Töölaua gigapiksliline mikroskoop: 10 sammu (koos piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

Optiliste mikroskoopide puhul on vaatevälja ja eraldusvõime vahel põhimõtteline kompromiss: mida peenem on detail, seda väiksem on mikroskoobiga pildistatud piirkond. Üks võimalus selle piirangu ületamiseks on proovi tõlkimine ja piltide hankimine suurema vaatevälja kaudu. Põhiidee on ühendada palju suure eraldusvõimega pilte, et moodustada suur FOV. Nendel piltidel näete nii täielikku proovi kui ka peeneid üksikasju proovi mis tahes osas. Tulemuseks on pilt, mis koosneb umbes miljardist pikslist, mis on palju suurem võrreldes dSLR -i või nutitelefoniga tehtud piltidega, millel on tavaliselt umbes 10–50 miljonit pikslit. Vaadake neid gigapikslilisi maastikke, et muljetavaldavalt näidata nende piltide tohutut teavet.

Selles juhendis uurin, kuidas ehitada mikroskoop, mis on võimeline kujutama 90 mm x 60 mm vaatevälja, mille pikslid vastavad proovile 2 μm (kuigi ma arvan, et eraldusvõime on tõenäoliselt lähemal 15 μm). Süsteem kasutab kaamera objektiive, kuid sama kontseptsiooni saab rakendada mikroskoobi objektiivide abil, et saada veelgi peenem eraldusvõime.

Laadisin mikroskoobiga omandatud gigapikslipildid EasyZoomile üles:

1970. aasta ajakirja National Geographic pilt

Heegeldatud laudlina, mille mu naine tegi

Mitmesugust elektroonikat

Muud ressursid:

Optilise mikroskoopia õpetused:

Optiline eraldusvõime:

Lisaks kujutise õmblemisele võimaldavad hiljutised edusammud arvutusliku kuvamise alal gigapikslilist mikroskoopiat teha isegi proovi liigutamata!

Samm: tarnekiri

Materjalid:

1. Nikon dSLR (kasutasin oma Nikon D5000)

2. 28 mm fookuskaugusega objektiiv 52 mm keermega

3. 80 mm fookuskaugusega objektiiv 58 mm keermega

4. 52–58 mm tagurpidiliides

5. Statiiv

6. Seitse lehte 3 mm paksusest vineerist

7. Arduino Nano

8. Kaks H-silda L9110

9. Kaks IR -kiirgajat

10. Kaks IR vastuvõtjat

11. Vajutage nuppu

12. Kaks 2,2 kOhm takistit

13. Kaks 150Ohm takistit

14. Üks 1kOhm takisti

15. Nikoni kaamera kaugväljaanne

16. Must plakatitahvel

17. Riistvarakomplekt:

18. Kaks samm -mootorit (kasutasin Nema 17 bipolaarset sammmootorit 3.5V 1A)

19. Kaks 2 mm juhtkruvi

20. Neli padjaplokki

21. Kaks juhtkruvi mutrit

22. Kaks laagripuksi ja 200 mm lineaarset võlli:

23. 5V toide:

24. Traatmähis traat

Tööriistad:

1. Laserlõikur

2. 3D printer

3. Kuuskantvõtmed

4. Traadi lõikurid

5. Traatmähise tööriist

2. samm: süsteemi ülevaade

Proovi tõlkimiseks liigutavad kaks astmelist mootorit, mis on joondatud risti, x ja y suunas. Mootoreid juhitakse kahe H-silla ja Arduino abil. Sammumootori alusele paigutatud IR -andurit kasutatakse astmete nullimiseks, nii et need ei satuks plokkide kummassegi otsa. Digitaalne mikroskoop on paigutatud XY etapi kohale.

Kui proov on paigutatud ja lava on tsentreeritud, vajutate võtmise alustamiseks nuppu. Mootorid viivad lava vasakusse alumisse nurka ja kaamera käivitub. Seejärel tõlgivad mootorid proovi väikeste sammudega, kuna kaamera teeb igas asendis foto.

Kui kõik pildid on tehtud, õmmeldakse need kokku, moodustades gigapikslise pildi.

