현미경은 육안으로 제대로 볼 수 없을 만큼 작은 물체의 이미지를 확대하여 연구한다. 현미경은 관찰할 시료가 방출, 흡수, 투과, 반사하는 복사(그림 1)를 이용하여 임무를 수행한다. 복사의 종류에 따라 광학 현미경, 전자 현미경, X선 현미경, 음향 현미경 등 현미경 유형이 결정된다. 전자기 스펙트럼의 가시광선 부분이 광학 현미경에서 사용되는 복사 유형이다. 광학 현미경은 광학 현미경을 통한 재료의 미시적 검사다.
그림 1 전자기파
고대에는 조잡한 돋보기가 사용되었지만, 현대 현미경의 진화는 17세기에 시작되었다. 최초의 복합 현미경은 1595년 Hans와 Zacharias Janssen이 만들었지만, Antoni van Leeuwenhoek(1632~1723)은 매우 단순한 현미경에서 약 300배의 놀라운 배율을 달성할 수 있을 만큼 훌륭한 렌즈를 만들었다. 1670년경 과학자 Robert Hooke의 제안으로 런던의 기구 제작자 Christopher Cock이 매우 성공적인 복합 현미경을 만들었다. 이 기구로 Hooke은 세포를 관찰할 수 있었다. Hooke의 현미경은 현대 기구의 아버지로 간주될 수 있다.
'광학 현미경'은 종종 '빛 현미경'이라고 불리며, 가시광선(그림 1)과 렌즈 시스템을 사용하여 작은 시료의 이미지를 확대하는 현미경 유형이다. 광학 현미경은 가장 오래되고 단순한 현미경이다. 정교한 전자 금속조직 기기의 진화에도 불구하고 미세조직 연구에 매우 중요한 기구다. 정교한 '주사 전자 현미경'(SEM)과 '투과 전자 현미경'(TEM)도 귀중한 기구지만, 광학 현미경의 대체가 아니라 병용되어야 한다.
모든 미세조직 검사는 광학 현미경 사용으로 시작하며, 100× 같은 낮은 배율에서 시작하여 점차 더 높은 배율로 진행하여 미세조직의 기본 특성을 효율적으로 평가한다. 대부분의 미세조직은 광학 현미경으로 관찰할 수 있고 그 특성에 따라 식별할 수 있다. 의심스럽거나 알려지지 않은 성분의 식별은 모재에 대한 상대적 경도, 고유 색상, 편광에 대한 반응, 선택적 부식제에 대한 반응 관찰로 도움을 받을 수 있다. 이러한 관찰은 검사 중인 재료의 물리적 야금학에 대한 알려진 세부사항과 비교된다. 의심이 여전히 남거나 구조가 너무 미세하여 관찰할 수 없는 경우 더 정교한 기술을 구현해야 한다.
광학 현미경은 연마된 상태나 부식된 금속조직 시료를 검사하는 데 사용될 수 있다. 특정 성분은 부식 세부사항에 의해 가려지지 않기 때문에 연마 상태에서 더 쉽게 관찰된다. 개재물, 질화물, 특정 탄화물, 금속간 상은 부식 없이 쉽게 관찰될 수 있다. 개재물을 제외하면, 최종 연마 시 약간의 요철을 도입하면 다른 상을 더 쉽게 검사할 수 있다. 시료는 인위물에 의한 합병증 없이 미세조직의 올바른 관찰과 해석을 보장하기 위해 적절히 준비되어야 한다. 편광에 반응하는 시료(비입방 결정 구조를 가진 재료 등)는 일반적으로 부식 없이 검사된다. 그러나 대부분의 경우 미세조직을 관찰하기 위해 부식을 수행해야 한다. 일반적인 목적의 부식제를 먼저 사용하여 결정립 구조와 존재하는 상을 드러낸 다음, 관심 있는 특정 상을 공격하거나 착색하는 선택적 부식제를 사용한다. 선택적 부식제는 자동화 장치를 사용하여 수행할 경우 특히 정량적 금속조직에 널리 사용된다. 어느 경우든 부식은 미세조직을 선명하게 드러내도록 신중하게 수행되어야 한다.
현미경은 매우 짧은 초점 거리의 대물 렌즈를 사용하여 크게 확대된 이미지를 형성한다. 이 이미지는 단순한 돋보기로 사용되는 짧은 초점 거리의 접안 렌즈로 관찰된다. 광학 현미경의 기본 이미징 개념과 구조는 그림 2에 나와 있다. 현미경의 광학 시스템은 주로 대물 렌즈와 접안 렌즈를 포함한다. 대물 렌즈의 목적은 물체를 확대하여 사용자가 명확히 관찰할 수 있게 하는 것이다. 관찰 중 시료는 물체 공간에서 대물 렌즈의 초점면 근처에 놓이고, 시료의 확대된 실상이 먼저 중간 평면에 생성된다. 중간 평면은 접안 렌즈의 초점면에 위치하므로, 접안 렌즈는 중간 영상 평면에 투영된 이미지를 추가로 확대하는 돋보기 역할을 한다. 마지막으로 관찰자를 위해 확대된, 가상의, 역상 이미지가 제공된다.
그림 2 현미경 영상의 광학 원리
광학 현미경이 물체 상의 서로 다른 점들의 분리된 이미지를 생성하는 능력은 제한된다. 렌즈의 분해능은 이 능력의 정량적 척도다. 분해능 한계보다 가까운 점들은 별개의 점으로 구별될 수 없다. Ernst Abbe가 1873년 'd = λ/2n sin A' 방정식으로 인접한 두 점이 분리되어 인식될 수 있는 최소 거리 d의 값을 처음 정립했다. 여기서 'λ'는 빛의 파장, 'A'는 렌즈 각도 개구수의 절반, 'n'은 물체와 렌즈 사이의 매질 굴절률이다.
현재, 목적물 상의 두 점 사이의 가장 작은 선형 분리로 그들이 목적물에 의해 분해될 수 있는 것은 Rayleigh 기준에 의해 'd = 1.22(λ/2NA)' 방정식으로 고정된다. 여기서 'λ'는 빛의 파장, 'NA'는 대물 렌즈의 수치적 개구수다. Abbe 기준과 Rayleigh 기준은 모두 매우 유사하며, 수치적 개구수는 NA = n sin A로 이미징 매질과 관련된다. sin A의 최댓값은 1(A = 90도)이므로, 공기 중(n = 1)에서 대물 렌즈의 이론적 최대 수치적 개구수는 NA = 1이다. 높은 NA가 고분해능의 필수 요건이므로 침지 광학이 개발되었다. 시료는 물(n = 1.33), 글리세린(n = 1.47), 오일(n = 1.52)처럼 다른 굴절률을 가진 침지 매질을 통해 목적물로부터 매우 짧은 거리에서 이미징될 수 있다.
잘 설계된 현미경의 공간 분해능은 주로 대물 렌즈에 의해 결정된다. 접안 렌즈도 이미지를 확대할 수 있지만 현미경의 분해능을 향상시킬 수는 없다. 광학 현미경의 공간 분해능은 Rayleigh 방정식 Ro = 0.62 λ/n sin A로 주어진다. 여기서 'Ro'는 최소 분해 가능 거리, 'λ'는 빛의 파장, 'n'은 렌즈와 물체 사이 매질의 굴절률, 'A'는 렌즈 각도 개구수의 절반, n sin A는 대물 렌즈의 수치적 개구수다.
