Microscop Gigapixel desktop: 10 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

În microscopurile optice, există un compromis fundamental între câmpul vizual și rezoluție: cu cât detaliul este mai fin, cu atât este mai mică regiunea imaginată de microscop. O modalitate de a depăși această limitare este de a traduce eșantionul și de a obține imagini într-un câmp vizual mai mare. Ideea de bază este să îmbini multe imagini de înaltă rezoluție pentru a forma un FOV mare. În aceste imagini, puteți vedea atât eșantionul complet, cât și detalii fine în orice porțiune a eșantionului. Rezultatul este o imagine formată din aproximativ un miliard de pixeli, mult mai mare în comparație cu imaginile făcute de un dSLR sau de un telefon inteligent, care au de obicei între 10 și 50 de milioane de pixeli. Consultați aceste peisaje gigapixeli pentru o demonstrație impresionantă a cantității masive de informații din aceste imagini.

În acest instructable, voi trece în revistă cum să construiesc un microscop capabil să imagineze un câmp vizual de 90mm x 60mm cu pixeli care corespund la 2μm la eșantion (deși, cred că rezoluția este probabil mai aproape de 15μm). Sistemul folosește lentile de cameră, dar același concept poate fi aplicat folosind obiectivele microscopului pentru a obține o rezoluție și mai fină.

Am încărcat imaginile gigapixeli pe care le-am achiziționat cu microscopul pe EasyZoom:

Imagine a revistei National Geographic din 1970

Fata de masa croșetată pe care soția mea a făcut-o

Electronice diverse

Alte resurse:

Tutoriale de microscopie optică:

Rezoluție optică:

În plus față de cusăturile de imagine, progresele recente în imagistica de calcul fac posibilă microscopia gigapixel fără a muta chiar proba!

Pasul 1: Lista de aprovizionare

Materiale:

1. Nikon dSLR (am folosit Nikon D5000)

2. Obiectiv de 28 mm distanță focală cu filet de 52 mm

3. Obiectiv de distanță focală de 80 mm cu filet de 58 mm

4. Cuplaj invers de 52mm la 58mm

5. Trepied

6. Șapte foi de placaj gros de 3 mm

7. Arduino Nano

8. Două punte H L9110

9. Două emițătoare IR

10. Două receptoare IR

11. Apăsați butonul

12. Două rezistențe de 2.2kOhm

13. Două rezistențe de 150Ohm

14. Un rezistor de 1kOhm

15. Eliberare de la distanță pentru camera Nikon

16. Afiș negru

17. Kit hardware:

18. Două motoare pas cu pas (am folosit motor cu pas bipolar Nema 17 3.5V 1A)

19. Două șuruburi de 2 mm

20. Patru blocuri de perne

21. Două piulițe cu șurub cu plumb

22. Două bucșe glisante cu rulmenți și arbori liniari de 200 mm:

23. Alimentare 5V:

24. Sârmă de înfășurat sârmă

Instrumente:

1. Cutter cu laser

2. Imprimantă 3D

3. Chei Allen

4. Freze de sârmă

5. Instrument de înfășurare a firelor

Pasul 2: Prezentare generală a sistemului

Pentru a traduce proba, două motoare pas cu pas aliniate în direcții ortogonale deplasează o treaptă în direcția x și y. Motoarele sunt controlate folosind două punți H și un Arduino. Un senzor IR poziționat la baza motorului pas cu pas este folosit pentru a pune la zero etapele, astfel încât acestea să nu intre în niciun capăt al blocurilor. Un microscop digital este poziționat deasupra etapei XY.

Odată ce eșantionul este poziționat și scena este centrată, apăsați un buton pentru a începe achiziția. Motoarele deplasează scena în colțul din stânga jos și camera este declanșată. Motoarele traduc apoi proba în pași mici, deoarece camera face o fotografie în fiecare poziție.

După ce toate imaginile sunt realizate, imaginile sunt apoi cusute împreună pentru a forma o imagine gigapixel.

Pasul 3: Asamblarea microscopului

Am realizat un microscop cu mărire redusă cu un dSLR (Nikon 5000), un obiectiv Nikon 28mm f / 2.8 și un obiectiv Nikon 28-80mm. Obiectivul zoom a fost setat pentru o distanță focală egală cu 80 mm. Setul celor două lentile acționează ca o lentilă cu tub de microscop și un obiectiv. Mărirea totală este raportul distanțelor focale, în jur de 3X. Aceste lentile nu sunt într-adevăr concepute pentru această configurație, deci pentru a face lumina să se propage ca un microscop, trebuie să poziționați o oprire de deschidere între cele două lentile.

