میکروسکوپ رومیزی Gigapixel: 10 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

در میکروسکوپ های نوری ، یک مبادله اساسی بین میدان دید و وضوح وجود دارد: هرچه جزئیات ریزتر باشد ، ناحیه کوچکتر توسط میکروسکوپ کوچکتر می شود. یکی از راه های غلبه بر این محدودیت ، ترجمه نمونه و به دست آوردن تصاویر در یک میدان دید بزرگتر است. ایده اصلی این است که بسیاری از تصاویر با وضوح بالا را به هم بچسبانید تا یک FOV بزرگ ایجاد شود. در این تصاویر ، هم نمونه کامل و هم جزئیات دقیق در هر قسمتی از نمونه را مشاهده می کنید. در نتیجه تصویری متشکل از حدود یک میلیارد پیکسل ، بسیار بزرگتر از تصاویر گرفته شده توسط dSLR یا تلفن هوشمند ، که معمولاً حدود 10 تا 50 میلیون پیکسل دارند. این مناظر گیگاپیکسلی را برای نمایش چشمگیر حجم عظیمی از اطلاعات در این تصاویر بررسی کنید.

در این مقاله آموزشی ، من نحوه ساخت میکروسکوپی با قابلیت تصویربرداری از میدان دید 90 میلی متر در 60 میلی متر با پیکسل های مربوط به 2 میکرومتر در نمونه را بررسی می کنم (اگرچه ، من فکر می کنم رزولوشن احتمالاً نزدیک به 15 میکرومتر است). این سیستم از لنزهای دوربین استفاده می کند ، اما همان مفهوم را می توان با استفاده از اهداف میکروسکوپ برای به دست آوردن وضوح بهتر استفاده کرد.

تصاویر گیگاپیکسلی را که با میکروسکوپ به دست آوردم در EasyZoom بارگذاری کردم:

تصویر مجله نشنال جئوگرافیک 1970

سفره قلاب بافی که همسرم درست کرد

لوازم الکترونیکی متفرقه

سایر منابع:

آموزش میکروسکوپ نوری:

وضوح نوری:

علاوه بر دوخت تصویر ، پیشرفت های اخیر در تصویربرداری محاسباتی میکروسکوپ گیگاپیکسلی را حتی بدون حرکت نمونه امکان پذیر می سازد!

مرحله 1: فهرست عرضه

مواد:

1. Nikon dSLR (من از Nikon D5000 خود استفاده کردم)

2. لنز فاصله کانونی 28 میلی متری با نخ 52 میلی متری

3. لنز فاصله کانونی 80 میلی متری با نخ 58 میلی متری

4. کوپلر معکوس 52 تا 58 میلی متر

5. سه پایه

6. هفت ورق از تخته سه لا ضخامت 3 میلی متر

7. آردوینو نانو

8. دو پل H9110

9. دو ساطع کننده IR

10. دو گیرنده IR

11. دکمه را فشار دهید

12. دو مقاومت 2.2 کیلو اهم

13. دو مقاومت 150 اهم

14. یک مقاومت 1 کیلو اهم

15. انتشار از راه دور برای دوربین نیکون

16. تخته پوستر مشکی

17. کیت سخت افزار:

18. دو موتور پله ای (من از Nema 17 موتور دوقطبی 3.5V 1A استفاده کردم)

19. دو پیچ سربی 2 میلی متری

20. چهار بلوک بالش

21. دو مهره پیچ سربی

22. دو بوش اسلاید بلبرینگ و شفت خطی 200 میلی متری:

23. منبع تغذیه 5 ولت:

24. سیم پیچ سیم

ابزارها:

1. برش لیزری

2. چاپگر سه بعدی

3. آچارهای آلن

4. برش سیم

5. ابزار بسته بندی سیم

مرحله 2: مرور سیستم

برای ترجمه نمونه ، دو موتور پله ای تراز شده در جهت های متعامد یک مرحله را در جهت x و y حرکت می دهند. موتورها با استفاده از دو پل H و یک آردوینو کنترل می شوند. یک سنسور IR واقع در پایه موتور پله ای برای صفر کردن مراحل استفاده می شود تا در انتهای بلوک ها قرار نگیرند. یک میکروسکوپ دیجیتال در بالای مرحله XY قرار گرفته است.

