Как сделать микроскоп из лего

Обновлено: 08.05.2024

Сегодня мы хотим познакомить вас с проектом Lego Microscope. Цель этого проекта заключается в том, чтобы предоставить всем желающим инструкции и ресурсы по сборке собственного микроскопа из кубиков LEGO.

Обзор проекта

В репозитории проекта можно найти следующую информацию, призванную помочь тем, кто хочет создать собственный микроскоп из кубиков LEGO:

Сборка и использование микроскопа

Инструкции

Имеются два набора инструкций.

Полный план работ, который можно использовать при сборке микроскопа за один заход.
Пошаговый план, разделённый на 5 частей (A, B, C, D, E), который используется в том случае, если принято решение изучать материалы «Набора исследователя» и попутно собирать микроскоп. Если вы решите пойти именно таким путём — вам понадобятся материалы из этой папки репозитория.

Фрагмент плана сборки микроскопа

Оптика

Хотя мы стремились к тому, чтобы всё, что можно, было бы собрано из кубиков LEGO, в том числе — система освещения, мы вынуждены использовать линзы сторонних производителей, так как LEGO не продаёт оптику. Сейчас для сборки микроскопа нужно 3 вида линз:

Окуляр: для него мы использовали две простые акриловые линзы (диаметр — 34,5 мм, фокусное расстояние — 106 мм). В частности, речь идёт о линзах 308.OM7. Линзы мы скрепили обычной прозрачной клейкой лентой. Вот — ссылки на страницы, где их можно купить (Европа, Великобритания).
Объектив с маленьким увеличением: тут мы воспользовались простой стеклянной линзой (диаметр — 18 мм, фокусное расстояние — 26,5 мм). Речь идёт о линзе 551.OA51 (Европа, Великобритания). Вы вполне можете использовать тут и какие-то другие линзы. Для того чтобы выбранная вами линза могла бы быть установлена так, как запланировано в инструкции, обращайте внимание на её размеры.
Объектив с большим увеличением: его роль сыграла пластиковая линза из модуля камеры iPhone 5. В момент написания этого текста такой модуль можно было купить за 2-4€. При этом вся электроника модуля нам не нужна, что печально, но нам требуется лишь линза, а не весь модуль.

Модуль камеры

Набор исследователя

Для того чтобы тому, кто решился собрать собственный микроскоп, было бы интереснее, мы создали небольшое справочное пособие, которое поможет раскрыть возможности LEGO-микроскопа. Узнать кое-что об оптике во время сборки микроскопа — это простая и логичная идея. Знаете ли вы, например, в чём разница между увеличительным стеклом и микроскопом? Вы, возможно, удивитесь тому, как просты принципы, на которых основан микроскоп. Отметим, что «Набор исследователя» рассчитан на совместную работу взрослых и детей. LEGO-часть микроскопа вполне по силам собрать и ребёнку, а вот сборкой его оптической части лучше заниматься взрослому человеку. Конечно, если ребёнок, с которым собирают микроскоп, достаточно хорошо разбирается в технике, он и сам всё сделает, но при разборке модуля камеры придётся пользоваться чем-то острым. Поэтому разумная осторожность тут не повредит.

Я член команды IBM Research–Europe в Цюрихе, разрабатывающий технологии в области микрогидродинамики для медицинского применения. Два года назад меня попросили сделать высококачественные фотографии и видео с нашими чипами для микрофлюидики для большой выставки. Я занял у коллеги видеокамеру на 4K, прикрутил к ней макрообъектив, сделал рассеиватель при помощи светодиодной матрицы и пластиковой плёнки, и разместил все материалы при помощи высококачественного штатива и микроманипуляторов. У меня получилось заснять красивые ролики о том, как жидкости заполняют микроканалы. Я понял, что наши презентации и публикации должны выйти на этот новый уровень качества Однако моя установка занимала половину верстака в лаборатории, а для записи одного кадра требовалось тратить на настройку по нескольку часов.

У нас в IBM в Цюрихе есть традиция – изобретать микроскопы. В 1981 году Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер создали здесь сканирующий туннельный микроскоп. Я, как любитель самоделок, встал на путь создания улучшенной установки. В результате у меня получился модульный моторизованный микроскоп за $300, сочетающий в себе три моих любимых взрослых хобби: Arduino, Raspberry Pi и Lego.

