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【走進(jìn)壓電】之【壓電物鏡定位器】

更新時間: 2022-05-26

壓電物鏡定位器的命名實際由它的驅(qū)動原理及應(yīng)用目的相結(jié)合而來的。“壓電”指的是它的驅(qū)動原理,即利用PZT壓電陶瓷來作為驅(qū)動源從而產(chǎn)生運(yùn)動;而“物鏡定位器”則是它的應(yīng)用目的,即用來物鏡頭調(diào)節(jié)運(yùn)動。但通常情況下,壓電物鏡定位器本身是不含有鏡頭的,可以根據(jù)實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)計的,采用無回差柔性鉸鏈并聯(lián)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計,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,帶動物鏡聚焦進(jìn)行Z向運(yùn)動調(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),即高動態(tài)型、大行程型、大負(fù)載型。

 

高動態(tài)壓電物鏡定位器

高動態(tài)型壓電物鏡定位器適用于動態(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,在光學(xué)掃描、共焦顯微等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

 

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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)動范圍可選200μ、500μm和1mm。同樣采用柔性鉸鏈設(shè)計機(jī)構(gòu),無摩擦、運(yùn)動直線性好且閉環(huán)定位精度高。分離式螺紋適配器設(shè)計,可適配多種型號的顯微鏡。

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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。但針對工業(yè)應(yīng)用的物鏡,這個承載能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,因為工業(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調(diào)節(jié)臺相結(jié)合使用。

 

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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

 

納米級高精度、毫秒級快速響應(yīng)

壓電物鏡定位器的特點主要是其超高精度的運(yùn)動以及超快速的響應(yīng)速度。這個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?。?/span>

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)動的瞬間,至壓電物鏡定位器運(yùn)動到位移的時間,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。

 

分離式螺紋適配器,便于安裝

分離式螺紋適配器設(shè)計,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??善ヅ洳趟?、尼康、奧林巴斯、徠卡等多種標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。

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可選Z軸或多軸運(yùn)動及外觀結(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。)

也會有多軸版本,例如XYZ軸運(yùn)動版本。

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。

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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。

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壓電物鏡定位器有如此多的特點,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)整焦點的位置,使焦點準(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,在切割材料上形成由多個點連成的切縫從而達(dá)到切割的目的。

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P76壓電物鏡定位器極其堅固的設(shè)計提供了非常快的穩(wěn)定時間及掃描頻率,即使帶載幾百克的物鏡時。多個壓電驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)對稱排列及撓曲和杠桿元件的優(yōu)化設(shè)計,使它具有較高的剛度,同時保證了優(yōu)異的導(dǎo)向精度和動態(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)會有粗調(diào)和微調(diào)兩個手輪,隨著手輪的轉(zhuǎn)動,顯微鏡的物鏡或載物臺會上下運(yùn)動。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)到幾個納米的微調(diào),手輪調(diào)節(jié)就變得無能為力。

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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。

 

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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,通過一個或多個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)顯微鏡最高可實現(xiàn)百納米的分辨能力,但這種超分辨率技術(shù)可實現(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?;诟叻直媛蕢弘娞沾沈?qū)動的壓電物鏡定位器可以提供*的超精密技術(shù)支持。

 

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4. 壓電物鏡定位器用于激光光刻、光盤數(shù)據(jù)存儲

 

 

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平臺上的光刻膠基片隨著電動平臺的轉(zhuǎn)動和平移,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,通常電動平臺的定位精度達(dá)到微米或亞微米量級。然而由于慣性、靜摩擦、松動等所造成的電動平臺螺距誤差與偏移,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已成功應(yīng)用。

 

 

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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,無滾動和滑動部分,具有零摩擦、高精度的特點,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)動平臺的理想選擇。

 

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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。

 

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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,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)這個原理設(shè)計的。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干涉物鏡以產(chǎn)生位相移動,CCD攝像頭測得的圖像經(jīng)圖像卡傳送到計算機(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)干涉條紋的分布計算出端面形狀。

 

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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)計而成,為了您的自身安全及產(chǎn)品的正確使用,使用時請注意以下幾點。

溫度改變和壓力都會給壓電驅(qū)動器充電,與控制器斷開連接的一段時間壓電驅(qū)動器也會保持帶電狀態(tài),所以操作者在使用時要注意: 

· 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,這個可以通過和控制器連接實現(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。 

 

為了防止不當(dāng)操作對產(chǎn)品造成損壞,使用時應(yīng)注意以下幾點: 

· 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,建議負(fù)載不要超過本產(chǎn)品的承載能力,裝載時注意扭力不要過大,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,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

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)動電源有無接地保護(hù)等。

壓電物鏡定位器安裝步驟如下:

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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。

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注意事項:

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,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:

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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:

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正確施加負(fù)載方式

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錯誤施加負(fù)載方式,負(fù)載重心不應(yīng)距離壓電平臺過遠(yuǎn)

 

連接物鏡時注意物鏡的質(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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