Masaüstü Gigapiksel Mikroskopu: 10 addım (şəkillərlə birlikdə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:46

Optik mikroskoplarda, görmə sahəsi ilə qətnamə arasında əsas bir fərq var: detal nə qədər incə olsa, mikroskopun görüntülədiyi bölgə o qədər kiçik olar. Bu məhdudiyyəti aradan qaldırmağın bir yolu nümunəni tərcümə etmək və daha geniş bir baxış sahəsi üzərində şəkillər əldə etməkdir. Əsas fikir, böyük bir FOV yaratmaq üçün bir çox yüksək qətnamə şəkli bir araya gətirməkdir. Bu görüntülərdə, nümunənin hər hansı bir hissəsində həm tam nümunəni, həm də incə detalları görə bilərsiniz. Nəticə, təxminən 10-50 milyon pikseli olan bir dSLR və ya ağıllı telefonun çəkdiyi şəkillərlə müqayisədə daha böyük bir milyard pikseldən ibarət bir görüntüdür. Bu şəkillərdəki kütləvi məlumatların təsirli bir nümayişi üçün bu gigapikselli mənzərələrə baxın.

Bu təlimatda, nümunədə 2μm-ə uyğun olan pikselləri olan 90mm x 60mm görüntü sahəsini görüntüləyə bilən bir mikroskopun necə qurulacağına toxunacağam (baxmayaraq ki, düşünürəm ki, qətnamə 15μm-ə yaxındır). Sistem kamera linzalarından istifadə edir, lakin eyni konsepsiyanı daha da dəqiq həll etmək üçün mikroskop məqsədlərindən istifadə etməklə tətbiq etmək olar.

EasyZoom -da mikroskopla əldə etdiyim gigapiksel şəkilləri yüklədim:

1970 National Geographic jurnalının görüntüsü

Həyat yoldaşımın hazırladığı süfrə örtüyü

Müxtəlif elektronika

Digər mənbələr:

Optik mikroskopiya dərsləri:

Optik həll:

Şəkil tikişinə əlavə olaraq, hesablama görüntüsündəki son irəliləyiş, nümunəni belə hərəkət etdirmədən gigapikselli mikroskopiyanı mümkün edir!

Addım 1: Təchizat siyahısı

Materiallar:

1. Nikon dSLR (Nikon D5000 -dən istifadə etdim)

2. 52 mm yivli 28 mm fokus uzunluğunda lens

3. 58 mm yivli 80 mm fokus uzunluğunda lens

4. 52 mm -dən 58 mm -ə qədər tərs bağlayıcı

5. Tripod

6. 3 mm qalınlığında kontrplakdan yeddi təbəqə

7. Arduino Nano

8. İki H körpüsü L9110

9. İki IR yayıcısı

10. İki IR qəbuledicisi

11. Düyməni basın

12. İki 2.2kOhm rezistor

13. İki 150 Ohm rezistor

14. Bir 1kOhm rezistor

15. Nikon kamera üçün uzaqdan buraxılış

16. Qara plakat lövhəsi

17. Avadanlıq dəsti:

18. İki pilləli mühərrik (Nema 17 Bipolyar pilləli mühərrik 3.5V 1A istifadə etdim)

19. İki ədəd 2 mm -lik aparıcı vintlər

20. Dörd yastıq bloku

21. İki qurğuşun vintli somun

22. İki rulman sürüşmə burcu və 200 mm xətti şaftlar:

23. 5V enerji təchizatı:

24. Tel sarma teli

Alətlər:

1. Lazer kəsici

2. 3D printer

3. Allen açarları

4. Tel kəsicilər

5. Tel sarma vasitəsi

Addım 2: Sistemə Baxış

Nümunəni tərcümə etmək üçün ortogonal istiqamətlərə uyğunlaşdırılmış iki pilləli mühərrik bir mərhələni x və y istiqamətində hərəkət etdirir. Mühərriklər iki H-körpüsü və Arduino ilə idarə olunur. Addım motorunun bazasında yerləşən bir IR sensoru, mərhələləri sıfırlamaq üçün istifadə olunur, buna görə də blokların hər iki ucuna girmirlər. Rəqəmsal mikroskop XY mərhələsinin üstündə yerləşir.