위 방정식과 실용적 제한 사항인 (i) 390nm~760nm 사이의 파장을 가진 가시광선 사용, (ii) 70~75도의 절반 각도로 도달 가능한 최대 개구수, (iii) 물이나 오일을 사용한 침지법으로 굴절률을 높이기 위한 요구 사항을 고려할 때, 기존 광학 현미경의 분해능은 200nm를 초과할 수 없다.
광학 현미경과 현미경의 단순화된 광학 파동 경로는 그림 3에 나와 있다. 현대 광학 현미경은 200nm의 공간 분해능 한계로 물체를 1,500배까지 확대할 수 있다. 광학 현미경은 다양한 기준을 사용하여 여러 유형으로 나눌 수 있다. 예를 들어, 조명 방식에 따라 투과형과 반사형 현미경이 있다. 투과 현미경에서는 빛이 투명한 물체를 통과한다. 반사 현미경에서는 현미경 렌즈 상단에 설치된 광원이 불투명한 물체를 비추고, 반사된 빛이 렌즈에 의해 수집된다. 현미경은 관찰 방법에 따라 밝은시야 현미경, 어두운시야 현미경, 위상차 현미경, 편광 현미경, 간섭 현미경, 형광 현미경 등으로도 구분될 수 있다.
각 현미경은 투과 또는 반사 방식을 사용할 수 있다. 밝은시야 현미경은 모든 현미경 중 가장 대중적이고 널리 사용된다. 이 유형의 현미경을 사용하면 관찰된 일부 물체의 투과(또는 흡수) 비율과 반사 비율이 작업 환경 변화에 따라 변한다. 이 물체들의 진폭은 조명 강도 변화에 따라 변한다. 무색 투명 물체는 조명된 빛의 위상이 변할 때만 보인다. 밝은시야 현미경은 빛 위상을 변경할 수 없으므로 이 유형의 현미경을 사용할 때 무색 투명 시료는 보이지 않는다.
그림 3 광학 현미경과 그 원리
광학 현미경은 비용과 성능에서 크게 다양하다. 반사광은 금속 연구에 사용된다. 투과광 현미경은 광물과 고분자 연구에 사용되며, 반사광으로도 검사할 수 있다. 광학 현미경은 '정립형' 또는 '도립형'으로도 분류된다. 이 용어는 관찰 중 시료 연마면의 방향을 나타낸다. 각 구성에는 특정 장단점이 있으므로 선택은 개인 선호도에 기반한다. 가장 단순한 광학 현미경은 벤치형(일반적으로 정립형)이다. 사진 촬영 기능은 스탠드의 강성에 따라 일부 현미경에 추가될 수 있다.
관찰과 사진 현미경에 적합한 다양한 유형의 현미경이 이용 가능하다. 이들은 다소 단순한 장치부터 다양한 조명 모드, 광원, 미세경도 부착, 고온 스테이지 등을 갖춘 본격적인 연구용 현미경까지 다양하다. 광학 현미경의 기본 구성 요소는 아래에 나와 있으며 그림 3에 표시되어 있다.
광학 현미경을 위한 다양한 광원이 이용 가능하다. 주로 벤치 현미경에 사용되는 저전압 텅스텐 필라멘트 램프는 관찰에 적절한 강도를 가지지만 사진 촬영에는 부족하다. 전구에 흐르는 전류를 변경하여 광강도를 조절한다. 한때 현미경에 흔했던 탄소 아크 조명 시스템은 아크 또는 필라멘트 광원으로 대체되었다. 제논 아크 광원은 높은 강도와 주광 색상 특성으로 널리 사용된다. 그러나 광강도는 중성 농도 필터 사용으로만 조절할 수 있다. 텅스텐-할로겐 필라멘트 램프도 높은 강도와 높은 색온도로 널리 사용된다. 광강도는 전류 변화나 중성 농도 필터 사용으로 조절할 수 있다. 지르코늄 아크, 나트륨 아크, 석영-요오드, 수은 증기 램프 같은 기타 광원은 덜 일반적이다.
구면 수차와 코마가 없는 조절 가능한 렌즈가 광원 앞에 배치되어 광학 경로에서 원하는 지점에 빛을 집중시킨다. 시야 조리개는 이 렌즈 앞에 배치되어 현미경 내부 눈부심과 반사를 최소화한다. 시야 조리개는 시야 가장자리까지 조여진다. 두 번째 조절 가능한 아이리스 조리개인 개구 조리개는 수직 조명기 앞의 광학 경로에 배치된다.
이 조리개를 열거나 닫으면 목적물 렌즈로 들어가는 빛의 양과 빛 원뿔의 각도가 변경된다. 이 조리개의 최적 설정은 각 목적물 렌즈마다 다르며 이미지 대비, 선명도, 피사계 심도 사이의 타협이다. 배율이 증가하면 개구 조리개는 조여진다. 이 조리개를 열면 이미지 선명도가 증가하지만 대비가 감소한다. 조리개를 닫으면 대비가 증가하지만 이미지 선명도가 저하된다. 개구 조리개는 광강도 감소용으로 사용되어서는 안 된다. 대비와 선명도 조정에만 사용되어야 한다.
이들은 관찰 용이성, 사진 현미경 개선, 대비 변경을 위해 빛을 수정하는 데 사용된다. 중성 농도 필터는 가시 스펙트럼 전체에서 균일하게 광강도를 줄이는 데 사용된다. 약 85%~0.01% 투과율의 다양한 중성 농도 필터가 이용 가능하다. 대부분의 광학 현미경은 최소 두 개의 이런 필터를 선택할 수 있다.
선택적 필터는 광원의 색온도를 필름의 색온도와 균형을 맞추는 데 사용된다. 이는 사용된 광원과 필름 유형에 따라 색상 이미지의 충실한 재현을 위해 자주 필요하다. 녹색 또는 황록색 필터는 흑백 사진에서 렌즈 결함이 이미지 품질에 미치는 영향을 줄이기 위해 널리 사용된다. 대부분의 대물 렌즈, 특히 저가 아크로마트는 좋은 결과를 위해 이런 필터링이 필요하다.
편광 필터는 단일 편광(필터 1개) 또는 소광을 생성하기 위해 회전된 교차 편광(필터 2개)을 생성하여 비입방(결정학적) 재료 검사에 사용된다. 광학적으로 이방성인 재료(베릴륨, 지르코늄, 알파-티타늄, 우라늄 등)는 부식 없이 교차 편광 조건에서 검사될 수 있다. 감도 틴트 플레이트도 교차 편광과 함께 사용하여 착색을 강화할 수 있다.
미세조직의 1차 이미지를 형성하며 광학 현미경의 가장 중요한 구성 요소다. 대물 렌즈는 시료로부터 가능한 한 많은 빛을 수집하고 이 빛을 결합하여 이미지를 생성한다. 대물 렌즈의 NA는 렌즈의 집광 능력 척도다. 집광 능력은 각도 'A'와 함께 증가한다. 개구 조리개 설정은 콘덴서의 NA를 변경하므로 시스템의 NA를 변경한다.
대물 렌즈(그림 4)는 일반적으로 4~6개의 대물을 수용할 수 있는 노즈피스 터렛에 장착된다. 일부 현미경은 노즈피스 터렛을 사용하지 않으며, 한 번에 하나의 대물만 베요넷 마운트를 사용하여 수직 조명기에 장착할 수 있다. 수직 조명기는 시료 표면에 대물 아래로 빛을 굴절시키는 반사경이나 프리즘을 포함한다. 일반적으로 개구 및 시야 조리개와 필터도 보관한다. 수직 조명기는 일반적으로 밝은시야와 어두운시야 조명 또는 밝은시야와 편광 조명 같은 한두 가지 유형의 조명만 제공한다. 그러나 하나의 수직 조명기와 한 세트의 대물로 모든 유형의 조명을 제공하는 범용 수직 조명기도 이제 이용 가능하다.
