01
光を2回曲げる
ここにあるのは光学顕微鏡、学校の理科室でおなじみのタイプです。2段階で拡大するので、複式顕微鏡と呼ばれます。スライドガラスのすぐ上にある小さなレンズ、対物レンズが、鏡筒の中に拡大した像をつくります。のぞき込むレンズ、接眼レンズが、その像をもう一度拡大します。このアイデアは古く、1665年にはロバート・フックが初期の複式顕微鏡でコルクを観察し、そこに見えた小さな部屋を「細胞」と名づけました。
光は装置の真ん中を通って上へ進みます。土台の中のランプがコンデンサーに光を送ります。コンデンサーはステージの下にあるレンズで、スライドガラスにのせた標本に光を向けます。そこから光は対物レンズに入り、鏡筒を上って接眼レンズを通ります。道すじの最後のレンズはあなた自身の目の中にあり、光を目の奥の網膜に集めます。どのレンズも光を曲げ、力を合わせて、肉眼ではとても見えない小さな点を、視野いっぱいの像に変えるのです。
モデルは顕微鏡を縦に切って中のガラスが見えるようにし、光を光線として描いています。光線は標本の2つの点、中央の点と端の点から出て、目まで続きます。本物の光はこの道のりを目で追えないほど速く通り抜けてしまうので、ループでは光のパルスをスローモーションで道すじに沿って進めます。タイムラインの数字は、ランプから光路に沿って進んだミリメートル数です。
モデルをドラッグすると視点を回せます。モデルの上でスクロールすると拡大・縮小できます。読み進めるにつれて、表示も本文に合わせて変わります。ラベルをオンにすると、各部の名前が表示されます。
02
レンズは光に何をするのか
ガラスの中では、光の速さは空気中の約3分の2しかありません。光線がガラスに斜めに当たると、この減速によって向きが変わり、より垂直に近い角度でガラスに入ります。ガラスから出るときには、反対向きに曲がります。このように光が曲がることを屈折といいます。物質が光をどれだけ遅くするかを表すのが屈折率で、ふつうのガラスでは約1.52です。
レンズは、表面が曲がったガラスです。凸レンズは縁より真ん中が厚いので、どの光線も真ん中のほうへ曲げます。平行に入ってきた光線は、すべて1点に集まります。これが焦点です。レンズから焦点までの距離を焦点距離といい、焦点距離が短いほど、光を強く曲げるレンズです。強いレンズ1枚でも、かなりのことができます。アントニ・ファン・レーウェンフックの小さな単レンズ顕微鏡は、約270倍まで拡大できました。
では、小さな物体を、焦点距離より少し遠くに置いてみましょう。物体の各点から出た光線は広がりながらレンズを通り、反対側でふたたび1点に集まります。そうした点が集まってできるのが実像です。光線が本当にそこで出会うので、その位置に紙を置けば像が映ります。像は上下逆さまです。物体の上端から出た光線は、レンズの中心線を横切って下側に届くからです。物体を焦点に近づけるほど、像はより遠くにでき、より大きくなります。
ステージの下のコンデンサーには、別の役目があります。何かを拡大するわけではありません。ランプの光を集めて円錐形に絞り込み、標本をむらなく照らします。コンデンサーの開口絞りは、広げたり狭めたりできる開口部で、この光の円錐の広さを決めます。さらに下では、視野絞りが光を見える範囲だけに制限し、余計な光を減らします。モデルでは照明を単純にして、コンデンサーがランプを標本に直接結像させています。1893年には、ツァイスのアウグスト・ケーラーが、むらのない光が得られ、視野にランプのフィラメントの像が映らない、より優れた仕組みを考え出しました。
03
対物レンズが実像をつくる
対物レンズは、スライドガラスのすぐ上にある、レンズの入った小さな筒です。焦点距離はとても短く、標本はその焦点の少し外側に置かれます。そのため前の章と同じように、像は反対側の遠いところに、ずっと大きくできます。昔ながらの顕微鏡では鏡筒の長さが160mmで、像は鏡筒の上端から10mm下、ちょうど接眼レンズのある位置にできます。最近の顕微鏡の多くは鏡筒の中の2枚目のレンズで像をつくりますが、像のできる位置は同じです。
この中間像は実像です。光線が本当にそこで交わるので、像は鏡筒の中の空中に浮かんでいます。上下も左右も逆さまで、対物レンズに書かれた数字の倍率で拡大されています。40倍の対物レンズなら、標本の40倍の幅になります。接眼レンズが見ているのはこの像で、標本そのものではありません。4本の対物レンズを試してみましょう。
どの対物レンズにも、倍率と開口数の2つの数字が書かれています。4×/0.10、10×/0.25、40×/0.65、100×/1.25です。倍率の高い対物レンズほど、スライドガラスに近づけなければなりません。そのすき間を作動距離といい、4倍の約25mmから、40倍では約0.6mm、100倍ではわずか0.13mmまで縮みます。見える標本の範囲も小さくなります。標準的な接眼レンズの視野数は20mmで、これは中にある丸い窓の幅です。見える範囲は、この幅を対物レンズの倍率で割った値で、4倍で5mm、10倍で2mm、40倍で0.5mm、100倍で0.2mmです。
レボルバーを回すと、次の対物レンズが所定の位置に来ます。対物レンズは同焦点になっています。どれも、取り付け面から45mm下にある標本にピントが合うようにつくられているのです。そのため切り替えても像はほぼピントが合ったままで、微動ねじを少し回すだけで済みます。100倍の対物レンズだけは例外です。先端のレンズとスライドガラスの間に油を1滴たらす必要があり、その理由は最後から2番目の章で説明します。
