CN103149606B - 原位成形式光学微透镜制造的实时监测和质量控制系统 - Google Patents

Abstract

原位成形式光学微透镜制造的实时监测和质量控制系统，主要用于对原位成形光学微透镜的制造进行实时监测和修正，以保证原位成形光学微透镜的非球工作曲面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。该系统由调整机构、监测机构、质量控制机构和中心控制机构组成，主要由工作平台、透明液体动态轮廓摄影系统、弧面微吹风工作头、计算机分别构成调整机构、监测机构、质量控制机构和中心控制机构的主要部件。其中弧面微吹风工作头与形成微透镜的光学胶液滴吻合，并设有多个风力调整孔，在监测机构的实时监测下，使液滴的形状符合透镜要求。采用本系统制作原位上的光学微透镜具有精度高、速度快、方法简单、成本较低的特点。

Description

原位成形式光学微透镜制造的实时监测和质量控制系统

技术领域

本发明提出一种原位成形式光学微透镜制造的实时监控和质量控制系统，主要用于对原位成形光学微透镜的制造进行实时监测和实时修正，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，而并非被测物发射荧光强度降低。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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精细控制在原位由液态光学物质形成的微透镜的形状的系统。

为了实现上述目的，本发明设计了原位成形式光学微透镜制造的实时监测和质量控制系统，该系统由调整机构、监测机构、质量控制机构和中心控制机构组成。所述调整机构由工作平台及调整工作平台位置的工作平台前后步进电机、工作平台左右步进电机、工作平台上下步进电机和工作平台旋转电机组成，且各步进所述电机由所述中心控制机构控制；所述监测机构由透明液体动态轮廓摄影系统构成，该系统可围绕所述工作平台对工作平台上的工件进行360°的拍摄，并将拍摄信息送到所述中心控制机构；所述质量控制机构由弧面微吹风工作头、与弧面微吹风工作头相连接的微吹吸风系统、带动弧面微吹风工作头转动的转动电机、能够照射工作平台上整个工件的紫外激光器组成，且所述弧面微吹风工作头位于工作平台的上方，其中，所述弧面微吹风工作头为内凹的球形弧面，且弧面上均匀设置五个以上的圆形进出风小孔，并在弧面四周均匀设置四个椭圆形紫外激光出孔，所述微吹吸风系统为与所述圆形进出风小孔个数对应的吹吸管及与所述紫外激光出孔对应的小型紫外激光器，且所述吹吸管的吹风或吸风以及吹/吸强度的大小由所述中心控制机构控制吹/吸转换阀及吹风机实现，所述小型紫外激光器的启停由所述中心控制机构控制，所述转动电机由所述中心控制机构控制；所述中心控制机构由计算机构成。

本发明的有益效果在于：本发明能够克服在制作原位成形光学微透镜过程中某些因素对微透镜的曲率半径精度的影响，使得微透镜对光的聚焦效率达到最佳。并且本系统通过计算机的实时监测控制微透镜局部的曲率形状，具有精度高、速度快、方法简单、成本较低的特点，适合大量生产，具有很大经济效益。

附图说明

图1本发明原位成形式光学微透镜制造的实时监测和质量控制系统的结构示意图；

图2本发明中弧面微吹风工作头的吹风端面示意图。

图中：1、工作平台，2、透明液体动态轮廓摄影系统，3、弧面微吹风工作头，4、转动电机，5、微吹吸风系统，6、工作平台前后步进电机，7、工作平台左右步进电机，8、工作平台上下步进电机，9、工作平台旋转电机，10、小型紫外激光器，11、计算机，12、进出风小孔，13、紫外激光出孔，14、紫外激光器。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一个优选实施例。

本实施例结构示意框图如图1，主要由工作平台1、透明液体动态轮廓摄影系统2、弧面微吹风工作头3、计算机11组成，分别为本系统中调整机构、监测机构、质量控制机构和中心控制机构的主要部件。其中，