Mai întâi, montați obiectivul cu distanță focală mai mare pe cameră. Tăiați un cerc din tablă neagră care are un diametru aproximativ de dimensiunea suprafeței frontale a obiectivului. Apoi tăiați un cerc mic în mijloc (am ales aproximativ 3mm diametru). Mărimea cercului va determina cantitatea de lumină care intră în sistem, numită și diafragmă numerică (NA). NA determină rezoluția laterală a sistemului pentru microscopurile bine proiectate. Deci, de ce să nu folosiți un NA mare pentru această configurare? Ei bine, există două motive majore. În primul rând, pe măsură ce NA crește, aberațiile optice ale sistemului devin mai proeminente și vor limita rezoluția sistemului. Într-o configurație neconvențională ca aceasta, acest lucru va fi probabil cazul, astfel încât creșterea NA nu va mai ajuta la îmbunătățirea rezoluției. În al doilea rând, adâncimea câmpului depinde și de NA. Cu cât NA este mai mare, cu atât este mai mică adâncimea câmpului. Acest lucru face dificilă concentrarea obiectelor care nu sunt plane. Dacă NA devine prea mare, atunci veți fi limitat la diapozitive de microscop imagistic, care au probe subțiri.

Poziționarea opritorului de deschidere între cele două lentile face ca sistemul să fie aproximativ telecentric. Asta înseamnă că mărirea sistemului este independentă de distanța obiectului. Acest lucru devine important pentru îmbinarea imaginilor. Dacă obiectul are o adâncime variabilă, atunci vederea din două poziții diferite va avea o perspectivă deplasată (cum ar fi viziunea umană). Îmbinarea imaginilor care nu provin dintr-un sistem de imagine telecentrică este o provocare, mai ales cu o mărire atât de mare.

Utilizați cuplajul invers al obiectivului de la 58 mm la 52 mm pentru a atașa obiectivul de 28 mm la obiectivul de 80 mm cu diafragma poziționată în mijloc.

Pasul 4: XY Stage Design

Am proiectat scena folosind Fusion 360. Pentru fiecare direcție de scanare, există patru părți care trebuie tipărite 3D: montare montare, două extensoare pentru unități glisante și o montare cu șurub de plumb. Baza și platformele scenei XY sunt tăiate cu laser din placaj de 3 mm grosime. Baza conține motorul și glisierele în direcția X, platforma X ține motorul și glisierele în direcția Y, iar platforma Y conține eșantionul. Baza este formată din 3 foi, iar cele două platforme sunt formate din 2 foi. Fișierele pentru tăierea cu laser și imprimarea 3D sunt furnizate în acest pas. După tăierea și tipărirea acestor piese, sunteți gata pentru următorii pași.

Pasul 5: Ansamblu montare motor

Folosind un instrument de împachetare a firelor, înfășurați firul în jurul cablurilor a două emițătoare IR și a două receptoare IR. Codificați culoarea firelor, astfel încât să știți care este capătul. Apoi tăiați cablurile de pe diode, astfel încât doar firele de înfășurare a firului să ruleze de atunci. Glisați firele prin ghidajele din suportul motorului și apoi împingeți diodele în poziție. Firele sunt direcționate astfel încât să nu fie vizibile până când nu ies din spatele unității. Aceste fire pot fi unite cu firele motorului. Acum montați motorul pas cu pas folosind patru șuruburi M3. Repetați acest pas pentru al doilea motor.

Pasul 6: Asamblarea etapei

Lipiți împreună tăieturile Baza 1 și Baza 2, una dintre ele cu deschideri hexagonale pentru piulițele M3. Odată ce lipiciul s-a uscat, ciocăniți piulițele M3 în poziție. Piulițele nu se vor roti atunci când sunt apăsate pe placă, astfel încât veți putea înșuruba șuruburile mai târziu. Acum lipiți a treia foaie de bază (baza 3) pentru a acoperi piulițele.

Acum este timpul să asamblați suportul cu piuliță de plumb. Scoateți orice filament suplimentar de pe suport și apoi împingeți patru piulițe M3 în poziție. Se potrivesc bine, deci asigurați-vă că eliminați spațiul șuruburilor și piulițelor cu un șurubelniță mică. Odată ce piulițele sunt aliniate, împingeți piulița de plumb în suport și atașați-o cu 4 șuruburi M3.

