[Перевод] Микроскоп из оптических головок от DVD-привода09.10.2022 14:46

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 2×1;
- 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 0.5 мм 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 1 г);
- 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 100 мА, 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.