光学顕微鏡の主な応用分野の紹介
光学顕微鏡は古くからある科学ツールです。 誕生から300年の歴史があります。 光学顕微鏡は幅広い用途に使用できます。 たとえば、生物学、化学、物理学、天文学など、一部の科学研究作業において顕微鏡は切り離すことができません。
顕微鏡は使用目的に応じて生物顕微鏡、金属顕微鏡、実体顕微鏡、偏光顕微鏡の4つに大別されます。 名前が示すように、生物顕微鏡は主に生物医学に使用され、観察対象のほとんどは透明または半透明の微小体です。 金属顕微鏡は主に、材料の金属組織や表面欠陥など、不透明な物体の表面を観察するために使用されます。 実体顕微鏡は微小物体を拡大しますが、人間の目に対して同じ方向に物体や画像を作成し、人間の従来の視覚習慣と一致する奥行き感を持っています。 偏光顕微鏡は、偏光に対するさまざまな材料の透過特性または反射特性を使用して、さまざまな微小物体の構成要素を区別します。 さらに、いくつかの特殊なタイプも細分化できます。 たとえば、倒立型生物顕微鏡または培養顕微鏡は、主に培養容器の底を通して培養物を観察するために使用される生物顕微鏡です。 蛍光顕微鏡は、特定の物質の特性を利用して、特定の短い波長の光を吸収し、特定の長い波長の光を放出して、これらの物質の存在を発見し、その含有量を測定します。 比較顕微鏡は、同じ視野内で 2 つの物体の並置または重ね合わせた画像を形成し、2 つの物体の類似点と相違点を比較できます。
従来の光学顕微鏡は、主に光学システムとそれをサポートする機械構造で構成されています。 光学系には対物レンズ、接眼レンズ、集光レンズがあり、いずれも各種光学ガラスからなる複雑な拡大鏡です。 対物レンズは標本を拡大し、その倍率 Mobject は次の式で決定されます: Mobject=Δ∕f'object、ここで f'object は対物レンズの焦点距離、Δは距離として理解できます。対物レンズと接眼レンズの間。 接眼レンズは対物レンズで結像した像を再度拡大し、人間の目の前方250mmに虚像を結んで観察します。 これは、ほとんどの人にとって最も快適な観察位置です。 接眼レンズの倍率 M=250/f' eye、f' は接眼レンズの焦点距離です。 顕微鏡の総合倍率は対物レンズと接眼レンズの積、つまり M=M object*M eye=Δ*250/f' eye *f; 物体。 対物レンズと接眼レンズの焦点距離を短くすると総合倍率が上がることがわかり、これが顕微鏡で細菌などの微生物を見る鍵であり、通常の虫眼鏡との違いでもあります。
それでは、倍率を上げて、より微細なオブジェクトが見えるように、f' オブジェクト f' メッシュを際限なく縮小することは考えられますか? 答えはいいえだ！ なぜなら、撮像に使われる光は本質的には電磁波の一種であり、日常生活で見られる水面の波紋が障害物に遭遇すると周回するのと同じように、伝播の過程で必ず回折現象や干渉現象が発生するからです。 、そして 2 つの水柱がぶつかるとき、お互いを強めたり弱めたりすることができます。 点状の発光体から発せられた光波が対物レンズに入射すると、対物レンズの枠が光の伝播を妨げ、回折や干渉が起こります。 対物レンズを通過すると、一点に集まらず、ある程度の大きさの光点を形成し、周囲に徐々に強度が弱まる弱い光の輪が連なります。 中心の明るいスポットをエアリーディスクと呼びます。 2つの発光点が一定の距離に近づくと、2つの光点は2つの光点として認識できなくなるまで重なり合います。 レイリーは、2つの光点の中心間の距離がエアリーディスクの半径と等しい場合に、2つの光点を区別できると考え、判断基準を提案しました。 計算すると、このときの 2 つの発光点間の距離は e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA 式中、In は光の波長、人間の目で受け取れる光の波長は約0・4-0.7um、nは発光点が位置する媒質の屈折率です。 例えば、空気中ではn≈1、水中ではn≈1.33であり、Aは対物レンズの枠に対する輝点の開き角の半分であり、NAは対物レンズの開口数と呼ばれます。 上式から、対物レンズが識別できる 2 点間の距離は光の波長と開口数によって制限されることがわかります。 人間の最も敏感な目の波長は約 0.5um であり、角度 A は 90 度を超えることができないため、sinA は常に 1 未満になります。媒質は約 1.5 であるため、e の値は常に 0.2um より大きくなります。これは光学顕微鏡で分解できる最小限界距離です。 顕微鏡を通して画像を拡大します。 あるNA値の対物レンズで解像できる物点距離eを人間の目で解像できる程度に拡大したい場合は、Meが0.15mm以上必要になります。 {29}}.15mm は、目の前 250mm で人間の目で識別できる 2 つの微小物体間の最小距離であるため、M 以上 (0.15∕0.61)NA ≈500N.A. 倍率は 2 倍、つまり 500N.A 以下、M 以下 1000N.A 以下で十分であり、これは顕微鏡の総合倍率の妥当な選択範囲です。 総合倍率がいくら高くても、対物レンズの開口数によって最小解像距離が制限され、倍率を上げるとより小さな物体の細部を識別できなくなるため、意味がありません。
画像のコントラストは、光学顕微鏡におけるもう 1 つの重要な問題です。 いわゆるコントラストとは、画像面上の隣接する部分間の白黒のコントラストまたは色の違いを指します。 人間の目は、0.02 未満の明るさの違いを判断するのは困難ですが、色の違いにはわずかに敏感です。 生物標本などの一部の顕微鏡対象物は、細部の明るさの差がほとんどなく、顕微鏡光学系の設計および製造誤差により結像コントラストがさらに低下し、識別が困難になります。 この時点では、オブジェクトの詳細ははっきりと見ることができません。
長年にわたり、人々は顕微鏡の解像度と画像コントラストを向上させるために懸命に努力してきました。 コンピュータ技術とツールの継続的な進歩に伴い、光学設計の理論と方法も継続的に改善されてきました。 原材料の性能の向上、技術と検出方法の継続的な改善、観察方法の革新と相まって、光学顕微鏡の結像品質は回折限界の完成度に近づいています。 人々は、標本染色、暗視野、位相差、蛍光、干渉、偏光を使用するでしょう。 撮像機器は次々と登場し、性能が優れている面もありますが、安さ、利便性、直感性、特に生物の研究に適しているという点では、光学顕微鏡にはまだ及びません。 光学顕微鏡は今でも確固たる地位を占めています。 一方、レーザー、コンピュータ、新材料技術、情報技術と結合して、古代の光学顕微鏡は活性化され、活発な活力を示しています。 デジタル顕微鏡、レーザー共焦点走査型顕微鏡、近接場走査型顕微鏡、二光子顕微鏡など、さまざまな新機能や新たな環境条件に適応する機器が次々と登場し、光学顕微鏡の応用分野はさらに拡大しています。例。 火星探査機からアップロードされた岩石層の顕微鏡写真は、なんと興味深いことでしょう。 私たちは、光学顕微鏡が最新の姿勢で人類に利益をもたらすと完全に信じています。
