Microscope de bureau Gigapixel : 10 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Dans les microscopes optiques, il existe un compromis fondamental entre le champ de vision et la résolution: plus les détails sont fins, plus la région imagée par le microscope est petite. Une façon de surmonter cette limitation est de traduire l'échantillon et d'acquérir des images sur un champ de vision plus large. L'idée de base est d'assembler de nombreuses images haute résolution pour former un grand FOV. Dans ces images, vous pouvez voir à la fois l'échantillon complet, ainsi que des détails fins dans n'importe quelle partie de l'échantillon. Le résultat est une image composée d'environ un milliard de pixels, beaucoup plus grande que les photos prises par un reflex numérique ou un téléphone intelligent, qui ont généralement environ 10 à 50 millions de pixels. Découvrez ces paysages gigapixels pour une démonstration impressionnante de la quantité massive d'informations dans ces images.

Dans ce instructable, je vais expliquer comment construire un microscope capable d'imager un champ de vision de 90 mm x 60 mm avec des pixels correspondant à 2 m à l'échantillon (bien que je pense que la résolution est probablement plus proche de 15 m). Le système utilise des objectifs de caméra, mais le même concept peut être appliqué à l'aide d'objectifs de microscope pour obtenir une résolution encore plus fine.

J'ai téléchargé les images gigapixels que j'ai acquises avec le microscope sur EasyZoom:

1970 Image du magazine National Geographic

Nappe au crochet ma femme a fait

Electronique divers

Autres ressources:

Tutoriels de microscopie optique:

Résolution optique:

En plus de l'assemblage d'images, les récents progrès de l'imagerie informatique rendent possible la microscopie gigapixel sans même déplacer l'échantillon !

Étape 1: liste de fournitures

Matériaux:

1. Nikon dSLR (j'ai utilisé mon Nikon D5000)

2. Objectif de longueur focale de 28 mm avec filetage de 52 mm

3. Objectif de distance focale de 80 mm avec filetage de 58 mm

4. Coupleur inversé de 52 mm à 58 mm

5. Trépied

6. Sept feuilles de contreplaqué de 3 mm d'épaisseur

7. Arduino Nano

8. Deux ponts en H L9110

9. Deux émetteurs infrarouges

10. Deux récepteurs IR

11. Bouton poussoir

12. Deux résistances de 2,2 kOhm

13. Deux résistances de 150 Ohm

14. Une résistance de 1kOhm

15. Déclencheur à distance pour appareil photo Nikon

16. Panneau d'affichage noir

17. Kit matériel:

18. Deux moteurs pas à pas (j'ai utilisé le moteur pas à pas bipolaire Nema 17 3.5V 1A)

19. Deux vis sans fin de 2 mm

20. Quatre blocs d'oreiller

21. Deux écrous à vis

22. Bague de glissement à deux roulements et arbres linéaires de 200 mm:

23. Alimentation 5V:

24. Fil d'enroulement de fil

Outils:

1. Découpeur laser

2. Imprimante 3D

3. Clés Allen

4. Coupe-fil

5. Outil d'enroulement de fil

Étape 2: Présentation du système

Pour translater l'échantillon, deux moteurs pas à pas alignés dans des directions orthogonales déplacent une platine dans les directions x et y. Les moteurs sont contrôlés à l'aide de deux ponts en H et d'un Arduino. Un capteur IR positionné à la base du moteur pas à pas est utilisé pour mettre à zéro les étages afin qu'ils ne se heurtent à aucune des extrémités des blocs. Un microscope numérique est positionné au-dessus de la platine XY.

Une fois l'échantillon positionné et la platine centrée, vous appuyez sur un bouton pour commencer l'acquisition. Les moteurs déplacent la scène dans le coin inférieur gauche et la caméra se déclenche. Les moteurs traduisent ensuite l'échantillon par petites étapes, tandis que l'appareil photo prend une photo à chaque position.

Une fois toutes les images prises, les images sont ensuite assemblées pour former une image gigapixel.

Étape 3: Assemblage du microscope

J'ai fabriqué un microscope à faible grossissement avec un reflex numérique (Nikon 5000), un objectif Nikon 28 mm f/2.8 et un objectif zoom Nikon 28-80 mm. L'objectif zoom a été réglé pour une distance focale égale à 80 mm. L'ensemble des deux lentilles agit comme une lentille de tube de microscope et une lentille d'objectif. Le grossissement total est le rapport des distances focales, environ 3X. Ces lentilles ne sont vraiment pas conçues pour cette configuration, donc pour faire se propager la lumière comme un microscope, il faut positionner un diaphragme entre les deux lentilles.

