CN104034282A - 原位液体成形光学微透镜制造中的高精度面形获取方法 - Google Patents

Abstract

原位液体成形光学微透镜制造中的高精度面形获取方法属于生物学和分析化学及医学检测领域。本发明将紫外固化光学胶从高处滴在微检测工作端面；让紫光透过透射性柔光板，将总大小为s的长方形取像区域划分为N份，计算出微透镜在显微镜头处成像的大小，遍历整个微透镜所成的像。将所获得到的N张图像拼合，获取到完整的微透镜面形图像，其图像像素为N×水平像素数×垂直像素数。形成了既有高分辨率又有高像素量的图像，提高了制造过程中透镜轮廓的分析准确度，使得原位成形光学微透镜制造技术能够实现。

Description

原位液体成形光学微透镜制造中的高精度面形获取方法

技术领域

本发明提出一种新型的面向原位液体成形光学微透镜的微透镜高精度面形获取技术。主要用于应用于微透镜原位成形制造，并进行实时监测，以保证原位成形的微透镜非球面曲率符合设计要求，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。

背景技术

微生物芯片近年来在生命科学领域中已迅速发展起来的一项高新技术，其实质是：在微型化基础上实现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)的集成(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。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、能做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未检测系统势在必行、刻不容缓，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，而且浓度低。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体积特征尺寸在毫米和亚毫米量级时提高微体积光谱未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公共的技术难题：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。原位成形法光学微透镜可以克服上述两大难题，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。

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，如何获得到较高分辨率的微透镜面形是一个难题。因此，一种用于原位液体成形光学微透镜制造中的高精度面形获取技术十分重要。

发明内容

本发明的目的在于获取到较大分辨率的微透镜轮廓，用以提供给原位液体成形光学微透镜制造过程中的质量控制。本发明采用的高精度面形获取技术的最小分辨率达到微米数量级，图像总像素数达到N*7712*5360(N为微透镜的实际尺寸的面积数值/(0.3*0.3mm))，满足微光谱检测系统嵌入生物芯片中的应用要求。

本发明的理论依据：

由于光的波动性，光通过小孔会发生衍射，明暗相间的条纹衍射图样，条纹间距随小孔尺寸的减少而变大。大约有84％的光能量集中在中央亮斑，其余16％的光能量分布在各级明环上。衍射图样的中心区域有最大的亮斑，称为艾里斑。艾里斑的角度与波长(λ)及小孔的直径(d)满足关系：

sinθ＝1.22λ/d

θ即第一暗环的衍射方向角(即从中央亮斑的中心到第一暗环对透镜光心的张角)，因为θ角一般都很小，有sinθ≈θ，故θ≈1.22λ/d。

对于光学成像系统而言，用艾里斑直径衡量成像面分辨率的极限，艾里斑半径：

r＝1.22λf/d

衍射限制了透镜的分辨度。透镜的口径，可以视为单狭缝的二维版本。经过狭缝的光波干涉，形成所谓的艾里衍射图样。这引致图像模糊。圆孔衍射的光强可写成：

$I\left(\mathrm{\θ}\right)=I_o{\left(\frac{{2J}_1\left(\mathrm{kR}\sin \mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{kR}\sin \mathrm{\θ}}\right)}^2$

其中R是圆孔半径，k＝2π/λ,λ是光波长。J₁(x)是贝塞尔函数。J₁(x)＝0的最小正实数解是x＝3.83，I(θ)＝0的最小正实数解就是

$\mathrm{\θ}\≈\sin \mathrm{\θ}=1.220\frac{\mathrm{\λ}}{2R}$

这表示了若透镜和两个物件之间的夹角少于θ，透镜的观察者便无法分辨出有两个物件。

基于上述理论基础,本发明采取以下技术手段实现：

用于微透镜制造的高精度面形获取系统，其包括有光源、挡板、显微镜头、摄像头模组、摄像头底座、控制电路等。

面形获取依次设有三个区域，分别是光源区、微透镜容纳区、图像获取及处理区。

光源区由光源以及柔光板构成，光源在柔光板后侧，通过透射为透镜容纳区提供照明。其中光源为单波段可见面光，采用可见光中波长最短的紫光。整体采光采用Bright-field背光照明法：让单波段光线透过透射性柔光板，作为照亮微透镜的唯一光源。在这种光线条件下，微透镜反光不会过于强烈。微透镜深暗的轮廓线条可以较好的表现出来；

