Настольный гигапиксельный микроскоп: 10 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

В оптических микроскопах существует принципиальный компромисс между полем зрения и разрешением: чем мельче детали, тем меньше область, отображаемая микроскопом. Один из способов преодолеть это ограничение - перевести образец и получить изображения с большим полем обзора. Основная идея состоит в том, чтобы объединить множество изображений с высоким разрешением, чтобы сформировать большой угол обзора. На этих изображениях вы можете увидеть как полный образец, так и мелкие детали в любой его части. В результате получается изображение, состоящее примерно из миллиарда пикселей, что намного больше по сравнению с фотографиями, сделанными цифровой зеркальной фотокамерой или смартфоном, которые обычно имеют от 10 до 50 миллионов пикселей. Посмотрите на эти гигапиксельные пейзажи, чтобы наглядно продемонстрировать огромное количество информации на этих изображениях.

В этой инструкции я расскажу, как построить микроскоп, способный отображать поле зрения 90 мм x 60 мм с пикселями, соответствующими 2 мкм на образце (хотя, я думаю, разрешение, вероятно, ближе к 15 мкм). В системе используются линзы камеры, но та же концепция может быть применена с использованием объективов микроскопов для получения еще более высокого разрешения.

Я загрузил гигапиксельные изображения, полученные с помощью микроскопа, в EasyZoom:

Изображение журнала National Geographic 1970 года

Скатерть вязанная крючком, которую сделала моя жена

Разная электроника

Другие источники:

Учебники по оптической микроскопии:

Оптическое разрешение:

В дополнение к сшиванию изображений недавний прогресс в области компьютерной визуализации делает возможной гигапиксельную микроскопию даже без перемещения образца!

Шаг 1: Список материалов

Материалы:

1. Nikon dSLR (я использовал свой Nikon D5000)

2. Объектив с фокусным расстоянием 28 мм и резьбой 52 мм.

3. Объектив с фокусным расстоянием 80 мм и резьбой 58 мм.

4. Обратный соединитель от 52 до 58 мм

5. Штатив

6. Семь листов фанеры толщиной 3 мм.

7. Arduino Nano.

8. Два H-образных моста L9110

9. Два ИК-излучателя.

10. Два ИК-приемника.

11. Нажать кнопку

12. Два резистора 2,2 кОм.

13. Два резистора 150 Ом.

14. Один резистор на 1кОм.

15. Удаленный выпуск для камеры Nikon

16. Черный плакат

17. Комплект оборудования:

18. Два шаговых двигателя (я использовал биполярный шаговый двигатель Nema 17 3.5V 1A)

19. Два ходовых винта 2 мм.

20. Четыре опорных блока.

21. Две гайки ходового винта.

22. Две втулки скольжения подшипников и 200-миллиметровые линейные валы:

23. Источник питания 5 В:

24. Проволока для намотки проволоки.

Инструменты:

1. Лазерный резак

2. 3D-принтер.

3. Гаечные ключи с внутренним шестигранником.

4. Кусачки

5. Инструмент для намотки проволоки.

Шаг 2: Обзор системы

Чтобы перемещать образец, два шаговых двигателя, выровненных в ортогональных направлениях, перемещают столик в направлениях x и y. Двигатели управляются с помощью двух H-мостов и Arduino. ИК-датчик, расположенный в основании шагового двигателя, используется для обнуления ступеней, чтобы они не попадали ни в один из концов блоков. Цифровой микроскоп расположен над предметным столиком XY.

После размещения образца и центрирования предметного столика вы нажимаете кнопку, чтобы начать сбор данных. Двигатели перемещают сцену в нижний левый угол, и камера срабатывает. Затем двигатели перемещают образец небольшими шагами, поскольку камера делает снимок в каждой позиции.

После того, как все изображения сделаны, они сшиваются вместе, чтобы сформировать гигапиксельное изображение.

