광학현미경 기본이론 텍스트북

편집 및 작성 : 진재환 (jhjin@jnoptic.com)

– 기본 교육 자료 –

( 수정한 날짜 : 2026-09-10 )

Chapter.01 _ 현미경의 역사

단일 볼록렌즈의 확대경은 16세기 즈음에 만들어 졌으나, 실제로 이 현미경을 만들고 사용한 최초의 인물은 17세기의 안토니 판 레이우엔훅 (Antony Van Leeuwenhoek)이 대표적입니다. 레이우에훅은 하기의 이미지와 같이 작은 유리 볼을 가공하여 270배율을 가진 세계 최초의 현미경을 만들었다고 할 수 있습니다.

복합현미경(Compound Microscope)은 렌즈에 의해 확대된 이미지를 또 다른 렌즈가 더욱 확대시키는 방식으로 17세기에 개발되었고, 오늘날의 현미경은 이 복합현미경에 해당됩니다.

Chapter.02 _ 현미경의 종류

현미경은 다양한 목적으로 개발되었고, 크게 바이오와 산업 시장에 맞추어 설계되고, 판매 되고 있습니다.

상기 이미지는 현재 시판되고 있는 바이오 시장에 특화된 모델이며, 투과 관찰을 기본으로 다양한 모델이 있습니다.

금속 및 산업현미경시장에서는 반사 관찰을 기본으로 한 일반 현미경을 위주로, 정밀 측정을 위한 측정 현미경(또는 공구현미경) 등이 정밀 품질 관리를 위하여 사용되어 지고 있습니다.

실체 현미경(Stereo Microscope)은 미세한 물체의 입체적인 관찰을 가능하게 하며 반도체 산업, 정밀공학, 생명공학 등의 분야에서 널리 사용되고 있는 저배율 현미경 입니다. ( 오른쪽 접안과 왼쪽 접안의 상은 서로 다른 각도로 샘플을 바라보기 때문에 입체감을 느끼게 만들어 줍니다. )

참고로, 아이들에 현미경을 사줄 생각이 있으시다면, 유명 메이커의 실체현미경을 권하고 싶습니다. 저배율이긴 하지만, 다양한 샘플을 높은 품질로 확대하여 관찰할 수 있기 때문입니다. ( 단, 카메라를 설치하게 되면 꽤 가격이 올라가게 되니 참고하시기 바랍니다. )

Chapter.03 _ 현미경의 광학원리

모든 볼록렌즈는 양쪽면에 하나씩 2개의 초점을 가지고 있습니다. 만약 물체가 전측초점인 (F)로부터 먼 곳에 위치해 있다면 렌즈의 반대편에 역상이 맺히게 됩니다. 이 역상을 실상(real image)라 부릅니다. 만약 물체가 전측초점과 렌즈 사이의 위치하면 이미지는 렌즈의 반대쪽에 초점이 잡히지 않고 같은 쪽에 결상하는 것처럼 보이게 됩니다. 이때 반대쪽에서 보면, 샘플이 확대되어 보이는데 이것을 허상(virtual image)이라 합니다. ( 실상은 실제로 막을 두면 상이 맺치지만, 허상은 상이 맺치지 않습니다. 다만 눈에서 확대된 허상이 보이게 것입니다.)

현미경의 총 확대율 M은 M=ℓ/fob×250/foc라는 공식으로 알 수 있습니다. (참고로 여기서 250은 250㎜를 의미하며, 접안렌즈로 보았을때 샘플의 확대상이 250㎜ 거리에 있는것처럼 결상하도록 의도한 거리라고 할 수 있습니다. 250㎜가 눈이 편한 거리이기 때문에 맞추어 설계한 것입니다.)

Chapter.04 _경통거리, 동초점 외

이 그림에서 보는 바와 같이 ,초기의 복합현미경에서 볼 수 있는 기계적 경통 거리(Mechanical Tube Length)는 대물렌즈의 나사선이 시작되는 부분부터 접안렌즈를 하우징하는 슬리브 상단까지의 거리입니다. 이 거리는 고정되어 있기 때문에 현미경 설계에 많은 제약을 생기게 합니다.
다만, 오늘날의 현미경은 무한 보정 특성의 대물렌즈를 사용하기 때문에 이와 같은 고정된 경통거리의 제약에서 자유롭다고 할 수 있습니다.

현미경 사용시 흔히 접하는 중요한 성능으로 작동거리(WD: working distance)가 있습니다. 이것은 샘플에 포커스를 맞추었을때, 대물렌즈 끝단과 커버글라스(덮개유리)의 윗부분 까지의 거리를 말합니다. 일반적으로 저배율 대물렌즈가 고배율 대물렌즈 보다 긴 작동거리(working distance)를 가지게 됩니다.

Chapter.05_ N.A. , 분해능 , 초점심도

이론상으로 확대율은 거의 무한하게 증가될 수 있지만, 확대했을 때 이미지가 선명하지 않으면 의미가 없다고 할 수 있습니다. 이미지의 선명함은 대물렌즈의 분해능에 의해 결정되고, 대물렌즈의 개구수(N.A)에 의해 결정됩니다.

개구수(N.A)는 실제로 대물렌즈의 밝기와 분해능에 영향을 줍니다. 개구수는 샘플과 대물렌즈 사이에 있는 매질의 굴절계수를 나타내는 상수값 n과 각도 α (대물렌즈의 광학축을 기준으로 기울어진 광원의 입사 각도)의 sine값에 의해 결정됩니다. Dry 타입은 매개물질이 공기이므로 굴절율 1이고, 오일타입의 대물렌즈는 대개 굴절율 1.515와 같은 값을 갖게 됩니다.

