카테고리 보관물: Education

현미경을 위한 기초 광학교육 자료

Basics of Microscopy(P01)

옛날부터, 사람들은 맨눈으로 볼 수 있는 것보다 더 작을 것들을 볼 수 있기를 원했습니다.

16세기에 이르러 이러한 관심들은 단일 볼록 렌즈로 만들어진 확대경을 만들어냈고, 결국 현미경의 개발로 이어지게 되었습니다.

현미경의 역사에서 가장 유명한 선구자는 아마도 영국의 Digges와 네덜란드의 Zacharis Janssen 일 것입니다.

그러나, 실제 현미경을 만들고 사용한 최초의 인물은 Antony Van Leeuwenhoek이다. 레이우엔훅은 작은 유리 볼을 가공하여 270X배율을 가진 세계 최초의 현미경을 만들었습니다.

Leeuwenhoek의 현미경은 오직 하나의 렌즈를 가지고 있었기 때문에 지금은 단렌즈 현미경이라 불리웁니다. 이 현미경은 볼록 렌즈를 금속 홀더에 장착하였고, 나사선를 이용하여 초점을 맞추었습니다.

그는 역사적 발명 이후에도, 계속 현미경을 이용한 기초 연구에 헌신했습니다. 그는 박테리아를 포함하여 bellanimalcules (균의 일종), spermatozoa(정자)와 같은 미세한 것들의 발견을 하였으며, Leeuwenhoek(레이우엔훅)는 그의 인생 동안 약 400여개의 현미경을 만들어냈다고 합니다.

Leeuwenhoek이 발명한 현미경과 같은 단안렌즈 현미경의 확대율 계산은 단순 확대경의 확대율 계산법과 같은 방법으로 계산됩니다. 상기 이미지와 같이 250㎜는 렌즈의 초점 거리에 의해 나누어집니다. (여기서 250㎜는 사람의 눈에 가장 보기 편한 초점 거리로 상정하여 고안된 것입니다. 독서할 때 책과 눈 사이에 편안함을 주는 거리 개념입니다. – J & OPTIC )

단일 복록렌즈 현미경의 확대율을 증가시키기 위해서는, 렌즈의 초점 거리를 줄어야 합니다만, 초점 거리가 감소함에 따라 렌즈의 직경도 감소되어야 합니다. 더 큰 크게보기 위해서는 렌즈의 직경이 너무 작아지게되어 이를 통한 확대 관찰이 오히려 더 어려워 지게됩니다.

이 문제를 해결하기 위해서, 17세기에 복합현미경 시스템이 개발되었습니다. 이러한 방식의 현미경은 하나 이상의 렌즈를 조합하여, 하나의 렌즈에 의해 확대된 이미지를 또 다른 렌즈가 더욱 확대시키는 방식입니다.

오늘날 현미경이라 하면 보통 이러한 복합 현미경을 지칭합니다.

복합 현미경에서 표본에 접한 렌즈를 ‘Objective_대물렌즈’ ,
눈에 접한 렌즈를 ‘Eyepiece_접안렌즈’ 라고 부른다. (오늘날의 대물렌즈는 광학적 효율성을 위해서 결상기능을 제거했기 때문에, 반드시 결상기능을 갖는 렌즈가 추가로 설치되어 있어야만 합니다. 참고로 위의 이미지에 보이는 대물렌즈는 결상기능이 포함된 렌즈입니다. – J & OPTIC )

복합 현미경 발명 이후 그것은 과학 발전에 지대한 공헌을 하게 하였다. 복합 현미경을 이용하여, 17세기 영국의 Robert Hooke은 살아있는 것들은 세포로 구성 되어 있다는 것을 발견하였습니다.

이 이미지는 대체 속성이 비어있습니다. 그 파일 이름은 Basics-of-Microscopy_015.jpg입니다

의료계에서는 프랑스의 Louis Pasteur가 복합 현미경을 사용하여 효모균을 발견하였고, 독일의 세균학자 Karl J. Eberth는 Ebethella Typhosa(장티푸스로 의심되는 간균)를 발견하였습니다.

Robert Koch가 결핵과 콜레라균을 발견하는 데도 복합 현미경이 도움을 주었습니다.

이러한 현미경의 개발은, 19세기에 극적인 진전을 보였는데 현미경 제작에 큰 노력을 기울인 칼 자이스, 광학 원리에 대한 이론적 연구를 수행한 에른스트 아베, 광학 유리에 대한 연구를 수행한 오토 스코프트와 같은 위대한 연구자들의 공헌 덕분이었다고 할 수 있습니다.

