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Lieberkühn-Spiegel

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Zwei Bilder, eines zeigt das Ding von der verspiegelten Seite und eines von der anderen.
Ein Lieberkühn-Spiegel der Firma Emil Busch AG von ca. 1930 aus der digitalen Sammlung des Deutschen Museums.[1]

Ein Lieberkühn-Spiegel ist eine Beleuchtungseinrichtung für Auflichtmikroskopie bei Lichtmikroskopen. Er läuft um das Objektiv herum, die verspiegelte Fläche zeigt Richtung Präparat. Mit ihm ist es möglich, ein undurchsichtiges Objekt im Auflicht, also von der Seite des Objektivs, zu beleuchten, wenn sich die Lichtquelle hinter dem Präparat befindet.

Die Einrichtung wurde nach Johann Nathanael Lieberkühn (1711–1756) benannt, dem die Erfindung fälschlicherweise zugeschrieben wurde. Tatsächlich sind entsprechende Spiegel schon von früheren Mikroskopikern beschrieben und eingesetzt worden. Durch Lieberkühns Arbeiten wurden die Spiegel jedoch ab 1740 sehr populär und gehörten für über 100 Jahre zum Standardzubehör von Mikroskopen. Ab der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts nahm die Verbreitung ab, so dass Lieberkühn-Spiegel im 21. Jahrhundert in der Mikroskopie kaum noch anzutreffen sind.

Lieberkühn-Spiegel werden auch als Lieberkühnspiegel oder Lieberkühnscher Parabolspiegel[2] bezeichnet. Lieberkühns Name ist nicht nur im Deutschen mit dem Spiegel verbunden. Im Englischen wird er Lieberkühn reflector[3], Lieberkühn mirror[4] oder nur Lieberkühn[3][5] genannt, im Französischen miroir concave de Lieberkühn[6]

Tatsächlich finden sich die ältesten entsprechenden Fundstellen in der englischen Literatur. 1739[7] oder 1740[8] führte Lieberkühn den von ihm gebauten Spiegel der Royal Society in London vor. Danach erschienen einige englische Arbeiten, in denen Lieberkühn die Erfindung dieser Auflichtbeleuchtung zugeschrieben wurde und entsprechende Vorrichtungen wurden nach ihm benannt.[9] Die älteste dokumentierte Verwendung der Bezeichnung findet sich bei Benjamin Martin (1704–1782) in einer Mikroskopbeschreibung von 1776 als „concave speculum or lieberkuhn“.[10]

Funktionsweise und Strahlengang

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Schema der Beleuchtung mit Lieberkühn-Spiegel. Das Licht kommt von unten (senkrechte Striche) und wird an der Oberfläche des Hohlspiegels (runde schwarze Balken) reflektiert (gestrichelte Linien) um auf das Objekt (Kreis) zu fallen. Das Objektiv (nicht gezeichnet) befindet sich in der Lücke des Hohlspiegels. Aus Kaiserling, 1919[2].
Schemazeichnung mit Objektiv. Der Lieberkühn-Spiegel ist im unteren Bereich des Objektivs aufgeschraubt. Aus Dippel, 1867[11].

Das Prinzip sei an einem heute üblichen (aufrechten, zusammengesetzten) Mikroskop erklärt, bei dem die Lichtquelle das Licht von unten auf das Präparat strahlt. Bei Verwendung des Lieberkühn-Spiegels wird die Öffnung im Mikroskoptisch mit einer flachen Glasplatte oder einem Objektträger abgedeckt, worauf das Objekt aufgelegt ist. Unter das Objekt oder unten am Objektträger wird ein dunkles, undurchsichtiges Scheibchen gelegt oder befestigt, welches gerade groß genug ist, um direktes Einstrahlen des Lichts in das Objektiv am Objekt vorbei zu vermeiden. Das Licht wird also zunächst seitlich am zu beobachtenden Objekt und am Objektiv vorbei geleitet.[12][11]

Der Lieberkühn-Spiegel läuft ganz um das Objektiv herum, er hat ein zentrales Loch, durch welches er auf das Objektiv aufgesetzt wird und einen typischen Durchmesser von 20 bis 25 Millimetern[11]. Die verspiegelte Innenseite zeigt Richtung Präparat. Ein Lieberkühn-Spiegel ist ein Hohlspiegel, der seinen Brennpunkt idealerweise an der gleichen Stelle hat, an der sich das scharf gestellte, zu beobachtende Objekt befindet.[11][2]

