실체 현미경

섬네일
실체 현미경(stereo microscope), 입체 현미경, 수술용 현미경, 또는 해부 현미경은 시료를 저배율로 관찰하기 위해 설계된 광학 현미경의 한 종류로, 일반적으로 빛이 시료를 투과하는 대신 표면에서 반사되는 방식을 사용한다. 이 기구는 두 개의 독립적인 광학 경로와 두 개의 대물렌즈 및 접안렌즈를 사용하여 왼쪽과 오른쪽 눈에 약간 다른 시야각을 제공한다. 이러한 배열은 복잡한 표면 지지학을 가진 고체 시료의 상세한 검사를 위해 삼차원 시각화를 제공한다. 실체 현미경의 일반적인 배율 범위와 용도는 매크로 사진과 겹친다.

실체 현미경은 종종 고체 시료의 표면을 연구하거나 해부 (생물학), 미세 수술, 시계 제조, 회로 기판 제조 또는 검사, 그리고 파괴 역학 및 법의 공학과 같은 파괴 표면 검사와 같은 정밀 작업을 수행하는 데 사용된다. 따라서 제조 산업에서 제조, 점검 및 품질 관리를 위해 널리 사용된다. 실체 현미경은 곤충학에서 필수적인 도구이다.

 역사 
1671년 셰뤼뱅 도를레앙이 두 개의 독립적인 광학 경로를 가진 쌍안 현미경을 설계하고 제작했지만, 최초의 실용적인 실체 현미경은 1892년 미국의 동물학자 호레이쇼 새턴스톨 그리너프에 의해 설계되었고, 1896년 독일 예나의 자이스에서 상업적으로 판매되었다. 그리너프의 발명은 이냐치오 포로가 고안한 프리즘 배열을 기반으로 하여 입체감과 질감을 제대로 보여주었다.

섬네일|left|칼 자이스 예나의 1896년 그리너프형 실체 현미경
그리너프는 매사추세츠주 보스턴의 엘리트 가문에서 유명한 조각가 호레이쇼 그리너프 시니어의 아들로 태어났다. 생계의 압박 없이 그는 과학 분야에서 경력을 쌓기 위해 프랑스로 이주했다. 국립자연사박물관의 전 관장이었던 조르주 푸셰가 이끄는 브르타뉴 해안의 콘카르노에 있는 해양 관측소에서 그는 당시의 새로운 과학적 이상, 즉 실험에 영향을 받았다. 죽은 시료와 준비된 시료의 해부가 동물학자, 해부학자, 형태학자의 주요 관심사였지만, 그리너프가 콘카르노에 머무는 동안 살아있는 유기체와 발달 중인 유기체에 대한 실험에 대한 관심이 다시 살아났다. 이러한 방식으로 과학자들은 화석화된 2차원 시료의 연속이 아닌, 실제로 배아 발달을 연구할 수 있었다. 발달 중인 무척추동물 해양 배아의 3차원적 특성과 상대적 크기를 제대로 보여주는 이미지를 얻기 위해서는 새로운 현미경이 필요했다. 이전에도 셰뤼뱅 도를레앙과 피터 하르팅과 같은 사람들이 실체 현미경을 만들려는 시도가 있었지만, 광학적으로 정교한 것은 없었다. 더욱이 1880년대까지는 그러한 낮은 해상도의 현미경이 필요한 과학자가 없었다.

그리너프는 행동에 나섰고, 콘카르노 동료 로랑 샤브리가 살아있는 배아를 돌리고 조작하기 위한 복잡한 메커니즘을 구축하려는 시도에 영향을 받아 자신만의 기구를 고안했다. 찰스 휘트스톤의 깊이 인식의 원인으로서 양안시에 대한 최근 발견을 바탕으로, 그리너프는 입체시 현상을 염두에 두고 자신의 기구를 설계했다.

 광학 설계 
그리너프 설계는 단일 물체에 초점을 맞춘 두 개의 독립적인 대물렌즈를 사용한다. 대부분의 현대 실체 현미경은 단일 공통 주 대물렌즈를 사용하는 쌍안 설계를 사용하며, 현미경 본체 내에서 각 눈에 대한 광경로가 평행하여 배율을 불연속적 또는 연속적으로 변경하기 용이하다.

