5 ｜ 各種観察法の発展 1）2）3）
5.4 偏光観察法 polarized light microscopy 11）12）13）
光の振動方向に偏りがあるという偏光（2.1.3 （3））
参照）の現象は、フランスのマリュス（E. Malus, 1775-1812）が、1808 年に宮殿の窓の反射光を複屈折 物質である方解石で観察していて発見したとされる。
振動方向がランダムである自然光から、一定の振動 方向をもつ直線偏光を得るために、イギリスのニコ ル（W. Nicol, 1768-1856）は、1828 年に二つの方解石 プリズムを貼り合わせたニコルプリズム（図 2.17）を 発明し、偏光装置を考案して岩石や鉱物などの研究を 行った。照明光路と観察光路にそれぞれニコルプリズ ムを配した偏光顕微鏡は、1834 年イギリスのタルボッ ト（H. F. Talbot, 1800-1877, カロタイプ写真法の発明 でも有名）の発明とされている。また標本の染色法の 創始者としても知られる同じイギリスのソービー（H.
C. Sorby, 1826-1908）は、1851 年に偏光顕微鏡を使っ て岩石・鉱物の結晶構造の研究を開始し、ドイツの ツィルケル（F. Zirkel, 1838-1912）、ローゼンブッシュ
（H. Rosenbusch, 1836-1914）らに引き継がれ、岩石学 petrography の黄金期を築いた。一方、偏光顕微鏡で 使用するニコルプリズムは、視野角が小さくまた高価 であるという問題があった。これを解決したのがア メリカのランド（E. H. Land, 1909-1991）で、1929 年 に薄板状の偏光子を発明し「ポラロイド polaroid」と
名付けた。その後改良が重ねられ、安価で高性能の偏 光素子としてサングラスや写真用フィルタとして普及 し、やがて偏光顕微鏡にも標準的に使われるように なった。
偏光顕微鏡の基本構成は、明視野顕微鏡でコンデン サ側にポラライザ（polarizer : 偏光子）、対物レンズ 側にアナライザ（analyzer：検光子）の二つの偏光板 を配置したものである。ポラライザとアナライザの振 動方向を直角に配置（クロスニコルと呼ぶ）し、暗く なった背景に光学異方性物質（複屈折物質）が明るく 観察できる。偏光顕微鏡の観察方法には大きく分け て二通りの方法がある。一つは照明の開口数を小さ くし（偏光用コンデンサの先玉をはねのける）、4 倍 または 10 倍程度の低倍対物レンズで、標本のもつ複 屈折性を観察する基本的な方法で、オルソスコープ
（orthoscope：図 5.11 a）と呼ぶ。物質の複屈折を定 量的に測定するためには、検板（波長板、鋭敏色板）
やコンペンセータ（補償板）を使う。もう一つは、照 明の開口数を大きくし（偏光用コンデンサの先玉を光 路に入れる）、NA の大きな対物レンズの後側焦点付 近にできた干渉縞（結晶標本の光学特性を表す）を観 察する方法で、コノスコープ（conoscope：図 5.11 b）
と呼ばれる。コノスコープ像を観察しやすくするため には、ベルトランレンズ Bertrand lens を観察光路に 挿入する。本格的な偏光顕微鏡では、ポラライザとア ナライザに加えて、標本の方向を厳密に決めるための 回転ステージ、偏光状態を変換するための検板、試料 の複屈折量を測定するコンペンセータ（補償板）、ク ロス焦点板付きの接眼レンズなどが用意されている。
またポラライザとアナライザの間にある対物レンズや コンデンサレンズなどは、複屈折の要因となる光学ひ ずみを除去した偏光専用のものを使う必要がある。検 板には、直線偏光を円偏光（またはその逆）に変換す る四分の一波長板、直線偏光の方向転換や円偏光の回 転方向の逆転に使う二分の一波長板、複屈折量のわず かな違いを黄・赤・青の鮮やかな色に変換する鋭敏色 板（tint plate、一波長板ともいう）などがあり、雲 母や水晶の薄片をガラス板で挟んで作られるが、最近 は高分子材料で作られたものも多くなっている。また コンペンセータは、試料の複屈折量（レターデーショ ン：2.1.3（3）参照）を定量測定する装置で、その 測定範囲や精度によりベレーク（Berek, 図 3.11）型、
セナルモン（Sénarmont）型、ブレース・ケーラー
（Bräce-Köhler）型などがある。図 5.12 a）はオルソ スコープ像（黒雲母片麻岩・鋭敏色板使用）、同 b）
は一軸性結晶（方解石）の、同 c）は二軸性結晶（ト パーズ）のコノスコープ像である。
図 5.12 偏光顕微鏡写真1）
a）オルソスコープ像 黒雲母片麻岩 b）コノスコープ像 方解石（一軸結晶）
c）コノスコープ像 トパーズ（二軸結晶）
a）
b） c）
前述したように、偏光顕微鏡は主として岩石や鉱物 の研究・検査に用いられてきた。鉱物顕微鏡と呼ばれ てきたのもそのためである。わが国でも高千穂製作 所と島津製作所が共同で 1925（大正 14）年に鉱物顕 微鏡（図 5.13）を製造している。そして、1949（昭和 24）年には本格的な偏光顕微鏡の国産化をめざし、偏 図 5.11 偏光顕微鏡の構成図1）
a）オルソスコープ b）コノスコープ
a） b）
光顕微鏡委員会（主査：坪井誠太郎・東京大学名誉教 授）が設置された。そして日本光学より 1951 年に文 部省科学試験研究費の補助を受けて偏光顕微鏡 POB が、次いで 1952 年に本格的偏光顕微鏡 POH（図 5.14）