هنگامی که نمونه قرار می گیرد و مرحله در مرکز قرار می گیرد ، یک دکمه را برای شروع خرید فشار می دهید. موتورها مرحله را به گوشه پایین سمت چپ منتقل می کنند و دوربین فعال می شود. سپس موتورها نمونه را در مراحل کوچک ترجمه می کنند ، زیرا دوربین در هر موقعیت عکس می گیرد.

پس از گرفتن تمام تصاویر ، تصاویر سپس به هم چسبیده می شوند تا یک تصویر گیگاپیکسلی ایجاد شود.

مرحله 3: مجموعه میکروسکوپ

من یک میکروسکوپ بزرگنمایی کم با dSLR (نیکون 5000) ، لنز نیکون 28 میلی متر f/2.8 و لنز زوم نیکون 28-80 میلی متر ساختم. لنز زوم برای فاصله کانونی برابر با 80 میلی متر تنظیم شده است. مجموعه این دو لنز مانند یک لنز لوله میکروسکوپی و یک لنز شیئی عمل می کند. بزرگنمایی کل نسبت فاصله های کانونی ، حدود 3X است. این لنزها واقعاً برای این پیکربندی طراحی نشده اند ، بنابراین برای انتشار نور مانند میکروسکوپ ، باید یک توقف دیافراگم را بین دو لنز قرار دهید.

ابتدا لنز با فاصله کانونی بلندتر را به دوربین وصل کنید. از تخته پوستر مشکی که قطری تقریباً به اندازه سطح جلوی لنز دارد ، یک دایره برش دهید. سپس یک دایره کوچک را در وسط برش دهید (من قطر حدود 3 میلی متر را انتخاب کردم). اندازه دایره میزان نوری که وارد سیستم می شود را تعیین می کند ، که دیافراگم عددی (NA) نیز نامیده می شود. NA وضوح جانبی سیستم را برای میکروسکوپ های خوب طراحی می کند. بنابراین چرا برای این تنظیمات از NA بالا استفاده نمی کنید؟ خوب ، دو دلیل عمده وجود دارد. اولاً ، با افزایش NA ، انحرافات نوری سیستم برجسته تر می شود و وضوح سیستم را محدود می کند. در یک تنظیم غیر متعارف مانند این ، این احتمالاً وجود خواهد داشت ، بنابراین افزایش NA در نهایت دیگر به بهبود وضوح کمک نمی کند. ثانیاً ، عمق میدان نیز به NA بستگی دارد. هرچه NA بیشتر باشد ، عمق میدان کمتر است. این امر باعث می شود که اجسامی که همه آنها مسطح نیستند در کانون توجه قرار نگیرند. اگر NA بیش از حد بالا برود ، در این صورت شما به اسلایدهای میکروسکوپ تصویربرداری ، که دارای نمونه های نازک هستند ، محدود می شوید.

موقعیت توقف دیافراگم بین دو لنز سیستم را تقریباً از راه دور می کند. این بدان معناست که بزرگنمایی سیستم مستقل از فاصله جسم است. این امر برای چسباندن تصاویر به هم مهم می شود. اگر جسم دارای عمق متفاوتی باشد ، دیدگاه از دو موقعیت مختلف دارای تغییر دید (مانند بینایی انسان) خواهد بود. چسباندن تصاویری که از یک سیستم تصویربرداری از راه دور نیستند ، به ویژه با چنین بزرگنمایی بسیار چالش برانگیز است.

با استفاده از کوپلر معکوس لنز 58 تا 52 میلی متر ، لنز 28 میلی متری را به لنز 80 میلی متری با دیافراگم در وسط وصل کنید.

مرحله 4: طراحی مرحله XY

من مرحله را با استفاده از Fusion 360 طراحی کردم. برای هر جهت اسکن ، چهار قسمت وجود دارد که باید به صورت سه بعدی چاپ شوند: پایه نصب ، دو دستگاه کشویی واحد ، و یک پایه پیچ سربی. پایه و سکوهای مرحله XY از تخته سه لا ضخامت 3 میلی متر لیزری بریده شده است. پایه موتور و لغزنده های جهت X را در خود نگه می دارد ، پلت فرم X موتور و لغزنده های جهت Y را نگه می دارد و پلت فرم Y نمونه را نگه می دارد. پایه شامل 3 ورق و دو سکو شامل 2 ورق است. فایل های برش لیزری و چاپ سه بعدی در این مرحله ارائه شده است. پس از برش و چاپ این قطعات ، شما برای مراحل بعدی آماده هستید.

