Wichtige Faktoren, die Sie bei der Auswahl eines Stereomikroskops berücksichtigen sollten

Stereomikroskope zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, einen 3D-Eindruck der Probe zu erzeugen. Daher eignen sie sich besonders gut für Inspektion und Nacharbeit, Qualitätskontrolle, Forschung und Entwicklung oder Fehleranalyse in der Fertigung. Sie sind auch für die Life-Science-Forschung nützlich, wenn es um das Sortieren, das Screening und die Handhabung von Proben geht, sowie für die Ausbildung in Klassenzimmern und Labors an Schulen und Universitäten.

Bevor Sie sich auf den Weg machen, ein Stereomikroskop auszuwählen, sollten Sie sich Gedanken über die Art der Anwendungen machen, für die Sie das Mikroskop benötigen, und darüber, wo es eingesetzt werden soll. Diese Faktoren sollten einen wesentlichen Einfluss auf Ihre Entscheidung haben.

Berücksichtigen Sie die Proben

Welche Arten von Proben müssen untersucht werden? Müssen Sie viele unterschiedliche Proben untersuchen oder handelt es sich nur um die gleiche Art von Proben mit dem Ziel, einen hohen Durchsatz zu erzielen? Welche Art von Probenstrukturen müssen untersucht werden? Müssen Sie sich reflektierende Proben wie Metallkomponenten oder -teile ansehen oder in Löcher schauen? Wie groß werden Ihre Proben sein? Wenn Sie sich auf Liefe-Science-Anwendungen konzentrieren, ist dann die Fluoreszenzbildgebung wichtig?

Die Art und Größe der Proben, die Sie betrachten, hat Einfluss darauf, welche Beleuchtung Sie verwenden, wie viel Platz Sie unter der Objektivlinse benötigen und welche Art von Tisch Sie wählen. 

Bedenken Sie die Anwendung

Was genau müssen Sie mit Ihren Proben tun? Benötigen Sie neben der Beobachtung auch Dokumentation und Messungen? Müssen Sie das Bild oder die Messungen mit Kollegen oder Studierenden besprechen? Geht es bei Ihrer Aufgabe um das Screening und Sortieren oder das Hantieren mit der Probe, während Sie sie mit dem Mikroskop beobachten?

Die Antworten auf diese Fragen beeinflussen die Wahl des Mikroskops in Bezug auf das Set-up, etwa ob eine eigenständige Lösung mit einem Bildschirm verwendet werden kann, ein separater Monitor wünschenswert ist, die gemeinsame Nutzung von Funktionen wichtig ist oder eine Kamera für die Dokumentation benötigt wird.

Berücksichtigen Sie die Nutzer

Wird das Mikroskop gemeinsam genutzt und wenn ja, von wie vielen Personen? Wie viel Zeit verbringt jeder Nutzer mit der Arbeit am Mikroskop? 

Je nach Anzahl der Nutzer sollte das Mikroskop schnell an die Vorlieben und den Körperbau der einzelnen Nutzer angepasst werden können. Wenn die Nutzer lange mit dem Mikroskop arbeiten, ist ergonomisches Zubehör unerlässlich, um Verletzungen durch wiederholte Belastung zu vermeiden.

Berücksichtigen Sie Ihr Budget

Wie viele Mikroskope werden benötigt und wie viel können Sie ausgeben? 

Es gibt Stereomikroskope für fast jedes Budget. Wenn Sie wissen, was Sie ausgeben können, können Sie Prioritäten setzen oder sich für eine modulare Lösung entscheiden, die die meisten Ihrer Anforderungen abdeckt. Denken Sie daran, dass modulare Lösungen zunächst wie eine höhere Investition erscheinen mögen, aber auf lange Sicht können Sie dank ihrer Vielseitigkeit, ihrer Anpassungsfähigkeit an verschiedene Nutzer und ihrer großen Auswahl an Zubehör Geld sparen.

Bei der Bewertung verschiedener Optionen ist es wichtig, dass Sie die wichtigsten Faktoren kennen, die für die Leistung eines Stereomikroskops und die Benutzer, die mit ihm arbeiten, entscheidend sind. Nachfolgend finden Sie eine Übersicht über die wichtigsten Faktoren, die Sie berücksichtigen sollten. Die Aufzählungspunkte beschreiben kurz die wichtigsten Aspekte. Nach diesem Überblick erfahren Sie mehr Details zu jedem der genannten Aspekte.

