写真は拡大すると歪みますが、顕微鏡画像では歪みません。顕微鏡の拡大の原理は何ですか?

写真の細部を詳しく観察したいときは、写真を拡大します。ただし、拡大率には限界があります。この制限を超えると、画像がぼやけて歪んでしまいます。

しかし、拡大したとしても顕微鏡で拡大した画像はぼやけたり歪んだりする問題はありません。物体を何千倍、何万倍に拡大しても、同じように鮮明になります。これはなぜでしょうか?まず、普通の写真がなぜ歪んでしまうのかについて話しましょう。私たちが普通の写真と呼んでいるのは、コンピューターや携帯電話などの電子機器で見る写真です。これらの画像は基本的に個々のピクセルで構成されています。コンピュータで画像の情報を見るとき、画像がいくつのピクセルで構成されているかを示す画像のピクセルという情報が非常に重要になります。

画像のピクセルサイズが 1800X1000 であると仮定すると、画像の各行は 1800 ピクセルで構成され、合計 1000 行あることを意味します。

通常のサイズではこれらのピクセルは見えませんが、画像を拡大し続けるとこれらのピクセルが現れ、画像がぼやけて歪んでしまいます。これにより、画像の適用範囲が制限されるという問題が発生します。たとえば、会社のロゴを描いた場合、そのロゴを大きな販促ポスターに使用したいときには、拡大すると画像がぼやけて歪んでしまうため、これらの特殊な画像は、特別なソフトウェアを使用して「ベクター グラフィックス」で描画する必要があります。ベクターグラフィックは実際の画像ではありません。直線と曲線を通じて特定の図形を表します。これらの直線や曲線はすべて数式によって得られるため、歪みなく任意のサイズの画像に変換できます。

ベクター グラフィックスは歪みの問題を解決できますが、本質的には実際の画像ではなく、数式です。しかし、顕微鏡は違います。実際に、ぼやけや歪みを引き起こすことなく、物体の影響を拡大します。これはなぜでしょうか?

実は、その理由は非常に単純です。顕微鏡で見る画像はピクセルで構成されていません。それはオブジェクトの実際の情報を反映しています。物体の実情報は客観的に存在するため、「歪み」という概念は存在しません。ちょっとわかりにくいように聞こえますか?顕微鏡がどのように画像を形成するかを理解しましょう。最も古い顕微鏡は光学顕微鏡でした。その拡大原理は非常に単純で、凸レンズに頼るものです。

凸レンズの光学効果により物体の像を拡大することができます。しかし、どんなに凸レンズが凸面であっても、生物細胞を目に見えるレベルまで拡大することは不可能です。しかし、それは問題ではありません。 1 つのレンズが機能しない場合は、2 つのレンズを使用します。

光学顕微鏡は主に 2 つのレンズで構成されており、1 つは対物レンズ、もう 1 つは接眼レンズです。どちらのレンズも倍率があるので、掛け算の魅力がここに反映されています。例えば、顕微鏡の接眼レンズの倍率が 10 倍、対物レンズの倍率が 20 倍の場合、10 を 20 倍すると、この顕微鏡の倍率は 200 倍になります。したがって、顕微鏡の倍率を上げるには、接眼レンズと対物レンズの倍率をそれぞれ上げるだけで済みます。しかし、光学顕微鏡で拡大した画像はぼやけたり歪んだりすることはありませんが、無限に拡大することはできません。

光学顕微鏡は可視光を使用しますが、可視光の波長には制限があります。この制限により、光学顕微鏡では物体の画像を最大 2000 倍まで拡大できます。そのため、光学顕微鏡を使って生物細胞を観察するのは問題ありませんが、よりミクロの世界を覗き見たい場合には無力です。

細胞よりも小さな物質を見ることができるように、人類は電子顕微鏡を発明しました。電子顕微鏡は光学顕微鏡よりもはるかに大きいです。通常、チューブ、真空装置、電源キャビネットの 3 つの部分で構成されます。電子顕微鏡は磁気レンズを使用しますが、これは真のレンズではありません。電場または磁場を使用して電子の軌道を軸に向かって曲げ、焦点を形成します。つまり、電子顕微鏡の拡大原理は可視光に頼るものではなく、可視光の代わりに電子ビーム、光学レンズの代わりに磁場を使用するものです。

電子顕微鏡は可視光の制約を受けないため、光学顕微鏡に比べて倍率が1,000倍以上高く、数百万倍にも達します。電子顕微鏡では細胞核内の DNA が見えるようになります。

しかし、DNA は単なる高分子であり、最も微細な形態の物質ではありません。私たちは個々の原子を自分の目で見たいと望み、より強力な顕微鏡である「走査型トンネル顕微鏡」が登場しました。走査型トンネル顕微鏡は現在世界で最も強力な顕微鏡です。量子論におけるトンネル効果を利用します。走査型トンネル顕微鏡は 3 億倍以上に拡大できるため、この巨大な装置を通じて科学者は個々の原子を観察し、位置を特定することもできます。

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