Desktop Gigapixel -mikroskoop: 10 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

In optiese mikroskope is daar 'n fundamentele afweging tussen gesigsveld en resolusie: hoe fyner die detail, hoe kleiner is die gebied wat deur die mikroskoop afgebeeld word. Een manier om hierdie beperking te oorkom, is om die monster te vertaal en beelde oor 'n groter gesigsveld te verkry. Die basiese idee is om baie hoë resolusie beelde saam te voeg om 'n groot FOV te vorm. In hierdie beelde kan u die volledige monster sowel as fyn detail in enige gedeelte van die monster sien. Die resultaat is 'n beeld wat bestaan uit ongeveer 'n miljard pixels, baie groter in vergelyking met die foto's wat met 'n dSLR of slimfoon geneem is, wat gewoonlik ongeveer 10 tot 50 miljoen pixels het. Kyk na hierdie gigapixel -landskappe vir 'n indrukwekkende demonstrasie van die groot hoeveelheid inligting in hierdie beelde.

In hierdie instruksies gaan ek oor hoe om 'n mikroskoop te bou wat 'n 90 x 60 mm gesigsveld kan beeld met pixels wat ooreenstem met 2μm by die monster (hoewel ek dink die resolusie is waarskynlik nader aan 15μm). Die stelsel gebruik kameralense, maar dieselfde konsep kan met mikroskoopdoelwitte toegepas word om 'n nog fyner resolusie te kry.

Ek laai die gigapixel -beelde wat ek met die mikroskoop gekry het op EasyZoom op:

1970 National Geographic tydskrifbeeld

Haak tafeldoek wat my vrou gemaak het

Diverse elektronika

Ander hulpbronne:

Tutoriale vir optiese mikroskopie:

Optiese resolusie:

Benewens beeldstiksels, maak onlangse vordering in rekenaarbeelde gigapixelmikroskopie moontlik sonder om die monster te beweeg!

Stap 1: Voorsieningslys

Materiaal:

1. Nikon dSLR (ek het my Nikon D5000 gebruik)

2. 28 mm brandpuntlens met 52 mm draad

3. 80 mm brandpuntlens met 58 mm draad

4. 52 mm tot 58 mm omgekeerde koppelaar

5. Statief

6. Sewe velle 3 mm dik laaghout

7. Arduino Nano

8. Twee H-brug L9110

9. Twee IR -emitters

10. Twee IR -ontvangers

11. Drukknoppie

12. Twee 2.2kOhm weerstande

13. Twee 150Ohm weerstande

14. Een 1kOhm -weerstand

15. Afstandsbediening vir Nikon -kamera

16. Swart plakkaatbord

17. Hardeware kit:

18. Twee stapmotors (ek gebruik Nema 17 Bipolêre stapmotor 3.5V 1A)

19. Twee 2 mm loodskroewe

20. Vier kussingblokke

21. Twee skroefmoere

22. Twee laerskyfies en 200 mm lineêre as:

23. 5V kragtoevoer:

24. Draaddraad

Gereedskap:

1. Lasersnyer

2. 3D -drukker

3. Inbussleutels

4. Draadsnyers

5. Gereedskap vir draaddraad

Stap 2: Stelseloorsig

Om die monster te vertaal, beweeg twee stapmotors wat in ortogonale rigtings in lyn is, 'n stadium in die x- en y -rigting. Die motors word bestuur met behulp van twee H-brûe en 'n Arduino. 'N IR -sensor wat aan die voet van die stapmotor geplaas word, word gebruik om die fases te nul sodat hulle nie aan die een kant van die blokke vasloop nie. 'N Digitale mikroskoop is bo die XY -stadium geplaas.

Sodra die monster geplaas is en die verhoog gesentreer is, druk u op 'n knoppie om die verkryging te begin. Die motors beweeg die verhoog na die onderste linkerhoek en die kamera word geaktiveer. Die motors vertaal die monster dan in klein stappe, aangesien die kamera op elke posisie 'n foto neem.

Nadat al die beelde geneem is, word die beelde aanmekaar geheg om 'n gigapixelbeeld te vorm.

Stap 3: Mikroskoop -samestelling

Ek het 'n mikroskop met 'n lae vergroting gemaak met 'n dSLR (Nikon 5000), 'n Nikon 28mm f/2.8 lens en 'n Nikon 28-80 mm zoomlens. Die zoomlens is ingestel op 'n brandpuntsafstand van 80 mm. Die stel van die twee lense werk soos 'n mikroskoopbuislens en objektiewe lens. Die totale vergroting is die verhouding van die brandpuntsafstand, ongeveer 3X. Hierdie lense is regtig nie ontwerp vir hierdie konfigurasie nie, dus om die lig soos 'n mikroskoop te laat versprei, moet u 'n openingstop tussen die twee lense plaas.