مرحله 5: مونتاژ موتور سوار

با استفاده از یک ابزار سیم پیچ ، سیم را در اطراف دو سیم ساطع کننده IR و دو گیرنده IR بپیچید. سیم ها را رنگ کنید تا بدانید کدام انتها کدام است. سپس سیم ها را از دیودها جدا کنید ، بنابراین فقط سیم های سیم پیچ از آن زمان اجرا می شوند. سیمها را از طریق راهنماهای موجود در پایه موتور بکشید و سپس دیودها را در جای خود فشار دهید. سیمها طوری هدایت می شوند که تا زمانی که از قسمت پشتی خارج نشوند قابل مشاهده نیستند. این سیم ها را می توان با سیم های موتور وصل کرد. حالا با استفاده از چهار پیچ M3 موتور پله ای را سوار کنید. این مرحله را برای موتور دوم تکرار کنید.

مرحله 6: مونتاژ مرحله

برش های Base 1 و Base 2 را که یکی از آنها دارای دهانه های شش ضلعی برای مهره های M3 است ، به هم بچسبانید. پس از خشک شدن چسب ، مهره های M3 را در موقعیت خود چکش دهید. مهره ها وقتی روی تخته فشرده می شوند نمی چرخند ، بنابراین بعداً می توانید پیچ ها را پیچ کنید. حالا ورق پایه سوم (پایه 3) را بچسبانید تا مهره ها را بپوشاند.

اکنون وقت آن است که پایه مهره سربی را مونتاژ کنید. هر رشته اضافی را از پایه خارج کرده و سپس چهار مهره M3 را در موقعیت خود قرار دهید. آنها کاملاً محکم هستند ، بنابراین اطمینان حاصل کنید که پیچ و مهره را با یک پیچ گوشتی کوچک پاک کنید. هنگامی که مهره ها تراز شدند ، مهره سربی را به داخل سوار کرده و آن را با 4 پیچ M3 وصل کنید.

بلوک های بالش ، پایه های کشویی و موتور را برای مترجم خطی جهت X به پایه وصل کنید. مجموعه مهره سربی را روی پیچ سربی قرار دهید و سپس پیچ سربی را در جای خود بکشید. از اتصال دهنده برای اتصال موتور به پیچ سربی استفاده کنید. دستگاه های لغزنده را در میله ها قرار دهید و سپس میله ها را به پایه های کشویی فشار دهید. در نهایت ، توسعه دهنده های کشویی را با پیچ و مهره M3 وصل کنید.

ورق های تخته سه لا X1 و X2 به روشی مشابه با پایه به هم چسبیده اند. همین روش برای مترجم خطی جهت Y و مرحله نمونه تکرار می شود.

مرحله 7: الکترونیک اسکنر

هر موتور پله ای دارای چهار کابل است که به یک ماژول پل H متصل می شوند. چهار کابل از فرستنده و گیرنده IR مطابق نمودار بالا به مقاومت ها متصل می شوند. خروجی گیرنده ها به ورودی آنالوگ A0 و A1 متصل می شوند. دو ماژول H-Bridge به پین 4-11 در آردوینو نانو متصل شده اند. برای ورود ساده کاربر ، یک دکمه فشاری با یک مقاومت 1 کیلو اهم به پین 2 متصل می شود.

سرانجام دکمه ماشه برای dSLR به شاتر از راه دور متصل است ، همانطور که من برای CT اسکنر خود انجام دادم (مرحله 7 را ببینید). کابل شاتر از راه دور را قطع کنید. برچسب سیم ها به شرح زیر است:

زرد - تمرکز

قرمز - کرکره

سفید - زمین

برای تمرکز عکس ، سیم زرد باید به زمین متصل شود. برای گرفتن عکس ، سیم زرد و قرمز باید به زمین متصل شوند. یک دیود و کابل قرمز را به پین 12 وصل کردم و سپس یک دیود دیگر و کابل زرد را به پین 13 متصل کردم. تنظیمات مطابق دستورالعمل های DIY Hacks و How-Tos است.

