현미경의 해부학

현미경이란?

현미경은 작은 물체의 확대된 시각적 이미지 또는 사진 이미지를 생성하도록 설계된 기기입니다.현미경은 확대된 이미지를 생성하고, 그 이미지의 디테일을 구별하며, 이러한 디테일이 인간의 눈 또는 카메라를 통해 보이도록 렌더링하는 세 가지 작업을 수행할 수 있어야 합니다.이 기기 그룹에는 확대경같이 휴대하는 경우가 많은 단순한 단일 렌즈 장치뿐만 아니라 대물렌즈와 집광기를 포함하는 다중 렌즈 현미경 설계가 포함됩니다.

단순 복합 현미경의 부품

아래의 그림 1에 나와 있는 현미경은 영국의 현미경 전문가 Robert Hooke이 1660년대에 발명한 단순 복합 현미경입니다.

훅 현미경(Hooke Microscope)의 부품

훌륭한 솜씨로 만들어진 이 현미경에는 표본 근처에 대물렌즈가 있으며, 현미경의 본체를 돌려 표본에 더 가까이 또는 표본에서 더 멀리 대물렌즈를 움직임으로써 초점을 맞춥니다.현미경 상단에는 접안렌즈가 삽입되고, 많은 경우에 배럴 안에 내부 시야 렌즈가 있어서 관측 시야를 넓힐 수 있습니다.

그림 1의 현미경에서는 오일 램프와 물이 채워진 구형 수조(그림 1 참조)가 조명의 기능을 합니다.램프의 빛은 수조를 통과하면서 확산된 다음 수조에 부착된 렌즈를 통해 표본에 초점을 맞춥니다.이 초기 현미경에는 색수차(및 구면수차) 문제가 있었기 때문에 흰색 빛으로 보이는 모든 이미지에 파란색 또는 빨간색 "후광"이 포함되었습니다.

현미경과 눈의 관계

많은 현미경 사용자가 직접 관찰에 의존하기 때문에 현미경과 눈의 관계를 이해하는 것이 중요합니다.우리의 눈은 보라색에서 파란색, 녹색, 노란색, 주황색 그리고 빨간색까지 스펙트럼의 가시 부분에서 색을 구별할 수 있지만 자외선이나 적외선은 감지하지 못합니다.

또한 눈은 검은색에서 흰색 그리고 그 사이에 있는 모든 회색 음영의 밝기 또는 강도 차이를 감지할 수 있습니다.따라서, 이미지를 눈으로 볼 수 있으려면 해당 이미지는 가시 스펙트럼 및/또는 다양한 광도의 색으로 표시되어야 합니다.

우리 눈이 색을 감지하기 위해 사용하는 수용체를 원추 세포라고 합니다.색이 아닌 강도의 수준을 구별하는 세포는 간상 세포입니다.이런 세포 유형은 각각 눈 내부 뒤쪽의 망막에 있습니다.홍채, 곡선형 각막 및 수정체를 포함하는 눈 앞쪽(그림 2)은 빛을 받아서 망막에 초점을 맞춥니다.

이미지를 선명하게 볼 수 있으려면, 이미지가 충분한 시야각으로 망막에 확산되어야 합니다.빛이 비인접 망막 세포 열(이미지 확대 및 확산 기능)에 도달하지 않는 한, 촘촘하게 놓여 있는 디테일을 개별적인 요소(분해)로 구별할 수 없습니다.또한, 확대된 분해 이미지를 볼 수 있도록 하려면 인접 디테일 및/또는 배경 사이에 충분한 대비가 있어야 합니다.

눈의 수정체는 형태를 바꾸는 능력이 제한되어 있기 때문에, 눈 매우 가까이에 물체를 가져갈 경우 망막에서 그 이미지에 초점을 맞출 수 없습니다.허용되는 일반 시역 거리는 25센티미터(10인치)입니다.

현미경의 역사

단순 현미경

500여 년 전, 단순한 유리 확대경이 볼록 렌즈(주변보다 가운데가 더 두꺼움) 형태로 개발되었습니다.그 당시에는 표본 또는 물체의 초점을 물체와 눈 사이에 놓인 확대경을 통해 맞출 수 있었습니다.이런 단순 현미경은 망막의 시야각을 증가시킴으로써 확대를 통해 망막에서 이미지를 확산할 수 있습니다.

단순 현미경, 그러니까 확대경은 Anton von Leeuwenhoek의 작업을 통해 1600년대에 최적화되었습니다.그는 아래의 그림 3에 나와 있는 것과 유사한 단순 현미경으로 단세포 동물("극미동물"이라 칭함)과 약간 더 큰 세균을 볼 수 있었습니다.

관찰자의 눈 가까이에 있는 이 확대경에 의해 생성된 이미지는 마치 렌즈의 면이 물체와 같은 것처럼 보입니다.눈에서 10인치 떨어진 것처럼 보이는 이 유형의 이미지는 가상 이미지로 알려져 있으며 필름으로 포착할 수 없습니다.

