为给微芯片拍照，IBM小哥用乐高拼了个电动显微镜，搭载树莓派，360度无死角拍摄

2020 年 5 月 12 日 THU数据派

来源：IEEE Spectrum

本文约 1739字 ，建议阅读 5分钟 。

本文介绍一位乐高爱好者Yuksel Temiz为了从各种角度拍摄微流控芯片，用乐高、Arduino和树莓派，一起DIY了一个高精度电动显微镜！

乐高真可谓是成年人的快乐源泉，不仅可以发挥想象力用乐高搭建自己喜欢的房子和建筑，它还可以助力精密仪器的制作，是无数geek的心头好！

这次数据菌又发现了一位乐高爱好者，作为苏黎世IBM的研究人员，Yuksel Temiz为了从各种角度拍摄微流控芯片，用乐高、Arduino(一种开源电子原型平台) 和树莓派(信用卡大小的微型电脑)，一起DIY了一个高精度电动显微镜！

这才是工作爱好两不误啊，佩服佩服。网友：看了也不会，做了也得废。

Yuksel选择DIY显微镜可不是心血来潮。

一方面，苏黎世的IBM有一个发明显微镜的传统。1981年，Gerd Binnig和Heinrich Rohrer就在这里发明了扫描隧道显微镜。

作为一个DIY爱好者，自然也不甘示弱，于是Yuksel也遵循了所在研究所的传统，希望制造了一个价值300美元的模块化电动显微镜。

再者，Yuksel在研究中确实需要特制一台显微镜，给微流控芯片拍照实在太太太难了！

一人制作，拯救全组：这台显微镜比买的都好用

因为芯片普遍较大，标准显微镜无法拍到整体，但是，Yuksel的研究组又很需要标准显微镜分辨出普通相机无法解析的精细特征。

Yuksel也去研究了其他研究小组的论文，很明显大家都面临这个挑战：需要一种更精细、能够多角度拍摄芯片的仪器。

带着这样的目的，Yuksel抽出部分空闲时间，打算重新设计一种几乎可以从任何角度拍摄微距照片的多功能小型实验室仪器。

插图：James Provost

成像显微镜的设计使用了大量的技术和材料，包括主要结构部件的乐高和3D打印的齿轮和机架来驱动其运动部件。可实现精准运动的步进电机由电机驱动板驱动，并由Arduino控制板控制。树莓派Zero和Pi摄像头模块用于拍摄图像。

最初的设计包含了定制的控制板和在高分辨率打印机上打印的零件，但在公开发布之前，该显微镜重新被设计成可以用现成的板子和零件组装，这些板子和零件可以在价格较低的低分辨率打印机上打印。

Yuksel的第一个原型是一个安装在平台上的树莓派相机模块，它可以利用旧光盘驱动器中的线性步进电机实现在三维空间中移动。树莓派相机是一个理想的选择，因为它可以手动调节ISO设置和曝光时间等关键参数。

制作过程大揭秘

反复调试后找到了最佳拍摄角度

IEEE Spectrum在报道中写下了Yuksel在制作过程中反复调试的过程。

Yuksel先是小心翼翼地拆下了固定透镜的塑料外壳，露出了CMOS图像传感器，并设计了一个精巧的机构来回移动镜头，这样就可以拍摄高倍率的微距照片。这个装置在一段时间内工作得很好，但它很脆弱。Yuksel几次都不小心把镜头机构弄坏，并且由于不小心使移动部件超出极限，导致图像传感器损坏。

于是他决定采取另一种方法：将透镜完全从Pi相机上取下来；然后，从一个低成本的USB显微镜中取出物镜，并将其安装在另一个光盘线性驱动器上，这样物镜就可以沿着Pi相机的光轴来回移动；再用乐高做一个外壳，来保护相机的外露传感器。

然而，这种尝试的结果是，除了对显微镜中使用的线性模组的高价位更加望而却步之外，没有任何结果。光盘驱动器的行程距离太短，仍然无法达到较宽的放大范围。

随后，Yuksel改用了3D打印机中使用的导螺杆机构。他没有使用常用的8毫米直径的螺纹、轴和轴承，而是使用了3毫米直径的部件来保证装置的小巧。另外，移动物镜会造成消除杂散光的问题，所以他决定用移动相机传感器来代替。

他搭建了一个平台，让被摄物体沿x轴和y轴移动并旋转。最终，用了六个带变速箱的微型步进电机实现了平台移动，倾斜显微镜，调整它与物体的距离，并对焦图像。

插图：James Provost

角度十分完美！

因为芯片通常由高反射率或透明材料制成，给芯片均匀的打光也很关键。

乐高显微镜可以将样品置于LED背光模组提供的均匀照明下。样品可以前后左右移动，还可以旋转以找到所需的角度。显微镜主体可上下倾斜，并可调整其与样品的距离和焦距，以提供不同程度的放大倍数[底部]。通过移动乐高外壳内的无透镜相机模块，改变其与外壳底部的物镜距离来调整焦距。

Yuksel表示他经常设计自己的Arduino控制板用于实现小巧的装置。这一次，他设计了一块尺寸为18×18毫米的控制板，采用了ATtiny84微控制器和DRV8834步进电机驱动器。这一配置下的图像质量出奇的好，不仅可以拍出芯片的美图，还可以检查微米级别的特征，甚至可以作为数字测角仪来测量接触角。

一开始这个项目是为了一个特定的需求，但Yuksel很清楚地意识到，这可能是一个多功能的拍照系统，任何人都可以在家里或学校组装和使用。

开源装配说明

希望热爱DIY的人都能享受到制作的乐趣

Yuksel在IBM的领导都支持他将该装配说明公开，这简直是在做慈善啊。仅用乐高、3D打印机、树莓派就可以制作一个用于科研的显微镜，能够节省多少科研经费啊。

然而当他开始准备说明书的时候，被几个问题困扰住了。

他使用了一台最先进的3D打印机和一个设备齐全的机械车间建造了该装置。并且，使用的小型步进电机价格昂贵，而且在一般的业余电子商店里也买不到。通过专用的ISP编程器对ATtiny84进行编程，肯定比不上带USB接口的商用Arduino控制板编程容易。

因此，Yuksel回归画板，使用容易获得的元件重新设计了一切，例如使用Adafruit工业公司的Arduino控制板和步进电机驱动器，以及28BYJ-48步进电机，这些元件在任何地方用几美元就能找到。他还把LED矩阵光源换成了更易自制、成本更低的版本。

之后他又从Adafruit公司花3美元买了一个LED背光源模块，并附上一个大功率LED。强度比原来的LED矩阵略低，但对于反射光和透射光显微镜来说，均匀度还是相当不错的。对于新的线性执行器，Yuksel将乐高的“滑动”件与他使用FreeCAD的齿轮工具箱设计的齿条和齿轮联动组合进行结合，并使用他个人的Creality Ender 3打印机打印。新设计的装置效果和之前的一样好，甚至更好。

小哥将说明书写在了Github上，感兴趣的同学可以前去围观~