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광학 현미경 구조
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광학 현미경 구조
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현미경 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
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역사[편집]
원리[편집]
구조[편집]
사용법[편집]
종류[편집]
사진[편집]
현미경의 기계부[편집]
같이 보기[편집]
참고 문헌[편집]
외부 링크[편집]
광학 현미경 구조
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현미경의 종류
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현미경의 구조와 기능 by 민재 성
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현미경의 구조와 기능 by 민재 성
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실체 현미경
입체 현미경
현대의 입체 현미경 광학 디자인.
A – Objective B – Galilean telescopes (rotating objectives) C – Zoom control D – Internal objective E – Prism F – Relay lens G – Reticle H – Eyepiece – Objective- Galilean telescopes (- Zoom control- Internal objective- Prism- Relay lens- Reticle- Eyepiece
현미경(顯微鏡, microscope)은 눈으로는 볼 수 없을 만큼 작은 물체나 물질을 확대하여 관찰하는 장치이다. 일반적으로 ‘현미경’이라 하면 광학 현미경을 가리키는 경우가 많다. 대물렌즈, 접안렌즈, 조명 장치 따위로 된 광학 현미경 외에 금속 현미경, 위상차 현미경, 편광 현미경, 적외선 현미경, 자외선 현미경, 전자 현미경 등이 있다. 제1세대 광학 현미경, 제2세대 전자 현미경, 제3세대 원자 현미경으로 발전했다.
역사 [ 편집 ]
현미경에 관한 기록은 AD 1000년경 그리스와 로마시대의 렌즈의 사용때부터이다. 미세한 사물을 확대하기 위하여 렌즈를 사용하였지만 현재로서는 그 기원을 밝히기에는 기록이 부족하다. 다만 현재의 현미경과 같은 구조를 지닌 현미경(Multiple lens)을 발명한 사람은 1590년대의 네덜란드인 얀센(Zacharias Jansen)과 John Lipperhey이다. 당시의 발명품은 주로 해양탐사를 위해 사용되어 그 형태는 망원경의 모습을 하고 있었다.
이후에 현미경 기술에 지대한 발전을 미친것이 바로 렌즈의 가공 기술인데 반세기 후의 현미경은 17세기 네덜란드인 안토니 판 레이우엔훅(Anthony van Leeuwenhoek :1632 ~ 1723)와 영국인 로버트 훅 (Robert Hooke :1635 ~ 1703)에 의해 현재의 현미경의 모태가 되었으며 이들은 짧은 초점거리(焦點距離, focal length – 렌즈의 중심축과 초점이 맺히는 부분까지의 거리)를 지닌 렌즈가 배율을 결정짓는 중요한 요소라는 것을 발견하였다. 그들은 또한 순도가 높은 석영을 가공하여 유리를 만들어 렌즈를 제조하였으며 현미경 화상을 불명확하게 만드는 색수차(chromatic aberration – 빛이 지니고 있는 각각의 고유한 파장 때문에 생기는 현상)도 발견하게 된다. 색수차에 관해서는 다음에 나오는 렌즈의 특성에서 설명되어 있다.
1758년 존 달라드 (John Dollard)는 색수차 현상을 제거시킨 색지움 렌즈(achromatic lens)를 특허 신청했으며 1930년대까지 대부분의 현미경에서 achromatic lens를 사용하게 된다. 17세기 이후 1882년부터 독일의 광학 기술자인 칼자이스(Carl Zeiss)가 렌즈 가공기술을 개발하면서부터 현미경의 기술이 급속도로 발전하게 되었다. 이후 20세기에 들어서면서 의학,재료,금속,신소재,환경등 수많은 분야에서 현미경이 쓰여져 과학과 의학분야에서 눈부신 활약을 하게 된다. 최근에는 반도체, 신소재 분야에서 표본의 미세구조를 관찰하고 측정하는데 사용되기도 한다.
원리 [ 편집 ]
현미경은 원래 2개의 렌즈의 결합으로 구성되어 있다. 대물렌즈는 초점거리가 극히 짧은 렌즈이며 물체가 확대된 실상을 만들고, 접안렌즈는 그것을 보는 확대경이다. 대물렌즈는 물체를 대한다고 해서 대물렌즈이고, 접안렌즈는 눈과 접해 있다 하여 접안렌즈라고 한다. 대물렌즈와 접안렌즈는 1개의 원통의 양단에 장치되며, 그 원통의 길이는 기계통 길이라고 불린다. 현미경의 배율은 대물렌즈의 배율과 접안렌즈의 배율을 곱하여 셈할 수 있으며, 그 배율의 수치는 렌즈에 새겨져 있다.