مرحله 8: به دست آوردن تصاویر Gigapixel

کد میکروسکوپ گیگاپیکسلی ضمیمه شده است. من از کتابخانه Stepper برای کنترل موتورها با پل H استفاده کردم. در ابتدای کد ، باید میدان دید میکروسکوپ و تعداد تصاویری را که می خواهید در هر جهت به دست آورید ، مشخص کنید.

به عنوان مثال ، میکروسکوپ ساخته شده من دارای میدان دید حدود 8.2 میلی متر در 5.5 میلی متر بود. بنابراین ، موتورها را هدایت کردم تا 8 میلی متر در جهت x و 5 میلی متر در جهت y تغییر مکان دهند. 11 تصویر در هر جهت به دست می آید ، در مجموع 121 تصویر برای تصویر کامل گیگاپیکسلی (جزئیات بیشتر در این مورد در مرحله 11). سپس کد تعداد گام هایی را که موتورها باید برای ترجمه مرحله با این مقدار انجام دهند محاسبه می کند.

مراحل چگونه می دانند که نسبت به موتور کجا هستند؟ مراحل چگونه بدون ضربه زدن به هر دو طرف ترجمه می شود؟ در کد راه اندازی ، من یک تابع نوشتم که مرحله را در هر جهت حرکت می دهد تا زمانی که مسیر بین فرستنده IR و گیرنده IR را بشکند. هنگامی که سیگنال گیرنده IR به زیر آستانه ای می رسد ، موتور متوقف می شود. سپس کد موقعیت صحنه را نسبت به این موقعیت اصلی دنبال می کند. کد به گونه ای نوشته شده است که موتور بیش از حد ترجمه نکند که باعث می شود مرحله به انتهای دیگر پیچ سربی برسد.

هنگامی که مرحله در هر جهت کالیبره می شود ، مرحله به مرکز ترجمه می شود. با استفاده از سه پایه ، میکروسکوپ dSLR خود را روی صحنه قرار دادم. مهم است که میدان دوربین را با خطوط متقاطع در مرحله نمونه تراز کنید. هنگامی که صحنه با دوربین تراز شد ، من صحنه را با چند نوار نقاش ضبط کردم و سپس نمونه را روی صحنه گذاشتم. فوکوس با جهت z سه پایه تنظیم شد. سپس کاربر دکمه فشاری را برای شروع خرید فشار می دهد. مرحله به گوشه پایین سمت چپ ترجمه می شود و دوربین فعال می شود. مرحله سپس نمونه را اسکن می کند ، در حالی که دوربین در هر موقعیت عکس می گیرد.

همچنین کد عیب یابی موتورها و حسگرهای IR ضمیمه شده است.

مرحله 9: دوختن تصاویر

با تمام تصاویر به دست آمده ، اکنون با چالش دوختن همه آنها در کنار هم روبرو هستید. یکی از راههای کنترل دوخت تصویر ، تراز دستی همه تصاویر در یک برنامه گرافیکی است (من از گرافیک Autodesk استفاده کردم). این قطعاً کار خواهد کرد ، اما می تواند یک فرآیند دردناک باشد و لبه های تصاویر در تصاویر گیگاپیکسلی قابل توجه است.

گزینه دیگر استفاده از تکنیک های پردازش تصویر برای چسباندن خودکار تصاویر به یکدیگر است. ایده این است که ویژگی های مشابه را در قسمت همپوشانی تصاویر مجاور بیابید و سپس تبدیل ترجمه را به تصویر اعمال کنید تا تصاویر با یکدیگر تراز شوند. در نهایت ، می توان لبه ها را با ضرب بخش همپوشانی در ضریب وزنی خطی و افزودن آنها به یکدیگر ترکیب کرد. این می تواند یک الگوریتم دلهره آور برای نوشتن باشد اگر در پردازش تصویر تازه کار هستید. مدتی روی این مشکل کار کردم ، اما نتوانستم به نتیجه ای کاملاً قابل اعتماد دست پیدا کنم. این الگوریتم بیشتر با نمونه هایی که دارای ویژگی های بسیار مشابه در سراسر جهان بودند ، مانند نقاط موجود در تصویر مجله ، مبارزه می کرد. کدی که در متلب نوشتم ضمیمه شده است ، اما نیاز به کار دارد.

