Desktop Gigapixel mikroskop: 10 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

I optiske mikroskoper er der en grundlæggende afvejning mellem synsfelt og opløsning: jo finere detaljer, jo mindre er området afbildet af mikroskopet. En måde at overvinde denne begrænsning på er at oversætte prøven og erhverve billeder over et større synsfelt. Den grundlæggende idé er at sammensætte mange billeder i høj opløsning til et stort FOV. På disse billeder kan du se både hele prøven samt fine detaljer i enhver del af prøven. Resultatet er et billede, der består af omkring en milliard pixels, meget større i forhold til billederne taget af en dSLR eller smartphone, der typisk har omkring 10 til 50 millioner pixels. Tjek disse gigapixel -landskaber for en imponerende demonstration af den enorme mængde information i disse billeder.

I denne instruktive vil jeg gå over, hvordan man bygger et mikroskop, der er i stand til at afbilde et 90 mm x 60 mm synsfelt med pixels svarende til 2 μm ved prøven (selvom jeg tror, at opløsningen sandsynligvis er tættere på 15 μm). Systemet bruger kameralinser, men det samme koncept kan anvendes ved hjælp af mikroskopmål for at få endnu finere opløsning.

Jeg uploadede de gigapixelbilleder, jeg fik med mikroskopet på EasyZoom:

1970 National Geographic magasinbillede

Hæklet dug min kone lavede

Diverse elektronik

Andre ressourcer:

Vejledninger i optisk mikroskopi:

Optisk opløsning:

Ud over billedsømning gør de seneste fremskridt inden for beregningsbilleddannelse gigapixelmikroskopi mulig uden selv at flytte prøven!

Trin 1: Forsyningsliste

Materialer:

1. Nikon dSLR (jeg brugte min Nikon D5000)

2. 28 mm brændviddeobjektiv med 52 mm gevind

3. 80 mm brændviddeobjektiv med 58 mm gevind

4. 52 mm til 58 mm omvendt kobling

5. Stativ

6. Syv plader af 3 mm tyk krydsfiner

7. Arduino Nano

8. To H-bridge L9110

9. To IR -emittere

10. To IR -modtagere

11. Tryk på knappen

12. To 2,2 kOhm modstande

13. To 150Ohm modstande

14. En 1kOhm modstand

15. Fjernudløser til Nikon kamera

16. Sort plakatbræt

17. Hardware -kit:

18. To trinmotorer (jeg brugte Nema 17 Bipolar trinmotor 3.5V 1A)

19. To 2 mm blyskruer

20. Fire pudeblokke

21. To skruemøtrikker

22. To bærende glidebøsninger og 200 mm lineære aksler:

23. 5V strømforsyning:

24. Wire wrap wire

Værktøjer:

1. Laserskærer

2. 3D -printer

3. Unbrakonøgler

4. Trådskærere

5. Wire wrap værktøj

Trin 2: Systemoversigt

For at oversætte prøven bevæger to trinmotorer justeret i ortogonale retninger et trin i x- og y -retningen. Motorerne styres ved hjælp af to H-broer og en Arduino. En IR -sensor placeret i bunden af trinmotoren bruges til at nulstille trinene, så de ikke løber ind i hver ende af blokkene. Et digitalt mikroskop er placeret over XY -stadiet.

Når prøven er placeret og scenen er centreret, trykker du på en knap for at starte erhvervelsen. Motorerne flytter scenen til nederste venstre hjørne, og kameraet udløses. Motorerne oversætter derefter prøven i små trin, da kameraet tager et foto på hver position.

Efter at alle billederne er taget, sys billederne derefter sammen for at danne et gigapixel -billede.

Trin 3: Mikroskopmontering

Jeg lavede et mikroskop med lav forstørrelse med et dSLR (Nikon 5000), et Nikon 28mm f/2.8-objektiv og et Nikon 28-80mm zoomobjektiv. Zoomobjektivet blev indstillet til en brændvidde på 80 mm. Sættet med de to linser fungerer som et mikroskoprørobjektiv og objektiv. Den samlede forstørrelse er forholdet mellem brændvidderne, omkring 3X. Disse linser er virkelig ikke designet til denne konfiguration, så for at få lyset til at forplante sig som et mikroskop, skal du placere et blænde stop mellem de to linser.

