Masaüstü Gigapiksel Mikroskobu: 10 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Optik mikroskoplarda, görüş alanı ile çözünürlük arasında temel bir değiş tokuş vardır: detay ne kadar ince olursa, mikroskop tarafından görüntülenen bölge o kadar küçük olur. Bu sınırlamanın üstesinden gelmenin bir yolu, numuneyi çevirmek ve daha geniş bir görüş alanı üzerinden görüntüler elde etmektir. Temel fikir, büyük bir FOV oluşturmak için birçok yüksek çözünürlüklü görüntüyü bir araya getirmektir. Bu görüntülerde, hem tam numuneyi hem de numunenin herhangi bir bölümündeki ince ayrıntıları görebilirsiniz. Sonuç, tipik olarak yaklaşık 10 ila 50 milyon piksele sahip bir dSLR veya akıllı telefon tarafından çekilen resimlere kıyasla çok daha büyük olan yaklaşık bir milyar pikselden oluşan bir görüntüdür. Bu görüntülerdeki muazzam miktardaki bilginin etkileyici bir gösterimi için bu gigapiksel manzaralarına göz atın.

Bu talimatta, örnekte 2μm'ye karşılık gelen piksellerle 90mm x 60mm'lik bir görüş alanı görüntüleyebilen bir mikroskobun nasıl oluşturulacağını gözden geçireceğim (ancak, çözünürlüğün muhtemelen 15μm'ye daha yakın olduğunu düşünüyorum). Sistem kamera lenslerini kullanır, ancak aynı konsept, daha da iyi çözünürlük elde etmek için mikroskop hedefleri kullanılarak da uygulanabilir.

Mikroskop ile elde ettiğim gigapiksel görüntüleri EasyZoom'a yükledim:

1970 National Geographic dergisi görseli

Eşimin yaptığı tığ işi masa örtüsü

çeşitli elektronik

Diğer kaynaklar:

Optik mikroskopi eğitimleri:

Optik çözünürlük:

Görüntü birleştirmeye ek olarak, bilgisayarlı görüntülemedeki son gelişmeler, örneği hareket ettirmeden gigapiksel mikroskopisini mümkün kılıyor!

Adım 1: Tedarik Listesi

Malzemeler:

1. Nikon dSLR (Nikon D5000'imi kullandım)

2. 52 mm dişli 28 mm odak uzaklığı lensi

3. 58 mm diş açma ile 80 mm odak uzaklığı lensi

4. 52 mm'den 58 mm'ye ters kuplör

5. Tripod

6. Yedi adet 3 mm kalınlığında kontrplak

7. Arduino Nano

8. İki adet H-köprü L9110

9. İki IR yayıcı

10. İki IR alıcısı

11. Düğmeye basın

12. İki 2.2kOhm direnç

13. İki 150Ohm direnç

14. Bir adet 1kOhm direnç

15. Nikon kamera için uzaktan serbest bırakma

16. Siyah poster panosu

17. Donanım kiti:

18. İki adet step motor (Nema 17 Bipolar step motor 3.5V 1A kullandım)

19. İki adet 2 mm kurşun vida

20. Dört yastık bloğu

21. İki kurşun vida somunu

22. İki yataklı kayar burç ve 200 mm lineer mil:

23. 5V güç kaynağı:

24. Tel sarma teli

Aletler:

1. Lazer kesici

2. 3D yazıcı

3. Alyan anahtarları

4. Tel kesiciler

5. Tel sarma aracı

2. Adım: Sisteme Genel Bakış

Örneği çevirmek için, ortogonal yönlerde hizalanmış iki kademeli motor, bir aşamayı x ve y yönünde hareket ettirir. Motorlar, iki H köprüsü ve bir Arduino kullanılarak kontrol edilir. Kademeli motorun tabanına yerleştirilmiş bir IR sensörü, aşamaları sıfırlamak için kullanılır, böylece blokların her iki ucuna da girmezler. XY aşamasının üzerine bir dijital mikroskop yerleştirilmiştir.

Numune konumlandırıldığında ve sahne ortalandığında, alımı başlatmak için bir düğmeye basarsınız. Motorlar sahneyi sol alt köşeye taşır ve kamera tetiklenir. Motorlar daha sonra, kamera her konumda bir fotoğraf çekerken örneği küçük adımlarla çevirir.

Tüm görüntüler çekildikten sonra, görüntüler bir gigapiksel görüntü oluşturmak için birleştirilir.

