Das einfachste negative Okular, das oft als Huygens-Okular bezeichnet wird (siehe Abbildung 2), ist bei den meisten Lehr- und Labormikroskopen mit Achromaten zu finden. Obwohl das Huygens-Okular und die Feldlinsen nicht gut korrigiert sind, heben sich ihre Aberrationen in der Regel gegenseitig auf. Stärker korrigierte negative Okulare bestehen aus zwei oder drei Linsenelementen, die zu einer Augenlinse verkittet sind. Wenn bei einem unbekannten Okular nur die Vergrößerung auf dem Gehäuse angegeben ist, handelt es sich höchstwahrscheinlich um ein Huygens-Okular, das sich am besten für Achromate mit 5X bis 40X Vergrößerung eignet.

Was ist ein Ramsden-Okular?

Die andere Hauptart eines einfachen Okulars ist das positive Okular mit einer Blende unter den Linsen, allgemein bezeichnet als Ramsden-Okular, wie in Abbildung 2 links. Dieses Okular hat eine Augenlinse und eine Feldlinse, die ebenfalls plankonvex sind, aber die Feldlinse ist so montiert, dass die gekrümmte Oberfläche zur Augenlinse zeigt. Die vordere Brennebene dieses Okulars liegt direkt unter der Feldlinse auf Höhe der Okularblende, so dass dieses Okular gut zur Montage von Strichplatten geeignet ist. Um eine bessere Korrektur zu erreichen, können die beiden Linsen des Ramsden-Okulars verkittet werden.

Modifizierte einfache Okulare

Eine modifizierte Version des Ramsden-Okulars ist das so genannte Kellner-Okular (links in Abbildung 3). Diese verbesserten Okulare bestehen aus zwei miteinander verkitteten Linsenelementen und haben eine höhere Einblickhöhe als die Ramsden- oder Huygens-Okulare sowie ein viel größeres Sehfeld.

Eine modifizierte Version des einfachen Huygens-Okulars ist in Abbildung 3 rechts dargestellt. Diese modifizierten Okulare sind zwar leistungsfähiger als ihre einfachen Gegenstücke mit einer Linse, eignen sich jedoch nur für Achromate mit geringer Leistung.

Kompensationsokulare

Einfache Okulare, wie Huygens- und Ramsden-Okulare, und ihre achromatischen Gegenstücke korrigieren den verbleibenden Farbunterschied der Vergrößerung im Zwischenbild nicht, insbesondere nicht, wenn sie mit Achromaten mit hoher Vergrößerung oder Fluorit- oder apochromatischen Objektiven kombiniert werden. Um dieses Problem zu beheben, gibt es kompensierende Okulare, die einen gleichen, aber entgegengesetzten chromatischen Fehler in die Linsenelemente einbringen.

Kompensationsokulare können positiv oder negativ sein und müssen bei allen Vergrößerungen mit Fluorit-, apochromatischen und allen Varianten von Plan-Objektiven verwendet werden (sie können auch mit Achromaten von 40X und höher verwendet werden). In den letzten Jahren erfolgte bei modernen Mikroskopobjektiven die Korrektur der chromatischen Vergrößerungsabweichung entweder in den Objektiven selbst (z. B. bei den Olympus-Objektiven) oder in der Tubuslinse.

Kompensationsokulare spielen eine entscheidende Rolle bei der Beseitigung chromatischer Aberrationen, die bei hochkorrigierten Objektiven auftreten. Daher sollten die von einem bestimmten Hersteller entwickelten Ausgleichsokulare möglichst zusammen mit den höher korrigierten Objektiven dieses Herstellers verwendet werden. Die Verwendung eines falschen Okulars mit einem Apochromat, das für eine endliche Tubuslänge (160 oder 170 mm) ausgelegt ist, führt zu einem deutlich erhöhten Kontrast mit roten Streifen an den Außendurchmessern und blauen Streifen an den Innendurchmessern der Präparatdetails. Zusätzliche Probleme ergeben sich aus der begrenzten Ebenheit des Sehfelds bei einfachen Okularen, selbst wenn diese mit Augenlinsendubletten korrigiert sind.

