CN106908943A - 一种高精密的显微镜样品实时距离及倾斜度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种高精密的显微镜样品工作距离检测及保护系统。本发明的装置包括：固定在样品上的环形机械装置，机械环引出四个顶部电极层；固定在物镜上的环形机械装置，机械环引出四个电极层；所述电容检测装置用于对光学系统移动距离的微小测量和操作。通过样品在微纳米量级的移动过程中引起的电容变化，来得到样品距离检测平台如显微物镜的实时工作距离，并在距离过于近的时候发出警示。同时多电容的分布也可用于检测样品是否倾斜，该设计测量精度高、操作简单、成本较低，是一种实用的检测方法及装置。

Description

一种高精密的显微镜样品实时距离及倾斜度测量装置

技术领域

本发明涉及显微镜领域，尤其涉及一种显微镜样品实时距离测量和样品倾斜度测量装置。

背景技术

实践中发现，显微镜使用过程中，从低倍率的物镜切换到高倍率的物镜时，物镜镜头极易碰撞载物台的基板，导致镜头或载物台的基板损坏。且经常需要样品的移动，但是在小到微米级别时，如果没有检测装置，很难实现严格的精确移动，容易发生碰撞而损坏待测样品或检测设备如显微物镜。针对该问题，现有解决方案是加强显微镜使用者培训或者是通过在显微镜周围张贴注意事项等方式提醒使用者注意，但是效果还不够理想。

电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。本发明采用极距变化，测量微小的线位移，从而达到对平台移动的严格约束，避免了碰撞和误差造成损失。使用一对电容传感器可以测量物镜与样片的距离，当使用多对电容传感器时，可以测量样片与显微物镜的相对倾斜度。

发明内容

针对现有的操作平台难以实现精确移动的问题，本发明提供一种高精密的显微镜样品实时距离及倾斜度测量装置，同时多电容的分布也可用于检测样品是否倾斜，该设计测量精度高、操作简单、成本较低，是一种实用的检测方法及装置。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高精密的显微镜样品实时距离及倾斜度测量装置，包含两个环形机械装置，分别固定在样品和物镜；

所述的两个机械环上引出四个电极层，其中两个电极的几何中心点位于机械环的一条直径上，另两个电极的几何中心点位于机械环的另一直径上，两条直径相互垂直；上下两个机械环上的电极两两相对，形成四个电容。

所述电容的上下两个电极之间电介质的介电常数为ε；

所述电极层为镀绝缘膜的电极，两相应电极层平行。

所述电介质位于两电极层之间，填满整个区域，介电常数为ε，通常为空气。

所述一种高精密的显微镜样品实时距离及倾斜度测量装置通过测量两电极层之间的电压，计算得到两电极层的电容，由公式可得：

其中：

介电常数ε为所选介质参数，通常是空气，S为两电极层的面积，可直接测得，C为两电极层间的电容，u为两电极层间电容的电压，i为电路电流，用以上公式可计算出两电极层间的距离，通过连接装置传送电脑，进行处理后反馈到操作平台，可实现对平台精确到微纳米级别的位移操作限制。

所述一种高精密的显微镜样品实时距离及倾斜度测量装置的四个电容可以测量沿两条垂直直径的四个距离，由距离可计算出样品在四个方向与物镜的距离，使得调整样品位移精确度达到微纳米级别。

本发明的上述技术方案具有如下优点：

1.电容传感器很灵敏，分辨力非常髙，能实时感受微米量级的位移。

2.本发明多电极的设计，能够对样品的倾斜度进行实时测量，也可以避免近距离时由于样品的倾斜造成的单侧碰撞。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍。

图1，装置俯视图；

图2，装置主视图；

图3，样品倾斜度示意图。

图1中，1环状机械装置，2绝缘膜，3样品，4电极层；

图2中，1样品，2绝缘膜，3电极层，4环状机械装置，5物镜。

具体实施方式

具体实施方式一：

结合图1和图2说明本具体实施方式，本实施方式所述的一种高精度的电容测距装置，它包括两个环形机械装置，两个环形机械装置分别固定在样品与物镜上，机械环装置上镀有绝缘膜，绝缘膜上固定电极层。固定在样品上的机械环上的电极层与固定在物镜机械环上的电极层正对。

