第1步：供應(yīng)清單

材料：

1。尼康dSLR（我使用的是我的尼康D5000）

2。 28mm焦距鏡頭，52mm螺紋

3。 80mm焦距鏡頭，58mm螺紋

4。 52mm至58mm反向耦合器

5。三腳架

6。七張3毫米厚的膠合板

7。 Arduino Nano

8。兩架H橋L9110 https://www.amazon.com/gp/product/B00NN6EB3U/ref=o.。.

9。兩個(gè)紅外發(fā)射器

10。兩個(gè)紅外接收器

11。按鈕

12。兩個(gè)2.2kOhm電阻器

13。兩個(gè)150歐姆的電阻器

14。一個(gè)1kOhm電阻器

15。尼康相機(jī)的遠(yuǎn)程發(fā)布https://www.amazon.com/gp/product/B00MCA191K/ref=o.。.

16。黑色海報(bào)板

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

18。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)（我使用Nema 17雙極步進(jìn)電機(jī)3.5V 1A）

19。兩個(gè)2mm導(dǎo)螺桿

20。四個(gè)枕塊

21。兩個(gè)絲杠螺母

22。兩個(gè)軸承滑動(dòng)襯套和200毫米線性軸：https：//www.amazon.com/gp/product/B01KL7I65W/ref=p.。.

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

24。繞絲線

工具

1。 激光切割機(jī)

2。 3D打印機(jī)

3。艾倫扳手

4。剪線鉗

5。繞線工具

步驟2：系統(tǒng)概述

要轉(zhuǎn)換樣品，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)在正交方向上對(duì)齊在x和y方向上移動(dòng)一個(gè)舞臺(tái)。電機(jī)由兩個(gè)H橋和一個(gè)Arduino控制。位于步進(jìn)電機(jī)底部的IR傳感器用于將各級(jí)歸零，因此它們不會(huì)進(jìn)入塊的任一端。數(shù)字顯微鏡位于XY平臺(tái)上方。

定位樣品并將載物臺(tái)居中后，按下按鈕開(kāi)始采集。電機(jī)將舞臺(tái)移動(dòng)到左下角，觸發(fā)相機(jī)。然后電機(jī)以小步驟平移樣品，因?yàn)橄鄼C(jī)在每個(gè)位置拍照。

拍攝完所有圖像后，將圖像拼接在一起形成千兆像素圖像。

第3步：顯微鏡裝配

我做了一個(gè)低倍顯微鏡，配有dSLR（尼康5000），尼康28mm f/2.8鏡頭和尼康28-80mm變焦鏡頭。變焦鏡頭的焦距設(shè)定為80mm。這兩個(gè)鏡頭的組合就像一個(gè)顯微管鏡頭和物鏡?？偡糯蟊堵适墙咕嗟谋嚷?，約為3倍。這些鏡頭實(shí)際上并不是為這種配置而設(shè)計(jì)的，因此為了讓光像顯微鏡一樣傳播，你必須在兩個(gè)鏡頭之間放置一個(gè)光圈。

首先，將較長(zhǎng)焦距的鏡頭安裝到相機(jī)上。從黑色海報(bào)板上切下一個(gè)圓圈，其直徑大致與鏡頭前表面的大小相同。然后在中間切一個(gè)小圓圈（我選擇直徑約3毫米）。圓的大小將決定進(jìn)入系統(tǒng)的光量，也稱(chēng)為數(shù)值孔徑（NA）。對(duì)于精心設(shè)計(jì)的顯微鏡，NA確定系統(tǒng)的橫向分辨率。那么為什么不在此設(shè)置中使用高NA？那么，有兩個(gè)主要原因。首先，隨著NA增加，系統(tǒng)的光學(xué)像差變得更加突出并且將限制系統(tǒng)的分辨率。在這樣的非傳統(tǒng)設(shè)置中，情況很可能如此，因此增加NA最終將不再有助于提高分辨率。其次，景深也取決于NA。 NA越高，景深越淺。這使得難以將不平坦的物體全部聚焦。如果NA變得太高，那么您將僅限于成像顯微鏡載玻片，其具有薄樣品。

