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Verbesserung an Mikroskopen Diese Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen
der Mikroskopie. Wenn ein Gegenstand unter dem ?Mikroskop betrachtet wird, so hängt
die Bildschärfe von seiner Undurchsichtigkeit, seiner Farbe oder vom Unterschied
der Berechnungsexponenten von Gegenstand und Einbettungsmittel ab. Farblose, durchsichtige
Gegenstände, deren Brechungskoeffizient nur wenig vom Brechungskoeffizienten des
Einbettungsmittels abweicht, sind schwierig zu betrachten, und es gibt eine Anzahl
von Methoden, um die Bildschärfe solcher Objekte zu erhöhen.
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Eine solche bekannte Methode besteht z. B. darin, daß ein Gegenstand
zwischen zwei teilversilberte oder teilmetallisierte Scheiben aus Glas oder ein
anderes durchsichtiges Material gelegt wird, eine Einrichtung, die als Interferometer
bekannt ist. Unter teilmetallisiert wird ein Belag verstanden, der aus einer teilweise
durchscheinenden Metallschicht besteht. Wenn Licht senkrecht auf -ein Paar teilmetallisierte,
parallele Scheiben fällt, so ist die Intensität des durchscheinenden Lichtes von
dem Scheibenabstand und dem Brechungskoeffizienten der von ihnen eingeschlossenen
Substanz abhängig. Wenn die Lichtintensität im Verhältnis zum Scheibenabstand dargestellt
wird, so zeigt die dann erhaltene Kurve eine Reihe von scharfen Maxima mit breiten
Minima dazwischen. Das heißt, bei gewissen Scheibenabständen wird ein großer 'Teil
des einfallenden Lichtes durchgelassen, und bei nur wenig größeren oder kleineren
Abständen sinkt die Intensität des durchgehenden Lichtes auf einen weit geringeren
Wert. Wenn das Einbettungsmittel
zwischen den Scheiben einen durchsichtigen
Gegenstand enthält, dessen Brechungskoeffizient von dem des Mittels verschieden
ist, so ist für die durchfallenden Strahlen die Einfügung dieses Gegenstandes optisch
gleichbedeutend mit einem Wechsel des Scheibenabstandes. Wenn folglich der Scheibenabstand
für die Intensität des durchgehenden Lichtes beispielsweise ein Maximum bedeutete,
könnte die vom Gegenstand bewirkte Änderung des Lichtweges einem Wechsel des Scheibenabstandes
entsprechen, bei dem die Intensität der durch den Gegenstand fallenden Strahlen
weit herabgesetzt würde. Der Gegenstand würde somit trotz seiner Durchsichtigkeit
als dunkles Objekt auf hellem Hintergrund erscheinen. Es ist leicht zu verstehen,
daß bei anderen Scheibenabständen die entgegengesetzte Wirkung eintreten könnte,
der Gegenstand also hell auf dunklem Grund gesehen werden würde.
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Dieses Verfahren verstärkt die Bildschärfe durchsichtiger Gegenstände
außerordentlich, aber nur dann, wenn alle auf das Auge des Beobachters auftreffenden
Lichtstrahlen fast senkrecht oder fast im gleichen Winkel durch die teilmetallisierten
Scheiben mit dem Gegenstand gegangen sind oder wenn der Scheibenabstand sehr gering
ist. Die Ursache hierfür liegt darin, daß der optische Wegunterschied der zwischen
den Scheiben nacheinander reflektierten Strahlen nicht nur vom Scheibenabstand und
dem Brechungskoeffizienten des Einbettungsmittels abhängt, sondern sich auch direkt
mit dem Kosinus des Winkels zwischen den Strahlen und der Senkrechten verändert.
So kann für senkrecht einfallende Strahlen die Durchlässigkeit ein Maximum sein,
und bei einem anderen Einfallswinkel kann der optische Wegunterschied die Durchlässigkeit
auf .ein Minimum herabsetzen, wobei der Wert .dieses anderen Winkels von dem Scheibenabstand
und dem Brechungskoeffizienten der von den Scheiben eingeschlossenen Substanz abhängt.
