Gigapikseļu darbvirsmas mikroskops: 10 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Optiskajos mikroskopos pastāv būtisks kompromiss starp redzes lauku un izšķirtspēju: jo sīkākas detaļas, jo mazāks ir mikroskopa attēlotais reģions. Viens veids, kā pārvarēt šo ierobežojumu, ir iztulkot paraugu un iegūt attēlus plašākā redzes laukā. Pamatideja ir apvienot daudzus augstas izšķirtspējas attēlus, lai izveidotu lielu FOV. Šajos attēlos jūs varat redzēt gan pilnu paraugu, gan smalkas detaļas jebkurā parauga daļā. Rezultāts ir attēls, kas sastāv no aptuveni miljarda pikseļu, kas ir daudz lielāks salīdzinājumā ar dSLR vai viedtālruņa uzņemtajiem attēliem, kuriem parasti ir aptuveni 10 līdz 50 miljoni pikseļu. Apskatiet šīs gigapikseļu ainavas, lai iespaidīgi demonstrētu šajos attēlos redzamo milzīgo informācijas daudzumu.

Šajā pamācībā es apskatīšu, kā izveidot mikroskopu, kas spēj attēlot 90 mm x 60 mm skata lauku ar pikseļiem, kas atbilst 2 μm paraugā (lai gan, manuprāt, izšķirtspēja, iespējams, ir tuvāka 15 μm). Sistēma izmanto kameru objektīvus, taču to pašu koncepciju var izmantot, izmantojot mikroskopa objektīvus, lai iegūtu vēl smalkāku izšķirtspēju.

Augšupielādēju gigapikseļu attēlus, kas iegūti ar mikroskopu EasyZoom:

1970. gada žurnāla National Geographic tēls

Tamborēts galdauts, ko izgatavoja mana sieva

Dažāda elektronika

Citi resursi:

Optiskās mikroskopijas apmācības:

Optiskā izšķirtspēja:

Papildus attēlu sašūšanai nesenie sasniegumi skaitļošanas attēlveidošanā ļauj veikt gigapikseļu mikroskopiju, pat nepakustinot paraugu!

1. darbība: piegādes saraksts

Materiāli:

1. Nikon dSLR (es izmantoju savu Nikon D5000)

2. 28 mm fokusa attāluma objektīvs ar 52 mm vītni

3. 80 mm fokusa attāluma objektīvs ar 58 mm vītni

4. 52–58 mm atpakaļgaitas sakabe

5. Statīvs

6. Septiņas loksnes no 3 mm bieza saplākšņa

7. Arduino Nano

8. Divi H tilts L9110

9. Divi IR izstarotāji

10. Divi IR uztvērēji

11. Nospiediet pogu

12. Divi 2,2 kOhm rezistori

13. Divi 150Ohm rezistori

14. Viens 1kOhm rezistors

15. Attālā atbrīvošana Nikon kamerai

16. Melns plakātu dēlis

17. Aparatūras komplekts:

18. Divi soļu motori (es izmantoju Nema 17 bipolāru pakāpju motoru 3.5V 1A)

19. Divas 2 mm svina skrūves

20. Četri spilvenu bloki

21. Divi svina skrūves uzgriežņi

22. Divas gultņu bīdāmās bukses un 200 mm lineārās vārpstas:

23. 5V barošanas avots:

24. Stiepļu ietīšanas stieple

Rīki:

1. Lāzera griezējs

2. 3D printeris

3. Sešstūra atslēgas

4. Stiepļu griezēji

5. Stiepļu ietīšanas rīks

2. darbība: sistēmas pārskats

Lai tulkotu paraugu, divi soļu motori, kas izlīdzināti ortogonālos virzienos, pārvieto posmu x un y virzienā. Motori tiek vadīti, izmantojot divus H tiltus un Arduino. IR sensors, kas novietots pakāpiena motora pamatnē, tiek izmantots posmu nullēšanai, lai tie neiekļūtu nevienā bloka galā. Virs XY posma ir novietots digitālais mikroskops.

