CN101710131A - 离焦数字三维微流场荧光测试仪 - Google Patents

离焦数字三维微流场荧光测试仪 Download PDF

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离焦数字三维微流场荧光测试仪，包括倒置的荧光显微镜，在荧光显微镜入口光路中设置有物镜，荧光显微镜的侧面接口连接有冷CCD，且在荧光显微镜与物镜之间设置有针孔掩膜板，物镜的上端设置有圆环形的显微镜载物台，显微镜载物台上设置有带有入口和出口的微流体器件，该微流体器件的上端设置有作为激发光源的单色仪，单色仪的激发光波经微流体器件照射后发射出更长波长的发射光波，发射光波及由微流体器件壁面上反射的杂散光波经显微镜载物台进入物镜。本发明通过对荧光示踪微球的荧光图像进行图像处理，获得微流体器件内工作样品的三维流场信息。发明采用示踪微球荧光成像与针孔成像相结合，实现了对微流体器件内流场的三维可视化测量。

Description

离焦数字三维微流场荧光测试仪
技术领域
本发明涉及一种三维微流场可视化测量装置，特别涉及一种适用于纳米压印工艺中抗蚀剂的离焦数字三维微流场荧光测试仪。
背景技术
超大规模集成电路的快速发展要求制作在单位面积上的特征越来越小，压印光刻技术为大规模集成电路的生产提供了一种经济的方案。纳米压印工艺制造微纳米器件具有低成本、高分辨率、高效率、可并行操作等显著优点，然而，在纳米压印工艺中抗蚀剂流动填充过程对最终压印成型质量、压印效率有直接影响，掌握抗蚀剂流动填充机理，并精确控制该过程、准确预测抗蚀剂流动和填充过程对提高压印成型质量、优化压印模具结构有重要意义。
目前，对纳米压印工艺中抗蚀剂填充过程的研究多集中在数值计算分析方面，且多是针对热压印工艺。在实验研究方面，主要采用了光学观测法和电容观测法，这两种方法均可监测到抗蚀剂在模具凹槽内的填充饱和度，但就认识抗蚀剂流动填充机理而言，仍显不足。为此，希望能借助微流场可视化技术来获知抗蚀剂的流动特性，但现有较为成熟的测量技术亦存在不足之处，如micro-PIV(micro Particle Image Velocimetry)技术主要应用于二维微流场测量；micro-PTV(micro Particle Tracking Velocimetry)技术可用于三维微流场测量，但其装置需三个CCD，且CCD之间有严格的位置要求，CCD数量的增多也增加了设备成本；DHPIV(Digital holographic particle imagevelocimetry)是基于两帧记录时间间隔Δt已知的全息数字记录重建的两个粒子分布空间场的信息，采用三维互相关方法和技术，取得粒子的位移场、速度场，然该方法观测空间小，目前仅限于1cm3，分辨率有限，且其观测系统易受环境因素影响，其应用仍处于实验室阶段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑、经济的离焦数字三维微流场荧光测试仪，在降低了系统成本同时，满足高分辨率测量的要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括倒置的荧光显微镜，在荧光显微镜入口光路中设置有物镜，荧光显微镜的侧面接口连接有冷CCD，且在荧光显微镜与物镜之间设置有针孔掩膜板，物镜的上端设置有圆环形的显微镜载物台，显微镜载物台上设置有带有入口和出口的微流体器件，该微流体器件的上端设置有作为激发光源的单色仪，单色仪的激发光波经微流体器件照射后发射出更长波长的发射光波，发射光波及由微流体器件壁面上反射的杂散光波经显微镜载物台进入物镜。
本发明的荧光显微镜主体光路中还安装有长通滤光片；针孔掩膜板为三针孔式掩膜板。
本发明采用示踪微球荧光成像与针孔成像相结合，实现了对微流体器件内流场的三维可视化测量，其装置结构简单紧凑，使用单CCD成像减低了成本，实现了对微流体器件内流场的三维可视化测量。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是离焦概念的二维图形表示；
图3是本发明的系统原理图。
