著者は何の確認応答がありません。

ガルバノミラーのためのゲインデータの1.取得<ol><li>振動させながらダメージから保護するために安定化されるように、ガルバノミラーを固定してください。ガルバノミラー、だけでなく、ガルバノミラーのボディだけでなく、ガルバノミラーのための円形の穴でカスタムメイドの金属治具を用いて所定の位置に固定されていない場合は、移動します。光搬送波と光ベンチ上に治具を固定します。 </li><li>ガルバノミラーのサーボドライバに入力し、位置ソケットに端子台を介してAD / DAボードからBNCケーブルを接続します。 </li><li> 図3に示すように、任意の周波数、振幅、及び持続時間を設定することができるC ++、とAD / DAボードのSDKを使用して、グラフィカル・ユーザ・インタフェース（GUI）のようなプログラム正弦波関数発生器。 注：このカスタマイズされたファンクション・ジェネレータは、試験は何回も行っているので、ステップ1.5での連続試験のための一時的なコストをカットに貢献しています。 </li<html> &gt; <li> 100ヘルツから100ヘルツの間隔で500ヘルツまで変化する周波数を設定し、GUIで10 mVの間隔で10ミリボルトから500ミリボルトまで変化する振幅を設定します。全体として、250個の組み合わせが存在します。 250個の組み合わせをテストするために、二重ループを実装するために効率的です。最初のループは50回実施された500ヘルツ、100ヘルツからの周波数のためのものです。第二のループは50回実施される500 mVの、10ミリボルトから振幅のためです。 </li><li> GUIにおける期間として2,000サンプリングするAD / DAボードに正弦波経路信号を加えます。同時にAD / DAボードのアナログ値を読み出すためにガルバノミラーの位置信号を記録します。 C ++では書き込みのため同じスレッドを使用し、AD / DAボードのライブラリを使用して、コーディングやプログラミングで読んで。この式で、ガルバノミラーθ（書き込み情報）の現在の角度を計算します <img alt="式（2）" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq2.jpg" /> ここで、tは時間です、ES / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpgは」/&gt;ƒは周波数、振幅です。 </li><li> .csvファイルとして位置信号データを保存し、そのファイル名に周波数及び振幅の値を含みます。 </li><li> 250回の反復のために1.6 - を繰り返して、1.4を繰り返します。 </li></ol> 2.計算はプリエンファシス係数を取得します<ol><li>ノイズの影響を避けるために、CSVファイル（記録信号）のためのメディアンフィルタを適用します。メディアンフィルタの空間的な大きさは5です。 </li><li> （グラフは正弦波経路のデータを示す）、図4に示すように、CSVファイルのそれぞれについて、MATLABを使用して、（2乗じた振幅に対応する）は、ピーク・ツー・ピーク値を計算するためにスクリプトを実行します。 </li><li>各周波数での直線性を決定するために、グラフ上のピーク・ツー・ピークのデータをプロットし、プロットが非線形である場合、図5に示すように、入力振幅の使用領域を制限します。 注：グラフの非線形部分は彩度を表しますPID制御;したがって、制御の仕様の制限を確保するためにそれらを使用して回避することが望ましいです。 </li><li>各周波数の線形補間係数を得るために、スプレッドシート内のピーク・ツー・ピークデータの線形回帰を実行します。このプロセスでは、傾き及び切片の5組が得られます。これらはそれぞれ100Hzで500ヘルツ、100ヘルツの周波数に対応します。 300ヘルツの直線の近似は、図5（A）に表示され、各周波数の線形補間係数を表1に示します。 </li><li>二次多重線形回帰を用いて、各周波数の線形補間係数のためにスプレッドシートの四次補間係数（プリエンファシス係数）を得るために四次補間を実行します。プリエンファシス係数は、 表2に示します。 注：この研究では、線形補間係数はquadratiの形で変化しますCカーブ。誤差が最小である場合は、そのような二次及び立方方程式としての機能の他のタイプは、適用されます。 </li></ol>プリエンファシス技術に基づく3.オンラインシグナル増幅<ol><li>更新された入力振幅値を計算するソフトウェアを実行<img alt="式（5）" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" />理想的な入力振幅値から<img alt="式3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" />プリエンファシス係数を用いて周波数ƒ。 <ol><li> C ++ソフトウェアの定数値としてプリエンファシス係数を保存します。デバイスが更新されると、これらの定数の値も更新されます。 </li><li>プログラム機能 <img alt="式7" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq7.jpg" /> C ++ソフトウェアで線形補間係数を得ます。 私のためにそれらを置き換え、I B、C I、DのI、そして式および表2から、私を電子 。 </li><li>プログラム機能 <img alt="式13" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq13.jpg" /> C ++ソフトウェアでは、更新された入力振幅値を取得します<img alt="式（5）" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" />代わりにします<img alt="式3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" />ステップ3.1.2で得られた線形補間係数。 </li></ol></li><li>で、任意の時間のために1.6 - 繰り返し、1.4ステップ<img alt="式（5）" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" />最大400 Hzのために最大300ヘルツ、100 mVのために最大200ヘルツ、200 mVの400 mVの設定、PID制御の領域の飽和を回避するために、50 mVの：GUI.NOTEにプリエンファシス技術を用い最大500 Hzのため。 </li><li>利得の向上を表示するグラフのような手順を繰り返し2.2プロットピーク・ツー・ピークデータ。 </li></ol>モーションブラーコンペ4.実験nsation <ol><li>粘着性のテクスチャーに付着することができるベルトを用いて毎時30キロで移動することができるコンベヤベルトを準備します。カスタムメイドのコンベヤベルトは、ように速度制御モータ、鉄ゴムベルト、およびで構成されています。これは、速度を制御することができます既製のコンベアベルトと交換することができます。 </li><li>印刷可能なテープ上に微細なテクスチャパターンを印刷し、コンベアベルト上に貼り付けます。 注：貼り付けたテクスチャは、図6に示されています。ストライプは、openFrameworksでライブラリ「ofxPDF」を使用してプログラム、及び写真画像は、ストックフォト会社からですされています。 </li><li> 図2に示すように、そのようなカメラ、レンズ、及び照明などの光学デバイスを設定。カメラに接続されているレンズの前にガルバノミラーを配置し、搬送ベルトを照明する照明を置きます。 <ol><li> 333ヘルツ、1ミリ秒の露光時間、および848 * 960（幅*高さ）ピクセルの数にカメラ周波数を設定します。 </li><html></ol></li><li>ガルバノミラーの回転タイミングとカメラの露光時間を同期させます。ガルバノミラーの角度は、露光を開始する位置を到着したときのソフトウェアでは、プログラムは、カメラにソフトウェアトリガを送信します。ソフトウェアトリガのタイミングは、 図7に示されています。 </li><li> 図8のようなGUIのガルバノミラーの必要な角速度ωrを計算するために入力コンベヤベルトのV T（毎時30キロ）の速度と搬送ベルトL（3.0 M）に、カメラからの距離。次のようにωrが計算されます。 <img alt="式（18）" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq18.jpg" /></li><li>元の入力振幅を計算するために、図8のようにGUIで入力周波数ƒ（330.0 Hz）と<img alt="式3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> 。計算します式3&quot; SRC = &quot;/ファイル/ ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg&quot; /&gt;次のように： <img alt="式19" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq19.jpg" /></li><li>コピーアンドペースト<img alt="式3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" />ソースコードに、以下のようにガルバノメータサーボドライバのプリエンファシス制御値θとガルバノメータを回転させます。 <img alt="式20" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq20.jpg" /> ここで、tは時間です。 図7は、θがAから算出される様子を示します。 </li><li>コンベヤベルトは、V T（毎時30キロ）で移動している記録画像。 注： 図9は、コンベアベルトの動きを示しています。 </li></ol>

