Light Microscope
Microscopes and microscopy
Vergrößerung Brennweite und Vergrößerung Maximale Vergrößerung Mikroskop
Strahlengang im Mikroskop
Aufbau Lichtmikroskop
Aufbau Lichtmikroskop lernen
Geschichte der Mikroskopie
Das Galilei-Teleskop
Antoni van Leeuwenhoek
Filippo Bonanni
Geschichte des Lesesteins
Johannes „Giovanni“ Faber
Der Mikros-Cup
Mikros-Cup 2016
Den Ägyptern und den Römern war das Prinzip der Vergrößerung bereits bekannt. Seneca (1-65 n. Chr.) zum Beispiel berichtet, dass kleine, dunkle Buchstaben heller und größer erscheinen, wenn man eine mit Wasser gefüllte Kugel darüber hält. Auch ein Apfel würde schöner als sonst erscheinen, wenn er in einem solchen Gefäß schwimmt. Zu dieser Zeit war man aber noch nicht in der Lage die Systematik hinter der Lichtbrechung zu durchschauen und sie für Vergrößerung nutzbar zu machen.
Alhazen (965–1039)
War ein muslimischer Gelehrter mit persischer/arabischer Herkunft. Er entdeckte die Bedeutung von gewölbten Glasoberflächen für die Lichtbrechung und Vergrößerung. Er stellte Lesesteine aus Glas her und gilt damit als der Erfinder der Lupe. Seine Werke inspirierten vermutlich Roger Bacon (siehe unten), der wiederum die Brille erfunden hat, wie wir sie heute kennen.
Alhazen erkannte, dass das menschliche Auge so gebaut ist, wie die Linsen, mit denen sich Buchstaben vergrößern lassen. Dementsprechend ist er davon ausgegangen, dass das Auge nur das Licht verarbeitet, welches von den Gegenständen in der Umgebung reflektiert wird. Er wiederlegte durch seine Versuche die berühmte „Sehstrahlen-Theorie“ aus der Antike. Viele Wissenschaftler vor ihm gingen davon aus, dass das Auge Strahlen versendet, um die Umwelt damit abzutasten, wie mit einem Radar.
Salvino D’Armati (1258-1317)
Dieser Name findet sich auf einigen Internetseiten, im Zusammenhang mit der Erfindung der Brille. Hierbei handelt es sich um eine historische Fälschung, die erst im Jahr 1920 aufgedeckt werden konnte. Die Person Salvino D’Armati hat nicht existiert und die Brille hat er auch nicht erfunden.
Roger Bacon (1214-1292 oder 1294)
Basierend auf den Schriften von Alhazen, gelang es Bacon ovale Linsen zu schleifen, um sie als Sehhilfe zu verwenden. Er entwickelte daraus die Brille, wie wir sie heute kennen:
Conrad von Soest „Brillenapostel“ – 1403
Als einen Aufsatz mit zwei Gläsern, den man über der Nase trägt.
Hans Lipperhey (1570-1619)
Lipperhey war ein Optiker und Brillenmacher aus Middelburg in den Niederlanden. Er gilt als einer der Erfinder des „holländischen Fernrohres“.
Hans Lipperhey
Mehr dazu finden Sie gleich bei Zacharias Jansen.
Zacharias Jansen (1588-1631)
Gilt, wie Lipperhey, als einer der Erfinder des Teleskops. Bekannt ist, dass im Jahr 1608 Hans Lipperhey und Jansen ein Patent für ein Teleskop beantragt hatten. Heute kann man nicht mehr genau sagen wer schneller war, denn die Unterlagen aus der Zeit sind nicht ganz verlässlich. Da Jansen und Lipperhey beide in Middelburg wohnten, ist es sehr wahrscheinlich, dass der eine beim anderen abgeschaut hat. Festzuhalten ist: beide haben wahrscheinlich mit Linsen herumgespielt und irgendwann festgestellt, dass die Vergrößerung sich potenziert, wenn man 2 Linsen miteinander kombiniert, anstatt nur eine zu verwenden. Später erhob noch ein weiterer Mann, namens Adriaan Metius, Ansprüche auf die Erfindung.
