Mikroskopi desktop Gigapixel: 10 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:20

Në mikroskopët optikë, ekziston një kompromis themelor midis fushës së shikimit dhe zgjidhjes: sa më i hollë të jetë detaji, aq më i vogël është rajoni i imazhuar nga mikroskopi. Një mënyrë për të kapërcyer këtë kufizim është përkthimi i mostrës dhe marrja e imazheve në një fushëpamje më të madhe. Ideja themelore është të qepni së bashku shumë imazhe me rezolucion të lartë për të formuar një FOV të madhe. Në këto imazhe, ju shihni si mostrën e plotë, ashtu edhe detajet e imëta në çdo pjesë të mostrës. Rezultati është një imazh i përbërë nga rreth një miliard piksele, shumë më i madh në krahasim me fotografitë e marra nga një dSLR ose telefon i zgjuar, të cilat zakonisht kanë rreth 10 deri në 50 milion piksele. Shikoni këto peizazhe gigapixel për një demonstrim mbresëlënës të sasisë masive të informacionit në këto imazhe.

Në këtë udhëzues, unë do të shqyrtoj se si të ndërtoj një mikroskop të aftë për të imazhuar një fushë-pamje 90mm x 60mm me piksele që korrespondojnë me 2μm në mostër (megjithëse, mendoj se rezolucioni është ndoshta më afër 15μm). Sistemi përdor lentet e kamerës, por i njëjti koncept mund të zbatohet duke përdorur objektivat e mikroskopit për të marrë një rezolucion edhe më të mirë.

Unë ngarkova imazhet gigapixel që fitova me mikroskop në EasyZoom:

1970 Imazhi i revistës National Geographic

Mbulesë tavoline me grep e bërë nga gruaja ime

Elektronikë të ndryshëm

Burime të tjera:

Mësime të mikroskopisë optike:

Rezolucioni optik:

Përveç qepjes së imazhit, përparimi i fundit në imazhet llogaritëse bën të mundur mikroskopinë gigapixel pa lëvizur as mostrën!

Hapi 1: Lista e Furnizimit

Materiale:

1. Nikon dSLR (kam përdorur Nikon D5000 tim)

2. Lente me gjatësi fokale 28 mm me filetim 52 mm

3. Lente me gjatësi fokale 80mm me filetim 58mm

4. Bashkues i kundërt 52mm deri 58mm

5. Trekëmbësh

6. Shtatë fletë kompensatë me trashësi 3mm

7. Arduino Nano

8. Dy H-urë L9110

9. Dy emetues IR

10. Dy marrës IR

11. Shtyp butonin

12. Dy rezistorë 2.2kOhm

13. Dy rezistorë 150Ohm

14. Një rezistencë 1kOhm

15. Lëshimi në distancë për kamerën Nikon

16. Tabela e posterit të zi

17. Kompleti i pajisjeve:

18. Dy motorë stepper (kam përdorur Nema 17 motor bipolar me hap 3.5V 1A)

19. Dy vida me plumb 2mm

20. Katër blloqe jastëkësh

21. Dy arra me vidë plumbi

22. Dy mbajtëse rrëshqitëse mbajtëse dhe boshte lineare 200 mm:

23. Furnizimi me energji 5V:

24. Teli i mbështjelljes së telit

Mjetet:

1. Prerës me lazer

2. Printer 3D

3. Çelësat Allen

4. Prerëset e telave

5. Mjet për mbështjelljen e telit

Hapi 2: Vështrim i përgjithshëm i sistemit

Për të përkthyer mostrën, dy motorë stepper të rreshtuar në drejtime ortogonale lëvizin një fazë në drejtimin x dhe y. Motorët kontrollohen duke përdorur dy ura H dhe një Arduino. Një sensor IR i vendosur në bazën e motorit stepper përdoret për të zeruar fazat në mënyrë që ato të mos futen në asnjë skaj të blloqeve. Një mikroskop dixhital është i pozicionuar mbi fazën XY.

