Настолен гигапикселов микроскоп: 10 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

В оптичните микроскопи има фундаментален компромис между зрителното поле и разделителната способност: колкото по-фини са детайлите, толкова по-малък е регионът, изобразен от микроскопа. Един от начините да се преодолее това ограничение е да се преведе извадката и да се получат изображения в по-голямо зрително поле. Основната идея е да се съберат много изображения с висока разделителна способност, за да се образува голям FOV. В тези изображения можете да видите както пълната извадка, така и фините детайли във всяка част от извадката. Резултатът е изображение, състоящо се от около милиард пиксела, много по -голямо в сравнение със снимките, направени от dSLR или смартфон, които обикновено имат около 10 до 50 милиона пиксела. Вижте тези гигапикселови пейзажи за впечатляваща демонстрация на огромното количество информация в тези изображения.

В тази инструкция ще разгледам как да се изгради микроскоп, способен да изобразява зрително поле 90 mm x 60 mm с пиксели, съответстващи на 2 μm при пробата (въпреки че мисля, че разделителната способност вероятно е по-близо до 15 μm). Системата използва обективи на камерата, но същата концепция може да се приложи с помощта на микроскопски обективи, за да се получи още по -фина разделителна способност.

Качих гигапикселовите изображения, които получих с микроскопа на EasyZoom:

Образ на списание National Geographic от 1970 г.

Покривка за плетене на една кука, направена от жена ми

Различна електроника

Други ресурси:

Обучения за оптична микроскопия:

Оптична резолюция:

В допълнение към зашиването на изображения, скорошният напредък в изчислителните изображения прави гигапикселовата микроскопия възможна дори без преместване на пробата!

Стъпка 1: Списък на доставките

Материали:

1. Nikon dSLR (използвах моя Nikon D5000)

2. Обектив с фокусно разстояние 28 мм с резба 52 мм

3. Обектив с фокусно разстояние 80 мм с резба 58 мм

4. Обратен съединител от 52 мм до 58 мм

5. Статив

6. Седем листа шперплат с дебелина 3 мм

7. Arduino Nano

8. Два H-моста L9110

9. Два IR излъчвателя

10. Два IR приемника

11. Натиснете бутон

12. Два 2.2kOhm резистора

13. Два 150Ohm резистора

14. Един 1kOhm резистор

15. Дистанционно освобождаване за фотоапарат Nikon

16. Черно плакатно табло

17. Хардуерен комплект:

18. Два стъпкови двигателя (използвах Nema 17 Bipolar step motor 3.5V 1A)

19. Два 2 мм водещи винта

20. Четири блока за възглавници

21. Две водещи гайки с винт

22. Две лагерни плъзгащи втулки и 200 мм линейни валове:

23. 5V захранване:

24. Тел за увиване на тел

Инструменти:

1. Лазерен нож

2. 3D принтер

3. Гаечни ключове

4. Резачки за тел

5. Инструмент за навиване на тел

Стъпка 2: Общ преглед на системата

За да се преведе извадката, два стъпкови двигателя, подредени в ортогонални посоки, преместват етап в посоката x и y. Двигателите се управляват с помощта на два H-моста и Arduino. Инфрачервен сензор, разположен в основата на стъпковия двигател, се използва за нулиране на етапите, така че да не се сблъскват с двата края на блоковете. Цифров микроскоп е разположен над етапа XY.

След като пробата е позиционирана и сцената е центрирана, натискате бутон, за да започнете получаването. Двигателите преместват сцената в долния ляв ъгъл и камерата се задейства. След това двигателите превеждат пробата на малки стъпки, като камерата прави снимка във всяка позиция.

След като всички изображения са направени, изображенията след това се зашиват, за да образуват изображение с гигапиксел.