Monteer eers die lens met 'n langer brandpuntsafstand op die kamera. Sny 'n sirkel uit 'n swart plakkaatbord met 'n deursnee wat ongeveer die grootte van die voorkant van die lens is. Sny dan 'n klein sirkel in die middel (ek het 'n deursnee van ongeveer 3 mm gekies). Die grootte van die sirkel bepaal die hoeveelheid lig wat die stelsel binnedring, ook die numeriese diafragma (NA) genoem. Die NA bepaal die laterale resolusie van die stelsel vir goed ontwerpte mikroskope. Waarom gebruik u nie 'n hoë NA vir hierdie opstelling nie? Wel, daar is twee hoofredes. Eerstens, namate die NA toeneem, word die optiese afwykings van die stelsel meer prominent en sal dit die resolusie van die stelsel beperk. In 'n onkonvensionele opset soos hierdie, sal dit waarskynlik die geval wees, dus die verhoging van die NA sal uiteindelik nie meer help om die resolusie te verbeter nie. Tweedens hang die diepte van veld ook af van NA. Hoe hoër die NA, hoe vlakker is die diepte van die veld. Dit maak dit moeilik om voorwerpe wat nie plat is nie, in fokus te stel. As die NA te hoog word, is u beperk tot die beeldmikroskoopskyfies met dun monsters.

Die posisie van die diafragma -stop tussen die twee lense maak die stelsel ongeveer telesentries. Dit beteken dat die vergroting van die stelsel onafhanklik is van die voorwerpafstand. Dit word belangrik om beelde bymekaar te maak. As die voorwerp wisselende diepte het, sal die siening vanuit twee verskillende posisies perspektief verskuif (soos menslike visie). Dit is uitdagend om beelde bymekaar te maak wat nie van 'n telesentriese beeldstelsel afkomstig is nie, veral met so 'n hoë vergroting.

Gebruik die omgekeerde koppelaar van 58 mm tot 52 mm om die 28 mm -lens aan die 80 mm -lens vas te maak met die opening in die middel.

Stap 4: XY Stage Design

Ek het die verhoog ontwerp met behulp van Fusion 360. Vir elke skanderigting is daar vier dele wat in 3D gedruk moet word: mounter mount, twee skyfeenheidsverlengers en 'n loodskroefhouer. Die basis en platforms van die XY -stadium is laser gesny uit laaghout van 3 mm dik. Die basis bevat die X-rigting motor en skuifbande, die X-platform hou die Y-rigting motor en glyers, en die Y-platform hou die monster. Die basis bestaan uit 3 velle en die twee platforms bestaan uit 2 velle. Die lêers vir laser sny en 3D -druk word in hierdie stap verskaf. Nadat u hierdie dele gesny en gedruk het, is u gereed vir die volgende stappe.

Stap 5: Motorsteun

Draai die draad om die leidings van twee IR-emitters en twee IR-ontvangers met 'n draadomhulselgereedskap. Kleur die drade met 'n kleur, sodat u weet watter kant dit is. Sny dan die leidings van die diodes af, sodat net die draaddrade van toe af loop. Skuif die drade deur die gidse in die motorhouer en druk dan die diodes op hul plek. Die drade is so gerig dat hulle nie sigbaar is voordat hulle die agterkant van die eenheid verlaat nie. Hierdie drade kan met die motordrade verbind word. Monteer nou die stapmotor met vier M3 -boute. Herhaal hierdie stap vir die tweede motor.

Stap 6: Stadiumvergadering

Plak die snitte Base 1 en Base 2 vas, een daarvan met seshoekige openinge vir die M3 -moere. Sodra die gom droog is, hamer die M3 -moere in posisie. Die moere draai nie as hulle in die bord gedruk word nie, sodat u die boute later kan vasskroef. Plak nou die derde basisvel (basis 3) om die neute te bedek.

Nou is dit tyd om die loodmoerhouer te monteer. Verwyder enige ekstra filament van die houer en druk dan vier M3 -moere in posisie. Hulle pas goed, dus maak seker dat u die bout en moerruimte met 'n klein skroewedraaier verwyder. Sodra die moere in lyn is, druk die loodmoer in die houer en bevestig dit met 4 M3-boute.

