Renowacja i modyfikacja mikroskopu stereoskopowego Vision Engineering Dynascope

Tytułem wstępu:
Od dłuższego czasu polowałem na porządny mikroskop do inspekcji i lutowania PCB w technologii powierzchniowej.
Oglądałem, przeglądałem. Na początku było kilka opcji:
– budowa mikroskopu wideo na bazie kamery i przemysłowych obiektywów macro, tego typu:
*źródło: http://caltexsystems.com/wp-content/uploads/2014/08/3D-Digital-Microscope-CX-3000-HD60-BS-PCB-inspection.jpg
– kupno mikroskopu stereoskopowego okularowego, takiego tupu: Problem z pierwszym pomysłem polegał na tym, że aby uzyskać dobrą, jakość obrazu kamera musiałaby być, co najmniej HD – trudno taką znaleźć z możliwością wymiany obiektywów i o dobrych parametrach. Ponadto obiektyw macro musiałby mieć możliwość ostrzenia obiektu z dużej odległości, mieć tzw. MOD (minimum obiect distance) na poziomie min. 100-150mm, tak, aby nie było kolizji z obiektywem podczas ewentualnego lutowania. Mile widziana była by też możliwość zmiany ogniskowej. O ile obiektywy udało mi się zdobyć ze starej maszyny pick & place, to poszukiwania kamery nie powiodły się i pomysł nie doczekał się realizacji.

Drugi pomysł pozornie wydaje się prosty i dostępny, bo już za około 800-1000PLN można kupić taki używany mikroskop. Jednak, kto kiedykolwiek pracował na okularowym mikroskopie wie jak bardzo męczące jest to zadanie – szczególnie, gdy trzeba często odrywać wzrok od okularów i spojrzeć na obiekt (płytkę PCB) bezpośrednio. Oczy muszą się przeostrzyć, co bardzo szybko męczy wzrok. Ponadto głowa musi być bardzo precyzyjnie utrzymywana w określonej odległości od okularów – szyja szybko również zaczyna boleć.

Szukając rozwiązania powyższych problemów natknąłem na rozwiązania firmy Vision Engineering i mikroskopy serii Dynascope. Są to mikroskopy stereoskopowe, bez okularowe – projekcyjne. Obraz wytwarzany jest na swego rodzaju ekranie, przez co jest pozbawiony wad wyżej wymienionych mikroskopów okularowych. Pozostaje natomiast inna bariera – cena. Nowy mikroskop to koszt od 20 000PLN wzwyż. Na szczęście poprzednie generacje tych mikroskopów były produkowane już w latach ’90 więc były dostępne na rynku wtórnym – pozostało wyczekiwać okazji.

W końcu taka nadeszła – na aukcji znalazłem wymarzony egzemplarz Dynascope TS-3 za 1500PLN. Po szybkich negocjacjach już jechałem po niego do oddalonej o 100km miejscowości. Trochę ryzykowałem, ale wiedziałem, że na drugą taką okazję będę długo czekał.Stan wizualny był w porządku – silna warstwa brudu, ale do wyczyszczenia. Jedyny brak, jaki zarejestrowałem podczas odbioru, polegał na niekompletnym światłowodowym podświetlaczu – nie było zasilacza. Ogarnę – pomyślałem i wziąłem jak leżał. Jak trudne było to zadanie okazało się już wkrótce…

Bardzo mi się podobała historia mikroskopu, bo został on przywieziony ze Stanów, a naklejki na nim informowały, że pracowały w laboratoriach Hewlett Packarda i Intela w Dolinie Krzemowej . Renowację zacząłem od demontażu i czyszczenia stolika X-Y. Był zastany, ale bardzo dobrze skonstruowany – na łożyskach linowych o wałeczkowych rolkach.

Wszystko rozebrałem i wyczyściłem benzyną. Następnie zmontowałem i stolik zaczął poruszać się bardzo płynnie.Podczas zakupu nie zauważyłem, ale brakowało centralnej części stołu – znajdował się w nim otwór około 10×10 cm. Nie pozostało nic innego jak dorobić zaślepkę.

