Старый DVD-привод превращается… в лазерный микроскоп

В наше время DVD-приводы постепенно выходят из употребления, мало кто уже покупает диски или записывает их сам, а старые диски постепенно деградируют ^[1], ведь химическое покрытие на болванках ^[2] не вечное.

Но для ненужного привода есть полезное применение. Например, из него можно смастерить лазерный микроскоп на Arduino (примечание: по факту требуется две лазерные головки, то есть два ненужных привода).

Это оптический микроскоп, который использует для сканирования образца сфокусированный лазерный луч.

Cканирование осуществляется путём перемещения лазера по двум осям в координатной сетки: x и y. Словно сканер, он проходит по всей поверхности объекта — и замеряет отражённый сигнал. Изображение составляется в специальном программном обеспечении, которое объединяет воедино результаты сканирования каждой точки.

Лазерная головка CD/DVD

Например, в в проекте GaudiLabs ^[3] на фото вверху микроскоп изготовлен из двух лазерных головок HD DVD. Лазер из такой головки сканирует образец, фокусировка происходит с помощью собственного фокусирующего механизма. Движение луча — с помощью отклоняющих катушек лазера в головке.

Один из вариантов лазерного микроскопа — конфокальный лазерный сканирующий микроскоп, позволяющий реконструировать трёхмерные структуры по наборам изображений на разной глубине. Конфокальные лазерные сканирующие микроскопы часто используются вместе с флуоресцентными материалами для изучения клеток и других биологических образцов.

Принцип конфокальной визуализации запатентован в 1957 году Марвином Минским, Dahn ^[4]

Разрешение изображения определяется количеством измерений, сделанных в направлении x, и количеством линий в направлении y. Максимальное разрешение ограничено апертурой объектива и длиной волны лазера, как и в обычных оптических микроскопах. При сканировании флуоресцентных веществ разрешение часто ограничено силой сигнала. Его можно увеличить за счёт использования более чувствительных фотодетекторов или увеличения интенсивности освещающего лазера.

Белок бета-тубулин в клетке ресничной инфузории Tetrahymena визуализируется с помощью флуоресцентных антител. Фото получено с коммерческого конфокального микроскопа, Павел Яснос ^[5]

Какое разрешение у лазерных головок CD и DVD? Очевидно, его должно быть достаточно для считывания ямок на поверхности компакт-диска, которыми кодируется информация (0 и 1).

У дисков DVD эти ямки примерно вдвое меньше по размеру, чем у CD, а у HD DVD — ещё вдвое меньше.

Конструкция микроскопа GaudiLabs

Ребята из швейцарской лаборатории GaudiLabs начали с проверки концепции, что прибор в принципе возможно сконструировать.

Первый прототип

Конструкция микроскопа состоит из двух лазерных головок. Первая излучает лазер и сдвигает его по оси x. На второй закреплён сканируемый образец — она движется в направлении y. Вместо фотодетектора используется простой фотодиод. Катушки контролирует схема Arduino с приводом, а изображения обрабатывает опенсорсная утилита Processing ^[6]. Разрешения сканирования около 1,1 мкм (толщина человеческого волоса около 50 мкм).

Для второго прототипа была изготовлена печатная плата с микроконтроллером Arduino Micro со специальными коннекторами для лазерных головок.

Верхняя и нижняя стороны печатной платы, куда крепятся две лазерные головки (репозиторий на GitHub ^[7] со схемами и программным обеспечением)

Программное обеспечение отправляет сканеру параметры сканирования и получает данные сканирования построчно. Поддерживается установка следующих параметров:

• Тип лазера (ИК, красный, синий для головок CD, DVD и Blu-Ray)
• Мощность лазера
• Положение сканирования
• Разрешение сканирования
• Сенсор (A0, S1, S2, RF, DIF)
• Цветовая схема и яркость

Вот как выглядят ямки на поверхности CD-ROM:

Ямки на поверхности CD-ROM, сфотографированные самодельным лазерным сканирующим микроскопом

Некоторые другие фотографии:

Сканы бактерий с разным разрешением и разными цветовыми схемами

Лазерные сканы клеток дрожжей

В данном проекте использовались головки PHR-803T ^[8] из привода Xbox 360 (HD DVD).

Конечно, GaudiLabs далеко не первые, кто сделал лазерный микроскоп из оптического DVD-привода. Например, немецкий инженер Ханнес Золинер выполнил аналогичный проект ^[9] в рамках своей магистерской диссертации.

• Схемы сборки и комплектующие: https://git.loetlabor-jena.de/dvdlaser/dvdlaser_hw ^[10]
• FPGA: https://git.loetlabor-jena.de/dvdlaser/dvdlaser_fpga ^[11]
• Программное обеспечение: https://git.loetlabor-jena.de/dvdlaser/dvdlaser_sw ^[12]

Лазерный микроскоп Ханнеса Золинера

Фокусировка в микроскопе Золинера

Процесс сканирования в микроскопе Золинера

На сайте Instructables есть пошаговая инструкция ^[13] для Arduino по сборке.

См. также научные статьи 2016 и 2018 годов с описанием подобных установок: Hacking CD/DVD/Blu-ray for Biosensing ^[14] (ACS Sens. 2018, 3, 7, 1222–1232, doi: 10.1021/acssensors.8b00340) и Generating SEL and SEU with a class 1 laser setup ^[15] (конференция RADECS 2016, doi: 10.1109/RADECS.2016.8093163).

Дополнительно:
«Как мы делали лазер из DVD-RW привода» ^[16] (Хабр, 2013).

Автор: ITSumma

Источник ^[17]