Nümunə yerləşdirildikdən və mərhələ mərkəzləşdirildikdən sonra əldə etməyə başlamaq üçün bir düyməyə basırsınız. Mühərriklər səhnəni sol alt küncə keçirir və kamera işə düşür. Daha sonra motorlar nümunəni kiçik addımlarla tərcümə edir, çünki kamera hər mövqedə bir şəkil çəkir.

Bütün şəkillər çəkildikdən sonra şəkillər bir -birinə yapışdırılaraq gigapikselli bir şəkil meydana gətirər.

Addım 3: Mikroskop Quraşdırma

DSLR (Nikon 5000), Nikon 28mm f/2.8 lens və Nikon 28-80mm zoom lensi ilə aşağı böyüdücü mikroskop hazırladım. Zoom lensi 80 mm -ə bərabər olan fokus uzunluğuna uyğunlaşdırılmışdır. İki linzanın dəsti bir mikroskop borusu və obyektiv lens kimi hərəkət edir. Ümumi böyütmə fokus uzunluqlarının nisbətidir, təxminən 3X. Bu linzalar həqiqətən bu konfiqurasiya üçün nəzərdə tutulmamışdır, buna görə də işığın mikroskop kimi yayılmasını təmin etmək üçün iki lens arasında bir diyafram dayanacağı yerləşdirməlisiniz.

Birincisi, daha uzun fokus lensini kameraya bağlayın. Lensin ön səthinin diametri təxminən qara afişa lövhəsindən bir dairə kəsin. Sonra ortada kiçik bir dairə kəsin (təxminən 3 mm diametr seçdim). Dairənin ölçüsü, sayısal diyafram (NA) olaraq da adlandırılan sistemə daxil olan işığın miqdarını təyin edəcək. NA yaxşı dizayn edilmiş mikroskoplar üçün sistemin yanal həllini təyin edir. Bəs niyə bu quruluş üçün yüksək bir NA istifadə etməyəsiniz? Yaxşı, iki əsas səbəb var. Birincisi, NA artdıqca sistemin optik sapmaları daha qabarıq görünür və sistemin həllini məhdudlaşdırır. Bu kimi qeyri -ənənəvi bir quruluşda, ehtimal ki, belə olacaq, buna görə də NA -nın artırılması nəticədə artıq qətnamənin yaxşılaşdırılmasına kömək etməyəcəkdir. İkincisi, sahənin dərinliyi də NA -dan asılıdır. NA nə qədər yüksəkdirsə, sahənin dərinliyi o qədər sığdır. Bu, hamısı düz olmayan obyektlərin diqqət mərkəzinə alınmasını çətinləşdirir. NA çox yüksək olarsa, incə nümunələri olan mikroskop slaydlarını görüntüləməklə məhdudlaşacaqsınız.

Diyaframın iki lens arasında dayanması sistemi təxminən telesantrik edir. Yəni sistemin böyüdülməsi obyekt məsafəsindən asılı deyil. Bu, şəkilləri bir araya gətirmək üçün vacib olur. Əgər cisim müxtəlif dərinliklərə malikdirsə, o zaman iki fərqli mövqedən olan baxış perspektivi dəyişəcək (insan görmə qabiliyyəti kimi). Bir telesantrik görüntü sistemindən olmayan şəkilləri bir -birinə yapışdırmaq, xüsusilə də bu qədər böyük böyütmə ilə çətindir.

Diyaframı ortada yerləşdirilmiş 28 mm lensi 80 mm lensə bağlamaq üçün 58 mm -dən 52 mm -ə qədər əks bağlayıcıdan istifadə edin.

Addım 4: XY Mərhələ Dizaynı

Səhnəni Fusion 360 -dan istifadə edərək hazırladım. Hər bir tarama istiqaməti üçün 3 ölçülü çap edilməli olan dörd hissə var: dayaq montajı, iki sürüşmə qurğusu genişləndiricisi və bir vida montajı. XY mərhələsinin bazası və platformaları 3 mm qalınlığında kontrplakdan lazerlə kəsilmişdir. Baza X istiqamətli motoru və sürgüləri, X platforması Y istiqamətli motoru və sürgüləri, Y platformu isə nümunəni saxlayır. Baza 3 təbəqədən, iki platforma isə 2 təbəqədən ibarətdir. Lazer kəsmə və 3D çap üçün sənədlər bu addımda verilir. Bu hissələri kəsib çap etdikdən sonra növbəti addımlara hazırsınız.