Monter først objektivet med længere brændvidde på kameraet. Skær en cirkel ud af sort plakatbræt, der har en diameter omtrent på størrelse med linsens forside. Skær derefter en lille cirkel i midten (jeg valgte cirka 3 mm diameter). Cirkelens størrelse bestemmer mængden af lys, der kommer ind i systemet, også kaldet den numeriske blænde (NA). NA bestemmer systemets laterale opløsning for veldesignede mikroskoper. Så hvorfor ikke bruge en høj NA til denne opsætning? Der er to hovedårsager. For det første, når NA stiger, bliver de optiske afvigelser i systemet mere fremtrædende og vil begrænse systemets opløsning. I et utraditionelt setup som dette vil dette sandsynligvis være tilfældet, så at øge NA i sidste ende vil ikke længere hjælpe med at forbedre opløsningen. For det andet afhænger dybdeskarpheden også af NA. Jo højere NA, jo lavere dybdeskarphed. Dette gør det svært at få objekter, der ikke er flade, alle i fokus. Hvis NA bliver for højt, vil du være begrænset til billeddannelsesmikroskopglas, der har tynde prøver.

Placeringen af blændestop mellem de to objektiver gør systemet groft telecentrisk. Det betyder, at forstørrelsen af systemet er uafhængig af objektafstanden. Dette bliver vigtigt for at sy billeder sammen. Hvis objektet har varierende dybde, vil udsigten fra to forskellige positioner have skiftet perspektiv (som menneskesyn). At sy sammen billeder, der ikke er fra et telecentrisk billeddannelsessystem, er udfordrende, især med så høj forstørrelse.

Brug 58mm til 52mm objektivets omvendte kobling til at fastgøre 28mm objektivet til 80mm objektivet med blænde placeret i midten.

Trin 4: XY Stage Design

Jeg designede scenen ved hjælp af Fusion 360. For hver scanningsretning er der fire dele, der skal udskrives i 3D: mounter mount, to glideforlængere og en skrueskrue. Basen og platformene på XY -stadiet er laserskåret af 3 mm tyk krydsfiner. Basen holder X-retning motor og skydere, X-platformen holder Y-retning motor og skydere, og Y-platformen holder prøven. Basen består af 3 ark, og de to platforme består af 2 ark. Filerne til laserskæring og 3D -print findes i dette trin. Efter skæring og udskrivning af disse dele er du klar til de næste trin.

Trin 5: Motorophæng

Brug et trådindpakningsværktøj til at vikle ledningen rundt om ledningerne på to IR-emittere og to IR-modtagere. Farvkoder ledningerne, så du ved, hvilken ende der er hvilken. Skær derefter ledningerne af dioderne, så bare wire -wirerne løber fra da. Skub ledningerne gennem styrene i motorophænget, og skub derefter dioderne på plads. Ledningerne føres, så de ikke er synlige, før de forlader enhedens bagside. Disse ledninger kan forbindes med motortrådene. Montér nu trinmotoren ved hjælp af fire M3 bolte. Gentag dette trin for den anden motor.

Trin 6: Scenemontering

Lim Base 1 og Base 2 snittene sammen, et af dem med sekskantede åbninger til M3 møtrikkerne. Når limen er tørret, hamres M3 møtrikkerne på plads. Møtrikkerne roterer ikke, når de presses ind i brættet, så du vil kunne skrue boltene i senere. Lim nu det tredje bundark (Base 3) for at dække møtrikkerne.

Nu er det tid til at samle bly-møtrikken mount. Fjern eventuelt ekstra filament fra holderen, og skub derefter fire M3 møtrikker på plads. De sidder tæt, så sørg for at fjerne bolt og møtrik med en lille skruetrækker. Når møtrikkerne er justeret, skubbes møtrikken ind i holderen og fastgøres med 4 M3 bolte.

