광학 현미경의 렌즈 선택 가이드(1)

현미경 렌즈는 종류도 특징도 굉장히 다양하다. 하지만 광학 현미경용 렌즈의 특징을 알기 위해서는 광학 현미경이 어떻게 만들어졌는지, 광학 현미경용 렌즈는 어떤 기능을 중점적으로 보아야 하는지, 렌즈를 볼 때 어떠한 기준을 가지고 있어야 하는지 등을 포괄적으로 이해해야 한다. (이 기사는 9월호와 10월호 등 2회에 걸쳐 게재된다.)

광학 현미경이란?

현미경(Microscope)은 Micro와 Scope의 합성어이다. 이 중 Micro란 미세하다는 뜻과  Micron이라는 길이 단위의 뜻을 동시에 가지고 있다. 또한 Scope는 피사체를 확대하거나 혹은 분해능을 향상시켜 관찰하기 위한 도구를 말한다. 즉, 현미경은 아주 미세한 것을 조금 더 자세하게 보기 위한 도구라고 정의할 수 있겠다. 사전적 정의는 사람의 눈으로 관찰이 가능한 미세한 물질을 광학렌즈와 적당한 빛을 이용하여 표본을 자신이 원하는 크기로 확대시켜주는 것이다.

왜 만들어졌는가

이 현미경이 만들어진 이유는 육안 혹은 보통 카메라나 렌즈로는 보지 못하는 것들을 보기 위해서이다. 즉 다른 렌즈보다 분해능(Resolution)이 좋고, 해상력(Resolving Power)이 뛰어난 렌즈를 만들고자 하는 노력이 광학 현미경으로 태어난 것이다.

광학 현미경의 종류

광학 현미경의 종류에는 생물현미경, 실체현미경, 공업현미경, 금속현미경, 측정 현미경, 콘포컬현미경 등이 있다.

관찰 용도

광학 현미경은 명시야, 암시야, 위상차, 미분간섭, 현광, 편광 등을 관찰하는 데에 쓰인다.

광학 현미경의 역사

현미경은 1595년에 네덜란드에 있는 젠센이라는 사람에 의해 최초로 발명되었다. 최초의 현미경은 마치 망원경처럼 긴 원통 형태를 띠고 있었다. 이후 1668년 이탈리아의 캄피니가 초점을 조절할 수 있는 장치를 개발하였다. 이 초점 장치의 개발은 사용이 까다롭던 현미경이 더욱 널리 퍼지게 하는 계기가 되었다. 그럼 현미경을 이용해서 최초로 균을 관찰한 것은 언제일까? 1660년 네덜란드의 과학자 뢰벤후크가 그 주인공으로, 뢰벤후크는 최초로 현미경을 사용하여 박테리아를 관찰하였다. 이때 배율은 270배였다고 전해진다.

명시야 거리

사람이 물건을 세세한 부분까지 보는 경우 일반적으로 눈과 물체와의 거리가 어느정도 떨어지는 곳에 두고 관찰한다. 일정 거리만큼 멀어져야 가장 맑게 보이기 때문이다.  그래서 이것을 명시야거리라고 한다. 일반적으로 명시야거리는 보통 250mm 가량 된다.
 

광학 현미경의 구조

인간의 눈은 어디에서 어느 곳을 보더라도 초점심도가 전부 맞으나 현미경은 배율에 따라 심도가 달라지는 현상을 보인다.

파장과 색

①  파장: 현미경 광학기기 분야에서 빛을 설명할 때 빛을 파장이라고 정의한다. 여기서 파장은 파의 정상에서부터 다른 정상까지의 거리를 이야기하며 진폭은 파의 정상에서부터 밑부분까지의 거리를 말한다.

② 색: 인간의 눈은 크게 빨강부터 보라색까지, 흔히 무지개색이라고 알고 있는 7색을 구별할 수 있다.
          ■ a선　768nm　적외
          ■ c선　656nm   적
          ■ d선　588nm   황
          ■ e선　546nm　황록
               (기준 파장≒550nm)
          ■ f선　486nm    청
          ■ g선 436nm     자
          ■ h선 405nm     자외

배율 및 종합배율

대물렌즈의 배율과 접안렌즈의 배율을 곱한 것(중간에 변배 기구가 있으면 그 배율도 곱한다).

