Kính hiển vi Gigapixel để bàn: 10 bước (có Hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Trong kính hiển vi quang học, có một sự đánh đổi cơ bản giữa trường nhìn và độ phân giải: chi tiết càng mịn thì vùng được kính hiển vi chụp ảnh càng nhỏ. Một cách để khắc phục hạn chế này là dịch mẫu và thu được hình ảnh qua một trường nhìn lớn hơn. Ý tưởng cơ bản là ghép nhiều hình ảnh có độ phân giải cao lại với nhau để tạo thành một FOV lớn. Trong những hình ảnh này, bạn có thể thấy cả mẫu đầy đủ, cũng như chi tiết tốt trong bất kỳ phần nào của mẫu. Kết quả là một hình ảnh bao gồm khoảng một tỷ pixel, lớn hơn nhiều so với hình ảnh được chụp bởi dSLR hoặc điện thoại thông minh, thường có khoảng 10 đến 50 triệu pixel. Hãy xem những phong cảnh gigapixel này để có một minh chứng ấn tượng về lượng thông tin khổng lồ trong những hình ảnh này.

Trong phần hướng dẫn này, tôi sẽ xem xét cách chế tạo một kính hiển vi có khả năng chụp ảnh trường nhìn 90mm x 60mm với các điểm ảnh tương ứng với 2μm tại mẫu (mặc dù, tôi nghĩ độ phân giải có lẽ gần với 15μm). Hệ thống sử dụng ống kính máy ảnh, nhưng khái niệm tương tự có thể được áp dụng bằng cách sử dụng vật kính hiển vi để có được độ phân giải thậm chí còn tốt hơn.

Tôi đã tải lên các hình ảnh gigapixel mà tôi có được bằng kính hiển vi trên EasyZoom:

Hình ảnh tạp chí National Geographic năm 1970

Móc khăn trải bàn vợ tôi làm

Điện tử khác

Các nguồn lực khác:

Hướng dẫn sử dụng kính hiển vi quang học:

Độ phân giải quang học:

Ngoài khâu hình ảnh, tiến bộ gần đây trong hình ảnh tính toán giúp cho kính hiển vi gigapixel có thể thực hiện mà không cần di chuyển mẫu!

Bước 1: Danh sách cung cấp

Vật liệu:

1. Nikon dSLR (Tôi đã sử dụng Nikon D5000 của mình)

2. Ống kính tiêu cự 28mm với ren 52mm

3. Ống kính tiêu cự 80mm với luồng 58mm

4. Bộ ghép ngược 52mm đến 58mm

5. Chân máy

6. Bảy tấm ván ép dày 3mm

7. Arduino Nano

8. Hai cầu chữ H L9110

9. Hai bộ phát hồng ngoại

10. Hai máy thu IR

11. Nút nhấn

12. Hai điện trở 2,2kOhm

13. Hai điện trở 150Ohm

14. Một điện trở 1kOhm

15. Phát hành từ xa cho máy ảnh Nikon

16. Bảng áp phích màu đen

17. Bộ phần cứng:

18. Hai động cơ bước (Tôi đã sử dụng động cơ bước Bipolar Nema 17 3.5V 1A)

19. Hai vít dẫn 2mm

20. Bốn khối gối

21. Hai đai ốc vít

22. Hai ống lót trượt ổ trục và trục tuyến tính 200mm:

23. Nguồn điện 5V:

24. Dây quấn

Công cụ:

1. Máy cắt laser

2. Máy in 3D

3. Cờ lê Allen

4. Máy cắt dây

5. Dụng cụ quấn dây

Bước 2: Tổng quan về hệ thống

Để dịch mẫu, hai động cơ bước được căn chỉnh theo hướng trực giao di chuyển một giai đoạn theo hướng x và y. Các động cơ được điều khiển bằng hai cầu H và Arduino. Một cảm biến IR được đặt ở chân của động cơ bước được sử dụng để không các giai đoạn để chúng không chạy vào một trong hai đầu của khối. Một kính hiển vi kỹ thuật số được đặt phía trên màn hình XY.

