JP2006119557A - 単式顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】単式顕微鏡としての球形レンズの下限値を求め、高倍率の顕微鏡を提供する。
【解決手段】実際に極微小な球形レンズを作り、細菌を染色せずに観察して、何処までレンズ径を小さく出来るかを決める、その過程に於いて染色しなくても細菌等の微小物体が干渉色を呈する事を発見した。
【選択図】 図１

Description

本発明は球形レンズの径を限定した単式顕微鏡に関するものである。

細菌を最初に見た人は今から３００年以上前のオランダのレ−ウェン・フックであるが、その方法を公表しなかった。、
近年、クロフード・ｊ・ブライアンが球形レンズを使った単式顕微鏡の性能が現在の複式顕微鏡と比べても遜色のない性能を有していて、従来から言われている、球面収差や色収差がほとんどない事を述べている（非特許文献２の１８２ページ）、しかし、球の直径が小さくなり、レンズの倍率がかなり高い場合は収差が問題となると述べている。
この事については、（非特許文献１の４１ページ）にロバート・フックが球形レンズの作り方を述べている中で、この球形レンズは他のどんな大きな顕微鏡より観察物が良く見えると述べている事と一致した見解であり、又、同上文献の２８ページには、球形レンズでは収差を避ける事は出来ないとも述べている。

この事は透明なビー玉で本などの活字を見ると納得出来る、だから、物理の教科書にもレンズの倍率を上げるには肉厚の厚い凸レンズ，即ち曲率半径の小さな球形レンズにすれば良いが，それは即、収差を増す原因になる，従って一個のレンズで収差のない高倍率のレンズは不可能であると断定している。

現に球形レンズのメーカーのホームページには、曲率半径の小さなボールレンズ（現在市販されているボールレンズは直径０．３ｍｍが一番小さい）は結像用途には向きませんとはっきりとうたってある。

以上の事から、球形レンズによる単式顕微鏡は微小な径になると、用をなさないと現在でも思われている。
現在顕微鏡と言えば即，複式顕微鏡の事であるが、その倍率は２０００倍が限度であり、それ以上の倍率は分解能の観点から無意味であると言われている（非特許文献３の１０５ページ）、しかも実用的な倍率は１０００倍ないしは１５００倍止まりと一般に言われている。

球形レンズを用いた単式顕微鏡の角倍率ｍはｍ＝［５００×（１−１／ｎ）÷ｒ］でｎはレンズの屈折率でｒは球形レンズの半径でありｍｍの単位で計算する。
直径が０．２ｍｍで屈折率ｎが１．９の場合、倍率ｍは約２３００倍になる，又ｎが約１．５のレンズの場合は約１６００倍になる、
だから、いわゆる、「アッベの壁」や「レーリーの分解能」の０．６１λ／ＮＡ式からの帰結としての２０００倍以上は空倍率と言う「常識の壁」の為、本出願人が、単式顕微鏡に関する一連の特許出願に於て開示したのは（特許文献１）の直径０．２ｍｍの球形レンズ迄で、現在のところ単式顕微鏡のレンズとしては、これが最小径であると思う。

球形レンズによる単式顕微鏡は（特許文献２）、又、（特許文献３）、最近では（特許文献４）がある、この内３と４は、まったく同じ内容であるが、いずれも、レンズの直径の下限値を開示していない、結局３００年以上前から現在迄、何処まで倍率を上げられるのか、即ちレンズ径が何処まで小さく出来るのかを開示した物は皆無である。
特開２００２−００６２３７ 実案登録番号 ３６９２８３ 実案公告 昭２５−９０６２ 実開平０１−２８７５２４ 特開２０００−１００２６ 特開平７−３１１３２５ 特開２０００−２７５５４４ 意匠登録第１１７１８８４号 ロバート・フック／著板倉聖宣、永田栄治訳「ミクログラフィア」仮説社、Ｐ２８，４１ Ｂ．Ｊ．フォード／伊藤智夫訳「シングル．レンズ」法政大学出版局Ｐ１８２ Ｓ．トランスキー／砂川一郎訳「光学の世界」講談社（ＢＬＵ ＢＡＣＫＳ）Ｐ１０５ 末松安晴・伊賀健一共著「光ファイバ通信入門」オーム社Ｐ３０，３１，４３

従って、どこまでの物が単式顕微鏡に成り得るのか、又、実用上の下限値は何処までなのか、又、その様に球の径を小さくしていった場合いかなる現象が生じるのか、興味のあることでもあり、その現象を産業に結びつける事が課題である。

