(3)광학 현미경의 배경과 이론~!

[나_김영표]

출처: http://hrtem.kaist.ac.kr/lab_homepage/optical_micro/optical_microscopy.htm

대개의 경우는 대물(對物)렌즈와 접안(接眼)렌즈를 갖추고 있는 현미경을 말하나, 넓은 뜻으로는 전자선을 이용하는 전자현미경을 포함하며, 확대경도 단일 렌즈계(系)를 갖는 단(單)현미경이라 할 수 있다. 종류와 형은 사용목적·제작연대·제작회사의 차이에 따라 여러 가지가 있으나 구조적으로 분류하면, 가장 일반적인 투과현미경 이외에 금속현미경·편광현미경·형광현미경·위상차(位相差)현미경·자외선현미경 등의 특수한 것들이 있다.

현미경이 물체의 상을 확대하는 원리는 초점거리가 짧은 대물렌즈에 의하여 얻어지는 확대된 도립실상(倒立實像)을 접안렌즈로 다시 확대하는 것이다. 이 결상관계(結像關係)는 대단히 예민하여 물체와 대물렌즈 사이의 거리가 조금만 변하여도 바른 상을 맺지 못한다.

1. 구조

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현미경의 구조는 대단히 정밀하게 되어 있는데, 기능상 기계계(機械系)와 광학계로 분류할 수가 있다.

〈기계계〉 현미경 전체를 받치고 있는 다리와 뒤쪽에 손잡이가 있으며, 경통·재물대·조명장치 등이 손잡이에 의하여 지지되어 있다. 경통은 상단에 접안렌즈를 끼우며 하단에 대물렌즈를 나사로 돌려 끼우게 되어 있는 금속원통으로 시료의 확대상을 바르게 맺게 하기 위하여 손잡이에 붙어 있는 초점조절나사(조동나사와 미동나사)에 의하여 경통 전체를 상하로 움직일 수가 있다.

경통의 길이(기계적 통길이)는 개개의 현미경에 정해져 있으며(표준 통길이), 표준 통길이로 볼 경우에만 최고의 성능을 나타낼 수 있도록 설계되어 있는데, 소형 현미경에서는 통길이가 고정되어 있으나, 중·고급 현미경에서는 대물렌즈 교환장치 등의 부속장치를 붙이는 경우를 고려하여 일반적으로 내통과 외통을 조합하여 통길이를 조절할 수 있게 되어 있다.

재물대는 시료를 놓기 위한 수평한 받침으로 가운데에 광선이 통하는 둥근 구멍이 있으며 시료표본을 고정하는 고정판이 붙어 있다. 소형 현미경에서는 시료고정대가 고정되어 있지만, 중·고급 현미경에서는 시료고정대를 미세하게 움직이게 하는 장치가 붙어 있으며, 눈금에 의하여 이동한 길이나 각도를 읽을 수 있도록 되어 있고, 재물대 밑에는 집광기와 조리개가 붙어 있는 것도 있다.

〈광학계〉 대물렌즈·접안렌즈·조명장치로 되어 있다. ① 대물렌즈:경통의 하단에 붙여 재료의 제1차상(實像)을 맺게 하는 렌즈로서 현미경의 성능을 결정하는 가장 중요한 부분이다. 저배율(低倍率)의 렌즈로는 2∼4개, 고배율의 렌즈로는 10개에 이르는 단일렌즈로 되어 있으며, 규격화된 금속통 안에 고정되어 있다.

일반적으로 고배율일수록 끝에 있는 렌즈가 작으며 최고배율은 100배 정도이다. 색을 없애는 정도에 따라 아크로마트(achromat), 아포크로마트(apochromat) 등의 종류가 있으며 렌즈와 시료 사이에 액체를 사용하는가 안 하는가에 따라 건조용, 액침용(液浸用)으로 구분된다.

