CN104007545B - 一种显微镜物镜精密调焦装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种显微镜物镜精密调焦装置，包含显微镜物镜、外壳、上板、法兰、压电振子、导轨、支撑板、钢球和四片压电陶瓷片，压电振子头部呈水平设置的工字型、尾部呈竖直设置的楔形，显微镜物镜通过支撑板固定在外壳里，法兰通过上板固定在外壳上、且轴线与显微镜物镜的轴线重合，压电振子尾部的下端面能够在导轨上水平滑动、上端面通过钢球与支撑板相抵，通过驱动设置在压电振子上的压电陶瓷片，使得压电振子在导轨上滑动，进而带动支撑板移动，最后带动显微镜物镜上下微移。本发明可以将惯性冲击式压电驱动器输出的位移转换为显微镜物镜的位移，实现显微镜物镜微纳米级别的焦距微调。
Description
技术领域
本发明涉及压电驱动技术领域，尤其涉及一种显微镜物镜精密调焦装置。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，光学、电子、航空航天等领域都迫切需要高精度、高分辨率、控制灵活的微定位装置，用以直接进行工作或配合其它仪器设备完成高精度的微定位，微定位装置的研究和设计在越来越广的范围内得到人们的重视。传统电磁电机受限于工作原理和结构形式等原因已不能满足这些要求，这就要求研制新型的电机在某些领域代替电磁电机，压电电机就是其中一种先进的微特电机，它的出现弥补了传统电磁电机的不足。该种电机使用压电材料作为换能器件，即利用压电材料的逆压电效应激发出机械弹性体的高频振动来实现电能到机械能的转换。和传统电磁电机相比，压电电机位移分辨率高、响应快，它既可以作为驱动源来提供力或力矩，又可以用来直接驱动和控制运动平台实现高精度定位或步进功能。压电电机工作过程中不会产生电磁场且不会受到电磁场的干扰，非常适合于用在电磁等复杂环境中。同时，压电电机断电自锁、噪声小、结构设计灵活，可实现短、小、薄等的特点使得它在众多高、精、尖应用领域中成为传统电磁电机的有力补充。
当对压电陶瓷施加一定幅值的电压时，在压电材料的逆压电效应作用下，压电陶瓷就可以产生一定的变形。同时由于它的高速响应特性，如果对它施加突变电压，压电陶瓷就可以产生突变的力或位移。将压电陶瓷作为激励元件，通过施加电信号，经电—机转换的方式形成惯性冲击，也就成为惯性冲击作用产生驱动的一种方式。显微镜的物镜调焦距离和分辨率对于显微镜的观察效果有很大的影响，现有的光学显微镜其物镜调焦的分辨率一般在0.2mm左右，难以达到1um以下的精度。而压电驱动器最大的特点就是位移分辨率高，理论上可以达到无限精度，因此将压电驱动器应用于显微镜物镜的精密调焦上对于改进显微镜的观察效果具有重大的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种手动调焦分辨率达到微纳米级的显微镜物镜精密调焦装置。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种显微镜物镜精密调焦装置，包含显微镜物镜、外壳、上板、法兰、压电振子、导轨、支撑板、钢球和四片压电陶瓷片；
所述外壳包括第一侧板、第二侧板、四条连接杆和八个柔性铰链，所述第一侧板中间设有用于穿过压电振子的圆孔，所述四条连接杆分别与第一侧板的四个90角、第二侧板的四个角通过八个柔性铰链链接，所述上板固定在第一侧板的上端、其上表面与外壳的上端面平行，所述上板上设有用于安置法兰的通孔；
所述导轨设置在所述第一侧板面向第二侧板的圆孔下；
所述压电振子头部呈水平设置的工字型、尾部呈竖直设置的楔形，且尾部的下端面为水平平面、上端面为斜面，所述压电振子头部工字型的两端设有质量相同的质量块，所述压电振子尾部的下端面能够在导轨上水平滑动；
所述支撑板一端固定在所述第二侧板上，另一端的底面上设有与所述钢球相匹配的内凹球面，且通过钢球与所述压电振子尾部的上端面相抵，所述支撑板接近第二侧板的平面上设有用于旋入显微镜物镜的螺纹孔；
所述显微镜物镜外壁上设有与所述螺纹孔的内螺纹相匹配的外螺纹；
所述法兰设置在上板的通孔上，其顶端与外部显微镜转换器螺纹连接，且轴线与所述显微镜物镜的轴线重合；
所述四片压电陶瓷片分别设置在所述压电振子头部，通过导线与外部控制电路相连。
作为本发明一种显微镜物镜精密调焦装置进一步的优化方案，所述压电振子尾部的下端面以及导轨的表面粗糙度小于等于1.25um。
作为本发明一种显微镜物镜精密调焦装置进一步的优化方案，所述导轨采用黄铜制成，且底部设有圆柱形磁铁。
