Desktop Gigapixel Microscope: 10 Steps (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

I optiske mikroskoper er det en grunnleggende avveining mellom synsfelt og oppløsning: jo finere detalj, jo mindre er området avbildet av mikroskopet. En måte å overvinne denne begrensningen på er å oversette prøven og skaffe bilder over et større synsfelt. Den grunnleggende ideen er å sy sammen mange høyoppløselige bilder for å danne en stor FOV. I disse bildene får du se både hele prøven, samt fine detaljer i en hvilken som helst del av prøven. Resultatet er et bilde som består av omtrent en milliard piksler, mye større i forhold til bildene tatt av en dSLR eller smarttelefon, som vanligvis har rundt 10 til 50 millioner piksler. Ta en titt på disse gigapikslelandskapene for en imponerende demonstrasjon av den enorme mengden informasjon i disse bildene.

I denne instruksen vil jeg gå over hvordan du bygger et mikroskop som er i stand til å avbilde et 90 mm x 60 mm synsfelt med piksler som tilsvarer 2 μm ved prøven (selv om jeg tror oppløsningen sannsynligvis er nærmere 15 μm). Systemet bruker kameralinser, men det samme konseptet kan brukes med mikroskopmål for å få enda finere oppløsning.

Jeg lastet opp gigapikselbildene jeg kjøpte med mikroskopet på EasyZoom:

1970 National Geographic magazine image

Heklet duk laget min kone

Diverse elektronikk

Andre ressurser:

Opplæringsprogrammer for optisk mikroskopi:

Optisk oppløsning:

I tillegg til bildesøm, gjør siste fremgang i beregningsbildet gigapiksel mikroskopi mulig uten å flytte prøven!

Trinn 1: Forsyningsliste

Materialer:

1. Nikon dSLR (jeg brukte min Nikon D5000)

2. 28 mm brennviddeobjektiv med 52 mm gjenging

3. 80 mm brennviddeobjektiv med 58 mm gjenging

4. 52 mm til 58 mm revers kobler

5. Stativ

6. Sju ark med 3 mm tykk kryssfiner

7. Arduino Nano

8. To H-bro L9110

9. To IR -sendere

10. To IR -mottakere

11. Trykknapp

12. To 2,2 kOhm motstander

13. To 150Ohm motstander

14. En 1 kOhm motstand

15. Fjernutløser for Nikon kamera

16. Svart plakatbrett

17. Maskinvaresett:

18. To trinnmotorer (jeg brukte Nema 17 Bipolar trinnmotor 3.5V 1A)

19. To 2 mm blyskruer

20. Fire puteblokker

21. To skruemuttere

22. To lager glidebussing og 200 mm lineære aksler:

23. 5V strømforsyning:

24. Wire wrap wire

Verktøy:

1. Laserskjærer

2. 3D -skriver

3. Unbrakonøkler

4. Wire cutters

5. Wire wrap -verktøy

Trinn 2: Systemoversikt

For å oversette prøven beveger to trinnmotorer justert i ortogonale retninger et trinn i x- og y -retningen. Motorene styres ved hjelp av to H-broer og en Arduino. En IR -sensor plassert ved foten av trinnmotoren brukes til å nullstille trinnene slik at de ikke kommer inn i hver ende av blokkene. Et digitalt mikroskop er plassert over XY -stadiet.

Når prøven er plassert og scenen er sentrert, trykker du på en knapp for å starte oppkjøpet. Motorene flytter scenen til nedre venstre hjørne og kameraet utløses. Motorene oversetter deretter prøven i små trinn, ettersom kameraet tar et bilde i hver posisjon.

Etter at alle bildene er tatt, sys bildene deretter sammen for å danne et gigapikselbilde.

Trinn 3: Mikroskopmontering

Jeg laget et mikroskop med lav forstørrelse med et dSLR (Nikon 5000), et Nikon 28mm f/2.8-objektiv og et Nikon 28-80mm zoomobjektiv. Zoomobjektivet ble innstilt for brennvidde lik 80 mm. Settet med de to linsene fungerer som et mikroskoprørobjektiv og objektiv. Den totale forstørrelsen er forholdet mellom brennvidden, rundt 3X. Disse linsene er virkelig ikke designet for denne konfigurasjonen, så for at lyset skal spre seg som et mikroskop, må du plassere et blenderåpning mellom de to linsene.