Сделать фото микрофлюидного чипа нелегко. Чипы обычно получаются слишком большими для того, чтобы уместиться в поле зрения стандартного микроскопа, однако в то же время у них есть такие мелкие детали, которые не сможет снять обычная камера. Также чрезвычайно важно организовать однородное освещение, поскольку чипы часто делают из прозрачных материалов или имеющих высокую отражающую способность. Если посмотреть на публикации других исследовательских групп, будет очевидно, что проблема эта распространённая. Вот такая мотивация подвигла меня на то, чтобы потратить часть свободного времени на разработку многоцелевого и компактного лабораторного инструмента, способного делать макрофотографии почти с любого угла.

Смешанные компоненты: в микроскопе используется сборная солянка из разных технологий и материалов, включая детальки Lego в качестве главных структурных компонентов и распечатанные на 3D-принтере шестерни и направляющие для движущихся частей. Шаговыми моторами, обеспечивающими точное передвижение, управляет плата драйвера и Ardiuno. Модули Raspberry Pi Zero и Pi-камера используются для фотографирования. Сначала я сделал микроскоп при помощи специально изготовленных плат и запчастей, распечатанных на принтере высокого разрешения, однако перед публикацией я переделал схему так, чтобы его можно было собрать частично из готовых частей, и частично из компонентов, которые можно печатать на недорогих принтерах.

Первым прототипом был модуль камеры Raspberry Pi на площадке, двигавшейся в трёх измерениях при помощи линейных шаговых моторов от старых приводов CD-ROM. Камера Raspberry Pi стала идеальным выбором потому, что позволяла вручную устанавливать такие критические важные параметры съёмки, как ISO и выдержку. Я удалил с неё корпус объектива, открыв доступ к фотоматрице, и сделал точный механизм, двигающий линзу вперёд-назад так, чтобы можно было делать фотографии с высоким разрешением. Всё это работало какое-то время, но механизм получился хрупким. Несколько раз я ломал механизм и повреждал фотоматрицу, когда случайно заставлял движущиеся части выходить за пределы допустимого.

Поэтому я решил действовать иначе. Я удалил линзу из Pi-камеры. Потом я взял объектив от недорогого USB-микроскопа и установил на другой линейный мотор от CD-привода, так, чтобы объектив двигался вперёд-назад вдоль оптической оси Pi-камеры. Кожух для защиты фотоматрицы я сделал из деталек Lego.

Однако в итоге я лишь понял, почему микроскопы получаются такими дорогими: расстояние, на которое мог двигаться механизм CD-привода, не хватало для того, чтобы получить приемлемый диапазон увеличения.

Я перешёл на винтовую передачу, которую используют в 3D-принтерах. Для компактности я использовал компоненты диаметром 3 мм вместо популярных 8 мм. Также, поскольку при передвижении линзы возникали проблемы с лишним светом, я решил вместо неё двигать фотоматрицу. Я сделал площадку, на которой снимаемый объект можно было двигать по осям x и y, и вращать. В итоге у меня получилось шесть миниатюрных шаговых двигателей с коробками передач, что позволяет мне двигать площадку, наклонять микроскоп, подстраивать расстояние до объекта и проводить фокусировку.

Идеальный угол: Lego-микроскоп позволяет поместить образец под однородный свет светодиодов. Его можно двигать вперёд-назад, влево-вправо, а также поворачивать. Микроскоп можно наклонять вперёд и назад, и настраивать фокусировку для разных степеней увеличения. Последнее осуществляется передвижением камеры внутри кожуха из Lego.

Я часто самостоятельно делаю специальные платы с Arduino, чтобы проекты получались более компактными. Для данного случая я разработал плату 18×18 мм с микроконтроллером ATtiny84 и драйвером моторов DRV8834. Картинка у устройства получилась неожиданно качественная, и аппарат хорошо подошёл не только для получения красивых фотографий чипов, но и для изучения различных деталей размером в несколько микрометров, а также в качестве цифрового гониометра для измерения углов соприкосновения. Я начал проект с конкретной целью, но вскоре стало ясно, что его можно переделать в многоцелевую систему получения изображений, которую мог бы собрать и использовать дома и в школе любой человек.

Компания поддержала моё стремление опубликовать инструкции по сборке устройства. Однако при подготовке инструкций к выпуску меня начали беспокоить несколько проблем. Я собирал своё устройство с использованием передового 3D-принтера и полностью оборудованной мастерской. Использованные мною небольшие шаговые моторы – дорогие, и их не купить в популярных магазинах электроники для любителей. Программировать ATtiny84 через ISP-программатор было не так удобно, как программировать коммерческий Arduino через USB. Я вернулся к разработке и переработал весь проект с нуля, используя легкодоступные компоненты – такие, как платы Arduino, драйверы шаговые моторы от Adafruit Industries, популярные и недорогие шаговые моторы 28BYJ-48.

