本发明涉及机器视觉成像或电镜扫描
技术领域：
，具体涉及一种物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构。
背景技术：
：在机器视觉成像或电镜扫描领域中，焦距的调整通基本都是通过调节物镜和相机在垂直方向的高度来实现的。现有的物镜和相机调焦机构大多都存在机构复杂，体积较大，位移速度慢，精确度不高，成像效果差等问题，从而导致检测结果准确度不高，这也是一直困扰机器视觉成像或电镜扫描行业的问题之一。目前，市面上虽然也出现了一些可以实现高频高精位移的物镜和相机调焦机构，但其明显的缺点就是物镜轮的负载能力较差，且不能偏心承重。因此为了确保能够高频高精的调焦，物镜轮上通常只能配备单物镜或双物镜。这就使得在样本检测时，需要工作人员频繁手动更换物镜来完成作业，操作较为繁琐，检测效率低下。技术实现要素：针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，在增大物镜轮负载能力的同时，确保物镜依旧能在有效距离内实现高频高精的位移。为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：一种物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，包括z轴基座组件、z轴升降粗调组件、z轴悬臂组件、z轴升降精调组件、扫描相机组件、物镜调平组件和物镜轮组件；所述z轴悬臂组件通过所述z轴升降粗调组件可升降地安装在所述z轴基座组件上，所述物镜调平组件设置在所述z轴悬臂组件的上表面，所述扫描相机组件通过所述物镜调平组件平行度可调地设置在所述z轴悬臂组件的相机组件避让孔中；所述z轴升降精调组件由z轴升降精调组件安装板、笔型压电陶瓷堆位移装置、笔型压电陶瓷堆位移装置吊架、物镜轮安装支架和z轴升降精调直线滑轨组成，所述z轴升降精调组件安装板通过所述物镜调平组件竖直地设置在所述z轴悬臂组件的相机组件避让孔中，所述物镜轮安装支架通过所述z轴升降精调直线滑轨可升降地安装在所述z轴升降精调组件安装板的前表面，所述笔型压电陶瓷堆位移装置吊架固定在所述z轴升降精调组件安装板的顶部，所述笔型压电陶瓷堆位移装置的顶端与所述笔型压电陶瓷堆位移装置吊架固定连接，所述笔型压电陶瓷堆位移装置的底端与所述物镜轮安装支架固定连接；所述物镜轮组件由物镜轮、物镜轮旋转件、物镜轮旋转驱动电机、物镜轮旋转驱动电机连接板、物镜轮旋转同步带轮和物镜组成，所述物镜轮通过所述物镜轮旋转件可转动地设置在所述物镜轮安装支架的底部，所述物镜轮上设置有1-5个所述物镜，所述物镜轮旋转驱动电机连接板的一端与所述物镜轮旋转件固定连接，所述物镜轮旋转驱动电机连接板的另一端与所述物镜轮旋转驱动电机固定连接，所述物镜轮旋转驱动电机通过所述物镜轮旋转驱动电机连接板设置在所述物镜轮的一侧，且所述物镜轮旋转驱动电机通过所述物镜轮旋转同步带轮与所述物镜轮传动连接，所述物镜通过所述物镜轮的转动实现在所述扫描相机组件的镜头下方的切换。进一步的，所述z轴升降粗调组件由z轴升降粗调步进电机、电机安装支架、滚珠丝杠、滚珠丝杠安装板、z轴升降粗调直线滑轨和z轴悬臂组件安装板组成，所述滚珠丝杠安装板固定在所述z轴基座组件的立板上，所述滚珠丝杠竖直地设置在所述滚珠丝杠安装板前表面的中部，两条所述z轴升降粗调直线滑轨分别竖直地设置在所述滚珠丝杠安装板前表面的左右两侧，所述z轴升降粗调步进电机通过所述电机安装支架设置在所述滚珠丝杠安装板的顶端，且所述z轴升降粗调步进电机与所述滚珠丝杠的顶端传动连接，所述的z轴悬臂组件安装板后表面同时与所述滚珠丝杠上的螺母以及两条所述z轴升降粗调直线滑轨上的滑块固定连接。进一步的，所述笔型压电陶瓷堆位移装置包括抗压筒、压电陶瓷堆栈、上边盖帽、下螺帽、受力螺母、受力螺母转接件和弹簧；所述抗压筒呈直管状，所述压电陶瓷堆栈呈杆状或棍状，所述压电陶瓷堆栈长度可变地设置在所述抗压筒中，所述上边盖帽设置在所述抗压筒的顶部端口，且所述上边盖帽的内侧面与所述压电陶瓷堆栈的顶部固定连接，所述下螺帽设置在所述抗压筒的底部端口，所述受力螺母可伸缩的设置在所述下螺帽中，所述受力螺母的输出端位于所述抗压筒的外部，所述受力螺母的输入端位于所述抗压筒的内部；所述受力螺母转接件和所述弹簧均设置在所述抗压筒的内部，其中，所述受力螺母转接件的上端与所述压电陶瓷堆栈的底部固定连接，所述受力螺母转接件的下端与所述受力螺母的输入端固定连接，所述弹簧的上端与所述受力螺母转接件的下端接触，所述弹簧的下端与所述下螺帽的内壁底面接触。进一步的，所述笔型压电陶瓷堆位移装置的位移频率为600hz/s，有效位移距离为110μm，步进精度为0.1μm，最大负载力为400n。进一步的，所述笔型压电陶瓷堆位移装置的驱动电压范围为0-150v，且150v的阻力为1000n。进一步的，所述压电陶瓷堆栈的尺寸为5.2mm×7.1mm×100mm。进一步的，所述弹簧为多个串联在一起的碟形弹簧。进一步的，所述弹簧为4个串联的碟形弹簧。进一步的，所述物镜调平组件由相机组件安装板、调平压块、压紧螺丝、高度固定件和两个高度调节件组成，所述相机组件安装板的中部设置有用于安装所述z轴升降精调组件和避让所述扫描相机组件的镂空结构，所述相机组件安装板的边框上设计有原点、第一支点和第二支点，所述原点与所述第一支点、所述第二支点在所述相机组件安装板的平面上构成一个三角形，所述调平压块呈c型结构，所述调平压块与所述相机组件安装板的上表面固定连接，且所述调平压块位于所述原点与所述第一支点、所述第二支点所构成的三角形内；所述高度固定件设置在所述原点处，两个所述高度调节件分别设置在所述第一支点和所述第二支点处，所述压紧螺丝设置在所述调平压块上，所述相机组件安装板通过所述高度固定件和两个所述高度调节件水平度可调地设置在所述z轴悬臂组件的上表面，并通过所述压紧螺丝锁紧固定。进一步的，所述高度固定件为钢珠，两个所述高度调节件均为顶丝，所述钢珠嵌设在所述相机组件安装板下表面的所述原点对应处与所述z轴悬臂组件上表面的所述原点对应处之间，两个所述顶丝分别设置在所述调平压块上的所述第一支点和所述第二支点对应处，且两个所述顶丝均向下穿过所述相机组件安装板后与所述z轴悬臂组件的上表面接触。进一步的，所述第一支点、所述第二支点尽可能的靠近所述相机组件安装板的边框外缘。