光学顕微鏡の原理と応用

光学顕微鏡

顕微鏡学は、肉眼では適切に観察できないほど微小な物体の像を拡大して研究する分野です。顕微鏡は、観察対象試料から放出、吸収、透過、反射される放射（図1）を利用してその任務を果たします。放射の性質により、光学顕微鏡、電子顕微鏡、X線顕微鏡、音響顕微鏡など顕微鏡の種類が決まります。電磁波スペクトルの可視光部分が光学顕微鏡で使用される放射タイプです。光学顕微鏡とは、光学顕微鏡を通じて材料を微細構造レベルで観察することです。

図1 電磁波

粗い拡大鏡は古代から使用されていましたが、現代顕微鏡の進化は17世紀に始まりました。最初の複合顕微鏡は1595年にHansとZacharias Janssenによって作られましたが、Antoni van Leeuwenhoek（1632-1723）が非常に優れたレンズを作製し、極めてシンプルな顕微鏡で約300倍の驚異的倍率を達成しました。科学者Robert Hookeの提案（1670年頃）により、ロンドンの器械職人Christopher Cockが非常に成功した複合顕微鏡を製作しました。この装置でHookeは細胞を観察できました。Hookeの顕微鏡は現代機器の父と見なせます。

光学顕微鏡は「光学顕微鏡」とも呼ばれ、可視光（図1）とレンズ系を用いて微小試料の像を拡大する顕微鏡タイプです。光学顕微鏡は最古かつ最もシンプルな顕微鏡です。洗練された電子金属顕微鏡装置が進化しても、微細構造研究の非常に重要な装置であり続けています。洗練された「走査型電子顕微鏡」（SEM）と「透過型電子顕微鏡」（TEM）も貴重な装置ですが、光学顕微鏡の代替ではなく、併用すべきものです。

全ての微細構造観察は、光学顕微鏡の使用から始まり、100倍などの低倍率から開始し、段階的に高倍率へ進んで微細構造の基本特性を効率的に評価します。大半の微細構造は光学顕微鏡で観察可能で、その特性に基づき同定できます。疑わしいまたは未知の構成要素の同定は、母相に対する相対硬度、固有色、偏光への反応、選択エッチャントへの反応の観察によって補助されます。これら観察は、観察対象材料の物理冶金学的既知事項と比較されます。疑いが残る場合や構造が微細すぎて観察できない場合は、より洗練された技術を実施すべきです。

試料観察：研磨面とエッチング面

光学顕微鏡は、研磨面またはエッチング済み冶金試料の観察に使用できます。特定の構成要素は研磨面でより容易に観察できます。エッチングディテールによって隠されないためです。介在物、窒化物、特定の炭化物、金属間化合物相はエッチングなしで容易に観察できます。介在物を除き、他の相は最終研磨時にわずかなレリーフを導入すればより容易に観察できます。試料は、アーチファクトによる合併症なしに微細構造の正しい観察と解釈を保証するため、適切に調製される必要があります。偏光に反応する試料（非立方晶構造材料など）は通常エッチングなしで観察されます。しかし、大半の場合、微細構造観察のためにエッチングが必要です。汎用エッチャントをまず使用して結晶粒構造と存在相を顕出させ、続いて注目相を攻撃または着色する選択エッチャントを使用します。選択エッチャントは、自動装置で実施する場合特に、定量冶金学で広く使用されます。いずれの場合も、微細構造を明確に顕出させるよう慎重にエッチングを実施すべきです。

光学顕微鏡の結像原理

顕微鏡は、非常に短い焦点距離の対物レンズを用いて像を大幅に拡大します。この像は、単純拡大鏡として使用される短焦点距離接眼レンズで観察されます。光学顕微鏡の基本結像概念と構造は図2に示されています。顕微鏡の光学系は主に対物レンズと接眼レンズで構成されます。対物レンズの目的は、物体を拡大して使用者が明確に観察できるようにすることです。観察時、試料は対物レンズの物体側焦点面近くに配置され、試料の拡大実像がまず中間像面に形成されます。中間像面は接眼レンズの焦点面上に位置するため、接眼レンズは中間像面に投影された像をさらに拡大する拡大鏡として機能します。最終的に、拡大・虚像・倒立像が観察者に提供されます。

図2 顕微鏡結像の光学原理

分解能と数値開口数

光学顕微鏡が物体上の異なる点の分離像を生成する能力には限界があります。レンズの分解能はこの能力の定量的尺度です。分解能限界より近い点は別個の点として区別できません。Ernst Abbeが1873年に、隣接2点が分離して知覚される最小距離dを「d = λ/2n sin A」の式で最初に定めました。ここで「λ」は光の波長、「A」はレンズ開口角の半分、「n」は物体とレンズ間の媒質屈折率です。

現在、対物レンズで分解可能な2物体点の最小線形分離は、Rayleigh基準「d = 1.22(λ/2NA)」で定められます。ここで「λ」は光の波長、「NA」は対物レンズの数値開口数です。Abbe基準とRayleigh基準は非常に似ており、数値開口数はNA = n sin Aにより撮像媒質に関連付けられます。sin Aの最大値は1（A = 90度）なので、空気中（n = 1）での対物レンズの理論的最大数値開口数はNA = 1です。高NAは高分解能の必須要件であるため、浸漬光学が開発されました。水（n = 1.33）、グリセリン（n = 1.47）、油（n = 1.52）など、異なる屈折率を持つ浸漬媒質を介して、対物レンズから非常に短い距離で試料を撮像できます。