현미경 교육 자료

현미경의 분류

용도에 의한 분류

  • 생물현미경
  • 금속현미경
  • 측정현미경
  • 실체현미경

형태에 의한 분류

  • 정립형 현미경
  • 도립형 현미경

기능에 의한 분류

  • 명시야 현미경
  • 암시야 현미경
  • 편광 현미경
  • 미분간섭 현미경
  • 위상차 현미경
  • 형광 현미경
  • 공초점 현미경

그외 현미경

  • 적외선 현미경
  • 자외선 현미경
  • X선 현미경
  • 전자현미경
  • 원자 현미경

purposse of this wepsite

현미경 교육 사이트 개설 취지

microscopy.co.kr/

이 사이트는 현미경에 대한 궁금증을 해결하는데 있어서, 도움이 되고자 하는 교육 목적으로 준비하고 있는 사이트입니다만, 현업에서의 경험을 포함하는 상업 사이트로서의 성격도 포함하고 있습니다.

Site 관리자 – 진재환 올림

E-mail : jhjin@jnoptic.com

The history of the microscope

현미경의 개발역사

광학 현미경과 그 외 현미경

단렌즈 현미경 – Single Lens Microscope

발명자 : 안톤 판 레이우엔훅 ( Anton van Leeuwenhoek : 1631 ~ 1723)
발명자 : 안톤 판 레이우엔훅 ( Anton van Leeuwenhoek : 1631 ~ 1723)

복식현미경 – Compound microscope

발명자: 로버트 후크 ( Robert Hooke : 1635 ~ 1703 )) 
AI 생성 이미지
발명자: 로버트 후크 ( Robert Hooke : 1635 ~ 1703 ))
본 이미지는 AI(인공지능)를 활용하여 생성되었습니다.

가시광선을 주로 사용하는 광학 현미경은 상기와 같이 단렌즈 현미경으로 시작하여 대물렌즈와 접안렌즈를 조합하여 사용하는 복합현미경의 모습으로 기본 구조를 갖추어 왔습니다. 또한 보다 높은 배율을 추구할 수록 흐려지는 이미지의 질을 높이기 위한, 수 많은 시도의 결과로 현재 우리는 양질의 이미지를 볼 수 있는 현미경을 사용할 수 있습니다.

또한 일반인이 흔히 알고 있는 광학현미경은 Bright Fileld 라고 불리는 관찰법으로써 설명 할 수 있습니다. 하지만, 이 관찰법만으로는 다양한 샘플을 보고자 하는 탐구자들의 욕구를 만족시키기 어렵기 때문에, 보다 다양한 관찰 방법이 개발되어 왔고, 향후에도 새로운 관찰법이 끊임없이 개발될 것으로 기대됩니다.

참고로, 오늘날의 대표적인 현미경 관찰법을 열거하자면 BF, DF, PO, Simple PO, DIC, PH, FLUORESCENCE 등을 들수 있습니다.

전자 현미경

SEM ; Scanning Eelectron Microscope

Educational_Scanning Eelectron Microscope(SEM) AI 생성 이미지
Scanning Eelectron Microscope(SEM) _ 교육용 이미지
본 이미지는 AI(인공지능)를 활용하여 생성되었습니다.

원자 현미경

AFM ; Atomic Force Microscope

원자 현미경은 원자를 관찰할 수 있다는 의미에서 이름이 붙여졌습니다. 원자 현미경의 원리는 원자 표면을 뾰족한 탐침으로 긁어서 원자를 지날 때 탐침이 움직이면 레이저가 그것을 포착하여 원자의 모습을 파악하게 되는 것입니다.

원자 현미경에는 주사 탐침 현미경(Scanning Probe Microscope; SPM)과 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope; AFM) 등이 있습니다. SPM은 시료와 탐침 양쪽에 전기를 걸어 양자역학적 터널링 현상으로 전류가 흐르는 특성을 이용한다. 전류를 일정하게 유지하고 탐침을 시료 위에서 움직이면 탐침의 움직임을 컴퓨터로 분석해 시료 표면의 원자 구조 이미지를 그려 내는 것이다. AFM은 시료가 전기를 통하지 않는 물질일 때 사용하는데, 시료와 탐침 원자 사이에 작용하는 힘을 이용하여 시료의 형상을 측정합니다. AFM은 SPM보다 표면을 그려 내는 최대 해상도는 부족하지만 시료를 거의 손상시키지 않는다는 장점이 있습니다.

Köhler illumination

쾰러 조명 장치

관찰하는 샘플의 전체 Field of View에서 밝고 균일 한 조명을 구현하기 위해서 사용되는 일반적인 조명 방법입니다. ( Köhler illumination )

조명 광원이 광학계의 내부에서 결상을 하게 되어 있습니다. 예전에 사용되었던 크리티컬 조명에서는 샘플의 상에 조명광원의 필라멘트 상이 겹쳐서 보이게 됩니다만, 쾰러 조명은 조명의 결상 위치를 무한보정 대물렌즈의 후초점면에 위치하도록 유도함으로서 샘플의 상에 광원의 상이 중복되는 문제점을 해결 하면서, 동시에 샘플 전체에 균일한 조명을 조사하는 것이 가능해 졌습니다.