Wyfrezowałem sobie, więc taką szybko na frezarce CNC z blachy aluminiowej 8mm. Pasowała, co do ułamka milimetra .Docelowo przydałoby się ją jeszcze pomalować na czarny mat, ale na razie tak zostawiłem.

Następnie rozebrałem cześć optyczną – układ projekcyjny – i tu miłe zaskoczenie, bo układ w środku był czyściutki i bez najmniejszej ryski. Więc popatrzyłem, pochuchałem i zmontowałem wszystko z powrotem.Przyszedł czas na „ekran” – rodzaj wirującej matówki, zbudowanej z milionów mikroskopijnych luster ułożonych w strukturę plastra miodu. Matówka obraca się za pomocą silnika z prędkością obrotową około 3000rpm. I tu napotkałem pierwszy problem, bo cały mikroskop został przywieziony ze Stanów, czyli jest zasilany 110V 60Hz.Na szczęście, szybkie poszukiwania pokazały, że silnik jest uniwersalny i zamieniając połączenie uzwojeń z równoległego na szeregowe bez problemu pracuje on przy europejskim napięciu 230V 50Hz. Tylko smar na łożyskach ślizgowych trochę zasechł i podczas pracy układ głośno szumiał. Wstępnie chciałem rozebrać złożenie i porządnie nasmarować, ale zauważyłem, że zespół jest wyważany, więc postanowiłem nie ryzykować. Podałem tylko kilka kropel oleju na łożyska i pozwoliłem chwile pochodzić silnikowi – po chwili pracy zaschnięty smar się rozgrzał i wymieszał z olejem. Szumy ustały.

Kolejnym elementem do renowacji był obiektyw.Nie taki standardowy obiektyw, bo z odchylaną przystawką – układem zwierciadeł, umożliwiający podgląd elementów na PCB pod pewnym kątem, niejako od boku. Bardzo przydatna funkcja przy sprawdzaniu, jakości połączeń układów scalonych SMD.Po wyczyszczeniu, niestety okazało się, że ktoś uderzył w przystawkę i skrzywił ośkę, co sprawiło, że cały układ ocierał o główny obiektyw. Rozebrałem zawias na części pierwsze i spróbowałem wyprostować oś – na moje nieszczęście pękła w miejscu skrzywienia. Wziąłem, więc spawarkę TIG i zespawałem pęknięte elementy. Oczywiście po spawaniu powstała narośl, którą musiałem stoczyć i wyszlifować na tokarce.

Po tej operacji zawias chodził jak należy.Swoją drogą zawias jest świetnie skonstruowany – niby taka pierdoła, a na łożyskach kulowych .

Z prostych czynności zostało mi jeszcze gruntowne czyszczenie obudowy z kurzu i kleju po nieumiejętnie usuniętych naklejkach.

