Mikroskop Desktop Gigapixel: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:10

Dalam mikroskop optik, terdapat pertukaran mendasar antara bidang pandang dan resolusi: semakin halus perinciannya, semakin kecil kawasan yang digambarkan oleh mikroskop. Salah satu cara untuk mengatasi batasan ini adalah dengan menerjemahkan sampel dan memperoleh gambar melalui bidang pandangan yang lebih besar. Idea asasnya adalah menggabungkan banyak gambar beresolusi tinggi untuk membentuk FOV yang besar. Dalam gambar-gambar ini, anda dapat melihat kedua-dua sampel lengkap, serta perincian terperinci di mana-mana bahagian sampel. Hasilnya adalah gambar yang terdiri dari sekitar satu miliar piksel, jauh lebih besar dibandingkan dengan gambar yang diambil oleh dSLR atau telefon pintar, yang biasanya memiliki sekitar 10 hingga 50 juta piksel. Lihat landskap gigapixel ini untuk demonstrasi yang mengagumkan mengenai sejumlah besar maklumat dalam gambar ini.

Dalam arahan ini, saya akan membahas bagaimana membina mikroskop yang mampu menggambarkan medan pandangan 90mm x 60mm dengan piksel yang sepadan dengan 2μm pada sampel (walaupun, saya rasa resolusi mungkin lebih dekat dengan 15μm). Sistem ini menggunakan lensa kamera, tetapi konsep yang sama dapat diterapkan menggunakan objektif mikroskop untuk mendapatkan resolusi yang lebih halus.

Saya memuat naik gambar gigapixel yang saya peroleh dengan mikroskop di EasyZoom:

Gambar majalah National Geographic 1970

Taplak meja Crochet yang dibuat oleh isteri saya

Pelbagai elektronik

Sumber lain:

Tutorial mikroskopi optik:

Resolusi optik:

Selain jahitan gambar, kemajuan terkini dalam pengimejan komputasi memungkinkan mikroskopi gigapixel tanpa memindahkan sampel!

Langkah 1: Senarai Bekalan

Bahan:

1. Nikon dSLR (Saya menggunakan Nikon D5000 saya)

2. Lensa panjang fokus 28mm dengan utas 52mm

3. Lensa panjang fokus 80mm dengan utas 58mm

4. pengganding terbalik 52mm hingga 58mm

5. Tripod

6. Tujuh kepingan papan lapis setebal 3mm

7. Arduino Nano

8. Dua jambatan H L9110

9. Dua pemancar IR

10. Dua penerima IR

11. Tekan butang

12. Dua perintang 2.2kOhm

13. Dua perintang 150Ohm

14. Satu perintang 1kOhm

15. Pelepasan jarak jauh untuk kamera Nikon

16. Papan poster hitam

17. Kit perkakasan:

18. Motor stepper dua (Saya menggunakan motor step Nema 17 Bipolar 3.5V 1A)

19. Dua skru plumbum 2mm

20. Empat blok bantal

21. Dua kacang skru plumbum

22. Bushing slaid dua galas dan poros linear 200mm:

23. Bekalan kuasa 5V:

24. Kawat balut wayar

Alat:

1. Pemotong laser

2. Pencetak 3D

3. Perengkuh Allen

4. Pemotong wayar

5. Alat pembalut wayar

Langkah 2: Gambaran Keseluruhan Sistem

Untuk menterjemahkan sampel, dua motor stepper yang diselaraskan dalam arah ortogonal bergerak tahap ke arah x dan y. Motor dikendalikan menggunakan dua jambatan H dan Arduino. Sensor IR yang diposisikan di dasar motor stepper digunakan untuk menoleransi tahap sehingga mereka tidak memasuki kedua-dua hujung blok. Mikroskop digital diletakkan di atas tahap XY.

Setelah sampel diposisikan dan panggung berpusat, anda menekan butang untuk memulakan pemerolehan. Motor menggerakkan panggung ke sudut kiri bawah dan kamera dipicu. Motor kemudian menerjemahkan sampel dalam beberapa langkah, kerana kamera mengambil gambar di setiap kedudukan.

Setelah semua gambar diambil, gambar kemudian dijahit bersama untuk membentuk gambar gigapixel.

Langkah 3: Pemasangan Mikroskop

Saya membuat mikroskop pembesaran rendah dengan dSLR (Nikon 5000), lensa Nikon 28mm f / 2.8, dan lensa zoom Nikon 28-80mm. Lensa zoom ditetapkan untuk panjang fokus sama dengan 80mm. Set kedua lensa bertindak seperti lensa tiub mikroskop dan lensa objektif. Pembesaran keseluruhan adalah nisbah panjang fokus, sekitar 3X. Lensa ini benar-benar tidak dirancang untuk konfigurasi ini, jadi untuk menjadikan cahaya menyebar seperti mikroskop, anda harus meletakkan hentian bukaan di antara kedua lensa.

