CN106772714A - 一种基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置，包括紫外光源、微控制器、上电极导电玻璃板、下电极导电玻璃板、第一、第二、第三支架台、压控电源、进样器、活塞、推杆电机、步进电机、电机驱动器、第一、第二限位开关、丝杆滑台导轨、滑台、第一、第二显微摄像头、上位机、托片、微透镜样片。采用本发明的技术方案，用于光固化胶在动态固化成形过程中的胶滴面形轮廓拟合匹配检测和批量复制成形制备微透镜，达到半自动化批量生产微透镜，减少人工测量操作的目的，具有制备速度快的特点。

Description

一种基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，尤其涉及一种基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置。

背景技术

微透镜是微光学领域的重要元器件之一，其本身具有体积小、便于集成的优点。近几年来，微透镜在显微成像，微流控芯片，光纤通信系统，PCR荧光检测领域得到广泛的应用，已成为新的科研发展方向。虽然微透镜在以上优点，但其加工难度远高于普通透镜的加工。目前国内外主要的微透镜制造技术：微注塑成型法、超精密车削法、3D打印法。其中微注塑成型法需要制作专门的微透镜模具，前期制备工作消耗很多时间和成本；超精密车削法制作的微透镜表面粗糙，光洁度较差，需要后续打磨处理，3D打印法由于是逐层制造，层层叠加的增材制造技术，存在层与层之间的结合不紧密，原型结构疏松等缺点。

在前期工作中我们设计出了原位成形微透镜制造工艺，其基本过程是从一定高度将光固化胶滴落在基板上，其胶滴的面形随着外在施加的高压电场实时变化，通过面形CCD检测装置捕捉表面面形传输给计算机进行观察，当满足所需胶滴面形时，用一定功率紫外光照射光固化胶滴进行固化，最后将胶滴固化成一定形状的微透镜，这种微透镜专门用于生物芯片光学微检测系统中，见专利“原位成形式光学微透镜的激光微制造装置及方法”，申请号：CN102230978A。但该装置及制造方法存在如下缺点：

此装置无法根据给定的微透镜样片直接复制制作出来，只能通过观察计算机处理之后的面形轮廓图像，进行人工判断是否为所需的面形。并且，人工判断环节无法对其进行精确的透镜面形判断，通过该装置制备的微透镜与原始微透镜样片面形误差较大，如果微透镜一次不能达到所要求的形状，仍需要重复多次进行操作制备。针对一次制备多片面形参数相同的微透镜，此装置实现起来较为困难，并且制备出来的微透镜个体差异较大，面型参数不尽相同。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置，用于光固化胶在动态固化成形过程中的胶滴面形轮廓拟合匹配检测和批量复制成形制备微透镜，达到半自动化批量生产微透镜，减少人工测量操作的目的，具有制备速度快的优点。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置包括：紫外光源、微控制器、上电极导电玻璃板、下电极导电玻璃板、第一、第二、第三支架台、压控电源、进样器、活塞、推杆电机、步进电机、电机驱动器、第一、第二限位开关、丝杆滑台导轨、滑台、第一、第二显微摄像头、上位机、托片、微透镜样片，其中，

所述紫外光源位于整个装置的正上方，上下电极导电玻璃板安装在紫外光源的正下方，由第一支架台固定使得上电极导电玻璃板和下电极导电玻璃板处于水平状态，压控电源的正、负极分别连接上、下电极导电玻璃，压控电源的输入端与微控制器相连；所述推杆电机的推进轴与活塞相连，推杆电机、进样器和第一显微摄像头均固定在第二支架台上，支架的底端固定于滑台上；步进电机的转动轴与丝杆滑台导轨相连，同时要保持第一显微摄像头和下电极导电玻璃板的高度一致；推杆电机和步进电机分别与电机驱动器相连，电机驱动器和微控制器相连；第一、第二限位开关和电机驱动器相连；所述微透镜样片放置在托片上，托片固定在第三支架台上使其保持水平，第二显微摄像头安装在托片一侧，同样保持第二显微摄像头和托片的高度一致；所述第一、第二显微摄像头均与上位机相连；