종합 배율：Ｍ＝접안렌즈배율×대물렌즈 배율

그럼 여기서 말하는 배율이란 무엇일까?

배율(Magnification)은 다음과 같이 정의한다.

M = Mo×Me×Mi
   = 대물렌즈×접안렌즈×중간 배율
o : Objective (대물렌즈) / e : Eyepiece(접안렌즈)
/ i : Intermediate tube(중간 배율)

대물렌즈의 배율
배율：ｍ＝ｂ／ａ
접안렌즈의 배율
배율：ｍ＝250／ｃ

실시야

실시야란 현미경으로 관찰할 수 있는 시료 면의 크기(직경)를 말한다.

실시야＝접안렌즈 시야 수／대물렌즈의 배율
※ 접안렌즈의 배율은 계산에서는 포함하지 않는다

Numerical Aperture 개구수

NA(Numerical Aperture)는 우리말로 개구수라고 한다. 이는 대물렌즈를 통과한 빛과 광축이 이루는 최대각과 매질의 굴절률을 이용한다.

NA는 분해능·밝기·초점심도 등을 결정하는 매우 중요한 수치이다. 이 NA값이 클수록 현미경으로 분별 가능한 최소길이가 작아진다.

개구수를 구하는 공식은 다음과 같다.

개구수：ＮＡ＝ｎ×sinθ
ｎ：시료와 대물 렌즈 사이에 있는 매질의 굴절률 （공기：ｎ＝１　물：ｎ＝１．３３　오일：ｎ＝１．５１５）
θ： 광축과 제일 외측을 지나는 광선이 이루는 각도

분해능(Resolving Power)

분해능을 구하는 공식은 다음과 같다.

초점 심도

초점 심도(Depth of focus, DOF)는 초점(Focus)이 맞는 거리에서 대물렌즈와 거리가 가장 가까운 곳부터 먼 곳 사이를 말한다.

초점 심도는 어느 정도 초점이 맞지 않아도 관찰자가 모르는 범위이다. 원래 렌즈가 초점을 맞추는 부분은 단 한 점뿐이지만, 인간의 눈으로는 완전히 초점이 맞는 지점과 그 부근에 존재하는 초점이 약간 어긋난 부분을 감지할 수 없다.

초점 심도는 세 렌즈의 세 가지 요소로 구분된다.
① 종합(관찰)배율
② 대물렌즈의 개구수
③ 관찰에 이용되는 빛의 파장

초점심도Δ를 구하는 공식은 다음과 같다.

수차

사전적 정의를 빌어 말하자면 수차는 렌즈 등의 광학계에서 상이 맺힐 때 한 점에서 나온 빛이 광학계를 지난 다음, 한 점에 모이지 않아 영상에 빛깔이 있어 보이거나 일그러지는 현상이다. 이러한 상의 뒤틀림을 수차라고 하며 크게 구면수차와 색수차로 나뉜다. (출처: 두산백과)

이 수차의 비례관계는 다음 표와 같다.

렌즈와 수차의 관계

렌즈 또한 일종의 매질이다. 따라서 빛이 통과하면 파장이나 진폭 등이 변하게 된다. 이에 따라 명도와 채도 역시 변화한다.

이 중 구 형태인 렌즈를 지나면 생기는 것이 ‘구면 수차’이다 그리고 파장 길이에 따라 발생하는 것이 ‘색 수차’이다.

상의 밝기

상의 밝음은 광원의 밝음 외에도 NA(개구수)나 종합 배율의 영향을 받는다. NA가 높을수록, 배율이 낮을수록 상은 밝아진다. 반대로 NA가 낮아지고 배율이 높아진다면 상은 어두워지게 된다.

WD(Working Distance: 작동거리)

작동거리란 렌즈 끝부터 피사체가 있는 곳까지의 거리를 말한다. 말 그대로 렌즈가 작동할 수 있는 거리이며 이 거리는 렌즈와 피사체가 맞닿지 않을 범위를 말한다.

WD가 긴 대물렌즈는 샘플에 접촉할 가능성이 적다. 그만큼 렌즈가 움직일 수 있는 거리를 많이 확보할 수 있기 때문이다. 하지만 WD가 길다고 해서 무조건 좋은 것만은 아니다. WD와 NA는 반비례하기 때문이다. 

☞ 다음호에 계속

자료제공 |니콘인스트루먼트코리아 www.nikon-inst.co.kr