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아주대학교 광학실험 광학현미경 결과보고서

PHYS352_ 광학실험(G035-1) 결과보고서실험8. Optical Microscope[1] 결과1) 제작한 현미경 셋업 사진2) 제작한 현미경으로 얻은 시료 이미지3) focus stop으로 조절했을 때 이미지4) aperture stop으로 조절했을 때 이미지[2] 질문에 대한 검토현미경은 이론상 objective lens와 tube lens의 focal length 비로 결정된다. 그럼 objective lens와 tube lens 사이 거리는 이미지에 어떠한 영향을 주는가?광학 현미경에서 objective lens는 시료를 투과한 빛을 모아 확대해 평행광으로 내보내고 tube lens는 이 빛을 모아 카메라면에 상이 맺히도록 하는 역할을 한다. 이 때 objective lens와 tube lens 사이의 거리는 두 렌즈의 초점거리의 합으로 설정했다. 시료가 objective lens의 전초점면에 위치해서 objective len를 지난 빛이 평행광으로 나오고, tube lens가 평행광을 받아 자신의 후초점면에 있는 카메라면에 상을 맺도록 한다. 이 두 렌즈 사이의 거리가 두 렌즈의 초점거리의 합이 아니라 더 길어지거나 짧아지면 tube lens가 받는 빛이 평행광이 아니게 된다. 따라서 상이 카메라 면에 맺히지 못하게 되면서 초점의 위치가 어긋나 이미지가 흐려지게 된다. 또한 거리가 달라지면 aberation도 증가해서 이미지의 품질이 저하된다.이번 실험에서 조명을 위해 사용된 렌즈는 총 3개이다.(할로겐 램프에도 lens가 달려있다.) Focus stop과 Aperture stop은 이 렌즈들 중 어느 위치에 둬야 하는가? 그 이유를 설명할 수 있는가?Focus stop은 불필요한 광원의 범위를 제한해서 산란광 등 노이즈를 제거하는 역할을 한다. 매뉴얼 상에서는 collector lens의 우측(시료쪽)에 위치하도록 안내되어있으며 카메라 근처에 설치하면 이미 이미지 전체에 산란광이 들어온 후이기 때문에 효과가 없으므로 필라멘트(할로겐 램프)와 가 시료에 투영하도록 하는 것이다.Aperture stop은 numerical aperture을 조절해야 하기 때문에 condensor lens의 전초점면에 위치해야 하므로 condensor lens로부터 25mm 떨어진 좌측에 설치한다. 이 조리개는 각 분포를 조절하는 역할을 하며 numerical aperture의 수가 증가하면 해상도가 높아지게 된다. 해당 위치에 설치해야 aperture stop의 면에 필라멘트의 상이 맺힌다.Focus stop을 조절했을 때 이미지는 어떻게 달라지는가? Conjugate plane 개념을 이용해서 설명하자Focus stop은 실험에서 filed stop과 같은 역할이다. 시야의 크기를 결정하며 시료와 공역관계에 있다. 밝기나 해상도를 조절하는 것이 아니라 보이는 시야 범위(=광원의 크기)를 제한하기 때문에 결과의 사진과 같이 시료의 보이는 크기를 결정하며 focus stop을 조절하면 이미지의 보이는 크기가 변한다. Focus stop을 닫을수록 시야의 크기가 줄어들며 아예 닫으면 광원이 차단되어 이미지가 어두워져 보이지 않게 된다. Focsu stop이 시료면과 공역 위치에 있기 때문에 focus stop의 크기가 곧 시료에서 보이는 영역의 크기를 결정하게 되는 것이다.Aperture stop는 조명의 요소 중 어떤 걸 조절하는가? 이는 이미지에 어떠한 영향을 주는가?Aperture stop은 조명의 고려해야 하는 5가지 요소인 밝기, 스펙트럼, 위치, 균일도, 각 분포 중에서 각 분포를 조절한다. 각 분포는 광선이 퍼지는 각도로 aperture stop이 작으면 광선의 각도가 좁아져서 대비가 증가하는 대신 조명의 균일도는 떨어진다. 반대로 aperture stop이 크면 광선 각도가 넓어져 더 많은 빛이 들어오게 되므로 해상도는 좋아지지만 대비와 심도가 감소하게 되는 영향을 준다. 이번 광학 현미경 셋업 실험에서는 심도가 깊을 필요가 없었기 때문에 aperture stop을 최대로 열어 해상도를 높인 상태로 시료를 관하기 때문에 시편 주변이 일반적으로 어둡게 나타난다. Dark field imaging 셋업을 구성하려면 aperture stop이 있는 위치에 작은 불투명한 판을 두어 조리개의 중앙을 막아야 한다. 이렇게 설치하면 광원의 중심부는 빛이 차단되고 가장자리 광선인 고각 성분만 조리개를 통과하게 된다. 그러면 직접 들어온 산란되지 않은 빛은 카메라에 잡히지 않아 배경은 어둡게 나오고 시료에서 산란된 빛은 각도가 바뀌며 objective lens에 투과되어 밝게 보이는 부분만 보이게 된다.[3] 실험과정 및 결과에 대한 검토이번 실험은 광학 현미경을 간이로 제작하여 imaging plane과 conjugate plane의 개념을 이해하는 것이다. 그리고 퀼러 조명이 아닌 상태와 퀼러 조명까지 구성하였을 때의 결과를 비교하여 퀼러 조명의 특성 또한 학습하였다.일단 이전의 실험에서 라는 식을 검증하였었다. 