현미경의 사용에 있어서 가장 중요한 포인트

현미경의 모든 관찰법은 상기와 같은 쾰러 조명을 기반으로 설계되어 있습니다. 따라서 쾰러 조명의 세팅 또는 설정이 틀어져 있는 상태에서의 현미경의 관찰은 그 설계 목적을 완전히 벗어나 있는 현미경 관찰을 하게 되는 것이며, 사용중이라고 생각하는 본래의 관찰법과는 상이한 알 수 없는 관찰법으로 샘플을 관찰 하는 비효율적인 경우가 빈번하게 발생되고 있습니다.

쾰러 조명에 대한 명칭을 생소하시게 느껴지신다면, 독자께서는 지금까지 현미경의 중요한 포인트를 제대로 알지 못하고 사용하시고 계셨을 가능성이 있습니다. 바이오 이미징을 하시는 관찰자께서는 사용하시는 현미경의 쾰러 조명 설정이 제대로 되어있는지 반드시 확인하실 필요가 있습니다.

다만, 반사용 현미경을 주로 사용하시는 산업계 현미경 사용자 분들은 이러한 쾰러 조명의 잘못된 설정으로 받는 영향이 상대적으로는 적습니다. 그 이유로는 반사관찰을 위주로 하는 현미경에서는 대물렌즈 자체가 콘덴서 역할을 하기 때문에 쾰러 조명을 설정하기 위해서 콘덴서 위치 교정이 따로 필요하기 않기 때문입니다.

반사형 조명을 사용하는 현미경에서는 샘플에 초점을 맞추면, 그 자체로 콘덴서의 높이 설정이 완료되고 ( X, Y, Z축 위치 설정 ), Field 조리개(diaphragm)와 Aperture 조리개(diaphragm)의 설정(XY축 교정)이 상대적으로 변경되기 어려운 구조를 가지고 있기 때문에 입니다.

광학 구조 설명

KÖHLER ILLUMINATION은 현미경 광 경로 상에 2개의 결상계가 서로 결상 되지 않는 영역을 상보적으로 사용하도록 설계되어 있다.

Köhler illumination for fluorescence microscope

1st. 샘플의 상이 형성되는 결상계

첫째로는 샘플의 상이 형성되는 이미징용 결상계

  • Conjugate Field Planes
  • 샘플의 상이 결상 되는 위치
    • 접안렌즈의 Intermediate Image
    • 접안렌즈로 관찰시 눈의 시신경
    • Field Stop Diagphragm

2nd. 조명 광원이 형성되는 결상계

두번째로는 조명 광원의 상이 형성되는 결상계

  • Conjugate Aperture Planes
  • 조명 광원이 결상 되는 위치
    • 콘덴서의 전초점면(Front Focal Plane) 또는 Aperture diaphragm
    • 대물렌즈의 후초점면(Rear Focal Plane),
    • 접안렌즈 다음의 홍재조리개 이다. 참고로 시신경에 상이 결상하는 것이 아니기 때문에 형상을 인지 할 수 없습니다.

Polarization

전용 편광 현미경

Polarization Microscopy

 

편광현미경의 역사 및 용도

19세기 중순 경 개발되어짐.
초기에는 암석과 광물의 연구에 주로 사용되어졌으나, 점차로 그 용도가 넓어져서 의약품, 공업제품 등 산업 전반에 걸쳐 이용분야가 확대되었음.

편광현미경의 사용 목적

샘플의 광학적 성질의 조사하여 구성하는 물질이 무엇으로 이루어졌는지 동정(同定) 하기 위해 사용 됨.

광학적 성질에 의한 샘플의 분류

광학적등방체 ( (Isotropic material )

: 샘플에 빛이 통과 할때 어떠한 방향으로 빛이 진행하더라도 모든 방향에 대하여 동일한 광학적 영향을 준다.(복굴절 하지 않는다.)

예: 유리 등

광학적이방체 ( Anisotropic material )

: 샘플에 빛이 통과 할때 빛이 진행하는 방향(각도)에 따라 다양한 복굴절을 한다.

일축성 결정_이방체 (uniaxial anisotropic body)
: 빛이 진행 할 때 복굴절하지 않는 광축을 하나만 가지고 있다.
예: 방해석, 석영 등

이축성 결정_이방체 (biaxial anisotropic body)
: 빛이 진행 할 때 복굴절하지 않는 광축을 두개 가지고 있다.
 예: 운모, 장석, 각섬석, 휘석, 감람석 등


전용 편광 현미경의 구성품 (일부)

Compensator에 대한 구성 및 설명은 포함되어 있지 않습니다.

투과형 간이편광현미경 반사형 형광현미경
투과형 편광 & 반사형 형광 현미경 (전용편광현미경의 사진이 아닙니다.)
이 장비는 투과형 편광현미경에 Tint plate가 추가된 현미경 입니다.
전용 편광현미경은 스테이지와 검광자의 회전각을 각각 읽을 수 있어야 합니다.