Zacharias Janssen
Zacharias Janssen – gilt als Erfinder des Mikroskops
Nach heutigem Kenntnisstand hat Janssen im Jahr 1590 die notwendige Technologie für das Mikroskop erfunden. Er stellte fest, dass sich die Einzelvergrößerungswerte von Linsen multiplizieren, wenn man sie übereinander hält. Das heißt aus 5X und 5X werden 25X und nicht 10X. Janssen nutzte sein Wissen jedoch nicht, um damit wissenschaftlich zu Mikroskopieren. Es ist zwar überliefert, dass er sich einige Objekte angesehen hat, aber er hat damit nicht wissenschaftlich gearbeitet. Der Grund dafür war, dass es zu seiner Zeit wichtiger war sich auf die Entwicklung des Teleskops zu stürzen. Fernrohre waren für militärische Zwecke von erheblichem Wert, so dass sich mit ihnen gutes Geld verdienen ließ. Die Welt der kleinen Dinge war eher eine nette Spielerei, von der man sich keine besonderen Einnahmen erhoffen konnte.
Janssens Mikroskop bestand aus drei Zugrohren. Im Inneren befanden sich als Okular eine bikonvexe und als Objektiv eine plankonvexe Linse. Für diese Zeit, eine sehr fortschrittliche Vorgehensweise, denn richtig eingesetzt, verbessern plankonvexe Linsen (siehe Grafik) die Bildschärfe und reduzieren das, was man sphärische Aberration nennt.
Sphärische Aberration plan-konvexe Linse
Konvexe Linsen haben die Eigenschaft alle parallel zur optischen Achse verlaufenden Strahlen nach dem Austritt im Brennpunkt zu bündeln. Dies gilt aber nur für den Idealfall, wenn die Linse perfekt geformt ist. Ist sie das nicht, dann streuen die Strahlen um den Brennpunkt herum.
Wenn man die flache Seite der Linse verwendet, um die Lichtstrahlen austreten zu lassen, dann reduziert sich die Streuung um den Brennpunkt. Je näher sich die Schnittpunkte aller austretenden Strahlen sind, desto schärfer ist das Bild. Das ist ein wesentlicher Faktor, der die Qualitätsunterschiede von Linsen bei zunehmender Vergrößerung ausmacht.
William Harvey (1578-1657)
Ist einer der wichtigsten Wegbereiter der modernen Medizin. Er fand heraus, wie der menschliche Herzkreislauf funktioniert. Vor dieser Erkenntnis dachte man, dass das Blut in der Leber produziert und durch Kontraktionen der Adern im Fluß gehalten wird.
William Harvey
Seine Forschungsmethoden waren ebenso bahnbrechend, wie seine Erkenntnisse um die menschliche Physiologie. Harvey arbeitete nach der Methode: Hypopthese aufstellen & durch Fakten prüfen. Er akzeptierte Ergebnisse seiner Forschung nur, wenn er sie durch Kontrollversuche bestätigen konnte.
Was das mit Mikroskopie zu tun hat? Noch nicht viel, aber: Die einzige Lücke, die seine Kreislauftheorie aufwies, war die Frage, wie das Blut von den Arterien in die Venen gelangt? Diese Frage konnte drei Jahre später (1661) Marcello Malpighi beantworten: Mit Hilfe der Kapillaren.
Und dies wiederum war nur möglich, weil zwischenzeitlich das Mikroskop erfunden wurde.
Marcello Malpighi (1628-1694)
Malpighi war ein italienischer Arzt und Anatom. Er gilt als der Begründer der Histologie, der Pflanzenanatomie und der vergleichenden Physiologie. Histologie ist die Wissenschaft von biologischen Geweben und beschäftigt sich mit der Untersuchung von Gewebeproben auf mikroskopischer Ebene.