进一步的，所述扫描相机组件由扫描相机、扫描相机安装支架和扫描相机限位板组成，所述扫描相机通过所述扫描相机安装支架镜头朝下地设置在所述相机调平组件的所述相机组件安装板中部镂空结构中，所述扫描相机限位板设置在所述相机组件安装板的前部上表面，所述扫描相机限位板与所述笔型压电陶瓷堆位移装置吊架在前后两侧对所述扫描相机起到进一步限位作用。进一步的，所述物镜分为干物镜和湿物镜。进一步的，所述物镜轮安装支架上设置有一根竖直向下的弹性加油嘴，所述物镜轮的外缘设置有一圈用于调节所述弹性加油嘴与所述物镜之间位置关系的凸轮板，所述凸轮板由外凸弧边和内凹弧边组成，所述外凸弧边的位置与所述干物镜的位置相对应，所述内凹弧边的位置与所述湿物镜的位置相对应，当所述弹性加油嘴与所述外凸弧边接触时，所述弹性加油嘴的油嘴远离所述干物镜，当所述弹性加油嘴与所述内凹弧边接触时，所述弹性加油嘴的出油口贴近所述湿物镜。进一步的，所述弹性加油嘴通过加油管及油泵与油瓶连接，所述油瓶则安装在z轴基座组件的立板上。进一步的，所述z轴悬臂组件的前端设置有用于拍摄玻片样本区和标识区的全局相机以及用于给所述全局相机提供照明的前侧光源。本发明的有益效果为：1、本发明具有粗调和精调兼备的调焦功能，操作简便，可自动调焦，且z轴升降精调组件的负载能力强，位移频率快，步进精确，不仅可以通过物镜轮同时带动5个物镜上下移动，而且在大负载的情况下，还能够确保物镜在一定有效范围内实现纳米级的防抖动精确位移，保证了成像效果和检测结果的准确性，从而完全可以满足配备有多个物镜且对物镜位移精度要求较高的电子显微镜的使用需求。2、本发明的z轴升降精调组件采用自主研发的笔型压电陶瓷堆位移装置，该笔型压电陶瓷堆位移装置通过优化结构及工作状态，提高能量的转换效率，改善输出方式，完善材料的利用率，极大地改善了现有z轴升降精调组件的自身缺陷，同时使得本发明的z轴升降精调组件具有了负载能力强，位移频率快，步进精确，可偏心承重，体积小巧，操作便捷，实用性强等优点。3、本发明z轴升降精调组件同时具有偏心承重的能力，因此可以通过偏置的物镜轮旋转电机驱动物镜轮转动，从而在大负载的情况下，实现多个物镜的自由切换，也方便了样本检测时的操作。4、本发明在具有负载能力足，位移频率快，步进精确，可偏心承重等特性的同时，还具有体积小巧，结构紧凑，制造成本低等优点，可以在保证电子显微镜性能的同时，尽可能的减小整台电子显微镜设备的占用空间。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。附图说明此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明的整体结构的立体图；图2为本发明的整体结构的爆炸图；图3为本发明中的z轴升降精调组件的局部放大图；图4为本发明中的物镜轮组件的局部放大图；图5为本发明中的z轴升降粗调组件的局部放大图；图6为本发明中的笔型压电陶瓷堆位移装置的爆炸图；图7为本发明中的物镜调平组件的局部放大图；图8为本发明中的扫描相机组件的局部放大图。具体实施方式下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。此处所作说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。参见图1-2所示，一种物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，包括z轴基座组件1、z轴升降粗调组件2、z轴悬臂组件3、z轴升降精调组件4、扫描相机组件5、物镜调平组件6和物镜轮组件7；所述z轴悬臂组件3通过所述z轴升降粗调组件2可升降地安装在所述z轴基座组件1上，所述物镜调平组件6设置在所述z轴悬臂组件3的上表面，所述扫描相机组件5通过所述物镜调平组件6平行度可调地设置在所述z轴悬臂组件3的相机组件避让孔中；参见图3所示，所述z轴升降精调组件4由z轴升降精调组件安装板401、笔型压电陶瓷堆位移装置402、笔型压电陶瓷堆位移装置吊架403、物镜轮安装支架404和z轴升降精调直线滑轨组成，所述z轴升降精调组件安装板401通过所述物镜调平组件6竖直地设置在所述z轴悬臂组件3的相机组件避让孔中，所述物镜轮安装支架404通过所述z轴升降精调直线滑轨可升降地安装在所述z轴升降精调组件安装板401的前表面，所述笔型压电陶瓷堆位移装置吊架403固定在所述z轴升降精调组件安装板401的顶部，所述笔型压电陶瓷堆位移装置402的顶端与所述笔型压电陶瓷堆位移装置吊架403固定连接，所述笔型压电陶瓷堆位移装置402的底端与所述物镜轮安装支架404固定连接；参见图4所示，所述物镜轮组件7由物镜轮701、物镜轮旋转件702、物镜轮旋转驱动电机703、物镜轮旋转驱动电机连接板704、物镜轮旋转同步带轮705和物镜706组成，所述物镜轮701通过所述物镜轮旋转件702可转动地设置在所述物镜轮安装支架404的底部，所述物镜轮701上设置有1-5个所述物镜706，所述物镜轮旋转驱动电机连接板704的一端与所述物镜轮旋转件702固定连接，所述物镜轮旋转驱动电机连接板704的另一端与所述物镜轮旋转驱动电机703固定连接，所述物镜轮旋转驱动电机703通过所述物镜轮旋转驱动电机连接板704设置在所述物镜轮701的一侧，且所述物镜轮旋转驱动电机703通过所述物镜轮旋转同步带轮705与所述物镜轮701传动连接，所述物镜706通过所述物镜轮701的转动实现在所述扫描相机组件5的镜头下方的切换。进一步的，参见图5所示，所述z轴升降粗调组件2由z轴升降粗调步进电机201、电机安装支架202、滚珠丝杠203、滚珠丝杠安装板204、z轴升降粗调直线滑轨205和z轴悬臂组件安装板206组成，所述滚珠丝杠安装板204固定在所述z轴基座组件1的立板上，所述滚珠丝杠203竖直地设置在所述滚珠丝杠安装板204前表面的中部，两条所述z轴升降粗调直线滑轨205分别竖直地设置在所述滚珠丝杠安装板204前表面的左右两侧，所述z轴升降粗调步进电机201通过所述电机安装支架202设置在所述滚珠丝杠安装板204的顶端，且所述z轴升降粗调步进电机201与所述滚珠丝杠203的顶端传动连接，所述的z轴悬臂组件安装板206后表面同时与所述滚珠丝杠203上的螺母以及两条所述z轴升降粗调直线滑轨205上的滑块固定连接。