현미경의 능력은 그 배율과 식별할 수 있는 최소의 간격, 즉 분해능으로 결정된다. 이 크기는 빛의 회절에 의해 결정되며, 분해능(d)은 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.
d = 0.61 λ n sin α {\displaystyle d=0.61{\frac {\lambda }{n\sin \alpha }}}
이 중 n은 굴절률(refractive index)이고, λ는 사용하는 광선의 파장이다. α는 대물렌즈에 입사하는 광선과 렌즈의 광축의 최대각이다. 또한 여기서 n sin α {\displaystyle n\sin \alpha } 는 개구수(numerical aperture)라고 하며, 대물렌즈의 원통에 배율과 함께 새겨져 있다.
현미경은 확대율이 크기 때문에 상이 어두워서 특별한 조명장치가 필요하다. 생물 표본 등의 투과성이 있는 물체에 대해서는 재물대 밑에 집광렌즈를 두어 투과조명을 하게 마련이지만 쇠붙이 등의 불투명한 표본인 경우에는 대물렌즈를 집광렌즈에 대응하여 반사조명을 하게 된다.
구조 [ 편집 ]
경통 – 접안렌즈와 대물렌즈를 연결하는 원통이며 대물렌즈로 들어오는 빛이 지나가는 통로이다.
조동나사 – 경통 또는 재물대를 위아래로 크게 움직이며 상을 찾는데 사용된다. 프레파라트와 대물렌즈 사이를 조절한다.
미동나사 – 초점을 정확하게 맞출 때 사용된다.
접안렌즈- 눈으로 들여다보는 렌즈로 저배율일수록 길이가 길다. 경통의 위쪽에서 빼어 교환한다.
대물렌즈 – 프레파라트에 접하는 렌즈로 저배율일수록 길이가 짧다. 회전판을 돌려서 교환한다.
회전판 – 보통 대물렌즈가 세 개일 경우 배율을 바꿀 때 사용한다.
재물대 – 프레파라트를 올려 놓는 판으로 중앙에 구멍이 뚫려 있어 빛이 통과된다.
조리개(집광기) – 렌즈로 들어오는 빛의 양과 조리개 구멍의 크기를 조절하여 상의 밝기를 조절하는 장치이다.
클립 – 재물대 위에 있으며 프레파라트가 움직이지 않게 고정하는 장치이다.
반사경 – 빛을 반사시켜 대물렌즈로 보내는 거울 역할을 한다. 한 쪽은 평면거울, 다른 쪽은 오목거울로 되어 있다. 거울 대신 전등으로 대체하기도 한다.
프레파라트 – 관찰하려는 재료를 슬라이드글라스와 커버글라스 사이에 넣어 만든 표본이다.
사용법 [ 편집 ]
사용법은 다음과 같다.
접안 렌즈를 들여다보면서 시야가 가장 밝게 보이도록 반사경을 움직인다. 프레파라트를 재물대 위에 올려 놓고, 클립으로 슬라이드 글라스를 고정시킨다. 옆으로 보면서 조동나사를 돌려 재물대를 위로 올린다. 이어서 접안 렌즈를 들여다보면서 재물대를 천천히 내려 가며 선명하게 보이는 곳에서 멈춘다. 미동나사를 이용하여 더 자세히 초점을 맞춘다. 초점이 안 맞으면 대물렌즈를 바꾸어 초점을 맞추어 본다. 선명하게 보일 때 프레파라트를 조심스럽게 움직여 관찰할 곳을 찾는다.
종류 [ 편집 ]
현미경은 기준에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다.
사용 광선에 따른 분류 [ 편집 ]
위상차현미경 [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 위상차현미경 입니다.
위상차현미경은 굴절률이나 두께의 변화가 있는 무색의 투명 표본을 농담(濃淡)의 분포에 대한 상(像)으로서 관찰할 수 있으며, 염색 등의 번거로운 처리가 덜 필요하다.
이 장치에는 집광렌즈의 물체측 초점에 도넛 모양의 조리개를 두어 대물렌즈의 상측(像側) 초점에 생기는 조리개의 상에 1/4파장의 광로차가 나타나는 위상판(位相板)이 놓여 있다. 표본을 그냥 지나온 빛은 이 위상판을 통과하여 표본에서 굴절 혹은 회절된 빛은 위상판의 외부를 지나므로 양자 사이에 생긴의 위상차에 의하여 농담의 상을 얻게 된다
실체현미경 [ 편집 ]
실체현미경은 외부 광원에 의해 반사된 상(像)으로서 관찰할 수 있으며, 해부, 수술 중의 외부 구조를 관찰하는 데 사용된다. 배율은 10~100배 정도로 세포내부의 구조를 관찰하는 데에는 적절하지 않다.