Tout d'abord, montez l'objectif à focale plus longue sur l'appareil photo. Découpez un cercle dans du carton noir d'un diamètre à peu près égal à la surface avant de l'objectif. Découpez ensuite un petit cercle au milieu (j'ai choisi environ 3mm de diamètre). La taille du cercle déterminera la quantité de lumière qui pénètre dans le système, également appelée ouverture numérique (NA). L'AN détermine la résolution latérale du système pour les microscopes bien conçus. Alors pourquoi ne pas utiliser un NA élevé pour cette configuration ? Eh bien, il y a deux raisons principales. Premièrement, à mesure que l'AN augmente, les aberrations optiques du système deviennent plus importantes et limiteront la résolution du système. Dans une configuration non conventionnelle comme celle-ci, ce sera probablement le cas, donc augmenter la NA n'aidera plus à améliorer la résolution. Deuxièmement, la profondeur de champ dépend également de NA. Plus la NA est élevée, plus la profondeur de champ est faible. Cela rend difficile la mise au point sur des objets qui ne sont pas complètement plats. Si le NA devient trop élevé, vous serez limité à l'imagerie des lames de microscope, qui ont des échantillons minces.

Le positionnement du diaphragme entre les deux objectifs rend le système à peu près télécentrique. Cela signifie que le grossissement du système est indépendant de la distance de l'objet. Cela devient important pour assembler des images. Si l'objet a une profondeur variable, la vue depuis deux positions différentes aura une perspective décalée (comme la vision humaine). Assembler des images qui ne proviennent pas d'un système d'imagerie télécentrique est difficile, en particulier avec un grossissement aussi élevé.

Utilisez le coupleur inverseur d'objectif de 58 mm à 52 mm pour fixer l'objectif de 28 mm à l'objectif de 80 mm avec l'ouverture positionnée au milieu.

Étape 4: Conception de scène XY

J'ai conçu la scène à l'aide de Fusion 360. Pour chaque direction de numérisation, quatre pièces doivent être imprimées en 3D: un support de montage, deux rallonges d'unité coulissante et un support à vis mère. La base et les plates-formes de la scène XY sont découpées au laser dans du contreplaqué de 3 mm d'épaisseur. La base contient le moteur et les curseurs de direction X, la plate-forme X contient le moteur et les curseurs de direction Y, et la plate-forme Y contient l'échantillon. La base se compose de 3 feuilles et les deux plates-formes se composent de 2 feuilles. Les fichiers pour la découpe laser et l'impression 3D sont fournis dans cette étape. Après avoir découpé et imprimé ces pièces, vous êtes prêt pour les prochaines étapes.

Étape 5: Assemblage du support moteur

À l'aide d'un outil d'enroulement de fil, enroulez le fil autour des fils de deux émetteurs IR et de deux récepteurs IR. Codez les fils par couleur pour que vous sachiez quelle extrémité est laquelle. Ensuite, coupez les fils des diodes, de sorte que seuls les fils enroulés partent de là. Faites glisser les fils à travers les guides du support du moteur, puis poussez les diodes en place. Les fils sont orientés de sorte qu'ils ne soient pas visibles jusqu'à ce qu'ils sortent de l'arrière de l'appareil. Ces fils peuvent être reliés aux fils du moteur. Montez maintenant le moteur pas à pas à l'aide de quatre boulons M3. Répétez cette étape pour le deuxième moteur.

Étape 6: Assemblage de la scène

Collez ensemble les découpes Base 1 et Base 2, dont une avec des ouvertures hexagonales pour les écrous M3. Une fois la colle sèche, martelez les écrous M3 en place. Les écrous ne tourneront pas lorsqu'ils seront enfoncés dans la planche, vous pourrez donc visser les boulons plus tard. Collez maintenant la troisième feuille de base (Base 3) pour couvrir les écrous.

Il est maintenant temps d'assembler le support d'écrou de plomb. Retirez tout filament supplémentaire du support, puis poussez les quatre écrous M3 en position. Ils sont bien ajustés, alors assurez-vous de dégager l'espace entre les boulons et les écrous avec un petit tournevis. Une fois les écrous alignés, poussez l'écrou de plomb dans le support et fixez-le avec 4 boulons M3.