进一步的，参见图6所示，所述笔型压电陶瓷堆位移装置402包括抗压筒4021、压电陶瓷堆栈4022、上边盖帽4023、下螺帽4024、受力螺母4025、受力螺母转接件4026和弹簧4027；所述抗压筒4021呈直管状，所述压电陶瓷堆栈4022呈杆状或棍状，所述压电陶瓷堆栈4022长度可变地设置在所述抗压筒4021中，所述上边盖帽4023设置在所述抗压筒4021的顶部端口，且所述上边盖帽4023的内侧面与所述压电陶瓷堆栈4022的顶部固定连接，所述下螺帽4024设置在所述抗压筒4021的底部端口，所述受力螺母4025可伸缩的设置在所述下螺帽4024中，所述受力螺母4025的输出端位于所述抗压筒4021的外部，所述受力螺母4025的输入端位于所述抗压筒4021的内部；所述受力螺母转接件4026和所述弹簧4027均设置在所述抗压筒4021的内部，其中，所述受力螺母转接件4026的上端与所述压电陶瓷堆栈4022的底部固定连接，所述受力螺母转接件4026的下端与所述受力螺母4025的输入端固定连接，所述弹簧4027的上端与所述受力螺母转接件4026的下端接触，所述弹簧4027的下端与所述下螺帽4024的内壁底面接触。进一步的，所述笔型压电陶瓷堆位移装置402的位移频率为600hz/s，有效位移距离为110μm，步进精度为0.1μm，最大负载力为400n。进一步的，所述弹簧4027为多个串联在一起的碟形弹簧。进一步的，所述弹簧4027为4个串联的碟形弹簧。进一步的，所述笔型压电陶瓷堆位移装置402的驱动电压范围为0-150v，且150v的阻力为1000n。进一步的，所述压电陶瓷堆栈4022的尺寸为5.2mm×7.1mm×100mm。本发明对笔型压电陶瓷堆位移装置402进行了如下性能测试：本发明在物镜轮701装有五个物镜706的负载情况下，分别测试了步长2、步长3、步长4和步长5这四个运动步长的运动精度，并且每个步长中又分别测试了200hz、150hz、125hz、100hz、75hz、50hz这6种运动频率下不同目标位置的运动精度。步长和目标位置的单位均为光栅尺刻度，每个值的物理长度为0.1μm。也就是说，步长2的步进距离为0.2μm，步长3的步进距离为0.3μm，步长4的步进距离0.4μm，步长5的步进距离为0.5μm。当一个步长的运动精度测试完毕后，镜轮旋转驱动电机703就驱动物镜轮701转动一个物镜的角度，然后继续进行下一个步长的运动精度测试。精度测试的结果如表1-1至表4-2所示。表1-1目标位置200hz150hz125hz100hz75hz50hz运动误差200hz150hz125hz100hz75hz50hz000000000000022111110-1-1-1-1-14233333-2-1-1-1-1-16555555-1-1-1-1-1-18577777-3-1-1-1-1-110999999-1-1-1-1-1-11291111111111-3-1-1-1-1-114131313131313-1-1-1-1-1-116141515151515-2-1-1-1-1-11818181717181800-1-10020181919192020-2-1-1-1002222222122222200-100024232424242424-10000026262626252626000-10028272727272828-1-1-1-100303029292930300-1-1-10032303131323231-2-1-100-1343433333434340-1-100036343535363536-2-1-10-103838383838383800000040394040404040-1000004242424242424200000044434443444444-10-10004646464646464600000048474847484848-10-1000505049505050500-1000052515251525252-10-10005454545354545400-100056555655565656-10-1000585857575858580-1-100060596059596060-10-1-1006262626162626200-100064636464646464-1000006666666566666600-100068676768686868-1-100007070706970707000-100072717271727272-10-1000747473747474740-10000表1-2目标位置200hz150hz125hz100hz75hz50hz运动误差200hz150hz125hz100hz75hz50hz76757676767676-1000007878787878787800000080797980808080-1-100008282828282828200000084838484848484-1000008686868686868600000088878887888888-10-1000909089899090900-1-100092919291929292-10-10009494949494949400000096959695969696-10-1000989898989898980000001009910099100100100-10-1000102102102102102102102000000104103104104104104104-1000001061061051061061061060-10000108107108108108108108-100000110110110110110110110000000112111112112112112112-100000114114114114114114114000000116115116116116116116-100000118118118118118118118000000120119120119120120120-10-100012212212212112212212200-1000124123124123124124124-10-100012612612612512612612600-1000128127128128128128128-100000130130130130130130130000000132131132132132132132-100000134134134134134134134000000136135136136136136136-100000138138138138138138138000000140139140140140140140-100000142142142142142142142000000144143144144144144144-100000146146146146146146146000000148147148148148148148-100000150150150150150150150000000表1-1表示在第一个物镜位置下，设定运动步长为步长2(0.2μm)时，本发明笔型压电陶瓷堆位移装置在目标位置0-74之间的运动误差结果；表1-2表示在第一个物镜位置下，设定运动步长为步长2(0.2μm)时，本发明笔型压电陶瓷堆位移装置在目标位置76-150之间的运动误差结果。