Työpöydän gigapikselimikroskooppi: 10 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Optisissa mikroskoopeissa on perustavanlaatuinen kompromissi näkökentän ja resoluution välillä: mitä hienompi yksityiskohta, sitä pienempi alue mikroskoopilla. Yksi tapa voittaa tämä rajoitus on kääntää näyte ja hankkia kuvia laajemmasta näkökentästä. Perusajatuksena on yhdistää useita korkean resoluution kuvia suuren FOV: n muodostamiseksi. Näissä kuvissa näet sekä koko näytteen että hienot yksityiskohdat missä tahansa näytteen osassa. Tuloksena on kuva, joka koostuu noin miljardista pikselistä, paljon suurempi verrattuna dSLR- tai älypuhelimen ottamiin kuviin, joissa on tyypillisesti noin 10–50 miljoonaa pikseliä. Näistä gigapikselimaisista maisemista saat vaikuttavan esityksen näiden kuvien valtavasta tietomäärästä.

Tässä ohjeessa käyn läpi kuinka rakentaa mikroskooppi, joka kykenee kuvantamaan 90 mm x 60 mm: n näkökentän pikselien ollessa 2 μm näytteessä (vaikka mielestäni resoluutio on luultavasti lähempänä 15 μm). Järjestelmä käyttää kameran linssejä, mutta samaa konseptia voidaan soveltaa käyttämällä mikroskoopin objektiiveja saadakseen vieläkin tarkemman resoluution.

Latasin mikroskoopilla hankitut gigapikselikuvat EasyZoomiin:

1970 National Geographic -lehden kuva

Virkattu pöytäliina, jonka vaimoni teki

Sekalaista elektroniikkaa

Muut resurssit:

Optisen mikroskoopin opetusohjelmat:

Optinen resoluutio:

Kuvan ompelemisen lisäksi viimeaikainen edistys laskennallisessa kuvantamisessa mahdollistaa gigapikselimikroskopian ilman, että näytettä edes siirretään!

Vaihe 1: Toimitusluettelo

Materiaalit:

1. Nikon dSLR (käytin Nikon D5000)

2. 28 mm: n polttovälin objektiivi, jossa on 52 mm: n kierre

3. 80 mm polttovälin objektiivi 58 mm: n kierteellä

4. 52–58 mm: n peruutuskytkin

5. Jalusta

6. Seitsemän arkkia 3 mm paksuista vaneria

7. Arduino Nano

8. Kaksi H-siltaa L9110

9. Kaksi infrapunasäteilijää

10. Kaksi IR -vastaanotinta

11. Paina painiketta

12. Kaksi 2,2 kOhm: n vastusta

13. Kaksi 150 ohmin vastusta

14. Yksi 1 kOhm: n vastus

15. Etäjulkaisu Nikon -kameralle

16. Musta julistelevy

17. Laitteistosarja:

18. Kaksi askelmoottoria (käytin Nema 17 -bipolaarista askelmoottoria 3.5V 1A)

19. Kaksi 2 mm: n johtoruuvia

20. Neljä tyynylohkoa

21. Kaksi johtoruuvia

22. Kaksi laakerin liukuholkkia ja 200 mm: n lineaariset akselit:

23. 5 V: n virtalähde:

24. Lankakierrelanka

Työkalut:

1. Laserleikkuri

2. 3D -tulostin

3. Kuusiokoloavaimet

4. Lankaleikkurit

5. Langankääritystyökalu

Vaihe 2: Järjestelmän yleiskatsaus

Näytteen kääntämiseksi kaksi askelmoottoria, jotka on kohdistettu kohtisuoraan, siirtävät porrasta x- ja y -suunnassa. Moottoreita ohjataan kahdella H-sillalla ja Arduinolla. Askelmoottorin pohjaan sijoitettua IR -anturia käytetään portaiden nollaamiseen, jotta ne eivät törmää lohkojen kumpaankaan päähän. Digitaalinen mikroskooppi on sijoitettu XY -tason yläpuolelle.

Kun näyte on sijoitettu ja lava on keskitetty, voit aloittaa etsinnän painamalla painiketta. Moottorit siirtävät lavan vasempaan alakulmaan ja kamera laukeaa. Tämän jälkeen moottorit kääntävät näytteen pienin askelin, kun kamera ottaa kuvan jokaisesta kohdasta.

Kun kaikki kuvat on otettu, ne ommellaan yhteen gigapikselin kuvaksi.

Vaihe 3: Mikroskooppikokoonpano

Tein pienen suurennoksen mikroskoopin, jossa oli dSLR (Nikon 5000), Nikon 28 mm f/2,8 -objektiivi ja Nikon 28-80 mm zoom-objektiivi. Zoomausobjektiivin polttoväli oli 80 mm. Kahden linssin sarja toimii kuin mikroskooppiputki- ja objektiivilinssi. Kokonaissuurennos on polttovälien suhde, noin 3X. Näitä linssejä ei todellakaan ole suunniteltu tähän kokoonpanoon, joten jotta valo leviäisi mikroskoopin tavoin, sinun on asetettava aukon pysäytin kahden linssin väliin.