Pertama, pasangkan lensa panjang fokus yang lebih panjang ke kamera. Potong bulatan dari papan poster hitam yang mempunyai diameter kira-kira ukuran permukaan depan lensa. Kemudian potong bulatan kecil di tengah (saya memilih sekitar 3mm diameter). Ukuran bulatan akan menentukan jumlah cahaya yang masuk ke dalam sistem, juga disebut aperture numerik (NA). NA menentukan resolusi sistem untuk mikroskop yang dirancang dengan baik. Jadi mengapa tidak menggunakan NA yang tinggi untuk persediaan ini? Ada dua sebab utama. Pertama, apabila NA meningkat, penyimpangan optik sistem menjadi lebih menonjol dan akan membatasi resolusi sistem. Dalam penyediaan yang tidak konvensional seperti ini, ini mungkin berlaku, jadi meningkatkan NA akhirnya tidak lagi membantu meningkatkan resolusi. Kedua, kedalaman lapangan juga bergantung pada NA. Semakin tinggi NA, kedalaman padang semakin dangkal. Ini menyukarkan objek yang tidak rata semuanya menjadi fokus. Sekiranya NA terlalu tinggi, anda akan terhad kepada slaid mikroskop pengimejan, yang mempunyai sampel tipis.

Kedudukan hentian apertur di antara kedua lensa menjadikan sistem telecentric kasar. Itu bermaksud pembesaran sistem tidak bergantung pada jarak objek. Ini menjadi penting untuk menjahit gambar bersama-sama. Sekiranya objek mempunyai kedalaman yang berbeza-beza, maka pandangan dari dua posisi yang berbeza akan berubah perspektif (seperti penglihatan manusia). Menjahit gambar bersama-sama yang bukan dari sistem pengimejan telecentrik sangat mencabar, terutamanya dengan pembesaran yang tinggi.

Gunakan pengganding terbalik lensa 58mm hingga 52mm untuk memasang lensa 28mm ke lensa 80mm dengan bukaan diletakkan di tengah.

Langkah 4: Reka Bentuk Pentas XY

Saya merancang panggung menggunakan Fusion 360. Untuk setiap arah imbasan, terdapat empat bahagian yang perlu dicetak 3D: pemasangan mounter, dua pemanjang unit slaid, dan pelekap skru plumbum. Pangkalan dan platform pentas XY dipotong dengan laser dari papan lapis setebal 3mm. Pangkalan memegang motor arah X dan slider, platform X memegang motor arah dan slider Y, dan platform Y memegang sampel. Pangkalannya terdiri daripada 3 helai dan dua platform terdiri daripada 2 helai. Fail untuk pemotongan laser dan percetakan 3D disediakan dalam langkah ini. Setelah memotong dan mencetak bahagian-bahagian ini, anda sudah bersedia untuk langkah seterusnya.

Langkah 5: Pemasangan Pemasangan Motor

Dengan menggunakan alat pembungkus wayar, bungkus wayar di sekitar hujung dua pemancar IR dan dua penerima IR. Warnakan kod wayar supaya anda tahu hujung mana. Kemudian potong plumbum dari dioda, jadi hanya wayar bungkus wayar yang berlari sejak itu. Geser wayar melalui pemandu di pelekap motor dan kemudian tolak diod ke tempatnya. Kabel diarahkan sehingga tidak dapat dilihat sehingga keluar dari bahagian belakang unit. Wayar ini boleh disambungkan dengan wayar motor. Sekarang pasangkan motor stepper menggunakan empat baut M3. Ulangi langkah ini untuk motor kedua.

Langkah 6: Perhimpunan Pentas

Lekatkan potongan Base 1 dan Base 2, salah satunya dengan bukaan heksagon untuk kacang M3. Setelah gam kering, palu kacang M3 ke kedudukannya. Mur tidak akan berputar apabila ditekan ke papan, jadi anda akan dapat memasukkan bautnya kemudian. Sekarang tempelkan lembaran asas ketiga (Pangkalan 3) untuk menutup kacang.

Kini tiba masanya untuk memasang pemasangan kacang timbal. Kosongkan sebarang filamen tambahan dari pelekap dan kemudian tekan empat kacang M3 ke kedudukannya. Mereka sesuai, jadi pastikan anda membersihkan ruang bolt dan mur dengan pemacu skru kecil. Setelah kacang diselaraskan, tolak kacang timbal ke dalam pelekap dan pasangkannya dengan 4 baut M3.