② 접안렌즈:대물렌즈에 의해 상을 다시 확대한 상(虛像)으로 만들어 눈에 보내는 렌즈로서 보통 안경과 같은 렌즈와 집속렌즈 2개로 구성되며 그 중간에 원형 구멍이 있는 금속판(시야조리개)이 있는데, 대물렌즈를 통과한 빛은 이 면 위에 제1차상을 맺게 된다. 호이겐스 접안렌즈(Huygenian ocular), 오르토스코픽 접안렌즈 등 많은 종류가 있지만 최고배율은 20배 정도이다. 또한 길이·각도의 측정에 사용하는 측미(測微) 접안렌즈, 측각(測角) 접안렌즈 외에도 장치할 부분을 다각적으로 고안한 쌍안현미경·경사식 현미경 등이 있다.

③ 조명장치:보통 반사경·조리개·집광기로 되어 있으며 재물대 밑에 있다. 맨 밑에 있는 반사경은 광원으로부터의 빛을 반사시켜 조리개와 집광기로 보내는 것으로 평면과 오목면의 두 면으로 되어 있다. 저배율의 경우(100배 이하)에는 평면을, 고배율의 경우에는 오목면을 이용하지만, 집광기를 사용할 때는 배율의 고저에 관계없이 평면을 사용한다. 조리개는 광속(光束)이 너무 굵어서 상이 불선명하게 되는 것을 방지하기 위하여 반사경으로부터 오는 빛을 제한하는 장치이다.

소형 현미경에서는 돌리면 구멍의 크기가 변하는 원판조리개가, 중·고급 현미경에서는 카메라와 같은 기구를 가진 아이리스 조리개가 사용되고 있다. 집광기는 1~3개의 렌즈로 되어 있으며, 조명을 세게 함과 동시에 대물렌즈에 많은 빛을 보내는 역할을 하는데, 소형 현미경에서는 생략되는 반면, 단독배율이 20배 이상의 대물렌즈를 사용하는 경우에는 거기에 알맞은 성능의 집광기를 사용하지 않으면 충분한 효과를 얻을 수가 없다.

2. 배율

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현미경의 확대능력, 즉 총배율(선배율)은 대물렌즈의 단독배율과 접안렌즈의 단독배율의 곱으로 주어진다. 대물렌즈·접안렌즈의 초점거리를 각각 f₁·f₂라고 하고, 현미경의 광학적 통길이(대물렌즈의 후초점과 접안렌즈의 전초점 사이의 거리)를 Δ라고 하면 각각의 단독배율 m₁＝Δ/f₁, m₂＝250/f₂로 표시되며, 총배율은 m＝m₁m₂＝Δ250/f₁f₂의 식으로 나타낸다. 그러나 실제는 접안렌즈나 대물렌즈에 단독배율이 기록되어 있으므로 총배율은 간단히 구할 수가 있다.

3. 해상력

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관찰하는 시료의 구조를 자세히 볼 수 있는 능력을 해상력(解像力:분해능)이라 한다. 이것은 현미경의 성능을 좌우하는 조건의 하나이지만 대물렌즈의 성능에 의하여 결정된다. 따라서 대물렌즈와 접안렌즈와의 조합에 의하여 아무리 배율을 증가시키더라도 대물렌즈의 성능이 나쁘면 흐릿한 상이 단순히 확대될 뿐으로, 미세한 구조의 식별은 되지 않는다.

접안렌즈 단독배율의 선택은 일반적으로 현미경의 총배율이 대물렌즈의 개구수(開口數:대물렌즈로 들어오는 빛의 퍼진 각과 렌즈·시료간의 媒質에 의하여 결정되는 수치로서 약하여 NA로 쓰며 대물렌즈통에 그 값이 기록된다)의 500∼1,000배가 되도록 하는 것이 좋다. 해상력은 그것으로 식별되는 두 점의 최소거리 d로 표시되며, 조명광의 파장을 λ, 대물렌즈의 개구수를 a라고 하면, d＝λ/a로 주어진다.