튜브 길이는 접안 렌즈의 눈금선부터 대물 나사산까지의 본체 튜브 길이다. 이 길이는 표준화되지 않았으며 변할 수 있다. 대부분의 대물은 특정 튜브 길이(일반적으로 160mm~250mm)에서 사용하도록 설계되었으며, 일반적으로 교환할 수 없다.
가장 일반적으로 사용되는 대물은 아크로마트(achromat)로, 한 색상(일반적으로 황록색)에 대해 구면 수차 보정되고 두 색상(일반적으로 적색과 녹색)에 대해 종색수차 보정된다. 따라서 아크로마트는 컬러 사진 현미경에 적합하지 않다. 황록색 필터와 오크로마틱 필름 사용이 최적의 결과를 낳는다. 그러나 아크로마트는 비교적 긴 작업 거리, 즉 대물 전면 렌즈부터 시료 표면까지의 거리를 제공한다. 작업 거리는 대물 배율이 증가함에 따라 감소한다. 대부분의 제조업체는 핫스테이지 현미경 같은 특수 용도를 위한 긴 작업 거리 대물을 만든다. 아크로마트는 변형이 없어 편광 검사에 중요하다. 다른 더 고도로 보정된 렌즈보다 렌즈가 적어 내부 반사 손실이 최소화된다.
반(半)아포크로마트 또는 형석 대물은 구면 및 색수차의 더 높은 보정도를 제공하므로 아크로마트보다 더 높은 품질의 이미지를 생성한다. 아포크로마트 대물은 가장 높은 보정도를 가지며, 최상의 결과를 생성하고 더 비싸다. 플라노 대물은 시야 평탄성에 대한 광범위한 보정으로 눈의 피로를 줄이며, 현대 현미경에서 자주 발견된다.
파초점 렌즈 시스템에서는 노즈피스 터렛의 각 대물이 터렛이 회전할 때 거의 초점이 맞춰져, 렌즈 전환 시 대물 전면 렌즈가 시료에 부딪히는 것을 방지한다. 많은 대물은 스프링 장착되어 있어 렌즈 손상을 방지하는 데 도움이 된다. 이는 작업 거리가 매우 작을 수 있는 고배율 대물에서 더 큰 문제다.
일부 대물은 시료와 대물 전면 렌즈 사이에 오일을 사용하도록 설계되었다. 그러나 오일 침지 렌즈는 사용 후 시료와 렌즈를 세척해야 하므로 드물게 사용된다. 그러나 공기가 렌즈와 시료 사이에 있을 때 달성할 수 있는 것보다 더 높은 분해능을 제공한다. 후자의 경우 최대 가능한 NA는 0.95인 반면, 오일 침지 렌즈는 렌즈와 사용된 오일에 따라 1.3~1.45 NA를 생성한다. 25×~160× 배율이 이용 가능하다. 오일 사용은 이미지를 선명하게 하는데, 이는 석탄이나 세라믹 같은 저반사율 시료 검사 시 가치가 있다.
그림 4 대물 렌즈와 접안 렌즈 유형
안경 렌즈라고도 한다. 접안 렌즈(그림 4)는 대물이 생성한 1차 이미지를 확대한다. 눈은 대물의 전체 분해능을 사용할 수 있다. 현미경은 시료의 가상 이미지를 가장 선명한 시야 지점, 일반적으로 눈에서 250mm 지점에 생성한다. 접안 렌즈는 이 이미지를 확대하여 유용한 배율을 달성하게 한다. 표준 접안 렌즈는 24mm 직경의 시야를 가지며, 플라노 대물용 광시야 접안 렌즈는 30mm 직경의 시야를 가져 1차 이미지의 사용 가능한 영역을 증가시킨다.
가장 단순한 접안 렌즈는 C. Huygens가 발명한 설계의 하이겐스 접안 렌즈다. 두 개의 평면 볼록 렌즈로 구성되며 볼록 면이 대물 렌즈를 향한다. 저배율 및 중배율 아크로마트 대물과 함께 사용하기에 만족스럽다. 보상 접안 렌즈는 고NA 아크로마트와 더 고도로 보정된 대물과 함께 사용된다. 일부 렌즈 보정이 이 접안 렌즈를 사용하여 수행되므로, 접안 렌즈는 사용된 대물 유형과 매치되어야 한다.
안구 간격은 접안 렌즈의 안구 렌즈와 눈 사이의 거리다. 대부분의 접안 렌즈에서 안구 간격은 10mm 이하로, 현미경 사용자가 안경을 착용하는 경우 부적절하다. 근시 같은 단순 시력 문제는 미세 초점 조절로 보정될 수 있다. 난시 같은 시력 문제는 현미경으로 보정할 수 없으므로 안경을 착용해야 한다. 하이-아이-포인트 접안 렌즈는 안경 착용에 필요한 약 20mm의 안구 간격을 제공한다.
접안 렌즈는 일반적으로 미세조직의 위치 확인, 측정, 계수, 비교를 위한 다양한 레티클이나 그라티클을 장착한다. 접안 렌즈는 레티클 또는 그라티클 이미지와 1차 이미지를 확대한다. 두 이미지는 동시에 초점이 맞아야 한다. 그라티클 눈금으로 가능한 것보다 더 정확한 측정을 허용하는 특수 접안 렌즈도 생산된다. 예로는 필라 마이크로미터 접안 렌즈나 스크류 마이크로미터 접안 렌즈가 있다. 이러한 장치는 자동화되어 약 1마이크로미터 정확도의 직접 디지털 판독값을 생성할 수 있다.
일반적으로 10× 배율 접안 렌즈가 사용되지만, 표준 배율을 얻기 위해 일부 시스템은 6.3× 같은 다른 배율이 필요하다. 1×, 15×, 20×, 25× 같은 고배율 접안 렌즈도 특정 상황에서 유용하다. 전체 배율은 대물 배율 Mo에 접안 렌즈 배율 Me를 곱하여 구한다(그림 2). 줌 시스템이나 벨로우즈도 사용되면 배율을 그에 따라 변경해야 한다.
시료에 초점을 맞추고 이동하기 위한 기계적 스테이지가 제공되며, 시료는 스테이지에 놓고 클립으로 고정한다. 도립 현미경의 스테이지는 다양한 크기의 구멍이 있는 교체 가능한 중앙 스테이지 플레이트를 가진다. 연마면은 구멍에 대고 관찰한다. 그러나 전체 표면을 볼 수 없고, 높은 배율에서는 구멍 가장자리 근처에서 제한된 작업 거리로 인해 대물에 초점을 맞출 수 없다. 정립 현미경의 경우 시료를 슬라이드에 올려 스테이지에 놓는다. 연마면이 빛 빔에 수직이어야 하므로 시료 바닥과 슬라이드 사이에 점토를 놓는다. 렌즈 티슈 조각을 연마면 위에 놓고 레벨링 프레스로 시료를 점토에 누른다. 그러나 티슈 조각이 시료 표면에 달라붙을 수 있다. 마운트된 시료에 특히 유용한 대안은 티슈 대신 링을 사용하여 시료를 평평하게 하는 것이다. 마운트와 같은 크기의 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 링 형태(바이스에서 약간 평평하게 함)는 시료가 아닌 마운트에 안착한다.