Addım 5: Motorun Montajı

Tel sarma aləti istifadə edərək, teli iki İQ yayıcısı və iki IR qəbuledicisinin uclarına sarın. Hansı ucun olduğunu bilmək üçün telləri rəngləyin. Sonra diodların uclarını kəsin, buna görə yalnız tel sarma telləri o vaxtdan etibarən işləyir. Telləri mühərrikdəki təlimatlardan keçirin və sonra diodları yerinə itələyin. Tellər yönəldilmişdir ki, cihazın arxasından çıxana qədər görünməsinlər. Bu tellər motor telləri ilə birləşdirilə bilər. İndi dörd M3 bolt istifadə edərək step motorunu bağlayın. İkinci motor üçün bu addımı təkrarlayın.

Addım 6: Səhnə Quraşdırması

Base 1 və Base 2 kəsiklərini yapışdırın, onlardan biri M3 qoz -fındıq üçün altıbucaqlı açılır. Yapışqan quruduqdan sonra, M3 qoz -fındıqlarını yerə çəkin. Lövhəyə basıldıqda qoz -fındıq dönməz, buna görə də boltları daha sonra vidalayacaqsınız. İndi qoz -fındıq örtmək üçün üçüncü əsas təbəqəni (Baza 3) yapışdırın.

İndi qurğuşun qoz-fındıq montajını yığmağın vaxtıdır. Montajdan əlavə filament çıxarın və sonra dörd M3 qozunu yerinə itələyin. Sıx bir oturuşa malikdirlər, buna görə də kiçik bir tornavida ilə bolt və qoz boşluğunu boşaltdığınızdan əmin olun. Qoz-fındıq hizalandıqdan sonra, qoz-fındıqı yuvaya itələyin və 4 M3 boltla bərkidin.

X yönlü xətti tərcüməçi üçün yastıq bloklarını, sürgü bağlayıcılarını və motor montajını bazaya yapışdırın. Qurğuşun qoz -fındıq qurğusunu aparat vintinin üzərinə qoyun və sonra vintini yerinə itələyin. Motoru aparat vintinə bağlamaq üçün bağlayıcıdan istifadə edin. Sürgü vahidlərini çubuqlara yerləşdirin və sonra çubuqları sürüşmə yuvalarına itələyin. Nəhayət, sürgülü montaj genişləndiricilərini M3 boltlarla bağlayın.

X1 və X2 kontrplak təbəqələri bazaya bənzər şəkildə yapışdırılır. Eyni prosedur Y istiqamətli xətti tərcüməçi və nümunə mərhələsi üçün təkrarlanır.

Addım 7: Scanner Electronics

Hər bir pilləli mühərrikdə H-körpü moduluna qoşulmuş dörd kabel var. İQ yayıcıdan və alıcıdan gələn dörd kabel yuxarıdakı sxemə görə rezistorlara qoşulur. Alıcıların çıxışları analog giriş A0 və A1 -ə bağlıdır. İki H-körpü modulu Arduino Nano'nun 4-11 pininə bağlıdır. Sadə istifadəçi girişi üçün 1kOhm rezistorlu pin 2 -yə bir düymə bağlanır.

Nəhayət, dSLR üçün tetikleyici düymə, CT skanerim üçün etdiyim kimi, uzaq bir deklanşöre bağlıdır (bax addım 7). Uzaqdan çekim kabelini kəsin. Tellər aşağıdakı kimi etiketlənir:

Sarı - diqqət

Qırmızı - deklanşör

Ağ - torpaq

Atışa diqqət yetirmək üçün sarı tel yerə bağlanmalıdır. Fotoşəkil çəkmək üçün həm sarı, həm də qırmızı tel yerə bağlanmalıdır. 12-ci pinlə bir diod və qırmızı kabel bağladım, sonra başqa bir diod və sarı kabeli 13-cü pinlə bağladım. Quraşdırma DIY Hacks və How-Tos təlimatında göstərildiyi kimidir.