Moderne Okulare

Das Periplan-Okular, das in Abbildung 4 oben dargestellt ist, ist das Ergebnis der Weiterentwicklung der Konstruktion. Dieses Okular enthält sieben Linsenelemente, die zu einem Dublett, einem Triplett und zwei Einzellinsen verkittet sind. Die konstruktiven Verbesserungen der Periplan-Okulare erlauben eine bessere Korrektur der chromatischen Aberation, verbessern die Bildebenheit und insgesamt die Eigenschaften bei Verwendung hochwertiger Objektive.

Moderne Mikroskope verfügen über stark verbesserte plankorrigierte Objektive, bei denen das Primärbild eine viel geringere Feldkrümmung aufweist als bei älteren Objektiven. Darüber hinaus besitzen die meisten Mikroskope heute viel breitere Gehäusetuben und dadurch deutlich größere Zwischenbilder.

Um diesen neuen Eigenschaften Rechnung zu tragen, gibt es inzwischen Weitwinkelokulare (siehe Abbildung 1), die den sichtbaren Bereich des Objekts um bis zu 40 Prozent vergrößern. Da die Okular-Objektiv-Korrekturtechniken von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich sind, ist es wichtig, nur die von einem bestimmten Hersteller für die Verwendung mit seinen Objektiven empfohlenen Okulare zu verwenden.

Richtige Auswahl des Okulars

Wir empfehlen, zuerst das Objektiv sorgfältig auszuwählen und dann ein Okular anzuschaffen, das für dieses Objektiv geeignet ist. Bei der Auswahl von Okularen ist es relativ einfach, zwischen einfachen und stärker kompensierten Okularen zu unterscheiden. Einfache Okulare wie das Ramsden- und das Huygens-Okular (und ihre stärker korrigierten Gegenstücke) weisen einen blauen Ring um den Rand der Okularblende auf, wenn sie durch das Mikroskop betrachtet oder gegen eine Lichtquelle gehalten werden. Im Gegensatz dazu weisen stärker korrigierte Ausgleichsokulare unter den gleichen Bedingungen einen gelb-rot-orangen Ring um die Blende auf.

Eigenschaften von handelsüblichen Okularen

Tabelle 1

Die Eigenschaften verschiedener handelsüblicher Okulare (hergestellt von Olympus) sind in Tabelle 1 nach Art sortiert aufgeführt. Die drei in Tabelle 1 aufgeführten Hauptarten von Okularen sind Sucher, Weitwinkelund Superweitwinkel.

Die von den verschiedenen Herstellern verwendete Terminologie kann verwirrend sein. Achten Sie daher genau auf die Angaben in Broschüren und Mikroskophandbüchern, um die richtigen Okulare für ein bestimmtes Objektiv auszuwählen.

In Tabelle 1 sind die Abkürzungen für Weitwinkel- und Superweitwinkelokulare an ihre Korrektur für hohe Einblickhöhe gekoppelt und lauten WH bzw. SWH. Die Vergrößerungen sind entweder 10X oder 15X, die Feldzahlen liegen je nach Anwendung bei 14 bis 26,5. Die Dioptrieneinstellung ist bei allen Okularen annähernd gleich, viele besitzen außerdem eine Fotomaske oder eine Mikrometermarke.

Okulare mit hoher Einblickhöhe

Die vom Okular ausgehenden Lichtstrahlen kreuzen sich an der Austrittspupille oder der Einblickhöhe, die oft als Ramsden-Scheibebezeichnet wird. Dort sollte sich die Pupille des Auges beim Mikroskopieren befinden, um das gesamte Sichtfeld zu sehen (normalerweise 8–10 mm von der Augenlinse entfernt). Durch die höhere Vergrößerung des Okulars befindet sich die Einblickhöhe näher an die Oberseite der Augenlinse, was die Bedienung des Mikroskops erschwert, insbesondere für Brillenträger.

