Ширээний гигапикселийн микроскоп: 10 алхам (зурагтай)

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:03

Оптик микроскопын хувьд харах талбар ба нарийвчлал хоёрын хооронд үндсэн наймаа байдаг: нарийвчлалтай байх тусам микроскопоор дүрслэгдсэн хэсэг бага байх болно. Энэхүү хязгаарлалтыг даван туулах нэг арга бол дээжийг орчуулж, илүү том өнцгөөс зураг авах явдал юм. Үндсэн санаа бол том FOV үүсгэхийн тулд олон өндөр нарийвчлалтай зургийг хооронд нь оёх явдал юм. Эдгээр зургуудаас та дээжийн аль ч хэсэгт байгаа бүрэн дээж болон нарийн ширийн зүйлийг харах боломжтой болно. Үр дүн нь ойролцоогоор тэрбум пикселээс бүрдэх зураг бөгөөд dSLR эсвэл ухаалаг гар утасны авсан зургуудаас хамаагүй том бөгөөд ихэвчлэн 10-50 сая пикселийн хэмжээтэй байдаг. Эдгээр зурган дээрх асар их хэмжээний мэдээллийг гайхалтай харуулахын тулд эдгээр гигапикселийн ландшафтыг үзээрэй.

Энэхүү зааварчилгаанд би дээж дээрх 2 мкм хэмжээтэй пиксел бүхий 90 мм х 60 мм-ийн харааны талбарыг дүрслэх чадвартай микроскопыг хэрхэн яаж бүтээх талаар авч үзэх болно (гэхдээ нарийвчлал нь 15 мкм-тэй ойролцоо байгаа гэж бодож байна). Систем нь камерын линз ашигладаг боловч илүү нарийвчлалтай болгохын тулд микроскопын зорилгыг ашиглан ижил ойлголтыг ашиглаж болно.

Би EasyZoom дээр микроскопоор олж авсан гигапикселийн зургийг байршуулсан.

1970 онд National Geographic сэтгүүлийн зураг

Миний эхнэрийн хийсэн ширээний бүтээлэг

Төрөл бүрийн электрон бараа

Бусад нөөц:

Оптик микроскопын заавар:

Оптик нарийвчлал:

Зураг оёхоос гадна тооцоолох дүрслэлд гарсан сүүлийн үеийн дэвшил нь дээжийг ч хөдөлгөхгүйгээр гигапикселийн микроскоп хийх боломжийг олгодог!

Алхам 1: Нийлүүлэлтийн жагсаалт

Материал:

1. Nikon dSLR (би Nikon D5000 -ийг ашигласан)

2. 28мм фокусын урттай линз 52мм -ийн урсгалтай

3. 58мм урсгалтай 80мм фокусын урттай линз

4. 52мм -ээс 58мм урвуу холбогч

5. Tripod

6. 3мм зузаантай фанерын долоон хуудас

7. Ардуино Нано

8. Хоёр H-гүүр L9110

9. Хоёр ширхэг IR ялгаруулагч

10. Хоёр IR хүлээн авагч

11. Товчлуурыг дарна уу

12. 2.2 кОм хэмжээтэй хоёр эсэргүүцэл

13. Хоёр 150Ohm эсэргүүцэл

14. Нэг 1 кОм эсэргүүцэл

15. Nikon камерын алсын зайны хувилбар

16. Хар зурагт хуудас

17. Тоног төхөөрөмжийн иж бүрдэл:

18. Хоёр шатлалт мотор (би Nema 17 хоёр туйлт мотор 3.5V 1А ашигласан)

19. 2 мм хэмжээтэй хоёр хар тугалган эрэг

20. Дөрвөн дэрний блок

21. Хоёр хар тугалга шураг самар

22. Хоёр холхивчтой гулдмай ба 200 мм шугаман босоо ам:

23. 5V цахилгаан хангамж:

24. Утас боох утас

Хэрэгсэл:

1. Лазер таслагч

2. 3D принтер

3. Аллен түлхүүрүүд

4. Утас таслагч

5. Утас боох хэрэгсэл

Алхам 2: Системийн тойм

Дээжийг орчуулахын тулд ортогональ чиглэлд байрлуулсан хоёр шатлалт мотор нь үе шатыг x ба y чиглэлд хөдөлгөдөг. Хөдөлгүүрийг хоёр H гүүр ба Arduino ашиглан удирддаг. Алхам хөдөлгүүрийн суурь дээр байрлуулсан IR мэдрэгч нь үе шатыг тэглэхэд ашигладаг бөгөөд ингэснээр блокуудын аль ч төгсгөлд ордоггүй. Дижитал микроскоп нь XY түвшний дээгүүр байрладаг.

