Das Beleuchtungsprinzip nach Köhler

Von Klaus Henkel

John Gustav Delly, Mikrofotografie-Spezialist von Kodak, berichtet aus seiner Branchenerfahrung: "Die richtige Beleuchtung eines Mikropräparates ist die wichtigste Voraussetzung sorgfältiger Mikroskopie und Mikrofotografie. 80 % aller für Wettbewerbe und Ausstellungen eingereichten Mikrofotos werden wegen falsch oder ungenau eingestellter Beleuchtung abgelehnt. Weitere 10 % wegen falscher Einstellung der Aperturblende. Dasselbe gilt für viele veröffentlichte Mikrofotos, leider auch solche in Mikrofotografie-Fachbüchern und wissenschaftlichen Journalen."

Friedrich Karl Möllring, vom ehemaligen Mikroskopielabor bei Carl Zeiss in Oberkochen, freut sich 1994 in seinem Aufsatz im MIKROKOSMOS darüber, daß die Spaltung der Stiftungsfirma Carl Zeiss in "Ost und West" beendet ist. Was wäre aus der Geschichte von Zeiss zu diesem Anlaß nicht alles einer Betrachtung wert gewesen! Aber Möllring wählt die Köhlersche Beleuchtung, die in jenem Jahr ihren hundertsten Geburtstag hat. Der Aufsatz ist lesenswert, siehe Literaturhinweise. Zehn Jahre vorher schon war eine hundertseitige Broschüre von Carl Zeiss, Oberkochen, mit dem Titel "Wissenswertes über die Funktion Ihres Zeiss Mikroskopes" erschienen, in der vieles über Objektive, Okulare, Polarisation, Phasenkontrast, Dunkelfeld, Interferenzkontrast, Fluoreszenz, Mikrofotografie, Pflege des Mikroskops usw. zu lesen ist. Sie beginnt bezeichnenderweise mit dem Kapitel "Der Strahlenverlauf im Mikroskop mit Beleuchtung nach dem Köhlerschen Prinzip". Nachdrücklicher kann die überragende Bedeutung dieser Beleuchtung für die Mikroskopie nicht demonstriert werden. Oder ist das alles nur eine Marotte der "Zeissianer", zu denen auch Professor Dr. August Köhler (1866–1948) gehörte, der jene perfekte Beleuchtungsanordnung schon im Jahre seiner Promotion 1893 veröffentlicht hatte?

Was meint der nicht in die Zeiss'sche Firmengeschichte involvierte Amerikaner Delly (1988) dazu? "Die Köhlersche Beleuchtung ist das am meisten angewandte (most common) System für die Durchlicht-Mikrofotografie. Es wird sowohl für die visuelle Arbeit als auch für die Mikrofotografie benützt, weil es die größte Lichtintensität mit gleichmäßiger Ausleuchtung von inhomogenen Lichtquellen ergibt. Dieses Kapitel zur optimalen Beleuchtung ist – wie ganz allgemein die Beleuchtung auf allen Gebieten der Fotografie – der wichtigste Aspekt guter Mikrofotografie. Und deshalb muß man ihn regelrecht lernen und üben, bis man ihn beherrscht." Und er verwendet in seinem Buch über die Mikrofotografie von ganzen 104 Seiten im Großformat allein 10 Seiten mit 37 Abbildungen für die Erklärung und Einstellung der Köhlerschen Beleuchtung! Der englische Fachmann Douglas Lawson (1972) drückt es so aus: "Der Vorteil des Köhlerschen Beleuchtungsverfahrens ist, daß die gesamte Fläche der Leuchtfeldblende die gleiche Leuchtdichte (luminance power) hat wie die kleine Leuchtwendel selbst: deshalb wird nur eine Niedervoltlampe benötigt. Die im Präparat beleuchtete Fläche entspricht derjenigen der Feldblende im Okular. Das holt das Maximum aus dem Beleuchtungsstrahlengang bei gleichzeitiger Minimierung von Streulicht; gleichmäßig durchleuchtete Präparate von maximaler Auflösung sind die besonderen Eigenschaften dieses Beleuchtungsverfahrens." Schon Professor F. Skell, unser Vereinsgründer von 1923 und Altmeister der Mikrofotografie, hat betont, daß keine andere Beleuchtungsanordnung für die Mikrofotografie ihr gleichkommt: die "Köhlersche" ist heller, gleichmäßiger, reflexfreier, kontrastreicher, kühler.