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	<li>Bass, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook Of Optics. 3, (1995).</li><li>Marshall, G. F., Stutz, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook of optical and laser scanning. , (2011).</li><li>Aylward, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+galvanometer-based+optical+scanner+design.">Advanced galvanometer-based optical scanner design.</a> Sensor Rev. 23 (3), 216-222 (2003).</li><li>Duma, V., Rolland, J. 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J., Hajimiri, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+and+amplitude+pre-emphasis+techniques+for+low-power+serial+links.">Phase and amplitude pre-emphasis techniques for low-power serial links.</a> IEEE Journal of Solid-State Circuits. 41 (6), 1391-1398 (2006).</li><li>Le, S., Blow, K., Turitsyn, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Power+pre-emphasis+for+suppression+of+FWM+in+coherent+optical+OFDM+transmission.">Power pre-emphasis for suppression of FWM in coherent optical OFDM transmission.</a> Opt exp. 22 (6), 7238-7248 (2014).</li></ol>

著者は、開示することは何もありません。

この記事では、PID制御とトラッキング高精度の軌道を達成するために、正弦波の周波数範囲を拡大することが可能な手順を示します。ガルバノミラーの応答性は、その慣性によって制限されているので、制御パスが急であるとき、ガルバノミラーを使用することが重要です。しかし、この研究では、我々はコントロールの仕様を改善して、実験結果を取得する方法を証明する方法を提案しま?...

様々な光学用途に適した様々な光学アクチュエータ及び制御方法が提案され、2、1に開発されてきました。これらの光学アクチュエータは、光路を制御することができます。ガルバノミラーは、特に正確さ、速さ、移動性の面で良好なバランスを提供し、3の費用がかかり、4、5。実際には、ガルバノミラーの速度と精度によって提供される利点は、このようなターゲット追跡及び図面、走査制御、及び動きぼけ補正6、7、8、9、10、などの光学用途の種々の実現につながっています11、12。しかし、私たちの前のモーションブラーcompensatiでシステム上で、小さな利得を提供し、比例 - 積分 - 微分（PID）コントローラを使用して、ガルバノミラー。したがって、より高い周波数とより速いスピード11を達成することは困難でした。 それは精度13の追跡の特定のレベルを満たす一方、PID制御は、広く用いられている方法です。種々の方法は、PID制御のゲインを修正するために提案されています。典型的な溶液として、PID制御パラメータの調整を手動で行われます。しかし、それは維持するための時間と特別なスキルを要します。より洗練された方法で、自動的にパラメータを決定するオートチューニング機能は、提案されており、広く14を用いています。高速動作のためのトラッキング精度は場合比例ゲイン値Pが増加オートチューニング機能を使用して改善されます。しかし、これはまた、低速域での収束時間とノイズを増大させます。したがって、トラッキングの精度はないですtは必ずしも改善されました。セルフチューニングコントローラは、PID制御に適したパラメータを設定するように調整することができるが、チューニングための適切なパラメータを取得する必要の遅延を導入します。したがって、リアルタイムアプリケーション15に、この方法を採用することは困難です。拡張されたPIDコントローラ16、17と拡張予測コントローラ18は、一般的なPID制御を拡張するために、そのような三角波、のこぎり波、正弦波などの追跡経路の様々なガルバノミラーの追従性能を向上させるために提案されています。しかしながら、これらのシステムでは、検流計システムは、制御システムのモデルが必要であったのに対し、ブラックボックスと見なされた、制御システムは、ブラックボックスと見なされませんでした。したがって、これらの方法は、各ガルバノミラーのための彼らのモデルを更新する必要があります。また、Mnerie らありません。 Fの彼らの方法を検証詳細な出力波形と位相にocusing、彼らの研究は、全体の波の減衰が含まれていませんでした。正弦波の周波数は、それによって全体の波の利得を補償するために必要であることを示し、高い場合、実際には、我々の以前の研究11で、ゲインが著しく減少しました。 この研究では、PID制御12と利得補償のための私達の手順を使用して、実験システムの構築を可能にするエンジニアリング通信における通信の品質または速度を高めるために、プリエンファシス技術19、20、21 -a方法に基づいています既存の機器。 図1は、フロー構造を示します。プリエンファシス技術もガルバノミラーの場合、事前にPID制御が有効でない入力値から所望の出力値を得ることができますそのコントローラは、ブラックボックスと見なされます。これは、0デシベルの利得は、PID制御パラメータを調整することなく得ることができる周波数および振幅範囲を拡大することを可能。 ゲインが増幅される場合、ガルバノミラーの応答特性は、一般に、異なる周波数で異なる、したがって、我々は、増幅係数を有する各周波数を増幅する必要があります。各正弦波の唯一つの周波数があるようにこのように、正弦波は、プリエンファシス技術に適しています。我々は動きぼけ補正を達成するために利得補償を適用するため、この研究では、制御信号は正弦波走査に限定され、正弦波信号は、三角形やのこぎり波などの他の波とは異なり、単一の周波数を構成します。さらに、ガルバノミラーへの入力信号があるため、係数が設定されているプリエンファシス後のオープンループの次のサイクル内で即座に更新されます。言い換えれば、我々はトンを必要としますOブラックボックスのようにコントローラを考える唯一の入力対出力比を知って、その詳細なモデリングが必要とされません。このシンプルさは、我々のシステムは、アプリケーションに容易に埋め込むことを可能にします。 この方法の全体的な目標は、プリエンファシス技術を使用して利得補償によってアプリケーションとして動きぼけ補正の実験手順を確立することです。複数のハードウェアデバイスは、ガルバノミラー、カメラ、コンベヤベルト、照明、及びレンズとして、これらの手順で使用されています。 C ++で書かれた中央ソフトウェアのユーザーが開発したプログラムは、システムの一部を構成します。 図2は、実験装置の概略図を示します。ガルバノミラーは、それによって可能画像からボケの量を評価すること、利得補償角速度で回転します。

