DIY microscope

우연히 광학장비를 얻게 되어서 이를 이용해 현미경으로 쓸 수 있게 꾸며보았습니다. 아래는 꾸며놓은 현미경 사진과 현미경으로 찍은 이미지 입니다. 

 

(left) DIY microscope, (right) image captured using the microscope

 

 

keyence 사의 VF-7510 제품을 얻었습니다. 현미경으로 작동할 뿐만 아니라 레이저를 이용해 샘플의 높낮이를 측정할 수도 있습니다. 전용 SW로 구동을 할 수 있다면 가장 좋겠지만 제가 얻은 장비는 PC가 제대로 작동하지 않아서 전용 SW로 구동해볼 수 없었습니다. PC도 장비와 같이 오래되서 PC를 살리려고 노력하기 보다는 부품들을 이용해 작동하게 만드는게 좋을 것 같아 일단 분해를 해서 어떻게 구성되었나 보았습니다. 안타깝게도 분해할 때 사진을 찍어두지는 않았네요. 

 

1. 구조

(left) from sample to image sensor, (right) from light to sample

현미경 구조는 간단합니다. 좌측 이미지와 같이 샘플의 이미지는 곧바로 위로 올라가서 image sensor에 들어가게 되어 있습니다. 중간에 있는 동그란 부분에 아마 렌즈가 들어가 있을 것 같은데 본드로 부착되어 있어 제가 분해할 수가 없었습니다. 분해하기 이전에는 mirror, beam splitter로 image sensor에 들어가게 구성되어 있습니다만 제가 떼어낸 상태입니다. 

 

 

laser beam path

profile 측정에 사용되는 laser beam path는 위와 같습니다. 

laser는 먼저 조리개를 통해 intensity가 조절되고 lens1을 통과합니다. lens1은 아마 레이저를 평행광으로 만들어주는 역할을 할 것 같네요. 평행광이 된 laser는 mirror1, 2를 통해 path가 조정됩니다. mirror1은 고정되어 있고, mirror2는 motor와 연결되어 있어 회전이 가능합니다. profile 측정시 beam 위치 조정을 위해 motor가 부착되어 있는 것으로 보입니다. lens2는 어떤 역할을 하는지 정확하게는 모르겠습니다. spot size를 작게 만들기 위해 있지 않을까 싶은데 알 방법이 없네요. 이후에 beam은 가장 왼쪽에 있는 beam splitter를 통해 objective로 입사되고, 샘플에 도달하게 됩니다.

 

 

샘플에서 산란된 laser는 다시 objective lens를 통해 광학계로 들어옵니다. 들어갔던 path와 같게 올라와서 prism에서 반사된 후 detector에 들어갑니다. 

 

2. 개조

먼저 현미경으로 쓸 수 있도록 카메라를 달아야 했습니다. 기존에 있던 이미지 센서는 connector도 마땅치 않고 모델명도 모르기 때문에 쓰기는 어려웠기 때문에 집에 있던 USB카메라를 사용했습니다. USB 카메라에 내장되어 있는 렌즈를 빼서 이미지 센서만 써보려고 했습니다만 위치를 아무리 조정해도 해도 상이 맺히지가 않아서 USB 카메라의 렌즈를 그대로 사용했습니다. 3D 펜을 이용해 USB 카메라를 현미경에 고정했습니다. 외부에서 들어오는 빛의 양을 줄이기 위해 3D펜으로 만든 구조물이 가능한 주변을 둘러 싸도록 만들었습니다. 특히나 오른쪽 이미지와 같이 beam splitter를 통해 외부의 빛이 곧바로 반사되어 들어오는 것을 방지하기 위해 beam splitter 앞을 가리도록 만들었습니다. 

일반적으로 터렛 방식으로 objective lens를 돌릴 수 있으면 working distance가 같게 맞추어져 있습니다. USB 카메라를 썼을 때도 그렇게 만들고 싶었지만 성공하지는 못했습니다. 덕분에 objective lens를 바꿀경우 샘플을 위아래로 움직여서 초점을 다시 맞춰줘야 합니다. 그리고 USB 카메라도 manual knob를 이용해 배율/초점 거리를 변경할 수 있어 광학계 자체는 기존의 설계 대비 상당히 틀어진 상태로 사용하게 됩니다. 특히나 고배율로 갈 경우 distortion이 커집니다.

 

 

USB 카메라에도 조명이 부착되어 있어 이를 이용하면 샘플을 볼 수 는 있지만 illumination의 퀄리티가 좋지 않습니다. 몇 가지 안 좋은 사항이 있는데 i) USB 카메라의 가장자리에 조명이 부착되어 있어 image의 가운데는 어둡고 주변부만 밝게 나오게 되고, ii) 조명이 샘플만 비추는 것이 아니라 카메라 주변도 비추기 때문에 산란광이 너무 많이 들어오게 됩니다. 

이를 개선하기 위해 현미경의 illumination path를 활용했습니다. 기존 제품은 controller에 부착되어 있는 ramp에서 빛이 나오고 이 빛을 optical fiber를 통해 현미경 뒷부분에 부착하여 내부 illumination path에 연결해줍니다. 저는 단순히 LED 조명을 글루건으로 optical fiber에 부착하여 ramp만 LED로 대체하여 현미경의 illumination path를 활용하였습니다. 

 

 

일단 개조한 것은 여기까지입니다. 모터와 레이저까지 구동할 수 있으면 profile측정까지 할 수 있을 것 같습니다만 제가 보드에 대한 지식이 없다보니 좀 많이 어려울 것 같네요.

 

다음은 샘플 마련한 것과 이를 측정한 것에 대한 글을 써보도록 하겠습니다.