CN102230978A - 原位成型式光学微透镜的激光微制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种新的原位成型式光学微透镜的激光微制造装置及方法，属于生物学、分析化学及医学检测等领域。该套装置与方法将紫外固化光学胶从一定高度释放，滴落在芯片原定位置上，即生物芯片微光谱检测系统的光激发单元和光检测单元的滤光片上，用一定功率的紫外激光照射一定的时间，将光学胶液滴固化成吻合设计形状的光学微透镜。本发明的本质是在需要微透镜的微点平面上直接原位成型光学系统所要求的非球曲面光学微透镜，不需要任何模具或掩模等微尺度辅助工具，避免了传统方法的两大技术难题，方法简单、制作速度快、成本低、适合批量生产。

Description

原位成型式光学微透镜的激光微制造装置及方法
技术领域
本发明提出一种新的原位成型式光学微透镜的激光微制造装置及方法，主要用于制造生物芯片微光谱检测系统的光激发单元和光检测单元的滤光片上面的微透镜，达到提高被测物所激发荧光的聚焦效率和提高生物芯片中微光谱检测灵敏度目的，属于生物学和分析化学及医学检测领域。
背景技术
微生物芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它在微型化基础上可以实现全部生物工程分析过程和整个化验室功能，将采样、稀释、加试剂、反应、分离和检测等功能集成于一个芯片里，因而被通俗地称为“芯片实验室”，其科学性和先进性集中体现在结构缩微和功能集成这两个方面。信号检测是生物芯片技术的重要组成部分，主要包括信号产生、信号收集与传输、信号处理及识别三部分。在各种生物芯片信号检测方法中，荧光微光谱检测法具有重复性好、选择性强、灵敏度高、非破坏性检测等优点，是目前应用最广泛的检测技术之一。2007年Bambang Kuswandi等人在“Optical sensing systems for micro-fluidic devices：A review”中综述概括了从上世纪九十年代到2007年期间各国在生物芯片微流体光学检测系统研究领域中的106篇文献，指出基于MEMS(Micro Electro Mechanical System)微细加工技术的光谱学检测系统微型化集成回路的研究，是生物芯片微流体光学检测系统的发展方向。研制体积小到可嵌入芯片和灵敏度高到能达到生物技术要求的微光谱检测系统已成为当前各国研究的热点之一。
生物芯片的荧光微光谱检测系统包括上部盖芯片和下部载芯片两个部分，图2为上部盖芯片的结构，包括上部盖芯片有机玻璃盖片19、上部盖芯片光激发单元20；图3为下部载芯片的结构，包括下部载芯片有机玻璃载片21、下部载芯片光激发单元22、两个下部载芯片光检测单元23和24、以及限制待检测生物微流体的微通道25。光激发单元的截面图如图4所示，包括产生光的激发光源26、激发光滤光片27、光激发单元微透镜28、光激发单元多层保护薄膜29。光检测单元的截面图如图5所示，包括光检测单元微透镜30、检测光滤光片31、检测光的光电转换器件32、光检测单元多层保护薄膜33。一般情况下，为保证光电转换器件的灵敏度，它的光敏面积比激发光源的发光面积要大一些，因此光检测单元比光激发单元的直径也要大一些。两个光激发单元和两个光检测单元一共4个微透镜全部朝向微通道。微光谱检测系统的工作程序是，从光激发单元的激发光源26发出的光被激发光滤光片27滤光，通过光激发单元微透镜28聚焦，照射微通道25中的待检测生物微流体。待检测生物微流体由激发光激发出荧光，被光检测单元微透镜30采集，通过检测光滤光片31后，被光电转换器件32所接收，变成电信号输出。
