Um in diesem Bereich zu experimentieren braucht man ein funktionsfähiges Mikroskop das man natürlich selber baut. Eine Art Laser Scanning Mikroskop im Weiteren kurz LSM genannt hat wohl jeder zuhause. Ein CD- oder DVD-Player ist im Grunde ein LSM bei dem die Oberfläche der Disk mit einem Laser abgerastert wird. Es liegt nahe die Komponenten aus einem Player zu verwenden. Ein vereinfachtes Arbeitsprinzip eines CD-Kopfes ist im folgenden Bild zu sehen. Der Strahl eines Lasers wird mit einer Linse auf die Oberfläche fokussiert und das von dort reflektierte Licht mit einer Fotodiode gemessen.
Die Auflösungen die hier erreicht werden sind besonders bei der modernen Blue-Ray Technologie erstaunlich.
| Wellenlänge | Objektivaperture | Spurabstand | Pitgröße | |
|---|---|---|---|---|
| CD | 780 nm | 0,45 | 1,6 µm | 0,8 µm |
| DVD | 660 nm | 0,6 | 0,8 µm | 0,4 µm |
| Blue Ray | 405 nm | 0,85 | 0,32 µm | 0,15 µm |
Zum
Bau eines einfachen Mikroskops verwendet man die optische Einheit eines
möglichst alten CD-Laufwerks. Alt deshalb, weil bei diesen Teilen die
Einzelkomponenten noch relativ groß und leicht zu erkennen sind. In den
neusten Geräten sind oft die Fotodioden zusammen mit dem Vorverstärker
auf einem Chip integriert. Dadurch wird das Herausfinden der Anschlüsse
schwierig zumal kaum Daten zu diesen Spezialteilen zu bekommen sind.
Bei
genauerer Untersuchung des Kopfes wird man sehen, dass die
Objektivlinse beweglich gelagert ist und sowohl horizontal wie vertikal
durch von kleinen Spulen erzeugte Magnetfelder bewegt werden kann. Mit
der vertikalen Verstellung kann der Laser dynamisch fokussiert werden,
die horizontale Verstellung dient zur Kompensation von Spurfehlern. Nun
müssen die entsprechenden Anschlüsse der einzelnen Bauteile gefunden
werden. Beim Laser und den beiden Verstellspulen ist das einfach. Mehr
Schwierigkeiten kann die Fotodiode bereiten, die aus bis zu sechs
Einzeldioden besteht die meist einen gemeinsamen Anodenanschluss haben.
Zwei der Dioden (E,F) messen die Spurlage, die anderen vier (A,B,C,D)
messen das reflektierte Signal und dienen zur Fokuseinstellung. Für das
Lasermikroskop werden nur die vier letzteren verwendet.
Fotodiodenarray im CD-Lesekopf
Die automatische Fokussierung in einem CD-Player ist ein genialer optischer Trick. Durch eine Zylinderlinse im Strahlengang wird die Abbildung astigmatisch, das heißt der Laserfleck wird auf der Fotodiode elliptisch abgebildet. Nur bei exakter Fokussierung entsteht ein runder Fleck.
Funktion der Fokussierung
Werden die Signale der Dioden in entsprechender Weise kombiniert ((B+C)-(A+D)) kann mit dem Nulldurchgang des Signals die richtige Fokussierung exakt festgestellt werden.
Der Scanner
Zum
Abtasten muss die Probe rasterförmig über die Optik bewegt werden. Ein
einfacher Scanner lässt sich aus zwei kleinen Lautsprechern bauen. Die
Lautsprecher sind rechtwinklig zueinander befestigt und ihre
Schwingspulen bewegen über zwei steife Stahldrähte den kleinen
Probentisch. Angetrieben werden die Lautsprecher über
Leistungsverstärker von den X- und Y-Achsen DA-Wandlern.
Die Wirkungsweise Des Lautsprecherscanners
Der fertige Scanner mit CD-Optik
Der Probentisch und die Elektronikplatine
Die Elektronik besteht aus den zwei Leistungsverstärkern zum Antrieb des Scanners und einem dritten für die Bewegung der Fokussierspule. Als Verstärker dienen Audio IC's TDA 2040. Da diese Verstärker nur bei relativ hohen Verstärkungsgraden stabil arbeiten wird die Eingangsspannung abgeschwächt und dann wieder verstärkt. Ohne diesen Trick erhält man leicht hochfrequente Schwingungen am Ausgang der ICs. Eine einfache Stromquelle versorgt den Laser mit etwa 40 mA Betriebsstrom. Zwei Strom/Spannungswandler verstärken die Signale der Fotodioden. Welche von den meist vielen Dioden im Kopf die beste Abbildung bringt muss ausprobiert werden. Werden zwei Kanäle aufgezeichnet kann man später per Software Differenzen der beiden Bilder bilden und so manchmal Details eines Bildes aus arbeiten. Auf die Strom/Spannungswandler folgt ein weiterer Spannungsverstärker um auch bei schlecht reflektierenden Oberflächen ausreichend Signal zu bekommen.
Die Schaltung zum Lasermikroskop
Die Ansteuerung der Elektronik bewerkstelligt wie bei STM ein Delphi-Programm über die bewährte Vellemann-Platine.
Zum ersten Test wurde eine Probe verwendet auf der sich kleine Metallflächen im konstanten Abstand befinden. Die Flächen sind quadratisch und haben einen Abstand von 50 µm.
Aufnahme des Testgitters
Die Messung des Gitters zeigt einen Scanbereich von etwa 150 µm und somit eine Vergrößerung von etwa 800 fach aber leider auch die eher mäßige Linearität des Lautsprecher-Scanners.
Metallisierung auf Halbleiter
Mehr Anlass zur Freude bereitet die optische Auflösung die im Bereich eines Mikrometers liegt und durchaus mit "richtigen" Mikroskopenverglichen werden kann. Ebene Flächen eignen sich am Besten zur Untersuchung, z.B. Halbleiteroberflächen. Aus älteren ICs im Metallkappengehäuse kann man geeignete Testobjekte gewinnen. Folgendes Bild zeigt einen Teil eines µA733 Verstärker Chips. Auch die faserige Oberfläche einer Briefmarke ließ sich trotz geringer Reflektion noch gut abbilden
Strukturen auf einem µA 733 Verstärker und Papieroberfläche