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Die numerische Apertur beschreibt, wie viel Licht ein Mikroskopobjektiv aufnehmen und wie fein es kleine Strukturen auflösen kann. Je höher dieser Wert ist, desto mehr Details können theoretisch sichtbar werden – allerdings sinkt dabei meist die Schärfentiefe.
Die Abkürzung lautet NA. Du findest sie direkt auf dem Objektiv, meistens hinter der Vergrößerungsangabe. Ein Aufdruck wie „40/0,65“ bedeutet beispielsweise: Das Objektiv vergrößert 40-fach und besitzt eine numerische Apertur von 0,65.
Auf einen Blick
- Die numerische Apertur bestimmt wesentlich das Auflösungsvermögen eines Objektivs.
- Ein hoher NA-Wert bedeutet einen größeren erfassten Lichtkegel.
- Die Formel lautet: NA = n × sin α.
- Immersionsöl ermöglicht Werte über 1, weil es einen höheren Brechungsindex als Luft besitzt.
- Eine hohe numerische Apertur verbessert die Detailerkennbarkeit, verkleinert aber die Schärfentiefe.
- Im Durchlichtmikroskop müssen Objektiv, Kondensor und Aperturblende zusammenpassen.
Die numerische Apertur ist eine einheitenlose Kennzahl für die Fähigkeit eines Mikroskopobjektivs, Licht aufzunehmen und feine Details aufzulösen. Sie hängt vom Öffnungswinkel des erfassten Lichtkegels und vom Brechungsindex des Mediums zwischen Präparat und Objektiv ab.
Was bedeutet numerische Apertur?
Die numerische Apertur ist eine der wichtigsten Angaben auf einem Mikroskopobjektiv. Trotzdem wird sie von Einsteigern häufig übersehen. Stattdessen achten viele zuerst auf die Vergrößerung, obwohl diese allein nur wenig über die tatsächlich sichtbaren Details aussagt.
Vereinfacht kannst du dir ein Objektiv wie einen Trichter vorstellen, der Lichtstrahlen aus dem Präparat auffängt. Ein schmaler Trichter nimmt nur Licht auf, das nahezu gerade aus dem Präparat austritt. Ein weiter geöffneter Trichter kann zusätzlich schräg verlaufende Strahlen erfassen.
Gerade diese schrägen Strahlen enthalten wichtige Informationen über sehr feine Strukturen. Kann ein Objektiv sie nicht aufnehmen, fehlen Teile der Bildinformation. Das Präparat erscheint dann zwar vergrößert, kleine Einzelheiten verschmelzen jedoch miteinander.
Die numerische Apertur beschreibt deshalb zwei eng miteinander verbundene Eigenschaften:
- wie groß der vom Objektiv aufgenommene Lichtkegel ist
- wie fein das Objektiv Strukturen voneinander trennen kann
Sie ist also nicht einfach nur ein Maß für die Bildhelligkeit. Ihre wichtigste Bedeutung liegt im Auflösungsvermögen.
Wie Objektiv, Okular, Kondensor und Beleuchtung zusammenspielen, erkläre ich ausführlich im Beitrag über den Aufbau eines Mikroskops.
Die Formel für die numerische Apertur
Die numerische Apertur wird mit folgender Formel beschrieben:
NA = n × sin α
Dabei bedeuten:
- NA: numerische Apertur
- n: Brechungsindex des Mediums zwischen Präparat und Objektiv
- α: halber Öffnungswinkel des maximal aufgenommenen Lichtkegels
- sin α: Sinus dieses Winkels
Die Formel wirkt zunächst abstrakt. Ihre Aussage ist aber gut nachvollziehbar: Die numerische Apertur steigt, wenn das Objektiv Licht aus einem größeren Winkel aufnehmen kann oder wenn sich zwischen Präparat und Objektiv ein Medium mit höherem Brechungsindex befindet.