Kiinnitä ensin pidempi polttoväli objektiivi kameraan. Leikkaa ympyrä mustasta julistelevystä, jonka halkaisija on suunnilleen linssin etupinnan kokoinen. Leikkaa sitten pieni ympyrä keskeltä (valitsin noin 3 mm halkaisijan). Ympyrän koko määrittää järjestelmään tulevan valon määrän, jota kutsutaan myös numeeriseksi aukoksi (NA). NA määrittää järjestelmän lateraalisen resoluution hyvin suunnitelluille mikroskoopeille. Joten miksi et käytä korkeaa NA: ta tähän asetukseen? No, siihen on kaksi suurta syytä. Ensinnäkin, kun NA kasvaa, järjestelmän optiset poikkeamat tulevat näkyvämmiksi ja rajoittavat järjestelmän resoluutiota. Tällaisessa epätavallisessa kokoonpanossa tämä todennäköisesti tapahtuu, joten NA: n lisääminen ei lopulta enää auta parantamaan resoluutiota. Toiseksi, terävyysalue riippuu myös NA: sta. Mitä korkeampi NA, sitä matalampi terävyysalue. Tämän vuoksi on vaikeaa saada tarkkoja esineitä, jotka eivät ole tasaisia. Jos NA nousee liian korkeaksi, voit käyttää vain kuvantamikroskoopin dioja, joissa on ohuita näytteitä.

Aukon rajoittimen sijoittaminen kahden linssin väliin tekee järjestelmästä suunnilleen telekeskeisen. Tämä tarkoittaa, että järjestelmän suurennus on riippumaton kohteen etäisyydestä. Tämä on tärkeää kuvien yhdistämisessä. Jos esineellä on vaihteleva syvyys, näkymä kahdesta eri asennosta on muuttanut perspektiiviä (kuten ihmisen näkö). Kuvien yhdistäminen yhteen, jotka eivät ole telesentristä kuvantamisjärjestelmää, on haastavaa, varsinkin näin suurella suurennuksella.

Käytä 58–52 mm: n objektiivin kääntöliitintä kiinnittääksesi 28 mm: n objektiivin 80 mm: n objektiiviin siten, että aukko on keskellä.

Vaihe 4: XY -lavasuunnittelu

Suunnittelin lavan Fusion 360: n avulla. Jokaisessa skannaussuunnassa on neljä osaa, jotka on tulostettava 3D: kiinnityskiinnike, kaksi liukuyksikön jatketta ja johtoruuvi. XY -vaiheen alusta ja tasot on laserleikattu 3 mm paksuisesta vanerista. Pohjassa on X-suunnan moottori ja liukusäätimet, X-alustalla Y-suunnan moottori ja liukusäätimet ja Y-alustalla näyte. Pohjassa on 3 arkkia ja kahdessa alustassa 2 arkkia. Tässä vaiheessa toimitetaan laserleikkausta ja 3D -tulostusta varten tarkoitetut tiedostot. Kun olet leikannut ja tulostanut nämä osat, olet valmis seuraaviin vaiheisiin.

Vaihe 5: Moottorikiinnitys

Kierrä lanka langankääritystyökalulla kahden IR-lähettimen ja kahden IR-vastaanottimen johtimien ympärille. Väritä johdot värikoodilla, jotta tiedät kumpi pää on. Katkaise sitten johdot pois diodit, joten vain lankakierrejohdot kulkevat siitä lähtien. Liu'uta johdot moottorikiinnikkeen ohjaimien läpi ja työnnä sitten diodit paikalleen. Johdot on suunnattu siten, että ne eivät ole näkyvissä ennen kuin ne poistuvat laitteen takaosasta. Nämä johdot voidaan liittää moottorijohtoihin. Asenna nyt askelmoottori neljällä M3 -pultilla. Toista tämä vaihe toisen moottorin kohdalla.

Vaihe 6: Vaihekokoonpano

Liimaa yhteen pohja 1 ja pohja 2 leikkaukset, joista toisessa on kuusikulmaiset aukot M3 -muttereille. Kun liima on kuivunut, lyö M3 -mutterit paikoilleen. Mutterit eivät pyöri, kun ne painetaan levyyn, joten voit ruuvata ruuvit kiinni myöhemmin. Liimaa nyt kolmas pohjalevy (pohja 3) peittämään mutterit.