섬네일|right|upright=0.7|과학산업박물관 (시카고)의 웬햄형 양안 관찰 장치가 장착된 현미경 (c.1880)
실체 현미경은 이중 접안렌즈와 양안 관찰 장치가 장착된 복합 현미경과 혼동해서는 안 된다. 1860년경 프랜시스 허버트 웬햄에게 공로가 있는 설계로 처음 대중화된 이러한 현미경에서는 대물렌즈 뒤에서 확대된 이미지가 프리즘을 사용하여 분할되며 양쪽 눈은 동일한 이미지를 본다. 양안 관찰 장치는 1910년대 옌츠와 지덴토프에 의해 루프 프리즘을 사용하여 개선되었다. 이러한 설계에서 두 개의 접안렌즈는 더 나은 시야를 제공하는 데 사용된다. 그러나 이러한 현미경의 이미지는 단일 단안 접안렌즈로 얻은 이미지와 다르지 않다.

작업 거리
이러한 유형의 현미경에서는 넓은 작업 거리와 깊은 심도가 중요한 특성이다. 두 가지 특성 모두 해상도와 반비례한다. 즉, 해상도가 높을수록(두 인접한 점을 별개로 구별할 수 있는 거리가 클수록) 심도와 작업 거리가 작아진다.

저배율에서 넓은 작업 거리는 아래에서 논의된 바와 같이 특히 광섬유 조명을 사용하여 파괴 표면과 같은 큰 고체 물체를 검사하는 데 유용하다. 이러한 시료는 관심 지점을 결정하기 위해 쉽게 조작할 수도 있다. 최적의 작업 거리는 약 이다.

배율
일부 실체 현미경은 최대 100배의 유용한 배율을 제공할 수 있는데, 이는 일반 복합 현미경의 10배 대물렌즈와 10배 접안렌즈의 조합에 해당한다. 그러나 이는 복합 현미경의 최대 유용한 해상도의 약 10분의 1에 불과하며, 복합 현미경은 최대 500~1000배까지 가능하다. 실체 현미경의 전체 배율에 대한 실질적인 상한은 약 60배이다. 그리너프 설계에서 상한은 두 대물렌즈 사이의 물리적 분리를 유지해야 할 필요성에서 기인한다.

실체 현미경의 배율은 고정될 수도 있고, 불연속적 또는 연속적인 범위 내에서 가변적일 수도 있다. 고정 배율의 경우, 주 배율은 특정 배율을 가진 쌍을 이룬 대물렌즈 세트에 의해 달성된다.

불연속적인 배율 변경은 갈릴레오의 "갈릴레이 광학 시스템"으로 알려진 시스템을 통해 이루어질 수 있다. 여기서 고정 초점 볼록 렌즈 배열은 고정 배율을 제공하는 데 사용되지만, 동일한 광학 부품이 동일한 간격으로 물리적으로 반전될 경우, 여전히 고정된 다른 배율을 초래한다는 중요한 차이가 있다. 이를 통해 한 세트의 렌즈로 두 가지 다른 배율을 제공할 수 있으며; 두 세트의 렌즈로 하나의 드럼에서 네 가지 배율을 제공할 수 있고; 세 세트의 렌즈로 여섯 가지 배율을 제공하면서도 하나의 드럼에 장착할 수 있다. 실제 경험에 따르면 이러한 갈릴레이 광학 시스템은 훨씬 더 비싼 줌 시스템만큼 유용하며, 아날로그 눈금을 읽을 필요 없이 사용 중인 배율을 정해진 값으로 알 수 있다는 장점이 있다. (원격 위치에서는 시스템의 견고함 또한 무시할 수 없는 장점이다.)