Schenk/Kistler stellen 1960 fest: "Nicht unbedingt mit der Entwicklung Schritt gehalten haben die Kenntnisse des Praktikers um die korrekte Anwendung seines Instruments. […] Erfahrungsgemäß bietet gerade das korrekte Einstellen der Beleuchtung dem Anfänger in der Mikroskopie und Mikrofotografie die größten Schwierigkeiten. Schlecht ausgeleuchtete, durch fehlerhafte Einstellung der Kondensorblende und vermeidbare Fehlbelichtungen sich auszeichnende Aufnahmen stellen das Hauptkontingent an Ausschuß dar – sofern sie nicht eine durch andauernde Mißerfolge gelockerte Kontrolle durchbrechen und den Weg in Vortragssäle und in wissenschaftliche Publikationen finden. Jeder, der sich mit Mikrofotografie befaßt, sollte sich zwingen, auch beim subjektiven Mikroskopieren die Beleuchtungsregeln zu befolgen. Sehr bald wird das korrekte Einstellen der Beleuchtung zur Gewohnheit, der Blick für diesbezügliche Fehler geschärft und die hochwertige Mikroskop-Optik überhaupt erst in ihrer vollen Leistungsfähigkeit ausgenützt."

Reflexe machen Fotos flau

Die Glühwendel einer elektrischen Lampe ist keine homogene Lichtquelle, sondern zerklüftet und inhomogen, bei entsprechender Einstellung des Kondensors erhält man im mikroskopischen Bild keine gleichmäßige Ausleuchtung, sondern eine Abbildung der Wendelstruktur mit ungleichmäßiger Ausleuchtung des Sehfeldes, mit Überstrahlungen des Präparates und Reflexen im Tubus – besonderes bei schwächeren Vergrößerungen, also bei größeren Sehfeldern. Diese Reflexe kann man gut sehen: Präparat unter das Objektiv, Leuchtfeldblende weit geöffnet, Okular herausnehmen, in den Mikroskoptubus blicken. Man sieht helle oder farbige Ringe an den Tubuswänden. Diese Überstrahlungen beeinträchtigen die Brillanz des Bildes. und besonders des Mikrofotos, weil kontrastreich arbeitende fotografische Filmschichten, die man in der Mikrofotografie gerne verwendet, ungleichmäßige und überstrahlende Beleuchtung unbestechlich und oft stark betont im Bild wiedergeben und Tubuswandreflexe das Foto flau, kontrastarm machen. Auch unser Auge nimmt das wahr, doch unterdrückt unser Gehirn, die "Auswertezentrale", unerwünschte optische Eindrücke oder "bessert sie nach". Ungleichmäßige Ausleuchtung im Foto verunsichert aber auch den späteren Betrachter bei der Beurteilung des abgebildeten Gegenstandes, die Bildqualität ist deshalb mangelhaft. Für Forschungsaufgaben und für die Mikrofotografie ist es deshalb notwendig, eine exakte Strahlenführung schon vor dem Präparat, nämlich bei der Lichtquelle beginnen zu lassen. Das Köhlersche Beleuchtungsverfahren ist die geeignete Methode.

Woraus besteht die Köhlersche Beleuchtung?

Man braucht eine Mikroskopierlampe mit Kollektor und Irisblende davor. Praktisch ist, wenn sie fest im Stativfuß eingebaut ist. Ist sie hingegen am Mikroskop angeflanscht, dann muß die Glühlampe mit Stellschrauben justierbar sein. Eine Leuchte auf einem Stativ muß höhenverstellbar und neigbar befestigt sein. Vorteilhaft ist dann auch ein fokussierbarer Kollektor, der in Richtung der optischen Achse vor der Lampe verschiebbar ist. Auf die Fokussierbarkeit kann man verzichten, wenn Leuchte und Stativ für ein bestimmtes Mikroskopmodell konstruiert und mit diesem mechanisch fest zu verbinden sind. Ist die Köhlersche Beleuchtung richtig ausgelegt, genügen in der Regel Niedervolt- oder Halogen-Niedervoltlampen mit kleiner, gedrängter Glühwendel von 6 – 12 Volt und 15 – 20 Watt (bei Halogenlampen schon ab 10 Watt).

