桌面千兆像素显微镜的制作

第1步：供应清单

材料：

1。尼康dSLR（我使用的是我的尼康D5000）

2。 28mm焦距镜头，52mm螺纹

3。 80mm焦距镜头，58mm螺纹

4。 52mm至58mm反向耦合器

5。三脚架

6。七张3毫米厚的胶合板

7。 Arduino Nano

8。两架H桥L9110 https://www.amazon.com/gp/product/B00NN6EB3U/ref=o.。.

9。两个红外发射器

10。两个红外接收器

11。按钮

12。两个2.2kOhm电阻器

13。两个150欧姆的电阻器

14。一个1kOhm电阻器

15。尼康相机的远程发布https://www.amazon.com/gp/product/B00MCA191K/ref=o.。.

16。黑色海报板

17。硬件套件：https：//www.amazon.com/gp/product/B06XQMBDMX/ref=o 。..

18。两个步进电机（我使用Nema 17双极步进电机3.5V 1A）

19。两个2mm导螺杆

20。四个枕块

21。两个丝杠螺母

22。两个轴承滑动衬套和200毫米线性轴：https：//www.amazon.com/gp/product/B01KL7I65W/ref=p.。.

23。 5V电源：https：//www.amazon.com/gp/product/B01M0KLECZ/ref=o.。.

24。绕丝线

工具

1。 激光切割机

2。 3D打印机

3。艾伦扳手

4。剪线钳

5。绕线工具

步骤2：系统概述

要转换样品，两个步进电机在正交方向上对齐在x和y方向上移动一个舞台。电机由两个H桥和一个Arduino控制。位于步进电机底部的IR传感器用于将各级归零，因此它们不会进入块的任一端。数字显微镜位于XY平台上方。

定位样品并将载物台居中后，按下按钮开始采集。电机将舞台移动到左下角，触发相机。然后电机以小步骤平移样品，因为相机在每个位置拍照。

拍摄完所有图像后，将图像拼接在一起形成千兆像素图像。

第3步：显微镜装配

我做了一个低倍显微镜，配有dSLR（尼康5000），尼康28mm f/2.8镜头和尼康28-80mm变焦镜头。变焦镜头的焦距设定为80mm。这两个镜头的组合就像一个显微管镜头和物镜。总放大倍率是焦距的比率，约为3倍。这些镜头实际上并不是为这种配置而设计的，因此为了让光像显微镜一样传播，你必须在两个镜头之间放置一个光圈。

首先，将较长焦距的镜头安装到相机上。从黑色海报板上切下一个圆圈，其直径大致与镜头前表面的大小相同。然后在中间切一个小圆圈（我选择直径约3毫米）。圆的大小将决定进入系统的光量，也称为数值孔径（NA）。对于精心设计的显微镜，NA确定系统的横向分辨率。那么为什么不在此设置中使用高NA？那么，有两个主要原因。首先，随着NA增加，系统的光学像差变得更加突出并且将限制系统的分辨率。在这样的非传统设置中，情况很可能如此，因此增加NA最终将不再有助于提高分辨率。其次，景深也取决于NA。 NA越高，景深越浅。这使得难以将不平坦的物体全部聚焦。如果NA变得太高，那么您将仅限于成像显微镜载玻片，其具有薄样品。

两个镜头之间的孔径光阑的定位使得系统大致远心。这意味着系统的放大率与物距无关。这对于将图像拼接在一起变得很重要。如果对象具有不同的深度，则来自两个不同位置的视图将具有偏移的视角（如人类视觉）。将图像拼接在一起并非远心成像系统具有挑战性，尤其是在高倍率的情况下。

使用58mm至52mm镜头反向耦合器将28mm镜头连接到80mm镜头，光圈位于中间。

第4步：XY舞台设计

我使用Fusion 360设计了舞台。对于每个扫描方向，有四个部分需要3D打印：贴片机安装，两个滑动单元扩展器和一个导螺杆安装。 XY平台的底座和平台由3mm厚的胶合板激光切割而成。底座固定X方向电机和滑块，X平台固定Y方向电机和滑块，Y平台固定样品。底座由3张纸组成，两个平台由2张纸组成。在该步骤中提供用于激光切割和3D打印的文件。切割和打印这些部件后，您就可以进行后续步骤了。

步骤5：电机安装组件

使用绕线工具，将导线缠绕在两个红外发射器和两个红外接收器的引线上。对电线进行颜色编码，以便了解哪一端是哪一端。然后切断二极管上的引线，这样只需从绕线开始。将电线滑过电机座中的导轨，然后将二极管推入到位。导线被引导，直到它们离开单元的后部才能看到它们。这些电线可以与电机线连接。现在使用四个M3螺栓安装步进电机。对第二个电机重复此步骤。

步骤6：舞台装配

将底座1和底座2切口粘合在一起，其中一个切口带有六角形开口，用于M3螺母。胶水干燥后，将M3螺母锤入到位。压入板时螺母不会旋转，因此您可以在以后拧入螺栓。现在粘上第三张底片（底座3）以盖住螺母。

现在是时候组装铅螺母支架了。从支架上清除任何额外的灯丝，然后将四个M3螺母推入到位。它们是紧密配合，因此请确保使用小螺丝刀清除螺栓和螺母空间。将螺母对齐后，将导螺母推入底座并用4个M3螺栓固定。

将X方向线性平移器的轴承座，滑块安装座和电机座安装到底座上。将导螺母组件放在导螺杆上，然后将导螺杆滑入到位。使用耦合器将电机连接到导螺杆。将滑块单元放入杆中，然后将杆推入滑块安装座。最后，使用M3螺栓连接滑块安装延长器。

