Gigapikselli ish stoli mikroskopi: 10 qadam (rasmlar bilan)

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:26

Optik mikroskoplarda ko'rish maydoni va piksellar sonining asosiy farqi bor: tafsilot qanchalik nozik bo'lsa, mikroskop bilan tasvirlangan hudud shunchalik kichik bo'ladi. Bu cheklovni engishning bir usuli-namunani tarjima qilish va tasvirni kengroq ko'rish maydonida olish. Asosiy g'oya - katta FOVni yaratish uchun ko'plab yuqori aniqlikdagi tasvirlarni birlashtirish. Bu rasmlarda siz namunaning har qanday qismida to'liq namunani ham, nozik detallarni ham ko'rishingiz mumkin. Natijada, taxminan 10-50 million pikselli dSLR yoki aqlli telefonda olingan rasmlarga qaraganda ancha katta bo'lgan, taxminan milliard pikseldan iborat tasvir paydo bo'ladi. Ushbu gigapikselli landshaftlarni tekshirib ko'ring, bu rasmlarda katta hajmdagi ma'lumotlarni namoyish eting.

Bu yo'riqnomada men namunadagi 2 mkm pikselga mos keladigan 90 mm x 60 mm ko'rish maydonini tasvirlashga qodir bo'lgan mikroskopni qanday yasashni ko'rib chiqaman (garchi, menimcha, o'lcham 15 mkm ga yaqinroq bo'lsa kerak). Tizim kamera linzalarini ishlatadi, lekin xuddi shu kontseptsiyani yanada aniqroq piksellar sonini olish uchun mikroskop yordamida ham qo'llash mumkin.

Men mikroskop yordamida olingan gigapikselli tasvirlarni EasyZoom -ga yukladim:

1970 yil National Geographic jurnalining surati

Xotinim tikgan dasturxon

Har xil elektronika

Boshqa manbalar:

Optik mikroskop bo'yicha qo'llanmalar:

Optik o'lcham:

Tasvir tikish bilan bir qatorda, hisoblashning so'nggi yutuqlari gigapikselli mikroskopni namunani ko'chirmasdan ham amalga oshiradi!

1 -qadam: ta'minot ro'yxati

Materiallar:

1. Nikon dSLR (men Nikon D5000 ishlatardim)

2. 52 mm tishli 28 mm fokusli linzalar

3. 80 mm fokusli linzalar, 58 mm tishli

4. 52 mm dan 58 mm gacha bo'lgan teskari aloqa

5. Tripod

6. 3 mm qalinlikdagi kontrplakning etti varag'i

7. Arduino Nano

8. Ikki H-ko'prik L9110

9. Ikkita IQ emitentlari

10. Ikkita IR qabul qilgich

11. Tugmani bosing

12. Ikkita 2,2 kOhmlik rezistorlar

13. 150 Ohmlik ikkita rezistor

14. Bitta 1 kOhmlik rezistor

15. Nikon kamerasi uchun masofadan chiqarish

16. Qora plakatlar taxtasi

17. Uskuna to'plami:

18. Ikki qadamli dvigatel (men Nema 17 bipolyar pog'onali dvigatel 3.5V 1A ishlatganman)

19. 2 mm diametrli ikkita vint

20. To'rtta yostiqsimon blok

21. Ikkita qo'rg'oshinli vintli non

22. Ikki rulmanli burma va 200 mm chiziqli vallar:

23. 5V quvvat manbai:

24. Tel o'rash sim

Asboblar:

1. Lazerli kesuvchi

2. 3D printer

3. Allen kalitlari

4. Tel kesgichlar

5. Tel o'rash vositasi

2 -qadam: tizimga umumiy nuqtai

Namunani tarjima qilish uchun ortogonal yo'nalishdagi ikkita qadamli dvigatellar bosqichni x va y yo'nalishida siljitadi. Dvigatellar ikkita H-ko'prigi va Arduino yordamida boshqariladi. Bosqichlarni nol qilish uchun qadam dvigatelining tagida joylashgan IQ sensori ishlatiladi, shuning uchun ular bloklarning har ikki uchiga ham kirmaydi. Raqamli mikroskop XY bosqichining tepasida joylashgan.

