Жұмыс үстеліндегі гигапиксельді микроскоп: 10 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:25

Оптикалық микроскоптарда көру өрісі мен ажыратымдылық арасында негізгі айырмашылық бар: деталь неғұрлым ұсақ болса, микроскоппен бейнеленетін аймақ соғұрлым кіші болады. Бұл шектеуді жеңудің бір жолы-үлгіні аудару және үлкен көрініс аумағында суреттер алу. Негізгі идея - үлкен FOV құру үшін көптеген жоғары ажыратымдылықтағы суреттерді біріктіру. Бұл суреттерде сіз толық үлгіні де, үлгінің кез келген бөлігіндегі ұсақ бөлшектерді де көре аласыз. Нәтижесінде шамамен 10-50 миллион пиксель болатын dSLR немесе смартфонмен түсірілген суреттермен салыстырғанда біршама үлкен пикселден тұратын кескін пайда болады. Бұл суреттердегі ақпараттың үлкен көлемін әсерлі түрде көрсету үшін осы гигапиксельді пейзаждарды қараңыз.

Бұл нұсқаулықта мен үлгіде 2 мкм сәйкес келетін пиксельдері 90 мм х 60 мм көріністі түсіруге қабілетті микроскопты қалай жасау керектігін қарастырамын (дегенмен, меніңше, рұқсат 15 мкм-ге жақын). Жүйе камера линзаларын қолданады, бірақ дәл осындай ұғымды дәлірек ажырату үшін микроскоптың көмегімен қолдануға болады.

Мен микроскоппен EasyZoom -да алған гигапиксельді суреттерді жүктедім:

1970 ж. National Geographic журналының суреті

Әйелім жасаған дастархан тоқу

Әр түрлі электроника

Басқа ресурстар:

Оптикалық микроскопия оқулықтары:

Оптикалық ажыратымдылық:

Кескінді тігуден басқа, есептік бейнелеудегі соңғы жетістіктер үлгіні жылжытпай -ақ, гигапиксельді микроскопияны жасауға мүмкіндік береді!

1 -қадам: жеткізілім тізімі

Материалдар:

1. Nikon dSLR (мен Nikon D5000 қолдандым)

2. 28 мм фокустық линза, 52 мм бұрандалы

3. 58 мм бұрандалы фокустық ұзындығы 80 мм линза

4. 52 мм -ден 58 мм -ге дейінгі кері қосқыш

5. Штатив

6. Қалыңдығы 3 мм фанераның жеті парағы

7. Ардуино Нано

8. Екі H-көпір L9110

9. Екі инфрақызыл сәуле шығарғыш

10. Екі IR қабылдағыш

11. Түймені басыңыз

12. 2.2 кОмдық екі резистор

13. 150 Ом екі резистор

14. 1кОм бір резистор

15. Nikon камерасы үшін қашықтан шығарылым

16. Қара плакат тақтасы

17. Жабдықтар жиынтығы:

18. Екі сатылы қозғалтқыш (мен Nema 17 биполярлы қозғалтқышты 3.5В 1А қолдандым)

19. 2 мм екі бұрандалы бұрандалар

20. Төрт жастық блок

21. Екі бұрандалы гайкалар

22. Екі мойынтірек сырғытпасы және 200 мм сызықтық біліктер:

23. 5В қуат көзі:

24. Сымды орайтын сым

Құралдар:

1. Лазерлік кескіш

2. 3D принтері

3. Аллен кілттері

4. Сым кескіштер

5. Сымды орау құралы

2 -қадам: жүйеге шолу

Үлгіні аудару үшін ортогоналды бағытта тураланған екі сатылы қозғалтқыштар х пен у бағытында сатыға жылжиды. Қозғалтқыштар екі H көпірі мен Arduino көмегімен басқарылады. Қадамдық қозғалтқыштың негізінде орналасқан IR сенсоры сатыларды нөлге келтіру үшін қолданылады, сондықтан олар блоктардың екі шетіне де түспейді. Сандық микроскоп XY сатысынан жоғары орналасқан.