그러나 광학 현미경에선 단 렌즈를 사용하지 않고, 편광이나 파장 등을 분석해 더 많은 정보를 얻기 위해 다양한 광학 부품을 삽입할 공간이 필요하여 주로 Infinity_corrected 광학계를 사용한다. 시료상의 상을 무한대에 형성하여 렌즈 간 거리 변화에 민감하지 않도록 설계된 현미경이다. 조명이 없는 광학 현미경의 개략도를 생각하면, 시료에서 objective lens까지의 거리를 , objective lens에서 tube lens까지의 거리를 , tube lens에서 camera까지의 거리를 로 두도록 안내된다. 이를 통해 무한히 먼 상을 집광시키는 것이다. 그러나 실제 실험에서 objective lens는 단 렌즈가 아니라 복합렌즈이기 때문에 시료와 objectivw lens 사이의 거리는 렌즈의 초점거리가 아니라 working distant로 설정한다. WD는 objective lens의 끝단에서부터 측정한 초점거리이므로 이 거리에 시료를 두면 시료를 objective lens의 front focal plane에 둘 수 있는 것이다. 이렇게 할로겐 램프 –렌즈 반대쪽에 필라멘트의 상이 무한대로 맺힌다. 여기에 렌즈으 ㅣ반대편에 시료를 후초점면에 두게 되면 필라멘트의 모든 점이 시료 전체를 비워 완전한 균일 조명을 얻게 된다. 보통 현미경에서 광원은 관찰하고자 하는 시료보다 크다. 게다가 필라멘트의 이미지를 실제보다 작게 줄이는데에는 한계가 있기 때문에 실제로 관찰하고자 하는 영역보다 더 넓은 영역을 비추게 된다. 하지만 이 경우 불필요한 영역까지 빛이 들어와 배경 산란광이 증가하고 대비가 감소하여 이미지가 흐리게 보인다. 필라멘트의 이미지를 축소라는 것이 불가능하기 때문에 시야 크기를 제한하는 field stop을 추가해 조명되는 영역을 제한해야 한다. Field stop은 카메라 근처에 설치하게 되면 이미 산란광이 이미지에 맺힌 뒤이기 때문에 효과가 없다. 또한, 필라멘트 바로 앞에 두면 과도하게 빛을 차단하게 된다. 메뉴얼에서는 collector lens를 광원의 근처에 설치하고 그 뒤에 field stop을 설치하도록 안내되어 있다. 그러나 해당 실험에서 사용한 할로겐 램프에 자체적으로 평행광을 만들어주는 collimator lens가 부착되어 있다. 따라서 실험자들은 collector lens를 필라멘트의 바로 앞에 설치할 수 없다. 매뉴얼과는 다르게 focus stop(=field stop)를 할로겐 램프와 이어지도록 설치하고 그 뒤에 collector lens를 설치하게 된다. 이렇게 하면 collimator lens와 collector lens의 conjugate plane에 field stop이 위치하게 되어 두 렌즈가 pair로 작동하게 된다. 이때 field stop은 collector lens의 전초점면에 위치하게 된다. 즉, 필라멘트가 렌즈 안에 있어 필라멘트 위치에 실제 조리개를 둘 수 없는 점을 해결하기 위해 필라멘트의 상을 field stop을 둘 수 있는 위치에 만들어주고 그 상을 다시 렌즈로 시료에 맺히게 하는 것이다. (실험에서 사용한 collector lens의 초점거리는 50s에 맺히는 광원의 상의 크기를 조절하여 조명의 각 분포를 조절한다. Aperture stop면에 필라멘트의 상이 맺힌다. 광축에 맞춘 원형 조리개를 사용하면, 조명은 원뿔형태로 시료에 도달한다. Aperture stop의 직경을 조절해서 시료에 도달하는 광선의 수치 개구수인 numerical aperture, NA를 조정할 수 있다. Aperture의 크기를 줄이면 NA가 감소하고 입사각 또한 감소하게 된다.이렇게 간이 광학 현미경 셋업을 끝내면 프로그램에서 보다 깔끔한 시료의 이미지를 확인할 수 있다. 먼저 focus stop을 완전히 닫아 광원이 차단된 상태부터 점점 focus stop을 열어 중심부터 빛이 들어와 시료가 비춰지는 것을 확인하였다. 이를 통해 focus stop이 시야 크기를 조절하는 역할을 하고 있음을 확인했다. 다음으로는 aperture stop을 조절했다. 완전히 닫은 상태에서 점점 조리개를 열자 NA가 증가하면서 해상도도 높아진다. 결과에 첨부한 사진에서도 시료의 특정 부분을 확대해서 비교하면 더 확실하게 해상도의 개선을 관찰할 수 있었다.[4]참고문헌아주대학교 물리학과 / 광학 실험 매뉴얼 / p31-40.Switz, Neil A., and Daniel A. Fletcher. Optical Microscopy Course. Thorlabs, based on the course at UC Berkeley.광학현미경 / wikipedia / https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B4%91%ED%95%99_%ED%98%84%EB%AF%B8%EA%B2%BDconjugate focal plane / wikipedia / https://en.wikipedia.org/wiki/Conjugate_focal_plane임계조명 / wikipedia / https://en.wikipedia.org/wiki/Critical_illumination조리개 / wikipedia / https://ko.wikipedia.org/wikipy