Der Öffnungswinkel α
Das Präparat sendet oder streut Licht in unterschiedliche Richtungen. Ein Teil verläuft nahezu senkrecht zur Oberfläche, andere Lichtstrahlen treten schräg aus.
Ein Objektiv mit kleinem Öffnungswinkel nimmt nur einen schmalen Teil dieser Strahlen auf. Ein Objektiv mit großem Öffnungswinkel sammelt einen breiteren Lichtkegel. Dadurch gelangen mehr Informationen über das Präparat in das optische System.
In der Formel wird nicht der gesamte Winkel des Lichtkegels verwendet, sondern dessen halber Winkel. Dieser wird üblicherweise mit dem griechischen Buchstaben α, gesprochen Alpha, bezeichnet.
Da der Sinus eines Winkels höchstens den Wert 1 erreichen kann, kann ein Trockenobjektiv in Luft theoretisch keine numerische Apertur über 1 besitzen. In der Praxis liegen die Werte normaler Trockenobjektive darunter.
Der Brechungsindex n
Der Brechungsindex beschreibt, wie stark sich Licht in einem Stoff im Vergleich zum Vakuum ausbreitet und gebrochen wird. Luft besitzt einen Brechungsindex von ungefähr 1. Wasser, Glas, Glycerin und Immersionsöl haben höhere Werte.
Zwischen Deckglas und einem normalen Trockenobjektiv befindet sich Luft. An den Übergängen zwischen Glas und Luft wird ein Teil der schräg verlaufenden Lichtstrahlen so stark gebrochen, dass er das Objektiv nicht mehr erreicht.
Wird dieser Luftspalt durch ein geeignetes Immersionsmedium ersetzt, können mehr dieser Strahlen in das Objektiv gelangen. Dadurch steigt die nutzbare numerische Apertur.
Eine ausführliche fachliche Darstellung der Formel und des zugrunde liegenden Lichtkegels findest du bei Nikon MicroscopyU zur numerischen Apertur.
Warum die numerische Apertur wichtiger als die Vergrößerung ist
Die Vergrößerung sagt lediglich aus, wie groß das Bild eines Objekts dargestellt wird. Sie sagt nicht automatisch aus, wie viele Einzelheiten darin enthalten sind.
Das lässt sich gut mit einem Digitalfoto vergleichen. Du kannst ein unscharfes Foto am Bildschirm immer weiter vergrößern. Das Bild wird dadurch größer, aber neue Einzelheiten entstehen nicht. Stattdessen werden irgendwann nur noch verschwommene Flächen oder einzelne Pixel sichtbar.
Beim Mikroskop passiert etwas Ähnliches. Besitzt das Objektiv ein unzureichendes Auflösungsvermögen, kann ein stärkeres Okular die fehlenden Details nicht nachträglich erzeugen. Es vergrößert lediglich das bereits vorhandene Zwischenbild.
Das wird als leere Vergrößerung bezeichnet.
Zwei Objektive mit gleicher Vergrößerung können daher unterschiedlich viele Einzelheiten zeigen:
- Objektiv A: 40-fach, NA 0,40
- Objektiv B: 40-fach, NA 0,65
Beide erzeugen ein 40-fach vergrößertes Zwischenbild. Das Objektiv mit NA 0,65 kann theoretisch jedoch feinere Strukturen voneinander trennen und nimmt einen größeren Lichtkegel auf.
Die numerische Apertur ist deshalb eine wesentlich aussagekräftigere Angabe für die Detailerkennbarkeit als die Vergrößerungszahl allein.
Warum eine stärkere Vergrößerung nicht automatisch mehr Einzelheiten sichtbar macht, erfährst du im Beitrag Vergrößerung vs. Auflösung: Das Abbe-Limit verstehen.
Numerische Apertur und Auflösung
Die Auflösung beschreibt, wie nah zwei kleine Strukturen beieinanderliegen dürfen, damit du sie noch als getrennte Einzelheiten erkennst.
