대물 렌즈
대물 렌즈는 광학 현미경의 기본 성능 및 기능을 결정하는데 있어 가장 중요한 광학 장치입니다. 다양한 목적과 용도에 적합한 광학 성능 및 기능을 제공(예: 광학 현미경에서 가장 중요한 성능/기능)하기 위해 목적에 따라 다양한 대물 렌즈가 마련되어 있습니다.
대물 렌즈는 기본적으로 의도된 목적, 현미경 방식, 배율, 성능(수차 보정)을 기준으로 구분됩니다. 이 중 수차 보정 개념에 따라 분류하는 것이 현미경의 목적을 분류하는 가장 독특한 분류 방식입니다.
1. 목적에 따른 분류
광학 현미경은 크게 '생물학적 용도'와 '산업 용도'로 구분됩니다. 이 분류 방식을 사용할 경우, 대물 렌즈는 '생물학적 용도' 대물 렌즈와 '산업 용도' 대물 렌즈로 구분됩니다. 생물학적 용도의 일반적인 표본은 슬라이드 글라스에 고정된 후 커버 글라스로 덮는 형태로 사용됩니다. 생물학적 용도의 대물 렌즈는 커버 글라스를 사용하기 때문에 광학 설계는 일반적으로 커버 글라스의 두께(일반적으로 0.17mm)를 고려하여 실행됩니다. 야금 표본, 반도체 웨이퍼, 전자 부품 등 산업 용도의 일반적인 표본에는 커버를 사용하지 않고 관찰하는 것이 일반적입니다. 산업 용도의 대물 렌즈는 렌즈 끝단과 표본 사이에 커버 글라스가 없는 경우에 최적화되도록 설계됩니다.
2. 현미경 방식에 따른 분류
의도된 목적에 따라 다양한 광학 현미경 방식이 개발되었습니다. 각 현미경 방식에 맞는 전용 대물 렌즈가 개발되었으며, 각 방식에 맞게 분류됩니다. '반사 암시야 대물 렌즈(내부 렌즈 주변에 빛을 위한 원형 경로 적용)', '미분간섭대비(DIC)' 대물 렌즈(광학 렌즈 속성과 DIC(Nomarski) 프리즘 최적화를 통한 렌즈 왜곡 감소)', '형광 대물 렌즈(근자외선 영역 내 투과율 개선)', '편광 대물 렌즈(렌즈 왜곡이 크게 감소)', '위상차 대물 렌즈(위상판 내장)' 등이 있습니다.
3. 배율에 따른 분류
광학 현미경는 여러 대물 렌즈를 회전 노즈피스에 부착하여 사용합니다. 일반적으로 배율이 서로 다른 대물 렌즈를 조합하는 경우, 이러한 렌즈를 회전 노즈피스에 부착하여 노즈피스를 돌려 낮은 배율에서 높은 배율로 쉽게 변경할 수 있습니다. 그 결과 조합 콤비네이션 라인업은 낮은 배율(5x, 10x), 중간 배율(20x, 50x), 높은 배율(100x)을 가진 대물 렌즈로 구성됩니다. 이러한 대물 렌즈를 사용하여 높은 배율에서 높은 해상력을 얻기 위해서는 이멀젼 오일 또는 렌즈 끝단과 표본 사이 물을 채우는 등 전용 고굴절률 액체를 사용하여 관찰하기 위한 이멀젼 대물 렌즈를 사용합니다. 특수 용도를 위한 초저배율(1.25x, 2.5x)과 초고배율(150x) 대물 렌즈 또한 사용할 수 있습니다.
4. 수차 보정에 따른 분류
색수차 보정(레벨)에 따른 분류
축색수차 보정은 보정 수준에 따라 아크로맷, 세미아포크로맷(형석), 아포크로맷의 3개 수준으로 분류됩니다. 대물 렌즈 라인업은 보급형부터 고급형으로 구분되며, 점진적으로 가격이 상승합니다. C 선의 2개 색(레드: 656.3nm)과 F 선(블루: 486.1nm)의 축색수차 보정에 사용되는 대물 렌즈는 아크로맷 또는 아크로마틱 대물 렌즈로 불립니다. 아크로맷의 경우, 상기 2개 색을 제외한 선(일반적으로 바이올렛 g 선: 435.8nm)는 초점면에서 떨어져 있는 면에 초점이 맞춰집니다. g 선은 2차 스펙트럼으로 불립니다. 2차 스펙트럼을 충족하도록 보정된 크로마틱 수차를 위한 대물 렌즈는 아포크로맷 또는 아포크로마틱 대물 렌즈라고 부릅니다. 즉, 아포크로맷은 3개 색(C, F, g 선)의 축색수차가 보정된 대물 렌즈입니다. 아래 그림은 파면 수차를 사용하여 아크로마틱과 아포크로마틱 색수차 보정의 차이를 설명합니다. 이 그림은 색수차 보정 시 아포크로마틱이 아크로마틱 대비 더 넓은 파장 범위를 보정한다는 것을 보여줍니다.
색수차 보정 비교(아크로맷-아포크로맷)
2차 스펙트럼(g 선)에 대한 색수차 보정 수준이 아크로맷과 아포크로맷 사이로 설정된 대물 렌즈는 세미아포크로맷(또는 형석)으로 불립니다.
현미경 대물 렌즈의 광학 설계에서 일반적으로 N.A.와 배율이 높을 수록 2차 스펙트럼의 축 색수차를 보정하는 것이 어려워집니다. 축색수차에 더해 다양한 수차와 사인 조건이 충분히 보정되어야 하기 때문에 2차 스펙트럼의 보정을 진행하는 것이 매우 어렵습니다. 그 결과, 고배율 아포크로마틱 대물 렌즈의 수차 보정 시 더 많은 렌즈 피스가 요구됩니다. 일부 대물 렌즈의 경우 15개 이상의 렌즈로 구성되기도 합니다. 2차 스펙트럼을 만족스러운 수준으로 보정하기 위해 강력한 볼록 렌즈를 포함하는 렌즈에서 2차 스펙트럼까지 낮은 색분산이 발생하는 '변칙 분산 글라스'를 사용하는 것이 효과적입니다. 변칙 분산 글라스에 일반적으로 사용되는 소재는 형석(CaF2)이며, 작업 용이성이 높지 않은 것에 관계없이 오래 전부터 아포크로마틱 대물 렌즈에 사용되었습니다. 최근에는 변칙 분산 글라스에 가까운 속성을 가진 광학 글라스가 개발되어 형석 대신 주로 사용되고 있습니다.
시야 만곡 수차 보정에 따른 분류
사진 촬영 또는 비디오 카메라를 통한 이미지 촬영은 현미경에서 일반적으로 실행되는 작업이며, 이에 따라 시야 전체를 선명하게 담은 이미지의 중요성이 계속 증가하고 있습니다. 그 결과, 시야 만곡 수차 보정이 진행된 평면 대물 렌즈가 주로 사용됩니다. 시야 만곡 수차 보정을 위해 광학 설계는 페츠발 총합이 0이 되도록 합니다. 그러나 이러한 수차 보정은 고배율 대물 렌즈에서는 특히 어렵습니다. (이 보정은 타 수차 보정과 호환시키는 것이 어려움) 이에 맞춰 보정된 대물 렌즈는 강력한 볼록 광학 구성부품을 프런트 엔드 렌즈 그룹에, 강력한 볼록 렌즈는 백엔드 그룹에 적용합니다.