CN103115584B - 原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统 - Google Patents

Abstract

原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统，用于对原位成形光学微透镜的制造进行实时监测，以保证实时控制原位成形光学微透镜的非球工作曲面曲率和尺寸精度，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，属于生物学和分析化学及医学检测领域。系统包括光源和摄像头，并根据拍摄透明物体的采光理论设计了三种采光方式，包括背光法、直接侧光法、反射侧光法，分别采用柔光板、挡光板、挡光板和反光板及其光源。以上各器件吊装在旋转支架上，由步进电机带动围绕被测的透明液滴旋转拍摄，进而得到360°的方位图像。并且摄像头前设置偏振片，摄像头镜头的四周设置黑色遮光板，有效避免透明液滴产生的杂散光。

Description

原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统

技术领域

本发明提出一种原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统，主要用于对原位成形光学微透镜的制造进行实时监测，以保证原位成形光学微透镜的非球曲面的曲率和尺寸精度达到技术要求，属于生物学和分析化学及医学检测领域。

背景技术

微生物芯片近年来在生命科学领域中是已迅速发展起来的一项高新技术，其实质是：在微型化基础上将全部生化分析过程和整个化验室功能(如：采样，稀释，加试剂，反应，分离和检测等)集成（嵌入）在邮票或者信用卡大小的芯片里，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。其中的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选择性好、能作微量的定性定量分析、具有非破坏性等优点，已成为生物芯片领域中应用最广泛、灵敏度最高的检测技术之一。

目前光谱微检测系统中多使用光电倍增管（PMT）或电荷耦合元件（CCD）进行光电转换，这些元件及其配套的光路系统体积大，不可能嵌入生物芯片中，大大地阻碍了生物芯片集成化的提高，成为生物芯片发展的瓶颈。因此，研制体积小到可嵌入芯片和灵敏度高能达到生物技术要求的光谱微检测系统势在必行。目前国内外的相关研究尚处在初级探索阶段。在生物芯片的荧光光谱检测时，荧光信号微弱的原因是被测物量少、发光小，而并非单位体积的荧光信号强度降低。使用特定曲面形状的光学微透镜可增大系统的光子采集总量，并且使微透镜与检测工作端面高精度地同光轴粘合可增大系统的光强聚焦效率。因此，获得特定光学微透镜和实现高精度同光轴粘合是体积特征尺寸在毫米和亚毫米量级时提高微体积光谱微检测灵敏度的有效手段。

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。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共同的技术难题：一是当将制作好的光学微透镜剥离制作基材时，难以保证透镜底部水平面的平整度以及与光轴之间的垂直度。二是当微透镜与光激发单元或光检测单元的滤光片粘合时，难以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。本发明的原位成形法光学微透镜可以克服了上述两大难题，实现高精度同光轴粘合。具体工艺过程是，将掺入一定比例石英纳米粒子的紫外固化光学胶从一定高度释放滴在芯片原定位置上，当胶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，适时地紫外激光照射，将其固化成吻合设计形状的光学微透镜。该方法有助于基因荧光微检测系统实现微体积和高灵敏度，即体积微小到可以直接嵌入到生物芯片内，灵敏度高到能满足微生物信号检测的技术要求。

虽然原位成形法制作微透镜虽然能够使得光学微透镜与微检测工作端面高精度地同光轴粘合。但是在制作微透镜过程中面临着另一个技术难题：微透镜的非球工作曲面曲率和尺寸精度影响透镜的聚焦效果，这是影响生物芯片中微光谱检测灵敏度的关键之一。当加工制作原位成形微透镜时，由于某些因素（如非均匀固化或内部与表面收缩张力差异以及在控制接触角时基底界面特性差异等），造成激光固化的原位微透镜的非球工作曲面曲率和尺寸精度不能达到设计技术要求，使得原位成形微透镜对对光的聚焦效率降低，检测灵敏度同样也将降低，这将使得微光谱检测系统灵敏度无法满足对微弱生物信号检测的技术要求。

由于微透镜尺寸在毫米数量级，同时具有透明的性质，以及表面光滑容易反光的特点，其轮廓图像的捕捉是一个难题。因此，一种高速、高分辨率的透明微型流动液体动态轮廓捕捉技术对原位成形光学微透镜制造十分重要。