Дээжийг байрлуулж, шатыг төвд байрлуулсны дараа та товчлуур дээр дарж худалдан авалтыг эхлүүлнэ. Моторууд тайзыг зүүн доод буланд шилжүүлж, камер асах болно. Дараа нь камер нь байрлал бүрт гэрэл зураг авдаг тул моторууд дээжийг жижиг алхамаар орчуулдаг.

Бүх зургийг авсны дараа зургуудыг хооронд нь холбож, гигапикселийн дүрс үүсгэнэ.

Алхам 3: Микроскоп угсрах

Би dSLR (Nikon 5000), Nikon 28mm f/2.8 линз, Nikon 28-80mm томруулдаг линзээр бага томруулдаг микроскоп хийсэн. Томруулах линзийг 80 мм -ийн фокусын урттай тохируулсан болно. Хоёр линзний багц нь микроскоп хоолойн линз ба объектив линз шиг ажилладаг. Нийт томруулалт нь фокусын уртын харьцаа, ойролцоогоор 3X. Эдгээр линз нь яг ийм тохиргоонд зориулагдаагүй тул гэрэл нь микроскоп шиг тархахын тулд та хоёр линзний хооронд диафрагмын цэг байрлуулах ёстой.

Нэгдүгээрт, илүү урт фокусын линзийг камер руу холбоно уу. Линзний урд талын гадаргуутай ойролцоо диаметртэй хар өнгийн самбараас тойрог хайчилж ав. Дараа нь дундуур нь жижиг тойрог хайчилж ав (би 3 мм орчим диаметр сонгосон). Тойргийн хэмжээ нь системд орж буй гэрлийн хэмжээг тодорхойлох бөгөөд үүнийг тоон диафрагм (NA) гэж нэрлэдэг. NA нь сайн боловсруулсан микроскопын системийн хажуугийн нарийвчлалыг тодорхойлдог. Энэ тохиргоонд өндөр NA ашиглаж яагаад болохгүй гэж? За, хоёр том шалтгаан бий. Нэгдүгээрт, NA нэмэгдэх тусам системийн оптик өөрчлөлтүүд илүү тод илэрч, системийн нарийвчлалыг хязгаарлах болно. Ийм уламжлалт бус тохиргоонд ийм байх магадлалтай тул NA -ийг нэмэгдүүлэх нь эцсийн эцэст нарийвчлалыг сайжруулахад тус болохгүй болно. Хоёрдугаарт, талбайн гүн нь NA -аас хамаарна. NA өндөр байх тусам талбайн гүн бага байна. Энэ нь хавтгай биш объектуудыг бүгдийг нь төвлөрүүлэхэд хэцүү болгодог. Хэрэв NA хэт өндөр байвал та нимгэн дээж бүхий микроскопын слайдыг дүрслэх замаар хязгаарлагдах болно.

Нүхний хоёр линзний хоорондох байрлал нь системийг ойролцоогоор алсын хараатай болгодог. Энэ нь системийн томруулалт нь объектын зайнаас хамааралгүй гэсэн үг юм. Энэ нь зургийг хамтад нь оёход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Хэрэв объект өөр өөр гүнтэй бол хоёр өөр байрлалаас харах өнцөг өөрчлөгдөнө (хүний алсын хараа гэх мэт). Алсын зайн дүрс бичлэгийн системээс гаралтай зургийг хооронд нь оёх нь маш хэцүү байдаг.

58 мм -ээс 52 мм -ийн урттай холбогчийг ашиглан 28 мм -ийн линзийг 80 мм -ийн линзтэй холбож, нүхийг дунд байрлуулна.

Алхам 4: XY тайзны дизайн

Би тайзыг Fusion 360 ашиглан зохион бүтээсэн. Скан хийх чиглэл тус бүрт 3D хэвлэх шаардлагатай дөрвөн хэсгийг багтаасан болно. XY шатны суурь ба тавцанг 3 мм зузаан фанераас лазераар хайчилж авсан болно. Суурь нь X чиглэлийн мотор ба гулсагчийг, X платформ нь Y чиглэлийн мотор ба гулсагчийг, Y платформ нь дээжийг хадгалдаг. Суурь нь 3 хуудас, хоёр тавцан нь 2 хуудаснаас бүрдэнэ. Лазер хайчлах болон 3D хэвлэх файлуудыг энэ үе шатанд оруулсан болно. Эдгээр хэсгүүдийг хайчилж, хэвлэсний дараа та дараагийн алхамуудыг хийхэд бэлэн байна.