Үлгі орналастырылғаннан кейін және саты ортаға қойылғаннан кейін, сатып алуды бастау үшін түймені басасыз. Қозғалтқыштар сахнаны төменгі сол жақ бұрышқа жылжытады және камера іске қосылады. Қозғалтқыштар үлгіні кішігірім қадамдармен аударады, өйткені камера әр позицияда суретке түседі.

Барлық суреттер түсірілгеннен кейін, суреттер гигапиксельді кескінді қалыптастыру үшін біріктіріледі.

3 -қадам: микроскопты құрастыру

Мен dSLR (Nikon 5000), Nikon 28mm f/2.8 объективі мен Nikon 28-80mm масштабтау объективі бар кішірейтетін микроскоп жасадым. Масштабтау объективі 80 мм -ге тең фокустық қашықтыққа орнатылды. Екі линзаның жиынтығы микроскоп түтік линзасы мен объективті линза сияқты әрекет етеді. Жалпы үлкейту - бұл фокус арақашықтығының қатынасы, шамамен 3X. Бұл линзалар шын мәнінде бұл конфигурацияға арналмаған, сондықтан жарық микроскоп сияқты таралуы үшін екі линзаның арасында саңылауды қою керек.

Алдымен камераға фокустық ұзындығы ұзын линзаны орнатыңыз. Диаметрі линзаның алдыңғы бетінің өлшеміне сәйкес келетін қара плакат тақтасынан шеңберді кесіңіз. Содан кейін ортасында кішкене шеңберді кесіңіз (диаметрі шамамен 3 мм). Шеңбердің өлшемі жүйеге түсетін жарық мөлшерін анықтайды, оны сандық диафрагма деп те атайды. NA жақсы микроскоптар үшін жүйенің бүйірлік ажыратымдылығын анықтайды. Неліктен бұл орнату үшін жоғары NA қолданбасқа? Рас, екі негізгі себеп бар. Біріншіден, NA жоғарылаған сайын жүйенің оптикалық ауытқулары айқын бола бастайды және жүйенің ажыратымдылығын шектейді. Дәстүрлі емес қондырғыда бұл солай болуы мүмкін, сондықтан NA жоғарылату ақырында шешімді жақсартуға көмектеспейді. Екіншіден, өрістің тереңдігі де НА -ға байланысты. НА неғұрлым жоғары болса, өріс тереңдігі соғұрлым аз болады. Бұл тегіс емес объектілерге назар аударуды қиындатады. Егер NA тым жоғары болса, онда сіз жіңішке үлгілері бар микроскоп слайдтарын бейнелеумен шектелесіз.

Апертураның екі линза арасындағы орналасуы жүйені шамамен телесентрлік етеді. Бұл жүйенің ұлғаюы объектінің қашықтығына тәуелсіз екенін білдіреді. Бұл кескіндерді біріктіру үшін маңызды болады. Егер объектінің тереңдігі әр түрлі болса, онда екі түрлі позицияның көзқарасы өзгереді (адамның көзқарасы сияқты). Кескіндерді телементрлік жүйеден жинау қиын, әсіресе жоғары ұлғайту кезінде.

28 мм линзаны саңылауы ортасында орналасқан 80 мм объективке бекіту үшін 58 мм -ден 52 мм -ге дейінгі линзаның кері қосқышын қолданыңыз.

4 -қадам: XY сахналық дизайны

Мен сахнаны Fusion 360 көмегімен жасадым. Әр сканерлеу бағыты үшін 3D басып шығаруды қажет ететін төрт бөлік бар: бекіткіш қондырғы, екі сырғытпалы қондырғы және бұрандалы бекіткіш. XY сатысының негізі мен платформасы қалыңдығы 3 мм фанерадан лазермен кесілген. Негізге X бағытты қозғалтқыш пен сырғытпалар, X платформасына Y бағытты қозғалтқыш пен сырғытпалар, ал Y платформасы үлгіні ұстайды. Негіз 3 парақтан тұрады, ал екі платформа 2 парақтан тұрады. Бұл қадамда лазермен кесуге және 3D басып шығаруға арналған файлдар берілген. Бұл бөлшектерді кесіп, басып шығарғаннан кейін сіз келесі қадамдарға дайынсыз.

