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雷尼紹編碼器在3DHISTECH顯微鏡內部發揮關鍵作用

2018-12-25 來源：雷尼紹作者：-

背景

世界上首台顯（xiǎn）微鏡（jìng）誕生於16世紀，它的原理是使用光學係統將樣（yàng）品放大以進行分析。最（zuì）早的顯微鏡利用自然光（guāng）或聚光燈來照射樣品，觀察者一邊觀察（chá）一邊將看到的內容徒手繪製出來。後來，各式各樣的顯微鏡陸續問世，比如（rú）熒光顯微鏡、電子顯微鏡和掃描顯微鏡（jìng）等等。

隨著攝影術的發明，1900年，科（kē）學家在利用顯微鏡的透鏡對樣品成像（xiàng）的同時（shí），拍攝出世界上首（shǒu）張光學顯（xiǎn）微照片。時至今日，經過不斷發展，現在的顯（xiǎn）微照（zhào）相係統已經能夠同（tóng）時拍攝多張顯微照片，然後組合形成超高分辨（biàn）率的清晰影像。通過不斷改進光（guāng）學鏡組、提高自動化水平和位置反饋精度，未（wèi）來的顯微照相技（jì）術必將迎來更大的進步。

3DHISTECH公司位於匈牙利布達佩斯，它設計和生產了世界上運行速度最快（kuài）、通量最高的全自動全視野數（shù）字切片掃（sǎo）描（miáo）儀 — P1000。

P1000是（shì）一台高精度掃描（miáo）顯微鏡，大型病理學實驗室（shì）可以用它采集醫學樣品切片的超高分辨率圖（tú）像，該設備一次性裝載切片後便可（kě）實現連續兩天的全自（zì）動化工作，無需人工幹預。這款新一代數字切片掃描儀基於（yú）3DHISTECH業已（yǐ）成熟的技術所開發（fā），是（shì）第一款集成了位置反饋光柵和磁編碼器的掃描儀，工作效率再創新高。

P1000切片掃描通量

3DHISTECH公司首席技術官Viktor Varga詳（xiáng）細介紹道：“P1000一個工作輪次可以掃描1000張切（qiē）片。它主要由兩部分組成：一台數字切片掃描儀[顯微鏡]和一個高通量自動切片載台。兩（liǎng）大組件並行工作，提升了整個（gè）係統的效率。其顯微鏡有三（sān）個物鏡，可以進行浸沒式及幹式掃描。P1000可（kě）以滿足一般病理學或生物學實驗室（shì）的（de）所有掃描需求。”

P1000顯微鏡物鏡特寫

顯微鏡的三（sān）根軸上都裝（zhuāng）有搭配RTLC-S不鏽鋼鋼帶柵（shān）尺的VIONiC™數字增量式光柵係統，自動切片載台的拾放機械臂上則裝有LA11絕對式磁編（biān）碼器係統。這些光柵及磁編碼器不僅保證了設備的精度和（hé）重複性，而且提高了P1000的運行速度，使其性能遠（yuǎn）超同類產品。

挑戰

P1000的研（yán）發（fā）團隊（duì）有一個明（míng）確的目標：顯著提（tí）升大型病理學實驗室的工作效率。他們發現，要（yào）實現這一（yī）目（mù）標，掃描係統必須具有（yǒu）高通量，而且高度自動化（huà）。

在掃描過程中，放有樣品的載物台沿X軸和Y軸水平移（yí）動，同時鏡（jìng）筒（tǒng）垂直移動以調節焦距（jù）。放大倍數越大，要求的精（jīng）度（dù）就越高，這（zhè）樣才能（néng）確保精確地拚接多張顯微照片，從而生成一幅超高分辨（biàn）率圖像。

病理學實驗室中的P1000數字（zì）切片掃描儀

大多數（shù）數字（zì）顯微鏡都隻在垂直軸（Z軸）上安裝一個光柵。如果載物（wù）台內不安裝光柵，則其工作時（shí）控製器就不會收到（dào）任何直接反（fǎn）饋。工程師開發P1000的理念是，在定位過程中通過光柵的反饋幫助（zhù）提高載物台的運行速度，但不會降（jiàng）低其精度：自動化程度提高就（jiù）減少了拍攝每（měi）張顯（xiǎn）微照片需要的手動操作，從而（ér）縮短了掃描每張切片所需的時間，提高了流程效率。