首先将待复制的微透镜样片放置在托片上，第二显微摄像头采集微透镜样片图像并传输至上位机中，上位机处理微透镜样片轮廓信息，根据轮廓信息计算出样片的直径、厚度、顶部面形曲率、关键轮廓像素点横纵坐标值，并将以上信息发送给微控制器，微控制器接收到信息之后开始控制步进电机转动，同时带动滑台向右移动至预设距离，使进样器和第二显微摄像头到达上下电极导电玻璃之间，此时微控制器控制推杆电机推进活塞使进样器挤出光固化胶滴，胶滴滴落至下电极导电玻璃；微控制器DA数模转换引脚接口提供的电压逐渐增大，压控电源输出电压随之逐渐增大，上下电极导电玻璃之间的电场强度逐渐增大，进一步胶滴的面形也随之改变，此过程中第一显微摄像头实时采集捕捉胶滴轮廓，上位机根据该轮廓提取胶滴的相关面形信息并发送至微控制器，微控制器同步比较该面形信息是否满足微透镜样片的面形信息，当达到匹配拟合度阈值时，微控制器控制电压停止增加，接着微控制器控制开启紫外光源进行胶滴固化，完成单次微透镜制备。

作为优选，利用压控电源为装置提供0-5KV高压电场，压控电源输入端与微控制器DA数模转换口相连，提供0-5V外控电压，压控电源和上下电极导电玻璃之间用绝缘铜芯粗导线相连。

作为优选，当滑台左右水平移动触碰到限位开关时，电机驱动器接收到限位开关的电平信号，向微控制器发出量程限位信号，同时自主控制步进电机停止移动，规定左限位开关为零位原点，右限位开关为满量程点，滑台的初始位置为零位原点处。

作为优选，将样片的直径、厚度、顶部面形曲率、关键轮廓像素点横纵坐标值作为阈值判断参数，所述匹配拟合度阈值为95％--105％。

本发明的基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置，首先通过一组显微摄像头采集原始微透镜样片面形信息，经上位机图像处理面形轮廓之后，将该样片面形信息存储至微控制器中。接着在制备过程中，通过另一组显微摄像头实时采集光固化胶滴面形信息，同样经上位机图像处理并存储至微控制器中，利用轮廓匹配程序把实时采集的胶滴面形和样片面形比较，当满足拟合阈值时，微控制器自动控制开启紫外灯对胶滴进行固化，利用该装置可直接批量复制出与原始微透镜样片面形轮廓拟合度较高的微透镜，减少在人工观察测量操作。

本发明与现有制备微透镜技术相比，具有以下明显的优点：

1、利用两组显微摄像头直接采集原始微透镜样片面形和制备过程中的光固化胶滴面形，通过进行相关轮廓要素阈值判断，实现光固化胶滴与微透镜样片拟合匹配并自动控制固化。该面形匹配过程由机器程序判断取代之前的人工判断，减小了光固化胶滴微透镜与原始微透镜样片面形误差，大大提高了面形拟合精度。

2、可根据给定的微透镜样片直接复制制作出来，可通过该装置水平移动光固化胶滴进样器，在不同的位置滴落胶滴，可一次复制多片面形参数拟合度高的微透镜。

3、与原有专利“原位成形式光学微透镜的激光微制造装置及方法”，申请号：CN102230978 A相比，利用显微摄像头取代之前复杂的图像采集光路，简化了整个设备的工作结构。增加电机驱动器控制步进电机和进样器推杆电机，使得电机转动角度更为精准和灵敏。

4、利用压控电场，可由微控制器DA数模转换口自动可调节输出不同电压大小的电场，使得电场电压控制更为精准方便。减少人工计算机端操作，减少制备过程的繁琐工序。

5、利用微控制器作为该装置的主控部分，使该装置系统设计小型化，减少外围电路及元器件数量。利用微控制器的逻辑输入输出操作其他模块显得十分方便。

附图说明

图1为以微透镜样片边缘轮廓端点建立空间直角坐标系的示意图；

图2为紫外光固化制备微透镜装置的总结构图；

图3为胶滴进样结构的侧视图。

具体实施方法

本发明实施例提供一种基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置，本发明的理论依据为：水平放置的液滴由于表面张力的作用，液滴面形近似为球冠形，在液滴上下两端分别施加正负极性电压，由于电离作用、离子交换或吸附等化学作用，在电场中使液滴顶部聚集了大量的感应电荷，感应电荷产生的作用力使液滴顶部产生向外的作用力，使液滴顶部面形曲率变大。当施加电压更大时，液滴顶端电荷密度增强，形成抛物面形甚至类圆锥形。根据这一原理，我们首先采集给定的微透镜样片轮廓，根据轮廓信息计算出样片的直径、厚度、顶部面形曲率、关键轮廓像素点横纵坐标值，并将以上信息作为阈值判断参数。制备过程中，选取紫外光固化胶作为制备材料，该胶可在一定波段的紫外光照射下从液态变为固态，利用电场操控紫外光固化胶滴的面形，并利用显微摄像头实时进行面形检测，当光固化胶滴的面形参数满足阈值参数时，采用紫外光照射使液滴透镜固化，可以制作具有良好成像和聚焦性能的微透镜。

