Name: gain-compensation methodology for a sinusoidal scan of a galvanometer mirror in proportional-integral-differential control using pre-emphasis techniques
Uploaded: 2017-04-04T12:00:00.000+00:00
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Os autores não têm reconhecimentos.

1. Aquisição de Ganho de dados para um espelho Galvanômetro <ol><li> Fixar o espelho galvanômetro de tal forma que é estabilizado para protegê-la de danos, enquanto oscilando. Não só o espelho galvanômetro, mas também o corpo do espelho galvanometer, move se não corrigidas no local usando um gabarito de metal feito por encomenda com um furo circular para o espelho galvanômetro. Fixar o dispositivo de montagem para uma portadora óptica e um banco óptico. </li><li> Conectar cabos BNC da placa de AD / DA através de um bloco de terminais para as tomadas de entrada e de posição no controlador servo do espelho galvanométrico. </li><li> Programa do gerador de função de onda senoidal como uma interface gráfica de utilizador (GUI), utilizando o SDK do bordo AD / DA com C ++, que é capaz de definir uma frequência arbitrária, amplitude e duração, como mostrado na Figura 3. NOTA: Este gerador de função personalizado contribui para a redução do custo temporais para ensaios contínuos na etapa 1.5, uma vez que o julgamento é realizado muitas vezes. </li<html> &gt; <li> Definir a frequência a variar de 100 Hz a 500 Hz, em intervalos de 100 Hz, e definir a amplitude a variar de 10 mV a 500 mV em 10-mV em intervalos a GUI. No geral, existem 250 combinações. Para testar combinações de 250, um circuito duplo é eficiente para implementar. O primeiro circuito é de frequências de 100 Hz a 500 Hz, que é implementada 50 vezes. O segundo circuito é para amplitudes de 10 mV a 500 mV, que é implementada para 50 vezes. </li><li> Adicionar o sinal de caminho-de onda senoidal na placa de AD / DA para 2.000 amostragens como duração na GUI. Simultaneamente gravar o sinal de posição do espelho galvanometer para ler o valor analógico do conselho AD / DA. Em C ++ codificação usando uma biblioteca de AD bordo / DA, use o mesmo fio para escrita e leitura na programação. Calcule o ângulo atual de θ espelho galvanometer (escrevendo informações) por esta equação <img alt="equação 2" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq2.jpg" /> onde t é o tempo,es / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg&quot;/&gt; é amplitude, ƒ é a frequência. </li><li> Guardar os dados do sinal posição como um arquivo .csv e incluem o valor da frequência e amplitude em seu nome de arquivo. </li><li> Repita os passos de 1,4-1,6 para 250 iterações. </li></ol> 2. Cálculo Chegar Coeficientes de pré-ênfase <ol><li> Aplicar uma média filtro para o CSV arquivos (gravado sinais) para evitar ruídos efeitos. O tamanho espacial do filtro médio é de 5. </li><li> Executar o script para calcular o valor de pico-a-pico (correspondente com a amplitude multiplicado por 2), usando MATLAB para cada um dos arquivos CSV, como mostrado na Figura 4 (o gráfico representa os dados do caminho da onda de seno). </li><li> Determinar os dados de pico-a-pico em um gráfico para determinar a linearidade em cada frequência, e limitar o uso região da amplitude de entrada quando os lotes não são lineares, como mostrado na Figura 5. NOTA: A parte não-linear do gráfico representa a saturação deo controlo PID; Assim, é aconselhável evitar usá-los para assegurar a limitação de especificação de controlo. </li><li> Executar regressão linear dos dados de pico-a-pico em um folha de cálculo para obter os coeficientes de interpolação linear de cada frequência. Neste processo, são obtidos cinco conjuntos de pistas e intercepta. Eles correspondem com as frequências de 100 Hz a 500 Hz a 100 Hz cada. Uma aproximação da linha recta de 300 Hz é apresentada na Figura 5 (A), e os coeficientes de interpolação linear de cada uma das frequências estão apresentados na Tabela 1. </li><li> Usando regressão linear múltipla quadrática, executar interpolação quártico para obter os coeficientes de interpolação quárticas (coeficientes de pré-ênfase) na folha de cálculo para os coeficientes de interpolação linear de cada frequência. Os coeficientes de pré-ênfase são apresentados na Tabela 2. NOTA: Nesta pesquisa, os coeficientes de interpolação linear variam na forma de um quadratic curva; no entanto, outros tipos de funções, tais como as equações quadráticas e cúbicos, são aplicados, se o erro é mínima. </li></ol> 3. online amplificação de sinal com base na técnica de pré-ênfase <ol><li> Executar o software que calcula o valor de amplitude de entrada atualizada <img alt="equação 5" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" /> a partir do valor ideal amplitude de entrada <img alt="equação 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> ea freqüência ƒ com base nos coeficientes de pré-ênfase. <ol><li> Salve os coeficientes