<table><tbody><tr><td>Galvanometer mirror</td><td>Cambridge Technology</td><td>M3s X axis</td><td></td></tr><tr><td>Custom-made metal jig</td><td>ASKK</td><td>-</td><td>With circular hole for galvanometer mirror</td></tr><tr><td>Optical carrier</td><td>SIGMAKOKI</td><td>CAA-60L</td><td></td></tr><tr><td>Optical bench</td><td>SIGMAKOKI</td><td>OBT-1500LH</td><td></td></tr><tr><td>Oscilloscope</td><td>Tektronix</td><td>MSO 4054</td><td></td></tr><tr><td>AD/DA board</td><td>Interface</td><td>PCI-361216</td><td></td></tr><tr><td>PC</td><td>DELL</td><td>Precision T3600</td><td></td></tr><tr><td>Galvanometer mirror servo controller</td><td>Cambridge Technology</td><td>Minisax</td><td></td></tr><tr><td>Lens</td><td>Nikon</td><td>AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>High-speed camera</td><td>Mikrotron</td><td>Eosens MC4083</td><td>Discontinued, but sold as MC4087. The cable connection is different from MC4083</td></tr><tr><td>Conveyor belt</td><td>ASUKA</td><td>-</td><td>With a speed-control motor(BX5120A-A made by Oriental Motor), iron rubber belt(100-F20-800A-J made by NOK), and so on</td></tr><tr><td>Printable tape</td><td>A-one</td><td>F20A4-6</td><td></td></tr><tr><td>Photographic texture</td><td>Shutterstock, Inc.</td><td>231357754</td><td>Printed computer motherboard with microcircuit, close up</td></tr><tr><td>Terminal block</td><td>Interface</td><td>TNS-6851B</td><td></td></tr><tr><td>CoaXPress board</td><td>AVALDATA</td><td>APX-3664</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>mathworks</td><td>MATLAB R2015a</td><td></td></tr></tbody></table>

gain-compensation methodology for a sinusoidal scan of a galvanometer mirror in proportional-integral-differential control using pre-emphasis techniques

ガルバノミラーは、それらの高い速度と精度のようなターゲット追跡、図面、及び走査制御等の光学用途に使用されます。しかし、ガルバノミラーの応答性は、その慣性によって制限されています。制御パスが急である場合したがって、ガルバノミラーの利得が低減されます。本研究では、比例積分微分（PID）制御を使用して追跡する正弦波経路でガルバノミラーのゲイン低下を補償するために、プリエンファシス技術を用いて対応する周波数を拡張する方法を提案します。プリエンファシス技術は、予め所望の出力値の入力値を取得します。 PIDコントローラを使用して追跡する正弦波経路用のガルバノミラー、各周波数におけるガルバノミラーの原利得及び振幅を制御するためにこの方法を適用することを計算しました。 PID制御が有効でない場合、0デシベルの利得を維持することがすることが可能であり、軌道追従の精度を向上させるため0デシベルの利得は、PID制御パラメータを調整することなく得ることができる速度範囲を広げます。唯一つの周波数が存在する場合には、増幅は、単一のプリエンファシス係数を有することが可能です。したがって、正弦波、三角形やのこぎり波とは異なり、この技術に適しています。そこで、私たちは事前にパラメータを設定するには、プリエンファシス技術を採用することができ、我々は追加の活性制御モデルとハードウェアを用意する必要はありません。プリエンファシス係数が設定された後にパラメータがあるため、開ループの次のサイクル内で即座に更新されます。換言すれば、ブラックボックスのようにコントローラを考えるためには、我々は、入力 - 出力比を知る必要があり、その詳細なモデリングが必要とされません。このシンプルさは、我々のシステムは、アプリケーションに容易に埋め込むことを可能にします。動きぼけ補正システム及び方法を評価するために行った実験のためのプリエンファシス技術を用いて、我々の方法が説明されています。