具体实施方式
正面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括倒置的荧光显微镜7，在荧光显微镜7入口光路中设置有物镜9，荧光显微镜7的侧面接口连接有冷CCD6，且在荧光显微镜7与物镜9之间设置有三针孔式掩膜板5，荧光显微镜7主体光路中还安装有长通滤光片8，物镜9的上端设置有圆环形的显微镜载物台4，显微镜载物台4上设置有带有入口3和出口10的微流体器件2，该微流体器件2的上端设置有作为激发光源的单色仪1，单色仪1的激发光波12经微流体器件2照射后发射出更长波长的发射光波11，发射光波11及由微流体器件2壁面上反射的杂散光波经显微镜载物台4进入物镜9。
当播撒有荧光微球的工作流体流经微流体器件2的入口3和出口10时，调整位于微流体器件正上方的单色仪1的输出光波，使其波长与荧光微球激发波长相对应，荧光微球受激发光波12照射后，发射出更长波长的发射光波11，发射光波11及由微流体器件壁面上反射的杂散光波进入物镜9，来自荧光微球的发射光波及杂散光穿过针孔掩膜板5，经长通滤光片8对杂散光进行滤除，最终，荧光微球的荧光信号经荧光显微镜7主体光路后到达高灵敏度冷CCD6靶面上，CCD将采集到的荧光微球的荧光信号记录。
本发明针对紫外纳米压印工艺的特点，基于离焦数字测试原理，搭建离焦数字三维微流场荧光测试仪，离焦数字系统工作原理可以通过用二维成像系统原理图来描述，如图2所示。
在图2(a)中，针孔处于针孔掩模板中间，处在参考平面(焦平面)上的粒子由A点发射出的光线依次经由透镜、针孔掩膜板后会在CCD像平面上的形成光斑A′。而偏离参考平面的粒子由B点发射出的光线经由透镜、针孔掩膜板后会在CCD像平面上形成光斑B′，A′、B′在CCD上成像光斑如图2(b)右侧所示。仅从A′或B′两光斑位置是无法获得粒子的实际位置信息的。但当掩模板上针孔数目增加时，其光路将会如图2(b)中所示，掩模板上有上下两个针孔，粒子由A点发射出的光线经透镜、针孔掩膜板后在CCD像平面上的形成光斑A′，而粒子由B点发射出的光线经由透镜、针孔掩膜板后会在CCD像平面上的形成光斑B′和B″，光斑B′和B″之间的间距为b。随之粒子远离参考平面，b的值随之变大，通过考察b值的变化为测算粒子深度信息提供了一种方法。
虽然通过在透镜后放置具有两个针孔的掩膜板的方法可以测算出粒子运动的深度信息，但当粒子从参考平面一侧运动至另一侧时，在CCD上所成光斑形状形同或类似，给粒子Z向位移的测算带来困难。为此，将掩模板上针孔数增加至三个，且三个针孔中心点呈等边三角形分布，三角形中心与掩模板中心重合，其成像光路如下图3所示，同一粒子位于参考平面两侧时会在CCD像平面上呈两组由光斑构成的互为倒置等边三角形的图像，由此可判定粒子所处区域。根据荧光微球在CCD上成像光斑坐标(x，y)与示踪微球的空间坐标(X，Y，Z)之间的坐标关系，可确定时间序列上流场内示踪微球的位移及速度信息。

Claims (3)

1.离焦数字三维微流场荧光测试仪，其特征在于：包括倒置的荧光显微镜(7)，在荧光显微镜(7)入口光路中设置有物镜(9)，荧光显微镜(7)的侧面接口连接有冷CCD(6)，且在荧光显微镜(7)与物镜(9)之间设置有针孔掩膜板(5)，物镜(9)的上端设置有圆环形的显微镜载物台(4)，显微镜载物台(4)上设置有带有入口(3)和出口(10)的微流体器件(2)，该微流体器件(2)的上端设置有作为激发光源的单色仪(1)，单色仪(1)的激发光波(12)经微流体器件(2)照射后发射出更长波长的发射光波(11)，发射光波(11)及由微流体器件(2)壁面上反射的杂散光波经显微镜载物台(4)进入物镜(9)。
2.根据权利要求1所述的离焦数字三维微流场荧光测试仪，其特征在于：所说的荧光显微镜(7)主体光路中还安装有长通滤光片(8)。
3.根据权利要求1所述的离焦数字三维微流场荧光测试仪，其特征在于：所说的针孔掩膜板(5)为三针孔式掩膜板，且三个针孔中心点呈等边三角形分布，三角形中心与针孔掩模板中心重合。
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