一种显微物镜高集成度整机装置的制作方法

本发明属于显微物镜技术领域，涉及一种显微物镜高集成度整机装置。

背景技术：

显微物镜作为先进光学系统在生物学、计量学以及半导体检测等领域中的应用愈发广泛。随着人类探索不断地向更加微观的领域前进，对显微物镜提出了越来越高的需求，一方面：要求物镜实现高通量，高通量意味着物镜系统需要具有大视场、大数值孔径、宽谱段等特点，如基因测序、晶元缺陷检测等领域，均对显微物镜提出了高通量的需求。另一方面：要求物镜实现高精度，如基因测序仪、光刻机、晶元缺陷检测等领域应用的显微物镜均需要更高的精度，高精度不仅意味着更高的成像精度，而是要求光学件、机械结构件、装调集成等多环节的高精度，比如对光学元件单面面形提出了1/100～1/500波长(常规系统光学元件单面面形1/5～1/20波长)，精度相对常规系统提升至少20倍。第三方面：在保证物镜高通量高精度等优异特性的同时，还要兼备高性价比适合批量化生产，因此，上述先进光学系统的应用领域已经无法满足于仅仅实现基础成像功能，对物镜的可标定、易对准、可制备性等多特性的高集成度提出需求。

传统的显微物镜整机设计方法，仅关注基础成像部分，采用常规的将镜片依次摞在镜筒中的方法实现，难以应用在高精度和高通量的显微物镜设计当中，就更无法面向批量化生产制造。因此，对于具备高通量、高精度、易于批量化生产制造等多种优异特性的高集成度整机设计方法提出了迫切需求。

现有显微物镜整机设计方法，仅针对基础成像的单一模块，通常采用将镜片依次摞在镜筒中的方法，缺少调整环节以及对可调整部分的整体规划，精度低，结构复杂，集成度低，性价比低，难以适用在高端精密的先进光学系统应用领域。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种精度高的显微物镜高集成度整机装置。

为了解决上述技术问题，本发明的显微物镜高集成度整机装置包括零位标定器，精确调整装置；所述的零位标定器包括压电驱动器、双层柔性导向环、标定镜片、标定器外壳；标定器外壳的下部与基础成像物镜主体的顶部螺纹连接；零位调整柔性导向环嵌在标定器外壳内部；四个压电驱动器均匀分布在零位调整柔性导向环与标定镜片之间；标定镜片为基础成像物镜主体中显微物镜顶端第一片镜片，且与基础成像物镜同光轴；精确调整装置包括补偿精调核心部分；所述的补偿精调核心部分包括径向驱动器、多自由度柔性导向环、核心镜组、轴向驱动器；多自由度柔性导向环设置在基础成像物镜主体下部的镜壳内，径向驱动器设置在多自由度柔性导向环与核心镜组之间；轴向驱动器与镜壳螺纹连接且其顶端顶在多自由度柔性导向环的下端。

所述的零位调整柔性导向环采用双层柔性导向环，四个压电驱动器均匀分布在零位调整柔性导向环的夹层内；标定镜片由零位调整柔性导向环夹持固定，且与基础成像物镜同光轴。

所述的零位调整柔性导向环采用单层柔性导向环，四个压电驱动器均匀分布在零位调整柔性导向环与标定镜片固定件之间；标定镜片通过固定件被夹持固定在零位调整柔性导向环内，且与基础成像物镜同光轴。

所述的标定镜片采用上平下凸的平凸透镜。

所述的多自由度柔性导向环采用双层结构，径向驱动器设置在多自由度柔性导向环的夹层内。

所述的多自由度柔性导向环采用单层结构，径向驱动器设置在多自由度柔性导向环与核心镜组的固定结构之间。

所述的径向驱动器采用压电式驱动器；轴向驱动器采用螺钉，螺钉与镜壳螺纹连接且其顶端顶在多自由度柔性导向环的下端。

所述的精确调整装置还包括物镜位姿调整装置；物镜位姿调整装置包括轴向微调装置、径向微调装置、调整基座和弹性导向件；轴向微调装置采用圆周方向均布的四个轴向压电驱动器，四个轴向压电驱动器的上端嵌入调整基座的顶板盲孔中，下端顶在基础成像物镜主体的连接法兰上表面；四个弹性导向件与对应的轴向压电驱动器同轴且设置在法兰下表面与调整基座的底板之间；径向微调装置采用圆周方向均布的四个径向压电驱动器，径向压电驱动器的外侧嵌入在调整基座的侧壁上，内侧顶在连接法兰的侧面。