適切に設計された顕微鏡では、空間分解能は主に対物レンズによって決定されます。接眼レンズも像を拡大できますが、顕微鏡の分解能を向上させることはできません。光学顕微鏡の空間分解能はRayleighの式Ro = 0.62 λ/n sin Aで与えられます。ここで「Ro」は最小分解能距離、「λ」は光の波長、「n」はレンズと物体間の媒質屈折率、「A」はレンズ開口角の半分、n sin Aは対物レンズの数値開口数です。

上記式と実用的制約、すなわち（1）波長390〜760 nmの可視光使用、（2）半角70〜75度で到達可能な最大開口、（3）水や油による浸漬法で屈折率を増加させる要件を考慮すると、従来型光学顕微鏡の分解能は200 nmを超えられません。

光学顕微鏡の種類と観察モード

光学顕微鏡と簡略化された光学波路は図3に示されています。現代光学顕微鏡は、空間分解能200 nmの限界で物体を1,500倍まで拡大可能です。光学顕微鏡は様々な基準で多くのタイプに分類できます。例えば、照明法による分類では、透過型と反射型があります。透過型顕微鏡では光が透明物体を透過します。反射型顕微鏡では、顕微鏡レンズ上部に設置された光源が不透明物体を照明し、反射光をレンズが集光します。観察法による分類では、明視野顕微鏡、暗視野顕微鏡、位相差顕微鏡、偏光顕微鏡、干渉顕微鏡、蛍光顕微鏡があります。

各顕微鏡は透過または反射アプローチのいずれかを使用できます。明視野顕微鏡は全顕微鏡中最も普及・広く使用されています。このタイプでは、観察物体の透過（吸収）比と反射比が作業環境変化に応じて変化します。これら物体の振幅は照明強度変化に応じて変化します。無色透明物体は照明光の位相が変化した時のみ可視化されます。明視野顕微鏡は光位相を変化させられないため、無色透明試料はこのタイプでは不可視です。

図3 光学顕微鏡とその原理

顕微鏡構成要素

光学顕微鏡はコストと性能で大きく異なります。反射光は金属研究に、透過光顕微鏡は鉱物・ポリマー研究に使用されます（これらも反射光で観察可能）。光学顕微鏡は「直立型」と「倒立型」に分類されます。これらは観察時の試料研磨面の向きを指します。各構成にはメリット・デメリットがあるため、選択は個人の好みによります。最もシンプルな光学顕微鏡はベンチタイプ（通常直立型）です。写真撮影機能はスタンドの剛性に応じて一部顕微鏡に追加可能です。

観察と写真顕微鏡に適した様々なタイプの顕微鏡が利用可能です。これらはシンプルなユニットから、多様な照明モード、光源、マイクロ硬度付属装置、ホットステージ等を備えた本格的研究用顕微鏡まであります。光学顕微鏡の基本構成要素は以下の通りで、図3に示されています。

照明システム

光学顕微鏡用の多様な光源が利用可能です。ベンチ顕微鏡で主に使用される低電圧タングステンフィラメントランプは観察に十分な強度ですが、写真撮影には不十分です。電球への電流調整で光強度を制御します。かつて顕微鏡で一般的だったカーボンアーク照明システムは、アークまたはフィラメント光源に置き換わっています。キセノンアーク光源は高強度と日光色特性で普及しています。光強度は中性濃度フィルター使用でのみ調整可能です。タングステンハロゲンフィラメントランプも高強度と高色温度で広く使用されます。光強度は電流変動または中性濃度フィルターで制御可能です。ジルコニウムアーク、ナトリウムアーク、石英ヨウ素、水銀蒸気ランプなど他光源は稀です。

コンデンサ

球面収差とコマのない調整可能レンズを光源前に配置し、光を光学経路の所望点に集光します。絞り絞りをこのレンズ前に配置し、顕微鏡内部のグレアと反射を最小化します。絞り絞りは視野端まで絞り込みます。第2の調整可能アイリス絞り（開口絞り）を垂直照明器前の光路に配置します。この絞りを開閉すると、対物レンズに入射する光量と光錐角度が変化します。この開口の最適設定は各対物レンズで異なり、像コントラスト、シャープネス、被写界深度の妥協点です。倍率上昇に伴い開口絞りは絞り込まれます。開口を開くとシャープネス向上だがコントラスト低下。開口を閉じるとコントラスト向上だがシャープネス低下。開口絞りは光強度低減用には使用せず、コントラストとシャープネス調整のみに使用すべきです。

光フィルター

観察容易性、写真顕微鏡改善、コントラスト変更のために光を修正するために使用されます。中性濃度フィルターは可視スペクトル全域で均一に光強度を低減します。透過率約85%〜0.01%の多様な中性濃度フィルターが利用可能です。大半の光学顕微鏡は少なくとも2種類の選択肢を備えています。

選択フィルターは、光源の色温度をフィルムのそれに合わせるために使用されます。これは使用光源とフィルムタイプに依存し、色画像の忠実な再現に頻繁に必要です。緑または黄緑フィルターは白黒写真でレンズ欠陥の画質への影響を低減するため広く使用されます。大半の対物レンズ、特に低コストアクロマートは、良好な結果のためにこのようなフィルタリングを必要とします。