1. Zoombereich, Vergrößerung, Objektfeld (Sichtfeld) und Arbeitsabstand 

• Der Zoombereich der Optik eines Stereomikroskops bezeichnet den Bereich zwischen dem höchsten und niedrigsten Vergrößerungswert des Zooms. Nutzer, die normalerweise mit demselben Vergrößerungswert arbeiten, benötigen keinen großen Zoombereich. Wenn der Arbeitsablauf die Handhabung von Proben unter dem Objektiv oder das Durchsuchen der Probe zum Auffinden von interessanten Bereichen erfordert, kann ein großer Zoombereich nützlich sein, da er es ermöglicht, schnell vom Überblick zu den feinen Details zu wechseln.
• Je nach Okular ist bei gleicher Zoomvergrößerung ein größeres oder kleineres Sichtfeld bzw. Objektfeld zu sehen. Ein größeres Sichtfeld ermöglicht dem Benutzer eine bessere Orientierung auf der Probe.
• Der Arbeitsabstand bezieht sich auf den Abstand zwischen der Oberseite der Probe und der Frontlinse des Objektivs. Für die Inspektion und Nacharbeit oder das Sortieren von Proben ist ein größerer Arbeitsabstand nützlich, da Sie die Probe so bequemer handhaben können, während Sie sie mit dem Mikroskop betrachten.

2. Schärfentiefe, Auflösung und numerische Apertur (NA) 

• Die Schärfentiefe gibt an, wie viel von der Probe, ausgedrückt in vertikaler Höhe, der Nutzer als scharf wahrnimmt [1]. Sie steht in umgekehrter Korrelation zur numerischen Apertur, zur Auflösung und zur Vergrößerung.
• Die Auflösung gibt an, wie viele Details die Nutzer in einer Probe sehen können [2]. 
• Die numerische Apertur steht im Zusammenhang mit dem Brechungsindex des Mediums, in das die Probe und das Objektiv eingetaucht sind, und dem maximalen Winkel des Lichtkegels, der von einer Linse erfasst wird. Eine größere numerische Apertur führt zu einer höheren Auflösung, aber normalerweise zu einer geringeren Schärfentiefe [1,3].
• FusionOptics kombiniert eine höhere Auflösung mit einer größeren Schärfentiefe [4].

3. Optische Qualität  

• Die optische Qualität bestimmt, wie genau eine Probe abgebildet werden kann.
• Chromatische und sphärische Aberration​​​​​​​ [5] sind optische Unzulänglichkeiten, die zu Farbsäumen und Verzerrungen des Bildes führen.
• Je nach Probe und Aufgabe können sich unterschiedliche Anforderungen an die optische Qualität ergeben. Wenn es etwa darauf ankommt, die wahren Farben der Probe zu sehen, dann ist eine farbkorrigierte Optik erforderlich.
• Wenn feine Details auf einer Probe sichtbar gemacht werden müssen, wie bei Anwendungen in Forschung und Entwicklung (F&E), sind Optiken mit besserer Lichtdurchlässigkeit ratsam.

4. Beleuchtung 

• Eine optimale Beleuchtung sollte das gesamte Sichtfeld gleichmäßig ausleuchten, einen guten Kontrast bieten und die wahren Farben der Probe zeigen. Der in Anmerkung 12 aufgeführte Artikel zeigt Beispiele für unterschiedliche Beleuchtungen und deren Auswirkungen auf Bilder. 
• Es ist wichtig, dass die Beleuchtung sowohl für das verwendete Mikroskop als auch für die vorgesehene Anwendung gut geeignet ist [6].

5. Ergonomie 

• Wenn Nutzer stundenlang durch die Okulare blicken, besteht die Gefahr, dass sie überlastet werden, was zu Erkrankungen des Bewegungsapparats führen kann. Solche Gesundheitsprobleme können zu verminderter Konzentration und Ineffizienz oder sogar zu krankheitsbedingten Fehlzeiten bei der Arbeit führen.
• Ergonomisches Zubehör hilft den Nutzern, bei der Arbeit mit dem Mikroskop eine gute Haltung einzunehmen [7].
• Einstellbare Funktionen des Mikroskops, wie Zoom- und Fokusknöpfe, helfen den Nutzern, die Bedienung und das Set-up anzupassen, was besonders wichtig ist, wenn mehrere Nutzer am selben Mikroskop arbeiten.

Die Gesamtvergrößerung eines Stereomikroskops ist die kombinierte Vergrößerungsleistung von Objektiv, Zoomoptik und Okularen [8].

Das Objektiv hat einen festen Vergrößerungswert. Mit einer Zoomoptik kann die Vergrößerung im Zoombereich verändert werden. Die Okulare haben ebenfalls einen konstanten Vergrößerungswert.