정립 현미경은 어떤 대물로도 전체 표면을 볼 수 있게 하며, 작업자는 시료의 어느 부분이 관찰되는지 볼 수 있다. 이는 코팅된 시료, 용접부, 특정 영역을 검사해야 하는 기타 시료 검사 시 유용한 기능이다. 마운트된 시료의 경우 마운트용 자동 레벨링 스테이지 홀더로 점토 위 시료 레벨링을 없앨 수 있다.
스테이지는 진동을 제거하기 위해 견고해야 한다. x- 및 y- 마이크로미터로 제어되는 스테이지 이동은 부드럽고 정밀해야 하므로 랙 앤 피니언 기어링이 일반적으로 사용된다. 많은 스테이지에 x- 및 y- 방향 거리 측정을 위한 눈금이 있다. 초점 조절에는 수직 이동 추정을 위한 눈금이 있는 경우가 많다. 일부 장치는 모터화된 스테이지와 초점 조절을 가진다.
원형 회전 스테이지 플레이트는 편광 검사를 용이하게 한다. 이런 스테이지는 광물학 또는 암석학 연구에 일반적이며 회전 각도 측정을 위해 눈금이 있다. 직각 스테이지가 일반적으로 원형 스테이지 위에 놓인다.
벤치 현미경은 견고한 스탠드가 필요하며, 특히 장치에서 사진 현미경을 수행할 때 그렇다. 현미경의 다양한 부품은 조립 시 스탠드에 부착된다. 일부 경우 벤치 현미경은 사진 시스템도 보관하는 별도 스탠드 위에 놓인다.
많은 렌즈 결함은 반사와 굴절 법칙에서 기인한다. 렌즈의 굴절률은 빛의 파장에 따라 변하고, 렌즈의 초점 거리는 굴절률에 따라 변한다. 따라서 초점 거리는 빛의 색상에 따라 변한다. 각 파장에 대한 별도의 이미지가 렌즈로부터 다른 거리에 초점이 맞춰진다. 이는 종색수차(그림 5)다. 또한 배율은 초점 거리에 따라 변하여 이미지 크기를 변경한다. 이는 횡색수차(그림 5)다. 이러한 차이는 컬러 사진을 생성하기 위해 제거되어야 한다. 아크로마트는 이 문제에 대한 제한된 보정만 가지므로 선명한 이미지를 얻기 위해 황록색 필터링과 함께 사용되어야 한다. 구면 수차(그림 5)는 광축 상의 점 물체로부터 온 빛이 렌즈 중심부나 주변부에서 더 강하게 굴절되어 점 이미지가 유한 면적의 원으로 나타나는 일련의 초점 위치를 생성할 때 발생한다. 이는 대물을 중앙 부분으로 제한하는 조리개 사용으로 최소화될 수 있다. 렌즈 설계로도 이 문제의 일부를 보정할 수 있다.
최적 초점의 이미지 표면이 곡면이므로, 동일하지만 반대 곡률의 보상 접안 렌즈를 사용하여 평평한 이미지를 생성한다. 코마와 난시 같은 기타 문제도 보정되지 않으면 이미지 품질을 저하시킬 수 있다.
그림 5 렌즈 결함
미세조직 세부사항을 보려면 광학 시스템이 적절한 분해능(분해력)과 적절한 이미지 대비를 생성해야 한다. 분해능은 수용 가능하지만 대비가 부족하면 세부사항을 관찰할 수 없다. 일반적으로 거리 'd'로 분리된 두 점이나 선을 분해하는 능력은 입사광의 파장 'λ'와 대물의 수치적 개구수 NA의 함수다. 이는 'd = k·λ/NA' 방정식을 따르며, 여기서 k는 0.5 또는 0.61이다. 그림 6은 k=0.61과 네 가지 빛 파장에 대한 이 관계를 보여준다. 다른 공식도 보고되었다. 이 방정식은 대물의 보정도와 현미경을 통해 보는 사람의 시력 같은 분해능에 영향을 주는 다른 요소를 포함하지 않는다. 이는 자기발광 점, 완벽한 흑백 대비, 투과광 검사, 이상적 점 광원, 렌즈 결함 부재 같은 금속조직에 없는 조건 하에서 Abbe의 작업을 기반으로 한다.
이전 단락의 방정식을 사용하면 NA 1.4 대물의 분해능 한계는 약 0.2마이크로미터다. 0.2마이크로미터 간격의 선이나 점을 보려면, 대물의 분해능을 눈의 분해능으로 나누어 필요한 배율을 결정해야 하는데, 이는 관찰 조건에서 결정하기 어렵다. Abbe는 최적 시야를 위한 눈에서의 거리인 250mm에서 0.3mm 값을 사용했다. 평균 파장 0.55마이크로미터 빛의 경우 필요한 배율은 대물 NA의 1,100배다. 이는 최대 유용 배율에 대한 1,000 NA 규칙의 기원이다. 1,000 NA 이상의 배율은 '공배율' 또는 무용한 것으로 불린다.
이 규칙이 개발된 조건이 금속조직에서 마주치는 조건과 확실히 매우 다르므로 1,000 NA 규칙의 엄격한 준수는 의문시되어야 한다. Abbe 분석에 따르면, 최적 20/20 시력을 가진 사람이 최적 대비 조건과 평균 빛 파장 550nm에서 광학 현미경을 사용할 때, 대물의 NA를 최대한 활용하는 최저 배율은 NA의 550배다. 이는 주어진 대물과 함께 사용할 유용한 최소 배율을 설정한다. 평균적인 사람이 광학 현미경을 사용할 때 유용한 최대 배율의 상한은 1,000 NA가 아닌 2,200 NA라는 제안이 있다.
그림 6 분해능과 피사계 심도의 수치적 개구수와의 관계
피사계 심도는 이미지 세부사항이 수용 가능한 선명도로 관찰되는 광축을 따른 거리다. 분해능에 영향을 주는 요인들이 피사계 심도에도 영향을 주지만 반대 방향으로 작용한다. 따라서 이 두 매개변수 사이의 타협이 필요하며, 배율이 증가함에 따라 더 어려워진다. 이는 고배율 검사 시 약한 부식이 선호되는 이유 중 하나다.
선택된 대물의 분해능 능력을 달성하려면 이미지 대비가 적절해야 한다. 이미지 대비는 시료 준비와 광학에 의존한다. 시료 표면에서의 빛 반사율 차이는 확대 후 눈에 보이는 진폭 특성을 생성한다. 빛 반사에 의해 생성된 위상 차이는 위상차 또는 간섭 대비 부착물을 현미경에 사용하여 가시화해야 한다.
밝은시야 수직 조명은 가장 널리 사용되는 관찰 방법으로, 촬영된 미세조직 사진의 대다수를 차지한다. 작동 시 빛은 대물을 통과하여 시료 표면에 수직으로 입사한다. 입사광에 수직한 표면 특징은 빛을 대물을 통해 접안 렌즈로 반사하여 표면 특징이 밝게 보인다. 빛 빔에 경사진 표면은 더 적은 빛을 대물로 반사하며 각도에 따라 더 어둡게 보인다.