Monter først objektivet med lengre brennvidde på kameraet. Klipp en sirkel ut av svart plakatbrett som har en diameter omtrent på størrelse med linsens forside. Skjær deretter en liten sirkel i midten (jeg valgte omtrent 3 mm diameter). Sirkelens størrelse vil bestemme mengden lys som kommer inn i systemet, også kalt den numeriske blenderåpningen (NA). NA bestemmer sideoppløsningen til systemet for godt utformede mikroskoper. Så hvorfor ikke bruke en høy NA for dette oppsettet? Vel, det er to hovedårsaker. For det første, etter hvert som NA øker, blir de optiske avvikene til systemet mer fremtredende og vil begrense systemets oppløsning. I et ukonvensjonelt oppsett som dette vil dette sannsynligvis være tilfelle, så å øke NA til slutt vil ikke lenger bidra til å forbedre oppløsningen. For det andre avhenger dybdeskarpheten også av NA. Jo høyere NA, jo grunnere dybdeskarphet. Dette gjør det vanskelig å få objekter som ikke er flate i fokus. Hvis NA blir for høyt, vil du være begrenset til bildemikroskopglas, som har tynne prøver.

Plasseringen av blenderåpningen mellom de to linsene gjør systemet omtrent telesentrisk. Det betyr at forstørrelsen av systemet er uavhengig av objektavstanden. Dette blir viktig for å sy sammen bilder. Hvis objektet har varierende dybde, vil utsikten fra to forskjellige posisjoner ha skiftet perspektiv (som menneskesyn). Å sette sammen bilder som ikke er fra et telesentrisk bildesystem er utfordrende, spesielt med så høy forstørrelse.

Bruk omvendt kobling på 58 mm til 52 mm for å feste 28 mm -objektivet til 80 mm -objektivet med blenderåpningen plassert i midten.

Trinn 4: XY Stage Design

Jeg designet scenen ved hjelp av Fusion 360. For hver skanneretning er det fire deler som må skrives ut i 3D: montering, to glideforlengere og en skrueskrue. Basen og plattformene på XY -scenen er laserskåret av 3 mm tykk kryssfiner. Basen holder X-retningsmotoren og glidebryterne, X-plattformen holder Y-retningsmotoren og glidebryterne, og Y-plattformen holder prøven. Basen består av 3 ark og de to plattformene består av 2 ark. Filene for laserskjæring og 3D -utskrift er gitt i dette trinnet. Etter å ha klippet og skrevet ut disse delene er du klar for de neste trinnene.

Trinn 5: Motorfeste

Bruk et wire-wrap-verktøy til å vikle ledningen rundt ledningene til to IR-sendere og to IR-mottakere. Fargekode ledningene slik at du vet hvilken ende som er hvilken. Kutt deretter ledningene av dioder, så bare wirewirene går fra da. Skyv ledningene gjennom føringene i motorfeste og skyv deretter dioder på plass. Ledningene er rettet slik at de ikke er synlige før de forlater baksiden av enheten. Disse ledningene kan settes sammen med motortrådene. Monter nå trinnmotoren med fire M3 -bolter. Gjenta dette trinnet for den andre motoren.

Trinn 6: Scenemontering

Lim sammen kuttene Base 1 og Base 2, en av dem med sekskantede åpninger for M3 -mutrene. Når limet har tørket, hamrer du M3 -mutrene på plass. Mutrene roterer ikke når de presses inn i brettet, så du kan skru inn boltene senere. Lim nå det tredje bunnarket (sokkel 3) for å dekke mutrene.

Nå er det på tide å montere blymutterfeste. Fjern eventuelt ekstra filament fra festet og skyv deretter fire M3 -muttere på plass. De har en tettsittende passform, så sørg for at du fjerner bolten og mutteren med en liten skrutrekker. Når mutrene er justert, skyver du mutteren inn i festet og fester den med 4 M3 bolter.

