如何制造太阳显微镜

如今，我们把能让我们仔细观察微小物体的仪器视为理所当然。但在 18 世纪，显微镜是城里最热门的聚会小玩意。

那时，英国的知识分子会举行友好的社交聚会，即科学派对。在优雅的家中，男男女女一边喝咖啡和茶，一边讨论科学，观看最新发现和想法的演示。

例如，伟大的化学家汉弗莱·戴维（Humphry Davy）——他最终发现了钠、钾、钙和镁等多种元素——会举行喧闹的聚会，参加者轮流吸入一氧化二氮（今天被称为笑气），结果可想而知是令人陶醉的。

大多数科学聚会都比戴维的要严肃一些。通常，这些聚会涉及识别当地植物或在黑暗的天空中寻找流星和彗星。另一种流行的消遣是建造和使用高压静电设备，例如威姆斯赫斯特机和莱顿瓶。

但或许科学界的女王是太阳显微镜。太阳显微镜最早发明于 1750 年左右，在随后的几十年里越来越受欢迎。这种仪器的工作原理与 20 世纪 70 年代的老式幻灯片投影仪非常相似。然而，在照明方面，太阳显微镜不使用尚未发明的灯泡，而是依靠可移动的镜子和透镜系统来反射阳光。然后，该设备将微观标本的更大图像投射到黑暗房间的墙壁上。

虽然太阳显微镜曾经非常流行，但现在却几乎被遗忘，研究它们的少数科学史学家对它的评价也褒贬不一。有些人认为这种仪器只是一种玩具，没有太多的科学遗产，是一种专为业余爱好者和修补匠设计的设备。另一些人则认为这种设备很重要，通过提供以前从未见过的事物的图像，激发了人们对科学的兴趣。它们向人们展示了微观世界既有趣又重要，迫使他们拓展想象力。

在了解了这个神奇的小仪器的历史和科学原理后，我决定自己做一个。我无法轻易找到大量关于建造太阳显微镜的信息，但通过反复试验——以及阅读我获得的有限材料——我想出了一个效果很好的 DIY 设备。此外，通过添加一些现代的改动，我的版本更容易组装和使用。

当我把准备好的植物细胞和昆虫部分的载玻片放入太阳显微镜时，它们看起来就像启蒙时代科学聚会的参与者声称的那样。虽然我以前也用普通光学显微镜观察过微小的物体，但看到由我自己制造的机器投射的大而清晰的图像，还是非常令人满意的。

我认为这种仪器是宏观和微观之间的桥梁。由于太阳作为光源，太阳显微镜结合了对立面：微小变成了巨大，非常黑暗变成了稍微明亮。最奇怪的是，天文学变成了生物学。

建造太阳显微镜

制作太阳显微镜并不特别困难，但确实需要使用一些木工工具。根据您以合理价格找到二手零件的能力，成本应该低于 50 美元。

统计资料

• 时间：约16小时
• 费用：约50美元
• 难度：中等

工具

• 带 1/8 英寸、5/32 英寸和 5/16 英寸钻头的电钻
• 木凿
• 木胶
• 胶水
• 三个木胶夹
• 砂纸，切成 1 英寸宽的条状
• 孔锯，直径 1¾ 英寸
• 锤
• 美工刀
• 如果你不依赖太阳能：高强度手电筒
• 如果你依赖太阳能：油漆安全胶带

材料

太阳显微镜的精确尺寸取决于您选择的投影镜头。这些计划基于 102 毫米和 f 2.8 的柯达 Ecktanar 投影镜头，其最宽处厚度略大于 2 英寸。这种镜头非常常见，您可以在 eBay 等网站上以相当便宜的价格找到二手版本。如果您最终选择了不同的镜头，那么重要的是要意识到盒子的尺寸会发生变化。镜头的直径会影响木板的宽度，而其焦距会影响木板的长度。

