Microscopio Gigapixel de escritorio: 10 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

En los microscopios ópticos, existe una compensación fundamental entre el campo de visión y la resolución: cuanto más fino es el detalle, más pequeña es la región de la imagen del microscopio. Una forma de superar esta limitación es traducir la muestra y adquirir imágenes en un campo de visión más amplio. La idea básica es unir muchas imágenes de alta resolución para formar un gran campo de visión. En estas imágenes, puede ver tanto la muestra completa como los detalles finos en cualquier parte de la muestra. El resultado es una imagen que consta de aproximadamente mil millones de píxeles, mucho más grande en comparación con las fotografías tomadas con una dSLR o un teléfono inteligente, que normalmente tienen entre 10 y 50 millones de píxeles. Eche un vistazo a estos paisajes de gigapíxeles para una demostración impresionante de la enorme cantidad de información en estas imágenes.

En este instructivo, repasaré cómo construir un microscopio capaz de obtener imágenes de un campo de visión de 90 mm x 60 mm con píxeles correspondientes a 2 μm en la muestra (aunque creo que la resolución probablemente esté más cerca de 15 μm). El sistema usa lentes de cámara, pero el mismo concepto se puede aplicar usando objetivos de microscopio para obtener una resolución aún más fina.

Subí las imágenes de gigapíxeles que adquirí con el microscopio en EasyZoom:

Imagen de la revista National Geographic de 1970

Mantel de ganchillo que hizo mi esposa

Electrónica miscelánea

Otros recursos:

Tutoriales de microscopía óptica:

Resolución óptica:

Además de la unión de imágenes, los avances recientes en imágenes computacionales hacen posible la microscopía de gigapíxeles sin siquiera mover la muestra.

Paso 1: Lista de suministros

Materiales:

1. Nikon dSLR (utilicé mi Nikon D5000)

2. Lente de longitud focal de 28 mm con rosca de 52 mm

3. Lente de distancia focal de 80 mm con rosca de 58 mm

4. Acoplador inverso de 52 mm a 58 mm

5. Trípode

6. Siete láminas de madera contrachapada de 3 mm de espesor

7. Arduino Nano

8. Dos puentes en H L9110

9. Dos emisores de infrarrojos

10. Dos receptores de infrarrojos

11. Pulsador

12. Dos resistencias de 2,2 kOhmios

13. Dos resistencias de 150 ohmios

14. Una resistencia de 1 kOhmio

15. Disparo remoto para cámara Nikon

16. Cartulina negra

17. Kit de hardware:

18. Dos motores paso a paso (utilicé el motor paso a paso bipolar Nema 17 3.5V 1A)

19. Dos tornillos de avance de 2 mm

20. Cuatro bloques de almohada

21. Dos tuercas de tornillo de avance

22. Buje deslizante de dos cojinetes y ejes lineales de 200 mm:

23. Fuente de alimentación de 5 V:

24. Alambre de envoltura de alambre

Instrumentos:

1. Cortadora láser

2. Impresora 3D

3. llaves Allen

4. Cortadores de alambre

5. Herramienta para enrollar alambre

Paso 2: descripción general del sistema

Para traducir la muestra, dos motores paso a paso alineados en direcciones ortogonales mueven una etapa en la dirección xey. Los motores se controlan mediante dos puentes H y un Arduino. Un sensor de infrarrojos colocado en la base del motor paso a paso se utiliza para poner a cero las etapas para que no se topen con ninguno de los extremos de los bloques. Se coloca un microscopio digital sobre la platina XY.

Una vez que la muestra está colocada y la platina está centrada, presione un botón para comenzar la adquisición. Los motores mueven el escenario a la esquina inferior izquierda y se activa la cámara. Luego, los motores traducen la muestra en pequeños pasos, mientras la cámara toma una foto en cada posición.

Una vez tomadas todas las imágenes, las imágenes se unen para formar una imagen de gigapíxeles.

