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imaging (Fach) / Ogris 1 (Lektion)

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• Beziehung zwischen Wellenlänge, Frequenz, Energie in Formeln? E= h * f f =c / λ λ = c /f
• Was machen Stäbchen/Zäpfchen? Stäbchen -> hell/dunkel Zäpfchen -> Farbe Grün deckt die meisten Spektren der Zentren ab -> am besten sichtbar
• Was bedeutet CCD? charge-coupled device -> Farbe erkennbar durch Filter
• Was bestimmt Empfindlichkeit und Auflösung beim CCD? Größe der einzelnen Fotodioden (‚Pixelgröße‘) bestimmt EmpfindlichkeitGröße des Sensors bestimmt Auflösung
• Wieist das Verhältnis RGB beim CCD? 1R 2G 1B
• Prinzip einer Photodiode? Halbleiter: Einstrahlen von Licht bewirkt Übergang von e- vom Valenzband in das Leitungsband=Sperrschicht wird überwunden -> Strom
• Element für n-Dotierung? P, As
• Element für p-dotierung B,Al,In,Ga
• Lichtquellen für die Mikroskopie? Wolframlampe (Glühlampe)HalogenlampeXenon-Lichtbogen Lichtlampe (XBO)Quecksilberdampflampe (HBO)LEDLASER
• Farbtemperatur Temperaturwert (in Kelvin (K)), den ein hypothetischer schwarzer Körperaufweist, dessen Licht den selben Farbeindruck liefert wie die mit diesem Wertbeschriebene Farbe der Beleuchtung
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• Lichtstrom • Strahlungsleistung, die im Bereich des sichtbarenLichts abgegeben wird (380-780 nm)• Einheit: Lumen [lm]• Eigentliche Einheit ist Watt, wird jedoch in derphysiologischen Einheit lm angegeben.
• • Lichtausbeute Lichtstrom/Leistungsaufnahme(Wirkungsgrad einer Lichtquelle), z.B. Glühlampe:15 lm/W
• Raumwinkel Ω: • Dreidimensionale Entsprechung zum Winkel in derEbene (dimensionslos)• Wird als Steradiant (sr) angegeben• Berechnet sich aus der Fläche einesKugeloberflächensegments A und dem Kugelradius:Ω =A/r2
• Lichtstärke Lichtstärke  • Lichtstrom, der in einen bestimmten Raumwinkel abgestrahlt wird• Einheit: Candela [Cd]• Kerze: 1 cd; 100 W Lampe: 120 cd (Annahme: Lichtstrom in alleRichtungen gleich -> Reflektoren, um Beleuchtungsstärke (s.u.) zuerhöhen)
• • Lichtausbeute Lichtstrom/Leistungsaufnahme(Wirkungsgrad einer Lichtquelle), z.B. Glühlampe:15 lm/W
• Beleuchtungsstärke Lux [lx = lm/m2]
• Quecksilberdampflampe (HBO) • Starke Emissionsbanden im UV (UV-C, UV-A), violett, blau, grün und gelb-orange• Sehr gut geeignet zum Anregen von UV-Fluoreszenzfarbstoffen (z.B. DAPI Kernfärbung)• Aufwärm- und Abkühlzeit einhalten
• Metallhalidlampe (HBO) • Hauptemissionsbanden wie HBO Lampe• ABER: Stärkeres kontinuierliches Spektrum zwischen Peaks• Bessere Anregung von grün fluoreszierenden Fluorophoren (z.B. GFP)• Aufwärm- und Abkühlzeit einhalten
• LED (Light Emitting Diode) • Spannung an Halbleiter an p-n Grenze (s.u.) anlegen -> Emission von monochromatischem Licht• Emittierte Wellenlänge abhängig von Dicke der Sperrschicht (s.u.)• LEDs für UV, VIS, NIR und IR verfügbar• Keine Emission von Wärmestrahlung (außer IR LED)• Wird ggf. HBO Lampen in derMikroskopie ablösen
• ‚Weisse LED Blau emittierende LED mit Phosphoreszenzschicht
• Inkohärentes Licht; Zeitlich kohärentes Licht; Zeitlich und räumlich kohärentes Licht Inkohärentes Licht (z.B. Glühlampe):• Strahlt in alle Richtungen• Unterschiedliche Wellenlängen• Keine Phasenbeziehung zwischen den einzelnenausgesandten Wellenzügen Zeitlich kohärentes Licht (z.B. LED):• Monochromatisches Licht• Nur zeitlich, nicht räumlich kohärent Zeitlich und räumlich kohärentes Licht (LASER):• Monochromatisches, parallele Wellen• D.h. gleiche Richtung, Phase und Wellenlängealler emittierten Photonen