de pré-ênfase valores como constantes no software C ++. Quando o dispositivo é atualizado, esses valores constantes também são atualizados. </li><li> Programar uma função <img alt="equação 7" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq7.jpg" /> no software C ++ e obter os coeficientes de interpolação linear. Substituí-los por um i, b i, c i, d i,e e i a partir da equação e Tabela 2. </li><li> Programar uma função <img alt="equação 13" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq13.jpg" /> no C ++ software e obter um valor de amplitude de entrada atualizada <img alt="equação 5" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" /> para substituir <img alt="equação 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> e os coeficientes de interpolação linear que foram obtidas no passo 3.1.2. </li></ol></li><li> Repita os passos 1,4-1,6 por vezes com arbitrárias <img alt="equação 5" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" /> utilizando a técnica de pré-ênfase na GUI.NOTE: Para evitar a saturação da região de controlo PID, definir 400 mV para até 200 Hz, 200 mV para até 300 Hz, 100 mV para até 400 Hz, e 50 mV para até 500 Hz. </li><li> Passo 2.2 e trama de dados de repetição de pico-a-pico como um gráfico para ver a melhora no ganho. </li></ol> 4. Experiência em Compe Motion-borrãonsation <ol><li> Prepara-se uma correia transportadora, que pode mover-se em 30 km / h, usando uma correia que pode aderir a pegajoso texturas. A correia de transporte feito por medida é composto com um motor de controle de velocidade, uma correia de borracha de ferro, e assim por diante. Ele pode ser substituído com correia transportadora prontas que podem controlar a velocidade. </li><li> Imprimir um padrão de bem-textura em fita de impressão e colá-lo na correia transportadora. NOTA: A textura colado é mostrado na Figura 6. As listras são programados usando uma biblioteca &quot;ofxPDF&quot; em openFrameworks, e a imagem fotográfica é de uma empresa da fotografia. </li><li> Configurar os dispositivos ópticos, tais como uma câmara, uma lente, e uma iluminação, como mostrado na Figura 2. Colocar o espelho galvanométrico em frente da lente, que está ligado à câmara, e colocar a iluminação para iluminar a correia transportadora. <ol><li> Definir a frequência de câmara de 333 Hz, o tempo de exposição de 1 ms, e o número de pixels a 848 * 960 (largura * altura). </li><html></ol></li><li> Sincronizar o tempo de rotação do espelho galvanômetro e o tempo de exposição da câmera. No software, quando o ângulo do espelho galvanometer chega a posição onde começar a exposição, o programa envia um gatilho de software para a câmera. O tempo de disparo de software está ilustrado na Figura 7. </li><li> Entrada a velocidade da correia transportadora v t (30 km / h) e a distância a partir da câmara para o transportador de correia de L (3,0 m) para calcular necessária velocidade angular ω r do espelho galvanométrico na GUI como na Figura 8. ω r é calculado como se segue: <img alt="equação 18" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq18.jpg" /></li><li> Entrada do ƒ frequência (330,0 Hz) na GUI como na Figura 8 para calcular a amplitude de entrada original <img alt="equação 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> . CalcularEquação 3&quot; src = &quot;/ files / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg&quot; /&gt; como segue: <img alt="equação 19" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq19.jpg" /></li><li> Copiar e colar <img alt="equação 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> no código fonte, e rodar o galvanómetro com o θ valor de controlo pré-enfatizado para o controlador servo galvanómetro como se segue: <img alt="equação 20" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq20.jpg" /> onde t é o tempo. A Figura 7 ilustra como θ é calculado a partir de uma. </li><li> Gravar imagens quando a correia transportadora está em movimento em v t (30 km / h). NOTA: A Figura 9 ilustra o movimento da correia transportadora. </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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F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+architectures+of+galvanometer-based+scanners+for+an+increased+precision+and+a+faster+response.">Control architectures of galvanometer-based scanners for an increased precision and a faster response.</a> Proc of SPIE. 8925, 892500 (2014).</li><li>Farjad-rad, R., Member, S., Yang, C. K., Horowitz, M. A., Lee, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+0.4-+m+CMOS+10-Gb/s+4-PAM+Pre-Emphasis+Serial+Link+Transmitter.">A 0.4- m CMOS 10-Gb/s 4-PAM Pre-Emphasis Serial Link Transmitter.</a> IEEE J Solid-State Circuits. 34 (5), 580-585 (1999).</li><li>Buckwalter, J. F., Meghelli, M., Friedman, D. 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Os autores não têm nada a revelar.