Bei Verwendung des Spiegels im zusammengesetzten Mikroskop wird das Licht ungefähr parallel zur optischen Achse, also typischerweise senkrecht von unten, eingestrahlt. Die Beleuchtung entspricht demnach nicht der sonst heute üblichen Köhlerschen Beleuchtung, bei der ein Kondensor einen Lichtkegel formt, an dessen Brennpunkt sich das Objekt befindet. Am Lieberkühn-Spiegel wird das am Objekt vorbei gestrahlte Licht reflektiert und fällt von seitlich oben auf das Objekt und zwar aus allen seitlichen Richtungen, so dass wenig Schatten entsteht. Das mikroskopische Bild erscheint daher eher reliefarm. Da Licht, welches an Objektoberflächen senkrecht zur optischen Achse (parallel zum Mikroskoptisch) reflektiert wird, am Objektiv vorbei geleitet wird, handelt es sich bei dieser Anordnung um eine Dunkelfeldbeleuchtung.[12]

Bei niedrigen Vergrößerungen kann statt eines Lieberkühn-Spiegels für Auflichtbeleuchtung eine Lichtquelle seitlich oberhalb des Präparats positioniert werden, die direkt das Objekt belichtet. Bei höheren Vergrößerungen funktioniert dies jedoch nicht mehr, da höher vergrößernde Objektive einen geringen Arbeitsabstand haben und daher das Objektiv einen Schatten auf das Objekt werfen würde. Für Gesamtvergrößerungen (inklusive Okularvergrößerung) von etwa 200 bis 400-fach wurde daher ein Lieberkühn-Spiegel für Auflichtbeleuchtung empfohlen.[11]

Statt eines Hohlspiegels kann auch ein flacher Spiegel im 45°-Winkel verwendet werden.[12]

Durch Blenden, die die Beleuchtung auf einen Teilwinkel des ursprünglichen Beleuchtungfeldes beschränken, wird das Objekt nicht mehr von allen Seiten, sondern nur noch aus einer Richtung beleuchtet. Dadurch kann ein stärkerer Reliefeindruck erzeugt werden.[12]

Durch Weglassen des dunklen Scheibchens unter dem Objekt kann eine gemischte Beleuchtung erzeugt werden, die für manche Präparate wie beispielsweise Textilien hilfreich sein kann (Hellfeld-Durchlicht-Dunkelfeld-Auflicht-Kombinationsbeleuchtung).[12]

Wenn statt einem spiegelnden Lieberkühn-Spiegel mattweiße Flächen eingesetzt werden, so wird das Objekt mit zerstreutem Licht beleuchtet, ein Effekt, der sich auch durch einen matten Filter zwischen Lichtquelle und Mikroskoptisch erreichen lässt. Ein mattweißer Lieberkühn-Spiegel kann aus Gips hergestellt werden, indem dieser in ein rundes Gefäß gefüllt wird und in den noch feuchten Gips ein Gummiball gedrückt wird. Nach Erstarren und Bohren eines Lochs für das Objektiv kann die entstandene Gipsglocke auf den Mikroskoptisch aufgesetzt werden.[12]

Einschränkungen

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Ein Lieberkühn-Spiegel ist nur verwendbar, wenn das Objekt klein genug ist um noch genügend Licht seitlich vorbei zu lassen. Die Anwendbarkeit hängt daher auch von der Größe des Lochs im Mikroskoptisch ab. Günstig sind Objekte von unter einem Zentimeter Ausdehnung.[12] Wie groß das Loch im Mikroskoptisch sein muss und wie groß das Objekt sein darf, hängt auch von der Größe des verfügbaren Lieberkühn-Spiegels ab. Ein Lehrbuch von 1933 gibt eine minimale Lochgröße von 30 mm und eine maximale Objektgröße von 16 mm an.[13]

Um eine optimale Ausleuchtung zu erreichen, sollte der Brennpunkt des Hohlspiegels an der gleichen Stelle liegen wie das scharfgestellte zu beobachtende Objekt. Daher muss für jedes Objektiv ein eigener, passender Lieberkühnspiegel verwendet werden, oder für schwächer vergrößernde Objektive mit mehr Arbeitsabstand eine seitliche Lichtquelle verwendet werden.[11]

Das Objektiv darf sich nicht zu dicht am Präparat befinden, da es sonst einen Schatten auf das Objekt wirft und letzteres dunkel bleibt. Günstig sind daher Objektive mit mehreren Millimetern Arbeitsabstand.[12] Da Objektive mit sehr hoher Auflösung in der Regel einen kleinen Arbeitsabstand aufweisen, können diese nicht verwendet werden. Ein Lehrbuch von 1933 beschreibt, dass sich nur Objektive mit einer Brennweite größer als 7–8 mm mit einem Lieberküh-Spiegel verwenden lassen.[13]

Auch Objektive mit Immersion können prinzipbedingt nicht verwendet werden.