Addım 8: Gigapixel Şəkillər əldə edin

Gigapixel mikroskopunun kodu əlavə olunur. H körpüsü ilə mühərrikləri idarə etmək üçün Stepper kitabxanasından istifadə etdim. Kodun əvvəlində mikroskopun görüntü sahəsini və hər istiqamətdə əldə etmək istədiyiniz şəkillərin sayını göstərməlisiniz.

Məsələn, hazırladığım mikroskop təxminən 8.2mm x 5.5mm bir görüş sahəsinə sahib idi. Buna görə mühərrikləri x istiqamətində 8 mm, y istiqamətində 5 mm sürüşməyə yönəltdim. Hər istiqamətdə 11 şəkil, tam gigapiksellik görüntü üçün 121 şəkil əldə edilir (bu barədə daha ətraflı 11 -ci addımda). Kod daha sonra mühərriklərin mərhələni bu məbləğə çevirmək üçün etməli olduqları addımların sayını hesablayır.

Mərhələlər motora nisbətən harada olduqlarını necə bilirlər? Mərhələlər heç bir sona çatmadan necə tərcümə olunur? Quraşdırma kodunda, IR yayıcısı ilə İQ alıcısı arasındakı yolu kəsənə qədər mərhələni hər istiqamətdə hərəkət etdirən bir funksiya yazdım. IR qəbuledicisindəki siqnal bəzi həddən aşağı düşəndə motor dayanır. Kod daha sonra səhnənin bu ev mövqeyinə nisbətən mövqeyini izləyir. Kod, mühərrikin çox uzağa getməməsi üçün yazılmışdır ki, bu da səhnəni qurğuşun vintinin digər ucuna aparacaqdır.

Səhnə hər istiqamətdə kalibrləndikdən sonra səhnə mərkəzə çevrilir. Bir tripod istifadə edərək dSLR mikroskopumu səhnənin üstünə qoydum. Nümunə mərhələsində kamera sahəsini kəsilmiş xətlərlə hizalamaq vacibdir. Səhnə kamera ilə uyğunlaşdırıldıqdan sonra səhnəni bir neçə rəssam lenti ilə bantladım və sonra nümunəni səhnəyə qoydum. Fokus tripod z-istiqaməti ilə düzəldildi. İstifadəçi daha sonra əldə etməyə başlamaq üçün düyməni basır. Səhnə sol alt küncə çevrilir və kamera işə düşür. Səhnə sonra raster nümunəni tarar, kamera hər mövqedə bir şəkil çəkdirir.

Ayrıca, mühərriklərdə və İQ sensorlarında problemlərin aradan qaldırılması üçün bəzi kodlar əlavə edilmişdir.

Addım 9: Şəkilləri tikin

Əldə edilən bütün görüntülərlə birlikdə, hamısını bir -birinə tikmək problemi ilə üzləşirsiniz. Şəkil tikişini idarə etməyin bir yolu, bütün şəkilləri bir qrafik proqramında əl ilə hizalamaqdır (Autodesk Qrafikindən istifadə etmişəm). Bu mütləq işləyəcək, ancaq ağrılı bir proses ola bilər və şəkillərin kənarları gigapikselli görüntülərdə nəzərə çarpır.

Başqa bir seçim, şəkilləri avtomatik olaraq bir -birinə bağlamaq üçün görüntü işləmə üsullarından istifadə etməkdir. Fikir, bitişik şəkillərin üst -üstə düşən hissəsində oxşar xüsusiyyətləri tapmaq və sonra şəkillərin bir -biri ilə hizalanması üçün görüntüyə tərcümə çevrilməsini tətbiq etməkdir. Nəhayət, kənarları üst -üstə düşən hissəni xətti bir çəki faktoru ilə vurub bir yerə əlavə edərək qarışdırmaq olar. Şəkil emalında yenisinizsə bu yazmaq üçün çətin bir alqoritm ola bilər. Bir müddət problem üzərində çalışdım, amma tam etibarlı nəticə əldə edə bilmədim. Alqoritm ən çox oxşar xüsusiyyətlərə malik olan nümunələrlə, məsələn jurnal şəklindəki nöqtələrlə mübarizə apardı. Matlab -da yazdığım kod əlavə olunur, amma bunun bir az işləməsi lazımdır.