Um die Gesamtvergrößerung der über die Okulare beobachteten Probe herauszufinden, müssen die Vergrößerungsfaktoren von Objektiv, Zoomoptik und Okularen multipliziert werden.

Die Formel für die Gesamtvergrößerung lautet: M_{TOT VIS} = M_O x z x M_E, hierbei bedeutet:
M_{TOT VIS} die Gesamtvergrößerung (VIS steht für „visuell“)​​​​​​​
M_O die Vergrößerung des Objektivs (1x für den Fall eines Greenough-Mikroskops ohne Zusatzlinse)​​​​​​​
z der Zoomfaktor und​​​​​​​
M_E die Vergrößerung der Okulare.

Im Allgemeinen liegen die Werte für M_O zwischen 0,32x und 2x, für z zwischen 0,63x und 16x und M_E zwischen 10x und 40x.

Einfluss der Vergrößerung auf das Sichtfeld/Objektfeld

Beim Blick in die Okulare sieht man einen kreisförmigen Bereich, der als Sichtfeld bezeichnet wird​​​​​​​ [8]. Der Durchmesser des Sichtfelds hängt von der Gesamtvergrößerung ab. Beispielsweise haben Okulare mit 10-facher Vergrößerung eine Sehfeldzahl von 23. Die Sehfeldzahl bedeutet, dass bei einer 1-fachen kombinierten Vergrößerung von Objektiv und Zoomoptik das durch die Okulare beobachtete Sichtfeld 23 mm im Durchmesser beträgt.

Der Arbeitsabstand ist der Abstand zwischen der Frontlinse des Objektivs und der Oberseite der Probe, wenn diese im Fokus ist. Mit zunehmender Vergrößerung verringert sich in der Regel der Arbeitsabstand eines Objektivs. Der Arbeitsabstand wirkt sich direkt auf die Nutzbarkeit eines Stereomikroskops aus, insbesondere bei Inspektionen, Nacharbeiten und Qualitätskontrollen, bei denen Platz benötigt wird, um die Probe unter dem Objektiv zu bewegen.

Zusammenhang zwischen Schärfentiefe, Vergrößerung und Auflösung 

Die Schärfentiefe wird durch eine umgekehrte Korrelation mit der numerischen Apertur, der Auflösung und der Vergrößerung bestimmt [1-3].Für eine optimale Visualisierung einer Probe kann die richtige Einstellung eines Mikroskops ein optimales Gleichgewicht zwischen Schärfentiefe und Auflösung herstellen. Insbesondere bei niedrigen Vergrößerungen kann die Schärfentiefe durch Abblenden, also durch Verringern der numerischen Apertur, deutlich erhöht werden. Ziel ist es, das optimale Gleichgewicht zwischen Auflösung und Schärfentiefe je nach Größe und Form der Merkmale der Probe zu finden.

Optimale 3D-Bilder mit FusionOptics Technologie

Ein hochentwickelter optischer Ansatz für Stereomikroskope, der gleichzeitig eine hohe Auflösung sowie eine große Schärfentiefe ermöglicht, wird mit der FusionOptics Technologie von Leica Microsystems [4] erreicht. Ein Strahlengang liefert eine höhere Auflösung mit geringerer Schärfentiefe, der andere Strahlengang eine geringere Auflösung mit größerer Schärfentiefe. Das menschliche Gehirn kombiniert die beiden separaten Bilder zu einem optimalen Bild mit hoher Auflösung und großer Schärfentiefe.

Achromatische oder apochromatische Linsen

Chromatische Aberration ist eine optische Verzerrung, die dadurch entsteht, dass ein Objektiv nicht alle Farben auf denselben Konvergenzpunkt fokussieren kann. Sie entsteht, weil Linsen einen unterschiedlichen Brechungsindex für verschiedene Wellenlängen des Lichts haben (die Dispersion der Linse). Sphärische Aberration tritt auf, wenn Lichtstrahlen, die auf eine kugelförmige Linsenoberfläche an einem von der Mittelachse entfernten Punkt auftreffen, mehr oder weniger stark gebrochen werden als diejenigen, die an Punkten nahe der Mitte auftreffen [5]. 

Ziel eines guten optischen Designs ist es, chromatische und sphärische Aberrationen zu reduzieren oder vollständig zu eliminieren. Die folgenden Klassen von Objektivlinsen können verwendet werden, um die Auswirkungen dieser Probleme zu begrenzen [9,10]:

Achromat

• Chromatisch korrigiert für zwei Wellenlängen (Rot und Grün), die auf derselben Ebene in den Fokus gebracht werden.
• Gut geeignet für Standardanwendungen im visuellen Spektralbereich, bei denen die echte Farbwiedergabe nicht wichtig ist und hauptsächlich geometrische Merkmale bewertet werden.