• Optischer Resonator • Aktives, angeregtes Medium wird von zwei selbstabbildenden Spiegeln begrenzt• Stimulierte Emission und Reflexion sorgt für Lichtverstärkung• Licht ist zeitlich und räumlich kohärent• Licht wird durch halbdurchlässigen Spiegel ausgekoppelt
• Laserdiode Schematischer Aufbau einer Laserdiode (vgl. Diode!):Diode zwischen zwei reflektierenden MetallfolienKantenemission von kohärenten Licht durch beidseitige Reflexion Nicht verwechseln!• Laserdiode: s.o.• Diodenlaser: Laser, dessen Anregungsquelle Laserdioden sind
• Feststofflaser  Trägerwerkstoff (Glas, Kristall) wird dotiert Anregung durch Bogenlampen oder LED• z.B. DPSS (Diode Pumped Solid State Laser): Anregung erfolgt durch Laser Diode(n) λ Laser Diode < λ Emission Feinsteuerung der emittierten Wellenlänge durch Dotierung des Kristalls
• Gaslaser  Edelgas in Plasmaröhre als Medium (He, Ne, Ar, Kr, Xe) Anregung durch Strom (Plasmabildung) Emission charakteristischer Spektrallinien, können z.B. durch Prismengetrennt werden (viel Abwärme, wird immer seltener verwendet)
• Auflösungsvermögen des menschlichen Auges 4 – 1 Winkelminuten
• Brechungsindex n formel n=sin α/sin β = c1/c2 Luft → Glas: Brechung zum Lotsin α > sin βc1 > c2 
• Totalreflexion • Übergang Glas (opt. dichter) zu Luft (opt. dünner): Brechung vom Lot• → Brechungswinkel max 90° (sin(Brechungswinkel) max. 1)• Bei Überschreiten des Grenzwinkel αGR : Totalreflexion
• Dispersion Blaues Licht wird stärker gebrochen als rotes(vgl: Chromatische Abberation Linse)Je kürzer λ, desto größer n
• Bikonvexe und plan-konvexe Linsen: wirken als Sammellinse Lichtstrahlen treffen sich im Brennpunkt F Abstand Linsenmitte – Brennpunkt: Brennweite f
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• Bikonkave und plan-konkave Linsen: wirken als Streulinse Parallel eintreffende Lichtstrahlen laufen scheinbar aus dem Brennpunkt F
• Was macht? 1: Lichtquelle, Kollektor 2: Kondensor 3: Objektiv 4: Okular 1: Lichtquelle, Kollektor Gleichmäßige Ausleuchtung desObjekts2: Kondensor Wie 1, wichtig für optimaleAuflösung3: Objektiv Bildet Präparat in Zwischenebeneab (reelles Bild)4: Okular Reelles Zwischenbild des Objektivswird vergrößert (Lupe)
• Auflösungsvermögen Minimaler Abstand zweier Punkte, die noch als getrennte Objekte wahrgenommen werden können Auflösungsvermögen eine Mikroskops (nach Abbe):d=λ/(2* n * sin(α)) λ Wellenlänge Lichtα Halber Öffnungswinkeln Brechungsindex des Mediums zwischen Deckglas und Objektiv(Brechungsindices: Vakuum: 1; Luft: 1,0003; Wasser: 1,33; Immersionsöl: 1,5; Glas: 1,5-2; Diamant: 2,4)
• Beugung Licht durch Spalt- oder Lochblende → BeugungEs entsteht entlang einer Wellenfront eine neue Welle
• Beugung und Informationsgehalt • An jedem Objekt im Sichtfeld tritt Beugung auf• Durch Interferenz entstehen Maxima 0., 1., 2., 3., 4. etc.Ordnung• Das Sichtfeld besteht aus einem ‚Mosaik‘ an Airy Discs dereinzelnen Objekte Raleigh Kriterium:Zwei Beugungsscheiben (Airy Discs) gleicher Intensität und Größelassen sich voneinander unterscheiden, solange sich die Maxima0. Ordnung nicht überschneiden
• Beugung von Weißlicht an einer Spalt- oder Lochblende: Je länger die Wellenlänge, desto stärker die Beugung!
