현미경 필터

|K WONG

서론

현미경 필터는 현미경의 광학 경로에 삽입되어 조명 또는 이미지를 형성하는 빛의 특성을 선택적으로 변경하는 필수 광학 구성 요소입니다. 특정 파장을 분리하거나, 광도를 줄이거나, 편광을 수정함으로써 이 필터는 대비를 향상시키고, 이미지 선명도를 개선하며, 형광 및 위상차 현미경과 같은 특수 이미징 기술을 가능하게 합니다.

작동 원리

현미경 필터는 빛을 선택적으로 투과하거나 차단하기 위해 주로 두 가지 물리적 원리로 작동합니다.

  1. 흡수: 유색 유리 필터는 유리 기판에 혼합된 특정 화합물(금속 이온 등)을 사용하여 원치 않는 파장을 흡수하고 원하는 파장은 통과시킵니다.
  2. 간섭: 유전체 박막 필터는 다양한 굴절률을 가진 여러 미세 재료 층을 사용합니다. 빛이 이 층들을 통과하면서 건설적인 간섭과 파괴적인 간섭이 발생합니다. 이 층들은 목표 파장이 건설적인 간섭(투과)을 경험하고, 원치 않는 파장이 파괴적인 간섭(반사)을 경험하도록 설계됩니다.

물리적 구조

현미경 필터의 물리적 구조는 일반적으로 견고하고 광학적으로 투명한 기판과 특수 코팅으로 구성됩니다.

  • 기판: 일반적으로 용융 실리카, 붕규산 유리 또는 특수 광학 폴리머와 같은 고품질 광학 재료로 만들어집니다. 기판은 높은 투과율과 최소한의 자가 형광을 가져야 합니다.
  • 코팅: 현대의 고성능 필터(간섭 필터)는 진공 상태에서 기판에 증착된 교대 박막 유전체 층(예: TiO 2 및 SiO2)을 특징으로 합니다. 이 층들의 정밀한 두께와 순서가 필터의 정확한 광학적 동작을 결정합니다.
  • 하우징: 필터는 가장자리를 보호하고 빛 누출을 방지하며 현미경 필터 큐브 또는 휠에 표준화된 삽입을 허용하기 위해 양극 산화 알루미늄 링에 장착되는 경우가 많습니다.

주요 광학 측정 기준

현미경 필터를 지정하거나 선택하려면 몇 가지 중요한 매개변수가 평가됩니다.

  • 중심 파장 (CWL): 투과되는 파장 대역의 정확한 중간점입니다.
  • 반치폭 (FWHM): 필터의 대역폭을 나타냅니다. 피크 투과율의 50%에서 측정된 투과 대역의 폭입니다.
  • 피크 투과율 (Tpk): 통과 대역 내에서 투과되는 빛의 최대 비율(현대 필터의 경우 종종 90% 이상)입니다.
  • 광학 밀도 (OD): 통과 대역 외부에서 필터의 차단 능력을 나타내는 대수적 측정값입니다. 다음 방정식으로 정의됩니다.

OD = -log10(T)

여기서 T는 내부 투과율입니다. OD가 6이라는 것은 입사광의 10-6(또는 0.0001%)만 투과됨을 나타냅니다.

  • 컷온 / 컷오프 파장: 투과율이 차단된 영역과 통과 대역 사이에서 전환되는 특정 파장(일반적으로 50% 절대 투과율 지점에서 정의됨)입니다.

분류 및 유형

현미경 필터는 특정 광학 기능에 따라 분류됩니다.

  1. 대역통과 필터: 특정, 분리된 파장 대역은 투과시키고 더 높거나 낮은 주파수는 차단합니다.
  2. 장파장 필터 (에지 필터): 특정 컷온 파장보다 긴 파장은 투과시키고 더 짧은 파장은 차단합니다.
  3. 단파장 필터 (에지 필터): 특정 컷오프 파장보다 짧은 파장은 투과시키고 더 긴 파장은 차단합니다.
  4. 다이크로익 빔 스플리터 (다이크로익 미러): 각도(일반적으로 45°)로 작동하도록 설계되었습니다. 특정 파장 범위를 반사하는 동시에 다른 파장은 투과시킵니다.
  5. 중성 밀도 (ND) 필터: 스펙트럼 프로필이나 색온도를 변경하지 않고 넓은 스펙트럼에 걸쳐 광도를 균일하게 감쇠시킵니다.
  6. 편광 필터: 비편광 빛을 차단하고 단일 특정 평면에서 진동하는 빛 파장만 투과시킵니다.

응용 분야

  • 형광 현미경: 여기 필터, 다이크로익 미러 및 방출 필터의 조합을 사용하여 압도적인 여기광에서 약한 형광 신호를 분리합니다.
  • 명시야 및 암시야 현미경: 할로겐 램프의 색온도를 보정하기 위해 색상 보정 필터(예: 주광 청색 필터)를 사용하거나 눈부심을 줄이기 위해 ND 필터를 사용합니다.
  • 편광 현미경: 편광기를 사용하여 결정, 광물 및 특정 생물학적 구조와 같은 복굴절 물질을 분석합니다.
  • 적외선 (IR) 및 자외선 (UV) 이미징: 특수 통과 대역 필터를 사용하여 가시 스펙트럼 외부의 샘플을 검사합니다(예: 850nm 또는 355nm 필터 사용).

실용적인 예: GFP 형광 필터 큐브

일반적인 실제 응용 분야는 생물학적 샘플에서 녹색 형광 단백질(GFP)을 시각화하는 것입니다. 이를 위해서는 광학 경로에서 함께 작동하는 세 가지 별개의 광학 구성 요소가 포함된 "필터 큐브"가 필요합니다.

  1. 여기 필터 (대역통과): 조명 경로에 배치된 이 필터(예: 470/40 nm)는 GFP 형광체를 여기시키는 데 필요한 청색광만 통과시키고 램프에서 나오는 다른 모든 빛은 차단합니다.
  2. 다이크로익 빔 스플리터: 45° 각도로 배치됩니다. 이 필터는 청색 여기광(~495 nm 미만)을 샘플 아래로 반사하지만, 결과로 생성되는 녹색 방출광(~495 nm 초과)은 접안렌즈 쪽으로 투과시키도록 설계되었습니다.
  3. 방출 필터 (대역통과 또는 장파장): 관찰 경로에 배치된 이 필터(예: 525/50 nm)는 샘플에서 방출되는 녹색 형광을 포착하는 동시에 슬라이드에서 산란된 모든 미세한 청색 여기광을 엄격하게 차단합니다.

이러한 정밀한 광학 조작은 GFP 표지된 구조가 어두운 배경에 밝게 나타나는 고대비 이미징을 보장합니다.