מיקרוסקופ Gigapixel שולחני: 10 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

במיקרוסקופים אופטיים, ישנה פשרה בסיסית בין שדה הראייה והרזולוציה: ככל שהפרטים עדינים יותר, האזור שצולם על ידי המיקרוסקופ קטן יותר. אחת הדרכים להתגבר על מגבלה זו היא לתרגם את המדגם ולרכוש תמונות על פני שדה ראייה גדול יותר. הרעיון הבסיסי הוא לחבר תמונות רבות ברזולוציה גבוהה ליצירת FOV גדול. בתמונות אלה אתה יכול לראות הן את המדגם המלא, כמו גם פירוט דק בכל חלק מהמדגם. התוצאה היא תמונה המורכבת מכמיליארד פיקסלים, הרבה יותר גדולה בהשוואה לתמונות שצולמו על ידי dSLR או טלפון חכם, שבדרך כלל יש בסביבות 10 עד 50 מיליון פיקסלים. בדוק את נופי הג'יפיקסל האלה להדגמה מרשימה של כמות המידע העצומה בתמונות אלה.

במדריך זה אעבור על אופן בניית מיקרוסקופ המסוגל לצלם שדה ראייה של 90 מ"מ על 60 מ"מ עם פיקסלים המתאימים ל -2 מיקרומטר במדגם (אם כי אני חושב שהרזולוציה קרוב יותר ל 15 מיקרומטר). המערכת משתמשת בעדשות מצלמה, אך ניתן ליישם את אותו רעיון באמצעות מטרות מיקרוסקופ כדי לקבל רזולוציה עדינה אף יותר.

העלתי את תמונות הג'יאפקסל שרכשתי באמצעות המיקרוסקופ ב- EasyZoom:

תמונת המגזין של נשיונל ג'יאוגרפיק משנת 1970

מפת הסרוגה שאשתי הכינה

מוצרי אלקטרוניקה שונים

משאבים אחרים:

הדרכות מיקרוסקופיות אופטיות:

רזולוציה אופטית:

בנוסף לתפירת תמונות, ההתקדמות האחרונה בהדמיה חישובית מאפשרת מיקרוסקופיה של ג'יגה -פיקסל אפילו מבלי להזיז את הדגימה!

שלב 1: רשימת אספקה

חומרים:

1. dSLR של ניקון (השתמשתי ב- D5000 של ניקון)

2. עדשה באורך מוקד 28 מ"מ עם הברגה 52 מ"מ

3. עדשה באורך מוקד 80 מ"מ עם הברגה 58 מ"מ

4. מצמד הפוך 52 מ"מ עד 58 מ"מ

5. חצובה

6. שבע יריעות דיקט בעובי 3 מ מ

7. ארדואינו ננו

8. שני H-bridge L9110

9. שני פולטי IR

10. שני מקלטי IR

11. כפתור לחיצה

12. שני נגדים של 2.2kOhm

13. שני נגדים של 150 אוהם

14. נגד 1 קאוהם אחד

15. שחרור מרחוק למצלמת ניקון

16. לוח פוסטרים שחור

17. ערכת חומרה:

18. שני מנועי צעד (השתמשתי במנוע צעד דו קוטבי Nema 17 3.5V 1A)

19. שני ברגי עופרת בגודל 2 מ מ

20. ארבעה גושי כרית

21. שני אגוזים בורג עופרת

22. שני תלישות שקופיות נושאות ופירים ליניאריים של 200 מ מ:

23. ספק כוח 5V:

24. חוט עוטף חוטים

כלים:

1. חותך לייזר

2. מדפסת תלת מימד

3. מפתחות ברגים

4. חותכי חוטים

5. כלי לעטוף חוטים

שלב 2: סקירת מערכת

כדי לתרגם את המדגם, שני מנועי צעד המיושרים לכיוונים אורתוגונליים מזיזים שלב בכיוון x ו- y. המנועים נשלטים באמצעות שני גשרים H ו- Arduino. חיישן IR הממוקם בבסיס מנוע הצעד משמש לאפס את השלבים כך שהם לא יתקלו בשני קצות הבלוקים. מיקרוסקופ דיגיטלי ממוקם מעל שלב XY.

