Namizni mikroskop Gigapixel: 10 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Pri optičnih mikroskopih obstaja temeljni kompromis med vidnim poljem in ločljivostjo: bolj drobni so detajli, manjše je območje, ki ga posname mikroskop. Eden od načinov za premagovanje te omejitve je prevod vzorca in pridobivanje slik v večjem vidnem polju. Osnovna zamisel je združiti veliko slik visoke ločljivosti in oblikovati velik FOV. Na teh slikah lahko vidite tako celoten vzorec kot tudi drobne podrobnosti v katerem koli delu vzorca. Rezultat je slika, sestavljena iz približno milijarde slikovnih pik, veliko večja v primerjavi s slikami, ki jih je posnel dSLR ali pametni telefon, ki ima običajno od 10 do 50 milijonov slikovnih pik. Oglejte si te pokrajine gigapikslov za impresivno predstavitev ogromne količine informacij na teh slikah.

V tem navodilu bom preučil, kako sestaviti mikroskop, ki bo sposoben prikazati vidno polje 90 mm x 60 mm s piksli, ki ustrezajo 2 μm pri vzorcu (čeprav se mi zdi, da je ločljivost verjetno bližje 15 μm). Sistem uporablja leče fotoaparatov, vendar je mogoče isti koncept uporabiti z mikroskopskimi objektivi za še boljšo ločljivost.

Slike Easy -Zoom, ki sem jih pridobil z mikroskopom, sem naložil na EasyZoom:

Podoba revije National Geographic iz leta 1970

Kvačkani prt, ki ga je izdelala moja žena

Razna elektronika

Drugi viri:

Vadnice za optično mikroskopijo:

Optična ločljivost:

Nedavni napredek pri računalniškem slikanju poleg povezovanja slik omogoča tudi mikroskopijo v gigapikslih, ne da bi vzorec sploh premaknili!

1. korak: Seznam zalog

Materiali:

1. Nikon dSLR (uporabljal sem svoj Nikon D5000)

2. 28 mm goriščna leča z navojem 52 mm

3. 80 mm goriščna leča z navojem 58 mm

4. 52 mm do 58 mm povratna spojka

5. Stojalo

6. Sedem listov vezanega lesa debeline 3 mm

7. Arduino Nano

8. Dva H-most L9110

9. Dva IR oddajnika

10. Dva IR sprejemnika

11. Pritisnite gumb

12. Dva upora 2.2kOhm

13. Dva upora 150Ohm

14. En 1kOhm upor

15. Oddaljena izdaja za fotoaparat Nikon

16. Črna oglasna deska

17. Komplet strojne opreme:

18. Dva koračna motorja (uporabil sem Nema 17 Bipolarni koračni motor 3,5V 1A)

19. Dva 2 mm vodila

20. Štirje bloki blazin

21. Dve vodilni matici

22. Dve ležajni drsni puši in 200 mm linearne gredi:

23. 5V napajanje:

24. Žica za zavijanje žice

Orodja:

1. Laserski rezalnik

2. 3D tiskalnik

3. Ključi imbus

4. Rezalniki žice

5. Orodje za zavijanje žice

2. korak: Pregled sistema

Za prevod vzorca dva koračna motorja, poravnana v pravokotnih smereh, premakneta oder v smeri x in y. Motorje krmilimo z dvema H-mostovoma in Arduinom. IR senzor, nameščen na dnu koračnega motorja, se uporablja za ničelno stopnjo, tako da ne zaide v oba konca blokov. Digitalni mikroskop je nameščen nad stopnjo XY.

Ko je vzorec postavljen in je oder centriran, pritisnite gumb za začetek pridobivanja. Motorji premaknejo oder v spodnji levi kot in sproži se kamera. Motorji nato prevedejo vzorec v majhnih korakih, saj kamera posname fotografijo v vsakem položaju.

Ko so posnete vse slike, se slike nato povežejo in tvorijo sliko v gigapikslih.

