현미경

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배경

현미경은 작은 물체의 확대된 이미지를 생성하는 데 사용되는 도구입니다. 가장 일반적인 종류의 현미경은 가시광선으로부터 이미지를 형성하기 위해 렌즈를 사용하는 광학 현미경입니다. 전자 현미경은 전자 빔에서 이미지를 형성합니다. 음향 현미경은 고주파 음파에서 이미지를 형성합니다. 터널링 현미경은 매우 작은 거리에서 고체 표면을 통해 "터널링"하는 전자의 능력에서 이미지를 형성합니다.

단일 렌즈를 가진 광학 현미경은 단순 현미경으로 알려져 있습니다. 간단한 현미경에는 돋보기와 보석 확대경이 포함됩니다. 두 개의 렌즈가 있는 광학 현미경을 복합 현미경이라고 합니다. 복합 현미경의 기본 부품은 렌즈를 표본 가까이에 고정시키는 대물렌즈와 관찰자 가까이에 렌즈를 고정하는 접안렌즈입니다. 현대의 복합 현미경에는 광원(외부 빛을 포착하는 거울 또는 내부 빛을 제공하는 전구), 초점 메커니즘 및 스테이지(검사 대상 물체를 제자리에 고정할 수 있는 표면)도 포함됩니다. . 복합 현미경에는 현미경 사진용 내장 카메라가 포함될 수도 있습니다.

고대 사람들은 물을 통해 보이는 물체가 더 크게 보인다고 말했습니다. 1세기 로마 철학자 세네카는 물로 가득 찬 유리구를 통해 본 글자가 확대되었다는 사실을 기록했습니다. 초기의 간단한 현미경은 나무나 금속 조각의 작은 구멍에 담긴 물방울로 구성되었습니다. 르네상스 시대에는 작은 유리 렌즈가 물을 대체했습니다. 17세기 후반에 네덜란드 과학자 Antonie van Leeuwenhoek는 얇은 황동 판 사이에 장착된 매우 작은 고품질 렌즈를 사용하여 뛰어난 단순 현미경을 만들었습니다. 그의 현미경의 우수성과 그가 처음으로 미세한 유기체를 관찰했다는 사실 때문에 Leeuwenhoek는 종종 현미경의 발명가로 잘못 생각됩니다.

복합 현미경은 1590년에서 1608년 사이에 처음 등장했습니다. 이 발명에 대한 공로는 종종 Hans Janssen, 그의 아들 Zacharias Janssen 또는 Hans Lippershey가 있습니다. 이들은 모두 네덜란드 안경 제작자였습니다. 초기 복합현미경은 작은 금속관에 고정된 한 쌍의 렌즈로 구성되어 있으며 현대의 만화경과 매우 흡사합니다. 색수차(렌즈가 빛의 각 색상을 약간 다른 지점에 초점을 맞추는 경향이 있어 이미지가 흐려지는 경향) 때문에 이 현미경은 당시 잘 만들어진 간단한 현미경보다 열등했습니다.

현미경 관찰에 대한 최초의 서면 기록은 1625년 이탈리아 과학자 Francesco Stelluti가 현미경을 통해 본 꿀벌 그림을 출판했을 때 작성되었습니다. 박테리아의 첫 번째 그림은 1683년 Leeuwenhoek에 의해 만들어졌습니다. 17세기와 18세기 동안 이탈리아에서는 초점 장치와 표본을 제자리에 고정하는 장치를 포함하여 현미경에서 수많은 기계적 개선이 이루어졌습니다. 1733년 영국에서 아마추어 안경사인 체스터 무어 홀(Chester Moor Hall)은 서로 다른 두 종류의 유리로 만들어진 두 개의 적절한 모양의 렌즈를 결합하여 색수차를 최소화한다는 것을 발견했습니다. 1774년 Benjamin Martin은 현미경에서 이 기술을 사용했습니다. 19세기에는 현미경 제작에 많은 발전이 있었습니다. 및 20세기. 전자현미경은 1930년대에, 음향현미경은 1970년대에, 터널링현미경은 1980년대에 개발되었습니다.

원자재

광학 현미경은 광학 시스템(접안렌즈, 대물렌즈 및 그 안의 렌즈)과 광학 시스템을 제자리에 고정하고 조정 및 초점을 맞출 수 있도록 하는 하드웨어 구성 요소로 구성됩니다. 저렴한 현미경에는 광원으로 거울이 있을 수 있지만 대부분의 전문 현미경에는 전구가 내장되어 있습니다.