微透镜在检测时被伸入微透镜容纳区内，接受光源区发出的单色面光照射后由摄像区成像；

摄像区由显微镜头、CCD/CMOS摄像头模组/控制电路、底座以及控制电机构成。显微镜头与CCD/CMOS摄像头模组连接，通过控制电路控制。其中显微镜头是一种可变倍率的显微放大镜组合，由目镜和物镜构成，放大倍数区间为10～1000倍。它能够将镜头前方合适距离处的微透镜经过其成像后投射在摄像头模组的感光元件上，并且所成像具有极小的相差、色差以及畸变。通过调整显微镜头的放大倍数以及物距能够将透镜上0.3*0.3mm的点放大，从而完全分布在摄像头感光元件上，充分利用摄像头的感光元件分辨率。

采用的摄像头模块具有极好的微距摄影能力，其图像解析度(Resolution)为4100万像素，即水平像素数×垂直像素数＝7712*5360，符合发明的分辨率要求，适用于微小透镜的摄像和放大处理。被摄的微透镜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。

采用的Y轴向电机、X轴向电机以及底座组合而成的摄像头位置控制精度较高，达到最小移动距离为0.05mm。

本发明的工作过程如下：

背景：光学胶体积为V，微检测工作端面面积为D，需要制备的微透镜底面面积为d，直径为r(d<D，r＝d/2π)，因此可计算出光学胶落到端面后的高度h(h<＝V/D)，摄像头获取图像的长方形大小为s＝h*d。

1、将紫外固化光学胶从一定高度释放滴在微检测工作端面。

2、微透镜制造的高精度面形获取系统左侧光源发出照明光线。由于紫外固化光学胶具有透明的性质，以及表面光滑容易反光的特点，因此用光时，不可采用直接照明，而是采取间接照明的方法。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。

3、将总大小为s的长方形取像区域划分为N份，其中N＝s/(0.3*0.3mm)，以左上角为原点(0，0)，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴(均以远离原点方向为正，单位为mm)。定义每份子区域为(x,y)，其中x、y为子区域对应X、Y轴上的最小值。x范围为[r/0.3]+1，y范围为[h/0.3]+1。

4、通过调节显微镜头的放大倍率(倍率范围为10～1000倍)以及调节电机使得摄像头位移，使得定义为(0，0)的子区域图像布满摄像头的感光元件。快速将光线渲染得非常光亮，然后将亮度逐渐降低。首先将对焦点选择在子区域的中心区域上，然后再使用HDR功能拍摄。摄像头在该子区域下拍照时，连拍三张照片，分别对应欠曝、正常曝光和过曝，再合成为一幅照片，每张图像的像素为7712*5360，图像编号为(0,0)，即(x,y)。

5、通过调节步进电机组(最小移动距离为0.05mm)控制摄像头向X轴正方向移动，使得定义为(0.3，0)的子区域图像布满摄像头的感光元件，并进行拍摄，编号为(0.3，0)，即(x,y)。

6、重复第5步，当拍摄到X轴最末端时，固定x值，移动摄像头使得y值变化(步值为0.3mm)并重复第5步。

7、当拍摄到Y轴最末端时，固定y值，移动摄像头使得x值变化(步值为0.3mm)并重复第6步。这样描述好像有问题请仔细斟酌

8、将获得的图像集按编号顺序进行拼合，获取到完整的光学胶图像，其图像像素为N*7712*5360。

本发明的工作系统与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

1、有效地解决了微透镜制造时微透镜的图像分辨率和像素量之间的关系，形成了既有高分辨率又有高像素量的图像。

2、突破现有的对微透镜制造过程中的高精度高像素量的图像获取的技术缺失，提高了制造过程中透镜轮廓的分析准确度，使得原位成形光学微透镜制造技术能够实现；

3、能够提供超高像素量(图像像素总数为N*4100万)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；

4、本发明采用的用于微透镜制造的高精度面形获取技术的分辨率达到微米数量级，可用于制造毫米、微米级别微透镜，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为微透镜制造的高精度面形获取系统的总结构图；

图2为微透镜制造的高精度面形获取系统俯视图；

图3为图像获取过程中的示意图

图1中：1：光源；2：柔光板；3：微透镜(紫外固化光学胶)；4：微检测工作端面；5：显微镜头；6：摄像头模组；7：数据总线；8：图像处理及电机控制系统；9：摄像头底座；10：Y轴电机；11：X轴电机。

