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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
Sistema di movimentazione di elevata precisione 3
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
Sistema di movimentazione di elevata precisione 4
Fluorescenza ad 1 fotoneFluorescenza ad 1 fotone
fluorescenza a 1 fotone
Sistema di movimentazione di elevata precisione 5
Fluorescenza a 2 fotoniFluorescenza a 2 fotoni
fluorescenza a 2 fotoni
Sistema di movimentazione di elevata precisione 6
ConsiderazioniConsiderazioni
Riemissione di energia solo dal punto di fuoco
Pinhole
Riprogettare un sistema più semplice ed economico
Confocale
Sistema di movimentazione di elevata precisione 7
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
Sistema di movimentazione di elevata precisione 8
•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 movimentazione di elevata precisione 9
Sistema di partenzaSistema di partenza
campionepiano orizzontale
beam splitterspecchio
L2
L1
laser
fotomoltiplicatoreas
se v
ert
ical
e
specchietti di deflessione x
y
z
Sistema di movimentazione di elevata precisione 10
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
Sistema di movimentazione di elevata precisione 11
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
Sistema di movimentazione di elevata precisione 12
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
Sistema di movimentazione di elevata precisione 13
Soluzioni adottate: Soluzioni adottate: MeccanicaMeccanica
RiprogettazioneRiprogettazione sistemasistema didi movimentazionemovimentazione
M
L’accoppiamento con il motore risulta semplificato e garantisce maggior precisione
Sistema di movimentazione di elevata precisione 14
Soluzioni adottate: Soluzioni adottate: SoftwareSoftware
ControlloControllo con finestre di dialogocon finestre di dialogo
Conformità e similitudine ai più comuni programmi software
Sistema di movimentazione di elevata precisione 15
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
Sistema di movimentazione di elevata precisione 16
AutofocusAutofocus
OK
OggettoProfonditàdi fuoco
Immagine Segnale al Fotorivelatore
Direzionedi fuoco
Asse Z
OK
Sistema di movimentazione di elevata precisione 17
Immagini con AutofocusImmagini con Autofocus
Sistema di movimentazione di elevata precisione 18
Campioni multifocaliCampioni multifocali
Frame ogni 1,25 µm Frame ogni 3,125 µm
Sistema di movimentazione di elevata precisione 19
Confronto silicio/layoutConfronto silicio/layout
10 m
1 m
2.5 m
Sistema di movimentazione di elevata precisione 20
Confronto silicio/layoutConfronto silicio/layoutMetal
Larghezza2 Micrometri
PolysilicioLarghezza
0,6 Micrometri
em sorgente: sorgente: 0,6330,633
MicrometriMicrometri
Sistema di movimentazione di elevata precisione 21
Nuovi risultati, nuovi Nuovi risultati, nuovi problemiproblemi
Ondulazioni sui contorni verticaliOndulazioni sui contorni verticali
• Errori elettromeccanici
• Disturbi elettrici
• Vibrazioni meccaniche degli apparati
Sistema di movimentazione di elevata precisione 22
Interpretare i fattiInterpretare i fatti
Sistema di movimentazione di elevata precisione 23
Studiare e migliorareStudiare e migliorare
FFT
Identificare le frequenze
Misura delle componenti
Ottimizzazione sistema
Elaborazione immagini
Sistema di movimentazione di elevata precisione 24
RisultatiRisultati
Sistema di movimentazione di elevata precisione 25
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
Sistema di movimentazione di elevata precisione 26
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
Sistema di movimentazione di elevata precisione 27
Sistema di movimentazione di elevata precisione 28
MovimentatoriMovimentatori
La posizione dell’attuatore dovrebbe variare congruentemente con la movimentazione effettuta
RiprogettazioneRiprogettazione sistemasistema didi movimentazionemovimentazione
Sistema esistente
M
Sistema riprogettato
Accoppiamento più facile
Sistema di movimentazione di elevata precisione 29
Elaborazione immaginiElaborazione immagini
Sistema di movimentazione di elevata precisione 30
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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