Asztali gigapixeles mikroszkóp: 10 lépés (képekkel)

2025 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2025-01-23 14:48

Az optikai mikroszkópokban alapvető kompromisszum van a látómező és a felbontás között: minél finomabb a részlet, annál kisebb a mikroszkóp által leképezett terület. Ennek a korlátozásnak az egyik módja a minta lefordítása és a képek nagyobb látómezőben történő megszerzése. Az alapötlet az, hogy sok nagy felbontású képet összeillesztünk egy nagy FOV -hoz. Ezeken a képeken mind a teljes mintát, mind a minta bármely részének finom részleteit láthatja. Az eredmény egy körülbelül egymilliárd képpontból álló kép, ami jóval nagyobb a dSLR vagy okostelefon által készített képekhez képest, amelyek jellemzően 10-50 millió képpontot tartalmaznak. Nézze meg ezeket a gigapixeles tájakat, hogy lenyűgözően bemutassa a képeken található hatalmas mennyiségű információt.

Ebben az oktatható anyagban áttekintem, hogyan lehet mikroszkópot készíteni, amely képes 90 mm x 60 mm-es látómező képalkotására, a mintán 2 μm-es pixelekkel (bár szerintem a felbontás valószínűleg közelebb van a 15 μm-hez). A rendszer kameralencséket használ, de ugyanez a koncepció alkalmazható mikroszkóp objektívek használatával is, hogy még finomabb felbontást érjünk el.

A mikroszkóppal szerzett gigapixeles képeket az EasyZoomra töltöttem fel:

A National Geographic magazin 1970 -es képe

Horgolt terítő, amit a feleségem készített

Vegyes elektronika

Egyéb források:

Optikai mikroszkóp oktatóanyagok:

Optikai felbontás:

A képvarráson kívül a számítástechnikai képalkotás közelmúltbeli fejlődése lehetővé teszi a gigapixeles mikroszkópiát a minta mozgatása nélkül is!

1. lépés: Ellátási lista

Anyagok:

1. Nikon dSLR (én a Nikon D5000 -t használtam)

2. 28 mm -es gyújtótávolságú objektív 52 mm -es menettel

3. 80 mm -es gyújtótávolságú objektív 58 mm -es menettel

4. 52–58 mm -es hátrameneti csatoló

5. Állvány

6. Hét 3 mm vastag rétegelt lemez

7. Arduino Nano

8. Két H-híd L9110

9. Két IR sugárzó

10. Két IR vevő

11. Nyomja meg a gombot

12. Két 2,2 kOhm -os ellenállás

13. Két 150 ohmos ellenállás

14. Egy 1 kOhm -os ellenállás

15. Távoli kiadás a Nikon fényképezőgéphez

16. Fekete plakát tábla

17. Hardver készlet:

18. Két léptetőmotor (én Nema 17 bipoláris lépcsős motort használtam, 3.5V 1A)

19. Két 2 mm -es ólomcsavar

20. Négy párnablokk

21. Két ólomcsavaros anya

22. Két csapágycsúszó persely és 200 mm -es lineáris tengely:

23. 5 V -os tápegység:

24. Dróttekercselő huzal

Eszközök:

1. Lézervágó

2. 3D nyomtató

3. imbuszkulcsok

4. Drótvágók

5. Dróttekercselő eszköz

2. lépés: A rendszer áttekintése

A minta lefordításához két léptetőmotor, amelyek merőleges irányba vannak igazítva, egy lépést mozgatnak x és y irányban. A motorokat két H-híd és egy Arduino vezérli. A léptetőmotor alján elhelyezett infravörös érzékelőt használjuk a fokozatok nullázására, hogy azok ne futjanak be a blokkok egyik végébe. A digitális mikroszkóp az XY színpad felett helyezkedik el.

Amint a minta pozícionálva van, és a színpad középre áll, nyomja meg a gombot a felvétel megkezdéséhez. A motorok a színpadot a bal alsó sarokba mozgatják, és a kamera aktiválódik. A motorok ezután kis lépésekben lefordítják a mintát, mivel a kamera minden helyzetben fényképet készít.

Az összes kép elkészítése után a képeket összevarrják, hogy gigapixeles képet kapjanak.

3. lépés: Mikroszkóp szerelése

Készítettem egy kis nagyítású mikroszkópot dSLR-el (Nikon 5000), egy Nikon 28 mm f/2,8 objektívvel és egy Nikon 28-80 mm-es zoom objektívvel. A zoom objektív gyújtótávolsága 80 mm volt. A két lencse szett mikroszkópcső és objektívlencseként működik. A teljes nagyítás a gyújtótávolságok aránya, körülbelül 3X. Ezeket a lencséket valóban nem erre a konfigurációra tervezték, így ahhoz, hogy a fény mikroszkópszerűen terjedjen, a két lencse közé egy rekesznyílást kell elhelyezni.