3. samm: mikroskoobi kokkupanek

Tegin väikese suurendusega mikroskoobi dSLR (Nikon 5000), Nikoni 28 mm f/2,8 objektiivi ja Nikoni 28–80 mm suumobjektiiviga. Suumobjektiivi fookuskauguseks määrati 80 mm. Kahe läätse komplekt toimib nagu mikroskoobi toru lääts ja objektiiv. Kogu suurendus on fookuskauguste suhe, umbes 3X. Need läätsed ei ole tõesti selle konfiguratsiooni jaoks välja töötatud, nii et valguse levimiseks mikroskoobi kombel peate kahe läätse vahele asetama ava.

Esiteks paigaldage kaamerale pikema fookuskaugusega objektiiv. Lõika mustast plakatitahvlist ring, mille läbimõõt on ligikaudu objektiivi esipinna suurus. Seejärel lõika keskele väike ring (mina valisin umbes 3mm läbimõõduga). Ringi suurus määrab süsteemi siseneva valguse hulga, mida nimetatakse ka numbriliseks avaks (NA). NA määrab hästi kavandatud mikroskoopide jaoks süsteemi külgmise eraldusvõime. Miks mitte kasutada selle seadistuse jaoks kõrget NA -d? Noh, sellel on kaks peamist põhjust. Esiteks, kui NA suureneb, muutuvad süsteemi optilised kõrvalekalded nähtavamaks ja piiravad süsteemi eraldusvõimet. Sellise ebatavalise seadistuse korral on see tõenäoliselt nii, nii et lõpuks ei aita NA suurendamine enam resolutsiooni parandada. Teiseks sõltub teravussügavus ka NA -st. Mida kõrgem on NA, seda madalam on teravussügavus. See raskendab objekte, mis pole kõik tasased, fookusesse. Kui NA muutub liiga kõrgeks, piirdute pildistamise mikroskoobi slaididega, millel on õhukesed proovid.

Ava piiriku paigutamine kahe objektiivi vahele muudab süsteemi ligikaudu teletsentriliseks. See tähendab, et süsteemi suurendus ei sõltu objekti kaugusest. See muutub piltide ühendamisel oluliseks. Kui objektil on erinev sügavus, on kahe erineva positsiooni vaade muutunud (nagu inimese nägemine). Piltide ühendamine, mis ei pärine teletsentrilisest pildistamissüsteemist, on keeruline, eriti sellise suure suurendusega.

Kasutage 58–52 mm objektiivi tagurpidiliitmikku, et kinnitada 28 mm objektiiv 80 mm objektiivile nii, et ava oleks keskel.

4. samm: XY lavakujundus

Kujundasin lava Fusion 360 abil. Iga skaneerimissuuna jaoks tuleb 3D -printida neli osa: montaažikinnitus, kaks slaidiseadme pikendajat ja juhtkruvi kinnitus. XY etapi alus ja platvormid on laserlõigatud 3 mm paksusest vineerist. Alus hoiab X-suuna mootorit ja liugureid, X-platvorm hoiab Y-suuna mootorit ja liugureid ning Y-platvorm hoiab proovi. Alus koosneb 3 lehest ja kaks platvormi 2 lehest. Selles etapis pakutakse failid laserlõikamiseks ja 3D -printimiseks. Pärast nende osade lõikamist ja printimist olete järgmisteks sammudeks valmis.

Samm: mootorikinnituse kokkupanek

Keerake traatmähise tööriista abil traat ümber kahe IR-kiirguri ja kahe IR-vastuvõtja juhtmete ümber. Värvige juhtmed värvikoodiga, et saaksite teada, milline ots on kumb. Seejärel katkestage dioodide juhtmed, nii et ainult traatmähise juhtmed jooksevad sealt edasi. Lükake juhtmed läbi mootorikinnituse juhikute ja seejärel lükake dioodid oma kohale. Juhtmed on suunatud nii, et need pole nähtavad enne, kui need seadme tagaosast väljuvad. Neid juhtmeid saab ühendada mootorijuhtmetega. Nüüd paigaldage samm -mootor nelja M3 poldi abil. Korrake seda sammu teise mootoriga.

6. etapp: etapi kokkupanek

Liimige kokku aluse 1 ja aluse 2 lõiked, millest üks on kuusnurksete avadega M3 mutritele. Kui liim on kuivanud, lööge M3 mutrid oma kohale. Plaadile surudes mutrid ei pöörle, nii et saate poldid hiljem sisse keerata. Nüüd liimige pähklite katmiseks kolmas alusleht (alus 3).