Zeichnung eines einfachen Mikroskops von Descartes, 1637. Das Präparat (E) wird von einem Metallstift (G) gehalten. Das eingestrahlte Licht wird vom Spiegel auf das Präparat umgeleitet. Dieses wird durch die plankonkave Glaslinse am Boden des Gehäuses vergrößert und vom Auge des Betrachters erfasst.

Descartes, Leeuwenhoek und Kircher

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René Descartes veröffentlichte 1637 sein Buch „Dioptrik“, in dem das 9. Kapitel Brillen, Fernrohre und Mikroskope behandelte. Darin finden sich auch zwei Zeichnungen, die Beleuchtungen mit Lieberkühn-Spiegel skizzieren,[14] zuerst für ein einfaches Mikroskop und einige Seiten weiter für ein zusammengesetztes. Im Gegensatz zu den heute üblichen „zusammengesetzten Mikroskopen“ mit Objektiv und Okular haben einfache Mikroskope nur eine einzige Linse, also nur ein stark vergrößerndes Objektiv aber kein Okular. Bis ins 19. Jahrhundert lieferten einfache Mikroskope bessere Auflösungen, da sich ohne Möglichkeit zur Korrektur der chromatischen Aberration die Bildfehler von Objektiv und Okular im zusammengesetzten Mikroskop multiplizierten. Es wird vermutet, dass es sich bei Descartes’ Zeichnungen um Entwürfe handelt, die nie gebaut wurden, da die Technologie zu Descartes’ Zeiten noch nicht weit genug entwickelt gewesen sei.[15][16]

Auch bei Antoni van Leeuwenhoek findet sich die Beschreibung eines durchbohrten Hohlspiegels zur Erzeugung von Auflichtbeleuchtung.[17], ebenso wie bei Athanasius Kircher („Ars magna lucis et umbrae“, 1646). Leeuwenhoek und Kircher nutzten für ihre Arbeiten ein „einfaches Mikroskop“.[18]

Propagierung durch Lieberkühn

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Eine besondere Bauform des einfachen Mikroskops war das Zirkelmikroskop, das ab dem Ende des 17. Jahrhunderts gebaut wurde. Wie ein Zirkel hatte es zwei Schenkel, deren Abstand zueinander in feinen Schritten geändert werden konnte. Auf einem der beiden Schenkel befand sich das Objektiv, auf dem anderen wurde das Präparat befestigt, welches durch Veränderung des Schenkelabstands scharf gestellt werden konnte.[9][3]

Ein solches Zirkelmikroskop entwarf und verwendete auch Johann Nathanael Lieberkühn. Er stattete es mit Lieberkühn-Spiegel aus, untersuchte unter anderem die Därme von Hunden und beschrieb die Lieberkühn-Krypten. 1739[7] oder 1740[8] konnte er seine Entwicklung der Royal Society in London vorführen. Darauf hin wurden Lieberkühn-Spiegel auch in England sehr populär und die Erfindung wurde ihm zugeschrieben und nach ihm benannt. Für die folgenden 150 Jahre gehörten Lieberkühn-Spiegel zum Standardzubehör von Mikroskopen[8].

„But by far the most useful of Lieberkuhn’s microscopes was the one for viewing opaque objects, by means of which he made so many important discoveries in the minute structure of the mucous membrane of the alimentary canal, as to immortalize his name. ... The Lieberkuhn, is that part of the instrument which is the most important, and is in general use even in the present day“

„Bei weitem das nützlichste von Lieberkühns Mikroskopen war jenes für die Beobachtung undurchsichtiger Objekte, womit er so viele wichtige Entdeckungen in den winzigen Strukturen der Schleimhaut des Verdauungskanals machte, dass sein Name unsterblich wurde. ... Der Lieberkühn-Spiegel ist der wichtigste Teil des Instruments und er ist selbst heute noch im allgemeinen Gebrauch.“

John Quekett, 1848: A practical treatise on the use of the microscope[7]

In deutschsprachigen Mikroskopiebüchern von 1950[19] und 1957 wird die Erfindung ebenfalls Lieberkühn zugerechnet. Es finden sich Aussagen zur Auflicht-Beleuchtung mittels Hohlspiegel wie: „Die erste Anordnung dieser Art war der Lieberkühn-Spiegel von 1738.“[20] In einem Buch von 1988 heißt es dagegen: „J.N. Lieberkühn führte 1738 den nach ihm benannten Hohlspiegel für die Auflichtbeleuchtung ein, wie ihn in ähnlicher Form 100 Jahre vorher schon Descartes verwendet hatte.“[21]