偏光フィルターは、単一フィルターで直線偏光、2フィルターを回転させて消光させる直交偏光を生成し、非立方晶（結晶学的）材料観察に使用します。ベリリウム、ジルコニウム、α-チタン、ウランなど光学異方性材料は、エッチングなしで直交偏光条件下で観察可能です。感光色板を直交偏光と併用して着色を強化することもできます。

対物レンズ

微細構造の一次像を形成し、光学顕微鏡で最も重要な構成要素です。対物レンズは試料から可能な限り多くの光を集め、これを結合して像を生成します。対物レンズのNAはレンズの集光能力の尺度です。集光能力は角度「A」とともに増大します。開口絞りの設定はコンデンサのNAを変更し、したがってシステムNAを変更します。

対物レンズ（図4）は通常、4〜6個の対物を受け入れられるノーズピースターレットに取り付けられます。一部顕微鏡はノーズピースターレットを使用せず、ベヨネットマウントで垂直照明器に一度に1個の対物のみ取り付け可能です。垂直照明器には反射鏡またはプリズムが含まれ、光を対物レンズを通して試料表面に下向きに偏向させます。通常、開口絞りと絞り絞り、フィルターも保持します。垂直照明器は通常、明視野と暗視野照明、または明視野と偏光照明など1〜2種類の照明のみ提供します。しかし、ユニバーサル垂直照明器は現在、1つの垂直照明器と1セットの対物で全照明タイプを提供可能です。

鏡筒長は、接眼レンズのアイラインから対物ネジまでの鏡筒長さです。この長さは標準化されておらず、変動します。大半の対物は特定鏡筒長（通常160〜250 mm）用に設計され、通常互換性がありません。

最も一般的に使用される対物はアクロマートで、1色（通常黄緑）に対して球面収差補正、2色（通常赤と緑）に対して軸上色収差補正されています。したがって、アクロマートはカラー写真顕微鏡に不向きです。黄緑フィルターとオルソクロマチックフィルムの使用で最適結果が得られます。しかし、アクロマートは比較的長い作動距離（対物前面レンズから試料表面までの距離）を提供します。作動距離は対物倍率増大とともに減少します。大半のメーカーは特殊用途（例：ホットステージ顕微鏡）向けに長作動距離対物を製造しています。アクロマートはひずみフリーで、偏光観察に重要です。より高度に補正されたレンズよりレンズ枚数が少ないため、内部反射損失が最小化されます。

セミアポクロマートまたはフローライト対物は、球面収差と色収差のより高度な補正を提供し、アクロマートより高品質像を生成します。アポクロマート対物は最高度補正で最良結果を生み、より高価です。プラノ対物は視野平坦性に対する広範な補正を持ち、眼精疲労を軽減し、現代顕微鏡で頻繁に見られます。

パルフォーカルレンズシステムでは、ノーズピースターレット上の各対物がターレット回転時にほぼ焦点合致状態になり、レンズ切替時に対物前面レンズが試料に衝突するのを防ぎます。多くの対物はスプリングロード式で、レンズ破損防止に役立ちます。これは作動距離が非常に小さくなり得る高倍率対物でより深刻な問題です。

特定対物は、試料と対物前面レンズ間にオイルを使用するよう設計されています。しかし、オイル浸漬レンズは使用後試料とレンズの洗浄が必要なため稀にしか使用されません。しかし、空気をレンズと試料間に置く場合より高分解能を提供します。後者の場合最大可能NAは0.95ですが、オイル浸漬レンズはレンズとオイルに依存し1.3〜1.45 NAを生成します。25〜160倍の倍率が利用可能です。オイル使用は像をシャープにし、石炭やセラミックスなど低反射率試料観察で価値があります。

図4 対物レンズと接眼レンズのタイプ

接眼レンズ

接眼レンズとも呼ばれます。接眼レンズ（図4）は対物レンズが生成した一次像を拡大します。これにより目は対物レンズの全分解能能力を利用できます。顕微鏡は試料の虚像を最明視距離、通常目から250 mmの位置に生成します。接眼レンズはこの像を拡大し、有用な倍率達成を可能にします。標準接眼レンズの視野径は24 mm、プラノ対物用広視野接眼レンズは30 mmで、一次像の可用領域を拡大します。

最もシンプルな接眼レンズはC. Huygensが発明したホイヘンス接眼レンズです。凸面を対物側に向けた2枚の平凸レンズで構成されます。低倍率・中倍率アクロマート対物での使用に満足できます。補償接眼レンズは高NAアクロマートとより高度補正対物で使用されます。一部レンズ補正がこれら接眼レンズで実行されるため、使用対物タイプに合わせた接眼レンズ選択が必要です。

アイクリアランスは、接眼レンズのアイレンズと目との距離です。ほとんどの接眼レンズで10 mm以下で、メガネ着用者には不十分です。近視など単純視力問題は微動調整で対応可能です。乱視などは顕微鏡で補正できず、メガネ着用が必要です。ハイアイポイント接眼レンズはメガネ着用に必要な約20 mmのアイクリアランスを提供します。

接眼レンズには通常、微細構造の位置特定、測定、計数、比較用のレチクルまたはグレーティクルが装備されています。接眼レンズはレチクル/グレーティクル像と一次像の両方を拡大します。両像が同時に焦点合致している必要があります。グレーティクルスケールより正確な測定を可能にする特殊接眼レンズも製造されています。例としてフィラーマイクロメーター接眼レンズやスクリューマイクロメーター接眼レンズがあります。これらは自動化可能で、約1マイクロメートル精度の直接デジタル読み取り測定値を出力できます。

