대물렌즈
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1. 개요
대물렌즈는 현미경, 망원경, 카메라 등의 광학 기기에서 사용되는 렌즈를 의미한다. 현미경의 대물렌즈는 시료에 가장 가까이 위치하며, 시료에서 나오는 빛을 모아 현미경 튜브 내부에서 초점을 맺도록 한다. 망원경의 대물렌즈는 굴절 망원경의 렌즈이거나 반사 망원경의 주 반사경이며, 집광력과 각 분해능에 영향을 미친다. 카메라 렌즈는 여러 개의 광학 렌즈 요소로 구성되어 광학 수차를 보정하며, 넓은 초점면을 커버한다. 대물렌즈는 종류, 배율, 개구수, 작동 거리, 렌즈 디자인 등 다양한 요소에 따라 성능이 달라진다.
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| 대물렌즈 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 렌즈 또는 거울 |
| 용도 | 광학 기기에서 상을 확대하거나 집광하는 데 사용됨 |
| 역할 | 중간 이미지를 형성하거나 빛을 모아서 최종 이미지를 생성 |
| 구조 및 기능 | |
| 기본 원리 | 빛의 굴절 또는 반사를 이용하여 상을 형성 |
| 구성 요소 | 렌즈 (단일 또는 복합), 거울 (오목, 볼록) |
| 주요 기능 | 상의 확대 해상도 향상 수차 보정 |
| 성능 지표 | |
| 개구수 (NA) | 대물렌즈의 빛을 모으는 능력 |
| 분해능 | 구별할 수 있는 최소 거리 |
| 작동 거리 | 대물렌즈와 표본 사이의 거리 |
| 배율 | 상의 확대 정도 |
| 초점 심도 | 상이 선명하게 보이는 깊이 범위 |
| 종류 | |
| 현미경 대물렌즈 | 현미경에서 사용, 높은 배율과 분해능 제공 |
| 망원경 대물렌즈 | 망원경에서 사용, 멀리 있는 물체의 상을 모음 |
| 카메라 렌즈 | 사진기에서 사용, 다양한 화각과 초점 거리 제공 |
| 수차 보정 | |
| 구면 수차 | 렌즈의 곡률 때문에 발생하는 상의 왜곡 |
| 색수차 | 빛의 파장에 따라 초점이 달라져 발생하는 색 번짐 |
| 평면성 수차 | 상이 평면에 맺히지 않아 발생하는 왜곡 |
| 코팅 | |
| 반사 방지 코팅 | 렌즈 표면에서의 빛의 반사를 줄여 투과율을 높임 |
| 다층 박막 코팅 | 특정 파장의 빛의 반사를 제어하여 색수차 보정 |
| 용도별 특징 | |
| 생물학 현미경 | 고배율, 고분해능, 긴 작동 거리를 가진 대물렌즈 사용 |
| 재료 과학 현미경 | 편광, 간섭 등 특수 광학 기술을 사용하는 대물렌즈 사용 |
| 천문 망원경 | 큰 구경, 낮은 수차, 넓은 시야를 가진 대물렌즈 사용 |
| 기타 | |
| 주의 사항 | 대물렌즈의 손상을 방지하고 최적의 성능을 유지하기 위해 정기적인 청소 및 관리가 필요함 |
2. 현미경의 대물 렌즈
현미경의 대물 렌즈는 시료에 가장 가까운 하단에 위치하며, 매우 짧은 초점 거리를 가진 강력한 돋보기와 같다. 이는 검사할 시료에 매우 가까이 위치하여 시료에서 나오는 빛이 현미경 튜브 내부에서 초점을 맺도록 한다. 대물 렌즈 자체는 일반적으로 유리로 만들어진 하나 이상의 렌즈를 포함하는 원통형이며, 그 기능은 시료에서 빛을 모으는 것이다.[1]
JIS는 생물 현미경의 경통 길이를 160mm, 공업 현미경의 경통 길이를 210mm로 정했다. 2009년에 제정된 JIS B 7132-1에서는 유한원 광학계의 기계적 경통장(대물렌즈 마운트(대부분 RMS 마운트) 부착 기준면에서 접안렌즈 마운트(C 마운트 등) 부착 기준면까지의 거리)을 160mm, 광학적 경통장(대물렌즈의 상 거리)을 150mm로 규정하고 있다.