일부 현미경에서는 콘덴서 어셈블리나 거울을 편심시켜 대물을 통과하는 빛이 시료 표면에 비수직 각도로 입사하게 할 수 있다. 시료 표면의 거칠기가 그림자를 드리워 3차원적 외관을 생성한다. 이는 돌출 또는 함몰된 특징을 결정할 수 있게 한다. 그러나 이 기술은 조명을 불균일하게 만들고 분해능을 감소시키므로 매우 약간의 경사만 도입할 수 있다.
어두운시야 조명에서는 경사진 특징에서 반사된 빛이 수집되고, 입사 빔에 수직한 특징에서 반사된 광선은 차단된다. 따라서 대비는 본질적으로 밝은시야 조명에서 반전된다. 즉, 밝은시야에서 밝게 보이는 특징은 어둡게 보이고, 일반적으로 어둡게 보이는 특징은 밝게 보인다. 이는 매우 강한 이미지 대비를 생성하며, 경사진 특징이 발광하는 것처럼 보인다. 이런 조건에서 밝은시야 조명으로 보이지 않는 특징을 자주 볼 수 있다. 이 방법은 특히 결정립 구조 연구에 유용하다. 그러나 낮은 광강도로 사진 현미경이 더 어려워지며, 자동 노출 제어 장치 사용으로 이 문제가 완화된다.
금속조직에서 사용되는 편광은 일반적으로 베릴륨, 알파-티타늄, 지르코늄, 우라늄 같은 특정 광학적으로 이방성인 금속의 관찰로 제한되어 왔으며, 이들은 부식하기 어렵지만 적절히 연마되면 편광에 잘 반응한다. 전자 탐침 미세분석기(EMPA)와 에너지 분산 분광법(EDS) 개발 전에는 편광 검사가 개재물 식별 방법의 필수적 부분이었다. 이 기기들의 개발 이후, EMPA나 EDS 기술로 식별이 더 확정적이므로 편광은 이 목적으로 덜 자주 사용되어 왔다. 대부분의 야금 현미경은 이제 합성 폴라로이드 필터를 사용한다. '편광기'는 대물 앞의 광학 경로에, '분석기'는 대물 뒤의 광학 경로에, 일반적으로 접안 렌즈 바로 아래에 배치된다.
빛은 전파 방향에 직각으로 모든 방향으로 진동하는 횡파로 구성된다. 이 진동은 전파 방향을 중심으로 대칭적으로 일어나며 비편광이다. 빛이 편광 필터를 통과하면 진동이 전파 방향의 한 평면에서만 일어나며, 빛은 평면 편광이라 불린다. 이 평면은 필터가 회전함에 따라 변한다. 분석기 필터가 광학 경로에 배치되면, 빛의 진동 평면이 분석기의 진동 평면과 평행할 때 평면 편광빛이 통과한다. 분석기의 진동 평면이 빛의 것과 수직이면 빛은 통과하지 않고 소광이 발생한다. 평면 편광빛이 등방성 금속(입방 결정 구조를 가진 모든 금속, 예: 철) 표면에서 반사된 후 교차 위치(진동 평면이 평면 편광빛의 것과 수직)에 있는 분석기를 통과하면 이미지는 소광되거나 어두워진다. 그러나 실제로는 야금 현미경이 완벽한 평면 편광빛을 생성하지 않으므로 완전한 소광은 발생하지 않는다. 이는 편광이 금속조직에서 정성적으로만 사용되므로 심각한 문제가 아니다. 변형 없는 대물(일반적으로 아크로마트)을 사용해야 한다. 형석이나 아포크로마트 대물은 부적합하다. 정확한 색상 효과를 생성하려면 강한 백색 광원이 필요하다.
교차된 편광기와 분석기 하에 광학적으로 이방성인 연마 금속을 빛 빔에 놓으면 미세조직이 드러난다. 시료 준비 품질이 매우 중요하며 표면은 빛 경로에 수직이어야 한다. 빔 아래에서 시료를 회전시키면 광강도와 색상이 변한다. 이방성 시료가 제자리에 있을 때 편광기와 분석기를 교차 위치에 정확히 설정하기 어렵기 때문에(교차 위치가 편광기와 분석기에 표시되어 있지 않은 한), 등방성 시료를 사용하여 이 위치를 먼저 찾는 것이 최선이다.
평면 편광빛이 이방성 금속 표면에 입사하면, 서로 직각인 두 개의 평면 편광 성분으로 반사가 일어난다. 방향은 결정 구조에 따라 변한다. 이 두 수직 반사의 강도는 변할 수 있으며, 그들 사이에 위상 차이가 존재한다. 이 차이는 각 금속마다 다르며 결정 방위에 의존한다. 육방정계 또는 사방정계 결정의 기저면이 빛 빔에 수직일 때는 반사가 얻어지지 않는다. 최대 반사율은 결정의 주 대칭축이 빛 빔에 수직일 때 발생한다. 결과 이미지는 위상 차이가 미미한 반면 이러한 방위 효과가 주로 영향을 미친다.
분석기가 편광기와 교차되어 있을 때, 이방성 표면에서 회전된 평면 편광빛이 분석기를 통과하게 하여 각 결정립이 빛 빔에 대한 결정 방위에 따라 다른 광강도와 색상을 가지는 이미지를 생성한다. 스테이지가 회전함에 따라 각 결정립은 360도 회전 동안 밝음에서 어두움으로 4번 강도가 변한다. 위상 차이가 상당한 경우 빛은 타원 편광되며, 회전에 따른 각 결정립의 강도 차이가 적고 소광이 관찰되지 않는다. 반사된 평면 편광빛이 파장에 따라 변할 때 컬러 이미지가 얻어진다. 색상이 거의 없는 경우 편광기와 대물 사이에 삽입된 감도 틴트 플레이트가 착색을 강화한다.
표면이 부식, 염색, 양극 산화로 광학적으로 활성화될 수 있다면 등방성 금속도 교차 편광으로 검사할 수 있다. 여러 금속에 대한 절차가 개발되었으나, 모든 부식 표면이 편광에 반응하는 것은 아니다. 일반적으로 부식은 각 결정립에 부식 구멍이나 면을 생성하여 이 특징에서 이중 반사를 유도한다. 다른 결정 방위를 가진 결정립은 서로 다르게 향한 구멍이나 면을 생성하여 서로 다른 타원 편광도와 따라서 다양한 광강도를 산출한다. 양극 산화는 시료 표면에 두꺼운 산화막을 생성하고 막의 불규칙성이 이중 반사를 유도한다.
양극 산화 시료의 편광 반응이 막의 광학적 이방성에 기인한다고 여겨졌으나, 실험 결과 이 효과는 막 표면 불규칙성에 기인함이 밝혀졌다. 틴트 부식제는 편광으로 강화할 수 있는 간섭 색상을 생성하는 표면막을 만든다. 일반적으로 분석기를 교차 위치에서 약간 이동했을 때 최상의 결과를 얻는다. 개재물 검사, 이방성 금속(안티모니, 베릴륨, 비스무트, 카드뮴, 코발트, 마그네슘, 스칸듐, 텔루륨, 주석, 티타늄, 우라늄, 아연, 지르코늄 등), 부식/양극산화/틴트부식된 입방 금속 외에도 편광은 코팅되거나 변형된 금속 검사에 유용하다. 상 식별도 일부 경우 도움을 줄 수 있다. 주철의 흑연 괴상 내부 구조는 편광을 사용하여 생생하게 드러난다. 마르텐사이트 구조는 편광을 사용하여 더 자주 더 잘 드러나며, 고강도 철계 합금의 래스 마르텐사이트를 보여준다.