Bei unzureichender Auflösung verschmelzen zwei dicht nebeneinanderliegende Punkte zu einem einzigen verschwommenen Fleck. Eine bessere Auflösung bedeutet, dass auch kleinere Abstände noch unterschieden werden können.
Der Zusammenhang zwischen Wellenlänge und numerischer Apertur lässt sich vereinfacht mit der Abbe-Formel darstellen:
d = λ / (2 × NA)
Dabei bedeuten:
- d: kleinster theoretisch auflösbarer Abstand
- λ: Wellenlänge des verwendeten Lichts
- NA: numerische Apertur
Je kleiner der errechnete Wert für d ist, desto besser ist die Auflösung.
Die Formel zeigt zwei wichtige Zusammenhänge:
- Eine höhere numerische Apertur verbessert die Auflösung.
- Licht mit kürzerer Wellenlänge ermöglicht eine bessere Auflösung.
Blaues Licht besitzt eine kürzere Wellenlänge als rotes Licht. Es kann daher theoretisch feinere Strukturen auflösen. In der normalen Mikroskopie wird häufig mit weißem Licht gearbeitet, das viele unterschiedliche Wellenlängen enthält.
Beispielrechnung mit verschiedenen Objektiven
Für einen vereinfachten Vergleich nehme ich eine Wellenlänge von 550 Nanometern. Dieser Wert liegt ungefähr im mittleren Bereich des sichtbaren Lichts.
| Numerische Apertur | Theoretischer Abstand d | Einordnung |
|---|---|---|
| 0,25 | 1,10 µm | typischer Bereich eines 10x-Objektivs |
| 0,65 | 0,42 µm | typischer Bereich eines 40x-Objektivs |
| 1,25 | 0,22 µm | typischer Bereich eines 100x-Ölobjektivs |
Ein Mikrometer, abgekürzt µm, entspricht einem Tausendstel Millimeter.
Das Objektiv mit NA 1,25 kann in diesem vereinfachten Beispiel Strukturen trennen, deren Abstand ungefähr 0,22 Mikrometer beträgt. Bei NA 0,25 liegt die theoretische Grenze dagegen bei rund 1,10 Mikrometern.
Diese Zahlen sind Idealwerte. In der Praxis können Präparatqualität, Kontrast, Beleuchtung, optische Fehler, Deckglasdicke und die Einstellung des Kondensors das Ergebnis verschlechtern.
Warum unterschiedliche Auflösungsformeln existieren
Bei der Suche nach Auflösungswerten wirst du möglicherweise auf leicht unterschiedliche Formeln stoßen. Neben der Abbe-Formel wird beispielsweise häufig eine Formel mit dem Faktor 0,61 verwendet.
Das ist nicht zwangsläufig ein Widerspruch. Die Formeln beruhen teilweise auf unterschiedlichen Kriterien dafür, wann zwei Punkte noch als getrennt gelten. Auch Beleuchtungsverfahren und das Zusammenspiel von Objektiv und Kondensor können berücksichtigt werden.
Für das grundsätzliche Verständnis reicht folgende Aussage:
Eine höhere numerische Apertur und eine kürzere Lichtwellenlänge verbessern das theoretische Auflösungsvermögen.
Bei exakten wissenschaftlichen Berechnungen muss dagegen klar sein, welches Auflösungskriterium und welches optische Verfahren verwendet werden.
Einfluss auf Helligkeit, Kontrast und Schärfentiefe
Die numerische Apertur beeinflusst nicht nur die theoretische Auflösung. Sie wirkt sich außerdem auf Helligkeit, Kontrast und Schärfentiefe des Mikroskopbildes aus.
Diese Eigenschaften lassen sich allerdings nicht unabhängig voneinander optimieren. Eine Einstellung, die maximale Auflösung ermöglicht, muss nicht automatisch den besten Kontrast für jedes Präparat liefern.