表2-1目标位置200hz150hz125hz100hz75hz50hz运动误差200hz150hz125hz100hz75hz00000000000033222220-1-1-1-16355545-3-1-1-1-29887888-1-1-2-1-11281110111111-4-1-2-1-115141414141414-1-1-1-1-118141717171717-4-1-1-1-121202021212121-1-100024212423232424-30-1-10272727272727270000030283030303030-20000333332333233330-10-1036343636363636-20000393939393939390000042404242424242-20000454545454545450000048464848484848-200005151515051515100-10054525454545454-20000575757575757570000060596060596060-100-10636363636363630000066646666666666-20000696969696969690000072707272727272-20000757575757575750000078767878787878-20000818181818181810000084828484848484-20000878787878787870000090889089909090-20-100939393939393930000096949695969696-20-10099999999999910000000102100102102102102102-2000010510510510510510510500000108107108108108108108-1000011111111111111111111100000表2-2目标位置200hz150hz125hz100hz75hz50hz运动误差200hz150hz125hz100hz75hz114112114114114114114-2000011711711711711711711700000120118120120120120120-2000012312312312312312312400000126124126126126126126-2000012912912912912912912900000132130132132132132132-2000013513513513513513513500000138136138138138138138-2000014114114114114114114100000144143144144144144144-1000014714714714714714714700000150149150150150150151-1000015315315315315315315300000156154156156156156156-2000015915915915915915915900000162160162162162162162-2000016516516516516516516500000168167168168168168168-1000017117117117117117117100000174173174174174174174-1000017717717717717717717700000180179180180180181180-1000118318318318318318418300001186185186186186186186-1000018918918918918918919000000192190192192192192192-2000019519519519519519519500000198197198198198198198-1000020120120120120120120100000204202204204204205205-2000120720720720720720720700000210208210210210210210-2000021321321321321321421300001216215216216216216216-1000021921921921921921921900000222220222222222222222-2000022522522522522522622500001表2-1表示在第二个物镜位置下，设定运动步长为步长3(0.3μm)时，本发明笔型压电陶瓷堆位移装置在目标位置0-111之间的运动误差结果；表2-2表示在第二个物镜位置下，设定运动步长为步长3(0.3μm)时，本发明笔型压电陶瓷堆位移装置在目标位置114-225之间的运动误差结果。