Pasi mostra të pozicionohet dhe faza të jetë e përqendruar, ju shtypni një buton për të filluar blerjen. Motorët lëvizin skenën në këndin e poshtëm të majtë dhe kamera ndizet. Motorët pastaj përkthejnë mostrën në hapa të vegjël, pasi kamera merr një fotografi në çdo pozicion.

Pasi të merren të gjitha imazhet, imazhet më pas ngjiten së bashku për të formuar një imazh gigapixel.

Hapi 3: Montimi i mikroskopit

Kam bërë një mikroskop me zmadhim të ulët me një dSLR (Nikon 5000), një lente Nikon 28mm f/2.8 dhe një lente zmadhimi Nikon 28-80mm. Lentja e zmadhimit u vendos për një gjatësi fokale të barabartë me 80 mm. Kompleti i dy lenteve vepron si një lente tubi mikroskopi dhe një lente objektive. Zmadhimi total është raporti i gjatësive fokale, rreth 3X. Këto lente nuk janë vërtet të dizajnuara për këtë konfigurim, kështu që për ta bërë dritën të përhapet si një mikroskop, duhet të vendosni një ndalesë të hapjes midis dy lenteve.

Së pari, montoni lentet me gjatësi fokale më të gjatë në kamerë. Pritini një rreth nga pllaka e zezë e posterit që ka një diametër afërsisht madhësia e sipërfaqes së përparme të thjerrëzës. Pastaj prerë një rreth të vogël në mes (zgjodha rreth 3 mm diametër). Madhësia e rrethit do të përcaktojë sasinë e dritës që hyn në sistem, e quajtur edhe hapja numerike (NA). NA përcakton zgjidhjen anësore të sistemit për mikroskopët e dizajnuar mirë. Pra, pse të mos përdorni një NA të lartë për këtë konfigurim? Epo, ka dy arsye kryesore. Së pari, me rritjen e NA, devijimet optike të sistemit bëhen më të spikatura dhe do të kufizojnë zgjidhjen e sistemit. Në një strukturë jokonvencionale si kjo, kjo ka të ngjarë të jetë kështu, kështu që rritja e NA përfundimisht nuk do të ndihmojë më në përmirësimin e zgjidhjes. Së dyti, thellësia e fushës gjithashtu varet nga NA. Sa më e lartë NA, aq më e vogël është thellësia e fushës. Kjo e bën të vështirë marrjen e objekteve që nuk janë të sheshta. Nëse NA bëhet shumë e lartë, atëherë do të kufizoheni në rrëshqitjet e imazheve të mikroskopit, të cilat kanë mostra të holla.

Pozicionimi i ndalesës së hapjes midis dy lenteve e bën sistemin afërsisht telecentrik. Kjo do të thotë që zmadhimi i sistemit është i pavarur nga distanca e objektit. Kjo bëhet e rëndësishme për qepjen e imazheve së bashku. Nëse objekti ka thellësi të ndryshme, atëherë pamja nga dy pozicione të ndryshme do të ketë ndryshuar perspektivën (si vizioni njerëzor). Bashkimi i imazheve që nuk janë nga një sistem imazhi telecentrik është sfidues, veçanërisht me një zmadhim kaq të lartë.

Përdorni bashkuesin e kundërt të lenteve 58 mm deri në 52 mm për të bashkuar lentet 28 mm në lentet 80 mm me hapjen e pozicionuar në mes.

Hapi 4: Dizajni i fazës XY

Unë e projektova skenën duke përdorur Fusion 360. Për secilin drejtim të skanimit, ka katër pjesë që duhet të printohen 3D: montuesi i montuesit, dy zgjatues të njësive të rrëshqitjes dhe një montim me vidë plumbi. Baza dhe platformat e fazës XY janë prerë me lazer nga kompensatë e trashë 3 mm. Baza mban motorin dhe rrëshqitësit me drejtim X, platforma X mban motorin dhe rrëshqitësit e drejtimit Y, dhe platforma Y mban mostrën. Baza përbëhet nga 3 fletë dhe dy platformat përbëhen nga 2 fletë. Skedarët për prerjen me lazer dhe printimin 3D jepen në këtë hap. Pas prerjes dhe printimit të këtyre pjesëve ju jeni gati për hapat e ardhshëm.