5 -қадам: Қозғалтқышты бекіту

Сымды орау құралын қолданып, сымды екі ИҚ сәулелендіргіш пен екі ИҚ қабылдағыштың сымдарына ораңыз. Сымдардың түстерін кодтаңыз, осылайша сіз қай ұштың қайсысы екенін білесіз. Содан кейін диодтардың сымдарын кесіңіз, сондықтан сымнан жасалған сымдар сол уақыттан бастап жұмыс істейді. Сымдарды қозғалтқыш қондырғысындағы бағыттағыштар арқылы сырғытыңыз, содан кейін диодтарды орнына қойыңыз. Сымдар бағытталады, сондықтан олар құрылғының артқы жағынан шықпайынша көрінбейді. Бұл сымдарды қозғалтқыш сымдарына қосуға болады. Енді қадамдық қозғалтқышты төрт M3 болтпен бекітіңіз. Бұл қадамды екінші қозғалтқыш үшін қайталаңыз.

6 -қадам: Сахналық жинақ

Негізгі 1 мен Негізгі 2 кесінділерді желімдеңіз, олардың біреуі M3 жаңғақтары үшін алтыбұрышты саңылаулары бар. Желімді құрғатқаннан кейін, M3 жаңғақтарын орнына бекітіңіз. Гайкалар тақтаға басылғанда айналмайды, сондықтан болттарды кейін бұрап алуға болады. Енді жаңғақтарды жабу үшін үшінші негіз парағын (3 -негіз) жабыстырыңыз.

Енді гайка бекіткішін жинау уақыты келді. Бекіткіштен қосымша жіптерді алыңыз, содан кейін төрт M3 гайкасын орнына итеріңіз. Олар тығыз бекітілген, сондықтан болт пен гайканың кеңістігін кішкене бұрағышпен тазалаңыз. Жаңғақтар тураланғаннан кейін, гайканы бекіткішке итеріп, оны 4 М3 болттармен бекітіңіз.

X-бағытты сызықты аудармашының жастық блоктарын, сырғытпаларды және қозғалтқыш қондырмасын негізге бекітіңіз. Қорғасын гайкасының жинағын жетек бұрандасына салыңыз, содан кейін бұрандалы бұранданы орнына салыңыз. Қозғалтқышты бұрандаға қосу үшін қосқышты қолданыңыз. Жүгірткі қондырғыларын штангаларға салыңыз, содан кейін штангаларды сырғытпаларға бекітіңіз. Соңында, жүгірткінің бекіткіштерін M3 болттарымен бекітіңіз.

X1 және X2 фанер парақтары негізге ұқсас етіп желімделеді. Дәл осындай процедура Y бағытты сызықтық аудармашы мен үлгі кезеңі үшін қайталанады.

7 -қадам: Электроника сканері

Әрбір қадамдық қозғалтқышта H-көпір модуліне қосылған төрт кабель бар. IR эмитенті мен қабылдағыштың төрт кабелі жоғарыдағы схемаға сәйкес резисторларға қосылған. Қабылдағыштардың шығысы A0 және A1 аналогты кірісіне қосылады. H-көпірінің екі модулі Arduino Nano-дағы 4-11 түйреуішке қосылған. 2 -түйреуішке 1кОм резисторы бар түймені пайдаланушының қарапайым кірісі үшін қосады.

