Небольшой и доступный проект по сборке лазерного сканирующего микроскопа на основе двух оптических головок и многофункционального инструмента “Analog Discovery”. Одно из преимуществ такого микроскопа в возможности выравнивания лазерного пятна относительно изучаемого образца с точностью до микрометра.
Снимок кристалла микросхемы фотодетектора
▍ Что потребуется
- оптическая головка x2;
- я использовал модель “HOP-150X”, которая на AliExpress стоит всего 3$;
- можно взять и другие головки с известным способом управления, например “PHR-803T”;
- Analog Discovery 2 x1;
- думаю, подойдет и первая версия Analog Discovery;
- резистор 100Ω x2;
- резистор 470Ω x2;
- кабеля;
- крепления (вроде держателей для печатных плат).
Лучше использовать шлейф на 26 контактов с шагом 0.5мм и переходник.
Я же вместо шлейфа проложил эмалированные провода (UEW), что оказалось проблематичной затеей из-за маленьких точек пайки.
(Пример переходника для шлейфа с AliExpress. Не проверял, подойдет ли он. Количество контактов не совпадает, но если шлейф обрезать до ширины 26 контактов, он может оказаться впору)
▍ Обзор проекта
Принцип работы микроскопа заключается в горизонтальном и вертикальном сканировании образца лазером с параллельным измерением отражаемого света и построением изображения.
Эта технология позволяет с точностью до микрометров выровнять лазерное пятно относительно образца.
Я считаю, что с ее помощью можно реализовывать атаки на алгоритмы ЛСИ (латентно-семантического индексирования) с помощью лазерного внедрения ошибок. За счет управления таймингом свечения луча можно «инвертировать отдельный бит памяти в нужное время.
▍ Метод сканирования
Объектив оптической головки содержит два привода с магнитной системой от динамика — для фокусировки и отслеживания — что позволяет ему перемещаться по двум осям.
Для создания микроскопа в дополнение к оси фокусировки Z необходимо реализовать движение и сканирование по осям X и Y. В этом случае для управления третьей осью, то есть осью Y, потребуется собрать отдельный механизм.
Я рассмотрел разные варианты компенсации отсутствующей оси.
В данном случае мы задействуем самый простой, реализовав движение образца с помощью оптической головки. Для перемещения образец нужно будет крепить к объективу головки двухсторонним скотчем.
▍ Отдельная головка для движения образца
Проще всего добавить для перемещения образца отдельную оптическую головку. То есть образец нужно будет крепить к объективу и передвигать при помощи привода с магнитной системой. Описано подобное решение в статье GaudiLabs.
- Плюсы:
- легко сделать;
- хорошие характеристики;
- Минусы:
- ограниченность размера образца (вес будет ограничен где-то до 1г);
- узкий диапазон движения.
▍ Платформа с поступательным движением
Как вариант, можно использовать платформу с поступательным движением под управлением шагового мотора, как описано в статье loetlabor-jena.
- Плюсы:
- возможность работать с крупными образцами;
- большой диапазон движения;
- Минусы:
- сложность изготовления;
- дороговизна;
- дешевые приводные механизмы обычно имеют плохие характеристики (отдача, широкий шаг и т.д.)
▍ Линейные приводы на базе динамиков
Также можно задействовать в качестве линейного привода динамики. Реализация приводится в статье stoppi-homemade-physics (немец.).
▍ Прокладывание проводов
Если делать все по-серьезному, то будет довольно сложно собрать схему привода с магнитной системой, оснащенную мощным операционным усилителем, дающим на выходе около 100мА, заставить эту схему считывать сигнал с PDIC (микросхемы фоторезистора) через АЦП, написать ПО для микроконтроллера и так далее.
Поэтому я спроектировал ее с учетом перекладывания всех проблемных задач на Analog Discovery.
- Питание +5В поступает с Supply V+ от AD2.
- Выходы сигнала ch1 и ch2 подключены к магнитной системе для передвижения объектива в направлениях фокусировки и оси X.
- Supply V- используется для управления приводом с магнитной системой второй оптической головки, отвечающей за ось Y. Она работает лишь в половину диапазона движения, но большего уже добиться не получится.
▍ Программная часть
Ниже приведен файл, который можно использовать через прилагающееся к Analog Discovery ПО Waveforms.
▍ Фокусировка
Прежде, чем снимать изображение, запустите эту программу для подстройки фокусировки.
Если значение будет выходить за рамки ±200, значит фокус неточен и нужно подкорректировать расстояние между объективом и объектом.
По идее было бы правильнее сделать фокусировку по методу астигматизма луча, но для этого пришлось бы собирать аналоговую схему, поэтому я не стал заморачиваться.
По своей сути эта операция заключается в перемещении объектива в поиске позиции, где отражается максимум света.
