Università degli Studi di Pavia
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Elettronica
Progettazione di un sistema di
movimentazione di elevata
precisione per applicazione in
microscopia laser
Relatore: Prof. Carla Vacchi
Correlatore: Prof. Alessandra Tomaselli
Microscopio Tradizionale
oculare
piano immagine
immagine
virtuale
obiettivo
immagine
reale
campione
condensatore
-
L’intero campione viene illuminato
-
Solo campioni sottili
-
Contributi fuori fuoco
-
Preparazione del campione
-
Limite alla risoluzione
illuminazione
Sistema di movimentazione di elevata precisione
2
Microscopio Confocale
rivelatore
pinhole
pinhole
divisore
di fascio
obiettivo+lente
fuoco
-
Costo elevato
-
Difficoltà di movimentazione
-
Complessità di utilizzo
-
Taratura dipendente dal campione
-
Ingombro elevato
campione
Sistema di movimentazione di elevata precisione
3
Fluorescenza ad 1 fotone
fluorescenza a
1 fotone
Sistema di movimentazione di elevata precisione
4
Fluorescenza a 2 fotoni
fluorescenza
a 2 fotoni
Sistema di movimentazione di elevata precisione
5
Considerazioni
Riemissione di energia solo dal punto di fuoco
Pinhole
Confocale
Riprogettare un sistema più
semplice ed economico
Sistema di movimentazione di elevata precisione
6
Microscopio a Scansione Laser
asse verticale
specchio
beam splitter
z
fotomoltiplicatore
laser
L2
y
L1
campione
piano orizzontale
x
specchietti di deflessione
Sistema di movimentazione di elevata precisione
7
Sorgenti laser utilizzate
•Laser Cr:Forsterite in regime di mode-locking
fluorescenza a 2 fotoni, generazione di seconda armonica
lunghezza d’onda em (infrarosso):
durata impulso:
potenza media (picco 1240 nm):
frequenza ripetizione treno impulsi:
1210 1390 nm
100 fsec
150 mW
100 MHz
em è nella zona di dispersione nulla del vetro
penetrazione nei tessuti biologici con danni limitati
penetrazione nei campioni microelettronici
•Laser He-Ne
lunghezza d’onda em (rosso):
633 nm
riflessione, fluorescenza a 1 fotone (messa a punto del sistema)
Sistema di movimentazione di elevata precisione
8
Sistema di partenza
asse verticale
specchio
beam splitter
z
fotomoltiplicatore
laser
L2
y
L1
campione
piano orizzontale
x
specchietti di deflessione
Sistema di movimentazione di elevata precisione
9
Problema del fuoco
Gli oggetti fuori fuoco non danno contributi all’immagine
Per vedere qualcosa si deve mettere a fuoco il campione
Focalizzazione Manuale
-
Lenta
-
Complessa
-
Necessita esperienza
-
Imprecisa
-
Non ripetibile
-
Soggettiva
Sistema di movimentazione di elevata precisione
10
Obiettivi:
Sistema di movimentazione automatizzata lungo l’asse focale
•
compatibilità con il sistema esistente
•
risoluzione entro il micrometro
•
ripetibilità degli spostamenti
•
mantenimento della posizione
•
tempo di movimentazione prossimo al minuto
•
basso costo
•
periferica hardware autonoma
+
Autofocus
Sistema di movimentazione di elevata precisione
11
Soluzioni adottate: Elettronica
Motori Passo Passo
Ripetibilità del movimento
Mantenimento della posizione
Precisione
Controllo Motore
Pilotaggio da porta parallela in modalità half step mode + Controllo di coppia
Raddoppio del numero di passi con precisione nel posizionamento
Sistema di movimentazione di elevata precisione
12
Soluzioni adottate: Meccanica
Riprogettazione sistema di movimentazione
M
L’accoppiamento con il motore risulta semplificato e garantisce maggior precisione
Sistema di movimentazione di elevata precisione
13
Soluzioni adottate: Software
Controllo con finestre di dialogo
Conformità e similitudine ai più comuni programmi software
Sistema di movimentazione di elevata precisione
14
Funzioni
•
Movimentazione
Passi da 0,625 micrometri e 3,125 micrometri
•
Memorizzazione Posizione
12 posizioni memorizzabili
•
Recupero Posizione Memorizzata
Recupero entro il minuto
Sistema di movimentazione di elevata precisione
15
Autofocus
Direzione
di fuoco
A
s
s
e
Z
Profondità
di fuoco
Oggetto
Immagine
Segnale al
Fotorivelatore
OK
OK
Sistema di movimentazione di elevata precisione
16
Immagini con Autofocus
Sistema di movimentazione di elevata precisione
17
Campioni multifocali
Frame ogni 1,25 µm
Frame ogni 3,125 µm
Sistema di movimentazione di elevata precisione
18
Confronto silicio/layout
10 m
1 m
2.5 m
Sistema di movimentazione di elevata precisione
19
Confronto silicio/layout
Metal
Larghezza
2 Micrometri
em sorgente:
0,633
Micrometri
Sistema di movimentazione di elevata precisione
Polysilicio
Larghezza
0,6
Micrometri
20
Nuovi risultati, nuovi problemi
Ondulazioni sui contorni verticali
•
Errori elettromeccanici
•
Disturbi elettrici
•
Vibrazioni meccaniche degli apparati
Sistema di movimentazione di elevata precisione
21
Interpretare i fatti
Sistema di movimentazione di elevata precisione
22
Studiare e migliorare
Identificare le frequenze
Misura delle componenti
Ottimizzazione sistema
FFT
FFT
FFT
FILTRO
Elaborazione immagini
FFT
FILTRO
Sistema di movimentazione di elevata precisione
FFT
23
Risultati
Sistema di movimentazione di elevata precisione
24
Conclusioni
•
•
•
•
•
Movimentazione automatizzata con passo minimo 0,625 micrometri
Autofocus in tempi inferiori al minuto
Acquisizione immagini multifocali
Procedura di analisi delle vibrazioni
Semplici procedure di elaborazione immagine
Laser (HeNe continua):
Confocale:
Risoluzione circa 0,6 micrometri
Risoluzione circa 0,3 micrometri
Costo 50 k Euro
Costo 250 k Euro
Ingombro circa 1 m3
Ingombro circa 2,5 m3
Semplicità di utilizzo
Personale altamente qualificato
Sistema di movimentazione di elevata precisione
25
Sviluppi
•
•
•
Movimentazione 3D
Miglioramento del sistema elettronico
Elaborazione immagini con ricostruzione 3D
Fluorescenza a 2 fotoni
•
•
•
Verifica procedura autofocus
Ottimizzazione sorgente
Sviluppo altre sorgenti
Sistema di movimentazione di elevata precisione
26
Sistema di movimentazione di elevata precisione
27
Movimentatori
Riprogettazione sistema di movimentazione
M
Sistema
Sistema
esistente
riprogettato
Accoppiamento
più facile
La posizione dell’attuatore
dovrebbe variare
congruentemente con
la movimentazione effettuta
Sistema di movimentazione di elevata precisione
28
Elaborazione immagini
Sistema di movimentazione di elevata precisione
29
Metronomo
Se 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:
6 : 3.45 114 : f vibr
quindi
f vibr
3
.
46
114
6
65Hz
Sistema di movimentazione di elevata precisione
30