단순 현미경의 부품

복합 현미경

1600년대 초 네덜란드 Janssen 형제와 이탈리아 Galileo의 노력을 통해 복합 현미경이 개발되었습니다(그림 4의 현미경 참조).

복합 현미경의 부품

가장 단순한 형태의 이 복합 현미경은 직렬로 배열된 다음의 두 개의 볼록 렌즈로 구성되었습니다. 물체 또는 표본에 더 가까운 대물 유리(대물렌즈), 그리고 관찰자의 눈에 더 가까운 접안렌즈(대안)(표본 및 현미경 렌즈의 위치를 조정하는 수단 포함).대물렌즈가 현미경의 경통으로 확대된 이미지를 투사하고 나면 접안렌즈가 대물렌즈에 의해 투사된 이미지를 더욱 확대합니다.따라서, 복합 현미경은 2단계로 물체를 확대합니다.

17세기와 18세기 중에 개발된 복합 현미경에는 광학 수차(색수차와 구면수차)로 인한 제한이 있었는데, 광학 수차는 다중 렌즈 사용에 의해 더욱 악화되는결함입니다.사실 이 현미경은 이런 아티팩트로 인해 그 시기의 단일 렌즈 현미경보다 성능이 열등했습니다.생성된 이미지는 종종 흐릿하고 색수차와 관련된 얼룩덜룩한 후광이 생겨서 이미지 품질을 저하할 뿐만 아니라 분해능을 떨어트렸습니다.

1700년대 중반에 들어 렌즈 제작자들은 다양한 색 분산 특성을 갖는 유리로 만들어진 두 개의 렌즈를 결합하면 색수차를 상당 부분 줄이거나 없앨 수 있다는 사실을 알아냈습니다.이러한 발견은 현미경보다 렌즈가 훨씬 더 큰 망원경에 처음 사용되었습니다.1800년대 초에 이르러서야 색 보정 렌즈가 복합 현미경에 일반적으로 사용되기 시작했습니다.

복합 현미경의 발전

18세기와 19세기에는 복합 현미경의 기계적 그리고 광학적 품질이 크게 개선되었습니다.공작 기계의 발전 덕분에 더욱 정교한 부품을 제작할 수 있게 된 것입니다.1800년대 중반까지 황동은 고품질의 현미경을 생산하기 위해 선택된 합금이었습니다.

많은 영국 및 독일 현미경 제조업체가 이 시기에 엄청난 성공을 거뒀습니다.이들 제조업체의 현미경은 설계와 생산 품질 면에서 매우 다양했지만, 광학적 특성을 정의하는 전반적인 원리는 비교적 일치했습니다.아래의 그림 5에 나와 있는 현미경은 1850년경에 Hugh Powell과 Peter Lealand이 제작한 것으로,삼각대 베이스가 현미경을 견고하게 지탱해 주었습니다. 많은 사람이 이 현미경을 그 시대 최첨단 현미경으로 평가합니다.

Powell과 Leland 현미경 부품 다이어그램

19세기 말에는 현미경 제조업체들의 경쟁이 치열했습니다.이에 따라, 현미경의 개발과 생산 비용이 중요한 요소로 자리 잡게 되었습니다.현미경 제조업체들이 선택했던 자재인 황동은 매우 고가입니다.또한 현미경 본체와 황동으로 가공한 다른 부품을 가공하고 다듬고 래커칠하는 것은 시간이 오래 걸리는 작업이었습니다.비용 절감을 위해 현미경 제조업체들은 먼저 현미경 본체와 스탠드뿐만 아니라 스테이지 및 다른 비가동 부품의 외부에 도료를 칠하기 시작했습니다.

20세기 현미경

20세기의 1분기 동안 많은 현미경 제조업체는 현미경 프레임과 스테이지의 황동을 주철로 대체하기 시작했습니다.철은 훨씬 더 저렴했으며 검은색으로 칠하면 황동과 구별할 수 없을 정도였습니다.또한 조절 손잡이, 대물렌즈 배럴, 노즈피스, 접안렌즈, 기계식 스테이지 어셈블리(아래의 그림 6 참조)와 같은 여러 중요한 황동 구성품을 전기 도금하기 시작했습니다.

이 20세기 초 현미경들은 계속해서 공통적인 설계 모티프를 사용했는데,바로 표본에 조명을 비추기 위해 외부 램프와 함께 사용되는 스테이지 아래에 반사경이 부착된 단안 현미경이었습니다.이 시기의 전형적인 현미경은 그림 6에 나와 있는 Zeiss Laboratory 현미경입니다.이 유형의 현미경은 매우 기능적이어서 오늘날에도 여전히 널리 사용되고 있습니다.