Mit Hilfe des Mikroskops konnte Malpighi die bahnbrechende Theorie von William Harvey über die Beschaffenheit des menschlichen Blutkreislaufs vervollständigen.
Marcello Malpighi
Malpighis Bedeutung auf seinem Fachgebiet war so groß, dass zahlreiche Strukturen nach ihm benannt sind: Malpighi-Gefäße oder auch das Malpigische-Körperchen.
Johannes Kepler (1571-1630)
Kepler war ein deutscher Mathematiker, Astronom und Optiker. Er hat das nach ihm benannte Kepler-Fernrohr entwickelt. Kepler war ein Freund von Galileo Galilei und unterstützte dessen Theorien mit seinen eigenen Beobachtungen. Kepler und Galilei trugen mit ihrer Arbeit wesentlich dazu bei, dass sich das heliozentrische Weltbild nach Kopernikus durchsetzen konnte.
Das heliozentrische Weltbild basiert auf der Annahme, dass die Sonne das Zentrum der Galaxie ist und dass sich die Planeten um sie drehen. Diese Theorie stand im Gegensatz zu dem geozentrischen Weltbild, welches von der Kirche bevorzugt wurde. Es beruht auf der Annahme, dass die Erde das Zentrum des Universums ist, und alles dreht sich nur um sie.
Im Jahr 1611 erschien sein Werk „Dioptrice“. In diesem Buch setzt er sich mit den Gesetzmäßigkeiten der Optik auseinander. Wichtige Erkenntnisse zur Lichtbrechung und Vergrößerung gingen daraus hervor. Für Kepler jedoch war das alles nur eine Art Nebenprodukt seiner eigentlichen Forschung.
Im Jahr 1609 erfuhr Galilei vom „holländischen Fernrohr“. Dieses wurde ein Jahr zuvor von Zacharias Jansen bzw. Jan Liperhey erfunden. Er baute die Konstruktion mit gekauften Linsen nach und erzielte angeblich eine vierfache Vergrößerung. Danach begann er damit selber Linsen zu schleifen und baute weitere Geräte, mit denen er sogar eine 33-fache Vergrößerung erreichte.
Das Gerät soll etwa 60 Zentimeter lang gewesen sein und beinhaltete eine konvexe und eine konkave Linse.
Noch im selben Jahr 1609 führte Galilei sein Gerät der venezianischen Regierung (=Signoria) vor. Dessen Nutzen war auch auf militärischer Ebene von ungeheurem Wert. Einige Tage nach der Präsentation schenkte er der Signoria das Exklusivrecht zur Herstellung. Aus wirtschaftlicher Sicht eine grobe Fehlentscheidung.
Galilei war einer der ersten Wissenschaftler, der zur Beobachtung des Himmels ein Teleskop verwendete. Damit machte er viele, revolutionäre Entdeckungen, die zu einer Korrektur des kirchlichen Weltbildes führten. Nach Ansicht der Kirche war die Erde das Zentrum des Universums und alles drehte sich nur um sie. Dementsprechend haben seine Entdeckungen ihm hauptsächlich Ärger eingebracht. Einen Teil seines Lebens musste er im Gefängnis und unter Hausarrest verbringen.
Hier: Mehr Informationen zum Galilei-Teleskop und dessen Strahlengang
Im Gegensatz zu Zacharias Janssen, nutzte Galilei seine Erkenntnisse auch im Bereich Mikroskopie. Er war einer der ersten, die ein Mikroskop zu wissenschaftlichen Zwecken nutzten. Von Galilei sind zum Beispiel viele Schriften überliefert, in denen er ganz fasziniert von seinen Beobachtungen berichtet, die er bei Insekten gemacht hatte.
Zusammen mit weiteren Mitgliedern der „Accademia dei Lincei“ wurde ab dieser Zeit an der Weiterentwicklung der Mikroskopie gearbeitet.
Francesco Stelluti (1577-1652)
Stellutti war einer der Gründungsmitglieder der Accadamia dei Lincei, zu der später auch Galilei gehörte. Die Akadamie entwickelte Interesse an der Mikroskopie und begann diese weiterzuentwickeln.