Khi mẫu đã được định vị và căn giữa sân khấu, bạn nhấn một nút để bắt đầu thu thập. Các động cơ di chuyển sân khấu đến góc dưới cùng bên trái và máy ảnh được kích hoạt. Sau đó, các động cơ dịch mẫu theo từng bước nhỏ, khi máy ảnh chụp ảnh ở mỗi vị trí.

Sau khi tất cả các hình ảnh được chụp, các hình ảnh sau đó sẽ được ghép lại với nhau để tạo thành một hình ảnh gigapixel.

Bước 3: Lắp ráp kính hiển vi

Tôi đã chế tạo một kính hiển vi có độ phóng đại thấp với dSLR (Nikon 5000), ống kính Nikon 28mm f / 2.8 và ống kính zoom Nikon 28-80mm. Ống kính thu phóng được đặt cho độ dài tiêu cự bằng 80mm. Bộ của hai thấu kính có tác dụng như thấu kính ống kính hiển vi và vật kính. Tổng độ phóng đại là tỷ lệ của độ dài tiêu cự, khoảng 3X. Những thấu kính này thực sự không được thiết kế cho cấu hình này, vì vậy để làm cho ánh sáng truyền giống như một kính hiển vi, bạn phải đặt một điểm dừng khẩu độ giữa hai thấu kính.

Đầu tiên, lắp ống kính tiêu cự dài hơn vào máy ảnh. Cắt một hình tròn từ bảng áp phích màu đen có đường kính gần bằng kích thước của bề mặt trước của ống kính. Sau đó cắt một hình tròn nhỏ ở giữa (tôi chọn đường kính khoảng 3mm). Kích thước của vòng tròn sẽ quyết định lượng ánh sáng đi vào hệ thống, còn được gọi là khẩu độ số (NA). NA xác định độ phân giải bên của hệ thống đối với kính hiển vi được thiết kế tốt. Vậy tại sao không sử dụng NA cao cho thiết lập này? Chà, có hai lý do chính. Thứ nhất, khi NA tăng, quang sai của hệ thống trở nên nổi bật hơn và sẽ hạn chế độ phân giải của hệ thống. Trong một thiết lập độc đáo như thế này, điều này có thể sẽ xảy ra, vì vậy việc tăng NA cuối cùng sẽ không còn giúp cải thiện độ phân giải. Thứ hai, độ sâu trường ảnh cũng phụ thuộc vào NA. NA càng cao, độ sâu trường ảnh càng nông. Điều này gây khó khăn cho việc lấy nét các đối tượng không phẳng. Nếu NA quá cao, thì bạn sẽ bị giới hạn trong các slide của kính hiển vi hình ảnh, có các mẫu mỏng.

Vị trí của điểm dừng khẩu độ giữa hai thấu kính làm cho hệ thống gần như là viễn tâm. Điều đó có nghĩa là độ phóng đại của hệ thống không phụ thuộc vào khoảng cách vật thể. Điều này trở nên quan trọng để ghép các hình ảnh lại với nhau. Nếu đối tượng có độ sâu khác nhau, thì tầm nhìn từ hai vị trí khác nhau sẽ có góc nhìn bị dịch chuyển (giống như tầm nhìn của con người). Việc ghép các hình ảnh lại với nhau mà không phải từ hệ thống chụp ảnh viễn tâm là một thách thức, đặc biệt là với độ phóng đại cao như vậy.

Sử dụng bộ ghép ngược ống kính 58mm đến 52mm để gắn ống kính 28mm vào ống kính 80mm với khẩu độ được đặt ở giữa.

Bước 4: Thiết kế sân khấu XY

Tôi thiết kế sân khấu bằng Fusion 360. Đối với mỗi hướng quét, có bốn bộ phận cần được in 3D: giá đỡ, hai bộ mở rộng bộ trượt và một giá đỡ vít dẫn. Phần chân đế và bệ của sân khấu XY được cắt lazer từ ván ép dày 3mm. Bệ đỡ chứa thanh trượt và động cơ hướng X, bệ X chứa thanh trượt và động cơ hướng Y, bệ Y giữ mẫu. Đế gồm 3 tấm và hai bệ gồm 2 tấm. Các tệp để cắt laser và in 3D được cung cấp trong bước này. Sau khi cắt và in các bộ phận này, bạn đã sẵn sàng cho các bước tiếp theo.