자연과학| 2025.12.20| 6페이지| 1,500원| 조회(32)

결과보고서, 아주대, 광학실험

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아주대학교 광학실험 홀로그램 결과보고서

[2] 토의이번 홀로그램 실험은 홀로그램 전용 필름을 이용해 동전과 스파이더맨 피규어 등 다양한 물체에 대한 반사, 투과형 홀로그램을 제작해보고 이 과정을 통해 홀로그램의 원리를 이해하는 것을 목적으로 한다.홀로그램은 위상이 일치하는 광원인 레이저 빔의 간섭현상을 이용해 물체가 갖고 있는 입체 정보를 사진용 필름과 유사한 표면에 3차원 이미지로 기록한 영상물이다. 이렇게 빛의 간섭 현상을 이용해 입체 정보를 기록하고 재생하는 기술은 홀로그래피라고 한다. 홀로그램은 제작 시 사용하는 원리에 따라 다양한 입체적 효과를 지니는데 보는 방법에 따라 투과형과 반사형으로 구분할 수 있다.먼저, 반사형 홀로그램은 홀로그램에서 반사되어 나온 상을 홀로그램 앞에서 관찰할 수 있다. Object wave와 reference wave가 필름 안에서 간섭을 일으켜서 물체의 3차원 정보가 간섭무늬로 기록되며 이를 감광된다고 말한다.