Bevestig die kussingblokke, skuifhouers en motorsteun vir die X-rigting lineêre vertaler op die basis. Plaas die loodmoer op die loodskroef en skuif dan die loodskroef op sy plek. Gebruik die koppelaar om die motor aan die loodskroef te koppel. Plaas die skuifeenhede in die stawe en druk dan die stawe in die skuifhouers. Bevestig ten slotte die skuifhouers met M3 -boute.

Die X1- en X2 -laaghoutblaaie word op dieselfde manier as die basis vasgeplak. Dieselfde prosedure word herhaal vir die Y-rigting lineêre vertaler en die steekproefstadium.

Stap 7: Skandeerderelektronika

Elke stapmotor het vier kabels wat aan 'n H-brug-module gekoppel is. Die vier kabels van die IR -sender en -ontvanger is volgens die diagram hierbo met die weerstande verbind. Die uitsette van die ontvangers is gekoppel aan analoog ingang A0 en A1. Die twee H-brug-modules is verbind met pen 4-11 op die Arduino Nano. 'N Drukknop is met pen 1 verbind met 'n 1kOhm -weerstand vir eenvoudige gebruikersinvoer.

Uiteindelik is die snellerknoppie vir die dSLR gekoppel aan 'n afgeleë sluiter, soos ek met my CT -skandeerder gedoen het (sien stap 7). Sny die afstandsbedieningskabel. Die drade is soos volg gemerk:

Geel - fokus

Rooi sluiter

Wit - gemaal

Om die skoot te fokus, moet die geel draad met die grond verbind word. Om 'n foto te maak, moet beide die geel en die rooi draad aan die aarde gekoppel word. Ek het 'n diode en die rooi kabel aan pen 12 gekoppel, en dan het ek 'n ander diode en die geel kabel aan pen 13 gekoppel. Die opstelling is soos beskryf in DIY Hacks en How-Tos instruksies.

Stap 8: Verkry Gigapixel -beelde

Aangeheg is die kode vir die gigapixel -mikroskoop. Ek het die Stepper-biblioteek gebruik om die motors met die H-brug te beheer. In die begin van die kode moet u die gesigsveld van die mikroskoop en die aantal beelde in elke rigting spesifiseer.

Die mikroskoop wat ek gemaak het, het byvoorbeeld 'n gesigsveld van ongeveer 8,2 mm x 5,5 mm. Daarom het ek die motors aangesê om 8 mm in die x-rigting en 5 mm in die y-rigting te skuif. 11 beelde word in elke rigting verkry, in totaal 121 beelde vir die volledige gigapixelbeeld (meer inligting hieroor in stap 11). Die kode bereken dan die aantal stappe wat die motors moet doen om die verhoog met hierdie hoeveelheid te vertaal.

Hoe weet die fases waar dit relatief tot die motor is? Hoe vertaal die stadiums sonder om aan die een kant te raak? In die opstellingskode het ek 'n funksie geskryf wat die verhoog in elke rigting beweeg totdat dit die pad tussen die IR -sender en IR -ontvanger breek. As die sein op die IR -ontvanger onder 'n drumpel daal, stop die motor. Die kode volg dan die posisie van die verhoog relatief tot hierdie tuisposisie. Die kode is geskryf sodat die motor nie te ver vertaal nie, wat die verhoog aan die ander kant van die loodskroef kan laat loop.

Sodra die verhoog in elke rigting gekalibreer is, word die verhoog na die sentrum vertaal. Met 'n driepoot het ek my dSLR -mikroskoop oor die verhoog geplaas. Dit is belangrik om die kameraveld in lyn te bring met die gekruiste lyne op die monsterstadium. Sodra die verhoog in lyn was met die kamera, het ek die verhoog met 'n skilder se band vasgemaak en die monster op die verhoog neergesit. Die fokus is aangepas met die z-rigting van die driepoot. Die gebruiker druk dan op die drukknop om die verkryging te begin. Die verhoog vertaal na die onderste linkerhoek en die kamera word geaktiveer. Die raster skandeer dan die monster, terwyl die kamera 'n foto op elke posisie maak.

Daar is ook 'n kode vir die oplos van motors en IR -sensors.