发明内容

本发明的目的即在于提供一种能够360°捕捉微型流动透明液体的监测装置，可用于原位成形光学微透镜制造时的对形成微透镜的光学胶的动态形状进行监测。

为了实现上述目的，本发明根据对透明物体拍摄时不同的采光方法，采取了三种技术方案设计原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统：

1、根据背光照明法：让光线透过透射性柔光板，作为照亮紫外固化光学胶的唯一光源。原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统包括包括光源、柔光板、摄像头，所述光源、柔光板、摄像头依次成一线设置在旋转支架上，并且摄像头前设置偏振片，摄像头镜头的四周设置黑色遮光板；所述支架由步进电机带动旋转，并且支架每旋转9°摄像头拍摄一次。在这种光线条件下，光学胶反光不会过于强烈，光学胶深暗的轮廓线条可以较好的表现出来。

2、根据直接侧光照明法：将黑色背景纸作为紫外固化光学胶的摄像背景，原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统包括光源、挡光板、摄像头，所述光源、挡光板、摄像头依次成一线设置在旋转支架上，并且所述挡光板的宽度与被摄工件的拍摄宽度一致，所述摄像头前设置偏振片，摄像头镜头的四周设置黑色遮光板；所述支架由步进电机带动旋转，并且支架每旋转9°摄像头拍摄一次。上述设置光线射向紫外固化光学胶的途中被黑色背景纸背面遮挡，部分光线由背景纸侧面射入微透镜容纳区内，提供柔和的光线照明。

3、根据反射侧光照明法：将黑色背景纸作为紫外固化光学胶的摄像背景，原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统包括反光板、光源、挡光板、摄像头，所述反光板、光源、挡光板、摄像头依次成一线设置在旋转支架上，并且所述光源投向所述反光板，所述挡光板的宽度与被摄工件的拍摄宽度一致，所述摄像头前设置偏振片，摄像头镜头的四周设置黑色遮光板；所述支架由步进电机带动旋转，并且支架每旋转9°摄像头拍摄一次。上述设置光线并不直接射向紫外固化光学胶一侧，而是射向另一侧，经由软反光板反射后，部分光线被黑色背景纸遮挡，部分光线由背景纸侧面射入微透镜容纳区内，提供柔和的光线照明。

上述步进电机可以以步距角θ=0.9°旋转，转速为1000pps～3000pps。该步进电机可带动旋转支架围绕被拍摄物360°旋转。

上述CCD摄像头模块的图像解析度为800万像素，即水平像素数×垂直像素数=3264*2448，适用于微小透镜的摄像和放大处理。摄像头具有自动白平衡调整，能够在不同的色温环境下自动调节三基色的比例来达到色彩的平衡。被摄的紫外固化光学胶通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片中进行图像数据处理，提供给质量控制系统进行质量控制。

以上方案中的偏振片便可以消除微透镜表面的强反光，从而消除或减轻光斑；遮光板用于消除光学胶反射的摄像头影像。

本发明的有益效果：

1、填补了原位成形光学微透镜制造技术中对微透镜形状精确监测的空白；

2、能够提供高分辨率的微透镜影像给后期质量控制系统进行质量控制处理，使得质量控制系统形成一个完整的闭环控制系统；

3、本发明采用的透明微型流动液体动态轮廓捕捉设备的分辨率达到微米数量级，满足微光谱检测系统嵌入生物芯片中的应用要求。

附图说明

图1为采用背光照明法或直接侧光照明法的透明微型流动液体动态轮廓捕捉系统的结构示意图；

图2为采用背光照明法的透明微型流动液体动态轮廓捕捉系统原理示意图；

图3为采用直接侧光照明法的透明微型流动液体动态轮廓捕捉系统原理示意图；

图4为采用反射侧光照明法的透明微型流动液体动态轮廓捕捉系统的结构示意图；

图5为采用反射侧光照明法的透明微型流动液体动态轮廓捕捉系统的原理示意图。

图中：1、光源，2、光具架，3、微检测工作端面，4、紫外固化光学胶（微透镜），5、摄像头，6、偏振片，7、黑色遮光板，8、柔光板，9、挡光板，10、反光板，11、步进电机。

