Mikroskop za stolna računala Gigapixel: 10 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

U optičkim mikroskopima postoji temeljni kompromis između vidnog polja i rezolucije: što su sitniji detalji, to je područje manje snimljeno mikroskopom. Jedan od načina za prevladavanje ovog ograničenja je prevođenje uzorka i snimanje slika u većem vidnom polju. Osnovna ideja je spojiti mnoge slike visoke rezolucije u veliki FOV. Na ovim slikama možete vidjeti i cijeli uzorak, kao i fine detalje u bilo kojem dijelu uzorka. Rezultat je slika koja se sastoji od oko milijardu piksela, mnogo veće u odnosu na slike snimljene dSLR -om ili pametnim telefonom, koji obično imaju oko 10 do 50 milijuna piksela. Pogledajte ove krajolike gigapiksela za impresivnu demonstraciju ogromne količine informacija na ovim slikama.

U ovom ću uputstvu proučiti kako izgraditi mikroskop sposoban snimiti vidno polje 90 mm x 60 mm s pikselima koji odgovaraju 2 μm na uzorku (iako je, mislim, rezolucija vjerojatno bliža 15 μm). Sustav koristi objektive fotoaparata, ali isti se koncept može primijeniti pomoću mikroskopskih objektiva kako bi se dobila još finija rezolucija.

Prenio sam slike gigapiksela koje sam stekao mikroskopom na EasyZoom:

Slika časopisa National Geographic iz 1970

Kukičani stolnjak koji je izradila moja žena

Razna elektronika

Ostali resursi:

Vodiči za optičku mikroskopiju:

Optičko razlučivanje:

Osim spajanja slika, nedavni napredak u računalnom oslikavanju omogućuje mikroskopiranje gigapiksela čak i bez pomicanja uzorka!

Korak 1: Popis zaliha

Materijali:

1. Nikon dSLR (koristio sam svoj Nikon D5000)

2. Objektiv žarišne duljine 28 mm s navojem od 52 mm

3. Objektiv žarišne duljine 80 mm s navojem od 58 mm

4. Obrnuta spojnica od 52 mm do 58 mm

5. Stativ

6. Sedam listova šperploče debljine 3 mm

7. Arduino Nano

8. Dva H-mosta L9110

9. Dva IC odašiljača

10. Dva IC prijemnika

11. Pritisnite gumb

12. Dva 2.2kOhm otpornika

13. Dva 150Ohm otpornika

14. Jedan otpornik od 1 kOhm

15. Daljinsko izdanje za Nikon fotoaparat

16. Crna plakatna ploča

17. Komplet hardvera:

18. Dva koračna motora (koristio sam Nema 17 Bipolarni koračni motor 3,5V 1A)

19. Dva vijka od 2 mm

20. Četiri bloka jastuka

21. Dvije matice s olovnim vijcima

22. Dvije klizne čahure ležaja i linearne osovine 200 mm:

23. Napajanje 5V:

24. Žica za omotavanje žice

Alati:

1. Laserski rezač

2. 3D pisač

3. imbus ključevi

4. Rezači žice

5. Alat za omatanje žicom

Korak 2: Pregled sustava

Za prevođenje uzorka dva koračna motora poravnata u ortogonalnim smjerovima pomiču pozornicu u smjeru x i y. Motorima se upravlja pomoću dva H-mosta i Arduina. IR senzor postavljen na dnu koračnog motora koristi se za nuliranje stupnjeva tako da ne nailaze na oba kraja blokova. Digitalni mikroskop postavljen je iznad XY stupnja.

Nakon što je uzorak postavljen i pozornica centrirana, pritisnite gumb za početak prikupljanja. Motori pomiču pozornicu u donji lijevi kut i aktivira se kamera. Motori zatim prevode uzorak malim koracima, jer kamera snima fotografiju u svakom položaju.

Nakon što su snimljene sve slike, slike se zatim spajaju u gigapikselnu sliku.

