3DHISTECH 顯微鏡現已採用 Renishaw 編碼器

背景

第一台顯微鏡在 16 世紀問世，原理是利用光學系統放大樣本進行分析。這些系統利用自然光或聚光燈照亮樣本，讓操作人員可以騰出手來繪圖。自此之後，螢光顯微鏡、電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡等各種顯微鏡紛紛誕生。

到了 1900 年，世人透過顯微鏡的鏡頭拍攝樣本照片，第一張光學顯微照片於焉問世。從那時起，顯微攝影系統不斷演進，甚至能先拍攝多張顯微照片，再結合成超高解析度的影像。這些以多張超高解析度照片合成的影像之所以能實現，需歸功於前所未有的先進光學技術、自動化和高精度位置回饋。

3DHISTECH 總部位於匈牙利布達佩斯，專門設計及製造全球最快、產能最高的自動化全景數位玻片掃描器：P1000。

P1000 是高精度掃描電子顯微鏡，除了方便大型病理實驗室為醫學樣本拍攝超高解析度影像之外，更可在無人操作的狀態下運作長達 2 天。新一代的數位玻片掃描器奠基於 3DHISTECH 開發產品的成功經驗，是第一部擁有整合式、採用光學與磁性位置編碼器的掃描器，能大幅提升效率。

挑戰

P1000 團隊的目標非常明確：大幅提升大型病理實驗室的效率。為達成這個目標，團隊認為應提高系統的產能，並採用自動化技術。

執行掃描程序時，樣本台會在水平面沿著 X 軸與 Y 軸移動，同時鏡頭會垂直調整，維持影像焦點。放大倍率越高，精度也需要隨之提高，才能精確合併多張顯微照片，製作出高解析度影像。

大部分的數位顯微鏡僅配備單一垂直軸 (Z 軸) 編碼器。如果樣本台在沒有編碼器的情況下運作，就不會傳送直接回饋給控制器。開發 P1000 的工程師採用定位流程的編碼器回饋，運作時可達更快速度，且不影響精度：自動化程度越高，顯微照片所需的人為操作越少，每個玻片的處理時間就會因此縮短，進而提升處理效率。

顯微鏡使用的鏡頭景深 (影像焦點所在的焦距範圍) 跨距達數百奈米 (nm)，因此運作過程中需有極佳的動作控制性能。影像處理軟體可根據擷取畫面的模糊度，計算出鏡頭和樣本之間的最佳距離。執行掃描作業前，P1000 會先測量樣本各點的 Z 軸高度，據以建立「掃描地圖」，以判斷正確的焦距，並推斷從整個樣本獲得的資料。這可讓掃描程序更快、更簡單，除了提升穩定性，掃描結果也更為精準。

解決方案

拍攝影像的像素大小為 0.25 至 0.08 µm。機器使用預先定義的 10 µm 重疊範圍，配合精確編碼器回饋，精確地將數千張影片拼在一起。

壓電馬達的幅度為 100 nm，因此編碼器解析度必須是 50 nm，才能擁有足夠的伺服頻寬。最高放大倍率係數的鏡頭景深為 0.2 µm，可為每個設計參數提供相當的安全餘裕。樣本台在花崗岩塊上滑動，有助於將外界傳入的摩擦力和振動降到最低。

 VIONiC 光學尺系列

3DHISTECH 的工程師決定在玻片掃描器上使用 VIONiC 增量式編碼器，以消除絕對位置轉換成序列通訊訊號時產生的延遲現象。編碼器的輸出與負責移動軸的微控制器直接連結，以便達到「即時」回饋的目的。採用的編碼器可提供高解析度位置回饋，同時減少細分誤差 (SDE)、雜訊和抖動情形。

VIONiC 系列擁有 Renishaw 的超高精度，為適合線性及旋轉應用的多合一數位增量式編碼器。VIONiC 的讀頭結合了所有必要插補和數位訊號處理技術，使細分誤差低達 <±10 nm，且解析度也可精準至 2.5 nm。此系列提供許多可自訂參數，從解析度和臨邊間隙乃至連接器類型和纜線長度，不一而足。Advanced Diagnostic Tool (ADT) 內含的用戶軟體可有效遠端監控 VIONiC 的設定和校正程序，使 VIONiC 的安裝和校準工作輕鬆簡單。