Pasang blok bantal, peluncur gelangsar, dan pelekap motor untuk penterjemah lurus arah X ke pangkalan. Pasang unit mur plumbum ke skru plumbum dan kemudian masukkan skru plumbum ke tempatnya. Gunakan pengganding untuk menyambungkan motor ke skru plumbum. Letakkan unit gelangsar ke dalam rod dan kemudian tolak batang ke dalam gelangsar gelangsar. Akhirnya, pasangkan pemanjang peluncur gelangsar dengan bolt M3.

Kepingan papan lapis X1 dan X2 dilekatkan bersama dengan cara yang serupa dengan pangkal. Prosedur yang sama diulang untuk penterjemah linear arah-Y dan peringkat sampel.

Langkah 7: Elektronik Pengimbas

Setiap motor stepper mempunyai empat kabel yang disambungkan ke modul H-bridge. Empat kabel dari pemancar dan penerima IR disambungkan ke perintang mengikut rajah di atas. Keluaran penerima disambungkan ke input analog A0 dan A1. Kedua-dua modul H-bridge disambungkan ke pin 4-11 di Arduino Nano. Butang tekan disambungkan ke pin 2 dengan perintang 1kOhm untuk input pengguna yang mudah.

Akhirnya butang pencetus untuk dSLR disambungkan ke pengatup jarak jauh, seperti yang saya lakukan untuk pengimbas CT saya (lihat langkah 7). Potong kabel shutter jarak jauh. Kabel dilabel seperti berikut:

Kuning - fokus

Merah - pengatup

Putih - tanah

Untuk memfokuskan tembakan, wayar kuning mesti disambungkan ke tanah. Untuk merakam foto, wayar kuning dan merah mesti disambungkan ke tanah. Saya menyambungkan dioda dan kabel merah ke pin 12, dan kemudian saya menyambungkan dioda lain dan kabel kuning ke pin 13. Penyediaannya adalah seperti yang dijelaskan dalam DIY Hacks dan How-Tos yang diperintahkan.

Langkah 8: Memperolehi Gambar Gigapixel

Terlampir adalah kod untuk mikroskop gigapixel. Saya menggunakan perpustakaan Stepper untuk mengawal motor dengan jambatan H. Pada awal kod, anda mesti menentukan bidang pandangan mikroskop dan jumlah gambar yang ingin anda peroleh ke setiap arah.

Sebagai contoh, mikroskop yang saya buat mempunyai bidang pandangan sekitar 8.2mm x 5.5mm. Oleh itu, saya mengarahkan motor beralih 8mm ke arah x dan 5mm ke arah y. 11 gambar diperoleh dalam setiap arah, berjumlah 121 gambar untuk gambar gigapixel penuh (lebih terperinci mengenai perkara ini pada langkah 11). Kod kemudian mengira bilangan langkah yang perlu dilakukan motor untuk menterjemahkan tahap dengan jumlah ini.

Bagaimanakah tahap mengetahui di mana ia relatif dengan motor? Bagaimana tahapnya diterjemahkan tanpa menyentuh kedua-duanya? Dalam kod persediaan, saya menulis fungsi yang menggerakkan tahap ke setiap arah sehingga ia memutuskan jalan antara pemancar IR dan penerima IR. Apabila isyarat pada penerima IR jatuh di bawah beberapa ambang, motor berhenti. Kod kemudian menjejaki kedudukan pentas berbanding dengan kedudukan rumah ini. Kodnya ditulis supaya motor tidak diterjemahkan terlalu jauh yang akan membuat panggung berjalan ke hujung skru plumbum yang lain.

Setelah pentas dikalibrasi ke setiap arah, panggung diterjemahkan ke pusat. Dengan menggunakan tripod, saya meletakkan mikroskop dSLR saya di atas panggung. Penting untuk menyelaraskan bidang kamera dengan garis bersilang pada tahap sampel. Setelah panggung diselaraskan dengan kamera, saya merapatkan panggung dengan beberapa pita pelukis dan kemudian meletakkan sampel di atas panggung. Fokus disesuaikan dengan arah z tripod. Pengguna kemudian menekan butang tekan untuk memulakan pemerolehan. Tahap diterjemahkan ke sudut kiri bawah dan kamera dipicu. Tahap kemudian raster mengimbas sampel, sementara kamera mengambil foto di setiap posisi.

Disertakan juga beberapa kod untuk mengatasi masalah motor dan sensor IR.

