対物レンズ

対物レンズとは

対物レンズ（たいぶつレンズ）は、顕微鏡や望遠鏡、双眼鏡といった光学機器において、観察したい物体に最も近づけて配置されるレンズを指します。物体から発せられた、あるいは反射された光は、まずこの対物レンズを通過して機器の内部へと進みます。対物レンズの主な役割は、この光の束を集めること（集光）で、鏡筒内の特定の場所に物体の実像を作り出すことです。

光学機器、特に顕微鏡や望遠鏡の総合的な性能は、この対物レンズの性能に大きく依存すると言っても過言ではありません。適切に設計され、収差（後述）が十分に補正された光学系では、その性能は主にレンズの開口数や口径といった要素によって決まります。

収差と補正

レンズを通る光は、理想的な一点に集まることなく、わずかな「ずれ」を生じることがあります。これを収差と呼びます。収差が発生する主な原因としては、ガラスの持つ性質により、光の色（波長）によって屈折する角度が異なること（色収差）や、レンズの表面が球面状であるために光が均一に集まらないこと（球面収差など）が挙げられます。

単純な一枚の凸レンズだけでは、これらの収差のために鮮明な像を得ることは困難です。そのため、対物レンズでは通常、複数のレンズを組み合わせて収差を補正しています。具体的には、異なる屈折率を持つ特殊なガラスを用いたレンズや、凹レンズ、あるいは曲面が単純な球面ではない非球面レンズなどを組み合わせることで、収差を最小限に抑え、より鮮明で正確な像が得られるように設計されています。

顕微鏡の対物レンズ

顕微鏡に用いられる対物レンズには、収差の補正度合いや用途に応じていくつかの種類があります。

アクロマート: 色収差のうち、主に青色と赤色の二つの波長に対するずれを補正したものです。多くの一般的な顕微鏡で利用されています。
アポクロマート: アクロマートよりもさらに高い補正性能を持ち、三つの異なる波長で色収差を補正したレンズです。可視光線の幅広い範囲において、像の中心から周辺部まで非常に理想に近い光学性能が得られるように設計されているものが多く、主に研究用途で使われます。
フルオール (Fluor): 蛍光顕微鏡での使用を想定したレンズで、特定の短い波長、例えばおよそ340nmまでの紫外線を効率よく透過させるように作られています。ただし、メーカーによって名称や具体的な性能が異なる場合があるため注意が必要です。

像の「平坦性」、つまり視野の中心だけでなく周辺部までピントが合った状態を保つための補正（像面湾曲補正）が施されたレンズは、名称に「Plan（プラン）」が付加されます。PlanApoやPlanFluorといった表記が見られ、平坦で歪みの少ない像が得られます。

対物レンズの性能を示す重要な指標に「開口数」があります。これはレンズが集められる光の範囲を示すもので、この値が大きいほど、細かい構造を見分ける能力（分解能）や、微弱な光を捉える能力（集光力）が高くなります。通常、空気中で使用する乾燥系対物レンズの開口数は1未満ですが、油や水などの液体をレンズと試料の間に介在させる液浸対物レンズ（油浸、水浸）では、開口数が1を超えるものもあり、より高い性能を実現します。

顕微鏡の鏡筒長に関しては、かつてJIS規格で生物顕微鏡は160mm、工業顕微鏡は210mmと定められていましたが、2009年に改定されたJIS B 7132-1では、有限遠光学系における機械的鏡筒長（対物レンズ取付面から接眼レンズ取付面までの距離）が160mm、光学的鏡筒長（対物レンズによる像ができる位置までの距離）が150mmと規定されました。この規定は、光路中にフィルターなどが何も置かれていない場合の数値であり、もしフィルターなどを挿入すると、屈折の影響で光学的鏡筒長が変化し、機械的鏡筒長が160mmのままだと像がぼけてしまう可能性があります。

一方、同年制定のJIS B 7132-2で規格化された無限遠光学系では、対物レンズから出た光が像を結ばない平行光束となります。このため、対物レンズと像を結ぶ結像レンズ（中間レンズ）の間にフィルターや他の光学部品を挿入しても、像がぼけることなく光路を柔軟に構成できるという利点があります。ただし、この場合の「平行」とは、被写体の同じ点から出た光線同士が平行になるという意味であり、被写体の異なる点から出た光線は広がりを持っています。したがって、「無限遠」という名称ではありますが、対物レンズから結像レンズまでの距離は、実際には結像レンズのサイズなどによって制限されます。

望遠鏡の対物レンズ

望遠鏡の対物レンズも、顕微鏡と同様に色収差の補正度合いによってアクロマートやアポクロマートといった種類があります。比較的シンプルな構成の望遠鏡では、凸レンズと凹レンズを組み合わせたアクロマートレンズがよく用いられます。さらに高性能な望遠鏡では、視野の端まで高い解像度と鮮明さを保つため、前群と後群に分かれた複数のレンズを組み合わせることで、より高度な収差補正を行っているものもあります。このような設計では、F値（後述）を小さくすることが可能になり、より明るい像が得られる光学系を構築できます。

望遠鏡の対物レンズにおいて、光を取り込む有効な直径である「有効口径」は、分解能や集光力を左右する非常に重要な要素です。この対物レンズの焦点距離を有効口径で割った値は「口径比」と呼ばれ、一般に「F値」とも言われます。F値は写真などでは像の明るさに関係しますが、望遠鏡で空中像を直接目で見る「眼視観測」の場合は、F値の大小と像の明るさにはほとんど関係がありません。一般的に、F値が大きい（暗い）対物レンズの方が、設計上の自由度が高く、様々な収差を補正しやすい傾向があります。

望遠鏡の総合的な倍率は、対物レンズの焦点距離を、観察時に使用する接眼レンズの焦点距離で割ることで求められます。

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