通常10倍接眼レンズを使用しますが、標準倍率を得るため一部システムでは6.3倍など他倍率が必要です。15倍、20倍、25倍など高倍率接眼レンズも特定状況で有用です。総合倍率は対物倍率Moと接眼倍率Meを乗算して求めます（図2）。ズームシステムやベローズも使用する場合は、それに応じて倍率を調整します。

ステージ

試料のフォーカシングと移動のための機械式ステージが提供されます。試料はステージに置かれ、クリップで固定されます。倒立顕微鏡のステージには異なるサイズの穴を持つ交換可能センタープレートがあります。研磨面を穴に当てて観察します。しかし、全面観察は不可能で、高倍率では作動距離制限により穴縁近くで対物をフォーカスできません。直立顕微鏡では、試料をスライドガラス上にステージに置きます。研磨面が光ビームに垂直である必要があるため、試料底面とスライド間に粘土を置きます。レンズティッシュを研磨面上に置き、レベリングプレスで粘土に押し付けます。しかし、ティッシュ片が試料表面に付着することがあります。特にマウント試料に有用な代替法は、ティッシュ代わりにリングを使用して試料を平坦化することです。マウントと同サイズのアルミニウムまたはステンレス鋼リング（バイスでわずかに平坦化）はマウントに載るのではなく試料に載ります。

直立顕微鏡では任意の対物で全面観察可能で、操作者は試料のどの部分を観察しているか把握できます。コート試料、溶接部、特定領域観察が必要な他試料検査で有用です。マウント試料では、マウント用オートレベリングステージホルダーで粘土上でのレベリングを不要にできます。

ステージは振動排除のため剛性が必要です。ステージ移動はX-Yマイクロメーターで制御され、スムーズかつ精密である必要があり、通常ラックアンドピニオン歯車が使用されます。多くのステージにX-Y方向距離測定用スケールがあります。フォーカシングコントロールには垂直移動推定用目盛がよくあります。一部ユニットはモーター駆動ステージとフォーカス制御を備えます。

円形回転ステージプレートは偏光観察を容易にします。鉱物学・岩石学研究で一般的で、回転角度測定用に目盛が付いています。直線ステージが通常円形ステージ上に配置されます。

スタンド

ベンチ顕微鏡には剛性スタンドが必要です、特にユニットで写真顕微鏡を実施する場合。顕微鏡の各部品は組立時にスタンドに取り付けられます。一部ケースでは、ベンチ顕微鏡を写真システムも保持する別スタンド上に置きます。

レンズ収差

多くのレンズ収差は反射・屈折法則に起因します。レンズ屈折率は光波長により変化し、レンズ焦点距離は屈折率により変化します。したがって、焦点距離は光の色により変化します。存在する各波長ごとに別個の像がレンズから異なる距離に結像します。これが軸上色収差（図5）です。さらに、倍率は焦点距離とともに変化し、像サイズを変えます。これが倍率色収差（図5）です。これら差異はカラー写真生成のために排除すべきです。アクロマートはこれら問題への補正が限定的なので、黄緑光フィルタリングでシャープ像を得るために使用されます。球面収差（図5）は、光軸上の点物体からの光がレンズ中心または周辺でより強く屈折し、点像が有限面積の円として現れる一連の焦点位置を生成する際に起こります。これは対物レンズを中央部分のみに制限する絞り使用で最小化できます。レンズ設計でもこの問題の一部を補正可能です。

最適焦点の像面が湾曲しているため、等量逆符号湾曲を持つ補償接眼レンズを使用して平坦像を生成します。コマや乱視など他問題も補正されないと像質を損ないます。

図5 レンズ収差

分解能

微細構造ディテールを観察するには、光学系が適切な分解能（分解力）と適切な像コントラストを生成する必要があります。分解能が許容でもコントラスト不足ならディテール観察不可です。一般に、距離「d」で分離した2点または2線を分解する能力は、入射光波長「λ」と対物レンズ数値開口数「NA」の関数です。式「d = k·λ/NA」に従い、kは0.5または0.61です。図6はk=0.61、4光波長でのこの関係を示します。他の式も報告されています。この式は、対物レンズ補正度、顕微鏡使用者の視力など分解能に影響する他因子を含みません。Abbeの研究に基づき、冶金学では存在しない条件（自発光点、完全白黒コントラスト、透過光観察、理想点光源、レンズ収差なし）で導かれています。

前段の式を用いると、NA 1.4の対物レンズの分解能限界は約0.2マイクロメートルです。0.2マイクロメートル間隔の線または点を観察するために必要な倍率は、対物レンズ分解能を人間の眼分解能で割って求めますが、観察条件下では決定困難です。Abbeは最適視力距離250 mmでの0.3 mmを使用しました。平均波長0.55マイクロメートル光では、必要倍率は対物NAの1,100倍です。これが最大有用倍率「1,000 NA」ルールの起源です。1,000 NA以上の倍率は「空倍率」、すなわち無意味とされます。

このルール開発条件が冶金学で遭遇する条件とかなり異なることを考慮し、1,000 NAルールへの厳格準拠は疑問視されます。Abbe分析によれば、最適20/20視力、最適コントラスト条件、平均光波長550 nmで光学顕微鏡を使用する人物の場合、対物NAを最大限活用する最低倍率は550倍NAです。これは与えられた対物で使用すべき有用最小倍率を確立します。光学顕微鏡使用の平均的人物の有用最大倍率上限は2,200倍NA、1,000倍NAではないと提案されています。

