位相差装置

　無染色の透明な標本を、明暗のコントラストによってそのまま透過観察できるよう工夫された光学系です。染色をしなくても良いという事、プラスチックのウェル容器に培養を継続しながらin vivoで観察できる事から、培養細胞の観察に多用されます。位相差光学系の構成要素は、位相差コンデンサ内の「リングスリット」と、これに対応する対物レンズ内の「位相板」です。

　位相板には、これを通過する光の位相を変化させる（進ませる又は遅らせる ^注1）性質が有る部分（グレーで示した）と、そうでない部分（白で示した）とがあります。
　
　プレパラート上に標本が存在しない時（または、標本が存在してもケーラー光に対して回折を起こさなかった時）は、ケーラー光は、位相板の、位相を変化させる（進ませる又は遅らせる）性質が有る部分（グレーで示した部分）を通ります。この場合、視野全体が同じ位相にそろっていますので、均一な視野になります。

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　左の図にポインタをあてると、試料によりケーラー光が回折を受けた場合の光路を見る事ができます。

　両者を比較してみて下さい。

　しかし、プレパラート上に標本が存在すれば、相互作用によって透過光に「回折」がおこり、Cyan や Magenta の線で示したような、グレーとは別の光路をとる場合もあります。
　この「光路の違い」は、位相板により「位相の違い」に変換されます。すなわち、グレーで示した光路を通ったものは、位相板により位相が変化させられますが、Cyan や Magenta で示した光路を通ったものは、位相板により位相が変化させられません。
　ケーラー光は標本を透過する時、その密度や厚みに従って位相に変化を受けています。つまりケーラー光の位相は¹「標本そのもの」と、²「位相板の位相を変化させられる部分」により「独立的に」変化させられます。

　位相板の位相を変化させられる部分を透過した光と、変化させられない部分を透過した光が、理論的結像面で再び出会うと（合成）、各々の位相のずれに従って「干渉」がおこります。

　干渉の結果、強め合う所と弱め合う所ができて、それが明暗のコントラストとして観察されます。この「明暗のコントラスト」は、標本とケーラー光との相互作用である「回折」によるものですので、標本の状態が反映されたものとなります。結果的に得られた「コントラスト」から標本を観察する事ができます。

まとめ

・位相差光学系の構成要素は、位相差コンデンサ内の「リングスリット」と、これに対応する対物レンズ内の「位相板」である。
・位相差顕微鏡は、試料による「位相の変化」を利用し、「回折」を手掛かりに被変調成分と変調成分とに分離し、これを合成して干渉させ、コントラストを得ている。

注1：位相差顕微鏡には、位相を進ませる性質のある位相板を用いる場合と、遅らせる性質のある位相板を用いる場合とがあり、両者では観察像の明暗が反対になります。周辺視野が明るく、これに対して標本が暗くなる（明視野）タイプのものが一般的ですが、用途によっては反対の設計のものを特注する場合もあります。

注2：干渉の仕方によっては、コントラストが強すぎてしまって、観察しにくくなる場合があります。位相差光学系の性能は、基本的な光学性能の他に、このような性質を決定する位相板とリングスリットの設計に依存しています。
　位相板の設計では、どの程度位相を変化させるか、位相を変化させる部分とさせない部分の配分をどの程度にするか、リングスリットの設計では、位相板の位相を変化させる部分とさせない部分へ導くケーラー光を、どのように割り振るかで結果が異なります。
　本文では「標本が存在しない時は、全て位相を変化させられる部分（グレーで示した）の光路をたどる」と記しましたが、設計によっては必ずしもそうしていません。

注3：概念図で示した「結像面」は、理論的・仮想的なもので、光路として、また顕微鏡のパーツとして物理的に存在するものではありません。