자연과학| 2025.12.20| 5페이지| 1,500원| 조회(32)

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아주대학교 광학실험 레이저 발진 결과보고서

0.7A부터 펌프레이저의 출력값이 증가한다. 이 지점부터 선형성이 시작된다고 할 수 있다. 전류값이 아주 낮을 때에는 레이저 출력값이 나타나지 않기 때문에 기울기를 구할 때 측정이 시작되는 지점부터 기울기를 구하였으며 기울기는 0.8899로 계산되었다. 기울기와 그래프 모두 펌핑 소스 레이저의 선형성이 잘 나타나고 있음을 뒷받침하고 있다. 추세선의 결정계수도가 0.9999인 것으로 이를 확인할 수 있다. 따라서 레이저 구성요소 동작테스트 실험은 잘 진행되었음을 알 수 있다. 매뉴얼에 명시된 최대 출력값은 5W인데 보통 1.6W의 값을 가진다고 기재되어있다. 실험1에서 구한 펌프 레이저 출력의 마지막 값인 1.262W와 비교하면 |측정값 − 이론값이론값| × 100 = |1.262−1.61.6| × 100 ≈ 21%의 오차를 보인다. 오차가 꽤 큰 편인데 파워미터로 측정할 때 검출기를 고정하지 않고 손으로 잡고 진행하였다. 그러다보니 화면에 나타나는 출력값이 크게는 0.5씩도 변동하여 임의로 처음값이나 마지막으로 본 값을 기록하곤 했다. 이 과정에서 최종 출력값보다 파워가 떨어지는 상태의 출력값을 기록하여 오차가 크게 발생하였다고 추측할 수 있다. 실험 2. 1064 nm 연속발진 레이저 및 Q-switcing을 통한 나노초 펄스 레이저 제작1) 아래식을 활용하여 레이저 공진기의 안정조건 찾기 (자세한 내용은 매뉴얼 62페이지 참조)

자연과학| 2025.12.20| 13페이지| 1,500원| 조회(27)

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아주대학교 광학실험 전반사와 굴절 결과보고서

1. 질문에 대한 검토1. 위의 실험에서 측정한 반사각 또는 굴절각을 그대로 사용하지 않고, 두 매질의 경계 면의 법선에 대하여 양 쪽 방향의 데이터를 평균하여 사용하였다. 이 방법에는 어떤 장점이 있는가?양 쪽 방향으로 돌려도 반사 법칙에 의해 반사각과 입사각은 동일하다. 때문에 두 방향으로 돌려 진행한 실험의 데이터 평균을 사용함으로써 빛의 굵기에 의해 실험자들이 눈금을 읽는 과정에서 발생한 측정 오차나 매질, 장치 설정의 과정에서 발행한 비대칭성에 의한 오차를 줄일 수 있다. 직접 진행한 실험에서 역시 기하 광학 거울의 고정 미숙으로 인하여 입사각과 반사각이 완벽히 동일하게 측정되지는 않았는데 일반 측정값보다 평균값을 구하였을 때 보다 적은 오차를 확인할 수 있었다. 2. 실험 2의 결과로부터 Snell의 법칙은 만족스럽게 성립한다고 말할 수 있는가? 그 근거로는 어떤 결과를 제시하겠는가? 굴절률이 다른 두 매질이 맞닿아 있을 때 매질을 통과하는 빛의 경로는 매질의 굴절률에 따라 광속이 다르게 휘게 된다. 실험2의 결과는 스넬의 법칙 n_1 sinθ_1=n_2 sinθ_2 에 만족스럽게 성립한다고 말할 수 있다. 공기와 렌즈가 맞닿아 있는 실험2에서 측정한 굴절각과 공기의 굴절률을 스넬의 법칙에 대입해서 구한 렌즈의 굴절률과 이론 값을 대입해 구한 굴절률을 비교해서 확인할 수 있다. sinθ_1/sinθ_(2 )그래프의 기울기는 1.4939이며, 그래프가 원점을 지나는 직선으로 타나났기 때문에 두 값이 선형적 비례 관계로 일관된 값을 가지는 것을 확인할 수 있으며 따라서, 해당 기울기가 렌즈의 굴절률임을 알 수 있다. n_1은 공기의 굴절률인 1.00029이기 때문이다. 이론값인 1.5와 비교해보면 오차율은 |(1.4939-1.5)/1.5|×100=0.4%이다. 따라서 실험2의 결과는 스넬의 법칙을 만족스럽게 성립하며 렌즈의 굴절률을 구하기에도 알맞다고 볼 수 있다.