The First Order (Full wave) Retardation Plate

분류일반 명칭모델명
OLYMPUS JAPAN편광 전용현미경λ필터U-TP530

Optical path differences ranging from a fraction of a wavelength up to several wavelengths can be readily estimated using a first order (or full wave) retardation plate. This versatile tool is known by several names, including a red plate, red-I (red-one) plate, lambda (λ) plate, gypsum plate, selenite plate, sensitive violet, or simply a color tint plate, and adds a fixed optical path difference between 530 and 560 nanometers (depending upon the manufacturer) to every wavefront in the field. The first order retardation plate is a standard accessory that is frequently utilized to determine the optical sign (positive or negative) of a birefringent specimen in polarized light microscopy. In addition, the retardation plate is also useful for enhancing contrast in weakly birefringent specimens.

The elegantly simple anatomy of a first order retardation plate is presented in Figure 1 for a typical commercial unit. Retardation materials employed in construction of the plate vary according to the application, but usually consist of either an optical mineral thin section (such as gypsum/selenite, quartz, calcite, or mica) or a highly aligned birefringent linear organic polymer sandwiched between two isotropic optically flat glass plates. Regardless of the material used in producing retardation, the optical path difference (usually inscribed on the retardation plate frame) and optical axis orientation of the birefringent retarding material must be carefully controlled so that the plate can add a known retardation value to both the high and low refractive index azimuths. As illustrated in Figure 1, the birefringent retardation material is positioned in a rectangular frame that is inserted into the microscope optical pathway at a 45-degree angle with respect to the transmission orientations of the polarizer and analyzer. The direction of the slow (high refractive index) axis of the wavefront ellipsoid is indicated on the retardation plate frame as a double-headed arrow accompanied by the Greek symbol for “gamma” (γ). In most cases, the slow axis orientation is perpendicular to the long dimension of the retardation plate frame, although this fact should be verified before attempting to use the instrument. Modern first order retardation plates are built in a frame having standardized DIN dimensions (6 × 20 millimeters) that will enable their use in a variety of microscopes.

The first order retardation plate is designed to introduce a relative retardation of exactly one wavelength (in the green or 550 nanometer region) between the ordinary and extraordinary wavefronts passing through the plate when the birefringent retardation material is illuminated by linearly polarized light at a 45-degree incident angle to the index ellipsoid.

As a result, green wavelengths emerge from the retardation plate crystal still linearly polarized and having the same orientation as when they entered the retardation material (parallel to the polarizer). These wavelengths are perpendicular to the analyzer, thus are absorbed and do not pass through.

The orthogonal wavefronts of all other wavelengths will experience some degree of retardation (less than a full wavelength) and will emerge from the retardation plate having varying degrees of elliptical polarization. These wavefronts are therefore able to pass a component vector through the analyzer. Subtracting the green wavelengths (blocked by the analyzer) from white light yields bright magenta-red, which results from a combination of all visible light spectral colors when the green wavelength band is missing. The magenta color observed in the microscope when a first order retardation plate is inserted into the optical train is a direct result of the events described above and is the origin for much of the common nomenclature describing this important qualitative tool.

The behavior of a quartz first order retardation plate in polarized white light, symbolized by a combination of red, green, and blue wavefronts, is reviewed in Figure 2. Without a specimen in the optical pathway (Figure 2(a)), the retardation plate induces an elliptical polarization vector to the red and blue waves as they pass through, but the green light travels through the quartz crystal as a linearly polarized wavefront that is absorbed by the analyzer. As a result, only a component of the red and blue waves is able to pass through the analyzer to produce a spectrum of white light minus the green wavelengths, which is seen in the microscope as a bright magenta background.

When a birefringent specimen with a wavefront ellipsoid parallel to the retardation plate is inserted into the optical pathway (Figure 2(b)), the relative retardation of orthogonal wavefronts is increased across the viewfield so that the color (red) now exhibiting linear polarized behavior is shifted to longer wavelengths. The blue and green wavelengths are elliptically polarized and interfere at the intermediate image plane to form a hue similar to second order blue (an addition color). Rotating the specimen by 90 degrees alters the relationship between the wavefront ellipsoids (Figure 2(c)) so that they are now perpendicular. In this case, the relative retardation of the orthogonal wavefronts is decreased across the viewfield and the shorter (blue) wavelengths emerge as linearly polarized light (only to be absorbed by the analyzer). Elliptically polarized green and red wavelengths ultimately recombine to form a first order yellow (subtraction) interference color.

Inserting a first order retardation plate into the optical path of a polarized light microscope introduces a dramatic display of interference colors in thin, birefringent specimens that is not only aesthetically beautiful, but also highly useful as an indicator of several optical properties. Quantitative evaluations of relative retardation and determinations of the index ellipsoid orientation are readily achieved with a first order retardation plate. In geological and materials investigations, first order retardation plates are often employed to determine specimen thickness and to identify birefringent crystalline and polymeric materials. The tool is capable of measuring retardations with an accuracy of approximately 2 nanometers in specimens that have relatively low (one-third of a wavelength) optical path differences.