根据上述原理，本发明提出一种基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置，由图像采集与处理模块、微控制器、压控电场模块、传动机制模块四部分组成。图像采集与处理模块利用显微摄像头采集与处理图像信息，提取面形轮廓，并将面形信息发送给微控制器；微控制器用于控制系统，接收上位机发来的面形轮廓信息，存储面形信息，匹配面形轮廓，控制进样和紫外灯开关；压控电场可通过外控电压调节输出高压电场；传动机制模块用来精确移动胶滴进样器和显微摄像头，以及推动进样器挤出光固化胶滴。

图像采集与处理模块由两组显微摄像头与上位机组成，其中一组显微摄像头用来拍摄给定的微透镜样片面形图像，另一组显微摄像头可随着电机传动模块水平移动，用来实时采集捕捉制备过程中的光固化胶滴面形图像。上位机用于对显微摄像头拍摄的图像信息进行处理，用于从包含特征物、背景和噪声等对象的数字化图像中提取特征物，特征物为微透镜样片轮廓和实时捕捉的胶滴轮廓。

首先对采集到的微透镜样片图像进行噪声干扰过滤，把图像从RGB(红、绿、蓝)颜色空间转化成HSV(色调、饱和度、亮度)颜色空间，对色调通道进行像素直方图分析，利用直方图法对图像进行二值化操作得到二值图像。为得到更好的微透镜样片边缘轮廓信息，对二值图像进行多次膨胀腐蚀处理，最后对处理后二值图像进行轮廓提取，接着上位机进行轮廓端点检测，识别出轮廓的两个端点A、B，以两个端点之间的中点为坐标原点建立空间直角坐标系，如图1所示。

上位机对其轮廓像素点进行坐标标定，根据该坐标系计算出轮廓端点AB之间的距离，即为微透镜样片直径；利用冒泡排序法找出轮廓像素点纵坐标的最大值和最小值，最大值和最小值之差即为微透镜样片厚度；具有最大纵坐标值的像素点即为微透镜样片的顶冠点，将该顶冠点一阶导数设定为y,，该顶冠点二阶导数设定为y,,，输出顶冠点曲率定为k，则得到公式：根据该公式可求出顶冠点曲率，即为微透镜样片顶部面形曲率；根据像素点横坐标等间距取出六个采样点S1-S6作为表征微透镜样片轮廓的关键特征点。最后上位机程序将提取的以上微透镜样片面形轮廓信息发送给微控制器做进一步处理。另一组显微摄像头在实时采集捕捉胶滴图像之后，做上述相同操作处理。

微控制器作为该系统的核心器件，具有如下功能：通过RS232总线通信方式与上位机进行面形轮廓信息数据传输；通过微处理器内部程序向电机驱动器发送命令信号控制传动机制，从而操作显微摄像头和胶滴进样器的水平移动以及胶滴进样器的精确进样；通过内部程序控制微控制器DA数模转换引脚接口输出0-5V可变电压信号；通过内部程序比较原始微透镜样片面形信息与制备过程中实时采集到的胶滴面形信息的拟合度，拟合度判断包括微透镜样片与光固化胶滴的直径拟合度判断、厚度拟合度判断、顶部面形曲率拟合度判断、关键轮廓像素点横纵坐标值拟合度判断，当满足拟合度阈值时，控制开启紫外灯进行胶滴固化。

传动机制模块包括电机驱动器、步进电机、丝杆滑台导轨、推杆电机。电机驱动器接受来自微控制器的命令信号从而输出步进运动信号控制步进电机和推杆电机转动，步进电机转动轴连接丝杆滑台导轨，使滑台能够水平移动，滑台上装有一组显微摄像头、进样器及推杆电机。推杆电机与活塞相连，可控制推拉活塞使胶滴挤出。由于进样器可跟随滑台移动，因此可以将进样器移动多个位置进行光固化胶滴挤出进样，从而一次制备多个微透镜片。