Um dieses Problem auszugleichen, wurden Okulare mit hoher Einblickhöhe entwickelt, die einen Augenabstand von 20–25 mm von der Oberfläche der Augenlinse aufweisen. Diese verbesserten Okulare haben Augenlinsen mit größerem Durchmesser, die mehr optische Elemente enthalten und in der Regel eine bessere Bildebenheit aufweisen. Sie sind oft mit der Aufschrift H auf dem Okulargehäuse gekennzeichnet, entweder allein oder in Kombination mit anderen Abkürzungen.

Es sei darauf hingewiesen, dass Okulare mit hoher Einblickhöhe besonders nützlich für Mikroskopiker sind, die zur Korrektur ihrer Kurz- oder Weitsichtigkeit eine Brille tragen, sie korrigieren aber nicht verschiedene andere Sehschwächen, z. B. Astigmatismus. Heutzutage sind Okulare mit hoher Einblickhöhe sehr beliebt, auch bei Menschen, die keine Brille tragen, da der große Augenabstand die Ermüdung verringert und die Betrachtung von Bildern durch das Mikroskop viel angenehmer macht.

Sichtfeld-Durchmesser

Früher waren Okulare in einem breiten Spektrum von Vergrößerungen von 6,3X bis 25X erhältlich, für spezielle Anwendungen manchmal sogar mit noch höheren Vergrößerungen. Diese Okulare sind sehr nützlich für die Beobachtung und Mikrofotografie mit Objektiven geringer Leistung. Leider tritt bei Objektiven mit höherer Leistung das Problem der leeren Vergrößerung auf, wenn man Okulare mit sehr hoher Vergrößerung verwendet, diese sollten daher vermieden werden. Heute beschränken sich die meisten Hersteller auf Okulare im Bereich von 10x bis 20x. Der Durchmesser des Sehfelds in einem Okular wird als Sehfeldzahl oder Feldzahl angegeben (FN). Aus der Angabe der Sehfeldzahl eines Okulars lässt sich mit folgender Formel der tatsächliche Durchmesser des Objektsuchfelds ermitteln:

Sichtfeld-Durchmesser = (FN) / (M(O) × M(T)

Dabei ist FN die Feldzahl in Millimetern, M(O) die Objektivvergrößerung und M(T) der Vergrößerungsfaktor der Tubuslinse (falls vorhanden). Bei Anwendung dieser Formel auf das in Tabelle 1 aufgeführte Superweitwinkelokular ergibt sich für ein 40X-Objektiv mit einer Tubuslinsenvergrößerung von 1,25 folgende Berechnung: FN = 26,5 / M(O) = 40 × M(T) = 1,25 = Gesichtsfelddurchmesser 0,53 mm. In Tabelle 2 sind die Sehfeldgrößen für die üblichen Objektive aufgeführt, die bei Verwendung dieses Okulars auftreten würden.

Sichtfeld-Durchmesser
(SWF 10X Okular)

Tabelle 2

Bereich der förderlichen Vergrößerung

Wählen Sie die Okular-Objektiv-Kombinationen sorgfältig aus, um die optimale Vergrößerung des Objekts zu gewährleisten, ohne unnötige Artefakte zu erzeugen. Um beispielsweise eine 250X-Vergrößerung zu erreichen, könnte man ein 25X-Okular mit einem 10X-Objektiv wählen. Eine andere Möglichkeit für dieselbe Vergrößerung wäre ein 10X-Okular mit einem 25X-Objektiv. Da das 25X-Objektiv eine höhere numerische Apertur (ca. 0,65 NA) hat als das 10X-Objektiv (ca. 0,25 NA) und die Werte der numerischen Apertur die Auflösung eines Objektivs bestimmen, ist letztere Wahl ideal. Bei Mikroaufnahmen desselben Sichtfeldes mit jeder der oben beschriebenen Objektiv/Okular-Kombinationen würde die Kombination aus 10X-Okular/25X-Objektiv Mikroaufnahmen liefern, die im Vergleich zu den anderen Kombinationen eine überragende Detailgenauigkeit und Klarheit der Präparate hätten.

Der Bereich der förderlichen Vergrößerung für eine Objektiv/Okular-Kombination wird durch die numerische Apertur des Systems definiert. Es gibt eine Mindestvergrößerung, um die Details in einem Bild aufzulösen. Dieser Wert ist in der Regel ziemlich willkürlich auf das 500-Fache der numerischen Apertur (500 × NA) festgelegt.