Алхам 5: Мотор холбох угсралт

Утас боох хэрэгсэл ашиглан хоёр IR ялгаруулагч ба хоёр IR хүлээн авагчийн утсыг орооно. Утасны өнгийг кодлоорой, ингэснээр та аль төгсгөл нь болохыг мэдэх болно. Дараа нь диодыг таслахын тулд зөвхөн утас ороох утаснууд үүнээс хойш ажилладаг. Хөдөлгүүрийн бэхэлгээний хөтчүүдээр утсыг шургуулж, диодыг байрандаа оруулна уу. Утаснууд нь чиглэсэн тул нэгжийн араас гарах хүртэл харагдахгүй болно. Эдгээр утсыг хөдөлгүүрийн утастай холбож болно. Одоо stepper моторыг дөрвөн M3 боолт ашиглан холбоно уу. Хоёрдахь мотор дээр энэ алхамыг давт.

Алхам 6: Үе шатны угсралт

Үндсэн 1 ба Суурь 2 зүслэгийг нааж, тэдгээрийн нэг нь M3 самарны зургаан өнцөгт нүхтэй байна. Цавуу хатсаны дараа M3 самарыг алхаар байрлуулна. Самбарыг самбар дээр дарахад эргэхгүй тул та боолтыг дараа нь шургуулах боломжтой болно. Одоо самрыг хучихын тулд гурав дахь суурийн хуудсыг (Суурь 3) наа.

Одоо тугалган самар бэхэлгээг угсрах цаг болжээ. Нэмэлт утаснаас бэхэлгээг зайлуулж, дараа нь дөрвөн ширхэг М3 самарыг түлхэж байрлуулна. Тэдгээр нь нягт бэхлэгдсэн тул боолт, самарны орон зайг жижиг шураг ашиглан цэвэрлэхээ мартуузай. Самарыг тэгшлэсний дараа хар тугалган самарыг бэхэлгээ рүү түлхэж, 4 М3 боолтоор бэхлэнэ.

X чиглэлийн шугаман орчуулагчийн дэрний блок, гулсагч бэхэлгээ, моторын бэхэлгээг сууринд бэхлээрэй. Хар тугалганы самар угсрах ажлыг шураг шураг дээр хийж, дараа нь хар тугалган боолтыг шургуулна. Хөдөлгүүрийг хар тугалган эрэг рүү холбохын тулд холбогчийг ашиглана уу. Гулсах хэсгүүдийг саваа руу байрлуулаад дараа нь гулсагчийн бэхэлгээ рүү саваа түлхээрэй. Эцэст нь гулсагчийн бэхэлгээг М3 боолтоор бэхлээрэй.

X1 ба X2 фанер хуудсыг суурьтай ижил аргаар наасан байна. Y чиглэлийн шугаман орчуулагч болон дээжийн шатанд ижил процедурыг давтана.

Алхам 7: Сканнер электроник

Stepper мотор бүр H-bridge модульд холбогдсон дөрвөн кабельтай. IR ялгаруулагч ба хүлээн авагчийн дөрвөн кабелийг дээрх диаграммын дагуу резистортой холбосон болно. Хүлээн авагчдын гаралт нь аналог оролт A0 ба A1 -тэй холбогддог. H-гүүрний хоёр модуль нь Arduino Nano дээрх 4-11 зүүтэй холбогдсон байна. Хэрэглэгчийн энгийн оролтонд түлхэх товчлуурыг 1 кОм эсэргүүцэлтэй 2 -р зүүтэй холбодог.

Эцэст нь dSLR -ийн гох товчлуур нь миний CT сканнерын адил алсын хаалтанд холбогдсон байна (7 -р алхамыг үзнэ үү). Алсын хаалтын кабелийг хайчилж ав. Утаснуудыг дараах байдлаар тэмдэглэв.

Шар - анхаарлаа төвлөрүүл

Улаан - хаалт

Цагаан - газар

Буудлагад анхаарлаа төвлөрүүлэхийн тулд шар утсыг газардуулгатай холбох ёстой. Зураг авахын тулд шар, улаан утсыг газардуулгатай холбох ёстой. Би диод ба улаан кабелийг 12-р зүүгээр холбож, дараа нь өөр диод, шар кабелийг 13-р зүүгээр холбосон. Тохируулгыг DIY Hacks and How-Tos зааварчилгааны дагуу тайлбарласан болно.