进一步，本发明还可以包括浸没头组件；所述的浸没头组件包括浸没头基座和保护玻璃；浸没头基座的上部边缘通过螺钉与基础成像物镜主体的镜壳连接；浸没头基座底端具有通孔，保护玻璃用具有防腐蚀特性的胶粘接密封在该通孔底端；基础成像物镜主体的最后一个镜片底部与保护玻璃之间的空隙作为容液腔，浸没头基座对应容液腔的位置处加工有同轴的注液孔和排液孔。

进一步，本发明还可以包括物镜防撞装置；所述的物镜防撞装置包括防撞壳、弹簧、物镜法兰接口；防撞壳设置在基础成像物镜主体的下部外围，防撞壳与基础成像物镜主体的物镜法兰接口螺纹连接，沿圆周方向均布的四个弹簧设置在物镜法兰接口与调整基座之间。

本发明的有益效果：

现有设计仅仅能够满足中低端需求，面对高端需求，复杂的光学设计无法工程化，普通设计无法满足光学指标，常常陷入两难的困境，究其原因，是视野仅仅放在基础成像一个点上，没能从整机全局的角度深入研究。面对上述两个关键，第一，本发明提出了高集成度的设计方法，基础成像只是主体，在装调集成阶段，不需要一步到位实现高精度等所有光学特性，后续各部分集成后可通过精确调整装置对其进行精调补偿，将基础成像主体的光学特性调整到位，整机集成阶段又有零位标定器辅助实现精确定位，即将集成阶段的精度损失降到最低，浸没头辅助主体实现液体浸没功能，相当于在光学系统中加入大折射率元件，有助于系统实现大na，为光学系统带来更优异的特性，防撞装置从结构角度解决物镜的实际使用需求，各部分共同保障了高端光学设计的工程化可实现，相当于从整机设计的角度为光学设计减负，给予光学设计更加宽泛的边界条件，这样就实现了两大关键之一高端光学特性。第二，本发明提出了，以基础成像为主体，其余为部分，各个部分与主体单独关联的逻辑关系，传统设计中组成单一，即使存在多个部分也常常选择单一串联的方式，一个部分出问题常常影响整机系统，本发明中，多模块、集成度高，有一套连接逻辑指导各个部分的集成，在高集成度的同时思路清晰不混乱，各部分均只与主体单独关联，在之前的论述中可以看到，每个模块都对基础成像主体的高性能实现起到不可替代的作用，将各个模块独立，之间没有串扰，单一模块的调整并不影响其他部分，仅对主体产生作用，由于合理的功能分化，降低了基础成像功能的实现成本和复杂度，提高可制造性，单独与主体连接的逻辑关系，实现了各部分单独生产和集成，易加工，通过多个部分高集成度和合理的连接逻辑所构成的一种套整机设计方法，实现了两大关键的另一个：产品面向可制造易加工批产化。

本发明提出多个部分高集成度、以基础成像模块为主体，其余为部分，各部分与主体单独关联的逻辑关系，解决了上述两大难点，相对传统方法，光学性能高，且产品面向可制造易加工，同时为先进光学系统的批量化生产提供有力支撑。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的显微物镜高集成度整机装置中各模块逻辑关系示意图。

图2是本发明的显微物镜高集成度整机装置立体图。

图3是本发明的显微物镜高集成度整机装置纵向剖视图。

图4是零位标定器结构示意图。

图5是本发明的下半部分结构示意图。

图6是浸没头组件4的结构示意图。

图中：1、基础成像物镜主体；1.1、连接法兰；1.2、镜壳；2、零位标定器；2.1、压电驱动器，2.2、零位调整柔性导向环；2.3、标定镜片；3、调整装置；3.1、物镜位姿调整装置；3.1.1、轴向微调装置；3.1.2、径向微调装置；3.1.3、调整基座；3.2、补偿精调核心部分；3.2.1、径向驱动器；3.2.2、多自由度柔性导向环；3.2.3、核心镜组；3.2.4、轴向驱动器；4、浸没头组件；4.1、浸没头基座；4.1.1、注液孔；4.1.2、排液孔；4.2、保护玻璃；4.3、容液腔；4.4、注液管；5、物镜防撞装置；5.1、防撞壳；5.2、弹簧；5.3、物镜法兰接口。

具体实施方式

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1、2所示，本发明的显微物镜高集成度整机装置包括基础成像物镜主体1，零位标定器2，精确调整装置3，浸没头组件4，物镜防撞装置5五大模块。