表3-1目标位置200hz150hz125hz100hz75hz50hz运动误差200hz150hz125hz100hz75hz00000000000044232330-2-1-2-18466677-4-2-2-2-112101110101011-2-1-2-2-216101514151515-6-1-2-1-120191919191920-1-1-1-1-124202324242424-4-1000282828282828280000032283231313232-40-1-10363636363636360000040374039404141-30-10144434443444444-10-10048454847484849-30-10052515251525252-10-10056535656565656-30000606060606060600000064626464646464-20000686868686869690000172707272727273-20000767676767677760000180788080808181-20001848484848484840000088868888888889-2000092919292929293-1000096949696969696-2000010010010010010010010100000104101104104104105104-3000110810810810810810810900000112109112112112112113-3000011611611611611611711700001120117120120120120121-3000012412412412412412412500000128125128128128129129-3000113213213213213213313300001136133136136136137137-3000114014014014014014114100001144141144144144145145-3000114814814814814814814900000表3-2目标位置200hz150hz125hz100hz75hz50hz运动误差200hz150hz125hz100hz75hz152149152152152153153-3000115615615615615615715600001160158160160160160161-2000016416416416416416516500001168166168168168168169-2000017217217217217217317300001176173176176176176177-3000018018018018018018118100001184182184184184185185-2000118818818818818818918800001192189192192193192193-3001019619619619619619719700001200198200200200200201-2000020420420420420420520500001208206208208208209209-2000121221221221221221321300001216214216216216217216-2000122022022022022022122100001224222224224224225225-2000122822822822822822822900000232230232232232233233-2000123623623623623623723700001240238240240240241241-2000124424424424424424424500000248246248248248249249-2000125225225225225225225300000256254256256256256257-2000026026026026026026026100000264262264264264265265-2000126826826826826826826900000272270272272272273273-2000127627627627627627627700000280278280280280281281-2000128428428428428528528500011288285288288288289289-3000129229229229229229229200000296294296296296296297-2000030030030030030030030000000表3-1表示在第三个物镜位置下，设定运动步长为步长4(0.4μm)时，本发明笔型压电陶瓷堆位移装置在目标位置0-148之间的运动误差结果；表3-2表示在第三个物镜位置下，设定运动步长为步长4(0.4μm)时，本发明笔型压电陶瓷堆位移装置在目标位置152-300之间的运动误差结果。表4-1目标位置200hz150hz125hz100hz75hz50hz运动误差200hz150hz125hz100hz75hz0000000000005433444-1-2-2-1-110488888-6-2-2-2-215131313131414-2-2-2-2-120131919191920-7-1-1-1-125232424252525-2-1-10030253029303030-50-100353535353535360000040374040404141-3000145444545454545-1000050475050505151-30001555555555555560000060576060606060-300o0656565656566660000170677070707171-3000175747575757676-1000180788080808081-2000085848585858686-1000190879090909191-30001959595959596960000110098100100100101101-2000110510510510510510610600001110108110110110111111-2000111511511511511511611600001120118120120120121121-2000112512512512512512612600001130127130130130131131-3000113513513513513513613600001140137140140140141141-30001145144145145145146146-10001150148150150150151151-2000115515515515515515615600001160157160160160161161-3000116516516516516516616600001170168170170170171171-20001175174175175175176176-10001180178180180180181181-20001185184185185185186186-10001表4-2目标位置200hz150hz125hz100hz75hz50hz运动误差200hz150hz125hz100hz75hz190188