Ақырында, dSLR үшін іске қосу түймесі мен CT сканері сияқты қашықтағы ысырмаға қосылады (7 -қадамды қараңыз). Қашықтан ысырма кабелін кесіңіз. Сымдар келесідей таңбаланады:

Сары - фокус

Қызыл - ысырма

Ақ - жер

Оқты фокустау үшін сары сым жерге қосылуы керек. Суретке түсіру үшін сары және қызыл сым жерге қосылуы керек. Мен диод пен қызыл кабельді 12-істікке жалғадым, содан кейін басқа диод пен сары кабельді 13-істікке жалғадым. Орнату DIY Hacks және How-Tos нұсқаулығында сипатталғандай.

8 -қадам: гигапиксельді суреттерді алу

Гигапиксельді микроскоптың коды қоса берілген. Мен H көпірімен қозғалтқыштарды басқару үшін Stepper кітапханасын қолдандым. Кодтың басында сіз микроскоптың көріну өрісін және әр бағытта алғыңыз келетін суреттер санын көрсетуіңіз керек.

Мысалы, мен жасаған микроскоптың көру қашықтығы шамамен 8,2 мм х 5,5 мм болды. Сондықтан мен қозғалтқыштарды х бағытта 8 мм және у бағытында 5 мм жылжытуға бағыттадым. Гигапиксельді толық кескін үшін 121 суреттен тұратын әр бағытта 11 сурет алынады (бұл туралы толығырақ 11 -қадамда). Содан кейін код қозғалтқыштардың сахнаны осы мөлшерге аудару үшін қажет қадамдар санын есептейді.

Қандай кезеңдер қозғалтқышқа қатысты екенін қайдан біледі? Кезеңдер екі жағына да соқпай қалай аударылады? Орнату кодында мен IR эмитенті мен ИҚ қабылдағыш арасындағы жолды бұзғанша әр бағытта сатыны жылжытатын функция жаздым. IR қабылдағыштағы сигнал белгілі бір шекті мәннен төмен түскенде, қозғалтқыш тоқтайды. Содан кейін код осы бастапқы позицияға қатысты сахнаның орнын бақылайды. Код қозғалтқыш тым алыс аударылмайтын етіп жазылған, бұл сахнаны бұранданың екінші ұшына жібереді.

Кез келген бағыт бойынша калибрленгеннен кейін сахна ортаға аударылады. Штативті қолдана отырып, мен dSLR микроскопын сахнаға қойдым. Үлгі сатысында камера өрісін қиылысқан сызықтармен туралау маңызды. Сахна камерамен тураланғаннан кейін, мен суретшінің таспасымен сахнаны жапсырдым, содан кейін үлгіні сахнаға қойдым. Фокус штатив z-бағытымен реттелген. Содан кейін пайдаланушы сатып алуды бастау үшін батырманы басады. Сахна төменгі сол жақ бұрышқа аударылады және камера іске қосылады. Содан кейін растр үлгіні сканерлейді, ал камера әр позицияға суретке түсіреді.

Сондай -ақ, қозғалтқыштар мен инфрақызыл сенсорлардың ақаулықтарын жоюға арналған код бар.

9 -қадам: кескіндерді тігу

Барлық алынған суреттермен сіз қазір олардың барлығын біріктіру қиынға соғады. Кескін тігуді өңдеудің бір әдісі - графикалық бағдарламадағы барлық суреттерді қолмен туралау (мен Autodesk графикасын қолдандым). Бұл міндетті түрде жұмыс істейді, бірақ бұл ауыр процесс болуы мүмкін және кескіндердің жиектері гигапиксельді суреттерде байқалады.

Басқа нұсқа - кескіндерді автоматты түрде біріктіру үшін кескінді өңдеу әдістерін қолдану. Идея - көршілес кескіндердің бір -біріне сәйкес келетін бөлігінен ұқсас ерекшеліктерді табу, содан кейін суреттердің бір -біріне сәйкес келуі үшін аударма түрлендіруді қолдану. Ақырында, жиектерді бір -бірімен қабаттасатын бөлікті сызықтық салмақ коэффициентіне көбейту және оларды қосу арқылы араластыруға болады. Егер сіз кескінді өңдеуде жаңадан болсаңыз, бұл жазу алгоритмі болуы мүмкін. Мен мәселе бойынша біраз жұмыс жасадым, бірақ толық сенімді нәтиже ала алмадым. Алгоритм журнал суреттеріндегі нүктелер сияқты өте ұқсас сипаттамалары бар үлгілермен күресті. Мен Matlab -те жазған код тіркелген, бірақ оған біраз жұмыс қажет.