Fest puteblokkene, glidebryterfester og motorfeste for lineær oversetter i X-retning på basen. Sett ledermutterenheten på ledningsskruen og skyv deretter skruen på plass. Bruk koblingen for å koble motoren til ledningsskruen. Plasser skyveenhetene i stengene og skyv deretter stengene inn i glidebryterne. Fest til slutt glidebryterforlengerne med M3 -bolter.

X1- og X2 -kryssfinerplatene limes sammen på lignende måte som basen. Den samme prosedyren gjentas for lineær translator i Y-retningen og prøvetrinnet.

Trinn 7: Skannerelektronikk

Hver trinnmotor har fire kabler som er koblet til en H-bromodul. De fire kablene fra IR -senderen og mottakeren er koblet til motstandene i henhold til diagrammet ovenfor. Mottakernes utganger er koblet til analog inngang A0 og A1. De to H-bridge-modulene er koblet til pin 4-11 på Arduino Nano. En trykknapp er koblet til pinne 2 med en 1 kOhm motstand for enkel brukerinngang.

Til slutt er utløserknappen for dSLR koblet til en ekstern lukker, slik jeg gjorde for min CT -skanner (se trinn 7). Kutt den eksterne lukkerkabelen. Ledningene er merket som følger:

Gul - fokus

Rød lukker

Hvit - malt

For å fokusere bildet må den gule ledningen kobles til bakken. For å ta et bilde må både den gule og den røde ledningen være koblet til bakken. Jeg koblet en diode og den røde kabelen til pin 12, og deretter koblet jeg en annen diode og den gule kabelen til pin 13. Oppsettet er som beskrevet i DIY Hacks og How-Tos instruerbare.

Trinn 8: Anskaffelse av Gigapixel -bilder

Vedlagt er koden for gigapiksel mikroskop. Jeg brukte Stepper-biblioteket til å kontrollere motorene med H-broen. I begynnelsen av koden må du spesifisere synsfeltet til mikroskopet og antall bilder du vil skaffe i hver retning.

For eksempel hadde mikroskopet jeg laget et synsfelt på omtrent 8,2 mm x 5,5 mm. Derfor beordret jeg motorene til å skifte 8 mm i x-retningen og 5 mm i y-retningen. 11 bilder er anskaffet i hver retning, totalt 121 bilder for hele gigapikselbildet (mer informasjon om dette i trinn 11). Koden beregner deretter antall trinn motorene må gjøre for å oversette scenen med denne mengden.

Hvordan vet trinnene hvor de er i forhold til motoren? Hvordan oversettes stadiene uten å slå noen av endene? I oppsettskoden skrev jeg en funksjon som beveger scenen i hver retning til den bryter banen mellom IR -senderen og IR -mottakeren. Når signalet på IR -mottakeren faller under noen terskel, stopper motoren. Koden sporer deretter posisjonen til scenen i forhold til denne hjemmeposisjonen. Koden er skrevet slik at motoren ikke oversetter for langt, noe som vil få scenen til å løpe inn i den andre enden av ledeskruen.

Når scenen er kalibrert i hver retning, blir scenen oversatt til midten. Ved hjelp av et stativ plasserte jeg dSLR -mikroskopet mitt over scenen. Det er viktig å justere kamerafeltet med de kryssede linjene på prøvetrinnet. Når scenen er justert med kameraet, tapet jeg ned scenen med litt malertape og la deretter prøven på scenen. Fokuset ble justert med stativets z-retning. Brukeren trykker deretter på trykknappen for å starte oppkjøpet. Scenen oversettes til nedre venstre hjørne og kameraet utløses. Scenen skanner deretter prøven, mens kameraet tar et bilde i hver posisjon.

Det følger også med en kode for feilsøking av motorer og IR -sensorer.