ここに示された結果は、AD / DAボードとカメラを使用して得られました。 図1は、プリエンファシス技術の手順を示す図です。したがって、それは、この記事の核心です。初期化状態の後にPID制御のパラメータを設定する必要がありません。したがって、オンラインプロセスはかなり簡単です。 図10は、<...

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Gain-compensation Methodology for a Sinusoidal Scan of a Galvanometer Mirror in Proportional-Integral-Differential Control Using Pre-emphasis Techniques

我々は、プリエンファシス技術を用いて対応する周波数を拡張する方法を提案します。この方法は、比例積分微分制御を用いたトラッキング正弦波経路でガルバノミラーのゲイン低下を補償します。

プリエンファシス技術を用いた比例積分微分制御におけるガルバノメータミラーの正弦波をスキャンするためのゲイン補償方法論

Galvanometer mirrors are used for optical applications such as target tracking, drawing, and scanning control because of their high speed and accuracy. ...

gain-compensation-methodology-for-sinusoidal-scan-galvanometer-mirror

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8.6K ビュー.  University of Tokyo. 我々は、プリエンファシス技術を用いて対応する周波数を拡張する方法を提案します。この方法は、比例積分微分制御を用いたトラッキング正弦波経路でガルバノミラーのゲイン低下を補償します。 

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An Experimental Platform to Study the Closed-loop Performance of Brain-machine Interfaces

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine interface to assess the robustness of different control-laws applied to a closed-loop image stabilization task. Taking advantage of the well-characterized fly visuomotor pathway we record the electrical activity from an identified, motion-sensitive neuron, H1, to control the yaw rotation of a two-wheeled robot. The robot is equipped with 2 high-speed video cameras providing visual motion input to a fly placed in front of 2 CRT computer monitors. The activity of the H1 neuron indicates the direction and relative speed of the robot's rotation. The neural activity is filtered and fed back into the steering system of the robot by means of proportional and proportional/adaptive control. Our goal is to test and optimize the performance of various control laws under closed-loop conditions for a broader application also in other brain machine interfaces.

We use a closed-loop fly-machine interface to investigate general principles in neuronal control.

ブレインマシンインタフェースの閉ループ性能を研究する実験プラットフォーム

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine ...

神経科学

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the electronic quantum structure of small systems - including individual atomic dopants in semiconductors. Here we present a capacitance-based method, known as Subsurface Charge Accumulation (SCA) imaging, which is capable of resolving single-electron charging while achieving sufficient spatial resolution to image individual atomic dopants. The use of a capacitance technique enables observation of subsurface features, such as dopants buried many nanometers beneath the surface of a semiconductor material1,2,3. In principle, this technique can be applied to any system to resolve electron motion below an insulating surface.
As in other electric-field-sensitive scanned-probe techniques4, the lateral spatial resolution of the measurement depends in part on the radius of curvature of the probe tip. Using tips with a small radius of curvature can enable spatial resolution of a few tens of nanometers. This fine spatial resolution allows investigations of small numbers (down to one) of subsurface dopants1,2. The charge resolution depends greatly on the sensitivity of the charge detection circuitry; using high electron mobility transistors (HEMT) in such circuits at cryogenic temperatures enables a sensitivity of approximately 0.01 electrons/Hz&frac12; at 0.3 K 5.

Scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy facilitates the study of single-electron motion in localized subsurface regions. A sensitive charge-detection circuit is incorporated into a cryogenic scanning probe microscope to investigate small systems of dopant atoms beneath the surface of semiconductor samples.