같은 해에 제정된 JIS B 7132-2에서는 무한원 광학계가 규격화되었다. 유한원 광학계에서는 광학적 경통장이 같아도 초점까지 필터 등이 있으면 빛이 굴절되어 기계적 경통장이 늘어나거나 줄어든다. 따라서 광학적 경통장이 150mm이고 기계적 경통장이 160mm인 경우는 광로에 아무것도 없는 경우이며, 필터 등이 있으면 기계적 경통장 160mm에서는 상이 흐려진다.
이에 비해 무한원 광학계는 대물렌즈에서 나온 빛이 상을 맺지 않는 평행광이기 때문에, 필터 등을 대물렌즈와 결상 렌즈 사이에 넣어도 상이 흐려지지 않아 확장성이 높다는 장점이 있다. 단, 피사체의 같은 각점에서 나온 빛끼리만 평행일 뿐, 다른 점에서 나온 빛은 확산되기 때문에 무한원 광학계라는 이름이지만, 대물렌즈에서 결상 렌즈까지의 거리는 결상 렌즈의 크기에 따라 실질적으로 제한된다.
2. 1. 종류
현미경 대물렌즈는 시료에서 나오는 빛을 모으는 역할을 하며, 하나 이상의 유리 렌즈로 구성된 원통형이다.[1] 기본적인 유리 렌즈는 색수차를 유발하기 때문에, 대부분의 대물렌즈는 이를 보정하는 기능을 갖추고 있다.[1]현미경 대물렌즈는 색수차 보정 정도에 따라 다음과 같이 나뉜다.
| 종류 | 설명 |
|---|---|
| 아크로매트 | 2가지 색(주로 청색~적색)에 대한 색수차를 보정한다. 일반적인 현미경에 널리 사용된다.[1] |
| 아포크로매트 | 3가지 색에 대한 색수차를 보정한다. 가시광선 영역에서 주변부까지 선명한 상을 제공하여 연구용으로 주로 사용된다.[1] |
| 풀루오르(Fluor) | 형광 현미경에 사용되며, 자외선 투과율을 확보하여 특정 파장대의 빛을 관찰하는 데 사용된다. (제조사마다 명칭과 내용이 다를 수 있음)[1] |
구면 수차를 보정하여 시야 전체에서 평평한 이미지를 제공하는 대물렌즈를 "평면" 대물렌즈라고 한다. 개구수는 건조 대물렌즈에서는 1 미만이지만 유침 및 수침 대물렌즈에서는 1을 넘는 것이 있으며, 분해능과 집광력이 높다.[1]
2. 1. 1. 상면 만곡 보정
상면 만곡을 보정한 렌즈는 이름에 "Plan"(플랜)이 붙어 PlanApo, PlanFluor 등으로 표기된다.[1] 상의 평탄성이 좋다.[1]2. 2. 배율
현미경 대물렌즈의 배율은 일반적으로 4×에서 100×까지 다양하다. 이는 접안렌즈의 배율과 결합되어 현미경의 전체 배율을 결정한다. 예를 들어 10× 접안렌즈를 사용하는 4× 대물렌즈는 물체의 40배 크기의 이미지를 생성한다.[1]일반적인 현미경은 필요한 렌즈를 선택하기 위해 회전할 수 있는 원형 "노즈피스"에 서로 다른 배율의 대물렌즈 3개 또는 4개가 나사로 고정되어 있다. 이 렌즈들은 더 쉽게 사용할 수 있도록 종종 색상으로 구분된다. 가장 약한 렌즈는 ''주사 대물렌즈''라고 하며, 보통 4× 대물렌즈이다. 두 번째 렌즈는 ''소형 대물렌즈''라고 하며, 보통 10× 렌즈이다. 3개 중 가장 강력한 렌즈는 ''대형 대물렌즈''라고 하며, 보통 40–100×이다.[1]
2. 3. 개구수 (Numerical aperture, NA)
현미경 렌즈의 개구수(NA)는 일반적으로 0.10에서 1.25 사이이며, 이는 각각 약 40mm에서 2mm의 초점 거리에 해당한다.[1]2. 4. 작동 거리 (Working distance, WD)