Francesco Stelluti „Bienen“
Im Jahre 1630 erstellte Stelluti eine Zeichnung von einer Biene. Sie gilt als die älteste Zeichnung, die mit Hilfe eines Mikroskops erstellt wurde.
Athanasius Kircher (1602-1680)
War ein deutscher Jesuit, der als einer der ersten ein Mikroskop für die Erforschung von Krankheiten verwendete. Er untersuchte damit das Blut von Pestkranken und entdeckte darin winzige, kleine Organismen. Diese beschreibt er in seinem Werk: „Scrutinium Pestis“ von 1658 und sah sie als mögliche Ursache für die Erkrankung. Man vermutet heute, dass es rote oder weiße Blutkörperchen waren, die er dort gesehen hat, dennoch war er nahe dran an der Wahrheit.
Athanasius Kircher
Um der Ausbreitung der Pest entgegenzuwirken, empfahl er die Kranken zu isolieren, deren Kleidung zu verbrennen und Gesichtsmasken zu tragen. Sein Vorgehen war somit sehr fortschrittlich und aus heutiger Sicht richtig.
Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723)
Antoni van Leeuwenhoek gilt als einer der wichtigsten Vertreter bei der Erforschung der Mikroskopie. Er baute hauptsächlich Mikroskope mit nur einer Linse, so dass man mehr von Hochleistungs-Lupen sprechen müsste. Die Linsen seiner Apparaturen waren so perfekt zu einer Kugel geschliffen, dass es ihm möglich war Vergrößerungen um den Faktor 270 zu erzeugen. Mikroskope mit zwei Linsen waren zu seiner Zeit schon in Gebrauch. Sie enthielten jedoch Fehler und Einschlüsse, so dass sie nicht an die Leistungsfähigkeit von Leeuwenhoeks Mikroskop herankamen.
Leeuwenhoek nahm sein geheimes Herstellungsverfahren leider mit ins Grab, so dass es mehrere Jahrhunderte gedauert hat, bis Mikroskope in ähnlich guter Auflösung gebaut werden konnten.
Man spekuliert, dass er sich von Juwelieren den Staub von Diamanten besorgt hat, um damit die Linsen zu schleifen. Eine andere Möglichkeit wäre durch das Schmelzen von Glas. Zieht man einen glühenden Glasstab in der Mitte auseinander, entsteht eine Art Glasfaden. Erhitzt man so ein dünnes Fadenende erneut, dann entsteht eine kleine Glaskugel, die sich perfekt als kleine Linse eignet.
Er erforschte mit seinem Mikroskop die neue Welt der kleinen Dinge und machte zahlreiche wichtige Entdeckungen. Zum Beispiel konnte er nachweisen, dass sich Kornkäfer, Flöhe und Muscheln über Eier fortpflanzen und nicht spontan aus Dreck oder Sand entwickeln. Er erstellte viele Zeichnungen über seine Beobachtungen und ließ sie auch der Royal Society in England zukommen. Seine Beiträge sind maßgeblich für eine völlig neue Auffassung darüber, wie der menschliche Körper funktioniert und darüber, wie Krankheiten entstehen.
Robert Hooke (1635–1703)
Robert Hooke war ein englischer Universalgelehrter (von ihm ist kein zeitgenössisches Portrait vorhanden). So genial er war, seine Vielseitigkeit wurde ihm zum Verhängnis. Anstatt ein Gebiet gründlich zu bearbeiten und Berühmtheit zu erlangen, mischte er überall ein wenig mit. Zudem galt er als schwieriger Charakter mit scharfer Zunge. Vermutlich hat das dazu beigetragen, dass seine Leistungen nie die Beachtung fanden, die sie verdient hätten. Seine Arbeiten erstreckten sich unter anderem über die Gebiete: Gravitation, zur Beschaffenheit des Lichts und dessen Spektralfarben, die Erfindung einer federgetriebenen Uhr, Geologie, Astronomie – nebenher war er noch Landvermesser und Architekt…
Robert Hooke „Micrographia“
Zudem bastelte er an Geräten, mit denen man Vergrößerungen erzeugen kann: Teleskope und Mikroskope. Damit erforschte er sowohl den weit entfernten Sternenhimmel, als auch die Welt des Mikrokosmos.