Осветительную светодиодную матрицу я заменил на более удобную в работе и недорогую. Я купил модуль светодиодной подсветки в Adafruit за $3 и подключил к нему мощный светодиод. Яркость получилась не такой большой, однако свет вышел достаточно однородным, как для освещения отражённым, так и проходящим светом. Новые линейные моторы я сделал из зубчатых планок с шестерёнками от Lego, а недостающие детали нарисовал в FreeCAD и распечатал на домашнем 3D-принтере Creality Ender 3 Printer. И новый вариант работал не хуже старого, если не лучше.

Вероятно, в проекте очень много чего ещё можно улучшить, и я надеюсь, что этот прототип побудит других любителей на изготовление новых и улучшенных версий. Заменит ли он лабораторный микроскоп? Возможно, нет – но это прекрасное решение для школ с ограниченным бюджетом. Поэтому мы сделали инструкции по его сборке свободными и открытыми для всех.

Вряд ли этот аппарат поможет вам паять микросхемы или рассматривать что-то серьезное. Но такой самодельный микроскоп точно понравится вашему ребенку, а сам процесс сборки – чудесная возможность провести вместе время и показать, что у папы руки растут из нужного места.

Итак, совместный досуг с ребенком на выходные – собираем usb-микроскоп из веб-камеры.

На хабре уже поднималась статья о том, как подключить обычный оптический микроскоп к компьютеру. Там же подробно расписана матчасть с линзами. Конечно, существует возможность купить уже готовый usb-микроскоп в магазине, но наша задача – показать ребенку устройство цифрового микроскопа и дать повод для дальнейшего изучения микро-мира.

Что нам понадобится

1. Веб-камера
2. Коробочка от конструктора (для корпуса)
3. Корпус от клея-карандаша
4. Колпачок от фламастера
5. Ночной фонарик
Опционально: Деталька-подставка от лего-человечка. Это если: а) не жалко, б) есть желание подключать микроскоп к конструктору).

Инструменты:

6. Термоклей
7. Двусторонний скотч на мягкой основе
8. Отвертка
9. Канцелярский резак
10. Мини-лобзик

Оптика:

Для цифровой начинки была выбрана 0,3 мегапиксельная веб-камера Hama, купленная по распродаже за 100 рублей.

Разбираем камеру. Вообще принцип USB-микроскопа – это перевернуть собирающую линзу веб-камеры и сделать из нее увеличивающую, которая будет проецировать изображение на цифровую матрицу. В нашем случае 0,3 мегапикселей представляют собой малюсенький квадратик.

Пластиковый корпус нам не нужен, поэтому его можно распилить лобзиком. Главное – не повредить провод. После того, как закончили с корпусом – можно выкрутить линзу.

Выкручивается линза очень просто. Но в таком виде, нам она не нужна, по крайней мере я не смог настроить фокус. Поэтому нужно удалить лишнюю линзу. Ободок оказался приклеен – удалим его резаком. В некоторых случаях линза может быть запаяна – придется повозиться.

После удаления ободка – выпуклая линза легко извлекается. Внутри этого «бочонка» оказался цилиндр, фиксирующий вторую линзу, которая спряталась за поляризационным стеклышком. Если не закрепить цилиндр, то линза не будет держаться ровно. Я использовал ПВА и зубочистку. Теперь можно собирать камеру обратно.

Убедитесь, что резьба «бочонока» и фиксатора на микросхеме точно совпадают. В моем случае резьба не сделала ни одного оборота. Пришлось сажать на термоклей. Тестируем, чтобы убедиться в работоспособности микроскопа.

В сети много сервисов, которые позволяют транслировать изображение с веб-камеры на страницу. Например вот.
Собственно на этом оптическую часть микроскопа можно считать готовой.

Фокусировка

Подойдем к вопросам и фокусировки линзы. Первая мысль – собрать механизм из лего. Это будет здорово, хотя бы потому, что ваш ребенок получит крутую увеличивающую штуку, совместимую с его конструктором.

Так, что если не жалко деталь – клейте к кубику. Если нет желания строить корпус из лего – идем дальше.

Винт фокусировки делаем из клея-карандаша. Удовлетворительная точность и короткий шаг делают эту деталь незаменимой. Была мысль сделать из шприца, но там даже удовлетворительной точности не добиться – слишком большое давление нужно оказывать на поршень.

Шайба с клеевым стержнем сидит глубоко и напрямую к ней нашу микросхему не приклеить. Добавляем звено – колпачок от фломастера.

Вставляем трубку из колпачка в шайбу и заливаем термоклеем.

Осталось прикрепить к колпачку микросхему. Потребовался «лего-интерфейс». Удобно тем, что можно всегда отсоединить.

