【走進(jìn)壓電】之【壓電物鏡定位器】
更新時(shí)間： 2022-05-26
壓電物鏡定位器的命名實(shí)際由它的驅(qū)動(dòng)原理及其應(yīng)用目的相結(jié)合而來的。“壓電”指的是它的驅(qū)動(dòng)原理，即利用PZT壓電陶瓷來作為驅(qū)動(dòng)源從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；而“物鏡定位器”則是它的應(yīng)用目的，即用來帶載物鏡頭調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)。但通常情況下，壓電物鏡定位器本身是不包含有鏡頭的，它可以根據(jù)實(shí)際使用要求帶載不同類型的物鏡頭。
壓電物鏡定位器也常被稱作壓電物鏡驅(qū)動(dòng)器等。
什么是壓電物鏡定位器？
壓電物鏡定位器是專門為物鏡聚焦顯微而設(shè)計(jì)的，采用無回差柔性鉸鏈并聯(lián)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，物鏡補(bǔ)償量較小，具有超高聚焦穩(wěn)定性，物鏡定位器裝入顯微檢測/測量或者觀測裝置，帶動(dòng)物鏡聚焦進(jìn)行Z向運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，能與多種高分辨率的顯微鏡配合使用，可將物鏡的聚焦精度提高至納米級。
壓電物鏡定位器的種類
壓電物鏡定位器一般可分為三種類型結(jié)構(gòu)，即高動(dòng)態(tài)型、大行程型、大負(fù)載型。
高動(dòng)態(tài)壓電物鏡定位器
高動(dòng)態(tài)型壓電物鏡定位器適用于動(dòng)態(tài)操作應(yīng)用，例如芯明天P72系列壓電物鏡定位器，它的體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)行程100μm的位移，多種螺紋牙連接器可選，易于與其他光學(xué)顯微鏡等集成。
因其空載諧振頻率可達(dá)350Hz，且可帶載200g負(fù)載做高速精密運(yùn)動(dòng)，在光學(xué)掃描、共焦顯微等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
P72壓電物鏡定位器及其頻率負(fù)載曲線圖
大行程壓電物鏡定位器
通常情況下，壓電物鏡定位器的行程約100μm，但大行程版壓電物鏡定位器的行程可達(dá)1mm。例如芯明天P73系列壓電物鏡定位器，它的Z軸直線運(yùn)動(dòng)范圍可選200μ、500μm和1mm。同樣采用柔性鉸鏈設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，無摩擦、運(yùn)動(dòng)直線性好且閉環(huán)定位精度高。分離式螺紋適配器設(shè)計(jì)，可適配多種型號的顯微鏡。
P73壓電物鏡定位器及其位移范圍
大負(fù)載型壓電物鏡定位器
通常，壓電物鏡定位器的承載能力為200g，這是根據(jù)普通物鏡的重量而設(shè)計(jì)。但針對工業(yè)應(yīng)用的物鏡，這個(gè)承載能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)楣I(yè)型物鏡的重量可達(dá)500g，這就需要相應(yīng)的大負(fù)載壓電物鏡定位器。
芯明天P76系列壓電物鏡定位器的設(shè)計(jì)就是為了大負(fù)載、高精度、大孔徑物鏡在現(xiàn)代高分辨率顯微應(yīng)用中達(dá)到超快的階躍時(shí)間，例如晶圓切割應(yīng)用。
P76系列壓電物鏡定位器的負(fù)載能力達(dá)500g，它兼容多光子顯微和共聚焦顯微應(yīng)用中常用的大視場物鏡。P76壓電物鏡定位器可匹配蔡司、尼康、奧林巴斯、徠卡等多種標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。它也可以通過適配器與手動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)相結(jié)合使用。
P76壓電物鏡定位器及其頻率負(fù)載曲線
壓電物鏡定位器的特點(diǎn)
納米級高精度、毫秒級快速響應(yīng)
