미시세계 관찰에 현대 현미경 개념 적용
고대로부터 현재에 이르기까지 인류는 높고 먼 진리를 추구해 왔습니다. 해양 항해에서 우주 탐사에 이르기까지 사람들은 하나 둘씩 원대한 목표를 달성해 왔습니다. 그러나 사람이 육안으로 보는 거시적 세계는 전체 세계가 아니며 인간의 눈으로는 명확하게 볼 수 없다. 또한 수많은 사람들이 탐험하고 추구하도록 끌어들입니다.
거시적이든 미시적이든 우리의 관찰은 3차원 공간의 속성, 즉 XYZ 3차원을 기반으로 하며, 사물의 형태 변화를 관찰하려면 또 다른 측정 요소인 시간 T를 도입해야 하므로 사물을 관찰하는 가장 완벽한 방법은 XYZT의 동시 기록, 즉 모양과 시간을 장기간 촬영하는 것 또한 현미경의 궁극적인 기능입니다.
300년 이상의 발전 끝에 현대 현미경은 해상도, 피사계심도, 시야각 등의 개념을 제시하고 지속적으로 해결책을 제시해왔다. 현미경은 처음에 미시적 세계를 관찰하기 위한 우리의 요구를 충족시켰고 미시적 세계의 시공간을 기록하는 데 도움을 주었습니다.
미시적 세계 관찰에서 가장 중요한 것은 디테일의 해상도이며, 여기서 해상도의 개념이 탄생했습니다. 해상도는 인간의 눈으로 구별할 수 있는 두 점 사이의 최소 거리를 말하며 XY 차원에서만 유효합니다. Rayleigh 기준, Rayleigh 기준에 따르면 정상인이 구분할 수 있는 한계는 25cm 거리에서 0.2mm의 두 지점입니다. 현미경을 사용하면 더 짧은 거리에서 두 지점을 볼 수 있어 관찰의 해상도가 향상됩니다. 현대 연구의 지속적인 심화로 해상도에 대한 사람들의 요구 사항도 지속적으로 증가하고 있으며 과학자들도 현미경의 해상도를 지속적으로 개선하고 있습니다. 예를 들어 전자현미경은 해상도를 나노미터 수준으로 높여 바이러스를 관찰할 수 있게 했다. 초고현미경 이미징 기술은 현미경의 해상도를 200나노미터에서 수십 나노미터로 향상시켜 살아있는 세포 소기관의 관찰을 실현합니다.
해상도의 향상은 시야각과 피사계 심도의 감소라는 새로운 문제도 가져옵니다. 일반 중앙조명법(시편에 빛이 고르게 투과되도록 하는 포토픽 조명법)을 사용할 때 현미경의 해상도 거리는 d=0.61 λ/NA, 가시광선의 파장 범위는 { {2}}nm, 평균 파장은 550nm이고 파장은 고정 상수입니다. 따라서 NA 값을 높이면 더 작은 D 값, 즉 구별할 수 있는 두 점 사이의 거리를 더 작게 얻을 수 있으므로 사람들이 더 작은 물체를 명확하게 볼 수 있습니다.
NA 값은 렌즈 수광 원뿔 각도의 크기를 설명하는 개구수 NA=n * sin , 즉 렌즈와 렌즈 사이의 매질의 굴절률(n)의 곱입니다. 검사할 물체와 조리개 각도 절반의 사인(2 ). n은 대물 렌즈와 샘플 사이의 매질의 광 굴절률입니다. 현미경 물체 공간 매질이 공기일 때 굴절률 n=1. 공기보다 굴절률이 높은 매질을 사용하면 NA 값이 크게 증가할 수 있습니다. 수침 매체는 증류수이며 굴절률 비율은 1.33입니다. 오일 침지 대물 매체는 삼나무 오일 또는 기타 투명 오일이며 굴절률은 일반적으로 렌즈 및 슬라이드 유리의 굴절률에 가까운 약 1.52입니다. 따라서 오일렌즈의 NA값이 에어렌즈의 NA값보다 높다.
"거울 입각"이라고도 하는 조리개 각도는 렌즈 광축의 물체 지점과 대물 렌즈 전면 렌즈의 유효 직경이 이루는 각도입니다. 미러 입각을 높이면 사인 값이 증가할 수 있으며 실제 상한은 약 72도(사인 값은 0.95)에 삼나무 오일의 굴절률 1.52를 곱하면 다음과 같이 구할 수 있습니다. 최대 NA 값은 약 1.45이며 해상도 계산식에 대입하면 기존 현미경의 한계 XY 평면 해상도는 약 0.2um임을 알 수 있습니다.
NA 값은 또한 현미경 시야(B)의 밝기에 직접적인 영향을 미칩니다. 공식 B∝NA2/M2로부터 개구수(NA)가 증가하거나 대물렌즈 배율(M)이 감소함에 따라 밝기가 증가한다는 것을 추론할 수 있습니다.
이론적으로 우리는 더 나은 XY 평면 해상도와 시야 밝기를 얻기 위해 가능한 가장 높은 NA 값을 추구해야 합니다. 그러나 모든 것에는 양면이 있습니다. XY 평면 해상도의 향상은 Z축 피사계 심도와 관찰 시야를 감소시킵니다.
현미경은 일반적으로 보기를 수직으로 아래로 봅니다. 시야의 직경 내에서 관찰되는 물체 표면의 볼록한 위치와 오목한 위치가 명확하게 보일 때 볼록한 점과 오목한 점 사이의 높이 차이가 피사계 심도입니다. 음, 현미경의 경우 피사계 심도가 클수록 좋습니다. 피사계 심도가 클수록 고르지 않은 물체의 표면을 관찰할 때 보다 선명하고 입체적인 이미지를 얻을 수 있습니다. 큰 피사계 심도는 미시적 세계를 수직 방향으로 관찰하는 데 도움이 됩니다. 즉, XYZ 3차원 형태의 Z축 정보이다.
피사계 심도는 이미지 평면에서 선명한 이미지에 해당하는 앞뒤 공간의 깊이입니다. dtot=(λ*n)/NA plus n/(M∗NA) * e, dtot: 피사계 심도 , NA: 개구수, M: 전체 배율, λ: 빛의 파장, (일반적으로 λ=0.55um), n: 샘플과 대물렌즈 사이의 매질의 굴절률(공기: n{{3 }}, oil: n=1.52) 이 공식에 따르면 Z축 피사계 심도는 XY 평면 NA 값에 반비례함을 알 수 있습니다.
피사계 심도 외에 시야도 NA 값의 영향을 받습니다. 장비가 한 지점을 고정적으로 바라보고 있을 때 볼 수 있는 공간 범위가 시야각입니다. 그 계산은 대물 렌즈의 배율과 직접적인 관련이 있습니다. 관찰에 의해 보이는 시야의 실제 직경은 시야의 직경과 같습니다. 대물 렌즈의 배율로 나눈 접안 렌즈는 10/18과 같은 해당 시야를 나타냅니다. 즉, 배율은 10배이며 시야의 직경은 18mm입니다. 따라서 접안렌즈를 결정할 때 배율이 클수록 관측 시야는 작아집니다.
XY 평면 해상도는 로컬 세부 사항의 분석이며 시야는 샘플의 관찰 범위를 결정합니다. 시야가 클수록 좋지만 현재 기술로는 고배율 대물 렌즈를 사용해야 좋은 NA 값을 얻을 수 있으므로 시야와 NA 값은 간접적으로 음의 상관 관계가 있습니다.