Стъпка 3: Сглобяване на микроскоп

Направих микроскоп с ниско увеличение с dSLR (Nikon 5000), обектив Nikon 28 мм f/2.8 и обектив Nikon с 28-80 мм увеличение. Обективът за увеличение е настроен на фокусно разстояние, равно на 80 мм. Комплектът от двете лещи действа като обектив с микроскопска тръба и обектив. Общото увеличение е съотношението на фокусните разстояния около 3 пъти. Тези обективи наистина не са проектирани за тази конфигурация, така че за да се разпространява светлината като микроскоп, трябва да позиционирате ограничител на блендата между двата обектива.

Първо, монтирайте обектива с по -голямо фокусно разстояние към камерата. Изрежете кръг от черна плакатна дъска, която има диаметър приблизително с размера на предната повърхност на обектива. След това изрежете малък кръг в средата (аз избрах около 3 мм диаметър). Размерът на кръга ще определи количеството светлина, което влиза в системата, наричано още числова апертура (NA). NA определя страничната разделителна способност на системата за добре проектирани микроскопи. Така че защо да не използвате висок NA за тази настройка? Е, има две основни причини. Първо, с увеличаването на NA, оптичните аберации на системата стават все по -забележими и ще ограничат разделителната способност на системата. При нестандартна настройка като тази това вероятно ще бъде така, така че увеличаването на NA в крайна сметка вече няма да помогне за подобряване на разделителната способност. Второ, дълбочината на рязкост също зависи от NA. Колкото по -висок е NA, толкова по -малка е дълбочината на рязкост. Това затруднява фокусирането на обекти, които не са плоски. Ако NA стане твърде висока, тогава ще бъдете ограничени до слайдове за микроскоп за изображения, които имат тънки проби.

Позиционирането на ограничителя на блендата между двата обектива прави системата приблизително телецентрична. Това означава, че увеличението на системата е независимо от разстоянието на обекта. Това става важно за сшиването на изображения заедно. Ако обектът има различна дълбочина, тогава изгледът от две различни позиции ще се измести в перспективата (като човешкото зрение). Съединяването на изображения, които не са от телецентрична система за изобразяване, е предизвикателство, особено при такова голямо увеличение.

Използвайте обратния съединител на обектива от 58 мм до 52 мм, за да прикрепите 28 мм обектива към 80 мм обектива с бленда, разположена в средата.

Стъпка 4: Дизайн на сцената XY

Проектирах сцената, използвайки Fusion 360. За всяка посока на сканиране има четири части, които трябва да бъдат отпечатани 3D: монтаж за монтаж, два удължителя на плъзгащия модул и монтаж на оловен винт. Основата и платформите на сцената XY са лазерно изрязани от шперплат с дебелина 3 мм. Основата държи мотора с X-посока и плъзгачите, X-платформата държи Y-посочния двигател и плъзгачите, а Y-платформата държи пробата. Основата се състои от 3 листа, а двете платформи се състоят от 2 листа. Файловете за лазерно рязане и 3D печат са предоставени в тази стъпка. След изрязването и отпечатването на тези части сте готови за следващите стъпки.

Стъпка 5: Монтаж на мотора

С помощта на инструмент за навиване на тел, увийте жицата около проводниците на два IR излъчвателя и два IR приемника. Оцветете проводниците по цвят, за да знаете кой край е кой. След това отрежете проводниците от диодите, така че само проводниците за опаковане на тел да минават от тогава. Плъзнете проводниците през водачите в стойката на двигателя и след това натиснете диодите на място. Проводниците са насочени така, че да не се виждат, докато не излязат от задната част на устройството. Тези проводници могат да бъдат свързани с проводниците на двигателя. Сега монтирайте стъпковия двигател с помощта на четири болта M3. Повторете тази стъпка за втория мотор.

Стъпка 6: Сценично сглобяване

Залепете заедно основите 1 и основата 2, като единият от тях с шестоъгълни отвори за гайките М3. След като лепилото изсъхне, забийте гайките M3 на място. Гайките няма да се въртят при натискане в платката, така че по -късно ще можете да завиете болтовете. Сега залепете третия основен лист (основа 3), за да покриете гайките.

