Antriebstechnik Piezo treibt Linse

In der Mikroskopie wird eine schnelle und gleichzeitig präzise Bewegung der Z-Achse für unterschiedliche Aufgabenstellungen gebraucht, z.B. für Autofokussysteme, Oberflächenanalyse, Screeningaufgaben, Waferinspektion oder Mehr-Photonen-Spektroskopie. Schnelle Scans in Z-Richtung für dreidimensionale Aufgaben haben die gleichen Anforderungen an Präzision und Geschwindigkeit. Piezoantriebe sind für solche Aufgabenstellungen gut geeignet.

Die Antriebe »PIFOC-Z« von Physik Instrumente können sehr klein und steif gebaut werden, was zu Vorteilen bei der Ansprechzeit und der Verfahrpräzision führt. Die spielfreie und hochgenaue Festkörperführung sorgt für eine hohe Fokusstabiltät. Laut Hersteller positionieren sie im Bereich unter einem Nanometer. Die Einschwingzeit von unter 10 ms erhöht die Durchsatzraten und ermöglicht das schnelle Scannen durch Z-Stacks.

Zusammen mit Direktmetrologie, kapazitiven Sensoren und Digitalcontrollern erreichen die Piezoantriebe Linearitäten von 0,06%. Die Integration der Piezoantriebe ins Mikroskop funktioniert folgendermaßen: Zwischen Objektiv und Revolver lassen sich die Antriebe mit einem Schnellverschlussadapter einsetzen. Nach dem Einschrauben des Adapters in den Revolver wird der Antrieb dann darin in der gewünschten Ausrichtung befestigt. Da der Objektivpositionierer selbst nicht gedreht werden muss, ist die Kabelführung unproblematisch.

Für Anwendungen, in denen ein besonders großer freier optischer Durchgang erforderlich ist, gibt es eine Variante mit 29 mm freier Apertur im Gewindeeinsatz. Ein komplettes PIFOC-Z-Scanner-System besteht aus der Piezomechanik und einem darauf abgestimmten kompakten digitalen Controller. Der Anwender profitiert von der dadurch höheren Linearität und der einfacheren Bedienung. So kann der Anwender mit Hilfe entsprechender Rechenalgorithmen auf alle Bewegungsparameter gezielt Einfluss nehmen. Außerdem erlauben digitale Controller die unmittelbare Änderung von Servoparametern, sobald sich beispielsweise die Last ändert.

Da die Piezoantriebe wahlweise mit Dehnungsmessstreifen oder hochauflösenden kapazitiven Sensoren arbeiten, sind allerlei Anpassungsmöglichkeiten an die individuellen Anforderungen der Anwendung gegeben. Auch für Anwendungen, in denen analoge Steuersignale zur Verfügung stehen, lässt sich der Controller einsetzen: Neben zwei digitalen Schnittstellen gehört auch ein breitbandiger Analogeingang zur Standardausrüstung. Die Systeme können wahlweise auch mit der quelloffenen Software »µManager«, »MetaMorph« (MetaVue Software) oder »Matlab« (Mathworks) angesteuert werden.

Der Digitalcontroller »E-709« kann nicht nur mit kapazitiven Sensoren, sondern auch mit einfacheren Messsystemen wie Dehnungsmessstreifen oder piezoresistiven Sensoren arbeiten. Die eingeschränkte Linearität dieser Sensoren verbessert sich durch den digitalen Regler, weil zusätzliche Rechenalgorithmen die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Position minimieren. Damit verbessert sich die Linearität um bis zu drei Größenordnungen.

Im geschlossenen Regelkreis lässt sich bei Bedarf zwischen internem und externem Sensor als Positionsgeber umschalten. Die Kommunikation mit dem Controller ist wahlweise über USB- oder analoge Schnittstelle möglich. Mit »Labview« von National Instruments lässt sich über einen am PC angeschlossenen Joystick außerdem eine quasi manuelle Bedienung realisieren. Die Controller sind auch ohne Gehäuse als OEM-Variante erhältlich. Eine »abgespeckte« Ausführung für eine rein analoge Ansteuerung mit digitalem Regler und digitaler Parameterkontrolle steht ebenfalls zur Verfügung. Hier kann eine Systemkomponente mit analogem Ausgangssignal (beispielsweise Autofokus) direkt die Position vorgeben.