Bemerkungen zur Geschichte der Mikroskop-Objektive

Prof. OStR Erich Steiner und Prof. OStR Mag. Peter Schulz

Bis etwa zur Mitte des 18. Jahrhunderts war das „Einfache Mikroskop“ (Lupe) dem „Zusammengesetzten Mikroskop“ überlegen. Ursachen waren vor allem Schwierigkeiten bei der Zentrierung der Linsen, der Glasqualität, der Schleif- und Poliertechnik, der Scharfstellung, der mechanischen Konstruktion und der nicht behobenen sphärischen und chromatischen Abberation der verwendeten Einzellinsen. Daher wurde von bedeutenden Mikroskopikern der damaligen Zeit dem „Einfachen Mikroskop“ der Vorzug gegeben.


In der Kunst des Linsenschleifens für Mikroskope scheint im 17. Jahrhundert keiner Anthony van Leeuvenhoek (1632 – 1723) übertroffen zu haben. Das Mühsame des Linsenschleifens war Ursache, dass man auf andere Mittel bedacht war, und statt Linsen geschmolzene Glaskügelchen zu benutzen anfing. Der erste, der diese versuchte, war Robert Hooke (1635 – 1703). In der Vorrede zu seiner im Jahre 1665 herausgekommenen Micrographia beschreibt er sein Verfahren. Ein Glasstreifen wird in der Lötrohrflamme zu einem feinen Faden ausgezogen, und das abgebrochene Ende dieses Fadens kommt hierauf in die Flamme, bis sich ein Kügelchen gebildet hat, welches dann abgebrochen und auf einem mit einem Loche versehenen Messingtäfelchen so befestigt wird, dass der rückständige Teil des Glasfadens an die Seite des Loches zu liegen kommt. Hooke selbst schreibt über den Vergleich beider Instrumente: „Tatsächlich lassen sie (die Kügelchen; d. Verf.) das Objekt viel klarer und deutlicher erscheinen und vergrößern genauso stark wie zusammengesetzte Mikroskope. Und es ist sogar so, dass diejenigen, deren Augen es vertragen, mit dem einfachen Mikroskop viel besser Entdeckungen machen können, als mit dem zusammengesetzten, weil bei dem einfachen die Farben fehlen, die beim zusammengesetzten die klare Sicht stören“ Ausgezeichnete Kugellinsen sollen jedoch schon früher von Evangelista Torricelli (1608 – 1647), dem Nachfolger Galileo Galileis (1564 – 1642) als Professor für Mathematik und Philosophie in Florenz, gefertigt worden sein.

Im 19. Jahrhundert hat Pieter Harting (1813 – 1885) und um 1950 Pieter van der Star (Kurator im Reichsmuseum für Geschichte der Naturwissenschaften in Leiden) Glaskügelchen hergestellt und sie mit Linsen historischer einfacher Mikroskope verglichen. Die Vergrößerungen von Hartings Kugeln – sie waren übrigens nicht nach der Methode von Hooke hergestellt, sondern nach Abbrechen des Schwanzes nochmals aufgeschmolzen und damit völlig abgerundet worden – lagen zwischen 80fach und 2000fach, wobei die Auflösung besser als ein Mikrometer gewesen sein soll. Van der Star hat 65 selbst hergestellte Glaskugeln mit Vergrößerungen zwischen 100x und 360x vermessen und mit historischen Linsen verglichen. Er fand seine eigenen besser als beispielsweise die von Johan Joosten van Musschenbroek (1660 – 1707) und vermutete die Ursache dafür in der grundsätzlich schlechteren und dazu noch schwankenden Qualität des Glases im 17. Jahrhundert. Van der Star sah hierin den Grund für das Bemühen vieler Mikroskopiker und Instrumentenbauer jener Zeit, die Kügelchen durch geschliffene Linsen zu ersetzten. Es sollten sich in einem größeren Glasbrocken leichter einwandfreie, für das Schleifen geeignete Stückchen finden lassen, als nur in einer der Linsengröße entsprechenden Portion des Schmelzgutes. Übrigens hatte bereits Hooke gefordert, das Glas zur Herstellung der Kugellinsen sorgfältig auszuwählen.