현미경의 '''작동 거리'''(Working distance, WD)는 표본과 대물렌즈 사이의 거리이다. 배율이 증가함에 따라 작동 거리는 일반적으로 줄어든다. 공간이 필요할 경우 특수한 장초점 대물렌즈를 사용할 수 있다.[1]2. 5. 유침 렌즈 (Immersion lenses)
일부 현미경은 유침 대물렌즈 또는 수침 대물렌즈를 사용하며, 100배 이상의 배율과 1보다 큰 개구수를 가질 수 있다. 이러한 대물렌즈는 굴절률 일치 물질인 기름(오일) 또는 물과 함께 사용하도록 특별히 설계되었으며, 대물렌즈의 전면 렌즈와 대상 사이의 간격을 채워야 한다. 유침 렌즈는 고배율에서 더 높은 분해능을 제공한다. 기름(오일) 침전을 통해 최대 1.6의 개구수를 얻을 수 있다.[2]2. 6. 경통 길이
역사적으로 현미경은 대부분 유한 기계식 경통 길이로 설계되었는데, 이는 대물렌즈에서 접안렌즈까지 현미경 내에서 빛이 이동하는 거리를 의미한다. 왕립 현미경 학회 표준은 160mm이며, 라이츠는 종종 170mm를 사용했다. 180mm 경통 길이의 대물렌즈도 상당히 흔하다. 서로 다른 경통 길이를 위해 설계된 대물렌즈와 현미경을 사용하면 구면 수차가 발생한다.[1]현대 현미경은 유한 경통 길이 대신 무한 보정을 사용하도록 설계되는 경우가 많다. 이는 대물렌즈에서 나오는 빛이 무한대에서 초점을 맞추는 현미경 기술이다.[1] 대물렌즈에는 무한대 기호(∞)로 표시된다.
JIS에서는 생물 현미경의 경통 길이를 160mm, 공업 현미경의 경통 길이를 210mm로 정했지만, 2009년에 제정된 JIS B 7132-1에서는 유한원 광학계의 기계적 경통장(대물렌즈 마운트(대부분 RMS 마운트) 부착 기준면에서 접안렌즈 마운트(C 마운트 등) 부착 기준면까지의 거리)을 160mm, 광학적 경통장(대물렌즈의 상 거리)을 150mm로 규정하고 있다.
같은 해에 제정된 JIS B 7132-2에서는 무한원 광학계가 규격화되었다. 유한원 광학계에서는 광학적 경통장이 같아도 초점까지 필터 등이 있으면 빛이 굴절되어 기계적 경통장이 늘어나거나 줄어든다. 따라서 광학적 경통장이 150mm이고 기계적 경통장이 160mm인 경우는 광로에 아무것도 없는 경우이며, 필터 등이 있으면 기계적 경통장 160mm에서는 상이 흐려지게 된다.
이에 비해 무한원 광학계는 대물렌즈에서 나온 빛이 상을 맺지 않는 평행광이기 때문에, 필터 등을 대물렌즈와 결상 렌즈 사이에 넣어도 상이 흐려지지 않아 확장성이 높다는 장점이 있다. 단, 피사체의 같은 각점에서 나온 빛끼리만 평행일 뿐, 다른 점에서 나온 빛은 확산되기 때문에 무한원 광학계라는 이름이지만, 대물렌즈에서 결상 렌즈까지의 거리는 결상 렌즈의 크기에 따라 실질적으로 제한된다.
2. 7. 커버 슬립 두께
생물학적 시료는 보통 유리 커버 슬립 아래에서 관찰되는데, 이는 이미지에 왜곡을 유발한다. 이러한 커버 슬립과 함께 사용하도록 설계된 대물렌즈는 이러한 왜곡을 보정하며, 일반적으로 대물렌즈 측면에 설계된 커버 슬립의 두께(일반적으로 0.17mm)가 표시되어 있다.반대로, 소위 "야금" 대물렌즈는 반사광을 위해 설계되었으며 유리 커버 슬립을 사용하지 않는다.