Eine hohe NA sammelt mehr Licht
Ein Objektiv mit hoher numerischer Apertur kann einen größeren Anteil des aus dem Präparat kommenden Lichts aufnehmen. Bei gleicher Vergrößerung besitzt es deshalb grundsätzlich ein höheres Lichtsammelvermögen als ein Objektiv mit niedrigerer NA.
Das ist besonders bei lichtschwachen Verfahren wichtig, beispielsweise in der Fluoreszenzmikroskopie. Dort steht nur das Licht zur Verfügung, das von fluoreszierenden Strukturen ausgesendet wird. Jeder zusätzlich erfasste Lichtanteil kann die Bildqualität verbessern.
Die wahrgenommene Bildhelligkeit hängt aber nicht allein von der NA ab. Auch diese Faktoren spielen eine Rolle:
- Vergrößerung
- Lichtquelle
- Lichtdurchlässigkeit der Optik
- Präparat
- Blendenstellung
- Kamera oder Auge
- verwendetes Kontrastverfahren
Eine höhere Objektivvergrößerung verteilt das vorhandene Licht außerdem auf eine größere Bildfläche. Deshalb kann das Bild trotz höherer NA dunkler erscheinen, wenn gleichzeitig die Vergrößerung stark steigt.
Die Schärfentiefe wird kleiner
Die Schärfentiefe bezeichnet den Bereich im Präparat, der gleichzeitig scharf erscheint. Bei niedriger numerischer Apertur ist dieser Bereich vergleichsweise groß. Mehrere leicht versetzte Ebenen können gleichzeitig scharf wirken.
Mit steigender numerischer Apertur wird die Schärfentiefe kleiner. Dann ist nur noch eine dünne Ebene des Präparats wirklich scharf.
Das kann zunächst wie ein Nachteil wirken. Für die Untersuchung feiner Strukturen ist die geringe Schärfentiefe jedoch oft erwünscht. Du kannst dadurch gezielter zwischen verschiedenen Ebenen eines Präparats unterscheiden.
Die Kehrseite ist, dass du bei hohen NA-Werten sehr fein fokussieren musst. Schon eine kleine Bewegung am Feintrieb kann die scharfe Ebene sichtbar verschieben.
Bei dicken Präparaten kann es nötig sein, mehrere Aufnahmen mit unterschiedlichen Fokusebenen anzufertigen. Diese lassen sich anschließend bei geeigneten Anwendungen zu einem Bild mit größerem Schärfebereich kombinieren. Dieses Verfahren wird als Focus Stacking bezeichnet.
Mehr Auflösung bedeutet nicht automatisch mehr sichtbaren Kontrast
Ein Objektiv kann eine feine Struktur theoretisch auflösen, ohne dass du sie im Bild sofort deutlich erkennst. Dafür muss zwischen der Struktur und ihrer Umgebung genügend Kontrast vorhanden sein.
Ein transparentes, ungefärbtes Objekt kann selbst bei hoher numerischer Apertur schwer erkennbar bleiben. In solchen Fällen helfen passende Kontrastverfahren, zum Beispiel:
- Färbung
- Dunkelfeld
- Phasenkontrast
- differentieller Interferenzkontrast
- Polarisation
- Fluoreszenz
Die numerische Apertur bestimmt somit, welche Details das optische System grundsätzlich übertragen kann. Der Kontrast entscheidet mit darüber, ob du diese Details im fertigen Bild tatsächlich wahrnimmst.
Einen Überblick über Hellfeld, Dunkelfeld, Phasenkontrast, Polarisation und weitere optische Verfahren findest du in meinem Beitrag zur Lichtmikroskopie.
Wo steht die numerische Apertur auf dem Objektiv?
Die wichtigsten technischen Angaben sind direkt auf dem Gehäuse eines Mikroskopobjektivs aufgedruckt oder eingraviert.