사진 [ 편집 ]
연구실 현미경
연구실 쌍안 현미경
양안 현미경
양안 현미경
현미경 대물렌즈
현미경 대물렌즈
현미경 대물렌즈
현미경 접안렌즈
현미경 계측 접안렌즈
양안 현미경 접안렌즈
현미경 접안렌즈
현미경 접안렌즈
현미경의 기계부 [ 편집 ]
같이 보기 [ 편집 ]
참고 문헌 [ 편집 ]
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외부 링크 [ 편집 ]
현미경의 종류
현미경의 종류
■ 광학현미경(Light Microscope, LM)
현미경은 일반적으로 광학 현미경과 전자 현미경으로 나뉩니다. 이 외에도 여러 종류의 현미경이 있지만 기본이 되는 구조와 원리를 가지고 있는 현미경이 광학 현미경과 전자 현미경입니다. 광학 현미경은 빛 중에서 우리 눈에 보이는 가시광선을 이용하며, 전자 현미경은 전자빔을 이용하여 물체를 관찰하는 현미경입니다.
빛이 렌즈를 통과하면서 굴절하는 성질을 이용한 광학 현미경에 사용되는 접안렌즈와 대물렌즈는 모두 볼록렌즈입니다. 볼록렌즈는 가까이에 있는 물체를 확대해서 보여주는 성질을 가지고 있어, 광학 현미경에서도 볼록렌즈를 이용합니다. 접안렌즈와 대물렌즈의 위치와 내부 구조는 다르지만 물체의 모습을 확대하는 역할을 한다는 점에서는 두 렌즈가 같습니다. 광학 현미경이 얼마나 확대해서 보여 줄 수 있는가를 말해 주는 배율은 대물렌즈의 배율과 접안렌즈의 배율을 곱해서 말하게 됩니다. 예를 들어서 대물렌즈로 100배를 확대할 수 있고 접안렌즈로 10배를 확대할 수 있으면 물체를 1000배로 확대해서 볼 수 있게 되는 것입니다.
생물 현미경
의학 및 생물학 분야에 주로 사용되는 현미경으로, 물체를 통과한 빛이 두 개의 렌즈를 지나면서 굴절되어 물체의 모습이 확대되어 보이는 구조를 가지고 있습니다.
▲ 생물 현미경과 관찰 사진(미크라스테리아스-훈장말 일종)(출처: 에듀넷)
우리가 실험실에서 주로 사용하는 생물 현미경은 접안렌즈, 대물렌즈, 경통, 재물대, 조동나사, 미동나사, 조리개, 광원 장치로 구성되어 있습니다.
접안렌즈는 우리가 직접 눈으로 들여다보는 부분을 말합니다. 접안렌즈도 물체를 확대해서 보여 주는 역할을 하고 있기 때문에, 필요한 경우에는 배율이 다른 렌즈로 바꿔 끼워 사용할 수 있습니다. 대물렌즈는 우리가 관찰하고자 하는 물체를 확대해서 보여 주는 역할을 하는 렌즈로, 보통 하나의 현미경에서 배율이 다른 대물렌즈를 3~4개 정도 바꿔가며 사용할 수 있도록 되어 있습니다. 배율이 다른 대물렌즈들은 회전판에 붙어 있어, 대물렌즈의 배율을 바꾸고 싶을 때는 회전판을 돌리면 됩니다. 경통은 접안렌즈와 대물렌즈를 이어주는 둥근 관을 말합니다. 경통의 위쪽에는 접안렌즈가, 아래쪽에는 대물렌즈가 있습니다.
대물렌즈의 아래쪽에는 재물대가 있습니다. 재물대는 현미경으로 관찰하고자 하는 물체를 올려놓는 곳으로, 프레파라트를 고정하는 데 사용하는 클립과 빛이 통과할 수 있는 구멍이 있습니다. 재물대와 대물렌즈 사이의 거리에 따라 물체가 또렷하게 보이기도 하고, 흐리게 보이기도 하는데, 재물대의 높낮이를 바꾸어 주는 역할을 하는 것이 조동나사와 미동나사입니다. 조동나사를 돌리면 재물대의 움직임이 눈으로 보일 정도로 재물대가 위로 올라가거나 아래로 내려가기 때문에 물체의 모습을 찾는 데 사용할 수 있습니다. 조동나사를 이용하여 대강의 물체 모습을 찾고 난 후에 미동나사를 돌리면 우리 눈에는 잘 보이지 않지만 재물대가 조금씩 움직이게 되어, 접안렌즈로 보이는 물체의 모습을 또렷하게 만들 수 있습니다.