커버 슬라이드 사용 여부에 따라 설계된 대물렌즈의 구분은 높은 수치 구경(고배율) 렌즈에 중요하지만, 낮은 배율 대물렌즈에는 거의 차이가 없다.
2. 8. 렌즈 디자인
기본적인 유리 렌즈는 심각한 색수차를 유발하기 때문에, 대부분의 대물렌즈는 여러 색상이 동일한 지점에 초점을 맞출 수 있도록 보정되어 있다. 가장 쉬운 보정은 크라운 유리와 플린트 유리의 조합을 사용하는 아크로매트 렌즈로, 두 색상을 초점에 맞춘다. 아크로매트 대물렌즈는 일반적인 표준 설계이다.형석 렌즈는 형석을 사용하여 아크로매트 렌즈보다 색수차 보정을 더 개선한 렌즈이다. 수차를 더욱 줄이기 위해 아포크로매트 및 슈퍼 아크로매트 대물렌즈와 같은 더 복잡한 설계도 사용된다.
이러한 모든 유형의 대물렌즈는 어느 정도의 구면 수차를 나타낸다. 이미지 중심은 초점이 맞춰지지만 가장자리는 약간 흐릿하다. 이 수차가 보정되면 대물렌즈는 "평면" 대물렌즈라고 하며, 시야 전체에서 평평한 이미지를 갖는다.
현미경의 대물렌즈에는 다음과 같은 종류가 있다.
| 종류 | 설명 |
|---|---|
| 아크로매트 | 색수차 중 2색(보통 청색~적색)을 보정한 것이다. 많은 현미경에서 사용된다.[1] |
| 아포크로매트 | 3색으로 색수차 보정을 한 것이다. 자색~적색과 가시광선의 넓은 범위에서 상의 주변까지 거의 이상적인 광학계가 되도록 설계된 것이 많다. 연구용으로 사용되는 경우가 많다.[1] |
| 풀루오르(Fluor) | 형광 현미경에서 사용되며, 파장이 대략 340nm까지의 자외선 투과율을 확보하고 있다 (단, 각 회사마다 명칭과 내용이 다를 수 있으므로 주의해야 한다).[1] |
상면 만곡을 보정한 것은 렌즈 이름에 Plan(플랜)이 붙어 PlanApo, PlanFluor 등으로 표기된다. 상의 평탄성이 좋다. 개구수는 건조 대물렌즈에서는 1 미만이지만 유침 및 수침 대물렌즈에서는 1을 넘는 것이 있으며, 분해능과 집광력이 높다.[1]
2. 9. 마운팅 나사
현미경 대물렌즈를 부착하는 데 사용되는 전통적인 나사산은 1858년 왕립 현미경 학회에 의해 표준화되었다.[3] 이 나사산은 영국 표준 휘트워스 나사를 기반으로 하며, 직경 0.8인치, 인치당 36개의 나사산으로 구성된다. 이 "RMS 나사산" 또는 "학회 나사산"은 오늘날에도 여전히 널리 사용된다. 일부 대물렌즈 제조업체는 M26 × 0.75영어 및 M25 × 0.75영어와 같은 ISO 미터 나사산을 기반으로 한 설계를 사용하기도 한다.3. 망원경의 대물 렌즈
망원경에서 대물렌즈는 굴절 망원경(쌍안경 또는 조준경)의 앞쪽에 있는 렌즈이거나, 반사 망원경 또는 반사 굴절 망원경의 상을 형성하는 주 반사경이다. 망원경의 집광력과 각 분해능은 모두 대물렌즈 또는 거울의 직경(또는 "구경")과 직접적인 관련이 있다. 대물렌즈가 클수록 물체가 더 밝게 보이며 더 많은 세부 사항을 분해할 수 있다.
대물렌즈의 유효 구경은 분해능과 집광력을 좌우하는 중요한 요소이며, 대물렌즈의 초점 거리를 구경으로 나눈 값을 구경비(F값)라고 한다.
