🔬 optics

Closed-loop control of a monolithically 3D nano-printed electromagnetic lens scanner with an integrated Hall sensor

Dit artikel presenteert een gesloten-lus regelsysteem voor een monolithisch 3D-nano-gedrukte elektromagnetische lensscanner met een geïntegreerde Hall-sensor, dat door middel van kalibratie de coilvelden en sensoroffsets verwijdert om hysteresis, kruip en temperatuurdrift te elimineren en zo een hoge positioneringsnauwkeurigheid en stabiliteit te bereiken.

Oorspronkelijke auteurs: Florian Lux, Elijah Ditchendorf, Çağlar Ataman

Gepubliceerd 2026-02-25

📖 4 min leestijd☕ Koffiepauze-leesvoer

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Florian Lux, Elijah Ditchendorf, Çağlar Ataman

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je voor dat je een heel klein, superzacht elastiekje hebt dat een mini-lensje vasthoudt. Je wilt dit lensje heel precies bewegen, bijvoorbeeld om een camera in een endoscoop scherp te stellen. In theorie klinkt dit makkelijk: stuur stroom door een spoel, het elastiekje beweegt, klaar.

Maar in de praktijk is dit materiaal (een soort speciale plastic) net als een oude, zachte kauwgom. Als je er aan trekt, rekt het niet alleen direct uit, maar blijft het ook nog even "zitten" (dit noemen ze visco-elasticiteit). Als het warm wordt, wordt het nog zachter en zakt het langzaam weg. Als je het loslaat, veert het niet direct terug, maar blijft het een beetje hangen.

Dit maakt het heel moeilijk om de lens op de juiste plek te krijgen zonder dat je er constant naar kijkt. Het is alsof je probeert een auto te parkeren terwijl de wielen van glibberig ijs zijn en de remmen niet goed werken.

De oplossing: Een slimme "navigatie" voor de lens

In dit onderzoek hebben de wetenschappers een slimme oplossing bedacht voor deze "kauwgom-lens". Ze hebben een 3D-geprinte lens gemaakt die als één geheel is vervaardigd (geen losse onderdelen die je moet lijmen). Het probleem was: hoe weet je precies waar de lens zit als je hem beweegt?

De analogie: De magneet en de kompasnaald

Stel je voor dat de lens vastzit aan een heel klein magneetje. Om de lens te bewegen, gebruiken ze twee grote spoelen (soort elektromagneten) die als een trekrug fungeren.

Het probleem: De spoelen zelf zijn ook magnetisch. Als je ze aan zet om de lens te bewegen, verandert het magnetische veld rondom de lens. Het is alsof je probeert de positie van een kompasnaald te meten, terwijl er een enorme luidspreker naast staat die ook magnetisme uitzendt. Je ziet dan niet meer waar de naald echt wijst, maar alleen de chaos van de luidspreker.
De oplossing: Ze hebben een heel klein, gevoelig kompas (een Hall-sensor) tussen de spoelen geplakt. Dit kompas meet alles: de magneten van de spoelen én de magneet van de lens.
De slimme truc: De computer doet een soort "rekentruc". Hij weet precies hoeveel magnetisme de spoelen veroorzaken (dat is als een vaste formule). Hij trekt dit getal er dus gewoon van af. Wat er overblijft, is puur het signaal van de lens-magneet. Zo weet de computer exact waar de lens zit, zelfs terwijl hij beweegt.

Het resultaat: Een zelfcorrigerende lens

Met deze truc kunnen ze een gesloten lus maken (closed-loop control).

Zonder truc (Open loop): Je stuurt stroom, hoopt dat de lens op de juiste plek komt, maar door de "kauwgom-achtige" eigenschappen en warmte zit hij vaak net naast de doelplek.
Met truc (Closed loop): De computer kijkt continu: "Is de lens op de juiste plek?" Zo niet? Dan past hij de stroom direct aan.

Dit werkt als een cruise control in een auto die niet alleen snelheid houdt, maar ook elke helling en elke windvlaag direct compenseert.

Wat hebben ze bereikt?

Precisie: Ze kunnen de lens met een nauwkeurigheid van minder dan 1 micrometer (dat is 1/100e van een mensenhaar) op de juiste plek zetten.
Geen "zweet": Zelfs als de spoelen warm worden en de plastic lens zacht wordt, blijft de lens op de juiste plek staan. De computer corrigeert dit direct.
Geen trillingen: Als je de lens snel beweegt, trilt hij normaal gesproken na (zoals een trillende veer). De computer remt dit af, zodat de lens direct stopt op de juiste plek.

Waarom is dit belangrijk?
Dit maakt het mogelijk om heel kleine, goedkope en robuuste camera's te maken voor medische toepassingen (zoals kijkjes in het lichaam) of voor minuscule robots. Je hoeft geen dure, complexe optische sensoren meer te gebruiken; de lens "weet" zelf waar hij zit dankzij de ingebouwde magneet en de slimme software.

Kortom: Ze hebben een plastic lens gemaakt die, dankzij een slimme magneet-truc en een computer, nooit meer "verkeerd" zit, zelfs niet als het warm wordt of als het materiaal oud is.

