光学顕微鏡の分解能はどれくらい?限界や倍率との関係

光学顕微鏡の分解能はどれくらいか

光学顕微鏡の分解能の理論限界値

 

光学顕微鏡の分解能は、使用する光の波長と対物レンズの性能によって決まります。理論上の分解能限界は、可視光線の波長（400～800nm）の影響を受けるため、約100～200nmとされています。これは、ドイツのエルンスト・アッベによって19世紀に導かれた原理で、光の回折限界として知られています。

 

参考）https://evidentscientific.com/ja/learn/support/learn/03/045
​
実際の光学顕微鏡では、一般的に0.2μm（200nm）程度が分解能の実用的な限界となります。この値は、最も優れた対物レンズを使用し、理想的な観察条件を整えた場合に到達できる性能です。分解能は「ごくわずかに離れた点または線を見分けることができる最小の間隔」を意味し、この数値が小さいほど高性能な顕微鏡といえます。

 

参考）無題ドキュメント
​
可視光を使用する限り、どれほど高性能なレンズを使用してもこの限界を超えることはできません。これは物理法則による制約であり、より高い分解能が必要な場合は、紫外線顕微鏡や電子顕微鏡など、異なる技術を採用する必要があります。

 

参考）光学顕微鏡と電子顕微鏡の分解能について
​

光学顕微鏡の開口数と分解能の計算式

分解能は、対物レンズの開口数（NA：Numerical Aperture）と光の波長によって決定され、レイリーの分解能の式で表されます。その計算式は「分解能（δ）= 0.61 × λ / NA」となります。ここで、λは観察に使用する光の波長（目視観察では550nmの緑色光を使用）、NAは対物レンズの開口数を示します。

 

参考）https://evidentscientific.com/ja/learn/support/learn/02/035
​
開口数は対物レンズが光を集められる範囲を表す指標で、「NA = n × sin θ」という式で算出されます。nは対物レンズと対象物の間にある媒質の屈折率（空気の場合は1.0、油の場合は約1.5）、θは対物レンズの集光角度の半分を意味します。対物レンズの開口数は最大で1.4～1.65程度となり、この値が大きいほど広い角度の光を集められるため、より高い分解能を実現できます。

 

参考）高NA対物レンズ - 夏目光学株式会社
​
具体例として、開口数が0.9の対物レンズを使用した場合、分解能は「0.5 × 0.55 / 0.9 = 0.30μm」となり、2点間が0.30μmあれば識別できることになります。一方、開口数が1.30の高性能レンズでは「550nm ÷ 1.30 × 0.61 = 258nm」となり、約0.26μmの分解能が得られます。

 

参考）レンズの開口数と分解能
​

光学顕微鏡の倍率と分解能の違い

光学顕微鏡を選ぶ際、倍率と分解能は混同されやすい概念ですが、両者は全く異なる性能指標です。倍率は「どれだけ大きく見えるか」を示す値であり、対物レンズと接眼レンズの倍率を掛け合わせて算出されます。一般的な光学顕微鏡では40倍から1500倍程度の倍率が使用されますが、高性能なものでは最大2000倍程度まで拡大できます。

 

参考）光学顕微鏡 電子顕微鏡 分解能 何倍 ?
​
しかし、分解能を超える倍率で拡大しても、微細構造を識別することはできません。分解能の限界が0.2μmの場合、人間の肉眼で識別できる分解能（約0.1mm）まで拡大するには、適切な倍率が必要となります。これを「有効倍率」と呼び、対物レンズの開口数によって最適な範囲が決まります。

 

参考）https://microscope.jp/knowledge/01-4.html
​
鉱物観察においては、倍率だけでなく分解能を考慮することが重要です。例えば、100～200倍程度でトンボの複眼や玉ねぎの細胞が観察でき、200～500倍では珪藻や藻類などの微生物、800～1500倍では細胞内部の構造や染色体が観察可能です。鉱物の結晶構造を詳細に観察する場合、材料科学分野では50倍から1000倍程度の倍率が一般的に使用されます。