04
接眼レンズと目
接眼レンズは、中間像を見るための虫めがねです。中間像がちょうど焦点に来る位置に置かれています。すると、像の各点から出た光線は互いに平行になって接眼レンズを出ていき、とても遠くのものから来た光のようになります。だから目はリラックスしたままでいられます。遠くの丘をながめるときと同じです。
見えているのは虚像です。そこに光が集まっているわけではありません。光線を逆向きにたどったときに、光が来ているように見える場所にすぎず、遠くにある巨大な像です。モデルでは、この逆向きにたどった線を破線で描いています。接眼レンズの倍率は、250mmを焦点距離で割った値です。250mmは平均的な目がピントを合わせられる最も近い距離で、道具なしで見るときのいちばんよい距離です。したがって、10倍の接眼レンズの焦点距離は25mmです。接眼レンズを試してみましょう。
最後のレンズは、あなた自身のものです。目の水晶体が平行な光線の束をそれぞれ受け止め、網膜の上の1点に集めます。網膜は目の奥にある、光を感じる層です。これが最終的な像で、ふたたび実像です。光線が本当にそこで出会っているからです。目を置く位置はアイポイントといい、接眼レンズの約10mm上です。眼鏡をかけた人向けの接眼レンズでは、これが20〜25mmまで離れます。
2つの倍率はかけ算になります。10倍の対物レンズと10倍の接眼レンズなら100倍、40倍の対物レンズなら400倍、100倍の油浸対物レンズなら1000倍です。接眼レンズは10倍がふつうで、12.5倍や15倍もよく使われます。ただし、接眼レンズは対物レンズがつくった像を大きくするだけです。対物レンズがとらえなかった細部を付け加えることはできません。100倍の対物レンズと15倍の接眼レンズでは1500倍になりますが、次の章で見るように、これは役に立つ範囲を超えています。
05
倍率を上げても役に立たなくなる理由
光は波で、波はとても小さなものの横を通ると広がります。そのため標本の細かい部分は、どれも光の一部を横へ曲げます。細かい部分ほど、曲がる角度は大きくなります。細部を見せるには、対物レンズがこの曲げられた光をとらえなければなりません。その光がレンズに入らなければ、細部は像に届かず、どれだけ拡大しても取り戻せません。
対物レンズがとらえられる光の円錐の広さを表すのが開口数で、対物レンズに書かれた2つ目の数字です。1873年、エルンスト・アッベは、これが限界を決めることを示しました。今日では、この規則は「光の波長を開口数の2倍で割った値」と書かれます。550nmの緑の光では、開口数0.25の10倍対物レンズは約1.1µmまでの細部を見分けられます。スライダーを動かしてみましょう。紫の光のほうが、赤い光より細かい部分まで見えます。
空気は開口数に上限を設けます。乾燥系の対物レンズでは、最大でも約0.95です。100倍の対物レンズは、液浸油を1滴使ってこの上限を超えます。油の屈折率は1.515でガラスとほぼ同じなので、最も斜めの光線でさえ、薄いカバーガラスからレンズへ曲がらずに入ります。これで開口数は1.25に上がり、最高の対物レンズでは1.40に達します。このとき光学顕微鏡で見分けられる最も細かい部分は、約0.2〜0.3µmです。
つまり、拡大が役に立つのはある程度までです。目安として、有効な倍率は開口数の500〜1000倍とされ、100倍の油浸対物レンズでは約1250倍までです。それを超えると、像は大きくなっても新しい細部は現れません。これを無効拡大といいます。ほとんどのウイルスが光では小さすぎて見分けられないのも、このためです。ウイルスの大きさは約20nmから数百nmです。電子顕微鏡は電子を使います。電子の波長ははるかに短く、ふつうに約0.1nmの細部まで見分けられます。
06
ピントと光
このような顕微鏡では、ピントはレンズではなくステージを動かして合わせます。粗動ねじはステージを速く大きく動かします。微動ねじはほんの少しだけ動かします。1回転で0.1〜0.3mm、目盛り1つで約1〜2.5µmです。標本を対物レンズの下のちょうどよい距離、つまり中間像が接眼レンズの位置にできる距離まで持っていきます。
高倍率では、標本のうちピントが合う層がとても薄くなります。この焦点深度は、10倍の対物レンズで約8.5µm、100倍の油浸対物レンズではわずか約0.7µmです。その層より上や下にあるものは、ぼやけてしまいます。スライダーを動かして、像がはっきりしたりぼやけたりするのを見てから、対物レンズを替えてもう一度試してみましょう。
コンデンサーの開口絞りも像を変えます。絞ると光の円錐が細くなり、像のコントラストが上がってピントの合う層も厚くなりますが、いちばん細かい部分は見えなくなります。光が対物レンズいっぱいに入らなくなるからです。大きく開けると最も細かい部分まで見えますが、まぶしさが増え、コントラストは下がります。メーカーは、絞りを大きめに開けておくことをすすめています。
最後にもうひとつ意外なことがあります。像は逆向きに動くのです。対物レンズがつくる像は上下も左右も逆さまで、接眼レンズはそれを元に戻しません。だからスライドガラスを右へ動かすと像は左へ、向こうへ押すと像は手前へ動きます。慣れるには少し練習が必要です。