Titel: Gesloten-lus regeling van een monolithisch 3D-nano-geprinte elektromagnetische lensscanner met een geïntegreerde Hall-sensor

1. Het Probleem

3D-nano-printing via twee-fotonen polymerisatie (2PP) biedt unieke mogelijkheden voor het monolithisch vervaardigen van complexe micro-optische en mechanische elementen met hoge uitlijningsnauwkeurigheid. Echter, de gebruikte fotopolymeren vertonen visco-elastisch gedrag en hun stijfheid is temperatuurafhankelijk. Dit leidt tot:

Hysterese en kruip (creep): Deze effecten verstoren de positieprecisie bij quasi-statische bediening.
Thermische drift: Joule-verwarming van de spoelen veroorzaakt temperatuurstijgingen, wat de Young's modulus van het polymeer verlaagt en de respons van de actuator verandert.
Open-lus onnauwkeurigheid: Zonder feedback zijn deze systemen ongeschikt voor hoge precisie-toepassingen zoals endomicroscopen, waar stabiliteit en herhaalbaarheid cruciaal zijn.

Bestaande sensoren (optisch, capacitief, piezoresistief) vereisen vaak complexe extra fabricagestappen, externe optische koppeling of specifieke materialen die moeilijk te integreren zijn in 3D-nano-structuren.

2. Methodologie

De auteurs presenteren een gesloten-lus regelingssysteem voor een 3D-nano-geprinte lensscanner die een monolithisch geïntegreerde asferische microlens en een ringvormige NdFeB-magneet bevat.

Actuatiewerkingsprincipe: De scanner wordt bewogen door een paar elektromagnetische spoelen in een anti-Helmholtz-configuratie. Deze creëren een groot magnetisch veldgradiënt dat een kracht uitoefent op de axiaal gemagnetiseerde micro-magneet, waardoor de lens axiaal wordt verplaatst.
Sensortechnologie: Een commercieel 3-assige Hall-sensor (MLX90394) is geïntegreerd tussen de spoelen, direct naast de bewegende magneet. Deze sensor meet het totale magnetische veld, dat bestaat uit:
1. Het veld van de magneet (afhankelijk van positie).
2. Het veld van de spoelen (afhankelijk van stroom).
3. De sensor-offset (omgevingsvelden en bias).
Kalibratie en Signaalverwerking: Om de positie van de magneet te bepalen, wordt een kalibratieprocedure uitgevoerd om de bijdragen van de spoel en de offset te kwantificeren. Door lineaire regressie en aftrekken van de bekende spoelbijdrage ( $\vec{B}_{coil}$ ) en de offset ( $\vec{B}_{offset}$ ) van de gemeten data, wordt het veld van de magneet ( $\vec{B}_{magnet}$ ) geïsoleerd. Dit veld wordt vervolgens omgerekend naar een absolute positie via een lineaire functie.
Regelalgoritme: Een proportioneel-integraal (PI) regelaar (geen PID, vanwege de beperkte sample-rate van de sensor ten opzichte van de natuurlijke frequentie van het systeem) gebruikt deze positie-estimatie om de stroom door de spoelen aan te passen en zo de gewenste positie te bereiken.

3. Belangrijkste Bijdragen

Monolithische Integratie: Het toont aan dat een gesloten-lus systeem kan worden gerealiseerd zonder extra microfabricage-stappen of complexe externe optische opstellingen. De sensor past fysiek in de bestaande constructie zonder het footprint te vergroten.
Scheiding van Signalen: Een robuuste kalibratie-methode die het dominante veld van de actuator-spoel succesvol scheidt van het veel zwakkere veld van de positie-magneet, waardoor nauwkeurige positiebepaling mogelijk wordt.
Compensatie van Materiaaleigenschappen: Het systeem compenseert effectief voor de inherente visco-elastische eigenschappen van de 3D-geprinte polymeren en thermische drift veroorzaakt door zelfverwarming.

4. Resultaten

Het systeem werd getest over een verplaatsingsbereik van 150 µm (±75 µm) met de volgende prestaties:

Nauwkeurigheid en Precisie: De gemiddelde absolute nauwkeurigheid bedraagt 0,86 µm en de precisie (standaarddeviatie) is 0,49 µm.
Eliminatie van Kruip (Creep): Bij een staprespons (step input) van 75 µm werd de drift in open-lus bediening na 10 seconden gemeten op 22 µm (29%). In gesloten-lus bediening werd deze drift volledig geëlimineerd.
Overschot en Insteltijd: De insteltijd ( $T_s$ ) werd gereduceerd van 69,7 ms (open-lus) naar 17,6 ms (gesloten-lus). Het overshoot daalde van 44,3% naar 18,8%.
Hysterese: Bij lage frequenties (0,25 mHz) werd de hysterese in open-lus bediening gemeten op 9,0%. In gesloten-lus bediening werd dit gereduceerd tot -1,4% (de negatieve waarde is een artefact van de integraalterm van de PI-regelaar).
Thermische Stabiliteit: Bij continue bediening (1000 cycli) die leidde tot zelfverwarming, werd de thermisch geïnduceerde drift in open-lus bediening met 83% gereduceerd in gesloten-lus bediening.

5. Betekenis en Conclusie

Dit werk vertegenwoordigt een doorbraak in de toepasbaarheid van 3D-nano-geprinte optische microsystemen voor precisietoepassingen. Het bewijst dat monolithisch vervaardigde polymeren, die van nature last hebben van hysterese en thermische instabiliteit, toch kunnen worden gebruikt in hoogwaardige positioneringssystemen door middel van een geïntegreerd magnetisch sensorkoncept.

De methode biedt een praktische route naar stabiele, herhaalbare positionering voor miniaturiseerde beeldvormingssystemen (zoals miniscopen en endoscopen), waarbij de beperkingen van het polymeermateriaal worden overwonnen zonder de voordelen van de monolithische fabricage (zoals uitlijningsnauwkeurigheid en compactheid) te verliezen. De enige beperkingen zijn de resterende systematische fouten door temperatuurafhankelijkheid van de magneet en sensor, en de bandbreedte van de regeling die wordt beperkt door de sample-rate van de Hall-sensor.