Eine typische Beschriftung kann so aussehen:
40/0,65 160/0,17
Oder bei einem unendlich korrigierten System:
40/0,65 ∞/0,17
Die ersten beiden Angaben bedeuten:
- 40: 40-fache Objektivvergrößerung
- 0,65: numerische Apertur
Die weiteren Angaben beziehen sich unter anderem auf die vorgesehene Tubuslänge beziehungsweise ein Unendlichsystem und auf die Deckglasdicke. Der Wert 0,17 bezeichnet normalerweise eine vorgesehene Deckglasdicke von 0,17 Millimetern.
Bei einem Immersionsobjektiv findest du zusätzlich eine Kennzeichnung wie:
- Oil
- Oel
- Öl
- W
- Water
- Glyc
- Glycerin
Diese Angabe darfst du nicht ignorieren. Ein Immersionsobjektiv ist für ein bestimmtes Medium berechnet und sollte auch nur mit diesem Medium verwendet werden.
Typische NA-Werte als Orientierung
Die folgenden Werte sind häufig anzutreffen, aber nicht für jedes Objektiv verbindlich:
| Objektiv | Häufiger NA-Wert | Verwendung |
|---|---|---|
| 4x | etwa 0,10 | Übersicht und Orientierung |
| 10x | etwa 0,25 | größere Zellen und Gewebestrukturen |
| 20x | etwa 0,40 | mittlere Detailstufe |
| 40x | etwa 0,65 | feine Zellstrukturen |
| 100x Öl | etwa 1,25 | sehr kleine Strukturen und Bakterien |
Hochwertig korrigierte Spezialobjektive können bei derselben Vergrößerung höhere oder abweichende NA-Werte besitzen. Ein 40x-Objektiv ist daher nicht automatisch mit jedem anderen 40x-Objektiv vergleichbar.
Neben der numerischen Apertur spielen auch Abbildungsfehler, Farbkorrektur, Bildfeldebnung, Arbeitsabstand und Deckglaskorrektur eine Rolle.
Trockenobjektiv und Immersionsobjektiv im Vergleich
Bei einem Trockenobjektiv befindet sich Luft zwischen Deckglas und Frontlinse. Diese Objektive sind einfach zu verwenden und decken einen großen Teil der alltäglichen Mikroskopie ab.
Bei sehr feinen Strukturen wird Luft jedoch zum begrenzenden Faktor. Ihr Brechungsindex liegt ungefähr bei 1. Da außerdem der Sinus des Öffnungswinkels nicht größer als 1 werden kann, bleibt die numerische Apertur eines Trockenobjektivs unter 1.
So wirkt Immersionsöl
Bei der Ölimmersion wird ein kleiner Tropfen spezielles Immersionsöl zwischen Deckglas und Frontlinse des Objektivs gebracht.
Deckglas und Immersionsöl besitzen ähnliche Brechungsindizes. Dadurch werden schräg aus dem Präparat kommende Lichtstrahlen am Übergang weniger stark abgelenkt als beim Wechsel von Glas zu Luft. Ein größerer Teil dieser Strahlen erreicht das Objektiv.
Das ermöglicht numerische Aperturen über 1. Typische Ölobjektive besitzen beispielsweise Werte von 1,25, 1,30 oder 1,40.
Der praktische Nutzen besteht nicht darin, dass das Öl das Bild einfach nur heller macht. Entscheidend ist, dass zusätzliche schräg verlaufende Strahlen und damit weitere Bildinformationen in das Objektiv gelangen.
Öl nur mit geeigneten Objektiven verwenden
Immersionsöl darf nur an Objektiven verwendet werden, die dafür vorgesehen sind. Bei einem normalen Trockenobjektiv kann Öl in Fassungen oder Zwischenräume eindringen und die Optik beschädigen.
Nach der Verwendung muss das Öl entsprechend den Herstellerhinweisen vorsichtig entfernt werden. Eingetrocknete Rückstände können die Bildqualität verschlechtern und später nur schwer zu beseitigen sein.
