基于DVD驱动器的激光扫描显微镜

由于有一种特定类型的DVD驱动器，因此已计划使这些设备使用寿命更长。激光扫描显微镜似乎是最有用的项目。

该项目的灵感来自汉尼斯·佐尔纳（HannesZöllner）在其博士学位期间所做的工作，在此期间，他评估了商用DVD驱动器的半导体器件故障注入。在某些时候，他的系统也重新用于成像，结果出乎意料。已努力优化此项目中用于成像而不是故障注入的系统。

DVD驱动器是一个了不起的设备，它能够辨别大约440 nm长的微小凹坑的高度，这些凹坑布置在仅相距780 nm的轨道中。当然，蓝光技术进一步减少了这两个数字，但近来DVD驱动器趋于大量丢弃，这使得爱好者基本上可以免费使用它们。

DVD驱动器的OPU（光学拾取单元）通常包含从磁盘读取数据所需的所有光学组件和大多数电子组件。通常，它包括激光二极管（有时还包括其驱动器电子设备），多象限检测器二极管（PDIC或OPIC），所需的光学元件（透镜，反射镜，棱镜，光栅）以及用于聚焦，倾斜和跟踪控制的作用器（通常是电磁致动器，将主镜头移动到靠近光盘的位置）。通常，OPU安装在配备有用于单轴位置控制的步进电机的线性导轨上。

在可用的驱动器中，所有OPU组件都使用一条FFC（扁平电缆）连接到定制板上，该定制板中包含专有微处理器和普通消费者无法使用的各种组件。因此，应该创建这些电子产品的替代品，这些电子产品利用市售组件开源硬件/软件。

可用驱动器中的OPU是紧密集成的组件，主要由单个铸铝块组成，在其中粘合了各种光学组件。卸下盖板后，OPU的俯视图如下。

OPU装有两个激光二极管。由于这只是DVD / CD读取器，因此激光器的功能不是很强大，但可以为显微镜应用提供足够的功率。 （红色）DVD二极管在大约1200℃以上开始激光操作。 60 mA，并需要约2-2.5 V的正向电压。其极性可以通过测量轻松确定。

使用电磁致动器定位主镜头。它们以三个线圈的形式出现，使线圈与流过它们的电流成比例地倾斜或移动。通过使用实验室电源，可以轻松找到它们的极性和所需的满量程直流驱动电流。

驱动这些线圈的聚焦控制回路通常从像散聚焦误差检测方法中得出其误差信号。它需要（以其基本形式）一个四象限二极管，并且当二极管的所有象限均被照亮时，可以优化聚焦。偏离此点将导致圆形照明变为椭圆形，因此会更强烈地照亮两个对角象限。可以在此处和许多教科书中找到该方案的示意图。

在DVD读取器应用程序中，PDIC（光电二极管集成电路）具有多种用途。这些措施包括从磁盘收集聚焦，倾斜和跟踪信息，以及恢复磁盘轨道上存储的RF数据。因此，PDIC通常至少包含6个有源二极管区域，有时甚至更多。可用驱动器类型中使用的PDIC如下所示。由于它的设备非常小巧，通常是为特定的驱动器供应商定制设计的，因此很难获得数据表。最初的引脚排列探测仅显示了电源引脚位置和许多模拟输出引脚，但我找不到任何匹配的IC数据手册，因此需要一些反向工程工作才能弄清其秘密。

首先，将该设备放置在一个小小的突破性PCB上，以使其易于访问其所有引脚，尤其是在显微镜检查期间。

使用IC检查显微镜，制作了PDIC的裸照。这有助于更好地了解设备的内部结构。由于该过程是光学集成电路，因此使该过程变得更容易，因此可将其容纳在具有良好光学特性的透明塑料包装内，适合直接进行显微镜检查而无需拆封。下图可用于识别电路的某些功能块，但是从键合板通过内部电路到二极管象限的完整跟踪对我而言并没有任何实际意义。然而，很明显，PDIC显然容纳至少独立的八个光电二极管通道。 （中心正方形有四个象限，每个外部正方形至少有两个象限）。

在大多数引脚上，用明亮的光源照明设备时，可以看到输出电压的某些变化。首先，将每个引脚的输出行为简单地分为不同的类别：

据推测，较小的内部象限是低灵敏度输出的原因，而外部部分将产生较大的振幅（由于它们的集光面积较大）。

在第二个反向工程会话中，通过选择照明确定确切的引脚排列：对于给定的测试，使用两个DVM比较两个IC输出引脚，并沿表面垂直或水平缓慢移动光圈。这将导致其中一个输出的输出电压变化稍早于另一输出的变化。这样，可以解决所有输出引脚之间的位置关系，从而将二极管象限最终分配给输出引脚。

在最终应用中，产生负电压的输出不被认为有用，而差分输出对可能是四个内部象限的总和输出（高带宽RF输出）。将引脚分配给二极管象限后，可以修改OPU以将所需的连接散开到定制电子设备

DVD驱动器的整个顶部组件被重复使用。这不仅包括OPU，还包括由步进电机及其底板驱动的线性（蜗轮）轴。在OPU上添加了一块面包板接头，将所有必需的信号通过带状电缆散发到定制电子设备。模拟输出信号在一侧分离，而激光二极管和透镜致动器的电流输入则在另一侧。即使二极管输出由PDIC主动驱动，这也应有助于减轻这些信号之间的电耦合。