走査プローブ単電子容量分光

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

工学

Video-rate Scanning Confocal Microscopy and Microendoscopy

Confocal microscopy has become an invaluable tool in biology and the biomedical sciences, enabling rapid, high-sensitivity, and high-resolution optical sectioning of complex systems. Confocal microscopy is routinely used, for example, to study specific cellular targets1, monitor dynamics in living cells2-4, and visualize the three dimensional evolution of entire organisms5,6. Extensions of confocal imaging systems, such as confocal microendoscopes, allow for high-resolution imaging in vivo7 and are currently being applied to disease imaging and diagnosis in clinical settings8,9.
Confocal microscopy provides three-dimensional resolution by creating so-called "optical sections" using straightforward geometrical optics. In a standard wide-field microscope, fluorescence generated from a sample is collected by an objective lens and relayed directly to a detector. While acceptable for imaging thin samples, thick samples become blurred by fluorescence generated above and below the objective focal plane. In contrast, confocal microscopy enables virtual, optical sectioning of samples, rejecting out-of-focus light to build high resolution three-dimensional representations of samples.
Confocal microscopes achieve this feat by using a confocal aperture in the detection beam path. The fluorescence collected from a sample by the objective is relayed back through the scanning mirrors and through the primary dichroic mirror, a mirror carefully selected to reflect shorter wavelengths such as the laser excitation beam while passing the longer, Stokes-shifted fluorescence emission. This long-wavelength fluorescence signal is then passed to a pair of lenses on either side of a pinhole that is positioned at a plane exactly conjugate with the focal plane of the objective lens. Photons collected from the focal volume of the object are collimated by the objective lens and are focused by the confocal lenses through the pinhole. Fluorescence generated above or below the focal plane will therefore not be collimated properly, and will not pass through the confocal pinhole1, creating an optical section in which only light from the microscope focus is visible. (Fig 1). Thus the pinhole effectively acts as a virtual aperture in the focal plane, confining the detected emission to only one limited spatial location.
Modern commercial confocal microscopes offer users fully automated operation, making formerly complex imaging procedures relatively straightforward and accessible. Despite the flexibility and power of these systems, commercial confocal microscopes are not well suited for all confocal imaging tasks, such as many in vivo imaging applications. Without the ability to create customized imaging systems to meet their needs, important experiments can remain out of reach to many scientists.
In this article, we provide a step-by-step method for the complete construction of a custom, video-rate confocal imaging system from basic components. The upright microscope will be constructed using a resonant galvanometric mirror to provide the fast scanning axis, while a standard speed resonant galvanometric mirror will scan the slow axis. To create a precise scanned beam in the objective lens focus, these mirrors will be positioned at the so-called telecentric planes using four relay lenses. Confocal detection will be accomplished using a standard, off-the-shelf photomultiplier tube (PMT), and the images will be captured and displayed using a Matrox framegrabber card and the included software.

The complete construction of a custom, real-time confocal scanning imaging system is described. This system, which can be readily used for video-rate microscopy and microendoscopy, allows for an array of imaging geometries and applications not accessible using standard commercial confocal systems, at a fraction of the cost.

ビデオレートでスキャニング共焦点顕微鏡とMicroendoscopy

Confocal microscopy has become an invaluable tool in biology and the biomedical sciences, enabling rapid, high-sensitivity, and high-resolution optical ...

生物工学

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input bias voltage. However, the tradeoff for the improved switching performance is a relatively long settling time to reach each gap height in response to various applied voltages. Transient applied bias waveforms are employed to facilitate reduced switching times for electrostatic fringing-field MEMS actuators with high mechanical quality factors. Removing the underlying substrate of the fringing-field actuator creates the low mechanical damping environment necessary to effectively test the concept. The removal of the underlying substrate also a has substantial improvement on the reliability performance of the device in regards to failure due to stiction. Although DC-dynamic biasing is useful in improving settling time, the required slew rates for typical MEMS devices may place aggressive requirements on the charge pumps for fully-integrated on-chip designs. Additionally, there may be challenges integrating the substrate removal step into the back-end-of-line commercial CMOS processing steps. Experimental validation of fabricated actuators demonstrates an improvement of 50x in switching time when compared to conventional step biasing results. Compared to theoretical calculations, the experimental results are in good agreement.