Außerdem darf ein Ölobjektiv nicht einfach trocken benutzt werden. Ohne das vorgesehene Medium arbeitet es nicht mit seiner berechneten numerischen Apertur und kann deutliche Abbildungsfehler zeigen.
Neben Öl gibt es Wasser- und Glycerinimmersion. Diese Medien werden für spezielle Präparate und Anwendungen eingesetzt. Welches Medium erforderlich ist, steht auf dem Objektiv.
Objektiv und Kondensor müssen zusammenarbeiten
Bei einem Durchlichtmikroskop reicht ein Objektiv mit hoher numerischer Apertur allein nicht aus. Der Kondensor unterhalb des Objekttisches muss einen ausreichend breiten Beleuchtungskegel bereitstellen.
Besitzt das Objektiv beispielsweise eine NA von 1,25, der Kondensor kann aber nur eine deutlich kleinere Beleuchtungsapertur liefern, wird das Objektiv nicht vollständig ausgenutzt.
Das Mikroskop arbeitet immer als Gesamtsystem aus:
- Lichtquelle
- Kollektoroptik
- Leuchtfeldblende
- Kondensor
- Aperturblende
- Präparat
- Objektiv
- Okular oder Kamera
Der Kondensor sollte für das verwendete Objektiv geeignet, korrekt zentriert und auf die richtige Höhe eingestellt sein.
Wie Lichtquelle, Kondensor, Präparat und Objektiv im Durchlicht zusammenarbeiten, zeige ich ausführlich im Beitrag über das Durchlichtmikroskop.
Welche Aufgabe hat die Aperturblende?
Die Aperturblende sitzt normalerweise am Kondensor. Sie verändert den Winkel des Beleuchtungslichts und damit die wirksame numerische Apertur der Beleuchtung.
Viele Einsteiger verwenden diese Blende hauptsächlich zur Regelung der Helligkeit. Genau dafür ist sie jedoch nicht gedacht.
Die Aperturblende beeinflusst vor allem:
- Auflösung
- Kontrast
- Schärfentiefe
- Streulicht
- Beugungserscheinungen
Wird sie weit geöffnet, steigt die wirksame Beleuchtungsapertur. Dadurch können theoretisch mehr feine Details übertragen werden. Gleichzeitig kann der Kontrast bei schwachen oder transparenten Präparaten abnehmen.
Wird sie geschlossen, steigen häufig Kontrast und Schärfentiefe. Bei zu starker Schließung sinkt jedoch die Auflösung. Zusätzlich können störende Beugungssäume oder scheinbare Strukturen entstehen.
Ein guter Ausgangspunkt für die Einstellung
Als praktischer Ausgangspunkt wird die Aperturblende häufig so eingestellt, dass ungefähr 70 bis 80 Prozent der hinteren Objektivöffnung ausgeleuchtet werden.
Dieser Wert ist keine starre Vorschrift. Die optimale Einstellung hängt vom Präparat, vom Objektiv und vom verwendeten Kontrastverfahren ab.
So kannst du praktisch vorgehen:
- Stelle das Präparat sorgfältig scharf.
- Richte nach Möglichkeit die Köhlersche Beleuchtung ein.
- Öffne oder schließe die Aperturblende langsam.
- Beobachte gleichzeitig feine Details und Bildkontrast.
- Suche den besten Kompromiss, nicht einfach das hellste Bild.
Die reine Helligkeit regelst du besser über die Lichtquelle oder geeignete Filter. Schließt du die Aperturblende nur deshalb, weil das Bild zu hell ist, verschenkst du möglicherweise Auflösung.
Wie du Beleuchtung, Kondensor und Aperturblende in der Praxis aufeinander abstimmst, erfährst du in meinem Leitfaden zum Mikroskopieren für Einsteiger.
Welche numerische Apertur brauchst du in der Praxis?