Hapi 5: Montimi i Montimit të Motorit

Duke përdorur një mjet për mbështjelljen e telit, mbështillni tela rreth prizave të dy emetuesve IR dhe dy marrësve IR. Ngjyrosni kodin e telave në mënyrë që të dini se cili fund është cili. Pastaj prerë lidhjet nga diodat, kështu që vetëm telat e mbështjelljes së telit dalin nga atëherë. Rrëshqitni telat përmes udhëzuesve në montimin e motorit dhe më pas shtyni diodat në vend. Telat drejtohen në mënyrë që të mos jenë të dukshme derisa të dalin nga pjesa e pasme e njësisë. Këto tela mund të bashkohen me telat e motorit. Tani montoni motorin stepper duke përdorur katër bulona M3. Përsëriteni këtë hap për motorin e dytë.

Hapi 6: Montimi i fazës

Ngjitni së bashku prerjet Baza 1 dhe Baza 2, njëra prej tyre me hapje gjashtëkëndore për arrat M3. Pasi të jetë tharë zam, vendosni arrat M3 në pozicionin e tyre. Arrat nuk do të rrotullohen kur shtypen në tabelë, kështu që do të jeni në gjendje të vidhosni bulonat më vonë. Tani ngjitni fletën e tretë bazë (Baza 3) për të mbuluar arrat.

Tani është koha për të mbledhur montimin e arrës së plumbit. Pastroni çdo fije shtesë nga montuesi dhe më pas shtyni katër arra M3 në pozicionin e tyre. Ato janë një përshtatje e ngushtë, prandaj sigurohuni që të pastroni hapësirën e bulonave dhe arrave me një vidhosës të vogël. Pasi arrat të jenë rreshtuar, shtyjeni arrën e plumbit në montim dhe ngjiteni atë me 4 bulona M3.

Lidhni blloqet e jastëkut, mbajtëset e rrëshqitësit dhe bazën e motorit për përkthyesin linear të drejtimit X mbi bazën. Vendoseni kuvendin e arrës së plumbit mbi vidën e plumbit dhe më pas rrëshqiteni vidhën e plumbit në vend. Përdorni bashkuesin për të lidhur motorin me vidën e plumbit. Vendosni njësitë rrëshqitëse në shufrat dhe më pas shtyni shufrat në bazat e rrëshqitësit. Së fundi, bashkoni shtrirësit e montimit të rrëshqitësit me bulona M3.

Fletët e kompensatës X1 dhe X2 janë ngjitur së bashku në një mënyrë të ngjashme me bazën. E njëjta procedurë përsëritet për përkthyesin linear të drejtimit Y dhe fazën e mostrës.

Hapi 7: Elektronika e Skanerit

Çdo motor stepper ka katër kabllo që janë të lidhur me një modul të urës H. Katër kabllot nga emetuesi dhe marrësi IR janë të lidhura me rezistorët sipas diagramit të mësipërm. Daljet e marrësve janë të lidhur me hyrjen analoge A0 dhe A1. Dy modulet e urës H janë të lidhura me pin 4-11 në Arduino Nano. Një buton është i lidhur me pin 2 me një rezistencë 1kOhm për hyrje të thjeshtë të përdoruesit.

Së fundi, butoni i shkaktimit për dSLR është i lidhur me një qepen e largët, siç bëra për skanerin tim CT (shiko hapin 7). Pritini kabllon e qepenit në distancë. Telat janë etiketuar si më poshtë:

E verdhë - fokus

E kuqe - qepen

E bardhë - tokë

Për të përqendruar goditjen, tela e verdhë duhet të lidhet me tokën. Për të nxjerrë një fotografi, tela e verdhë dhe e kuqe duhet të lidhen me tokën. Unë lidha një diodë dhe kabllon e kuq në kunjin 12, dhe pastaj lidha një diodë tjetër dhe kabllon e verdhë në kunjin 13. Konfigurimi është siç përshkruhet në DIY Hacks dhe How-Tos udhëzues.