Este artigo apresenta um procedimento capaz de se expandir a faixa de freqüência de onda senoidal para alcançar alta precisão trajetória de rastreamento com controle PID. Porque a capacidade de resposta de um espelho galvanométrico é limitada pela sua inércia, é crítica a utilização de um espelho galvanométrico quando o caminho de controle é íngreme. No entanto, no presente estudo, é proposto um método para melhorar a especificação de controlo e, em seguida, o método provar a obtenção de resultados...

Vários actuadores ópticas e os métodos de controlo adequados para várias aplicações ópticas têm sido propostos e desenvolvidos 1, 2. Estes actuadores ópticos são capazes de controlar o trajecto óptico; espelhos galvanômetro especialmente oferecer um bom equilíbrio em termos de precisão, velocidade, mobilidade e custam 3, 4, 5. Na verdade, a vantagem oferecida pela velocidade e precisão de espelhos galvanométricos levou à realização de uma variedade de aplicações ópticas, tais como o de seguimento do alvo e desenho, de controlo de varrimento e de compensação 6, 7, 8, 9, 10 motion blur, 11, 12. No entanto, em nossa compensati motion-blur anteriorno sistema, um espelho galvanométrico utilizando um-integral-diferencial proporcional (PID) controlador fornecido um pequeno ganho; Por isso, foi difícil alcançar uma frequência mais elevada e uma velocidade mais rápida 11. Por outro lado, o controle PID é um método amplamente utilizado, uma vez que satisfaz um certo nível de precisão de acompanhamento 13. Uma variedade de métodos têm sido propostos para corrigir o ganho no controle PID. Como uma solução típica, PID parâmetro controle de sintonia é realizada manualmente. No entanto, é preciso tempo e habilidade especial para manter. Um método mais sofisticado, uma função de auto-ajuste para determinar automaticamente os parâmetros, foi proposto e é amplamente utilizado 14. A precisão de rastreamento para operações de alta velocidade é melhorada usando a função de auto-ajuste quando os proporcionais de valor ganho P aumenta. No entanto, isso também aumenta o tempo de convergência e de ruído na faixa de baixa velocidade. Por isso, a precisão de rastreamento não ét necessariamente melhorado. Embora um controlador de auto-ajuste pode ser ajustado para definir os parâmetros apropriados para controlo PID, o ajuste introduz um atraso devido à necessidade de obter os parâmetros adequados; portanto, é difícil adotar este método em aplicações em tempo real 15. Um controlador PID prolongado 16, 17 e um controlador de previsão estendida 18 foram propostos para estender o controlo PID geral e para melhorar o desempenho de rastreio de espelhos galvanométricos por uma variedade de caminhos de rastreio, tais como ondas triangulares, ondas em dente de serra, e ondas sinusoidais. No entanto, em tais sistemas, o sistema galvanómetro foi considerada como uma caixa preta, ao passo que foi necessário um modelo do sistema de controlo, e o sistema de controlo não foi considerada como uma caixa preta. Assim, esses métodos requerem que o seu modelo para cada espelho galvanometer ser atualizado. Além disso, embora Mnerie et al. validado o seu método de focusing em uma onda de saída detalhada e fase, sua pesquisa não incluem a atenuação de toda a onda. Na verdade, na nossa investigação anterior 11, o ganho foi significativamente reduzido quando a frequência sinusoidal era elevada, indicando, assim, a necessidade de compensar o ganho de toda a onda. Nesta pesquisa, o nosso procedimento para a compensação de ganho com controle PID 12 é baseado na técnica de pré-ênfase 19, 20, 21 -a método para melhorar a qualidade ou a velocidade de comunicação em comunicações de engenharia que permite a construção de um sistema experimental utilizando equipamentos existentes. A Figura 1 mostra a estrutura de escoamento. A técnica de pré-ênfase é capaz de obter antecipadamente o valor de saída desejada a partir de um valor de entrada, em que o controlo PID não é eficaz, mesmo se o espelho galvanométricoe seu controlador são considerados como caixas pretas. Isto lhes permite expandir a frequência e faixa de amplitude em que um ganho de 0 dB pode ser obtido sem ajustar os parâmetros de controle PID. Quando o ganho é amplificado, as características de resposta do espelho galvanométrico geralmente diferem em diferentes frequências, e, por conseguinte, é necessário para amplificar cada frequcia com coeficientes de amplificação. Assim, uma onda sinusoidal é adequado para a técnica de pré-ênfase, como existe apenas uma frequência em cada onda seno. Nesta pesquisa, porque nós aplicar a compensação de ganho para realizar a compensação de movimento-blur, o sinal de controle é limitado a varredura de onda senoidal, e o sinal de onda senoidal constitui uma única freqüência, ao contrário de outras ondas, como ondas triangulares e dente de serra. Além disso, o sinal de entrada para o espelho galvanométrico é actualizada imediatamente no próximo ciclo, devido à malha aberta após o pré-ênfase coeficientes são definidos. Em outras palavras, precisamos de to saber apenas o rácio input-to-output a considerar o controlador como uma caixa preta, e modelagem detalhada não é necessária. Esta simplicidade permite que nosso sistema para ser facilmente incorporado em aplicações. O objectivo global do presente método consiste em estabelecer um processo experimental de compensação de movimento-borrão como uma aplicação por compensação de ganho utilizando a técnica de pré-ênfase. dispositivos de hardware múltiplas são utilizados nestes processos, tais como um espelho galvanométrico, uma câmara, um transportador de correia, a iluminação, e uma lente. programas desenvolvidos pelo usuário de software Central escritos em C ++, também fazem parte do sistema. A Figura 2 mostra um esquema da montagem experimental. O espelho galvanométrico gira com uma velocidade angular com compensação de ganho, tornando assim possível avaliar a quantidade de borrão a partir das imagens.