が発売され14）、オリンパスでも 1960（昭和 35）年に POM（図 5.15）が、1963（昭和 38）年に POS が発売 された。その後、偏光顕微鏡は各社の顕微鏡システム の一部として、各ユニットがラインアップされ現在に 至っている。
図 5.15 オリンパス 偏光顕微鏡 POM4）
図 5.14 日本光学 偏光顕微鏡 POH 型17）
図 5.13 オリンパス・島津製作所 鉱物顕微鏡4）
偏光顕微鏡用対物レンズとコンデンサレンズは、光 学ひずみのないよう製造されているが、レンズの球面 による偏光面の回転は避けられない。この回転量は、
対物レンズの開口数に比例し、かつポラライザの振動 方向に対し± 45°の方位で最大値を持った光漏れが生
じるため、アナライザを通過後も対物レンズの瞳は 真っ黒にならず、アイソジャイア（isogyre）と呼ば れる暗十字になり、偏光性能が劣化してしまう。これ を解決したのが、井上信也らが 1957 年に発表したレ クティファイア（rectifier）である15）16）。これは、図 5.16 に示すように二分の一波長板と一対の強い屈折面 をもつパワーのないレンズを組み合わせたもので、レ ンズによる偏光面の回転を補償する機能をもち、コン デンサ側と対物側に配置する（図 5.17）。これにより 極めて偏光特性の高い光学系が得られる。井上はさら に画像処理により微弱なコントラストを増幅するビデ オ顕微鏡 video microscopy も開発し、細胞分裂時に 生じる微弱複屈折の可視化により紡錘体の存在や分裂 メカニズムを解明した。レクティファイアは、1975
（昭和 50）年に日本光学よりアポフォトに搭載して製 品化された（図 5.18）。
図 5.16 レクティファイアの説明図（対物レンズ部のみ）
（引用 15 を参考に作成）
図 5.17 レクティファイアの光学系
（引用 15 を参考に作成）
図 5.18 日本光学 レクティファイア顕微鏡17）
最近では、偏光状態が可能な液晶素子と画像処理技 術を組み合わせることで、顕微鏡自身による偏光状態の 低下を補償する方法も提案されており、観察画像の鮮明 化やさまざまな定量計測が可能になってきている。
5.5
微分干渉観察法 differential interference contrast microscopy（DIC）微分干渉法は、無色透明な物体の位相情報を、偏光 干渉により干渉色のコントラストを付けて可視化する 方法で、図 5.19 に示した構成及び原理図に基づきそ のしくみを説明する。
図 5.19 微分干渉顕微鏡の構成及び原理図
（引用 19 を参考に作成）
コンデンサ下のポラライザを通過した直線偏光（振 動方向は図の右側に表示）は、第 1 のウォラストンプ リズム（図 5.20 a、水晶などの結晶を特定の方向に切 り出し微小なくさび角をつけたプリズム 2 枚を貼り合 わせたもの）に入射し、互いに直交した振動方向をも つ 2 つの直線偏光に分離する。この 2 つの光が位相物 体を透過し、波面の変形を受けたあと対物レンズを通 過して再び第 2 のウォラストンプリズムで結合し、ア ナライザにより振動方向が合致して、2 つの波面のず れに対応した干渉が起こる。このとき、位相物体を透 過する 2 つの光線の分離幅（シア量）が対物レンズ の分解能以下であれば、像は 2 重にならず位相のず れ（透過波面の微分係数）に対応した干渉色のコン トラストが付く。このため微分干渉の像には、レリー フのような立体感がある。この微分干渉顕微鏡の方式 は、イギリスのスミス（F. Smith）とフランスのフラ ンソン（M. Françon）が 1947 年に発明した。第 1 及 び第 2 のウォラストンプリズムは、それぞれコンデン サレンズの前側焦点、対物レンズの後側焦点の位置に
配置する必要があるが、対物レンズの場合この位置 はレンズ内部にあることが多く、実際に適用するの は困難がある。このため、1952 年ノマルスキー（G.
Nomarski、ポーランド→フランス、1919-1997）は、
ウォラストンプリズムの一方の光学軸を傾けたノマル スキープリズム（図 5.20 b）を発明し18）、この問題を 解決した。微分干渉顕微鏡は、現在このノマルスキー 方式が主流となっている。ノマルスキー式微分干渉 顕微鏡では、コンデンサ側と対物レンズ側にそれぞれ プリズムが配置されるが、それには二通りの方式があ る。一つは、コンデンサ側のプリズムを対物レンズご とに用意し、対物レンズ側は一つの共用プリズムとす る方式で、もう一つは、コンデンサ側プリズムは対物 レンズの NA に対応した区分で用意し、対物レンズ 側は個別プリズムとする方式である。なお、背景のコ ントラスト調整は、対物レンズ側プリズムの横方向へ の移動で行う方式と、コンデンサの下側で四分の一波 長板と回転するポラライザを組み合わせたセナルモン 方式とがある。背景はグレーのコントラストが最も試 料の検出感度が高いため一般的に使われるが、さらに 調整して鋭敏色を使うと黄・赤・青の色鮮やかなコン トラストが得られる。ノマルスキープリズムは水晶を 材料とし、光学軸の角度を分レベルで、くさび角を秒 レベルで加工する必要があり、製造難度の高い光学部 品の一つである。図 5.21 a に珪藻の微分干渉写真、同 b に位相差顕微鏡との比較写真を示す。
図 5.20 a）ウォラストンプリズム と b）ノマルスキー プリズム
a） b）
図 5.21 微分干渉写真1）
a）珪藻 b）ラットの胚（上 : 位相差法、下：微分干渉法）