광학 현미경의 한 종류인 생물 현미경은 빛을 이용하기 때문에 물체를 통과하여 렌즈로 들어오는 빛을 조절하기 위한 장치로 조리개와 광원 광치 혹은 반사경이 있습니다. 조리개는 보통 재물대 아래쪽에 있어, 재물대에 뚫려있는 구멍으로 들어오는 빛의 양을 조절할 수 있습니다. 광원 장치는 전원을 연결하여 재물대에 올려진 물체 쪽으로 빛을 보내는 장치이며, 반사경은 현미경 주변의 빛을 재물대 쪽으로 모아 주는 역할을 하는 장치입니다.
광원 장치에 의해 표본(관찰할 물체)에 공급된 빛은 표본을 지나 대물렌즈를 통과하면서 확대된 상으로 나타나게 됩니다. 이렇게 확대된 상은 경통을 지나 접안렌즈를 통과하면서 한번 더 확대되어 우리 눈에 도달하게 됩니다. 즉, 대물렌즈와 접안렌즈에 의해 두 번 확대된 상이 우리 눈에 보이게 되는 것이지요. 이 때 현미경으로 관찰한 물체가 렌즈와 멀리 떨어져 있으면 거꾸로 된 상이 보일 수도 있으므로 렌즈와 프레파라트 사이의 거리를 최대한 가깝게 해 주고 관찰해야 합니다.
상을 관찰하는 데 다소 어둡다고 느껴지면, 빛의 양을 조절하는 조리개와 광원 장치로 조절해 주면 됩니다. 조리개를 많이 열어 주면 빛의 양이 많아지고, 적게 열어 주면 빛의 양이 적어지게 됩니다. 광원 장치를 이용하거나 좀 더 밝은 곳에서 실험을 해도 됩니다. 광원 장치 대신 반사경이 달린 현미경도 있습니다. 반사경은 외부에서 들어오는 빛을 현미경 표본으로 반사시켜 주는 거울로 반사경이 달린 현미경은 밝은 곳에서 사용해야 합니다.
상이 흐릿하다면 초점을 조절해 주어야 합니다. 이때는 정확하고 미세하게 움직여 주어야 하기 때문에 미동 나사를 사용합니다. 조동나사는 관찰하고자 하는 상을 먼저 대강 찾을 때 사용하는 것이므로 조동나사로 상을 찾은 다음에는 미동나사를 사용하여 초점을 맞춰 줍니다.
실체 현미경
실체 현미경은 생물 현미경과는 조금 다른 구조를 가지고 있습니다. 광원 장치나 반사경이 재물대 아래에 있어서 빛이 물체의 아래에서 올라오도록 되어 있는 생물 현미경과는 달리, 실체 현미경은 광원 광치가 물체 위에 있어서 물체의 표면에서 반사한 빛이 렌즈를 통과할 수 있는 형태로 만들어져 있습니다. 즉, 실체 현미경에서는 물체를 통과한 빛이 아니라 물체 표면에서 반사된 빛이 렌즈를 지나면서 굴절되는 것입니다. 실체 현미경은 왼쪽과 오른쪽, 두 세트의 렌즈로 구성되어 있어 입체감 있게 볼 수 있기 때문에 조립, 해부 등 세심한 주의를 요구하는 데 사용합니다.
▲ 실체 현미경과 관찰 사진(말벌)(출처: 에듀넷)
위상차 현미경
일반적인 광학 현미경은 물체의 밝고 어두움이나 색깔의 차이를 이용하여 물체를 관찰합니다. 만약 관찰하고자 하는 물체가 투명하다면 일반적인 광학 현미경으로는 그 구조를 잘 관찰할 수 없습니다. 이 때 사용하는 현미경이 위상차 현미경입니다. 위상차 현미경은 색이 없고 투명한 시료라도 그 내부의 구조를 관찰할 수 있는 특수한 현미경입니다. 관찰하고자 하는 시료를 따로 염색할 필요가 없기 때문에 위상차 현미경은 살아있는 세포에 들어 있는 작은 기관을 관찰할 때 매우 유용하게 사용됩니다.
▲ 위상차 현미경과 관찰 사진(피시움-바이러스 일종)(출처: 에듀넷)
편광 현미경
편광 현미경은 광물의 성질을 조사하기 위해 사용하는 특수한 현미경입니다. 얇게 만든 광물이나 암석 조각에 한 방향으로만 진동하는 빛을 통과시켜서 관찰합니다. 편광 현미경은 광물이 무엇인지 확인하고, 암석의 구조를 관찰하고 암석을 분류하는 데 사용됩니다.