兩個(gè)鏡頭之間的孔徑光闌的定位使得系統(tǒng)大致遠(yuǎn)心。這意味著系統(tǒng)的放大率與物距無(wú)關(guān)。這對(duì)于將圖像拼接在一起變得很重要。如果對(duì)象具有不同的深度，則來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同位置的視圖將具有偏移的視角（如人類(lèi)視覺(jué)）。將圖像拼接在一起并非遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性，尤其是在高倍率的情況下。

使用58mm至52mm鏡頭反向耦合器將28mm鏡頭連接到80mm鏡頭，光圈位于中間。

第4步：XY舞臺(tái)設(shè)計(jì)

我使用Fusion 360設(shè)計(jì)了舞臺(tái)。對(duì)于每個(gè)掃描方向，有四個(gè)部分需要3D打?。嘿N片機(jī)安裝，兩個(gè)滑動(dòng)單元擴(kuò)展器和一個(gè)導(dǎo)螺桿安裝。 XY平臺(tái)的底座和平臺(tái)由3mm厚的膠合板激光切割而成。底座固定X方向電機(jī)和滑塊，X平臺(tái)固定Y方向電機(jī)和滑塊，Y平臺(tái)固定樣品。底座由3張紙組成，兩個(gè)平臺(tái)由2張紙組成。在該步驟中提供用于激光切割和3D打印的文件。切割和打印這些部件后，您就可以進(jìn)行后續(xù)步驟了。

步驟5：電機(jī)安裝組件

使用繞線工具，將導(dǎo)線纏繞在兩個(gè)紅外發(fā)射器和兩個(gè)紅外接收器的引線上。對(duì)電線進(jìn)行顏色編碼，以便了解哪一端是哪一端。然后切斷二極管上的引線，這樣只需從繞線開(kāi)始。將電線滑過(guò)電機(jī)座中的導(dǎo)軌，然后將二極管推入到位。導(dǎo)線被引導(dǎo)，直到它們離開(kāi)單元的后部才能看到它們。這些電線可以與電機(jī)線連接?，F(xiàn)在使用四個(gè)M3螺栓安裝步進(jìn)電機(jī)。對(duì)第二個(gè)電機(jī)重復(fù)此步驟。

步驟6：舞臺(tái)裝配

將底座1和底座2切口粘合在一起，其中一個(gè)切口帶有六角形開(kāi)口，用于M3螺母。膠水干燥后，將M3螺母錘入到位。壓入板時(shí)螺母不會(huì)旋轉(zhuǎn)，因此您可以在以后擰入螺栓?，F(xiàn)在粘上第三張底片（底座3）以蓋住螺母。

現(xiàn)在是時(shí)候組裝鉛螺母支架了。從支架上清除任何額外的燈絲，然后將四個(gè)M3螺母推入到位。它們是緊密配合，因此請(qǐng)確保使用小螺絲刀清除螺栓和螺母空間。將螺母對(duì)齊后，將導(dǎo)螺母推入底座并用4個(gè)M3螺栓固定。

將X方向線性平移器的軸承座，滑塊安裝座和電機(jī)座安裝到底座上。將導(dǎo)螺母組件放在導(dǎo)螺桿上，然后將導(dǎo)螺桿滑入到位。使用耦合器將電機(jī)連接到導(dǎo)螺桿。將滑塊單元放入桿中，然后將桿推入滑塊安裝座。最后，使用M3螺栓連接滑塊安裝延長(zhǎng)器。