Am anderen Ende des Spektrums ist die maximale förderliche Vergrößerung eines Bildes in der Regel auf das 1.000-Fache der numerischen Apertur (1000 × NA) festgelegt. Vergrößerungen über diesem Wert hinaus liefern weder weitere nützliche Informationen noch eine feinere Auflösung von Bilddetails, sondern führen in der Regel zu einer Bildverschlechterung. Wird die Grenze der förderlichen Vergrößerung überschritten, entsteht das Phänomen der leeren Vergrößerung, d. h. eine weitere Vergrößerung durch das Okular oder die Zwischentubuslinse führt zwar zu einer stärkeren Vergrößerung des Bildes, nicht aber zu einer besseren Detailauflösung.

In Tabelle 3 sind die gängigen Objektiv-Okular-Kombinationen für den Bereich der förderlichen Vergrößerung aufgeführt.

Bereich der förderlichen Vergrößerung
(500–1000 × NA des Objektivs)

Tabelle 3

Messskalierungen

Okulare können für Messzwecke angepasst werden, indem in der Ebene der Okularfeldblende eine kleine kreisförmige Glasplatte (manchmal auch als Skalierung oder Strichplatte bezeichnet) angebracht wird. Strichplatten haben in der Regel Markierungen, z. B. ein Maßlineal oder Raster, die in die Oberfläche geätzt sind. Da die Strichplatte in derselben Ebene wie die Feldblende liegt, erscheint sie scharf und überlagert das Bild des Präparats. Okulare mit Strichplatten müssen einen Fokussiermechanismus enthalten (in der Regel einen Schneckentrieb oder Schieber), mit dem das Bild der Strichplatte scharf gestellt werden kann. Mehrere typische Strichplatten sind in Abbildung 5 unten dargestellt.

Die Strichplatte in Abbildung 5 (a) ist ein übliches Element von Okularen, die zur Einzelbildaufnahme von Sichtfeldern für die Mikrofotografie bestimmt sind. Das kleine rechteckige Element umschließt den Bereich, der mit einem 35-mm-Film aufgenommen werden soll. Andere Filmformate (120 mm und 4 × 5 Zoll) werden durch Gruppen von Ecken innerhalb des größeren 35-mm-Rechtecks abgegrenzt. In der Mitte der Strichplatte befindet sich eine Reihe von Kreisen, die von vier parallelen Linien in einem X-Muster umgeben sind. Mit diesen Linien lassen sich Strichplatte und Bild so fokussieren, dass sie zur Filmebene eines am Mikroskop angebrachten Kamerarückteils parfokal sind. Die Strichplatte in Abbildung 5 (b) ist ein Mikrometerlineal, das zur Messung von Bildabständen verwendet werden kann. Das gekreuzte Mikrometer in Abbildung 5 (c) wird bei Polarisationsmikroskopen verwendet, um die Ausrichtung der Präparate für den Polarisator und den Analysator zu bestimmen. Das in Abbildung 5 (d) dargestellte Raster wird verwendet, um einen Ausschnitt des Sichtfeldes für die Zählung zu unterteilen. Es gibt noch viele andere Varianten von Okularstrichplatten. Erkundigen Sie sich daher bei den Herstellern von Mikroskopen und optischem Zubehör nach den Arten und der Verfügbarkeit dieser nützlichen Messhilfen.

Filarmikrometer

Für hochgenaue Messungen wird ein Filarmikrometer (ähnlich dem in Abbildung 6 dargestellten) verwendet. Dieses Mikrometer ersetzt das herkömmliche Okular und besitzt mehrere Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Strichplatten. Beim Filarmikrometer werden eine Strichplatte mit einer Messskala (es gibt viele verschiedene Skalentypen) und ein sehr feiner Draht mit dem Präparat in den Fokus gebracht (siehe Abbildung 6 (b)). Der Draht ist so angebracht, dass er mit der kalibrierten Rändelschraube an der Seite des Mikrometers langsam über das Sichtfeld bewegt werden kann (siehe Abbildung 6 (a)). Eine vollständige Umdrehung der Rändelschraube (unterteilt in 100 gleiche Teilungen) entspricht dem Abstand zwischen zwei benachbarten Strichplattenmarken. Indem der Draht langsam von einer Position auf dem Präparatbild zu einer anderen bewegt wird und die Änderungen der Rändelschraubenzahlen notiert werden, erhält man eine viel genauere Messung des Abstands. Filarmikrometer (und andere einfache Strichplatten) müssen für jedes Objektiv, mit dem sie verwendet werden, mit einem Tischmikrometer kalibriert werden.