Hooke war Mitglied der Royal Society und wurde von dieser beauftragt ein Buch zu erstellen mit Zeichnungen von den Dingen, die er unter dem Mikroskop erblickte. Im Jahre 1665 veröffentlichte er sein bekanntestes Werk, die „Mikrographia“. Darin beschreibt Hooke unter anderem die Beschaffenheit von Kork. Die Hohlräume in der Struktur erinnerten ihn an Zellen. Gleiches beobachtete er auch bei Pflanzen und gilt damit als Entdecker der Pflanzenzelle. Er war es auch, der den Namen „Zelle“ in die Biologie eingebracht hat.
Filippo Bonnani (1638-1725)
Bonnani war ein italienischer Jesuitenpater, der sich als Mikroskopbauer und Naturforscher betätigte. 1691 beschrieb er in seinem Werk „Micrographia Curiosa“ als erster einen selbstgefertigten Objektträger. Es handelte sich um eine Konstruktion von zwei Glimmerplatten, die mit Fedehalterungen an eine Messingplatte mit Loch gedrückt wurden. Diese Art der Konstruktion wurde nach ihm benannt: „Bonanni spring stage“.
Hier: Mehr Informationen über Filippo Bonanni
Ernst Abbe (1840-1905) – Matthias Schleiden (1804-1881) & Carl Zeiß (1816-1888)
In 19. Jahrhundert war der Bau von Mikroskopen wissenschaftlich nicht erforscht. Stattdessen baute man drauflos und spielte so lange mit den Linsen herum, bis man ein passables Resultat erzielte. Gute Ergebnisse konnten sich aber nicht immer wieder reproduzieren lassen. Auch eine Berechenbarkeit der Vergrößerung im Voraus war noch nicht möglich.
Matthias Schleiden war ein bedeutender Forscher auf dem Gebiet der damals noch jungen Zellbiologie.
Matthias Jacob Schleiden
Er überzeugte den Jenaer Unternehmer Carl Zeiß von der Notwendigkeit die Technologie der Mikroskope zu verbessern. Das würde die Forschung auf seinem Gebiet erleichtern.
Dieser wiederum engagierte 1866 den jungen Ernst Abbe, um der Mikroskopfertigung ein wissenschaftliches Fundament zu verleihen.
Ernst Abbe
Abbe untersuchte alle möglichen Formen von Mikroskopobjektiven und erforschte optische Gesetzmäßigkeiten. Dabei fand er unter anderem heraus, dass neben der Lichtbrechung auch die Beugung von Licht eine wichtige Rolle spielt. Um diese zu beschreiben, formulierte er den nach ihm benannten „Abbe’schen Sinussatz“.
Mit seinen Erkenntnissen gelang es die Leistungsfähigkeit der Mikroskope nachhaltig zu verbessern. Mit diesem soliden Fundament konnten sie nun industriell in Serie gefertigt werden. Von nun an konnte im Voraus festgelegt werden, wie ein Gerät gebaut werden muss, um eine bestimmte Vergrößerungsstufe zu erreichen.
Die aktuelle Lage auf dem Weltmarkt
Durch die Entwicklungen von Ernst Abbe und Carl Zeiss entwickelte sich die Firma Carl Zeiss AG zu einem der führenden Unternehmen im Bereich der Herstellung optischer Geräte.