Lieberkühn-Spiegel an zusammengesetzten Mikroskopen

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Schemazeichnung.
Lieberkühnspiegel am Objektiv eines zusammengesetzten Mikroskop. Aus Hannover, 1854[22]

Auch bei zusammengesetzten Mikroskopen wurden Lieberkühnspiegel über die Jahrhunderte eingesetzt.[23] Die Einschätzung der Bedeutung des Lieberkühn-Spiegels in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts erscheint uneinheitlich. Mikroskopie-Bücher stellen drei Möglichkeiten zur Auflichtbeleuchtung dar: 1. Einfaches Tageslicht bei sehr geringen Vergrößerungen. 2. eine große Sammellinse, einen Hohlspiegel oder ein Prisma, die, der oder das oberhalb seitlich neben dem Präparat steht und einfallendes Licht auf das Objekt bündelt, für geringe Vergrößerungen. Und eben 3. den Lieberkühn-Spiegel. Einige Bücher bezeichnen ihn als die Möglichkeit der Auflichtbeleuchtung für „stärkere Vergrößerungen“ beziehungsweise Vergrößerungen von 200 bis 400-fach (Hannover, 1854[22]; Dippel, 1867[11]).

Andere bezeichnen ihn als eine „seltener gebrauchte Vorrichtung“, bei der die Vergrößerung „in der Regel 200 im Durchmesser nicht übersteigen“ darf (Vogel, 1867[24]) oder als „früher viel benutzt, jetzt selten verwendet“ (Carpenter, 1856[25]; Hogg, 1867[26]). Ein deutschsprachiges Lehrbuch von 1933 führt als Hersteller von Lieberkühn-Spiegeln nur die beiden Firmen Busch aus Rathenow und O. Himmler aus Berlin auf, woraus sich ergibt, dass die großen Mikroskophersteller Leitz, Reichert, Zeiss und Winkel diese nicht herstellten[13].

Von einigen Anwendern der Fluoreszenzmikroskopie wurden Anfang des 20. Jahrhunderts ebenfalls Lieberkühn-Spiegel für die Auflichtbeleuchtung undurchsichtiger Präparate verwendet. Neue metallische Spiegelflächen reflektierten das UV-Licht für die Anregung sehr gut, so dass helle Fluoreszenzen erzeugt wurden.[27][28]

Historische Abbildungen und Mikroskope mit Lieberkühn-Spiegel

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Commons: Lieberkühn-Spiegel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