The robust device design of fringing-field electrostatic MEMS actuators results in inherently low squeeze-film damping conditions and long settling times when performing switching operations using conventional step biasing. Real-time switching time improvement with DC-dynamic waveforms reduces the settling time of fringing-field MEMS actuators when transitioning between up-to-down and down-to-up states.

重度不足減衰フリンジフィールド静電MEMSアクチュエータに時間改善スイッチング用リアルタイムDC-ダイナミックバイアス方式

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently. 
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches. 
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.

Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.

シングルプラズモニックナノ粒子からの散乱非線形性の測定

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Implementation of a Nonlinear Microscope Based on Stimulated Raman Scattering

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy uses near-infrared excitation light; therefore, it shares many multi-photon microscopic imaging properties. SRS imaging modality can be obtained using commercial laser-scanning microscopes by equipping with a non-descanned forward detector with proper bandpass filters and lock-in amplifier (LIA) detection scheme. A schematic layout of a typical SRS microscope includes the following: two pulsed laser beams, (i.e., the pump and probe directed in a scanning microscope), which must be overlapped in both space and time at the image plane, then focused by a microscope objective into the sample through two scanning mirrors (SMs), which raster the focal spot across an x-y plane. After interaction with the sample, transmitted output pulses are collected by an upper objective and measured by a forward detection system inserted in an inverted microscope. Pump pulses are removed by a stack of optical filters, whereas the probe pulses that are the result of the SRS process occurring in the focal volume of the specimen are measured by a photodiode (PD). The readout of the PD is demodulated by the LIA to extract the modulation depth. A two-dimensional (2D) image is obtained by synchronizing the forward detection unit with the microscope scanning unit. In this paper, the implementation of an SRS microscope is described and successfully demonstrated, as well as the reporting of label-free images of polystyrene beads with diameters of 3 &#181;m. It is worth noting that SRS microscopes are not commercially available, so in order to take advantage of these characteristics, the homemade construction is the only option. Since SRS microscopy is becoming popular in many fields, it is believed that this careful description of the SRS microscope implementation can be very useful for the scientific community.

In this manuscript, the implementation of a stimulated Raman scattering (SRS) microscope, obtained by the integration of an SRS experimental set-up with a laser scanning microscope, is described. The SRS microscope is based on two femtosecond (fs) laser sources, a Ti-Sapphire (Ti:Sa) and synchronized optical parametric oscillator (OPO).

刺激されたラマン散乱に基づく非線形顕微鏡の実施

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy uses near-infrared excitation light; therefore, it shares many multi-photon microscopic imaging properties. ...

Characterization of SiN Integrated Optical Phased Arrays on a Wafer-Scale Test Station

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for moving mechanical parts. This technology is particularly useful for beam steering applications. Here, we focus on OPAs integrated into SiN photonic circuits for a wavelength in the near infrared. A characterization method of such circuits is presented, which allows the output beam of integrated OPAs to be shaped and steered. Furthermore, using a wafer-scale characterization setup, several devices can easily be tested across multiple dies on a wafer. In this way, fabrication variations can be studied, and high-performance devices identified. Typical images of OPA beams are shown, including beams emitted from OPAs with and without a uniform waveguide length, and with varying numbers of channels. In addition, the evolution of output beams during the phase optimization process and beam steering in two dimensions is presented. Finally, a study of the variation in the beam divergence of identical devices is performed with respect to their position on the wafer.

Here, we describe the operation of a SiN integrated photonic circuit containing optical phased arrays. The circuits are used to emit low divergence laser beams in the near infrared and steer them in two dimensions.

ウェーハスケール試験場におけるSiN統合光フェーズドアレイの特性評価

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for ...

Optimizing Brillouin Optical Time-Domain Analyzers Based on Gain Spectrum Engineering

Demonstrated is a unique method for sensing performance enhancement in Brillouin optical time-domain analyzers (BOTDA). A Brillouin gain spectrum (BGS) is superimposed with two symmetric Brillouin loss spectra (BLS). This leads to a complex engineered spectrum shape that is more resistant to the sensing system noise. Instead of only one pump and probe interaction as in the conventional BOTDA setup, three optical probe waves are exploited, with one probe located in the BGS and the other two symmetrically in the BLS. Due to the resistance and insensitivity of the engineered spectrum shape to the noise, the sensing performance is enhanced by 60% and the measurand resolution is doubled.