Ferner gehört zur Köhlerschen Beleuchtung ein Kondensor, der mit einem Trieb in der Höhe und mit Stellschrauben horizontal verstellt werden kann. Ein aplanatisch-achromatisch korrigierter Kondensor ist für den Mikrofotografen von großem Vorteil, andernfalls muß man bei der korrekten Einstellung Kompromisse machen.

In der Regel sind bei der Köhlerschen Beleuchtung also einstellbar:

• Kondensor längs und quer zur optischen Achse;
• Durchmesser der Kondensorblende (= Aperturblende) und der Leuchtfeldblende;
• Lichtquelle längs der optischen Achse.

In manchen Fällen (siehe oben) kommen hinzu:

• Kondensorblende quer zur optischen Achse (Revolver-Kondensor oder großer Abbescher Beleuchtungsapparat);
• Lichtquelle quer zur optischen Achse;
• Lampenkollektor längs zur optischen Achse.

Das richtige Einstellen der Köhlerschen Beleuchtung ("köhlern") soll hier nicht beschrieben werden, weil das auch vom Mikroskopmodell abhängt und gewöhnlich ausführlich in der Bedienungsanleitung steht. Wer eine separate Köhler-Leuchte hat, findet gute Anleitungen für die Einstellung bei Schoepf 1957 und Ehringhaus-Trapp 1958. Viele Mikroskopiker haben nicht gelernt, richtig zu "köhlern". Man muß dazu nicht unbedingt wissen, wie die optische Wirkung der Köhlerschen Beleuchtung zustande kommt. Aber der Mikrofotograf sollte das, weil die genaue Kenntnis des Strahlengangs hilft, die Ursachen von Unregelmäßigkeiten wie Staubpartikel und andere Ver-unreinigungen im Bild zu finden und zu beseitigen. Beim visuellen Mikroskopieren unterdrückt und ignoriert sie oft unser Gehirn, aber eine fotografische Filmschicht tut das nicht, zeigt jedes Staubkorn. Bei der Köhlerschen Beleuchtung wirkt sich Schmutz allerdings nur auf bestimmten Linsen im Bild aus, bei anderen genügt mitunter eine winzige Höhenverstellung des Kondensors, um ihn unsichtbar zu machen. "Gewußt wo": oft genügt ein kleiner Handgriff, ohne daß man sein Mikroskop erst zerlegen muß.

Licht sammeln und verdichten?

Bei der folgenden Beschreibung der Strahlengänge der Köhlerschen Beleuchtung wollen wir im Gedächtnis behalten, daß durch ein optisches Linsensystem stets eine Abbildung zustande kommt. Wir sollten uns nicht von den Bezeichnungen Kollektor und Kondensor täuschen lassen. Ihr Zweck ist nicht, "Licht" zu sammeln oder zu verdichten, sondern einen Gegenstand abzubilden, wie es ein Objektiv in der Kamera oder im Diaprojektor tut. Der Kollektor, sammelt kein Licht, der Kondensor kondensiert, verdichtet, konzentriert oder bündelt kein Licht, sondern beide erzeugen Bilder von Gegenständen. Davon sollen auch ungewöhnliche Definitionen nicht ablenken, wie z. B. solche: "Der Kollektor sammelt die Strahlung der Lichtquelle und beeinflußt die Energiebilanz des Gesamtsystems" (Schade 1993). Gegenüber diesem energetischen Erklärungsversuch halten wir an dem fest, was wir damals im Physikunterricht ganz richtig gelernt haben: Ein Linsensystem macht ein Bild!

Die folgende Grafik wird es uns zeigen. Der Kollektor vor der Glühlampe bildet die Glühwendel in der Brennebene des Kondensors ab, der Kondensor erzeugt ein Bild der Leuchtfeldblende in der Präparateebene.

Der verflochtene Strahlengang

Die beiden in der folgenden Grafik abgebildeten und beschriebenen Strahlengänge sind zum besseren Verständnis in zwei getrennten Abbildungen grafisch dargestellt. In Wirklichkeit existieren sie gleichzeitig im selben Raum. "Der" Strahlengang der Köhlerschen Beleuchtung besteht also aus zwei innig miteinander verflochenen Strahlengängen.