렌즈는 일반 유리보다 훨씬 더 순수하고 균일한 특수한 종류의 유리인 광학 유리로 만들어집니다. 광학유리에서 가장 중요한 원료는 이산화규소로 순도 99.9% 이상이어야 합니다. 유리의 정확한 광학적 특성은 다른 성분에 의해 결정됩니다. 여기에는 산화붕소, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화바륨, 산화아연 및 산화납이 포함될 수 있습니다. 렌즈에는 일반적으로 불화마그네슘으로 반사 방지 코팅이 되어 있습니다.

접안렌즈, 대물렌즈 및 대부분의 하드웨어 구성 요소는 강철 또는 강철 및 아연 합금으로 만들어집니다. 어린이용 현미경은 외부 몸체가 플라스틱으로 되어 있지만 대부분의 현미경은 몸체가 강철로 되어 있습니다.

거울이 들어있다면 보통 파이렉스(이산화규소, 이산화붕소, 산화알루미늄으로 만든 유리의 상품명)와 같은 강한 유리로 만들어진다. 거울에는 알루미늄으로 만든 반사 코팅과 이산화규소로 만든 보호 코팅이 있습니다.

전구가 포함된 경우 유리로 만들어지며 아르곤과 질소 가스의 혼합물 안에 니켈과 철로 만들어진 와이어와 텅스텐 필라멘트가 들어 있습니다. 전구의 바닥은 알루미늄으로 만들어졌습니다.

카메라 포함되어 있으며 광학 유리로 만든 렌즈가 포함되어 있습니다. 카메라 본체는 강철이나 기타 금속 또는 플라스틱으로 만들어졌습니다.

제조
프로세스

하드웨어 구성 요소 만들기

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1 금속 하드웨어 부품은 선반 및 드릴 프레스와 같은 정밀 금속 가공 장비를 사용하여 강철 또는 강철 및 아연 합금으로 제조됩니다.

2 저렴한 현미경의 외부 몸체 쉘이 플라스틱인 경우 일반적으로 ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 플라스틱과 같은 가볍고 단단한 플라스틱입니다. ABS 플라스틱 부품은 사출 성형으로 만들어집니다. 이 과정에서 플라스틱은 용융되어 최종 제품 모양의 금형에 압력이 가해집니다. 그런 다음 플라스틱을 다시 냉각하여 고체로 만듭니다. 금형이 열리고 제품이 제거됩니다.

광학 유리 만들기

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3 원하는 광학 유리 종류에 맞는 원료를 같은 종류의 폐유리와 함께 적절한 비율로 혼합합니다. 파유리로 알려진 이 폐유리는 플럭스 역할을 합니다. 플럭스는 원료가 없을 때보다 더 낮은 온도에서 원료가 반응하도록 하는 물질입니다.

4 혼합물을 액체로 녹을 때까지 유리로에서 가열합니다. 온도는 만드는 유리 유형에 따라 다르지만 일반적으로 약 1400°C(2550°F)입니다.

5 온도가 약 2800°F(1550°C)로 상승하여 기포가 표면으로 상승하도록 합니다. 그런 다음 천천히 냉각하고 약 1000°C(1800°F)의 온도에 도달할 때까지 지속적으로 교반합니다. 유리는 이제 매우 두꺼운 액체가 되어 렌즈 모양의 틀에 부어집니다.

6 유리가 약 300°C(600°F)로 냉각되면 약 500°C(1000°F)로 다시 가열됩니다. 어닐링이라고 하는 이 프로세스는 초기 냉각 기간 동안 형성되고 유리를 약화시키는 내부 응력을 제거합니다. 그런 다음 유리를 실온으로 천천히 냉각시킵니다. 유리 조각이 금형에서 제거됩니다. 그들은 이제 공백으로 알려져 있습니다.