另一根轴（驱动机构下方）由捐赠给该项目的商用精密线性执行器构成。其他人只是在其位置使用了另一个DVD驱动器，这肯定是有可能的。

设计的PCB可以满足PC和光学组件之间所有必要的接口。那将是：

很显然，至少所有的机械驱动和激光驱动都可以通过用于光驱的IC来处理。德州仪器（TI）提供了这类芯片的产品线，这是可以很容易地从普通分销商处购买的少数几种类型之一。之所以选择TI TPIC2050，是因为其具有全数字接口和灵活的输出选项。考虑到它是一个相当高数量的组成部分，它的成本非常合理（单价为2.50欧元），几乎不可能被任何其他集成选项所击败。

围绕该IC设计了一块PCB，另外还有一个16位ADC以及用于PDIC输出的模拟MUX。 PCB的构建是为了容纳iceBreaker FPGA板，该板将负责所有接口。所有电子产品均在KiCad中设计，可在其GitLab存储库中公开获得。

FPGA必须完成几个接口任务，并且该设计使用FOSS FPGA工具链用于iceBreaker板上的Lattice ice40 UP5k FPGA。它主要做以下事情：

设计本身很简单，但是我对验证环境有些兴趣。我在所有模拟中都使用了cocotb和iverilog。测试平台包含适用于所有IC和光链的正确硬件设备模型。模拟的UART接口可以连接到虚拟串行端口，然后可以由真实的主机软件进行激励。这样就可以运行完整的“回路中的仿真硬件”测试，这是一件很整洁的事情。

设置聚焦致动器电流会改变光链，导致ADC为各种光电二极管电流通道将不同的值数字化。通过对系统的实际光学特性进行一些估算，可以在没有任何实际硬件的情况下对整个软件聚焦算法进行原型设计。

该软件基本上只需要由用于所有硬件组件的几个驱动程序组成。它使用户可以更高级地访问TPIC2050的功能（步进电机驱动，激光电流设置，终点止挡检测），并抽象出一些光学系统属性：脚本可以简单地获取已经从计算得出的聚焦和倾斜误差项。原始光电流ADC读数并在此基础上实现自己的聚焦控制算法。

另一个驱动程序负责运行X轴，该轴是由线性执行器实现的，线性执行器由Szymon捐赠给该项目。它使用了一个稍旧（且有故障！）的基于串行的控制器单元（National Aperture MC-4B系列），我设法从Internet存档中找到了该手册，请参见mc-4bmanual2_1.pdf。令人遗憾的是，其固件非常容易出错，并以某种方式误解了它不时应理解的一些简单命令。这会使它偶尔出现错误的位置，从而在获取的图像中造成令人讨厌的伪影。在某个时候，将需要更换该控制器...

激光显微镜的主要类别提供了几种用于聚焦控制和将预定义区域扫描到图像文件的方法。聚焦是这里最有趣的方面。通常，聚焦首先对Z高度进行宽扫描，以找到聚焦误差检测器的线性区域。随后，它实现了一个简单的PI控制方案，以连续减小聚焦误差。

由于应该有较大的扫描区域，因此需要在扫描过程中进行焦点跟踪。最初，该软件使用相对简单的算法来实现此目的：

在矩形扫描区域内，放置一个每毫米至少N个点的虚拟网格

在实际扫描期间，通过评估该平面的Z坐标来计算给定位置的最佳Z高度

另一个值得注意的方面是Y轴（使用DVD驱动电机和机械装置实现）。鉴于整个机制是由一些廉价的塑料制成，因此存在一些抵触。仅从一侧接近位置就可以可靠地解决此问题。这样可产生出人意料的良好重复性（低于µm范围），但是软件需要考虑到这一点，并且在从首选方向接近目标之前，会故意在非首选方向上超出任何定位目标。另外，发现该轴不是非常线性的。这里也不是什么大惊喜，因为它是由低精度蜗轮驱动的。对于较大的扫描区域，这将反映为图像的周期性拉伸伪像（如下所示）。

该软件与其他所有软件一样开放（虽然有点骇人听闻），也可以在其GitLab存储库中找到该软件。

以下两张图片显示了系统的完全组装。下图是用于X轴的线性执行器的图片。这是一款非常精确的仪器（National Aperture线性位移台，定位精度低于100 nm）。它唯一的失败是控制器（请参阅“软件”部分中的上述内容）。

拥有完整的系统后，剩下的就是将样品放在X载物台上并开始对齐和扫描。对于样品制备，我只是将样品胶粘在一块性能更高的穿孔板上，就像下面对某些随机的250 nm CMOS芯片所做的那样。

对准是一个棘手的过程，但是在低电流下使用激光（在样品上产生一个可见的点而不会引起任何激光安全隐患）很有帮助。

扫描过程可能持续几分钟到几小时，具体取决于所需的步长（质量）和扫描区域。以下是生成图像的一些示例：

同一设备EPROM的高分辨率扫描，扫描面积500×500 um（上一张图像的右上角）。可以在上方看到两个路由层。 （下图）

扫描我的同事Szymon的I2C测试芯片（用65nm CMOS制造，如下图）。扫描区域1x1mm。

这张图片在一个轴上显示了一些前述的非线性，从而在图像中引入了周期性的失真。这些原则上可以纠正，但是我没有打扰。漂亮的CERN徽标放置在顶部金属层上，实际上一些较低级别的金属已经从顶部可见（垂直和水平配电条位于下面的两个金属层上）。

同样从该芯片，以200 nm的步长执行了一些非常小的扫描。对顶部金属层上的小金属填充图案进行成像，每个图案仅约2微米宽的正方形。使用这种成像技术可以清楚地解决光刻缺陷。水平（黑色）线是由不稳定的X轴位移台引起的，有时会转到不被告知要去的位置…

不用花很多钱，就可以制造一台功能强大的小型激光显微镜。在某个时候，更多的扫描对象将被添加到上面的集合中。如果您有兴趣复制此项目或其一部分，则可以在以下存储库中公开获得所有开发：