Trotz der spektakulären Erfolge, die berühmte Mikroskopiker wie Malphigi, Swammerdam und Leeuvenhoek mit einfachen Mikroskopen im 17. Jahrhundert erzielten, ließen sich weitblickende Gelehrte und Instrumentenbauer jener Zeit in ihren Bestrebungen zur Verbesserung des zusammengesetzten Instruments nicht beirren. Sie hatten seine prinzipielle Überlegenheit über das einfache Mikroskop erkannt und erdachten eine Vielzahl optischer und mechanischer Verbesserungen, die allerdings meistens weniger theoretischen Überlegungen entsprangen, sondern vielmehr durch geduldiges Experimentieren und Beobachten gefunden wurden. So versuchte man – und das durchaus erfolgreich - , das Sehfeld zu vergrößern und die Bildhelligkeit zu erhöhen. Beides gelang durch Einfügen einer dritten Sammellinse, der sogenannten Feldlinse, in den Strahlengang. Bald danach gab es Bemühungen zum Ebnen des Sehfeldes mit einer zusätzlichen Okularlinse. Zweilinsige Objektive erschienen wenig später. Die Idee dazu wurde bereits unter anderem von Eustachio Divini (1620 – 1695), Johann Christoph Sturm (1635 – 1703) und J. F. Grindl von Ach (1631 – 1687) vertreten. Dass diese einfache, die sphärische Aberration reduzierende Massnahme (vor allem, wenn plankonvexe Linsen mit ihrer planen Seite gegen das Präparat gerichtet wurden) solange in Vergessenheit geraten ist, ist schwer verständlich. Allerdings entsteht bei solchen Objektiven das schwierige Problem, die optische Achse der einzelnen Linsen genau ineinander zu vereinigen, was schon Grindl angemerkt hat. In der Folge enthielten die Mikroskope oft vier, sechs oder noch mehr Linsen. Da das Verständnis für die Ursachen der Abbildungsfehler aber noch weitgehend fehlte, waren solche Instrumente wegen der mangelhaften Qualität der Linsen häufig schlechter als zwei oder dreilinsige.


So wurde lange Zeit durch empirisches Herumtasten versucht das Instrument zu verbessern. Dabei war man sich aber über die wissenschaftlichen Zusammenhänge im Unklaren. Jedes herzustellende Objektiv wurde durch Versuche, allgemein „Pröbeln“ oder auch „Tatonnement“ genannt, zusammengesetzt. Dabei probierte man aus einer oft großen Zahl vorgefertigter Linsen – oft mehr als 1000 Stück von jeder Sorte - ein möglichst klares und helles Bild zu erhalten. Oft kopierten kleinere Werkstätten die Produkte bereits etablierter Hersteller, wie es auch häufig im Stativbau vorkam. Durch Erfahrung und Fleiß kam man zu einer Güte, die auch heute noch Erstaunen über die Leistung mancher Hersteller hervorruft. Die ersten achromatischen Objektive konstruierten Jan (1715 – 1801) und Harmanus van Deyl (1738 – 1809) in Holland. Das erste praktisch brauchbare achromatische Objektiv (es bestand aus drei Linsen verschiedener Glassorten) konstruierte basierend auf theoretischen Grundlagen der Amsterdamer Francois Beeldsnyder (1755 – 1808). Verglichen mit den ersten achromatischen Fernrohrobjektiven, die bereits 1755 von John Dollond (1706 – 1761) in den Handel gebracht worden, vergingen hier mehrere Jahrzehnte, da man die kurzbrennweitigen und daher kleinen Linsen, wie sie für ein Mikroskop erforderlich sind, nicht schleifen konnte.