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So ist es klar, daß zu jedem Scheibenabstand, mit Ausnahme der Fälle,
in denen er äußerst klein ist, eine Anzahl von Einfallswinkeln gehört, bei denen
der Durchgang ein Maximum ist, weil dann der optische Wegunterschied zwischen den
nacheinander an den teilmetallisierten Scheiben reflektierten Strahlen einer integralen
Anzahl von Wellenlängen des zur Beobachtung benutzten Lichtes gleicht. Wenn der
Scheibenabstand gering ist, so wird der Winkelabstand dex Maxima weit sein. Wenn
aber der Scheibenabstand und/odex der Brechungskoeffizient der Substanz größer wird,
nimmt der Winkelabstand der Maxima ab. Wenn angenommen wird, daß- die zum Beobachter
gelangenden Strahlen in einem zusammenlaufenden Strahlenbündel unter einem beträchtlichen
Winkel durch die teilmetallisierten Scheiben gehen, so wird sich, es sei denn, der
Scheibenabstand ist äußerst gering, die zum Beobachter kommende Lichtmenge offenbar
nicht wesentlich mit dem Plattenabstand verändern, und die einzige Wirkung einer
Abstandsänderung ist, daß die Strahlen unter einer verschiedenen Reihe von Winkeln
durch die teilmetallisierten Scheiben gegangen sind. In gleicher Weise wird die
Einfügung eines Gegenstandes von anderem Brechungskoeffizienten keine wesentliche
Änderung in der gesamten Lichtintensität hervorrufen.
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Diese Beobachtungsmethode ist also auf Gegenstände begrenzt, die entweder
zwischen teilmetallisierten Scheiben in einem Abstand angeordnet sind, der einem
Bruchteil der Wellenlänge des benutzten Lichtes entspricht, oder auf Gegenstände,
die von parallelstrahligem oder fast parallelstrahligem Licht beleuchtet werden.
Die Beleuchtung eines Gegenstandes auf dem Objekttisch durch parallele oder fast
parallele Strahlen setzt das Auflösungsvermögen des Mikroskops und die Intensität
des zum Beobachter kommenden Lichtes so stark herab, daß die Beobachtung bei starker
Vergrößerung unmöglich wird. Die Alternative, teilmetallisierte Scheiben in sehr
geringem Abstand voneinander zu benutzen, schränkt die Anwendung der Methode auf
sehr dünne Objekte ein und begrenzt damit die Anwendbarkeit der Methode.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Mittel vorzusehen, wodurch die Vergrößerung
der Bildschärfe in der Interferenzmethode auf die Beobachtung von Gegenständen beträchtlicher
Dicke ausgedehnt wird, ohne daß das Auflösungsvermögen und die Lichtstärke, wie
das bei Verwendung parallelstrahligen Lichtes zur Beleuchtung des Objektes der Fall
ist, schwächer werden.
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Wenn ein Paar teilmetallisierter Scheiben auf den Objekttisch gelegt
und von einem konvergenten Strahlenbündel aus einem darunter angebrachten Kondensor
so beleuchtet werden, daß die Strahlen nach dem Durchgang divergieren und die ganze
Öffnung des Objektivs füllen, dann wird nach Entfernung des Okulars sichtbar, wie
die Schlußlinse des Objektivs von einer Reihe konzentrischer heller Ringe mit dunklen
Zwischenräumen beleuchtet wird. Wird nun der Scheibenabstand leicht geändert, so
.dehnen sich die Ringe aus oder ziehen sich zusammen, wie es die Situation bedingt,
wobei die gesamte zum Auge gelangende Lichtmenge im wesentlichen die gleiche bleibt.