ברגע שהמדגם ממוקם והבמה ממוקדת, אתה לוחץ על כפתור כדי להתחיל ברכישה. המנועים מעבירים את הבמה לפינה השמאלית התחתונה והמצלמה מופעלת. המנועים מתרגמים את המדגם בצעדים קטנים, כאשר המצלמה מצלמת בכל מיקום.

לאחר שצולמו כל התמונות, התמונות נתפרות יחד ליצירת תמונת ג'יגה -פיקסל.

שלב 3: הרכבת מיקרוסקופ

עשיתי מיקרוסקופ בהגדלה נמוכה עם dSLR (ניקון 5000), עדשת ניקון 28 מ"מ f/2.8, ועדשת זום של 28-80 מ"מ. עדשת הזום נקבעה לאורך המוקד השווה ל -80 מ"מ. הסט של שתי העדשות פועל כמו עדשת צינור מיקרוסקופ ועדשה אובייקטיבית. ההגדלה הכוללת היא היחס בין אורכי המוקד, בערך 3X. עדשות אלה ממש לא מיועדות לתצורה זו, כך שכדי לגרום לאור להתפשט כמו מיקרוסקופ, עליך למקם עצירת צמצם בין שתי העדשות.

ראשית, הרכיב את עדשת אורך המוקד הארוך יותר למצלמה. חותכים עיגול מלוח פוסטרים שחור בעל קוטר בערך בגודל המשטח הקדמי של העדשה. לאחר מכן חותכים עיגול קטן באמצע (בחרתי בקוטר כ -3 מ מ). גודל המעגל יקבע את כמות האור שנכנסת למערכת, הנקראת גם הצמצם המספרי (NA). ה- NA קובע את הרזולוציה הרוחבית של המערכת למיקרוסקופים מעוצבים היטב. אז למה שלא תשתמש ב- NA גבוה עבור התקנה זו? ובכן, ישנן שתי סיבות עיקריות. ראשית, ככל שה- NA עולה, החריגות האופטיות של המערכת הופכות לבולטות יותר ויגבילו את רזולוציית המערכת. במערך לא שגרתי כזה, סביר שזה יהיה כך, כך שהגדלת ה- NA בסופו של דבר כבר לא תעזור לשפר את הרזולוציה. שנית, עומק השדה תלוי גם ב- NA. ככל שה- NA גבוה יותר, עומק השדה רדוד יותר. זה מקשה על הכנסת אובייקטים שאינם שטוחים כולם. אם ה- NA יהיה גבוה מדי, אז אתה תהיה מוגבל לשקופיות מיקרוסקופ הדמיה, שיש להן דגימות דקות.

מיקום עצירת הצמצם בין שתי העדשות הופכת את המערכת לטלצנטרית בערך. כלומר הגדלת המערכת אינה תלויה במרחק האובייקט. זה הופך להיות חשוב לתפירת תמונות יחד. אם לאובייקט עומק משתנה, המבט משתי עמדות שונות ישנה את נקודת המבט (כמו ראיית האדם). לתפור תמונות שאינן ממערכת הדמיה טלצנטרית מאתגרות, במיוחד בהגדלה כה גבוהה.

השתמש במצמד הפוך של עדשת 58 מ"מ עד 52 מ"מ כדי להצמיד את העדשה 28 מ"מ לעדשת 80 מ"מ כאשר הצמצם ממוקם באמצע.