With simple uniaxial birefringent materials, the first order retardation plate can be employed to determine whether the extraordinary wavefront is slower or faster than the ordinary wavefront and thus determine the sign of birefringence. If the extraordinary wavefront is slower than the ordinary wavefront, the specimen displays positive birefringence. Conversely, a negative sign of birefringence is observed in specimens that have an ordinary wavefront that is slower than the extraordinary wavefront. First order retardation plates are ideal for use with specimens that have very low order (or only gray-level) interference colors when observed in the polarized light microscope. Before attempting an analysis of birefringence, specimens must first be oriented with the index ellipse in a diagonal position (45-degree angle) with respect to the microscope polarizer and analyzer. The two vibration (ordinary and extraordinary) azimuths will then run Northeast-Southwest and Northwest-Southeast, whereas the polarizer is oriented East-West and the analyzer North-South (as seen in the microscope viewfield).

After the specimen has been properly oriented, the colors appearing in the microscope eyepieces represent interference that is generated by the additive effects of the specimen and the first order retardation plate. If the specimen slow vibration axis is superimposed over the corresponding axis of the retardation plate, the additive retardation effects will result in higher order interference colors (termed theadditive position). However, if the fast axis of the specimen is parallel to the slow axis of the retardation plate, the relative retardation will be decreased and result in lower order interference colors (thesubtractive position). As an example, in a relatively thin, elongated birefringent crystal that displays only first order gray intensities under crossed polarized illumination, addition of a first order retardation plate to the optical train will result in quadrants that display blue and yellow interference colors, depending upon the orientation of the crystal. In positive crystals, yellow interference colors are observed when the crystal is oriented Southeast to Northwest, while blue colors result from rotating the crystal by 90 degrees (into a Northeast-Southwest direction). Likewise, negative crystals exhibit yellow colors when oriented Northeast-Southwest and blue colors when oriented Southeast-Northwest.

This effect is illustrated with a pair of synthetic acetate fibers in Figures 3(a) and 3(b). Without a first order retardation plate in the optical path, the fibers appear birefringent with a 140-nanometer first order gray intensity superimposed on a jet black background (not illustrated). When the long axis of the synthetic acetate is oriented Northwest-Southeast and a first order retardation plate inserted into the microscope tube, the fibers acquire a first order yellow hue on a magenta background (Figure 3(a)). Rotating the microscope stage by 90 degrees (Northeast-Southwest) alters the interference color to second order blue (Figure 3(b)). From these results, the optical sign of birefringence for the acetate fibers is judged to be positive.

The sign of birefringence can also be readily determined using a first order retardation plate coupled to observation of conoscopic interference patterns with a Bertrand lens (see Figures 3(c) and 3(d)). When a Bertrand lens is inserted into the optical train of a polarized light microscope (between the objective rear aperture and the observation tubes), the conoscopic image of a uniaxial quartz crystal appears as a series of concentric rings having increasing orders of interference fringes from the center to the periphery, which are superimposed on a darkened Maltese cross (Figure 3(c)). Inserting a first order retardation plate into the microscope nosepiece or intermediate tube divides the image into quadrants that display higher order interference colors (Figure 3(d)). If the first and third quadrants (see Figure 3(d)) of the conoscopic image produce additive interference colors (blue and higher), the crystal is positively birefringent. However, if the second and fourth quadrants add to higher interference colors, the crystal is negatively birefringent. The conoscopic image of quartz (Figure 3(d)) reveals that the optical sign of birefringence is positive in quartz having this crystalline lattice structure. Biaxial crystals can also be examined conoscopically to determine their sign of birefringence.

First order retardation plates are also efficient at increasing contrast in very weakly birefringent specimens that are difficult or impossible to detect using crossed polarized illumination alone. Many of the common birefringent biological assemblies examined in polarized light, such as cell walls, starch granules, lignin, microtubules, and actin filaments, fall into this category. An excellent example is provided by a thin section of human tongue, which displays several birefringent structures (Figures 3(e) and 3(f)) of varying intensity. In crossed polarized illumination (Figure 3(e)), weakly birefringent condensed formations at the edge of the tissue are difficult to image and striated muscle tissue supporting the structures is absent. In contrast, when a first order retardation plate is added to the optical train, the structure of all birefringent features becomes readily apparent (Figure 3(f)) and the higher order (blue and yellow) interference colors provide an indication of the optical sign.