반사광에서는 표면의 광학 경로 차이, 투과광에서는 시료를 통한 광학 경로 차이에서 진폭 대비가 거의 없거나 없는 미세조직의 미세한 위상 변화를 검사할 수 있게 한다. 0.005마이크로미터만큼 작은 높이 차이도 검출할 수 있다. 금속조직에서 위상차 조명의 적용은 제한적이었다. 이 기술은 별도의 대물 세트와 특수 수직 조명기가 필요하다.
차동 간섭 대비 조명은 경사 조명으로 관찰되는 것과 유사하게 강조된 지형적 세부사항을 가진 이미지를 생성한다. 밝은시야 조명으로 보이지 않거나 희미하게 보이는 세부사항이 간섭 대비 조명으로 생생하게 드러날 수 있다. 차동 간섭 대비 조명으로 드러날 수 있는 지형적 세부사항의 예로는 구성 성분의 상대적 경도나 부식 공정의 성격, 즉 어떤 영역이나 성분이 부식제에 의해 공격받는지 등이 있다. 일부 경우 밝은시야 조명에서 보이지 않거나 희미하게 보이는 구조의 다른 측면이 드러날 수 있다.
시료의 높이 차이를 측정하기 위해 여러 간섭 기술이 사용된다. 완벽하게 평평한 표면에서 간섭 무늬는 같은 너비와 간격의 직선 평행선으로 나타난다. 높이 변화는 사용된 장치에 따라 이 무늬가 곡선이나 톱니 모양으로 나타나게 한다. 간섭 현미경은 단일 점 광원에서 온 빛을 두 개 이상의 파동으로 나누어 서로 다른 경로를 거친 후 중첩시킨다. 이는 간섭을 생성한다. 투빔과 다중빔 기기가 사용되는 두 가지 기본 유형의 간섭계다. 측정은 사용된 빛의 파장을 기반으로 한다. 투빔 간섭계는 λ/20까지 높이 차이를 측정할 수 있고, 다중빔 간섭계는 λ/200까지 측정할 수 있다.
리닉(Linnik)형 간섭계는 비편광빛을 사용하는 투빔 반사 현미경이다. 빔 분할 프리즘이 단색 광원에서 두 빛 빔을 생성한다. 한 빔은 시험편 대물을 통해 시험편 표면으로 가서 대물을 통해 접안 렌즈로 반사된다. 다른 빔은 기준 대물을 통해 광학적으로 평평한 기준 거울에 도달하고 빔 분할기로 돌아가 접안 렌즈로 간다. 두 빔 사이의 경로 차이가 같지 않거나 λ/2의 배수가 아니면 간섭이 발생하여 같은 고도의 위치를 나타내는 등고선이 형성된다. 인접 무늬 사이의 높이 차이는 λ/2다.
톨란스키(Tolansky) 다중빔 간섭계는 부분 투과 및 부분 반사하는 기준 거울을 시료 표면 아주 가까이에 약간 평행하지 않게 배치하여 많은 빛 빔 사이의 간섭을 생성한다. 기준 거울은 표면과 근사하도록 알려진 반사율을 가진다. 빛은 기준 거울을 통과하여 시료 표면에 도달하고, 시료 표면에서 반사되어 기준 거울과 시료 사이에서 반사된 광선과 간섭한다. 다중빔 간섭계가 생성하는 무늬는 투빔 간섭계보다 더 선명하여 더 높은 정확도를 설명한다. 무늬 사이의 거리도 λ/2다. 돌출은 무늬를 평행 정렬에서 변위시킨다. 변위를 무늬 사이의 거리와 비교하여 높이 측정을 얻는다.
광단면 현미경은 표면 지형 측정에 사용되며 간섭 기술을 보완한다. 1마이크로미터~400마이크로미터의 거칠기 차이를 측정할 수 있어 가공 표면 검사와 표면층 또는 막 측정에 유용하다. 작동 시 조리개 근처 조명 시스템의 시야 조리개에 슬릿을 배치하고 대물에 의해 측정할 표면상의 빛 선으로 이미징된다. 어두운 배경으로 경사 조명이 사용된다. 빛 띠는 첫 번째와 동일한 두 번째 대물로 관찰된다. 대물들은 시료 표면에 45도, 서로 90도 각도를 이룬다. 접안 렌즈의 레티클로 측정하거나 사진에서 측정한다. 수직 분해능은 간섭계만큼 좋지 않지만 측면 분해능은 더 좋다.
광학 현미경과 함께 사용할 수 있는 여러 특수 장치로 추가 정보를 얻을 수 있다. 이 기술들은 아래에 설명되어 있다.
마이크로 인덴테이션 경도 데이터는 현미경에 인덴터 부착을 추가하여 얻을 수 있다. 단일 목적 장치도 많은 경도 시험 장비 제조업체에서 제작된다. 하중은 일반적으로 1g~1,000g으로 만들어지지만, 일부 제조업체는 저하중용(0.05g~200g) 장치를 보유한다. 누프(Knoop) 또는 빅커스(Vickers) 인덴터를 사용할 수 있다.
고온 스테이지 현미경 셀은 여러 제조업체에서 이용 가능하다. 단일 목적 장치도 사용할 수 있다. 냉각 셀 부착도 생산되었으나 금속조직에서 사용이 다소 제한적이다. 고온 스테이지 현미경은 가열, 냉각 또는 일정 온도에서의 상 변태 연구에 사용되었다. 고온 스테이지 현미경 셀에서의 반응 검사는 시료가 셀 내에 유지되므로 긴 작업 거리 대물 사용이 필요하다. 또한 셀 창이 석영이므로, 특히 20× 이상의 배율에서 대물은 석영 보정이 되어야 한다.
화학적 부식 외의 기술로 상 변화를 관찰해야 한다. 시료가 진공에서 일정 온도로 유지되면 결정립계가 열적으로 부식된다. 결정립계 홈은 밝은시야 조명으로 쉽게 관찰된다. 상 변태는 표면에서 생성된 요철로 가시화된다. 따라서 마르텐사이트나 베이나이트 생성 같은 전단 반응이 가장 쉽게 관찰된다. 다른 상 변태는 관찰이 더 어렵거나 불가능하다. 변태는 제자리에서 촬영할 수 있으며, 일반적으로 영화 카메라가 사용된다.
다양한 구성으로 이용 가능하다. 마운트된 시료용 자동 레벨링 스테이지가 대표적 예다. 범용 틸팅 스테이지도 거칠고 불규칙한 시료의 빠른 조작을 위해 제작되었다. 소형 물체 처리를 위한 특수 스테이지도 설계되었다. 여러 스테이지가 제자리 실험 수행을 위해 제작되었다. 저융점 유기 물질(캄펜 등)의 응고 제자리 관찰로 기초 응고 연구가 수행되었다. 저융점 금속과 합금의 재결정도 유사하게 관찰되었다. 특수 스테이지는 전해 연마 및 부식 진행 상황 관찰에 사용되었다. 셀은 부식 공정 제자리 검사에도 사용되었다. 스테이지는 정적 또는 동적 응력을 포함하는 다양한 공정 관찰용으로 설계되었으며, 개재물 물리적 추출을 허용하는 장치도 설계되었다.
방사성 물질의 금속조직 제조는 특수 설계된 핫셀을 사용한 원격 제어 제조가 필요하다. 핫셀과 함께 사용하기 위한 특수 현미경이 설계되었다.