자연과학| 2025.12.20| 16페이지| 1,500원| 조회(27)

결과보고서, 아주대, 광학실험

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아주대학교 광학실험 광연마 결과보고서

[2] 토의1. 질문에 대한 검토1. 뉴턴 원무늬를 측정할 때 유리시료가 표준평면원기의 밑면에 놓여야 하는 이유는 무엇인가? 뉴턴 원무늬를 측정할 때, 렌즈의 평면도를 검증하기 위한 유리로 만들어진 표준평면원기를 측정하고자하는 유리시료의 윗면에 놓는다. 단색광을 입사시키면 유리 시료와 표준평면원기 사이의 얇은 공기층이 생긴다. 공기층의 차이에 따라 간섭무늬가 나타나는데 명암이 엇갈리는 이 동심원 무늬를 뉴턴 원무늬라고 한다. 유리시료가 표준평면원기의 밑면에 놓여야 하는 이유는 단색광을 입사시키면 위쪽에 놓인 표준평면원기를 통과해 아래의 유리시료 표면에서 반사된 빛과 표준평면원기의 곡면에서 반사되는 빛 사이에 간섭이 생긴다. 유리 시료의 표면에서 반사하는 빛이 표면의 오목한 정도에 따라 더 멀리 이동하므로 표준평면원기의 곡면에서 반사한 빛과 광로차가 발생하게 된다. 이 때문에 보강되는 점과 상쇄되는 점이 차례로 생겨 밝고 어두운 동심원 무늬가 나타나게 된다. 시료와 원기 사이의 공기층에 의해 뉴턴링이 발생하는 것이기 때문에 유리 시료가 표준평면원기의 윗면에 위치할 경우 공기층의 간섭이 아니라 시료의 굴절률에 의한 간섭이 포함되는 등 무늬가 발생되지 않을 수 있으며 무늬가 생기더라도 뉴턴링이라고 볼 수 없다.2. 뉴턴 원무늬를 측정한 결과 원무늬가 아닌 활 모양의 곡선무늬가 5개 정도 측정되었다. 뉴턴 원무늬가 측정되지 않은 이유를 설명하시오. 또, 활 모양의 곡선무늬로 평면도를 파악할 수 있는가? 원무늬가 아니라 활 모양의 곡선무늬가 관찰되었을 경우, 유리 시료가 평평하지 않고 어느 한 부분은 연마가 과하게 되어 오목이고, 그 반대편은 연마가 덜 되어 볼록한 상태일 때 관찰 가능한 무늬이다. 활 무늬 상태가 나타날 때 무릎을 굽혀 무늬를 관찰하면 들어가는 쪽이 오목하고 나오는 쪽이 볼록한 것을 알 수 있다. 시료와 표준평면원기 사이의 공기층이 두꺼울수록 광로차에 의해 활 모양 곡선 무늬가 늘어나게된다. 이 공기층이 얇아질수록 곡선무늬는 줄어들기 때문에 5개 정도 측정되었다면 평면에 가까워지고 있는 상태인 것이다. 무늬를 관찰해 오목인 부분은 그 주위를 약간 더 연마하고, 볼록인 부분은 그부분을 더 연마하면 곡선무늬가 줄어들며 평면에 가까워질 것이며 균일하게 연마가 되어 뉴턴 원무늬 역시 관찰할 수 있게 될 것이다.

자연과학| 2025.12.20| 9페이지| 1,500원| 조회(30)

결과보고서, 아주대학교, 광학실험

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