Paso 3: montaje del microscopio

Hice un microscopio de bajo aumento con una dSLR (Nikon 5000), una lente Nikon 28 mm f / 2.8 y una lente zoom Nikon 28-80 mm. La lente de zoom se configuró para una distancia focal igual a 80 mm. El conjunto de las dos lentes actúa como una lente de tubo de microscopio y una lente de objetivo. El aumento total es la relación de las distancias focales, alrededor de 3X. Estas lentes realmente no están diseñadas para esta configuración, por lo que para hacer que la luz se propague como un microscopio, debe colocar un tope de apertura entre las dos lentes.

Primero, monte la lente de mayor distancia focal en la cámara. Corte un círculo de cartulina negra que tenga un diámetro aproximadamente del tamaño de la superficie frontal de la lente. Luego corte un pequeño círculo en el medio (elegí unos 3 mm de diámetro). El tamaño del círculo determinará la cantidad de luz que ingresa al sistema, también llamada apertura numérica (NA). El NA determina la resolución lateral del sistema para microscopios bien diseñados. Entonces, ¿por qué no utilizar un NA alto para esta configuración? Bueno, hay dos razones principales. En primer lugar, a medida que aumenta el NA, las aberraciones ópticas del sistema se vuelven más prominentes y limitarán la resolución del sistema. En una configuración no convencional como esta, probablemente este sea el caso, por lo que aumentar el NA eventualmente ya no ayudará a mejorar la resolución. En segundo lugar, la profundidad de campo también depende de NA. Cuanto mayor sea el NA, menor será la profundidad de campo. Esto dificulta enfocar objetos que no son planos. Si el NA es demasiado alto, se limitará a obtener imágenes de portaobjetos de microscopio, que tienen muestras delgadas.

El posicionamiento del tope de apertura entre las dos lentes hace que el sistema sea más o menos telecéntrico. Eso significa que la ampliación del sistema es independiente de la distancia del objeto. Esto se vuelve importante para unir imágenes. Si el objeto tiene una profundidad variable, entonces la vista desde dos posiciones diferentes habrá cambiado de perspectiva (como la visión humana). Unir imágenes que no son de un sistema de imágenes telecéntricas es un desafío, especialmente con un aumento tan alto.

Utilice el acoplador inverso de lente de 58 mm a 52 mm para fijar la lente de 28 mm a la lente de 80 mm con la apertura colocada en el medio.

Paso 4: Diseño de escenario XY

Diseñé el escenario con Fusion 360. Para cada dirección de escaneo, hay cuatro partes que deben imprimirse en 3D: montaje de montaje, dos extensores de unidad deslizante y un montaje de tornillo de avance. La base y las plataformas del escenario XY están cortadas con láser a partir de madera contrachapada de 3 mm de espesor. La base sostiene el motor de dirección X y los controles deslizantes, la plataforma X sostiene el motor de dirección Y y los controles deslizantes, y la plataforma Y sostiene la muestra. La base consta de 3 hojas y las dos plataformas constan de 2 hojas. En este paso se proporcionan los archivos para el corte por láser y la impresión 3D. Después de cortar e imprimir estas piezas, estará listo para los siguientes pasos.

Paso 5: Ensamblaje de montaje del motor

Con una herramienta para envolver cables, envuelva el cable alrededor de los cables de dos emisores de infrarrojos y dos receptores de infrarrojos. Codifique con colores los cables para saber cuál es el extremo. Luego corte los cables de los diodos, de modo que solo los cables de envoltura de alambre corran desde entonces. Deslice los cables a través de las guías en el soporte del motor y luego empuje los diodos en su lugar. Los cables están dirigidos de modo que no sean visibles hasta que salgan por la parte trasera de la unidad. Estos cables se pueden unir con los cables del motor. Ahora monte el motor paso a paso con cuatro tornillos M3. Repita este paso para el segundo motor.

Paso 6: Montaje del escenario

Pegue los cortes Base 1 y Base 2, uno de ellos con aberturas hexagonales para las tuercas M3. Una vez que el pegamento se haya secado, martilla las tuercas M3 en su lugar. Las tuercas no girarán cuando se presionen contra la placa, por lo que podrá atornillar los pernos más tarde. Ahora pegue la tercera hoja base (Base 3) para cubrir las tuercas.