Шаг 3: Сборка микроскопа

Я сделал микроскоп с малым увеличением с цифровой зеркальной камерой (Nikon 5000), объективом Nikon 28 мм f / 2,8 и объективом Nikon 28-80 мм с переменным фокусным расстоянием. Зум-объектив был настроен на фокусное расстояние 80 мм. Набор из двух линз действует как линза трубки микроскопа и линза объектива. Общее увеличение - это отношение фокусных расстояний, примерно 3X. Эти линзы действительно не предназначены для этой конфигурации, поэтому, чтобы свет распространялся как в микроскопе, вы должны расположить диафрагму между двумя линзами.

Сначала установите на камеру объектив с большим фокусным расстоянием. Вырежьте из черного картона для плакатов круг диаметром, примерно равным передней поверхности линзы. Затем вырежьте небольшой круг посередине (я выбрал диаметр около 3 мм). Размер круга определяет количество света, попадающего в систему, также называемое числовой апертурой (NA). NA определяет поперечное разрешение системы для хорошо сконструированных микроскопов. Так почему бы не использовать для этой настройки высокую числовую апертуру? Что ж, есть две основные причины. Во-первых, по мере увеличения числовой апертуры оптические аберрации системы становятся более заметными и ограничивают разрешающую способность системы. В такой нестандартной настройке, как эта, скорее всего, так и будет, поэтому увеличение числовой апертуры в конечном итоге больше не поможет улучшить разрешение. Во-вторых, от NA также зависит глубина резкости. Чем выше NA, тем меньше глубина резкости. Это затрудняет фокусировку не совсем плоских объектов. Если числовая апертура становится слишком высокой, вы ограничитесь визуализацией предметных стекол микроскопа с тонкими образцами.

Расположение диафрагмы между двумя объективами делает систему примерно телецентрической. Это означает, что увеличение системы не зависит от расстояния до объекта. Это становится важным для сшивания изображений вместе. Если объект имеет разную глубину, то вид с двух разных позиций будет иметь смещенную перспективу (как человеческое зрение). Объединение изображений, полученных не с телецентрической системы визуализации, является сложной задачей, особенно при таком большом увеличении.

Используйте обратную муфту объектива 58 мм на 52 мм, чтобы прикрепить объектив 28 мм к объективу 80 мм с диафрагмой, расположенной посередине.

Шаг 4: Дизайн сцены XY

Я спроектировал столик с помощью Fusion 360. Для каждого направления сканирования необходимо напечатать на 3D-принтере четыре части: монтажное крепление, два удлинителя ползуна и крепление с ходовым винтом. Основание и платформы XY-сцены вырезаны лазером из фанеры толщиной 3 мм. Основание удерживает двигатель направления X и ползунки, платформа X удерживает двигатель направления Y и ползунки, а платформа Y удерживает образец. Основание состоит из 3 листов, а две платформы состоят из 2 листов. На этом этапе предоставляются файлы для лазерной резки и 3D-печати. После вырезания и печати этих деталей вы готовы к следующим шагам.

Шаг 5: Узел крепления двигателя

Используя инструмент для намотки проводов, оберните провод вокруг выводов двух ИК-излучателей и двух ИК-приемников. Цветовой код проводов, чтобы вы знали, какой конец какой. Затем отрежьте провода от диодов, чтобы оттуда выходили только провода. Пропустите провода через направляющие в держателе двигателя, а затем вставьте диоды на место. Провода направлены так, чтобы их не было видно, пока они не выходят из задней части устройства. Эти провода можно соединить с проводами двигателя. Теперь закрепите шаговый двигатель с помощью четырех болтов M3. Повторите этот шаг для второго двигателя.

Шаг 6: Сборка сцены

Склейте вместе вырезы Основания 1 и Основания 2, в одном из них есть шестигранные отверстия для гаек M3. Когда клей высохнет, забейте гайки M3 на место. Гайки не будут вращаться при вдавливании в плату, поэтому вы сможете вкрутить болты позже. Теперь приклейте третий лист основы (Основа 3), чтобы покрыть орехи.