這些顯微鏡使（shǐ）用的鏡筒的（de）景深範圍（即（jí）保證圖（tú）像聚焦良（liáng）好的焦距（jù）範（fàn）圍）可達數百納米 (nm)，因此需要出（chū）色的運（yùn）動控製技術提供（gòng）支持。圖像處理軟件基（jī）於所采集圖像的（de）模糊度計算透鏡和樣品之（zhī）間的最佳距離。每運（yùn）行一次掃描之前（qián），P1000首先會測（cè）量整個樣品上所有采集點的Z軸高度，生成一份“視（shì）圖”，以便確定正確的焦（jiāo）距，然後根據所采集的數據外推至整個樣品。這樣可以加快掃描速度，而且操作更簡單，運行更穩定、精確。

因此，3DHISTECH必須在市（shì）場上尋找能夠提供（gòng）這些先進功能（néng）的產品，包括高分辨率光柵、超精密機械裝（zhuāng）置，以及可實現快速響應的微調控製係統。這些要求對於（yú）機械或電子工程師（shī）們都是極（jí）大的挑（tiāo）戰。他們（men）必須將粘滑現象的影（yǐng）響（xiǎng）降至最低，並建立一（yī）個可以提供（gòng）精確反饋的控製回路，以驅動步長僅為100 nm的壓電電（diàn）機。3DHISTECH在選擇光柵（shān）係（xì）統時考慮的最重要的性能參數便是讀數頭的分辨率和噪聲水（shuǐ）平（非重複（fù）性誤差）。

對（duì）於切片載台上的拾放機（jī）械（xiè）臂，則並不需要使用高精度光柵完成位（wèi）置反饋，而是需（xū）要安裝過（guò）程簡易且公差寬鬆、可（kě）靠性高的磁編（biān）碼器即可。工程師（shī）在設計（jì）這款顯微鏡（jìng）時為所有運動（dòng）軸配（pèi）置了相同規格的光柵，以簡化係統的安裝與維護。他們還選（xuǎn）擇了成卷供應並可按需裁剪的緊（jǐn）湊型鋼帶（dài）柵尺。

解決方案

顯微鏡所采集的每張圖（tú）像（xiàng）的像素大小為0.25 μm至0.08 μm。它的預定義重疊尺寸為大約10 μm，因此要求光柵的反饋數據高（gāo）度精確，這樣才能將數千張（zhāng）圖像精（jīng）確地拚接在一起。

由於所選壓電電機的步長為100 nm，因此要求光柵的分辨率為50 nm，以保證足夠的伺服帶寬。在最（zuì）高放大倍率的情況下透鏡的（de）景深為0.2 μm，這樣就為每個設計（jì）參數提供了相當（dāng）大的安全餘量。樣品切片在花崗岩（yán）塊上滑動，以最大限度地減少摩擦力和由外部傳導的振動。

切（qiē）片掃描儀上（shàng）安（ān）裝的VIONiC光柵

3DHISTECH的研發（fā）工程師們決定在（zài）切片掃描儀上搭（dā）載VIONiC增量式光柵，以消除將絕（jué）對位置信（xìn）息轉換為串行（háng）通信信號時的延遲。他們將光（guāng）柵輸出信號直接連接至負責控製軸運動的微控製器，從而能夠獲（huò）取（qǔ）“實時”位置反饋。所選的光柵須提供高分辨率位置反饋，而且電子細分誤差 (SDE)、噪聲和（hé）抖動（dòng）都要非常小。

VIONiC係列是雷尼紹的超高精度、一體化數字增量式光柵，適用於直線和旋轉（zhuǎn）應用。這款光柵將所有必需的細分和數字信號處理功能組（zǔ）合（hé）封裝在讀數頭（tóu）內，其電（diàn）子細分誤差低（dī）至 <±10 nm，分辨率可達2.5 nm。它有許多自定（dìng）義（yì）參數（shù），包括分辨（biàn）率、邊緣間隔、插頭類型和電（diàn）纜長（zhǎng）度等等。利用Advanced Diagnostic Tool (ADT)，用戶可以十分輕鬆地完成VIONiC的安裝和校準，ADT還包含用於遠程（chéng）控製和監控VIONiC的（de）安裝和校準過程的用戶軟件（jiàn）。