Először szerelje fel a hosszabb gyújtótávolságú objektívet a fényképezőgépre. Vágjon ki egy kört a fekete posztertáblából, amelynek átmérője nagyjából akkora, mint az objektív elülső felülete. Ezután vágjon egy kis kört a közepébe (én kb 3 mm átmérőt választottam). A kör mérete határozza meg a rendszerbe jutó fény mennyiségét, más néven numerikus apertúrát (NA). Az NA határozza meg a rendszer oldalsó felbontását a jól megtervezett mikroszkópokhoz. Akkor miért nem használ magas NA értéket ehhez a beállításhoz? Nos, két fő oka van. Először is, az NA növekedésével a rendszer optikai aberrációi egyre hangsúlyosabbá válnak, és korlátozzák a rendszer felbontását. Egy ilyen szokatlan beállítás esetén ez valószínűleg így lesz, így az NA növelése végül már nem segít a felbontás javításában. Másodszor, a mélységélesség az NA -tól is függ. Minél magasabb az NA, annál kisebb a mélységélesség. Ez megnehezíti a nem lapos tárgyak fókuszba állítását. Ha az NA túl magasra emelkedik, akkor csak a képalkotó mikroszkóp tárgylemezeire korlátozódik, amelyek vékony mintákat tartalmaznak.

A rekesznyílás ütközőjének elhelyezése a két lencse között nagyjából telecentrikusvá teszi a rendszert. Ez azt jelenti, hogy a rendszer nagyítása független a tárgy távolságától. Ez fontos lesz a képek összeillesztéséhez. Ha az objektum mélysége változó, akkor a két különböző pozícióból származó nézet eltolódik (például az emberi látás). A nem telecentrikus képalkotó rendszerből származó képek összefűzése kihívást jelent, különösen ilyen nagy nagyítás mellett.

Az 58–52 mm -es lencsefordító csatolóval rögzítse a 28 mm -es objektívet a 80 mm -es objektívhez úgy, hogy a nyílás középen legyen.

4. lépés: XY színpadi tervezés

A színpadot a Fusion 360 segítségével terveztem. Minden szkennelési irányhoz négy részt kell 3D -ben kinyomtatni: rögzítőelem, két csúszóegység -hosszabbító és egy ólomcsavar. Az XY színpad alapja és platformja 3 mm vastag rétegelt lemezből lézerrel vágott. Az alap az X-irányú motort és a csúszkákat, az X-platform az Y-irányú motort és a csúszkákat tartja, az Y-platform pedig a mintát. Az alap 3 lapból áll, a két platform pedig 2 lapból. A lézervágáshoz és a 3D nyomtatáshoz szükséges fájlok ebben a lépésben állnak rendelkezésre. Ezen alkatrészek kivágása és nyomtatása után készen áll a következő lépésekre.

5. lépés: Motorra szerelés

Dróttekercselő szerszám segítségével tekerje át a vezetéket két infravörös sugárzó és két infravörös vevő vezetékének körül. Színkódolja a vezetékeket, hogy tudhassa, melyik vége melyik. Ezután vágja le a vezetékeket a diódákról, így csak a huzalfóliás vezetékek futnak onnantól. Csúsztassa a vezetékeket a motortartó vezetőin, majd nyomja be a diódákat a helyükre. A vezetékek úgy vannak irányítva, hogy addig ne legyenek láthatók, amíg ki nem lépnek a készülék hátuljából. Ezek a vezetékek összekapcsolhatók a motorhuzalokkal. Most szerelje fel a léptetőmotort négy M3 csavar segítségével. Ismételje meg ezt a lépést a második motor esetében is.

6. lépés: Szerelés a színpadon

Ragassza össze az 1. és 2. alapvágásokat, az egyiket hatszögletű nyílásokkal az M3 anyákhoz. Miután a ragasztó megszáradt, kalapálja a helyére az M3 anyákat. Az anyák nem forognak, ha a táblába nyomják őket, így később be tudja csavarni a csavarokat. Most ragassza fel a harmadik alaplapot (3. alap), hogy ellepje az anyákat.

