回折限界

回折限界は、顕微鏡や望遠鏡といった光学機器において、光の回折によって定められる分解能の理論的な上限です。これは観測に用いる光の波長が対象の構造サイズに対して比較的大きいため生じ、克服には短い波長や特別な技術が必要となります。

ここで、`NA = n sin(θ)` は開口数です。例えば、NAが1.0の場合、波長500nmの緑色光では、およそ250nm（0.25マイクロメートル）がこの限界となります。これは多くの細胞（数マイクロメートル以上）を見るには十分ですが、ウイルス（約100nm）やタンパク質（約10nm）といったより微細な構造を分解するには限界があります。この限界を超えるために、紫外線やX線といったより短い波長の光を用いる顕微鏡技術もありますが、これらはコストが高く、生物試料へのダメージやコントラストの問題を伴うことがあります。

デジタルカメラでは、レンズによる回折効果とイメージセンサーのピクセル構造による影響が組み合わさって、最終的な解像度が決まります。レンズの回折によって生じる点光源の広がり（点拡がり関数, PSF）と、センサーのピクセルが持つ応答特性（機器応答関数, IRF）が畳み込まれて、システム全体の応答が決まります。レンズのF値によって、システム全体の解像度が回折によって制限されるか、センサーのピクセルサイズによって制限されるか、あるいはその両方の影響を受けるかが変化します。多くのデジタルカメラ用レンズにおいて、F値を大きく（絞って）いくと、あるF値から回折の影響がピクセルサイズの影響よりも大きくなり、解像度が低下し始めます。

開口数の拡張: 試料を様々な角度から照明したり、複数の対物レンズを用いて前後方向からの光を同時に集めたりすることで、実効的な開口数を増加させ、分解能を向上させる手法（例: 構造化照明顕微鏡、4Pi顕微鏡）。 近接場光学: 試料のごく近傍（光の波長よりも短い距離）で発生する、回折せずに急速に減衰するエバネッセント波を利用する手法。エバネッセント波には微細な構造の情報が含まれており、これを検出することで回折限界を超えた分解能が得られます（例: 走査型近接場光顕微鏡 (SNOM)、全反射照明蛍光顕微鏡 (TIRFM)、スーパーレンズ）。ただし、この手法は試料表面のごく浅い層しか観察できません。 * 非線形光学: 試料中の特定の分子が強い光に対して非線形な応答を示す性質を利用し、光学的なオン/オフを制御することで、実効的な観察領域を回折限界よりも狭くする手法（例: STED (誘導放出枯渇) 顕微鏡）。これにより、遠方場でありながら回折限界を超えた超解像イメージングが可能になります。