Zeiss Laboratory 현미경의 부품

현대 현미경

현대 현미경은 1900년대 중반 이전에 만들어진 현미경의 설계 사양을 훨씬 능가합니다.유리 조성이 크게 개선되면서, 그 어느 때보다 광학 수차에 대한 보정이 향상되었습니다.합성 반사 방지 렌즈 코팅은 현재 매우 진보되어 있습니다.집적 회로 기술 덕분에 제조업체들은 마이크로프로세서를 현미경 스탠드에 포함하는 "스마트" 현미경을 생산할 수 있게 되었습니다.광도를 모니터링하고, 필름 속도에 따라 노출을 계산하며, 브라케팅, 다중 노출 및 타임랩스 사진 촬영과 같은 복잡한 작업을 자동으로 수행하는 부속품을 통해 광학 현미경 사진 촬영이 그 어느 때보다 쉬워졌습니다.

그림 7에 나와 있는 현미경은 Olympus Provis AX70 연구용 현미경입니다.1990년대에 출시된 이 현미경은 여러 개의 조명(반사식 및 투과식), 검광기 및 편광기, DIC 프리즘, 형광 부속품 및 위상차 기능을 통합하는 정교한 설계가 특징입니다.광학 현미경 사진 촬영 시스템에는 스폿 측정, 자동 노출 제어 및 유연하고 손쉬운 프레이밍을 위한 줌 배율 기능이 탑재되어 있습니다.Y형 프레임은 인체 공학과 사용 편의성을 개선하는 데 도움이 되었습니다.오늘날, 현미경 제조업체들은 사용자의 편안함을 개선하고, 사용을 간편하게 하며, 새로운 연구를 지원하기 위해 끊임없이 새로운 현미경 기술을 개발하고 있습니다.

Olympus Provis AX 70 현미경의 부품

현미경의 실용적인 사용

실제로 모든 사람이 한 번쯤은 광학 현미경으로 세상을 본 적이 있을 것입니다.일부 과학 부문 기업가들은 개인적으로 또는 과학 키트의 일부로 자체 현미경을 구입하지만, 대부분의 사람은 고등학교나 대학 생물학 수업 때 현미경을 사용해 봅니다.

현미경을 통한 사진 촬영, 즉 광학 현미경 사진 촬영은 오랫동안 과학자들에게 유용한 도구였습니다.생명 과학 및 의학 분야에서는 광학적 특징과 데이터를 기록하는 정량적 도구뿐만 아니라 표본의 형태학적 특징과 관련된 문제를 해결하기 위해 현미경에 크게 의존해 왔습니다.이런 측면에서 광학 현미경은 생명의 신비를 조사하는 데 유용한 도구임이 입증되었습니다.

현미경은 새로운 최첨단 소재와 집적 회로의 표면 특징을 관찰해야 하는 필요성으로 인해, 반도체 업계뿐만 아니라 물리 및 재료 과학에서 인기 있는 도구로 자리 잡았습니다.현미경은 또한 털(머리카락 등), 섬유, 의류, 혈흔, 총알 및 기타 범죄와 관련된 품목을 검사해야 하는 법의학자들에게 유용한 것으로 입증되었습니다.형광색소 염색과 단클론 항체 기법이 현대에 들어와 진보하면서 생물의학 분석과 세포 생물학 모두에서 형광 현미경의 사용이 크게 확대될 수 있는 길을 닦아 주었습니다.

생물의학 현미경과 재료 현미경의 차이

생물의학 현미경과 재료 현미경의 기본적인 차이는 현미경이 샘플에 빛을 투사하는 방법과 관련됩니다.전통적인 생물 현미경의 경우, 빛이 매우 얇은 표본을 통해 전달되면 대물렌즈로 초점이 맞춰진 다음 현미경 접안렌즈로 전달됩니다.

집적 회로(현대식 컴퓨터의 내부 작동을 구성)의 표면을 관찰하기 위해서는, 빛이 대물렌즈를 통과한 다음 샘플의 표면에서 현미경 대물렌즈로 다시 반사됩니다.과학 용어로, 투과광 현미경과 반사광 현미경은 각각 투과식 조명 현미경과 반사식 조명 현미경으로 알려져 있습니다.당사의 포토 갤러리에 있는 광학 현미경 사진은 투과광 현미경과 반사광 현미경을 통한 과학 연구에서 얻어진 것입니다.

현미경에서 발생하는 흔한 문제는 빛이 매우 얇은 표본을 통과하거나 반사율이 높은 표면에서 반사될 때 생성되는 불량한 대비입니다.불량한 대비 문제를 해결하기 위해, 다양한 광학 기법이 개발되어 대비를 증가시키고 표본의 색 변이를 제공하고 있습니다.이러한 광학 기법에는 다음이 포함됩니다.

• 편광
• 위상차 이미징
• 차등 간섭 대비
• 형광 조명
• 암시야 조명
• 라인베르크 조명
• 호프만 변조 대비
• 다양한 젤라틴 광학 필터 사용

본 입문서의 특수 현미경 기법 섹션에서 이러한 광학 기법에 대한 자세한 내용을 확인해 보십시오.편의를 위해, 참고 자료는 일반 서지 형식과 웹사이트 링크로 제공됩니다.이러한 자료는 현미경과 광학 현미경 사진 촬영에 대해 학습하고 다른 사람을 교육하는 데 도움이 될 수 있습니다.