聚焦焦点：收集3D图像数据的三大技术

02.09.21

收集三维图像数据是自动显微镜的主要作用。在生物科学中，由于细胞的厚度大于显微镜物镜或成像技术的景深，或由于样品固有的不均匀性，细胞通常无法在单个平面上成像。在3D基板上培养成像细胞越来越普遍，因为它比传统2D培养的细胞更真实。器官甚至整个动物需要更大的样本穿透力来成像和渲染多个细胞层或组织。也可在三维空间中追踪样本的实时动态。

材料显微镜需要在3D空间中获取图像。大型样品（例如12英寸半导体晶片）往往无法定位到平整位置，所以生成样品图像时，所研究的区域始终处于焦点位置。扩展焦距，即每一帧收集小的Z-stacks（同一XY坐标下拍摄的一系列图像），在扫描程序结束时，选取每个Z-stacks的最佳图像，将聚焦平铺扫描图拼接在一起。多层样本，如液晶屏，也需要三维重建来成像。

此类分析需要使用自动显微镜——手动拍摄3D图像不仅需要大量时间，而且会给显微镜用户带来压力。相比之下，机械采集是可重复的，只需几秒钟。 Prior Scientific 可提供三种技术升级现有显微镜，或创建独立的聚焦系统，实现高效采集3D图像数据。

简单、易于安装的电动聚焦控制-Prior PS3H122R显微镜附件

入门级3D成像通常从手动显微镜的电动化开始。Prior的PS3H122R 聚焦驱动器可直接搭载到粗焦旋钮上，并驱动细调焦。PS3H122R 的机械分辨率远远高于显微镜的手动对焦系统分辨率，因此可以以更快、更可靠的方式获得相同轴向的成像分辨率。可利用聚焦驱动器与显微镜细聚焦机制之间的直接耦合，进一步增强聚焦可重复性，从而有助于延时成像或自动对焦应用。将PS3H122R安装到尼康、奥林巴斯、蔡司、莱卡等多种兼容显微镜上，无需拆卸，只需几分钟即可完成。

长期使用显微镜的用户中，手动旋转聚焦驱动器是导致重复性劳损的常见原因。可通过搭载Prior的PS3H122R，使用轻便摇杆或数字电位器来解决此类情况。正因如此，最近，Prior为英国大学医院部门配备了电动对焦升级设备，并通过使用摇杆上的可编程按钮，实现了更远距离的快速移动，免去了手动调焦这一操作。

独立的Z轴电动聚焦组件-Prior FB系列聚焦模块

在大学、工业设计公司或生产线中，有时使用传统的显微镜会对正在进行的研究或分析带来诸多限制。定制显微镜和基于面包板的光学设备很常见，为更高性能的电动聚焦打开了大门。Prior的FB系列聚焦模块采用滚珠丝杠，代替齿条和齿轮设计，从而提高了线性度、精度和步进分辨率。因此能实现5倍的行程范围以及传统显微镜对焦系统双倍的负载能力。最后，滚珠丝杠直接耦合到电机上，与传统的显微镜相反，聚焦系统通过对焦旋钮耦合到PS3H122R上，创建了紧凑的线性轴，可轻松安装线性编码器，进而增强分辨率和可重复性。

Prior通常会将FB系列的产品与其XY平台结合使用，形成XYZ三轴设备，用于研究以及工业。Mesolens显微镜配有透镜，从而可实现大视野和高分辨率的独特组合。光学器件的独特性质要求高性能聚焦和XY平移系统独立于整个显微镜；结合Prior过去10年对各种平台的研究，FB204能够满足这一要求，且目前已用于多款Mesolens研究显微镜。

Prior的成像系统开发平台，Openstand，也采用了聚焦模块式的Z轴。这意味着除了作为电动定制显微镜的一部分–XY平台之外，FB系列的所有优势也同样适用于整套光学系统。

用于快速获取高分辨率Z-stacks的压电纳米定位平台

然而，最终聚焦模块仅限于轴向分辨率约为100nm（取决于编码器的分辨率）的显微镜，以及以较慢速度进行较长距离的Z轴运动。由于获取Z-stacks时停止和启动这一特性，其聚焦系统需具备快加速和快减速的功能。Prior的Queensgate品牌纳米定位平台为需要轴向分辨率的高端超分辨率技术显微镜或需要快速获取Z-stacks的应用（例如3D延时成像）提供世界领先的性能优势。此类平台可添加到现有显微镜或用作定制成像解决方案的一部分。

压电电机通过精确的量膨胀来响应增加的电压，与步进电机设备相比，极大地提高了性能。Queensgate的SP系列纳米定位平台和OP400物镜定位器可在高达600微米的行程范围内提供亚纳米级的分辨率和7毫秒的步进稳定时间。这为3D图像采集提供了潜力，当三维重建时，可以在不到30秒的时间内采集400张图像。使用基于位置的硬件触发器，在Queensgate设备的位置触发之后，相机开始采集数据，获取图像，Queensgate设备独立于基于软件的相机采集，可在每个Z的位置停止，将时间减少到 4 秒。 Queensgate纳米定位设备的范围更广，Z轴硬件可与您的成像技术穿透深度和分辨率相匹配。（例如多光子成像。

得益于Queensgate SP400的速度和稳定性，总部位于英国的成像仪器公司 Visitech International，在围绕关于高速结构照明 (VT-iSIM) 超分辨率成像系统设计时，节约了大量时间。使用SP400，可在5毫秒内完成每个Z-stack中相邻位置之间的移动，无振荡，每个轴向移动都能够在相机的读出时间内完成。成像时，不会由于硬件的原因导致时间损失，因此可实现系统的快速运行。此外，由于VT-iSIM提供的300nm轴向图像分辨率，比常规宽场显微镜高两倍，所以SP400在精度和准确度方面实现了完美匹配。

为您的应用程序选择合适的对焦设备

寻找合适的组件驱动Z轴运动并不简单。Prior Scientific拥有专业知识，可满足您的技术需求，或推荐使您的系统面向未来或将其提升至更高水平的产品。以上介绍的三款产品可以为各种系统添加低、中或高精度自动对焦功能，从世界级制造商的显微镜到支持研究或新产品设计的定制系统。