다른 하나는 줌 또는 팬크래틱 배율이며, 이는 정해진 범위 내에서 연속적으로 가변적인 배율을 제공할 수 있다. 줌 시스템은 특정 배율 요소만큼 총 배율을 증가시키는 보조 대물렌즈를 사용하여 추가 배율을 달성할 수 있다. 또한, 고정 및 줌 시스템 모두에서 접안렌즈를 변경하여 총 배율을 변경할 수 있다.

left|섬네일|디지털 이미징 카메라와 광섬유 조명을 장착한 실체 현미경을 사용하는 과학자
조명
고전적인 복합광학 현미경은 투과 (투과식) 조명을 사용하며, 이는 검사 대상 물체를 통해 빛이 투과되는 방식이다. 즉, 시료는 종종 투명하거나 반투명하다. 대조적으로, 실체 현미경은 주로 반사광 또는 입사 조명을 사용하며, 이는 물체의 표면에서 반사되는 빛이다. 물체에서 반사된 빛을 사용하면 투과식 조명에는 너무 두껍거나 불투명한 시료를 검사할 수 있다. 일부 실체 현미경은 투과광 조명도 가능하며, 일반적으로 물체 아래 투명한 스테이지 아래에 전구나 거울이 있지만, 복합 현미경과 달리 대부분의 시스템에서는 투과 조명이 집광기를 통해 초점을 맞추지 않는다. 특수 조명 장치를 갖춘 실체 현미경은 반사광 또는 투과광을 사용하여 암시야 현미경에 사용할 수 있다.

섬네일|조명된 나비 표본이 있는 실체 현미경

작은 시료는 특히 고배율에서 강한 조명을 필요로 하며, 이는 일반적으로 광섬유 광원에 의해 제공된다. 광섬유는 주어진 전력 입력에 대해 높은 광 출력을 제공하는 할로젠등을 사용한다. 램프는 현미경 근처에 쉽게 장착할 수 있을 만큼 작지만, 전구에서 발생하는 높은 온도를 완화하기 위해 종종 냉각이 필요하다. 광섬유 스토크는 시료에 적합한 조명 조건을 선택하는 데 작업자에게 많은 자유를 준다. 스토크는 이동 및 조작이 쉬운 칼집에 싸여 있어 원하는 위치로 조작할 수 있다. 스토크는 조명 끝이 시료 근처에 있을 때 일반적으로 눈에 거슬리지 않으므로 현미경 이미지에 방해를 주지 않는다. 파괴 역학 중 표면 특징을 강조하기 위해 파괴 표면 검사에는 종종 사선 조명이 필요하며, 광섬유 조명은 이러한 목적에 이상적이다. 여러 개의 이러한 조명 스토크를 동일한 시료에 사용할 수 있어 조명을 더욱 증가시킬 수 있다.

해부 현미경 조명의 최근 발전에는 고출력 LED의 사용이 포함되는데, 이는 할로겐 램프보다 훨씬 에너지 효율적이며 다양한 색상의 빛 스펙트럼을 생성할 수 있어 생물학적 시료의 형광체 분석에 유용하다(할로겐 또는 수은 증기 광원으로는 불가능).

디지털 디스플레이

섬네일|9인치 HD LCD 스크린, HDMI 비디오 출력, X/Y 디지털 마이크로미터 및 이동식 스테이지가 장착된 라보메드 LB-343 5.0 MP 디지털 실체 측정 현미경
비디오 카메라는 일부 실체 현미경에 통합되어 확대된 이미지를 고해상도 모니터에 표시할 수 있다. 큰 디스플레이는 기존 현미경을 장시간 사용하여 발생하는 눈의 피로를 줄이는 데 도움이 된다.

일부 장치에서는 내장 컴퓨터가 두 대의 카메라(접안렌즈당 한 대)에서 받은 이미지를 빨강/청록 안경으로 볼 수 있는 3D 애너글리프 이미지나 투명 안경과 향상된 색상 정확도를 위한 스테레오스코픽 이미지로 변환한다. 그 결과는 안경을 착용한 그룹이 볼 수 있다. 더 일반적으로는 단일 카메라를 접안렌즈 중 하나에 부착하여 2D 이미지를 표시한다.

 같이 보기 
 법의 공학
 파괴 역학
 주사 전자 현미경
 수술 현미경
 현미경

 각주 

 추가 자료 
 

분류:현미경