Langkah 9: Menjahit Imej

Dengan semua gambar yang diperoleh, anda kini menghadapi cabaran untuk menjahit semuanya bersama-sama. Salah satu cara untuk menangani jahitan gambar adalah dengan menyelaraskan semua gambar secara manual dalam program grafik (saya menggunakan Autodesk's Graphic). Ini pasti akan berfungsi, tetapi boleh menjadi proses yang menyakitkan dan bahagian tepi gambar dapat dilihat pada gambar gigapixel.

Pilihan lain adalah menggunakan teknik memproses gambar untuk menjahit gambar secara automatik. Ideanya adalah untuk mencari ciri yang serupa di bahagian tumpang tindih gambar bersebelahan dan kemudian menerapkan transformasi terjemahan ke gambar sehingga gambar sejajar antara satu sama lain. Akhirnya, bahagian tepi boleh dicampur bersama dengan mengalikan bahagian yang bertindih dengan faktor berat linear dan menambahkannya bersama. Ini boleh menjadi algoritma yang menakutkan untuk ditulis jika anda baru dalam pemprosesan imej. Saya bekerja sebentar dalam masalah ini, tetapi saya tidak dapat memperoleh hasil yang boleh dipercayai sepenuhnya. Algoritma paling banyak berjuang dengan sampel yang mempunyai ciri-ciri yang hampir sama, seperti titik-titik dalam gambar majalah. Terlampir adalah kod yang saya tulis di Matlab, tetapi memerlukan beberapa kerja.

Pilihan terakhir adalah menggunakan program jahitan fotografi gigapixel. Saya tidak mempunyai cadangan, tetapi saya tahu mereka ada di luar sana.

Langkah 10: Prestasi Mikroskop

Sekiranya anda terlepas, berikut adalah hasilnya: gambar majalah, taplak meja crochet, dan pelbagai elektronik.

Spesifikasi sistem disenaraikan dalam jadual di atas. Saya mencuba pengimejan dengan lensa panjang fokus 28mm dan 50mm. Saya mengira penyelesaian terbaik sistem berdasarkan had difraksi (sekitar 6μm). Sebenarnya sukar untuk menguji ini secara eksperimen tanpa sasaran resolusi tinggi. Saya cuba mencetak fail vektor yang tersenarai di forum fotografi format besar ini, tetapi saya dibatasi oleh resolusi pencetak saya. Yang terbaik yang dapat saya tentukan dengan cetakan ini ialah sistem mempunyai resolusi <40μm. Saya juga mencari ciri-ciri kecil dan terpencil pada sampel. Ciri terkecil dalam cetakan dari majalah adalah titik tinta, yang saya anggap sekitar 40μm, jadi saya tidak dapat menggunakannya untuk mendapatkan anggaran yang lebih baik untuk resolusi. Terdapat sebilangan kecil alat elektronik yang terpencil dengan baik. Kerana saya tahu bidang pandang, saya dapat mengira jumlah piksel yang menggunakan divot kecil untuk mendapatkan anggaran resolusi, sekitar 10-15μm.

Secara keseluruhan, saya gembira dengan prestasi sistem, tetapi saya mempunyai beberapa catatan sekiranya anda ingin mencuba projek ini.

Kestabilan tahap: Pertama, dapatkan komponen tahap linear berkualiti tinggi. Komponen yang saya gunakan mempunyai permainan lebih banyak daripada yang saya sangka. Saya hanya menggunakan salah satu gelangsar di dalam kit untuk setiap batang, jadi mungkin itu sebabnya panggung tidak terasa sangat stabil. Tahapnya cukup baik untuk saya, tetapi ini akan menjadi lebih penting bagi sistem pembesaran yang lebih tinggi.

Optik untuk resolusi lebih tinggi: Idea yang sama dapat digunakan untuk mikroskop pembesaran yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, motor yang lebih kecil dengan ukuran langkah yang lebih baik akan diperlukan. Sebagai contoh, pembesaran 20X dengan dSLR ini akan menghasilkan pandangan 1 mm (jika mikroskop dapat menggambarkan sistem yang besar tanpa vignet). Electronupdate menggunakan motor stepper dari pemain CD dalam bentuk yang bagus untuk mikroskop pembesaran yang lebih tinggi. Satu lagi pertukaran adalah kedalaman medan yang cetek, yang bermaksud pengimejan akan terhad kepada sampel tipis dan anda memerlukan mekanisme terjemahan yang lebih baik dalam arah-z.

Kestabilan tripod: Sistem ini akan berfungsi lebih baik dengan pemasangan kamera yang lebih stabil. Sistem lensa berat dan tripod dimiringkan 90deg dari kedudukan yang dirancang. Saya terpaksa merapatkan kaki tripod untuk membantu kestabilan. Pengatup juga dapat menggegarkan kamera cukup untuk mengaburkan gambar.