렌즈 만들기

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7 이제 블랭크를 바이스에 넣고 다이아몬드 날이 있는 빠르게 회전하는 원통형 커터 아래에 고정합니다. 곡선 생성기로 알려진 이 커터는 원하는 곡선에 근접할 때까지 블랭크의 표면을 자릅니다. 절단된 렌즈를 검사하고 필요한 경우 다시 절단합니다. 이 과정의 난이도는 절단되는 유리의 유형과 필요한 정확한 곡률에 따라 크게 다릅니다. 여러 번의 절단이 필요할 수 있으며 소요 시간은 몇 분 또는 30분 이상이 될 수 있습니다.

8 여러 개의 절단 블랭크가 마치 하나의 구면의 일부인 것처럼 곡면이 일직선이 되도록 곡면 블록의 표면에 배치됩니다. 이를 통해 많은 렌즈를 동시에 연마할 수 있습니다. 도구로 알려진 주철 연삭 표면이 렌즈 위에 놓입니다. 도구가 그 위에서 무작위로 움직이는 동안 렌즈 블록이 회전합니다. 액체의 꾸준한 흐름은 도구와 렌즈 사이를 이동합니다. 슬러리로 알려진 이 액체에는 물, 연삭을 위한 연마제(일반적으로 탄화규소), 과열을 방지하기 위한 냉각제 및 연마제가 슬러리에서 침전되는 것을 방지하는 계면활성제가 포함되어 있습니다. 렌즈는 연마 후 검사하고 필요한 경우 다시 연마합니다. 연삭 과정은 1~8시간이 소요될 수 있습니다.

9 렌즈를 연마기로 옮깁니다. 이는 연삭기와 비슷하지만, 공구는 피치(타르에서 파생된 두껍고 부드러운 수지)로 만들어집니다. 피치 도구는 구부러진 접시 주위에 테이프를 놓고 뜨거운 액체 피치를 부은 다음 다시 고체로 식혀서 만듭니다. 피치 도구는 모양을 다시 지정해야 하기 전에 약 50번 사용할 수 있습니다. 연마 도구와 같은 방식으로 작동하지만 연마제 대신 슬러리에 연마 물질(보통 이산화세륨)이 포함되어 있습니다. 연마 후 렌즈를 검사하고 필요에 따라 절차를 반복합니다. 연마는 30분에서 5시간이 소요될 수 있습니다. 렌즈를 세척하고 코팅할 준비가 되었습니다.

10 렌즈는 불화마그네슘으로 코팅되어 있습니다. 그런 다음 다시 검사를 받고 제조 날짜와 일련 번호가 표시된 라벨을 붙이고 필요할 때까지 보관합니다.

거울 만들기

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11 거울이 들어 있으면 렌즈가 만들어지는 것과 같은 방식으로 만들어진다. 렌즈와 달리 곡면이 아닌 평면으로 절단, 연마, 연마됩니다. 그런 다음 반사 코팅이 적용됩니다. 알루미늄은 진공에서 가열되어 증기를 생성합니다. 거울 표면에 음전하를 가하여 양전하를 띤 알루미늄 이온을 끌어당깁니다. 이를 통해 금속을 얇고 균일하게 코팅할 수 있습니다. 그런 다음 이산화규소의 보호 코팅이 적용됩니다. 렌즈와 마찬가지로 거울은 검사, 라벨링 및 보관됩니다.

현미경 조립

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12 현미경의 최종 조립은 모두 수작업으로 이루어집니다. 작업자들은 먼지가 렌즈나 현미경의 내부 메커니즘을 손상시키지 않도록 장갑, 마스크, 가운을 착용합니다. 먼저 접안렌즈 본체와 대물렌즈를 구성하는 스틸 튜브에 렌즈를 삽입합니다. 이 튜브는 표준 크기로 제조되어 표준 크기 현미경으로 조립할 수 있습니다.

13 대부분의 현미경의 초점 메커니즘은 랙 앤 피니언 시스템입니다. 이것은 한쪽에 톱니가 있는 평평한 금속 조각(랙)과 톱니가 있는 금속 바퀴(피니언)로 구성되어 랙의 움직임을 제어합니다. 랙과 피니언은 관찰 대상을 향하거나 멀어지는 움직임을 제어할 수 있도록 대물렌즈를 지향합니다. 많은 현미경에서 랙과 피니언은 스테이지(관찰 대상이 놓이는 평평한 금속판)에 부착되고 대물렌즈는 고정되어 있습니다. 랙 및 피니언 시스템이 설치된 후 이를 제어하는 ​​손잡이가 부착됩니다.