課題を解決する為の手段

本発明は「アッベ」の壁や「レーリーの分解能」を、いかに倍率を上げても、光学顕微鏡は約０．２μｍの分解能は保証する（０．５５μｍの波長に於て）事を述べたものなのだと都合良く解釈して倍率を上げてみる。
その為に、レンズ周辺部からの照明光を遮断しやすい金属板にレンズをマウントするか、パイプの穴にレンズを入れて、そのパイプの長さを長くする事で遮光性を高めるか、或いは、型の所定の位置にレンズを固定して置き、レンズの融点以下の金属（低融点合金等を含む）を溶かして入れて、一挙に型で成形加工する方法等が考えられるが、
まず、金属板にレンズをマウントして、何処までレンズ径を小さく出来るのか調べてみる事にした。
最初に屈折率が約１．９で、直径が０．１９ｍｍの球形レンズを作り、その表面に、口腔の細菌をつけて反対側から目を出来る限り近づけて見てみた、照明光は細菌をつけた側から白色ＬＥＤで照らした、焦点の調整はレンズとＬＥＤとの間に透明板を置き、レンズ表面につけ試料を押し付ける距離の度合いで行った。
その結果直径０．１９ｍｍでも見えたので、更に、直径を０．１５ｍｍにしてみた、これでも見えたので、０．１３ｍｍにしてみた、倍率は上がってゆき、細菌の動く様子がはっきりと見える様になった、１μｍピッチの対物ミクロメーターで見る限り完全に実視野の範囲で球面収差は無かったし、色収差も視野の外周で色が分離する様なこともなく、ただ、球菌の数個だけが、きれいなブルーに見えて、他の細菌は白く見えた、これは、色収差と言うよりは、むしろ、細菌の細胞膜の干渉によるもので、シャボン玉の様な感じであり、色収差ではないと感じた。

そこで、今度は直径を８０μｍにしてみたところ、同様に像が暗くなるが、倍率は上がって大きく見えた、暗くなるので照明光の輝度を上げた、すると、球菌ばかりでなく桿菌も色づいて見える様になり、その色は黄色、赤、青紫、金色、銀色のように見える物もあり、形の識別が極めて楽になり、この８０μｍの球形レンズは屈折率が約１．９なので倍率は前記の式から約５９００倍であるが、従来から言われている球面収差や色収差は実視野が１０μｍであったが、全く感じなかった。
今までの人は、実際に目に見えないくらい小さな球形のレンズを作って調べもしないで、収差がひどくなるとか、結像系には向かないとか、言っていた様である。、

この一連の事から、レンズを光が通過出来るなら、レンズの径は、使用照明光の波長でのレンズの径による回折現象が生じるまで、レンズの直径を小さくしても収差は生じないと結論づけた。
この結論は球が小さくなり、実視野の範囲が狭くなれば、本当は収差があるのに観察範囲外となるから実用上、無収差になと解釈するのが正しいのかも知れないが、実用上は充分に使用可能と判断した。
以上の事から請求項１を記述した。

又、レンズのマウントの難しさと、レンズ周辺部材の遮光性と強度と製造コストの関係から、現時点での実用上の直径は４０μｍが妥当と判断した、これが、請求項２である。

この４０μｍ場合、屈折率が１．９で約１２０００倍、１．５の場合は約８０００倍になる、この倍率は角倍率であり、本単式顕微鏡とＣＣＤの様な撮像素子とＴＶ等のモニターとを組み合わせた、ＴＶ顕微鏡にした場合の倍率は１４インチＴＶで、レンズと撮像素子面との距離が２５ｍｍの場合、ｎ＝１．６で３７０００倍、で単式顕微鏡の横倍率は約９００倍程度である、ちなみに、現在の複式顕微鏡の対物レンズは横倍率が最高１００倍程度で、接眼レンズの角倍率１０倍で、総合倍率１０００倍にして、油浸で、染色をして細菌等を検鏡するのが一般的な様である。

染色をする事は細菌の同定には必要な手段でもあるが、もし、染色せずに、カラーで細菌が見えたら、生きたままでの細菌の様子が解り大変役立つと思われる。

本発明では直径が０．２ｍｍ以下になると、この事が従来のような干渉顕微鏡や偏光顕微鏡の様な偏光板や個別のミラー等を使用せずに可能になる。 この事を記したのが請求項３であるが、何故そうなるのか、いくつかの理由は考えられるがレンズ表面の反射光が試料に再帰して、微生物の細胞膜のレンズ側に当たり、その表面と内面からの反射光との干渉によって干渉色が生じると考えられる、だから、レンズの径が小さくなると倍率が上がり、焦点距離が小さくなり、試料がレンズ表面に近づき反射光が強くなり、はっきりとした干渉色を呈すようになると考えられる、その、根拠として、レンズ径の小さい方が干渉色は強くなる事と屈折率が大きいほど強くあらわれる事である、従って、レンズ自体が干渉色を生じさせている訳で、この事を述べたのが請求項４である。
再帰反射性を高める為に、レンズ表面に反射性薄膜を形成させ一種のハーフミラーとする事により、屈折率の小さなレンズや、曲率半径の小さなレンズでも干渉色を観察出来る、この事を述べたのが独立請求項の５である。