Bước 5: Lắp ráp động cơ

Sử dụng dụng cụ quấn dây, quấn dây xung quanh dây dẫn của hai bộ phát IR và hai bộ thu IR. Mã màu cho dây để bạn biết đầu nào là đầu cuối. Sau đó, cắt dây dẫn ra khỏi điốt, do đó chỉ có dây quấn dây chạy từ đó. Trượt dây qua các thanh dẫn trong giá đỡ động cơ và sau đó đẩy các điốt vào vị trí. Các dây dẫn được định hướng để chúng không thể nhìn thấy cho đến khi chúng thoát ra phía sau của thiết bị. Các dây này có thể được nối với dây động cơ. Bây giờ lắp động cơ bước bằng bốn bu lông M3. Lặp lại bước này cho động cơ thứ hai.

Bước 6: Giai đoạn lắp ráp

Keo các vết cắt Cơ sở 1 và Cơ sở 2 lại với nhau, một trong số chúng có lỗ hình lục giác cho đai ốc M3. Khi keo đã khô, dùng búa đập các đai ốc M3 vào vị trí. Các đai ốc sẽ không xoay khi ép vào bảng, vì vậy bạn sẽ có thể vặn bu lông sau này. Bây giờ keo tấm đế thứ ba (Base 3) để che các đai ốc.

Bây giờ là lúc để lắp ráp ngàm kẹp chì. Loại bỏ bất kỳ sợi thừa nào khỏi ngàm và sau đó đẩy bốn đai ốc M3 vào vị trí. Chúng rất vừa vặn, vì vậy hãy đảm bảo rằng bạn loại bỏ không gian bu lông và đai ốc bằng một tua vít nhỏ. Khi các đai ốc đã được căn chỉnh, hãy đẩy đai ốc vào ngàm và gắn nó bằng 4 bu lông M3.

Gắn các khối gối, giá treo thanh trượt và giá đỡ động cơ cho bộ dịch tuyến tính hướng X vào đế. Đặt cụm đai ốc chì vào vít chì và sau đó trượt vít chì vào vị trí. Sử dụng bộ nối để kết nối động cơ với vít dẫn. Đặt các đơn vị thanh trượt vào các thanh và sau đó đẩy các thanh này vào các giá gắn thanh trượt. Cuối cùng, gắn các bộ mở rộng gắn thanh trượt bằng bu lông M3.

Các tấm ván ép X1 và X2 được dán với nhau theo cách tương tự như tấm nền. Quy trình tương tự được lặp lại đối với bộ dịch tuyến tính hướng Y và giai đoạn mẫu.

Bước 7: Máy quét Điện tử

Mỗi động cơ bước có bốn dây cáp được kết nối với mô-đun cầu H. Bốn cáp từ bộ phát và bộ thu IR được kết nối với các điện trở theo sơ đồ trên. Đầu ra của máy thu được kết nối với đầu vào tương tự A0 và A1. Hai mô-đun cầu H được kết nối với chân 4-11 trên Arduino Nano. Một nút bấm được kết nối với chân 2 bằng điện trở 1kOhm để người dùng nhập liệu đơn giản.

Cuối cùng, nút kích hoạt cho dSLR được kết nối với một màn trập từ xa, như tôi đã làm đối với máy quét CT của mình (xem bước 7). Cắt cáp màn trập từ xa. Các dây được dán nhãn như sau:

Màu vàng - tiêu điểm

Đỏ - màn trập

Trắng - mặt đất

Để lấy nét cho cảnh quay, dây màu vàng phải được nối với đất. Để chụp một bức ảnh, cả dây màu vàng và màu đỏ phải được nối với đất. Tôi đã kết nối một diode và cáp màu đỏ vào chân 12, sau đó tôi kết nối một diode khác và cáp màu vàng vào chân 13. Việc thiết lập như được mô tả trong Hướng dẫn DIY Hacks và How-Tos.