Die höchste verfügbare numerische Apertur ist nicht für jede Beobachtung automatisch die beste Wahl.
Bei einer Übersicht über ein größeres Präparat brauchst du ein weites Sichtfeld und eine größere Schärfentiefe. Ein 4x- oder 10x-Objektiv mit niedrigerer NA ist dafür oft besser geeignet als ein starkes Objektiv.
Möchtest du dagegen sehr kleine Strukturen unterscheiden, wird eine höhere NA wichtig. Das kann beispielsweise bei Bakterien, feinen Zellbestandteilen oder kleinen Oberflächenmerkmalen der Fall sein.
Als grobe Orientierung:
| Beobachtungsziel | Sinnvolle Eigenschaft |
|---|---|
| Präparat überblicken | niedrige Vergrößerung, große Schärfentiefe |
| einzelne Zellen betrachten | mittlere Vergrößerung und NA |
| feine Zellstrukturen erkennen | höhere NA und sorgfältige Beleuchtung |
| sehr kleine Bakterien unterscheiden | hohe NA, häufig Ölimmersion |
| dicke oder unebene Objekte betrachten | eher größere Schärfentiefe |
Entscheidend ist nicht, immer den höchsten Wert zu verwenden. Objektiv, Präparat, Beleuchtung und gewünschte Information müssen zusammenpassen.
Numerische Apertur bei der Mikrofotografie
Auch beim Fotografieren durch das Mikroskop ist die numerische Apertur entscheidend. Die Kamera kann nur die Bildinformationen aufnehmen, die das Objektiv zuvor erzeugt hat.
Eine Kamera mit sehr vielen Megapixeln gleicht eine zu geringe optische Auflösung nicht aus. Sie zeichnet das unscharfe Bild lediglich mit mehr Pixeln auf.
Umgekehrt sollte die Kameraauflösung zur optischen Auflösung passen. Sind die Kamerapixel im Verhältnis zum Zwischenbild zu groß, können feine Details verloren gehen. Sind sie extrem klein, entstehen zwar größere Dateien, aber nicht zwangsläufig zusätzliche nutzbare Informationen.
Für gute Mikrofotos sind mehrere Punkte wichtig:
- ausreichend hohe numerische Apertur
- sauber eingestellte Beleuchtung
- passender Kontrast
- korrektes Scharfstellen
- stabile Kamerabefestigung
- sinnvolle Sensor- und Adapteranpassung
- sauberes Präparat und saubere Optik
Eine höhere NA verkleinert außerdem die Schärfentiefe. Bei unebenen Objekten kann deshalb eine Aufnahmeserie mit verschiedenen Fokusebenen notwendig werden.
Welche Möglichkeiten es für Aufnahmen mit Kamera oder Smartphone gibt und worauf du dabei achten solltest, erkläre ich im Beitrag Fotografieren mit dem Mikroskop.
Häufige Fehler im Umgang mit der numerischen Apertur
Nur auf die Vergrößerungszahl achten
Eine hohe Vergrößerung klingt beeindruckend, sagt aber wenig über den tatsächlichen Detailgewinn aus. Vergleiche bei Objektiven immer auch die numerische Apertur und die optische Korrektur.
Die Aperturblende vollständig schließen
Ein dunkleres Bild wirkt manchmal kontrastreicher und scheinbar schärfer. Wird die Blende zu weit geschlossen, gehen jedoch feine Details verloren. Die sichtbaren Kanten können zusätzlich durch Beugung künstlich betont werden.
Maximale Öffnung mit optimaler Einstellung verwechseln
Eine vollständig geöffnete Blende liefert nicht bei jedem Präparat das beste Bild. Gerade transparente Objekte können dadurch kontrastarm und ausgewaschen erscheinen.
Die richtige Einstellung ist häufig ein Kompromiss zwischen Auflösung und Kontrast.