图2中：1：光源；2：柔光板；3：微透镜(紫外固化光学胶)；4：微检测工作端面；5：显微镜头；6：摄像头模组；7：数据总线；8：图像处理及电机控制系统。

图3中：11：微透镜(紫外固化光学胶)；12：窗口

具体实施方式

下面结合附图1～3详细说明本实施例：

此次滴落的光学胶体积为V，微检测工作端面面积为D，需要制备的微透镜底面面积为d，直径为r(d<D，)，因此可计算出光学胶落到端面后的高度h(h<＝V/D)，摄像头获取图像的长方形大小为s＝h*d。

1、将掺入石英纳米粒子的紫外固化光学胶从一定高度释放滴在微检测工作端面(图1-4)。

2、微透镜制造的高精度面形获取系统左侧光源发出照明光线(图1-1)，由于紫外固化光学胶(图1-3)具有透明的性质，以及表面光滑容易反光的特点，因此用光时，不可采用直接照明，而是采取间接照明的方法。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。

3、将总大小为s的长方形取像区域划分为N份，其中N＝s/(0.3*0.3mm)，以左上角为原点(0，0)，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴(均以远离原点方向为正，单位为mm)。定义每份子区域为(x,y)，其中x、y为子区域对应X、Y轴上的最小值。x范围为[r/0.3]+1，y范围为[h/0.3]+1。

4、通过调节显微镜头(图1-5)的放大倍率(倍率范围为10～1000倍)以及调节摄像头底座(图1-9)上的步进电机组(图1-10、11)使得摄像头位移，使得定义为(0，0)的子区域图像布满摄像头的感光元件。首先将对焦点选择在子区域的中心区域上，然后再使用HDR功能拍摄。摄像头在该子区域下拍照时，连拍三张照片，分别对应欠曝、正常曝光和过曝，再合成为一幅照片，每张图像的像素为7712*5360，图像编号为(0,0)，即(x,y)。

5、摄像头(图1-6)每次拍摄所获取到的范围称之为窗口(图3-2)，控制电机组移动使得窗口与所需要获取的图像子区域重合，每个子区域内摄像头的要拍下微检测工作端面上紫外固化光学胶的影像轮廓。

6、通过调节调节摄像头底座(图1-9)上的步进电机组(图1-10、11)(最小移动距离为0.05mm)控制摄像头(图1-6)向X轴正方向移动，使得定义为(0.3，0)的子区域图像布满摄像头的感光元件，并进行拍摄，编号为(0.3，0)，即(x,y)。

7、重复第6步，当拍摄到X轴最末端时，固定x值，移动摄像头使得y值变化(步值为0.3mm)并重复第6步。

8、当拍摄到Y轴最末端时，固定y值，移动摄像头使得x值变化(步值为0.3mm)并重复第7步。

9、将获得的图像集按编号顺序进行拼合，获取到完整的光学胶图像，其图像像素为N*7712*5360。

Claims (1)

1.原位液体成形光学微透镜制造中的高精度面形获取方法，其特征在于：

用于微透镜制造的高精度面形获取系统，其包括有光源、柔光板、显微镜头、摄像头模组、摄像头底座和图像处理及电机控制装置；

面形获取依次设有三个区域，分别是光源区、微透镜容纳区、图像获取及处理区；

光源区由光源以及柔光板构成，光源在柔光板后侧让紫光线透过透射性柔光板，作为照亮微透镜的唯一光源；微透镜在检测时被伸入微透镜容纳区内，接受光源区发出的单色面光照射后由摄像区成像；

摄像区包括显微镜头、摄像头模组、摄像头底座、电机、图像处理及电机控制装置；显微镜头与摄像头模组连接，通过控制电路控制；其中显微镜头是一种可变倍率的显微放大镜组合，由目镜和物镜构成，放大倍数区间为10～1000倍；

被摄的微透镜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；

采用的Y轴向电机、X轴向电机以及底座组合而成的摄像头位置；

工作过程如下：

1)、将紫外固化光学胶从高处滴在微检测工作端面；

2)、让紫光透过透射性柔光板，

3)、将总大小为s的长方形取像区域划分为N份，其中N＝s/L，L为高精度面需要获得的每份取像区域的水平像素数×垂直像素数索对应的面积；

4)、计算出微透镜在显微镜头处成像的大小，将其划分为二维的N的子区域，并逐一编号，以左下角为原点，横向为X轴、纵向为Y轴。

摄像头的移动轨迹为行扫描，自原点处右移至Y轴平面上最后一个子区域，不返回X＝0处，而直接在Y轴上升高并向左侧移动。如此反复使得窗口遍历整个微透镜所成的像。

将所获得到的N张图像拼合，获取到完整的微透镜面形图像，其图像像素为N×水平像素数×垂直像素数。