Kad paraugs ir novietots un skatuve ir centrēta, nospiediet pogu, lai sāktu iegūšanu. Motori pārvieto skatu uz apakšējo kreiso stūri, un kamera tiek aktivizēta. Motori pēc tam nelielos soļos iztulko paraugu, jo kamera uzņem fotoattēlu katrā pozīcijā.

Pēc visu attēlu uzņemšanas attēli tiek salikti kopā, veidojot gigapikseļu attēlu.

3. solis: mikroskopa montāža

Es izveidoju zema palielinājuma mikroskopu ar dSLR (Nikon 5000), Nikon 28 mm f/2,8 objektīvu un Nikon 28-80 mm tālummaiņas objektīvu. Tālummaiņas objektīva fokusa attālums bija 80 mm. Abu lēcu komplekts darbojas kā mikroskopa caurules objektīvs un objektīvs. Kopējais palielinājums ir fokusa attālumu attiecība, aptuveni 3X. Šīs lēcas patiešām nav paredzētas šādai konfigurācijai, tāpēc, lai gaisma izplatītos kā mikroskops, starp abām lēcām ir jānovieto atvēruma pieturvieta.

Vispirms kamerai piestipriniet garāko fokusa attāluma objektīvu. Izgrieziet apli no melna plakāta dēļa, kura diametrs ir aptuveni objektīva priekšējās virsmas izmērs. Tad izgrieziet nelielu apli vidū (es izvēlējos apmēram 3 mm diametru). Apļa lielums noteiks gaismas daudzumu, kas nonāk sistēmā, ko sauc arī par skaitlisko apertūru (NA). NA nosaka sistēmas sānu izšķirtspēju labi izstrādātiem mikroskopiem. Tātad, kāpēc neizmantot augstu NA šai iestatīšanai? Nu, ir divi galvenie iemesli. Pirmkārt, palielinoties NA, sistēmas optiskās novirzes kļūst pamanāmākas un ierobežos sistēmas izšķirtspēju. Šādā netradicionālā iestatījumā, visticamāk, tas tā būs, tāpēc NA palielināšana galu galā vairs nepalīdzēs uzlabot izšķirtspēju. Otrkārt, lauka dziļums ir atkarīgs arī no NA. Jo augstāks NA, jo dziļāks lauka dziļums. Tas apgrūtina tādu objektu fokusēšanu, kas nav līdzeni. Ja NA kļūst pārāk augsts, jūs aprobežosities tikai ar attēlveidošanas mikroskopa priekšmetstikliņiem, kuriem ir plāni paraugi.

Diafragmas atdures novietojums starp abiem objektīviem padara sistēmu aptuveni telecentrisku. Tas nozīmē, ka sistēmas palielinājums nav atkarīgs no objekta attāluma. Tas kļūst svarīgi attēlu savienošanai. Ja objektam ir atšķirīgs dziļums, tad skats no divām dažādām pozīcijām būs mainījis perspektīvu (piemēram, cilvēka redze). Apvienot attēlus, kas nav no telecentriskās attēlveidošanas sistēmas, ir sarežģīti, īpaši ar tik lielu palielinājumu.

Izmantojiet 58–52 mm objektīva reverso savienotāju, lai piestiprinātu 28 mm objektīvu pie 80 mm objektīva ar atvērumu vidū.

4. solis: XY skatuves dizains

Es projektēju skatuvi, izmantojot Fusion 360. Katram skenēšanas virzienam ir jāizdrukā četras daļas: stiprinājuma stiprinājums, divi bīdāmo bloku pagarinātāji un svina skrūves stiprinājums. XY posma pamatne un platformas ir lāzergrieztas no 3 mm bieza saplākšņa. Pamatne satur X virziena motoru un slīdņus, X platforma tur Y virziena motoru un slīdņus, bet Y platforma-paraugu. Pamatne sastāv no 3 loksnēm, un abas platformas sastāv no 2 loksnēm. Faili lāzera griešanai un 3D drukāšanai ir sniegti šajā solī. Pēc šo detaļu griešanas un drukāšanas jūs esat gatavs nākamajām darbībām.

