显微镜物镜精密调焦装置的研究

吕威

摘 要：文章阐述了将T-30的旋转超声电机作为显微镜物镜的精密调焦装置的驱动元件。此外，还对显微镜的精密调焦装置的相关工作机理以及机械结构组成做了简要分析，同时还设计制作了调焦装置的相关零件，并对其做了必要的有限元分析，得出了调焦装置应该具备的理论分辨率。当然，也对调焦装置做了必要的模拟实验，从而获知了基于驱动电压信号频率的调焦分辨率变化曲线和显微镜运动位移的T变化趋势。

关键词：显微镜物镜；精密调焦；装置；技术分析

中图分类号：TH742 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）35-0190-02

目前，由于科学技术和经济社会的发展，尤其是大部分的电子设备以及精密仪器等的发展，众多行业和领域对驱动元件的标准提出了更高的要求，所以很多时候要求提高到微米、纳米级的精度。特别是压电驱动器作为微驱动目前已经在显微镜物镜的定位和扫描系统方面得到了广泛、有效的应用。文章基于显微镜物镜的精密调焦方面，把TRUM-30型旋转超声电机当作显微镜物镜精密调焦装置的关键驱动元件进行简要分析。

1 显微镜物镜的调焦装置的相关结构与机理分析

1.1 显微镜物镜调焦装置构成的分析

本文介绍的调焦装置是将T-30型的旋转超声电机作为重要的关键驱动元件，并利用垫板等材料将其安装设置在显微镜的外框左端。输出轴安装在旋转超声电机的外伸轴位置，并利用螺纹将输出轴与楔块作配合。此外，楔块可以利用导轨进行运动，导轨也是安装在外框左端，并利用螺纹做固定。显微镜物镜可利用外框顶端的螺纹在下板进行安装即可，其中下板要安装于外框右段，须将一个钢球安装于下板的通孔和楔块斜面间。其中上板则是利用左侧螺纹孔在外框进行安装和固定，右侧则安装一个法兰。实际上一个完整的精密调焦装置就是利用法兰上端的螺纹在显微镜的转换器上进行准确安装的。

1.2 显微镜物镜调焦装置的运作的相关机理分析

调焦装置的楔形滑块机构可从图1清晰的了解。其中物体A的斜面倾角为？琢，倘若A顺着X轴的正方向进行X距离的位移，而由于B物体处于X方向的自由度被制约，所以它仅仅可以顺着Y轴正方向进行位移，倘若它的移动距离是y，根据三角原理，我们可以得知y/x等于tan？琢。所以，这个机构能够使得物体运动位移方向与大小发生一定的转换，而且还能够把物体A顺着X方向的运动转换为B在Y方向的运动位移y，而且y等于x×tanα。

文章所设计制作的显微镜物镜的精密调焦装置就是运用该原理，即得TRUM-30型旋转超声电机的向外输出位移方向以及大小实现必要的转换。

完整的调焦装置的详细工作过程是这样的：将驱动信号施加于TRUM-30超声电机，而超声电机的外伸轴旋转运行，这样就会使得安装在它上面的相关输出轴也旋转运行，从而输出扭矩。输出轴是利用螺纹传动来实现楔块在导轨的运动的，并且在凹槽中进行直线运动，并且楔块还利用斜面上的钢球来使得下板获得推力从而进行竖直且向上运动，那么显微镜物镜也会随着下板的运动进行竖直向上的运动。在这个完整的过程中，外框的右端由于与下板右端利用螺钉相互联结的，所以，外框的这个整体也将会通过4个柔性铰链进行竖直向上的运动，这样有效的确保了显微镜物镜也会做竖直向上的运动。而将超声电机输出轴的旋转方向做变动，就会使得显微镜物镜整体竖直向下的平动。

文章分析的精密调焦装置中的关键的楔块，其斜面呈？琢倾角，倘若超声电机的输出轴的旋转速度为n 转每秒，当进行物镜调焦的时候，调焦装置的通电时间s秒，而使得输出轴和楔块进行配合的螺纹距是S。