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明做进一步详细说明。

本发明用于原位成形光学微透镜的制造，其中微透镜由液态的光学胶固化而成。具体为将掺入一定比例石英纳米粒子的液态紫外固化光学胶4从一定高度释放滴在微检测工作端面3，然后对液滴进行塑形，符合微透镜曲面要求后进行固化。本发明的透明微型流动液体轮廓捕捉系统即用于监测对液滴的塑形过程。

本发明的透明微型流动液体轮廓捕捉系统采用一根吊装的可转动的光具架，系统中各器件设置在光具架下面，光具架在步进电机11的带动下围绕微检测工作端面3上的紫外固化光学胶4旋转。根据不同的采光法，本系统可采用三种方式：

1、采用背光照明法，如图1、2让光线透过透射性柔光板，作为照亮紫外固化光学胶的唯一光源。各器件包括光源1、柔光板8、摄像头5，所述光源、柔光板、摄像头依次设置在光具架2上，并且摄像头5前设置偏振片6，摄像头镜头的四周设置黑色遮光板7。

2、采用直接侧光照明法，如图1、3将黑色背景纸作为紫外固化光学胶的摄像背景。光线射向紫外固化光学胶的途中被黑色背景纸背面遮挡，部分光线由背景纸侧面射入微透镜容纳区内。各器件包括光源1、挡光板9、摄像头5，所述光源、挡光板、摄像头依次设置在光具架上，并且所述挡光板的宽度与被摄工件（紫外固化光学胶4）的拍摄宽度尺寸基本一致，挡光板的宽度稍大于被摄工件的宽度，所述摄像头前设置偏振片6，摄像头镜头的四周设置黑色遮光板7。

3、采用反射侧光照明法，如图4、5将黑色背景纸作为紫外固化光学胶的摄像背景，光线经由软反光板反射后，部分光线被黑色背景纸遮挡，部分光线由背景纸侧面射入微透镜容纳区内。各器件包括光源1、挡光板9、摄像头5、反光板10，所述反光板、光源、挡光板、摄像头依次设置在光具架2上，并且所述光源投向所述反光板，所述挡光板的宽度与被摄工件（紫外固化光学胶4）的拍摄宽度尺寸基本一致，挡光板9的宽度稍大于被摄工件的宽度，所述摄像头前设置偏振片6，摄像头镜头的四周设置黑色遮光板7。

在这三种光线条件下，光学胶反光不会过于强烈。光学胶深暗的轮廓线条可以较好的表现出来。

其中，步进电机11以步距角θ=0.9°旋转，转速1000pps～3000pps。摄像头5的快门速度在1/500秒以上，图像解析度为800万像素。步进电机11每旋转9°，摄像头拍摄一次，拍摄的图像数据存储到存储器中，留待后续处理。

Claims (4)

1.原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统，包括光源、挡光板、摄像头，其特征在于：所述光源、挡光板、摄像头依次成一线设置在旋转支架上，并且所述挡光板的宽度与被摄工件的拍摄宽度一致，所述摄像头前设置偏振片，摄像头镜头的四周设置黑色遮光板；所述支架由步进电机带动旋转，并且支架每旋转9°摄像头拍摄一次。

2.原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统，包括反光板、光源、挡光板、摄像头，其特征在于：所述反光板、光源、挡光板、摄像头依次成一线设置在旋转支架上，并且所述光源投向所述反光板，所述挡光板的宽度与被摄工件的拍摄宽度一致，所述摄像头前设置偏振片，摄像头镜头的四周设置黑色遮光板；所述支架由步进电机带动旋转，并且支架每旋转9°摄像头拍摄一次。

3.如权利要求1或2所述的原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统，其特征在于：所述步进电机以步距角θ=0.9°旋转，转速为1000pps～3000pps。

4.如权利要求1或2所述的原位液体成形光学微透镜制造中透镜动态轮廓捕捉系统，其特征在于：所述摄像头为CCD摄像头，其图像解析度为800万像素。