-Wenn nun Mittel gefunden würden, durch die das Licht zum Auge des Beobachters gelangte,
wenn die Ringe eine Reihe von Wegen oder nur einen bildeten, dann würden sich die
Ringe bei leichter Änderung des Scheibenabstandes so vergrößern oder zusammenziehen,
daß kein oder sehr wenig Licht durchgelassen würde. Mit einer derartigen Anordnung
würde das Objekt durch eine Reihe konzentrischer Ringe erleuchtet. sein, die ein
hohes Auflösungsvermögen und beträchtliche Beleuchtung gewährleisten.
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Dementsprechend umfaßt die Erfindung in einem Mikroskop die Vereinigung
dieser wenig getrennten und teilmetallisierten Scheibenoberflächen und eines Kondensors
mit einer Zonenscheibe, die gemäß nachfolgender Darstellung konstruiert und im Brennpunkt
des Kondensors angebracht ist.
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Die Erfindung in oder für ein Mikroskop umfaßt die Anbringung eines
Satzes solcher Zonenscheiben verschiedener Maßstäbe, so daß bei Aus-
Wahl
einer Zonenscheibe geeigneten Maßstabes jede besondere Glasplatte mit teilmetallisierten
Oberflächen entsprechend beleuchtet werden kann. Solch ein Satz von Zonenscheiben
kann als zusätzliche Gebrauchsvorrichtung für jedes Mikroskop mit geeignetem Kondensor
hergestellt und verkauft werden und ermöglicht in der bereits aufgezeigten Weise
die Beobachtung von Substanzen, sofern teilmetallisierte Objektträger und Deckgläser
vorhanden sind.
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Im Sinn dieser Erfindung wird eine Zonenscheibe als eine Scheibe aus
Glas oder einem anderen durchsichtigen Material bestimmt, die ringförmig undurchsichtige
Zonen mit hellen Zwischenräumen besitzt. Die Idealdurchmesser und die relativen
Weiten der undurchsichtigen und der durchsichtigen Zonen sind schnell zu berechnen
aus den optischen Konstanten des Kondensors und dem Scheibenabstand.
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Natürlich sind unter undurchsichtige Zonen jene Zonen zu verstehen,
die gegen Licht der benutzten Wellenlängen undurchsichtig sind. Es wird darauf hingewiesen,
daß die Ordnung der Interferenzen umgekehrt proportional der Wellenlänge des gebrauchten
Lichts ist. Wenn daher Strahlen zweier verschiedener Wellenlängen gleichzeitig benutzt
werden, um das Mikroskop zu beleuchten, so kann die Zonenscheibe nur für eine dieser
Wellenlängen Anwendung finden.
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Die Erfindung umfaßt ferner zusammengesetzte Zonenscheiben, die zwei
Reihen Ringe enthalten, deren jede wie nachfolgend beschrieben für eine Wellenlänge
berechnet und gefärbt ist, um den Durchgang dieser Wellenlänge auszuschließen. Dabei
sind beide Reihen so abgestimmt, daß sie für beide Wellenlängen gelten.
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An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im einzelnen
unter Hinweis auf die Zeichnungen erläutert.
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Fig. i zeigt schematisch die allgemeine Anordnung; Fig. 2 veranschaulicht
den Interferenzreflexionsef-Fekt zwischen zwei teilmetallisierten Scheibenoberflächen;
Fig. 3 stellt ein Beispiel und Fig.4 ein zweites Beispiel einer Zonenscheibe dar;
Fig. 5 gibt das Schema einer zusammengesetzten Zonenscheibe wieder.