 

参考）顕微鏡の倍率と歴史的な進歩
​

光学顕微鏡と電子顕微鏡の分解能比較

光学顕微鏡の分解能は0.4～0.7μm程度ですが、電子顕微鏡では1～0.1nm程度と、約1000倍以上も高い分解能を実現します。この圧倒的な性能差は、使用する「波長」の違いに起因します。光学顕微鏡が可視光（波長400～700nm）を使用するのに対し、電子顕微鏡は電子線（波長約0.005nm）を利用するため、はるかに微細な構造まで観察できます。

 

参考）千葉大学サイエンスプロムナード - 電子顕微鏡
​
電子顕微鏡には透過型（TEM）と走査型（SEM）の2種類があり、それぞれ異なる特徴を持ちます。透過型電子顕微鏡は試料に電子線を透過させて内部構造を観察するため、試料を薄く加工する必要がありますが、原子レベルの詳細な構造が観察可能です。走査型電子顕微鏡は試料表面を電子線で走査し、表面の凹凸や微細構造を立体的に観察するのに適しています。

 

参考）光学顕微鏡と電子顕微鏡の違い
​
ただし、光学顕微鏡には電子顕微鏡にはない利点もあります。操作が簡単でコストが低く、生きた細胞や動きのある生体組織もそのまま観察できるため、生物学的研究には欠かせません。一方、電子顕微鏡は前処理が必要で、真空中での観察となるため生きた試料の観察には不向きです。鉱物観察においては、用途に応じて両者を使い分けることが重要です。

 

参考）自動解析：鉱物の細部を解き明かす
​

光学顕微鏡の分解能を高める超解像技術

近年、光学顕微鏡の回折限界を超える「超解像顕微鏡」技術が開発され、2014年のノーベル化学賞受賞によって大きな注目を集めました。超解像顕微鏡は、通常の光学顕微鏡が持つ約200nmの分解能限界を克服し、より高い空間分解能で試料を観察できる革新的な技術です。

 

参考）超解像顕微鏡とは？基本原理や種類、特徴について解説｜アズサイ…
​
代表的な超解像技術には、構造化照明顕微鏡法（SIM）、誘導放出制御法（STED）、蛍光分子局在化法（PALM/STORM）の3種類があります。SIM法は照明を工夫することで従来の光学顕微鏡の約2倍の高解像度を実現し、約100nmの空間分解能を達成しています。STED法はさらに高い空間分解能（約40nm）を持ちますが、蛍光色素の選択や褪色の問題があります。PALM/STORM法は最も高い空間分解能（約30nm）を誇りますが、測定に時間がかかるため高速観察には不向きです。

 

参考）シャッター速度世界一の超解像蛍光顕微鏡を開発
​
これらの超解像技術は、顕微鏡の構造を大きく変えることなく実現できるものもあり、既存の顕微鏡システムに組み込むことが可能です。鉱物研究においても、超解像技術を活用することで、従来は観察できなかった微細な結晶構造や包有物の詳細な分析が期待されています。ただし、これらの技術は主に蛍光観察に特化しているため、鉱物観察への応用には工夫が必要となる場合があります。

 

参考）超解像顕微
​
オリンパス - 顕微鏡の能力 その1 ～分解能と倍率～（分解能の詳細な計算式と開口数の関係について）
キーエンス - 基本構造と原理（光学顕微鏡の分解能限界と理論について）
Metoree - 光学顕微鏡と電子顕微鏡の分解能について（両者の分解能の比較データ）
浜松ホトニクス - 超解像顕微鏡（超解像技術の原理と応用について）

 

 

顕微鏡 小学生 子供【40X~3200X・標本付き】 日本製 人気 中学生 高校生 自由研究 学生成人初心者学習 日本語説明書付き