壓電物鏡定位器的特點(diǎn)主要是其超高精度的運(yùn)動(dòng)以及超快速的響應(yīng)速度。這個(gè)超高精度到底有多高呢？分辨率可≤1nm！壓電物鏡定位器的分辨率可高至比1納米（nm，1nm=10^-9m）還要微小！
而超快速響應(yīng)速度又是多快呢？可<1ms！從控制壓電物鏡定位器運(yùn)動(dòng)的瞬間，至壓電物鏡定位器運(yùn)動(dòng)到位移的時(shí)間，可快至1毫秒（ms，1ms=0.001s），即在千分之一秒內(nèi)，就可完成一定位移的直線運(yùn)動(dòng)。
分離式螺紋適配器，便于安裝
分離式螺紋適配器設(shè)計(jì)，可適配多種型號的顯微鏡，廣泛應(yīng)用于大范圍顯微成像、雙光子顯微鏡等領(lǐng)域。
芯明天壓電物鏡定位器與物鏡之間通過適配器連接，將物鏡快速鎖定在預(yù)期位置。多種螺紋牙可選，如M27×0.75、M26×0.75、M26×1/36"、M25×0.75、W0.8×1/36"等等，也可定制螺紋尺寸，便于與顯微鏡集成安裝。可匹配蔡司、尼康、奧林巴斯、徠卡等多種標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。
可選Z軸或多軸運(yùn)動(dòng)及外觀結(jié)構(gòu)
壓電物鏡定位器具有單軸與多軸版本，單軸通常用在Z軸。
（注：若X向使用需在訂購時(shí)備注，我公司將根據(jù)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以適用于您的應(yīng)用。）
也會(huì)有多軸版本，例如XYZ軸運(yùn)動(dòng)版本。
此外，對于外形結(jié)構(gòu)也可根據(jù)應(yīng)用設(shè)備進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。
可選真空版
芯明天可提供定制真空版壓電物鏡定位器，以便于在真空環(huán)境中的顯微成像操作等。真空版壓電物鏡定位器采用真空兼容壓電陶瓷、殼體、引線等。
壓電物鏡定位器有如此多的特點(diǎn)，主要都有哪些方面的應(yīng)用呢？
壓電物鏡定位器的應(yīng)用
芯明天壓電物鏡定位器的高精度以及快速響應(yīng)的特點(diǎn)在光學(xué)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，從顯微成像、光學(xué)檢測到激光材料加工，再到白光干涉調(diào)節(jié)等，都用到了壓電物鏡定位器。
1. 壓電物鏡定位器應(yīng)用于激光晶圓切割
激光晶圓切割的原理是激光經(jīng)過透鏡聚焦，再通過壓電物鏡定位器精確調(diào)整焦點(diǎn)的位置，使焦點(diǎn)準(zhǔn)確的定位在晶圓待切割部位，使被切割部位溫度急速升高，然后使之熔化或汽化。隨著激光與被切割材料的相對運(yùn)動(dòng)，在切割材料上形成由多個(gè)點(diǎn)連成的切縫從而達(dá)到切割的目的。
P76壓電物鏡定位器極其堅(jiān)固的設(shè)計(jì)提供了非常快的穩(wěn)定時(shí)間及掃描頻率，即使帶載幾百克的物鏡時(shí)。多個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)對稱排列及撓曲和杠桿元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使它具有較高的剛度，同時(shí)保證了優(yōu)異的導(dǎo)向精度和動(dòng)態(tài)性。
芯明天壓電物鏡定位器已通過量產(chǎn)化，應(yīng)用于國內(nèi)多家激光切割設(shè)備廠家，為多家激光上市公司配套。
2. 壓電物鏡定位器用于大幅提高普通顯微鏡的聚焦精度
一般情況下，普通的顯微鏡的兩側(cè)會(huì)有粗調(diào)和微調(diào)兩個(gè)手輪，隨著手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，顯微鏡的物鏡或載物臺(tái)會(huì)上下運(yùn)動(dòng)。手輪調(diào)節(jié)非常方便，但有精度限制，微調(diào)的精度只能達(dá)到0.002mm，即2μm。而對于精度要求達(dá)到幾個(gè)納米的微調(diào)，手輪調(diào)節(jié)就變得無能為力。
而采用芯明天科技生產(chǎn)的壓電物鏡定位器，可大幅提高顯微鏡成像的聚焦精度。例如，P72壓電物鏡定位器，體積小巧，非常易于集成。它的微調(diào)行程為100μm，而調(diào)節(jié)分辨率可達(dá)2.5nm，且裝配非常簡單，只需安裝于物鏡上方即可，如上圖所示。
