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Microscope optical principle - Optimum illumination bases

顕微鏡の構成と仕様 ~照明系~ 


5.照明系(Illuminator)
5-1.ケーラー照明

照明は、顕微鏡観察に欠かすことのできない装置である。照明に求められることは、

  • 十分に明るいこと
  • 明るさが均一であること
  • 対物レンズの開口数を満たす(対物レンズの瞳を満たす)照明であること
  • 視野絞り、開口絞りで、最適な照明条件を調整できること

などがある。これらの条件を満たすものが「ケーラー照明」である。


ケーラー照明(Köhler Illumination)

1893年、ドイツのケーラー(Köhler)によって考案された照明法である。よりよい観察像が得られるため、今日もっとも多く用いられている。
ケーラー照明は、光源の像を開口絞り位置(コンデンサの前側焦点位置)につくり、視野絞りの像を標本面につくる照明法である。標本をムラなく明るく照明する。また、視野絞りと開口絞りが独立して機能するため、標本面の光の量や範囲を調整できるのが特徴である。

図1 ケーラー照明原理図

図1 ケーラー照明原理図


レベルアップ:クリティカル照明(Critical Illumination)

クリティカル照明は、光源の像を標本面につくる照明法である。明るく照明したい観察に向いているが、光源の像が標本面にできるため照明ムラが生じる。
図2 クリティカル照明とケーラー照明の比較
図2 クリティカル照明とケーラー照明の比較


視野絞り・開口絞り

視野絞りは、照明する範囲を決め、照明光を標本の観察範囲(実視野)にだけ当たるように調整する。
開口絞りは、照明光の開口数を調整する機構である。開口絞りを調整することで視野の明るさが変わり、像のコントラストや分解能も変化する(ページ下 5-3.絞り 参照)。

図3 視野絞り(上:視野絞り大 下:視野絞り小)
図3 視野絞り(上:視野絞り大 下:視野絞り小)
図4 開口絞り(上:開口絞り大 下:開口絞り小)
図4 開口絞り(上:開口絞り大 下:開口絞り小)


5-2.コンデンサ(Condenser)

コンデンサは、ケーラー照明の一部であり、光を増強したり集光状態を変化させる。ケーラー照明において集光レンズの役割を担っている。
用途に応じて交換できるようになっており、対物レンズの仕様、種類、開口数、観察方法などに、もっとも適したコンデンサを組合わせて使用する。


基本仕様

  • 開口数(NA:Numerical Aperture)
    コンデンサの性能を決める重要な値である。開口絞りで調整する(ページ下 5-3.絞り 参照)。
    コンデンサの開口数が対物レンズの開口数より小さいと、対物レンズの性能が十分に発揮できず、よい像が得られない。
  • 適用対物レンズ
    組合わせることのできる対物レンズを示す。視野絞りを全開したときの照明視野と、開口絞りを全開したときの開口数で決まる。

図5 開口絞りの働き
図5 開口絞りの働き


種類

コンデンサは、その性能や用途に応じて数多く用意されている。
基本的に、暗視野コンデンサ以外は、どのコンデンサでも明視野照明ができるようになっている。


性能による種類

種類

概要

主な用途

アッベコンデンサ

凸レンズ2枚で構成され、もっとも一般的なコンデンサ。低価格である。2重コンデンサともいう。収差が大きく、高倍対物レンズでの写真撮影には適さない。

・観察を主とする実習
・検査

スイングアウトコンデンサ

先玉はねのけ式で、低倍対物レンズでの観察ができるようになっている。

・観察
・撮影

アクロマート・アプラナート
コンデンサ

色収差、球面収差、コマ収差が補正された最高級タイプ。高倍のアポクロマート対物レンズに使用される。

・高倍での観察
・撮影

図6 アッベコンデンサ
図6 アッベコンデンサ

図7 スイングアウトコンデンサ

図8 アクロマート・アプラナートコンデンサ


用途による種類

種類

概要

明視野コンデンサ

明視野観察用で、標本を斜光照明する。

位相差用ターレットコンデンサ

位相差観察用のリングスリットを内蔵したもの。リングスリットを通して光を透過させる。

ユニバーサルコンデンサ

明視野観察のほか、光学素子の交換で、暗視野観察、微分干渉観察、位相差観察、簡易偏光観察に対応できる。

偏光用コンデンサ

偏光観察用に偏光板(ポラライザー)を内蔵したもの。

長焦点コンデンサ

培養容器観察用で、作動距離が長い。(倒立顕微鏡用)