The Quarter Wavelength Retardation Plate

분류일반 명칭모델명
OLYMPUS JAPAN편광 전용현미경1/4λ필터U-TP137

The quarter wavelength retardation plate is a common optical accessory for polarized light microscopy that operates by introducing a relative phase shift of 90 degrees between the orthogonal wavefronts (ordinary and extraordinary) passing through when the plate is illuminated with linearly polarized light. A phase shift of 90 degrees between the ordinary and extraordinary components converts the incident linear polarized light vibrations into either elliptical or circularly polarized light. Quarter wavelength retardation plates are useful for the qualitative analysis of conoscopic and orthoscopic images, and for the assessment of optical path differences in birefringent specimens.

The simple anatomy of a quarter wavelength retardation plate is presented in Figure 1 for a typical commercial unit. Retardation materials employed in construction of the plate vary according to the application, but usually consist of either an optical mineral thin section (such as quartz or mica) or a highly aligned birefringent linear organic polymer sandwiched between two isotropic optically flat glass plates. Regardless of the material used in producing retardation, the optical path difference (usually inscribed on the retardation plate frame) and optical axis orientation of the birefringent retarding material must be carefully controlled so that the plate can add a known retardation value to both the high and low refractive index azimuths of orthogonal wavefronts. As illustrated in Figure 1, the birefringent retardation material is positioned in the window of a rectangular frame that is inserted into the microscope optical pathway at a 45-degree angle with respect to the transmission orientations of the polarizer and analyzer. The direction of the slow (high refractive index) axis of the wavefront ellipsoid is indicated on the retardation plate frame as a double-headed arrow accompanied by the Greek symbol for “gamma” (γ). In most cases, the slow axis orientation is perpendicular to the long dimension of the retardation plate frame, although this fact should be verified before attempting to use the instrument. Modern quarter wavelength retardation plates are built in a frame having standardized DIN dimensions (6 × 20 millimeters) that will enable their use in a variety of microscopes.

The quarter wavelength retardation plate is designed to introduce a relative retardation of exactly one-quarter wavelength (in the green or 550 nanometer region), or 90 degrees, between the ordinary and extraordinary wavefronts passing through the plate when the birefringent retardation material is illuminated by linearly polarized light at a 45-degree incident angle to the index ellipsoid, as illustrated in Figure 2. The resulting phase shift converts the linear input wavefront to a circularly polarized output wavefront. This action occurs because the orthogonal ordinary and extraordinary components have equal amplitudes when linear light oriented at a 45-degree angle to the principal (the fast or slow) axes is incident on a quarter wavelength retardation plate. In a similar manner, the quarter wavelength plate will convert an incoming circularly polarized wavefront into a linearly polarized wavefront.

Commercial quarter wavelength retardation plates are specified by their linear retardation, which is 137 nanometers for the device illustrated in Figure 1 that is designed to operate in light having a principal wavelength of 548 nanometers (in the green region). In polarized light microscopy applications, the quarter wavelength plate is utilized in a similar manner to the full wave retardation plate in order to determine whether the combination of a weakly birefringent specimen and the plate (oriented at a 45-degree angle to the polarizer and analyzer) yield higher or lower order interference colors. However, the quarter wavelength plate has been largely supplanted by the full wave retardation plate due to the superior sensitivity of the latter in producing color changes that can be readily observed. In cases where birefringent specimens display higher order interference colors between crossed polarizers without a retardation plate, then the quarter wavelength plate can often be used to advantage over the full wave plate to determine optical path differences.

This concept is illustrated in Figures 3(a) and 3(b) for a polished thin section of tactic skarn, which contains inclusions that exhibit first and second order interference colors in polarized light without the presence of a retardation plate or compensator. When a first order retardation plate is employed to determine the optical sign of this birefringent ore, the interference colors are shifted up the Michel-Levy chart by a single wavelength and can lead to confusion during quantitative analysis. Conversely, using a quarter wavelength plate instead produces the customary first order yellow for the fast optical axis (Figure 3(a)) and second order blue hue for the slow axis (Figure 3(b)), allowing for easier identification of the optical properties.

The primary use for quarter wavelength retardation plates is to determine the optical sign of birefringence from interference figures observed in conoscopic mode with a Bertrand lens (Figures 3(c) and 3(d)). Insertion of a quarter wavelength retardation plate resolves the center of a uniaxial interference figure (Figure 3(c)) into two dark spots (Figure 3(d)). If the dark spots are positioned at right angles to the slow vibration axis of the compensator crystal (in quadrants two and four; Figure 3(d)), then the sign of birefringence for the crystal is positive. Conversely, if the dark spots are positioned parallel to the compensator crystal slow axis (in quadrants one and three; Figure 3(d)), the crystal has a negative sign of birefringence. Note that other rings in the interference pattern are translated either towards the center or the periphery of the pattern according to the optical sign. The interference pattern in Figure 3(c) was generated conoscopically using a polished thin section of the mineral lamproite, which exhibits negative birefringence. A similar technique can be employed to determine the optical sign of birefringence for biaxial crystals.