Immersionsöl auf einem Trockenobjektiv verwenden
Öl verbessert nicht pauschal jedes Objektiv. Es funktioniert nur mit einer dafür berechneten Immersionsoptik. Ein Trockenobjektiv kann durch unsachgemäße Verwendung verschmutzt oder beschädigt werden.
Den Kondensor nicht beachten
Ein Objektiv mit hoher NA kann seine Leistung nur ausspielen, wenn der Kondensor einen passenden Beleuchtungskegel erzeugt. Ein falsch eingestellter, schlecht zentrierter oder ungeeigneter Kondensor begrenzt die Auflösung des Gesamtsystems.
Theoretische Werte mit der Praxis gleichsetzen
Die berechnete Auflösungsgrenze ist ein Idealwert. Ein zu dickes Präparat, falsche Deckglasdicke, Schmutz, Luftblasen im Öl, schlechte Fokussierung oder unzureichender Kontrast können das reale Ergebnis deutlich verschlechtern.
FAQ zur numerischen Apertur
Warum hat die numerische Apertur keine Einheit?
Die numerische Apertur setzt sich aus dem Brechungsindex und dem Sinus eines Winkels zusammen. Beide Größen besitzen keine physikalische Einheit. Daher ist auch die NA eine einheitenlose Kennzahl.
Kann die numerische Apertur größer als 1 sein?
Ja. Bei Immersionsobjektiven kann die numerische Apertur über 1 liegen, weil Wasser, Glycerin oder Immersionsöl einen höheren Brechungsindex als Luft besitzen. Trockenobjektive arbeiten dagegen mit Luft und bleiben unter diesem Wert.
Haben zwei Objektive mit gleicher Vergrößerung immer dieselbe NA?
Nein. Zwei 40x-Objektive können beispielsweise unterschiedliche numerische Aperturen besitzen. Das Objektiv mit der höheren NA bietet theoretisch ein besseres Auflösungsvermögen, kann aber eine geringere Schärfentiefe und einen kürzeren Arbeitsabstand haben.
Ist eine möglichst hohe numerische Apertur immer besser?
Nicht für jede Aufgabe. Eine hohe NA ist besonders wichtig, wenn du feinste Details erkennen möchtest. Für Übersichtsaufnahmen, dicke Präparate oder Objekte mit starken Höhenunterschieden kann eine größere Schärfentiefe wichtiger sein.
Verändert die Aperturblende die NA des Objektivs?
Sie verändert nicht den auf dem Objektiv angegebenen maximalen NA-Wert. Sie begrenzt aber die wirksame Beleuchtungsapertur des Gesamtsystems. Wird sie zu weit geschlossen, kann das Objektiv seine mögliche Auflösung nicht vollständig nutzen.
Fazit: Die NA entscheidet über die nutzbaren Details
Die numerische Apertur gehört zu den wichtigsten Kennzahlen eines Mikroskopobjektivs. Sie zeigt dir wesentlich besser als die Vergrößerungsangabe, wie fein ein Objektiv Strukturen auflösen und wie viel Licht es aufnehmen kann.
Ein hoher Wert ermöglicht grundsätzlich eine bessere Auflösung. Gleichzeitig wird die Schärfentiefe kleiner und die Einstellung des Mikroskops anspruchsvoller. Bei Durchlichtaufnahmen müssen außerdem Kondensor und Aperturblende zur Objektivapertur passen.
Für die Praxis bedeutet das: Achte nicht nur darauf, wie stark ein Objektiv vergrößert. Prüfe auch seine NA, verwende das vorgesehene Immersionsmedium und stelle die Beleuchtung sorgfältig ein. Erst das Zusammenspiel aller Komponenten entscheidet darüber, welche Einzelheiten du tatsächlich erkennst.
Welche NA-Werte besitzen deine Objektive, und hast du beim Einstellen der Aperturblende schon sichtbare Unterschiede bei Kontrast und Detailerkennbarkeit festgestellt?
