Stalinis gigapikselių mikroskopas: 10 žingsnių (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Optiniuose mikroskopuose yra esminis kompromisas tarp regėjimo lauko ir skiriamosios gebos: kuo smulkesnės detalės, tuo mažesnis mikroskopo vaizduojamas regionas. Vienas iš būdų įveikti šį apribojimą yra išversti pavyzdį ir gauti vaizdus didesniame matymo lauke. Pagrindinė idėja yra sujungti daug didelės skiriamosios gebos vaizdų, kad susidarytų didelis FOV. Šiuose vaizduose galite pamatyti visą mėginį ir smulkias detales bet kurioje mėginio dalyje. Rezultatas yra vaizdas, sudarytas iš maždaug milijardo pikselių, daug didesnis, palyginti su nuotraukomis, padarytomis dSLR arba išmaniuoju telefonu, kuris paprastai turi apie 10–50 milijonų pikselių. Peržiūrėkite šiuos gigapikselių peizažus, kad pamatytumėte įspūdingą didžiulį informacijos kiekį šiuose vaizduose.

Šioje pamokoje aptarsiu, kaip sukurti mikroskopą, galintį atvaizduoti 90 mm x 60 mm matymo lauką, kurio pikseliai atitinka 2 μm mėginyje (nors, manau, kad skiriamoji geba tikriausiai yra arčiau 15 μm). Sistema naudoja fotoaparato objektyvus, tačiau tą pačią koncepciją galima pritaikyti naudojant mikroskopo objektyvus, kad būtų dar geresnė raiška.

Įkėliau „EasyZoom“mikroskopu įgytus gigapikselių vaizdus:

1970 m. Žurnalo „National Geographic“vaizdas

Nėrimo staltiesė, kurią pagamino mano žmona

Įvairi elektronika

Kiti ištekliai:

Optinės mikroskopijos pamokos:

Optinė raiška:

Be vaizdo susiuvimo, naujausia kompiuterinio vaizdavimo pažanga leidžia atlikti gigapikselių mikroskopiją net nejudinant mėginio!

1 žingsnis: tiekimo sąrašas

Medžiagos:

1. „Nikon dSLR“(naudojau „Nikon D5000“)

2. 28 mm židinio nuotolio objektyvas su 52 mm sriegiu

3. 80 mm židinio nuotolio objektyvas su 58 mm sriegiu

4. 52–58 mm atbulinės eigos mova

5. Trikojis

6. Septyni 3 mm storio faneros lakštai

7. Arduino Nano

8. Du H-tiltas L9110

9. Du IR spinduoliai

10. Du IR imtuvai

11. Paspauskite mygtuką

12. Du 2,2 kOhm rezistoriai

13. Du 150 omų rezistoriai

14. Vienas 1kOhm rezistorius

15. Nuotolinis „Nikon“fotoaparato leidimas

16. Juoda plakatų lenta

17. Techninės įrangos rinkinys:

18. Du žingsniniai varikliai (aš naudojau „Nema 17 Bipolar“pakopinį variklį 3.5V 1A)

19. Du 2 mm švininiai varžtai

20. Keturi pagalvių blokai

21. Dvi švino varžto veržlės

22. Dvi guolių slydimo įvorės ir 200 mm linijiniai velenai:

23. 5 V maitinimo šaltinis:

24. Vielos apvyniojimo viela

Įrankiai:

1. Lazerinis pjoviklis

2. 3D spausdintuvas

3. Alleno veržliarakčiai

4. Vielos pjaustytuvai

5. Vielos apvyniojimo įrankis

2 veiksmas: sistemos apžvalga

Norėdami išversti pavyzdį, du žingsniniai varikliai, sulygiuoti stačiakampėmis kryptimis, perkelia pakopą x ir y kryptimi. Varikliai valdomi naudojant du H tiltus ir „Arduino“. Žingsninio variklio pagrinde esantis infraraudonųjų spindulių jutiklis naudojamas etapams nuliuoti, kad jie nepatektų į bet kurį blokų galą. Skaitmeninis mikroskopas yra virš XY pakopos.