190190190191191-2000119519519519519519619600001200198200200200201201-2000120520520520520620620600011210208210210211211211-2001121521521521521521621600001220217220220220221221-3000122522522522522522622600001230228230230230231231-2000123523523523523523623600001240237240240241241241-3001124524524524524524624600001250247250250250251251-3000125525525525525525625600001260257260260260261261-3000126526526526526626626600011270268270270270271271-2000127527527527527527627600001280278280280280281281-2000128528528528528628628600011290288290290290291291-2000129529529529529529629600001300298300300300301301-2000130530530530530530630600001310308310310310311311-2000131531531531531531631600001320317320320320321321-3000132532532532532532632600001330327330330330331331-3000133533533533533533633600001340338340340340341341-2000134534534534534534634600001350347350350350351351-3000135535535535535535635600001360358360360360361361-2000136536536536536536636600001370368370370370371371-2000137537537537537537637600001表4-1表示在第三个物镜位置下，设定运动步长为步长5(0.5μm)时，本发明笔型压电陶瓷堆位移装置在目标位置0-185之间的运动误差结果；表4-2表示在第三个物镜位置下，设定运动步长为步长5(0.5μm)时，本发明笔型压电陶瓷堆位移装置在目标位置190-375之间的运动误差结果。从上述结果中可以看出，本发明的笔型压电陶瓷堆位移装置不仅结构小巧，加工难度小，制造成本低，而且负载能力足，位移频率快，步进精确，可偏心承重，因此本发明的笔型压电陶瓷堆位移装置完全可以满足配备有多个物镜且对物镜位移精度要求较高的电子显微镜的使用需求，能够实现同时带动多个物镜在有效距离内的纳米级防抖动精确位移。进一步的，参见图3和7所示，所述物镜调平组件6由相机组件安装板601、调平压块602、压紧螺丝603、高度固定件604和两个高度调节件605组成，所述相机组件安装板601的中部设置有用于安装所述z轴升降精调组件4和避让所述扫描相机组件5的镂空结构，所述相机组件安装板601的边框上设计有原点、第一支点和第二支点，所述原点与所述第一支点、所述第二支点在所述相机组件安装板601的平面上构成一个三角形，所述调平压块602呈c型结构，所述调平压块602与所述相机组件安装板601的上表面固定连接，且所述调平压块602位于所述原点与所述第一支点、所述第二支点所构成的三角形内；所述高度固定件604设置在所述原点处，两个所述高度调节件605分别设置在所述第一支点和所述第二支点处，所述压紧螺丝603设置在所述调平压块602上，所述相机组件安装板601通过所述高度固定件604和两个所述高度调节件605水平度可调地设置在所述z轴悬臂组件3的上表面，并通过所述压紧螺丝603锁紧固定。进一步的，所述高度固定件604为钢珠，两个所述高度调节件605均为顶丝，所述钢珠嵌设在所述相机组件安装板601下表面的所述原点对应处与所述z轴悬臂组件3上表面的所述原点对应处之间，两个所述顶丝分别设置在所述调平压块602上的所述第一支点和所述第二支点对应处，且两个所述顶丝均向下穿过所述相机组件安装板601后与所述z轴悬臂组件3的上表面接触。进一步的，所述第一支点、所述第二支点尽可能的靠近所述相机组件安装板601的边框外缘。进一步的，参见图8所示，所述扫描相机组件5由扫描相机、扫描相机安装支架和扫描相机限位板组成，所述扫描相机通过所述扫描相机安装支架镜头朝下地设置在所述物镜调平组件6的所述相机组件安装板601中部镂空结构中，所述扫描相机限位板设置在所述相机组件安装板601的前部上表面，所述扫描相机限位板与所述笔型压电陶瓷堆位移装置吊架403在前后两侧对所述扫描相机起到进一步限位作用。进一步的，所述物镜706分为干物镜和湿物镜。进一步的，参见图4所示，所述物镜轮安装支架404上设置有一根竖直向下的弹性加油嘴8，所述物镜轮701的外缘设置有一圈用于调节所述弹性加油嘴8与所述物镜706之间位置关系的凸轮板9，所述凸轮板9由外凸弧边和内凹弧边组成，所述外凸弧边的位置与所述干物镜的位置相对应，所述内凹弧边的位置与所述湿物镜的位置相对应，当所述弹性加油嘴8与所述外凸弧边接触时，所述弹性加油嘴8的出油口远离所述干物镜，当所述弹性加油嘴8与所述内凹弧边接触时，所述弹性加油嘴8的出油口贴近所述湿物镜。进一步的，所述弹性加油嘴8通过加油管及油泵与油瓶连接，所述油瓶则安装在z轴基座组件1的立板上。进一步的，参见图4所示，所述z轴悬臂组件3的前端设置有用于拍摄玻片样本区和标识区的全局相机10以及用于给所述全局相机10提供照明的前侧光源11。本发明的工作过程及原理如下：首先通过物镜调平组件6调节物镜及相机镜头与玻片架载台及玻片的垂直度，利用三点确定一个平面的原理，在相机组件安装板601上给出一个固定高度的原点以及两个可调节高度的支点，在原点高度固定的基础上，通过调节两个支点高度可以快速调整原点和支点所围成的三角形工作面的水平状态，最后通过调平压块602和压紧螺丝603将相机组件安装板601压紧在z轴悬臂组件3的上表面，使得物镜及相机镜头与玻片架载台及玻片的垂直度可以迅速达到电子显微镜的检测要求，从而确保物镜及相机镜头在升降的过程中，检测样本各个区域的画面清晰度能保持一致，不仅保证了成像效果，而且大幅缩减了检测前期的准备时间。