• 两块椴木或杨木板，宽 2¼ 英寸，长 13 英寸，厚 ¼ 英寸（您可以使用带锯轻松地将椴木或杨木板切割成合适的尺寸。如果没有带锯，只要小心谨慎，也可以使用手锯。）
• 两块椴木或杨木板，3 英寸宽、13 英寸长、¼ 英寸厚
• 八个直径为 ¼ 英寸的 T 型螺母（T 型螺母在任何五金店都有售，可用于将螺栓插入平坦的木质表面。每个螺母都由一个螺纹体和顶部的法兰组成，因此从侧面看，它类似于 T 形。）
• 幻灯片投影仪的投影镜头，例如 Kodak Ecktanar 102 毫米镜头
• 四个 ¼ 英寸翼形螺钉，½ 英寸长
• 四个 ¼ 英寸翼形螺钉，1 英寸长
• 两个 10 号螺栓，2 英寸长，每个螺栓均配有螺母和垫圈
• 两块木方块，尺寸为 2.3/16 英寸 x 2.7/16 英寸 x 3/4 英寸厚
• 一块方形木块，尺寸为 2.3/16 英寸 x 2.7/16 英寸 x 1/4 英寸厚
• 两个平凸聚光透镜，直径为 50 毫米（撰写本文时，亚马逊、Aliexpress 和 eBay 均以低于 10 美元的价格出售此类透镜。如果找不到合适的透镜，请用双凸透镜（例如小放大镜的透镜）代替两个平凸透镜，以获得类似的效果，而图像亮度仅会略有下降。）
• 如果你依赖太阳能：圆形镜子，直径 2.5 英寸
• 如果您依赖太阳能：安装在万向节上的放大镜（这是您在连接到焊接站或“助手”的放大镜上看到的接头类型。）
• 如果你依赖太阳能：不透明黑布

指示

太阳显微镜由四部分组成：投影镜头、将组件固定在正确位置的盒子、聚光镜头和太阳反射器或高强度手电筒。后者取决于您是否决定利用太阳作为光源。

阳光是一种不可靠且挑剔的照明源，因此我建议您首先使用手电筒尝试这个项目。如果可行，那么您可以购买太阳能反射器的零件，组装它，并将其连接到完成的显微镜上。

购买投影镜头

虽然可以用单个镜头制作投影镜头，但直接购买二手投影镜头要容易得多，也便宜得多。从 20 世纪 60 年代到 90 年代，幻灯机非常流行，现在大多数都闲置在地下室和阁楼里。这意味着以几乎是免费的价格找到高质量的幻灯机镜头并不难。

在制作盒子之前测量投影镜头的直径，以确保它适合盒子。如果镜头太大，可以使用更宽的木块来增加盒子的尺寸。

构造盒子

为了将所有组件固定在一起，您需要构建一个可以容纳它们的木箱。

首先，您需要在 3 英寸宽的木板上切出一个槽，形成一个用于放置标本载玻片的开口。要进行切割，您需要配备 1/8 英寸钻头的电钻、凿子和砂纸条。

首先钻出一系列孔，使它们形成一条 1.1/8 英寸长的线。然后用凿子清除孔之间的木头。结果会参差不齐，因此要将其打磨平整：将 1 英寸宽的砂纸条穿过开口，打磨掉粗糙的部分。