Korak 3: Sastavljanje mikroskopa

Napravio sam mikroskop s malim povećanjem s dSLR-om (Nikon 5000), Nikon objektivom od 28 mm f/2,8 i Nikonovim objektivom sa zumom od 28-80 mm. Objektiv zuma postavljen je za žarišnu daljinu jednaku 80 mm. Skup dviju leća djeluje poput leće cijevi mikroskopa i leće objektiva. Ukupno povećanje je omjer žarišnih duljina, oko 3X. Ove leće doista nisu dizajnirane za ovu konfiguraciju, pa da bi se svjetlost širila poput mikroskopa, morate postaviti graničnik otvora između dva objektiva.

Najprije na fotoaparat postavite objektiv veće žarišne duljine. Izrežite krug od crne plakatne ploče promjera otprilike veličine prednje površine leće. Zatim izrežite mali krug u sredini (ja sam odabrao promjer oko 3 mm). Veličina kruga će odrediti količinu svjetlosti koja ulazi u sustav, koja se naziva i numerički otvor (NA). NA određuje bočnu rezoluciju sustava za dobro dizajnirane mikroskope. Pa zašto ne biste koristili visoku NA za ovo postavljanje? Pa, postoje dva glavna razloga. Prvo, kako se NA povećava, optičke aberacije sustava postaju sve izraženije i ograničit će razlučivost sustava. U ovakvim nekonvencionalnim postavkama to će vjerojatno biti slučaj, pa povećanje NA na kraju više neće pomoći poboljšanju razlučivosti. Drugo, dubina polja također ovisi o NA. Što je NA NA, dublja oštrina je plića. To otežava fokusiranje objekata koji nisu ravni. Ako NA postane previsoka, bit ćete ograničeni na dijapozitive mikroskopa koji imaju tanke uzorke.

Pozicioniranje graničnika otvora blende između dva objektiva čini sustav otprilike telecentričnim. To znači da je povećanje sustava neovisno o udaljenosti objekta. To postaje važno za spajanje slika zajedno. Ako objekt ima različitu dubinu, tada će pogled s dva različita položaja promijeniti perspektivu (poput ljudskog vida). Spajanje slika koje nisu iz sustava telecentričnog snimanja izazov je, osobito s tako velikim povećanjem.

Pomoću obrnute spojnice objektiva od 58 mm do 52 mm pričvrstite objektiv od 28 mm na objektiv od 80 mm s otvorom blende postavljenim u sredini.

Korak 4: XY scenski dizajn

Dizajnirao sam pozornicu pomoću Fusion 360. Za svaki smjer skeniranja postoje četiri dijela koja je potrebno 3D ispisati: držač za montiranje, dva produžetka klizne jedinice i nosač s olovnim vijkom. Baza i platforme XY pozornice laserski su izrezane od šperploče debljine 3 mm. Baza sadrži motor smjera X i klizače, X-platforma drži motor i klizače u smjeru Y, a Y-platforma drži uzorak. Baza se sastoji od 3 lista, a dvije platforme se sastoje od 2 lista. U ovom koraku nalaze se datoteke za lasersko rezanje i 3D ispis. Nakon rezanja i ispisa ovih dijelova spremni ste za sljedeće korake.

Korak 5: Sklop nosača motora

Pomoću alata za umotavanje žice omotajte žicu oko kabela dva IC odašiljača i dva IC prijemnika. Označite žice bojama kako biste znali koji je kraj. Zatim odrežite kabele s dioda, tako da od tada teku samo žice za omatanje. Gurnite žice kroz vodilice u nosaču motora, a zatim gurnite diode na mjesto. Žice su usmjerene tako da nisu vidljive sve dok ne izađu sa stražnje strane jedinice. Ove se žice mogu spojiti žicama motora. Sada montirajte koračni motor pomoću četiri vijka M3. Ponovite ovaj korak za drugi motor.

Korak 6: Montaža pozornice

Zalijepite rezove baze 1 i baze 2, jedan od njih sa šesterokutnim otvorima za matice M3. Nakon što se ljepilo osuši, udarite matice M3 na mjesto. Matice se neće okretati kada se pritisnu u ploču, pa ćete vijke kasnije moći uvrnuti. Sada zalijepite treći osnovni list (Baza 3) da pokrije matice.

