背景
世界上首臺顯微鏡誕生于16世紀(jì)，它的原理是使用光學(xué)系統(tǒng)將樣品放大以進(jìn)行分析。最早的顯微鏡利用自然光或聚光燈來照射樣品，觀察者一邊觀察一邊將看到的內(nèi)容徒手繪制出來。后來，各式各樣的顯微鏡陸續(xù)問世，比如熒光顯微鏡、電子顯微鏡和掃描顯微鏡等等。
P1000顯微鏡物鏡特寫
隨著攝影術(shù)的發(fā)明，1900年，科學(xué)家在利用顯微鏡的透鏡對樣品成像的同時(shí)，拍攝出世界上首張光學(xué)顯微照片。時(shí)至今日，經(jīng)過不斷發(fā)展，現(xiàn)在的顯微照相系統(tǒng)已經(jīng)能夠同時(shí)拍攝多張顯微照片，然后組合形成超高分辨率的清晰影像。通過不斷改進(jìn)光學(xué)鏡組、提高自動化水平和位置反饋精度，未來的顯微照相技術(shù)必將迎來更大的進(jìn)步。
3DHISTECH公司位于匈牙利布達(dá)佩斯，它設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了世界上運(yùn)行速度最快、通量最高的全自動全視野數(shù)字切片掃描儀 — P1000。
P1000切片掃描通量
P1000是一臺高精度掃描顯微鏡，大型病理學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以用它采集醫(yī)學(xué)樣品切片的超高分辨率圖像，該設(shè)備一次性裝載切片后便可實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩天的全自動化工作，無需人工干預(yù)。這款新一代數(shù)字切片掃描儀基于3DHISTECH業(yè)已成熟的技術(shù)所開發(fā)，是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(chuàng)新高。
病理學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的P1000數(shù)字切片掃描儀
3DHISTECH公司首席技術(shù)官Viktor Varga詳細(xì)介紹道：“P1000一個工作輪次可以掃描1000張切片。它主要由兩部分組成：一臺數(shù)字切片掃描儀[顯微鏡]和一個高通量自動切片載臺。兩大組件并行工作，提升了整個系統(tǒng)的效率。其顯微鏡有三個物鏡，可以進(jìn)行浸沒式及干式掃描。P1000可以滿足一般病理學(xué)或生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的所有掃描需求。”
顯微鏡的三根軸上都裝有搭配RTLC-S不銹鋼鋼帶柵尺的VIONiC?數(shù)字增量式光柵系統(tǒng)，自動切片載臺的拾放機(jī)械臂上則裝有LA11絕對式磁編碼器系統(tǒng)。這些光柵及磁編碼器不僅保證了設(shè)備的精度和重復(fù)性，而且提高了P1000的運(yùn)行速度，使其性能遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品。
挑戰(zhàn)
P1000的研發(fā)團(tuán)隊(duì)有一個明確的目標(biāo)：顯著提升大型病理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的工作效率。他們發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，掃描系統(tǒng)必須具有高通量，而且高度自動化。
在掃描過程中，放有樣品的載物臺沿X軸和Y軸水平移動，同時(shí)鏡筒垂直移動以調(diào)節(jié)焦距。放大倍數(shù)越大，要求的精度就越高，這樣才能確保精確地拼接多張顯微照片，從而生成一幅超高分辨率圖像。
切片上的病理組織樣品
大多數(shù)數(shù)字顯微鏡都只在垂直軸(Z軸)上安裝一個光柵。如果載物臺內(nèi)不安裝光柵，則其工作時(shí)控制器就不會收到任何直接反饋。工程師開發(fā)P1000的理念是，在定位過程中通過光柵的反饋幫助提高載物臺的運(yùn)行速度，但不會降低其精度：自動化程度提高就減少了拍攝每張顯微照片需要的手動操作，從而縮短了掃描每張切片所需的時(shí)間，提高了流程效率。
這些顯微鏡使用的鏡筒的景深范圍(即保證圖像聚焦良好的焦距范圍)可達(dá)數(shù)百納米 (nm)，因此需要出色的運(yùn)動控制技術(shù)提供支持。圖像處理軟件基于所采集圖像的模糊度計(jì)算透鏡和樣品之間的最佳距離。每運(yùn)行一次掃描之前，P1000首先會測量整個樣品上所有采集點(diǎn)的Z軸高度，生成一份“視圖”，以便確定正確的焦距，然后根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)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(yùn)行更穩(wěn)定、精確。
切片掃描儀上安裝的VIONiC光柵