Most itt az ideje összeszerelni az ólom-anyatartót. Távolítson el minden extra szálat a tartóról, majd nyomja be a négy M3 anyát a helyére. Szorosan illeszkednek, ezért ügyeljen arra, hogy egy kis csavarhúzóval ürítse ki a csavarok és anyák helyét. Miután az anyák igazodtak, nyomja be az ólomanyát a tartóba, és rögzítse 4 M3 csavarral.

Csatlakoztassa a párna blokkokat, a csúszkacsavarokat és az X-irányú lineáris fordító motortartóját az alaphoz. Helyezze az ólomanyát a vezetőcsavarra, majd csúsztassa a helyére. A tengelykapcsolóval csatlakoztassa a motort a vezetőcsavarhoz. Helyezze a csúszóegységeket a rudakba, majd nyomja be a rudakat a csúszka tartóba. Végül csatlakoztassa a csúszkához rögzíthető hosszabbítókat M3 csavarokkal.

Az X1 és X2 rétegelt lemezeket hasonló módon ragasztják össze az alaphoz. Ugyanez az eljárás megismétlődik az Y-irányú lineáris fordító és a minta szakasz esetében.

7. lépés: Szkenner elektronika

Minden léptetőmotornak négy kábele van, amelyek egy H-híd modulhoz vannak csatlakoztatva. Az IR -adó és a vevő négy kábele a fenti ábra szerint az ellenállásokhoz van csatlakoztatva. A vevők kimenetei az A0 és A1 analóg bemenethez vannak csatlakoztatva. A két H-híd modul az Arduino Nano 4-11. Nyomógomb van csatlakoztatva a 2 -es tűhöz 1 kOhm -os ellenállással az egyszerű felhasználói bevitel érdekében.

Végül a dSLR kioldógombja egy távoli redőnyhöz van csatlakoztatva, ahogyan a CT -szkenner esetében is (lásd a 7. lépést). Vágja el a távoli redőny kábelét. A vezetékek a következő címkével vannak ellátva:

Sárga - fókusz

Piros - redőny

Fehér - őrölt

A lövés fókuszálásához a sárga vezetéket a földhöz kell csatlakoztatni. A fénykép elkészítéséhez mind a sárga, mind a piros vezetéket a földhöz kell csatlakoztatni. Csatlakoztattam egy diódát és a piros kábelt a 12-es tűhöz, majd egy másik diódát és a sárga kábelt a 13-as tűhöz. A beállítás a DIY Hacks és a How-Tos utasításokban leírtak szerint történik.

8. lépés: Gigapixeles képek beszerzése

Mellékelve a gigapixeles mikroszkóp kódja. A Stepper könyvtárat használtam a motorok H-híddal történő vezérléséhez. A kód elején meg kell adnia a mikroszkóp látóterét és az egyes irányokban rögzíteni kívánt képek számát.

Például az általam készített mikroszkóp látómezeje körülbelül 8,2 mm x 5,5 mm volt. Ezért arra irányítottam a motorokat, hogy x-irányban 8 mm-t, y-irányban 5 mm-t toljanak el. Mindegyik irányba 11 kép készül, összesen 121 kép a teljes gigapixeles képhez (erről bővebben a 11. lépésben). A kód ezután kiszámítja, hogy a motoroknak hány lépést kell megtenniük ahhoz, hogy lefordítsák ezt a mennyiséget.

Honnan tudják a szakaszok, hogy hol vannak a motorhoz képest? Hogyan fordíthatók le a színpadok anélkül, hogy bármelyik végét megütnék? A beállítási kódba írtam egy függvényt, amely minden irányban mozgatja a színpadot, amíg meg nem szakítja az utat az infravörös sugárzó és az infravörös vevő között. Amikor az infravörös vevőn a jel valamilyen küszöb alá esik, a motor leáll. A kód ezután követi a színpad helyzetét ehhez az alaphelyzethez képest. A kód úgy van írva, hogy a motor ne fordítson túl messzire, ami miatt a színpad a vezetőcsavar másik végébe futna.

Miután a színpadot minden irányban kalibrálták, a színpad középre kerül. Állvány segítségével a dSLR mikroszkópot a színpad fölé helyeztem. Fontos, hogy a kameramezőt illessze a minta színpadon lévő keresztezett vonalakhoz. Miután a színpad igazodott a kamerához, leragasztottam a színpadot néhány festő szalaggal, majd elhelyeztem a mintát a színpadon. A fókuszt az állvány z irányával állították be. A felhasználó ezután megnyomja a nyomógombot a beszerzés megkezdéséhez. A színpad a bal alsó sarokba kerül, és a kamera aktiválódik. A színpad ezután letapogatja a mintát, míg a kamera minden helyzetben fényképet készít.