Nyt on aika koota johtomutterikiinnike. Poista ylimääräiset filamentit telineestä ja työnnä sitten neljä M3 -mutteria paikalleen. Ne sopivat tiukasti, joten varmista, että poistat pultti- ja mutteritilan pienellä ruuvimeisselillä. Kun mutterit ovat kohdakkain, työnnä johtomutteri kiinnikkeeseen ja kiinnitä se 4 M3-pultilla.

Kiinnitä X-suunnan lineaarikääntäjän tyynylohkot, liukusäätimet ja moottorin kiinnike pohjaan. Aseta johtomutterikokoonpano johtoruuville ja liu'uta johtoruuvi paikalleen. Liitä moottori kytkimellä johtoruuviin. Aseta liukusäätimet tankoihin ja työnnä tangot liukukiskoihin. Kiinnitä lopuksi liukusäätimen jatke M3 -ruuveilla.

X1- ja X2 -vanerilevyt liimataan yhteen samalla tavalla pohjaan. Sama menettely toistetaan Y-suunnan lineaarikääntäjälle ja näytevaiheelle.

Vaihe 7: Skannerin elektroniikka

Jokaisessa askelmoottorissa on neljä kaapelia, jotka on kytketty H-sillan moduuliin. IR -lähettimen ja vastaanottimen neljä kaapelia on kytketty vastuksiin yllä olevan kaavion mukaisesti. Vastaanottimien lähdöt on kytketty analogiatuloihin A0 ja A1. Kaksi H-sillan moduulia on kytketty Arduino Nanon nastaan 4-11. Painike on kytketty nastaan 2 1 khm: n vastuksella yksinkertaista käyttäjän syöttöä varten.

Lopuksi dSLR: n liipaisinpainike on kytketty etäsuljimeen, kuten tein CT -skannerini (katso vaihe 7). Katkaise kaukosäätimen kaapeli. Johdot on merkitty seuraavasti:

Keltainen - tarkennus

Punainen - suljin

Valkoinen - jauhettu

Laukauksen tarkentamiseksi keltainen johto on kytkettävä maahan. Valokuvan ottamiseksi sekä keltainen että punainen johto on liitettävä maahan. Liitin diodin ja punaisen kaapelin nastaan 12 ja sitten toisen diodin ja keltaisen kaapelin nastaan 13. Asennus on kuvattu ohjeissa DIY Hacks ja How-Tos.

Vaihe 8: Gigapikselikuvien hankkiminen

Liitteenä on gigapikselin mikroskoopin koodi. Käytin Stepper-kirjastoa moottorien ohjaamiseen H-sillan avulla. Koodin alussa sinun on määritettävä mikroskoopin näkökenttä ja kuvien määrä, jotka haluat ottaa kumpaankin suuntaan.

Esimerkiksi tekemäni mikroskoopin näkökenttä oli noin 8,2 mm x 5,5 mm. Siksi ohjasin moottorit siirtymään 8 mm x-suuntaan ja 5 mm y-suuntaan. 11 kuvaa kumpaankin suuntaan, yhteensä 121 kuvaa koko gigapikselin kuvalle (lisätietoja tästä vaiheessa 11). Koodi laskee sitten kuinka monta vaihetta moottorien on tehtävä vaiheen kääntämiseksi tällä summalla.

Mistä portaat tietävät missä ne ovat suhteessa moottoriin? Kuinka vaiheet kääntyvät lyömättä kumpaakaan päätä? Kirjoitin asetuskoodiin funktion, joka liikuttaa lavaa kumpaankin suuntaan, kunnes se katkaisee radan IR -lähettimen ja IR -vastaanottimen välillä. Kun infrapunavastaanottimen signaali laskee jonkin kynnyksen alle, moottori pysähtyy. Koodi seuraa sitten vaiheen asemaa suhteessa tähän kotiasentoon. Koodi on kirjoitettu niin, että moottori ei käänny liian pitkälle, mikä saisi vaiheen johtoruuvin toiseen päähän.

Kun vaihe on kalibroitu kumpaankin suuntaan, vaihe käännetään keskelle. Sijoitin dSLR -mikroskoopin lavan päälle jalustan avulla. On tärkeää kohdistaa kamerakenttä näytevaiheessa olevien viivojen kanssa. Kun lava on kohdistettu kameraan, teipasin lavan alas maalarin teipillä ja asetin näytteen lavalle. Tarkennusta säädettiin jalustan z-suunnassa. Käyttäjä painaa sitten painiketta aloittaakseen haun. Vaihe kääntyy vasempaan alakulmaan ja kamera käynnistyy. Vaiheessa rasteri skannaa näytteen, kun kamera ottaa valokuvan jokaisesta kohdasta.

Liitteenä on myös koodi moottoreiden ja infrapuna -antureiden vianetsintään.