Ahora es el momento de montar el soporte de la tuerca guía. Quite cualquier filamento adicional del soporte y luego coloque cuatro tuercas M3 en su posición. Se ajustan bien, así que asegúrese de limpiar el espacio del perno y la tuerca con un destornillador pequeño. Una vez que las tuercas estén alineadas, presione la tuerca guía en el soporte y fíjela con 4 pernos M3.

Coloque los bloques de almohada, los soportes deslizantes y el soporte del motor para el traductor lineal en dirección X en la base. Coloque el conjunto de la tuerca de avance en el tornillo de avance y luego deslice el tornillo de avance en su lugar. Utilice el acoplador para conectar el motor al tornillo de avance. Coloque las unidades deslizantes en las varillas y luego empújelas hacia los soportes deslizantes. Finalmente, coloque los extensores de montaje deslizante con pernos M3.

Las láminas de madera contrachapada X1 y X2 se pegan juntas de manera similar a la base. El mismo procedimiento se repite para el traductor lineal en dirección Y y la etapa de muestra.

Paso 7: Electrónica del escáner

Cada motor paso a paso tiene cuatro cables que están conectados a un módulo de puente H. Los cuatro cables del emisor y el receptor de infrarrojos están conectados a las resistencias de acuerdo con el diagrama anterior. Las salidas de los receptores están conectadas a las entradas analógicas A0 y A1. Los dos módulos de puente H están conectados al pin 4-11 en el Arduino Nano. Un botón está conectado al pin 2 con una resistencia de 1 kOhm para una entrada simple del usuario.

Finalmente, el botón disparador del dSLR está conectado a un obturador remoto, como hice con mi escáner CT (ver paso 7). Corta el cable del obturador remoto. Los cables están etiquetados de la siguiente manera:

Amarillo - foco

Rojo - obturador

Blanco - tierra

Para enfocar el disparo, el cable amarillo debe estar conectado a tierra. Para tomar una foto, tanto el cable amarillo como el rojo deben estar conectados a tierra. Conecté un diodo y el cable rojo al pin 12, y luego conecté otro diodo y el cable amarillo al pin 13. La configuración es como se describe en las instrucciones DIY Hacks y How-Tos.

Paso 8: Adquirir imágenes Gigapixel

Se adjunta el código del microscopio de gigapíxeles. Usé la biblioteca Stepper para controlar los motores con el puente H. Al principio del código, debe especificar el campo de visión del microscopio y la cantidad de imágenes que desea adquirir en cada dirección.

Por ejemplo, el microscopio que hice tenía un campo de visión de aproximadamente 8,2 mm x 5,5 mm. Por lo tanto, dirigí los motores para que se desplazaran 8 mm en la dirección xy 5 mm en la dirección y. Se adquieren 11 imágenes en cada dirección, totalizando 121 imágenes para la imagen de gigapíxeles completa (más detalles sobre esto en el paso 11). Luego, el código calcula la cantidad de pasos que los motores deben realizar para traducir la etapa en esta cantidad.

¿Cómo saben las etapas dónde están en relación con el motor? ¿Cómo se traducen las etapas sin llegar a ninguno de los extremos? En el código de configuración, escribí una función que mueve el escenario en cada dirección hasta que rompe el camino entre el emisor de infrarrojos y el receptor de infrarrojos. Cuando la señal en el receptor de infrarrojos cae por debajo de algún umbral, el motor se detiene. Luego, el código rastrea la posición del escenario en relación con esta posición inicial. El código está escrito para que el motor no se traslade demasiado, lo que haría que la etapa se desplazara hacia el otro extremo del tornillo de avance.

Una vez que el escenario está calibrado en cada dirección, el escenario se traslada al centro. Usando un trípode, coloqué mi microscopio dSLR sobre el escenario. Es importante alinear el campo de la cámara con las líneas cruzadas en el escenario de la muestra. Una vez que el escenario está alineado con la cámara, pegué el escenario con cinta de pintor y luego coloqué la muestra en el escenario. El enfoque se ajustó con la dirección z del trípode. Luego, el usuario presiona el botón para comenzar la adquisición. El escenario se traslada a la esquina inferior izquierda y se activa la cámara. El escenario luego escanea la muestra, mientras que la cámara toma una foto en cada posición.