図6 数値開口数による分解能と被写界深度の関係

被写界深度

被写界深度とは、光軸に沿って像ディテールが許容明瞭度で観察される距離です。分解能に影響する因子は被写界深度にも影響しますが、逆方向です。したがって、この2パラメータ間で妥協が必要で、倍率増大とともにより困難になります。これが高倍率観察で薄いエッチングが好まれる理由の一つです。

観察モード

選択対物の分解能能力を発揮するには、像コントラストが適切でなければなりません。像コントラストは試料調製と光学系に依存します。試料表面からの光反射率差が振幅特徴を生み、拡大後に目で可視化されます。光反射で生じる位相差は、位相差または干渉差アタッチメントを顕微鏡に装着して可視化します。

明視野照明

明視野垂直照明は最も広く使用される観察法で、撮影微細写真の大半を占めます。動作では、光が対物レンズを通過し、試料表面に垂直に入射します。入射光に垂直な表面特徴は光を対物レンズへ反射し、接眼レンズで明るく見えます。光ビームに斜めの表面は対物へ反射光が少なく、角度に応じて暗く見えます。

斜光照明

一部顕微鏡では、コンデンサアセンブリまたはミラーを偏心させ、対物レンズを通過した光が試料表面に非垂直角度で入射するようにできます。試料表面粗さが影を落とし、立体的外観を生成します。これにより隆起または凹み特徴の判定が可能です。しかし、この技術は照明を不均一にし分解能を低下させるため、ごくわずかな斜め角度しか導入できません。

暗視野照明

暗視野照明では、斜め配向特徴から反射した光を集光し、入射ビームに垂直な特徴から反射した光線を遮断します。したがって、コントラストは明視野照明から本質的に逆転します。すなわち、明視野で明るい特徴が暗く、通常暗い特徴が明るく見えます。斜め特徴が発光的に見え、非常に強い像コントラストが生成されます。この条件下では、明視野照明では不可視な特徴を頻繁に観察可能です。この方法は結晶粒構造研究に特に有用です。しかし、低光強度により写真顕微鏡がより困難になり、自動露出制御装置使用で緩和されます。

偏光

冶金学で使用される偏光は、通常ベリリウム、α-チタン、ジルコニウム、ウランなど特定の光学異方性金属観察に限定されてきました。これらはエッチング困難ですが、適切に研磨すれば偏光に良好に反応します。電子プローブマイクロアナライザー（EMPA）とエネルギー分散型X線分光（EDS）開発前は、偏光観察は介在物同定法の不可欠な部分でした。これら装置開発以来、EMPAやEDS技術による同定がより確定的であるため、介在物同定目的での偏光使用は減少しました。現在ほとんどの冶金顕微鏡は合成ポラロイドフィルターを使用します。「偏光子」は対物前の光路に、「検光子」は対物後の光路、通常接眼レンズ直下に配置されます。

光は伝播方向に直角の全方向に振動する横波で構成されます。これら振動は伝播方向を中心に対称的に起こり、非偏光です。光が偏光フィルターを通過すると、伝播方向の単一平面でのみ振動が起こり、直線偏光と呼ばれます。この平面はフィルター回転とともに変化します。検光子フィルターを光路に配置すると、光の振動平面が検光子の振動平面と平行なら直線偏光は通過します。検光子振動平面が光のそれに垂直なら光は通過せず、消光が生じます。等方性金属（立方晶構造を持つ金属、例：鉄）の表面から反射した直線偏光が、直交位置（振動平面が直線偏光のそれに垂直）の検光子を通過すると、像は消光、つまり暗くなります。しかし実際には、冶金顕微鏡が完全な直線偏光を生成しないため、完全消光は起こりません。これは冶金学では偏光が定性的にのみ使用されるため深刻な問題ではありません。ひずみフリー対物、通常アクロマートを使用すべきです。フローライトやアポクロマート対物は不適です。正確な色効果生成には強い白色光源が必要です。

直交偏光子と検光子下で光学異方性研磨金属を光ビーム下に置くと、微細構造が顕出します。試料調製品質が非常に重要で、表面は光路に垂直でなければなりません。ビーム下で試料を回転させると光強度と色が変化します。異方性試料が配置されている時に偏光子と検光子を直交位置に正確に設定するのは困難（直交位置が偏光子と検光子にマークされていない限り）なので、まず等方性試料でこの位置を見つけるのが最良です。

直線偏光が異方性金属表面に入射すると、反射は互いに直角の2つの直線偏光成分として起こります。方向は結晶構造により変化します。これら2つの垂直反射強度は変化し、位相差が存在します。これら差異は各金属で異なり、結晶配向に依存します。六方晶または四方晶の基底面が光ビームに垂直な時、反射は得られません。結晶主対称軸が光ビームに垂直な時に最大反射率となります。結果像は主にこれら配向効果の影響を受け、位相差は低意義です。

検光子が偏光子に対して直交している時、異方性表面から反射した直線偏光の回転により光が検光子を通過し、各結晶粒が光ビームに対する結晶配向に依存して異なる光強度と色を持つ像が生成されます。ステージを回転させると、各結晶粒は360度回転中に明暗を4回変化させます。位相差が大きい場合、光は楕円偏光となり、回転時の各結晶粒強度差は小さく、消光は観察されません。反射直線偏光が波長に依存して変化する場合、カラー画像が得られます。色が少ない場合、偏光子と対物間に感光色板を挿入して着色を強化できます。