然后通过z轴升降粗调组件2对物镜及相机进行z轴方向的高度粗调，z轴升降粗调步进电机201驱动滚珠丝杠203工作，进而带动z轴悬臂组件安装板206沿z轴升降粗调直线滑轨205向下移动，z轴悬臂组件安装板206则通过z轴悬臂组件3带动z轴升降精调组件4、扫描相机组件5、物镜调平组件6和物镜轮组件7从初始高度位置一同向下移动，直至物镜706到达扫描相机组件5能够大致清晰看到样本目标区域的高度位置。接着通过z轴升降精调组件4对物镜进行z轴方向的高度精度，向笔型压电陶瓷堆位移装置402施加对应的电压，使得笔型压电陶瓷堆位移装置402带动物镜轮安装支架404及物镜轮组件7沿z轴升降精调直线滑轨逐渐向下移动，直至扫描相机组件5透过物镜706能够在样本的检测区域上形成对焦。本发明的笔型压电陶瓷堆位移装置402的位移频率为600hz/s，能够在110μm的有效位移距离范围内实现每次0.1μm的步进距离，而且负载能力强，因此可以最多同时带动五个物镜706进行升降。本发明的笔型压电陶瓷堆位移装置402的工作原理为，通过施加不同的电压给位于抗压筒4021内的压电陶瓷堆栈4022，从而改变压电陶瓷堆栈4022的长度状态。在长度状态改变的过程中，压电陶瓷堆栈4022的上端受抗压筒4021上端的上边盖帽4023的阻挡保持不动，压电陶瓷堆栈4022的下端则会通过受力螺母转接件4026将力矩传递到下螺帽4024中的受力螺母4025，同时受力螺母转接件4026对弹簧4027造成一定的挤压，最后由受力螺母4025控制本笔型压电陶瓷堆位移装置402的位移状态。当电压消失时，压电陶瓷堆栈4022的长度逐渐恢复原状，在长度恢复的过程中，压电陶瓷堆栈4022的下端会通过受力螺母转接件4026带动受力螺母4025在下螺帽4024中回缩，同时先前被压缩的弹簧4027会给受力螺母4025的回缩提供辅助回弹力。本发明的笔型压电陶瓷堆位移装置402还具有偏心承重能力，因此本发明的物镜轮701上不仅能够同时承载5个物镜706，而且物镜轮701可以通过偏置的物镜轮旋转驱动电机703经物镜轮旋转同步带轮705进行转动，从而实现5个物镜706之间的切换。同时，为了配合物镜706中干物镜和湿物镜的使用方式，因此在物镜轮安装支架404上安装一根竖直向下的弹性加油嘴8，并且在物镜轮701的外缘设计了一圈由外凸弧边和内凹弧边组成的凸轮板9；当物镜轮701带动干物镜切换至扫描相机组件5的镜头下方时，弹性加油嘴8与凸轮板9上的外凸弧边接触，此时弹性加油嘴8的出油口因外凸弧边向外顶起从而远离干物镜；当物镜轮701带动湿物镜切换至扫描相机组件5的镜头下方时，弹性加油嘴8与凸轮板9上的内凹弧边接触，此时弹性加油嘴8的出油口因内凹弧边向内回弹从而紧贴湿物镜。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。当前第1页1 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技术特征：1.一种物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，其特征在于：包括z轴基座组件(1)、z轴升降粗调组件(2)、z轴悬臂组件(3)、z轴升降精调组件(4)、扫描相机组件(5)、物镜调平组件(6)和物镜轮组件(7)；所述z轴悬臂组件(3)通过所述z轴升降粗调组件(2)可升降地安装在所述z轴基座组件(1)上，所述物镜调平组件(6)设置在所述z轴悬臂组件(3)的上表面，所述扫描相机组件(5)通过所述物镜调平组件(6)平行度可调地设置在所述z轴悬臂组件(3)的相机组件避让孔中；
所述z轴升降精调组件(4)由z轴升降精调组件安装板(401)、笔型压电陶瓷堆位移装置(402)、笔型压电陶瓷堆位移装置吊架(403)、物镜轮安装支架(404)和z轴升降精调直线滑轨组成，所述z轴升降精调组件安装板(401)通过所述物镜调平组件(6)竖直地设置在所述z轴悬臂组件(3)的相机组件避让孔中，所述物镜轮安装支架(404)通过所述z轴升降精调直线滑轨可升降地安装在所述z轴升降精调组件安装板(401)的前表面，所述笔型压电陶瓷堆位移装置吊架(403)固定在所述z轴升降精调组件安装板(401)的顶部，所述笔型压电陶瓷堆位移装置(402)的顶端与所述笔型压电陶瓷堆位移装置吊架(403)固定连接，所述笔型压电陶瓷堆位移装置(402)的底端与所述物镜轮安装支架(404)固定连接；
所述物镜轮组件(7)由物镜轮(701)、物镜轮旋转件(702)、物镜轮旋转驱动电机(703)、物镜轮旋转驱动电机连接板(704)、物镜轮旋转同步带轮(705)和物镜(706)组成，所述物镜轮(701)通过所述物镜轮旋转件(702)可转动地设置在所述物镜轮安装支架(404)的底部，所述物镜轮(701)上设置有1-5个所述物镜(706)，所述物镜轮旋转驱动电机连接板(704)的一端与所述物镜轮旋转件(702)固定连接，所述物镜轮旋转驱动电机连接板(704)的另一端与所述物镜轮旋转驱动电机(703)固定连接，所述物镜轮旋转驱动电机(703)通过所述物镜轮旋转驱动电机连接板(704)设置在所述物镜轮(701)的一侧，且所述物镜轮旋转驱动电机(703)通过所述物镜轮旋转同步带轮(705)与所述物镜轮(701)传动连接，所述物镜(706)通过所述物镜轮(701)的转动实现在所述扫描相机组件(5)的镜头下方的切换。
2.根据权利要求1所述的物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，其特征在于：所述z轴升降粗调组件(2)由z轴升降粗调步进电机(201)、电机安装支架(202)、滚珠丝杠(203)、滚珠丝杠安装板(204)、z轴升降粗调直线滑轨(205)和z轴悬臂组件安装板(206)组成，所述滚珠丝杠安装板(204)固定在所述z轴基座组件(1)的立板上，所述滚珠丝杠(203)竖直地设置在所述滚珠丝杠安装板(204)前表面的中部，两条所述z轴升降粗调直线滑轨(205)分别竖直地设置在所述滚珠丝杠安装板(204)前表面的左右两侧，所述z轴升降粗调步进电机(201)通过所述电机安装支架(202)设置在所述滚珠丝杠安装板(204)的顶端，且所述z轴升降粗调步进电机(201)与所述滚珠丝杠(203)的顶端传动连接，所述的z轴悬臂组件安装板(206)后表面同时与所述滚珠丝杠(203)上的螺母以及两条所述z轴升降粗调直线滑轨(205)上的滑块固定连接。
