3DHISTECH 顯微鏡現已採用 Renishaw 編碼器
Renishaw 的 Zsombor Zelena 與病理設備與服務專業公司 3DHISTECH Ltd 攜手合作,為其提供最新的編碼器技術。歡迎觀看下方的摘要影片,並詳閱完整文章,以進一步瞭解相關資訊和連結。
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。
![病理實驗室的 P1000 數位玻片掃描器](/media/img/gen/084219bed5dd48078cfb31622447b9cf.jpg)
病理實驗室的 P1000 數位玻片掃描器
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。
3DHISTECH 指定採用高解析度編碼器、超精度器械和微調程序控制系統,有效縮短控制回應時間。無論是對機器還是電子工程,要達到這些要求都是一大挑戰。工程師必須將黏滑效應降到最低,並利用精確回饋機制建立控制迴路,以 100 nm 的幅度推動壓電馬達。讀頭的解析度和雜訊 (非重複錯誤) 是最重要的效能參數,可影響編碼器系統的選擇。
玻片載台的取放機器手臂不需使用高精度的編碼器,因為大公差、安裝輕鬆及可靠程度更為重要。設計顯微鏡時,工程師會為每個軸選擇相同的編碼器規格,以簡化安裝和服務流程。他們也會選取可任意裁切長度的光學尺,以便儲存小巧的鋼帶光學尺捲軸。
![玻片上的病理組織樣本](/media/img/gen/b5b03ab41f1845589f077a7c9132acba.jpg)
玻片上的病理組織樣本
編碼器系統極其容易安裝和設定,同時具有極佳效能。
3DHISTECH (匈牙利)
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 編碼器實際裝上玻片掃描器](/media/img/gen/e5b50991304547bbb47ee9ae85a7be24.jpg)
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。
此設定工具配備進階的遠端校準功能,是安裝於工廠生產線的理想選擇。由於 LED 裝設後難免會受到障礙物阻礙視線,因此 3DHISTECH 在安裝讀頭時使用了 ADT。ADT 可使生產線的裝設工作更為輕鬆。以前檢查讀頭訊號或確定最佳安裝高度時,編碼器系統與機器的控制器之間必須以接線連接,並來回微調。使用 ADT 之後,讀頭可透過 USB 接線與筆記型電腦連接,機器甚至無需插上電源。
機器設計的目標是要將機器振動降到最低,因此工程師決定使用 5 段式步進馬達,而非 2 段式。5 段式馬達的扭矩漣波較少,因此產生的振動較少,這對確保最佳掃描效能相當重要。顯微鏡的 Z 軸可直接由線性壓電馬達推動,以提供所需的較小幅度,不僅運作速度快,還可快速變換方向。每個軸上皆設有交叉滾子軸承和防動裝置 (anti-creep cage),可將摩擦降到最低。
取放機器手臂配有三個以傳輸帶推動的軸和編碼器回饋。在此情況下,Renishaw 附屬公司 RLS 的 LA11 磁性編碼器就是理想的解決方案,因為其為真正的絕對式編碼器系統,具安裝高度公差設計。控制器使用 SPI 通訊協議 (序列周邊介面,是一種絕對訊號通訊協議),因此 LA11 編碼器與 RS422 (數位 5 V 潛在增量式訊號通訊協議,搭配雙絞線) 平行輸出有利於機器手臂達到指定的 ±0.1 mm 精度,堪稱最佳解決方案。此外,真正絕對式量測原理可在非預期關機時保護樣本:萬一電力無預警中斷,編碼器會在電源回復時立即回報其位置,不需執行耗時的返回原點動作。
![P1000](/media/img/gen/2da97bb998604cc9999c7e189fa74087.jpg)
P1000 可容納 1,000 個玻片,在一次工作中將玻片全部數位化
結果
3DHISTECH 的工程團隊利用 Renishaw 的技術支援,針對各個機械軸指定編碼器,為其應用方式找到適合的編碼器產品。進階編碼器 (例如 Renishaw 的 VIONiC 系列和 RLS 的 LA11 磁性編碼器) 可讓 P1000 達到無可挑剔的高效能,引領市場趨勢。
關於 3DHISTECH
3DHISTECH 創立於 1996 年,主要製造高速玻片掃描器和數位顯微鏡。3DHISTECH 的目標是將傳統的病理流程完全數位化,以滿足 21 世紀日漸增加的醫療需求。3DHISTECH 的總部位於布達佩斯,但產品已銷售至全球各地,從歐洲、美國到東亞,包括韓國和日本都有其足跡。
關於 RLS
RLS d.o.o 為 Renishaw 的關聯公司。RLS 專門生產各種堅固耐用的磁性旋轉感測器和線性運動感測器,可應用於工業自動化、金屬加工、紡織、包裝、電子晶片/機板板生產、機器人等方面。
如需 RLS 磁性編碼器系列的詳細資訊,請瀏覽官方網站:www.rls.si