Progetto di un sistema di movimentazione di elevata precisione per
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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