Sada je vrijeme za sastavljanje nosača olovne matice. Uklonite svu dodatnu nit sa držača, a zatim gurnite četiri matice M3 u položaj. Čvrsto se uklapaju, pa malom odvijačem očistite prostor između vijaka i matica. Nakon što su matice poravnane, gurnite olovnu maticu u držač i pričvrstite je s 4 vijka M3.

Na postolje pričvrstite blokove jastuka, klizače i nosač motora za linearni prevoditelj u smjeru X. Stavite sklop vodeće matice na vodeći vijak, a zatim gurnite vodeći vijak na mjesto. Spojnicom spojite motor na glavni vijak. Postavite klizne jedinice u šipke, a zatim gurnite šipke u držače klizača. Na kraju, pričvrstite produživače kliznog nosača s vijcima M3.

Listovi šperploče X1 i X2 ljepljeni su na sličan način za podlogu. Isti se postupak ponavlja za linearni prevoditelj u smjeru Y i stupanj uzorka.

Korak 7: Elektronika skenera

Svaki koračni motor ima četiri kabela koji su spojeni na modul H-mosta. Četiri kabela s IC odašiljača i prijamnika spojena su na otpornike prema gornjem dijagramu. Izlazi prijemnika spojeni su na analogni ulaz A0 i A1. Dva modula H-mosta spojena su na pin 4-11 na Arduino Nano. Tipkalo je spojeno na pin 2 s 1kOhm otpornikom za jednostavan unos korisnika.

Konačno, gumb okidača za dSLR spojen je na daljinski zatvarač, kao što sam učinio za svoj CT skener (vidi korak 7). Odrežite kabel daljinskog zatvarača. Žice su označene na sljedeći način:

Žuta - fokus

Crvena - kapka

Bijelo - tlo

Da biste izoštrili snimak, žuta žica mora biti spojena na masu. Da biste snimili fotografiju, i žuta i crvena žica moraju biti spojene na masu. Spojio sam diodu i crveni kabel na pin 12, a zatim sam spojio drugu diodu i žuti kabel na pin 13. Postavljanje je kao što je opisano u uputama DIY Hacks and How-Tos.

Korak 8: Stjecanje slika u gigapikselima

U privitku je kôd za mikroskop gigapiksela. Koristio sam Stepper knjižnicu za upravljanje motorima s H-mostom. Na početku koda morate navesti vidno polje mikroskopa i broj slika koje želite dobiti u svakom smjeru.

Na primjer, mikroskop koji sam napravio imao je vidno polje od oko 8,2 mm x 5,5 mm. Stoga sam usmjerio motore da pomaknu 8 mm u smjeru x i 5 mm u smjeru y. Prikuplja se 11 slika u svakom smjeru, ukupno 121 slika za sliku punog gigapiksela (više detalja o tome u koraku 11). Kôd zatim izračunava broj koraka koje motori moraju napraviti da prevedu stupanj za ovaj iznos.

Kako stupnjevi znaju gdje su u odnosu na motor? Kako se faze prevode, a da ne pogađaju niti jedan kraj? U kodu za postavljanje napisao sam funkciju koja pomiče pozornicu u svakom smjeru sve dok ne prekine put između IC odašiljača i IC prijemnika. Kad signal na IC prijemniku padne ispod nekog praga, motor se zaustavlja. Kôd zatim prati položaj pozornice u odnosu na ovaj početni položaj. Kôd je napisan tako da motor ne prevodi previše što bi dovelo do toga da stupanj naleti na drugi kraj olovnog vijka.

Kad se pozornica kalibrira u svakom smjeru, pozornica se prevodi u središte. Pomoću stativa postavio sam svoj dSLR mikroskop preko pozornice. Važno je poravnati polje kamere s prekriženim linijama na stupnju uzorka. Kad se pozornica poravna s kamerom, zalijepio sam pozornicu nekom slikarskom trakom, a zatim stavio uzorak na pozornicu. Izoštravanje je podešeno z-smjerom stativa. Korisnik tada pritisne gumb za početak akvizicije. Pozornica se prevodi u donji lijevi kut i aktivira se kamera. Pozornica zatim skenira uzorak, dok kamera snima fotografiju u svakom položaju.

Priložen je i neki kôd za rješavanje problema motora i IC senzora.