Kai mėginys yra išdėstytas ir scena yra centre, paspauskite mygtuką, kad pradėtumėte surinkimą. Varikliai perkelia sceną į apatinį kairįjį kampą ir suveikia fotoaparatas. Tada varikliai mažais žingsniais verčia mėginį, nes fotoaparatas fotografuoja kiekvienoje padėtyje.

Nufotografavus visus vaizdus, jie susiuvami, kad susidarytų gigapikselių vaizdas.

3 žingsnis: mikroskopo surinkimas

Aš padariau mažo didinimo mikroskopą su dSLR („Nikon 5000“), „Nikon“28 mm f/2,8 objektyvu ir „Nikon“28–80 mm priartinimo objektyvu. Priartinimo objektyvo židinio nuotolis buvo lygus 80 mm. Dviejų lęšių rinkinys veikia kaip mikroskopo vamzdžio lęšis ir objektyvas. Bendras padidinimas yra židinio nuotolio santykis, maždaug 3X. Šie lęšiai tikrai nėra skirti šiai konfigūracijai, todėl, kad šviesa skleistųsi kaip mikroskopas, tarp dviejų objektyvų turite pastatyti diafragmos atramą.

Pirmiausia prie fotoaparato pritvirtinkite ilgesnio židinio nuotolio objektyvą. Iškirpkite apskritimą iš juodos plakato lentos, kurios skersmuo yra maždaug tokio pat dydžio kaip priekinis objektyvo paviršius. Tada perpjaukite nedidelį apskritimą viduryje (aš pasirinkau apie 3 mm skersmens). Apskritimo dydis lems į sistemą patenkančios šviesos kiekį, dar vadinamą skaitine diafragma (NA). NA nustato šoninę sistemos skiriamąją gebą gerai suprojektuotiems mikroskopams. Taigi kodėl šiai sąrankai nenaudoti aukšto NA? Na, yra dvi pagrindinės priežastys. Pirma, didėjant NA, sistemos optinės aberacijos tampa vis ryškesnės ir riboja sistemos skiriamąją gebą. Esant tokiai netradicinei sąrankai, greičiausiai taip ir bus, todėl padidinus NA ilgainiui nebepadės pagerinti skiriamosios gebos. Antra, lauko gylis taip pat priklauso nuo NA. Kuo didesnis NA, tuo mažesnis lauko gylis. Dėl to sunku sufokusuoti ne visus plokščius objektus. Jei NA tampa per aukšta, apsiribosite vaizdavimo mikroskopo skaidrėmis, kuriose yra ploni mėginiai.

Dėl diafragmos ribotuvo padėties tarp dviejų objektyvų sistema yra maždaug telecentriška. Tai reiškia, kad sistemos padidinimas nepriklauso nuo objekto atstumo. Tai tampa svarbu sujungiant vaizdus. Jei objekto gylis yra skirtingas, vaizdas iš dviejų skirtingų pozicijų pakeis perspektyvą (kaip ir žmogaus regėjimas). Sujungti vaizdus, kurie nėra iš telecentrinės vaizdavimo sistemos, yra sudėtinga, ypač esant tokiam dideliam padidinimui.

Naudokite 58–52 mm objektyvo atbulinės eigos movą, kad pritvirtintumėte 28 mm objektyvą prie 80 mm objektyvo taip, kad diafragma būtų viduryje.