Пришло время собрать крепление с гайкой. Удалите лишнюю нить из крепления, а затем вставьте четыре гайки M3 на место. Они плотно прилегают, поэтому убедитесь, что вы удалили пространство между болтом и гайкой с помощью небольшой отвертки. После совмещения гаек вставьте ходовую гайку в крепление и закрепите ее 4 болтами M3.

Прикрепите опорные блоки, ползунки и крепление двигателя для линейного преобразователя направления X к основанию. Наденьте узел ходовой гайки на ходовой винт, а затем вставьте ходовой винт на место. Используйте муфту для соединения двигателя с ходовым винтом. Поместите блоки слайдера в стержни, а затем вставьте стержни в крепления слайдера. Наконец, прикрепите удлинители опоры слайдера болтами M3.

Листы фанеры Х1 и Х2 склеиваются аналогично основанию. Та же процедура повторяется для линейного транслятора в направлении Y и предметного столика.

Шаг 7: электроника сканера

Каждый шаговый двигатель имеет четыре кабеля, подключенных к модулю H-моста. Четыре кабеля от ИК-излучателя и приемника подключаются к резисторам в соответствии со схемой выше. Выходы приемников подключены к аналоговым входам A0 и A1. Два модуля H-моста подключены к контактам 4-11 на Arduino Nano. Кнопка подключена к контакту 2 с резистором 1 кОм для простого ввода данных пользователем.

Наконец, триггерная кнопка для цифровой зеркальной камеры подключается к дистанционному затвору, как я это сделал для своего компьютерного томографа (см. Шаг 7). Обрежьте кабель дистанционного управления жалюзи. Маркировка проводов следующая:

Желтый - фокус

Красный - ставень

Белый - земля

Чтобы сфокусировать выстрел, желтый провод необходимо заземлить. Чтобы сделать снимок, и желтый, и красный провод должны быть заземлены. Я подключил диод и красный кабель к контакту 12, а затем подключил еще один диод и желтый кабель к контакту 13. Настройка описана в разделе «Хаки своими руками» и инструкции.

Шаг 8: получение гигапиксельных изображений

Прилагаю код гигапиксельного микроскопа. Я использовал библиотеку Stepper для управления двигателями с помощью H-моста. В начале кода вы должны указать поле зрения микроскопа и количество изображений, которые вы хотите получить в каждом направлении.

Например, микроскоп, который я сделал, имел поле зрения примерно 8,2 мм x 5,5 мм. Поэтому я приказал двигателям сдвигаться на 8 мм по оси x и на 5 мм по оси y. По 11 изображений получается в каждом направлении, всего 121 изображение для полного гигапиксельного изображения (подробнее об этом на шаге 11). Затем код вычисляет количество шагов, которые необходимо сделать двигателям, чтобы перевести ступень на эту величину.

Как ступени узнают, где они находятся относительно двигателя? Как этапы переводятся, не задевая ни одного конца? В коде настройки я написал функцию, которая перемещает сцену в каждом направлении, пока она не прервет путь между ИК-излучателем и ИК-приемником. Когда сигнал на ИК-приемнике падает ниже некоторого порога, двигатель останавливается. Затем код отслеживает положение сцены относительно этого исходного положения. Код написан таким образом, чтобы двигатель не перемещался слишком далеко, что могло бы привести к попаданию ступени на другой конец ходового винта.

После того, как ступень откалибрована в каждом направлении, ступень перемещается в центр. Используя штатив, я расположил мой dSLR микроскоп над сценой. Важно совместить поле камеры с пересеченными линиями на предметном столике. Как только сцену выровняли с камерой, я приклеил сцену малярным скотчем, а затем поместил образец на сцену. Фокус был отрегулирован по оси Z штатива. Затем пользователь нажимает кнопку, чтобы начать сбор данных. Сцена переводится в нижний левый угол, и камера срабатывает. Затем этап растрового сканирования сканирует образец, в то время как камера делает снимок в каждой позиции.

