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

Sistema di movimentazione di elevata precisione2 Microscopio Tradizionale campione obiettivo illuminazione piano immagine condensatore - Lintero 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 precisione3 Microscopio 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 precisione4 Fluorescenza ad 1 fotone

Sistema di movimentazione di elevata precisione5 Fluorescenza a 2 fotoni fluorescenza a 2 fotoni

Sistema di movimentazione di elevata precisione6 Considerazioni Riemissione di energia solo dal punto di fuoco Pinhole Riprogettare un sistema più semplice ed economico Confocale

Sistema di movimentazione di elevata precisione7 campione piano orizzontale beam splitter specchio L2 L1 laser fotomoltiplicatore asse verticale specchietti di deflessione x y z Microscopio a Scansione Laser

Sistema di movimentazione di elevata precisione8 Laser Cr:Forsterite in regime di mode-lockingLaser Cr:Forsterite in regime di mode-locking fluorescenza a 2 fotoni, generazione di seconda armonica lunghezza donda (infrarosso): nm lunghezza donda em (infrarosso): nm durata impulso: 100 fsec potenza media (picco 1240 nm): 150 mW frequenza ripetizione treno impulsi: 100 MHz è nella zona di dispersione nulla del vetro em è nella zona di dispersione nulla del vetro penetrazione nei tessuti biologici con danni limitati penetrazione nei campioni microelettronici Laser He-NeLaser He-Ne lunghezza donda (rosso): 633 nm lunghezza donda em (rosso): 633 nm riflessione, fluorescenza a 1 fotone (messa a punto del sistema) Sorgenti laser utilizzate

Sistema di movimentazione di elevata precisione9 Sistema di partenza campione piano orizzontale beam splitter specchio L2 L1 laser fotomoltiplicatore asse verticale specchietti di deflessione x y z

Sistema di movimentazione di elevata precisione10 Problema del fuoco Gli oggetti fuori fuoco non danno contributi allimmagine 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 precisione11 Obiettivi: compatibilità con il sistema esistente compatibilità 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 minuto tempo di movimentazione prossimo al minuto basso costobasso costo periferica hardware autonomaperiferica hardware autonoma + Autofocus Sistema di movimentazione automatizzata lungo lasse focale

Sistema di movimentazione di elevata precisione12 Soluzioni adottate: Elettronica MotoriPassoPasso Motori Passo Passo Raddoppio del numero di passi con precisione nel posizionamento Ripetibilità del movimento Mantenimento della posizione Precisione Controllo Motore Pilotaggio da porta parallela in modalità half step mode + Controllo di coppia

Sistema di movimentazione di elevata precisione13 Soluzioni adottate: Meccanica Riprogettazionesistemadimovimentazione Riprogettazione sistema di movimentazione Laccoppiamento con il motore risulta semplificato e garantisce maggior precisione

Sistema di movimentazione di elevata precisione14 Soluzioni adottate: Software Controllocon finestre di dialogo Controllo con finestre di dialogo Conformità e similitudine ai più comuni programmi software

Sistema di movimentazione di elevata precisione15 Funzioni Movimentazione Movimentazione Passi da 0,625 micrometri e 3,125 micrometri Memorizzazione PosizioneMemorizzazione Posizione 12 posizioni memorizzabili Recupero Posizione MemorizzataRecupero Posizione Memorizzata Recupero entro il minuto

Sistema di movimentazione di elevata precisione16 Autofocus OK OggettoProfondità di fuoco ImmagineSegnale al Fotorivelatore Direzione di fuoco Asse ZAsse Z OK

Sistema di movimentazione di elevata precisione17 Immagini con Autofocus

Sistema di movimentazione di elevata precisione18 Campioni multifocali Frame ogni 1,25 µmFrame ogni 3,125 µm

Sistema di movimentazione di elevata precisione19 Confronto silicio/layout

Sistema di movimentazione di elevata precisione20 Confronto silicio/layout Metal Larghezza 2 Micrometri Polysilicio Larghezza 0,6 Micrometri sorgente: 0,633 em sorgente: 0,633Micrometri

Sistema di movimentazione di elevata precisione21 Nuovi risultati, nuovi problemi Ondulazioni sui contorni verticali Errori elettromeccanici Disturbi elettrici Vibrazioni meccaniche degli apparati

Sistema di movimentazione di elevata precisione22 Interpretare i fatti

Sistema di movimentazione di elevata precisione23 Studiare e migliorare FFT Identificare le frequenze Misura delle componenti Ottimizzazione sistema Elaborazione immagini

Sistema di movimentazione di elevata precisione24 Risultati

Sistema di movimentazione di elevata precisione25 Conclusioni Movimentazione automatizzata con passo minimo 0,625 micrometri Movimentazione automatizzata con passo minimo 0,625 micrometri Autofocus in tempi inferiori al minuto Autofocus in tempi inferiori al minuto Acquisizione immagini multifocali Acquisizione immagini multifocali Procedura di analisi delle vibrazioni Procedura di analisi delle vibrazioni Semplici procedure di elaborazione immagine Semplici procedure di elaborazione immagine Risoluzione circa 0,6 micrometri Risoluzione circa 0,3 micrometri Laser (HeNe continua): Confocale: Costo 50 k Euro Costo 250 k Euro Semplicità di utilizzoPersonale altamente qualificato Ingombro circa 1 m 3 Ingombro circa 2,5 m 3

Sistema di movimentazione di elevata precisione26 Sviluppi Fluorescenza a 2 fotoni Movimentazione 3D Movimentazione 3D Miglioramento del sistema elettronico Miglioramento del sistema elettronico Elaborazione immagini con ricostruzione 3D Elaborazione immagini con ricostruzione 3D Verifica procedura autofocus Verifica procedura autofocus Ottimizzazione sorgente Ottimizzazione sorgente Sviluppo altre sorgenti Sviluppo altre sorgenti

Sistema di movimentazione di elevata precisione27

Sistema di movimentazione di elevata precisione28 Movimentatori La posizione dellattuatore dovrebbe variare congruentemente con la movimentazione effettuta Riprogettazionesistemadimovimentazione Riprogettazione sistema di movimentazione Sistema esistente Sistema riprogettato Accoppiamento più facile

Sistema di movimentazione di elevata precisione29 Elaborazione immagini

Sistema di movimentazione di elevata precisione30 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 f vibr data da: quindi