3. korak: Sestavljanje mikroskopa

Naredil sem mikroskop z majhno povečavo z dSLR (Nikon 5000), objektivom Nikon 28 mm f/2,8 in objektivom Nikon 28-80 mm z zoomom. Zoom objektiv je bil nastavljen na goriščno razdaljo 80 mm. Komplet obeh leč deluje kot leča z mikroskopsko cevjo in lečo objektiva. Skupna povečava je razmerje goriščnih razdalj, približno 3 -krat. Te leče res niso zasnovane za to konfiguracijo, zato morate, da se svetloba širi kot mikroskop, postaviti omejevalnik zaslonke med obe leči.

Najprej na fotoaparat namestite objektiv z daljšo goriščno razdaljo. Iz črne plakatne plošče izrežite krog s premerom, ki je približno enak velikosti sprednje površine leče. Nato na sredini izrežite majhen krog (izbral sem približno 3 mm premera). Velikost kroga bo določila količino svetlobe, ki vstopi v sistem, imenovano tudi numerična zaslonka (NA). NA določa stransko ločljivost sistema za dobro oblikovane mikroskope. Zakaj torej za to nastavitev ne uporabite visokega NA? No, obstajata dva glavna razloga. Prvič, ko se NA povečuje, optične aberacije sistema postajajo izrazitejše in bodo omejevale ločljivost sistema. V takšni nekonvencionalni nastavitvi bo verjetno tako, zato povečanje NA sčasoma ne bo več pomagalo izboljšati ločljivosti. Drugič, globina polja je odvisna tudi od NA. Višja kot je NA, manjša je globinska ostrina. Zaradi tega je težko izostriti predmete, ki niso ravno ravni. Če je NA previsok, boste omejeni na diapozitive mikroskopa za slikanje, ki imajo tanke vzorce.

Zaradi namestitve omejevalnika zaslonke med obema objektivoma je sistem približno telecentričen. To pomeni, da je povečava sistema neodvisna od razdalje objekta. To postane pomembno za povezovanje slik skupaj. Če ima predmet različno globino, se bo pogled z dveh različnih položajev spremenil (kot človeški vid). Združevanje slik, ki niso iz sistema telecentričnega slikanja, je izziv, še posebej pri tako veliki povečavi.

Z vzvratno sklopko objektiva od 58 do 52 mm pritrdite 28 -milimetrski objektiv na 80 -milimetrski objektiv z odprtino na sredini.

4. korak: XY scensko oblikovanje

Sceno sem oblikoval z uporabo Fusion 360. Za vsako smer skeniranja je treba tri dele natisniti 3D: nosilec za montažo, dva podaljška drsne enote in nosilec za vijak. Podstavek in ploščadi stopnje XY so lasersko izrezani iz vezanega lesa debeline 3 mm. Podstavek vsebuje motor s smerjo X in drsnike, platforma X ima motor in drsnike v smeri Y, platforma Y pa vzorec. Osnova je sestavljena iz 3 listov, dve ploščadi pa iz 2 listov. V tem koraku so na voljo datoteke za lasersko rezanje in 3D tiskanje. Po rezanju in tiskanju teh delov ste pripravljeni na naslednje korake.

5. korak: Sklop nosilca motorja

Z orodjem za zavijanje žice ovijte žice okoli vodnikov dveh IR oddajnikov in dveh IR sprejemnikov. Barvno označite žice, da boste vedeli, kateri konec je kateri. Nato odrežite kable z diod, tako da od takrat tečejo samo žice za ovijanje. Potisnite žice skozi vodila v nosilcu motorja in nato diode potisnite na svoje mesto. Žice so usmerjene, tako da niso vidne, dokler ne zapustijo zadnjega dela enote. Te žice lahko povežete z žicami motorja. Zdaj namestite koračni motor s štirimi vijaki M3. Ta korak ponovite za drugi motor.

Korak 6: Montaža odra

Zlepite reze Base 1 in Base 2, enega od njih s šestkotnimi odprtinami za matice M3. Ko se lepilo posuši, zavrtite matice M3 na svoje mesto. Matice se ob pritisku na ploščo ne bodo vrtele, zato boste lahko vijake privijali pozneje. Zdaj prilepite tretji osnovni list (osnova 3), da prekrijete matice.