等方性金属も、エッチング、染色、陽極酸化で表面を光学的に活性化できれば、直交偏光で観察可能です。いくつかの金属向け手順が開発されていますが、全エッチング面が偏光に反応するわけではありません。通常、エッチングで各結晶粒にエッチピットやファセットを生成し、これら特徴で二重反射を引き起こします。異なる結晶配向の結晶粒は異なる配向のピット/ファセットを生成し、異なる程度の楕円偏光を生じ、結果として光強度が変化します。陽極酸化は試料表面に厚い酸化皮膜を生成し、膜の不規則性が二重反射を引き起こします。

陽極酸化試料の偏光応答は膜光学異方性に起因するとされてきましたが、実験により効果は膜表面不規則性由来と示されています。干渉色を生成する表面膜を作る着色エッチャントは、偏光で着色を強化できます。一般に、検光子を直交位置からわずかにシフトさせた時に最良結果が得られます。介在物観察、異方性金属（アンチモン、ベリリウム、ビスマス、カドミウム、コバルト、マグネシウム、スカンジウム、テルル、スズ、チタン、ウラン、亜鉛、ジルコニウム等）、エッチング/陽極酸化/着色エッチング立方晶金属の観察に加え、偏光はコート金属や変形金属観察に有用です。相同定も一部ケースで補助されます。鋳鉄中グラファイト球状物の内部構造は偏光で鮮明に顕出されます。マルテンサイト組織は偏光で頻繁により良く顕出され、高強度鉄基合金のラスマルテンサイトを図示します。

位相差照明

反射光では表面光学路差、透過光では試料内光学路差による振幅コントラストがほぼない微細構造の微妙な位相変化観察を可能にします。0.005マイクロメートルという微小高さ差も検出可能です。冶金学での位相差照明応用は限定的です。この技術には別セットの対物と特別垂直照明器が必要です。

干渉差照明

微分干渉差照明は、斜光照明で観察される像と同様に地形ディテールを強調した像を生成します。明視野照明で不可視または微かにしか見えないディテールが、干渉差照明で鮮明に顕出されます。微分干渉差照明で顕出可能な地形ディテール例として、構成要素の相対硬度やエッチングプロセスの性質（どの領域/構成要素がエッチャントに攻撃されるか）があります。場合によっては、明視野で不可視または微弱な構造の他側面も顕出可能です。

干渉技術

試料上の高さ差測定に複数の干渉技術が使用されます。完全平坦面上の干渉縞は等幅・等間隔の直線平行線として現れます。高さ変化によりこれら縞が湾曲またはギザギザに見えます（使用ユニット依存）。干渉顕微鏡は単一点光源からの光を2つ以上の波に分割し、異なる経路を通過させた後重ね合わせ、干渉を生成します。二光束と多光束装置が使用される2基本タイプの干渉計です。測定は使用光波長に基づきます。二光束干渉計はλ/20、多光束干渉計はλ/200までの高さ差測定可能です。

Linnik型干渉計は非偏光を用いる二光束反射顕微鏡です。ビーム分割プリズムが単色光源から2光束を生成します。1光束は試験用対物を通過し試験片表面で反射、対物を戻り接眼レンズへ。他光束は参照用対物を通過し光学的平坦参照鏡で反射、ビーム分割器に戻り接眼レンズへ。2光束間光路差が等しくない、またはλ/2の倍数でない場合、干渉が起こり等高線を示す等高線が形成されます。隣接縞間高さ差はλ/2です。

Tolansky多光束干渉計は、部分透過・部分反射参照鏡を試料表面すぐ近くに、わずかに平行でない状態で配置し、多数光束間干渉を生成します。参照鏡は表面に近似した既知反射率を持ちます。光は参照鏡を透過し試料表面で反射、試料表面で反射した光線と参照鏡と試料間で反射した光線が干渉します。多光束干渉計で生成される縞は二光束干渉計よりシャープで、これが高精度の理由です。縞間距離もλ/2です。隆起は縞を平行配列から変位させます。変位を縞間距離と比較して高さ測定を取得します。

光切法顕微鏡

光切法顕微鏡も表面形状測定に使用され、干渉技術を補完します。1〜400マイクロメートルの粗さ差測定可能で、機械加工面観察と表面層・膜厚測定に有用です。動作では、スリットを照明系の絞り絞り近くに配置し、対物レンズで像化して測定対象表面上に光線として結像させます。暗背景で斜光照明を使用します。光帯を第1対物と同一の第2対物で観察します。対物は試料表面に45度、互いに90度で配置されます。接眼レンズ内レチクルで測定、または写真で測定。垂直分解能は干渉計ほど良くありませんが、水平分解能は優れています。

補助技術

光学顕微鏡に装着して追加情報を得るための特殊装置がいくつかあります。以下に説明します。

マイクロ硬度試験

マイクロインデンテーション硬度データは、顕微鏡に圧子アタッチメントを追加することで取得可能です。単機能ユニットも多くの硬さ試験機メーカーから製造されています。荷重は通常1 g〜1,000 g、一部メーカーは低荷重用（0.05〜200 g）ユニットを製造。ヌープまたはビッカース圧子が使用可能です。

ホットステージ顕微鏡

ホットステージ顕微鏡セルは複数メーカーから入手可能。単機能ユニットも使用可能。コールドセルアタッチメントも製造されていますが、冶金学では用途限定的です。ホットステージ顕微鏡は、加熱・冷却中または定温での相変態研究に使用されてきました。ホットステージ顕微鏡セル内観察には、試料がセル内に保持されるため長作動距離対物が必要です。さらに、セル窓が石英なので、対物は石英補正済みである必要があり、特に20倍以上倍率では重要です。