In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts wetteiferten mehrere kontinentale Mikroskophersteller (wie J. Fraunhofer, W. und C. Chevalier, G. B. Amici, S. Plössl und andere) mit den manchmal in der Entwicklung der Mikroskop-Objektive im voraus befindlichen englischen Herstellern (wie J. Lister, A. Ross, H. Powell , J. Smith und andere), um die Qualität der Objektive bezüglich Achromasie, sphärische Korrektur bzw. Öffnungswinkel und Auflösungsvermögen zu verbessern.
Trotz der ständig anwachsenden Leistung der Objektive mussten jedoch alle oben angeführten Optiker (optische Künstler !) ihre jeweiligen Objektive mit bereits gefassten Linsen durch „Pröbeln“ zusammenstellen. Der Grund dafür war die nach wie vor größtenteils fehlende theoretische Kenntnis der physikalisch-optischen Zusammenhänge. So konnte man um die Mitte des 19. Jahrhunderts bereits brauchbare Mikroskope mit guter Optik herstellen. Kein Erzeuger war aber in der Lage zwei optisch idente Geräte zu erzeugen. Die Prüfung für die ausreichende Leistung der Objektive erfolgte durch sogenannte Testobjekte. Besonders wurden die Feinstrukturen des Kieselskelettes verschiedener Diatomeen bzw, Schmetterlingsschuppen zur Untersuchung des Auflösungsvermögens verwendet. Diese Methode hatte aber zwei Nachteile: es war jeweils nicht bekannt, welche noch feineren Strukturen bei einem im Moment noch nicht erreichbaren Auflösungsvermögen allenfalls aufzulösen gewesen wären, sodass neue Testobjekte gesucht werden mussten. Zusätzlich bildeten diese Testobjekte keine gleichmäßige Reihe immer feinerer Strukturen. Diese natürlichen Objekte hatten auch eine unterschiedliche Dicke und stellten sich unter verschiedenen Beleuchtungsarten und Einschlussmitteln sehr verschieden gut dar.


Dem half Friedrich Adolf Nobert (1806 – 1881) ab 1845 ab. Mit einer von ihm selbsterfundenen Kreisteilungsmaschine stellte er Testplatten her, die aus immer näher beiei-nanderliegenden Striche bestanden. Sie wurden mittels einer Diamantspitze auf einem dünnen Glasplättchen in Gruppen, die eine geometrische Reihe bildeten eingeritzt. Der Abstand der Striche der jeweiligen Gruppe war exakt bekannt. Wenn jemand die feinste Gruppe einer Platte aufgelöst hatte, wurde von Nobert eine neue Testplatte mit noch feineren Gruppen erzeugt. So entstanden von 1845 bis 1873 sieben verschiedene Testplatten. Die letzte Testplatte enthielt zwanzig Gruppen. Die letzten Gruppen waren so fein, dass sie mit einem Lichtmikroskop nicht aufgelöst werden können. Erst 1966 konnten durch elektronenmikroskopische Untersuchungen von Turner und Bradbury die letzten Gruppen aufgelöst werden. Ein anderer Hersteller von solchen Testplatten war Charles (Karl) Fasoldt (1818 – 1898) ein deutschstämmiger amerikanischer Uhrmacher. Auch seine Testplatten enthielten Gruppen mit immer feiner werdenden Strichabständen, von denen die feinsten Gruppen ebenfalls nicht mit einem Lichtmikroskop aufgelöst werden können.


Diesem ewigen Probieren ein Ende zu setzen, war das Bestreben von Carl Zeiss (1618 – 1888). Er kam zu der Überzeugung, dass dem Fortschritte beim Bau von Mikroskopen auch bei bestem handwerklichem Können Grenzen gesetzt sind, wenn eine möglichst vollkommene Form der optischen Systeme nicht durch vorherige Berechnung gefunden wird. 1863 wandte er sich an den damaligen Privatdozenten Ernst Abbe (1840 – 1905) und stellte ihm die Frage, ob er die Fertigung von Mikroskopen auf eine wissenschaftliche Grundlage stellen könnte. Diese Idee von Carl Zeiss hat Abbe über viele Hindernisse hinweg verwirklicht.