שלב 4: עיצוב שלב XY

עיצבתי את הבמה באמצעות Fusion 360. עבור כל כיוון סריקה, יש להדפיס תלת -ממד ארבעה חלקים: הר -עפר, שני מאריכי יחידות שקופיות ותושבת בורג עופרת. הבסיס והפלטפורמות של שלב XY הינם חתוכים בלייזר דיקט בעובי 3 מ מ. הבסיס מחזיק את המנוע ואת המחוונים של כיוון X, פלטפורמת ה- X מחזיקה את המנוע ואת המחוונים של כיוון ה- Y, ואת פלטפורמת Y מחזיקה את הדגימה. הבסיס מורכב מ -3 גיליונות ושתי הפלטפורמות מורכבות משני גיליונות. הקבצים לחיתוך לייזר והדפסה תלת -ממדית מסופקים בשלב זה. לאחר חיתוך והדפסה של חלקים אלה אתה מוכן לשלבים הבאים.

שלב 5: מכלול הר מנוע

בעזרת כלי לעטוף חוט, עוטף חוט סביב מוליטי שני פולטות IR ושני מקלטים IR. צבע את החוטים כדי שתדע איזה קצה הוא איזה. לאחר מכן חתכו את המוליכים מהדיודות, כך שרק חוטי גלישת החוטים יפעלו מכאן. החלק את החוטים דרך המדריכים בתושבת המנוע ולאחר מכן דחף את הדיודות למקומן. החוטים מכוונים כך שהם אינם נראים עד שהם יוצאים מהחלק האחורי של היחידה. ניתן לחבר חוטים אלה עם חוטי המנוע. כעת הרכיבו את מנוע הצעד באמצעות ארבעה ברגי M3. חזור על שלב זה עבור המנוע השני.

שלב 6: הרכבת שלב

הדביקו יחד את חתכי בסיס 1 ובסיס 2, אחד מהם עם פתחים משושים לאגוזים M3. לאחר שהדבק התייבש, פטיש את אגוזי ה- M3 למקומם. האומים לא יסובבו בעת לחיצה לתוך הלוח, כך שתוכל להבריג את הברגים מאוחר יותר. כעת הדביקו את גיליון הבסיס השלישי (בסיס 3) כדי לכסות את האגוזים.

עכשיו הגיע הזמן להרכיב את תושבת אגוז העופרת. נקה כל נימה נוספת מהתושבת ולאחר מכן דחף ארבעה אגוזים מסוג M3 למקומם. הם בכושר הדוק, לכן הקפד לפנות את שטח הבורג והאגוז בעזרת מברג קטן. ברגע שהאגוזים מיושרים, דחוף את אגוז העופרת לתושבת והצמד אותו בעזרת 4 ברגי M3.

חבר את אבני הכריות, מחזיקי המחוון ותושבת המנוע למתרגם הלינארי בכיוון X. שים את מכלול אגוז העופרת על בורג העופרת ולאחר מכן החלק את בורג ההובלה למקומו. השתמש במצמד כדי לחבר את המנוע לבורג העופרת. מקם את יחידות המחוון לתוך המוטות ולאחר מכן דחף את המוטות לתושבי המחוון. לבסוף, חבר את מאריכי הר המחוון עם ברגי M3.

יריעות הדיקט X1 ו- X2 מודבקות יחד באופן דומה לבסיס. אותו הליך חוזר על עצמו עבור המתרגם הלינארי של כיוון Y ושלב המדגם.

שלב 7: סורק אלקטרוניקה

לכל מנוע צעד יש ארבעה כבלים המחוברים למודול גשר H. ארבעת הכבלים מפולט IR ומקלט מחוברים לנגדים לפי התרשים לעיל. יציאות המקלט מחוברות לקלט אנלוגי A0 ו- A1. שני המודולים של גשר H מחוברים לסיכה 4-11 על הארדואינו ננו. כפתור לחיבור מחובר לסיכה 2 עם נגד 1 קאוהם לקלט משתמש פשוט.

לבסוף כפתור ההדק של ה- dSLR מחובר לתריס מרחוק, כפי שעשיתי עבור סורק ה- CT שלי (ראה שלב 7). חתכו את כבל התריס המרוחק. החוטים מסומנים כך:

צהוב - מיקוד

אדום - תריס

לבן - טחון

על מנת למקד את הזריקה, יש לחבר את החוט הצהוב לאדמה. כדי לצלם תמונה, החוט הצהוב והאדום חייב להיות מחובר לקרקע. חיברתי דיודה ואת הכבל האדום לפין 12, ולאחר מכן חיברתי דיודה נוספת והכבל הצהוב לסיכה 13. ההתקנה היא כמתואר ב- Hacks DIY ו- How-Tos.

