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Prinzip des Phasenkontrasts

Um Phasenkontrast zu erreichen, müssen an Kondensor und und Objektiv zwei technische Veränderungen vorgenommen werden: Im Kondensor ist eine ringförmige Lichtblende, im zugehörigen Objektiv ein Phasenring einzulassen

Die Ringblende ist direkt oberhalb der Aperturblende im Kondensor zu platzieren. Sie besteht aus einer geeignet geformten lichtundurchlässigen Platte mit einem schmalen ringförmigen Lichtdurchlass. Bei einfachen Konstruktionen kann eine solche Ringblende mittels Schiebern oder Einsteck-Elementen in einen geeigneten Hellfeldkondensor eingeführt werden. Aufwendigere Geräte verfügen in der Regel über einen speziellen Phasenkontrastkondensor mit drehbarer Revolverscheibe, welche mehrere in den Strahlengang einschwenkbare Ringblenden enthält (sog. Universalkondensor bzw. Phasenkontrastkondensor nach Zernike).

In der hinteren Brennebene des Objektivs ist der jeweilige Phasenring einzulassen; dieser korrensondiert mit der zugeordneten Ringblende des Phasenkontrastkondensors.

Der Phasenring bewirkt im Phasenkontrastobjektiv eine Phasenverschiebung der Hintergrundstrahlen gegenüber den vom Objekt gebeugten bildgebenden Strahlen, welche ihren optischen Weg am Phasenring vorbei nehmen. Auf diese Weise werden die Phasendifferenzen zwischen dem Objekt und dem Bilduntergrund verstärkt und visuell erkennbar.

Je nach Design des Phasenringes kann positiver oder negativer Phasenkontrast entstehen. Beim gebräuchlicheren Positiv-Phasenkontrast erscheint das Objekt dunkler als der Untergrund, umgeben von einem hellen Halo. Im Negativ-Phasenkontrast stellt sich das Objekt vergleichsweise hell auf dunklerem Untergrund dar und ist von einem dunklen Halo umsäumt.

Je höher die Schichtdicke des Objektes ist und je  mehr sich die Brechungsindizes bzw. optischen Dichten von Objekt und umgebendem Medium unterscheiden, d.h. je größer der Gangunterschied (= Phasenunterschied) zwischen Objekt und Medium ist, desto ausgeprägter sind die entstehenden Halo-Phänomene. Unlängst wurde durch weitergehende konstruktive Veränderungen der objektivseitigen Phasenringe ein Phasenkontrast-Verfahren mit reduzierten Halo-Effekten entwickelt, welches herstellerseitig als “apodized phase contrast” bezeichnet wird.

Bei allen Varianten des Phasenkontrastes ist die Ringblende im Kondensor mittels eines Einstell-Okulars / Einstell-Fernrohrs so zu justieren, dass sie mit dem Phasenring des Objektivs deckungsgleich ist. Bei korrekter Justierung wird die Ringblende des Kondensors in voller Breite vom Phasenring des Objektivs überdeckt (Abb. 1, unten).

Das beleuchtende Strahlenbündel hat im konventionellen Phasenkontrast einen kreis- bzw. ringförmigen Querschnitt; das Objekt wird daher allseitig und konzentrisch von einem Lichthohlkegel beleuchtet; bei exakter Einstellung befindet es sich in der Spitze des beleuchtenden Lichtkonus. Die vom Objekt gebeugten bildgebenden Strahlen werden vom gesamten Querschnitt des Objektivs erfasst und kontrastieren zu der Hintergrundbeleuchtung, welche durch den im Objektiv befindlichen Phasenring gegenüber den bildgebenden Strahlen phasenverschoben ist (Abb. 1, oben).

Eine korrekte Realisierung des Phasenkontrastes setzt voraus, dass die Ringblenden im Kondensor und die Phasenringe in den zugehörigen Objektiven exakt aufeinander abgestimmt und optisch kongruent sind. Werden Objektive verschiedener Hersteller gemischt, die nicht kompatibel zum jeweiligen Phasenkontrast-Kondensor sind, können sich deutliche Qualitätseinbußen ergeben, wenn die Ringblende des Kondensors nicht vollständig mit dem Phasenring des Objektives zur Deckung gebracht werden kann. Zusätzlich wirkt sich der Korrektionsaufwand des Objektivs wesentlich auf Kontrast, Schärfe und Auflösung des Phasenkontrastbildes aus.

Abb. 1 zeigt schematisch eine Skizze des Strahlengangs bei konventionellem Phasenkontrast und die zugehörige korrekte Justierung von kondensorseitiger Ringblende und objektivseitigem Phasenring, wie sie mit einem Einstellfernrohr darzustellen ist.

Weitergehende Informationen zum Phasenkontrast können der existierenden reichaltigen Literatur entnommen werden (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 8, 9, 10, 11, 12).


 

 

 

 

Abb. 1:
oben: Strahlengang eines Phasenkontrastmikroskopes
(Schema modifiziert nach 5)
unten: Korrekte Justierung von Ringblende (hell) und Phasenring (dunkel), aufgenommen durch ein Einstell-Teleskop

1 = Lichtquelle
2 = Ringblende im Kondensor
3 = Kondensor
4 = Objekt
5 = Hintergrundstrahlen
6 = Bildgebende, vom Objekt gebeugte Strahlen
7 = Phasenring im Objektiv
8 = Okular mit Zwischenbild
9 = Auge

 

 

Copyright: Joerg Piper, Bad Bertrich, Germany, 2007

 

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