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【走进压电】之【压电物镜定位器】

压电物镜定位器的命名实际由它的驱动原理及应用目的相结合而来的。“压电”指的是它的驱动原理,即利用PZT压电陶瓷来作为驱动源从而产生运动;而“物镜定位器”则是它的应用目的,即用来物镜头调节运动。但通常情况下,压电物镜定位器本身是不含有镜头的,可以根据实际使用要求带载不同类型的物镜头。

压电物镜定位器也常被称作压电物镜驱动器等。

 

什么是压电物镜定位器

压电物镜定位器是专门为物镜聚焦显微而设计的,采用无回差柔性铰链并联导向机构设计,物镜补偿量较小,具有超高聚焦稳定性,物镜定位器装入显微检测/测量或者观测装置,带动物镜聚焦进行Z向运动调节,能与多种高分辨率的显微镜配合使用,可将物镜的聚焦精度提高至纳米级。

 

压电物镜定位器的种类

压电物镜定位器一般可分为三种类型结构,即高动态型、大行程型、大负载型。

 

高动态压电物镜定位器

高动态型压电物镜定位器适用于动态操作应用,例如芯明天P72系列压电物镜定位器,它的体积小巧、结构紧凑,可实现行程100μm的位移,多种螺纹牙连接器可选,易于与其他光学显微镜等集成。

因其空载谐振频率可达350Hz,且可带载200g负载做高速精密运动,在光学扫描、共焦显微等领域得到广泛的应用。

 

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P72压电物镜定位器及其频率负载曲线图

 

大行程压电物镜定位器

通常情况下,压电物镜定位器的行程约100μm,但大行程版压电物镜定位器的行程可达1mm。例如芯明天P73系列压电物镜定位器,它的Z轴直线运动范围可选200μ、500μm和1mm。同样采用柔性铰链设计机构,无摩擦、运动直线性好且闭环定位精度高。分离式螺纹适配器设计,可适配多种型号的显微镜。

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P73压电物镜定位器及其位移范围

 

大负载型压电物镜定位器

通常,压电物镜定位器的承载能力为200g,这是根据普通物镜的重量而设计。但针对工业应用的物镜,这个承载能力是远远不够的,因为工业型物镜的重量可达500g,这就需要相应的大负载压电物镜定位器。

芯明天P76系列压电物镜定位器的设计就是为了大负载、高精度、大孔径物镜在现代高分辨率显微应用中达到超快的阶跃时间,例如晶圆切割应用。

P76系列压电物镜定位器的负载能力达500g,它兼容多光子显微和共聚焦显微应用中常用的大视场物镜。P76压电物镜定位器可匹配蔡司、尼康、奥林巴斯、徕卡等多种标准镜头。它也可以通过适配器与手动调节台相结合使用。

 

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P76压电物镜定位器及其频率负载曲线

 

压电物镜定位器的特点

 

纳米级高精度、毫秒级快速响应

压电物镜定位器的特点主要是其超高精度的运动以及超快速的响应速度。这个超高精度到底有多高呢?分辨率可≤1nm!压电物镜定位器的分辨率可高至比1纳米(nm,1nm=10^-9m)还要微小!

而超快速响应速度又是多快呢?可<1ms!从控制压电物镜定位器运动的瞬间,至压电物镜定位器运动到位移的时间,可快至1毫秒(ms,1ms=0.001s),即在千分之一秒内,就可完成一定位移的直线运动。

 

分离式螺纹适配器,便于安装

分离式螺纹适配器设计,可适配多种型号的显微镜,广泛应用于大范围显微成像、双光子显微镜等领域。

芯明天压电物镜定位器与物镜之间通过适配器连接,将物镜快速锁定在预期位置。多种螺纹牙可选,如M27×0.75、M26×0.75、M26×1/36"、M25×0.75、W0.8×1/36"等等,也可定制螺纹尺寸,便于与显微镜集成安装。可匹配蔡司、尼康、奥林巴斯、徕卡等多种标准镜头。

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可选Z轴或多轴运动及外观结构

压电物镜定位器具有单轴与多轴版本,单轴通常用在Z轴。

(注:若X向使用需在订购时备注,我公司将根据应用环境进行内部结构的调整,以适用于您的应用。)

也会有多轴版本,例如XYZ轴运动版本。

此外,对于外形结构也可根据应用设备进行定制设计。

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可选真空版

芯明天可提供定制真空版压电物镜定位器,以便于在真空环境中的显微成像操作等。真空版压电物镜定位器采用真空兼容压电陶瓷、壳体、引线等。

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压电物镜定位器有如此多的特点,主要都有哪些方面的应用呢?