Namuna joylashtirilgach va sahna markazlashtirilgach, siz sotib olishni boshlash uchun tugmani bosasiz. Dvigatellar sahnani chap pastki burchakka o'tkazadi va kamera ishga tushadi. Keyin dvigatellar namunani kichik bosqichlarda tarjima qilishadi, chunki kamera har bir pozitsiyada suratga oladi.

Barcha rasmlar olinganidan so'ng, rasmlar bir -biriga tikilib, gigapikselli tasvir hosil qilinadi.

3 -qadam: mikroskopni yig'ish

Men dSLR (Nikon 5000), Nikon 28mm f/2.8 optikasi va Nikon 28-80mm zoom linzalari bilan past kattalashtiruvchi mikroskop qildim. Zum linzalari 80 mm ga teng bo'lgan markazlashtirilgan masofaga o'rnatildi. Ikkita linzalarning to'plami mikroskop naychali va ob'ektiv linzalar kabi ishlaydi. Umumiy kattalashtirish - bu markazlashtirilgan masofalarning nisbati, taxminan 3X. Bu linzalar haqiqatan ham bu konfiguratsiya uchun mo'ljallanmagan, shuning uchun yorug'lik mikroskop kabi tarqalishi uchun siz ikkita linzaning o'rtasida diafragma to'xtash joyini joylashtirishingiz kerak.

Birinchidan, uzoqroq fokusli linzalarni kameraga o'rnating. Diametri taxminan linzalarning old yuzasi o'lchamiga ega bo'lgan qora plakat taxtasidan aylana kesib oling. Keyin o'rtada kichik doira kesib oling (men diametri taxminan 3 mm ni tanladim). Doira kattaligi tizimga kiradigan yorug'lik miqdorini aniqlaydi, bu raqamli diafragma (NA) deb ham ataladi. NA yaxshi mo'ljallangan mikroskoplar uchun tizimning lateral o'lchamlarini aniqlaydi. Xo'sh, nima uchun bu sozlash uchun yuqori NA ishlatmasligingiz kerak? Xo'sh, ikkita asosiy sabab bor. Birinchidan, NA kuchayishi bilan tizimning optik buzilishlari yanada aniqroq bo'ladi va bu tizimning rezolyutsiyasini cheklaydi. Bunday noan'anaviy o'rnatishda, ehtimol, shunday bo'ladi, shuning uchun NAni oshirish oxir -oqibat qarorni yaxshilashga yordam bermaydi. Ikkinchidan, maydon chuqurligi ham NA ga bog'liq. NA qanchalik baland bo'lsa, maydon chuqurligi shunchalik sayoz bo'ladi. Bu tekis bo'lmagan ob'ektlarni diqqat markaziga olishni qiyinlashtiradi. Agar NA juda baland bo'lsa, siz ingichka namunalarga ega bo'lgan mikroskop slaydlarini tasvirlash bilan cheklanasiz.

Diafragmaning ikkita linzalar orasidagi joylashuvi tizimni taxminan telesentrik qiladi. Bu shuni anglatadiki, tizimning kattalashishi ob'ekt masofasiga bog'liq emas. Bu rasmlarni bir -biriga yopishtirish uchun muhim bo'ladi. Agar ob'ekt har xil chuqurlikka ega bo'lsa, u holda ikki xil pozitsiyadagi nuqtai nazar o'zgaradi (inson ko'rish qobiliyati kabi). Telesantrik tasvir tizimidan bo'lmagan tasvirlarni bir -biriga yopishtirish juda qiyin, ayniqsa bunday kattalashtirishda.

Diafragma o'rtada joylashgan 80 mm linzalarga 28 mm linzalarni ulash uchun 58 mm dan 52 mm gacha bo'lgan teskari ulagichdan foydalaning.