También se adjunta un código para solucionar problemas de motores y sensores de infrarrojos.

Paso 9: coser imágenes

Con todas las imágenes adquiridas, ahora se enfrenta al desafío de unirlas todas. Una forma de manejar la unión de imágenes es alineando manualmente todas las imágenes en un programa gráfico (utilicé Autodesk's Graphic). Esto definitivamente funcionará, pero puede ser un proceso doloroso y los bordes de las imágenes se notan en las imágenes de gigapíxeles.

Otra opción es utilizar técnicas de procesamiento de imágenes para unir las imágenes automáticamente. La idea es encontrar características similares en la sección superpuesta de imágenes adyacentes y luego aplicar una transformación de traducción a la imagen para que las imágenes estén alineadas entre sí. Finalmente, los bordes se pueden combinar multiplicando la sección superpuesta por un factor de peso lineal y sumándolos. Este puede ser un algoritmo desalentador de escribir si es nuevo en el procesamiento de imágenes. Trabajé durante un tiempo en el problema, pero no pude obtener un resultado completamente confiable. El algoritmo tuvo más problemas con muestras que tenían características muy similares en todas partes, como los puntos en la imagen de la revista. Se adjunta el código que escribí en Matlab, pero necesita algo de trabajo.

La última opción es utilizar programas de unión de fotografías de gigapíxeles. No tengo ninguno para sugerir, pero sé que están ahí fuera.

Paso 10: rendimiento del microscopio

Por si te lo perdiste, aquí tienes los resultados: imagen de revista, mantel de crochet y electrónica miscelánea.

Las especificaciones del sistema se enumeran en la tabla anterior. Intenté obtener imágenes con una lente de distancia focal de 28 mm y 50 mm. Calculé la mejor resolución posible del sistema en función del límite de difracción (alrededor de 6 μm). En realidad, es difícil probar esto experimentalmente sin un objetivo de alta resolución. Intenté imprimir un archivo vectorial que aparece en este foro de fotografía de gran formato, pero estaba limitado por la resolución de mi impresora. Lo mejor que pude determinar con esta impresión fue que el sistema tenía una resolución <40μm. También busqué características pequeñas y aisladas en las muestras. La característica más pequeña en la impresión de la revista es la mancha de tinta, que calculé que también es de unos 40 μm, por lo que no pude usarla para obtener una mejor estimación de la resolución. Había pequeñas hendiduras en la electrónica que estaban bastante bien aisladas. Como conocía el campo de visión, podía contar el número de píxeles que ocupaban el pequeño divot para obtener una estimación de la resolución, alrededor de 10-15 μm.

En general, estoy contento con el rendimiento del sistema, pero tengo algunas notas en caso de que quiera probar este proyecto.

Estabilidad del escenario: en primer lugar, obtenga componentes de escenario lineal de alta calidad. Los componentes que utilicé tenían mucho más juego de lo que pensaba. Solo usé uno de los soportes deslizantes en el kit para cada caña, así que tal vez esa fue la razón por la que el escenario no se sintió muy estable. El escenario funcionó lo suficientemente bien para mí, pero esto se convertiría en un problema mayor para los sistemas de mayor aumento.

Óptica para mayor resolución: la misma idea se puede utilizar para microscopios de mayor aumento. Sin embargo, se requerirán motores más pequeños con un tamaño de paso más fino. Por ejemplo, un aumento de 20X con este dSLR daría como resultado un campo de visión de 1 mm (si el microscopio puede obtener imágenes de un sistema tan grande sin viñeteado). Electronupdate usó motores paso a paso de un reproductor de CD en una construcción agradable para un microscopio de mayor aumento. Otra compensación será la poca profundidad de campo, lo que significa que las imágenes se limitarán a muestras delgadas y necesitará un mecanismo de traducción más fino en la dirección z.

Estabilidad del trípode: este sistema funcionaría mejor con un soporte de cámara más estable. El sistema de lentes es pesado y el trípode está inclinado 90 grados desde la posición para la que fue diseñado. Tuve que pegar con cinta adhesiva los pies del trípode para ayudar con la estabilidad. El obturador también podría agitar la cámara lo suficiente como para desenfocar las imágenes.