在生物芯片荧光微光谱检测系统中，荧光信号微弱的原因是被测物量少、发光点小，而并非被测物的浓度低。使用具有最佳聚焦效果的非球曲面光学微透镜，并且令光学微透镜与微检测工作端面高精度地同光轴粘合，可以提高被测物所激发荧光的聚焦效率，是提高生物芯片中微光谱检测灵敏度的关键之一。目前光学微透镜有多种生产工艺技术，主要方法有：光学树脂液滴喷印法、热塑膜制法、多层光刻蚀成型法。其中光学树脂液滴喷印法只能在X轴和Y轴两个水平方向上实现精确成型，无法在Z轴方向上实现精确成型，即只能实现面成型，无法实现体成型，更不能实现多种形状、多种曲率要求的非球曲面光学微透镜的精确成型。热塑膜制法虽然可以实现多种曲率要求的非球曲面光学微透镜的精确成型，但需要制备高质量、高精度的模板，无疑这将使制造工艺变得非常复杂，大大提高制作成本。多层光刻蚀成型法的基本思路是，分层地实现在X轴和Y轴方向上的面成型，最后叠加在一起，在Z轴方向上实现体成型。虽然它能实现体成型，但其工艺流程十分复杂，必须采用多层干法或湿法进行刻蚀，不断移动和更换掩模来产生所设计的非球曲面形状。
上述几种工艺方法的共有特点是，先单独在另外的基材上制作光学微透镜，然后再将它移至光激发单元或光检测单元的滤光片上，用光学胶粘合。这些制作光学微透镜的方法都面临两个公共的技术难题：
1、当将制作好的光学微透镜剥离制作基材时，需要保证透镜底部水平面的平整度以及与光轴之间的垂直度。
2、当微透镜与光激发单元或光检测单元的滤光片粘合时，需要保证光学微透镜的光轴与光激发单元中的激发光源或光检测单元中的光电转换器件的中心对称轴精确对准。
发明内容
本发明的目的在于克服传统光学微透镜制作方法中存在的两大技术难题，即需要高精确剥离基材和与工作端面高精度同光轴粘合，而且本发明的光学微透镜体积拟小到毫米数量级，甚至微米数量级。透镜的非球曲面形状拟对光的聚焦效果达到最佳，以大大提高检测灵敏度。最终使得微光谱检测系统体积微小化到能嵌入生物芯片中，灵敏度高到能满足生物技术检测中对微弱信号的要求，从而保障分析检验全过程与步骤的顺利完成。
本发明的理论依据：放置于平面洁净基地上的液滴，由于尺度很小，重力的影响可以忽略，液滴面形主要由其自身张力决定；根据表面自由能最小原理，液滴面形可以近似为球冠形。在静电场中，液滴表面受电场作用产生相应的感应电荷，导致液滴表面产生向外的作用力。该作用力与液滴表面张力相互作用，使液滴面形从自然状态下的近似球面向静电场作用下的非球面变化。因此，液滴在静电场中的面形是感应电荷产生的作用力和液滴表面张力相互作用平衡的结果，并且在这一过程中始终保持中心对称和表面积最小。而一定形状的液态导电胶在紫外光辐射下，液态导电胶中的光引发剂受激变为自由基，从而引发材料中含不饱和双键物质间的化学反应(主要是聚合反应)，形成固化了的体型结构。而可见光固化则由能量很高的电子束直接与待固化体系作用，由于分子激发和离子产生，继而生成自由基，使聚合物、单体或者他们的混合物发生聚合、接枝或交联等反应，最终导致体型结构的形成，从而使材料固化。
基于上述理论，本发明采取的技术方案如下：这种光学微透镜的制作工艺过程是，将紫外固化光学胶18从一定高度释放，滴落在芯片原定位置上，即生物芯片微光谱检测系统光激发单元的激发光滤光片27和光检测单元的检测光滤光片31上，当光学胶液滴在工作面自上而下并向四周扩散流淌时，为了保持势能最低，其表面的曲线形状随液体表面张力而变化，但始终保持中心对称和表面积最小，适时地用一定功率的紫外激光器4照射一定的时间，将光学胶液滴固化成吻合设计形状的光学微透镜。如果微透镜一次不能达到所要求的形状，可以多次释放光学胶液滴、多次进行紫外激光的照射固化。
原位成型式光学微透镜的激光微制造装置，包括有二维平移台1、上电极2、紫外激光器4、注射器5、LED照明光源6、反射镜7、计算机10、盛液盒18、与计算机10相连接的面形检测CCD 9、与面形检测CCD 9相连接的低像差物镜8、与二维平移台1相连接的平移台左右步进电机11和平移台前后步进电机12，与上电极2相连接的高压电源3、电极左右步进电机13和电极前后步进电机14，与注射器5相连接的注射器活塞步进电机15、注射器上下步进电机16和注射器左右步进电机17，平移台左右步进电机11、平移台前后步进电机12、电极左右步进电机13、电极前后步进电机14、注射器活塞步进电机15、注射器上下步进电机16、注射器左右步进电机17均与计算机10相连；可移动的上电极2、注射器5均位于二维平移台1的上方：注射器5起始位置正下方只有盛放紫外固化光学胶的盛液盒18。