▲ 편광 현미경과 관찰 사진(화강섬록암)(출처: 에듀넷)
■ 전자현미경(Electron Microscope, EM)
광학 현미경은 선명하면서도 크게 보는 능력에 한계가 있습니다. 세포와 같이 작은 물체를 관찰할 수는 있지만 그보다 더 작은 물체를 확대하기는 어려운데, 이는 빛이 가지고 있는 성질과 고배율의 렌즈를 제작하기가 어려운 점 때문입니다. 그래서 과학자들은 세포보다 더 작은 물체를 관찰할 수 있는 새로운 현미경을 연구하기 시작했고, 그 결과 만들어진 것이 전자 현미경입니다.
1926년 독일의 한스 부쉬(Hans Busch, 1884-1973)는 움직이고 있는 전자가 자기장을 지나갈 때 전자의 운동 방향이 휘어지는 것을 밝혔습니다. 이 이론은 빛이 렌즈를 만나 굴절하는 것처럼 전자의 운동 방향이 자기장에 의해 휘어진다고 하여 전자의 자기장에 의한 렌즈 작용으로 불리었고, 전자가 지나가는 자기장을 만드는 장치를 전자 렌즈라고 하였습니다. 바로 이 원리를 바탕으로 하여 전자빔이 전자렌즈를 통과하는 동안 휘어지는 현상을 이용한 전자 현미경이 발명되었습니다.
전자 현미경은 광학 현미경에서 사용하는 빛(가시광선)을 이용하지 않고 전자를 이용하여 물체를 관찰하는 현미경입니다. 전자를 이용해서 물체를 관찰하게 되면 더 높은 배율로, 더 선명한 영상을 얻을 수 있습니다. 렌즈를 이용해서 물체를 확대한다는 점에서는 광학 현미경과 유사하지만, 전자 현미경은 광학 현미경처럼 유리로 된 렌즈가 아니라 자기장을 만들 수 있는 전자석을 이용해서 만든 전자렌즈로 물체를 확대한다는 점에서 광학 현미경과는 차이가 있습니다. 이렇게 전자를 이용해서 물체를 확대시켜 주는 전자 현미경을 사용하면 머리카락 굵기의 1/10,000 정도까지 작은 물체도 볼 수 있습니다.
전자 현미경을 이용하면 물체의 표면의 모습, 물체를 구성하고 있는 입자들의 모양과 크기, 물체를 구성하는 물질의 종류와 상대적인 양, 물체 내에 원자들이 늘어선 모양 등을 알 수 있습니다. 아주 작은 물체까지도 확대해서 보여 주는 전자 현미경은 과학이 발전하는 데 많은 도움을 주고 있습니다. 작은 나노의 세계는 우리가 볼 수도 만질 수도 없었지만 현미경이 발전하면서 보는 것은 물론 원자 하나하나를 조작할 수도 있게 되었습니다.
주사 전자 현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)
주사 전자 현미경은 가시광선으로 관찰하는 것이 아니라 관찰하고자 하는 물체의 표면으로 전자빔을 쏜 다음, 표면에서 반사되어 돌아오는 전자빔을 통해 얻은 이미지를 컴퓨터로 재구성하여 물체(시료)의 표면을 3D로 보여 줍니다. 그러나 시료의 색은 볼 수 없습니다. 우리가 흔히 볼 수 있는 전자 현미경 사진은 이해를 높이기 위해 염색을 한 것입니다.
▲ SEM과 관찰 사진(적혈구와 백혈구)(출처: 에듀넷)
투과 전자 현미경(TEM; Transmission Electron Microscope)
높은 전압의 전자 빔을 쏘아 얇게 자른 생물의 조직을 투과하게 함으로써 물체의 모습을 수십만 배 이상으로 확대하여 관찰할 수 있는 투과 전자 현미경은 주사 전자 현미경과는 달리 시료의 얇은 단면을 볼 수 있습니다. 전자를 투과시켜서 관찰하기 때문에 관찰을 하고자 하는 물체를 천분의 1 밀리미터 이하로 얇게 자르거나, 전자가 투과할 수 있는 필름에 얇게 바르기도 합니다. 물체가 전자를 투과해야 하기 때문에 투과 전자 현미경의 중간 부분에 관찰하고자 하는 시료를 놓게 됩니다.
▲ TEM과 관찰 사진(적혈구)(출처: 에듀넷)
[자료출처: 에듀넷]
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