 

压电物镜定位器的应用

 

芯明天压电物镜定位器的高精度以及快速响应的特点在光学系统中得到广泛应用,从显微成像、光学检测到激光材料加工,再到白光干涉调节等,都用到了压电物镜定位器

 

1. 压电物镜定位器应用于激光晶圆切割

激光晶圆切割的原理是激光经过透镜聚焦,再通过压电物镜定位器精确调整焦点的位置,使焦点准确的定位在晶圆待切割部位,使被切割部位温度急速升高,然后使之熔化或汽化。随着激光与被切割材料的相对运动,在切割材料上形成由多个点连成的切缝从而达到切割的目的。

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P76压电物镜定位器极其坚固的设计提供了非常快的稳定时间及扫描频率,即使带载几百克的物镜时。多个压电驱动器的旋转对称排列及挠曲和杠杆元件的优化设计,使它具有较高的刚度,同时保证了优异的导向精度和动态性。

芯明天压电物镜定位器已通过量产化,应用于国内多家激光切割设备厂家,为多家激光上市公司配套。

 

 

2. 压电物镜定位器用于大幅提高普通显微镜的聚焦精度

一般情况下,普通的显微镜的两侧会有粗调和微调两个手轮,随着手轮的转动,显微镜的物镜或载物台会上下运动。手轮调节非常方便,但有精度限制,微调的精度只能达到0.002mm,即2μm。而对于精度要求达到几个纳米的微调,手轮调节就变得无能为力。

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而采用芯明天科技生产的压电物镜定位器,可大幅提高显微镜成像的聚焦精度。例如,P72压电物镜定位器,体积小巧,非常易于集成。它的微调行程为100μm,而调节分辨率可达2.5nm,且装配非常简单,只需安装于物镜上方即可,如上图所示。

 

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可通过压电控制器对压电物镜定位器微调的距离进行控制,压电控制器的可变输出电压对应压电物镜定位器的零至满行程位移,两者成线性关系,通过改变压电控制器的可变输出电压的大小,即可控制压电物镜定位器的微调距离。

 

 

3. 压电物镜定位器应用于超分辨率显微成像

显微光学成像,是指透过样品或从样品反射回来的可见光,通过一个或多个透镜后得到微小样品的放大图像的技术。超分辨率(SR)显微镜是一个描述新兴光学显微镜的广泛概念,尽管常规的光学显微镜最高可实现百纳米的分辨能力,但这种超分辨率技术可实现数十纳米的更高分辨率。SR显微镜利用特定荧光探针特性分离两个紧密间隔的荧光源发出的光子,从而使它们可以分别成像,避免了衍射极限,从而可以观察细胞在纳米世界中的动态效果。

新的超分辨率技术,例如受激发射损耗显微镜,光激活定位显微镜和随机光学重建显微镜,已将分辨率从100~200nm降至更低。纳米级分辨率的压电物镜定位器非常适合这些应用。显微镜和样品架的对准要求精确、快速的移动。基于高分辨率压电陶瓷驱动的压电物镜定位器可以提供独特的超精密技术支持。

 

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4. 压电物镜定位器用于激光光刻、光盘数据存储

 

 

纳米光刻技术是制作纳米结构的基础,激光光刻是纳米光刻最主流的方式之一,特别是光子晶体,超材料的发展在很大程度上依赖于激光光刻技术的进步,纳米结构器件必将成为未来集成电路的基础。

光刻过程是指放置在电动平台上的光刻胶基片随着电动平台的转动和平移,由声光调制器控制光束的强弱对光刻胶进行变剂量曝光,通常电动平台的定位精度达到微米或亚微米量级。然而由于惯性、静摩擦、松动等所造成的电动平台螺距误差与偏移,将直接影响着系统的性能和光刻元件的质量。

在激光光刻中,芯明天的压电物镜定位器以及压电纳米定位台已成功应用。

 

 