4 žingsnis: XY scenos dizainas

Sceną suprojektavau naudodamas „Fusion 360“. Kiekvienai nuskaitymo krypčiai yra keturios dalys, kurias reikia atspausdinti 3D formatu: laikiklio tvirtinimas, du stumdomų elementų ilgintuvai ir švino varžtas. XY etapo pagrindas ir platformos yra lazeriu išpjautos iš 3 mm storio faneros. Pagrindas laiko X krypties variklį ir slankiklius, X platforma laiko Y krypties variklį ir slankiklius, o Y platforma laiko pavyzdį. Pagrindą sudaro 3 lapai, o dvi platformos - 2 lapai. Šiame etape pateikiami failai, skirti pjovimui lazeriu ir 3D spausdinimui. Iškirpę ir išspausdinę šias dalis, esate pasiruošę kitiems veiksmams.

5 žingsnis: variklio laikiklio surinkimas

Naudodami vielos apvyniojimo įrankį, apvyniokite vielą aplink dviejų IR spindulių ir dviejų IR imtuvų laidus. Spalvokite laidų kodą, kad žinotumėte, kuris galas yra kuris. Tada nukirpkite laidus nuo diodų, todėl nuo tada eina tik vielos apvyniojimo laidai. Išstumkite laidus per variklio laikiklio kreipiklius ir paspauskite diodus į vietą. Laidai nukreipti taip, kad jie nebūtų matomi, kol neišeis iš įrenginio galinės dalies. Šiuos laidus galima sujungti su variklio laidais. Dabar pritvirtinkite žingsninį variklį keturiais M3 varžtais. Pakartokite šį veiksmą ir antram varikliui.

6 žingsnis: etapo surinkimas

Klijuokite pagrindo 1 ir 2 pagrindo gabalus, vieną iš jų su šešiakampėmis angomis M3 veržlėms. Kai klijai išdžiūvo, įmuškite M3 veržles į vietą. Veržlės nesisuks, kai bus įspaustos į lentą, todėl vėliau galėsite įsukti varžtus. Dabar priklijuokite trečiąjį pagrindo lakštą (3 pagrindas), kad padengtumėte veržles.

Dabar atėjo laikas surinkti švino veržlės laikiklį. Išimkite iš laikiklio visus papildomus siūlus ir įstumkite keturias M3 veržles. Jie tvirtai priglunda, todėl būtinai išvalykite varžtų ir veržlių tarpą mažu atsuktuvu. Kai veržlės yra išlygintos, įstumkite švino veržlę į laikiklį ir pritvirtinkite 4 M3 varžtais.

Ant pagrindo pritvirtinkite pagalvių blokus, slankiklių laikiklius ir X krypties linijinio vertėjo variklio laikiklį. Uždėkite švino veržlės mazgą ant švino varžto ir tada įstumkite švino varžtą į vietą. Naudokite movą, kad prijungtumėte variklį prie pagrindinio varžto. Įdėkite slankiklius į strypus ir tada stumkite strypus į slankiklių laikiklius. Galiausiai pritvirtinkite slankiklio tvirtinimo ilgintuvus M3 varžtais.

X1 ir X2 faneros lakštai panašiai priklijuojami prie pagrindo. Ta pati procedūra kartojama Y krypties linijiniam vertėjui ir mėginio etapui.

7 žingsnis: skaitytuvo elektronika

Kiekvienas žingsninis variklis turi keturis kabelius, prijungtus prie H tilto modulio. Keturi kabeliai iš IR spinduolio ir imtuvo yra prijungti prie rezistorių pagal aukščiau pateiktą schemą. Imtuvų išėjimai prijungti prie analoginių įėjimų A0 ir A1. Du H tilto moduliai yra prijungti prie „Arduino Nano“4-11 kaiščio. Mygtukas yra prijungtas prie 2 kaiščio su 1kOhm rezistoriumi, kad būtų paprasta įvesti vartotoją.