Sæt pudeblokke, skydebeslag og motorophæng til X-retning lineær oversætter på basen. Sæt ledemøtrikken på blyskruen, og skub derefter skruen på plads. Brug koblingen til at tilslutte motoren til ledeskruen. Placer skyderenhederne i stængerne, og skub derefter stængerne ind i skyderholderne. Til sidst fastgøres skydermonteringsforlængerne med M3 -bolte.

X1- og X2 -krydsfinerpladerne limes sammen på samme måde som basen. Den samme procedure gentages for den lineære translator i Y-retning og prøvetrinnet.

Trin 7: Scannerelektronik

Hver trinmotor har fire kabler, der er forbundet til et H-bro-modul. De fire kabler fra IR -senderen og modtageren er forbundet til modstandene i henhold til diagrammet ovenfor. Modtagerens udgange er forbundet til analog indgang A0 og A1. De to H-bridge moduler er forbundet til pin 4-11 på Arduino Nano. En trykknap er forbundet til pin 2 med en 1 kOhm modstand for enkel brugerindgang.

Endelig er triggerknappen til dSLR forbundet til en fjernlukker, som jeg gjorde for min CT -scanner (se trin 7). Skær kablet til fjernbetjent lukker. Ledningerne er mærket som følger:

Gul - fokus

Rød - lukker

Hvid - formalet

For at fokusere skuddet skal den gule ledning forbindes til jorden. For at tage et foto skal både den gule og den røde ledning forbindes til jorden. Jeg sluttede en diode og det røde kabel til pin 12, og derefter sluttede jeg en anden diode og det gule kabel til pin 13. Opsætningen er som beskrevet i DIY Hacks og How-Tos instruerbar.

Trin 8: Anskaffelse af Gigapixel -billeder

Vedlagt er koden til gigapixelmikroskopet. Jeg brugte Stepper-biblioteket til at styre motorerne med H-broen. I begyndelsen af koden skal du angive mikroskopets synsfelt og antallet af billeder, du ønsker at erhverve i hver retning.

For eksempel havde det mikroskop, jeg lavede, et synsfelt på ca. 8,2 mm x 5,5 mm. Derfor pålagde jeg motorerne at skifte 8 mm i x-retningen og 5 mm i y-retningen. Der opnås 11 billeder i hver retning, i alt 121 billeder for hele gigapixel -billedet (flere detaljer om dette i trin 11). Koden beregner derefter antallet af trin, motorerne skal tage for at oversætte scenen med dette beløb.

Hvordan ved stadierne, hvor de er i forhold til motoren? Hvordan oversættes stadierne uden at ramme begge ender? I opsætningskoden skrev jeg en funktion, der bevæger scenen i hver retning, indtil den bryder stien mellem IR -senderen og IR -modtageren. Når signalet på IR -modtageren falder under en grænse, stopper motoren. Koden sporer derefter scenens position i forhold til denne hjemmeposition. Koden er skrevet, så motoren ikke oversætter for langt, hvilket ville få scenen til at løbe ind i den anden ende af blyskruen.

Når scenen er kalibreret i hver retning, oversættes scenen til midten. Ved hjælp af et stativ placerede jeg mit dSLR -mikroskop over scenen. Det er vigtigt at justere kamerafeltet med de krydsede linjer på prøvetrinnet. Når scenen er justeret med kameraet, tapede jeg scenen ned med noget malerbånd og lagde derefter prøven på scenen. Fokus blev justeret med stativets z-retning. Brugeren trykker derefter på knappen for at begynde erhvervelsen. Scenen oversættes til nederste venstre hjørne, og kameraet udløses. Scenen scanner derefter prøven, mens kameraet tager et foto ved hver position.

Der er også vedhæftet en kode til fejlfinding af motorer og IR -sensorer.