• Abbe Theorie • Jedes Objekt ruft Beugungseffekte hervor• Bildinformationen des Objekts werden auf Beugungsmaxima aufgeteilt• Maximum 0. Ordnung enthält keine Information über das Objekt(ungebeugtes Licht), kein Bild entsteht• Je mehr Maxima von Objektiv gesammelt werden, desto höher ist dieAuflösung.• Für minimale Strukturinformation müssen Maxima 0. und 1. Ordnunggesammelt werdenHintere Brennebene eines Objektiv:Innen: Maxima 0. Ordnung; außen: Maxima 1. Ordnung
• Objektive: Kennzahlen Unendlichoptik ∞/Deckglaskorrektur (mm)ObjektivklasseMaßstabzahl/Numerische Apertur
• Objektive: Kennzahlen Unendlichoptik ∞/Deckglaskorrektur (mm)ObjektivklasseMaßstabzahl/Numerische Apertur
• Warum Immersionsöl? • Immersionsöl zwischen Deckglas undObjektiv: Hat annähernd gleichenBrechungsindex als Glas• Keine Brechung an den Grenzflächen• Öffnungswinkel vergrößert• → Deutlich höhere Auflösung undLichtempfindlichkeit
• • Arbeitsabstand • Arbeitsabstand (Abstand Objektiv – Präparat)verringert sich mit steigender Maßstabzahl undNA
• Parfokalität • Parfokalität: Abstand zwischenObjektivrevolver und Präparat bleibt gleich (= Abgleichlänge, parfokaler Abstand)
• LD-Objektive LD-Objektive: Objektive mit längeremArbeitsabstand (Long Distance); Eingesetzt u.a.bei Lebendzellbeobachtungen in Petrischalenetc
• Objektive: Endlich- vs unendlich Optik Endlich-Optik:Reelles Bild wird in einem definiertenAbstand von Objektiv (normiert, meist 160mm) abgebildetFür Tubusverlängerung LinsensystemnotwendigUnendlich-Optik:Lichtstrahlen laufen hinter dem Objektivparallel -> eine Tubuslinse (Telan Linse) im beliebigen Abstand erzeugt reelles Bild -> genügend Platz für Filter etc)
• Sphärische Aberration • Randstrahlen verursachen Unschärfe Lösung:1. Blende2. Linsen mit asphärischem Schliff (Radius nichtkonstant)
• Chromatische Aberration • Am Linsenrand spektrale Aufspaltung, führt zu Farbsäumen amBildrand  Problemlösung:• Randstrahlen ausblenden (‚billig‘)• Verwendung von zusammengesetzten Linsen aus unterschiedlichen Glassorten (Kronglas + Flintglas): Brechungsindex n unterschiedlich → Lichtgeschwindigkeiten f best. Wellenlängen unterschiedlich
• Achromat/Apochromat Achromat: Korrektur für 2 FarbenApochromat: Korrektur für 3 Farben
• Bildfeldwölbung Bild wird auf einer gewölbte, nicht planen Fläche abgebildet Problemlösung:• Blende (‚billig‘, aber Schärfentiefe wird höher)• Mehrere Linsen
• Verzeichnung • Kissen-oder tonnenförmige Abbildung• Bedingt durch veränderten Abbildungsmaßstab achsenferner Punkte• Kann nicht durch Blende korrigiert werden Problemlösung:• Mehrere Linsen
• Okular Bestandteile • Austrittspupille• Augenlinse• Sehfeldblende• Feldlinse

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