4 -qadam: XY sahna dizayni

Men sahnani Fusion 360 yordamida ishlab chiqdim. Har bir ko'rish yo'nalishi uchun to'rt qismli 3D bosib chiqarish kerak: montaj moslamasi, ikkita slaydni uzaytirgich va vintli vint. XY bosqichining asosi va platformalari 3 mm qalinlikdagi kontrplakdan lazer bilan kesilgan. Baza X yo'nalishidagi dvigatel va slayderlarni, X platformasi Y yo'nalishli dvigatel va slayderlarni, Y platformasi esa namunani ushlab turadi. Baza 3 varaqdan va ikkita platforma 2 varaqdan iborat. Ushbu bosqichda lazerni kesish va 3D bosib chiqarish uchun fayllar berilgan. Ushbu qismlarni chop etgandan so'ng, siz keyingi bosqichlarga tayyormiz.

5 -qadam: Dvigatel o'rnatish moslamasi

Tel o'rash asbobidan foydalanib, simni ikkita IQ chiqaruvchi va ikkita IQ qabul qilgichning uchlariga o'rang. Simlarning rangini belgilang, shunda siz qaysi uchini bilasiz. Keyin diodlarning simlarini kesib oling, shundan keyingina simli simlar ishlaydi. Simlarni dvigatel moslamasidagi yo'riqnomalar orqali siljiting va keyin diodlarni joyiga qo'ying. Simlar yo'naltirilgan, shuning uchun ular qurilmaning orqa qismidan chiqmaguncha ko'rinmaydi. Bu simlarni motor simlari bilan birlashtirish mumkin. Endi step motorini to'rtta M3 murvat yordamida o'rnatib qo'ying. Ikkinchi dvigatel uchun bu amalni takrorlang.

6 -qadam: bosqichli yig'ilish

Base 1 va Base 2 kesimlarini yopishtiring, ulardan biri M3 yong'oqlari uchun olti burchakli teshiklari bilan. Yelim quriganidan so'ng, M3 yong'oqlarini joyiga urib qo'ying. Yong'oqlar taxtaga bosilganda aylanmaydi, shuning uchun siz keyinchalik murvatlarni burab olasiz. Endi yong'oqlarni yopish uchun uchinchi tayanch varaqni (3 -tayanch) yopishtiring.

Endi qo'rg'oshin somunini yig'ish vaqti keldi. Tog'dan ortiqcha filamentni olib tashlang, so'ngra to'rtta M3 yong'oqni joyiga suring. Ular mahkam o'rnashgan, shuning uchun murvat va yong'oq bo'shlig'ini kichik tornavida bilan tozalashga ishonch hosil qiling. Yong'oqlar tekislangandan so'ng, murvatni mahkamlagichga suring va 4 M3 murvat bilan mahkamlang.

X-yo'nalishdagi chiziqli tarjimon uchun yostiq bloklari, slayderlar va motor moslamasini taglikka ulang. Qo'rg'oshin somunini vintga mahkamlang va vintni joyiga qo'ying. Dvigatelni vintga ulash uchun ulagichdan foydalaning. Slayder birliklarini tayoqchalarga joylashtiring, so'ngra tayoqchalarni slayderga mahkamlang. Nihoyat, slayderni o'rnatish uzatgichlarini M3 murvat bilan ulang.

X1 va X2 kontrplak plitalari taglikka o'xshash tarzda yopishtirilgan. Xuddi shu protsedura Y yo'nalishli chiziqli tarjimon va namuna bosqichi uchun takrorlanadi.

7 -qadam: Elektron skaner

Har bir qadam dvigatelida H-ko'prigi moduliga ulangan to'rtta kabel mavjud. IQ -emitent va qabul qilgichning to'rtta simi yuqoridagi sxema bo'yicha rezistorlarga ulangan. Qabul qiluvchilarning chiqishlari A0 va A1 analogli kirishga ulangan. Ikkita H-ko'prikli modul Arduino Nano 4-11 piniga ulangan. 1 -ohmli rezistorli 2 -pinli tugmachalarga oddiy foydalanuvchi kiritish uchun tugma ulanadi.

Nihoyat, dSLR -ni ishga tushirish tugmasi, men kompyuter tomografiyasida bo'lgani kabi, masofadagi deklanşöre ulangan (7 -qadamga qarang). Masofadan tortishish kabelini kesib oling. Simlar quyidagicha etiketlanadi:

Sariq - diqqat

Qizil - deklanşör

Oq - tuproq

Rasmni yo'naltirish uchun sariq simni erga ulash lozim. Suratga olish uchun sariq va qizil simlar erga ulangan bo'lishi kerak. Men diod va qizil kabelni 12-pinga uladim, keyin men boshqa diodni va sariq simni 13-pinga uladim. O'rnatish DIY Hacks va How-Tos-da ko'rsatilgandek.