Fixez les paliers, les supports coulissants et le support moteur pour le traducteur linéaire dans la direction X sur la base. Placez l'ensemble écrou-mère sur la vis-mère, puis faites glisser la vis-mère en place. Utilisez le coupleur pour connecter le moteur à la vis mère. Placez les unités de curseur dans les tiges, puis poussez les tiges dans les supports de curseur. Enfin, fixez les rallonges de montage coulissant avec des boulons M3.

Les feuilles de contreplaqué X1 et X2 sont collées ensemble de la même manière que la base. La même procédure est répétée pour le traducteur linéaire dans la direction Y et la platine d'échantillonnage.

Étape 7: Électronique du scanner

Chaque moteur pas à pas a quatre câbles qui sont connectés à un module de pont en H. Les quatre câbles de l'émetteur et du récepteur IR sont connectés aux résistances selon le schéma ci-dessus. Les sorties des récepteurs sont connectées aux entrées analogiques A0 et A1. Les deux modules de pont en H sont connectés à la broche 4-11 de l'Arduino Nano. Un bouton-poussoir est connecté à la broche 2 avec une résistance de 1kOhm pour une simple entrée utilisateur.

Enfin, le bouton de déclenchement du reflex numérique est connecté à un obturateur à distance, comme je l'ai fait pour mon tomodensitomètre (voir étape 7). Coupez le câble de l'obturateur à distance. Les fils sont étiquetés comme suit:

Jaune – mise au point

Rouge – obturateur

Blanc – terre

Afin de focaliser le tir, le fil jaune doit être connecté à la terre. Pour prendre une photo, les fils jaune et rouge doivent être connectés à la terre. J'ai connecté une diode et le câble rouge à la broche 12, puis j'ai connecté une autre diode et le câble jaune à la broche 13. La configuration est telle que décrite dans DIY Hacks and How-Tos instructable.

Étape 8: Acquisition d'images gigapixels

Ci-joint le code du microscope gigapixel. J'ai utilisé la bibliothèque Stepper pour contrôler les moteurs avec le pont en H. Au début du code, vous devez spécifier le champ de vision du microscope et le nombre d'images que vous souhaitez acquérir dans chaque direction.

Par exemple, le microscope que j'ai fabriqué avait un champ de vision d'environ 8,2 mm x 5,5 mm. Par conséquent, j'ai demandé aux moteurs de se déplacer de 8 mm dans la direction x et de 5 mm dans la direction y. 11 images sont acquises dans chaque direction, totalisant 121 images pour l'image gigapixel complète (plus de détails à ce sujet à l'étape 11). Le code calcule ensuite le nombre d'étapes que les moteurs doivent effectuer pour traduire l'étape de ce montant.

Comment les étages savent-ils où ils se trouvent par rapport au moteur ? Comment les étapes se traduisent-elles sans toucher l'une ou l'autre extrémité ? Dans le code de configuration, j'ai écrit une fonction qui déplace la scène dans chaque direction jusqu'à ce qu'elle coupe le chemin entre l'émetteur IR et le récepteur IR. Lorsque le signal sur le récepteur IR tombe en dessous d'un certain seuil, le moteur s'arrête. Le code suit alors la position de la platine par rapport à cette position d'origine. Le code est écrit pour que le moteur ne se déplace pas trop loin, ce qui ferait passer la platine à l'autre extrémité de la vis mère.

Une fois la platine calibrée dans chaque direction, la platine est déplacée vers le centre. À l'aide d'un trépied, j'ai positionné mon microscope reflex numérique sur la scène. Il est important d'aligner le champ de la caméra avec les lignes croisées sur la platine de l'échantillon. Une fois la scène alignée avec la caméra, j'ai scotché la scène avec du ruban adhésif pour peintre, puis j'ai placé l'échantillon sur la scène. La mise au point a été ajustée avec la direction z du trépied. L'utilisateur appuie alors sur le bouton poussoir pour lancer l'acquisition. La scène se traduit dans le coin inférieur gauche et la caméra est déclenchée. La scène numérise ensuite l'échantillon, tandis que la caméra prend une photo à chaque position.

Un code pour le dépannage des moteurs et des capteurs IR est également joint.