Następnie przeszedłem do odtworzenia podświetlacza. W oryginale źródłem światła była lampa metalohalogenkowa 250W HTI Osram zintegrowana z reflektorem eliptycznym. Reflektor eliptyczny skupia strumień światła w jednym punkcie u wejścia światłowodu. Dalej światłowodem strumień światła wędruje do sześciu reflektorów z kolimatorami. Po drodze jest jeszcze filtr UV, który chroni plastikową soczewkę kolimatora przed ciepłem. Niekompletność układu polegała na braku zasilacza do lampy wyładowczej, tzw. Balastu. Dane lampy i parametry jej zasilania znalazłem tutaj: http://www.lamptech.co.uk/Spec%20Sheets/D%20MHS%20Osram%20HTI400.htmBudowa zasilacza nie wchodziła w grę (wysokie napięcia, jedna sztuka – żaden biznes), więc szukałem czegoś gotowego. Na szczęście podobne lampy montowane są w rzutnikach. Pozostało tylko znaleźć zasilacz z takiego rzutnika o tej samej mocy (250W). W sumie sporo tego było na Allegro, więc szybko zamówiłem najpopularniejszy balast EUC250 za jakieś 60PLN.Kiedy przyszedł, zrobiłem modyfikację, aby startował bez rzutnika, ale po podłączeniu lampa niepewnie startowała, ponadto świeciła zaskakująco słabo. Pomyślałem, że lampa jest już wypalona (żywotność to tylko 250h) i muszę poszukać nowej. I tu niemiła niespodzianka – nowy palnik Osram HTI 250W to koszt około 1500PLN. Znacznie przekraczało to mój budżet, wiec postanowiłem poszukać czegoś innego. Porównałem parametry palnika i doszedłem do wniosku, że fajnie byłoby zastosować jakiegoś power leda i nie martwić się w przyszłości trwałością, czy wymianą źródła. Postanowiłem pozostawić światłowód i zbudować zamiennik centralnego źródła. Zgodnie z danymi producenta oryginalny palnik generował strumień 18750 lm o temperaturze barwowej 5600K. Znalazłem na TME diodę LED CLU048-1818C450AL7 typu COB firmy CITIZEN, która da około 11000lm i ma podobną temperaturę barwową. Koszt około 160PLN mieścił się w budżecie, więc ją zamówiłem, wraz z paroma akcesoriami: reflektorem i mocowaniem do radiatora. Radiator pozyskałem ze starego komputera klasy Pentium 4.

Wiedziałem, że ten LED nie generuje skupionej wiązki, tylko świeci bardzo szeroko – 120st. Potrzebowałem, więc dodatkowego układu, który skupi mi wiązkę w jednym punkcie. Do tego celu wybłagałem z pobliskiego serwisu samochodowego Audi uszkodzony reflektor soczewkowy z A8.

Wymontowałem soczewkę z reflektora i zaprojektowałem układ klatki, który umożliwi mi pełną regulację dystansu soczewki od diody i wejścia światłowodu. Wszystkie detale wyfrezowałem sobie na frezarce CNC. Złożyłem wszystko razem, soczewkę zasiliłem z przerobionej na zasilacz laboratoryjny 1500W ładowarki BENNING Tebechop. Sama dioda pięknie świeci, w końcu to ponad 80W!Przyszedł czas na próby całego układu.I tu spotkała mnie największa porażka. Z posiadaną soczewką nie byłem w stanie skupić strumienia światła do wymaganej średnicy. Wejście światłowodu miało około 8mm i taka plamka byłaby optymalna. Ja uzyskiwałem maksymalnie 15mm. Czyli większość światła produkowanego przez diodę nawet nie wpadała do światłowodu. Udałem się jeszcze raz do serwisu Audi i poprosiłem o inną lampę. Panowie dziwnie się popatrzyli, ale znaleźli w koszu na śmieci inną lampę, z bardziej wypukłą soczewką. Niestety po montażu w układzie efekt wcale nie był lepszy. Podjąłem jeszcze próby złożenie układu z dwiema soczewkami, ale na niewiele się to zdało – zwiększyły się tylko gabaryty całości.
Wobec napotkanych trudności zarzuciłem pomysł z centralnym źródłem światła w postaci diody i podjąłem desperacką próbę ominięcia światłowodu. Chciałem zamontować sześć mniejszych ledów, bezpośrednio w kanałach soczewek. Problemem była zbył mała średnica tych kanałów. Standardowe płytki z power ledem mają średnicę 20mm, a ja miałem dostępne 19mm średnicy. Docinanie płytek nie wchodziło w grę.