Hapi 8: Marrja e imazheve Gigapixel

Bashkangjitur është kodi për mikroskopin gigapixel. Kam përdorur bibliotekën Stepper për të kontrolluar motorët me urën H. Në fillim të kodit, duhet të specifikoni fushën e shikimit të mikroskopit dhe numrin e imazheve që dëshironi të merrni në secilin drejtim.

Për shembull, mikroskopi që kam bërë kishte një fushëpamje prej rreth 8.2mm x 5.5mm. Prandaj, i drejtova motorët të zhvendosen 8mm në drejtimin x dhe 5mm në drejtimin y. 11 imazhe merren në secilin drejtim, gjithsej 121 imazhe për imazhin e plotë gigapixel (më shumë detaje rreth kësaj në hapin 11). Kodi më pas llogarit numrin e hapave që motorët duhet të bëjnë për të përkthyer fazën me këtë shumë.

Si e dinë fazat se ku janë ato në lidhje me motorin? Si përkthehen fazat pa goditur asnjë fund? Në kodin e konfigurimit, unë shkrova një funksion që lëviz fazën në çdo drejtim derisa të prishë rrugën midis emetuesit IR dhe marrësit IR. Kur sinjali në marrësin IR bie nën një prag, motori ndalon. Kodi pastaj gjurmon pozicionin e skenës në lidhje me këtë pozicion në shtëpi. Kodi është shkruar në mënyrë që motori të mos përkthehet shumë, gjë që do ta bënte skenën të kalonte në skajin tjetër të vidës së plumbit.

Pasi të kalibrohet faza në çdo drejtim, faza përkthehet në qendër. Duke përdorur një trekëmbësh, vendosa mikroskopin tim dSLR mbi skenë. Isshtë e rëndësishme të rreshtoni fushën e kamerës me linjat e kryqëzuara në fazën e mostrës. Sapo skena të jetë e lidhur me kamerën, e regjistrova skenën me një kasetë piktori dhe pastaj e vendosa mostrën në skenë. Fokusi u rregullua me drejtimin z të trekëmbëshit. Përdoruesi pastaj shtyp butonin për të filluar blerjen. Faza përkthehet në këndin e poshtëm të majtë dhe kamera ndizet. Faza pastaj skanon mostrën, ndërsa kamera nxjerr një fotografi në çdo pozicion.

Gjithashtu është bashkangjitur një kod për zgjidhjen e problemeve të motorëve dhe sensorëve IR.

Hapi 9: Qepja e imazheve

Me të gjitha imazhet e marra, tani jeni përballur me sfidën për t'i qepur të gjitha së bashku. Një mënyrë për të trajtuar qepjen e figurës është duke i rreshtuar manualisht të gjitha imazhet në një program grafik (kam përdorur Graphic të Autodesk). Kjo patjetër do të funksionojë, por mund të jetë një proces i dhimbshëm dhe skajet e imazheve janë të dukshme në imazhet gigapixel.

Një opsion tjetër është përdorimi i teknikave të përpunimit të imazhit për të bashkuar imazhet së bashku automatikisht. Ideja është që të gjeni karakteristika të ngjashme në pjesën e mbivendosur të imazheve ngjitur dhe pastaj të aplikoni një transformim të përkthimit në imazh në mënyrë që imazhet të jenë të përafruara me njëra -tjetrën. Së fundi, skajet mund të përzihen së bashku duke shumëzuar pjesën e mbivendosur me një faktor peshe lineare dhe duke i shtuar ato së bashku. Ky mund të jetë një algoritëm i frikshëm për të shkruar nëse jeni i ri në përpunimin e imazhit. Kam punuar për një kohë mbi problemin, por nuk mund të marr një rezultat plotësisht të besueshëm. Algoritmi luftoi më së shumti me mostrat që kishin karakteristika shumë të ngjashme në të gjithë, siç janë pikat në imazhin e revistës. Bashkangjitur është kodi që kam shkruar në Matlab, por ka nevojë për pak punë.