因此，3DHISTECH必須在市場上尋找能夠提供這些先進(jìn)功能的產(chǎn)品，包括高分辨率光柵、超精密機(jī)械裝置，以及可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的微調(diào)控制系統(tǒng)。這些要求對于機(jī)械或電子工程師們都是極大的挑戰(zhàn)。他們必須將粘滑現(xiàn)象的影響降至最低，并建立一個可以提供精確反饋的控制回路，以驅(qū)動步長僅為100 nm的壓電電機(jī)。3DHISTECH在選擇光柵系統(tǒng)時(shí)考慮的最重要的性能參數(shù)便是讀數(shù)頭的分辨率和噪聲水平(非重復(fù)性誤差)。
對于切片載臺上的拾放機(jī)械臂，則并不需要使用高精度光柵完成位置反饋，而是需要安裝過程簡易且公差寬松、可靠性高的磁編碼器即可。工程師在設(shè)計(jì)這款顯微鏡時(shí)為所有運(yùn)動軸配置了相同規(guī)格的光柵，以簡化系統(tǒng)的安裝與維護(hù)。他們還選擇了成卷供應(yīng)并可按需裁剪的緊湊型鋼帶柵尺。
解決方案
顯微鏡所采集的每張圖像的像素大小為 μm至 μm。它的預(yù)定義重疊尺寸為大約10 μm，因此要求光柵的反饋數(shù)據(jù)高度精確，這樣才能將數(shù)千張圖像精確地拼接在一起。
由于所選壓電電機(jī)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。在最高放大倍率的情況下透鏡的景深為0.2 μm，這樣就為每個設(shè)計(jì)參數(shù)提供了相當(dāng)大的安全余量。樣品切片在花崗巖塊上滑動，以最大限度地減少摩擦力和由外部傳導(dǎo)的振動。
3DHISTECH的研發(fā)工程師們決定在切片掃描儀上搭載VIONiC增量式光柵，以消除將絕對位置信息轉(zhuǎn)換為串行通信信號時(shí)的延遲。他們將光柵輸出信號直接連接至負(fù)責(zé)控制軸運(yùn)動的微控制器，從而能夠獲取“實(shí)時(shí)”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(xì)分誤差 (SDE)、噪聲和抖動都要非常小。
VIONiC系列是雷尼紹的超高精度、一體化數(shù)字增量式光柵，適用于直線和旋轉(zhuǎn)應(yīng)用。這款光柵將所有必需的細(xì)分和數(shù)字信號處理功能組合封裝在讀數(shù)頭內(nèi)，其電子細(xì)分誤差低至 <±10 nm，分辨率可達(dá)2.5 nm。它有許多自定義參數(shù)，包括分辨率、邊緣間隔、插頭類型和電纜長度等等。利用Advanced Diagnostic
Tool (ADT)，用戶可以十分輕松地完成VIONiC的安裝和校準(zhǔn)，ADT還包含用于遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控VIONiC的安裝和校準(zhǔn)過程的用戶軟件。
該安裝工具具備遠(yuǎn)程、高級校準(zhǔn)功能，是工廠生產(chǎn)線安裝的理想選擇。3DHISTECH在安裝讀數(shù)頭時(shí)使用了ADT，因?yàn)樵诎惭b過程中不可避免地會遮擋LED安裝指示燈，導(dǎo)致安裝人員無法直接觀察其狀態(tài)。ADT使得生產(chǎn)線安裝過程更為簡單;以往，在檢查讀數(shù)頭信號或最佳間隙時(shí)，必須通過硬線將光柵系統(tǒng)連接至設(shè)備的控制器，并且需要重復(fù)進(jìn)行多次微調(diào)。借助ADT，就可以使用USB插頭將讀數(shù)頭連接至筆記本電腦，即使設(shè)備未通電也可以正常完成光柵的安裝。
關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)，3DHISTECH的目標(biāo)是盡可能減少機(jī)械振動，因此工程師們決定使用五相步進(jìn)電機(jī)取代二相電機(jī)。五相電機(jī)的扭矩紋波更低，因此振動更小，這對于保證最佳掃描性能十分關(guān)鍵。顯微鏡的Z軸由一臺線性壓電電機(jī)直接驅(qū)動，以滿足步長小、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叉滾子軸承，以減少摩擦。
拾放機(jī)械臂由三根帶光柵反饋的皮帶驅(qū)動軸組成。針對這種情況，雷尼紹關(guān)聯(lián)公司RLS生產(chǎn)的LA11磁編碼器是理想的解決方案，因?yàn)檫@款產(chǎn)品是真正的絕對式磁編碼器系統(tǒng)，且安裝間隙公差極為寬松。控制器使用SPI協(xié)議(串行外設(shè)接口 — 一種絕對式信號協(xié)議)，因此LA11磁編碼器輸出的RS422(雙絞線數(shù)字5 V電位增量式信號協(xié)議)并行位置信號是保證機(jī)械臂達(dá)到指定的±0.1 mm精度的最佳解決方案。此外，LA11采用的真正絕對式測量原理可在發(fā)生意外停機(jī)時(shí)保護(hù)樣品：出現(xiàn)斷電事故后，磁編碼器在電源恢復(fù)后可立即報(bào)告其位置，無需執(zhí)行耗時(shí)的回零循環(huán)。
結(jié)果
在雷尼紹的技術(shù)支持下，3DHISTECH的工程師團(tuán)隊(duì)為每根運(yùn)動軸都選定了一個最符合應(yīng)用要求的編碼器產(chǎn)品。多款高端編碼器產(chǎn)品，比如雷尼紹的VIONiC系列光柵和RLS的LA11磁編碼器，助力P1000成為真正意義上的市場領(lǐng)先者。
