УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА
DEVICE FOR POSITIONING OBJECT

Изобретение относится к области приборостроения и может быть применено для точной ориентации объекта в целях наблюдения или обработки, например, в микроскопах.
В патентной публикации JP 7209453 A, G02B 21/26, 11.08.1995 раскрыт предметный столик для микроскопа, позволяющий осуществлять угловую ориентацию объекта наблюдения относительно первой и второй взаимно перпендикулярных горизонтальных осей. Столик содержит неподвижную и подвижную части. Подвижная часть включает нижний и верхний элементы, причем на верхнем элементе расположена площадка с объектом наблюдения. Неподвижная часть содержит опору, имеющую вогнутую цилиндрическую поверхность, продольная ось которой формирует первую горизонтальную ось. На опоре неподвижной части расположен опорный участок нижнего элемента, имеющий выпуклую цилиндрическую поверхность и обеспечивающий возможность поворота нижнего элемента относительно первой горизонтальной оси. Нижний элемент также содержит опору, имеющую вогнутую цилиндрическую поверхность, формирующий вторую горизонтальную ось и на которой установлен опорный участок верхнего элемента, имеющий выпуклую цилиндрическую поверхность, что позволяет верхнему элементу осуществлять поворот относительно второй горизонтальной оси. Таким образом, данное устройство способно обеспечить требуемое угловое положение площадки с объектом наблюдения, например, строго перпендикулярное оси объектива микроскопа.
Данное устройство характеризуется сложностью конструкции, кроме того, как будет показано ниже, при угловой ориентации объекта, толщина которого отличается от расчетной, наблюдаемый фрагмент поверхности объекта будет выходить из фокуса микроскопа.
Из патентной публикации JP 2010134192 A, G02B 21/26, 17.06.2010 известен предметный столик микроскопа, позволяющий осуществлять угловую ориентацию объекта наблюдения относительно первой и второй взаимно перпендикулярных горизонтальных осей. Столик содержит неподвижную и подвижную части, причем площадка с объектом наблюдения расположена на подвижной части. Неподвижная часть содержит опору, имеющую вогнутую сферическую поверхность, центр которой совпадает с точкой пересечения первой и второй горизонтальных осей. На опоре неподвижной части расположен опорный участок подвижной части, имеющий выпуклую сферическую поверхность и обеспечивающий возможность поворота подвижной части относительно указанных осей. Данное устройство характеризуется высокой точностью угловой ориентации объекта и выбрано в качестве прототипа заявленного изобретения.
Следует отметить, что при использовании прототипа в составе микроскопа он должен обеспечить постоянное позиционирование наблюдаемого фрагмента верхней поверхности объекта в фокусе объектива, т.е. угловая ориентация объекта не должна сопровождаться выносом наблюдаемого фрагмента верхней поверхности из фокуса объектива. Проблема решается в том случае, если фокус объектива совпадает с точкой пересечения первой и второй горизонтальных осей. В прототипе указанная точка пересечения осей расположена в наиболее вероятном месте нахождения фокуса объектива, в свою очередь, фокус объектива всегда находится на внешней поверхности объекта. Таким образом, прототип позволяет комфортно наблюдать только объекты заданной толщины, потому как при изменении толщины объекта точка фокуса будет смещена и она больше не будет совпадать с точкой пересечения первой и второй горизонтальных осей, а значит, при угловой ориентации объекта исследуемый фрагмент поверхности будет вынесен из фокуса объектива.
Задачей изобретения является обеспечение нахождения исследуемого фрагмента поверхности в фокусе объектива для объектов различной толщины при выполнении их угловой ориентации.
Для решения поставленной задачи предложено устройство для позиционирования объекта, которое содержит средство угловой ориентации, состоящее из подвижной и неподвижной частей, и средство вертикальной подачи. Средство угловой ориентации обеспечивает угловую ориентацию объекта относительно двух пересекающихся взаимно перпендикулярных горизонтальных осей. Средство вертикальной подачи связано с подвижной частью средства угловой ориентации и обеспечивает перемещение объекта относительно подвижной части средства угловой ориентации вдоль вертикальной оси.
В частном случае изобретения средство угловой ориентации выполнено в виде сферического шарнира.
В другом частном случае изобретения подвижная часть средства угловой ориентации содержит верхний и нижний элементы. Верхний элемент способен к повороту относительно первой из упомянутых горизонтальных осей и расположен на нижнем элементе, который способен к повороту относительно второй из упомянутых горизонтальных осей и расположен на неподвижной части.
В еще одном частном случае изобретения, по меньшей мере, одно из средства вертикальной подачи, подвижной и неподвижной частей средства угловой ориентации способно вращаться относительно вертикальной оси, проходящей через точку пересечения горизонтальных осей.
В частном случае изобретения средство вертикальной подачи представляет собой актуатор, статический элемент которого связан с подвижной частью средства угловой ориентации, а его динамический элемент - с объектом. Актуатор при этом может быть выполнен в виде линейного электродвигателя, причем статическим и динамическим элементами актуатора в этом случае являются соответственно статор и якорь линейного электродвигателя. Однако представляется предпочтительным выполнение актуатора в виде пъезоприводного исполнительного механизма, причем статическим и динамическим элементами актуатора тогда являются соответственно корпус и ходовой элемент пъезоприводного исполнительного механизма.
Предложенное устройство может применяться в микроскопе, причем в этом случае точка пересечения горизонтальных осей совпадает с фокусом объектива микроскопа.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности расположения наблюдаемого фрагмента поверхности в области точки пересечения горизонтальных осей для объектов различной толщины.
Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуры:
фиг.1 - известное устройство для позиционирования объекта в исходном положении;
фиг.2 - известное устройство для позиционирования объекта в положении поворота вокруг горизонтальной оси;
фиг.3 - предложенное устройство для позиционирования объекта в исходном положении с изображением объекта большей толщины;
фиг.4 - предложенное устройство для позиционирования объекта в положении поворота вокруг горизонтальной оси с изображением объекта большей толщины;
фиг.5 - предложенное устройство для позиционирования объекта в исходном положении с изображением объекта меньшей толщины;
фиг.6 - предложенное устройство для позиционирования объекта в положении поворота вокруг горизонтальной оси с изображением объекта меньшей толщины.
Осуществление изобретения будет представлено на примере его использования в конструкции микроскопа, что, однако, не является ограничением в области использования изобретения.
Известное устройство позиционирования объекта, показанное на фиг.1, представляет собой средство угловой ориентации 1, которое включает неподвижную часть 2 и подвижную часть 3. На подвижной части расположена площадка 4, на которой размещен объект 5 с внешней поверхностью 6. Подвижная и неподвижная части образуют сферический шарнир, обеспечивающий поворот подвижной части относительно горизонтальных взаимно перпендикулярных осей Х и Y, пересекающихся в центре сферы шарнира, обозначенном точкой О.
Если толщина объекта равна расстоянию от площадки до центра сферы шарнира, то наблюдаемый фрагмент A1 совпадает с точкой О (современные фазовые микроскопы способны получать изображение фрагмента поверхности 10×10 мкм, и в контексте данной заявки такой фрагмент допустимо рассматривать как точечный). В этом случае при повороте подвижной части наблюдаемый фрагмент A1 сохранит свое положение относительно точки О, в то время как все остальные точки внешней поверхности 6 будут смещены относительно нее.
Для фокусирования на наблюдаемом фрагменте объектив микроскопа располагают в положении, обеспечивающем заданное расстояние f между объективом и наблюдаемым фрагментом, при этом оптическая ось объектива проходит через точку О. Поскольку точка фокуса микроскопа всегда находится на наблюдаемом фрагменте, то в рассматриваемом случае она также совпадает с точкой О, а объектив при этом будет располагаться в положении 7. При выполнении требуемой угловой ориентации объекта, как видно на фиг.2, фрагмент A1 остается в фокусе объектива.
Однако если толщина объекта будет меньше или больше оптимальной (фиг.1), то наблюдаемые фрагменты, обозначенные соответственно A2 и A3, не совпадут с точкой О. Следовательно, не совпадет с точкой О и точка фокуса микроскопа, так как объектив будет перемещен соответственно в положения 8 и 9.
В процессе угловой ориентации, как видно на фиг.2, наблюдаемые фрагменты A2 и A3 отклоняются от оптической оси объектива и, таким образом, выносятся из его фокуса. Для дальнейшего наблюдения фрагментов A2 и A3 устройство позиционирования объекта должно быть оснащено средствами линейного перемещения вдоль осей Х и Y. Это существенным образом усложняет конструкцию, кроме того, поиск вынесенных из фокуса фрагментов поверхности занимает значительное время.
Предложенное устройство позиционирования объекта, показанное на фиг.3, содержит средство угловой ориентации 1, конструкция которого в целом аналогична конструкции средства угловой ориентации известного устройства. Однако устройство позиционирования объекта согласно заявленному изобретению снабжено средством вертикальной подачи 10, представляющим собой актуатор, статический элемент 11 которого закреплен на подвижной части средства угловой ориентации, а динамический элемент 12 через площадку 4 связан с объектом.
Актуатор может быть выполнен в виде линейного электродвигателя, и тогда статическим элементом актуатора будет являться статор электродвигателя, а динамическим - его якорь. Однако в предпочтительном случае изобретения актуатор выполнен в виде пъезоприводного исполнительного механизма, корпус которого выступает в качестве статического элемента актуатора, а ходовой элемент - в качестве динамического. Данные исполнительные механизмы известны, например, таковыми являются линейные шаговые двигатели PiezoWalk фирмы NEXLINE.
В микроскопе, оснащенном предложенным устройством позиционирования объекта, объектив может занимать неизменное положение 7 и обеспечивать постоянное фокусирование в точке пересечения горизонтальных осей Х и Y - точке О. На фиг.3 и фиг.5 показано, что наблюдаемые фрагменты A1 и A2 объектов, имеющих различную толщину, посредством вертикального перемещения площадки могут быть совмещены с неизменной точкой фокуса объектива, совпадающей с точкой О. Таким образом, средство вертикальной подачи позволяет обеспечить нахождение наблюдаемых фрагментов A1 и A2 в фокусе объектива при угловом позиционировании объектов, что проиллюстрировано на фиг.4 и фиг.6.
Микроскоп приобретает дополнительные возможности, если, по меньшей мере, одно из средства вертикальной подачи, подвижной и неподвижной частей средства угловой ориентации способно поворачиваться относительно вертикальной оси Z, проходящей через точку пересечения горизонтальных осей и совпадающей с оптической осью объектива. При использовании в фазовом микроскопе данная опция позволяет получить более точное изображение наблюдаемого фрагмента, выбрав его из нескольких изображений, полученных при разном положении объекта.
Заявленное изобретение может быть реализовано и в том случае, если средство угловой ориентации будет выполнено согласно решению-аналогу, раскрытому в JP 7209453 A, G02B 21/26, 11.08.1995. Подвижная часть такого средства угловой ориентации содержит верхний и нижний элементы. Верхний элемент способен к повороту относительно первой из горизонтальных осей, например оси X, и расположен на нижнем элементе, который способен к повороту относительно второй из горизонтальных осей Y. Нижний элемент при этом расположен на неподвижной части. В этом случае статический элемент актуатора может быть закреплен на нижнем элементе подвижной части либо на ее верхнем элементе.