Korak 9: Spajanje slika

Uz sve stečene slike, sada ste suočeni s izazovom da ih sve spojite. Jedan od načina rukovanja spajanjem slika je ručno poravnavanje svih slika u grafičkom programu (koristio sam Autodesk's Graphic). Ovo će definitivno uspjeti, ali može biti bolan proces, a rubovi slika vidljivi su na slikama u gigapikselima.

Druga je mogućnost korištenje tehnika obrade slika za automatsko povezivanje slika. Ideja je pronaći slične značajke u preklapajućem odjeljku susjednih slika, a zatim primijeniti prijevodnu transformaciju na sliku tako da se slike poravnaju jedna s drugom. Konačno, rubovi se mogu spojiti množenjem preklapajućeg dijela s linearnim težinskim faktorom i zbrajanjem. Ovo može biti zastrašujući algoritam za pisanje ako ste tek počeli obrađivati slike. Neko sam vrijeme radio na problemu, ali nisam mogao dobiti potpuno pouzdan rezultat. Algoritam se najviše borio s uzorcima koji su imali vrlo slične značajke, poput točaka na slici časopisa. U prilogu je kôd koji sam napisao u Matlabu, ali treba malo poraditi.

Posljednja mogućnost je korištenje programa za šivanje fotografija od gigapiksela. Nemam ništa za predložiti, ali znam da su tu.

Korak 10: Performanse mikroskopa

U slučaju da ste propustili, evo rezultata: slika časopisa, stolnjak za kukičanje i razna elektronika.

Specifikacije sustava navedene su u gornjoj tablici. Pokušao sam snimiti objektivom žarišne duljine 28 mm i 50 mm. Procijenio sam najbolju moguću rezoluciju sustava na temelju granice difrakcije (oko 6μm). Zapravo je teško eksperimentalno to testirati bez cilja visoke rezolucije. Pokušao sam ispisati vektorsku datoteku navedenu na ovom fotografskom forumu velikog formata, ali sam bio ograničen rezolucijom pisača. Ovim ispisom najbolje sam mogao utvrditi da je sustav imao rezoluciju <40μm. Također sam tražio male, izolirane značajke na uzorcima. Najmanja značajka u tisku iz časopisa je mrlja tinte, za koju sam procijenio da je također oko 40 μm, pa je nisam mogao koristiti za bolju procjenu rezolucije. Bilo je malih zastoja u elektronici koji su bili prilično dobro izolirani. Budući da sam poznavao vidno polje, mogao sam izbrojati broj piksela koji zauzimaju mali zaokret kako bih dobio procjenu rezolucije, oko 10-15 μm.

Sve u svemu, bio sam zadovoljan performansama sustava, ali imam nekoliko napomena u slučaju da želite isprobati ovaj projekt.

Stabilnost pozornice: Prvo nabavite visokokvalitetne linearne komponente pozornice. Komponente koje sam koristio imale su mnogo veću ulogu nego što sam mislio da hoće. Koristio sam samo jedan od klizača u kompletu za svaki štap, pa se možda zato pozornica nije osjećala baš stabilnom. Pozornica mi je radila dovoljno dobro, ali to bi postalo veći problem za sustave većeg povećanja.

Optika za veću razlučivost: Ista se ideja može koristiti za mikroskope s većim povećanjem. Međutim, bit će potrebni manji motori s finom veličinom koraka. Na primjer, uvećanje od 20X s ovim dSLR-om rezultiralo bi vidnim poljem od 1 mm (ako mikroskop može prikazati tako veliki sustav bez vinjetiranja). Elektropodatak je koristio koračne motore s CD playera u lijepoj izvedbi za mikroskop veće povećanja. Još jedan kompromis bit će plitka dubinska oštrina, što znači da će snimanje biti ograničeno na tanke uzorke i trebat će vam finiji mehanizam prevođenja u smjeru z.

Stabilnost stativa: Ovaj sustav bolje bi funkcionirao sa stabilnijim postoljem za kameru. Sustav objektiva je težak, a stativ je nagnut za 90 stupnjeva od položaja za koji je dizajniran. Morao sam zalijepiti nožice stativa kako bih pomogao u stabilnosti. Zatvarač bi također mogao potresti kameru dovoljno da zamagli slike.