Lasermikroskop

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Lasermikroskop

Beitragvon stoppi » Fr 27 Jan, 2017 11:25 am

Hallo!
Ich dachte mir das passt auch hier gut rein :wink:

Im Rahmen meines neuesten Projekts beschäftige ich mich mit dem Bau eines einfachen Lasermikroskops. Ziel ist es, die Pitstruktur einer CD aufzulösen. Das Prinzip ist einfach: Ein Laser wird auf eine Oberfläche fokusiert und das reflektierte Licht mit einer Photodiode gemessen. Das alles ist bereits in einem gewöhnlichen Lese/Schreibkopf eines CD/DVD-Players integriert. Die x/y-Verstellung des Objekts erfolgt mit zwei über DAC's angesteuerten Lautsprechern, deren Membran mit dem Objekttisch verbunden ist. Der Strom durch die beiden Lautsprecher ist auf diese Weise im Bereich 0 - max. 240 mA regelbar. Dies dürfte einem Verstellbereich von 0.5 - 1 mm entsprechen. Da es sich um einen 12-bit-DAC handelt komme ich bereits bei geringster Vergrößerung (Basiswiderstand minimal, Basis- bzw. EC-Strom maximal) auf den gewünschten Verstellbereich von rund 0.125 - 0.25 µm/step.

Hirn der ganzen Sache wird wieder einmal ein Arduino sein. Als DAC verwende ich den MCP4922. Des weiteren werden noch eine Verstärkerschaltung mit einstellbaren Offset bzw. gain für das Signal von der Photodiode und zwei Schaltungen zur Versorgung der Laserdiode (I = 80 mA) und der Fokusspule (I = 10 - 180 mA) benötigt.

Man könnte auch die bereits verbaute Photodiodeneinheit verwenden und deren Signale anzapfen. Deren 4 Photodioden A, B, C und D liefern nicht nur ein Summensignal (A + B + C + D), sondern man könnte auch aus den Einzelsignalen über Summen- und Differenzbildung (konkret (B + C) - (A + D)) ein Signal zur Fokusierung generieren. Die optimale Fokusierung ist dann erfolgt, wenn dieses Signal gerade 0 ist. Ist das Objekt aus dem Fokus, erhält man ein positives bzw. negatives Signal.

Thomas Rapp (http://www.rapp-instruments.de/buch/Tri ... 0Teil1.pdf) hat dies wieder einmal in beeindruckender Art umgesetzt...

Das Problem ist jedoch ein passendes, altes CD-Laufwerk mit dem Sony-Chip CXA2586 o.ä. zu finden. Ich habe mittlerweile rund 10 Laufwerke aus den Jahren 1994 - 2002 geschlachtet, ohne auf diesen Chip zu stoßen. Neuere Laufwerke fallen aufgrund der vorangeschrittenen Miniaturisierung von vornherein aus. Lediglich bei den alten Typen hat man noch Chancen, Drähte an die diversen Anschlüsse der Fokusspule, der Laserdiode bzw. der Photodioden zu löten.

Daher habe ich nun den vorhandenen, nicht identifizierbaren Sensor durch eine einzelne BPW34-Photodiode ersetzt. Die Fokusierung nehme ich jetzt wie folgt vor: Ich verändere den Strom durch die Fokusspule so lange, bis sich ein Spannungsmaximum am Ausgang der Photodiode ergibt. Danach erfolgt die Rasterung.

Die visuelle Darstellung in 256 Graustufen geschieht mittels Processing (https://processing.org/) und/oder einem TFT-Display mit 320x480 Pixel (http://www.ebay.com/itm/162083436187?_t ... EBIDX%3AIT). Dies deshalb, weil ich gerne eine autarke Mikroskopeinheit ohne externes Gerät hätte. Erste Bilder mit processing bzw. TFT-Display verliefen bereits erfolgreich, nur lässt die Schärfe noch zu wünschen übrig. Den derzeit verbauten Spindeltrimmer werde ich gegen ein praktischeres Mehrgangpoti tauschen. Eine Mikroskop-Kalibrierskala mit 10µm-Skalierung ist auch auf dem Weg zu mir. Damit hoffe ich dann die Auflösung meines Mikroskops bestimmen zu können.

So das wäre einmal das Wichtigste. Wenn ich weiter gekommen bin, gibt's wieder etwas von mir. :)
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Re: Lasermikroskop

Beitragvon VDX » Fr 27 Jan, 2017 12:30 pm

Hi Stoppi,

ich habe um 2002 herum Ferrofluid-Nanopositionierer entwickelt und davon noch ein paar XYZ-"Joysticks" mit jeweils 0-5V Ausgängen und 16Bit Auflösung da, sowie "Verstärker" dafür auf 0-20V mit glaube 100mA, was gut für sowas als manuelle Vorsteuerung und/oder automatische Regelung (die "Verstärker") passen könnte, falls du Interesse hast, dein Projekt etwas "aufzupeppen" :wink:

Ein paar von den Ferrofluid-Positionierern hätte ich auch noch da - die verschiedenen Typen hatten entweder nur 1-achsig +/- 0.5mm oder 2-Achsig oder 3-Achsig bis zu +/- 1mm Weg und "Auflösungen" bis zu 0.1 Mikrometern ... für höhere Auflösung und Kräfte bin ich dann zu Piezos übergegeangen ... hab' auch noch ein paar "Piezo-Leg"-Wanderwellenantriebe (mit 23mm Weg und 150nm-Schrittweite oder sub-Nanometer im Analog-Modus) in der Bastelkiste, die dürften aber schon etwas übertrieben sein :freak:

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Re: Lasermikroskop

Beitragvon stoppi » Fr 27 Jan, 2017 5:10 pm

Hallo Viktor!
Danke für dein nettes Angebot. Ich warte aber lieber einmal ab, was ich aus der Kiste noch rausholen kann. Denn wenn bei mir die eingesetzte Bpw34 die Schwachstelle ist macht es keinen Sinn die rasterung zu perfektionieren...
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Re: Lasermikroskop

Beitragvon VDX » Fr 27 Jan, 2017 10:44 pm

... ich hatte seinerzeit mal damit angefangen, mir die Teile für ein DIY-AFM zusammenzusuchen, konnte dann aber über Projekte und Kontakte mit "echten" rumspielen, so daß die Sachen noch unbenutzt im Keller rumliegen ;)

Wenn du mal auf die Idee kommst, dir eine feine MFM- oder AFM-Sonde organisieren zu müssen - ich dürfte noch ein paar zig-taused (oder mehr) "Nano-Nailheads" da haben -- das sind etwa 30µ lange konische Stifte mit einer etwa 10nm dicken Spitze und einem etwa 100nm dicken "Hals", der in einen etwa 30µ dicken halbrunden "Kopf" endet (daher "Nailhead") - hier ein paar Bilder von den Dingelchen, die ich für ein anderes Projekt zur Entnahme als SMD-Modul herauspräpariert hatte:
http://laserfreak.net/forum/viewtopic.php?f=25&t=54351&p=273923&hilit=nailhead#p273923

Um sie mit Hausmitteln handhaben zu können, habe ich sie meist mit einer feinen Elektronik-Prüfspitze, die ich nur an der Spitze vorverzinnt hatte, von oben berührt und die Kontaktstelle (Prüfspitze zu 30µ-Halbkugel) von der Seite her mit einem Laser kurz angeblitzt, um das Lötzinn zu verflüssigen.

Dann die Prüfspitze einfach angehoben und den Nano-Nailhead aus der Polymermembran herausgezogen -- Nano-Sonde fertig ...

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Re: Lasermikroskop

Beitragvon stoppi » Mo 13 Feb, 2017 7:37 pm

So, heute hatte ich wieder einen der seltenen Heureka-Momente als die pit-Struktur einer CD auf dem kleinen Display sichtbar wurde :D
Mein Ziel eben diese (Abstand 1.6 µm) aufzulösen glückte somit. Anbei noch einige Bilder vom finalen Aufbau. Kann das Ganze dank Lipo und TFT-Displays auch völlig unabhängig von einem Computer betreiben. Die gesamte Schaltung benötigt bei 9V nur rund 0.6A. Die Auflösung für die pit-Struktur betrug 240 x 152 Pixel, was in etwa 10 Minuten dauert.

Hier noch der Link zum Video: https://www.youtube.com/watch?v=du1-rj-ZcM4 :wink:
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Re: Lasermikroskop

Beitragvon VDX » Mo 13 Feb, 2017 8:05 pm

Hi stoppi,

Glückwunsch!

Wenn du das mal etwas ausbauen willst, kannst du dir die Spulen-Aktoren zur Kopfpositionierung in alten Festplatten anschauen - mit einer vernünftigen Regelung habe die eine noch bessere Auflösung und über den deutlich längeren Verfahrweg eine lineare Kennlinie, verglichen mit den Lautsprecher-Spulen.

Ein Bekannter hat mit zwei 3-er Sätzen (jeweils XYZ) eine gekoppelte Steuerung mit Aktuator und Force-feedback aufgebaut - war ein geniales Teil!

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Re: Lasermikroskop

Beitragvon pardini » Di 14 Feb, 2017 9:25 am

einfach mal wieder geil was der stoppi da mit geringsten Mitteln gebastelt hat! Ich freue mich immer wieder von deinen Frickeleien zu lesen...

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Re: Lasermikroskop

Beitragvon Hatschi » Di 14 Feb, 2017 10:47 am

Halli Hallo

Yup, richtig geiles DIY. :D

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Re: Lasermikroskop

Beitragvon stoppi » Mi 15 Feb, 2017 1:10 pm

Danke, danke :wink:
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Re: Lasermikroskop

Beitragvon jojo » Fr 17 Feb, 2017 6:38 pm

Als DAC verwende ich den MCP4922


Habs leider erst jetzt gelesen.
Die MCP4922 sind Gurken!

Ich hatte bei den anfänglichen Versuchen mit meinem Laserbelichter die gleichen DACs zur Ansteuerung der Scanner genommen.
Das Bild ist eine Belichtung von einfachen Pixelreihen auf ein Fotpapier gescannt.
Diese komischen Muster sind das Problem.
Da habe ich erst an Rechenfehler gedacht.
Später fiel dann der Blick aufs Datenblatt des MCP4922. Guck mal unter "INL" Datenblatt Seite 10.
INL von +2 bis -3, also mindestens 2 Bits "neben dem Soll" in regelmäßigen Spitzen.

Pixellines_web.jpg


Die Muster kommen daher, dass durch die Unlinearitäten der DACs manche Linien etwas enger zusammen liegen. Genauso in Richtung der Linien: Hier liegen die gescannten Pixel etwas enger zusammen. Sie überlappen sich und machen dadurch die Linie dunkler.
Meine Karomuster repräsentierten ziemlich exakt die "Zacken" der INL im Datenblatt des DACs.

Bei Lasershow absolut Null Problem und nich sichtbar.
Bei Präzisionstechnik aller Art ein No-Go.

Such Dir besser einen etwas teueren DAC mit <1 LSB.

Wenn Du Dir schon soviel Arbeit machst, dann sollte die Genauigket ja nicht schon unter dem lausigen DAC leiden, gell?


Gruß

Joachim
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Re: Lasermikroskop

Beitragvon stoppi » Mo 20 Feb, 2017 1:13 pm

Danke für die interessanten Informationen, Joachim :wink:
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