Bước 8: Nhận hình ảnh Gigapixel

Đính kèm là mã của kính hiển vi gigapixel. Tôi đã sử dụng thư viện Stepper để điều khiển động cơ bằng cầu H. Trong phần đầu của mã, bạn phải chỉ định trường nhìn của kính hiển vi và số lượng hình ảnh bạn muốn thu được theo mỗi hướng.

Ví dụ, kính hiển vi tôi làm có trường nhìn khoảng 8,2mm x 5,5mm. Do đó, tôi đã hướng các động cơ dịch chuyển 8mm theo hướng x và 5mm theo hướng y. 11 hình ảnh được thu thập theo mỗi hướng, tổng cộng 121 hình ảnh cho hình ảnh gigapixel đầy đủ (chi tiết hơn về điều này trong bước 11). Sau đó, mã sẽ tính toán số bước động cơ cần thực hiện để dịch giai đoạn theo số lượng này.

Làm thế nào để các giai đoạn biết được vị trí của chúng so với động cơ? Làm thế nào để các giai đoạn dịch mà không nhấn vào một trong hai kết thúc? Trong mã thiết lập, tôi đã viết một hàm di chuyển vùng hiển thị theo từng hướng cho đến khi nó phá vỡ đường dẫn giữa bộ phát IR và bộ thu IR. Khi tín hiệu trên bộ thu IR giảm xuống dưới ngưỡng nào đó, động cơ sẽ dừng. Sau đó, mã theo dõi vị trí của sân khấu so với vị trí chính này. Mã được viết để động cơ không dịch quá xa, điều này có thể làm cho giai đoạn chạy vào đầu kia của vít dẫn.

Khi vùng hiển thị được hiệu chỉnh theo từng hướng, vùng hiển thị sẽ được dịch về trung tâm. Sử dụng giá ba chân, tôi định vị kính hiển vi dSLR của mình trên sân khấu. Điều quan trọng là phải căn chỉnh trường máy ảnh với các đường chéo trên vùng lấy mẫu. Khi sân khấu được căn chỉnh với máy ảnh, tôi dán băng dính của một họa sĩ xuống sân khấu và sau đó đặt mẫu lên sân khấu. Tiêu điểm được điều chỉnh với hướng z của chân máy. Sau đó, người dùng nhấn nút để bắt đầu chuyển đổi. Màn hình chuyển sang góc dưới cùng bên trái và máy ảnh được kích hoạt. Giai đoạn sau đó quét mẫu, trong khi máy ảnh chụp một bức ảnh ở mỗi vị trí.

Cũng được đính kèm một số mã để khắc phục sự cố động cơ và cảm biến hồng ngoại.

Bước 9: Khâu hình ảnh

Với tất cả các hình ảnh có được, bây giờ bạn phải đối mặt với thách thức ghép tất cả chúng lại với nhau. Một cách để xử lý việc ghép ảnh là căn chỉnh thủ công tất cả các ảnh trong chương trình đồ họa (tôi đã sử dụng Đồ họa của Autodesk). Điều này chắc chắn sẽ hiệu quả, nhưng nó có thể là một quá trình khó khăn và các cạnh của hình ảnh là đáng chú ý trong các hình ảnh gigapixel.

Một tùy chọn khác là sử dụng các kỹ thuật xử lý hình ảnh để ghép các hình ảnh lại với nhau một cách tự động. Ý tưởng là tìm các tính năng tương tự trong phần chồng chéo của các hình ảnh liền kề và sau đó áp dụng một phép biến đổi cho hình ảnh để các hình ảnh được căn chỉnh với nhau. Cuối cùng, các cạnh có thể được trộn với nhau bằng cách nhân phần chồng chéo với hệ số trọng lượng tuyến tính và cộng chúng lại với nhau. Đây có thể là một thuật toán khó viết nếu bạn chưa quen với việc xử lý hình ảnh. Tôi đã nghiên cứu vấn đề một thời gian, nhưng tôi không thể nhận được kết quả hoàn toàn đáng tin cậy. Thuật toán gặp khó khăn nhất với các mẫu có các đặc điểm rất giống nhau, chẳng hạn như các dấu chấm trong hình ảnh tạp chí. Đính kèm là đoạn mã tôi đã viết trong Matlab, nhưng nó cần một số thao tác.

