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