计算机10通过平移台左右步进电机11和平移台前后步进电机12控制二维平移台1移动，通过电极左右步进电机13和电极前后步进电机14控制上电极2在二维平移台1上方移动，通过注射器上下步进电机16和注射器左右步进电机17控制注射器5在二维平移台1上方的纵向平移和横向平移，通过注射器步进电机15控制注射器5的活塞进行注射器5对盛液盒18里的紫外固化光学胶液滴的吸取和注射动作；计算机10控制高压电源3向上电极2施加高电压，操控液滴透镜的面形；
LED照明光源6与反射镜7分居二维平移台1的左右两侧，横向光路由LED照明光源6照明，反射镜7反射再通过正下方的低像差物镜8使液滴侧面在位于低像差物镜8下端的面形检测CCD 9上成像，然后将面形检测CCD9实时采集的图像信息，传给计算机10进行图像处理，当实时检测到较理想的液滴透镜面形时，通过计算机10控制开启位于二维平移台1上方的紫外激光器4，将紫外固化光学胶液滴固化。
该方法包括以下步骤：
1)将带有激发光滤光片27的光激发单元或带有检测光滤光片31的光检测单元以滤光片朝上的方式置于二维平移台1上方；
2)计算机10通过注射器活塞步进电机15控制注射器5进行紫外固化光学胶液滴的吸取，通过注射器上下步进电机16和注射器左右步进电机17控制注射器5二维移动，使注射器5定位在生物芯片微光谱检测系统光激发单元的激发光滤光片27或光检测单元的检测光滤光片31的正上方；
3)计算机10通过注射器活塞步进电机15控制注射器5进行紫外固化光学胶液滴的下滴，一滴的量约为10μL；
4)计算机10控制高压电源3，向上电极2施加高电压，操控液滴透镜的面形；同时开启LED照明光源6，光线准直后经反射镜7和低像差物镜8使透镜的侧面在面形检测CCD9上成像，然后将面形检测CCD9实时采集的图像信息，传给计算机10进行图像处理；
5)当计算机10实时检测到液滴透镜面形呈现为抛物面形甚至类圆锥形时，通过计算机10控制开启紫外激光器4将液滴固化，得到非球曲面光学微透镜；
6)如果微透镜一次不能达到所要求的形状，可以再次释放紫外固化光学胶的液滴，按照步骤1～4多次进行紫外激光的照射固化。
本发明能够在需要微透镜的微点平面上直接原位成型光学系统所要求的非球曲面光学微透镜，不需要任何模具或掩模等微尺度辅助工具，避免了传统方法的两大技术难题，并且能够通过计算机实施控制监测紫外固化光学胶的形状，方法简单、制作速度快、成本低、适合批量生产，具有巨大的经济效益。
附图说明
图1本发明的结构示意框图
图2生物芯片荧光微光谱检测系统上部盖芯片示意图
图3生物芯片荧光微光谱检测系统下部载芯片示意图
图4光激发单元20和22的具体结构
图5光检测单元23和24的具体结构
图中：1、二维平移台，2、上电极，3、高压电源，4、紫外激光器，5、注射器，6、LED照明光源，7、反射镜，8、低像差物镜，9、面形检测CCD，10、计算机，11、平台左右步进电机，12、平台前后步进电机，13、电极左右步进电机，14、电极前后步进电机，15、注射器活塞步进电机，16、注射器上下步进电机，17、注射器左右步进电机，18、盛液盒，19、上部盖芯片有机玻璃盖片，20、上部盖芯片光激发单元，21、下部载芯片有机玻璃载片，22、下部载芯片光激发单元，23、下部载芯片光检测单元，24、下部载芯片光检测单元，25、微通道，26、激发光源，27、激发光滤光片，28、光激发单元微透镜，29、光激发单元多层保护薄膜，30、光检测单元微透镜，31、检测光滤光片，32、光电转换器件，33、光激发单元多层保护薄膜。
具体实施方式
下面结合附图1～5详细说明本实施例。
