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Università degli Studi di PaviaUniversità degli Studi di PaviaFacoltà di IngegneriaFacoltà di Ingegneria

Dipartimento di ElettronicaDipartimento di Elettronica

Progettazione di un sistema di Progettazione di un sistema di movimentazione di elevata movimentazione di elevata

precisione per applicazione in precisione per applicazione in microscopia lasermicroscopia laser

Relatore: Prof. Carla VacchiRelatore: Prof. Carla Vacchi

Correlatore: Prof. Alessandra TomaselliCorrelatore: Prof. Alessandra Tomaselli

Sistema di movimentazione di elevata precisione 2

Microscopio TradizionaleMicroscopio Tradizionale

campione

obiettivo

illuminazione

piano immagine

condensatore

- L’intero campione viene illuminato

- Solo campioni sottili

- Contributi fuori fuoco

- Preparazione del campione

- Limite alla risoluzione

oculare

immagine

reale

immagine

virtuale


Microscopio ConfocaleMicroscopio Confocale

obiettivo+lente

campione

pinhole

rivelatore

pinhole

divisore di fascio

fuoco

- Costo elevato

- Difficoltà di movimentazione

- Complessità di utilizzo

- Taratura dipendente dal campione

- Ingombro elevato


Fluorescenza ad 1 fotoneFluorescenza ad 1 fotone

fluorescenza a 1 fotone


Fluorescenza a 2 fotoniFluorescenza a 2 fotoni

fluorescenza a 2 fotoni


ConsiderazioniConsiderazioni

Riemissione di energia solo dal punto di fuoco

Pinhole

Riprogettare un sistema più semplice ed economico

Confocale


campionepiano orizzontale

beam splitterspecchio

L2

L1

laser

fotomoltiplicatoreas

se v

ert

ical

e

specchietti di deflessione x

y

z

Microscopio a Scansione Microscopio a Scansione LaserLaser


•Laser Cr:Forsterite in regime di mode-lockingLaser Cr:Forsterite in regime di mode-lockingfluorescenza 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 nmdurata 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

em è nella zona di dispersione nulla del vetroè nella zona di dispersione nulla del vetropenetrazione nei tessuti biologici con danni limitatipenetrazione nei tessuti biologici con danni limitatipenetrazione nei campioni microelettronicipenetrazione nei campioni microelettronici

•Laser He-NeLaser He-Nelunghezza d’onda lunghezza d’onda em (rosso): (rosso): 633 nm633 nm

riflessione, fluorescenza a 1 fotone (messa a punto del sistema)riflessione, fluorescenza a 1 fotone (messa a punto del sistema)

Sorgenti laser utilizzateSorgenti laser utilizzate


Sistema di partenzaSistema di partenza

campionepiano orizzontale

beam splitterspecchio

L2

L1

laser

fotomoltiplicatoreas

se v

ert

ical

e

specchietti di deflessione x

y

z


Problema del fuocoProblema del fuoco

Gli oggetti fuori fuoco non danno contributi all’immagine

Per vedere qualcosa si deve mettere a fuoco il campione

Focalizzazione ManualeFocalizzazione Manuale- Lenta

- Complessa

- Necessita esperienza

- Imprecisa

- Non ripetibile

- Soggettiva


Obiettivi:Obiettivi:

• compatibilità con il sistema esistentecompatibilità con il sistema esistente

• risoluzione entro il micrometrorisoluzione entro il micrometro

• ripetibilità degli spostamentiripetibilità degli spostamenti

• mantenimento della posizionemantenimento della posizione

• tempo di movimentazione prossimo al minutotempo di movimentazione prossimo al minuto

• basso costobasso costo

• periferica hardware autonomaperiferica hardware autonoma

+ AutofocusAutofocus

Sistema di movimentazione automatizzata lungo l’asse focaleSistema di movimentazione automatizzata lungo l’asse focale


Soluzioni adottate: Soluzioni adottate: ElettronicaElettronica

MotoriMotori PassoPasso PassoPasso

Raddoppio del numero di passi con precisione nel posizionamento

Ripetibilità del movimento

Mantenimento della posizione

Precisione

Controllo MotoreControllo Motore

Pilotaggio da porta parallela in modalità half step mode + Controllo di coppia


Soluzioni adottate: Soluzioni adottate: MeccanicaMeccanica

RiprogettazioneRiprogettazione sistemasistema didi movimentazionemovimentazione

M

L’accoppiamento con il motore risulta semplificato e garantisce maggior precisione


