Самодельный лазерный сканирующий микроскоп, изготовленный из неисправного Blu-ray плеера.
Для воспроизведения фильма Blu-ray плеер должен уметь распознавать микроскопические углубления на дорожках DVD-диска. Поэтому возникает вопрос: может ли Blu-ray-плеер «видеть» и другие структуры? Это означало бы, что мы можем превратить его в микроскоп или, по крайней мере, собрать микроскоп из его деталей. Для этого нам сначала нужно разобрать Blu-ray плеер, чтобы выяснить, как работает система считывания (Рисунок 1).
 | |
| Рисунок 1. | Внутреннее устройство Blu-ray плеера Samsung BD-J5900. |
Основой устройства является оптический считывающий блок, сокращённо (OPU – optical pickup unit). Он перемещается по лазерному диску с помощью небольшого шагового двигателя со шпинделем. На Рисунке 2 вы также можете увидеть бесщеточный двигатель постоянного тока, вращающий диск.
 | |
| Рисунок 2. | OPU в своей каретке. |
Устройство OPU содержит лазерный диод, излучающий фиолетовый свет с длиной волны 405 нм для чтения дисков Blu-ray, «красный» лазерный диод с длиной волны 650 нм для чтения DVD и «инфракрасный» лазерный диод с длиной волны 780 нм для чтения компакт-дисков (Рисунок 3). Свет фокусируется и направляется на диск с помощью линз и зеркал, где он отражается и поступает на массив фотодиодов – фотодиодную интегральную схему (photo diode integrated circuit, PDIC).
 | |
| Рисунок 3. | Оптический считывающий блок (OPU). |
Как видно из Рисунка 4, PDIC состоит из трех областей. Центральная область содержит четыре светочувствительных зоны, обозначенных буквами от A до D. Их выходные сигналы используются для измерения количества отраженного света, а также расстояния между линзой и диском с целью выполнения фокусировки. Выходные сигналы внешних областей E-H помогают удерживать лазер на дорожке.
 | |
| Рисунок 4. | Фотодиодная интегральная схема (PDIC). Лазер сфокусирован, FES = 0. |
В моем сканирующем микроскопе используются выходы A-D. Чтобы собрать сигналы от всего отраженного света, необходимо сложить выходные сигналы зон A-D. Это возвращает суммарный сигнал SUM: A + B + C + D. Если лазер идеально сфокусирован на цели (обычно оптическом диске), отражение на PDIC имеет круговую форму, и сигналы всех зон одинаковы. При расфокусировке отражение становится в большей или меньшей степени эллиптическим и повернутым на 45 градусов (Рисунок 5). Это позволяет рассчитать сигнал ошибки фокусировки (focus error signal, FES):
FES = (A + C) – (B + D).
 | |
| Рисунок 5. | Лазер не сфокусирован, FES 0. Здесь FES < 0. |
Для программного формирования изображения можно использовать как SUM, так и FES. SUM и FES рассчитываются аналогично с помощью четырех операционных усилителей MCP6004 (Рисунок 6). Затем эти сигналы поступают на два аналоговых входа микроконтроллера ESP32.
 | |
| Рисунок 6. | Схема для вычисления SUM и FES. |
Линзы OPU окружены магнитами и катушками (Рисунок 7). Они фокусируют лазерный луч на цели (обычно диске) и позиционируют его таким образом, чтобы он оставался на своей дорожке. В моем Blu-ray микроскопе эти катушки выполняют сканирование строк (в направлении X). Они также управляются ШИМ-сигналом от ESP32, который усиливается микросхемой драйвера двигателя L293.
 | |
| Рисунок 7. | Линзы лазера в OPU. |
Я заменил OPU на платформу, напечатанную на 3D-принтере, на которую позже смогу поместить образец, который хочу увеличить (Рисунок 8). Он будет перемещаться в направлении оси Y с помощью шагового двигателя и шпинделя. Двигатель управляется модулем драйвера шагового двигателя на основе микросхемы A4988.
 | |
| Рисунок 8. | Платформа, напечатанная на 3D-принтере, для перемещения образца с помощью шпинделя. |
OPU устанавливается над этой конструкцией. Он располагается между двумя резьбовыми шпильками и удерживается на месте с помощью распорок и гаек (Рисунок 9). Он не должен перемещаться ни в каком направлении.
 | |
| Рисунок 9. | Вид сверху на Blu-ray микроскоп. |
Однако он удобно откидывается для установки образца (Рисунок 10).
 | |
| Рисунок 10. | Лазерный микроскоп с образцом. |
Расстояние между выходными линзами OPU и образцом можно грубо регулировать с помощью гаек с накаткой (Рисунок 11). Точная регулировка выполняется с помощью фокусирующей катушки. Фокусное расстояние составляет приблизительно 1 мм.
 | |
| Рисунок 11. | Blu-Ray микроскоп с образцом. |
Blu-ray микроскоп управляется микроконтроллером ESP32. Благодаря встроенной поддержке беспроводных сетей этот чип идеально подходит для всех видов веб-приложений. Таким образом, микроскопом можно управлять через веб-сайт с использованием HTML и JavaScript. На Рисунке 12 показаны элементы управления HTML и кусок ткани.
 | |
| Рисунок 12. | Веб-сайт лазерного микроскопа. |
Область сканирования составляет приблизительно 1 × 1 мм, разрешение в настоящее время – 127 × 100. Это ограничено точностью механизма, перемещающего образец под линзами OPU вдоль оси Y. Возможно, использование более точного шпинделя и драйвера шагового двигателя, способного выполнять больше микрошагов, чем A4988, может улучшить этот показатель. Но даже при таком разрешении мы можем четко различить некоторые детали, такие как волокна, из которых сплетены нити ткани.