該安（ān）裝（zhuāng）工具具備遠（yuǎn）程、高級校準功能，是工廠生產線（xiàn）安裝的理想選擇。3DHISTECH在安裝讀數頭時使用了ADT，因為在安裝過程中不（bú）可（kě）避（bì）免地會遮擋LED安裝指示燈，導致安裝人員無法直接觀察其狀態。ADT使得生產（chǎn）線安裝過程更為簡單；以往，在檢查讀數（shù）頭信號或最（zuì）佳（jiā）間隙時，必須（xū）通過硬線將光柵（shān）係統連接至（zhì）設（shè）備的（de）控製（zhì）器，並且（qiě）需要重複進行多次微調。借助ADT，就（jiù）可以使用USB插頭將讀數頭連（lián）接至筆記本電（diàn）腦，即使設備未通（tōng）電也可以正常完成光柵的安裝。

切片上的病理組織樣（yàng）品

關於機械設計，3DHISTECH的目標（biāo）是盡可能減少（shǎo）機械振動，因此工（gōng）程（chéng）師們決定使用（yòng）五相步進電（diàn）機取代二相電機。五相電機的扭矩（jǔ）紋波更低，因（yīn）此振動更小，這對於（yú）保（bǎo）證最佳掃描性能（néng）十分關鍵。顯微鏡的Z軸由一（yī）台線性壓電電機直（zhí）接驅動，以滿足步長（zhǎng）小、高速運（yùn）行、快速換向的性能要求。每根軸上都裝有帶防蠕動保持架的交（jiāo）叉（chā）滾子軸承，以減少摩擦。

拾放機械臂由三根帶光柵反饋的皮帶驅動軸組（zǔ）成。針（zhēn）對這種（zhǒng）情況，雷尼紹關聯公司RLS生產的LA11磁（cí）編碼器是理想的解決方案，因為這款產品是真正的絕對式磁編碼器係統（tǒng），且安裝間（jiān）隙公差極為寬（kuān）鬆。控製器使用SPI協議（串行外設接（jiē）口 — 一種絕對式信號協議），因此LA11磁編碼器輸出（chū）的RS422（雙絞線（xiàn）數字（zì）5 V電位增量式信號協（xié）議）並行位置信號是保證機（jī）械臂達到指定的±0.1 mm精度的最佳解決方（fāng）案。此外，LA11采用的真正絕對式測量原理可在發生意外停機時保護樣品：出（chū）現斷電事故後，磁編碼器在（zài）電源恢複後可立即報告其位置（zhì），無需執行耗時的回零循環（huán）。

結（jié）果

在雷尼紹的技術支持下，3DHISTECH的工程師團隊為每根運動（dòng）軸都選定了一個（gè）最符合應用要求的編碼器產品。多款高端（duān）編碼器產品（pǐn），比如雷尼紹的VIONiC係列光柵（shān）和RLS的LA11磁編（biān）碼器，助（zhù）力P1000成為真正意義上的市場領先（xiān）者。

關於3DHISTECH

3DHISTECH公司於1996年成立，主要生產高速（sù）切片掃描儀和數字顯微鏡（jìng）。公司目標是實現傳（chuán）統病理學檢驗流程的全麵數（shù）字化，以（yǐ）滿足21世紀醫療（liáo）保健（jiàn）行業不斷增長的需求。3DHISTECH的工廠位於布達佩斯，產（chǎn）品則銷往世界（jiè）各地，如歐洲、美國和東亞，包括韓國和日本。

關於RLS

RLS d.o.o是雷尼紹的關聯公司。RLS生產一係列堅固（gù）耐用的（de）旋轉（zhuǎn）和直線運動磁傳感器，產品廣泛應用於工（gōng）業（yè）自動化、金屬（shǔ）切削、紡織、包裝、電子芯片/電路板、機器人等行業及領域。

如（rú）需了解（jiě）RLS磁編碼器產品係列的（de）詳細信息，請訪問www.rls.si

詳情請訪問www.renishaw.com.cn/encoder

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