Алхам 8: Гигапикселийн зураг авах

Гигапикселийн микроскопын кодыг хавсаргав. Би H-гүүр бүхий моторыг удирдахын тулд Stepper номын санг ашигласан. Кодын эхэнд та микроскопын харах талбар, чиглэл бүрт авахыг хүсч буй зургийн тоог зааж өгөх ёстой.

Жишээлбэл, миний хийсэн микроскоп нь ойролцоогоор 8.2 мм х 5.5 мм хэмжээтэй харааны талбартай байсан. Тиймээс би моторуудыг х чиглэлд 8 мм, у чиглэлд 5 мм-ээр шилжүүлэхийг зааж өгсөн. Гигапикселийн бүрэн дүрсний хувьд нийт 121 зураг бүхий чиглэл бүрт 11 зураг олж авдаг (энэ талаар дэлгэрэнгүй мэдээллийг 11 -р алхамаас үзнэ үү). Дараа нь код нь моторын шатыг ийм хэмжээгээр орчуулахын тулд хийх ёстой алхмын тоог тооцоолно.

Үе шатууд мотортой харьцуулахад хаана байдгийг яаж мэдэх вэ? Үе шатууд нь хоёр төгсгөлд нь хүрэлгүйгээр хэрхэн орчуулагддаг вэ? Тохиргооны код дээр би шат дамжуулагчийг IR ялгаруулагч ба IR хүлээн авагчийн хоорондох замыг таслах хүртэл чиглэл бүрийг хөдөлгөж өгдөг функцийг бичсэн. IR хүлээн авагч дээрх дохио зарим босгоос доош унахад мотор зогсдог. Дараа нь код нь энэ гэрийн байрлалтай харьцуулахад тайзны байрлалыг хянадаг. Код нь бичигдсэн тул мотор хэт хол орчуулагддаггүй бөгөөд энэ нь шатыг хар тугалган эрэгний нөгөө үзүүрт оруулах болно.

Тайзыг чиглэл бүрт тохируулсны дараа тайзыг төв рүү орчуулна. Tripod ашиглан би dSLR микроскопоо тайзан дээр байрлуулав. Камерын талбарыг дээжийн үе дэх хөндлөн шугамуудтай уялдуулах нь чухал юм. Тайзыг камертай зэрэгцүүлсний дараа би зураачийн соронзон хальсны хамт тайзан дээр наагаад дараа нь дээжийг тайзан дээр тавив. Фокусыг tripod z-чиглэлд тохируулсан болно. Хэрэглэгч олж авахын тулд товчлуурыг дарна. Тайз нь зүүн доод буланд орчуулагдаж, камер асах болно. Дараа нь шат нь дээжийг сканнердах бөгөөд камер нь байрлал бүрт зураг дардаг.

Мөн мотор болон IR мэдрэгчийн алдааг олж засварлах зарим кодыг хавсаргав.

Алхам 9: Зураг оёх

Бүх зургийг олж авсны дараа та тэдгээрийг бүгдийг нь оёход бэрхшээлтэй тулгарч байна. Зургийн оёдол хийх нэг арга бол график програм дээрх бүх зургийг гараар тохируулах явдал юм (би Autodesk -ийн графикийг ашигласан). Энэ нь үр дүнтэй байх нь гарцаагүй, гэхдээ энэ нь хэцүү процесс байж болох бөгөөд зургийн ирмэг нь гигапикселийн зургуудад мэдэгдэхүйц харагдаж байна.

Өөр нэг сонголт бол зургийг автоматаар оёхын тулд зураг боловсруулах техникийг ашиглах явдал юм. Энэхүү санаа нь зэргэлдээх зургуудын давхцаж буй хэсгээс ижил төстэй шинж чанаруудыг олж, дараа нь хөрвүүлэлтийг хөрвүүлэх замаар зургуудыг хооронд нь уялдуулах явдал юм. Эцэст нь давхцаж буй хэсгийг шугаман жингийн коэффициентээр үржүүлж, хамтад нь нэмж ирмэгүүдийг хольж болно. Хэрэв та дүрс боловсруулж эхэлж байгаа бол энэ нь бичихэд хэцүү алгоритм байж болох юм. Би энэ асуудал дээр хэсэг хугацаанд ажилласан боловч бүрэн найдвартай үр дүнд хүрч чадаагүй. Алгоритм нь сэтгүүлийн зурган дээрх цэгүүд гэх мэт маш төстэй шинж чанар бүхий дээжүүдтэй хамгийн их тэмцсэн. Миний Matlab дээр бичсэн кодыг хавсаргав, гэхдээ үүнийг хийх шаардлагатай байна.