Bewegliche Zeiger

Einige Okulare haben einen beweglichen Zeiger, der sich im Okular befindet und so platziert ist, dass er als Silhouette in der Bildebene erscheint. Dieser Zeiger eignet sich, um auf bestimmte Merkmale eines Präparats hinzuweisen, insbesondere zu Lehr- und Demonstrationszwecken Die meisten Okularzeiger können in einem Winkel von 360° um das Objekt gedreht werden; modernere Versionen lassen sich über das gesamte Sichtfeld verschieben.

Fotookulare und Projektionsobjektive

Häufig werden spezielle Okulare für die Mikrofotografie hergestellt, die als Fotookulare bezeichnet werden. Diese Okulare sind in der Regel negative (Huygens-) Okulare und können nicht für virtuelle Bilder verwendet werden. Aus diesem Grund werden sie üblicherweise als Projektionsobjektive bezeichnet. Ein typisches Projektionsobjektiv ist in Abbildung 7 unten dargestellt.

Projektionsobjektive müssen sorgfältig korrigiert werden, damit sie flache Bilder erzeugen, was für eine genaue Mikrofotografie unabdingbar ist. Sie sind in der Regel auch farbkorrigiert, um eine originalgetreue Wiedergabe der Farben in der Farbmikrofotografie zu gewährleisten. Die Vergrößerungsfaktoren von Projektionsobjektiven für die Mikrofotografie reichen von 1X bis etwa 5X. Diese Linsen können gegeneinander ausgetauscht werden, um die Größe des endgültigen Bildes im Mikroskop anzupassen.

Fokussierfernrohr

Kamerasysteme sind zu einem festen Bestandteil von Mikroskopen geworden, und die meisten Hersteller bieten Kameras für mikrofotografische Zwecke als optionales Zubehör an. Diese modernen Kamerasysteme sind häufig mit motorgesteuerten Blackboxes ausgestattet, die den Film speichern und bei Mikroaufnahmen automatisch jedes Einzelbild aufnehmen.

Ein gemeinsames Merkmal dieser integrierten Kamerasysteme ist ein Teleskop-Okular mit Strahlenteiler (siehe Abbildung 8), mit dem die Präparate für die Mikrofotografie betrachtet, fokussiert und als Einzelbild aufgenommen werden können. Dieses Teleskop enthält eine Mikrofotografie-Strichplatte ähnlich wie in Abbildung 5 (a), mit einem eingravierten rechteckigen Element, das den mit 35-mm-Film aufgenommenen Bereich umschreibt, sowie Eckhalterungen für Planfilme größeren Formats. Zum leichteren Scannen und Fotografieren von Präparaten kann das Teleskopokular so eingestellt werden, dass es mit den Okularen parfokal ist, um die Einzelbildaufnahme von Mikrofotografien zu erleichtern.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Okularlinse eines Mikroskops?

Der Begriff „Okularlinse“ kann sich auf das Okular als Ganzes oder speziell auf die Augenlinse – die Linse, die dem Auge am nächsten ist – beziehen.

Welche Aufgabe hat die Okularlinse eines Mikroskops?

Die Okularlinse vergrößert das vom Objektiv erzeugte Bild so, dass es durch das Mikroskop hindurch sichtbar wird.

Wie wähle ich das richtige Okular aus?

Bei der Auswahl eines Okulars spielen viele Faktoren eine Rolle. Wichtig ist, dass Okular und Objektiv kompatibel sind. Wir empfehlen, zuerst das Objektiv sorgfältig auszuwählen und dann ein Okular zu beschaffen, das für dieses Objektiv geeignet ist.