Корпус

Для устойчивой конструкции я использовал коробочку от конструктора. Теоретически, можно сделать ее из чего угодно. Главное, чтобы фокусировочный винт из клея карандаша держался вертикально, а снизу в линзу бил свет. На веб-камере уже есть свето-диоды, но фокусное расстояние не дает их свету падать на препарат. Да и из школьного курса биологии мы помним, что нужно направлять луч света через зеркальце, чтобы подсветить изучаемый образец. Я использовал ночной светильник. Кстати, его поверхность можно сразу использовать, как препаратное стекло.

Осталось вырезать корпус и отверстие в крышке для клея-карандаша.

Используем лобзик и нож. Давать ребенку самостоятельно работать с ножом не стоит, лучше ему помочь и сделать это самостоятельно. Я использовал шуруповерт-дрель, для промежуточных отверстий, которые затем «соединял» ножом.

Вертикально закрепить фокусировочный винт нам поможет двусторонний скотч на мягкой основе и термоклей. Вообще не представляю, как мы умудрялись в детстве обходиться без него. Хотя, нет, представляю. Я заливал все ПВА.

Микроскоп готов! Даже формой он отдаленно стал напоминать настоящий. Подключаем его к компьютеру и заходим в веб-интерфейс.

Увеличиваем

Осталось научиться ловить фокусное расстояние. Это самое трудное во всем процессе! У меня оно получилось крайне маленьким (1-3 мм). Винт, при закручивании, не направлял линзу строго вертикально — ее болтало из стороны в сторону, это тоже добавило трудностей. Однако увеличение получилось весьма приличным.

1. Крыло мухи
2. Ножка мухи
3. Тоже ножка мухи, но под другим ракурсом.
4. Волос с головы автора

А это видео, снятое таким же микроскопом, но с 1,2-мегапиксельной матрицей камеры. Личинка комара:

Видео процесса сборки:

Бюджет:

Веб-камера 100 рублей
Клей-карандаш 20 рублей
Ночной фонарик 38 рублей
Инструменты не в счет.

Теперь вы знаете чем можно занять себя и своего ребенка на выходных. Удачных экспериментов!

Обзор проекта

Сборка и использование микроскопа

Инструкции

Имеются два набора инструкций.

Полный план работ, который можно использовать при сборке микроскопа за один заход.
Пошаговый план, разделённый на 5 частей (A, B, C, D, E), который используется в том случае, если принято решение изучать материалы «Набора исследователя» и попутно собирать микроскоп. Если вы решите пойти именно таким путём — вам понадобятся материалы из этой папки репозитория.

Фрагмент плана сборки микроскопа

Оптика

Окуляр: для него мы использовали две простые акриловые линзы (диаметр — 34,5 мм, фокусное расстояние — 106 мм). В частности, речь идёт о линзах 308.OM7. Линзы мы скрепили обычной прозрачной клейкой лентой. Вот — ссылки на страницы, где их можно купить (Европа, Великобритания).
Объектив с маленьким увеличением: тут мы воспользовались простой стеклянной линзой (диаметр — 18 мм, фокусное расстояние — 26,5 мм). Речь идёт о линзе 551.OA51 (Европа, Великобритания). Вы вполне можете использовать тут и какие-то другие линзы. Для того чтобы выбранная вами линза могла бы быть установлена так, как запланировано в инструкции, обращайте внимание на её размеры.
Объектив с большим увеличением: его роль сыграла пластиковая линза из модуля камеры iPhone 5. В момент написания этого текста такой модуль можно было купить за 2-4€. При этом вся электроника модуля нам не нужна, что печально, но нам требуется лишь линза, а не весь модуль.

Модуль камеры

Набор исследователя

Сегодня мы хотим познакомить вас с проектом

Обзор проекта

Инструкции по сборке микроскопа в формате PDF .
Перечень кубиков LEGO в виде Европа ,

Сборка и использование микроскопа

Инструкции

Имеются два набора инструкций.

Полный план работ, который можно использовать при сборке микроскопа за один заход.
Пошаговый план, разделённый на 5 частей (A, B, C, D, E), который используется в том случае, если принято решение изучать материалы «Набора исследователя» и попутно собирать микроскоп. Если вы решите пойти именно таким путём — вам понадобятся материалы из этой папки репозитория.

Инструкции созданы с использованием программы LDraw, которая позволяет готовить инструкции по сборке из кубиков LEGO конструкций практически любой сложности. Ссылки для загрузки этой программы и инструкцию по её установке можно найти

Фрагмент плана сборки микроскопа

Оптика

Модуль камеры

Набор исследователя

Читайте также: