ميكروسكوب جيجابيكسل لسطح المكتب: 10 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

في المجاهر الضوئية ، هناك مفاضلة أساسية بين مجال الرؤية والدقة: كلما كانت التفاصيل أدق ، كانت المنطقة المصوَّرة بواسطة المجهر أصغر. تتمثل إحدى طرق التغلب على هذا القيد في ترجمة العينة والحصول على صور عبر مجال رؤية أكبر. الفكرة الأساسية هي تجميع العديد من الصور عالية الدقة معًا لتشكيل مجال رؤية كبير. في هذه الصور ، يمكنك رؤية كل من العينة الكاملة ، بالإضافة إلى التفاصيل الدقيقة في أي جزء من العينة. والنتيجة هي صورة تتكون من حوالي مليار بكسل ، وهي أكبر بكثير مقارنة بالصور التي تم التقاطها بواسطة كاميرا رقمية ذات عدسة أحادية عاكسة أو هاتف ذكي ، والتي تحتوي عادةً على حوالي 10 إلى 50 مليون بكسل. تحقق من هذه المناظر الطبيعية بجيجابيكسل للحصول على عرض مثير للإعجاب للكم الهائل من المعلومات في هذه الصور.

في هذا الدليل ، سوف أتطرق إلى كيفية بناء مجهر قادر على تصوير مجال رؤية 90 مم × 60 مم مع وحدات بكسل تقابل 2 ميكرومتر في العينة (على الرغم من أنني أعتقد أن الدقة ربما تكون أقرب إلى 15 ميكرومتر). يستخدم النظام عدسات الكاميرا ، ولكن يمكن تطبيق نفس المفهوم باستخدام أهداف المجهر للحصول على دقة أدق.

لقد قمت بتحميل صور gigapixel التي حصلت عليها بالمجهر على EasyZoom:

1970 صورة مجلة ناشيونال جيوغرافيك

مفرش كروشيه من صنع زوجتي

إلكترونيات متنوعة

موارد آخرى:

دروس الفحص المجهري البصري:

الدقة البصرية:

بالإضافة إلى خياطة الصور ، فإن التقدم الأخير في التصوير الحسابي يجعل الفحص المجهري جيجابيكسل ممكنًا دون حتى تحريك العينة!

الخطوة 1: قائمة التوريد

المواد:

1. Nikon dSLR (استخدمت نيكون D5000)

2. 28mm بعدسات البعد البؤري مع 52mm خيوط

3. 80mm البعد البؤري عدسة مع 58mm خيوط

4. 52mm إلى 58mm مقرنة عكسية

5. ترايبود

6. سبع صفائح من الخشب الرقائقي بسمك 3 مم

7. اردوينو نانو

8. جسران H-bridge L9110

9. اثنين من بواعث الأشعة تحت الحمراء

10. عدد اثنين من أجهزة استقبال الأشعة تحت الحمراء

11. زر الضغط

12. اثنان من المقاومات 2.2kOhm

13. اثنان من المقاومات 150Ohm

14. واحد 1 كيلو أوم المقاوم

15. الافراج عن بعد لكاميرا نيكون

16. لوحة ملصقات سوداء

17. مجموعة الأجهزة:

18. محركان متدرجان (استخدمت محرك خطوة نيما 17 ثنائي القطب 3.5 فولت 1 أمبير)

19. اثنان من براغي الرصاص 2mm

20. أربع كتل وسادة

21. اثنان من الصواميل اللولبية الرصاص

22. جلبة انزلاقية محمل ومهاوي خطية 200 مم:

23. مصدر طاقة 5 فولت:

24. سلك لف الأسلاك

أدوات:

1. قطع الليزر

2. طابعة ثلاثية الأبعاد

3. الشدات ألين

4. قواطع للاسلاك

5. أداة لف الأسلاك

الخطوة 2: نظرة عامة على النظام

لترجمة العينة ، يتحرك محركان متدرجان مصطفان في اتجاهات متعامدة لتحريك مرحلة في الاتجاهين x و y. يتم التحكم في المحركات باستخدام جسرين H و Arduino. يتم استخدام مستشعر الأشعة تحت الحمراء الموجود في قاعدة محرك السائر لصفر المراحل حتى لا تصطدم بأي من طرفي الكتل. يتم وضع مجهر رقمي فوق مرحلة XY.

بمجرد وضع العينة وتوسيط المرحلة ، تضغط على زر لبدء عملية الاستحواذ. تقوم المحركات بتحريك المسرح إلى الزاوية اليسرى السفلية ويتم تشغيل الكاميرا. ثم تترجم المحركات العينة بخطوات صغيرة ، حيث تلتقط الكاميرا صورة في كل موضع.

بعد التقاط جميع الصور ، يتم دمج الصور معًا لتشكيل صورة جيجابيكسل.

الخطوة 3: تجميع المجهر

لقد صنعت مجهرًا منخفض التكبير باستخدام كاميرا DSLR (نيكون 5000) وعدسة نيكون 28 مم f / 2.8 وعدسة تكبير مقاس 28-80 مم من نيكون. تم ضبط عدسة الزوم على طول بؤري يساوي 80 مم. تعمل مجموعة العدستين مثل عدسة أنبوبية مجهر وعدسة موضوعية. التكبير الكلي هو نسبة الأطوال البؤرية ، حوالي 3X. هذه العدسات ليست مصممة حقًا لهذا التكوين ، لذلك لجعل الضوء ينتشر مثل المجهر ، عليك وضع فتحة توقف بين العدستين.

أولاً ، قم بتركيب عدسة الطول البؤري الأطول على الكاميرا. قم بقص دائرة من لوحة الملصقات السوداء التي يبلغ قطرها تقريبًا حجم السطح الأمامي للعدسة. ثم قص دائرة صغيرة في المنتصف (اخترت قطرها حوالي 3 مم). سيحدد حجم الدائرة مقدار الضوء الذي يدخل النظام ، وتسمى أيضًا الفتحة العددية (NA). يحدد NA الدقة الجانبية للنظام للمجاهر المصممة جيدًا. فلماذا لا تستخدم NA عالية لهذا الإعداد؟ حسنًا ، هناك سببان رئيسيان. أولاً ، مع زيادة NA ، تصبح الانحرافات البصرية للنظام أكثر وضوحًا وستحد من دقة النظام. في إعداد غير تقليدي مثل هذا ، من المحتمل أن يكون هذا هو الحال ، لذا فإن زيادة NA في النهاية لن تساعد في تحسين الدقة. ثانيًا ، يعتمد عمق المجال أيضًا على زمالة المدمنين المجهولين. كلما ارتفع NA ، كان عمق المجال ضحلًا. هذا يجعل من الصعب وضع الأشياء غير المسطحة في البؤرة. إذا كان NA مرتفعًا جدًا ، فستقتصر على شرائح مجهر التصوير ، التي تحتوي على عينات رفيعة.

يجعل وضع فتحة الفتحة بين العدستين النظام بعيدًا عن المركز تقريبًا. هذا يعني أن تكبير النظام مستقل عن مسافة الكائن. يصبح هذا مهمًا لربط الصور معًا. إذا كان للكائن عمق متفاوت ، فإن المنظر من موقعين مختلفين سيكون له منظور متغير (مثل الرؤية البشرية). يعد تجميع الصور معًا غير المأخوذة من نظام التصوير عن بُعد أمرًا صعبًا ، خاصة مع هذا التكبير العالي.

استخدم قارنة التوصيل العكسي للعدسة مقاس 58 مم إلى 52 مم لتوصيل العدسة مقاس 28 مم بالعدسة مقاس 80 مم مع الفتحة الموضوعة في المنتصف.

الخطوة 4: تصميم المرحلة XY

لقد صممت المرحلة باستخدام Fusion 360. لكل اتجاه مسح ، هناك أربعة أجزاء تحتاج إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد: حامل المركب ، وموسعي وحدة منزلقين ، وحامل لولبي من الرصاص. يتم قطع قاعدة ومنصات المرحلة XY بالليزر من خشب رقائقي بسمك 3 مم. تحتوي القاعدة على محرك X-direction والمنزلقات ، وتحمل منصة X محرك الاتجاه Y والمنزلقات ، وتحمل المنصة Y العينة. تتكون القاعدة من 3 أوراق وتتكون المنصتان من ورقتين. يتم توفير ملفات القطع بالليزر والطباعة ثلاثية الأبعاد في هذه الخطوة. بعد قص هذه الأجزاء وطباعتها ، تكون جاهزًا للخطوات التالية.

الخطوة 5: تركيب المحرك

باستخدام أداة لف الأسلاك ، لف السلك حول خيوط اثنين من بواعث الأشعة تحت الحمراء وجهازي استقبال الأشعة تحت الحمراء. قم بتلوين الأسلاك حتى تعرف أي طرف هو. ثم قم بقطع الخيوط عن الثنائيات ، بحيث يتم تشغيل أسلاك لف الأسلاك فقط من ذلك الحين. مرر الأسلاك عبر الموجهات الموجودة في حامل المحرك ثم ادفع الثنائيات في مكانها. يتم توجيه الأسلاك بحيث لا تكون مرئية حتى تخرج من الجزء الخلفي من الوحدة. يمكن ربط هذه الأسلاك بأسلاك المحرك. الآن قم بتركيب محرك السائر باستخدام أربعة براغي M3. كرر هذه الخطوة للمحرك الثاني.

الخطوة 6: مرحلة التجميع

الصق قطع القاعدة 1 والقاعدة 2 معًا ، أحدهما بفتحات سداسية للصواميل M3. بمجرد أن يجف الغراء ، اطرق صواميل M3 في موضعها. لن تدور الصواميل عند الضغط عليها في اللوحة ، لذا ستتمكن من تثبيت البراغي لاحقًا. الآن قم بلصق الورقة الأساسية الثالثة (القاعدة 3) لتغطية الصواميل.

حان الوقت الآن لتجميع قاعدة صامولة الرصاص. قم بإزالة أي فتيل إضافي من الحامل ثم ادفع أربعة صواميل M3 في موضعها. إنها مناسبة بشكل محكم ، لذا تأكد من إخلاء مساحة البرغي والصمولة باستخدام مفك لولبي صغير. بمجرد محاذاة الصواميل ، ادفع صامولة الرصاص في الحامل وأرفقها ببراغي 4 M3.

قم بتوصيل كتل الوسائد ، وحوامل التمرير ، وحامل المحرك للمترجم الخطي X-direction على القاعدة. ضع مجموعة صامولة الرصاص على المسمار اللولبي ثم اسحب المسمار اللولبي في مكانه. استخدم قارنة التوصيل لتوصيل المحرك بمسمار الرصاص. ضع وحدات التمرير في القضبان ثم ادفع القضبان في حوامل التمرير. أخيرًا ، قم بتوصيل موسعات التثبيت المنزلق بمسامير M3.

يتم لصق صفائح الخشب الرقائقي X1 و X2 معًا بطريقة مشابهة للقاعدة. يتم تكرار نفس الإجراء للمترجم الخطي باتجاه Y ومرحلة العينة.

الخطوة 7: إلكترونيات الماسح الضوئي

يحتوي كل محرك متدرج على أربعة كبلات متصلة بوحدة جسر H. يتم توصيل الكابلات الأربعة من باعث ومستقبل الأشعة تحت الحمراء بالمقاومات وفقًا للرسم التخطيطي أعلاه. مخرجات أجهزة الاستقبال متصلة بمدخل تناظري A0 و A1. تم توصيل وحدتي جسر H بالدبوس 4-11 في Arduino Nano. يتم توصيل زر انضغاطي بالطرف 2 بمقاوم 1 كيلو أوم لإدخال المستخدم البسيط.

أخيرًا ، تم توصيل زر التشغيل الخاص بـ dSLR بمصراع بعيد ، كما فعلت مع ماسح التصوير المقطعي المحوسب (انظر الخطوة 7). قطع كابل المصراع البعيد. تم تصنيف الأسلاك على النحو التالي:

أصفر - التركيز

أحمر - مصراع

أبيض - الأرض

من أجل تركيز اللقطة ، يجب توصيل السلك الأصفر بالأرض. لالتقاط صورة ، يجب توصيل كل من السلكين الأصفر والأحمر بالأرض. لقد قمت بتوصيل الصمام الثنائي والكابل الأحمر بالدبوس 12 ، ثم قمت بتوصيل الصمام الثنائي الآخر والكابل الأصفر بالدبوس 13. الإعداد كما هو موضح في DIY Hacks and How-Tos القابل للتوجيه.

الخطوة 8: الحصول على صور Gigapixel

مرفق به رمز مجهر جيجابيكسل. لقد استخدمت مكتبة Stepper للتحكم في المحركات باستخدام جسر H. في بداية الكود ، يجب عليك تحديد مجال رؤية المجهر وعدد الصور التي تريد الحصول عليها في كل اتجاه.

على سبيل المثال ، المجهر الذي صنعته كان له مجال رؤية يبلغ حوالي 8.2 ملم × 5.5 ملم. لذلك ، قمت بتوجيه المحركات لإزاحة 8 مم في الاتجاه x و 5 مم في الاتجاه y. يتم الحصول على 11 صورة في كل اتجاه ، بإجمالي 121 صورة لصورة جيجا بكسل كاملة (مزيد من التفاصيل حول هذا في الخطوة 11). ثم يحسب الكود عدد الخطوات التي تحتاجها المحركات لترجمة المرحلة بهذا المقدار.

كيف تعرف المراحل مكانها بالنسبة للمحرك؟ كيف تترجم المراحل دون أن تصطدم بأي من الطرفين؟ في كود الإعداد ، كتبت وظيفة تنقل المرحلة في كل اتجاه حتى تقطع المسار بين باعث الأشعة تحت الحمراء ومستقبل الأشعة تحت الحمراء. عندما تنخفض الإشارة الموجودة على مستقبل الأشعة تحت الحمراء إلى ما دون بعض العتبة ، يتوقف المحرك. ثم يتتبع الكود موضع المرحلة بالنسبة إلى موضع المنزل هذا. تمت كتابة الكود بحيث لا يترجم المحرك بعيدًا مما يجعل المرحلة تصل إلى الطرف الآخر من المسمار اللولبي.

بمجرد معايرة المرحلة في كل اتجاه ، تتم ترجمة المرحلة إلى المركز. باستخدام حامل ثلاثي القوائم ، قمت بوضع مجهر dSLR على المسرح. من المهم محاذاة مجال الكاميرا مع الخطوط المتقاطعة في مرحلة العينة. بمجرد محاذاة المسرح مع الكاميرا ، قمت بتسجيل أسفل المسرح بشريط رسام ثم وضعت العينة على المسرح. تم ضبط التركيز مع اتجاه z ثلاثي القوائم. ثم يضغط المستخدم على الزر الانضغاطي لبدء عملية الاستحواذ. تُترجم المرحلة إلى الزاوية اليسرى السفلية ويتم تشغيل الكاميرا. ثم تقوم المرحلة النقطية بمسح العينة ضوئيًا ، بينما تلتقط الكاميرا صورة في كل موضع.

مرفق أيضًا بعض التعليمات البرمجية لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها في المحركات وأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء.

الخطوة 9: خياطة الصور

مع كل الصور التي تم الحصول عليها ، تواجه الآن تحديًا يتمثل في تجميعها جميعًا معًا. تتمثل إحدى طرق التعامل مع خياطة الصور في محاذاة جميع الصور يدويًا في برنامج رسومي (استخدمت رسم Autodesk). ستنجح هذه الطريقة بالتأكيد ، لكنها قد تكون عملية مؤلمة وتكون حواف الصور ملحوظة في صور gigapixel.

خيار آخر هو استخدام تقنيات معالجة الصور لربط الصور معًا تلقائيًا. تكمن الفكرة في العثور على ميزات مماثلة في القسم المتداخل للصور المجاورة ثم تطبيق تحويل ترجمة على الصورة بحيث تتم محاذاة الصور مع بعضها البعض. أخيرًا ، يمكن مزج الحواف معًا بضرب القسم المتداخل في عامل وزن خطي وإضافتها معًا. قد يكون هذا خوارزمية شاقة للكتابة إذا كنت جديدًا في معالجة الصور. لقد عملت لفترة من الوقت على المشكلة ، لكن لم أتمكن من الحصول على نتيجة موثوقة تمامًا. كافحت الخوارزمية أكثر مع العينات التي لها ميزات متشابهة جدًا في جميع الأنحاء ، مثل النقاط في صورة المجلة. مرفق بالرمز الذي كتبته في Matlab ، لكنه يحتاج إلى بعض العمل.

الخيار الأخير هو استخدام برامج خياطة التصوير gigapixel. ليس لدي أي اقتراح ، لكني أعلم أنهم موجودون هناك.

الخطوة العاشرة: أداء الميكروسكوب

في حال فاتتك ، ها هي النتائج: صورة مجلة ، مفرش كروشيه ، وإلكترونيات متنوعة.

مواصفات النظام مذكورة في الجدول أعلاه. حاولت التصوير باستخدام عدسة طول بؤري 28 مم و 50 مم. لقد قدرت أفضل دقة ممكنة للنظام بناءً على حد الانعراج (حوالي 6 ميكرومتر). من الصعب بالفعل اختبار هذا بشكل تجريبي بدون هدف دقة عالية. حاولت طباعة ملف متجه مدرج في منتدى التصوير الفوتوغرافي ذو التنسيق الكبير ، لكنني كنت مقيدًا بدقة الطابعة الخاصة بي. أفضل ما استطعت تحديده باستخدام هذه النسخة المطبوعة هو أن دقة النظام أقل من 40 ميكرومتر. لقد بحثت أيضًا عن ميزات صغيرة ومعزولة في العينات. أصغر ميزة في النسخة المطبوعة من المجلة هي بقعة الحبر ، والتي قدرتها أيضًا بحوالي 40 ميكرومتر ، لذلك لم أتمكن من استخدامها للحصول على تقدير أفضل للدقة. كانت هناك فجوات صغيرة في الإلكترونيات معزولة جيدًا. نظرًا لأنني كنت أعرف مجال الرؤية ، يمكنني حساب عدد البكسل الذي يشغل الفجوة الصغيرة للحصول على تقدير للدقة ، حوالي 10-15 ميكرومتر.

بشكل عام ، كنت سعيدًا بأداء النظام ، لكن لدي بعض الملاحظات في حال كنت ترغب في تجربة هذا المشروع.

ثبات المرحلة: أولاً ، الحصول على مكونات المرحلة الخطية عالية الجودة. كان للمكونات التي استخدمتها طريقة تشغيل أكثر مما اعتقدت. لقد استخدمت واحدة فقط من أدوات التثبيت المنزلق في المجموعة لكل قضيب ، لذلك ربما كان هذا هو السبب في أن المرحلة لم تكن مستقرة جدًا. عملت المرحلة بشكل جيد بالنسبة لي ، لكن هذا سيصبح مشكلة أكبر لأنظمة التكبير الأعلى.

بصريات ذات دقة أعلى: يمكن استخدام نفس الفكرة لمجاهر تكبير أعلى. ومع ذلك ، ستكون هناك حاجة إلى محركات أصغر ذات حجم خطوة أدق. على سبيل المثال ، قد ينتج عن التكبير بمقدار 20 ضعفًا باستخدام كاميرا DSLR مجال رؤية يبلغ 1 مم (إذا كان بإمكان المجهر تصوير هذا النظام الكبير دون تظليل). استخدم Electronupdate محركات متدرجة من مشغل أقراص مضغوطة في بنية جيدة لمجهر تكبير أعلى. ستكون المقايضة الأخرى هي عمق المجال الضحل ، مما يعني أن التصوير سيقتصر على عينات رفيعة وستحتاج إلى آلية ترجمة أكثر دقة في الاتجاه z.

استقرار الحامل ثلاثي القوائم: سيعمل هذا النظام بشكل أفضل مع حامل كاميرا أكثر ثباتًا. نظام العدسة ثقيل ويميل الحامل ثلاثي القوائم بمقدار 90 درجة عن الموضع الذي تم تصميمه من أجله. اضطررت إلى وضع شريط على قدمي الحامل ثلاثي القوائم للمساعدة في الاستقرار. يمكن للمصراع أيضًا هز الكاميرا بدرجة كافية لطمس الصور.