可通過壓電控制器對壓電物鏡定位器微調(diào)的距離進(jìn)行控制，壓電控制器的可變輸出電壓對應(yīng)壓電物鏡定位器的零至滿行程位移，兩者成線性關(guān)系，通過改變壓電控制器的可變輸出電壓的大小，即可控制壓電物鏡定位器的微調(diào)距離。
3. 壓電物鏡定位器應(yīng)用于超分辨率顯微成像
顯微光學(xué)成像，是指透過樣品或從樣品反射回來的可見光，通過一個(gè)或多個(gè)透鏡后得到微小樣品的放大圖像的技術(shù)。超分辨率（SR）顯微鏡是一個(gè)描述新興光學(xué)顯微鏡的廣泛概念，盡管常規(guī)的光學(xué)顯微鏡最高可實(shí)現(xiàn)百納米的分辨能力，但這種超分辨率技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)十納米的更高分辨率。SR顯微鏡利用特定熒光探針特性分離兩個(gè)緊密間隔的熒光源發(fā)出的光子，從而使它們可以分別成像，避免了衍射極限，從而可以觀察細(xì)胞在納米世界中的動(dòng)態(tài)效果。
新的超分辨率技術(shù)，例如受激發(fā)射損耗顯微鏡，光激活定位顯微鏡和隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡，已將分辨率從100~200nm降至更低。納米級分辨率的壓電物鏡定位器非常適合這些應(yīng)用。顯微鏡和樣品架的對準(zhǔn)要求精確、快速的移動(dòng)。基于高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的壓電物鏡定位器可以提供*的超精密技術(shù)支持。
4. 壓電物鏡定位器用于激光光刻、光盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
納米光刻技術(shù)是制作納米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，激光光刻是納米光刻最主流的方式之一，特別是光子晶體，超材料的發(fā)展在很大程度上依賴于激光光刻技術(shù)的進(jìn)步，納米結(jié)構(gòu)器件必將成為未來集成電路的基礎(chǔ)。
光刻過程是指放置在電動(dòng)平臺(tái)上的光刻膠基片隨著電動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移，由聲光調(diào)制器控制光束的強(qiáng)弱對光刻膠進(jìn)行變劑量曝光，通常電動(dòng)平臺(tái)的定位精度達(dá)到微米或亞微米量級。然而由于慣性、靜摩擦、松動(dòng)等所造成的電動(dòng)平臺(tái)螺距誤差與偏移，將直接影響著系統(tǒng)的性能和光刻元件的質(zhì)量。
在激光光刻中，芯明天的壓電物鏡定位器以及壓電納米定位臺(tái)已成功應(yīng)用。
芯明天壓電物鏡定位器采用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，鉸鏈機(jī)構(gòu)基于固體的彈性變形，無滾動(dòng)和滑動(dòng)部分，具有零摩擦、高精度的特點(diǎn)，并且具有很高的剛度和承載能力。更重要的是，芯明天壓電物鏡定位器的定位精度可達(dá)納米級甚至亞納米級。
芯明天壓電物鏡定位器以其納米級的精度、穩(wěn)定的性能、便捷的操控成為光刻機(jī)設(shè)備中掃描運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的理想選擇。
5. 壓電物鏡定位器用于白光干涉、3D端面檢測
白光干涉技術(shù)以可見光為光源，光源發(fā)出的白光通過干涉物鏡后在半透射光學(xué)平面反射一半光強(qiáng)，另一半光強(qiáng)透射后照射在量測物表面并反射再次進(jìn)入干涉物鏡，與原光學(xué)平面的反射光產(chǎn)生干涉。其中搭配芯明天P73系列壓電物鏡定位器，準(zhǔn)確性高可達(dá)納米解析度，垂直掃描高度可達(dá)1000μm。