실험실로 자르고 옮길 수 없는 구성품이나 대형 물체의 미세조직을 검사해야 할 때, 여러 제조업체에서 만든 휴대용 실험실 장비를 사용하여 제자리에서 단면을 연마할 수 있다. 휴대용 현미경으로 때때로 미세조직을 검사하고 촬영할 수 있다. 이것이 불가능하면 레플리카를 만들어 광학 현미경이나 전자 현미경으로 검사할 수 있다.
두 미세조직을 비교해야 할 필요가 가끔 발생한다. 일반적으로 이는 각 시료의 미세조직 사진을 나란히 배치하여 수행하지만, 특수 현미경을 사용하여 수행할 수도 있다. 브리지 비교기는 두 벤치 현미경의 이미지를 결합하여 동시 관찰을 위해 사용한다.
투영 현미경은 그룹 관찰에 사용될 수 있지만, 흑백 또는 컬러 모니터에 미세조직을 표시하는 것이 더 일반적이다. 여러 고해상도 폐회로 시스템이 이용 가능하다.
작은 입자 연구는 관찰 중 먼지 오염의 영향을 받는다. 따라서 그런 작업은 먼지 없는 환경을 제공하기 위해 특수 제작된 클린 박스, 클린 벤치, 또는 클린룸에서 수행되어야 한다.
개재물 특성화를 위한 정량적 금속조직의 사용 증가로 텔레비전 원리 기반의 자동화된 이미지 분석 시스템 개발이 촉진되었다. 관심 있는 상이나 성분은 주로 빛 반사율 차이로 생성된 모니터상의 회색 레벨 차이로 검출된다. 대부분의 입체측정 측정은 이러한 시스템으로 수행될 수 있다. 자동화된 스테이지와 강력한 미니컴퓨터를 사용하여 상당한 자동화가 달성되었다. 이러한 장치는 상당히 비쌀 수 있지만, 입체학과 구조-물성 상관관계에 대한 적용에 대한 관심을 자극했다.
특징은 관심 특징의 성격에 따라 연마 상태나 부식된 시료에서 검출된다. 부식이 필요하면 선택적 기술이 일반적으로 사용된다. 필드 및 특징별 측정이 이용된다. 필드 측정은 부피 분율 측정처럼 모든 검출된 특징을 동시에 측정한다. 특징별 측정에서는 각 개별 입자가 순차적으로 측정된다. 이 절차는 일반적으로 형상과 크기 측정에 사용된다.
일부 구조는 이런 시스템으로 정확한 측정에 적합하지 않다. 예를 들어, 파면 세부사항의 정량화는 자동 이미지 분석기로 수행할 수 없는데, 장치가 회색 레벨로 파면 특징을 분리할 수 없기 때문이다. 많은 투과 전자 현미경 구조도 이런 장치로 분석할 수 없다. 이런 구조에는 운영자가 라이트 펜이나 스타일러스로 검출을 수행하는 반자동 추적 장치를 사용할 수 있다. 이러한 저비용 시스템은 거의 모든 입체측정 측정에 사용될 수 있다. 검출에 더 많은 시간이 필요하므로 많은 필드 샘플링이 필요한 측정 문제에는 덜 적합하다.
사진 부착 개발 전에는 미세조직을 스케치해야 했다. 그런 문서화 필요성은 더 이상 없지만, 스케치는 교육 방법으로 여전히 유용하다. 사진 현미경은 금속조직에서 중요하다. 사진 현미경은 관찰된 세부사항을 타인이 볼 수 있도록 충실히 재현할 수 있기 때문이다. 현재 이용 가능한 장비로 고품질 미세조직 사진을 쉽게 제작할 수 있다. 그러나 이는 시료 준비, 부식, 현미경 사용에 세심한 주의가 필요하다. 가짜 미세조직 재현은 너무나 흔하며 부정확한 해석, 양호한 자재 거부, 파손 분석에서의 잘못된 결론을 초래했다.
역사적으로 암실 사진 절차가 가장 널리 사용되었다. 폴라로이드 같은 즉석 사진 공정 도입 이후, 많은 미세조직 사진이 속도와 효율성을 활용하여 이러한 재료로 만들어졌다. 그러나 이미지 재현 품질이 희생되며, 추가 복사본마다 공정을 반복해야 한다. 자동 노출 장치 사용은 즉석 공정 필름으로 낭비를 최소화하기 위해 필요하다. 전통적 암실 사진 방법은 더 많은 노력이 필요하지만 더 나은 미세조직 사진을 산출한다. 습식 암실 공정에서 상당한 자동화가 가능하지만, 사진 현미경의 빈번한 사용이 그런 장비 비용을 정당화하기 위해 필요하다.
좋은 미세조직 사진을 얻으려면 적절한 이미지 대비와 분해능, 전체 시야에 걸친 균일한 초점, 균일한 조명, 적절한 피사계 심도가 필요하다. 광원은 적절히 정렬되어야 하고, 시스템은 진동이 없어야 한다. 황록색 필터는 렌즈 결함 보정에 사용되어야 한다. 광학계는 깨끗해야 하고, 시야와 개구 조리개는 올바르게 조정되어야 한다. 현미경은 모델에 따라 다양한 방식으로 초점이 맞춰진다. 여러 필름 포맷을 사용할 수 있다(건판, 다양한 크기의 시트 필름, 35mm 롤 필름). 필름 면에서의 배율을 알아야 한다. 대물과 접안 렌즈 배율만 변수라면 간단한 절차지만, 줌 시스템이나 벨로우즈를 사용하면 더 어렵다. 스테이지 마이크로미터를 사용하여 실제 배율을 결정할 수 있다.
암실 또는 즉석 기술용 다양한 흑백 및 컬러 필름이 이용 가능하다. 이들 필름 제조업체는 필름 특성을 문서화한다. 흑백 필름은 일반적으로 낮은 비용으로 인해 사용된다. 더 나은 대비 제어를 보이고, 처리하기 쉽고, 컬러 필름보다 일반적으로 더 빠르다. 컬러 필름은 그 비용을 정당화하는 몇 가지 중요한 용도가 있다. 전통적 흑백 사진에서 네거티브 이미지가 먼저 생성되고, 적절한 종이에 미세조직의 포지티브 이미지를 생성하는 데 사용된다. 미세조직 사진은 수년간 명백한 변화 없이 지속된다. 네거티브 필름 선택은 이용 가능한 포맷, 색감도, 대비, 분해력, 속도, 입자도, 노출 및 현상 위도에 기반한다.
일부 흑백 필름은 가시 스펙트럼 전체에 민감하지 않다. 오크로마틱 필름은 주황색과 빨간색을 제외한 모든 색상에 민감하다. 팬크로마틱 필름은 모든 색상에 민감하지만 파란색을 강조하고 노란색을 약화시킨다. 노란색 필터로 이 색상 편향을 줄일 수 있다.
오크로마틱 필름은 암적색 조명 아래에서 현상할 수 있지만, 팬크로마틱 필름은 완전한 어둠이 필요하다. 오크로마틱 필름은 특히 황록색 필터를 삽입하여 렌즈 결함을 보정할 때 사진 현미경에 매우 좋다.
필름 속도는 조명이 어두울 때(편광, 간섭 대비, 어두운시야 조명 등)에서만 중요한 변수다. 오크로마틱 필름은 대부분의 구조에 적절한 중간 대비를 가진다. 하이컨트라스트 필름으로 대비를 강화할 수 있다. 필름의 분해력은 이미지의 미세한 세부사항을 기록하는 능력을 정의한다. 따라서 높은 분해력 필름이 바람직하다. 입자도는 에멀젼의 은 입자 크기, 사용된 현상액, 현상 시간과 온도에 의존한다. 고속 필름은 저속 필름보다 입자가 거칠어 확대하기에 덜 적합하다. 접촉 인화가 선호된다. 큰 필름 크기가 필요하지만 확대 시간을 절약한다. 더 나은 이미지를 생성하고 인화 배율 재결정을 없앤다. 미세입자 필름이 최상의 분해능을 제공한다.