<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

espelhos galvanométricos são usados ​​para aplicações ópticas tais como o de seguimento do alvo, o desenho, e controlo de varrimento devido à sua elevada velocidade e precisão. No entanto, a capacidade de resposta de um espelho galvanométrico é limitada pela sua inércia; Assim, o ganho de um espelho galvanométrico é reduzida quando o caminho de controle é íngreme. Nesta pesquisa, propõe-se um método para estender a frequência correspondente utilizando uma técnica de pré-ênfase para compensar a redução de ganho de espelhos galvanométricos no caminho da onda de seno de acompanhamento usando controlo-integral-diferencial proporcional (PID). A técnica de pré-ênfase obtém um valor de entrada para um valor de saída desejado com antecedência. Aplicando este método para controlar o espelho galvanométrico, o ganho bruto de um espelho galvanométrico em cada frequência e amplitude para caminho-de onda sinusoidal de acompanhamento usando um controlador PID foi calculada. Onde o controle PID não é eficaz, mantendo um ganho de 0 dB para melhorar a precisão de rastreamento de trajetória, é possívelexpandir a gama de velocidades em que um ganho de 0 dB pode ser obtido sem ajustar os parâmetros de controle PID. No entanto, se houver apenas uma frequência, amplificação é possível com um único coeficiente de pré-ênfase. Portanto, uma onda sinusoidal é adequado para esta técnica, ao contrário de ondas triangulares e em dente de serra. Assim, podemos adotar uma técnica de pré-ênfase para configurar os parâmetros de antecedência, e não precisamos preparar modelos de controle de ativos adicionais e hardware. Os parâmetros são atualizados imediatamente no próximo ciclo por causa da malha aberta após os coeficientes de pré-ênfase está definido. Em outras palavras, a considerar o controlador como uma caixa preta, precisamos saber apenas o rácio input-to-saída e modelagem detalhada não é necessária. Esta simplicidade permite que nosso sistema para ser facilmente incorporado em aplicações. Nosso método usando a técnica de pré-ênfase para um sistema de compensação de movimento-borrão eo experimento realizado para avaliar o método são explicados.

