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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
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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
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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
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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
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Fluorescenza ad 1 fotone
fluorescenza a 1 fotone
Sin
gle-
Pho
ton
Exc
itatio
n
Flu
ores
cent
Dec
ay
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fluorescenza a 2 fotoni
Fluorescenza a 2 fotoniT
wo-
Pho
ton
Exc
itatio
n
Flu
ores
cent
Dec
ay
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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
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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
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Microscopio a Scansione Laser
campionepiano orizzontale
beam splitter
L2
L1
laser
fotomoltiplicatoreas
se v
ert
ical
e
specchietti di deflessione x
y
z
specchio
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Movimentazione assi X e Y
Vengono generati attraverso due contatori i segnali di controllo che comandano i due galvomotori
asse X
asse Y
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Acquisizione del segnale
Il convertitore ADC utilizzato è differente rispetto all’originale epuò essere programmato (frequenzadi campionamento, numero di bit… )
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Ricostruzione dell’immagine
X
Y
campione matrice immagine
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Schema di progetto digitale
Movimentazione X e Y
Acquisizione
P. Parallela
Generatore di clock
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Schema di progetto
I blocchi principali sono descritti in VHDL
Ciò garantisce la flessibilità del sistema
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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
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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
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RisultatiAndando ad assemblare il progetto finale e collegando il fototubo alla board disviluppo, si sono ottenute le prime immagini
![Page 26: Università degli Studi di Pavia Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Elettronica Progettazione di un sistema di acquisizione automatico da Microscopia](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062512/5542eb5c497959361e8ca350/html5/thumbnails/26.jpg)
Limiti del sistema Elettromeccanico
Effetto “a specchio ” (ritardo)
Effetto “schiacciato” (filtraggio)
Forma d’onda ideale
Forma d’onda reale
ritardo
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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
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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