Galiausiai dSLR paleidimo mygtukas yra prijungtas prie nuotolinio užrakto, kaip aš padariau savo CT skaitytuvui (žr. 7 veiksmą). Iškirpkite nuotolinio užrakto kabelį. Laidai pažymėti taip:

Geltona - dėmesys

Raudona - sklendė

Balta - žemė

Norint sufokusuoti kadrą, geltona viela turi būti prijungta prie žemės. Norėdami nufotografuoti nuotrauką, geltona ir raudona viela turi būti prijungtos prie žemės. Aš prijungiau diodą ir raudoną kabelį prie 12 kaiščio, o tada prijungiau kitą diodą ir geltoną kabelį prie 13 kaiščio. Sąranka yra tokia, kaip aprašyta „DIY Hacks“ir „How-Tos“instrukcijose.

8 žingsnis: Gigapikselių vaizdų gavimas

Pridedamas gigapikselių mikroskopo kodas. Aš naudoju „Stepper“biblioteką varikliams valdyti naudojant „H-bridge“. Kodo pradžioje turite nurodyti mikroskopo matymo lauką ir vaizdų, kuriuos norite gauti kiekviena kryptimi, skaičių.

Pavyzdžiui, mano pagamintas mikroskopas turėjo maždaug 8,2 mm x 5,5 mm matymo lauką. Todėl aš nukreipiau variklius pasisukti 8 mm x kryptimi ir 5 mm y kryptimi. Kiekviena kryptimi gaunama 11 vaizdų, iš viso 121 viso gigapikselio vaizdo (daugiau informacijos apie tai 11 veiksme). Tada kodas apskaičiuoja žingsnių, kuriuos varikliai turi atlikti, norėdami išversti etapą, skaičių.

Kaip etapai žino, kur jie yra variklio atžvilgiu? Kaip verčiasi etapai nepataikę į bet kurį galą? Sąrankos kode parašiau funkciją, kuri judina sceną kiekviena kryptimi, kol nutraukia kelią tarp IR spinduolio ir IR imtuvo. Kai IR imtuvo signalas nukrenta žemiau tam tikros ribos, variklis sustoja. Tada kodas seka scenos padėtį, palyginti su šia pradine padėtimi. Kodas parašytas taip, kad variklis nevirstų per toli, todėl etapas patektų į kitą švino varžto galą.

Kai etapas yra sukalibruotas kiekviena kryptimi, etapas išverčiamas į centrą. Naudodamas trikojį, aš padėjau savo dSLR mikroskopą ant scenos. Svarbu sulyginti kameros lauką su kirtomis linijomis mėginio stadijoje. Kai scena suderinta su fotoaparatu, aš užklijavau sceną kažkokia tapytojo juostele ir tada padėjau pavyzdį ant scenos. Fokusavimas buvo sureguliuotas trikojo z kryptimi. Tada vartotojas paspaudžia mygtuką, kad pradėtų gavimą. Scena virsta apatiniame kairiajame kampe ir suveikia fotoaparatas. Tada etapas rastras nuskaito mėginį, o fotoaparatas fotografuoja kiekvienoje padėtyje.

Taip pat pridedamas variklių ir IR jutiklių trikčių šalinimo kodas.

9 veiksmas: vaizdų susiuvimas

Įgiję visus vaizdus, dabar susiduriate su iššūkiu juos visus sujungti. Vienas iš būdų susiūti vaizdus yra rankiniu būdu sulygiuoti visus vaizdus grafinėje programoje (naudojau „Autodesk“grafiką). Tai tikrai veiks, tačiau tai gali būti skausmingas procesas, o vaizdų kraštai pastebimi gigapikselių vaizduose.

Kitas variantas yra naudoti vaizdo apdorojimo būdus, kad vaizdai būtų automatiškai sujungti. Idėja yra rasti panašias funkcijas gretimų vaizdų persidengiančioje skiltyje ir tada pritaikyti vertimo transformaciją vaizdui, kad vaizdai būtų suderinti vienas su kitu. Galiausiai kraštus galima sumaišyti, persidengiančią dalį padauginus iš linijinio svorio koeficiento ir sudėjus. Tai gali būti nelengvas algoritmas rašyti, jei esate naujokas vaizdo apdorojimo srityje. Kurį laiką dirbau sprendžiant problemą, tačiau nepavyko gauti visiškai patikimo rezultato. Labiausiai algoritmas kovojo su mėginiais, kurių savybės buvo labai panašios, pvz., Taškais žurnalo vaizde. Pridedamas kodas, kurį parašiau „Matlab“, tačiau jam reikia šiek tiek padirbėti.