Nüüd on aeg pliimutri kinnitus kokku panna. Eemaldage kinnitilt kõik täiendavad hõõgniidid ja lükake seejärel neli M3 mutrit oma kohale. Need sobivad tihedalt, seega veenduge, et tühjendate poldi- ja mutriruumi väikese kruvikeerajaga. Kui mutrid on joondatud, lükake juhtmutter kinnitusse ja kinnitage see 4 M3 poldiga.

Kinnitage padjaplokid, liuguri kinnitused ja X-suuna lineaarse tõlgi mootorikinnitus alusele. Asetage juhtmutri komplekt juhtkruvi külge ja libistage juhtkruvi oma kohale. Kasutage haakeseadist, et ühendada mootor juhtkruviga. Asetage liugurid vardadesse ja lükake vardad liuguri kinnitustesse. Lõpuks kinnitage liugurikinnituse pikendajad M3 poltidega.

Vineerlehed X1 ja X2 liimitakse alusega sarnaselt kokku. Sama protseduuri korratakse Y-suuna lineaarse tõlkija ja proovietapi puhul.

Samm: skanneri elektroonika

Igal samm-mootoril on neli kaablit, mis on ühendatud H-silla mooduliga. Infrapunakiirguri ja vastuvõtja neli kaablit on ühendatud takistitega vastavalt ülaltoodud skeemile. Vastuvõtjate väljundid on ühendatud analoogsisendiga A0 ja A1. Kaks H-silla moodulit on ühendatud Arduino Nano tihvtiga 4-11. Nupp 2 on tihvtiga 2 ühendatud 1 kOhm takisti abil lihtsaks kasutaja sisendiks.

Lõpuks on dSLR -i päästiknupp ühendatud kaugkattesse, nagu tegin oma CT -skanneri puhul (vt samm 7). Katkesta kaugjuhtimise katiku kaabel. Juhtmed on tähistatud järgmiselt:

Kollane - fookus

Punane - katik

Valge - jahvatatud

Võtte fokuseerimiseks tuleb kollane juhe ühendada maandusega. Foto jäädvustamiseks tuleb nii kollane kui ka punane juhe ühendada maandusega. Ühendasin dioodi ja punase kaabli tihvtiga 12 ning seejärel ühendasin teise dioodi ja kollase kaabli tihvtiga 13. Seadistamine on kirjeldatud juhendis DIY Hacks ja How-Tos.

8. samm: gigapikslipiltide hankimine

Lisatud on gigapikslise mikroskoobi kood. Kasutasin Stepper raamatukogu mootorite juhtimiseks H-sillaga. Koodi alguses peate määrama mikroskoobi vaatevälja ja piltide arvu, mida soovite igas suunas saada.

Näiteks minu tehtud mikroskoobi vaateväli oli umbes 8,2 mm x 5,5 mm. Seetõttu suunasin mootorid nihkuma 8 mm x-suunas ja 5 mm y-suunas. Igas suunas saadakse 11 pilti, kokku 121 pilti kogu gigapikslipildi kohta (selle kohta lisateavet leiate sammust 11). Seejärel arvutab kood välja sammude arvu, mida mootorid peavad astuma, et seda etappi tõlkida.

Kuidas etapid teavad, kus need asuvad mootori suhtes? Kuidas lavad tõlgitakse ilma kumbagi otsa löömata? Seadistuskoodi kirjutasin funktsiooni, mis liigutab lava igas suunas, kuni see katkestab tee IR -kiirguri ja IR -vastuvõtja vahel. Kui infrapuna vastuvõtja signaal langeb alla teatud läve, peatub mootor. Seejärel jälgib kood lava positsiooni selle koduasendi suhtes. Kood on kirjutatud nii, et mootor ei tõlgiks liiga kaugele, mistõttu lava jookseks juhtkruvi teise otsa.

Kui lava on igas suunas kalibreeritud, tõlgitakse etapp keskele. Statiivi kasutades paigutasin oma dSLR -mikroskoobi lava kohale. Oluline on joondada kaameraväli proovilava ristuvate joontega. Kui lava on kaameraga joondatud, teipisin lava mõne maalriteibiga alla ja seejärel asetasin proovi lavale. Fookust reguleeriti statiivi z-suunaga. Seejärel vajutab kasutaja hankimise alustamiseks nupule. Lava tõlgitakse vasakusse alumisse nurka ja kaamera käivitub. Seejärel skaneerib raster proovi, samal ajal kui kaamera teeb igas asendis foto.

Lisatud on ka kood mootorite ja IR -andurite tõrkeotsinguks.