X1和X2胶合板以与基座类似的方式胶合在一起。 Y方向线性转换器和样品台重复相同的步骤。

步骤7：扫描仪电子设备

每个步进电机有四根电缆连接到H桥模块。根据上图，IR发射器和接收器的四根电缆连接到电阻器。接收器的输出连接到模拟输入A0和A1。两个H桥模块连接到Arduino Nano上的引脚4-11。按钮通过1kOhm电阻连接到引脚2，便于用户输入。

最后，dSLR的触发按钮连接到远程快门，就像我为CT扫描仪所做的那样（参见步骤7）。剪断遥控快门线。电线标记如下：

黄色 - 聚焦

红色 - 快门

白色 - 接地

为了聚焦镜头，黄色线必须接地。要拍摄照片，黄色和红色线必须接地。我将二极管和红色电缆连接到引脚12，然后我将另一个二极管和黄色电缆连接到引脚13.设置如DIY Hacks和How-Tos instructable中所述。

步骤8：获取千兆像素图像

附加的是gigapixel显微镜的代码。我使用Stepper库来控制带H桥的电机。在代码的开头，您必须指定显微镜的视野和您想要在每个方向上获取的图像数量。

例如，我制作的显微镜的视野约为8.2mm x 5.5mm。因此，我指示电机在x方向上移动8mm，在y方向上移位5mm。在每个方向上获取11个图像，总共121个图像用于完整的千兆像素图像（在步骤11中关于此的更多细节）。然后，代码计算电机需要按照此数量转换平台所需的步数。

这些阶段如何知道它们相对于电机的位置？如何在没有击中任何一端的情况下翻译？在设置代码中，我编写了一个函数，可以在每个方向上移动舞台，直到它打破IR发射器和IR接收器之间的路径。当IR接收器上的信号低于某个阈值时，电机停止。然后代码跟踪舞台相对于该原始位置的位置。编写代码使电机不会转换太远，这会使平台进入导螺杆的另一端。

一旦在每个方向上校准了舞台，舞台就会转移到中心。使用三脚架，我将我的dSLR显微镜放在舞台上。将相机区域与样品台上的交叉线对齐非常重要。一旦舞台与相机对齐，我用一些画家的胶带将舞台录下，然后将样品放在舞台上。用三脚架z方向调整焦点。然后用户按下按钮开始采集。舞台转换为左下角，触发相机。然后光栅扫描样品，然后相机在每个位置拍摄照片。

还附上了一些用于排除电机和红外传感器故障的代码。

步骤9：拼接图像

获取所有图像后，您现在面对将它们拼接在一起的挑战。处理图像拼接的一种方法是手动对齐图形程序中的所有图像（我使用的是Autodesk的图形）。这肯定会起作用，但它可能是一个痛苦的过程，并且图像的边缘在千兆像素图像中是显而易见的。

另一个选择是使用图像处理技术自动将图像拼接在一起。该想法是在相邻图像的重叠部分中找到类似的特征，然后对图像应用平移变换，使得图像彼此对齐。最后，通过将重叠部分乘以线性权重因子并将它们加在一起，可以将边缘混合在一起。如果您不熟悉图像处理，这可能是一个令人生畏的算法。我在问题上工作了一段时间，但我无法获得完全可靠的结果。该算法最擅长于具有非常相似特征的样本，例如杂志图像中的点。附件是我在Matlab中编写的代码，但它需要一些工作。

最后一个选项是使用千兆像素摄影拼接程序。我没有任何建议，但我知道他们在那里。

第10步：显微镜性能

如果您错过了，结果如下：杂志图片，钩针桌布和各种电子产品。

系统的规格列于上表中。我尝试使用28mm和50mm焦距镜头进行成像。我根据衍射极限（约6μm）估算了系统的最佳分辨率。实际上很难在没有高分辨率目标的情况下进行实验测试。我尝试打印这个大幅面摄影论坛上列出的矢量文件，但我受打印机分辨率的限制。我打印输出的最佳结果是系统的分辨率《40μm。我还在样品上寻找小而孤立的特征。杂志印刷中最小的特征是墨点，我估计也是大约40μm，所以我不能用它来更好地估算分辨率。电子产品中有一些小的草皮，非常孤立。因为我知道视场，我可以计算占用小凹坑的像素数来估算分辨率，大约10-15μm。

总的来说，我对系统的性能感到满意，但是如果您想尝试这个项目，我会有一些注释。

舞台的稳定性：首先，获得高质量的线性平台组件。我使用的组件比我想象的要多得多。我只使用套件中的一个滑块安装座用于每个杆，所以这可能就是为什么舞台感觉不太稳定。这个阶段对我来说效果很好，但对于更高放大倍率的系统来说，这将成为一个更大的问题。

更高分辨率的光学器件同样的想法可以用于更高倍率的显微镜。但是，需要具有更精细步长的小型电动机。例如，使用此dSLR放大20倍将导致1mm的视野（如果显微镜可以在没有渐晕的情况下对大型系统进行成像）。 Electronupdate使用CD播放器中的步进电机，用于更高倍率的显微镜。另一个折衷方案是浅景深，这意味着成像仅限于薄样本，你需要在z方向上有更精细的平移机制。

三脚架的稳定性：使用更稳定的摄像机支架，该系统可以更好地工作。镜头系统很重，三脚架从其设计位置倾斜90度。我不得不用三脚架的脚压下来以帮助稳定。快门也可以晃动相机足以模糊图像。