Paskutinė galimybė yra naudoti gigapikselių fotografavimo susiuvimo programas. Neturiu ką pasiūlyti, bet žinau, kad jų yra.

10 žingsnis: mikroskopo veikimas

Jei praleidote, štai rezultatai: žurnalo įvaizdis, nėrimo staltiesė ir įvairi elektronika.

Sistemos specifikacijos pateiktos aukščiau esančioje lentelėje. Bandžiau vaizduoti su 28 mm ir 50 mm židinio nuotolio objektyvu. Aš įvertinau geriausią įmanomą sistemos skiriamąją gebą, remdamasis difrakcijos riba (apie 6μm). Iš tikrųjų sunku tai išbandyti be didelės skiriamosios gebos tikslo. Bandžiau išspausdinti vektorinį failą, pateiktą šiame didelio formato fotografijos forume, bet mane ribojo spausdintuvo skiriamoji geba. Geriausiai galėjau nustatyti šį spaudinį, kad sistemos skiriamoji geba buvo <40μm. Mėginiuose taip pat ieškojau mažų, izoliuotų bruožų. Mažiausia žurnalo spaudinio ypatybė yra rašalo dėmė, kuri, mano manymu, taip pat yra apie 40 μm, todėl negalėjau jos panaudoti, kad gautumėte geresnį skiriamąją gebą. Elektronikoje buvo nedideli taškai, kurie buvo gana gerai izoliuoti. Kadangi žinojau regėjimo lauką, galėjau suskaičiuoti pikselių, užimančių mažą skyrių, skaičių, kad gaučiau maždaug 10–15 μm skiriamąją gebą.

Apskritai buvau patenkintas sistemos veikimu, tačiau turiu keletą pastabų, jei norite išbandyti šį projektą.

Scenos stabilumas: Pirma, įsigykite aukštos kokybės linijinius scenos komponentus. Naudoti komponentai turėjo daug daugiau žaidimų, nei maniau. Kiekvienai meškerei naudoju tik vieną iš komplekte esančių slankiklių laikiklių, todėl galbūt dėl to scena nesijautė labai stabili. Scena man veikė pakankamai gerai, tačiau tai būtų didesnė didesnio didinimo sistemų problema.

Optika didesnės skiriamosios gebos: ta pati idėja gali būti naudojama didesnio padidinimo mikroskopams. Tačiau reikės mažesnių variklių su smulkesniu žingsniu. Pvz., Padidinus 20 kartų naudojant šį dSLR, matymo laukas būtų 1 mm (jei mikroskopas gali atvaizduoti tokią didelę sistemą be vinjetavimo). „Electronupdate“naudojo žingsninius variklius iš kompaktinių diskų grotuvo, kad sukurtų didesnį padidinimo mikroskopą. Kitas kompromisas bus nedidelis lauko gylis, o tai reiškia, kad vaizdavimas apsiribos plonais mėginiais ir jums reikės smulkesnio vertimo mechanizmo z kryptimi.

Trikojo stabilumas: Ši sistema geriau veiktų su stabilesniu fotoaparato laikikliu. Lęšių sistema yra sunki, o trikojis yra pakreiptas 90 laipsnių kampu nuo tos vietos, kuriai jis skirtas. Turėjau užklijuoti trikojo kojas, kad padėtų stabiliau. Užraktas taip pat gali pakankamai pakratyti fotoaparatą, kad vaizdas būtų neryškus.