Также прилагается код для поиска и устранения неисправностей двигателей и ИК-датчиков.

Шаг 9: сшивание изображений

Теперь, когда все полученные изображения получены, вам нужно сшить их все вместе. Один из способов сшивания изображений - это вручную выровнять все изображения в графической программе (я использовал Autodesk Graphic). Это определенно сработает, но это может быть болезненный процесс, и края изображений заметны на изображениях с разрешением гигапикселей.

Другой вариант - использовать методы обработки изображений для автоматического сшивания изображений. Идея состоит в том, чтобы найти похожие функции в перекрывающейся части соседних изображений, а затем применить преобразование перевода к изображению, чтобы изображения были выровнены друг с другом. Наконец, края можно смешать вместе, умножив перекрывающуюся часть на линейный весовой коэффициент и сложив их вместе. Если вы новичок в обработке изображений, написать этот алгоритм может быть непросто. Некоторое время я работал над проблемой, но не мог получить полностью достоверный результат. Алгоритм больше всего боролся с образцами, которые имели очень похожие характеристики, такие как точки на изображении в журнале. Прилагается код, который я написал в Matlab, но он требует некоторой доработки.

Последний вариант - использовать программы сшивания гигапиксельных фотографий. Мне нечего предлагать, но я знаю, что они есть.

Шаг 10: Характеристики микроскопа

Если вы пропустили, вот результаты: изображение журнала, скатерть крючком и прочая электроника.

Технические характеристики системы перечислены в таблице выше. Я пробовал снимать с объективом с фокусным расстоянием 28 мм и 50 мм. Я оценил наилучшее возможное разрешение системы на основе дифракционного предела (около 6 мкм). На самом деле сложно проверить это экспериментально без мишени с высоким разрешением. Я попытался распечатать векторный файл, указанный на этом форуме широкоформатной фотографии, но у меня было ограничение из-за разрешения моего принтера. Лучшее, что я смог определить по этой распечатке, это то, что система имела разрешение <40 мкм. Я также искал небольшие отдельные детали на образцах. Самая маленькая деталь на отпечатке из журнала - это чернильное пятно, которое, по моим оценкам, также составляет около 40 мкм, поэтому я не мог использовать его, чтобы получить более точную оценку разрешения. В электронике были небольшие трещины, которые были довольно хорошо изолированы. Поскольку я знал поле зрения, я мог подсчитать количество пикселей, занимающих небольшую точку, чтобы получить оценку разрешения, примерно 10-15 мкм.

В целом я доволен производительностью системы, но у меня есть несколько замечаний на случай, если вы захотите опробовать этот проект.

Стабильность сцены: во-первых, получить качественные линейные компоненты сцены. Компоненты, которые я использовал, имеют гораздо больше люфта, чем я ожидал. Я использовал только одно из держателей слайдера в комплекте для каждой удочки, так что, возможно, поэтому сцена не казалась очень устойчивой. Сцена для меня работала достаточно хорошо, но это стало проблемой для систем с большим увеличением.

Оптика для более высокого разрешения: ту же идею можно использовать для микроскопов с большим увеличением. Однако потребуются двигатели меньшего размера с меньшим размером шага. Например, 20-кратное увеличение с помощью этой цифровой зеркальной камеры даст поле обзора в 1 мм (если микроскоп может отображать такую большую систему без виньетирования). Electronupdate использовал шаговые двигатели от проигрывателя компакт-дисков в красивой конструкции для микроскопа с большим увеличением. Другим компромиссом будет малая глубина резкости, что означает, что изображение будет ограничено тонкими образцами, и вам понадобится более точный механизм трансляции в z-направлении.

Стабильность штатива: эта система будет работать лучше с более стабильным креплением камеры. Система линз тяжелая, а штатив наклонен на 90 градусов от положения, для которого он предназначен. Мне пришлось закрепить ножки штатива, чтобы обеспечить устойчивость. Затвор мог также достаточно сильно трясти камеру, чтобы размыть изображения.