편광현미경

2. 편광 현미경의 원리 및 구조

편광 현미경은 기본적인 명시야 현미경에 다음과 같은 기능을 추가하여 구성된다.

• 표본 슬라이드 아래 광학 경로에 니콜 프리즘 편광판 필터 추가
• 일반 스테이지를 원형 회전 스테이지로 교체 (일반적으로 1도 이상의 각도로 방향을 읽을 수 있도록 버니어 캘리퍼스로 눈금 표시)
• 대물렌즈와 접안렌즈 사이 광학 경로에 분석기라고 불리는 두 번째 회전 가능하고 제거 가능한 니콜 프리즘 필터 추가
• 위상 망원경 (베르트랑 렌즈) 추가: 관찰자가 원추형 간섭 패턴을 볼 수 있도록 함
• 위상판 삽입을 위한 슬롯 추가

• 광원: 할로겐 램프나 텅스텐 램프가 사용된다. 과거에는 반사경을 사용하여 태양의 간접광 등을 이용했다. 이 단계에서 발생한 빛은 모든 방향으로 진동하는 자연광이다.
• 편광판 (Polarizer): 광원에서 나온 빛을 특정 방향으로 진동하는 직선 편광으로 만든다. 과거에는 윌리엄 니콜이 개발한 니콜 프리즘을 사용했으나, 현재는 요오드를 첨가한 폴리비닐 알코올 수지 등을 한 방향으로 늘려 만든 편광 필름을 주로 사용한다.
• 검광판 (Analyzer): 편광판을 통과한 빛이 시료를 통과하면서 변화된 편광 상태를 분석한다. 편광판과 수직 방향(90°)으로 설치된다. 검광판은 광로에서 빼고 넣을 수 있다.
• 대물 렌즈: 시료의 상을 확대하는 역할을 하며, 편광 특성에 영향을 주지 않도록 특수하게 제작된다. 렌즈 고정 시 렌즈 재료에 스트레스가 가해지지 않도록 고려하며, 렌즈 소재도 편광 특성의 영향이 없는 것을 사용한다.
• 접안 렌즈: 확대된 상을 관찰자가 볼 수 있도록 한다. 대물 렌즈의 심 맞춤용으로 십자 레티큘이 들어간 것을 사용하기도 한다.
• 회전 스테이지: 시료를 회전시키면서 편광 특성의 변화를 관찰할 수 있도록 한다. 회전 각도를 측정하기 위한 눈금이 매겨져 있다.
• 베르트랑 렌즈: 코노스코프 관찰에 사용되며, 대물렌즈의 초점면에 형성되는 간섭상을 관찰할 수 있게 한다. 광로에서 빼고 넣을 수 있는 구조로 되어 있다.
• 검판 슬릿 (Compensation Plate Slot): 광물의 복굴절 정도를 정량적으로 측정하기 위해 예민색판, 1/4 파장판, 쐐기형 수정판 등을 삽입하는 곳이다.
• 컨덴서 렌즈: 일반적인 광학 현미경의 것과 기본적인 구조는 같다. 코노스코프 관찰을 할 경우에만 사용한다.

2. 1. 기본 원리

• 표본 슬라이드 아래 광학 경로에 니콜 프리즘 편광판 필터 추가
• 일반 스테이지를 원형 회전 스테이지로 교체 (일반적으로 1도 이상의 각도로 방향을 읽을 수 있도록 버니어 캘리퍼스로 눈금 표시)
• 대물렌즈와 접안렌즈 사이 광학 경로에 분석기라고 불리는 두 번째 회전 가능하고 제거 가능한 니콜 프리즘 필터 추가
• 위상 망원경 (베르트랑 렌즈) 추가: 관찰자가 원추형 간섭 패턴을 볼 수 있도록 함
• 위상판 삽입을 위한 슬롯 추가