Atașați blocurile de pernă, suporturile glisante și suportul motorului pentru translatorul liniar în direcția X pe bază. Puneți ansamblul piuliței de plumb pe șurubul de plumb și apoi glisați șurubul de plumb în poziție. Utilizați cuplajul pentru a conecta motorul la șurubul de plumb. Așezați unitățile glisante în tije și apoi împingeți tijele în suporturile glisante. În cele din urmă, atașați extensiile de montare a cursorului cu șuruburi M3.

Foile de placaj X1 și X2 sunt lipite împreună într-un mod similar cu baza. Aceeași procedură se repetă pentru translatorul liniar în direcția Y și pentru etapa de eșantionare.

Pasul 7: Scanner Electronics

Fiecare motor pas cu pas are patru cabluri care sunt conectate la un modul H-bridge. Cele patru cabluri de la emițătorul și receptorul IR sunt conectate la rezistoare conform schemei de mai sus. Ieșirile receptoarelor sunt conectate la intrările analogice A0 și A1. Cele două module H-bridge sunt conectate la pinul 4-11 de pe Arduino Nano. Un buton este conectat la pinul 2 cu un rezistor de 1kOhm pentru intrarea simplă a utilizatorului.

În cele din urmă, butonul de declanșare pentru dSLR este conectat la un obturator la distanță, așa cum am făcut pentru scanerul meu CT (vezi pasul 7). Tăiați cablul obturatorului la distanță. Firele sunt etichetate după cum urmează:

Galben - focalizare

Roșu - obturator

Alb - sol

Pentru a focaliza fotografia, firul galben trebuie conectat la masă. Pentru a face o fotografie, atât firul galben, cât și cel roșu trebuie conectate la masă. Am conectat o diodă și cablul roșu la pinul 12, iar apoi am conectat o altă diodă și cablul galben la pinul 13. Setarea este așa cum este descris în Hacks DIY și How-Tos instructable.

Pasul 8: Achiziționarea de imagini Gigapixel

Atașat este codul pentru microscopul gigapixel. Am folosit biblioteca Stepper pentru controlul motoarelor cu podul H. La începutul codului, trebuie să specificați câmpul vizual al microscopului și numărul de imagini pe care doriți să le obțineți în fiecare direcție.

De exemplu, microscopul pe care l-am realizat avea un câmp vizual de aproximativ 8,2 mm x 5,5 mm. Prin urmare, am dirijat motoarele să se deplaseze cu 8 mm în direcția x și 5 mm în direcția y. 11 imagini sunt achiziționate în fiecare direcție, însumând 121 de imagini pentru imaginea gigapixel completă (mai multe detalii despre acest lucru la pasul 11). Codul calculează apoi numărul de pași pe care trebuie să-i facă motoarele pentru a traduce scena cu această sumă.

De unde știu etapele în care sunt raportate la motor? Cum se traduc etapele fără a atinge niciunul dintre capete? În codul de configurare, am scris o funcție care mișcă scena în fiecare direcție până când rupe calea dintre emițătorul IR și receptorul IR. Când semnalul de pe receptorul IR scade sub un anumit prag, motorul se oprește. Codul urmărește apoi poziția scenei în raport cu această poziție inițială. Codul este scris, astfel încât motorul să nu se traducă prea departe, ceea ce ar face ca etapa să ruleze în celălalt capăt al șurubului de plumb.

Odată ce scena este calibrată în fiecare direcție, scena este tradusă în centru. Folosind un trepied, mi-am poziționat microscopul dSLR peste scenă. Este important să aliniați câmpul camerei cu liniile încrucișate pe scena eșantionului. Odată ce scena este aliniată cu camera, am înregistrat scena cu niște benzi de pictor și apoi am pus proba pe scenă. Focalizarea a fost reglată cu trepiedul în direcția z. Utilizatorul apasă apoi butonul pentru a începe achiziția. Scena se traduce în colțul din stânga jos și camera este declanșată. Etapa apoi raster scanează eșantionul, în timp ce camera face o fotografie în fiecare poziție.

De asemenea, este atașat un cod pentru depanarea motoarelor și a senzorilor IR.