Adım 3: Mikroskop Düzeneği

Bir dSLR (Nikon 5000), bir Nikon 28mm f/2.8 lens ve bir Nikon 28-80mm zoom lens ile düşük büyütmeli bir mikroskop yaptım. Yakınlaştırma lensi, 80 mm'ye eşit odak uzaklığı için ayarlandı. İki lens seti, bir mikroskop tüp lensi ve objektif lens gibi davranır. Toplam büyütme, 3X civarında odak uzunluklarının oranıdır. Bu lensler gerçekten bu konfigürasyon için tasarlanmamıştır, bu nedenle ışığın bir mikroskop gibi yayılmasını sağlamak için iki lens arasına bir açıklık durdurucu yerleştirmeniz gerekir.

İlk olarak, daha uzun odak uzunluklu merceği kameraya takın. Siyah poster panosundan, kabaca merceğin ön yüzeyinin boyutunda bir çapa sahip bir daire kesin. Sonra ortasından küçük bir daire kesin (yaklaşık 3 mm çap seçtim). Dairenin boyutu, sayısal açıklık (NA) olarak da adlandırılan sisteme giren ışık miktarını belirleyecektir. NA, iyi tasarlanmış mikroskoplar için sistemin yanal çözünürlüğünü belirler. Öyleyse neden bu kurulum için yüksek bir NA kullanmıyorsunuz? Pekala, iki önemli sebep var. İlk olarak, NA arttıkça sistemin optik sapmaları daha belirgin hale gelir ve sistemin çözünürlüğünü sınırlayacaktır. Bunun gibi alışılmamış bir kurulumda, durum muhtemelen böyle olacaktır, bu nedenle nihayetinde NA'yı artırmak artık çözünürlüğü iyileştirmeye yardımcı olmayacaktır. İkinci olarak, alan derinliği de NA'ya bağlıdır. NA ne kadar yüksek olursa, alan derinliği o kadar sığ olur. Bu, tamamen düz olmayan nesneleri odaklamayı zorlaştırır. NA çok yükselirse, ince numuneleri olan mikroskop lamlarını görüntülemekle sınırlı kalacaksınız.

Diyafram durağının iki lens arasında konumlandırılması, sistemi kabaca telesentrik yapar. Bu, sistemin büyütmesinin nesne mesafesinden bağımsız olduğu anlamına gelir. Bu, görüntüleri bir araya getirmek için önemli hale gelir. Nesnenin derinliği değişkense, o zaman iki farklı konumdan bakış açısı değişmiş olacaktır (insan görüşü gibi). Telesentrik bir görüntüleme sisteminden olmayan görüntüleri birleştirmek, özellikle bu kadar yüksek büyütme oranlarında zordur.

28 mm lensi, diyafram ortada konumlanmış olarak 80 mm lense takmak için 58 mm - 52 mm lens ters kuplörünü kullanın.

Adım 4: XY Sahne Tasarımı

Sahneyi Fusion 360 kullanarak tasarladım. Her tarama yönü için 3D yazdırılması gereken dört parça vardır: mounter mount, iki slayt ünitesi genişletici ve bir kurşun vidalı montaj. XY sahnesinin tabanı ve platformları 3 mm kalınlığında kontrplaktan lazerle kesilmiştir. Taban, X yönü motorunu ve kaydırıcıları tutar, X platformu Y yönlü motoru ve kaydırıcıları tutar ve Y platformu numuneyi tutar. Taban 3 yapraktan, iki platform 2 yapraktan oluşmaktadır. Lazer kesim ve 3D baskı için dosyalar bu adımda sağlanır. Bu parçaları kesip yazdırdıktan sonra sonraki adımlara hazırsınız.

Adım 5: Motor Montaj Montajı

Bir tel sarma aleti kullanarak, iki IR yayıcı ve iki IR alıcının uçlarının etrafına tel sarın. Hangi ucun hangisi olduğunu anlamak için kabloları renkle kodlayın. Ardından diyotların uçlarını kesin, böylece sadece tel sarma telleri o andan itibaren çalışır. Kabloları motor yuvasındaki kılavuzlardan geçirin ve ardından diyotları yerine itin. Kablolar, ünitenin arkasından çıkana kadar görünmeyecek şekilde yönlendirilir. Bu teller motor telleri ile birleştirilebilir. Şimdi dört M3 cıvata kullanarak step motoru monte edin. Bu adımı ikinci motor için tekrarlayın.

Adım 6: Sahne Montajı

Biri M3 somunlar için altıgen açıklıklara sahip olan Taban 1 ve Taban 2 kesimlerini birbirine yapıştırın. Tutkal kuruduktan sonra M3 somunlarını yerine oturtun. Somunlar tahtaya bastırıldığında dönmeyecektir, bu nedenle cıvataları daha sonra vidalayabileceksiniz. Şimdi somunları örtmek için üçüncü taban tabakasını (Taban 3) yapıştırın.

Şimdi kurşun somun montajını monte etme zamanı. Montajdaki fazla filamenti temizleyin ve ardından dört M3 somunu yerine itin. Sıkı otururlar, bu nedenle cıvata ve somun boşluğunu küçük bir tornavidayla temizlediğinizden emin olun. Somunlar hizalandığında, kurşun somunu yuvaya itin ve 4 M3 cıvatayla takın.