Zdaj je čas, da sestavite nosilec s svinčeno matico. Odstranite morebitne dodatne nitke iz nosilca in nato potisnite štiri matice M3 v položaj. So tesno prilegajoči, zato z majhnim izvijačem počistite prostor med vijaki in maticami. Ko so matice poravnane, potisnite matico v nosilec in jo pritrdite s 4 vijaki M3.

Na podlago pritrdite blazine, nosilce drsnikov in nosilec motorja za linearni prevajalec v smeri X. Sestavo vodilne matice namestite na vodilni vijak in nato potisnite vijak na mesto. S spojko povežite motor z vodilnim vijakom. Enote drsnika postavite v palice, nato pa palice potisnite v nosilce drsnika. Na koncu pritrdite podaljške za drsnik z vijaki M3.

Listi vezanega lesa X1 in X2 so na podoben način zlepljeni na podlago. Isti postopek se ponovi za linearni prevajalec v smeri Y in stopnjo vzorčenja.

7. korak: Elektronika optičnega bralnika

Vsak koračni motor ima štiri kable, ki so povezani z modulom H-most. Štirje kabli iz IR oddajnika in sprejemnika so povezani z upori v skladu z zgornjo shemo. Izhodi sprejemnikov so priključeni na analogni vhod A0 in A1. Dva modula H-most sta povezana s pin 4-11 na Arduino Nano. Gumb je priključen na pin 2 z uporom 1 kOhm za preprost vnos uporabnika.

Nazadnje je sprožilni gumb za dSLR povezan z oddaljenim zaklopom, tako kot jaz za svoj CT skener (glej korak 7). Odrežite kabel daljinskega zaklopa. Žice so označene na naslednji način:

Rumena - osredotočenost

Rdeča - polkna

Bela - tla

Za izostritev posnetka mora biti rumena žica povezana z maso. Če želite posneti fotografijo, morata biti rumena in rdeča žica povezana z ozemljitvijo. Diodo in rdeči kabel sem priključil na pin 12, nato pa sem priključil še eno diodo in rumeni kabel na pin 13. Nastavitev je opisana v navodilih DIY Hacks and How-Tos.

8. korak: Pridobitev slik Gigapixel

Priložena je koda za gigapikselni mikroskop. Knjižnico Stepper sem uporabil za krmiljenje motorjev s H-mostom. Na začetku kode morate določiti vidno polje mikroskopa in število slik, ki jih želite pridobiti v vsaki smeri.

Na primer, mikroskop, ki sem ga naredil, je imel vidno polje približno 8,2 mm x 5,5 mm. Zato sem usmeril motorje, da se premaknejo 8 mm v smeri x in 5 mm v smeri y. V vsako smer se pridobi 11 slik, skupaj 121 slik za celotno sliko gigapikslov (več o tem v 11. koraku). Koda nato izračuna število korakov, ki jih morajo motorji narediti, da stopnjo prevedejo za ta znesek.

Kako stopnje vedo, kje so glede na motor? Kako se faze prevajajo, ne da bi zadele oba konca? V nastavitveni kodi sem zapisal funkcijo, ki premika oder v vsako smer, dokler ne prekine poti med IR oddajnikom in IR sprejemnikom. Ko signal na IR sprejemniku pade pod določen prag, se motor ustavi. Koda nato sledi položaju odra glede na ta domači položaj. Koda je napisana, tako da se motor ne prenaša predaleč, zaradi česar se stopnica zaleti v drugi konec vodilnega vijaka.

Ko je oder umerjen v vsaki smeri, se oder prevede v sredino. S stojalom sem svoj mikroskop dSLR postavil nad oder. Pomembno je, da polje kamere poravnate s prečrtanimi črtami na stopnji vzorca. Ko je oder poravnan s kamero, sem z nekaj slikarskega traku polepil oder in vzorec postavil na oder. Izostritev je bila nastavljena z z-smerjo stativa. Uporabnik nato pritisne gumb za začetek pridobivanja. Oder se prevede v spodnji levi kot in sproži se kamera. Oder nato skenira vzorec, fotoaparat pa posname fotografijo na vsakem položaju.

Priložena je tudi koda za odpravljanje težav z motorji in IR senzorji.