14 현미경의 외부 몸체 쉘은 내부 초점 메커니즘 주위에 조립됩니다. 접안렌즈(또는 쌍안현미경의 경우 두 개의 접안렌즈)와 대물렌즈(또는 여러 대물렌즈를 포함하는 회전 디스크)가 제자리에 나사로 고정됩니다. 접안렌즈와 대물렌즈는 표준 크기로 제조되어 모든 표준 현미경에서 다양한 접안렌즈와 대물렌즈를 사용할 수 있습니다.

15 현미경에 거울이 있는 경우, 이것은 무대의 개구부 아래 현미경 본체에 부착됩니다. 전구 대신 전구가 들어 있는 경우 같은 위치에 부착하거나(관찰 대상에 빛을 비추기 위해) 스테이지 측면에 배치할 수 있습니다(물체 위에 빛을 비추기 위해). 일부 전문 현미경에는 두 종류의 관찰을 모두 허용하는 두 종류의 전구가 포함되어 있습니다. 현미경에 카메라가 포함된 경우 본체 상단에 부착됩니다.

16 현미경을 테스트합니다. 제대로 작동하면 일반적으로 접안렌즈와 대물렌즈를 포장하기 전에 나사를 풉니다. 현미경의 부품은 천이나 폼으로 안감 처리된 꼭 맞는 구획에 안전하게 포장되어 있습니다. 이러한 구획은 종종 나무 또는 강철 상자의 일부입니다. 그런 다음 현미경을 튼튼한 판지 용기에 넣고 소비자에게 배송합니다.

품질 관리

현미경의 품질 관리에서 가장 중요한 부분은 렌즈의 정확도입니다. 절단 및 연마 중에 렌즈의 크기는 버니어 캘리퍼스로 측정됩니다. 이 장치는 두 개의 턱 사이에 렌즈를 고정합니다. 하나는 고정되어 있고 다른 하나는 렌즈에 닿을 때까지 부드럽게 제자리로 이동합니다. 렌즈의 치수는 움직이는 턱과 함께 움직이는 눈금에서 읽혀집니다.

렌즈의 곡률은 구면계로 측정됩니다. 이 장치는 베이스에서 돌출된 세 개의 작은 핀이 있는 회중시계처럼 보입니다. 두 개의 외부 핀은 제자리에 유지되고 내부 핀은 안팎으로 움직일 수 있습니다. 이 핀의 움직임은 구면계 표면의 눈금에 연결됩니다. 눈금은 렌즈의 곡률 정도를 나타냅니다. 일반적인 렌즈는 약 1/1000인치(25마이크로미터)를 넘지 않아야 합니다.

연마하는 동안 이러한 테스트는 렌즈가 빛을 적절하게 초점을 맞출 수 있을 만큼 정확하지 않습니다. 광학 테스트를 사용해야 합니다. 자동 시준 테스트로 알려진 한 가지 일반적인 테스트는 암실에서 렌즈를 통해 핀포인트 광원을 비추는 것과 관련됩니다. 회절 격자(인치당 수천 개의 미세한 평행 홈을 포함하는 표면)는 렌즈가 빛을 집중시켜야 하는 지점에 배치됩니다. 격자는 실제 초점 주위에 밝고 어두운 선 패턴이 형성되도록 합니다. 이론상의 초점과 비교하여 필요한 경우 렌즈를 다시 연마합니다.

현미경의 기계 부품도 올바르게 작동하는지 테스트합니다. 접안렌즈와 대물렌즈는 적절한 위치에 단단히 고정되어야 하며 선명한 이미지를 형성하기 위해 완벽하게 중앙에 위치해야 합니다. 랙 및 피니언 포커싱 메커니즘은 부드럽게 움직이고 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리가 정확하게 제어되는지 확인하기 위해 테스트되었습니다. 여러 대물렌즈가 포함된 회전 디스크는 원활하게 회전하고 사용하는 동안 각 대물렌즈가 제자리에 단단히 고정되어 있는지 테스트합니다.

미래

아마추어 관찰자들은 곧 작은 유기체의 움직임을 기록할 수 있는 내장형 비디오 카메라가 있는 현미경을 구입할 수 있게 될 것입니다. 컴퓨터는 자동 초점을 제공하기 위해 현미경의 내부 제어 메커니즘에 내장될 수 있습니다.