Mikroskop warsztatowy na bazie Raspberry Zero

Mikroskop warsztatowy na bazie Raspberry Zero
Pobierz PDF Download icon

Z biegiem lat liczba narzędzi w warsztacie zwiększa się, nie są to jednak narzędzia mechaniczne lub elektronarzędzia... a różnego rodzaju przyrządy optyczne. Tradycyjne „gdzie to jest” zastępowane jest coraz częstszym „nie widzę tego”. Postęp w miniaturyzacji obudów układów scalonych, a także elementów biernych nie ułatwia codziennej pracy elektronika. Z tego powodu warto zastanowić się nad zbudowaniem mikroskopu, tym bardziej że profesjonalne rozwiązania typu Mantis, Magnus, Inspex leżą poza możliwościami wielu pracowni elektronicznych.

Po przeszukaniu zasobów internetowych i zaznajomieniu się z kilkoma konstrukcjami, okazuje się, że budowa własnego mikroskopu jest w zasadzie całkiem prosta. Oczywiście nie ma mowy o szlifowaniu soczewek, toczeniu tubusów, czernieniu aluminium obiektywu i wielu innych żmudnych oraz wymagających precyzyjnego warsztatu mechanicznego czynnościach. Takie prace mogą zniechęcić nawet wytrwałych elektroników, często mających problemy z wykonaniem zwykłej prostopadłościennej obudowy…

Obiektyw

Mikroskop wymaga odpowiedniego obiektywu. To jego najważniejszy element i odpowiada za jakość obrazu oraz możliwe powiększenie. Najważniejszy element jest też oczywiście największym problemem. W przypadku mikroskopów przeznaczonych do obserwacji preparatów biologicznych w zasadzie nie ma większego znaczenia odległość pomiędzy przednią soczewką obiektywu a preparatem. Najczęściej wystarczy kilka milimetrów, aby pomieścić szkiełka podstawowe i nakrywkowe oraz preparat, przy którym podczas obserwacji zasadniczo nie manewruje się już żadnymi narzędziami.

Kilka milimetrów odstępu w zupełności wystarcza. Podobnie sytuacja wygląda w przypadku podświetlenia preparatu, ze względu na jego grubość wystarcza podświetlenie dolne lub boczne w postaci lusterka skupiającego światło dzienne, zamontowanego pod preparatem. Mikroskop dla elektronika ma nieco inny charakter pracy, w większości przypadków pomiędzy soczewką a płytką drukowaną musi zmieścić się pęseta, lutownica lub szczypce SMD, dla wygodnej pracy odległość powinna wynosić kilka centymetrów, nawet kosztem powiększenia.

Podświetlenie ma także inne wymagania, płytki drukowane i elementy są nieprzezroczyste, podświetlenie dolne odpada, trzeba zastosować równomierne białe oświetlenie nad obiektem, takie, aby nie powodowało odbić i spadku kontrastu oglądanych elementów. W obu przypadkach nie ma wyboru, trzeba posiłkować się elementami fabrycznymi.

Co dalej?

Dla elektronika mającego już tor optyczny jest to dopiero początek pracy. Konieczne jest dobranie kamery i układu wyświetlającego obraz. Do obróbki sygnału z kamery najłatwiej zastosować Raspberry Pi, wystarczy w wersji Zero. W urządzeniu modelowym jest to Pi Zero V1 (bez Wi-Fi), można je dzisiaj kupić za ok. 30 PLN.

Dobieranie kamery warto rozpocząć od wybrania standardu mocowania obiektywu. Wiele konstrukcji mikroskopów stosuje przerabiane obiektywy z mocowaniem M12, ja preferuję tutaj standard przemysłowy C/CS-Mount. Jest do niego dostępny szeroki wybór obiektywów i akcesoriów, np. pierścieni pośrednich. Mocowanie C/CS, w przypadku dalszych eksperymentów, może ułatwić stosowanie konwerterów mechanicznych do tanich starszych obiektywów lustrzankowych z mocowaniem M42. Wymagania spełnia ArduCam OV5647 5 Mpx, chociaż dostarczony obiektyw raczej nie pomoże w budowie mikroskopu (niestety trudno ją nabyć bez obiektywu).

Obiektywu należy poszukać na aukcjach zagranicznych, jest tam sporo obiektywów do systemów wizyjnych. Szukając hasła: obiektyw do mikroskopu, trafiłem na coś o opisie „8X-100X Zoom C-mount Lens Adatper For Industry Microscope”. W zależności od dostawcy obiektyw kosztuje od 130...200 PLN z wysyłką i doskonale nadaje się do budowy mikroskopu dla elektronika. Wygląd obiektywu zastosowanego w modelu pokazano na fotografii 1.

Fotografia 1. Modelowy obiektyw

Powiększenie jest odpowiednie, a odległość do przedmiotu to wymagane kilka centymetrów. Szczerze mówiąc - jest sporo obiektywów o lepszych powiększeniach, ale ten sprawdził się wystarczająco dobrze.

Pozostałe komponenty

Jeżeli chcemy poeksperymentować z optyką i powiększeniem, warto zaopatrzyć się w pierścienie pośrednie makro (fotografia 2), takie jak np. 25 mm C-CS Mount Lens Adapter Conversion Ring Extension Tube.