本实施例的装置结构示意框图如图1，计算机10能够通过平台左右步进电机11和平台前后步进电机12控制二维平移台1移动，通过电极左右步进电机13和电极前后步进电机14控制上电极2横向平移台和纵向平移台，通过注射器上下步进电机16和注射器左右步进电机17控制注射器5在二维平移台1上方的横向平移和纵向平移，通过注射器步进电机15控制注射器5活塞进行注射器盛液盒里的紫外固化光学胶18液滴的吸取和注射动作；计算机10控制高压电源3，向上电极2施加高电压，操控液滴透镜的面形；LED照明光源6与反射镜7分居二维平移台1的左右两侧，横向光路由LED照明光源6照明，反射镜7反射再通过正下方的低像差物镜8使液滴侧面在位于低像差物镜8下端的面形检测CCD 9上成像，然后将面形检测CCD 9实时采集的图像信息，传给计算机10进行图像处理，当实时检测到较理想的液滴透镜面形时，通过计算机10控制开启位于二维平移台1上方的紫外激光器4，将紫外固化光学胶18液滴固化，从而得到具有良好光学性能的固体非球面透镜。
采用LED照明光源6、反射镜7、低像差物镜8、面形检测CCD 9和计算机组成的横向检测光路模块中，低像差物镜8用于检测非球面镜的侧面形貌图像。液滴透镜的面形在不同强度和不同分布的电场下发生变形，检测面形图像并经过二值化、轮廓提取、多项式拟合的一系列图像处理，可以计算液滴透镜和基底的接触角、透镜面形表达式、透镜面形主曲率等参数。利用多项式拟合出的透镜面形表达式，通过光线追迹法可以进一步计算透镜的焦距和各种像差系数，从而研究非球面液滴透镜在电场中的变形规律，总结具有良好光学性能的非球面透镜的制作工艺。因此为了更精确地测量非球面透镜的面形图像，透镜面形检测光路的物镜要求具有较低的像差，特别是很低的畸变，采用低像差物镜8可以使图像失真率保持在较小值，可以实现透镜面形图像的精确测量。紫外固化光学胶18在光固化过程中，由于树脂的交联等原因会发生收缩，因而液滴受紫外光照射发生液固相变时产生体积收缩。针对微透镜在固化过程中收缩变形的问题，我们可以通过多次释放液滴和调节上电极2电压调整透镜面形。
具体的制作方法为：
1)计算机10通过注射器活塞步进电机15控制注射器5进行紫外固化光学胶18液滴的吸取，通过注射器上下步进电机16和注射器左右步进电机17控制注射器5二维移动，使注射器5精确定位在生物芯片微光谱检测系统光激发单元的激发光滤光片27或光检测单元的检测光滤光片31的正上方；
生物芯片的荧光微光谱检测系统包括上部盖芯片和下部载芯片两个部分，图2为上部盖芯片的结构，包括上部盖芯片有机玻璃盖片19和位于中部的上部盖芯片光激发单元20；图3为下部载芯片的结构，包括下部载芯片有机玻璃载片21、下部载芯片光激发单元22、两个下部载芯片光检测单元23和24、以及限制待检测生物微流体的微通道25。两个下部载芯片光检测单元23和24分居在芯片中部微通道25两侧，而下部载芯片光激发单元22位于微通道25中下侧。光激发单元的截面图如图4所示，包括依次叠层排列的产生光的激发光源26、激发光滤光片27、光激发单元微透镜28和分居光激发单元两侧的光激发单元多层保护薄膜29。光检测单元的截面图如图5所示，包括依次叠层排列的光检测单元微透镜30、检测光滤光片31、检测光的光电转换器件32和分居光检测单元两侧的光检测单元多层保护薄膜33。一般情况下，为保证光电转换器件的灵敏度，它的光敏面积比激发光源的发光面积要大一些，因此光检测单元比光激发单元的直径也要大一些。两个光激发单元和两个光检测单元一共4个微透镜全部朝向微通道25。
2)计算机10通过注射器活塞步进电机15控制注射器5进行紫外固化光学胶18液滴的下滴，一滴的量约为10μL；
3)计算机10控制高压电源3，向上电极2施加高电压，操控液滴透镜的面形。同时开启LED照明光源6，光线准直后经反射镜7和低像差物镜8使透镜的侧面在面形检测CCD 9上成像，然后将面形检测CCD 9实时采集的图像信息，传给计算机10进行图像处理。
4)当计算机10实时检测到液滴透镜面形呈现为抛物面形甚至类圆锥形时，通过计算机10控制开启紫外激光器4一段时间，将液滴固化，从而得到具有良好光学性能的非球曲面光学微透镜。
5)如果微透镜一次不能达到所要求的形状，可以再次释放紫外固化光学胶18的液滴，按照步骤1～4多次进行紫外激光的照射固化。