Соңғы нұсқа - гигапиксельді фотосурет тігу бағдарламаларын қолдану. Менде ұсыныс жоқ, бірақ мен олардың бар екенін білемін.

10 -қадам: микроскоптың өнімділігі

Егер сіз оны жіберіп алған болсаңыз, онда нәтижелер: журнал суреті, тоқылған дастархан және әр түрлі электроника.

Жүйенің ерекшеліктері жоғарыдағы кестеде көрсетілген. Мен 28 мм және 50 мм фокустық линзалармен суретке түсіруге тырыстым. Мен дифракция шегіне (шамамен 6 мкм) негізделген жүйенің мүмкін болатын ең жақсы ажыратымдылығын бағаладым. Шын мәнінде жоғары ажыратымдылықсыз бұл тәжірибені сынау қиын. Мен осы үлкен форматтағы фотографиялық форумда көрсетілген векторлық файлды басып шығаруға тырыстым, бірақ мен принтердің ажыратымдылығымен шектелдім. Бұл басып шығару арқылы мен анықтай алатын ең жақсы нәрсе - бұл жүйенің ажыратымдылығы <40 мкм. Мен сондай -ақ үлгілерде шағын, оқшауланған ерекшеліктерді іздедім. Журналдың басылымындағы ең кіші ерекшелігі - сия дақтары, мен оны шамамен 40 мкм деп есептедім, сондықтан мен оны ажыратымдылықты жақсырақ бағалау үшін пайдалана алмадым. Электроникада өте жақсы оқшауланған шағын бөліктер болды. Мен көру өрісін білетіндіктен, рұқсатты бағалау үшін кішкене нүктені алатын пикселдердің санын санауға болады, шамамен 10-15 мкм.

Тұтастай алғанда, мен жүйенің жұмысына риза болдым, бірақ егер сіз бұл жобаны сынап көргіңіз келсе, менде бірнеше ескертулер бар.

Сахнаның тұрақтылығы: Біріншіден, жоғары сапалы желілік саты компоненттерін алыңыз. Мен қолданатын компоненттер мен ойлағаннан әлдеқайда көп болды. Мен жинақтағы сырғытпалардың тек біреуін ғана қолдандым, сондықтан да сахна өзін соншалықты тұрақты сезінбеді. Сахна мен үшін жақсы жұмыс істеді, бірақ бұл үлкейту жүйелері үшін үлкен мәселе болады.

Жоғары ажыратымдылықтағы оптика: Дәл осындай идеяны үлкейту микроскоптары үшін қолдануға болады. Алайда, кішірек қозғалтқыштар қажет болады. Мысалы, осы dSLR көмегімен 20 есе үлкейту нәтижесінде 1 мм көрініс алынады (егер микроскоп үлкен жүйені винетингсіз бейнелей алатын болса). Electronupdate ықшам микроскоп үшін компакт -дискідегі ойнатқыштың қадамдық қозғалтқыштарын қолданды. Тағы бір айырмашылық өрістің таяз тереңдігі болады, яғни бейнелеу жұқа үлгілермен шектеледі және сізге z-бағытта дәл аударма механизмі қажет болады.

Штативтің тұрақтылығы: бұл жүйе камераның тұрақты қондырғысымен жақсы жұмыс істейді. Линзалар жүйесі ауыр және штатив 90 градусқа еңкейтілген. Тұрақтылықты қамтамасыз ету үшін штативтің аяғын таспамен бекітуге тура келді. Ысырма сонымен қатар кескіндерді бұлдырату үшін камераны жеткілікті түрде сілкіндіруі мүмкін.