Tùy chọn cuối cùng là sử dụng các chương trình ghép ảnh gigapixel. Tôi không có bất kỳ đề xuất nào, nhưng tôi biết họ đang ở ngoài đó.

Bước 10: Hiệu suất kính hiển vi

Trong trường hợp bạn bỏ lỡ, đây là kết quả: hình tạp chí, khăn trải bàn móc và các thiết bị điện tử khác.

Các thông số kỹ thuật của hệ thống được liệt kê trong bảng trên. Tôi đã thử chụp ảnh bằng cả ống kính tiêu cự 28mm và 50mm. Tôi đã ước tính độ phân giải tốt nhất có thể của hệ thống dựa trên giới hạn nhiễu xạ (khoảng 6μm). Thực sự rất khó để kiểm tra điều này bằng thực nghiệm nếu không có mục tiêu có độ phân giải cao. Tôi đã thử in một tệp vectơ được liệt kê trên diễn đàn nhiếp ảnh khổ lớn này, nhưng tôi bị giới hạn bởi độ phân giải máy in của mình. Điều tốt nhất tôi có thể xác định với bản in này là hệ thống có độ phân giải <40μm. Tôi cũng tìm kiếm các đặc điểm nhỏ, biệt lập trên các mẫu. Đặc điểm nhỏ nhất trong bản in từ tạp chí là vết mực, tôi ước tính cũng khoảng 40μm, vì vậy tôi không thể sử dụng nó để ước tính độ phân giải tốt hơn. Có những divot nhỏ trong thiết bị điện tử được cách ly khá tốt. Bởi vì tôi biết trường nhìn, tôi có thể đếm số lượng pixel chiếm divot nhỏ để ước tính độ phân giải, khoảng 10-15μm.

Nhìn chung, tôi hài lòng với hiệu suất của hệ thống, nhưng tôi có một số lưu ý trong trường hợp bạn muốn dùng thử dự án này.

Tính ổn định của giai đoạn: Thứ nhất, có được các thành phần giai đoạn tuyến tính chất lượng cao. Các thành phần tôi sử dụng có nhiều tác dụng hơn tôi nghĩ. Tôi chỉ sử dụng một trong những giá treo thanh trượt trong bộ cho mỗi thanh, vì vậy có lẽ đó là lý do tại sao giai đoạn này không được ổn định cho lắm. Sân khấu hoạt động đủ tốt đối với tôi, nhưng điều này sẽ trở thành vấn đề nhiều hơn đối với các hệ thống phóng đại cao hơn.

Quang học cho độ phân giải cao hơn: Ý tưởng tương tự có thể được sử dụng cho kính hiển vi có độ phóng đại cao hơn. Tuy nhiên, động cơ nhỏ hơn với kích thước bước nhỏ hơn sẽ được yêu cầu. Ví dụ: độ phóng đại 20X với dSLR này sẽ dẫn đến trường nhìn 1mm (nếu kính hiển vi có thể hình ảnh một hệ thống lớn như vậy mà không làm mờ nét ảnh). Electronupdate đã sử dụng động cơ bước từ đầu đĩa CD với một cấu trúc đẹp cho kính hiển vi có độ phóng đại cao hơn. Một sự cân bằng khác sẽ là độ sâu trường ảnh nông, có nghĩa là hình ảnh sẽ bị giới hạn ở các mẫu mỏng và bạn sẽ cần cơ chế dịch tốt hơn theo hướng z.

Độ ổn định của giá ba chân: Hệ thống này sẽ hoạt động tốt hơn với giá đỡ máy ảnh ổn định hơn. Hệ thống thấu kính nặng và giá ba chân nghiêng 90 độ so với vị trí mà nó được thiết kế. Tôi đã phải băng xuống chân của giá ba chân để giúp ổn định. Màn trập cũng có thể rung máy đủ để làm mờ hình ảnh.