A protocol for Brillouin optical time-domain analyzers based on gain spectrum engineering is presented. Enhancements in the sensing performance, including sensing range and measurand resolution are achieved and the excess Brillouin intensity noise is studied. The protocol introduces a new way to enhance distributed Brillouin sensing performance.

Demonstrated is a unique method for sensing performance enhancement in Brillouin optical time-domain analyzers (BOTDA). A Brillouin gain spectrum (BGS) is ...

Time-Domain Interpretation of PD Control

Proportional-Derivative (PD) control is a widely used control method in various engineering systems to enhance stability and performance. In a system with only proportional control, common issues include high maximum overshoot and oscillation, observed in both the error signal and its rate of change. This behavior can be divided into three distinct phases: initial overshoot, subsequent undershoot, and gradual stabilization.
Consider the example of control of motor torque. Initially, a positive error signal generates a rapidly rising positive motor torque. This surge in torque leads to significant output overshoot and oscillations, attributed to the high force and insufficient damping. The system&#39;s output exceeds the desired value, reflecting the proportional control&#39;s excessive initial correction and weak resistance.
In the second phase, a negative error signal produces negative motor torque, which decelerates the output, causing it to undershoot the target. This undershoot indicates the system&#39;s tendency to overcompensate in the opposite direction after the initial overshoot. The torque reduction in this phase slows down the output, but the absence of adequate damping results in oscillatory behavior.
During the final phase, positive motor torque reappears, reducing the undershoot from the previous phase. Each oscillation sees a diminishing error amplitude, progressively stabilizing the system&#39;s output. The high initial correction and weak resistance that caused the overshoot are counterbalanced by increased resistance and reduced corrective force in this phase.
PD control effectively addresses these issues by introducing anticipatory adjustments based on the slope of the error signal. This anticipatory mechanism allows the system to predict and correct its direction, mitigating excessive overshoot and reducing the amplitude of oscillations. By adjusting the system&#39;s response rate, PD control fine-tunes the initial correction force and enhances resistance, leading to smaller overshoots and undershoots. Consequently, the system achieves a more stable and controlled output.

PD制御の時間領域解釈

Consider a motor system with only proportional control that exhibits high maximum overshoot and oscillation, reflected in the error signal and its rate of ...

電気工学

ユニット １

Design of Control Systems

KEY TERMS AND CONCEPTS

PI Controller: Design

Proportional Integral (PI) controllers are a fundamental component in modern control systems, widely used to enhance performance and mitigate steady-state errors. They are particularly effective in applications such as automatic brightness adjustment on smartphones, where they excel at mitigating steady-state errors for step-function inputs. Unlike PD controllers, which require time-varying errors to function optimally, PI controllers leverage their integral component to address residual steady-state errors not corrected by the proportional part.
In an operational amplifier (op-amp)-based PI controller, resistors and a capacitor process the error signal, generating a control signal. The proportional feedback is derived from a resistor, while the integral response comes from a capacitor. Two- and three-op-amp circuit designs exhibit unique transfer functions, with PI controller parameters intrinsically linked to their circuit characteristics. The three-op-amp configuration allows for independent adjustment of proportional and integral gains through specific circuit parameters. Notably, in both circuits, the integral gain is inversely proportional to the capacitor value, which may necessitate large capacitors for effective PI control designs.
The PI controller enhances system performance by modifying the forward-path transfer function through the addition of a zero and a pole. This adjustment boosts system performance and reduces the steady-state error by an order of magnitude. In scenarios where the steady-state error to a given input is constant, the PI controller can reduce this error to zero, provided the system remains stable after compensation.
By addressing both proportional and integral aspects, PI controllers provide a robust solution for steady-state error correction in various applications. Their design, involving specific resistor and capacitor configurations in op-amp circuits, ensures precise control and performance enhancement, making them indispensable in modern control systems.

PI Controller:設計

In applications like automatic brightness adjustment on smartphones, Proportional Integral controllers effectively mitigate steady-state errors for ...