Der Lukenstrahlengang stellt dar, durch welches Lichtbüschel ein Punkt des Präparates (Objekts) beleuchtet und abgebildet wird und der Pupillenstrahlengang, welchen Beitrag ein Punkt der Lichtquelle zur Beleuchtung und Abbildung des Objekts liefert. Beide zeigen also je eine Auswahl aus den Strahlen.

Der Beleuchtungsstrahlengang (Pupillenstrahlung)

Die Lampenwendel wird in die Kondensorblende in der unteren Brennebene des Kondensors abgebildet. Dieser nimmt das Bild dort auf und bildet es – durch das Präparat hindurch – in der Austrittspupille des Objektivs, in seiner hinteren Brennebene ab. Hier erfaßt das Okular das Glühwendelbild und bildet es in der Augenpupille des Beobachters ab. Wir sehen in der grafischen Darstellung, daß ein paralleles Lichtbündel vom Kondensor durch das Objekt hindurch ins Objektiv dringt. Vom Objekt aus gesehen liegt also die Lichtquelle im Unendlichen. Eine Ungleichmäßigkeit der zerklüfteten Glühwendel macht sich deshalb in der Präparateebene am wenigsten bemerkbar (Warum das so ist, beschreibt sehr lesenswert F. K. Möllring in Mikrokosmos 83 (1994), S. 109–115). Der gezeichnete Strahlengang entspringt einem einzigen Punkt der Glühwendel. In Wirklichkeit sind es viele Millionen solcher Leuchtpunkte, deren jeder ein paralleles Stahlenbündel durch das Präparat schickt und die Netzhaut des Auges voll ausleuchtet. Wir empfinden große Helligkeit. Jeder einzelne der Millionen Lichtpunkte der Glühwendel füllt jeweils die gesamte Öffnung der Leuchtfeldblende aus: sie ist sehr hell.

Der Abbildungsstrahlengang (Lukenstrahlung)

Die helle Öffnung der Leuchtfeldblende und die sie begrenzenden, dunklen Ränder der Blendenlamellen selbst werden vom Kondensor im Präparat abgebildet. Das vom Objektiv aufgenommene Bild besteht also aus dem vom Licht durchströmten Objekt im Präparat und der schwarzen Leuchtfeldblende. Das Objektiv entwirft dieses Gesamtbild als reelles Zwischenbild in der Ebene der Sehfeldblende des Okulars. Dort nimmt es dessen vergrö-ßernde Feldlinse auf, seine Augenlinse richtet das Lichtbündel (parallel) ins Unendliche, die Linse unseres Auges projiziert es auf die Netzhaut. Auch in dieser Abbildung ist von dem gesamten von der Glühwendel ausgehen-den Licht nur ein einziges Strahlenbüschel dargestellt, welches von nur einem einzigen Punkt der Leuchtfeldblende zu nur einem einzigen Punkt des Objekts verläuft. Aber jeder einzelne Punkt der Fläche der Leuchtfeldblen-de wird jeweils von der gesamten Glühwendel ausgeleuchtet, und alle Punkte der Leuchtfeldblende, also die gesamte Fläche der Leuchtfeldblende, beleuchtet jeden einzelnen Punkt des Objekts.

Wir erkennen:

• im Lukenstrahlengang beleuchtet die Gesamtheit aller Punkte der Lichtquelle jeden einzelnen Punkt des Objektes;
• im Pupillenstrahlengang durchleuchtet jeder einzelne Punkt der Lichtquelle die gesamte Fläche des sichtbaren Objektes.

Weil in ungewohntem Metier unser räumliches Vorstellungsvermögen nicht sehr ausgeprägt ist, noch die folgende Skizze. Sie ist optisch stark vereinfacht, weil sie ohne die Linsen von Kollektor und Kondensor gezeichnet ist. Wir blicken von schräg oben auf die Kreisfläche, die Präparateebene. Im linken Bild der Lukenstrahlung beleuchtet die gesamte Glühwendel, d. h. die gesamte Leuchtfeldblende mit je einem eigenen Lichtkegel jeden einzelnen Präparatepunkt. Bei der Pupillenstrahlung beleuchtet jeder einzelne Punkt der Glühwendel jeweils das gesamte Präparat (nur zwei der vier als Beispiele herausgegriffenen Lichtkegel sind schraffiert gezeichnet). Den richtigen Verlauf der Strahlen sieht man in der oberen Grafik.