Stap 9: steek beelde

Met al die beelde wat u gekry het, staan u nou voor die uitdaging om hulle almal aanmekaar te sit. Een manier om beeldstiksels te hanteer, is deur al die beelde handmatig in 'n grafiese program aan te pas (ek het Autodesk's Graphic gebruik). Dit sal beslis werk, maar dit kan 'n pynlike proses wees en die rande van die beelde is merkbaar in die gigapixel -beelde.

'N Ander opsie is om beeldverwerkingstegnieke te gebruik om die beelde outomaties aanmekaar te maak. Die idee is om soortgelyke kenmerke te vind in die oorvleuelende gedeelte van aangrensende beelde en dan 'n vertalingstransformasie op die beeld toe te pas sodat die beelde met mekaar in lyn is. Uiteindelik kan die rande saamgevoeg word deur die oorvleuelende gedeelte te vermenigvuldig met 'n lineêre gewigsfaktor en dit bymekaar te voeg. Dit kan 'n skrikwekkende algoritme wees om te skryf as u nuut is in beeldverwerking. Ek het 'n rukkie aan die probleem gewerk, maar ek kon nie 'n volledig betroubare resultaat kry nie. Die algoritme sukkel die meeste met monsters wat deurgaans baie soortgelyke kenmerke gehad het, soos die kolletjies in die tydskrifbeeld. Die kode wat ek in Matlab geskryf het, is hierby aangeheg, maar dit benodig 'n bietjie werk.

Die laaste opsie is om gigapixel fotografie -stikprogramme te gebruik. Ek het niks om voor te stel nie, maar ek weet dat hulle daar is.

Stap 10: Mikroskoopprestasie

As u dit gemis het, is die resultate: tydskrifbeeld, gehaakte tafeldoek en diverse elektronika.

Die spesifikasies van die stelsel word in die tabel hierbo gelys. Ek het 'n beeld probeer met 'n lens van 28 mm en 50 mm. Ek het die beste moontlike resolusie van die stelsel beraam op grond van die diffraksiegrens (ongeveer 6μm). Dit is eintlik moeilik om dit eksperimenteel te toets sonder 'n hoë resolusie -teiken. Ek het probeer om 'n vektorlêer op hierdie grootformaat fotografieforum af te druk, maar my resolusie was beperk. Die beste wat ek met hierdie afdruk kon bepaal, was dat die stelsel 'n resolusie van <40μm het. Ek het ook gesoek na klein, geïsoleerde kenmerke op die monsters. Die kleinste kenmerk in die afdruk uit die tydskrif is die inkvlek, wat ek na raming ook ongeveer 40μm was, sodat ek dit nie kon gebruik om 'n beter skatting van die resolusie te kry nie. Daar was klein dele in die elektronika wat redelik goed geïsoleer was. Omdat ek die gesigsveld geken het, kon ek die aantal pixels wat die klein deel neem, tel om 'n skatting van die resolusie te kry, ongeveer 10-15μm.

Oor die algemeen was ek tevrede met die prestasie van die stelsel, maar ek het 'n paar aantekeninge as u hierdie projek wil probeer.

Stabiliteit van die verhoog: Kry eerstens lineêre fase -komponente van hoë gehalte. Die komponente wat ek gebruik het, het baie meer spel as wat ek gedink het. Ek het slegs een van die skuifhouers in die kit vir elke staaf gebruik, so miskien was dit hoekom die verhoog nie baie stabiel gevoel het nie. Die verhoog het goed genoeg vir my gewerk, maar dit sou meer 'n probleem word vir stelsels met groter vergroting.

Optika vir hoër resolusie: Dieselfde idee kan gebruik word vir mikroskope met groter vergroting. Kleiner motors met 'n fyner trapgrootte sal egter benodig word. Byvoorbeeld, 'n 20X vergroting met hierdie dSLR sou 'n gesigsveld van 1 mm tot gevolg hê (as die mikroskoop 'n groot stelsel kan beeld sonder vignettering). Electronupdate het stapmotors van 'n CD -speler gebruik in 'n goeie gebou vir 'n groter vergroting -mikroskoop. 'N Ander afweging is 'n geringe velddiepte, wat beteken dat die beelding beperk sal wees tot dun monsters en dat u 'n fyner vertaalmeganisme in die z-rigting benodig.

Stabiliteit van die driepoot: hierdie stelsel sal beter werk met 'n meer stabiele kameras. Die lensstelsel is swaar en die driepoot is 90 grade gekantel van die posisie waarvoor dit ontwerp is. Ek moes die voete van die driepoot vasmaak om te help met stabiliteit. Die sluiter kan die kamera ook genoeg skud om die beelde te vervaag.