目前光纖端面檢測，常用的方式是光學(xué)干涉來進(jìn)行測量。光學(xué)干涉就是根據(jù)相干光在空間相遇時(shí)，在某些區(qū)域始終增強(qiáng)，在某些區(qū)域始終減弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布。3D干涉儀系統(tǒng)就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。CCD攝像頭上可以觀察到干涉條紋，芯明天P76壓電物鏡定位器用于移動(dòng)干涉物鏡以產(chǎn)生位相移動(dòng)，CCD攝像頭測得的圖像經(jīng)圖像卡傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行解析處理。就可以得到需要的測量結(jié)果。每移動(dòng)一步后由CCD攝像頭讀取干涉條紋，根據(jù)干涉條紋的分布計(jì)算出端面形狀。
壓電物鏡定位器的應(yīng)用范圍非常的廣泛，但原理基本類似，都是通過壓電物鏡定位器對鏡頭進(jìn)行快速、高精度的步進(jìn)調(diào)整，只要有物鏡在的應(yīng)用場景，壓電物鏡定位器都能為其提供更高的精度、更快的速度。
壓電物鏡定位器安裝操作說明
1）安全指南
壓電物鏡定位器采用先進(jìn)的技術(shù)和安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)而成，為了您的自身安全及產(chǎn)品的正確使用，使用時(shí)請注意以下幾點(diǎn)。
溫度改變和壓力都會(huì)給壓電驅(qū)動(dòng)器充電，與控制器斷開連接的一段時(shí)間壓電驅(qū)動(dòng)器也會(huì)保持帶電狀態(tài)，所以操作者在使用時(shí)要注意：
· 不要擅自拆卸壓電物鏡定位器；
· 在安裝以前給壓電物鏡定位器進(jìn)行放電，這個(gè)可以通過和控制器連接實(shí)現(xiàn)；
· 在操作過程中不要拔出控制器；
· 使用前首先檢查本產(chǎn)品的連接線是否完好，產(chǎn)品及控制器是否進(jìn)行了有效的接地保護(hù)，操作過程中應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范操作，上電后不要用手觸碰產(chǎn)品（最高可達(dá)150V以上電壓），以防發(fā)生危險(xiǎn)。
為了防止不當(dāng)操作對產(chǎn)品造成損壞，使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
· 壓電物鏡定位器盡量在無塵、無油、無潤滑劑的環(huán)境中使用；
· 由于產(chǎn)品采用柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建議負(fù)載不要超過本產(chǎn)品的承載能力，裝載時(shí)注意扭力不要過大，不要撬或扭轉(zhuǎn)負(fù)載面，以免損傷結(jié)構(gòu)；
· 長期使用建議使用推薦的電壓范圍來驅(qū)動(dòng)，一般為0~120V；
· 請勿對產(chǎn)品進(jìn)行拆解，以免造成產(chǎn)品損壞；
· 避免拉伸和彎曲電纜接口，防止對電纜造成損壞；
· 使用我公司提供的專用電纜連接壓電物鏡定位器和控制器；
· 不能隨便使用電纜延長線，如需要更長電纜請聯(lián)系我司銷售人員。
2）安裝與注意事項(xiàng)
安裝前首先要進(jìn)行安全檢查，如連接線有無破損、斷線，驅(qū)動(dòng)電源有無接地保護(hù)等。
壓電物鏡定位器安裝步驟如下：
1、用工具將合適的物鏡適配器旋入到物鏡定位器擰緊；
2、把物鏡旋入到物鏡適配器并擰緊；
3、把裝好的物鏡定位器與顯微鏡連接端固定好。
注意事項(xiàng)：
Ø 安裝過程中要注意輕拿輕放，以免損壞壓電物鏡定位器或者劃傷和磨損物鏡。
Ø 連接負(fù)載時(shí)，要求負(fù)載不要超過壓電物鏡定位器允許最大負(fù)載；
Ø 將產(chǎn)品連接線按連接器附近的標(biāo)識與控制器對應(yīng)接口連接起來。
LEMO連接頭接線方式如下圖所示：
加載
連接負(fù)載請參照下面介紹的放置方式進(jìn)行放置，如下圖所示：
正確施加負(fù)載方式
錯(cuò)誤施加負(fù)載方式，負(fù)載重心不應(yīng)距離壓電平臺(tái)過遠(yuǎn)
連接物鏡時(shí)注意物鏡的質(zhì)量不要超過物鏡定位器允許最大負(fù)載，負(fù)載不要過長，否則容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象而損壞物鏡定位器。
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