Università degli Studi di PaviaFacoltà di Ingegneria

Dipartimento di Elettronica

Progettazione di un sistema di acquisizione Progettazione di un sistema di acquisizione automatico da Microscopia Laserautomatico da Microscopia Laser

Relatore: Relatore: Prof. Carla VacchiProf. Carla Vacchi

Correlatore: Correlatore: Prof. Alessandra TomaselliProf. Alessandra Tomaselli

Ing. Daniele ScarpaIng. Daniele Scarpa

Indice degli argomenti:

- Panoramica sulle tipologie di microscopi ottici in commercio- Necessità di un microscopio a scansione laser a 2 fotoni- Presentazione degli elementi con cui si dovrà interfacciare il

progetto realizzato- Scelta della soluzione migliore e relativi criteri adottati- Progetto elettronico- Collaudo- Risultati- Sviluppi futuri

Microscopio Tradizionale

L’intero campione viene illuminato uniformemente dalla radiazione incidente

Semplice nell’uso

Basso costo

Può utilizzare il principio della fluorescenza ad 1 fotone

Problema dei contributi fuori fuoco, che impongo il limite del campione sottile

Microscopio ConfocaleElimina i problemi dei contributi fuori fuoco

E’ un microscopio a scansione, illumina un punto alla volta il campione

Miglior qualità dell’immagine rispetto al microscopio convenzionale

Può utilizzare il principio della fluorescenza ad 1 fotone

Costoso

Utilizzabile da personale qualificato

Fluorescenza ad 1 fotone

fluorescenza a 1 fotone

Sin

gle-

Pho

ton

Exc

itatio

n

Flu

ores

cent

Dec

ay

fluorescenza a 2 fotoni

Fluorescenza a 2 fotoniT

wo-

Pho

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cent

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Microscopio ConfocaleElimina i problemi dei contributi fuori fuoco

E’ un microscopio a scansione, illumina un punto alla volta il campione

Miglior qualità dell’immagine rispetto al microscopio convenzionale

Può utilizzare il principio della fluorescenza ad 1 fotone

Costoso

Utilizzabile da personale qualificato

Può utilizzare il principio della fluorescenza a 2 fotoni, infatti la strategia attualmente utilizzataè l’adattamento

Prototipo diMicroscopio a Scansione Laser

Si vuole realizzare un microscopio che:

- NASCA per sfruttare la fluorescenza a 2 fotoni

- Sia poco costoso

L’apparato che si occupa della generazione del fascio Laser, la partepiù complicata del progetto, è presente nel Laboratorio Sorgenti Laser

Microscopio a Scansione Laser

campionepiano orizzontale

beam splitter

L2

L1

laser

fotomoltiplicatoreas

se v

ert

ical

e

specchietti di deflessione x

y

z

specchio

Sorgenti laser utilizzateObiettivo:Obiettivo:

Laser Cr:Forsterite in regime di mode-lockingLaser Cr:Forsterite in regime di mode-locking

fluorescenza a 2 fotoni, generazione di seconda armonicafluorescenza a 2 fotoni, generazione di seconda armonica

lunghezza d’onda lunghezza d’onda em (infrarosso): (infrarosso): 1210 1210 1390 nm 1390 nm

durata impulso: durata impulso: 100 fsec100 fsecpotenza media (picco 1240 nm):potenza media (picco 1240 nm): 150 mW150 mWfrequenza ripetizione treno impulsi: frequenza ripetizione treno impulsi: 100 MHz 100 MHz

Sorgente utilizzata:Sorgente utilizzata:

Laser He-Ne Laser He-Ne perché?lunghezza d’onda lunghezza d’onda em (visibile): (visibile): 633 nm633 nm

riflessione, fluorescenza a 1 fotoneriflessione, fluorescenza a 1 fotone

Sistema di partenza

Il circuito si interfaccia con:

- un sistema di movimentazione

- un sistema di acquisizione

- un sistema PC

Scopo del progetto:

Emulare sistema già esistente, rendendolo più flessibile

Esiste già un sistema di acquisizione, che però ha rivelato dei limiti

Interfacce Elettro-Meccaniche

Si tratta di una coppia di Galvoscanner,usati per deflettere il fascio laser incidentesul campione, l’uno adibito alla movimentazioneLungo l’asse X, l’altro su quello Y.