• Alle Strahlenbüschel und -bündel vermischen und durchdringen sich in der Präparateebene. So entsteht die vollkommen gleichmäßige und helle Beleuchtung in der Präparateebene und die gleichmäßige Durchleuchtung des Objektes bzw. des Gesichtsfeldes.
• Die Struktur des Leuchtkörpers, in den meisten Fällen die Lampenglühwendel, wird nicht in der Präparateebene abgebildet.
• Die Beleuchtung ist sehr hell, weil sie die Leuchtdichte der Glühwendel voll ausnützt. Deshalb genügen in der Regel schwächere Niedervoltlampen.
• Der Durchmesser der beleuchteten Fläche im Präparat wird durch die Leuchtfeldblende dem Bilddurchmesser angepaßt, den das jeweilige Objektiv gerade erfaßt. Dadurch wird dem Präparat nicht mehr wärmendes Licht zugeführt als das Objektiv aufnehmen kann. Die Erwärmung lebender Organismen hält sich deshalb in Grenzen, sie sterben nicht so rasch ab, strahlungsempfindliche Präparate bleichen nicht so rasch aus.
• Außerdem werden auf diese Weise kontrastmindernde Überstrahlungen vermieden, die sich durch die Beleuchtung von Objektdetails ergeben würden, die außerhalb des Bildfeldes liegen, aber Streulicht in das Objektiv aussenden.
• Kontrastreiche Abbildung durch die von der Größe des Leuchtfeldes unabhängige Aperturblende im Kondensor. Die Größe des Leuchtfeldes und damit der beleuchteten Präparatstelle sowie die Apertur des Kondensors und damit die Weite des Lichtkegels, der vom Objektiv erfaßt wird, lassen sich getrennt voneinander regulieren. Durch richtige Einstellung werden auf diese Weise Reflexionen an den Tubusinnenwänden vermieden, das Bild wird klar und kontrastreich. (Hier können wir nun unser anfängliches Experiment beenden: Verringern wir den Durchmesser der Leuchtfeldblende, bis sie nach der Köhlerschen Regel gerade eben aus dem Gesichtsfeld des Okulars verschwindet, so verschwinden auch die bunten Reflexe im Tubus.)

Die Hand des geübten Mikroskopikers greift nach einem Objektivwechsel wie von selbst zur Leuchtfeldblende und danach zum Aperturhebel, evtl. auch zur Kondensorzentrierung, um alles nachzustellen. Nur wer schnell bewegliche Wasserorganismen verfolgt, wird das in der Hektik gelegentlich unterlassen. Daß dann keine saubere Köhlersche Lichtführung eingestellt ist, nimmt man gerne in Kauf. Die beliebte schiefe Beleuchtung, die durchsichtige Wasserwesen kontrastreich und "plastisch" abbildet, verlangt sowieso Kompromisse bei der Kondensoreinstellung. Das saubere Bild, das keine Interpretationskünste erfordert, kommt aber nur im Hellfeld mit der Köhlerschen Beleuchtung zustande.

Weitere Hinweise zur Beleuchtung

Bei Niedervoltglühlampen, beispielsweise der weit verbreiteten Lampe 6 V, 15 W, schlägt sich mit der Zeit verdampftes Wolfram vom Glühfaden an den Glasinnenwänden nieder. Das verursacht sowohl eine Minderung der Lichtabstrahlung als auch – was für den Mikrofotografen schlimmer ist – eine Farbverschiebung zum roten Bereich. Die Farbtemperatur wird noch geringer als sie ohnehin schon ist (2700 – 2850 Kelvin). Wenn ein Lampenkolben sichtbar dunkler geworden ist, sollte man die Lampe nicht mehr für die Mikrofotografie verwenden und auswechseln. (Es sei denn, man verwendet sie nur als Pilotlicht zu einem Mikroblitz.) Halogen-Niedervoltlampen zeigen diesen Effekt nicht, obwohl auch sie eine Wolframfadenwendel besitzen, weil das Halogengas im Lampenkolben eine Ablagerung von Wolfram auf den Glasoberflächen verhindert. Halogenlampen behalten ihre ursprüngliche Farbtemperatur und Leuchtkraft bis ganz kurz vor dem Ende ihrer Lebensdauer. Ihre Farbtemperatur liegt günstiger, bei 3200 Kelvin, das ist die Farbtemperatur von Kunstlicht-Farbfilmen.