接下来，在每块 3 英寸宽的木板上钻四个 5/16 英寸的孔，按照箱体组装图所示放置。将 T 型螺母放在孔上，然后用锤子敲入。

现在您已经准备好 3 英寸宽的木板，您可以将它们安装到 2¼ 英寸宽的木板上以组装盒子。

在 3 英寸宽的木板边缘涂上胶水，然后将其压在 2¼ 英寸宽的木板上。然后在胶水干燥时将组件夹紧到位，这大约需要一个小时。

移除夹子后，插入翼形螺钉。1 英寸长的螺钉应插入最靠近插槽的 T 形螺母中，½ 英寸长的螺钉应插入另一端的 T 形螺母中。

制作聚光镜

为了形成明亮的图像，反射镜或闪光灯发出的阳光必须聚焦或聚集在要投射的图像上。聚光透镜通常由两个略微分开的平凸透镜组成，并排列在以下组件中。

要制作聚光镜，首先找到并标记每个木块的中心。在三块木块上各钻一个 1¾ 英寸的孔，以刚刚标记的中心为中心。

接下来，对于两个 ¾ 英寸厚的方块，使用美工刀在钻孔的一侧雕刻一个边缘。雕刻必须足够深，以防止每个镜片突出木材表面的平面。

将三个聚光镜头片一个叠在另一个上面，然后在组件的对角钻两个 5/32 英寸的孔。

将镜片放入支架内，如聚光镜图所示。然后将 10 号螺栓穿过孔。插入垫圈并拧紧螺母。

将组件放入木箱内，确保其能顺利滑入。如果聚光镜在任何时候卡住或卡住，请打磨掉木制镜头支架上的一些材料，直到它能轻松移动。

拼凑太阳反射器

如果您决定使用阳光为显微镜供电，则需要将这些光线引导到聚光镜，然后穿过载玻片标本。这需要一个太阳能反射器。为了方便将反射器连接到显微镜上，我用放大镜和万向接头制作了一个反射器。

你可以通过拆开所谓的“辅助手”或“第三只手”来制作一个便宜的太阳能反射器，这是一种在焊接电气连接时用来将零件固定到位的装置。这些便宜的装置（在 Harbor Freight 工具店售价约 5 美元）通常包括一个末端带有万向节的小型放大镜。

取下放大镜镜头并将一面小镜子粘在镜头上，如上图所示。

现在您可以将太阳能反射器安装到您的项目中。万向节可让您快速调整角度，以便更好地将光线反射到太阳能显微镜中。

组装零件

一旦组件完成，您就可以将它们组装成太阳显微镜。

首先将投影镜头插入盒子，最靠近幻灯片支架槽的一端。轻轻拧紧翼形螺钉以将投影镜头锁定到位，确保光线可以沿着与盒子开口面垂直的线穿过镜头。

将聚光镜插入盒子的另一侧。拧紧翼形螺钉。

使用显微镜

将太阳显微镜放入黑暗的房间，将投影镜头对准约 10 英尺外的白色墙壁或屏幕。将载有标本的载玻片插入插槽并将其置于中央。现在，用手电筒（越亮越好）照射盒子的聚光器端。将镜头和标本载玻片对齐，使光线居中并垂直于镜头和载玻片的表面。

您可能需要调整投影镜头或聚光镜的位置以实现清晰对焦。为此，请松开翼形螺钉并前后移动镜头和镜头支架，直到图像清晰对焦。

根据镜头焦距和投影镜头与屏幕之间的距离，您可以获得至少 25 倍的放大倍数。通过将太阳显微镜移离屏幕，您可以将放大倍数增加到 50 倍甚至更高。但请注意，这样做也会使图像变暗。

如果你不介意使用手电筒或其他人造光源，那么一切就绪了。但是，如果你真的想举办一场科学派对，你就必须利用太阳。要做到这一点，你需要将太阳显微镜的一端放在室外明亮的光线下，而另一端指向黑暗的房间。

实现此效果的一种常见方法是打开窗户。将太阳显微镜放置在聚光镜末端可以捕捉阳光的位置，而投影镜末端指向暗室。要将亮区与暗区完全分开，请使用一块不透明的黑布和一些防漆胶带遮挡外部光线。

将太阳显微镜安装到窗户上后，取出之前制作的太阳反射器，检查组件开口端的鳄鱼夹。您可以使用它们将镜子连接到太阳显微镜的聚光镜端。调整镜子的角度，使其通过镜头和显微镜载玻片反射阳光。它应该将图像投射到黑暗房间内的白色屏幕上。获得明亮的图像后，您可以通过改变屏幕和显微镜镜头之间的距离来调整图像的大小及其焦点。