由于本发明能够在需要微透镜的生物芯片微光谱检测系统的光激发单元和光检测单元微点平面上直接原位成型光学系统所要求的非球曲面光学微透镜，不需要任何模具或掩模等微尺度辅助工具，避免了传统方法的两大技术难题，即需要高精确剥离基材和与工作端面高精度同光轴粘合，而且本发明的光学微透镜体积拟小到毫米数量级，甚至微米数量级。透镜的非球曲面形状拟对光的聚焦效果达到最佳，以大大提高检测灵敏度。最终使得微光谱检测系统体积微小化到能嵌入生物芯片中，灵敏度高到能满足生物技术检测中对微弱信号的要求，从而保障分析检验全过程与步骤的顺利完成。

Claims (2)

1.原位成型式光学微透镜的激光微制造装置，其特征在于：包括有二维平移台(1)、上电极(2)、紫外激光器(4)、注射器(5)、LED照明光源(6)、反射镜(7)、计算机(10)、盛液盒(18)、与计算机(10)相连接的面形检测CCD(9)、与面形检测CCD(9)相连接的低像差物镜(8)、与二维平移台(1)相连接的平移台左右步进电机(11)和平移台前后步进电机(12)，与上电极(2)相连接的高压电源(3)、电极左右步进电机(13)和电极前后步进电机(14)，与注射器(5)相连接的注射器活塞步进电机(15)、注射器上下步进电机(16)和注射器左右步进电机(17)，平移台左右步进电机(11)、平移台前后步进电机(12)、电极左右步进电机(13)、电极前后步进电机(14)、注射器活塞步进电机(15)、注射器上下步进电机(16)、注射器左右步进电机(17)均与计算机(10)相连；可移动的上电极(2)、注射器(5)均位于二维平移台(1)的上方：注射器(5)起始位置正下方只有盛放紫外固化光学胶的盛液盒(18)；
计算机(10)通过平移台左右步进电机(11)和平移台前后步进电机(12)控制二维平移台(1)移动，通过电极左右步进电机(13)和电极前后步进电机(14)控制上电极(2)在二维平移台(1)上方移动，通过注射器上下步进电机(16)和注射器左右步进电机(17)控制注射器(5)在二维平移台(1)上方的纵向平移和横向平移，通过注射器步进电机(15)控制注射器(5)的活塞进行注射器(5)对盛液盒(18)里的紫外固化光学胶液滴的吸取和注射动作；计算机(10)控制高压电源(3)向上电极(2)施加高电压，操控液滴透镜的面形；
LED照明光源(6)与反射镜(7)分居二维平移台(1)的左右两侧，横向光路由LED照明光源(6)照明，反射镜(7)反射再通过正下方的低像差物镜(8)使液滴侧面在位于低像差物镜(8)下端的面形检测CCD(9)上成像，然后将面形检测CCD(9)实时采集的图像信息，传给计算机(10)进行图像处理，当实时检测到较理想的液滴透镜面形时，通过计算机(10)控制开启位于二维平移台(1)上方的紫外激光器(4)，将紫外固化光学胶液滴固化。
2.利用权利要求1所述的原位成型式光学微透镜的激光微制造装置的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将带有激发光滤光片(27)的光激发单元或带有检测光滤光片31的光检测单元以滤光片朝上的方式置于二维平移台(1)上方；
2)计算机(10)通过注射器活塞步进电机(15)控制注射器(5)进行紫外固化光学胶液滴的吸取，通过注射器上下步进电机(16)和注射器左右步进电机(17)控制注射器(5)二维移动，使注射器(5)定位在生物芯片微光谱检测系统光激发单元的激发光滤光片(27)或光检测单元的检测光滤光片(31)的正上方；
3)计算机(10)通过注射器活塞步进电机(15)控制注射器(5)进行紫外固化光学胶液滴的下滴，一滴的量约为10μL；
4)计算机(10)控制高压电源(3)，向上电极(2)施加高电压，操控液滴透镜的面形；同时开启LED照明光源(6)，光线准直后经反射镜(7)和低像差物镜(8)使透镜的侧面在面形检测CCD(9)上成像，然后将面形检测CCD(9)实时采集的图像信息，传给计算机(10)进行图像处理；
5)当计算机(10)实时检测到液滴透镜面形呈现为抛物面形甚至类圆锥形时，通过计算机(10)控制开启紫外激光器(4)将液滴固化，得到非球曲面光学微透镜；
6)如果微透镜一次不能达到所要求的形状，再次释放紫外固化光学胶的液滴，按照步骤1～4多次进行紫外激光的照射固化。
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