광학 현미경 렌즈의 종류와 선택 가이드(2)
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.)
사용 목적에 따른 렌즈 분류
사용자는 자신이 왜 렌즈를 필요로 하는지를 알아야 한다. 그 사용 목적이 명확해야만 용도에 가장 적합한 렌즈를 선택할 수 있기 때문이다.
일반적으로 렌즈는 명시야용·암시야용·미분간섭용·편광용·동축형광용·간섭렌즈용으로 나뉜다.
명시야 관찰
명시야 관찰을 그림으로 간략히 나타내면 다음과 같다.
빛은 렌즈의 중심 부위로 들어와서 시료의 표면을 비춘다. 때문에 눈에 보이는 상은 평면만 밝게 비추게 된다.
암시야 관찰
암시야 관찰에는 반사암시야 방식과 투과암시야 방식이 있다. 이들 암시야 관찰을 그림으로 나타내면 다음 그림과 같다.
암시야 관찰은 대물렌즈의 NA보다 큰 NA로 조명한다는 것이 특징이다. 대물렌즈의 N.A보다 큰 N.A로 보게 되면 어두운 곳에서 관찰이 용이해지기 때문이다. 암시야 관찰은 그 이름에서 알 수 있듯 인간의 시야로는 보기 어려운 어두운 부분을 관찰할 때 많이 쓰인다. 예를 들어 웨이퍼의 스크래치가 없는 표면은 검은 색으로 아무것도 보이지 않지만, 스크래치가 있는 경우에는 밝게 보이게 된다.
미분간섭의 관찰
미분간섭 관찰이란 편광 대조를 확대시키는 방법이다. 이 방식은 표면에서 아주 작은 높이의 차이를 관찰하고자 할 때 적합한 방식이다.
반사 관찰시에는 미세한 높낮이나 각도 등이 보이지 않는다. 하지만 DIC프리즘을 사용하면 확실하게 이를 관찰할 수 있다. 또한 명시야에서는 높이 차를 거의 인식할 수 없는 반면 동일한 시료 표면에 상이한 간섭차(DIC)에서는 삼차원 양각상처럼 보인다는 특징이 있다. 이러한 특징들로 인해 최근 미분간섭 관찰법의 중요성이 대두되고 있다.
미분간섭관찰법의 주된 용도로는 ▲IC 웨이퍼 표면, 금속 연마 면의 외관 검사 ▲결정 성장 과정의 관찰 ▲도전볼 등이 있다.
사용목적에 따른 특수 렌즈 분류
지금까지 사용자가 용도에 따라 선택할 수 있는 일반 렌즈를 나열하였다. 하지만 현장이나 일상생활, 특히 무언가를 관찰해야 하는 필요가 생겼을 때 위에 나열된 렌즈만으로는 원하는 결과를 얻기 어려울 수 있다.
아래에 소개하는 특수 렌즈들은 이러한 요구를 충족시키기 위해 만들어진 것이다.
텔레센트릭 렌즈 관찰
아래 그림은 일반 렌즈가 촬영하는 과정을 개략적으로 나타낸 그림이다.
아래 그림은 초점이 맞지 않는 경우를 나타낸 그림이다. 초점이 맞지 않으면 상이 왜곡되어 보이게 된다.
아래 그림은 Back Focal Plane에 조리개(Aperture)를 추가한 경우이다. 초점이 어긋나 왜곡되었던 상이 조리개의 영향으로 왜곡 없는 원래 모습을 갖추었다.
간섭 렌즈
간섭 렌즈는 측정 대상을 나노미터 단위로 쪼개어 보고 싶을 때 사용할 수 있다. 간섭 렌즈는 하나의 색 파장만을 선택하여 이 파장을 조사해 사용하는 것이 특징이다. 즉 이 파장을 조사하였을 때 하프 미러를 통과하는 부분(비어 있음)과 통과하지 않는 부분(비어있지 않음)으로 나누어 측정할 수 있다. 이때 발생한 단차를 통해 측정 대상의 요철(凹凸) 등을 확인할 수 있다.
이를 대략적으로 도식화하면 다음과 같다.
또한 다음의 그림 두 장은 이를 실제로 측정한 예이다.
앞의 두 그림에서 간섭 렌즈가 대상의 요철을 확인하는 원리는 다음과 같다.
GIF Filter의 파장은 546nm이다. 또한 요철부분이 다른 두 층 사이의 공간은 π/2이다.
π/2 : 0.9cm = X : 7.3 cm
즉 X = [ (7.3×274nm)/0.9cm] nm가 된다.
매크로 렌즈
매크로 렌즈는 접사를 촬영하기 위해 만들어진 렌즈이다. 주로 자동검사장비에서 많이 활용된다. 이 매크로 렌즈는 접사를 위한 배수와 그 분해능이 성능의 관건이다. Nikon에서는 3.5배(분해능 2.1㎛)와 2배(95㎜ F2.8) (분해능 2.8㎛) 그리고 1배(105㎜ F2.8) (분해능 3.7㎛)를 자랑하는 Rayfact라는 매크로 렌즈를 출시한 바 있다.
광학 현미경의 종류
현미경을 사용 용도별로 분류해보면 크게 다음과 같이 나눌 수 있다.
① 생물 현미경 (Biological Microscopes)
② 실체 현미경 (Stereoscopic Microscopes)
③ 공업(산업) 현미경(Industrial Microscopes),
정립 현미경 (Uplight Microscope),
도립 현미경(Inverted Microscope)
④ 측정 현미경 (Measuring Instruments)
현미경 취급 시 주의사항
① 손을 청결히 한다. 특히 샘플이 오염되지 않도록 주의한다.
② 충격·먼지·습기·직사광선 등을 최대한 피한다.