네거티브가 노출되면 유용하고 인화 가능한 네거티브를 생성하는 허용 가능한 노출 범위가 있다. 넓은 노출 위도는 매우 가치 있다. 각 필름은 노출 시간과 농도 사이의 특성 관계 정보를 포함한다. 선택된 노출은 농도-시간 곡선의 선형 부분에 있어야 한다. 좋고 농도 높은 네거티브는 인화 중 일부 미세한 이미지 결함을 억제할 수 있다. 과소 노출된 네거티브는 인화를 크게 제한하고 일반적으로 열악한 인화를 초래한다. 네거티브 현상은 현상액, 정지액, 정착액 사용뿐만 아니라 세척과 건조를 포함하여 비교적 단순하다.
올바른 노출은 내장 노출계를 사용하여 가장 쉽게 결정된다. 이것이 없으면 테스트 노출 시리즈를 만들 수 있다. 이는 필름 슬라이드를 완전히 빼내고 필요하다고 판단되는 시간보다 상당히 짧은 시간 동안 필름 전체를 노출시켜 수행한다. 슬라이드를 다시 삽입하여 필름의 약 10~20mm를 덮고 노출을 반복한다. 이는 슬라이드가 완전히 삽입되어 필름을 덮을 때까지 점진적으로 반복된다. 현상 후 각 밴드의 네거티브 농도를 기반으로 올바른 시간을 평가할 수 있다.
또는 같은 속도의 즉석 필름을 사용하여 단계 노출을 수행하여 암실 시간을 절약할 수 있다. 대부분의 흑백 필름은 접촉 인화된다. 네거티브를 접촉 인화기에 에멀젼 면을 위로 하여 놓고, 적절한 종이를 에멀젼 면을 아래로 하여 네거티브 위에 놓는다. 인화기를 닫고 빛을 필름을 통해 종이에 통과시킨다. 인화지는 현상, 정지, 정착, 세척, 건조된다. 인화 대비는 종이 유형과 현상 시간으로 제어된다. 인화 대비 유형은 엑스트라 소프트(평탄)에서 엑스트라 콘트라스트(1~5등급)까지 다양하다. 3번 종이가 가장 자주 사용된다. 4번 종이는 대비를 높이고, 2번 종이는 대비를 낮추는 데 사용된다.
즉석 공정 필름은 암실 작업을 없애 공정을 단축한다. 폴라로이드 인화는 확산-전반전 공정을 사용한다. 필름이 노출 후 카메라에서 꺼내지면 현상이 시작된다. 필름을 카메라에서 뽑아내는 동작은 점성 부식성 현상액이 든 포드를 으깨 필름 위에 펴 바른다. 흑백 필름은 빠르게 현상되는 반면 컬러 인화는 약간 더 많은 시간이 필요하다. 일부 폴라로이드 필름은 매우 높은 속도를 가지며, 어두운 조명에서 이점이다. 일부 인화는 얼룩과 변색을 방지하기 위해 중화 안정제/보호 바니시로 코팅되어야 한다. 네거티브와 포지티브 인화를 생성하는 즉석 필름도 이용 가능하다. 이 네거티브는 정화되어야 하지만 암실은 필요하지 않다. 현미경에 사용되는 폴라로이드 필름은 모두 팬크로마틱이다. 롤 필름, 필름 팩, 시트로 이용 가능하다. 기존 습식 공정 필름보다 노출 시간을 더 정확히 제어해야 좋은 인화를 얻을 수 있다.
매크로 에칭 디스크나 파손 부품 같은 물체에 대한 검사와 사진 촬영이 자주 필요하다. 검사는 육안으로 또는 단순 확대경이나 입체 현미경의 도움으로 수행될 수 있다. 매크로 사진은 대부분의 카메라로 수행될 수 있으며, 클로즈업 렌즈 부착, 벨로우즈, 매크로 렌즈의 도움으로 가능하다. 많은 입체 현미경은 사진 촬영용 카메라를 장착할 수 있으며 일부는 입체 쌍을 촬영한다. 일부 제조업체는 매크로 사진용 카메라 스탠드를 제공한다. 일부 야금 현미경도 특정 유형의 매크로 사진을 수행할 수 있는 저배율 대물을 가진다.
매크로 사진은 1× 미만에서 50×까지의 배율을 사용한다. 대부분의 실험실, 특히 파손 분석에 종사하는 실험실은 촬영할 물체의 넓은 범위를 커버하기 위해 다양한 카메라, 광원, 입체 뷰어를 보유한다. 올바른 조명은 디테일을 강조하고 눈부심이나 반사 없이 균일한 조명을 제공하기 위해 필요하다. 조명 조정에는 약간의 실험과 경험이 필요하다. 이용 가능한 조명에는 플러드 램프, 링, 동축, 광섬유가 있다. 라이트 박스는 그림자 제거에 유용하지만 좋은 결과를 얻기 위해 상당한 창의성이 필요하다.
피사계 심도와 분해능은 중요한 변수다. 촬영할 많은 물체가 3차원적이어서 형태와 질감을 드러내기 위해 일정한 피사계 심도와 적절한 조명이 필요하다. 피사계 심도는 조리개 조리개 설정, 배율, 렌즈 초점 거리에 따라 변한다. 조리개를 조이면 피사계 심도가 개선되지만 이미지 밝기와 선명도가 감소한다. 피사계 심도는 배율이 감소하고 초점 거리가 증가함에 따라 증가한다. 5× 미만 배율에서는 100mm 이상의 초점 거리가 선호된다. 더 짧은 초점 거리 렌즈는 더 높은 배율에 사용된다.
제조공정
광통신 산업은 지난 10년간 인상적인 성장을 보였습니다. 시장 규모는 2020년에만 187억 달러로 평가되었으며 2028년까지 376억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다. 최근 몇 년간 이 산업의 인상적인 성장에 기여한 핵심 기술 중 하나는 CNC 가공입니다. 컴퓨터 수치 제어(CNC) 가공은 컴퓨터 코드를 사용하여 3D CAD 모델을 가공 부품으로 변환하므로 광통신 부품 제작에 매우 정확합니다. 이 글에서는 CNC 가공 정밀 광학 부품의 기초를 다룹니다. 또한 CNC 가공을 사용하여 제조할 수 있는 다양한 광통신 부품을 살펴봅니다.
품질은 기업 성공의 열쇠이며, 가공 산업은 제품 품질을 매우 중시합니다. 따라서 제품 전용 검사 도구가 특히 중요합니다. 오늘은 가공 산업의 검사 도구인 현미경, 주로 현미경 조작 방법과 유지보수를 소개하겠습니다. 현미경이란? 현미경 설계는 콤팩트하고 크기가 작으며 무게가 가볍습니다. 소형 기기 및 장비입니다. 두 부분으로 구성: 관측 현미경과 정밀 이동 크로스 테이블로, 지시값을 쉽게 읽을 수 있습니다. 가공 현장이 제한된 장소에서 사용 가능. 현미경은 정밀 부품 제조 산업에서 널리 사용됩니다. 주로 2차원 측정, 3차원 보조
