顕微鏡の光学原理と性能
従来の光学顕微鏡は、光学系とそれを支える機械構造から構成されています。光学系には、対物レンズ、接眼レンズ、コンデンサーレンズが含まれ、いずれも各種の光学ガラスで作られた複雑な拡大レンズです。対物レンズは標本像を拡大し、その倍率はM thing ＝ M thing=Δ ∕ f ' thing で、f ' thing は対物レンズの焦点距離、Δは対物レンズと接眼レンズの距離と理解できます。接眼レンズは、対物レンズの像を再び人の前の想像上の像に拡大したもので、人間の観察では250mmです。これは大多数の人が感じる観察位置で、接眼レンズの倍率はM eye=250 / f'eye、f'eyeは接眼レンズの焦点距離です。顕微鏡の総倍率は、対物レンズと接眼レンズの積、つまりM=M object * M eyepiece=Δ * 250∕f'eye * f;objectです。 対物レンズと接眼レンズの焦点距離を短くすると、全体の倍率が上がります。これが顕微鏡で**やその他の微生物を見ることができる鍵ですが、通常の拡大鏡との違いでもあります。
それでは、f'対物レンズとf'接眼レンズを無制限に縮小して倍率を上げ、より微細な物体を観察できると考えられるでしょうか。答えはノーです。これは、画像化に使用される光の性質が一種の電磁波であるため、伝播の過程で回折や干渉現象が必然的に発生するためです。これは、日常的に見られる水面の波紋が障害物に遭遇したときに丸くなったり、2列の水波が出会って強まったり弱まったりするのと同じです。点状の発光物体からの光波が対物レンズに入ると、対物レンズの縁が光の伝播を妨げ、回折や干渉が発生します。その後、対物レンズは1点に集められなくなりますが、一定の大きさの点が形成され、周囲の強度が弱まり徐々に減少する一連のハローもあります。明るい点の中心をエイブリースポットと呼びます。2つの発光点が一定の距離に近づくと、2つの点が重なり合い、2つの点が確認できなくなります。 ライリーは、2 つのスポットの中心距離がエアリー スポットの半径に等しいときに、2 つのスポットを区別できるという基準を提案しました。この基準は、2 つの発光点間の距離が e=0.61 を ∕n.sinA=0.61 を ∕NA に換算すると、人間の目が受け取ることができる光波の波長は約 0.4-0.7 um} で、n は発光点の媒体の屈折率、発光点が配置されている媒体の屈折率は発光点の屈折率です。発光点が存在する媒体の屈折率は、空気中では n ≈ 1、水中では n ≈ 1.33 であり、発光点の対物レンズのベゼル角度の半分であり、NA は対物レンズの開口数として知られています。 上記の式から、対物レンズは光の波長と人間の目の開口数の限界によって2点間の距離を区別できます。人間の目の視覚による鮮明な波長は約0.5 umで、A角度は90度以下で、sinAは常に1未満です。利用可能な光伝送媒体の屈折率は約1.5であるため、e値は常に0.2 umより大きくなります。これが光学顕微鏡が区別できる距離の最小限界です。 顕微鏡の拡大画像を通して、対物レンズの解像度を物体点間隔 e で人間の目で識別できるほど十分に拡大するには、Me が0.15mm以上である必要があります。ここで、0.15mmは、実験的に人間の目が目の前に置かれた2つの微小物体を250mmの距離で識別できる小さな物体であるため、M が（0.15 ∕ 0.61に）NA ≈ 500N.A以上である必要があります。観察が面倒にならないようにするには、M を2倍にすれば十分です。つまり、500N.A以下M が1000N.A以下であれば、顕微鏡の全倍率の範囲の合理的な選択であり、そうすると全倍率は無意味になります。対物レンズの開口数が*小さな分解可能な距離に制限されているためです。倍率を上げる 小さな物体の詳細を区別することは不可能でした。