Pasul 9: Cusând imagini

Cu toate imaginile achiziționate, vă confruntați acum cu provocarea de a le îmbina pe toate. O modalitate de a gestiona cusăturile de imagine este prin alinierea manuală a tuturor imaginilor într-un program grafic (am folosit Autodesk's Graphic). Acest lucru va funcționa cu siguranță, dar poate fi un proces dureros, iar marginile imaginilor sunt vizibile în imaginile gigapixeli.

O altă opțiune este utilizarea tehnicilor de procesare a imaginilor pentru a îmbina automat imaginile. Ideea este să găsiți caracteristici similare în secțiunea suprapusă a imaginilor adiacente și apoi să aplicați o transformare de traducere a imaginii, astfel încât imaginile să fie aliniate una cu alta. În cele din urmă, marginile pot fi amestecate împreună prin înmulțirea secțiunii suprapuse cu un factor de greutate liniar și adăugarea lor împreună. Acesta poate fi un algoritm descurajant de scris dacă sunteți nou în procesarea imaginilor. Am lucrat o vreme la această problemă, dar nu am putut obține un rezultat pe deplin fiabil. Algoritmul s-a luptat cel mai mult cu eșantioane care aveau caracteristici foarte asemănătoare, precum punctele din imaginea revistei. Atașat este codul pe care l-am scris în Matlab, dar are nevoie de ceva lucru.

Ultima opțiune este de a utiliza programe de cusut fotografii gigapixeli. Nu am de sugerat, dar știu că sunt acolo.

Pasul 10: Performanța microscopului

În cazul în care ați ratat-o, iată rezultatele: imaginea revistei, fața de masă croșetată și electronice diverse.

Specificațiile sistemului sunt listate în tabelul de mai sus. Am încercat să creez imagini atât cu un obiectiv de 28 mm cât și cu o distanță focală de 50 mm. Am estimat cea mai bună rezoluție posibilă a sistemului pe baza limitei de difracție (în jur de 6μm). De fapt, este dificil să testați acest lucru experimental fără o țintă de înaltă rezoluție. Am încercat să imprim un fișier vector listat pe acest forum de fotografie de format mare, dar am fost limitat de rezoluția imprimantei mele. Cel mai bun lucru pe care l-am putut determina cu această imprimare a fost că sistemul avea o rezoluție <40μm. De asemenea, am căutat caracteristici mici, izolate pe probe. Cea mai mică caracteristică din versiunea tipărită a revistei este pata de cerneală, pe care am estimat-o și ea la aproximativ 40μm, așa că nu am putut să o folosesc pentru a obține o estimare mai bună pentru rezoluție. În electronică erau mici divoturi care erau destul de bine izolate. Deoarece știam câmpul vizual, aș putea număra numărul de pixeli care ocupă divotul mic pentru a obține o estimare a rezoluției, aproximativ 10-15μm.

În general, am fost mulțumit de performanța sistemului, dar am câteva note în cazul în care doriți să încercați acest proiect.

Stabilitatea scenei: în primul rând, obțineți componente liniare de înaltă calitate. Componentele pe care le-am folosit au avut mult mai mult joc decât credeam că vor avea. Am folosit doar unul dintre suporturile glisante din kit pentru fiecare tijă, deci poate de aceea scena nu s-a simțit prea stabilă. Etapa a funcționat suficient de bine pentru mine, dar acest lucru ar deveni mai mult o problemă pentru sistemele de mărire mai ridicate.

Optică pentru rezoluție mai mare: aceeași idee poate fi utilizată și pentru microscopii cu mărire mai mare. Cu toate acestea, vor fi necesare motoare mai mici, cu dimensiuni de pas mai fine. De exemplu, o mărire de 20X cu acest dSLR ar avea ca rezultat un câmp vizual de 1 mm (dacă microscopul poate imagina un sistem atât de mare fără vignetare). Electronupdate a folosit motoare pas cu pas de pe un CD player într-o construcție frumoasă pentru un microscop cu mărire mai mare. Un alt compromis va fi adâncimea de câmp redusă, ceea ce înseamnă că imagistica va fi limitată la probe subțiri și veți avea nevoie de un mecanism de traducere mai fin în direcția z.

Stabilitatea trepiedului: acest sistem ar funcționa mai bine cu o montare a camerei mai stabilă. Sistemul de lentile este greu și trepiedul este înclinat la 90 de grade față de poziția pentru care este proiectat. A trebuit să lipesc picioarele trepiedului pentru a ajuta la stabilitate. Obturatorul ar putea, de asemenea, să scuture suficient camera pentru a estompa imaginile.