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Nach Fig. i wird das Licht einer Lichtquelle i i, die zweckmäßigerweise
aus einer :Ouecksilberdampflampe besteht, durch einen Kondensor 12 gesammelt und
nach Durchgang durch einen Filter 13 von einer Zonenscheibe 14 abgeblendet, bevor
es den- Mikroskopkondensor 15 erreicht. Die Zonenscheibe 14 ist im optischen Brennpunkt
des Kondensors 15 und genau gleichachsig mit ihm angebracht. Auf dem Objekttisch
befindet sich ein Objektträger 16, der an seiner Oberfläche teilmetallisiert ist,
beispielsweise mit Rhodium. Platin oder Silber können ebenfalls verwendet werden,
aber Silber wird leichter beschädigt. Methoden der Teilmetallisierung, nach der
ein Teil des Lichtes reflektiert und ein anderer Teil von der Spiegeloberfläche
durchgelassen wird, sind bekannt. Über dem Träger befindet sich ein Deckglas 17,
das an seiner Unterseite teilmetallisiert ist. Die zu prüfende Substanz befindet
sich im Zwischenraum zwischen diesen Metallschichten. Sie wird durch das Objektiv
18 und das Okular i9 beobachtet.
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Fig. 2 zeigt schematisch den Kondensor 15, den Objektträger 16 mit
dem Deckglas 17 und das Objektiv 18 in größerem Maßstab. Ein von der Lampe ausgehender
Strahl 20 läuft zum Teil direkt durch den Träger und das Deckglas hindurch. Ein
Teil wird zwischen dem Träger und dem Deckglas reflektiert und kommt in mehreren
parallelen Strahlen 22, 23, 24 von abnehmender Intensität heraus. Die Strahlen 21
bis 24 werden vom Objektiv in der Ebene 25 im Brennpunkt vereinigt. Wenn die Strahlen
in einem solchen Winkel einfallen, daß der Extraweg der innen zwischen Objektträger
und Deckglas reflektierten Strahlen vom ursprünglichen Weg des Strahles um eine
ganze Wellenlänge abweicht, so verstärken diese Strahlen das Licht in der Ebene
25. -Wenn sie um eine halbe Wellenlänge abweichen, neigen sie dazu, sich aufzuheben.
Welche Wirkung eintritt, hängt vom Winkel zwischen dem Strahl und der Scheibenebene
ab, und die Strahlen werden vom Kondensor aus unter allen Winkeln weitergehen, wenn
keine Zonenscheibe eingefügt wird, dabei werden die Strahlen von geringerer Schräge
nach der Objektivachse in den Brennpunkt kommen, während die Strahlen größerer Schräge
in Ringen darum abgebildet werden. Eine Kurve kann aufgezeichnet werden, bei der
die Lichtintensität in Abhängigkeit von dem Abstand von der optischen Achse dargestellt
wird. Eine solche Kurve wird durch die gestrichelte Linie in Fig. 2 wiedergegeben.
Man sieht, daß diese Kurve eine breite Mittelzone und sich verengende Zonen von
wechselnden Lichtmaxima und -minima um sich herum besitzt, und tatsächlich sieht
man solch eine Reihenfolge von Lichtringen, wenn man direkt auf die Rückseite des
Objektivs schaut.
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Wenn nun unterhalb des Kondensors 15 eine Zonenscheibe mit sauber
proportionierten Ringen genau auf der Mittelachse angeordnet wird, dann kann alles
den Minima entsprechende Licht, oder auch den Maxima entsprechende, herausgeblendet
werden, und der Grund erscheint entweder hell oder dunkel. Wenn man nun eine Substanz
zwischen dem Objektträger 16 und Deckglas 17 einfügt, deren Brechungskoeffizient
von dem des Einbettungsmittels leicht abweicht, so wird sie das optische Gleichgewicht
der Lichtwege verändern und bei hellem Grund dunkel, bei dunklem Grund hell erscheinen.
Aus einer Vielzahl von Zonenscheiben mit verschiedenen Maßstäben ist es leicht,
eine Scheibe auszuwählen, die möglichst genau den Maxima .an der Rückseite des Objektivs
auf der Ebene 25 entspricht und sie so anzuordnen, daß sie diesen Effekt bewirkt.