5. solis: motora stiprinājuma montāža

Izmantojot stiepļu ietīšanas rīku, aptiniet vadu ap divu IS izstarotāju un divu IR uztvērēju vadiem. Krāsojiet vadu krāsu, lai jūs zināt, kurš gals ir kurš. Pēc tam nogrieziet vadus pie diodēm, tāpēc no tā sākas tikai stieples aptīšanas vadi. Izvelciet vadus caur motora stiprinājuma vadotnēm un pēc tam iespiediet diodes vietā. Vadi ir vērsti tā, lai tie nebūtu redzami, kamēr tie neiziet no ierīces aizmugures. Šos vadus var savienot ar motora vadiem. Tagad uzstādiet pakāpju motoru, izmantojot četras M3 skrūves. Atkārtojiet šo darbību otrajam motoram.

6. solis: posma montāža

Līmējiet kopā pamatnes 1 un pamatnes 2 griezumus, vienu no tiem ar sešstūra atverēm uzgriežņiem M3. Kad līme ir izžuvusi, āmurējiet M3 uzgriežņus savā vietā. Nospiežot dēli, uzgriežņi negriezīsies, tāpēc vēlāk varēsiet ieskrūvēt skrūves. Tagad pielīmējiet trešo pamatnes loksni (3. pamatne), lai pārklātu uzgriežņus.

Tagad ir pienācis laiks salikt svina-uzgriežņa stiprinājumu. Notīriet no stiprinājuma visus papildu pavedienus un pēc tam iespiediet četrus M3 uzgriežņus. Tie ir cieši pieguļoši, tāpēc pārliecinieties, ka ar nelielu skrūvgriezi esat atbrīvojis vietu skrūvēm un uzgriežņiem. Kad uzgriežņi ir izlīdzināti, iespiediet svina uzgriezni stiprinājumā un piestipriniet to ar 4 M3 skrūvēm.

Piestipriniet spilvenu blokus, slīdņa stiprinājumus un motora stiprinājumu X virziena lineārajam tulkotājam uz pamatnes. Uzlieciet svina uzgriežņa bloku uz svina skrūves un pēc tam iebīdiet svina skrūvi vietā. Izmantojiet savienotāju, lai savienotu motoru ar vadošo skrūvi. Ievietojiet slīdņa vienības stieņos un pēc tam iespiediet stieņus slīdņa stiprinājumos. Visbeidzot, pievienojiet slīdņa stiprinājuma pagarinātājus ar M3 skrūvēm.

Saplākšņa loksnes X1 un X2 līdzīgi pielīmē pie pamatnes. To pašu procedūru atkārto Y virziena lineārajam tulkam un parauga posmam.

7. darbība: skenera elektronika

Katram pakāpju motoram ir četri kabeļi, kas ir savienoti ar H tilta moduli. Četri kabeļi no IS emitētāja un uztvērēja ir savienoti ar rezistoriem saskaņā ar iepriekš redzamo diagrammu. Uztvērēju izejas ir savienotas ar analogo ieeju A0 un A1. Abi H-tilta moduļi ir savienoti ar Arduino Nano tapu 4-11. Spiedpoga ir savienota ar tapu 2 ar 1 kOhm rezistoru, lai vienkārši ievadītu lietotāju.