相変化観察には化学エッチング以外の技術を使用すべきです。試料を真空中で定温保持すれば結晶粒界を熱エッチング可能。結晶粒界グルービングは明視野照明で容易に観察可能。相変態は表面レリーフ生成により可視化。したがって、マルテンサイトやベイナイト生成によるせん断反応が最も容易に観察可能。他相変態はより困難または不可能。変態はその場で撮影可能、通常映画カメラ使用。

特殊ステージ

様々な構成で利用可能。マウント試料用オートレベリングステージが典型例。ユニバーサルチルティングステージも粗面・不規則試料の迅速操作用に製造。小物体処理用特殊ステージも設計されています。多数ステージがインシチュ実験実施用に製造。カンファーなど金属と同様に凝固する低融点有機材料凝固のインシチュ観察による凝固基礎研究が実施。低融点金属・合金の再結晶化も同様に観察。特殊ステージで電解研磨・エッチング進行のインシチュ観察に使用。セルで腐食プロセスのインシチュ観察にも使用。静的・動的応力を伴う多様プロセス観察用ステージ設計。介在物物理抽出許容装置も設計。

ホットセル顕微鏡

放射性材料の冶金調製には、特殊設計ホットセルを用いたリモートコントロール調製が必要。ホットセル用特殊顕微鏡が設計されています。

フィールド顕微鏡

実験室に切り出し移動できないコンポーネントや大型物体の微細構造観察時、複数メーカー製ポータブル実験室装置で現場研磨可能。ポータブル顕微鏡で観察・撮影可能な場合も。不可能ならレプリカ作製し、光学顕微鏡または電子顕微鏡で観察。

比較顕微鏡

2微細構造比較必要性が生じることがあります。通常、各試料微細写真を並べて実施しますが、特殊顕微鏡でも実施可能。ブリッジコンパレーターで2ベンチ顕微鏡像を合成し同時観察。

テレビモニター

投影顕微鏡でグループ観察可能ですが、白黒またはカラーモニターに微細構造表示する方が一般的。高解像度閉回路システムが多数利用可能。

クリーンルーム顕微鏡

微小粒子研究は観察時の粉塵汚染影響を受けます。したがって、粉塵フリー環境提供のため特製クリーンボックス、クリーンベンチ、クリーンルームで実施すべきです。

画像解析装置

定量冶金学の利用増加、特に介在物特性評価により、テレビ原理ベースの自動画像解析システム開発が促進されました。注目相・構成要素は主に光反射率差により生じるモニター上グレーレベル差で検出。大半の立体測定はこれらシステムで可能。自動ステージと強力ミニコンピュータで相当自動化達成。これら装置は高価ですが、立体測定学と構造-特性相関への応用への関心を刺激しています。

特徴は、注目特徴の性質により研磨面またはエッチング面で検出。エッチング必要なら選択技術通常使用。視野測定と特徴特定測定を活用。視野測定は全検出特徴同時測定（体積分率測定等）。特徴特定測定では各個別粒子を順次測定。この手順は通常形状・サイズ測定用。

一部構造はこのようなシステムで正確測定に適しません。例：破面ディテール定量化は自動画像解析器で実行不可、デバイスがグレーレベルで破面特徴分離不能。多くの透過電子微細写真構造もこれらデバイスで解析不可。このような構造では、操作者が光ペンまたはスタイラスで検出実行するセミオートトレーシングデバイス使用可能。これら低コストシステムはほぼ全立体測定に使用可能。検出により多くの時間必要なため、多数視野サンプリング必要な測定問題には不向き。

写真顕微鏡

写真アタッチメント開発前は微細構造をスケッチする必要がありました。そのような文書化必要性はもうありませんが、スケッチは教育法として有用です。写真顕微鏡は冶金学で重要です。写真微細写真は観察ディテールを忠実に再現し、他者が閲覧可能にします。現在利用可能な装置で高品質微細写真は容易に生成可能。しかし、試料調製、エッチング、顕微鏡使用への細心注意が必要。虚偽微細構造再現は極めて一般的で、不正確解釈、良質材料却下、破壊解析誤結論を招いてきました。

歴史的に暗室写真手順が最も普及。インスタント写真プロセス（ポラロイド等）導入以来、多くの微細写真がこれら材料で作成され、速度と効率を活用。しかし、画像再現性は犠牲になり、追加コピーごとにプロセス繰り返し必要。インスタントプロセスフィルムでは無駄最小化のため自動露出装置使用必須。従来暗室写真法はより労力必要だが、より良い微細写真生成。ウェット暗室プロセスかなり自動化可能だが、写真顕微鏡頻繁使用でしか設備コスト正当化困難。

良好微細写真取得には、適切像コントラストと分解能、全視野均一フォーカス、均一照明、適切被写界深度必要。光源適切整列、システム振動フリー必須。黄緑フィルターでレンズ収差補正。光学系清潔、絞り絞りと開口絞り適切調整。顕微鏡フォーカシングはモデルにより多様。複数フィルムフォーマット使用可能（プレート、各種サイズシートフィルム、35mmロールフィルム）。フィルム面倍率把握必須。対物と接眼倍率のみ変数ならシンプルだが、ズームシステムやベローズ使用時はより困難。ステージマイクロメーターで真倍率決定可能。

