【走進壓電】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動原理及其應用目的相結合而來的。“壓電”指的是它的驅動原理，即利用PZT壓電陶瓷來作為驅動源從而產生運動；而“物鏡定位器”則是它的應用目的，即用來帶載物鏡頭調節運動。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計的，采用無回差柔性鉸鏈并聯導向機構設計，物鏡補償量較小，具有超高聚焦穩定性，物鏡定位器裝入顯微檢測/測量或者觀測裝置，帶動物鏡聚焦進行Z向運動調節，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構，即高動態型、大行程型、大負載型。
高動態壓電物鏡定位器
高動態型壓電物鏡定位器適用于動態操作應用，例如芯明天P72系列壓電物鏡定位器，它的體積小巧、結構緊湊，可實現行程100μm的位移，多種螺紋牙連接器可選，易于與其他光學顯微鏡等集成。
因其空載諧振頻率可達350Hz，且可帶載200g負載做高速精密運動，在光學掃描、共焦顯微等領域得到廣泛的應用。
P72壓電物鏡定位器及其頻率負載曲線圖
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1mm。例如芯明天P73系列壓電物鏡定位器，它的Z軸直線運動范圍可選200μ、500μm和1mm。同樣采用柔性鉸鏈設計機構，無摩擦、運動直線性好且閉環定位精度高。分離式螺紋適配器設計，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，這是根據普通物鏡的重量而設計。但針對工業應用的物鏡，這個承載能力是遠遠不夠的，因為工業型物鏡的重量可達500g，這就需要相應的大負載壓電物鏡定位器。
芯明天P76系列壓電物鏡定位器的設計就是為了大負載、高精度、大孔徑物鏡在現代高分辨率顯微應用中達到超快的階躍時間，例如晶圓切割應用。
P76系列壓電物鏡定位器的負載能力達500g，它兼容多光子顯微和共聚焦顯微應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、徠卡等多種標準鏡頭。它也可以通過適配器與手動調節臺相結合使用。
P76壓電物鏡定位器及其頻率負載曲線
壓電物鏡定位器的特點
納米級高精度、毫秒級快速響應
壓電物鏡定位器的特點主要是其超高精度的運動以及超快速的響應速度。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）還要微小！
而超快速響應速度又是多快呢？可<1ms！從控制壓電物鏡定位器運動的瞬間，至壓電物鏡定位器運動到位移的時間，可快至1毫秒（ms，1ms=0.001s），即在千分之一秒內，就可完成一定位移的直線運動。
分離式螺紋適配器，便于安裝
分離式螺紋適配器設計，可適配多種型號的顯微鏡，廣泛應用于大范圍顯微成像、雙光子顯微鏡等領域。
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、徠卡等多種標準鏡頭。
可選Z軸或多軸運動及外觀結構
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，我公司將根據應用環境進行內部結構的調整，以適用于您的應用。）
也會有多軸版本，例如XYZ軸運動版本。
此外，對于外形結構也可根據應用設備進行定制設計。
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，主要都有哪些方面的應用呢？
壓電物鏡定位器的應用
芯明天壓電物鏡定位器的高精度以及快速響應的特點在光學系統中得到廣泛應用，從顯微成像、光學檢測到激光材料加工，再到白光干涉調節等，都用到了壓電物鏡定位器。
1. 壓電物鏡定位器應用于激光晶圓切割
激光晶圓切割的原理是激光經過透鏡聚焦，再通過壓電物鏡定位器精確調整焦點的位置，使焦點準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動，在切割材料上形成由多個點連成的切縫從而達到切割的目的。
P76壓電物鏡定位器極其堅固的設計提供了非常快的穩定時間及掃描頻率，即使帶載幾百克的物鏡時。多個壓電驅動器的旋轉對稱排列及撓曲和杠桿元件的優化設計，使它具有較高的剛度，同時保證了優異的導向精度和動態性。
芯明天壓電物鏡定位器已通過量產化，應用于國內多家激光切割設備廠家，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會有粗調和微調兩個手輪，隨著手輪的轉動，顯微鏡的物鏡或載物臺會上下運動。手輪調節非常方便，但有精度限制，微調的精度只能達到0.002mm，即2μm。而對于精度要求達到幾個納米的微調，手輪調節就變得無能為力。
而采用芯明天科技生產的壓電物鏡定位器，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。它的微調行程為100μm，而調節分辨率可達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的距離進行控制，壓電控制器的可變輸出電壓對應壓電物鏡定位器的零至滿行程位移，兩者成線性關系，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距離。