Сега е време да сглобите стойката за оловни гайки. Изчистете всички допълнителни нишки от стойката и след това натиснете четири гайки M3 на място. Те са плътно прилепнали, така че не забравяйте да изчистите пространството за болтове и гайки с малка отвертка. След като гайките са подравнени, натиснете водещата гайка в стойката и я закрепете с 4 болта M3.

Прикрепете блоковете за възглавници, опорите за плъзгачи и стойката на двигателя за линейния преводач по посока X към основата. Поставете монтажната гайка на водещия винт и след това плъзнете водещия винт на място. Използвайте съединителя, за да свържете двигателя към водещия винт. Поставете плъзгащите единици в прътите и след това натиснете прътите в стойките на плъзгача. Накрая, прикрепете удължителите за монтиране на плъзгача с болтове М3.

Листовете шперплат X1 и X2 са залепени заедно по подобен начин към основата. Същата процедура се повтаря за линейния преводач по Y-посока и етапа на извадката.

Стъпка 7: Електроника на скенера

Всеки стъпков двигател има четири кабела, които са свързани към H-мостов модул. Четирите кабела от IR излъчвателя и приемника са свързани към резисторите съгласно схемата по -горе. Изходите на приемниците са свързани към аналогов вход A0 и A1. Двата H-мостови модула са свързани към щифт 4-11 на Arduino Nano. Бутон е свързан към щифт 2 с резистор 1 kOhm за лесно въвеждане от потребителя.

Накрая спусъковият бутон за dSLR е свързан към отдалечен затвор, както направих за моя скенер за CT (вижте стъпка 7). Изрежете кабела на дистанционния затвор. Проводниците са обозначени, както следва:

Жълто - фокус

Червено - затвор

Бяло - земята

За да се фокусира изстрелът, жълтият проводник трябва да бъде свързан към земята. За да направите снимка, жълтият и червеният проводник трябва да бъдат свързани към земята. Свързах диод и червения кабел към пин 12, след което свързах друг диод и жълтия кабел към щифт 13. Настройката е както е описано в DIY Hacks and How-Tos instructable.

Стъпка 8: Придобиване на Gigapixel изображения

Приложен е кодът за гигапикселовия микроскоп. Използвах библиотеката Stepper за управление на двигателите с H-моста. В началото на кода трябва да посочите зрителното поле на микроскопа и броя на изображенията, които искате да получите във всяка посока.

Например, микроскопът, който направих, имаше зрително поле от около 8,2 мм х 5,5 мм. Затова насочих двигателите да изместват 8 мм в посока x и 5 мм в посока y. 11 изображения се получават във всяка посока, общо 121 изображения за пълното гигапикселово изображение (повече подробности за това в стъпка 11). След това кодът изчислява броя на стъпките, които двигателите трябва да направят, за да преведат етапа с тази сума.

Как етапите знаят къде са спрямо двигателя? Как се превеждат етапите, без да удрят двата края? В кода за настройка написах функция, която премества сцената във всяка посока, докато не прекъсне пътя между IR излъчвателя и IR приемника. Когато сигналът на IR приемника падне под някакъв праг, двигателят спира. След това кодът проследява позицията на сцената спрямо тази начална позиция. Кодът е написан, така че двигателят да не се превежда твърде далеч, което би накарало сцената да се сблъска с другия край на водещия винт.

След като етапът е калибриран във всяка посока, етапът се превежда в центъра. Използвайки статив, поставих моя dSLR микроскоп над сцената. Важно е да подравните полето на камерата с кръстосаните линии на етапа на извадката. След като сцената е подравнена с камерата, залепих сцената с някаква художествена лента и след това поставих пробата на сцената. Фокусът се регулира с посоката на статива z. След това потребителят натиска бутона, за да започне придобиването. Сцената се превежда в долния ляв ъгъл и камерата се задейства. След това растерът сканира пробата, докато камерата прави снимка във всяка позиция.

Приложен е и код за отстраняване на неизправности на двигателите и IR сензорите.