X1和X2膠合板以與基座類(lèi)似的方式膠合在一起。 Y方向線性轉(zhuǎn)換器和樣品臺(tái)重復(fù)相同的步驟。

步驟7：掃描儀電子設(shè)備

每個(gè)步進(jìn)電機(jī)有四根電纜連接到H橋模塊。根據(jù)上圖，IR發(fā)射器和接收器的四根電纜連接到電阻器。接收器的輸出連接到模擬輸入A0和A1。兩個(gè)H橋模塊連接到Arduino Nano上的引腳4-11。按鈕通過(guò)1kOhm電阻連接到引腳2，便于用戶(hù)輸入。

最后，dSLR的觸發(fā)按鈕連接到遠(yuǎn)程快門(mén)，就像我為CT掃描儀所做的那樣（參見(jiàn)步驟7）。剪斷遙控快門(mén)線。電線標(biāo)記如下：

黃色 - 聚焦

紅色 - 快門(mén)

白色 - 接地

為了聚焦鏡頭，黃色線必須接地。要拍攝照片，黃色和紅色線必須接地。我將二極管和紅色電纜連接到引腳12，然后我將另一個(gè)二極管和黃色電纜連接到引腳13.設(shè)置如DIY Hacks和How-Tos instructable中所述。

步驟8：獲取千兆像素圖像

附加的是gigapixel顯微鏡的代碼。我使用Stepper庫(kù)來(lái)控制帶H橋的電機(jī)。在代碼的開(kāi)頭，您必須指定顯微鏡的視野和您想要在每個(gè)方向上獲取的圖像數(shù)量。

例如，我制作的顯微鏡的視野約為8.2mm x 5.5mm。因此，我指示電機(jī)在x方向上移動(dòng)8mm，在y方向上移位5mm。在每個(gè)方向上獲取11個(gè)圖像，總共121個(gè)圖像用于完整的千兆像素圖像（在步驟11中關(guān)于此的更多細(xì)節(jié)）。然后，代碼計(jì)算電機(jī)需要按照此數(shù)量轉(zhuǎn)換平臺(tái)所需的步數(shù)。

這些階段如何知道它們相對(duì)于電機(jī)的位置？如何在沒(méi)有擊中任何一端的情況下翻譯？在設(shè)置代碼中，我編寫(xiě)了一個(gè)函數(shù)，可以在每個(gè)方向上移動(dòng)舞臺(tái)，直到它打破IR發(fā)射器和IR接收器之間的路徑。當(dāng)IR接收器上的信號(hào)低于某個(gè)閾值時(shí)，電機(jī)停止。然后代碼跟蹤舞臺(tái)相對(duì)于該原始位置的位置。編寫(xiě)代碼使電機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)換太遠(yuǎn)，這會(huì)使平臺(tái)進(jìn)入導(dǎo)螺桿的另一端。

一旦在每個(gè)方向上校準(zhǔn)了舞臺(tái)，舞臺(tái)就會(huì)轉(zhuǎn)移到中心。使用三腳架，我將我的dSLR顯微鏡放在舞臺(tái)上。將相機(jī)區(qū)域與樣品臺(tái)上的交叉線對(duì)齊非常重要。一旦舞臺(tái)與相機(jī)對(duì)齊，我用一些畫(huà)家的膠帶將舞臺(tái)錄下，然后將樣品放在舞臺(tái)上。用三腳架z方向調(diào)整焦點(diǎn)。然后用戶(hù)按下按鈕開(kāi)始采集。舞臺(tái)轉(zhuǎn)換為左下角，觸發(fā)相機(jī)。然后光柵掃描樣品，然后相機(jī)在每個(gè)位置拍攝照片。

還附上了一些用于排除電機(jī)和紅外傳感器故障的代碼。

步驟9：拼接圖像

獲取所有圖像后，您現(xiàn)在面對(duì)將它們拼接在一起的挑戰(zhàn)。處理圖像拼接的一種方法是手動(dòng)對(duì)齊圖形程序中的所有圖像（我使用的是Autodesk的圖形）。這肯定會(huì)起作用，但它可能是一個(gè)痛苦的過(guò)程，并且圖像的邊緣在千兆像素圖像中是顯而易見(jiàn)的。