Сүүлчийн сонголт бол гигапикселийн гэрэл зургийн оёдлын програм ашиглах явдал юм. Надад санал болгох зүйл байхгүй, гэхдээ тэд тэнд байгааг би мэднэ.

Алхам 10: Микроскопын гүйцэтгэл

Хэрэв та үүнийг алдсан бол сэтгүүлийн зураг, зүүгээр хийсэн ширээний бүтээлэг, янз бүрийн электрон бараа гэх мэт үр дүнг энд оруулав.

Системийн техникийн үзүүлэлтүүдийг дээрх хүснэгтэд жагсаасан болно. Би 28мм ба 50мм фокусын урттай линз ашиглан зураг авахыг оролдсон. Би дифракцийн хязгаарыг (ойролцоогоор 6μm) үндэслэн системийн хамгийн сайн нарийвчлалыг тооцоолсон. Өндөр нарийвчлалтай зорилтот төхөөрөмжгүйгээр үүнийг турших нь үнэхээр хэцүү байдаг. Би энэ том форматтай гэрэл зургийн форум дээр жагсаасан вектор файлыг хэвлэхийг оролдсон боловч миний хэвлэгчийн нарийвчлал хязгаарлагдмал байсан. Энэхүү хэвлэмэл хуудаснаас миний олж тогтоосон хамгийн сайн зүйл бол систем нь <40μm нягтралтай байсан. Би дээж дээрх жижиг, тусгаарлагдсан шинж чанаруудыг хайсан. Сэтгүүлийн хэвлэмэл хуудсан дээрх хамгийн жижиг онцлог бол бэхний цэг бөгөөд би үүнийг 40мм орчим гэж тооцоолсон тул нарийвчлалыг илүү сайн үнэлэхийн тулд үүнийг ашиглаж чадсангүй. Электроникийн хувьд маш сайн тусгаарлагдсан жижиг хэлтэсүүд байсан. Би харах талбарыг мэддэг байсан тул нарийвчлалыг ойролцоогоор 10-15μm-ийн нарийвчлалтай тооцоолохын тулд жижиг цэгийг авч буй пикселийн тоог тоолж чаддаг байв.

Ерөнхийдөө би системийн гүйцэтгэлд сэтгэл хангалуун байсан, гэхдээ та энэ төслийг туршиж үзэхийг хүсч байвал надад хэдэн тэмдэглэл байна.

Шатны тогтвортой байдал: Нэгдүгээрт, өндөр чанарын шугаман шатны бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг олж аваарай. Миний ашигладаг бүрэлдэхүүн хэсгүүд миний бодож байснаас хамаагүй илүү тоглодог байсан. Би саваа тус бүрт иж бүрдэл дэх гулсагч бэхэлгээний зөвхөн нэгийг л ашигласан тул энэ үе шат тийм ч тогтвортой биш санагдсан байх. Тайз нь надад хангалттай сайн ажилласан боловч энэ нь томруулдаг системийн хувьд илүү их асуудал болж магадгүй юм.

Илүү нарийвчлалтай оптик: Илүү томруулдаг микроскопын хувьд ижил санааг ашиглаж болно. Гэсэн хэдий ч илүү нарийн алхамтай жижиг мотор шаардлагатай болно. Жишээлбэл, энэхүү dSLR-ийн тусламжтайгаар 20 дахин томруулж харвал 1мм-ийн харах талбар гарч ирнэ (хэрэв микроскоп ийм том системийг винетинг хийхгүйгээр дүрсэлж чадвал). Electronupdate нь CD тоглуулагчийн stepper моторыг илүү сайн томруулсан микроскопоор бүтээсэн. Өөр нэг наймаа бол талбайн гүехэн гүн байх бөгөөд энэ нь дүрслэлийг зөвхөн нимгэн дээжээр хязгаарлах бөгөөд танд z-чиглэлд илүү нарийн орчуулгын механизм хэрэгтэй болно гэсэн үг юм.

Tripod -ийн тогтвортой байдал: Энэ систем нь илүү тогтвортой камер бэхэлгээтэй бол илүү сайн ажиллах болно. Линзний систем нь хүнд бөгөөд tripod нь төлөвлөсөн байрлалаасаа 90 градус хазайсан байдаг. Тогтвортой байдлыг хангахын тулд би штативын хөлийг наах хэрэгтэй болсон. Хөшиг нь мөн камерыг сэгсэрч, зургийг бүдгэрүүлэх болно.