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Fig. 3 zeigt das Beispiel einer Zonenscheibe mit einem durchsichtigen
Raum in der Mitte und abwechselnd undurchsichtigen und durchsichtigen
Ringen
28 und 29. Wenn der Kondensor unter dem Objekttisch und das Medium zwischen den
Scheiben festgelegt sind, dann bestimmt der Abstand zwischen Objektträger und Deckglas
sowie die Wellenlänge des benutzten Lichtes den Abstand der Zonen auf der Zonenscheibe.
Benennt man z. B. die Ringe von der Mitte aus, wobei n die Nummer eines-Ringes bedeutet
und r dessen Radius, so ergeben sich befriedigende Resultate, indem man eine Reihe
von y-Werten für 7a-Werte nach dem Verhältnis o,2, 1,o, 1,2, 2,o, 2,2 usw. errechnet,
so daß man durchsichtige Zonen in den entsprechenden Bereichen von o,o bis o,2,
1,o bis 1,2 usw. erzielt. Es ergibt sich, daß eine Zonenscheibe, die für eine bestimmte
Interferenzenordnung berechnet wird, für eine Anzahl von Ordnungen wirksam ist,
'die größer oder geringer als die vorberechnete Ordnung sind. Man kann deshalb aus
beispielsweise 20 Zonenscheiben eine auswählen, die befriedigend für jede Ordnung
von Interferenzen bis beispielsweise loo paßt. Das entspricht, wenn der grüne Quecksilberstrahl.
von 5¢6i A zur Beobachtung benutzt wird, einem Scheibenabstand bis zu ungefähr 27
Mikron aufwärts, wenn Luft zwischen .den Scheiben ist, und einem entsprechend geringeren
Abstand, wenn eine Flüssigkeit, wie etwa Wasser, zwischen die Scheiben gebracht
wird. Es ist leicht, eine geeignete oder nahezu geeignete Zonenscheibe auszuwählen,
die der Differenz -der optischen Weglängen (Gangunterschied) zwischen einem Plattenpaar
eingepaßt ist, und wenn eine solche Zonenscheibe genau auf der optischen Achse im
Brennpunkt des Kondensors angebracht würde, so ergibt sich, daß ein hohes Auflösungsvermögen
und eine hohe Beleuchtungsstärke und daß zur gleichen Zeit ein starker Kontrast
von durchsichtigen Gegenständen zwischen den teilmetallisierten Scheiben beobachtet
werden kann.
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Zonenscheiben können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Die
nach dieser Erfindung bevorzugte Methode sieht vor, eine Glasscheibe durch chemische
Versilberung oder in anderer Weise undurchsichtig zu machen und durchlässige Zonen
mit einem Stahlgriffel oder einer -anderen harten Spitze unter Anordnung auf einer
Drehscheibe einzuritzen, nachdem die relativen Durchmesser und Abstände der durchlässigen
Zonen wie aufgezeigt berechnet worden sind. Eine zur Zeit zu Beobachtungen benutzte
Zonenscheibe wurde hergestellt, indem man eine solche oben beschriebene Scheibe
im verkleinerten Maßstab auf eine photographische Feinkornplatte brachte, wobei
die Verkleinerung auf die errechneten Werte abgestimmt war. Es ist empfehlenswert,
die verkleinerte photographische Zonenscheibe durch einen Glasüberzug zu schützen.