Abbe war ab 1866 vollamtlich für die Firma Zeiss tätig. 1871 stellte Abbe fest, dass bessere Objektive mit den zur Verfügung stehenden optischen Gläsern nicht zu bauen waren. Es war damals sehr schwierig, optisches Glas genau definierter Eigenschaften zu erhalten. Zudem hatte jede Schmelze wieder abweichende Eigenschaften. Auch war die Auswahl an verschiedenartigen optischen Gläsern zu klein. Aus dieser Schwierigkeit heraus begann die Zusammenarbeit mit Otto Schott (1851 – 1935) einem Spezialisten für Glas. Dieser richtete 1882 ein Laboratorium in Jena ein und lieferte bald interessante Gläser.


Abbe hat einen hohen Aufwand an theoretischer Arbeit, aber auch sehr viele experimentelle Studien an Gläsern und Linsenkombinationen betrieben. 1872 wurden in Jena die ersten vollständig auf Abbes Berechnungen beruhenden Objektive gebaut. Mit den ab 1883 von Otto Schott gelieferten neuen Gläsern unternahm es schließlich Abbe, die Krönung seiner Arbeit zu schaffen: die Apochromate. Diese Objektive wiesen auch eine Korrektur des verbleibenden sekundären Farbfehlers der Achromate auf. 1886 entstand ein 10-linsiger Apochromat mit einer 3 mm Brennweite und einer numerischen Apertur von 1,40. Aber Zeiss blieb nicht lange allein. Bereits 1887 lieferte Carl Reichert – der bedeutende Nachfolger von Plössl in Wien – ebenfalls Apochromate.


Seit damals ist grundsätzlich die Korrektion von Mikroskop-Objektiven nicht mehr wesentlich gesteigert worden. Erst in neuerer Zeit erreichte man durch immer bessere Vergütungen der optischen Linsen und neueren Berechnungen für die Planität des Gesichtsfeldes eine immer besser werdende Brillanz des betrachteten Bildes.

Ergänzende Literatur:

Boegehold, H.: „Das optische Systems des Mikroskops“, VEB Verlag Technik, Berlin, 1958

Dippel, Leopold.: „Das Mikroskop und seine Anwendung”, Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig, 1882

Ford, Brian J.: „Singe Lens – The story of the simple microscope“, Harper & Row, Publishers, New York 1985

Frey, Heinrich: „Das Mikroskop und die Mikroskopische Technik“, Wilhelm Engelmann, Leipzig, 1877


Gloede, Wolfgang: „Vom Lesestein zum Elektronenmikroskop“, VEB Verlag Technik Berlin, 1986

Hoog, Jabez: „The Microscope“, George Routledge and Sons, London, 1883

Hooke, Robert: „Micrographia“, London, 1665

Merkel, Friedrich: „Das Mikroskop und seine Anwendung“, Verlag von R. Oldenbourg, München, 1875

Petri, R. J.: “Das Mikroskop”, Verlag von Richard Schoetz, Berlin 1896

Rockstroh, Heinrich: “Das Mikroskop”, Wilhelm Schüppel, Berlin, 1835

Rooseboom, Maria: “The History of the Microscope” in Proceedings of the Royal Micro scopical Society, Vol. 2, p.p. 266-293 1967

Steiner, Erich: „Die Nobert`schen Probeplatten – ein Meilenstein in der Geschichte der Mikroskopie“, Mitteilungsblatt der Mikrographischen Gesellschaft Wien, Heft 2, 1994, S. 22 - 25

Steiner, Erich: „C. Fasoldt`s Micrometric Ruling – ein Wunderwerk der Präzision“, in Mikrokosmos 92, Heft 3, S. 165 – 170, Urban & Fischer, Jena, 2003

Turner, Gerald L`E.: “Essays on the History of the Microscope“, Senecio Publishing Company Limited, Oxford England, 1980

Volkmann, Harald: „Geschichte der Mikroskopie“, in Broschüre des Optischen Museums Oberkochen, (ohne Jahresangabe)