工作平台1具有上下、左右、前后、旋转四个维度的移动功能，并且设置有工作平台前后步进电机6、工作平台左右步进电机7、工作平台上下步进电机8和工作平台旋转电机9，使工作平台在四个维度移动，并能够通过计算机11控制各步进电机实现自动控制。

透明液体动态轮廓摄影系统2为带有摄像头的梁架结构，并在步进电机的带动下能够围绕工作平台1移动，能够对工作平台1上的工件（透明胶滴）实现360°拍摄。

弧面微吹风工作头3为内凹的球面，其上设有进出风小孔12及紫外激光出孔13，本实施例中进出风小孔12为九个，每排三个，横纵各三排均匀设置于球面上；与弧面微吹风工作头3还连接有微吹吸风系统5，该系统为九根分别与所述进出风小孔12连接的气管，并且各气管通过切换阀分别与正压气源和负压气源连接，正压气源和负压气源分别由吹风机的出风口和进风口产生；还设置有转动电机4，能够带动弧面微吹风工作头3水平转动；还设置有小型紫外激光器10，其发出的激光通过紫外激光出孔13射出，本实施例中紫外激光出孔13为四个，并且为椭圆形孔，均匀分布于所述球面的四周；并且在工作平台1上方还设置有紫外激光器14，用于对透明胶滴固化。

计算机11为中心控制机构，其可控制透明液体动态轮廓摄影系统2围绕工作平台1转动和拍摄，并接收拍摄的图片信息；还可控制工作平台1的四个维度的步进电机6-9和转动电机4，从而调整工作平台1和弧面微吹风工作头3位置，使工作平台1上的透明胶滴与弧面微吹风工作头3的球形弧面对应；还可控制微吹吸风系统5中的切换阀的切换和吹风机的功率，以及小型紫外激光器9和紫外激光器14的启停。

本实施例中弧面微吹风工作头3位于工作平台1上方。工作时，透明液体动态轮廓摄影系统2实时拍摄胶滴的动态轮廓，将动态轮廓的高动态范围影像放大，并进行数字化处理，送入计算机11中，通过软件比较胶滴的动态轮廓与理想的胶滴轮廓，得到比较数据，确定胶滴曲率半径不合格处。计算机11通过控制旋转电机4控制弧面微吹风工作头3旋转，使得弧面微吹风工作头吹风端弧面与胶滴曲率半径不合格处弧面吻合，计算机11通过控制工作平台前后步进电机6、工作平台左右步进电机7、工作平台上下步进电机8和工作平台旋转电机9控制工作平台1前后左右上下移动并且旋转，通过控制微吹吸风系统5控制弧面微吹风工作头3，使得不同进出风小孔12可调整强度地吹风或倒吸，改善微透镜的曲率不合格处曲率半径，使该处曲率形状达到技术要求，并且计算机11控制小型紫外激光器9从紫外激光出孔13出射激光对该处短时间预固化。透明液体动态轮廓摄影系统2不断对透明胶滴实时监测，并反复上述过程改善微透镜曲率半径不合格处曲率使之达到技术要求并预固化，使得整个原位成形微透镜的曲率半径达到技术要求，此时计算机11控制紫外激光器14对整个微透镜强光固化，从而得到对光的聚焦效率最佳的光学微透镜。具体的实施过程为：

1)在胶滴滴落在芯片原定位置上向四周扩散流淌时，透明液体动态轮廓摄影系统2实时拍摄胶滴的动态轮廓，将动态轮廓的高动态范围影像放大，进行数字化处理，将处理好的胶滴轮廓数据送入到计算机11中。

2)计算机11通过软件将胶滴的轮廓与理想的胶滴轮廓进行比较，得到比较数据，检测到胶滴曲率半径不合格的位置，并获得该位置的胶滴曲率半径数据。计算机11控制工作平台前后步进电机5、工作平台左右步进电机6、工作平台上下步进电机8、工作平台旋转电机7使得检测到的胶滴曲率半径不合格位置到达弧面微吹风工作头3处，计算机11根据该位置的胶滴曲率半径数据控制转动电机4使得弧面微吹风工作头3转动，使得弧面微吹风工作头3的吹风端弧面（如图2）与检测到的曲率半径不合格处弧面吻合。