电容的外加电路如下：

电源一端接在固定于物镜机械环上的电极层上，电源另一端串接电阻和电流表，电流表接固定在样品的机械环上的电极层上。电压表两端分别接在固定于物镜机械环上的电极层和固定在样品的机械环上的电极层上。

电容的电介质的介电常数为ε，两电极层面积通过测量得到为S，由公式：

其中介电常数ε为电介质参数，S为两电极层正对面积，可直接测得，d为两电极层之间距离，u是电容的电压，i是电路流过的电流。

当测量得到电容两端电压后，计算出电容，利用测量的电容量C计算得到两电极层之间的距离，即可得到样品的位移，其精度可达到微纳米级别。在得到样品位移后，即可利用电脑处理数据反馈到光学操作系统的平台，对样品进行严格的操作，避免出现碰撞造成的损失。

具体实施方式二：

在每个机械环的两条垂直直径与机械环的交点位置上镀绝缘膜，在绝缘膜上引出电极层:

当使用一对电极时，如具体实施方式一中所述，可以测量两个平面的相对距离；

当固定在样品与物镜的机械环上均有四个电极层，且固定在样片机械环上的电极层与固定在物镜机械环上的电极层两两相对，形成四个电容，且四个电容的外加电路与具体实施一中的外加电路相同，由这四个电容可测量四个方向样品与物镜的距离，调节样片的高度和倾斜度，可以使样品与物镜保持平行且距离为所需距离。

具体实施方式三：

带电极层的机械环可以通过螺纹通孔固定在样品载物台的基板靠近显微物镜的面上；也可以将电极层直接固定在绝缘的样品载物台的基板靠近显微物镜的面上。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本具体实时案例中采用四个电容器测量倾斜度，但当使用三个及三个以上电容器均属于本专利保护范围。

Claims (5)

1.一种高精密的显微镜样品实时距离及倾斜度测量装置，包括：两个环形机械装置，分别固定于样品、显微物镜上；

固定在样品上的机械环的四个点引出电极层，其中两个点位于机械环一条直径上，另两个点位于机械环的另一条直径上，所述的两条直径相互垂直，机械环的四个点位上分别镀绝缘膜，并在绝缘膜上固定电极，电极与电阻、电流表、电源串联；

固定在显微物镜上的机械环的四个点引出电极层，其中两个点位于机械环一条直径上，另两个点位于另一条直径上，两条直径相互垂直，四个位置分别镀上绝缘膜，并在绝缘膜上引出电极与电源相连，电压表两端分别连接固定在样品上的机械环的电极层和固定在物镜上的机械环的电极层；

固定在样品上的机械环的电极片和固定在显微物镜上的机械环电极片正对，形成四组电容。

2.根据权利要求1所述的一种高精密的显微镜样品实时距离及倾斜度测量装置，其特征在于，所述两电极层为导电体，两电极层中间充满均匀分布的电介质。

3.根据权利要求1所述的一种高精密的显微镜样品实时距离及倾斜度测量装置，其特征在于，所述交流电源一侧接固定在显微物镜上的机械环的电极层，电源另一侧与电流表、电阻串联在固定于样品的机械环的电极层上，电压表两极分别连接两个机械环的电极层。

4.根据权利要求1所述的一种高精密的显微镜样品实时距离及倾斜度测量装置，其特征在于，所述两个机械环上共有三对或三对以上电极，每对电极之间均有权利要求3中所述的电路。

5.根据权利要求1所述的一种高精密的显微镜样品实时距离及倾斜度测量装置，机械环的倾斜角度可以调节，使得连接在四对电极上的电压表读数接近，电流表读数接近。