2. 2. 주요 구성 요소

• 광원: 할로겐 램프나 텅스텐 램프가 사용된다. 과거에는 반사경을 사용하여 태양의 간접광 등을 이용했다. 이 단계에서 발생한 빛은 모든 방향으로 진동하는 자연광이다.
• 편광판 (Polarizer): 광원에서 나온 빛을 특정 방향으로 진동하는 직선 편광으로 만든다. 과거에는 윌리엄 니콜이 개발한 니콜 프리즘을 사용했으나, 현재는 요오드를 첨가한 폴리비닐 알코올 수지 등을 한 방향으로 늘려 만든 편광 필름을 주로 사용한다.
• 검광판 (Analyzer): 편광판을 통과한 빛이 시료를 통과하면서 변화된 편광 상태를 분석한다. 편광판과 수직 방향(90°)으로 설치된다. 검광판은 광로에서 빼고 넣을 수 있다.
• 대물 렌즈: 시료의 상을 확대하는 역할을 하며, 편광 특성에 영향을 주지 않도록 특수하게 제작된다. 렌즈 고정 시 렌즈 재료에 스트레스가 가해지지 않도록 고려하며, 렌즈 소재도 편광 특성의 영향이 없는 것을 사용한다.
• 접안 렌즈: 확대된 상을 관찰자가 볼 수 있도록 한다. 대물 렌즈의 심 맞춤용으로 십자 레티큘이 들어간 것을 사용하기도 한다.
• 회전 스테이지: 시료를 회전시키면서 편광 특성의 변화를 관찰할 수 있도록 한다. 회전 각도를 측정하기 위한 눈금이 매겨져 있다.
• 베르트랑 렌즈: 코노스코프 관찰에 사용되며, 대물렌즈의 초점면에 형성되는 간섭상을 관찰할 수 있게 한다. 광로에서 빼고 넣을 수 있는 구조로 되어 있다.
• 검판 슬릿 (Compensation Plate Slot): 광물의 복굴절 정도를 정량적으로 측정하기 위해 예민색판, 1/4 파장판, 쐐기형 수정판 등을 삽입하는 곳이다.
• 컨덴서 렌즈: 일반적인 광학 현미경의 것과 기본적인 구조는 같다. 코노스코프 관찰을 할 경우에만 사용한다.

3. 편광 현미경의 관찰 방법

개방 니콜(Open Nicol) 관찰은 하부 편광판(편광자)만 사용하여 관찰하는 방법이다. 광로에 편광자만 삽입한 상태로, 시료 프레파라트를 넣지 않고 접안렌즈를 들여다보면 명시야(광원색의 흰색에서 옅은 노란색)로 보인다.

개방 니콜에서는 광물의 형태, 색, 굴절률 등을 측정할 수 있다. 예를 들어 화강암 박편 표본을 넣었을 경우, 육안 및 일반적인 광학 현미경에서는 흰색 투명으로 보이는 석영, 장석은 광물 종류와 결정 방향에 따라 감광이 일어나 흰색-회색-검은색으로 변화한다. 이때 재물대를 회전시키면 이 감광은 변화하며, 그 주기는 90° 각도로 관찰할 수 있다.

이방성 유색 광물에서 재물대를 회전시킬 때 방향에 따라 광흡수 정도가 달라져 색이 변하는 현상인 다색성을 관찰할 수 있다.

직교 니콜(Crossed Nicols)은 하부 편광판(편광자)과 상부 편광판(검광자)을 모두 사용하여 관찰하는 방법이다. 하부 편광판과 상부 편광판의 진동 방향은 서로 수직을 이루도록 설치한다. 이러한 구조는 상부 편광판이 하부 편광판을 통과한 빛 중 진동 방향이 수직인 전자기파를 차단하여 모든 빛을 차단하게 된다.

직교 니콜 상태에서 광물 박편을 삽입하면, 광물에서 다양한 굴절이 일어나며, 각 광물의 특성에 따라 다양한 현상이 관찰된다. 광학적 등방체의 경우 빛이 통과하지 못하여 완전 소광 상태가 된다. 석류석과 유리가 대표적인 예시이다. 반면, 광학적 이방체의 경우 복굴절에 의해 만들어진 두 광선이 간섭을 일으켜 다양한 간섭색을 나타낸다. 이는 상광선과 이상광선의 위상 차이에 의한 것이다. 무색 광물은 비교적 단순한 간섭색을 보이지만, 유색 광물은 복잡하고 다양한 색을 나타낸다.

재물대를 회전시키면 간섭색이 사라지고 어두워지는 현상이 나타나는데, 이를 '''소광'''이라고 한다. 1회 회전 시 4회 소광이 발생하며, 소광과 다음 소광 사이의 각도를 소광각이라고 한다. 소광각은 광물마다 고유한 값을 가지므로 광물을 식별하는 데 중요한 정보로 활용된다. 예를 들어, 화강암 박편 표본을 직교 니콜 하에서 관찰하면, 석영, 장석 등의 구성 광물이 편광을 교란시켜 광물의 종류와 결정 방향에 따라 다르게 빛나는 것을 볼 수 있다. 또한, 스테이지를 회전시키면 90° 각도마다 밝기가 증가하고 감소하는 현상이 반복되며, 보라색, 녹색, 청색, 흰색, 오렌지색 등 다양한 간섭색이 관찰된다.^[3]

간섭색의 변화를 명확하게 관찰하기 위해 둔감색판을 삽입하기도 한다. 둔감색판은 530nm의 위상차를 발생시키는 광학 소자로, 미세한 위상차 변화를 뚜렷한 색 변화로 확인할 수 있게 해준다.^[3] 또한, 위상의 방향을 알기 위해서는 1/4 파장판을 이용하며, 삽입에 의한 색 변화를 통해 위상 어긋남의 방향을 알아낼 수 있다.