Problema:- il motore pone un limite alla frequenza del segnale pilotante - i tipi di forma d’onda sollecitano differentemente i 2 motori- velocità di acquisizione

Interfaccia Opto-ElettronicaIl segnale luminoso risulta avere una bassa intensità

utilizzo un Fotomoltiplicatore per amplificare il segnale

Problema:La circuiteria di contorno deve essererealizzata appositamente per il tipo difotomoltiplicatore e di convertitore

Interfaccia Software

La ricostruzione dell’immagine avviene attraverso un software opportunamente progettato che:

- riceve il valore misurato e convertito

- colloca tale dato nella matrice immagine

Problema:Attualmente per la comunicazione vieneutilizzata la porta parallela, quindi una bassavelocità di trasmissione

Criteri di scelta per il nuovo sistema

2) deve garantire inoltre:

- Flessibilità

- Dinamicità

- Affidabilità

- Semplice utilizzo

1) Il nuovo sistema progettato deve riprodurre il sistema già esistente

Criteri di scelta per il nuovo sistema

3 i possibili approcci

Circuiteria dedicata

Sistema a microprocessore

Logica programmabile

Scelta Logica programmabile su board di sviluppo che supportidescrizione componenti VHDL e disponga di circuiti d’interfaccia

EP2S60 DI STRATIX II

2 convertitori A/D 12-bit a 125-MHz 2 convertitori D/A 14-bit a 165-MHz 1 convertitore D/A 8-bit, 180 megapixels per Secondo triplo per uscita VGA1 coder/decoder Stereo Audio a 96-KHz1 MByte di SRAM 16 MBytes di memoria Flash 32 MBytes di SDRAM Connettore per card CompactFlash 4 posizioni programmabili distinte1 connettore femmina a 9-pin RS-232Scheda di rete Ethernet MAC/PHY 10/100 8 LEDOscillatore 100-MHzSupporto VHDL

Movimentazione assi X e Y

Vengono generati attraverso due contatori i segnali di controllo che comandano i due galvomotori

asse X

asse Y

Acquisizione del segnale

Il convertitore ADC utilizzato è differente rispetto all’originale epuò essere programmato (frequenzadi campionamento, numero di bit… )

Ricostruzione dell’immagine

X

Y

campione matrice immagine

Schema di progetto digitale

Movimentazione X e Y

Acquisizione

P. Parallela

Generatore di clock

Schema di progetto

I blocchi principali sono descritti in VHDL

Ciò garantisce la flessibilità del sistema

CollaudoEmulo il segnale dell’ADC internamente alla scheda

Per semplicità, ho scelto una forma d’onda triangolare

Per la mancanza di sincronismo, l’immagine non è corretta

CollaudoPer rimediare al problema introduco un elemento di memoria FIFO

Il vantaggio nell’utilizzo di questo blocco è il rendere la scrittura e la lettura indipendenti

metto in ingresso al convertitore un’onda triangolare generata esternamente

RisultatiAndando ad assemblare il progetto finale e collegando il fototubo alla board disviluppo, si sono ottenute le prime immagini

Limiti del sistema Elettromeccanico

Effetto “a specchio ” (ritardo)

Effetto “schiacciato” (filtraggio)

Forma d’onda ideale

Forma d’onda reale

ritardo

Conclusioni

- flessibilità del sistema, garantita dall’uso di una Logica Programmabile

- semplici procedure di elaborazione immagine

- adeguatezza del progetto finale caricato sulla memoria dell’FPGA avente la funzione di acquisizione d’immagini

-raggiunto scopo principale, emulare sistema già esistente eliminando alcuni dei vincoli

Sviluppi futuri GARANTITI

- generazione di differenti forme d’onda di controllo ai galvomotori

- modifica delle velocità di acquisizione dei dati

- connessione tramite rete direttamente alla scheda

- pre-elaborazione dell’immagine sulla board di sviluppo

- visualizzazione diretta dell’immagine a video