8 -qadam: Gigapikselli tasvirlarni olish

Gigapikselli mikroskop uchun kod biriktirilgan. Men H-ko'prigi yordamida motorlarni boshqarish uchun Stepper kutubxonasidan foydalandim. Kodning boshida siz mikroskopning ko'rish maydonini va har bir yo'nalishda olishni istagan tasvirlar sonini ko'rsatishingiz kerak.

Masalan, men qilgan mikroskopning ko'rish maydoni taxminan 8,2 mm x 5,5 mm edi. Shuning uchun men dvigatellarni x yo'nalishi bo'yicha 8 mm va y yo'nalishi bo'yicha 5 mm siljishga yo'naltirdim. Har bir yo'nalishda 11 ta rasm olinadi, jami 121 ta rasm to'liq gigapikselli tasvir uchun (bu haqda batafsil ma'lumot 11 -qadamda). Keyin kod bu darajadagi motorni bosqichma -bosqich tarjima qilish uchun qancha qadam kerakligini hisoblab chiqadi.

Bosqichlar dvigatelga nisbatan qaerda ekanligini qanday biladi? Bosqichlar hech qanday uchiga tegmasdan qanday tarjima qilinadi? O'rnatish kodida men sahnani IQ chiqaruvchi va IQ qabul qilgich orasidagi yo'lni uzmaguncha har bir yo'nalishda harakatlantiruvchi funktsiyani yozdim. IQ qabul qilgichidagi signal ma'lum bir chegaradan pastga tushganda, vosita to'xtaydi. Keyin kod sahnaning bu uy pozitsiyasiga nisbatan pozitsiyasini kuzatadi. Kod shunday yozilganki, dvigatel juda uzoqqa tarjima qilmaydi, bu esa sahnani vintning boshqa uchiga o'tkazadi.

Sahna har bir yo'nalishda sozlangandan so'ng, sahna markazga tarjima qilinadi. Tripod yordamida dSLR mikroskopini sahnaga joylashtirdim. Namuna bosqichida kamera maydonini kesib o'tgan chiziqlar bilan tekislash muhimdir. Sahna kameraga to'g'ri kelgandan so'ng, men sahnani rassom lentasi bilan yopishtirib, so'ngra namunani sahnaga qo'ydim. Fokus tripod z-yo'nalishi bilan o'rnatildi. Keyin foydalanuvchi sotib olishni boshlash uchun tugmachani bosadi. Sahna chap pastki burchakka tarjima qilinadi va kamera ishga tushadi. Keyin sahna rasmi namunani skanerlaydi, kamera har bir pozitsiyada suratga oladi.

Shuningdek, dvigatellar va IR sensorlaridagi muammolarni bartaraf etish uchun ba'zi kodlar biriktirilgan.

9 -qadam: rasmlarni tikish

Olingan barcha tasvirlar bilan, endi siz ularni bir -biriga tikish muammosiga duch kelasiz. Tasvir tikishni boshqarishning bir usuli - grafik dasturidagi barcha tasvirlarni qo'lda tekislash (men Autodesk grafikasidan foydalanganman). Bu albatta ishlaydi, lekin bu og'riqli jarayon bo'lishi mumkin va tasvirlarning qirralari gigapikselli tasvirlarda seziladi.

Yana bir variant - tasvirlarni avtomatik tarzda birlashtirish uchun tasvirni qayta ishlash usullaridan foydalanish. Maqsad, qo'shni tasvirlarning bir -biriga o'xshash qismidan o'xshash xususiyatlarni topish va keyin tasvirni bir -biriga mos keladigan tarzda tarjima qilish. Nihoyat, qirralarni bir -biriga yopishtiruvchi qismni chiziqli vazn koeffitsientiga ko'paytirish va ularni bir -biriga qo'shib aralashtirish mumkin. Agar siz tasvirni qayta ishlashda yangi bo'lsangiz, bu yozish uchun qiyin algoritm bo'lishi mumkin. Men bir muncha vaqt muammo ustida ishladim, lekin to'liq ishonchli natijaga erisha olmadim. Algoritm ko'p jihatdan o'xshash xususiyatlarga ega bo'lgan namunalar bilan kurashdi, masalan, jurnal tasviridagi nuqta. Matlabda yozgan kodim biriktirilgan, lekin u biroz ishlashini talab qiladi.