콘덴서와 베르트랑 렌즈/Bertrand lens^영어를 광학계에 넣고, 대물렌즈의 사출동을 직접 관찰하는 방법이다. 이 관찰법에서는 시료의 형태는 측정할 수 없으며, 시료를 통과한 빛에 의해 생기는 간섭 소용돌이를 관찰하게 된다. 이 방법은 시료의 '''일축성'''과 '''이축성'''의 식별이나, '''광축각'''의 측정에 사용된다.

3. 1. 개방 니콜 (Open Nicol) 관찰

개방 니콜(Open Nicol) 관찰은 하부 편광판(편광자)만 사용하여 관찰하는 방법이다. 광로에 편광자만 삽입한 상태로, 시료 프레파라트를 넣지 않고 접안렌즈를 들여다보면 명시야(광원색의 흰색에서 옅은 노란색)로 보인다.

개방 니콜에서는 광물의 형태, 색, 굴절률 등을 측정할 수 있다. 예를 들어 화강암 박편 표본을 넣었을 경우, 육안 및 일반적인 광학 현미경에서는 흰색 투명으로 보이는 석영, 장석은 광물 종류와 결정 방향에 따라 감광이 일어나 흰색-회색-검은색으로 변화한다. 이때 재물대를 회전시키면 이 감광은 변화하며, 그 주기는 90° 각도로 관찰할 수 있다.

이방성 유색 광물에서 재물대를 회전시킬 때 방향에 따라 광흡수 정도가 달라져 색이 변하는 현상인 다색성을 관찰할 수 있다.

3. 2. 직교 니콜 (Crossed Nicols) 관찰

직교 니콜(Crossed Nicols)은 하부 편광판(편광자)과 상부 편광판(검광자)을 모두 사용하여 관찰하는 방법이다. 하부 편광판과 상부 편광판의 진동 방향은 서로 수직을 이루도록 설치한다. 이러한 구조는 상부 편광판이 하부 편광판을 통과한 빛 중 진동 방향이 수직인 전자기파를 차단하여 모든 빛을 차단하게 된다.

직교 니콜 상태에서 광물 박편을 삽입하면, 광물에서 다양한 굴절이 일어나며, 각 광물의 특성에 따라 다양한 현상이 관찰된다. 광학적 등방체의 경우 빛이 통과하지 못하여 완전 소광 상태가 된다. 석류석과 유리가 대표적인 예시이다. 반면, 광학적 이방체의 경우 복굴절에 의해 만들어진 두 광선이 간섭을 일으켜 다양한 간섭색을 나타낸다. 이는 상광선과 이상광선의 위상 차이에 의한 것이다. 무색 광물은 비교적 단순한 간섭색을 보이지만, 유색 광물은 복잡하고 다양한 색을 나타낸다.

재물대를 회전시키면 간섭색이 사라지고 어두워지는 현상이 나타나는데, 이를 '''소광'''이라고 한다. 1회 회전 시 4회 소광이 발생하며, 소광과 다음 소광 사이의 각도를 소광각이라고 한다. 소광각은 광물마다 고유한 값을 가지므로 광물을 식별하는 데 중요한 정보로 활용된다. 예를 들어, 화강암 박편 표본을 직교 니콜 하에서 관찰하면, 석영, 장석 등의 구성 광물이 편광을 교란시켜 광물의 종류와 결정 방향에 따라 다르게 빛나는 것을 볼 수 있다. 또한, 스테이지를 회전시키면 90° 각도마다 밝기가 증가하고 감소하는 현상이 반복되며, 보라색, 녹색, 청색, 흰색, 오렌지색 등 다양한 간섭색이 관찰된다.^[3]

간섭색의 변화를 명확하게 관찰하기 위해 둔감색판을 삽입하기도 한다. 둔감색판은 530nm의 위상차를 발생시키는 광학 소자로, 미세한 위상차 변화를 뚜렷한 색 변화로 확인할 수 있게 해준다.^[3] 또한, 위상의 방향을 알기 위해서는 1/4 파장판을 이용하며, 삽입에 의한 색 변화를 통해 위상 어긋남의 방향을 알아낼 수 있다.

3. 3. 코노스코프 (Conoscope) 관찰

콘덴서와 베르트랑 렌즈/Bertrand lens^영어를 광학계에 넣고, 대물렌즈의 사출동을 직접 관찰하는 방법이다. 이 관찰법에서는 시료의 형태는 측정할 수 없으며, 시료를 통과한 빛에 의해 생기는 간섭 소용돌이를 관찰하게 된다. 이 방법은 시료의 '''일축성'''과 '''이축성'''의 식별이나, '''광축각'''의 측정에 사용된다.