آخرین گزینه استفاده از برنامه های دوخت عکاسی گیگاپیکسلی است. من هیچ پیشنهادی ندارم ، اما می دانم که آنها آنجا هستند.

مرحله 10: عملکرد میکروسکوپ

اگر آن را از دست داده اید ، در اینجا نتایج را مشاهده می کنید: تصویر مجله ، سفره قلاب بافی و لوازم الکترونیکی متفرقه.

مشخصات سیستم در جدول بالا ذکر شده است. من سعی کردم با یک لنز 28 میلی متری و 50 میلی متری فاصله کانونی تصویربرداری کنم. من بهترین وضوح ممکن سیستم را بر اساس حد پراش (حدود 6μm) برآورد کردم. در واقع آزمایش این امر بدون هدف با وضوح بالا دشوار است. من سعی کردم یک فایل بردار فهرست شده در این انجمن عکاسی با فرمت بزرگ را چاپ کنم ، اما با وضوح چاپگر محدود شدم. بهترین چیزی که با این چاپ می توانستم تعیین کنم این بود که سیستم دارای وضوح <40μm بود. من همچنین به دنبال ویژگی های کوچک و جدا شده روی نمونه ها بودم. کوچکترین ویژگی چاپ شده از مجله ، نقطه جوهر است که من تخمین زده ام که حدود 40μm باشد ، بنابراین نمی توانم از آن برای برآورد بهتر وضوح استفاده کنم. قطعات کوچکی در قطعات الکترونیکی وجود داشت که کاملاً جدا شده بودند. از آنجا که میدان دید را می دانستم ، می توانم تعداد پیکسل هایی را که تقسیم کوچک را به دست می آورند ، برای برآورد وضوح تصویر ، در حدود 10-15μm ، شمارش کنم.

به طور کلی ، من از عملکرد سیستم راضی بودم ، اما اگر می خواهید این پروژه را امتحان کنید ، چند نکته دارم.

ثبات مرحله: ابتدا اجزای مرحله خطی با کیفیت بالا را بدست آورید. اجزایی که استفاده کردم بیشتر از آنچه فکر می کردم بازی کردند. من فقط از یکی از پایه های لغزنده در کیت برای هر میله استفاده کردم ، بنابراین شاید به همین دلیل بود که صحنه خیلی پایدار نبود. مرحله برای من به اندازه کافی خوب کار کرد ، اما این بیشتر برای سیستم های بزرگنمایی بیشتر به یک مسئله تبدیل می شود.

اپتیکال برای وضوح بالاتر: از همین ایده می توان برای میکروسکوپ های بزرگنمایی بیشتر استفاده کرد. با این حال ، موتورهای کوچکتر با اندازه مرحله بهتر مورد نیاز خواهند بود. به عنوان مثال ، بزرگنمایی 20X با این dSLR منجر به میدان دید 1 میلی متر می شود (در صورتی که میکروسکوپ بتواند بدون علامت گذاری یک سیستم بزرگ را به این اندازه تصویر کند). Electronupdate از موتورهای پله ای از دستگاه پخش سی دی در ساخت زیبا برای میکروسکوپ بزرگنمایی بیشتر استفاده کرد. معامله دیگر عمق میدان کم است ، به این معنی که تصویربرداری محدود به نمونه های نازک است و شما به مکانیزم ترجمه دقیق در جهت z نیاز خواهید داشت.

ثبات سه پایه: این سیستم با پایه دوربین پایدارتر بهتر کار می کند. سیستم لنزها سنگین است و سه پایه از موقعیتی که برای آن طراحی شده است 90 درجه کج است. برای کمک به ثبات ، مجبور شدم پای سه پایه را چسب بزنم. شاتر همچنین می تواند آنقدر دوربین را تکان دهد که تصاویر را تار کند.