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Wenn zwei Wellenlängen verfügbar sind, können beide benutzt werden,
wenn eine geeignete Zonenscheibe verwendet wird. Für die Durchführung benutzen wir
z. B. die grünen -und die violetten Strahlen des Quecksilbers zur Beleuchtung des
Mikroskops. Nun stehen die Wellenlängen dieser beiden Strahlen im Verhältnis von
fast genau 5 zu q.. Damit ist also bei einem Abstand der teilmetalliserten. Scheiben
für eine Interferenzordnüngfür die grünen Strahlen von 6o die Ordnungszahl für die
violetten Strahlen 75. Um das gewünschte Resultat zu erzielen, muß eine Zonenscheibe
für die 6o. Ordnung der grünen und die 75. Ordnung der violetten Strahlen konstruiert
werden. Nach der vorliegenden Erfindung geschieht das durch photographischen Abzug
einer Negativzonenscheibe der 6o. Ordnung auf einer mit bichromatischer Gelatine
überzogenen Glasscheibe, worauf man die nicht exponierte Gelatine durch Entwicklung
in heißem Wasser auf die in der Praxis wohlbekannte Art entfernt. Die Zonenscheibe,
die so aus Gelatineringen und reinen Glasringen besteht, kann passend gefärbt werden,
etwa mit Enzianviolett, welches die grünen Quecksilberstrahlen absorbiert und die
Violettstrahlen frei durchgehen läßt. Auf dieselbe Art wird eine Zonenscheibe der-
75. Ordnung präpariert und die Gelatine beispielsweise mit einer Mischung von Naphtholgel'b
und Malachitgrün gefärbt, die - die grünen Strahlen durchläßt und die violetten
absorbiert. Die beiden Zonenscheiben werden nun aufeinander verkittet, wodurch man
eine Kombination erhält, die in den Zonen der 6o. Ordnung für den grünen Strahl
und der 75. Ordnung für den violetten durchlässig ist.
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In der Zeichnung stellt Fig. 3 ein Beispiel einer Zonenscheibe dar
und sei diese z. B. für die 6o. Ordnung vorgesehen. Fig. q. zeigt im gleichen Maßstab
eine Zonenscheibe 30 mit einem Mittelraum 31 und Zonen 32 und 33 für die
75. Ordnung. In Fig. 5 werden beide übereinander in einem vergrößerten Maßstab gezeigt,
wobei die Schattierung für die enzianviolette Färbung von links nach rechts aufwärts
geht, die Schattierung für die Mischung von Naphtholgelb 'und Malachitgrün von links
nach rechts abwärts. Man bemerkt, daß die durchsichtigen Streifen am vierten der
Ringe -29 und am fünften der Ringe 33 zusammentreffen.
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Auf ähnliche Weise können Zonenscheiben präpariert werden, die jedem
Abstand der teilmetallisierten Scheiben und je zwei anderen Wellenlängen des zur
Beleuchtung benutzten Lichtes entsprechen.
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Zonenscheiben, die auf diese Art präpariert sind, erzielen weit bessere
Ergebnisse, wenn man gleichzeitig zwei Strahlen zur Beleuchtung des Mikroskops benutzt.
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Die Erfindung einer im Brennpunkt eines unter dem Objekttisch befindlichen
Kondensors angebrachten Zonenscheibe, die so wie ein Winkelfilter arbeitet, hat
in der Mikroskopie noch andere Verwendungsmöglichkeiten als die oben genannte. Sie
kann z. B. in Verbindung mit einem dünnen, auf beiden Seiten teilmetallisierten
Deckgläschen verwendet werden, wobei die Bildschärfe durchsichtiger Gegenstände
zwischen Deckglas und Objektträger durch die von den durchsichtigen Gegenständen
verursachteAbweichung der Strahlen erhöht wird, weil eine solche von der Zonenscheibe
bestimmte Winkelabweichung die Intensität des Lichtes , erhöht, das durch das Deckglas
geht, weiches auf beiden Seiten teilmetallisiert und somit selbst ein Winkelfilter
ist.
Obgleich die Erfindung nur in Verbindung mit der Herstellung
mittels bichromatischer Gelatine photographisch präparierter farbiger Zonenscheiben
beschrieben wurde, liegt jede andere Art der Herstellung derartiger Zonenscheiben
mit farbigen und für die eine Wellenlänge undurchsichtigen, für die andere dagegen
durchsichtigen Zonen im Bereich der Erfindung.