▍ Получение изображения
Перед выполнением измените
FILENAME и SCAN_LINES.SCAN_LINES обозначает число пикселей в вертикальном направлении. Чем оно выше, тем более детализированным получится изображение, но измерения займут больше времени. Рекомендуется сначала получить грубое изображение с числом вертикальных пикселей в диапазоне 50 – 200, и если оно окажется удачным, то делать уже реальное, используя от 400 до 4000.
Для получения результатов съемки преобразуйте сгенерированный CSV-файл в изображение.
Чтобы добиться красивой картинки, нормализуйте диапазон 0 — 255 и выполните гамма-коррекцию или выравнивание гистограммы.
Результат съемки
▍ PDIC оптической головки
Лазерный сканирующий микроскоп:
Обычный микроскоп:
Реверс-инжиниринг оптической головки “HOP-150X”
Также читайте: DVDピックアップの解析
▍ Лазерный диод
| Pin No. | Name |
|---|---|
| 1 | RED LD + |
| 2 | GND |
| 3 | ? |
| 2 | Infrared LD + |
Микросхема фотодетектора
| Pin No. | Name | Type | Note |
|---|---|---|---|
| 1 | Vcc | POWER | +5V |
| 2 | RF- | Diff OUT | |
| 3 | RF+ | Diff OUT | |
| 4 | OUT1 | Analog OUT | 20mVp-p |
| 5 | OUT2 | Analog OUT | 20mVp-p |
| 6 | OUT3 | Analog OUT | 120mVp-p |
| 7 | OUT4 | Analog OUT | 120mVp-p |
| 8 | MODE_SELECT | Digital IN | L: DVD / H: CD ? |
| 9 | OUT5 | Analog OUT | 120mVp-p |
| 10 | OUT6 | Analog OUT | 120mVp-p |
| 11 | OUT7 | Analog OUT | 20mVp-p |
| 12 | OUT8 | Analog OUT | 20mVp-p |
| 13 | Vref | POWER | 2.0 — 2.5V ? |
| 14 | GND | POWER |
▍ Удаление напаянной перемычки
Новые считывающие головки закорочены перемычками для защиты лазерных диодов от статического электричества.
Эту перемычку перед началом использования нужно убрать.
Telegram-канал с полезностями и уютный чат
Комментарии (28)
AntonSor
09.10.2022 15:58+3Выглядит замечательно. Наверняка можно использовать вместо этой пропиетарной штуковины Analog Discovery звуковую карту компьютера, с предусилителем на фотодиод
Rutel_tesla
09.10.2022 20:32+2А если сделать примерно на том же принципе литографическую машину (изготовление микросхем) для 200 мм пластин.
Два диска на одном шпинделе. Один диск «фотошаблон», второй диск кремний.
Засвечивать пишущим лазером?
Понятно, что нужно еще много додумать и доработать.
Как думаете?
screwer
10.10.2022 03:20+1А где фокусировать лазер будем ? На шаблоне или на фоторезисте ? Не проще ли наложить фотошаблон вплотную и тупо засветить сразу все мощной лампой ?
Вращение имеет смысл, если засвечивать лазером напрямую, без шаблона.
not-allowed-here
10.10.2022 09:40+2а зачем шаблон с такой точностью и питом в 200нм? скорость конечно будет низкая, но для кустарного производства очень даже не плохо. технический там и 90нм получить можно, но вот только там уже сложности с химией да и материалы под 180нм купить на порядок проще......
можно пробовать маски для Литографии делать таким образом и уже с ними светить, но зачем? маски штука крайне не дешевая для таких масштабов, да и степпер для сведений масок нужен, а тут по сути сам микроскоп может скорректировать и с учетом искажений что позволит сократить число ошибок....
2er6e1
09.10.2022 20:33-3В статье слово "микрометр" (измерительный прибор) было употреблено в значении "микрон" (единица длины).
Bright_Translate Автор
09.10.2022 20:33+3Да вроде все по смыслу https://ru.wikipedia.org/wiki/Микрометр
2er6e1
12.10.2022 05:57Нужно Википедию подправить.
Микрон - говорить короче, удобнее, без двойных смыслов.
Если писать микромЕтр в смысле длины, а не прибора - тогда стоит явно указывать ударение.
Didimus
10.10.2022 07:35+2Это и есть системная единица длины. Миллиметр - микрометр - нанометр.
pulsatrix
10.10.2022 12:11+1Это и есть системная единица длины. Миллиметр — микрометр — нанометр.
А так-же приборы: микро́метр, милли́метр, нано́метр.