Fast zur gleichen Zeit wie die Carl Zeiss AG, wurde in Wetzlar eine weitere Firma gegründet, die sich im Bereich Mikroskopie zu den führenden Unternehmen entwickeln sollte. Nach diversen Wechseln von Besitzern und Partnern, ging letztendlich die Firma Ernst Leitz GmbH aus dem Zusammenschluss hervor. Auch sie entwickelte sich zu einem Bedeutenden Mitspieler auf dem Markt für optische Geräte. In den 1980-er Jahren wurde Leitz in verschiedene Gesellschaften aufgespalten, von denen „Leica Microsystems“ den Bereich der Mikroskopie weiterführte.
Zu Anfang des 20. Jahrhunderts vollzog Japan einen rasanten Aufstieg von einer Agrar- zu Industrienation. Aus verschiedenen Zusammenschlüssen und Fusionen mit mehreren Umbenennungen usw., gingen dort ebenfalls zwei wichtige Konzerne hervor, die heute noch als bedeutende Hersteller für Mikroskope aktiv sind: Nikon und Olympus. Beide begannen sehr früh nach Ihrer Gründung damit in die Erforschung der Optik zu investieren und mit der Herstellung der dafür erforderlichen Gläser.
Nachdem Deutschland durch den ersten Weltkrieg (1914-1918) wirtschaftlich am Boden lag, gelang es den Japanern in den 1920-er Jahren zahlreiche deutsche Fachkräfte von den deutschen Mikroskopherstellern abzuwerben dort anzusiedeln. Mit ihrer Hilfe wurde die optische Industrie auf den aktuellsten Stand der Technik gebracht und an die Weltspitze geführt – auf gleiche Höhe zu Leica und Carl Zeiss.
Bis heute sind es genau diese 4 Firmen, die sich den Weltmarkt für qualitativ hochwertige Mikroskope in einer Art Oligopol aufgeteilt haben.
Neben diesen „großen 4“ gibt es zahlreiche andere Anbieter, die ihr Geld mit relativ „einfachen“ Mikroskopen verdienen. Zum Beispiel: Bresser oder Eschenbach Optik.
Da diese Geräte leicht zu kopieren sind und nur relativ wenig Aufwand in Forschung und Entwicklung erfordern, sehen sich die europäischen Hersteller in diesem Preissegment zunehmend einer massiv steigenden Konkurrenz durch asiatische Billigproduzenten ausgesetzt. Langfristig gesehen werden sie wohl irgendwann ihre Produktion dort hin verlagern oder aufgeben müssen.
Umsatz der größten Mikroskop-Hersteller
Um einen Überblick zu erhalten, wie viel Geld man mit Mikroskopen machen kann, hier eine Übersicht über die Umsatzzahlen der größten 4 Mikroskophersteller der Welt:
Zu den Umsatzzahlen von Leica Microsystems ist leider nicht viel Information verfügbar, da die Firma eine GmbH ist und damit nicht börsennotiert ist. Leica Microsystems vermeldete im Jahr 2008 öffentlich, dass sie erstmalig einen Rekordumsatz von über 1 Milliarde USD erzielt haben. Das müssten damals, je nach Wechselkurs des Dollars, um die 600-700 Millionen Euro gewesen sein. Mittlerweile dürften das wohl bereits etwas mehr sein.
Die Carl-Zeiss Microscopy-Sparte gab ihren Umsatz im Jahr 2012/2013 mit 629 Millionen Euro an.
Nikon weist in seinem Jahresbericht für 2016 im Bereich Mikroskopie (im Bericht: „Instruments“) einen Umsatz von 77.242 Yen aus, was ungefähr 672 Millionen Euro entspricht.
Olympus gibt in seinem Jahresbericht 2016 den Umsatz mit Mikroskopen (scientific solutions) mit ungafähr 883 Millionen Euro an. Allerdings können hier auch andere Geräte mit enthalten sein, die keine Mikroskope sind.
Somit sieht man, dass sich der Weltmarkt für hochwerige Mikroskope in einem Bereich von ca. 28 Milliarden Euro bewegt.
Aber: etwas Vorsicht mit den Zahlen! Die Geschäftsbereiche der Firmen sind nicht immer eindeutig nach einzelnen Produkten differenziert.