暗室またはインスタント技術用の白黒・カラーフィルム各種利用可能。フィルムメーカーが特性文書化。白黒フィルム通常使用（低コスト）。より良いコントラスト制御、処理容易、カラーフィルムより通常高速。カラーフィルムはコスト正当化される重要用途あり。従来白黒写真ではネガ像まず生成、適切印画紙で微細構造ポジ像生成。微細写真は長年変化なしで保存。ネガフィルム選択はフォーマット、色感度、コントラスト、分解能、感度、粒状性、露出・現像ラチチュード基準。

一部白黒フィルムは可視スペクトル全域に感度なし。オルソクロマチックフィルムはオレンジと赤以外全色感度。パンクロマチックフィルムは全色感度だが青強調・黄抑制。黄色フィルターでこの色バイアス低減可能。

オルソクロマチックフィルムは暗赤灯下で現像可能、パンクロマチックフィルムは完全暗闇必要。オルソクロマチックフィルムは写真顕微鏡に非常に良好、特に黄緑フィルター挿入でレンズ収差補正時。

フィルム感度は照明低い時（偏光、干渉差、暗視野照明）のみ重要変数。オルソクロマチックフィルムは中コントラストでほとんど構造に十分。ハイコントラストフィルムでコントラスト強化可能。フィルム分解能は像微細ディテール記録能力定義。したがって高分解能フィルム望ましい。粒状性はエマルジョン銀粒サイズ、現像薬、現像時間・温度依存。高感度フィルムは低感度より粒状、拡大不向き。接触印刷推奨。大判フィルム必要だが拡大時間節約。より良い像生成、プリント倍率再決定不要。微粒子フィルムが最良分解能提供。

ネガ露光時、有用プリント可能ネガ生成する許容露光範囲存在。広露光ラチチュード非常に価値。各フィルムは露光時間と濃度の特性関係情報含有。選択露光は濃度-時間曲線線形部分上にあるべき。良好濃厚ネガは印刷時微細像欠陥抑制可能。露光不足ネガは印刷大幅制限、通常不良プリント。ネガ現像は比較的シンプル、現像液、停止液、定着液、水洗、乾燥使用。

正確露光は内蔵露出計で最も容易決定。なければテスト露光シリーズ作成可能。フィルムスライド完全引き出し、必要と判断されるより大幅短時間でフィルム全面露光。スライド挿入しフィルム約10〜20 mm覆い、露光繰り返し。スライド完全挿入でフィルム全面覆うまで増分繰り返し。現像後、各バンド濃度ベースで正確時間評価可能。

あるいは、同感度インスタントフィルムでステップ露光実施し暗室時間節約。大半白黒フィルムは接触印刷。ネガ乳剤面上にコンタクトプリンター置き、適切印画紙乳剤面下でネガ上置き。プリンター閉じ、光をフィルム通し印画紙へ。プリント現像、停止、定着、水洗、乾燥。プリントコントラストは印画紙タイプと現像時間制御。プリントコントラストタイプはエクストラソフト（フラット）〜エクストラコントラスト（グレード1〜5）。3号紙最頻使用。4号でコントラスト増、2号で減。

インスタントプロセスフィルムは暗室作業排除、プロセス迅速化。ポラロイドプリントは拡散転写反転プロセス使用。現像は露光後カメラからフィルム取り出し時開始。カメラからフィルム引き出し動作で粘性苛性現像液含有ポッド破裂、フィルム全面に広がる。白黒フィルム急速現像、カラープリントやや時間必要。一部ポラロイドフィルム非常に高感度、薄暗照明で有利。一部プリントは中和安定剤/保護ワニスコート必要（汚れ・褪色防止）。ネガとポジプリント両方生成インスタントフィルムも利用可能。ネガはクリアリング必要だが暗室不要。顕微鏡用ポラロイドフィルム全てパンクロマチック。ロールフィルム、フィルムパック、シート利用可能。従来ウェットプロセスフィルムより露光時間精密制御必要。

マクロ写真

マクロエッチングディスクや破損部品など、観察と撮影が頻繁に必要。観察は目視、シンプル手持ちルーペ、ステレオ顕微鏡で実施。マクロ写真は大半カメラで実施可能、クローズアップレンズアタッチメント、ベローズ、マクロレンズ併用。多くのステレオ顕微鏡にカメラ装着可能、一部ステレオペア撮影。一部メーカーはマクロ写真用カメラスタンド提供。一部冶金顕微鏡も低倍率対物で特定タイプマクロ写真可能。

マクロ写真は1倍未満〜50倍倍率利用。多くの実験室、特に破壊解析従事室は、撮影対象広範囲カバーのため多様カメラ、光源、ステレオビューア保有。正しい照明でディテール強調、グレア・反射なし均一照明提供必須。照明調整には実験と経験必要。利用可能照明：フラッドランプ、リング、同軸、ファイバーオプティクス。ライトボックスで影排除可能だが、良好結果には相当創意工夫必要。

被写界深度と分解能重要変数。撮影対象物多くは立体的、形状・質感顕出に一定被写界深度と適切照明必要。被写界深度は絞り絞り設定、倍率、レンズ焦点距離で変化。絞り絞り込みで被写界深度改善だが像輝度・明瞭度低下。倍率低下・焦点距離増大で被写界深度増大。5倍未満倍率では100 mm以上焦点距離推奨。高倍率では短焦点距離レンズ使用。