The extinction bands in polarized light images can be eliminated for image analysis purposes by inserting crossed quarter wavelength retardation plates into the microscope optical path with the specimen sandwiched between the two plates. In effect, the retardation introduced by the first quarter wavelength plate is precisely cancelled by the second, so that light reaching the analyzer contains only the retardation introduced by the specimen itself. In practice, one of the retardation plates is inserted into the nosepiece or intermediate tube slot with the slow vibration axis oriented Northeast-Southwest (by convention in modern microscopes). The second plate must be placed between the polarizer and the specimen (usually in or very near the condenser) with the slow axis oriented Northwest-Southeast. The two plates should be fabricated from the same material in order to completely eliminate extinction bands. If the two plates are accurately aligned, a minimum change of polarization colors will be observed in birefringent specimens as they are rotated through 360 degrees with the microscope circular stage. Images of purified riboflavin (Vitamin B2) crystallites in polarized light (Figure 3(e)) alone, and with quarter wavelength retardation plates inserted beneath the stage and above the objective rear aperture are illustrated in Figures 3(e) and 3(f), respectively. Note that the extinction regions of the spherulitic crystallite present in Figure 3(e) have been eliminated by the application of two quarter wavelength plates (Figure 3(f)), which more clearly defines the texture.

In summary, the quarter wavelength retardation plate is capable of detecting optical path differences of (plus or minus) one-half wavelength by rotating the stage through 90 degrees. In this regard, the plate has a sensitivity range lying between the Bräce-Köhler and quartz wedge compensators and overlaps with the de Sénarmont compensator. Unlike many of the adjustable compensators, the quarter wavelength retardation plate can be effectively used in white light, but the most accurate results are obtained when the plate is coupled to the wavelength for which the crystal was prepared (for example, 548 nanometer green light for a 137 nanometer plate). The retardation plate can also be used to produce circularly polarized light by inserting it into the optical path above the polarizer.

Phase-contrast

위상차 현미경 관찰법

Phase contrast Microscopy

  • 위상차 관찰법 발명자 정보

– Frits Frederik Zernike(네덜란드 과학자)
– 위상차 현미경 발명으로 노벨물리학상(1953)을 수상.

  •  발명 배경

  생물현미경에서 사용하는 대부분의 샘플은 무색투명한 특성을 가지고 있기때문에,  배율확대 만을 목적으로 하는 일반 현미경의 관찰법(Bright Field)에서는 투명하고 윤곽이 흐릿하게 보여서 관찰에 어려움이 있습니다.

  이 문제를 해결하기 위하여 샘플을 염색하는 방법을 사용하고 있습니다만,  이 방법으로는 염색도주에 살아있는 샘플이 죽어버리기 때문에 살아있는 채로 샘플의 관찰은 할 수 없습니다.

  • 위상차 현미경의 (개요)

위상차 관찰법(Phase-Contrast)은 샘플을 통과하는 직진광(하단 좌측 이미지)과 이 직진광이 샘플에 통과하면서 발생하는 회절광(하단 우측 이미지) 사이의 위상차 현상을 이용하여 살아있는 세포의 구조와 미생물의 상태변화를 볼게 있게 해주는 관찰법입니다.

  • 위상차 현미경의 원리 설명

  샘플의 한 포인트(샘플 평면 중의 한 점)를 통과하는 빛은 두 개의 광학 경로를 가지도록 설계 되어 있으며, 이 두개의 경로를 통과한 빛은 한점에 다시 모여 확대된 상을 만들게 되지만, 다른 경로를 지나왔기 때문에 발생하는 위상차에 의해서 보강 또는 소멸 간섭을 하게 됩니다.

  하단의 좌측이미지는 두개의 광학경로 중에 직진광의 경로이며, 하단의 우측이미지는 직진광이 샘플에 닿을때 발생하는 회절광의 경로입니다. 참고로 직진광이 샘플이 없는 포인트를 지나가게 될때는 산란이 생기지않아 회절광은 발생하지 않습니다.

  회절광은 직진광의 위상에 비교하여 대략 1/4λ 지연되어 결상하고, 직진광은 위상판에 의하여 1/4λ 또는 3/4λ지연되어 결상하게 됩니다.

  직진광이 위상판에 의하여 1/4λ 지연되어 회절광과 동일한 위상을 갖게 되면 직진광과 회절광의 위상이 서로 보강간섭을 하여 진폭이 커지게 되면 배경에서는 직진광의 영향만 받기 때문에 샘플이 배경 보다 밝게 보이게 됩니다. (Negative contrast)

  반대로  직진광이 위상판에 의하여 위상이 3/4λ 지연되면 직진광과 회절광은 소멸 간섭을 하게 됩니다만, 다만, 배경(세포가 없는 부분)은 회절광이 발생하지 않기 때문에 직진광에 소멸간섭 현상이 그대로 진행하기 때문에 배경이 더 밝게 보이게 됩니다. (Positive contrast)