9. korak: Šivanje slik

Z vsemi pridobljenimi podobami se zdaj soočate z izzivom, da jih vse skupaj povežete. Eden od načinov za obdelavo šivov slik je ročno poravnavanje vseh slik v grafičnem programu (uporabil sem Autodeskovo grafiko). To bo vsekakor delovalo, vendar je lahko boleč proces in robovi slik so opazni na slikah v gigapikslih.

Druga možnost je, da s tehnikami obdelave slik samodejno povežete slike. Zamisel je najti podobne funkcije v prekrivajočem se delu sosednjih slik in nato uporabiti sliko prevajalske transformacije, tako da se slike poravnajo med seboj. Končno lahko robove zmešamo tako, da prekrivajoči se odsek pomnožimo z linearnim faktorjem teže in jih seštejemo. To je lahko zastrašujoč algoritem za pisanje, če ste šele pri obdelavi slik. Nekaj časa sem delal na problemu, vendar nisem mogel dobiti popolnoma zanesljivega rezultata. Algoritem se je najbolj boril z vzorci, ki so imeli ves čas zelo podobne lastnosti, na primer pike na sliki revije. Priložena je koda, ki sem jo napisal v Matlabu, vendar potrebuje nekaj dela.

Zadnja možnost je uporaba programov za šivanje fotografij z gigapiksli. Nimam kaj predlagati, vem pa, da so tam zunaj.

10. korak: Učinkovitost mikroskopa

Če ste zamudili, so tukaj rezultati: podoba revije, kvačkani prt in različna elektronika.

Specifikacije sistema so navedene v zgornji tabeli. Poskušal sem slikati z objektivom za goriščno razdaljo 28 mm in 50 mm. Ocenil sem najboljšo možno ločljivost sistema na podlagi meje difrakcije (okoli 6μm). Brez cilja visoke ločljivosti je to eksperimentalno težko preizkusiti. Poskušal sem natisniti vektorsko datoteko, ki je navedena na tem fotografskem forumu velikega formata, vendar sem bil omejen z ločljivostjo tiskalnika. Najboljše, kar sem lahko s tem izpisom ugotovil, je bilo, da je imel sistem ločljivost <40μm. Na vzorcih sem iskal tudi majhne, izolirane lastnosti. Najmanjša značilnost tiska iz revije je madež črnila, za katerega sem ocenil, da je tudi približno 40 μm, zato ga nisem mogel uporabiti za boljšo oceno ločljivosti. V elektroniki so bili majhni prelomi, ki so bili precej dobro izolirani. Ker sem poznal vidno polje, sem lahko preštel število slikovnih pik, ki zajemajo majhen del, da dobim oceno ločljivosti, približno 10-15 μm.

Na splošno sem bil zadovoljen z zmogljivostjo sistema, vendar imam nekaj opomb, če želite preizkusiti ta projekt.

Stabilnost odra: Najprej si priskrbite visoko kakovostne linearne sestavne dele. Komponente, ki sem jih uporabil, so se igrale veliko bolj, kot sem mislil. V kompletu sem za vsako palico uporabil samo enega od nosilcev drsnikov, zato se morda zato oder ni počutil zelo stabilno. Oder mi je deloval dovolj dobro, vendar bi to postalo bolj vprašanje za sisteme z večjo povečavo.

Optika za večjo ločljivost: isto idejo lahko uporabimo za mikroskope z večjo povečavo. Vendar pa bodo potrebni manjši motorji s fino velikostjo korakov. Na primer, 20-kratna povečava s tem dSLR bi povzročila vidno polje 1 mm (če lahko mikroskop prikaže tako velik sistem brez vinjetiranja). Electronupdate je uporabil koračne motorje iz CD predvajalnika v lepi zgradbi za mikroskop z večjo povečavo. Drug kompromis bo plitka globinska ostrina, kar pomeni, da bo slikanje omejeno na tanke vzorce, zato boste potrebovali natančnejši mehanizem prevajanja v smeri z.

Stabilnost stativa: Ta sistem bi bolje deloval s stabilnejšim nosilcem kamere. Sistem objektiva je težak in stativ je nagnjen za 90 stopinj od položaja, za katerega je zasnovan. Moral sem prilepiti noge na stojalo, da bi pomagal pri stabilnosti. Zaklop lahko tudi dovolj trese fotoaparat, da zamegli slike.