作为本发明一种显微镜物镜精密调焦装置进一步的优化方案，所述柔性铰链为采用线切割加工片状柔性铰链，厚度均匀。
作为本发明一种显微镜物镜精密调焦装置进一步的优化方案，所述四片压电陶瓷片通过环氧树脂粘贴在所述压电振子工字型头部用于连接两个质量块的连接板的两个侧面上。
作为本发明一种显微镜物镜精密调焦装置进一步的优化方案，所述外壳还包含第一至第三物镜侧板，所述第一至第三物镜侧板与第二侧板、支撑板组成底部开放的长方体。
作为本发明一种显微镜物镜精密调焦装置进一步的优化方案，所述压电振子尾部的上端面的斜面倾角为11°。
惯性冲击式压电驱动器输出一微小位移，位移转换装置负责将驱动器的水平运动转换为显微镜物镜在竖直方向上的运动，从而将驱动器的步距转换为显微镜物镜的步距，这样显微镜物镜的调焦分辨率可以达到跟惯性冲击式压电驱动器相同的数量级。
整个过程中显微镜物镜的启动、停止和分辨率完全由惯性冲击式压电驱动器控制，因此可以实现很好的控制精度和高分辨率。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
该装置可以实现显微镜物镜微纳米级别（<0.5um）的焦距微调，对于使用光学显微镜观察微观物体具有重大意义，弥补了手动调焦分辨率难以达到微纳米级别的缺陷。
附图说明
图1是惯性冲击式压电驱动器示意图；
图2是位移转换机构示意图；
图3是前述零件与外壳装配示意图；
图4是显微镜物镜精密调焦装置总体装配图；
图5是压电陶瓷片上施加的锯齿波电信号图；
图6是压电振子模态变形图；
图7是外壳示意图；
图8是外壳变形图。
图中，1-压电陶瓷片、
2-压电振子、3-导轨、4-钢球、5-支撑板、6-显微镜物镜、7-外壳、8-上板、9-法兰。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1至4所示，本发明公开了一种显微镜物镜精密调焦装置，包含显微镜物镜6、外壳7、上板8、法兰9、压电振子2、导轨3、支撑板5、钢球4和四片压电陶瓷片1；
所述外壳7包括第一侧板、第二侧板、四条连接杆和八个柔性铰链，所述第一侧板中间设有用于穿过压电振子2的圆孔，所述四条连接杆分别与第一侧板的四个90角、第二侧板的四个角通过八个柔性铰链链接，所述上板8固定在第一侧板的上端、其上表面与外壳的上端面平行，所述上板8上设有用于安置法兰9的通孔；
所述导轨3设置在所述第一侧板面向第二侧板的圆孔下；
所述压电振子2头部呈水平设置的工字型、尾部呈竖直设置的楔形，且尾部的下端面为水平平面、上端面为斜面，所述压电振子2头部工字型的两端设有质量相同的质量块，所述压电振子2尾部的下端面能够在导轨3上水平滑动；
所述支撑板5一端固定在所述第二侧板上，另一端的底面上设有与所述钢球4相匹配的内凹球面，且通过钢球4与所述压电振子2尾部的上端面相抵，所述支撑板5接近第二侧板的平面上设有用于旋入显微镜物镜6的螺纹孔；
所述显微镜物镜6外壁上设有与所述螺纹孔的内螺纹相匹配的外螺纹；
所述法兰9设置在上板8的通孔上，其顶端与外部显微镜转换器螺纹连接，且轴线与所述显微镜物镜6的轴线重合；
所述四片压电陶瓷片1分别设置在所述压电振子2头部，通过导线与外部控制电路相连。
所述压电振子2尾部的下端面以及导轨3的表面粗糙度小于等于1.25um。
所述导轨3采用黄铜制成，且底部设有圆柱形磁铁。
所述柔性铰链为采用线切割加工片状柔性铰链，厚度均匀。
所述四片压电陶瓷片1通过环氧树脂粘贴在所述压电振子2工字型头部用于连接两个质量块的连接板的两个侧面上。
所述外壳还包含第一至第三物镜侧板，所述第一至第三物镜侧板与第二侧板、支撑板5组成底部开放的长方体。
所述压电振子2尾部的上端面的斜面倾角为11°。
各部件具体装配及工作过程如下：
如图1所示，压电振子2头部呈水平设置的工字型、尾部呈竖直设置的楔形，且尾部的下端面为水平平面、上端面为斜面，压电振子2头部工字型的两端设有质量相同的质量块。四片压电陶瓷片1通过环氧树脂粘贴在压电振子2工字型头部用于连接两个质量块的连接板的两个侧面上，通过导线与外部控制电路相连。外部控制电路通过导线给压电陶瓷片施加电信号，从而驱动整个装置工作。外部控制电路施加的电信号波形为如图5所示的锯齿波电信号，在该电信号的激励下，四片压电陶瓷片1将产生跟电信号相同频率的振动，激发出压电振子2如图6所示的振动模态。如图6所示为压电振子2振动模态的俯视图，压电振子2振动时，工字型两端的质量块将沿着y轴方向做前后振动，产生沿着y轴方向的惯性冲击力。