3. 1. 종류
기본적인 유리 렌즈는 일반적으로 심각하고 용납할 수 없는 색수차를 유발한다. 따라서 대부분의 대물렌즈는 여러 색상이 동일한 지점에 초점을 맞출 수 있도록 하는 일종의 보정을 갖추고 있다. 가장 쉬운 보정은 크라운 유리와 플린트 유리의 조합을 사용하는 아크로매트 렌즈이다. 아크로매트 대물렌즈는 전형적인 표준 설계이다.산화 유리 외에도 형석 렌즈는 특수 용도로 자주 사용된다. 이러한 형석 또는 반 아포크로매트 대물렌즈는 아크로매트 대물렌즈보다 색상 처리가 더 우수하다. 수차를 더욱 줄이기 위해 아포크로매트 및 슈퍼 아크로매트 대물렌즈와 같은 보다 복잡한 설계도 사용된다.
이러한 모든 유형의 대물렌즈는 어느 정도의 구면 수차를 나타낸다. 이미지의 중심은 초점이 맞춰지지만 가장자리는 약간 흐릿하다. 이 수차가 보정되면 대물렌즈는 "평면" 대물렌즈라고 하며 시야 전체에서 평평한 이미지를 갖는다.
망원경의 대물렌즈에도 색수차 보정 정도에 따라 아크로매트, 아포크로매트 등의 종류가 있다. 단순한 구성으로는 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 조합한 아크로매트 렌즈가 사용된다. 더 나아가 시야 주변까지 거의 이상적인 광학계가 되도록 전군 렌즈와 후군 렌즈를 사용하여 수차 보정된 대물렌즈도 있다. 이 방식에서는 초점 거리를 구경으로 나눈 비(F값)가 작아 밝은 광학계를 구성할 수 있다.
3. 2. 유효 구경
대물렌즈의 유효 구경은 망원경의 분해능과 집광력을 결정하는 중요한 요소이다. 대물렌즈의 초점 거리를 구경으로 나눈 값을 구경비(F값)라고 한다. F값은 상의 밝기를 결정한다. 다만, 육안으로 허공 상을 관측하는 경우에는 F값의 크기와 상의 밝기는 큰 관계가 없다. 일반적으로 F값이 큰 대물렌즈는 색수차 보정이 더 쉽다. 망원경의 배율은 대물렌즈의 초점 거리를 접안 렌즈의 초점 거리로 나누어 계산한다.3. 3. 구경비 (F값)
대물렌즈의 초점 거리를 구경으로 나눈 값을 구경비, 또는 F값이라고 하며, 이는 상의 밝기를 좌우한다.[1] 육안으로 허공 상을 관측할 경우에는 F값의 크기와 상의 밝기는 거의 관계가 없다.[1] 일반적으로 F값이 큰 대물렌즈가 수차 보정을 더 쉽게 수행할 수 있다.[1] 망원경의 배율은 대물렌즈의 초점 거리를 접안 렌즈의 초점 거리로 나눈 값이다.[1]3. 4. 배율
망원경의 배율은 대물렌즈의 초점 거리를 접안 렌즈의 초점 거리로 나눈 값으로 구할 수 있다.4. 사진 및 이미징
카메라 렌즈(일반적으로 "렌즈" 대신 "사진 렌즈"라고 함)[4]는 넓은 초점면을 커버해야 하므로 여러 개의 광학 렌즈 요소로 구성되어 광학 수차를 보정한다. 이미지 프로젝터(비디오, 영화, 슬라이드 프로젝터 등)는 카메라 렌즈의 기능을 반대로 사용하는 렌즈를 사용하며, 넓은 이미지 평면을 커버하고 이를 다른 표면에 투사하도록 설계된 렌즈를 사용한다.[5]
참조
[1]
서적
Photography with a Microscope
Cambridge University Press
[2]
웹사이트
Microscope objectives
http://www.olympusmi[...]
2008-10-29
[3]
논문
Objective Screw thread
https://www.biodiver[...]
2021-12-01
[4]
서적
The Focal Encyclopedia of photography
https://archive.org/[...]
[5]
서적
Light Fantastic: The Art and Design of Stage Lighting
Prestel
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