Mikroskop Gigapixel Desktop: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Dalam mikroskop optik, ada pertukaran mendasar antara bidang pandang dan resolusi: semakin halus detailnya, semakin kecil wilayah yang dicitrakan oleh mikroskop. Salah satu cara untuk mengatasi keterbatasan ini adalah menerjemahkan sampel dan memperoleh gambar melalui bidang pandang yang lebih besar. Ide dasarnya adalah menyatukan banyak gambar beresolusi tinggi untuk membentuk FOV besar. Dalam gambar-gambar ini, Anda dapat melihat sampel lengkap, serta detail halus di bagian mana pun dari sampel. Hasilnya adalah gambar yang terdiri dari sekitar satu miliar piksel, jauh lebih besar dibandingkan dengan gambar yang diambil dengan dSLR atau ponsel pintar, yang biasanya memiliki sekitar 10 hingga 50 juta piksel. Lihat lanskap gigapiksel ini untuk demonstrasi mengesankan dari sejumlah besar informasi dalam gambar ini.

Dalam instruksi ini, saya akan membahas cara membuat mikroskop yang mampu mencitrakan bidang pandang 90mm x 60mm dengan piksel yang sesuai dengan 2μm pada sampel (walaupun, saya pikir resolusinya mungkin mendekati 15μm). Sistem ini menggunakan lensa kamera, tetapi konsep yang sama dapat diterapkan menggunakan objektif mikroskop untuk mendapatkan resolusi yang lebih baik.

Saya mengunggah gambar gigapixel yang saya peroleh dengan mikroskop di EasyZoom:

Gambar majalah National Geographic 1970

Taplak meja rajut buatan istri saya

Aneka elektronik

Sumber daya lainnya:

Tutorial mikroskop optik:

Resolusi optik:

Selain penggabungan gambar, kemajuan terbaru dalam pencitraan komputasi memungkinkan mikroskop gigapixel bahkan tanpa memindahkan sampel!

Langkah 1: Daftar Pasokan

Bahan:

1. Nikon dSLR (saya menggunakan Nikon D5000 saya)

2. Lensa panjang fokus 28mm dengan threading 52mm

3. Lensa panjang fokus 80mm dengan threading 58mm

4. coupler terbalik 52mm hingga 58mm

5. Tripod

6. Tujuh lembar kayu lapis setebal 3mm

7. Arduino Nano

8. Dua H-bridge L9110

9. Dua pemancar IR

10. Dua penerima IR

11. Tekan tombol

12. Dua resistor 2.2kOhm

13. Dua resistor 150Ohm

14. Satu resistor 1kOhm

15. Rilis jarak jauh untuk kamera Nikon

16. Papan poster hitam

17. Perangkat keras:

18. Dua motor stepper (saya menggunakan motor step Nema 17 Bipolar 3.5V 1A)

19. Dua sekrup timah 2mm

20. Empat blok bantal

21. Dua mur sekrup timah

22. Dua bantalan geser bushing dan poros linier 200mm:

23. Catu daya 5V:

24. Kawat bungkus kawat

Peralatan:

1. Pemotong laser

2. pencetak 3D

3. Kunci pas Allen

4. Pemotong kawat

5. Alat pembungkus kawat

Langkah 2: Ikhtisar Sistem

Untuk menerjemahkan sampel, dua motor stepper yang disejajarkan dalam arah ortogonal memindahkan tahap dalam arah x dan y. Motor dikendalikan menggunakan dua H-jembatan dan Arduino. Sensor IR yang diposisikan di dasar motor stepper digunakan untuk meniadakan tahapan sehingga tidak menabrak kedua ujung blok. Sebuah mikroskop digital diposisikan di atas panggung XY.

Setelah sampel diposisikan dan panggung dipusatkan, Anda menekan tombol untuk memulai akuisisi. Motor memindahkan panggung ke sudut kiri bawah dan kamera dipicu. Motor kemudian menerjemahkan sampel dalam langkah-langkah kecil, karena kamera mengambil foto di setiap posisi.

Setelah semua gambar diambil, gambar-gambar tersebut kemudian dijahit menjadi satu untuk membentuk gambar gigapiksel.

Langkah 3: Perakitan Mikroskop

Saya membuat mikroskop perbesaran rendah dengan dSLR (Nikon 5000), lensa Nikon 28mm f/2.8, dan lensa zoom Nikon 28-80mm. Lensa zoom disetel untuk panjang fokus sama dengan 80mm. Himpunan kedua lensa tersebut berfungsi seperti lensa tabung mikroskop dan lensa objektif. Perbesaran total adalah rasio panjang fokus, sekitar 3X. Lensa ini benar-benar tidak dirancang untuk konfigurasi ini, jadi untuk membuat cahaya merambat seperti mikroskop, Anda harus menempatkan aperture stop di antara kedua lensa.

Pertama, pasang lensa dengan panjang fokus yang lebih panjang ke kamera. Potong lingkaran dari papan poster hitam yang memiliki diameter kira-kira seukuran permukaan depan lensa. Kemudian potong lingkaran kecil di tengah (saya memilih diameter sekitar 3mm). Ukuran lingkaran akan menentukan jumlah cahaya yang masuk ke sistem, juga disebut aperture numerik (NA). NA menentukan resolusi lateral sistem untuk mikroskop yang dirancang dengan baik. Jadi mengapa tidak menggunakan NA tinggi untuk pengaturan ini? Nah, ada dua alasan utama. Pertama, saat NA meningkat, aberasi optik sistem menjadi lebih menonjol dan akan membatasi resolusi sistem. Dalam pengaturan yang tidak konvensional seperti ini, ini kemungkinan besar akan terjadi, sehingga meningkatkan NA pada akhirnya tidak akan lagi membantu meningkatkan resolusi. Kedua, kedalaman bidang juga tergantung pada NA. Semakin tinggi NA, semakin dangkal depth of field. Hal ini membuat sulit untuk membuat objek yang tidak rata menjadi fokus. Jika NA menjadi terlalu tinggi, maka Anda akan terbatas pada slide mikroskop pencitraan, yang memiliki sampel tipis.

Penempatan aperture stop di antara kedua lensa membuat sistem secara kasar telesentris. Itu berarti perbesaran sistem tidak tergantung pada jarak benda. Ini menjadi penting untuk menyatukan gambar. Jika objek memiliki kedalaman yang bervariasi, maka pandangan dari dua posisi yang berbeda akan mengalami pergeseran perspektif (seperti penglihatan manusia). Menyatukan gambar yang bukan dari sistem pencitraan telesentrik itu menantang, terutama dengan perbesaran yang begitu tinggi.

Gunakan coupler terbalik lensa 58mm hingga 52mm untuk memasang lensa 28mm ke lensa 80mm dengan bukaan diposisikan di tengah.

Langkah 4: Desain Panggung XY

Saya mendesain panggung menggunakan Fusion 360. Untuk setiap arah pemindaian, ada empat bagian yang perlu dicetak 3D: dudukan dudukan, dua pemanjang unit geser, dan dudukan sekrup timah. Basis dan platform tahap XY adalah potongan laser dari kayu lapis setebal 3mm. Basis memegang motor dan penggeser arah-X, platform-X memegang motor dan penggeser arah-Y, dan platform-Y memegang sampel. Basis terdiri dari 3 lembar dan dua platform terdiri dari 2 lembar. File untuk pemotongan laser dan pencetakan 3D disediakan dalam langkah ini. Setelah memotong dan mencetak bagian-bagian ini, Anda siap untuk langkah selanjutnya.

Langkah 5: Perakitan Pemasangan Motor

Dengan menggunakan alat pembungkus kawat, bungkus kawat di sekitar ujung dua pemancar IR dan dua penerima IR. Kode warna kabel sehingga Anda tahu ujung yang mana. Kemudian potong ujung dioda, jadi mulai saat itu hanya kabel pembungkus kawat. Geser kabel melalui pemandu di dudukan motor dan kemudian dorong dioda ke tempatnya. Kabel diarahkan sehingga tidak terlihat sampai keluar dari bagian belakang unit. Kabel ini dapat disambung dengan kabel motor. Sekarang pasang motor stepper menggunakan empat baut M3. Ulangi langkah ini untuk motor kedua.

Langkah 6: Tahap Perakitan

Rekatkan potongan Base 1 dan Base 2, salah satunya dengan bukaan heksagonal untuk mur M3. Setelah lem mengering, palu mur M3 ke posisinya. Mur tidak akan berputar saat ditekan ke papan, jadi Anda akan bisa memasang bautnya nanti. Sekarang rekatkan lembar dasar ketiga (Basis 3) untuk menutupi mur.

Sekarang saatnya merakit dudukan mur timah. Keluarkan filamen ekstra dari dudukan, lalu dorong empat mur M3 ke posisinya. Mereka sangat pas, jadi pastikan Anda membersihkan ruang baut dan mur dengan obeng kecil. Setelah mur sejajar, dorong mur timah ke dalam dudukan dan pasang dengan 4 baut M3.

Pasang blok bantal, dudukan penggeser, dan dudukan motor untuk penerjemah linier arah-X ke alasnya. Pasang rakitan mur timah ke sekrup utama dan kemudian geser sekrup timah ke tempatnya. Gunakan coupler untuk menghubungkan motor ke sekrup utama. Tempatkan unit penggeser ke dalam batang lalu dorong batang ke dudukan penggeser. Terakhir, pasang extender dudukan slider dengan baut M3.

Lembaran kayu lapis X1 dan X2 direkatkan dengan cara yang mirip dengan alasnya. Prosedur yang sama diulangi untuk penerjemah linier arah-Y dan tahap sampel.

Langkah 7: Pemindai Elektronik

Setiap motor stepper memiliki empat kabel yang terhubung ke modul H-bridge. Keempat kabel dari pemancar dan penerima IR dihubungkan ke resistor sesuai dengan diagram di atas. Output dari penerima terhubung ke input analog A0 dan A1. Kedua modul H-bridge terhubung ke pin 4-11 pada Arduino Nano. Tombol tekan terhubung ke pin 2 dengan resistor 1kOhm untuk input pengguna yang sederhana.

Akhirnya tombol pemicu untuk dSLR terhubung ke rana jarak jauh, seperti yang saya lakukan untuk pemindai CT saya (lihat langkah 7). Potong kabel rana jarak jauh. Kabel diberi label sebagai berikut:

Kuning – fokus

Merah – rana

Putih – tanah

Untuk memfokuskan bidikan, kabel kuning harus dihubungkan ke ground. Untuk mengambil foto, kabel kuning dan merah harus terhubung ke ground. Saya menghubungkan dioda dan kabel merah ke pin 12, dan kemudian saya menghubungkan dioda lain dan kabel kuning ke pin 13. Pengaturannya seperti yang dijelaskan dalam Instruksi DIY Hacks dan How-Tos.

Langkah 8: Memperoleh Gambar Gigapixel

Terlampir adalah kode untuk mikroskop gigapixel. Saya menggunakan perpustakaan Stepper untuk mengendalikan motor dengan H-bridge. Di awal kode, Anda harus menentukan bidang pandang mikroskop dan jumlah gambar yang ingin Anda peroleh di setiap arah.

Misalnya, mikroskop yang saya buat memiliki bidang pandang sekitar 8,2 mm x 5,5 mm. Oleh karena itu, saya mengarahkan motor untuk menggeser 8mm ke arah x dan 5mm ke arah y. 11 gambar diperoleh di setiap arah, dengan total 121 gambar untuk gambar gigapiksel penuh (detail lebih lanjut tentang ini di langkah 11). Kode kemudian menghitung jumlah langkah yang harus dilakukan motor untuk menerjemahkan tahapan dengan jumlah ini.

Bagaimana tahapan tahu di mana mereka relatif terhadap motor? Bagaimana tahapan menerjemahkan tanpa memukul kedua ujungnya? Dalam kode pengaturan, saya menulis sebuah fungsi yang menggerakkan panggung ke setiap arah hingga memutus jalur antara pemancar IR dan penerima IR. Ketika sinyal pada penerima IR turun di bawah ambang batas tertentu, motor berhenti. Kode kemudian melacak posisi panggung relatif terhadap posisi rumah ini. Kode ditulis sehingga motor tidak menerjemahkan terlalu jauh yang akan membuat panggung berjalan ke ujung sekrup utama.

Setelah panggung dikalibrasi di setiap arah, panggung diterjemahkan ke tengah. Dengan menggunakan tripod, saya memposisikan mikroskop DSLR saya di atas panggung. Penting untuk menyelaraskan bidang kamera dengan garis silang pada tahap sampel. Setelah panggung sejajar dengan kamera, saya menempelkan panggung dengan selotip pelukis dan kemudian meletakkan sampel di atas panggung. Fokus telah disesuaikan dengan arah-z tripod. Pengguna kemudian menekan tombol untuk memulai akuisisi. Panggung diterjemahkan ke sudut kiri bawah dan kamera dipicu. Panggung kemudian raster memindai sampel, sementara kamera mengambil foto di setiap posisi.

Terlampir juga beberapa kode untuk mengatasi masalah motor dan sensor IR.

Langkah 9: Menjahit Gambar

Dengan semua gambar yang diperoleh, Anda sekarang dihadapkan pada tantangan untuk menyatukan semuanya. Salah satu cara untuk menangani penggabungan gambar adalah dengan menyelaraskan semua gambar secara manual dalam program grafik (saya menggunakan Grafik Autodesk). Ini pasti akan berhasil, tetapi ini bisa menjadi proses yang menyakitkan dan tepi gambar terlihat dalam gambar gigapiksel.