Szintén mellékelt néhány kódot a motorok és az infravörös érzékelők hibaelhárításához.

9. lépés: Képek varrása

Az összes kép birtokában most azzal a kihívással kell szembenéznie, hogy összefűzi őket. A képvarrások kezelésének egyik módja az összes kép manuális igazítása egy grafikus programban (az Autodesk Graphic -ját használtam). Ez mindenképpen működni fog, de fájdalmas folyamat lehet, és a képek széle észrevehető a gigapixeles képeken.

Egy másik lehetőség a képfeldolgozási technikák használata a képek automatikus összeillesztéséhez. Az ötlet az, hogy hasonló funkciókat találjon a szomszédos képek átfedő részében, majd fordítási transzformációt alkalmazzon a képre, hogy a képek egymáshoz igazodjanak. Végül az élek összekeverhetők úgy, hogy az átfedő részt lineáris súlyfaktorral megszorozzák és összeadják. Ez ijesztő algoritmus lehet, ha írni szeretne, ha még nem ismeri a képfeldolgozást. Egy ideig dolgoztam a problémán, de nem tudtam teljesen megbízható eredményt elérni. Az algoritmus leginkább olyan mintákkal küszködött, amelyeknek nagyon hasonló tulajdonságaik voltak, mint például a magazin képének pontjai. Mellékelve van a Matlabban írt kód, de némi munkát igényel.

Az utolsó lehetőség a gigapixeles fényképezési varrási programok használata. Nincs mit javasolnom, de tudom, hogy vannak.

10. lépés: Mikroszkóp teljesítmény

Ha lemaradt volna, itt vannak az eredmények: magazin kép, horgolt abrosz és egyéb elektronika.

A rendszer specifikációit a fenti táblázat tartalmazza. Kipróbáltam a képalkotást 28 mm -es és 50 mm -es gyújtótávolságú objektívvel is. Megbecsültem a rendszer lehető legjobb felbontását a diffrakciós határ alapján (kb. 6μm). Valójában nehéz ezt kísérletileg tesztelni nagy felbontású cél nélkül. Próbáltam kinyomtatni egy vektor fájlt, amely ezen a nagy formátumú fotózási fórumon szerepel, de a nyomtató felbontása korlátozott. Ezzel a nyomtatással a legjobban megállapíthattam, hogy a rendszer felbontása <40μm. A mintákon apró, elszigetelt vonásokat is kerestem. A folyóiratból származó nyomtatás legkisebb jellemzője a tintafolt, amelyet szintén körülbelül 40μm -nek becsültem, így nem tudtam használni a felbontás jobb becsléséhez. Az elektronikában apró darabok voltak, amelyek elég jól elkülönültek. Mivel ismertem a látómezőt, meg tudtam számolni, hogy hány pixel foglalja el a kis osztást, hogy megkapjuk a felbontás becslését, körülbelül 10-15μm.

Összességében elégedett voltam a rendszer teljesítményével, de van néhány megjegyzésem arra az esetre, ha szeretné kipróbálni ezt a projektet.

A színpad stabilitása: Először is, szerezzen kiváló minőségű lineáris színpadkomponenseket. Az általam használt alkatrészek sokkal jobban játszottak, mint gondoltam. Minden készlethez csak a készletben található egyik csúszkát használtam, így talán a színpad nem volt túl stabil. A színpad számomra elég jól működött, de ez nagyobb problémát jelentene a nagyobb nagyítási rendszereknél.

Optika a nagyobb felbontáshoz: Ugyanez az ötlet használható a nagyobb nagyítású mikroszkópokhoz is. Mindazonáltal kisebb motorokra, finomabb lépcsőméretre lesz szükség. Például egy 20x-os nagyítás ezzel a dSLR-rel 1 mm-es látómezőt eredményezne (ha a mikroszkóp képes olyan nagy méretű rendszert leképezni vignettálás nélkül). Az Electronupdate léptetőmotorokat használt CD -lejátszóból, szép felépítésben a nagyobb nagyítású mikroszkóphoz. Egy másik kompromisszum a sekély mélységélesség lesz, ami azt jelenti, hogy a képalkotás vékony mintákra korlátozódik, és finomabb transzlációs mechanizmusra lesz szüksége z irányban.

Az állvány stabilitása: Ez a rendszer jobban működne egy stabilabb kameratartóval. Az objektívrendszer nehéz, és az állvány 90 ° -kal meg van döntve attól a helytől, amelyre tervezték. A stabilitás érdekében le kellett ragasztanom az állvány lábát. A redőny a kamerát is annyira megrázhatja, hogy elmossa a képeket.