Der beste Platz für Filter aller Art ist ein Filterhalter unterhalb des Kondensors. Dort verläuft der Strahlengang so, daß nicht jedes Staubfleckchen auf dem Filter im Präparat zu sehen ist. Muß man das Filter auf den Lichtaustritt im Mikroskopfuß legen, so ist jedes Stäubchen auf dem Filter umso besser zu sehen, je näher es der Leuchtfeldblende ist.

Gelegentlich gibt es Schwierigkeiten bei der Benutzung von starkvergrößernden Objektiven mit hoher Apertur. Es kann vorkommen, daß man kein Bild der Leuchtfeldblende einstellen kann. Das mag daran liegen, daß sich manche Leuchtfeldblenden nicht weit genug schließen lassen oder der Kondensor kein genügend kleines Bild der Leuchtfeldblende liefert. Hier zwei Methoden, wie man vorgehen kann. (1) Zuerst die Leuchtfeldblende mit einem schwächeren Objektiv einstellen und zentrieren; dann die Blende so weit wie möglich schließen, nachdem das "starke" Objektiv eingestellt ist. Oder (2) den Kondensor dezentrieren bzw. den Spiegel etwas kippen, bis eine Seite der Leuchtfeldblende sichtbar wird; jetzt die Kondensorhöhe nach der Schärfe des Leuchtfeldblendenrandes einstellen und Kondensor oder Spiegel wieder zentrieren, so gut es geht.

Auch mit schwachvergrößernden Objektiven kann es Schwierigkeiten geben. Manche sind "so schwach", daß die Köhlersche Beleuchtung nicht angewandt werden kann. Auch hier gibt es mehrere Möglichkeiten. (1) Kondensorfrontlinse abschrauben, wegklappen. (2) Kondensorhilfslinse, soweit vorhanden, entfernen oder aus dem Strahlengang schwenken. Beide Maßnahmen verringern die Apertur des Kondensors und erweitern den Beleuchtungskegel. Manche Mikroskope sind auch mit einer einschwenkbaren Streuscheibe ausgestattet. Wenn mit einer separaten Lampe über einen Spiegel beleuchtet wird, kann man den Kondensor ganz entfernen und dann (aber nur dann) mit dem Hohlspiegel beleuchten. Aperturblende ganz öffnen, die Leuchtfeldblende wirkt dann als Aperturblende. Bedienungsanleitung beachten!

Manchmal ist die Mikroskopbeleuchtung so hell, daß man kaum ins Okular schauen kann. Ohne Regeltrafo muß man das Licht mit neutralen Graufiltern dämpfen, auf keinen Fall die Aperturblende zuziehen, den Konsendor senken oder eine Mattscheibe in den Strahlengang bringen. Der beste Platz für Neutralgraufilter ist der Filterhalter unter dem Kondensor.

Wer aus finanziellen Gründen für den Anfang ein Mikroskop ohne Köhlersche Beleuchtung anschafft, sollte darauf achten, daß später eine "Köhlersche" Ein- oder Anbauleuchte nachgerüstet werden kann. Eine separate Leuchte für die Köhlersche Beleuchtung ist in der Regel unpraktisch und unbequem, erfordert oftmals Bastelarbeiten. Man muß nämlich dafür sorgen, daß sie, weil man sie öfter anfassen, ihre Leuchtfeldblende nach jedem Objektivwechsel neu einstellen muß, unverrückbar mit dem Mikroskop verbunden ist. Auch ein arretierbarer Mikroskopspiegel ist hilfreich, denn nur allzu oft gerät man mit den Fingern in seine Nähe und verstellt ihn versehentlich, wenn er nicht festgeklemmt ist.