Trinn 9: Sy sammen bilder

Med alle bildene du har fått, står du nå overfor utfordringen med å sy dem sammen. En måte å håndtere bildesøm er ved å justere alle bildene manuelt i et grafisk program (jeg brukte Autodesk's Graphic). Dette vil definitivt fungere, men det kan være en smertefull prosess og kantene på bildene er merkbare i gigapikselbildene.

Et annet alternativ er å bruke bildebehandlingsteknikker for å sy bildene sammen automatisk. Tanken er å finne lignende funksjoner i den overlappende delen av tilstøtende bilder og deretter bruke en oversettelsestransform på bildet slik at bildene er justert med hverandre. Til slutt kan kantene blandes sammen ved å multiplisere den overlappende delen med en lineær vektfaktor og legge dem sammen. Dette kan være en skremmende algoritme å skrive hvis du er ny innen bildebehandling. Jeg jobbet en stund med problemet, men jeg kunne ikke få et fullt pålitelig resultat. Algoritmen slet mest med prøver som hadde veldig like funksjoner gjennomgående, for eksempel prikkene i magasinbildet. Vedlagt er koden jeg skrev i Matlab, men den trenger litt arbeid.

Det siste alternativet er å bruke programmer for fotografering av gigapiksler. Jeg har ikke noe å foreslå, men jeg vet at de er der ute.

Trinn 10: Mikroskopytelse

I tilfelle du savnet det, her er resultatene: magasinbilde, heklet duk og diverse elektronikk.

Spesifikasjonene til systemet er oppført i tabellen ovenfor. Jeg prøvde å fotografere med både et 28 mm og 50 mm brennviddeobjektiv. Jeg estimerte den best mulige oppløsningen av systemet basert på diffraksjonsgrensen (rundt 6μm). Det er faktisk vanskelig å teste dette eksperimentelt uten et mål med høy oppløsning. Jeg prøvde å skrive ut en vektorfil som er oppført på dette fotograferingsforumet i stort format, men jeg var begrenset av skriveroppløsningen. Det beste jeg kunne fastslå med denne utskriften var at systemet hadde en oppløsning <40μm. Jeg så også etter små, isolerte trekk på prøvene. Den minste funksjonen i trykket fra magasinet er blekkflekken, som jeg også anslår å være omtrent 40μm, så jeg kunne ikke bruke den til å få et bedre estimat for oppløsningen. Det var små divoter i elektronikken som var ganske godt isolert. Fordi jeg kjente synsfeltet, kunne jeg telle antall piksler som tok opp den lille divoten for å få et estimat av oppløsningen, ca 10-15μm.

Totalt sett var jeg fornøyd med systemets ytelse, men jeg har noen notater hvis du vil prøve dette prosjektet.

Stabilitet på scenen: Først får du lineære scenekomponenter av høy kvalitet. Komponentene jeg brukte hadde mye mer spill enn jeg trodde de ville. Jeg brukte bare en av glidebryterne i settet for hver stang, så det var kanskje derfor scenen ikke føltes veldig stabil. Etappen fungerte bra nok for meg, men dette ville bli et mer problem for systemer med større forstørrelse.

Optikk for høyere oppløsning: Den samme ideen kan brukes til mikroskop med større forstørrelse. Imidlertid vil mindre motorer med finere trinnstørrelse være nødvendig. For eksempel vil en 20X forstørrelse med denne dSLR resultere i et synsfelt på 1 mm (hvis mikroskopet kan ta et så stort system uten vignettering). Electronupdate brukte trinnmotorer fra en CD -spiller i en fin konstruksjon for et større forstørrelsesmikroskop. En annen avveining vil være grunne dybdeskarphet, noe som betyr at avbildningen vil være begrenset til tynne prøver, og du trenger finere oversettelsesmekanisme i z-retningen.

Stativets stabilitet: Dette systemet ville fungere bedre med et mer stabilt kamerafeste. Linsesystemet er tungt og stativet er vippet 90 grader fra posisjonen det er designet for. Jeg måtte tape ned føttene på stativet for å hjelpe med stabiliteten. Lukkeren kan også riste kameraet nok til å gjøre bildene uskarpe.