X-yönü doğrusal çevirici için yastık bloklarını, kaydırıcı yuvalarını ve motor bağlantı parçasını tabana takın. Kurşun somun tertibatını kurşun vidanın üzerine yerleştirin ve ardından kurşun vidayı yerine kaydırın. Motoru kurşun vidaya bağlamak için kuplörü kullanın. Sürgü birimlerini çubuklara yerleştirin ve ardından çubukları sürgü bağlantılarına doğru itin. Son olarak, kaydırıcı montaj genişleticilerini M3 cıvatalarla takın.

X1 ve X2 kontrplak levhaları, tabana benzer şekilde birbirine yapıştırılır. Aynı prosedür, Y-yönü doğrusal çevirici ve örnek aşaması için tekrarlanır.

Adım 7: Tarayıcı Elektroniği

Her step motorun bir H-köprü modülüne bağlı dört kablosu vardır. Kızılötesi yayıcı ve alıcıdan gelen dört kablo, yukarıdaki şemaya göre dirençlere bağlanır. Alıcıların çıkışları, A0 ve A1 analog girişine bağlanır. İki H-köprü modülü, Arduino Nano'daki 4-11 pinine bağlanır. Basit kullanıcı girişi için pin 2'ye 1kOhm'luk bir dirençle bir buton bağlanır.

Son olarak, dSLR'nin tetik düğmesi, benim CT tarayıcım için yaptığım gibi, uzak bir deklanşöre bağlı (bkz. adım 7). Uzak deklanşör kablosunu kesin. Teller aşağıdaki gibi etiketlenmiştir:

Sarı – odak

Kırmızı – deklanşör

Beyaz - zemin

Çekimi odaklamak için sarı kablo toprağa bağlanmalıdır. Fotoğraf çekmek için hem sarı hem de kırmızı kablo toprağa bağlanmalıdır. Bir diyot ve kırmızı kabloyu pim 12'ye bağladım ve ardından başka bir diyot ve sarı kabloyu pim 13'e bağladım. Kurulum, DIY Hacks ve Nasıl Yapılır talimatlarında açıklandığı gibidir.

8. Adım: Gigapiksel Görüntüler Edinme

Gigapiksel mikroskobunun kodu ektedir. H köprüsü ile motorları kontrol etmek için Step kütüphanesini kullandım. Kodun başında, mikroskobun görüş alanını ve her yönde elde etmek istediğiniz görüntü sayısını belirtmelisiniz.

Örneğin, yaptığım mikroskop yaklaşık 8,2 mm x 5,5 mm'lik bir görüş alanına sahipti. Bu nedenle motorları x yönünde 8 mm, y yönünde 5 mm kaydırmaya yönlendirdim. Tam gigapiksel görüntü için toplam 121 görüntü olmak üzere her yönde 11 görüntü alınır (bununla ilgili daha fazla ayrıntı 11. adımda). Kod daha sonra motorların aşamayı bu miktara göre çevirmek için yapması gereken adım sayısını hesaplar.

Kademeler motora göre nerede olduklarını nasıl biliyorlar? Aşamalar her iki uca da çarpmadan nasıl çevrilir? Kurulum kodunda, IR yayıcı ve IR alıcı arasındaki yolu kesene kadar sahneyi her yönde hareket ettiren bir fonksiyon yazdım. IR alıcısındaki sinyal bir eşiğin altına düştüğünde motor durur. Kod daha sonra sahnenin bu ana konuma göre konumunu izler. Kod, motorun çok fazla çevrilmemesi için yazılmıştır, bu da sahnenin kurşun vidanın diğer ucuna geçmesine neden olur.

Sahne her yönde kalibre edildikten sonra, sahne merkeze çevrilir. Bir tripod kullanarak dSLR mikroskobumu sahneye yerleştirdim. Örnek sahnede kamera alanını çapraz çizgilerle hizalamak önemlidir. Sahne kamerayla hizalandığında, sahneyi bir ressamın bandıyla bantladım ve ardından numuneyi sahneye yerleştirdim. Odak, tripod z yönü ile ayarlandı. Kullanıcı daha sonra edinimi başlatmak için düğmeye basar. Sahne sol alt köşeye çevrilir ve kamera tetiklenir. Sahne daha sonra tarama örneği tarar, bu sırada kamera her konumda bir fotoğraf çeker.

Ayrıca motorlarda ve IR sensörlerinde sorun gidermeye yönelik bazı kodlar da eklenmiştir.