請求項６はパイプ（チューブ）の穴の中に球形レンズを入れて、集束形光ファイバー（グレーテングファイバー）一本に依り直接画像の伝達を可能ならしめるレンズチップでレンズ周辺遮光部材をパイプ形状にする事により、遮光性の低い樹脂等でも、その長さを調整する事でレンズ周辺遮光部材として利用出来る事が特徴である。

発明の効果

今から３００年以上も前にレーウェン・フックが染色もせずに、細菌を見たのは疑いの無い事実であるが、その後、誰も彼の様に、レンズ１個の顕微鏡（虫メガネ）で見た者が無かったが、これからは、誰でも見る気になれば見られるし、作りたければ小学生でも作れる。
又、光学顕微鏡でありながら、細胞や細菌を生きたまま染色もせずにカラーで、何万倍にも拡大して観察出来る夢の様な道を拓いたので、バイオ研究の１つのデバイスに成り得ると思う。
又、宇宙でのバイオの研究用の顕微鏡として軽量な構成が可能なので、宇宙空間での研究等のための打ち上げ費用を下げる効果があると思う。
更に、レンズ径が小さくて、しかも、細菌が見えるので、集束形光ファイバー１本で、（１ｍ程度）画像を直接伝送可能なので（非特許文献７の３０，３１、４３ページ）、ＣＣＤカメラを直接挿入する事が容易でない場所での細菌などの活動をリアルタイムで観察出来るし、胃カメラの様に人体に挿入して、細菌の薬剤に対する挙動の観察などにも役立つし、微小な形状に出来るので、体外から体内に挿入して、癌細胞の様子や、血管内の免疫細胞等の様子をリアルタイムで観察可能になると思う。

本発明の単式顕微鏡のレンズは、適当な屈折率を持った光学ガラスを購入して、それを、細かく砕いて、バーナーの炎の上から振りまいて、微小なガラスの玉を作って、その、直径を測って使用した。

本単式顕微鏡の基本断面の形態は図１に示す様に、球形レンズ１と周辺遮光部材２（厚さが０．１ｍｍで、直径が８ｍｍの円形の軟質銅板、形状と大きさはこの円形でなくても良い事は勿論である）で、その部材２に先端を鋭利に尖らせたキリを回しながら押し込むと、穴が開くのと同時に一枚の板の両側にバリ３とバリ４が生じ、キリの先端は、レンズの径より細いので、その穴にレンズを入れて、入れ終わったら、入れた側のバリ３をレンズ側に倒してカシメるが、更に、確実にするため、ニッケルメッキをすると良い。この方法はキリの先端の細さに依ってレンズ径が決まり４０μｍ程度である。

それ以下の場合は周辺遮光部材（厚さ１０μｍ程度の銅板、真鍮板、など）に出来るだけ、レンズの大きさに近い穴を開ける（この場合はレンズより大きな穴でも良い）、その穴にレンズを入れて片面より、接着剤或いは粘着剤で仮止めし、これを母材として、レンズ部が目的の大きさ迄、隠れる様、ニッケル電鋳加工を施す。加工後に粘着剤を剥がすか接着剤を溶剤で溶かしてから、母材をプレスで打ち抜いて所定の形に成形して、レンズ部分を磨けば完成である、前述した直径８ｍｍの円形にした場合はさらに大きな丸や、角型の板状部材に穴を開けて、それに、取り付けて、〈特許文献１〉や（特許文献７）のレンズとして使用する。
図２は周辺遮光部材５としてポリイミドチューブを短く切って、そこに、球形レンズ１を入れたものである。
図３は１本の集束形光ファイバー６を挿入して使用する本発明の応用例を図示した物である。

本発明は、細菌の細胞壁での干渉色を見る事が出来る事で、その構成分子や厚さ等の構造の違いによって色が異なるので、現在のグラム染色法に変わって、グラム陰性菌と陽性菌の判別が検査技師によらないで簡単に出来る可能性が極めて高いので、医療機関での院内感染等の防止に役立つはずである。

周辺遮光部材として金属板を用いた本発明の一実施例の図である。 周辺遮光部材としてパイプ（チューブ）を用いた一実施例の図である。 図２の利用例の説明図である。

符号の説明

１ 球形レンズ
２ 板状の周辺遮光部材
３ バリ
４ バリ
５ パイプ（チューブ）状の周辺遮光部材
６ １本の集束形光ファイバー

Claims (6)

1. 球形レンズと、それを囲む周辺遮光部材とで構成され、レンズ径が使用照明光の波長以上で、上限が０．２ｍｍ未満である単式顕微鏡。
2. レンズ径が４０μｍ以上の請求項１記載の単式顕微鏡。
3. 微小物体の干渉色が観察出来る請求項１記載の単式顕微鏡。
4. 微小物体に干渉色を生じさせる事が出来る請求項１記載の単式顕微鏡。
5. 対物レンズの表面に透過性のある反射性薄膜を形成し透過照明光により観察試料に干渉色を生じさせる様にした顕微鏡。
6. 請求項１記載の単式顕微鏡と、それからの像を１本の収束性光ファイバーで直接伝送する事が特徴の単式顕微鏡。

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