Vaihe 9: Kuvien ompeleminen

Kun kaikki kuvat on hankittu, kohtaat nyt haasteen yhdistää ne kaikki yhteen. Yksi tapa käsitellä kuvan ompelemista on kohdistaa manuaalisesti kaikki kuvat graafisessa ohjelmassa (käytin Autodeskin grafiikkaa). Tämä varmasti toimii, mutta se voi olla tuskallinen prosessi ja kuvien reunat näkyvät gigapikselikuvissa.

Toinen vaihtoehto on käyttää kuvankäsittelytekniikoita kuvien yhdistämiseen automaattisesti. Ajatuksena on löytää samanlaisia ominaisuuksia vierekkäisten kuvien päällekkäisestä osasta ja soveltaa sitten käännösmuunnosta kuvaan, jotta kuvat ovat kohdakkain toistensa kanssa. Lopuksi reunat voidaan sekoittaa yhteen kertomalla päällekkäinen osa lineaarisella painokertoimella ja lisäämällä ne yhteen. Tämä voi olla pelottava algoritmi kirjoittaa, jos olet uusi kuvankäsittely. Työskentelin jonkin aikaa ongelman parissa, mutta en saanut täysin luotettavaa tulosta. Algoritmi kamppaili eniten näytteiden kanssa, joilla oli kaikkialla hyvin samankaltaisia ominaisuuksia, kuten aikakauslehtikuvan pisteet. Liitteenä on koodi, jonka kirjoitin Matlabissa, mutta se vaatii työtä.

Viimeinen vaihtoehto on käyttää gigapikselin valokuvausompeleita. Minulla ei ole mitään ehdottaa, mutta tiedän, että he ovat siellä.

Vaihe 10: Mikroskoopin suorituskyky

Jos unohdit sen, tässä ovat tulokset: aikakauslehtikuva, virkattu pöytäliina ja sekalaista elektroniikkaa.

Järjestelmän tekniset tiedot on lueteltu yllä olevassa taulukossa. Kokeilin kuvata sekä 28 mm: n että 50 mm: n polttovälin objektiivilla. Arvioin järjestelmän parhaan mahdollisen resoluution diffraktiorajan perusteella (noin 6μm). On todella vaikeaa testata tätä kokeellisesti ilman korkean resoluution tavoitetta. Yritin tulostaa tällä suurikokoisella valokuvausfoorumilla lueteltua vektoritiedostoa, mutta tulostimen resoluutio rajoitti minua. Paras tulos, jonka pystyin määrittämään tällä tulosteella, oli, että järjestelmän resoluutio oli <40μm. Etsin myös pieniä, eristettyjä piirteitä näytteistä. Pienin piirre lehden painoksessa on mustepiste, jonka arvioin olevan myös noin 40 μm, joten en voinut käyttää sitä tarkemman arvioinnin saamiseen. Elektroniikassa oli pieniä paloja, jotka olivat melko hyvin eristettyjä. Koska tunsin näkökentän, pystyin laskemaan pienen erän ottavien pikselien määrän saadakseni arvioinnin resoluutiosta, noin 10-15μm.

Kaiken kaikkiaan olin tyytyväinen järjestelmän suorituskykyyn, mutta minulla on muutamia huomautuksia, jos haluat kokeilla tätä projektia.

Vaiheen vakaus: Ensinnäkin hanki korkealaatuisia lineaarisia vaihekomponentteja. Käyttämissäni komponenteissa oli paljon enemmän leikkiä kuin luulin. Käytin vain yhtä sarjassa olevista liukusäätimistä kullekin sauvalle, joten ehkä siksi lava ei tuntunut kovin vakaalta. Lava toimi minulle riittävän hyvin, mutta tästä tulisi enemmän ongelma suuremmille suurennusjärjestelmille.

Optiikka suurempaa resoluutiota varten: Samaa ajatusta voidaan käyttää suurempien suurennosten mikroskooppeihin. Tarvitaan kuitenkin pienempiä moottoreita, joiden askelkoko on pienempi. Esimerkiksi 20-kertainen suurennus tällä dSLR: llä johtaisi 1 mm: n näkökenttään (jos mikroskooppi pystyy kuvaamaan niin suuren järjestelmän ilman vinjetointia). Electronupdate käytti askelmoottoreita CD -soittimesta kauniissa rakenteessa suuremman suurennoksen mikroskoopille. Toinen kompromissi on matala terävyysalue, mikä tarkoittaa, että kuvantaminen rajoittuu ohuisiin näytteisiin ja tarvitset hienomman käännösmekanismin z-suunnassa.

Kolmijalan vakaus: Tämä järjestelmä toimisi paremmin vakaammalla kameratelineellä. Linssijärjestelmä on painava ja kolmijalka on kallistettu 90 astetta asennosta, johon se on suunniteltu. Minun piti teipata jalustan jalat vakauden parantamiseksi. Sulkija voi myös täristä kameraa niin, että se sumentaa kuvat.