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  1. Lieberkühnspiegel, 2-teilig in Etui Z1. Abgerufen am 6. August 2024.
  2. a b c Carl Kaiserling: Die mikrophotographischen Apparate und ihre Handhabung. Hrsg.: Geschäftsstelle des Mikrokosmos (= Handbuch der mikroskopischen Technik. II. Teil). Franckh’sche Verlagshandlung, Stuttgart 1919 (58 S.).
  3. a b c Brian J. Ford: Single Lens. The story of the simple microscope. Harper & Row, Publishers, New York 1985, ISBN 0-06-015366-0, S. 95-96 (englisch, 182 S.).
  4. Brian Bracegirdle: A history of Photography with the Light Microscope. Hrsg.: Queckett Microscopical Club. Hobbs the Printers Ltd, Totton, Hants 2010, ISBN 978-0-9564591-1-4, S. 45 (englisch, 221 S.).
  5. S. Bradbury: The Evolution of the Microscope. second impression 1968 Auflage. Pergamon Press, Oxford 1967, ISBN 978-1-4831-3190-0, S. 18 & 112 (englisch, 357 S.).
  6. a b Brian Bracegirdle: A history of Photography with the Light Microscope. Hrsg.: Queckett Microscopical Club. Hobbs the Printers Ltd, Totton, Hants, ISBN 978-0-9564591-1-4, S. 43 (englisch, 221 S.).
  7. a b c John Quekett: A practical treatise on the use of the microscope including the different methods of preparing and examining animal, vegetable, and mineral structures (= Library of illustrated standard scientific works. Vol VI). Hippolyte Bailliere, Publisher, London 1848, 14-16.
  8. a b c Gerard Turner (fälschlicherweise als Gerald Turner angegeben): Mikroskope. Callwey Verlag, München 1981, ISBN 3-7667-0561-X, S. 28 (128 S.).
  9. a b Dieter Gerlach: Geschichte der Mikroskopie. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-8171-1781-9, S. 94-96, S. 107 (1045 S.).
  10. Dieter Gerlach: Geschichte der Mikroskopie. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-8171-1781-9, S. 144–146 (1045 S.).
  11. a b c d e f g Leopold Dippel: Das Mikroskop und seine Anwendung. Erster Theil. Bau, Eigenschaften, Prüfung, gegenwärtiger Zustand, Gebrauch (Allgemeines) u. s. w. Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig 1867, S. 60-61 (490 S.).
  12. a b c d e f g h Heinz Appelt: Einführung in die mikroskopischen Untersuchungsmethoden. 4. Auflage. Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.G., Leipzig 1959, S. 136-140 (468 S.).
  13. a b c T. Péterfi: Wissenschaftliche Anwendung der Photographie. Zweiter Teil: Mikrophotographie. In: Alfred Hay, weitergeführt von M. v. Rohr (Hrsg.): Handbuch der wissenschaftlichen und angewandten Photographie. Band VI. Springer-Verlag Wien GmbH, Wien 1933, ISBN 978-3-7091-5186-0, S. 228-229, doi:10.1007/978-3-7091-5334-5 (432 S., [1]).
  14. Dieter Gerlach: Geschichte der Mikroskopie. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-8171-1781-9, S. 30 (1045 S.).
  15. S. Bradbury: The Evolution of the Microscope. second impression 1968 Auflage. Pergamon Press, Oxford 1967, ISBN 978-1-4831-3190-0, S. 18–21.
  16. R. J. Petri: Das Mikroskop. Von seinen Anfängen bis zur jetzigen Vervollkommnung für alle Freunde dieses Instruments. Verlag von Richard Schoetz, Berlin 1896, 6-9 (248 S., Online Versionen: biolib.de UB Uni Frankfurt).
  17. Dieter Gerlach: Geschichte der Mikroskopie. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-8171-1781-9, S. 87 (1045 S.).
  18. Dieter Gerlach: Geschichte der Mikroskopie. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-8171-1781-9, S. 75 (1045 S.).
  19. Viktor Patzelt: Das Mikroskop und seine Nebenapparate im Dienst der naturwissenschaften, Medizin und Technik. Verlag Georg Fromme & Co., Wien 1950, S. 107 (156 S.).
  20. Erich Menzel: Phasenkontrast-Verfahren. In: Hugo Freund (Hrsg.): Handbuch der Mikroskopie in der Technik. Band 1 Die optischen Grundlagen, die Instrumente und Nebenapparate für die Mikroskopie in der Technik, Teil 1 Allgemeines Instrumentarium der Durchlichtmikroskopie. Umschau Verlag, Frankfurt am Main 1957, S. 327 (681 S.).
  21. Hermann Beyer: Historischer Rückblick. In: Horst Riesenberg (Hrsg.): Handbuch der Mikroskopie. 3. Auflage. VEB Verlag Technik, Berlin 1988, ISBN 3-341-00283-9, S. 16 (488 S.).
  22. a b Adolph Hannover: Das Mikroskop, seine Construction und sein Gebrauch. Leopold Voss, Leipzig 1854, S. 42-43 ([www.BioLib.de]).
  23. Dieter Gerlach: Geschichte der Mikroskopie. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-8171-1781-9, S. 165 u. 407 (1045 S.).
  24. Julius Vogel: Das Mikroskop ein Mittel der Belehrung und Unterhaltung für Jedermann sowie des Gewinns für Viele. Ludwig Denicke, Leipzig 1867, S. 33.
  25. „formerly much in use, but it is now comparatively seldom employed“. Quelle: William B. Carpenter: The microscope and its Revelations. Blanchard and Lea, Philadelphia 1856, S. 145.
  26. „.. was formerly much in use as a reflector, but is now alsmost abandoned or rather replaced by other and better contrivances“. Quelle: Jabez Hogg: The microscope its history, construction, and application. 6. Auflage. George Routledge and sons, London and New York 1867, S. 181.
  27. Dieter Gerlach: Geschichte der Mikroskopie. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-8171-1781-9, S. 650–651 (1045 S.).
  28. T. Péterfi: Wissenschaftliche Anwendung der Photographie. Zweiter Teil: Mikrophotographie. In: Alfred Hay, weitergeführt von M. v. Rohr (Hrsg.): Handbuch der wissenschaftlichen und angewandten Photographie. Band VI. Springer-Verlag Wien GmbH, Wien 1933, ISBN 978-3-7091-5186-0, S. 311, doi:10.1007/978-3-7091-5334-5 (432 S., [2]).