Os resultados aqui apresentados foram obtidos usando uma placa de AD / DA e uma câmara. A Figura 1 mostra o processo da técnica de pré-ênfase; por conseguinte, é o núcleo de este artigo. Não é necessário definir os parâmetros do controle PID após o estado de inicialização; Assim, o processo on-line é significativamente simples. A Figura 10 mostra os resultados obtidos através da...

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

Propomos um método para estender a frequência correspondente utilizando uma técnica de pré-ênfase. Este método compensa a redução de ganho de um espelho galvanométrico no caminho da onda de seno de acompanhamento usando controlo-integral-diferencial proporcional.

Metodologia ganho de compensação para uma varredura senoidal de um espelho Galvanômetro em Proporcional-Integral-Diferencial de controle usando técnicas de pré-ênfase

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

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SCIENTISTS IN ACTION

8.6K visualizações.  University of Tokyo.  Propomos um método para estender a frequência correspondente utilizando uma técnica de pré-ênfase. Este método compensa a redução de ganho de um espelho galvanométrico no caminho da onda de seno de acompanhamento usando controlo-integral-diferencial proporcional. 

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

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.

Uma Plataforma Experimental para Estudo de Desempenho de circuito fechado de interfaces cérebro-máquina

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

Neurociência

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.

-Sonda de varredura único elétron Espectroscopia de capacitância

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

Engenharia

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.

Vídeo taxa de microscopia de varredura confocal e Microendoscopy

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

Bioengenharia

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.

Real-Time DC-dinâmico método de polarização para a mudança de melhoria no tempo em Severamente subamortecido Fringing-campo eletrostático MEMS Atuadores

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.

Medição da Dispersão Não-linearidades de um Nanoparticle plasmonic Individual

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).

Implementação de um microscópio não-linear baseado em espalhamento Raman estimulado

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.

Caracterização de arrays em fases ópticas integradas siN em uma estação de teste em escala de wafer

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

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.

Interpretação no domínio do tempo do controle da DP

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

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.

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

Time and frequency -Domain Interpretation of PI Control

Proportional-Integral (PI) controllers are essential in many control systems to improve stability and performance. They are commonly used in everyday devices like thermostats to enhance system damping and reduce steady-state error. When the zero in the controller&#39;s transfer function is optimally placed, the system benefits significantly in terms of stability and accuracy.
Acting as a low-pass filter, the PI controller slows the system&#39;s response and extends settling times. This requires careful design to position the zero near the beginning, away from major poles, and with minimal proportional and integral gains.
The PI controller&#39;s transfer function can typically be depicted in a Bode plot. The visualization helps in understanding the effects of proportional and integral components on system performance. Insufficient proportional gain can lead to steady-state errors, while proper attenuation and stability management involve both proportional and integral aspects.
A critical design consideration is the controller&#39;s negative phase, which can adversely affect system stability. To mitigate this, the corner frequency should be positioned as far left as bandwidth requirements permit, preventing phase lag from reducing the system&#39;s phase margin. For optimal performance, the compensated transfer function should intersect the zero-decibel axis at the new gain crossover frequency, ensuring the desired phase margin.
Additionally, the ratio of integral to proportional gain should be set relative to a significantly lower frequency, balancing the system&#39;s responsiveness and stability.
Designing an effective PI controller involves meticulous selection of integral and proportional gains. This selection process aims to avoid the need for a large capacitor, which is a more significant challenge in PI controllers compared to PD controllers. The large capacitor, if required, can complicate the physical implementation of the controller due to increased size and cost.
Overall, the careful placement of the zero, strategic selection of gains, and consideration of phase margins are essential in designing a PI controller that enhances damping, minimizes steady-state error, and maintains system stability.

Tempo e frequência - Interpretação de Domínio do Controle PI

Everyday devices like thermostats utilize PI controllers. These can enhance system damping and reduce steady-state error when the controller transfer ...