如图3、4所示，所述的零位标定器2通过螺纹配合的方式与基础成像物镜主体1相连接，零位标定器2包括压电驱动器2.1、零位调整柔性导向环2.2、标定镜片2.3、标定器外壳2.4；标定器外壳2.4的下部与基础成像物镜主体1的顶部螺纹连接；零位调整柔性导向环2.2嵌在标定器外壳2.4内部且被粘接支撑在标定器外壳2.4的台肩上；零位调整柔性导向环2.2采用双层柔性导向环，四个压电驱动器2.1均匀分布在零位调整柔性导向环2.2的夹层内；标定镜片2.3采用上平下凸的平凸透镜，由零位调整柔性导向环2.2夹持固定，且与基础成像物镜同光轴。零位调整柔性导向环2.2也可以采用单层柔性导向环，四个压电驱动器2.1均匀分布在零位调整柔性导向环2.2与标定镜片2.3固定件之间；标定镜片2.3采用上平下凸的平凸透镜，通过固定件被夹持固定在零位调整柔性导向环2.2内，且与基础成像物镜同光轴。

通过压电驱动器2.1和双层柔性导向环2.2可以驱动标定镜片2.3沿径向移动。标定镜片2.3为基础成像主体1的最顶端镜片，即对物镜成像有贡献，同时通过镜片特殊构型(平凸面)实现标定功能，将物镜光轴引出，与外部设备连接时配合干涉仪或经纬仪或水平仪可方便实现物镜的精确对准。

所述的精确调整装置3分两部分：物镜位姿调整装置和补偿精调核心部分。

所述的物镜位姿调整装置包括轴向微调装置3.1.1、径向微调装置3.1.2、调整基座3.1.3和弹性导向件3.14；轴向微调装置3.1.1采用圆周方向均布的四个轴向压电驱动器，四个轴向压电驱动器的上端嵌入调整基座3.1.3的顶板盲孔中，下端顶在基础成像物镜主体1的连接法兰1.1上表面；四个弹性导向件3.14与对应的轴向压电驱动器同轴且设置在法兰1.1下表面与调整基座3.1.3的底板之间；径向微调装置3.1.2采用圆周方向均布的四个径向压电驱动器，径向压电驱动器的外侧嵌入在调整基座3.1.3的侧壁上，内侧顶在连接法兰1.1的侧面；通过轴向微调装置3.1.1、径向微调装置3.1.2可以调节基础成像物镜主体1的轴向位置和径向位置，以调节整机的位置和姿态。

所述的补偿精调核心部分包括径向驱动器3.2.1、多自由度柔性导向环3.2.2、核心镜组3.2.3、轴向驱动器3.2.4；多自由度柔性导向环3.2.2设置在基础成像物镜主体1下部的镜壳1.2内并粘接固定在镜壳1.2的台肩上，多自由度柔性导向环3.2.2采用双层结构，径向驱动器3.2.1设置在多自由度柔性导向环3.2.2的夹层内；多自由度柔性导向环3.2.2也可以采用单层结构，径向驱动器3.2.1设置在多自由度柔性导向环3.2.2与核心镜组3.2.3的固定结构之间；径向驱动器3.2.1采用压电式驱动器；轴向驱动器3.2.4采用螺钉，螺钉与镜壳1.2螺纹连接且其顶端顶在多自由度柔性导向环3.2.2的下端；通过径向驱动器3.2.1和轴向驱动器3.2.4可以微调核心镜组3.2.3的轴向位置和径向位置，实现物镜精调补偿功能，提升显微物镜整机的成像精度。

如图6所示，所述的浸没头组件4包括浸没头基座4.1和保护玻璃4.2；浸没头基座4.1的上部边缘通过螺钉与基础成像物镜主体1的镜壳1.2连接；浸没头基座4.1底端具有通孔，保护玻璃4.2用具有防腐蚀特性的胶粘接密封在该通孔底端；基础成像物镜主体1的最后一个镜片底部与保护玻璃4.2之间的空隙作为容液腔4.3，浸没头基座4.1对应容液腔4.3的位置处加工有同轴的注液孔4.1.1和排液孔4.1.2；通过注液管4.4和注液孔4.1.1可以将无腐蚀溶液注入容液腔4.3，无腐蚀溶同时通过排液孔4.1.2排除容液腔4.3；在液体随工件台相对运动流失后，可以实现补液功能。