שלב 8: רכישת תמונות Gigapixel

מצורף הקוד למיקרוסקופ ג'יגה -פיקסל. השתמשתי בספריית Stepper לשליטה במנועים באמצעות גשר ה- H. בתחילת הקוד, עליך לציין את שדה הראייה של המיקרוסקופ ואת מספר התמונות שברצונך לרכוש בכל כיוון.

לדוגמה, המיקרוסקופ שהכנתי היה בעל שדה ראייה של כ 8.2 מ"מ על 5.5 מ"מ. לכן, כיוונתי את המנועים לסובב 8 מ"מ בכיוון x ו- 5 מ"מ לכיוון y. 11 תמונות נרכשות לכל כיוון, בסך הכל 121 תמונות לתמונת הג'יגאפיקסל המלאה (פרטים נוספים על כך בשלב 11). הקוד מחשב את מספר השלבים שהמנועים צריכים לבצע כדי לתרגם את הבמה בכמות זו.

כיצד השלבים יודעים היכן הם נמצאים יחסית למנוע? כיצד השלבים מתורגמים מבלי לפגוע בשני הקצוות? בקוד ההתקנה כתבתי פונקציה שמזיזה את הבמה לכל כיוון עד שהיא שוברת את הנתיב בין פולט ה- IR למקלט ה- IR. כאשר האות על מקלט ה- IR יורד מתחת לסף כלשהו, המנוע נעצר. הקוד עוקב אחר עמדת הבמה ביחס למיקום הבית הזה. הקוד כתוב כך שהמנוע לא מתרגם רחוק מדי מה שיגרום לבמה להיתקל בקצה השני של בורג העופרת.

לאחר שהבמה מכוילת לכל כיוון, הבמה מתורגמת למרכז. בעזרת חצובה מיקמתי את מיקרוסקופ ה- dSLR שלי מעל הבמה. חשוב ליישר את שדה המצלמה עם הקווים החוצים על הבמה לדוגמא. לאחר שהבמה מיושרת עם המצלמה, הדבקתי את הבמה בעזרת סרט קלטת של צייר ואז הנחתי את הדוגמא על הבמה. המיקוד הותאם עם כיוון החצובה z. לאחר מכן המשתמש לוחץ על לחצן ההתחלה כדי להתחיל ברכישה. הבמה מתורגמת לפינה השמאלית התחתונה והמצלמה מופעלת. לאחר מכן הבמה סורקת את המדגם, בעוד המצלמה מצלמת תמונה בכל מיקום.

מצורף גם קוד לפתרון בעיות במנועים וחיישני IR.

שלב 9: תפירת תמונות

עם כל התמונות שנרכשו, אתה עומד כעת בפני האתגר לחבר את כולן יחד. אחת הדרכים לטפל בתפירת תמונות היא יישור ידני של כל התמונות בתוכנית גרפית (השתמשתי בגרפיקה של Autodesk). זה בהחלט יעבוד, אבל זה יכול להיות תהליך כואב והקצוות של התמונות ניכרים בתמונות הענק.

אפשרות נוספת היא להשתמש בטכניקות עיבוד תמונה כדי לתפור את התמונות באופן אוטומטי. הרעיון הוא למצוא תכונות דומות בחלק החופף של תמונות סמוכות ולאחר מכן להחיל טרנספורמציה של תרגום על התמונה כך שהתמונות מיושרות זו עם זו. לבסוף, ניתן לשלב את הקצוות יחד על ידי הכפלת החלק החופף על ידי גורם משקל ליניארי והוספתם יחד. זה יכול להיות אלגוריתם מרתיע לכתוב אם אתה חדש בעיבוד התמונה. עבדתי זמן מה על הבעיה, אך לא הצלחתי להשיג תוצאה אמינה לחלוטין. האלגוריתם נאבק ביותר בדגימות בעלות תכונות דומות מאוד לאורך כל הדרך, כמו הנקודות בתמונת המגזין. מצורף הקוד שכתבתי ב- Matlab, אך הוא דורש קצת עבודה.