当锯齿波信号为a—b时，压电振子2快速弯曲，产生较大的沿y轴正方向的惯性冲击力，在该冲击力的作用下，压电振子2将沿着y轴正方向运动，其尾部将沿着y轴正方向运动一微小位移s。当锯齿波信号为b—c时，压电振子2缓慢回复到初始形状，此时产生的惯性冲击力较小，压电振子2将保持静止不动。重复上述过程，压电振子2将沿着y轴正方向做单向间歇性的直线运动,其位移分辨率为s。本专利中设计的压电振子2，通过有限元分析得出s=2um；如图2所示，支撑板5另一端的底面上设有与钢球4相匹配的内凹球面，且通过钢球4与压电振子2尾部的上端面相抵，支撑板5限制了钢球4除竖直方向以外的自由度。当压电振子2尾部沿着导轨3的凹槽沿水平方向运动位移s时，通过尾部的上端面将推动钢球4产生竖直向上的运动，上端面的斜面倾角为11°，则钢球4产生竖直向上的位移为s×tan11°= 0.4um。物镜6通过其顶端的螺纹安装在支撑板5接近第二侧板的平面上的螺纹孔内，则钢球4将推动支撑板5带动物镜6产生竖直向上的位移0.4um；如图3所示，导轨3通过一端的两个螺纹孔通过螺钉安装在所述第一侧板面向第二侧板的圆孔下，支撑板5一端固定在所述第二侧板上，则支撑板5和物镜6将和外壳7的另一端作为一个整体做竖直方向上的运动。如图7所示为外壳7的示意图，整个外壳7为一个整体结构，采用线切割加工工艺整体加工而成，其上加工有8个柔性铰链。外壳7第一侧板保持不动，因为有柔性铰链的存在，第二侧板将在支撑板5的带动下沿着竖直方向做柔性运动；外壳7具体的运动变形图如图8所示（注：为方便观察，此图对外壳变形进行了放大处理，其实际变形量仅为0.4um）；如图4所示，上板8通过一端的2个螺纹孔通过螺钉安装在外壳7的第一侧板上，法兰9通过底端的螺纹装入上板8另一端的通孔内，法兰9通过顶端的螺纹与显微镜上的转换器连接，这样整个调焦装置即安装在显微镜的转换器上。
Claims (7)
1.一种显微镜物镜精密调焦装置，其特征在于，包含显微镜物镜（6）、外壳（7）、上板（8）、法兰（9）、压电振子（2）、导轨（3）、支撑板（5）、钢球（4）和四片压电陶瓷片（1）；
所述外壳（7）包括第一侧板、第二侧板、四条连接杆和八个柔性铰链，所述第一侧板中间设有用于穿过压电振子（2）的圆孔，所述四条连接杆分别与第一侧板的四个角、第二侧板的四个角通过八个柔性铰链链接，所述上板（8）固定在第一侧板的上端、其上表面与外壳的上端面平行，所述上板（8）上设有用于安置法兰（9）的通孔；
所述导轨（3）设置在所述第一侧板面向第二侧板的圆孔下；
所述压电振子（2）头部呈水平设置的工字型、尾部呈竖直设置的楔形，且尾部的下端面为水平平面、上端面为斜面，所述压电振子（2）头部工字型的两端设有质量相同的质量块，所述压电振子（2）尾部的下端面能够在导轨（3）上水平滑动；
所述支撑板（5）一端固定在所述第二侧板上，另一端的底面上设有与所述钢球（4）相匹配的内凹球面，且通过钢球（4）与所述压电振子（2）尾部的上端面相抵，所述支撑板（5）接近第二侧板的平面上设有用于旋入显微镜物镜（6）的螺纹孔；
所述显微镜物镜（6）外壁上设有与所述螺纹孔的内螺纹相匹配的外螺纹；
所述法兰（9）设置在上板（8）的通孔上，其顶端与外部显微镜转换器螺纹连接，且轴线与所述显微镜物镜（6）的轴线重合；
所述四片压电陶瓷片（1）分别设置在所述压电振子（2）头部，通过导线与外部控制电路相连。
2.根据权利要求1所述的显微镜物镜精密调焦装置，其特征在于，所述压电振子（2）尾部的下端面以及导轨（3）的表面粗糙度小于等于1.25um。
3.根据权利要求1所述的显微镜物镜精密调焦装置，其特征在于，所述导轨（3）采用黄铜制成，且底部设有圆柱形磁铁。
4.根据权利要求1所述的显微镜物镜精密调焦装置，其特征在于，所述柔性铰链为采用线切割加工片状柔性铰链，厚度均匀。
5.根据权利要求1所述的显微镜物镜精密调焦装置，其特征在于，所述四片压电陶瓷片（1）通过环氧树脂粘贴在所述压电振子（2）工字型头部用于连接两个质量块的连接板的两个侧面上。
6.根据权利要求1所述的显微镜物镜精密调焦装置，其特征在于，所述外壳还包含第一至第三物镜侧板，所述第一至第三物镜侧板与第二侧板、支撑板（5）组成底部开放的长方体。
7.根据权利要求1所述的显微镜物镜精密调焦装置，其特征在于，所述压电振子（2）尾部的上端面的斜面倾角为11°。
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