Pilihan lainnya adalah menggunakan teknik pemrosesan gambar untuk menyatukan gambar secara otomatis. Idenya adalah untuk menemukan fitur serupa di bagian tumpang tindih dari gambar yang berdekatan dan kemudian menerapkan transformasi terjemahan ke gambar sehingga gambar sejajar satu sama lain. Akhirnya, ujung-ujungnya dapat digabungkan bersama dengan mengalikan bagian yang tumpang tindih dengan faktor bobot linier dan menambahkannya bersama-sama. Ini bisa menjadi algoritme yang menakutkan untuk ditulis jika Anda baru dalam pemrosesan gambar. Saya bekerja untuk sementara waktu pada masalah, tetapi saya tidak bisa mendapatkan hasil yang sepenuhnya dapat diandalkan. Algoritme paling sulit dengan sampel yang memiliki fitur yang sangat mirip, seperti titik-titik pada gambar majalah. Terlampir adalah kode yang saya tulis di Matlab, tetapi perlu beberapa pekerjaan.

Opsi terakhir adalah menggunakan program jahitan fotografi gigapixel. Saya tidak punya saran, tapi saya tahu mereka ada di luar sana.

Langkah 10: Kinerja Mikroskop

Jika Anda melewatkannya, inilah hasilnya: gambar majalah, taplak meja rajutan, dan barang elektronik lainnya.

Spesifikasi sistem tercantum dalam tabel di atas. Saya mencoba pencitraan dengan lensa panjang fokus 28mm dan 50mm. Saya memperkirakan kemungkinan resolusi terbaik dari sistem berdasarkan batas difraksi (sekitar 6μm). Sebenarnya sulit untuk menguji ini secara eksperimental tanpa target resolusi tinggi. Saya mencoba mencetak file vektor yang terdaftar di forum fotografi format besar ini, tetapi saya dibatasi oleh resolusi printer saya. Yang terbaik yang dapat saya tentukan dengan hasil cetak ini adalah bahwa sistem memiliki resolusi <40μm. Saya juga mencari fitur kecil dan terisolasi pada sampel. Fitur terkecil dalam cetakan dari majalah adalah titik tinta, yang saya perkirakan juga sekitar 40μm, jadi saya tidak dapat menggunakannya untuk mendapatkan perkiraan resolusi yang lebih baik. Ada divot kecil di elektronik yang cukup terisolasi dengan baik. Karena saya mengetahui bidang pandang, saya dapat menghitung jumlah piksel yang menggunakan divot kecil untuk mendapatkan perkiraan resolusi, sekitar 10-15μm.

Secara keseluruhan, saya senang dengan kinerja sistem, tetapi saya memiliki beberapa catatan jika Anda ingin mencoba proyek ini.

Stabilitas panggung: Pertama, dapatkan komponen panggung linier berkualitas tinggi. Komponen yang saya gunakan memiliki permainan yang jauh lebih banyak daripada yang saya kira. Saya hanya menggunakan salah satu dudukan slider di kit untuk setiap batang, jadi mungkin itu sebabnya panggung tidak terasa sangat stabil. Panggung bekerja cukup baik untuk saya, tetapi ini akan menjadi lebih masalah untuk sistem perbesaran yang lebih tinggi.

Optik untuk resolusi yang lebih tinggi: Ide yang sama dapat digunakan untuk mikroskop perbesaran yang lebih tinggi. Namun, motor yang lebih kecil dengan ukuran langkah yang lebih halus akan diperlukan. Misalnya, perbesaran 20X dengan dSLR ini akan menghasilkan bidang pandang 1mm (jika mikroskop dapat mencitrakan sistem sebesar itu tanpa vignetting). Electronupdate menggunakan motor stepper dari pemutar CD dalam bentuk yang bagus untuk mikroskop perbesaran yang lebih tinggi. Pengorbanan lainnya adalah kedalaman bidang yang dangkal, yang berarti pencitraan akan terbatas pada sampel tipis dan Anda akan memerlukan mekanisme terjemahan yang lebih halus dalam arah-z.

Stabilitas tripod: Sistem ini akan bekerja lebih baik dengan dudukan kamera yang lebih stabil. Sistem lensanya berat dan tripodnya dimiringkan 90 derajat dari posisi yang dirancangnya. Saya harus merekatkan kaki tripod untuk membantu stabilitas. Rana juga dapat menggoyang kamera cukup untuk mengaburkan gambar.