Visbeidzot dSLR sprūda poga ir savienota ar attālo aizvaru, kā es to darīju ar savu CT skeneri (skat. 7. darbību). Izgrieziet tālvadības aizvara kabeli. Vadi ir marķēti šādi:

Dzeltens - fokuss

Sarkans - aizvars

Balts - malts

Lai fokusētu kadru, dzeltenajam vadam jābūt savienotam ar zemi. Lai uzņemtu fotoattēlu, gan dzeltenajam, gan sarkanajam vadam jābūt savienotam ar zemi. Es pievienoju diodi un sarkano kabeli 12. tapai, un tad es pievienoju citu diode un dzelteno kabeli 13. tapai. Iestatīšana ir tāda, kā aprakstīts DIY Hacks un How-Tos instrukcijās.

8. darbība. Gigapikseļu attēlu iegūšana

Pievienots gigapikseļu mikroskopa kods. Es izmantoju Stepper bibliotēku, lai kontrolētu motorus ar H-tiltu. Koda sākumā jānorāda mikroskopa redzamības lauks un attēlu skaits, ko vēlaties iegūt katrā virzienā.

Piemēram, manis izgatavotā mikroskopa redzes lauks bija aptuveni 8,2 mm x 5,5 mm. Tāpēc es novirzīju motorus pārslēgties 8 mm x virzienā un 5 mm y virzienā. Katrā virzienā tiek iegūti 11 attēli, kopā 121 attēls pilnam gigapikseļu attēlam (sīkāka informācija par to 11. darbībā). Pēc tam kods aprēķina soļu skaitu, kas motoriem jāveic, lai pārvērstu posmu par šo summu.

Kā posmi zina, kur tie ir attiecībā pret motoru? Kā posmi tiek tulkoti, netrāpot nevienā galā? Iestatīšanas kodā es uzrakstīju funkciju, kas pārvieto skatuvi katrā virzienā, līdz pārtrauc ceļu starp IS emitētāju un IR uztvērēju. Kad IS uztvērēja signāls nokrītas zem noteiktā sliekšņa, motors apstājas. Pēc tam kods izseko posma stāvokli attiecībā pret šo sākuma stāvokli. Kods ir uzrakstīts tā, lai motors netiktu iztulkots pārāk tālu, kas liktu posmam ieskrieties svina skrūves otrā galā.

Kad posms ir kalibrēts katrā virzienā, posms tiek tulkots centrā. Izmantojot statīvu, es novietoju savu dSLR mikroskopu virs skatuves. Parauga posmā ir svarīgi izlīdzināt kameras lauku ar šķērsotajām līnijām. Kad skatuve ir saskaņota ar kameru, es ar kādu gleznotāja lenti pielīmēju skatuvi un pēc tam novietoju paraugu uz skatuves. Fokuss tika noregulēts ar statīva z virzienu. Pēc tam lietotājs nospiež pogu, lai sāktu iegūšanu. Posms tiek tulkots apakšējā kreisajā stūrī, un kamera tiek aktivizēta. Pēc tam rastrs skenē paraugu, bet kamera katrā pozīcijā uzņem fotoattēlu.

Pievienots arī kods motoru un IR sensoru problēmu novēršanai.

9. darbība: attēlu sašūšana

Kad esat ieguvis visus attēlus, jūs tagad saskaraties ar izaicinājumu tos visus savienot kopā. Viens veids, kā rīkoties ar attēlu sašūšanu, ir manuāli izlīdzināt visus attēlus grafiskajā programmā (es izmantoju Autodesk Graphic). Tas noteikti darbosies, taču tas var būt sāpīgs process, un attēlu malas ir pamanāmas gigapikseļu attēlos.

Vēl viena iespēja ir izmantot attēlu apstrādes metodes, lai automātiski saliktu attēlus kopā. Ideja ir atrast līdzīgas iezīmes blakus esošo attēlu pārklāšanās sadaļā un pēc tam attēlam piemērot tulkojuma pārveidojumu, lai attēli būtu izlīdzināti. Visbeidzot, malas var sajaukt, reizinot sadaļu, kas pārklājas ar lineāro svara koeficientu, un pievienojot tās kopā. Tas var būt biedējošs rakstīšanas algoritms, ja neesat iesācējs attēlu apstrādē. Kādu laiku strādāju pie problēmas, bet nevarēju iegūt pilnīgi ticamu rezultātu. Algoritms visvairāk cīnījās ar paraugiem, kuriem bija ļoti līdzīgas iezīmes, piemēram, punkti žurnāla attēlā. Pielikumā ir kods, kuru es uzrakstīju Matlab, bet tas prasa zināmu darbu.

