让突破性技术可自由使用

显微镜技术是一项持续对自身进行改造的技术。17世纪早期的第一台显微镜的设计十分简单,但经过数百年的发展,其性能稳步提升。无论是确保较少散射光和具有更高对比度的图像的抗反射镀膜,减少色散并允许使用更复杂光学元件的新镜头材料,首位计算如何提高分辨率的恩斯特阿贝的开创性理论,还是用于荧光样本的超分辨率技术和可显著减少通过样本的光散射的光片显微镜。这份清单可以无限拉长,直到现在,显微镜技术的创新仍然是许多学科新发现背后的驱动力。

除了供主要仪器制造商进行进一步的开发之外,大学和研究所的开创性研究人员通常也需要非常特殊的显微镜设计以进行实验,并且通过内部开发自行建造。例如,源自莫格里奇研究所(威斯康星州麦迪逊)Huisken实验室的Flamingo光片显微镜或IsoView光片显微镜 - 由阿什本(弗吉尼亚州)霍华德休斯医学研究所Janelia研究园区的Philip Keller及其研究团队开发。将TIRF技术与STORM技术相结合的GATTAscope也是内部开发的显微镜之一。最终设计通常会在互联网上共享,一个全球社区已经开发出采用相同显微镜的装置,以便将一个研究小组的科学成果与他们自己的工作成果进行比较。

不仅应用知识和研究成果,而且包括所有使用的元件在内的装置细节,都在社区中进行全球交流。除了有关激光器和光学器件制造商、相机和软件的信息外,还包括定位系统、其底层驱动技术和控制选配件等重要事项。每次实验都对显微镜设计和其中使用的定位系统提出了独特的要求。

驱动理念

PI提供多种不同的驱动类型,以满足对行程、动态、精度、尺寸等的各种要求。可以大致将其分为两类:基于压电陶瓷的驱动器和电动机。

压电陶瓷促动器和电机

PI将内部开发的压电陶瓷元件用于其压电陶瓷式驱动器。这些是PIFOC物镜扫描仪中的全陶瓷隔离PICMA压电陶瓷促动器。促动器由柔性铰链导轨控制,行程高达460微米,新开发的行程甚至可达800微米。此外,其特点是响应速度和使用寿命明显优于电机驱动器 - 经验证可以无故障运行1000亿次循环。例如,在IsoView光片显微镜中使用基于相同原理的PIHera线性轴来移动物镜。集成的电容式传感器无需接触即可以亚纳米级分辨率进行测量。其具有优异的运动线性度、长期稳定性和千赫兹范围内的带宽。

PILine超声波电机同样基于压电技术。它们可以实现几乎任何行程的线性运动和旋转运动。超平型驱动器可以轻松地以机械方式进行集成,并达到100毫米/秒的典型最大速度,双向位置重复精度处于±500纳米范围内。此类驱动器的一大特色是静止和关闭时的保持力。已到达位置在没有额外能量和热量输入的情况下保持机械稳定。蓄电池驱动或热敏型的低占空比应用可得益于这些特点。PI提供多种基于超声波技术的标准化XY位移平台。还提供单轴线性驱动器和旋转驱动器。例如,U-628旋转平台在Flamingo光片显微镜中起着核心作用。

电动驱动器

在电动驱动领域,PI提供多种主轴驱动和直接驱动式线性平台以及伺服和步进电机变体。例如,配有折叠式驱动器的紧凑型L-505线性平台用于Flamingo LSFM。该平台用于沿光轴移动样本室。其用于创建Z向堆叠,从而允许在三个维度中完整地显示样本。

如果需要,电动线性驱动器可以堆叠,也可以与测角仪结合使用以实现多自由度定位。高动态音圈驱动器填补了技术组合的空白。例如,后者用于行程为数毫米的Z向定位器。

控制器技术和ID芯片

与平台的机械性能一道,控制可能性在其应用中也起着关键性的作用。PI开发的控制器带有与所有常见开发环境相兼容的软件接口,因此可精密控制驱动器 - 取决于相应实验的具体要求。不止于此:虽然通常一个控制器就能够同时控制多个运动轴,但PI的控制器还可以跨技术实现这一目标。例如,由步进电机和超声波电机驱动的轴可以通过一个控制器进行操作。这可以实现协调运动,并且系统表现得更具动态性。所有PI控制器都相同的标准化“通用命令集”(GCS)也支持这一点。无论采用哪种驱动原理,通用命令集(GCS)均可确保PI定位系统内的最大兼容性,并且还使更新和升级变得更容易。这使得启动、操作和编程变得更简单:可以同时操作各种定位系统,并且仅需最少的编程工作量即可集成新系统。GCS还大大简化了客户特定应用的开发。

ID芯片还提高了PI定位器的易用性。它存储传感器和促动器的校准数据。首次安装时,控制器自动读取这些数据,而不再需要用户进行耗时耗力的参数设置。

选型的烦恼:哪款定位器适合应用?

我们无法笼统地回答哪种定位系统适合手头任务这一问题。以下因素对开发起着决定性的作用:

  • 行程是多少?
  • 定位样本或光学元件时,必须达到怎样的精度?
  • 我对动态性有何要求?
  • 需要或提供多大空间?
  • 我还必须考虑哪些其他限制?
    例如:温度范围、大气(压力、湿度)、磁力...

广泛的驱动技术和以之为基础的定位系统使PI能够为几乎所有应用找到合适的解决方案。经过专门培训的应用专家在选型过程中提供支持。

数不胜数的应用实例

Flamingo光片显微镜的旋转平台示例展示了众多使用PI不同运动与定位系统的开源显微镜项目。Jan Huisken教授解释了他为Flamingo项目选择PI的原因:“通过与PI合作,我们提高了仪器精度,并且可以针对这些仪器和高分辨率显微镜使用适宜的微定位[...]。我们已经与PI合作了很长时间,并且一直使用他们的平台[...],我们对其性能非常满意,并决定在Flamingo中继续使用。” 您可以在此处找到对Huisken教授的完整采访:

除了前面提及的Flamingo、Iso-View和Gattascope项目外,PI系统还用于耶鲁大学Joerg Bewersdorf教授的4PI项目、苏黎世大学Fabian F. Vogt博士和Fritjof Helmchen教授的MesoSPIMt项目、伦敦帝国理工学院的OpenScopes项目以及许多其他项目。

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