Étape 9: Assemblage d'images

Avec toutes les images acquises, vous êtes maintenant confronté au défi de les assembler toutes ensemble. Une façon de gérer l'assemblage d'images consiste à aligner manuellement toutes les images dans un programme graphique (j'ai utilisé le graphique d'Autodesk). Cela fonctionnera certainement, mais cela peut être un processus douloureux et les bords des images sont visibles dans les images gigapixels.

Une autre option consiste à utiliser des techniques de traitement d'images pour assembler automatiquement les images. L'idée est de trouver des caractéristiques similaires dans la section de chevauchement des images adjacentes, puis d'appliquer une transformation de translation à l'image afin que les images soient alignées les unes avec les autres. Enfin, les bords peuvent être mélangés en multipliant la section qui se chevauche par un facteur de poids linéaire et en les additionnant. Cela peut être un algorithme intimidant à écrire si vous débutez dans le traitement d'images. J'ai travaillé pendant un certain temps sur le problème, mais je n'ai pas pu obtenir un résultat totalement fiable. L'algorithme a le plus lutté avec des échantillons qui présentaient des caractéristiques très similaires, telles que les points dans l'image du magazine. Ci-joint le code que j'ai écrit dans Matlab, mais il a besoin de travail.

La dernière option consiste à utiliser des programmes d'assemblage de photographies gigapixels. Je n'en ai pas à suggérer, mais je sais qu'ils existent.

Étape 10: Performances du microscope

Au cas où vous l'auriez manqué, voici les résultats: image de magazine, nappe au crochet et divers appareils électroniques.

Les spécifications du système sont répertoriées dans le tableau ci-dessus. J'ai essayé l'imagerie avec un objectif de longueur focale de 28 mm et 50 mm. J'ai estimé la meilleure résolution possible du système en fonction de la limite de diffraction (environ 6μm). Il est en fait difficile de tester cela expérimentalement sans une cible à haute résolution. J'ai essayé d'imprimer un fichier vectoriel répertorié sur ce forum de photographie grand format, mais j'étais limité par la résolution de mon imprimante. Le mieux que j'ai pu déterminer avec cette impression était que le système avait une résolution < 40 μm. J'ai également recherché de petites caractéristiques isolées sur les échantillons. La plus petite caractéristique de l'impression du magazine est la tache d'encre, que j'ai également estimée à environ 40 μm, je ne pouvais donc pas l'utiliser pour obtenir une meilleure estimation de la résolution. Il y avait de petits trous dans l'électronique qui étaient assez bien isolés. Parce que je connaissais le champ de vision, j'ai pu compter le nombre de pixels occupant le petit divot pour obtenir une estimation de la résolution, environ 10-15μm.

Dans l'ensemble, j'étais satisfait des performances du système, mais j'ai quelques notes au cas où vous voudriez essayer ce projet.

Stabilité de la scène: Tout d'abord, obtenez des composants de scène linéaires de haute qualité. Les composants que j'ai utilisés avaient beaucoup plus de jeu que je ne le pensais. Je n'ai utilisé qu'un seul des supports de curseur dans le kit pour chaque tige, alors c'est peut-être pour cela que la scène ne semblait pas très stable. La scène fonctionnait assez bien pour moi, mais cela deviendrait plus un problème pour les systèmes à fort grossissement.

Optique pour une résolution plus élevée: La même idée peut être utilisée pour des microscopes à grossissement plus élevé. Cependant, des moteurs plus petits avec une taille de pas plus fine seront nécessaires. Par exemple, un grossissement de 20X avec ce reflex numérique se traduirait par un champ de vision de 1 mm (si le microscope peut imager un système aussi grand sans vignettage). Electronupdate a utilisé des moteurs pas à pas à partir d'un lecteur de CD dans une belle construction pour un microscope à grossissement plus élevé. Un autre compromis sera une faible profondeur de champ, ce qui signifie que l'imagerie sera limitée à des échantillons minces et vous aurez besoin d'un mécanisme de translation plus fin dans la direction z.

Stabilité du trépied: ce système fonctionnerait mieux avec un support de caméra plus stable. Le système d'objectif est lourd et le trépied est incliné à 90 degrés par rapport à la position pour laquelle il est conçu. J'ai dû scotcher les pieds du trépied pour aider à la stabilité. L'obturateur pourrait également secouer suffisamment l'appareil photo pour brouiller les images.