Pēdējā iespēja ir izmantot gigapikseļu fotografēšanas sašūšanas programmas. Man nav ko ieteikt, bet es zinu, ka viņi tur ir.

10. solis: mikroskopa veiktspēja

Ja esat to palaidis garām, šeit ir rezultāti: žurnāla attēls, tamborēts galdauts un cita elektronika.

Sistēmas specifikācijas ir norādītas iepriekšējā tabulā. Es mēģināju attēlot gan ar 28 mm, gan 50 mm fokusa attāluma objektīvu. Es novērtēju vislabāko iespējamo sistēmas izšķirtspēju, pamatojoties uz difrakcijas robežu (aptuveni 6 μm). Patiesībā ir grūti to eksperimentāli pārbaudīt bez augstas izšķirtspējas mērķa. Es mēģināju izdrukāt šajā lielformāta fotografēšanas forumā norādīto vektoru failu, taču mani ierobežoja printera izšķirtspēja. Ar šo izdruku vislabāk varēju noteikt, ka sistēmas izšķirtspēja ir <40μm. Es arī meklēju mazas, izolētas iezīmes paraugos. Mazākā žurnāla izdrukas iezīme ir tintes plankums, kas, manuprāt, arī ir aptuveni 40 μm, tāpēc es nevarēju to izmantot, lai iegūtu labāku izšķirtspējas novērtējumu. Elektronikā bija mazi gabali, kas bija diezgan labi izolēti. Tā kā es zināju redzes lauku, es varētu saskaitīt to pikseļu skaitu, kas aizņem mazo daļu, lai iegūtu aptuveni 10-15 μm izšķirtspēju.

Kopumā es biju apmierināts ar sistēmas darbību, taču man ir dažas piezīmes, ja vēlaties izmēģināt šo projektu.

Skatuves stabilitāte: Pirmkārt, iegūstiet augstas kvalitātes lineāras skatuves sastāvdaļas. Izmantotajām sastāvdaļām bija daudz vairāk spēļu, nekā es domāju. Katram stienim izmantoju tikai vienu no komplektā esošajiem slīdņa stiprinājumiem, tāpēc varbūt tāpēc skatuve nejutās īpaši stabila. Skatuve man darbojās pietiekami labi, taču tas kļūs par lielāku palielinājuma sistēmu problēmu.

Optika augstākai izšķirtspējai: to pašu ideju var izmantot mikroskopiem ar lielāku palielinājumu. Tomēr būs nepieciešami mazāki motori ar smalkāku pakāpienu. Piemēram, 20X palielinājums ar šo dSLR radītu 1 mm redzamības lauku (ja mikroskops var attēlot tik lielu sistēmu bez vinjetēšanas). Electronupdate izmantoja soļu motorus no CD atskaņotāja jaukā uzbūvē, lai palielinātu mikroskopu. Vēl viens kompromiss būs neliels lauka dziļums, kas nozīmē, ka attēlveidošana tiks ierobežota ar plāniem paraugiem, un jums būs nepieciešams smalkāks tulkošanas mehānisms z virzienā.

Statīva stabilitāte: šī sistēma darbotos labāk ar stabilāku kameras stiprinājumu. Objektīvu sistēma ir smaga, un statīvs ir noliekts par 90 grādiem no pozīcijas, kurai tā paredzēta. Man vajadzēja pielīmēt trijkāja pēdas, lai palīdzētu nodrošināt stabilitāti. Aizvars var arī pietiekami satricināt kameru, lai padarītu attēlus neskaidrus.