Trin 9: Syning af billeder

Med alle de erhvervede billeder står du nu over for udfordringen med at sy dem alle sammen. En måde at håndtere billedsømning på er ved manuelt at justere alle billederne i et grafisk program (jeg brugte Autodesk's Graphic). Dette vil helt sikkert fungere, men det kan være en smertefuld proces, og kanterne på billederne er mærkbare i gigapixelbillederne.

En anden mulighed er at bruge billedbehandlingsteknikker til at sy billederne sammen automatisk. Ideen er at finde lignende funktioner i det overlappende afsnit af tilstødende billeder og derefter anvende en oversættelsestransform på billedet, så billederne er på linje med hinanden. Endelig kan kanterne blandes sammen ved at gange det overlappende afsnit med en lineær vægtfaktor og tilføje dem sammen. Dette kan være en skræmmende algoritme at skrive, hvis du ikke er ny inden for billedbehandling. Jeg arbejdede et stykke tid med problemet, men jeg kunne ikke få et fuldt pålideligt resultat. Algoritmen kæmpede mest med prøver, der havde meget lignende funktioner overalt, såsom prikkerne i magasinbilledet. Vedhæftet er den kode, jeg skrev i Matlab, men den har brug for noget arbejde.

Den sidste mulighed er at bruge programmer til syning af gigapixel fotografering. Jeg har ikke noget at foreslå, men jeg ved, at de er derude.

Trin 10: Mikroskopydelse

Hvis du gik glip af det, her er resultaterne: magasinbillede, hæklet dug og diverse elektronik.

Systemets specifikationer er angivet i tabellen ovenfor. Jeg prøvede billeddannelse med både et 28 mm og 50 mm brændviddeobjektiv. Jeg estimerede den bedst mulige opløsning af systemet baseret på diffraktionsgrænsen (omkring 6μm). Det er faktisk svært at teste dette eksperimentelt uden et mål med høj opløsning. Jeg forsøgte at udskrive en vektorfil, der er angivet på dette storformat fotograferingsforum, men jeg var begrænset af min printeropløsning. Det bedste, jeg kunne bestemme med denne udskrift, var, at systemet havde en opløsning <40μm. Jeg ledte også efter små, isolerede træk på prøverne. Den mindste funktion i trykket fra magasinet er blækpletten, som jeg også anslog at være omkring 40μm, så jeg kunne ikke bruge den til at få et bedre estimat for opløsningen. Der var små divots i elektronikken, der var ret godt isoleret. Fordi jeg kendte synsfeltet, kunne jeg tælle antallet af pixels, der optog den lille divot for at få et estimat af opløsningen, cirka 10-15μm.

Samlet set var jeg glad for systemets ydeevne, men jeg har et par noter, hvis du vil prøve dette projekt.

Scenens stabilitet: Få for det første lineære scenekomponenter af høj kvalitet. De komponenter, jeg brugte, havde meget mere spil, end jeg troede, de ville. Jeg brugte kun en af skyderholderne i sættet til hver stang, så måske var det derfor, at scenen ikke føltes særlig stabil. Etapen fungerede godt nok for mig, men dette ville blive mere et problem for systemer med større forstørrelse.

Optik til højere opløsning: Den samme idé kan bruges til mikroskoper med større forstørrelse. Dog kræves mindre motorer med finere trinstørrelse. For eksempel ville en 20X forstørrelse med denne dSLR resultere i et synsfelt på 1 mm (hvis mikroskopet kan billede et så stort system uden vignettering). Electronupdate brugte trinmotorer fra en CD -afspiller i en flot konstruktion til et forstørrelsesmikroskop. En anden afvejning vil være lav dybdeskarphed, hvilket betyder, at billeddannelsen vil være begrænset til tynde prøver, og du skal bruge en finere oversættelsesmekanisme i z-retningen.

Stativets stabilitet: Dette system ville fungere bedre med en mere stabil kameraholder. Objektivsystemet er tungt, og stativet vippes 90 grader fra den position, det er designet til. Jeg var nødt til at tape fødderne på stativet ned for at hjælpe med stabiliteten. Lukkeren kan også ryste kameraet nok til at sløre billederne.