이런 까닭에 개구수(N.A)는 대물렌즈의 분해능에 큰 영향을 미칩니다. 분해능은 두개의 점을 두개의 점으로 인식할 수 있는 최단 거리입니다.

큰 초점 심도는 두꺼운 표본의 관찰을 용이하게 합니다. 그러나 초점심도는 대물렌즈의 배율과 개구수에 반비례합니다. 배율과 분해능이 커질수록 심도는 얇아지게 됩니다.

Chapter.06 _대물렌즈 (Objectives)

대물렌즈는 색수차 보정 정도에 따라 Achromat, Apochromat 이 두가지 타입으로 구분될 수 있다. achromat 대물렌즈는 붉은색과 파란색의 왜곡을 보정하는 기본 타입의 렌즈이다. 이 렌즈는 상대적으로 저렴하므로 교육용과 검사용 목적으로 널리 사용됩니다. 반면에 Apochromatic 대물렌즈는 붉은색과 파란색 뿐 아니라 blue-violet색의 보정도 함께 제공합기 때문에 고 품질의 이미지가 필요한 연구에 이상적이라 할 수 있습니다.

상기 이미지 중 왼쪽은 Plan achromat 대물렌즈, 오른쪽은 achromat 대물렌즈에 의해 관찰된 이미지입니다. Plan은 중심에서 외곽까지 선명한 초점을 유지 할 수 있는 렌즈의 성능을 표시합니다.

대물렌즈 는 표면에 표본의 조건을 명확하게 표시하고 있습니다.
상기 이미지 중 우측 렌즈의 0.17 표시는 0.17㎜의 cover glass로 덮혀 있는 표본의 관찰에 사용된다 뜻이고,
중간 렌즈의 ‘0’ 은 커버글래스가 반드시 없어야 한다는 뜻입니다.
왼쪽 렌즈의 ‘-‘는 작은 N.A값을 갖는 저배율 대물렌즈에서 주로 볼 수 있으며, Cover glass가 있든 없든 큰 영향을 받지 않는다는 의미입니다.

Chapter.07 _ 접안렌즈 (Eyepieces)

㎜단위로 표현되는 접안렌즈 조리개의 직경을 시야수(Field Number-
F.N.)라 부르며, OLYMPUS 모델에서는 ‘W’는 wide field를 가리키며, SW는 26.5의 F.N값을 가진 super widefield 접안렌즈를 뜻합니다.

필요한 레티클을 삽입할 수 있도록 설계되어 있는 것도 있습니다.

Chapter.08 _ 현미경의 조명시스템

현미경의 조명방식으로는 Critical 조명(구형장비)과 Köhler(쾰러) 조명방식이라고 하는 두 가지 기본적인 조명방식이 있습니다.

Köhler 조명방식은 조명을 위한 결상계와 샘플을 위한 결상계를 분리하여 Critical 조명방식에서 발생하는 불균등한 조명 문제를 해결 할 수 있습니다.

Aperture iris diaphragm(AS:조리개)이 줄이게 되면 1. 명암대비는 올라가고, 2. Focal Depth는 깊어지고, 3. 상(이미지)은 어두워지게 되고, 4. 분해능은 떨어집니다.

낮은 명암의 샘플 또는 염색되지 않은 표본의 경우에는 AS(조리개)을 줄여서 명암을 향상시킬 수 있습니다.

이러한 조리개의 역할은 쾰러 조명 세팅이 선행되어야 역할을 할 수 있습니다.
투과관찰(주로 바이오 현미경)의 교육시에 가장 중요한 항목을 꼽는다면 이 쾰러 조명 세팅입니다. 대부분의 관찰법들이 이 조명계를 기반으로 설계되어 있기 때문에, 이 세팅 제대로 이루어지지 않은 장비의 관찰(검경)법들은 설계된 역할을 할 수 없게 됩니다.

Chapter.09 _ 현미경의 구성

현미경의 응용 범위가 넓어짐에 따라 각각의 주요 유닛들은 교체 가능한 모듈로써 설계되어 있다. (모듈화)

Chapter.10 _ 현미경의 관찰법

광학 현미경의 관찰법 ( MICROSCOPY )

검경법	검경법 설명
명시야 관찰 Bright Field	기본관찰법으로, 투과형 현미경에서는 쾰러조명 설정을 숙지하는 것이 가장 중요합니다.
암시야 관찰 Dark Field	직접광을 샘플에 조사한 후에 발생한 산란광 만을 이용하는 검경법
간이편광 관찰 Simple Polarization	편광필터 2개(편광자, 검광자)를 이용한 검경법
전용편광 관찰 Polarization	광학적이방체의 편광 특성을 검출하여, 암석과 광물의 연구에 주로 사용되는 검경법
위상차 관찰 Phase-contrast	샘플을 염색하지 않고, 투명한 샘플의 구조와 상태 변화를 관찰하기 위한 검경법
미분간섭 관찰 DIC	두꺼운 샘플에서 후광 효과를 배제하여, 투명한 샘플을 보다 세밀히 관찰하기 위한 검경법
호프만 모듈레이션 Hoffman Modulation Contrast	DIC와 같이 입체감이 있는 관찰이 가능하다. 특징으로는 플라스틱 샤레 등의 편광성이 있는 용기에서 사용가능한 검경
형광 관찰 Fluorescence microscopy	물체에 강한 빛을 조사할 때 발현되는 형광을 이용하여 물체의 구조를 관찰하는 검경법

이미지로 보는 광학현미경의 관찰법(검경법)

금속 및 산업현미경
Reflected Illumination Microscopey

생물현미경
Transmitted Illumination Microscopy

형광현미경
Fluorescence Microscopy

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