Università degli Studi di Pavia Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Elettronica Progettazione di un sistema di acquisizione automatico da Microscopia Laser Relatore: Prof. Carla Vacchi Correlatore: Prof. Alessandra Tomaselli Ing. Daniele Scarpa

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

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

Microscopio Confocale Elimina 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

Fluorescenza ad 1 fotone Single-Photon Excitation Fluorescent Decay

Fluorescenza a 2 fotoni Two-Photon Excitation Fluorescent Decay

Microscopio Confocale Elimina 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 utilizzata è l’adattamento

Prototipo di Microscopio 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 parte più complicata del progetto, è presente nel Laboratorio Sorgenti Laser

Microscopio a Scansione Laser specchio asse verticale beam splitter z fotomoltiplicatore laser L2 L1 y campione piano orizzontale specchietti di deflessione x

Sorgenti laser utilizzate Obiettivo: Laser Cr:Forsterite in regime di mode-locking fluorescenza a 2 fotoni, generazione di seconda armonica lunghezza d’onda em (infrarosso): 1210  1390 nm durata impulso: 100 fsec potenza media (picco 1240 nm): 150 mW frequenza ripetizione treno impulsi: 100 MHz Sorgente utilizzata: Laser He-Ne perché? lunghezza d’onda em (visibile): 633 nm riflessione, fluorescenza a 1 fotone

Sistema di partenza Esiste già un sistema di acquisizione, che però ha rivelato dei limiti Scopo del progetto: Emulare sistema già esistente, rendendolo più flessibile Il circuito si interfaccia con: un sistema di movimentazione un sistema di acquisizione un sistema PC

Interfacce Elettro-Meccaniche Si tratta di una coppia di Galvoscanner, usati per deflettere il fascio laser incidente sul campione, l’uno adibito alla movimentazione Lungo 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

Interfaccia Opto-Elettronica Il segnale luminoso risulta avere una bassa intensità utilizzo un Fotomoltiplicatore per amplificare il segnale Problema: La circuiteria di contorno deve essere realizzata appositamente per il tipo di fotomoltiplicatore e di convertitore

Interfaccia Software Problema: Attualmente per la comunicazione viene 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 viene utilizzata la porta parallela, quindi una bassa velocità di trasmissione

Criteri di scelta per il nuovo sistema Il nuovo sistema progettato deve riprodurre il sistema già esistente 2) deve garantire inoltre: Flessibilità Dinamicità Affidabilità Semplice utilizzo

Criteri di scelta per il nuovo sistema Circuiteria dedicata 3 i possibili approcci Sistema a microprocessore Logica programmabile Scelta Logica programmabile su board di sviluppo che supporti descrizione componenti VHDL e disponga di circuiti d’interfaccia

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 VGA 1 coder/decoder Stereo Audio a 96-KHz 1 MByte di SRAM 16 MBytes di memoria Flash 32 MBytes di SDRAM Connettore per card CompactFlash 4 posizioni programmabili distinte 1 connettore femmina a 9-pin RS-232 Scheda di rete Ethernet MAC/PHY 10/100 8 LED Oscillatore 100-MHz Supporto VHDL

Movimentazione assi X e Y asse X Vengono generati attraverso due contatori i segnali di controllo che comandano i due galvomotori asse Y

Acquisizione del segnale Il convertitore ADC utilizzato è differente rispetto all’originale e può essere programmato (frequenza di campionamento, numero di bit… )

Ricostruzione dell’immagine matrice immagine campione X Y

Schema di progetto digitale Generatore di clock Acquisizione Movimentazione X e Y P. Parallela

Schema di progetto I blocchi principali sono descritti in VHDL Ciò garantisce la flessibilità del sistema

Collaudo Emulo 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

Collaudo Per 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

Risultati Andando ad assemblare il progetto finale e collegando il fototubo alla board di sviluppo, si sono ottenute le prime immagini

Limiti del sistema Elettromeccanico Effetto “a specchio ” (ritardo) Effetto “schiacciato” (filtraggio) Forma d’onda ideale Forma d’onda reale ritardo

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

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