Oxirgi variant - gigapikselli fotosurat tikish dasturlaridan foydalanish. Menda taklif qiladigan narsa yo'q, lekin bilaman, ular o'sha erda.

10 -qadam: mikroskopning ishlashi

Agar siz o'tkazib yuborgan bo'lsangiz, natijalar: jurnal tasviri, to'qilgan dasturxon va turli xil elektronika.

Tizimning texnik xususiyatlari yuqoridagi jadvalda keltirilgan. Men 28 mm va 50 mm fokusli linzalar yordamida tasvirni sinab ko'rdim. Men diffraktsiya chegarasi (taxminan 6 mkm) asosida tizimning mumkin bo'lgan eng yaxshi piksellar sonini baholadim. Buni yuqori aniqlikdagi maqsadsiz eksperimental ravishda sinab ko'rish qiyin. Men ushbu katta formatdagi fotografiya forumida ko'rsatilgan vektorli faylni chop etishga harakat qildim, lekin men printer o'lchamlari bilan cheklandim. Men bu nashrni aniqlashim mumkin bo'lgan eng yaxshi narsa, tizimning o'lchamlari <40 mm. Shuningdek, men namunalardagi kichik, izolyatsiya qilingan xususiyatlarni izladim. Jurnalning eng kichik xususiyati - siyoh joyi, men uni taxminan 40 mkm deb hisobladim, shuning uchun men uni aniqroq baholash uchun ishlata olmadim. Elektronikada juda yaxshi ajratilgan kichik bo'linmalar bor edi. Men ko'rish maydonini bilganim uchun, piksellar sonini sanab, piksellar sonini aniqlay olaman, taxminan 10-15 mkm.

Umuman olganda, men tizimning ishlashidan mamnun bo'ldim, lekin agar siz ushbu loyihani sinab ko'rmoqchi bo'lsangiz, menda bir nechta eslatmalar bor.

Bosqichning barqarorligi: Birinchidan, yuqori sifatli chiziqli bosqich komponentlarini oling. Men ishlatgan komponentlar men o'ylagandan ko'ra ko'proq o'ynadi. Men har bir tayoq uchun to'plamdagi slayder moslamalaridan faqat bittasini ishlatganman, shuning uchun ham sahna o'zini ancha barqaror his qilmagan. Sahna men uchun etarlicha yaxshi ishladi, lekin bu kattalashtirish tizimlari uchun ko'proq muammoga aylanadi.

Yuqori piksellar sonini optikasi: Xuddi shu fikrni kattalashtirish mikroskoplari uchun ham ishlatish mumkin. Shu bilan birga, kichikroq o'lchamdagi kichikroq dvigatellar kerak bo'ladi. Misol uchun, bu dSLR yordamida 20X kattalashtirish 1 mm ko'rish maydoniga olib keladi (agar mikroskop shu katta tizimni vinyet qilmasdan tasvirlay oladigan bo'lsa). Electronupdate yanada kattalashtirish mikroskopi uchun yaxshi konstruktsiyali CD pleerdan step motorlarini ishlatgan. Yana bir farq-bu sayoz chuqurlik bo'ladi, bu tasvirni ingichka namunalar bilan cheklanishini anglatadi va sizga z-yo'nalishda nozik tarjima mexanizmi kerak bo'ladi.

Tripodning barqarorligi: bu tizim kameraning barqaror o'rnatilishi bilan yaxshi ishlaydi. Ob'ektiv tizimi og'ir va shtativ mo'ljallangan joyidan 90 daraja egilgan. Men barqarorlikni ta'minlash uchun tripodning oyoqlarini lenta bilan yopishim kerak edi. Deklanşör, shuningdek, tasvirni xiralashtiradigan darajada kamerani silkitishi mumkin.