3.根据权利要求1所述的物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，其特征在于：所述笔型压电陶瓷堆位移装置(402)包括抗压筒(4021)、压电陶瓷堆栈(4022)、上边盖帽(4023)、下螺帽(4024)、受力螺母(4025)、受力螺母转接件(4026)和弹簧(4027)；所述抗压筒(4021)呈直管状，所述压电陶瓷堆栈(4022)呈杆状或棍状，所述压电陶瓷堆栈(4022)长度可变地设置在所述抗压筒(4021)中，所述上边盖帽(4023)设置在所述抗压筒(4021)的顶部端口，且所述上边盖帽(4023)的内侧面与所述压电陶瓷堆栈(4022)的顶部固定连接，所述下螺帽(4024)设置在所述抗压筒(4021)的底部端口，所述受力螺母(4025)可伸缩的设置在所述下螺帽(4024)中，所述受力螺母(4025)的输出端位于所述抗压筒(4021)的外部，所述受力螺母(4025)的输入端位于所述抗压筒(4021)的内部；所述受力螺母转接件(4026)和所述弹簧(4027)均设置在所述抗压筒(4021)的内部，其中，所述受力螺母转接件(4026)的上端与所述压电陶瓷堆栈(4022)的底部固定连接，所述受力螺母转接件(4026)的下端与所述受力螺母(4025)的输入端固定连接，所述弹簧(4027)的上端与所述受力螺母转接件(4026)的下端接触，所述弹簧(4027)的下端与所述下螺帽(4024)的内壁底面接触。
4.根据权利要求3所述的物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，其特征在于：所述笔型压电陶瓷堆位移装置(402)的位移频率为600hz/s，有效位移距离为110μm，步进精度为0.1μm，最大负载力为400n，驱动电压范围为0-150v，且150v的阻力为1000n，且所述压电陶瓷堆栈(4022)的尺寸为5.2mm×7.1mm×100mm。
5.根据权利要求3所述的物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，其特征在于：所述弹簧(4027)为四个串联的碟形弹簧。
6.根据权利要求1所述的物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，其特征在于：所述物镜调平组件(6)由相机组件安装板(601)、调平压块(602)、压紧螺丝(603)、高度固定件(604)和两个高度调节件(605)组成，所述相机组件安装板(601)的中部设置有用于安装所述z轴升降精调组件(4)和避让所述扫描相机组件(5)的镂空结构，所述相机组件安装板(601)的边框上设计有原点、第一支点和第二支点，所述原点与所述第一支点、所述第二支点在所述相机组件安装板(601)的平面上构成一个三角形，所述调平压块(602)呈c型结构，所述调平压块(602)与所述相机组件安装板(601)的上表面固定连接，且所述调平压块(602)位于所述原点与所述第一支点、所述第二支点所构成的三角形内；所述高度固定件(604)设置在所述原点处，两个所述高度调节件(605)分别设置在所述第一支点和所述第二支点处，所述压紧螺丝(603)设置在所述调平压块(602)上，所述相机组件安装板(601)通过所述高度固定件(604)和两个所述高度调节件(605)水平度可调地设置在所述z轴悬臂组件(3)的上表面，并通过所述压紧螺丝(603)锁紧固定。
7.根据权利要求6所述的物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，其特征在于：所述高度固定件(604)为钢珠，两个所述高度调节件(605)均为顶丝，所述钢珠嵌设在所述相机组件安装板(601)下表面的所述原点对应处与所述z轴悬臂组件(3)上表面的所述原点对应处之间，两个所述顶丝分别设置在所述调平压块(602)上的所述第一支点和所述第二支点对应处，且两个所述顶丝均向下穿过所述相机组件安装板(601)后与所述z轴悬臂组件(3)的上表面接触。
8.根据权利要求1所述的物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，其特征在于：所述物镜(706)分为干物镜和湿物镜。
9.根据权利要求8所述的物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，其特征在于：所述物镜轮安装支架(404)上设置有一根竖直向下的弹性加油嘴(8)，所述物镜轮(701)的外缘设置有一圈用于调节所述弹性加油嘴(8)与所述物镜(706)之间位置关系的凸轮板(9)，所述凸轮板(9)由外凸弧边和内凹弧边组成，所述外凸弧边的位置与所述干物镜的位置相对应，所述内凹弧边的位置与所述湿物镜的位置相对应，当所述弹性加油嘴(8)与所述外凸弧边接触时，所述弹性加油嘴(8)的出油口远离所述干物镜，当所述弹性加油嘴(8)与所述内凹弧边接触时，所述弹性加油嘴(8)的出油口贴近所述湿物镜。
10.根据权利要求1所述的物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，其特征在于：所述z轴悬臂组件(3)的前端设置有用于拍摄玻片样本区和标识区的全局相机(10)以及用于给所述全局相机(10)提供照明的前侧光源(11)。
技术总结本发明公开了一种物镜和相机在垂直方向的高频高精调焦机构，包括Z轴基座组件上，Z轴基座组件上设有Z轴升降粗调组件，Z轴升降粗调组件上设有Z轴悬臂组件，Z轴悬臂组件上设有物镜调平组件，Z轴悬臂组件的相机组件避让孔中通过物镜调平组件设有扫描相机组件和Z轴升降精调组件，Z轴升降精调组件的底部设有物镜轮组件。本发明可自动进行焦距的粗调和精调，操作简便，且精调组件的负载能力强，位移频率快，步进精确，不仅可以同时带动5个物镜升降，而且在大负载的情况下，还能确保物镜在一定范围内实现纳米级的防抖动精确位移，保证了成像效果，满足了配备有多个物镜且调焦精度要求较高的电子显微镜的使用需求。
技术研发人员：殷跃锋
受保护的技术使用者：苏州丰泰医疗用品贸易有限公司
技术研发日：2021.06.04
技术公布日：2021.08.03
