ケーラー照明

ケーラー照明は、透過光および反射光（透過照明および落射照明）光学顕微鏡で使用される試料照明法です。ケーラー照明は、試料を均一に照明し、照明源（ハロゲンランプのフィラメントなど）の画像が結果の画像に映らないようにします。ケーラー照明は、現代の科学光学顕微鏡における試料照明の主な手法です。ケーラー照明には、より高価な追加の光学要素が必要であり、より基本的な光学顕微鏡には存在しない場合があります。

ケーラー照明以前は、臨界照明がサンプル照明の主流の技術でした。臨界照明には、光源 (通常は電球)の像が標本の像と同じ平面に収まる、つまり電球のフィラメントが最終画像に映るという大きな制限があります。光源の像は、しばしばフィラメント像と呼ばれます。したがって、臨界照明ではサンプルが不均一に照らされます。つまり、フィラメント像の明るい領域が、サンプルのその領域をより強く照らします。不均一な照明は、画像に グレアや影などのアーティファクトをもたらす可能性があるため、望ましくありません。

フィラメントの画像を拡散させるには、光源の電力を減らす、オパールガラスの電球を使用する、電球とサンプルの間にオパールガラスの拡散板を使用するなど、さまざまな方法を使用できます。これらの方法はすべて、ある程度、照明の不均一性を軽減するのに有効ですが、照明の強度が低下し、サンプルに到達する光の波長の範囲が変わります。

これらの限界に対処するために、アウグスト・ケーラーは、光源の完全に焦点をぼかした画像を使用してサンプルを照らす照明方法を考案しました。この研究は1893年にZeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie ^{[1]に掲載され、その後すぐに}Journal of the Royal Microscopical Society に英語訳が掲載されました。^[2]

ケーラー照明は非結像光学系の分野でも開発されてきた。^[3]

臨界照明の主な制限は、試料の像面における光源の像の形成です。ケーラー照明は、光源の像が試料面とその共役像面で完全に焦点がぼけていることを保証することで、この問題に対処します。照明光路の光線図では、これは像形成光線が試料を平行に通過するものとして見ることができます。

ケーラー照明が機能するには、いくつかの光学コンポーネントが必要です。

1. コレクタレンズおよび/またはフィールドレンズ
2. 視野絞り
3. コンデンサーダイヤフラム
4. コンデンサーレンズ

これらのコンポーネントは、光源と標本の間にこの順序で配置され、標本の照明を制御します。コレクター/フィールド レンズは、光源からの光を集め、コンデンサー ダイヤフラムの平面に焦点を合わせる役割を果たします。コンデンサー レンズは、この光を焦点を合わせずに、標本を通して投影する役割を果たします。この照明方式により、共役画像平面が 2 セット作成されます。1 つは光源とその画像、もう 1 つは標本とその画像です。これらの 2 セットの画像平面は、次のポイントにあります (数字と文字については画像を参照してください)。

光源画像平面 (上の画像では薄緑色のバーで表示されています):

• ランプフィラメント（1）
• コンデンサーダイヤフラム（2）
• 対物レンズの後焦点面（3）
• アイポイント（4）

標本画像平面（上の画像では水色のバーで表示されています）:

• 視野絞り（A）
• 標本（B）
• 中間像面（接眼絞り）（C）
• 目の網膜またはカメラセンサー（D）

ケーラー照明の主な利点は、サンプルの照明が均一であることです。これにより、画像のアーティファクトが低減され、サンプルのコントラストが高くなります。サンプルの照明が均一であることは、位相コントラストや微分干渉コントラスト顕微鏡などの高度な照明技術にとっても重要です。

コンデンサー絞りを調整すると、サンプルのコントラストが変わります。さらに、コンデンサー絞りのサイズを変えると、顕微鏡の有効開口数を変えてサンプルの被写界深度を調整できます。コンデンサー絞りの役割は写真の絞りに似ていますが、顕微鏡のコンデンサー絞りは標本の照明を制御することで機能し、カメラの絞りは検出器の照明を制御することで機能します。

コンデンサー絞りを変更すると、存在する光の波長を変えずにサンプルに入る光の量を自由に調整できます。これは、臨界照明で光源への電力を減らすこと (ランプの色温度が変わる) とは対照的です。この調整は、前述のように、システムの開口数の変更と常に連動しているため、他の手段で照明源の強度を調整することが依然として必要です。

視野絞りを調整することで、サンプル面における視野絞り開口部の像は、サンプルの像領域（接眼レンズの視野絞りに投影されるサンプル像の部分に対応）よりわずかに大きいサイズに設定されます。視野絞り、サンプル、接眼レンズの視野絞りはすべて共役像面にあるため、この調整により照明光線が接眼レンズの視野を完全に満たすことができ、接眼レンズの視野絞りで遮断しなければならない余分な光の量が最小限に抑えられます。このような余分な光はシステム内で散乱し、コントラストを低下させます。

ケーラー照明を使用する顕微鏡は、定期的に正しい位置合わせをチェックする必要があります。再位置合わせ手順では、2 セットの共役画像平面 (光源画像平面と標本画像平面) で正しい光学コンポーネントが焦点に合っているかどうかをテストします。

試料像面上の光学部品の位置合わせは、通常、最初に試験試料を装填し、対物レンズまたは試料を移動して焦点を合わせることによって行われます。次に、視野絞りを部分的に閉じます。絞りの端は試料と同じ共役像面にあるため、焦点が合った状態になります。焦点は、コンデンサー レンズと絞りを上げたり下げたりすることで調整できます。最後に、視野絞りを視野のすぐ外側まで再度開きます。

光源像面上のコンポーネントの位置合わせをテストするには、接眼レンズを取り外して、直接または位相望遠鏡/ベルトランレンズを使用して、中間像面 (接眼レンズ絞りの位置) を観察できるようにする必要があります。光源 (電球フィラメントなど) とコンデンサー絞りのエッジに焦点が合っている必要があります。対物レンズの後焦点面にある光学コンポーネント (位相差顕微鏡の位相リングなど) とコンデンサー絞り (位相差顕微鏡の環など) にも焦点が合っている必要があります。

• ケーラー統合
• 空間フィルタリング、ケーラー照明器の視野絞りに実装された光学原理
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• ホフマン変調コントラスト顕微鏡

• Scientifica によるケーラー照明の 6 ステップ ガイド
• ケーラー照明のセットアップ手順