9. samm: piltide õmblemine

Pärast kõigi piltide omandamist seisate nüüd silmitsi väljakutsega need kõik kokku õmmelda. Üks viis piltide õmblemisega tegelemiseks on graafikaprogrammis kõigi piltide käsitsi joondamine (kasutasin Autodeski graafikat). See kindlasti toimib, kuid see võib olla valus protsess ja piltide servad on gigapikslitel märgatavad.

Teine võimalus on piltide automaatseks ühendamiseks kasutada pilditöötlusmeetodeid. Idee on leida sarnased funktsioonid külgnevate piltide kattuvast osast ja seejärel rakendada pildile tõlketeisendus, et pildid oleksid üksteisega joondatud. Lõpuks saab servi kokku segada, korrutades kattuva osa lineaarse kaaluteguriga ja liites need kokku. See võib olla heidutav algoritm kirjutamiseks, kui olete pilditöötluse uus kasutaja. Töötasin mõnda aega probleemi kallal, kuid ei saanud täiesti usaldusväärset tulemust. Algoritm võitles kõige rohkem proovidega, millel olid läbivalt väga sarnased omadused, näiteks ajakirjapildis olevad täpid. Lisatud on kood, mille kirjutasin Matlabis, kuid see vajab natuke tööd.

Viimane võimalus on kasutada gigapikslite fotograafia õmblusprogramme. Mul pole midagi soovitada, aga ma tean, et nad on seal väljas.

Samm: mikroskoobi jõudlus

Kui teil see kahe silma vahele jäi, siis siin on tulemused: ajakirja pilt, heegeldatud laudlina ja mitmesugune elektroonika.

Süsteemi tehnilised andmed on toodud ülaltoodud tabelis. Proovisin pildistada nii 28 mm kui ka 50 mm fookuskaugusega objektiiviga. Hindasin süsteemi parimat võimalikku eraldusvõimet difraktsioonipiiri alusel (umbes 6μm). Seda on tegelikult raske katsetada ilma kõrge eraldusvõimega sihtmärkita. Proovisin printida selles suures formaadis fotograafiafoorumis loetletud vektorfaili, kuid mind piiras printeri eraldusvõime. Selle väljatrüki abil sain kõige paremini kindlaks teha, et süsteemi eraldusvõime oli <40μm. Otsisin ka proovidelt väikseid isoleeritud jooni. Ajakirja trükise väikseim omadus on tindipunkt, mille hindasin samuti umbes 40μm, seega ei saanud ma seda kasutada eraldusvõime parema hinnangu saamiseks. Elektroonikas olid väikesed tükid, mis olid päris hästi isoleeritud. Kuna ma teadsin vaatevälja, võisin eraldusvõime hinnangu saamiseks lugeda umbes 10-15 μm väikese piksli võtvate pikslite arvu.

Üldiselt olin ma süsteemi jõudlusega rahul, kuid mul on mõned märkused juhuks, kui soovite seda projekti proovida.

Lava stabiilsus: esiteks hankige kvaliteetsed lineaarsed lavakomponendid. Minu kasutatud komponentidel oli palju rohkem mängu kui ma arvasin. Kasutasin iga varda jaoks ainult ühte komplektis olevat liugurit, nii et võib -olla seetõttu ei tundunud lava eriti stabiilne. Lava töötas minu jaoks piisavalt hästi, kuid see muutuks suurema suurendusega süsteemide jaoks probleemiks.

Optika suurema eraldusvõime jaoks: sama ideed saab kasutada suurema suurendusega mikroskoopide puhul. Siiski on vaja väiksemaid mootoreid, millel on peenem samm. Näiteks selle dSLR-i 20-kordne suurendus annaks 1 mm vaatevälja (kui mikroskoop suudab nii suurt süsteemi ilma vinjeteerimiseta kujutada). Electronupdate kasutas CD -mängija samm -mootoreid kena ehitusega suurema suurendusega mikroskoobi jaoks. Teine kompromiss on madal teravussügavus, mis tähendab, et pildistamine piirdub õhukeste proovidega ja vajate z-suunas peenemat tõlkemehhanismi.

Statiivi stabiilsus: see süsteem töötaks paremini stabiilsema kaamera kinnitusega. Objektiivisüsteem on raske ja statiiv on 90 ° kallutatud asendist, mille jaoks see on ette nähtud. Pidin stabiilsuse tagamiseks statiivi jalad kinni teipima. Katik võib kaamerat piisavalt raputada, et pilte hägustada.