Apochromat

• Chromatisch korrigiert für drei Wellenlängen (Rot, Grün, Blau), die auf derselben Ebene in den Fokus gebracht werden.
• Für Anwendungen mit höchsten Anforderungen im visuellen Spektralbereich und darüber hinaus, bei denen Farbsäume störend sein können, wie Anwendungen, die einen schnellen Farbwechsel und die Kolokalisierung von Strukturen erfordern.

Planlinse

• Eine Linse, die nicht auf Bildfeldebenheit oder Planität korrigiert ist, zeigt einen ungleichmäßigen Fokus über das gesamte Sichtfeld.
• Die Korrektur der Bildfeldebenheit ist für viele Anwendungen nützlich, insbesondere für solche, die große Sichtfelder erfordern.

Einzelheiten: Verschiedene Beleuchtungsarten

• Auftreffendes Licht: Wird für undurchsichtige, nicht transparente Proben verwendet. Je nach Beschaffenheit der Probe und den Anforderungen der Anwendung stehen viele verschiedene Lösungen für die Auflichtbeleuchtung zur Verfügung, um einen angemessenen Kontrast für die Details und Merkmale der Probe zu erzielen. 
• Transmitted light: Used for various kinds of transparent samples ranging from biological ones, such as cells and model organisms, to materials like polymers and glass.
• Standardmäßige Durchlicht-Hellfeld-Beleuchtung: Wird für alle Arten von transparenten Proben verwendet. Sie bietet einen hohen Kontrast und ausreichende Farbinformationen.
• Schräge Durchlichtbeleuchtung: Wird für Proben verwendet, die nahezu transparent und farblos sind. Es kann ein höherer Kontrast und eine größere visuelle Klarheit der Probe erzielt werden.
• Dunkelfeldbeleuchtung: Wird für kleine Merkmale auf flachen Bereichen einer Probe verwendet, die im Hellfeld nur schwer zu erkennen sind, wie Risse, Poren oder feine Vorsprünge, sowie auf glänzenden oder hellen Proben. Sie kann auch verwendet werden, um Probenstrukturen sichtbar zu machen, deren Größe unterhalb der Auflösungsgrenze liegt.

Im Detail: Ergonomie für beste Ergebnisse 

Im Allgemeinen sind Körperbau und Arbeitsgewohnheiten von Menschen sehr unterschiedlich. Daher ist die Höhe der Okulare eines Mikroskops möglicherweise nicht für jeden Nutzer geeignet. Ist die Höhe zu niedrig, so sind die Beobachter gezwungen, sich beim Arbeiten nach vorne zu beugen, was zu Muskelverspannungen im Nackenbereich führt [7]. Um diese Höhenunterschiede auszugleichen, empfiehlt es sich, einen variablen Binokulartubus zu verwenden​​​​​​​ [7]​​​​​​​. Leica Microsystems bietet eine breite Palette an ergonomischem Zubehör, das zu einem effizienten Arbeitsablauf beiträgt.

1. R. Rottermann, P. Bauer, Depth of Field in Microscopy, Science Lab (2010) Leica Microsystems.
2. M. Wilson, Microscope Resolution: Concepts, Factors and Calculation, Science Lab (2023) Leica Microsystems.
3. M. Wilson, Collecting Light: The Importance of Numerical Aperture in Microscopy, Science Lab (2017) Leica Microsystems.
4. D. Goeggel, A. Schué, D. Kiper, C. Müller, etc., What is the FusionOptics Technology? Science Lab (2023) Leica Microsystems. 
5. M. Wilson, Eyepieces, Objectives and Optical Aberrations, Science Lab (2017) Leica Microsystems.
6. J. DeRose, M. Doppler, Microscope Illumination for Industrial Applications, Science Lab (2023) Leica Microsystems.
7. C. Müller, Microscope Ergonomics, Science Lab (2023) Leica Microsystems.
8. J. DeRose, M. Doppler, Understanding Clearly the Magnification of Microscopy, Science Lab (2023) Leica Microsystems.
9. ISO 19012-1:2013: Microscopes - Designation of microscope objectives - Part 1: Flatness of field/Plan, International Organization for Standardization. 
10. ISO 19012-2:2013: Microscopes - Designation of microscope objectives - Part 2: Chromatic correction, International Organization for Standardization.