공구 현미경


1. 공구현미경의 구조

 공구 현미경은 정밀 측정상의 오차를 줄이기 위해 고정된 현미경과 측정 대상물을 올려놓는
이동 테이블로 이루어져 있으며, 테이블은 2개의 마이크로 미터 헤드에 의해 전후, 좌우 각각의
좌표 방향 이동이 가능하도록 십자로 핸들이 설치되어 있어 각도 및 극좌표 측정을 할 수 있다.



2. 현미경 용어

2.1 개구수(NA)

 NA 수치는 대물렌즈의 분해능을 나타내므로 중요합니다.
NA값이 클수록 정밀하게 부분을 관찰할 수 있습니다.
렌즈의 NA가 클수록 고해상이며 NA 값이 작은 렌즈보다 빛을 더 모아 초점심도가 얕고 더 밝은
이미지를 제공합니다.
  NA = n x sin θ
n은 대물렌즈 끝과 시료와의 사이의 매개 물질이 갖는 굴절률로 공기일때 n= 1.0 이 됩니다.
θ 는 대물렌즈의 가장 바깥쪽을 통과하는 광선과 렌즈의 중심(광축) 이 이루는 각도입니다.

2.2 분해능(R)

 분해능 한계를 나타내는 2개 이미지 점사이의 최소 검출 가능거리.
분해능(R)은 개구수(NA)와 조명의 파장 (λ) 으로 결정한다.


    R (μm) = λ / (2 x NA)
    λ = 0.55 μm 가 기준 파장으로 많이 사용된다.


2.3 작동거리(W.D)

 초점이 맞았을 때의 시료 상면에서 부터 대물렌즈 끝까지의 거리를 말한다.


2.4 동초 거리 (동일초점 거리)

 초점이 맞았을 때의 시료 상면에서부터 대물렌즈 부착위치까지l의 거리를 말한다.


2.5 무한원 보정 광학계

 대물 렌즈와 결상(튜브)렌즈를 이용해 상을 만드는 광학계를 무한 원보정 광학계라고 한다.


2.6 유한광학 시스템

 대물 렌즈를 사용하여 유한 위치에 중간 이미지를 형성하는 광학 시스템
대물 렌즈를 통과한 측정물의 빛은 중간 이미지 평면 (접안렌즈의 앞쪽 초점 평면에 위치)으로
전달되어 이 평면에서 한 점으로 모입니다.

2.7 초점거리(f)

 주점으로 부터 초점까지의 거리로,
f1 은 대물렌즈의 초점거리, f2 는 결상(튜브) 렌즈의 초점거리 입니다
배율은 대물렌즈의 초점 거리와 결상(튜브) 렌즈의 초점 거리의 비율로 정해집니다.
무한원 보정 광학계인 경우)
대물렌즈배율 = 결상(튜브) 렌즈의 초점 길이 / 대물 렌즈의 초점 길이
  예：1 X = 200 / 200 , 10X = 200 /20


2.8 초점

 광학계에서 무한원물점에 대한 공액점 이다.
물체 공간에 무한원물점이 있는 경우의 초점을 상초점이라고 하며, 상공간에 무한원물점이 있는
경우의 초점을 물체 초점이라고 한다.
물체 초점을 전측 초점, 상초점을 후측 초점이라고 한다.


2.9 초점 심도(DOF)

 현미경으로 초점을 맞췄을 때 그면의 전후로 핀트 면을 이동해도
여전히 선명하게 보이는 범위를 말한다.
개구수가 클수록 초점 심도는 얕아집니다.
 DOF = λ / { 2 x (NA)2} , λ = 0.55 μm 가 기준 파장으로 사용됩니다
  예) M Plan Apo 100X 렌즈의 경우 (NA = 0.7 ) 이 대물렌즈의 초점심도는 다음과 같다.
 DOF = 0.55 μm { 2 x (0.7)2} = 0.6 μm


2.10 명시야 조명 및 암시야 조명

 명시야 조명은 대물 렌즈를 통해 수직으로 조명해 시료를 관찰하기 위한 조명 방법이다.
암시야 조명은 대물렌즈의 바깥쪽으로부터 시료를 조명해 (광축에대해 기울어진 광선으로
시료를 조명함)흠집이 없는 평평한 부분은 암흑으로 요철이나 흠집이 있는 부분만이 밝게
빛나게 하여 관찰하기 위한 조명방법 이다.


