DVDを読み取るパーツを用いて「レーザー走査型顕微鏡」を作り出すことができる

共焦点レーザー走査型顕微鏡とは、レーザービームで対象物を走査することで画像を取得する顕微鏡の一種です。スイスのルツェルン応用科学芸術大学で製品イノベーションの講師を務めるUrs Gaudenz氏が、CDやDVDなどの光ディスク媒体から情報を再生する光学パーツ・光ピックアップを用いて共焦点レーザー顕微鏡を作成しました。

Welcome to » DVD Laser Scanner Microscope
https://www.gaudi.ch/GaudiLabs/?page_id=652

共焦点レーザー顕微鏡の仕組みは、光源から発したレーザービームを対物レンズを通して対象物に照射し、対象物全体をX軸とY軸の2方向で走査し、そして対象物から返ってくる蛍光を検出装置で取り込み、電気信号に変換した光をソフトウェアで組み合わせることで画像を取得するというもの。共焦点レーザー顕微鏡の長所は、焦点が合っている位置から発せられる蛍光のみを取り込むため、厚みがある試料でも他の顕微鏡より鮮明な画像が得られる点にあります。

一方、光ピックアップはCDやDVDなどの光ディスク媒体にレーザービームを照射し、反射した光を処理して電気信号に変換することで情報を取り出します。光ピックアップには半導体レーザーや対物レンズ、受光素子といった光学パーツが含まれているため、Gaudenz氏は光ピックアップから共焦点レーザー顕微鏡を作ることにチャレンジしました。

共焦点レーザー顕微鏡の解像度はX軸とY軸を走査する線の数によって定義されており、基本的に対物レンズやレーザーの波長によって左右されます。また、感度の高い光検出装置を用いたりレーザーの強度を上げることでも、解像度を補うことが可能だそうです。

さらに、共焦点レーザー顕微鏡のパーツとして用いる光ピックアップの感度は、読み取るべきディスクの種類によって左右されます。光ディスク媒体の表面にある凹凸は、CD＞DVD＞HD DVD＞Blu-rayの順で細かくなっており、対応する光ピックアップもこの順で感度が高くなっているとのこと。

Gaudenz氏が使用した光ピックアップは、Xbox 360にUSB接続して使用する外付け型のHD DVDドライブ・Xbox 360 HD DVDプレイヤーの初期型に搭載されている「PHR-803T」というタイプ。アリババでは1個5ドル(約530円)で販売されていました。

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共焦点レーザー顕微鏡ではX軸とY軸の2方向で対象物を走査するため、Gaudenz氏は2つの光ピックアップを組み合わせ、ワンボードマイコンのArduino Microでレーザーやレンズ可動コイルを制御するプリント基板(PCB)を作成。PHR-803Tに搭載されていた光検出器を取り外し、代わりに単純なフォトダイオードを搭載しました。

検出した光を処理するのは、電子アートやビジュアルデザインのためのプログラミング言語・Processingで記述したソフトウェアです。このソフトウェアは取得した情報を読み取って画像を構成するたけでなく、レーザーの波長や強度、スキャンする位置、解像度といったパラメータを変更することも可能だとのこと。

実際にGaudenz氏が作成した、光ピックアップを使用した共焦点レーザー顕微鏡がこれ。

シリコンチップを撮影するとこんな感じ。

CDの表面にある凹凸もはっきり撮影できます。

酵母細胞を撮影することも可能です。

Gaudenz氏の共焦点レーザー顕微鏡に使われた回路図、プリント回路基板、および処理ソフトウェアは以下のGitHubページで公開されています。

GitHub - GaudiLabs/OpenLaserScanningMicroscope: Open Source Laser Scanning Microscope
https://github.com/GaudiLabs/OpenLaserScanningMicroscope