3. 壓電物鏡定位器應用于超分辨率顯微成像
顯微光學成像，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。超分辨率（SR）顯微鏡是一個描述新興光學顯微鏡的廣泛概念，盡管常規的光學顯微鏡最高可實現百納米的分辨能力，但這種超分辨率技術可實現數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，從而可以觀察細胞在納米世界中的動態效果。
新的超分辨率技術，例如受激發射損耗顯微鏡，光激活定位顯微鏡和隨機光學重建顯微鏡，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用。顯微鏡和樣品架的對準要求精確、快速的移動。基于高分辨率壓電陶瓷驅動的壓電物鏡定位器可以提供*的超精密技術支持。
4. 壓電物鏡定位器用于激光光刻、光盤數據存儲
納米光刻技術是制作納米結構的基礎，激光光刻是納米光刻最主流的方式之一，特別是光子晶體，超材料的發展在很大程度上依賴于激光光刻技術的進步，納米結構器件必將成為未來集成電路的基礎。
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動和平移，由聲光調制器控制光束的強弱對光刻膠進行變劑量曝光，通常電動平臺的定位精度達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，將直接影響著系統的性能和光刻元件的質量。
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用。
芯明天壓電物鏡定位器采用柔性鉸鏈機構，鉸鏈機構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、穩定的性能、便捷的操控成為光刻機設備中掃描運動平臺的理想選擇。
5. 壓電物鏡定位器用于白光干涉、3D端面檢測
白光干涉技術以可見光為光源，光源發出的白光通過干涉物鏡后在半透射光學平面反射一半光強，另一半光強透射后照射在量測物表面并反射再次進入干涉物鏡，與原光學平面的反射光產生干涉。其中搭配芯明天P73系列壓電物鏡定位器，準確性高可達納米解析度，垂直掃描高度可達1000μm。
目前光纖端面檢測，常用的方式是光學干涉來進行測量。光學干涉就是根據相干光在空間相遇時，在某些區域始終增強，在某些區域始終減弱，形成穩定的強弱分布。3D干涉儀系統就是根據這個原理設計的。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生位相移動，CCD攝像頭測得的圖像經圖像卡傳送到計算機進行解析處理。就可以得到需要的測量結果。每移動一步后由CCD攝像頭讀取干涉條紋，根據干涉條紋的分布計算出端面形狀。
壓電物鏡定位器的應用范圍非常的廣泛，但原理基本類似，都是通過壓電物鏡定位器對鏡頭進行快速、高精度的步進調整，只要有物鏡在的應用場景，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的技術和安全標準設計而成，為了您的自身安全及產品的正確使用，使用時請注意以下幾點。
溫度改變和壓力都會給壓電驅動器充電，與控制器斷開連接的一段時間壓電驅動器也會保持帶電狀態，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行放電，這個可以通過和控制器連接實現；
· 在操作過程中不要拔出控制器；
· 使用前首先檢查本產品的連接線是否完好，產品及控制器是否進行了有效的接地保護，操作過程中應嚴格規范操作，上電后不要用手觸碰產品（最高可達150V以上電壓），以防發生危險。
為了防止不當操作對產品造成損壞，使用時應注意以下幾點：
· 壓電物鏡定位器盡量在無塵、無油、無潤滑劑的環境中使用；
· 由于產品采用柔性結構設計，建議負載不要超過本產品的承載能力，裝載時注意扭力不要過大，不要撬或扭轉負載面，以免損傷結構；
· 長期使用建議使用推薦的電壓范圍來驅動，一般為0~120V；
· 請勿對產品進行拆解，以免造成產品損壞；
· 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系我司銷售人員。
2）安裝與注意事項
安裝前首先要進行安全檢查，如連接線有無破損、斷線，驅動電源有無接地保護等。
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：
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 連接負載時，要求負載不要超過壓電物鏡定位器允許最大負載；
Ø 將產品連接線按連接器附近的標識與控制器對應接口連接起來。
LEMO連接頭接線方式如下圖所示：
加載
連接負載請參照下面介紹的放置方式進行放置，如下圖所示：
正確施加負載方式
錯誤施加負載方式，負載重心不應距離壓電平臺過遠
連接物鏡時注意物鏡的質量不要超過物鏡定位器允許最大負載，負載不要過長，否則容易出現振蕩現象而損壞物鏡定位器。