Opsioni i fundit është përdorimi i programeve të qepjes së fotografisë gigapixel. Nuk kam asgjë për të sugjeruar, por e di që ata janë atje.

Hapi 10: Performanca e mikroskopit

Në rast se e keni humbur, këtu janë rezultatet: imazhi i revistës, mbulesa tavoline me grep dhe elektronikë të ndryshëm.

Karakteristikat e sistemit janë renditur në tabelën e mësipërme. Unë provova imazhe me një lente me gjatësi fokale 28 mm dhe 50 mm. Kam vlerësuar zgjidhjen më të mirë të mundshme të sistemit bazuar në kufirin e difraksionit (rreth 6μm). Actuallyshtë në të vërtetë e vështirë ta testosh këtë në mënyrë eksperimentale pa një objektiv me rezolucion të lartë. Unë u përpoqa të printoja një skedar vektori të listuar në këtë forum fotografie me format të madh, por u kufizova nga rezolucioni i printerit tim. Më e mira që mund të përcaktoja me këtë printim ishte se sistemi kishte rezolucion <40μm. Unë gjithashtu kërkova karakteristika të vogla, të izoluara në mostra. Karakteristika më e vogël në shtyp nga revista është pika e bojës, e cila vlerësova se ishte gjithashtu rreth 40μm, kështu që nuk mund ta përdor për të marrë një vlerësim më të mirë për rezolucionin. Kishte ndarje të vogla në elektronikë që ishin izoluar mjaft mirë. Meqenëse e njihja fushën e shikimit, mund të numëroja numrin e pikselëve që merrnin ndarjen e vogël për të marrë një vlerësim të rezolucionit, rreth 10-15μm.

Në përgjithësi, unë isha i kënaqur me performancën e sistemit, por kam disa shënime në rast se dëshironi të provoni këtë projekt.

Qëndrueshmëria e fazës: Së pari, merrni përbërës të fazës lineare me cilësi të lartë. Komponentët që kam përdorur kanë luajtur më shumë sesa kam menduar. Kam përdorur vetëm një nga montuesit e rrëshqitësit në komplet për secilën shufër, kështu që ndoshta kjo ishte arsyeja pse skena nuk u ndje shumë e qëndrueshme. Skena funksionoi mjaft mirë për mua, por kjo do të bëhej më shumë një çështje për sistemet më të larta të zmadhimit.

Optika për rezolucion më të lartë: E njëjta ide mund të përdoret për mikroskopë me zmadhim më të lartë. Sidoqoftë, do të kërkohen motorë më të vegjël me madhësi më të mirë. Për shembull, një zmadhim 20X me këtë dSLR do të rezultonte në një fushëpamje prej 1mm (nëse mikroskopi mund të imazhojë një sistem kaq të madh pa vinjetim). Electronupdate përdori motorë stepper nga një CD player në një strukturë të bukur për një mikroskop me zmadhim më të lartë. Një kompromis tjetër do të jetë thellësia e cekët e fushës, që do të thotë se imazhi do të jetë i kufizuar në mostra të holla dhe do t'ju duhet mekanizëm më i mirë i përkthimit në drejtimin z.

Qëndrueshmëria e trekëmbëshit: Ky sistem do të funksiononte më mirë me një montim më të qëndrueshëm të kamerës. Sistemi i lenteve është i rëndë dhe trekëmbëshi është i përkulur 90 gradë nga pozicioni për të cilin është projektuar. Më duhej të fiksoja këmbët e trekëmbëshit për të ndihmuar në stabilitetin. Grila gjithashtu mund të shkundë kamerën aq sa të turbullojë imazhet.