Hittech en TU Delft helpen Easyscan aan nieuwe generatie oogscanner

Al meer dan tien jaar produceert Easyscan met succes een scanning laser-ophthalmoscoop waarmee opticiens en oogartsen afbeeldingen maken van het netvlies. Het ontwerp van het Rijswijkse bedrijf is compact en kosteneffectief, en levert afbeeldingen van hoge kwaliteit. Easyscan heeft meer dan dertienhonderd apparaten geplaatst in heel Europa – vooral in Duitsland – en in de VS. Hittech Multin is sinds de start van Easyscan als first-tier supplier betrokken bij de productie en productontwikkeling.

Een belangrijke component in de netvliesscanner is de scanspiegelmodule die Easyscan en Hittech gezamenlijk hebben ontwikkeld. Het huidige device is gebaseerd op de technologie voor barcodescanning en bestaat uit twee spiegels: een hogesnelheidsscanner (4,5 kHz) voor de horizontale lijnscans en een laagfrequente scanner (9 Hz) om de scanlijn stapsgewijs in verticale richting over het netvlies te positioneren.

De huidige scanmodule is binnenkort niet meer beschikbaar en zal moeten worden vervangen door een nieuwe scanner met twee vrijheidsgraden. In dit artikel bespreken we de ontwikkeling van een alternatieve scanmodule die tot stand is gekomen in een samenwerking tussen Easyscan, de optomechatronicaontwerpers van Hittech Multin en Vilius Čechanavičius, een afstudeerstudent van de TU Delft.

Performance-eisen

Vier kritieke parameters zijn leidend geweest bij de ontwikkeling van de module. Ten eerste was er een hoge scansnelheid nodig, te weten een frequentie van 4,5 kHz bij een slag van 3 mrad. Ten tweede was er een beperkt volume beschikbaar. Het nieuwe systeem moest passen in een kubus van 30 bij 30 bij 30 mm, terwijl de afmeting van de spiegel minimaal 7 bij 6 mm diende te zijn.

De uiteindelijke productiekosten waren ook een ontwerpfactor van belang. Het maakkosten mochten niet meer bedragen dan 150 euro per eenheid bij een relatief kleine seriegrootte. De vierde cruciale eis voor het ontwerp heeft betrekking op het maximale vermogen dat de scanspiegel mocht verbruiken. De grens lag daar op 150 mW om de invloed van thermische drift op het optische systeem te beperken en omdat er maar een beperkt vermogensbudget beschikbaar is voor de aansturing van de scanspiegel.

Ontwerp

Een scanspiegel bestaat uit een actuator, een rotatiegeleiding, een spiegel en een behuizing. De scanner is ontworpen als een resonantiescanner bestaande uit een roterende, elastische geleiding. De actuator is een Lorentz-actuator. Resonantiescanning betekent dat de combinatie van actuator en geleiding werkt op of nabij de eigenfrequentie van het systeem.

Die configuratie heeft een aantal duidelijke voordelen met betrekking tot de belangrijkste eisen. Ten eerste vermindert het het stroomverbruik. Een systeem beweegt immers ‘van nature’ op zijn resonantiefrequentie, in dit geval rond de 4,5 kHz. Er is dus een beperkt vermogen nodig om de scanspiegel te laten scannen.

Lorentz-actuatoren zijn krachtactuatoren. Rond de resonantiefrequentie is maar weinig krachtaandrijving nodig. Een ander voordeel van resonantiescanning met Lorentz-actuatie betreft de kosten. Om de spiegel aan te drijven, is onder de magneet een spoel ingebouwd. Een ferromagnetisch juk is nodig om het magnetische veld te geleiden. Omdat de benodigde kracht beperkt is, kan het materiaal van het juk en de basis eenvoudig roestvrij staal (AISI430) zijn. Een exotisch magnetisch materiaal zoals Armco is dus niet nodig. Het gebruikte materiaal heeft beperktere ferromagnetische eigenschappen, maar voldoende om het systeem in resonantie aan te sturen. Een goed ontwerp van het magnetische gedrag van juk en bevestigingsbeugel maakte het mogelijk ze in één enkel onderdeel te integreren. De reductie van het aantal onderdelen en het gebruik van standaard materiaal beperken de kosten van de scanner.

We hebben een elastische geleiding met een eigenfrequentie van 4,5 kHz ontworpen voor de scanspiegel. Elastische geleidingen hebben – mits goed ontworpen – een oneindige levensduur zonder dat er onderhoud nodig is. Dit is uiteraard gunstig voor het probleemloos functioneren van de Easyscan-scanner gedurende zijn hele gebruiksduur. Door het efficiënte ontwerp en het beperkte energieverbruik kan de actuator worden aangestuurd met de huidige 5 V voeding en met behoud van de bestaande besturingselektronica. Er is anderzijds voldoende marge om ook bij een hogere stuurstroom te kunnen actueren.

Geoptimaliseerd voor productie

Dit alles heeft geleid tot een eenvoudig, overall ontwerp: een geïntegreerde combinatie van bevestiging en juk, een elastische geleiding met een spiegel geplakt aan één kant en een neodymium magneet aan de andere kant. Het beperkte aantal onderdelen vereenvoudigt de productie en minimaliseert de integratiekosten. Door het geoptimaliseerde thermische ontwerp van de spoel is deze bestand tegen een thermische belasting tot 1 watt. Hierdoor kan de scanner indien nodig worden geactueerd met een hogere stuurstroom. Dit voegt extra robuustheid toe voor afwijkingen tijdens fabricage en montage. Ook dit heeft een gunstig effect op de productkosten. Als het systeem niet goed is uitgelijnd, kan het nog steeds de vereiste slag halen.

Al deze eigenschappen maken het mogelijk om een dergelijke scanner te produceren bij kleine seriegroottes met een prijs van minder dan 150 euro per stuk.

Resultaten

Het ontwerp is gebouwd en getest. Het prototype is geïntegreerd in het bestaande scanapparaat en getest. De resultaten laten zien dat de eisen worden gehaald. Het geteste prototype had slechts ongeveer 100 mW nodig om een scanamplitude van 3 mrad te bereiken bij een frequentie van bijna 4,5 kHz.

Momenteel vindt doorontwikkeling van de productie van de scanner plaats en wordt gestart met de ontwikkeling van de laagfrequente scanner.