Стъпка 9: Изшиване на изображения

С всички придобити изображения сега сте изправени пред предизвикателството да ги съберете заедно. Един от начините за боравене с изображения е чрез ръчно подравняване на всички изображения в графична програма (използвах графиката на Autodesk). Това определено ще свърши работа, но може да бъде болезнен процес и ръбовете на изображенията се забелязват в гигапикселовите изображения.

Друга възможност е да използвате техники за обработка на изображения, за да ги свържете автоматично. Идеята е да се намерят подобни функции в припокриващия се раздел на съседни изображения и след това да се приложи трансформационна трансформация към изображението, така че изображенията да са подравнени едно с друго. И накрая, ръбовете могат да бъдат смесени заедно чрез умножаване на припокриващата се част с линеен коефициент на тегло и добавяне заедно. Това може да бъде обезсърчителен алгоритъм за писане, ако сте нови в обработката на изображения. Работих известно време по проблема, но не успях да получа напълно надежден резултат. Алгоритъмът се бореше най -много с мостри, които имаха много сходни характеристики, като точките в изображението на списанието. Приложен е кодът, който написах в Matlab, но се нуждае от малко работа.

Последната опция е да използвате програми за зашиване на гигапикселови снимки. Нямам какво да предложа, но знам, че са там.

Стъпка 10: Производителност на микроскопа

В случай, че сте пропуснали, ето резултатите: изображение на списанието, покривка за плетене на една кука и друга електроника.

Спецификациите на системата са изброени в горната таблица. Опитах се да снимам с обектив с фокусно разстояние 28 мм и 50 мм. Изчислих възможно най -добрата разделителна способност на системата въз основа на границата на дифракция (около 6 μm). Всъщност е трудно да се тества експериментално без цел с висока разделителна способност. Опитах се да отпечатам векторен файл, изброен в този широкоформатен фотографски форум, но бях ограничен от резолюцията на моя принтер. Най -доброто, което можех да определя с тази разпечатка, беше, че системата има резолюция <40μm. Потърсих и малки, изолирани характеристики на пробите. Най -малката черта в отпечатъка от списанието е петното от мастило, което също изчислих, че е около 40 μm, така че не можах да го използвам, за да получа по -добра оценка за разделителната способност. Имаше малки дефекти в електрониката, които бяха доста добре изолирани. Тъй като познавах зрителното поле, можех да преброя броя на пикселите, заемащи малкото разклонение, за да получа приблизителна оценка на разделителната способност, около 10-15 μm.

Като цяло бях доволен от работата на системата, но имам няколко бележки в случай, че искате да изпробвате този проект.

Стабилност на сцената: Първо, вземете висококачествени линейни компоненти на сцената. Компонентите, които използвах, играеха много повече, отколкото си мислех. Използвах само един от плъзгачите в комплекта за всеки прът, така че може би затова сцената не се чувстваше много стабилна. Сцената работи достатъчно добре за мен, но това би станало по -скоро проблем за системите с по -голямо увеличение.

Оптика за по -висока разделителна способност: Същата идея може да се използва за микроскопи с по -голямо увеличение. Ще са необходими обаче по -малки двигатели с по -фин размер стъпка. Например, 20-кратно увеличение с този dSLR би довело до зрително поле от 1 мм (ако микроскопът може да изобрази толкова голяма система без винетиране). Electronupdate използва стъпкови двигатели от CD плейър в хубава конструкция за микроскоп с по -голямо увеличение. Друг компромис ще бъде плитката дълбочина на рязкост, което означава, че изобразяването ще бъде ограничено до тънки проби и ще ви е необходим по-фин механизъм за превод в z-посока.

Стабилност на статива: Тази система би работила по -добре с по -стабилна стойка за камера. Системата на обектива е тежка и стативът е наклонен на 90 градуса от позицията, за която е предназначен. Трябваше да залепя краката на триножника, за да помогна за стабилността. Затворът също може да разтърси камерата достатъчно, за да замъгли изображенията.