③ 너무 강한 힘을 사용하지 않는다. 특히 초점 조절 시에 더욱 유의한다.
④ 관찰이 끝나면 렌즈를 저배율로 조절한다.
⑤ 렌즈에 있는 먼지를 청소할 때에는 알코올과 렌즈 페이퍼를 사용한다.
⑥ 현미경을 보관할 때에는 먼지막이 커버를 씌운다.
⑦ 램프를 교환할 때에는 차가워졌을 때 교환한다. (열을 받았을 때 교환하지 않는다)
⑧ 현미경의 종류에 따라서 특수 현미경(레이저 및 형광 등)을 관찰할 때에는 눈에 영향을 받지 않도록 주의한다.
영상 처리
지금까지는 광학 현미경 및 렌즈의 종류와 특징, 그리고 사용 예들을 간단하게 알아보았다. 하지만 오늘날 렌즈는 카메라와 함께 사용되어야만 그 진가를 발휘할 수 있다. 따라서 렌즈와 함께 카메라를 활용하는 법 또한 짚고 넘어가고자 한다. (편집자 주)
카메라 사양 선택
Camera : 관찰 및 측정에 용이한 촬상 소자(이미지 센서)를 사용.
1) CCD : 감도가 좋기 때문에 주로 관찰 및 이미지 캡처 용도로 많이 사용된다. 가격이 비싸다.
2) CMOS : 감도가 낮지만 가격이 상대적으로 저렴하다. 측정기에 연결하여 라이브 이미지에서 측정 용도로 많이 사용된다.
영상장비 설치
·현미경과 카메라의 연결 : CCD 배율에 맞는 배율의 C-MOUNT로 현미경과 카메라를 연결한다.
·카메라와 PC의 연결 : 카메라 케이블(USB, IEEE1394 등 각종 카메라 인터페이스)에 맞추어 카메라와 PC를 연결한다.
·소프트웨어 설치 : 측정 소프트웨어와 카메라 드라이버를 PC에 설치한다. 설치 후 장치관리자에서 드라이버가 잡혔는지 확인한다.
설치 후 확인사항
설치 후에는 우선 카메라의 방향을 유심히 살펴보아야 한다. 이미지를 획득하였을 때 한 축은 맞지만 한 축이 틀어지는 경우가 있다. 이 때는 카메라 본체를 건드리지 않아도 소프트웨어(이미지 장치 속성)적으로 수직 및 수평 방향을 바꾸어줄 수 있다. 뿐만 아니라 카메라 회전 방향도 설치할 수 있다.
설치 후에는 Calibration 작업이 필요하다. Calibration은 길이 측정 및 금속조직의 분석 등을 실행하기 위하여 Pixel로 나오는 데이터를 얻고자 하는 형식 데이터(예 : ㎛/㎜)로 세팅하는 작업이다. Calibration을 실행할 때에 주의점이 있다면 ‘항상 표준자로 실행하여야 한다’는 것이다. 정밀하고 정확한 측정을 필요로 하는 작업특성상 표준자를 이용한 설정은 반드시 필요하다.
모니터 상의 비율 계산법
보통 화상 자료를 모니터의 전체화면에서 표시하는 경우는 드물다. 따라서 실제 카메라의 종합배율이 생각보다 중요하다. 디지털 카메라 화상의 종합배율 M은 이하의 식에서 계산된다.
모니터 상의 비율을 계산하기 위해서는 모니터의 배율 또한 계산하여야 한다.
예를 들어 대물렌즈가 100배 (Mo), 촬영 렌즈(C-0. 7 x 릴레이 렌즈)가 0.7배(Mi), 카메라(DS-Fi1) CCD의 대각이 11mm, 모니터상의 화상 부분의 크기 대각 200mm(실측)일 때 이 수치를 식에 대입하면
모니터상의 배율 = 100 × 0.7 × 200/11 ≒ 1,270 가 된다. 단, 이 계산법은 단순히 계산일 뿐이며, 측정을 통해 얻을 수 있던 값은 어디까지나 기준일 뿐이다. 실제의 배율은 마이크로미터(스케일) 이미지를 화면에 찍어 계산하는 것이 정확하다.
Field of View(FOV) 계산법
카메라 사용시 : FOV = CCD 대각 ÷ (대물렌즈 배율 × Zoom × 중간 배율)
Calibration Setting
① 표준자를 최대한 평행하게 올려놓는다.
② 좌측 끝에서 우측 끝으로 마우스를 이용하여 선을 긋는다.
프로그램은 안에 들어있는 눈금의 우측 변을 자동으로 인식한다.
③ 눈금끼리의 거리를 입력한다. (1mm를 100등분 한 표준자를 썼을 때 눈금 1개당 10㎛이다.)
④ 이러한 과정으로 모든 대물렌즈별로 Calibration 작업을 실행한다.
※ 각 배율에서 측정 시 대물렌즈에 맞는 Calibration 항목을 선택하고 측정하여야 한다.
(10X 대물렌즈로 촬영을 하고 20X Calibration 항목을 선택하여 데이터가 2배 차이가 난다.)
마이크로미터 계산법
마이크로미터(스케일) 또는 격자마이크로 미터를 현미경의 스테이지 위에 올려놓고, 모니터상에 비추어 실제 치수를 자로 측정해 계산한다.
한 눈금 10μm의 격자마이크로미터를 사용한 예를 이하에 나타낸다.
모니터 위의 크기 172mm가 마이크로미터 14 눈금(140μm)에 해당한다고 가정하자.
이 때 종합 배율은 1228배(172/0.14)가 된다.
자료제공 | 니콘인스트루먼트코리아 (www.nikon-inst.co.kr)