Fotografia 2. Przykładowe pierścienie pośrednie C/CS-Mount

„Pierścienie” to zwykły kawałek czernionej rurki aluminiowej z gwintem WZ, zwiększający skalę powiększenia poprzez odsunięcie obiektywu od przetwornika obrazu. Dla modelowego obiektywu warto sprawdzić długości 5...25 mm. Dłuższe pierścienie zmniejszają odległość do przedmiotu i głębię ostrości (odległość, w której obiekty są ostre w odniesieniu do punktu ustawienia ostrości), zmniejszają jasność obrazu i stwarzają problemy z podświetleniem płytki, więc raczej ich nie polecam.

Pozostaje sprawa podświetlenia płytki, tutaj także wybór padł na gotowe rozwiązanie wykorzystywane w fotografii makro, tj. pierścieniową lampę podświetlającą. Modelowa lampa to 60LED Adjustable Ring Light Illuminator Lamp. Lampa ma w komplecie zasilacz sieciowy z regulowaną jasnością podświetlenia oraz uniwersalne śrubowe mocowanie do średnicy 58 mm, co wystarcza, aby bez dodatkowych elementów mechanicznych zamocować ją na obiektywie (fotografia 3).

Fotografia 3. Pierścieniowa lampa podświetlająca

Lampę należy zamocować przy przedniej soczewce na nieruchomym fragmencie obiektywu, tak aby nie obracała się podczas ostrzenia.

Dla Raspberry Pi Zero konieczna jest jeszcze taśma elastyczna umożliwiająca podłączenie kamery Raspberry Pi do Raspberry Pi Zero, w modelu zastosowano taśmę o długości 30 cm (HBV-RPI-300FPC).

Mikroskop został zaprojektowany jako urządzenie samodzielne, więc musi mieć ekran, w modelu zastosowano wysokiej jakości wyświetlacz Waveshare 7” HDMI o rozdzielczości 1024×600 px dający wysoki komfort użytkowania. Bez najmniejszych problemów można zastosować inną matrycę LCD (np. z uszkodzonego tabletu lub laptopa) wraz z kompatybilną płytką interfejsu, dostępną na aukcjach internetowych (konwerter HDMI/VGA/AV na RGB LVDS) lub wręcz monitor HDMI, o ile mamy wystarczającą ilość miejsca. Modelowy wyświetlacz ma w komplecie ramkę i płytę montażową, w której konieczne jest wywiercenie kilku otworów mocujących (fotografia 4) dla Pi Zero, płytki gniazda micro USB i mocowania do statywu.

Fotografia 4. Elementy zamontowane na płycie wyświetlacza

Przy obróbce tworzywa należy zachować ostrożność, gdyż jest bardzo kruche (podpórki stołowe ekranu rozpadły się podczas próby montażu wsporników, na całe szczęście nie były potrzebne). Warto, by producent zadbał o odpowiednie wykończenie i spasowanie powierzchni elementów mechanicznych w, przecież nie tanim, wyświetlaczu (bez pilnika mojego egzemplarza nie dało się poskładać).

Do podłączenia interfejsu HDMI wykorzystano dostępne na aukcjach przejściówki HDMI na taśmę elastyczną (20CM FPV HDMI Type A Male to Down 90 Degree Angled HDMI Male HDTV FPC Flat Cable), gdyż dostępne kable HDMI, oprócz sztywności, są zbyt długie, co utrudnia ich montaż. Niestety nie znalazłem gotowej przejściówki kątowej HDMI/mini HDMI, więc wspomagam się przejściówką z Raspberry Zero i taśmą elastyczną (fotografia 5).

Fotografia 5. Elastyczna taśma HDMI z przejściówkami

Swoją drogą producent mógłby lepiej przemyśleć lokalizację lub typ gniazda HDMI/USB, gdyż wystające z boku poza obrys ramki ciężkie wtyki z kablami uroku wyświetlaczowi nie dodają…

Wyświetlacz ma wbudowany ekran dotykowy, jednak po kilku dniach użytkowania klawiatury ekranowej okazało się, że eleganckie technicznie rozwiązanie jest kompletnie niepraktyczne podczas obsługi, np. wpisywania nazw plików rejestrowanych zrzutów ekranu czy przeglądania dokumentacji układów, w związku z czym zostało zastąpione małą klawiaturą z centrum multimedialnego (Droider-RF).

Wszystkie elementy mikroskopu zamontowane są na statywie, można zastosować dostępny na aukcjach lub poskładać z typowych elementów mechanicznych, w modelu użyto statywu do głowicy podgrzewacza IR BGA (obsługuje na warsztacie także mikrowiertarkę i mikroskop, za pomocą kilku pierścieni pośrednich do mocowania narzędzi). Fotografia tytułowa prezentuje zmontowany mikroskop. Zasilany jest z typowego zasilacza 5 V/3 A. Zasilanie do wyświetlacza i Pi rozdzielone jest kabelkiem z dwoma wtykami micro USB dolutowanymi do płytki pośredniej z gniazdem zasilania micro USB.

Uruchomienie

Po montażu mechanicznym i elektrycznym, najwyższy czas na przygotowanie systemu dla Pi Zero. W tym celu pobieramy aktualną wersję Raspbiana (i instalujemy ją na karcie SD). W przypadku zastosowania wyświetlacza Waveshare konieczna jest modyfikacja pliku config.txt (na karcie SD) i edycja linii odpowiadających za konfigurację ekranu:

Fotografia 6. Przykładowe obrazy uzyskane z mikroskopu

Przykładowe obrazy uzyskane z mikroskopu pokazuje fotografia 6.

Adam Tatuś, EP

DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik październik 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio październik 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje październik 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna październik 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów