背景

世界上首臺顯微鏡誕生于16世紀，它的原理是使用光學(xué)系統將樣品放大以進(jìn)行分析。最早的顯微鏡利用自然光或聚光燈來(lái)照射樣品，觀(guān)察者一邊觀(guān)察一邊將看到的內容徒手繪制出來(lái)。后來(lái)，各式各樣的顯微鏡陸續問(wèn)世，比如熒光顯微鏡、電子顯微鏡和掃描顯微鏡等等。

隨著(zhù)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(guò)不斷發(fā)展，現在的顯微照相系統已經(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(guò)不斷改進(jìn)光學(xué)鏡組、提高自動(dòng)化水平和位置反饋精度，未來(lái)的顯微照相技術(shù)必將迎來(lái)更大的進(jìn)步。

3DHISTECH公司位于匈牙利布達佩斯，它設計和生產(chǎn)了世界上運行速度最快、通量最高的全自動(dòng)全視野數字切片掃描儀 — P1000。

P1000是一臺高精度掃描顯微鏡，大型病理學(xué)實(shí)驗室可以用它采集醫學(xué)樣品切片的超高分辨率圖像，該設備一次性裝載切片后便可實(shí)現連續兩天的全自動(dòng)化工作，無(wú)需人工干預。這款新一代數字切片掃描儀基于3DHISTECH業(yè)已成熟的技術(shù)所開(kāi)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。

3DHISTECH公司首席技術(shù)官Viktor Varga詳細介紹道：“P1000一個(gè)工作輪次可以?huà)呙?000張切片。它主要由兩部分組成：一臺數字切片掃描儀[顯微鏡]和一個(gè)高通量自動(dòng)切片載臺。兩大組件并行工作，提升了整個(gè)系統的效率。其顯微鏡有三個(gè)物鏡，可以進(jìn)行浸沒(méi)式及干式掃描。P1000可以滿(mǎn)足一般病理學(xué)或生物學(xué)實(shí)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?數字增量式光柵系統，自動(dòng)切片載臺的拾放機械臂上則裝有LA11絕對式磁編碼器系統。這些光柵及磁編碼器不僅保證了設備的精度和重復性，而且提高了P1000的運行速度，使其性能遠超同類(lèi)產(chǎn)品。

挑戰

P1000的研發(fā)團隊有一個(gè)明確的目標：顯著(zhù)提升大型病理學(xué)實(shí)驗室的工作效率。他們發(fā)現，要實(shí)現這一目標，掃描系統必須具有高通量，而且高度自動(dòng)化。

在掃描過(guò)程中，放有樣品的載物臺沿X軸和Y軸水平移動(dòng)，同時(shí)鏡筒垂直移動(dòng)以調節焦距。放大倍數越大，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。

大多數數字顯微鏡都只在垂直軸（Z軸）上安裝一個(gè)光柵。如果載物臺內不安裝光柵，則其工作時(shí)控制器就不會(huì )收到任何直接反饋。工程師開(kāi)發(fā)P1000的理念是，在定位過(guò)程中通過(guò)光柵的反饋幫助提高載物臺的運行速度，但不會(huì )降低其精度：自動(dòng)化程度提高就減少了拍攝每張顯微照片需要的手動(dòng)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）可達數百納米 (nm)，因此需要出色的運動(dòng)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(huì )測量整個(gè)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，然后根據所采集的數據外推至整個(gè)樣品。這樣可以加快掃描速度，而且操作更簡(jiǎn)單，運行更穩定、精確。

因此，3DHISTECH必須在市場(chǎng)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、超精密機械裝置，以及可實(shí)現快速響應的微調控制系統。這些要求對于機械或電子工程師們都是極大的挑戰。他們必須將粘滑現象的影響降至最低，并建立一個(gè)可以提供精確反饋的控制回路，以驅動(dòng)步長(cháng)僅為100 nm的壓電電機。3DHISTECH在選擇光柵系統時(shí)考慮的最重要的性能參數便是讀數頭的分辨率和噪聲水平（非重復性誤差）。

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(guò)程簡(jiǎn)易且公差寬松、可靠性高的磁編碼器即可。工程師在設計這款顯微鏡時(shí)為所有運動(dòng)軸配置了相同規格的光柵，以簡(jiǎn)化系統的安裝與維護。他們還選擇了成卷供應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度精確，這樣才能將數千張圖像精確地拼接在一起。