Son seçim gigapixel fotoqrafiya tikiş proqramlarından istifadə etməkdir. Təklif edəcək bir şeyim yoxdur, amma orada olduqlarını bilirəm.

Addım 10: Mikroskop Performansı

Darıxdığınız təqdirdə, nəticələr budur: jurnal şəkli, toxunmuş süfrə və müxtəlif elektronika.

Sistemin texniki xüsusiyyətləri yuxarıdakı cədvəldə verilmişdir. Həm 28 mm, həm də 50 mm fokus uzunluğunda bir lens ilə görüntüləməyə çalışdım. Difraksiya limitinə (6μm ətrafında) əsaslanaraq sistemin mümkün olan ən yaxşı həllini təxmin etdim. Bunu yüksək qətnamə hədəfi olmadan sınamaq həqiqətən çətindir. Bu böyük formatlı fotoqrafiya forumunda sadalanan bir vektor faylını çap etməyə çalışdım, ancaq printerin qətnaməsi ilə məhdudlaşdım. Bu çapla müəyyən edə biləcəyim ən yaxşı şey, sistemin <40μm qətnaməyə malik olması idi. Nümunələr üzərində kiçik, təcrid olunmuş xüsusiyyətlər də axtardım. Jurnalın çapındakı ən kiçik xüsusiyyət, təxminən 40μm olduğunu təxmin etdiyim mürəkkəb ləkəsidir, buna görə qətnamə üçün daha yaxşı bir qiymətləndirmə əldə etmək üçün istifadə edə bilmədim. Elektronikada olduqca yaxşı təcrid olunmuş kiçik divotlar var idi. Görünüş sahəsini bildiyim üçün, təxminən 10-15μm olan bir qətnamə təxminini əldə etmək üçün kiçik divotu götürən piksellərin sayını saya bilərdim.

Ümumiyyətlə, sistemin performansından məmnun idim, amma bu layihəni sınamaq istəsəniz bir neçə qeydim var.

Səhnənin sabitliyi: Birincisi, yüksək keyfiyyətli xətti mərhələ komponentləri əldə edin. İstifadə etdiyim komponentlər düşündüyümdən daha çox oynadı. Hər bir çubuq üçün dəstdəki sürüşmə qurğularından yalnız birini istifadə etdim, buna görə də səhnə özünü çox sabit hiss etmədi. Səhnə mənim üçün kifayət qədər yaxşı çalışdı, amma bu daha yüksək böyütmə sistemləri üçün daha çox problem olacaqdı.

Daha yüksək qətnamə üçün optika: Eyni fikir daha yüksək böyüdücü mikroskoplar üçün də istifadə edilə bilər. Bununla birlikdə, daha yaxşı addım ölçüsü olan daha kiçik mühərriklər tələb olunacaq. Məsələn, bu dSLR ilə 20X böyütmə, 1 mm-lik bir görmə sahəsi ilə nəticələnərdi (əgər mikroskop o böyük sistemi vinyet etmədən görüntüləyə bilirsə). Electronupdate, daha yüksək böyüdücü bir mikroskop üçün gözəl bir quruluşda bir CD pleyerinin step motorlarını istifadə etdi. Başqa bir anlaşma, sahənin sığ dərinliyi olacaq, yəni görüntüləmə incə nümunələrlə məhdudlaşacaq və z-istiqamətində daha yaxşı tərcümə mexanizminə ehtiyacınız olacaq.

Tripodun dayanıqlığı: Bu sistem daha sabit bir kamera montajı ilə daha yaxşı işləyəcək. Lens sistemi ağırdır və tripod dizayn edildiyi yerdən 90 dərəcə əyilmiş vəziyyətdədir. Sabitliyə kömək etmək üçün tripodun ayaqlarını bantlamalı oldum. Deklanşör də kameranı görüntüləri bulandıracaq qədər sarsıda bilər.