따라서 파장이 짧은빛으로 조명할수록, 또한 개구수가 큰 대물렌즈를 사용할수록 해상력은 좋아진다. 건조계(乾燥系) 대물렌즈의 개구수는 0.05∼0.95의 범위이고, 렌즈와 시료 사이를 액체로 채워 개구수를 높이는 액체계 대물렌즈도 1.4가 최고이므로 보통의 현미경의 해상력은 고작 0.4μm 정도이다.

4. 취급방법

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현미경 취급시 일반적인 주의사항은 충격·먼지·습기·직사태양광을 피하며 렌즈에 붙은 먼지는 부드러운 붓이나 깃털로써 가볍게 털며, 더러워진 것은 붕대천이나 부드러운 종이로 가볍게 닦아내는 것이다. 운반할 때는 한 손으로 손잡이를 잡고 다른 손으로 다리를 받쳐 들고 운반한다. 현미경의 조작은 일반적으로 다음의 순서를 따른다.

① 배율을 정하고(저배율로부터 시작하여 고배율로 한다), 경통을 높이 올려 먼저 접안렌즈를, 다음 대물렌즈를 장치한다(이 순서를 반대로 하면 대물렌즈의 윗면에 먼지가 끼기 쉽다). ② 경통을 조절하여 표준 통길이로 한다. ③ 접안렌즈를 들여다보며 반사경을 움직여 시야가 가장 밝고 그리고 밝기가 균일하게 조절한다(자연광을 광원으로 할 때에는 직사태양광을 피하도록 한다). ④ 옆에서 보면서 경통을 내려 대물렌즈의 아래끝의 렌즈를 가능한 한 시료에 가까이 놓고, 다음 접안렌즈를 들여다보며 경통을 조금씩 올리며 상이 선명한 곳에서 정지한다(접안렌즈를 들여다보지 않는 눈도 뜬 채로 행한다).

대물렌즈의 개구수를 증가해서 해상력을 높이기 위해 굴절률이 공기보다도 큰 액체로 대물렌즈의 끝렌즈와 시료 사이를 채우는 방법을 액침법(液浸法)이라 하는데, 여기에는 특별히 만든 액침용 대물렌즈를 사용한다. 물을 사용하는 수첨법(水添法)과 기름을 사용하는 유침법(油浸法)이 있으며, 보통 굴절률이 렌즈의 굴절률에 가까운(1.515) 시더유(cedar 油:미국산 붉은삼나무에서 짜낸 기름)를 사용하는 경우가 많다.

[다운로드 코너]

	광학 현미경에 대해서 가장 잘 정리되어 있는 것 같아 올려봅니다. 웬만한 내용은 다 있을거라 생각되는군요.. 분량이 많아 도저히 웹 문서로는 만들수가 없었습니다. 불편하시더라도 다운받아서 보세요.. 컴에 Acrobat가 깔려있다면 PDF파일을 클릭하여 다운받지 않고 보실수 있습니다. (참고로 여기는 여러분의 숙제를 해주는 사이트가 아님을 다시한번 알려드립니다..)

다운로드
	optical_micro.PDF(14M)	: 한글글꼴이 있는 acrobat로 보실 수 있습니다.
	optical_micro.rar(51M)	: 그림파일을 압축했습니다.   (용량이 좀 크네요 내용은 위의 것과 같습니다.)

개요

		1. 현미경의 생김새
		2. 눈의 각도와 배율현미경의 배율
		3. 해상력과 개구수
		4. 현미경의 조명장치
		5. 투과광에서의 "Köhler"장치
		6. 투과광에서의 Contrasting
		- 암시야(Dark Field)
		- 편광(Polarizing Contrast)
		- 미분간섭(Polarizing Interference Contrast)
		7. 형광
		8. 반사광 검경법
		9. 반사광에서의 Contrasting
		-Condenser
		- 대물렌즈(Objective)
		- 대안렌즈(Eyepiece)
		10. 현미경을 통한 간단한 측정
		11. 현미경 사진 촬영
		12. Video 현미경
		13. 투과광에서의  DIC
		Carl Zeiss 사의 간행물을 참고로 하였습니다.