由于所選壓電電機的步長(cháng)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(gè)設計參數提供了相當大的安全余量。樣品切片在花崗巖塊上滑動(dòng)，以最大限度地減少摩擦力和由外部傳導的振動(dòng)。

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責控制軸運動(dòng)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，而且電子細分誤差 (SDE)、噪聲和抖動(dòng)都要非常小。

VIONiC系列是雷尼紹的超高精度、一體化數字增量式光柵，適用于直線(xiàn)和旋轉應用。這款光柵將所有必需的細分和數字信號處理功能組合封裝在讀數頭內，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，包括分辨率、邊緣間隔、插頭類(lèi)型和電纜長(cháng)度等等。利用Advanced Diagnostic
Tool (ADT)，用戶(hù)可以十分輕松地完成VIONiC的安裝和校準，ADT還包含用于遠程控制和監控VIONiC的安裝和校準過(guò)程的用戶(hù)軟件。

該安裝工具具備遠程、高級校準功能，是工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)安裝的理想選擇。3DHISTECH在安裝讀數頭時(shí)使用了ADT，因為在安裝過(guò)程中不可避免地會(huì )遮擋LED安裝指示燈，導致安裝人員無(wú)法直接觀(guān)察其狀態(tài)。ADT使得生產(chǎn)線(xiàn)安裝過(guò)程更為簡(jiǎn)單；以往，在檢查讀數頭信號或最佳間隙時(shí)，必須通過(guò)硬線(xiàn)將光柵系統連接至設備的控制器，并且需要重復進(jìn)行多次微調。借助ADT，就可以使用USB插頭將讀數頭連接至筆記本電腦，即使設備未通電也可以正常完成光柵的安裝。

關(guān)于機械設計，3DHISTECH的目標是盡可能減少機械振動(dòng)，因此工程師們決定使用五相步進(jìn)電機取代二相電機。五相電機的扭矩紋波更低，因此振動(dòng)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(xiàn)性壓電電機直接驅動(dòng)，以滿(mǎn)足步長(cháng)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(dòng)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動(dòng)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，且安裝間隙公差極為寬松?？刂破魇褂肧PI協(xié)議（串行外設接口 — 一種絕對式信號協(xié)議），因此LA11磁編碼器輸出的RS422（雙絞線(xiàn)數字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(shí)保護樣品：出現斷電事故后，磁編碼器在電源恢復后可立即報告其位置，無(wú)需執行耗時(shí)的回零循環(huán)。

結果

在雷尼紹的技術(shù)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(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(chǎng)領(lǐng)先者。

關(guān)于3DHISTECH

3DHISTECH公司于1996年成立，主要生產(chǎn)高速切片掃描儀和數字顯微鏡。公司目標是實(shí)現傳統病理學(xué)檢驗流程的全面數字化，以滿(mǎn)足21世紀醫療保健行業(yè)不斷增長(cháng)的需求。3DHISTECH的工廠(chǎng)位于布達佩斯，產(chǎn)品則銷(xiāo)往世界各地，如歐洲、美國和東亞，包括韓國和日本。

關(guān)于RLS

RLS d.o.o是雷尼紹的關(guān)聯(lián)公司。RLS生產(chǎn)一系列堅固耐用的旋轉和直線(xiàn)運動(dòng)磁傳感器，產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、金屬切削、紡織、包裝、電子芯片/電路板、機器人等行業(yè)及領(lǐng)域。

關(guān)于雷尼紹

雷尼紹是世界領(lǐng)先的工程科技公司之一，在精密測量和醫療保健領(lǐng)域擁有專(zhuān)業(yè)技術(shù)。公司向眾多行業(yè)和領(lǐng)域提供產(chǎn)品和服務(wù) — 從飛機引擎、風(fēng)力渦輪發(fā)電機制造，到口腔和腦外科醫療設備等。此外，它還在全球增材制造（也稱(chēng)3D打?。╊I(lǐng)域居領(lǐng)導地位，是英國唯一一家設計和制造工業(yè)用增材制造設備（通過(guò)金屬粉末“打印”零件）的公司。

雷尼紹集團目前在35個(gè)國家/地區設有70多個(gè)分支機構，員工逾4,500人，其中3,000余名員工在英國本土工作。公司的大部分研發(fā)和制造均在英國本土進(jìn)行，在截至2018年6月的2018財年，雷尼紹實(shí)現了6.115億英鎊的銷(xiāo)售額，其中95%來(lái)自出口業(yè)務(wù)。公司最大的市場(chǎng)為中國、美國、德國和日本。