Na szczęście znalazłem jedną ofertę na miniaturowe moduły PCB z ledami 5W o średnicy 8mm. Zamówiłem więc 6 sztuk. Ledy połączyłem szeregowo, co oznaczało zasilanie napięciem około 18V i 1,5A. Mając taki układ w rękach mogłem zacząć projektować mocowanie. Nie chciałem ryzykować, więc najpierw na maszynie CNC wykonałem bardzo uproszczone mocowania z krążków o grubości 8mm. Zrobiłem pierwsze próby – było nieźle, ale dopiero po dodaniu kolimatorów efekt w końcu był satysfakcjonujący.Łącznie, te 30W świeciło znacznie lepiej niż 250W w oryginalnej lampie metalohalogenowej lub dużym ledzie 80W!
Zachęcony tym sukcesem zacząłem projektować docelowe mocowanie modułów w kanałach po soczewkach. Jak poprzednio, detale wyfrezowałem sobie na frezarce CNC.Jeden moduł składa się z dwóch podfrezowanych krążków i kolimatora pozyskanego z oryginalnego układu. Wszystkie punkty styku tych elementów posmarowałem pastą termoprzewodzącą dla lepszego odprowadzania ciepła z diody. Przewody wyprowadziłem przez otwory w obudowie kolimatorów. Kabelki zakończyłem szybkozłączem tak, aby była możliwość ewentualnego rozpięcia diod w przyszłości bez użycia lutownicy. Sześć modułów umieściłem w docelowych miejscach. W obudowie obiektywu wywierciłem dziurę i umieściłem standardowe zasilaczowe gniazdko do doprowadzenia prądu do ledów.Pozostało wykonanie zasilacza do tego zespołu. Znalazłem ofertę modułu zasilacza typu „buck” ze źródłem prądu 0-10A, 0-30V, niezbędnego do bezpiecznego zasilania diod.*źródło: http://pliki.propix.com.pl/images/DCDC_300W/DC_DC_300W.jpg
Potrzebowałem jeszcze źródła pierwotnego zasilającego ten moduł. Miałem kilka dobrej jakości zasilaczy od starych laptopów Lenovo o mocy 65W i napięciu 20V na wyjściu i postanowiłem taki wykorzystać.
Zaprojektowałem obudowę pod taki układ i już tradycyjnie wykonałem z pomocą frezarki CNC.Wewnątrz zmieściłem oba zasilacze, rozdzieliłem też przewody do zasilania napędu matówki (wspomnianej wyżej). Zasilacz ma możliwość regulacji poziomu prądu za pomocą potencjometru. Postanowiłem wykorzystać tą funkcjonalność do regulacji poziomu jasności podświetlenia. Wyprowadziłem, więc potencjometr i diodę stanu pracy na ścianę czołową zasilacza. Dostosowałem zakres regulacji 0-1,15A. Diody pracują znamionowo do 1,5A, ale nie zauważyłem znacznego wzrostu jasności po podniesieniu prądu, natomiast znacznie mniej się grzeją po jego zmniejszeniu.Nie chciałem demontować układu światłowodowego, bo zniszczyłbym w ten sposób estetykę mikroskopu, więc postanowiłem w zasilaczu pozostawić „sztuczne” złącze światłowodu. Nie jest oczywiście do niczego podłączone. W ten sposób, w razie czego, jestem w stanie powrócić do oryginalnego podświetlacza. Mam jednak nadzieję, że ten, który wykonałem posłuży bardzo długo. No i w zasadzie tyle. Mikroskop sprawuje się świetnie. Największe wrażenie robi używanie przystawki do oglądania elementów od boku .
Poniższe „monoskopowe” zdjęcia oczywiście nie oddają rzeczywistego efektu stereoskopowego. To jest minimalne powiększenie:To jest maksymalne:Mój egzemplarz ma zamontowany obiektyw x0.7, czyli zakres powiększeń wynosi: d 4.2x do 28x. Po demontażu obiektywu zakres powiększeń się zwiększa i wynosi od 6x do 40x.
Choć uważam, że do PCB bardziej funkcjonalny jest pierwszy zakres.

Film prezentujący pracę mikroskopu:

Mikroskop docelowo znalazł miejsce w łódzkim FabLabie http://fablablodz.org/ i jest do dyspozycji w warsztacie elektroniki.