개구수(Numerical Aperture)
- 대물렌즈의 밝기와 분해능에 영향을 주고, 카메라 렌즈의 조리게 값과 부합된다.
- 표본과 대물렌즈 사이 물질의 반사지수를 나타내는 상수값 n과 그 각도의 sin값에 의해 결정된다.
- NA는 렌즈가 얼마의 빛을 수용할 수 있는가를 나타내는 척도이다.
- 관련 공식을 보면 sin 값이 클수록 NA 값은 커지며, a가 짧아질 수록 sin 값이 상승한다. 따라서 NA 값은 매질의 굴절률 n과 sin 값에 비례하는 것을 알 수 있다.
분해능(Resolution)
- Airy Disk : 일정 크기의 조리개 하에서 피사체 점은 회절현상에 의하여 원반상으로 나타난다.
- 두 점이 근접해 있을 때 Airy Disk는 겹치게 되고, 두 점이 R 이하의 거리로 근접해 있으면 두 점으로 보이지 않고 한 점으로 보이게 된다. 이때의 R 분해능 또는 분해능 한계(resolution limit)라 한다.
- 파장의 변화가 없는 상태에서 NA 값을 올리면 보다 작은 R 값을 얻을 수 있다. 광학 현미경의 최소 분해거리는 대략 0.2마이크론이다.
- NA 값의 증가는 한계가 있으므로 빛보다 짧은 파장의 전자빔을 이용해서 R값을 보다 감소시킬 수 있다. 이 이론이 광학현미경보다 1000배 이상의 분해능을 가진 전자현미경의 원리이다.
초점심도(Depth of Focus)
- 초점으로 잡을 수 있는 허용 범위. 보다 큰 심도는 두꺼운 표본의 관찰을 용이하게 한다.
- 심도는 대물렌즈의 배율과 NA값에 반비례한다. 이것은 분해능이 클수록 초점심도는 얇아진다는 것을 의미한다.
- SEM의 초점심도가 크기 때문에 3차원적인 영상의 관찰이 용이해서 곡면 혹은 울퉁불퉁한 표면의 영상을 육안으로 관찰하는 것처럼 보여준다
- 초점에서 D/2거리에서 빔의 지름은 픽셀 지름의 두 배가 된다. 이러한 한계점 사이의 거리 D 상에서 이미지는 받아들일 수 있는 만큼 선명한 초점에 있게 된다.
수차(Aberration)
- 한 점에서 나온 빛이 렌즈를 거쳐서 한 점에 모이는 상황은 근축광선의 조건을 만족할 때 뿐이다. 여기서 근축광선이란 광축과 근소한 각도를 이루며 접근해 있는 광선을 가리키는 말이다. 예컨대 둥근 볼록렌즈의 정중앙을 통과하는 빛(광축)의 곁을 지나는 빛줄기다.
- 근축광선이 아닌 경우에는 렌즈를 거친 후에 상당히 넓은 영역으로 퍼져버린다. 이렇게 이상적인 결상관계에서 어긋나는 것을 수차(aberration)라고 한다.
1) 회절 수차 (diffraction aberration)
- Airy Disk란 빛 또는 전자가 작은 원형 틈을 통과할 때 생기는 회절과 간섭으로 인해 발생하는 동심원의 간섭무늬이다. Airy Disk의 중심에 있는 가장 밝은 원이 전체 광원의 84%의 광량을 차지하고 그 주위에 어둡과 밝은 원반들이 차례로 나타난다.
- Airy Disk의 크기로 인해 나타나는 형상은 선명하게 또는 흐릿하게 표현될 수 있다.
- 회절은 빛이나 전자가 조리개와 같은 틈을 지날 때 꺽이는 현상을 말한다. 이러한 회절은 틈이 작을수록 잘 생기기 때문에 조리개의 크기가 작아질수록 빛은 더 크게 꺽여 Airy Disk를 더 크게 만든다.
2) 구면수차 (spherical aberration)
- 빛이 광축에 평행하게 입사할 때, 렌즈의 중심부와 주변부의 굴절률의 차이에 의하여 초점이 한곳에 맺히지 못함.
- 렌즈 자체의 특성상 주변부로 들어온 빛이 꺽이는 각도와 중심부를 지나는 빛이 꺽이는 정도가 다르기때문.
- 렌즈가 곡면이라서 생기는 것이기 떄문에 렌즈를 평면에 가깝게 만들수록 잘 발생하지 않는다.
3) 색수차 (chromatic aberration)
- 빛은 진행하는 매질에 따라 속도가 달라지게 된다. 이 속도차이로 인해 빛은 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 굴절이 일어나 진행방향이 꺽이게 된다. 한편, 빛은 그 파장에 따라, 매질 내 진행 속도가 다르므로, 다른 매질로의 진행 시 굴절률도 달라져 꺽이는 정도가 달라지게 된다. 즉, 백색광과 같이 여러 파장이 섞여 있는 빛의 경우 파장에 따라 초점 위치가 달라져 선명한 이미지를 얻지 못하는 현상이 색수차이다.
- 매질에서의 속도는 v = 거리/시간 = 파장/주기 로 나타낼 수 있고, 식에 따라 파장이 길수록 굴절률이 작고, 짧을수록 크다.
- 가속 전압 또는 렌즈의 전류가 불안정 하면 자기 렌즈의 초점거리에 변동이 생기게 된다.
4) 비점수차 (astigmatism aberration)
- 한자어 아닐 비, 말 그대로 점이 아닌 수차. 촬영을 할 때는 분명 점을 촬영하였는데, 촬영한 이미지는 점이 아니게 보이는 현상
- 수평으로 들어가는 광선과 수직으로 들어가는 광선이 서로 다른 초첨을 맺는다. 즉, 수직곡률과 수평곡률이 일정하지 않아서 마치 럭비공처럼 되어 초점이 한 곳에 일치하지 못한다.
- 이는 인간의 눈에서도 볼 수 있는데 아래 그림처럼 시신경에 초점이 제대로 맺지 않는 것을 난시라 한다. 그래서 astigmatism 라는 용어가 쓰인 것.
http://www.charfac.umn.edu/sem_primer.pdf