Didimus
10.10.2022 14:01По запросу прибор миллиметр яндекс предлагает исправление прибор микрометр
pulsatrix
10.10.2022 20:22прибор миллиметр
Правильный запрос — линейка или штангенциркуль.Didimus
10.10.2022 20:46Про портновский метр/сантиметр слышал, а чтобы линейку или штангель называли миллИметром, не слышал
pulsatrix
11.10.2022 06:20Ну это вольная экстраполяция художника. В идеале у приборов убрать 'т' — микромер, миллимер, наномер — и вуаля — значение слова перестает управляться ударением. Со всякими напрежометрами так же поступить.
портновский метр/сантиметр
Эти станут — метромер и сантимер.
not-allowed-here
10.10.2022 09:04в качестве системы горизонтального позиционирования наверное стоит рассмотреть механику от 3,5 Дисковода или от того же Blu-ray.... причем наверное лучше использовать дисководы от ноутбуков, т.к. они гораздо устойчивее к внешним воздействиям....
можно еще посмотреть на головки от HDD, но там ничего полезного кроме скорости и простоты управления не получится, т.к. движение не линейное, хоть и очень плавное и точное
avrusanov
10.10.2022 11:24Цена этого Analog Discovery 2 не радует совсем - нельзя сказать что это - доступный проект
Gryphon88
10.10.2022 11:53+1Это сканирующий лазерный микроскоп, но не тот сканирующий лазерный микроскоп: в обычном микроскопе мы ограничены функцией рассеяния точки (ФРТ), а confocal laser scanning microscopy (CLSM) за счет пинхола позволяет увеличить разрешение (ФРТ CLSM это ФРТ^2 микроскопа без пинхола, т.е. ширина на полувысоте значительно меньше). Но у CLSM есть три больших недостатка:
1. Радиус пинхола должен быть не более 0,5 от расстояния от максимума диска Эри до первого минимума, а лучше четверть. В итоге света очень мало, нужно пропорционально увеличивать время выдержки.
2. Примерно никак работает, если объект не излучающий. Формирование изображения в проходящем или отраженном свете не является линейным, поэтому формализм диска Эри плохо работает.
3. У CLSM куча практических ограничений, и кроме отдельных применений он проигрывает обычному микроскопу с постобработкой.
Kabron287
11.10.2022 12:32Минуточку! А где схема/программа считывания?
ИМХО тема не раскрыта вообще.
Пардон, сразу не разглядел.
kh0
Я понял! В одной головке используется и сенсор, и лазер, и линейный привод для Х, а во второй только линейный привод для Y(типа как у прюши). Не хватает структурной схемы. Никаких динамиков тоже нет. в самой головке есть электромагнитный подвес как в аудиодинамиках, которым можно управлять высоту по Z в небольших пределах для фокусировки.
Теоретически такой балалайкой можно сверхкачественно сканировать старые поцарапанные пленки: так как свет будет отражен от эмульсии, то не будут сканироваться царапульки с другой стороны пленки. Но там придется очень точно юстировать достаточно малый динамический диапазон отраженного света на хотя бы 8 бит. Можно это откостылисть, добавив третий блок, в котором источник света будет просвечивать пленку фокусируясь строго на эмульсии: она будет в фокусе, а вот зацарапанная вторая поверхность пленки уже нет. Но это все предположения, конечно. Бонусом возможно будет, если регулировать яркость лазера с Х кратностью, то можно значительно увеличить количество детектируемых градаций серого. А вот еще! Теоретически, можно уже на первом этапе детектировать царапульки на эмульсии, они ведь будут ниже высоты эмульсии!
pavel_raskin
На практике плёнка имеет большую чем глубина царапин кривизну поверхности. Это зависит от условий и способа хранения: в свернутом виде или в разрезанном и т.п. Плюс фотоплёнка работает на просвет, а узлы приводов и данный сканер на отражение: если что-то отразилось от слоя эмульсии, то вовсе не значит что там "белое/прозрачное", и если что-то не отразилось, то не обязательно там "черное/непрозрачное".
kh0
Глубина поверхности не проблема, есть же подстройка высоты для фокусировки.
А так вы правы, но возможно получится детектить зерна слоя, они достаточно крупные, пальцем в небо раз 10 крупнее пита сд-диска, надо экспериментировать.
AntonSor
Нет, просто светить лазером с одной стороны пленки, а принимать свет с другой
engine9
С обычным слайд-сканером, который сканирует по 6 кадров процесс это нуднейшая тягомотина. А с таким это будет пыткой.
Старые советские можно даже не сканировать, а перефотографировать на матовом стекле. Т.к. у оптики той эпохи разрешение неважнецкое.
sukhe
Можно и без таких сложностей обойтись. У меня есть плёночный сканер, в котором 4 канала - 3 RGB + инфракрасный. Вот инфракрасный канал как раз и сделан для убирания "царапулек".
sainomori
Технология Digital Ice называется, если мне память не изменяет. Медленно, но очень хорошо.