Università degli Studi di Pavia Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Elettronica Progettazione di un sistema di acquisizione automatico da Microscopia.

Presentazione sul tema: "Università degli Studi di Pavia Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Elettronica Progettazione di un sistema di acquisizione automatico da Microscopia."— Transcript della presentazione:

1 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

2 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

3 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

4 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

5 Fluorescenza ad 1 fotone
Single-Photon Excitation Fluorescent Decay

6 Fluorescenza a 2 fotoni Two-Photon Excitation Fluorescent Decay

7 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

8 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

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

10 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):  1390 nm durata impulso: 100 fsec potenza media (picco 1240 nm): 150 mW frequenza ripetizione treno impulsi: MHz Sorgente utilizzata: Laser He-Ne perché? lunghezza d’onda em (visibile): nm riflessione, fluorescenza a 1 fotone

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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

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

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

20 Ricostruzione dell’immagine
matrice immagine campione X Y

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

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

23 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

24 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

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

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

27 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

28 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