3)计算机11根据检测到的曲率半径不合格处的曲率半径数据精确地控制微吹吸风系统5，进而精确地控制弧面微吹风工作头3的进出风小孔12彼此间可不相同地吹风或倒吸，并且强度可精确地调整，从而引导和改变胶滴曲率半径不合格处的形状，并且透明液体动态轮廓摄影系统2实时监测，反馈到计算机11精确地控制微吹风系统5，使得不合格处的曲率半径达到技术要求。

4)当检测到胶滴曲率不合格处到达技术要求时，计算机11控制安装在在弧面微吹风工作头3内的小型紫外激光器9在短时间从紫外激光出孔13出射激光对该处进行预固化。

5)通过透明液体动态轮廓摄影系统2不断地实时监测，反馈到计算机11控制弧面微吹风工作头3、转动电机4、工作平台1、小型紫外激光器9和微吹吸风系统5工作。反复上述过程优化微透镜曲率半径不合格处使得胶滴的曲率形状精度达到技术要求。

6)通过调整，当检测到胶滴曲率完全符合技术要求时，计算机11控制紫外激光器14，发射强激光来整体固化微透镜。

在胶滴中参杂九纳米尺寸的石英纳米颗粒，可以使得胶滴在滴落在平台后流淌时的速度非常慢并且不影响胶滴的光学性能，这样本系统有足够的时间对胶滴中由于某些因素造成的曲率半径未达到技术要求处进行改善。因此本系统中的胶滴参杂一些纳米颗粒，在不影响光学性能的情况下，通过实时监测和质量控制使得原位成形光学微透镜曲率半径达到最佳。

本发明克服了在制作原位成形光学微透镜时由于某些因素的影响（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），使得非球工作曲面曲率和尺寸精度不能达到技术要求。通过使用本发明可以使得微透镜对光的聚焦效率达到最佳，从而有效提高检测灵敏度。并且本发明采用的原位成形法可以使得光学微透镜拟小到毫米数量级，甚至微米数量级。这将使得微光谱检测系统可以直接嵌入到生物芯片内，并且灵敏度满足对微弱生物信号检测的技术要求。

Claims (1)

1.原位成形式光学微透镜制造的实时监测和质量控制系统，由调整机构、监测机构、质量控制机构和中心控制机构组成，其特征在于：所述调整机构由工作平台(1)及调整工作平台(1)位置的工作平台前后步进电机(6)、工作平台左右步进电机(7)、工作平台上下步进电机(8)和工作平台旋转电机(9)组成，且各所述步进电机由所述中心控制机构控制；所述监测机构由透明液体动态轮廓摄影系统(2)构成，该系统可围绕所述工作平台(1)对工作平台上的工件进行360°的拍摄，并将拍摄信息送到所述中心控制机构；所述质量控制机构由弧面微吹风工作头(3)、与弧面微吹风工作头(3)相连接的微吹吸风系统(5)、带动弧面微吹风工作头(3)转动的转动电机(4)、能够照射工作平台上整个工件的紫外激光器(14)组成，且所述弧面微吹风工作头(3)位于工作平台(1)的上方，其中，所述弧面微吹风工作头(3)为内凹的球形弧面，且弧面上均匀设置五个以上的圆形进出风小孔(12)，并在弧面四周均匀设置四个椭圆形紫外激光出孔(13)，所述微吹吸风系统(5)为与所述圆形进出风小孔(12)个数对应的吹吸管及与所述紫外激光出孔(13)对应的小型紫外激光器(10)，且所述吹吸管的吹风或吸风以及吹风或者吸风强度的大小由所述中心控制机构控制吹吸转换阀及吹风机实现，所述小型紫外激光器(10)的启停由所述中心控制机构控制，所述转动电机(4)由所述中心控制机构控制；所述中心控制机构由计算机(11)构成。