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背景

世界上首台顯微鏡誕生于16世紀，它的原理是使用光學系統将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将看到的内容徒手繪制出來。後來，各式各樣的顯微鏡陸續問世，比如熒光顯微鏡、電子顯微鏡和掃描顯微鏡等等。

随着攝影術的發明，1900年，科學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顯微照片。時至今日，經過不斷發展，現在的顯微照相系統已經能夠同時拍攝多張顯微照片，然後組合形成超高分辨率的清晰影像。通過不斷改進光學鏡組、提高自動化水平和位置反饋精度，未來的顯微照相技術必将迎來更大的進步。 3DHISTECH公司位于匈牙利布達佩斯，它設計和生産了世界上運行速度最快、通量最高的全自動全視野數字切片掃描儀 — P1000。 P1000是一台高精度掃描顯微鏡，大型病理學實驗室可以用它采集醫學樣品切片的超高分辨率圖像，該設備一次性裝載切片後便可實現連續兩天的全自動化工作，無需人工幹預。這款新一代數字切片掃描儀基于3DHISTECH業已成熟的技術所開發，是第一款集成了位置反饋光栅和磁編碼器的掃描儀，工作效率再創新高。 3DHISTECH公司首席技術官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：一台數字切片掃描儀[顯微鏡]和一個高通量自動切片載台。兩大組件并行工作，提升了整個系統的效率。其顯微鏡有三個物鏡，可以進行浸沒式及幹式掃描。P1000可以滿足一般病理學或生物學實驗室的所有掃描需求。”

P1000顯微鏡物鏡特寫

顯微鏡的三根軸上都裝有搭配RTLC-S不鏽鋼鋼帶栅尺的VIONiC™數字增量式光栅系統，自動切片載台的拾放機械臂上則裝有LA11絕對式磁編碼器系統。這些光栅及磁編碼器不僅保證了設備的精度和重複性，而且提高了P1000的運行速度，使其性能遠超同類産品。 挑戰P1000的研發團隊有一個明确的目标：顯著提升大型病理學實驗室的工作效率。他們發現，要實現這一目标，掃描系統必須具有高通量，而且高度自動化。

在掃描過程中，放有樣品的載物台沿X軸和Y軸水平移動，同時鏡筒垂直移動以調節焦距。放大倍數越大，要求的精度就越高，這樣才能确保精确地拼接多張顯微照片，從而生成一幅超高分辨率圖像。

病理學實驗室中的P1000數字切片掃描儀

大多數數字顯微鏡都隻在垂直軸（Z軸）上安裝一個光栅。如果載物台内不安裝光栅，則其工作時控制器就不會收到任何直接反饋。工程師開發P1000的理念是，在定位過程中通過光栅的反饋幫助提高載物台的運行速度，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範圍（即保證圖像聚焦良好的焦距範圍）可達數百納米 (nm)，因此需要出色的運動控制技術提供支持。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”，以便确定正确的焦距，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、精确。

因此，3DHISTECH必須在市場上尋找能夠提供這些先進功能的産品，包括高分辨率光栅、超精密機械裝置，以及可實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。他們必須将粘滑現象的影響降至最低，并建立一個可以提供精确反饋的控制回路，以驅動步長僅為100nm的壓電電機。3DHISTECH在選擇光栅系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平（非重複性誤差）。 對于切片載台上的拾放機械臂，則并不需要使用高精度光栅完成位置反饋，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。工程師在設計這款顯微鏡時為所有運動軸配置了相同規格的光栅，以簡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栅尺。 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，因此要求光栅的反饋數據高度精确，這樣才能将數千張圖像精确地拼接在一起。

由于所選壓電電機的步長為100 nm，因此要求光栅的分辨率為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，這樣就為每個設計參數提供了相當大的安全餘量。樣品切片在花崗岩塊上滑動，以最大限度地減少摩擦力和由外部傳導的振動。

切片上的病理組織樣品

3DHISTECH的研發工程師們決定在切片掃描儀上搭載VIONiC增量式光栅，以消除将絕對位置信息轉換為串行通信信号時的延遲。他們将光栅輸出信号直接連接至負責控制軸運動的微控制器，從而能夠獲取“實時”位置反饋。所選的光栅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、一體化數字增量式光栅，适用于直線和旋轉應用。這款光栅将所有必需的細分和數字信号處理功能組合封裝在讀數頭内，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，ADT還包含用于遠程控制和監控VIONiC的安裝和校準過程的用戶軟件。

切片掃描儀上安裝的VIONiC光栅

該安裝工具具備遠程、高級校準功能，是工廠生産線安裝的理想選擇。3DHISTECH在安裝讀數頭時使用了ADT，因為在安裝過程中不可避免地會遮擋LED安裝指示燈，導緻安裝人員無法直接觀察其狀态。ADT使得生産線安裝過程更為簡單；以往，在檢查讀數頭信号或最佳間隙時，必須通過硬線将光栅系統連接至設備的控制器，并且需要重複進行多次微調。借助ADT，就可以使用USB插頭将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栅的安裝。 關于機械設計，3DHISTECH的目标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鍵。顯微鏡的Z軸由一台線性壓電電機直接驅動，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栅反饋的皮帶驅動軸組成。針對這種情況，雷尼紹關聯公司RLS生産的LA11磁編碼器是理想的解決方案，因為這款産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。控制器使用SPI協議（串行外設接口— 一種絕對式信号協議），因此LA11磁編碼器輸出的RS422（雙絞線數字5 V電位增量式信号協議）并行位置信号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生意外停機時保護樣品：出現斷電事故後，磁編碼器在電源恢複後可立即報告其位置，無需執行耗時的回零循環。 結果在雷尼紹的技術支持下，3DHISTECH的工程師團隊為每根運動軸都選定了一個最符合應用要求的編碼器産品。多款高端編碼器産品，比如雷尼紹的VIONiC系列光栅和RLS的LA11磁編碼器，助力P1000成為真正意義上的市場領先者。

關于3DHISTECH3DHISTECH公司于1996年成立，主要生産高速切片掃描儀和數字顯微鏡。公司目标是實現傳統病理學檢驗流程的全面數字化，以滿足21世紀醫療保健行業不斷增長的需求。3DHISTECH的工廠位于布達佩斯，産品則銷往世界各地，如歐洲、美國和東亞，包括韓國和日本。

關于RLSRLS d.o.o是雷尼紹的關聯公司。RLS生産一系列堅固耐用的旋轉和直線運動磁傳感器，産品廣泛應用于工業自動化、金屬切削、紡織、包裝、電子芯片/電路闆、機器人等行業及領域。

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