所述的物镜防撞装置5包括防撞壳5.1、弹簧5.2、物镜法兰接口5.3；弹簧5.2采用高刚度弹簧；防撞壳5.1设置在基础成像物镜主体1的下部外围，防撞壳5.1与基础成像物镜主体1的物镜法兰接口5.3螺纹连接，沿圆周方向均布的四个弹簧5.2设置在物镜法兰接口5.3与调整基座3.1.3之间，当基础成像物镜主体1下端收到冲击时，防撞壳5.1首先被弹起，弹簧5.2被压缩，吸收冲击能量，保护物镜，当冲击解除，弹簧5.2复位。由于物镜法兰接口5.3与基础成像物镜主体1以及防撞壳5.1的接触部分均采用配合加工，实现各方配合高精度，因此，不仅实现防撞保护，同时获得物镜高精度复位。

本发明对多部分多功能进行合理集成，除了基础成像部分外、综合了精确调整、零位标定、浸没和防撞等部分。

本发明创新性的将显微物镜的设计从单一的关注基础成像，拓展到多种优异特性、多部分高集成度。通过五个部分的有机结合实现大视场、高精度、可制造及批量化等优异特性的高度集成。在基础成像外各部分分别实现零位标定、精确调整、液体浸没、物镜防撞等功能，各部分分别与基础成像主体建立关系，单独与成像主体构成相互作用和反馈，各部分均可单独调整及更换，而不影响整机其他部分，同时面向高精度和批量化。通过这样的整机结构，一方面，调整装置的精准介入，提升了基础成像部分大视场高端光学系统设计的可实施性，另一方面，兼备多种针对显微领域物镜必要的优异特性，不仅确保了高精度、高通量的高端成像能力，而且可制造性强、集成高效、性价比高、可实施性强，为先进光学系统批产化提供有力支撑。

基础成像物镜主体1以先进光学系统设计为基础和前提，能够在初步集成时实现基本的显微成像功能，精确调整装置3具备两个功能模块，一个是针对物镜中光学补偿环节的精确调整(光学元件的偏心、倾斜和间隔)，通过整机一体化设计，对先进光学系统设计中预制的补偿环节以及高精度的核心部分，进行精确调整，另一个是物镜位姿调整，零位标定器2与显微物镜光学基准建立关系，实现物镜与外接设备集成时高效精确对准，浸没头组件4面向高通量物镜的浸液使用需求，实现浸没和密封功能，物镜防撞装置5通过与基础成像物镜主体1柔性连接，实现对主体的防撞保护，位置可恢复。采用各个模块与基础成像物镜主体单独关联的逻辑关系对各模块进行设计集成，避免了各个模块间的相互串扰。

现有设计仅仅能够满足中低端需求，面对高端需求，复杂的光学设计无法工程化，普通设计无法满足光学指标，常常陷入两难的困境，究其原因，是视野仅仅放在基础成像一个点上，没能从整机全局的角度深入研究。面对上述两个关键，第一，本发明提出了高集成度的设计方法，基础成像只是主体，在装调集成阶段，不需要一步到位实现高精度等所有光学特性，后续各部分集成后可通过精确调整装置对其进行精调补偿，将基础成像主体的光学特性调整到位，整机集成阶段又有零位标定器辅助实现精确定位，即将集成阶段的精度损失降到最低，浸没头辅助主体实现液体浸没功能，相当于在光学系统中加入大折射率元件，有助于系统实现大na，为光学系统带来更优异的特性，防撞装置从结构角度解决物镜的实际使用需求，各部分共同保障了高端光学设计的工程化可实现，相当于从整机设计的角度为光学设计减负，给予光学设计更加宽泛的边界条件，这样就实现了两大关键之一高端光学特性。第二，本发明提出了，以基础成像为主体，其余为部分，各个部分与主体单独关联的逻辑关系，传统设计中组成单一，即使存在多个部分也常常选择单一串联的方式，一个部分出问题常常影响整机系统，本发明中，多模块、集成度高，有一套连接逻辑指导各个部分的集成，在高集成度的同时思路清晰不混乱，各部分均只与主体单独关联，在之前的论述中可以看到，每个模块都对基础成像主体的高性能实现起到不可替代的作用，将各个模块独立，之间没有串扰，单一模块的调整并不影响其他部分，仅对主体产生作用，由于合理的功能分化，降低了基础成像功能的实现成本和复杂度，提高可制造性，单独与主体连接的逻辑关系，实现了各部分单独生产和集成，易加工，通过多个部分高集成度和合理的连接逻辑所构成的一种套整机设计方法，实现了两大关键的另一个：产品面向可制造易加工批产化。