האפשרות האחרונה היא להשתמש בתוכניות תפירת צילום של ג'יגאפיקסל. אין לי מה להציע, אבל אני יודע שהם נמצאים שם.

שלב 10: ביצועי מיקרוסקופ

למקרה שפיספסת, להלן התוצאות: תמונת מגזין, מפת סרוגה ואלקטרוניקה שונות.

מפרט המערכת מופיע בטבלה למעלה. ניסיתי הדמיה עם עדשה באורך מוקד של 28 מ"מ ו -50 מ"מ. הערכתי את הרזולוציה הטובה ביותר האפשרית של המערכת בהתבסס על גבול העקיפה (בסביבות 6 מיקרון). למעשה קשה לבדוק זאת בניסוי ללא יעד ברזולוציה גבוהה. ניסיתי להדפיס קובץ וקטורי המופיע בפורום צילום בפורמט גדול זה, אך הגבלתי את רזולוציית המדפסת שלי. הדבר הטוב ביותר שיכולתי לקבוע בעזרת תדפיס זה היה שלמערכת יש רזולוציה <40μm. חיפשתי גם תכונות קטנות ומבודדות בדוגמאות. המאפיין הקטן ביותר בהדפסה מהמגזין הוא כתם הדיו, שהערכתי גם הוא כ -40 מיקרומטר, כך שלא יכולתי להשתמש בו כדי לקבל אומדן טוב יותר לרזולוציה. היו דיווטים קטנים באלקטרוניקה שהיו מבודדים למדי. מכיוון שהכרתי את שדה הראייה, יכולתי לספור את מספר הפיקסלים שלוקחים את הדיוויטה הקטנה כדי לקבל אומדן של הרזולוציה, בערך 10-15 מיקרון.

בסך הכל, הייתי מרוצה מביצועי המערכת, אבל יש לי כמה הערות למקרה שתרצה לנסות את הפרויקט הזה.

יציבות הבמה: ראשית, קבלו רכיבי שלב לינארי באיכות גבוהה. המרכיבים שבהם השתמשתי היו הרבה יותר משחק ממה שחשבתי שהם יהיו. השתמשתי רק באחד ממרכזי המחוון בערכה לכל מוט, אז אולי בגלל זה הבמה לא הרגישה יציבה במיוחד. הבמה עבדה מספיק טוב בשבילי, אבל זה יהפוך לבעיה יותר עבור מערכות הגדלה גבוהות יותר.

אופטיקה לרזולוציה גבוהה יותר: ניתן להשתמש באותו רעיון למיקרוסקופים בהגדלה גבוהה יותר. עם זאת, יידרשו מנועים קטנים יותר עם גודל צעד עדין יותר. לדוגמה, הגדלה של 20X עם dSLR זה תביא לשדה ראייה של 1 מ מ (אם המיקרוסקופ יכול לדמיין מערכת גדולה כזאת ללא וינטינג). Electronupdate השתמש במנועי צעד מנגן תקליטורים במבנה נחמד למיקרוסקופ הגדלה גבוה יותר. פשרה נוספת תהיה עומק שדה רדוד, כלומר ההדמיה תהיה מוגבלת לדגימות דקות ותזדקק למנגנון תרגום עדין יותר בכיוון z.

יציבות החצובה: מערכת זו תעבוד טוב יותר עם מצלמה יציבה יותר. מערכת העדשות כבדה והחצובה מוטה 90 מעלות מהמיקום שלשמה היא מיועדת. הייתי צריך להדביק את רגלי החצובה כדי לעזור ליציבות. התריס יכול גם לזעזע את המצלמה מספיק כדי לטשטש את התמונות.