Soluzioni adottate: Soluzioni adottate: SoftwareSoftware

ControlloControllo con finestre di dialogocon finestre di dialogo

Conformità e similitudine ai più comuni programmi software


FunzioniFunzioni

• MovimentazioneMovimentazione

Passi da 0,625 micrometri e 3,125 micrometriPassi da 0,625 micrometri e 3,125 micrometri

• Memorizzazione PosizioneMemorizzazione Posizione

12 posizioni memorizzabili12 posizioni memorizzabili

• Recupero Posizione MemorizzataRecupero Posizione Memorizzata

Recupero entro il minutoRecupero entro il minuto


AutofocusAutofocus

OK

OggettoProfonditàdi fuoco

Immagine Segnale al Fotorivelatore

Direzionedi fuoco

Asse Z

OK


Immagini con AutofocusImmagini con Autofocus


Campioni multifocaliCampioni multifocali

Frame ogni 1,25 µm Frame ogni 3,125 µm


Confronto silicio/layoutConfronto silicio/layout

10 m

1 m

2.5 m


Confronto silicio/layoutConfronto silicio/layoutMetal

Larghezza2 Micrometri

PolysilicioLarghezza

0,6 Micrometri

em sorgente: sorgente: 0,6330,633

MicrometriMicrometri


Nuovi risultati, nuovi Nuovi risultati, nuovi problemiproblemi

Ondulazioni sui contorni verticaliOndulazioni sui contorni verticali

• Errori elettromeccanici

• Disturbi elettrici

• Vibrazioni meccaniche degli apparati


Interpretare i fattiInterpretare i fatti


Studiare e migliorareStudiare e migliorare

FFT

Identificare le frequenze

Misura delle componenti

Ottimizzazione sistema

Elaborazione immagini


RisultatiRisultati


ConclusioniConclusioni• Movimentazione automatizzata con passo minimo 0,625 micrometriMovimentazione automatizzata con passo minimo 0,625 micrometri

• Autofocus in tempi inferiori al minutoAutofocus in tempi inferiori al minuto

• Acquisizione immagini multifocaliAcquisizione immagini multifocali

• Procedura di analisi delle vibrazioniProcedura di analisi delle vibrazioni

• Semplici procedure di elaborazione immagineSemplici procedure di elaborazione immagine

Risoluzione circa 0,6 micrometri Risoluzione circa 0,3 micrometri

Laser (HeNe continua):Laser (HeNe continua): Confocale:Confocale:

Costo 50 k Euro Costo 250 k Euro

Semplicità di utilizzo Personale altamente qualificato

Ingombro circa 1 m3 Ingombro circa 2,5 m3


SviluppiSviluppi

Fluorescenza a 2 fotoniFluorescenza a 2 fotoni

• Movimentazione 3DMovimentazione 3D

• Miglioramento del sistema elettronicoMiglioramento del sistema elettronico

• Elaborazione immagini con ricostruzione 3DElaborazione immagini con ricostruzione 3D

• Verifica procedura autofocusVerifica procedura autofocus

• Ottimizzazione sorgenteOttimizzazione sorgente

• Sviluppo altre sorgentiSviluppo altre sorgenti


MovimentatoriMovimentatori

La posizione dell’attuatore dovrebbe variare congruentemente con la movimentazione effettuta

RiprogettazioneRiprogettazione sistemasistema didi movimentazionemovimentazione

Sistema esistente

M

Sistema riprogettato

Accoppiamento più facile


Elaborazione immaginiElaborazione immagini


MetronomoMetronomoSe il picco a 6 (7 – 1 il valore in continua) corrisponde ad una frequenza di 3,46 Hz (208 oscillazioni al secondo) ad esempio il valore di picco in corrispondenza del valore in ascissa 115 (che si converte in 114) corrisponde alla frequenza fvibr data da:

quindi vibrf:11445.3:6

Hzf vibr 65611446.3

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