另一個(gè)選擇是使用圖像處理技術(shù)自動(dòng)將圖像拼接在一起。該想法是在相鄰圖像的重疊部分中找到類(lèi)似的特征，然后對(duì)圖像應(yīng)用平移變換，使得圖像彼此對(duì)齊。最后，通過(guò)將重疊部分乘以線性權(quán)重因子并將它們加在一起，可以將邊緣混合在一起。如果您不熟悉圖像處理，這可能是一個(gè)令人生畏的算法。我在問(wèn)題上工作了一段時(shí)間，但我無(wú)法獲得完全可靠的結(jié)果。該算法最擅長(zhǎng)于具有非常相似特征的樣本，例如雜志圖像中的點(diǎn)。附件是我在Matlab中編寫(xiě)的代碼，但它需要一些工作。

最后一個(gè)選項(xiàng)是使用千兆像素?cái)z影拼接程序。我沒(méi)有任何建議，但我知道他們?cè)谀抢铩?/p>

第10步：顯微鏡性能

如果您錯(cuò)過(guò)了，結(jié)果如下：雜志圖片，鉤針桌布和各種電子產(chǎn)品。

系統(tǒng)的規(guī)格列于上表中。我嘗試使用28mm和50mm焦距鏡頭進(jìn)行成像。我根據(jù)衍射極限（約6μm）估算了系統(tǒng)的最佳分辨率。實(shí)際上很難在沒(méi)有高分辨率目標(biāo)的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。我嘗試打印這個(gè)大幅面攝影論壇上列出的矢量文件，但我受打印機(jī)分辨率的限制。我打印輸出的最佳結(jié)果是系統(tǒng)的分辨率《40μm。我還在樣品上尋找小而孤立的特征。雜志印刷中最小的特征是墨點(diǎn)，我估計(jì)也是大約40μm，所以我不能用它來(lái)更好地估算分辨率。電子產(chǎn)品中有一些小的草皮，非常孤立。因?yàn)槲抑酪晥?chǎng)，我可以計(jì)算占用小凹坑的像素?cái)?shù)來(lái)估算分辨率，大約10-15μm。

總的來(lái)說(shuō)，我對(duì)系統(tǒng)的性能感到滿(mǎn)意，但是如果您想嘗試這個(gè)項(xiàng)目，我會(huì)有一些注釋。

舞臺(tái)的穩(wěn)定性：首先，獲得高質(zhì)量的線性平臺(tái)組件。我使用的組件比我想象的要多得多。我只使用套件中的一個(gè)滑塊安裝座用于每個(gè)桿，所以這可能就是為什么舞臺(tái)感覺(jué)不太穩(wěn)定。這個(gè)階段對(duì)我來(lái)說(shuō)效果很好，但對(duì)于更高放大倍率的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這將成為一個(gè)更大的問(wèn)題。

更高分辨率的光學(xué)器件同樣的想法可以用于更高倍率的顯微鏡。但是，需要具有更精細(xì)步長(zhǎng)的小型電動(dòng)機(jī)。例如，使用此dSLR放大20倍將導(dǎo)致1mm的視野（如果顯微鏡可以在沒(méi)有漸暈的情況下對(duì)大型系統(tǒng)進(jìn)行成像）。 Electronupdate使用CD播放器中的步進(jìn)電機(jī)，用于更高倍率的顯微鏡。另一個(gè)折衷方案是淺景深，這意味著成像僅限于薄樣本，你需要在z方向上有更精細(xì)的平移機(jī)制。

三腳架的穩(wěn)定性：使用更穩(wěn)定的攝像機(jī)支架，該系統(tǒng)可以更好地工作。鏡頭系統(tǒng)很重，三腳架從其設(shè)計(jì)位置傾斜90度。我不得不用三腳架的腳壓下來(lái)以幫助穩(wěn)定?？扉T(mén)也可以晃動(dòng)相機(jī)足以模糊圖像。