2.11 아포크로마트 대물렌즈 및 아크로마트 대물렌즈

 아포크로마트 대물 렌즈는 세가지 색의 빛 (빨강, 파랑, 노랑)에 대해 색 번짐을 보정한 렌즈이다.
아크로마트 대물 렌즈는 두가지 색의 빛(빨강, 파랑0 에 대해 색 번짐 보정을 한 렌즈입니다


2.12 배율

 광학계에 의해 만들어진 확대된 물체의 이미지와 물체간의 크기 비율이다.
횡배율, 종배율, 각배율이 있는데 일반적으로는 횡배율을 말한다.


2.13 주광선

 광축외의 물점으로부터 나와 렌즈계의 개구 조리개의 중심을 통과하는 광선이다.


2.14. 조리개

 렌즈 시스템을 통과하는 빛의 양을 제어하는 조정식 원형 개구이다.
그 크기는 이미지 밝기와 초점 심도에 영향을 미칩니다.


2.15 시야조리개

 광학 기기의 시야를 제어하는 조리개이다.


2.16 텔레센트릭 시스템

 주광선이 초점을 통과하도록 배치된 광학계로, 초점 맞춤의 오차에 따라 결상 배율에 변화가
생기지 않습니다


2.17 정립상

 상하 좌우방향 및 이동방향이 재물대 위의 측정물 방향과 동일한 상을 말한다.


2.18 시야수 (F/N. = Field Number 의 약자)

 실제시야, 모니터 배율 표시
시료면의 어느 정도의 범위까지 관찰되는지는 접안렌즈의 시야조리개의 직경에 따라 결정되며,
이직경을 mm로 나타낸 값을 시야수라고 한다.
실제 시야는 실제로 대물렌즈로 확대 관찰할 때의 물체 면에서의 범위를 말한다.
실제 시야는 아래식으로 산출할 수 있다.

  1. 현미경으로 관찰할 수 있는 측정물의 범위(직경)
     실제시야 = 접안렌즈의FN / 대물렌즈배율
     예：IX 렌즈의 실제시야는 24 = 24 / 1
     10X 렌즈의 실제시야는 2.4 = 24 / 10
  2. 모니터 관찰 범위
     모니터관찰범위 = 카메라 촬상 소자의 크기(대각선 길이) / 대물렌즈 배율
     촬상 소자의 크기
    3. 형식 대각선 길이 길이 높이
    1/3 6.0 4.8 3.6
    1/2 8.0 6.4 4.8
    2/3 11.0 8.8 6.6
  3. 모니터 표시 배율
     모니터표시배율 =
      대물렌즈 배율 x ( 모니터상의 표시 대각선 길이 / 카메라 촬상 소자의 대각선 길이)

3. 공구현미경을 이용한 길이 및 내경측정

3.1 측정용 시편의 도면 준비

3.2 측정 준비

  1. 공구현미경에 전원을 넣는다.
  2. 회전 테이블의 중앙에 피측정물을 올려놓는다.
  3. 지주의 상하 조정 핸들을 이용하여 초점이 선명하도록 조정한다.
  4. 좌우 이송 핸들을 돌려서 테이블의 X축 운동 방향과 접안 렌즈 십자선의 X축을 평행시킨다.
  5. 도면에서 측정기준면이 어디인지 확인하여 공구 현미경의 X, Y축에 일치시킨다.

3.3 길이 측정

  1. 접안경의 중앙에 가로 놓인 점선을 기준으로 하여 물체를 회전 테이블 위에 넣고,
     피측정물의 측정할 면과 테이블의 가로 이동 방향을 마이크로미터에 의해 오른쪽, 왼쪽으로
     움직이면서 테이블의 이동 방향과 일치시킨다.
  2. 측정 위치를 접안경 시야 내의 점선에 일치시켜 마이크로미터를 읽고,
     또 다른 측정 위치로 테이블을 이동시키고 마이크로미터를 읽으면 그 값의 차이가 길이 A가 된다.

3.4 내경측정

  1. 영상에 의한 경우는 그림과 같이 십자선의 위치를 구멍 면에 정확히 접근시켜 최대 위치를
    정확히 구한다.
  2. 필러(feeler)식 현미경에 의한 측정은 측정자가 내경의 최대 위치에 배치한다.
  3. 그림과 같이 테이블을 전후 방향으로 살며시 움직였을 때 이중선의 움직임이 반전하는
    위치에서 마이크로미터의 눈금을 읽는다.
  4. 구멍의 직경 D= L+ d 이다.
  5. 위와 같은 방법으로 내경 B, C를 측정한다.

(a) 영상에 의한 내경측정 (b) 필러식에 의한 내경측정

3.5 중심간 거리 측정

  1. 각도 접안경을 사용하여 구멍의 가장자리 좌표 a, b, c, d, e, f, g, h를 측정한다.[그림10-6]
  2. 중심 거리 D, E를 다음 식으로 구한다.
  3. 정리 정돈한다.

접안경에 의한 중심간 거리 측정