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
Fluorescent Decay
Single-Photon Excitation
Fluorescenza ad 1 fotone
fluorescenza a
1 fotone
Fluorescent Decay
Two-Photon Excitation
Fluorescenza a 2 fotoni
fluorescenza
a 2 fotoni
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
asse verticale
beam splitter
z
specchio
fotomoltiplicatore
laser
L2
y
L1
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):
durata impulso:
potenza media (picco 1240 nm):
frequenza ripetizione treno impulsi:
1210  1390 nm
100 fsec
150 mW
100 MHz
Sorgente utilizzata:
Laser He-Ne
perché?
lunghezza d’onda em (visibile):
riflessione, fluorescenza a 1 fotone
633 nm
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
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
1) 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
P. Parallela
Movimentazione X e Y
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