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，拍攝出世界上首張光學(xué)顯微照片。時至今日，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)必將迎來更大的進步。
3DHISTECH公司位于匈牙利布達佩斯，它設(shè)計和生產(chǎn)了世界上運行速度最快、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)實驗室可以用它采集醫(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)實驗室中的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)實驗室的所有掃描需求。”
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的運行速度，使其性能遠超同類產(chǎn)品。
挑戰(zhàn)
P1000的研發(fā)團隊有一個明確的目標(biāo)：顯著提升大型病理學(xué)實驗室的工作效率。他們發(fā)現(xiàn)，要實現(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)可達數(shù)百納米 (nm)，因此需要出色的運動控制技術(shù)提供支持。圖像處理軟件基于所采集圖像的模糊度計算透鏡和樣品之間的最佳距離。每運行一次掃描之前，P1000首先會測量整個樣品上所有采集點的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功能的產(chǎn)品，包括高分辨率光柵、超精密機械裝置，以及可實現(xiàn)快速響應(yīng)的微調(diào)控制系統(tǒng)。這些要求對于機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。3DHISTECH在選擇光柵系統(tǒng)時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)計這款顯微鏡時為所有運動軸配置了相同規(guī)格的光柵，以簡化系統(tǒng)的安裝與維護。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的延遲。他們將光柵輸出信號直接連接至負責(zé)控制軸運動的微控制器，從而能夠獲取“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)，其電子細分誤差低至 <±10 nm，分辨率可達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)頭時使用了ADT，因為在安裝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，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)于機械設(shè)計，3DHISTECH的目標(biāo)是盡可能減少機械振動，因此工程師們決定使用五相步進電機取代二相電機。五相電機的扭矩紋波更低，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直接驅(qū)動，以滿足步長小、高速運行、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，因為這款產(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械臂達到指定的±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)生意外停機時保護樣品：出現(xiàn)斷電事故后，磁編碼器在電源恢復(fù)后可立即報告其位置，無需執(zhí)行耗時的回零循環(huán)。
結(jié)果
在雷尼紹的技術(shù)支持下，3DHISTECH的工程師團隊為每根運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。