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芯明天压电物镜定位器采用柔性铰链机构,铰链机构基于固体的弹性变形,无滚动和滑动部分,具有零摩擦、高精度的特点,并且具有很高的刚度和承载能力。更重要的是,芯明天压电物镜定位器的定位精度可达纳米级甚至亚纳米级。

芯明天压电物镜定位器以其纳米级的精度、稳定的性能、便捷的操控成为光刻机设备中扫描运动平台的理想选择。

 

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5. 压电物镜定位器用于白光干涉、3D端面检测

白光干涉技术以可见光为光源,光源发出的白光通过干涉物镜后在半透射光学平面反射一半光强,另一半光强透射后照射在量测物表面并反射再次进入干涉物镜,与原光学平面的反射光产生干涉。其中搭配芯明天P73系列压电物镜定位器,准确性高可达纳米解析度,垂直扫描高度可达1000μm。

 

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目前光纤端面检测,常用的方式是光学干涉来进行测量。光学干涉就是根据相干光在空间相遇时,在某些区域始终增强,在某些区域始终减弱,形成稳定的强弱分布。3D干涉仪系统就是根据这个原理设计的。CCD摄像头上可以观察到干涉条纹,芯明天P76压电物镜定位器用于移动干涉物镜以产生位相移动,CCD摄像头测得的图像经图像卡传送到计算机进行解析处理。就可以得到需要的测量结果。每移动一步后由CCD摄像头读取干涉条纹,根据干涉条纹的分布计算出端面形状。

 

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压电物镜定位器的应用范围非常的广泛,但原理基本类似,都是通过压电物镜定位器对镜头进行快速、高精度的步进调整,只要有物镜在的应用场景,压电物镜定位器都能为其提供更高的精度、更快的速度。

 

压电物镜定位器安装操作说明

1)安全指南

 

压电物镜定位器采用先进的技术和安全标准设计而成,为了您的自身安全及产品的正确使用,使用时请注意以下几点。

温度改变和压力都会给压电驱动器充电,与控制器断开连接的一段时间压电驱动器也会保持带电状态,所以操作者在使用时要注意: 

· 不要擅自拆卸压电物镜定位器;

· 在安装以前给压电物镜定位器进行放电,这个可以通过和控制器连接实现;

· 在操作过程中不要拔出控制器;

· 使用前首先检查本产品的连接线是否完好,产品及控制器是否进行了有效的接地保护,操作过程中应严格规范操作,上电后不要用手触碰产品(最高可达150V以上电压),以防发生危险。 

 

为了防止不当操作对产品造成损坏,使用时应注意以下几点: 

· 压电物镜定位器尽量在无尘、无油、无润滑剂的环境中使用; 

· 由于产品采用柔性结构设计,建议负载不要超过本产品的承载能力,装载时注意扭力不要过大,不要撬或扭转负载面,以免损伤结构; 

· 长期使用建议使用推荐的电压范围来驱动,一般为0~120V; 

· 请勿对产品进行拆解,以免造成产品损坏; 

· 避免拉伸和弯曲电缆接口,防止对电缆造成损坏; 

· 使用我公司提供的专用电缆连接压电物镜定位器和控制器; 

· 不能随便使用电缆延长线,如需要更长电缆请联系我司销售人员。

 

2)安装与注意事项

安装前首先要进行安全检查,如连接线有无破损、断线,驱动电源有无接地保护等。

压电物镜定位器安装步骤如下:

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1、用工具将合适的物镜适配器旋入到物镜定位器拧紧;

2、把物镜旋入到物镜适配器并拧紧;

3、把装好的物镜定位器与显微镜连接端固定好。

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注意事项:

Ø 安装过程中要注意轻拿轻放,以免损坏压电物镜定位器或者划伤和磨损物镜。

Ø 连接负载时,要求负载不要超过压电物镜定位器允许最大负载;

Ø 将产品连接线按连接器附近的标识与控制器对应接口连接起来。

 

LEMO连接头接线方式如下图所示:

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加载

连接负载请参照下面介绍的放置方式进行放置,如下图所示:

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正确施加负载方式

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错误施加负载方式,负载重心不应距离压电平台过远

 

连接物镜时注意物镜的质量不要超过物镜定位器允许最大负载,负载不要过长,否则容易出现振荡现象而损坏物镜定位器。

 

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