위상차관찰 전용 현미경 – CKX53

세포배양을 목적으로 하는 소형 위상차 현미경

DIC microscopy (검경법)

미분 간섭 관찰 관찰법 ( DIC )

Differential Interference Contrast Microscopy(DIC)

별칭 : Normaski Interference Contrast Microscopy ( NIC )

  • 미분간섭관찰법 발명자

Georges (Jerzy) Nomarski (January 6, 1919 – 1997)

프랑스 귀화 물리학자 (폴란드 태생)

  • 발명 배경

이 관찰법은 샘플이 두꺼운 경우에 후광에 의한 광학 노이즈가 발현되는 위상차 현미경과 다르게 후광 효과가 발현되지 않으며, 샘플에 입체감을 부여하여 투명한 샘플에 대하여 보다 세밀한 관찰을 가능하게 합니다.

이 관찰법은 살아있는 생물학적 시료 및 염색을 하지 않은 조직의 관찰에 폭넓게 사용되고 있습니다.

  • DIC Microscopy 원리 설명

본 관찰법은 편광필터 2개(편광자, 검광자)와 DIC 프리즘 2개의 추가 유닛으로 구성되어 진다.

가장 바깥쪽에 위치하는 편광 필터 2개(편광자,검광자)는 Cross Nichole 상태로 설치 되어 있어야 하며, 이는 두개의 유닛 사이에 광학적 특성의 변화가 있는 빛만을 통과시키겠다는 목적으로 이해하면 된다.

 편광자를 통과한 빛이 처음 프리즘에 통과하면 빛은 2개의 경로를 가지게 된다. 이 두 빛은 광학진동 방향이 직교하며, 매우 미소한 거리 차를 가지고 진행한다.

샘플을 통과하고 다음 프리즘을 통과하면서 빛은 다시 동일한 경로를 갖는 빛으로 합성되며, 이때 다른 경로를 통과하였기 때문에 동일한 위상을 갖지 못하는 경우가 발생한다.

  동일한 위상일 경우에는 보강간섭 그렇지 않는 경우에는 소멸간섭이 발생한다.

DIC Microscopy 용어 설명(보강)

  • Phase Shift 
    1. 조정 방법: 1/4람다 필터 또는 DIC 프리즘에 있는 회전 레버을 이용하여 조정한다.
    2. 발생 효과: 보여 지는 샘플의 음영을 바꿀수 있다.
  • 쾰러 조명
    1. 최근에 사용되는 대부분의 관찰법은 쾰러 조명 세팅을 기본으로 하고 있음.
    2. 쾰러 조명을 기반으로 다양한 관찰법이 설계되어 있음.
Bright Field Microscopy와 DIC Microscopy의 이미지 비교

Simple Polarization

간이 편광(Simple Po)

Simple Polarization  

Simple Polarization (원리 설명)

본 관찰법은 편광필터 2개(편광자, 검광자)로 이루어진다.

Simple-Polarization_Cross-Nicols
직교니콜에서는 편광판과 검광판의 편광 방향이 수직으로 교차하여 빛이 차단되고, 평행 니콜에서는 두 편광 방향이 평행하여 빛이 통과한다.

상기 이미지와 같이 편광자와 검광자가 90도 각도로 설치 되어 있는 상태를 흔히 직교니콜(Cross Nicol)이라고 불리며, 현미경에서의 주요 사용 목적은 광학적 특성의 변화가 있는 빛만을 통과시키고자 할 때 자주 사용된다.

일반적으로 빛은 모든 방향으로 진동하는 특성을 가지고 있으나, 세로 방향 편광자(좌측필터)를 통한 빛은 세로로 진동하는 빛만이 통과하게 되고, 가로 방향 검광자(우측필터)는 세로로 진동하는 빛을 차단하는 역할을 하기 때문에 실제로 우측으로 투과되는 빛은 없다. (실제로는 Cross Nicol 상태에서도 미약한 광은 투과되지만, 매우 약하기 때문에 없다고 표현하고 있습니다.)

등방체 재질의 샘플의 경우 편광자와 검광자 사이에서 광학적 특성에 변화를 줄 수 없기 때문에 Cross Nicol 관찰에서 어두운 이미지가 얻어진다.

참고로 등방체가 아닌 물질인 플라스틱 등은 편광자를 통과하여 얻은 편광된 빛에 큰 영향을 주기 때문에 이를 염두에 두고 사용하여야 한다.

예를들어 미분간섭 관찰(DIC)은 Cross Nicol 된 상태를 기반으로 설계된 관찰법입니다만, 등방체가 아닌 플라스틱과 같은 재질이  광학 경로상에 있으면 편광에 큰 변화를 주어 DIC 광학 설계를 무의미하게 만들어 버립니다.

JNO-TPL ( 투과 현미경용 편광자 )
JNO-TPL
투과 현미경용 편광자
Polarizer for Transmitted Microscopy