9. Adım: Görüntüleri Birleştirme

Elde edilen tüm görüntülerle, şimdi hepsini bir araya getirme zorluğuyla karşı karşıyasınız. Görüntü birleştirmeyi işlemenin bir yolu, bir grafik programında tüm görüntüleri manuel olarak hizalamaktır (Autodesk'in Grafiği'ni kullandım). Bu kesinlikle işe yarayacaktır, ancak ağrılı bir süreç olabilir ve gigapiksel görüntülerde görüntülerin kenarları fark edilir.

Diğer bir seçenek de, görüntüleri otomatik olarak birleştirmek için görüntü işleme tekniklerini kullanmaktır. Buradaki fikir, bitişik görüntülerin örtüşen bölümünde benzer özellikleri bulmak ve ardından görüntülerin birbiriyle hizalanması için görüntüye bir çeviri dönüşümü uygulamaktır. Son olarak, örtüşen bölüm doğrusal ağırlık faktörü ile çarpılarak ve bir araya toplanarak kenarlar birbirine karıştırılabilir. Görüntü işlemede yeniyseniz, bu yazmak için göz korkutucu bir algoritma olabilir. Bir süre problem üzerinde çalıştım ama tam olarak güvenilir bir sonuç alamadım. Algoritma, dergi görüntüsündeki noktalar gibi baştan sona çok benzer özelliklere sahip örneklerle en çok mücadele etti. Ekli, Matlab'da yazdığım kod, ancak biraz çalışması gerekiyor.

Son seçenek, gigapiksel fotoğraf dikiş programlarını kullanmaktır. Önerecek bir şeyim yok ama orada olduklarını biliyorum.

Adım 10: Mikroskop Performansı

Kaçırdıysanız, işte sonuçlar: dergi resmi, tığ işi masa örtüsü ve çeşitli elektronikler.

Sistemin özellikleri yukarıdaki tabloda listelenmiştir. Hem 28 mm hem de 50 mm odak uzaklığı lensiyle görüntülemeyi denedim. Kırınım sınırına (yaklaşık 6μm) dayanarak sistemin mümkün olan en iyi çözünürlüğünü tahmin ettim. Bunu yüksek çözünürlüklü bir hedef olmadan deneysel olarak test etmek gerçekten zor. Bu geniş formatlı fotoğrafçılık forumunda listelenen bir vektör dosyasını yazdırmayı denedim, ancak yazıcı çözünürlüğümle sınırlı kaldım. Bu çıktıyla belirleyebildiğim en iyi şey, sistemin <40μm çözünürlüğe sahip olmasıydı. Ayrıca örneklerde küçük, izole özellikler aradım. Dergideki baskıdaki en küçük özellik, yaklaşık 40μm olduğunu tahmin ettiğim mürekkep lekesi, bu yüzden çözünürlük için daha iyi bir tahmin elde etmek için kullanamadım. Elektronikte oldukça iyi izole edilmiş küçük boşluklar vardı. Görüş alanını bildiğim için, çözünürlüğün yaklaşık 10-15μm'lik bir tahminini elde etmek için küçük bölümü alan piksel sayısını sayabildim.

Genel olarak, sistemin performansından memnun kaldım, ancak bu projeyi denemek isterseniz diye birkaç notum var.

Sahne stabilitesi: İlk olarak, yüksek kaliteli lineer sahne bileşenleri elde edin. Kullandığım bileşenler düşündüğümden çok daha fazla oyuna sahipti. Her çubuk için kitteki kaydırıcı bağlantılardan yalnızca birini kullandım, belki de bu yüzden sahne çok dengeli gelmiyordu. Sahne benim için yeterince iyi çalıştı, ancak bu daha yüksek büyütme sistemleri için daha fazla sorun haline gelecekti.

Daha yüksek çözünürlük için optik: Aynı fikir daha yüksek büyütmeli mikroskoplar için de kullanılabilir. Ancak, daha ince adım boyutuna sahip daha küçük motorlar gerekli olacaktır. Örneğin, bu dSLR ile 20X büyütme, 1 mm'lik bir görüş alanı ile sonuçlanacaktır (eğer mikroskop bu kadar büyük bir sistemi vinyet olmadan görüntüleyebiliyorsa). Electronupdate, daha yüksek bir büyütme mikroskobu için güzel bir yapıda bir CD çalardan step motorları kullandı. Diğer bir değiş tokuş, sığ alan derinliği olacaktır; bu, görüntülemenin ince örneklerle sınırlı olacağı ve z yönünde daha ince çeviri mekanizmasına ihtiyacınız olacağı anlamına gelir.

Tripodun kararlılığı: Bu sistem, daha kararlı bir kamera montajı ile daha iyi çalışır. Lens sistemi ağırdır ve tripod, tasarlandığı konumdan 90 derece eğimlidir. Dengeye yardımcı olması için tripodun ayaklarını bantlamak zorunda kaldım. Deklanşör ayrıca kamerayı görüntüleri bulanıklaştıracak kadar sallayabilir.