極低倍用コンデンサ

4×以下の極低倍対物レンズを使用するときの観察用明視野コンデンサ。

暗視野コンデンサ

遮光プレートを組込んだ専用のコンデンサ。コンデンサの内側開口数よりも小さな開口数の対物レンズで観察しないと、暗視野観察にならない。


5-3.絞り

光学系の光束や光量は、絞りによって制限することができる。観察視野への照明を調整する視野絞りと、分解能とコントラストを調整する開口絞りがある。

図9 視野絞りと開口絞り
図9 視野絞りと開口絞り


視野絞り(FS:Field Stop)

視野絞りは、観察している実視野だけに照明が当たるように調節する機構である。視野絞り環をまわすことで、照明視野が開いたり狭まったりする。実視野よりもわずかに広げた状態が最適である。


開口絞り(AS:Aperture Stop)

コンデンサの中にある絞りである。コンデンサを通して標本を照明する光の開口数を調節する機構である。明るさ絞りともいい、開口絞り環をまわして調節する。

図10 開口絞りの効果
図10 開口絞りの効果

上図のように、絞りの加減によって像の見え方が異なる。開口絞りを絞ると、コントラストはよくなるが分解能が悪くなる。また、明るさも低下する。逆に、開口絞りを開くと、分解能はよくなるがコントラストは悪くなる。また、明るさが増す。開口絞りを対物レンズの瞳径の70~80%にすると、観察に適した像を得ることができる。


5-4.光源(Light Source)

光源には、ハロゲンランプ(6V20W、30Wまたは12V100W)、タングステンランプを使用する。その他、水銀ランプやキセノンランプ、LEDなども使われているが、価格、供給の点からハロゲンランプが主流となっている。
旧式の顕微鏡ではランプの心だし調整が必要であったが、最近の顕微鏡は心だしが不要なプリセンター式になっている。
ランプをフレームに内蔵する方式と、コレクタレンズと組合わせて、ランプハウスを構成する方式がある。

コラム:色温度

完全黒体(あらゆる波長を吸収・放出できる物体)を熱すると、だんだん赤く光り始め、温度の上昇と共に黄色から白、さらに青へと光の色が変わっていく。「色温度」とは、このときの光の色を絶対温度(K:ケルビン)で表したものである。
観察に適した色温度は5500Kである。しかし、光源として使用するハロゲンランプの色温度は3000~3400Kのため、自然な色で観察することができない。このため、色温度変換フィルタで観察に適した色温度に調節する(ページ下 5-5 フィルタ 参照)。

図11 各種光源の色温度
図11 各種光源の色温度


5-5.フィルタ

フィルタは、自然な色で観察できるように、光源の色を変え観察に適した色や明るさに調整するものである。


色温度変換フィルタ(LBDフィルタ:Light Balance Daylight)

光源の光を昼光色(太陽光)に変換するフィルタである。光源として使用するハロゲンランプは、昼光色と色温度が異なるため、そのまま観察すると黄色味をおびている。色温度変換フィルタを使うことで、自然な色で観察できる。
ハロゲンランプとの組合わせで、カラー写真撮影用、観察用に適する。

図12 色温度変換フィルタ
図12 色温度変換フィルタ


減光フィルタ(NDフィルタ:Neutral Density)

光の透過率を変えて明るさを調節するフィルタである。光源が明るすぎる場合、電圧を下げて暗くしようとするが、電圧を下げると色温度が変わるため赤みが増し、逆に電圧を上げると青みが増す。減光フィルタを使うことで、一定の色温度が保たれ、明るさを調節することができる。

図13 減光フィルタ
図13 減光フィルタ


その他のフィルタ

種類

写真

概要

昼光用フィルタ
(ブルーフィルタ)

画像

タングステンランプ、ハロゲンランプの照明光の色を昼間の自然光(昼光色)に似た色にする。
正確な昼光ではないので観察専用。カラー写真撮影には適さない。

グリーンフィルタ

画像

位相差観察や白黒写真撮影の際にコントラストを増強できる。
偏光顕微鏡用の特殊なグリーンフィルタもある。

カラーフィルタ
(緑色、橙色、黄色)

画像

染色標本の色に合わせて、白黒写真撮影の際にコントラストを増強できる。(緑色、橙色フィルタ)
標本に紫~青色の光を当てないようにする。(黄色フィルタ)

紫外線カットフィルタ

画像

水銀ランプを使用する際に標本に紫外線が当たらないようにする。(金属顕微鏡落射照明用)


チェックポイント

  • よい観察像を得るには、明るくムラのない照明で標本を照らすことが必要である
  • 視野絞りが標本上を照明する範囲を調整するのに対して、開口絞りは分解能とコントラストを調整している
  • フィルタを利用して、光源の色を変え観察に適した色や明るさに調整することができる

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