3.3 Ultra-Dunkelfeld-Mikroskopie (UDM) - eine neue Beleuchtungsart:

Die physikalischen Grundlagen der Totalreflexion an einer planparallelen Platte, der Lichtleittechnik und die eben dargestellten Nachteile der Dunkelfeldbeleuchtung führten zu Überlegungen mit dem Ziel einer anderen Realisierung dieser Kontrastmethode.

Bei der UDM wird das Licht, das für die Mikroskopie benötigt wird, direkt in den Objektträger eingespeist. Mittels Totalreflexion pflanzen sich die Lichtstrahlen im Träger fort und treten erst dann aus diesem aus, wenn sich ein Objekt an dessen Oberfläche befindet, was auf den an dieser Stelle anderen Brechungsindex zurückzuführen ist. Der Vorteil liegt darin, dass bis zu dem Punkt, an dem das Licht auf das zu untersuchende Objekt trifft im Gegensatz zur bisherigen Dunkelfeldbeleuchtung noch kein Licht verloren gegangen ist. Die Winkel der Lichtstrahlen im Objektträger sind stets größer als der Kritische Winkel und werden deshalb komplett von der Oberfläche zurückreflektiert, bis sie schließlich am Objekt austreten. Diese Tatsache ist deshalb so wichtig, weil Lichtmenge in der Mikroskopie als Informationsmenge über das zu betrachtende Objekt verstanden werden kann. Daher ist es nur von Vorteil, hier keine Licht-/Informationsmenge im Voraus zu verschenken.

Um diese Überlegungen experimentell zu untermauern war ein zunächst einfacher Aufbau gefragt. Dabei wurde ein Objektträger mit einem EDDING-Marker beschrieben und von Hand seitlich mit einem Laserpointer beleuchtet. Da der Lichtstrahl eines Laserpointers wenig Divergenz aufweist, war es wichtig, hier den richtigen Winkel zu treffen. Es zeigte sich dass ein solcher Aufbau zu provisorisch war. Dennoch war eine deutliche Beleuchtung der aufgebrachten Schrift zu erkennen.

Die weiteren Überlegungen zielten auf die Frage ab, wie möglichst intensives Licht in den Objektträger eingespeist werden kann. Als Lichtquelle erschienen weiße Leuchtdioden sinnvoll, da sie erheblich kleiner sind als vergleichbare Glühbirnen und ihnen in der Helligkeit deutlich überlegen sind. Außerdem führen sie kaum zu einer Erhitzung des Objektträgers. Die Verbindung zwischen Leuchtdiode und Objektträger herzustellen war deutlich schwieriger. Erste Überlegungen, mit handelsübliche Lichtleitern zu arbeiten, wurden verworfen. Als Zwischenstück boten sich Plexiglasklötze mit den Maßen 1cm * 1cm * 10cm (b * h * l) an, die als eine Art Adapterstück auf der einen Seite die Diode und auf der gegenüberliegenden Seite den Objektträger aufnehmen sollten. Als Material war Plexiglas deshalb sinnvoll, weil sich die Lichtstrahlen ähnlich wie im eigentlichen Objektträger fortpflanzen und daher an dieser Stelle keine Verfälschung der Ergebnisse zu erwarten war und außerdem die Bearbeitung, also das eventuell nötige Anbringen von Bohrungen und Nuten keine Probleme darstellen sollten.

Skizze 6 - Testaufbau

Zum weiteren Testen war ein Aufbau mit einer einzigen Leuchtdiode geplant. Im Plexiglasblock wurde mit Hilfe eines Bohrständers eine 5mm - Bohrung angebracht, die die Leuchtdiode bis zu ihrem umlaufenden Kragen aufnahm. An der Gegenseite wurde eine ca. 1mm breite Nut mit einem eingespannten Sägeblatt eingefräst, die den Übergang zum Objektgläschen bilden sollte.

Erste Beobachtungen von diversen Objekten waren vielversprechend und zeigten typische Dunkelfeldergebnisse, jedoch erschien die Lichtintensität für eine Auswertung erheblich zu schwach, weswegen ein zweiter symmetrischer Plexiglasblock das Objektgläschen von der anderen Seite aufnehmen sollte. Die zweite LED machte sich im Bild sofort bemerkbar. Eine Aufnahme mit Hilfe einer Digitalkamera war trotz dieser Verbesserung noch nicht möglich. Um die Lichtausbeute der LED zu erhöhen wurde die seitliche Berandung der LED mit reflektierender Aluminiumfolie versehen, damit der Lichtaustritt gebündelt nur nach vorne erfolgen konnte.

Die Ergebnisse waren nach diesen Änderungen zufriedenstellender, doch für eine digitale Auswertung noch immer nicht ausreichend.

Die Idee war nun, den Plexiglasblock nicht mehr als Übergangsmedium für das Licht zu benutzen. Er sollte im Grunde nur noch eine tragende Funktion haben, also die Leuchtdiode und den Objektträger in ihrer Position halten. Die Diode dagegen sollte ihr Licht nun unmittelbar in das Objektgläschen einspeisen.

Skizze 7 - Entwicklung der Einkopplung

Der Aufbau einer Leuchtdiode erleichtert die Umsetzung dieser Idee. Da das für die Funktion der Diode so wichtige Halbleiterelement nur einen Teil der LED ausmacht ist eine Bearbeitung des vorderen Teils, der nur eine Linsenfunktion übernimmt ohne Probleme möglich.

Am Plexiglasblock wurde nun eine so tiefe Bohrung angebracht, dass der halbrunde linsenartige Teil der Diode auf der anderen Seite herausguckte (s. Skizze 7(1)). Dieser Teil wurde per Schleifpapier entfernt, so dass wieder eine plane Fläche entstand (2). Auf dieser Seite wurde nun, wie bisher eine Nut angebracht, und die Leuchtdiode ebenfalls wie schon zuvor mit Alufolie ummantelt per Sekundenkleber in den Block eingesetzt (3).

Dieser Schritt führte letztlich noch einmal zu einer erheblichen Verbesserung, so dass Bilder entstanden, mit denen eine Auswertung per Computer sehr gut möglich waren. Eine erneute Verdopplung der Diodenanzahl ergibt letztendlich eine Objektträgerkonstruktion, die folgendermaßen aussieht.