那么在一个工作周期循环内，电机利用输出轴使得楔块在水平方向发生的位移是：Sx=P*m*n （A）

而显微镜物镜在竖直向上的位移是：

Sy=P*m*n*tanα （B）

其中Sy就是显微镜物镜在一个工作周期内所发生的位移距离，这其实也就是这个精密调焦装置所具备的调焦分辨率。由公式 （A）和式（B）能够清晰地得出，这个精密调焦装置的调焦精度实际上是受驱动元件的超声电机的定位精度的影响的，如果这个超声电机定位的精度能够实现纳米级别的精度，那么，在理论分析上它所驱动的精密调焦装置也能够实现纳米级别的调焦分辨率。

2 显微镜物镜的调焦装置实验研究

2.1 显微镜物镜的调焦装置实验系统

对显微镜物镜的调焦装置样机进行实验的整体系统构成可清晰看出。在整个实验进行过程中，首先在功率放大器上连接信号发生器输出端，这样能够增强超声电机的输入电压值。利用功率放大器将从信号发生器输出的电压信号做放大处理后，再利用导线将电压施加于超声电机，从而使得精密调焦装置被驱动运行起来。其中激光位移传感器是用来对物镜镜头的位移进行的，而且经由激光位移传感器所测取的相关的位移数据信息会被及时传输到计算机上，而且计算机系统会利用专业的数据信息处理软件将数据有的记录下来并作为数表输出Excel文件。

2.2 测试物镜的调焦装置的分辨率

从公式（A）和式（B）得知，这个精密调焦装置的调焦精度实际上是受驱动元件的超声电机的定位精度影响的，如果这个超声电机定位的精度能够实现纳米级别的精度，那么，在理论分析上它所驱动的精密调焦装置也能够实现纳米级别的调焦分辨率。这里将超声电机的工作电压频率设定为f，其数值在35-38 kHz范围内，而运作时的电压峰值是360V。在实验过程中，所用超声电机的转速大小会因为驱动电压频率f的提升而降低。利用激光位移传感器的测区，试验中所获取的调焦分辨率S也由于驱动电压频率发生变化，而数据变化曲线是趋于下降的。

由于驅动电压频率被提高，此时的超声电机输出轴的旋转速度则在降低，而在一个运作周期中，物镜的位移距离降低。所以，这个调焦装置的调焦分辨率Sy也会减小。

2.3 测试物镜调焦装置的整体性能

为了确定调焦装置的整体运作性能是不是非常稳定，会不会影响后期使用，本文的试验分析中通过激光位移传感器装置，对物镜镜头在6s内的位移进行了测试。整个试验采样点一共有10000个，这么多的数据点是表示物镜镜头在一个特定时刻与基准平面之间的距离，数据点代表的数值变化能够绘制出物镜镜头6s的位移变化曲线图。根据实验反复的测试能够得知，当驱动电压f是35 kHz的时候，超声电机旋转速度极快使得物镜运动变得不稳定，当驱动电压f设定为38 kHz的时候，超声电机旋转速度太慢，非常影响激光位移传感器充分测取相关数据。所以，只有将驱动电压f设定37kHz，这样会使得物镜镜头运动稳定，我们能够清晰得知，驱动电压f设定37kHz，装置工作极其平稳，而且运动均匀，物镜的位移呈近线性趋势。然后再设置另一路的驱动电压信号，改变相位，从而使超声电机输出轴得以反转。这个时候，我们就能够观察到物镜镜头6s的位移变化。

这个精密调焦装置能够使得物镜达到双向位移调节的性能，同时物镜在向相反方向位移时，它的曲线也是呈近线性，表明装置工作较为平稳，性能良好。

由以上的几个步骤的试验分析，我们可以得知，精密调焦装置所用的驱动电压频率设定为37kHz，电压峰值设定为360伏的情况下，运作状况较好，而且稳定，同时能够实现物镜双向调节，精度达到微米级别。

3 结束语

综上所述，将TRUM-30旋转超声电机作为显微镜物镜的调焦装置的关键驱动元件，在通过楔形滑块位移实现方向和大小转换从而设计了物镜精密的调焦装置。此外还进行了相关的试验分析，明确了试验方法，对精密调焦装置的样机做了一系列的测试，从而来确定该装置的工作性能，试验的最后结果充分的说明了：利用通驱动电压信号的相位的变化，能够达成精密调焦装置的精密调节。

参考文献：

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