压控电场模块可通过0-5V外控电压调节输出0-5KV高压电场，外控电压由微控制器DA数模转换引脚接口提供，为了保证光固化胶滴在后期固化过程光照充分，采用透明ITO导电玻璃基板作为高压电场的上下电极，在制备过程中，光固化胶滴由进样器挤出，滴落至下电极透明导电玻璃上，上电极导电玻璃接正极性高压电极，下电极导电玻璃接零电极，当高压电源开启后，由于电离作用，使液滴顶部聚集了大量的感应电荷，感应电荷产生的作用力使液滴顶部产生向外的作用力，液滴顶部面形曲率变大。当施加电压更大时，液滴顶端电荷密度增强，形成抛物面形甚至类圆锥形。在单次轮廓匹配过程中，微控制器DA数模转换引脚接口提供的电压从0V逐渐增大，高压电场电极两端电压随之从0KV逐渐增大，进一步胶滴的面形也随之改变，当显微摄像头检测到的胶滴面形满足拟合度阈值时，微控制器自动控制电压停止增加，此时输出电压为某定值，配合紫外灯固化。

实施例1

如图2、3所示，本发明实施例提供一种基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置，包括紫外光源1、微控制器2、上电极ITO导电玻璃板3、下电极ITO导电玻璃板4、第一、第二、第三支架台5-1、5-2、5-3、压控电源6、绝缘铜芯粗导线7、进样器8、活塞9、推杆电机10、步进电机11、电机驱动器12、第一、第二限位开关13-1、13-2、丝杆滑台导轨14、滑台15、第一、第二显微摄像头16-1、16-2、上位机17、托片18、微透镜样片19。

所述紫外光源1位于整个系统的正上方，紫外光源开关工作方式为+5V电平触发方式，当输入+5V高电平时，紫外光源开启，当输入0V时，紫外光源关闭，紫外光源开关的输入端与微控制器相连。选用阻值小、导电性能好、厚度较薄、透光性好的ITO导电玻璃板作为高压电场的上下电极，上下电极导电玻璃板安装在紫外光源的正下方，由第一支架台5-1固定使得上电极导电玻璃板3和下电极导电玻璃板4处于水平状态，由于压控电源6输出电压过高，压控电源的正、负极分别连接上、下电极导电玻璃，压控电源和上下电极导电玻璃之间用绝缘铜芯粗导线7相连。压控电源的输入端与微控制器2相连。

所述推杆电机10的推进轴与进样器8的活塞9相连，推杆电机10、进样器8和第一显微摄像头16-1均固定在第二支架台5-2上，支架的底端固定于滑台15上。步进电机11的转动轴与丝杆滑台导轨14相连，滑台15可随着步进电机的转动实现水平方向左右移动，从而可使进样器在玻璃板不同的位置滴落光固化胶滴20，同时要保持第一显微摄像头16-1和下电极导电玻璃板4的高度一致，以便第一显微摄像头16-1观察到完整胶滴轮廓。推杆电机和步进电机分别与电机驱动器12相连，电机驱动器和微控制器2相连，微控制器可向电机驱动器发送串行命令从而控制电机的转动。第一、第二限位开关13-1、13-2和电机驱动器相连，当滑台左右水平移动触碰到限位开关时，电机驱动器接收到限位开关的电平信号，向微控制器发出量程限位信号，同时自主控制步进电机11停止移动，规定左限位开关为零位原点，右限位开关为满量程点，滑台的初始位置为零位原点处。

所述微透镜样片19放置在托片18上，托片固定在第三支架台5-3上使其保持水平，第二显微摄像头16-2安装在托片一侧，同样保持第二显微摄像头16-2和托片18的高度一致，以便第二显微摄像头16-2观察到完整微透镜样片轮廓。

所述第一、第二显微摄像头16-1 16-2均与上位机17相连。利用visual studio编程软件和openCV机器视觉库编写上位机软件程序提取相关轮廓图像信息，将该图像信息发送至微控制器2。

该装置的具体工作过程为：首先将待复制的微透镜样片19放置在托片18上，第二显微摄像头16-2采集微透镜样片图像并传输至上位机17中，上位机处理微透镜样片轮廓信息，根据轮廓信息计算出样片的直径、厚度、顶部面形曲率、关键轮廓像素点横纵坐标值，并将以上信息发送给微控制器2，该装置默认制备一个微透镜，若需一次制备多个微透镜，需要从上位机软件输入制备数量信息，并发送给微控制器。微控制器接收到信息之后开始控制步进电机11转动，同时带动滑台15向右移动至一段距离，使进样器8和第二显微摄像头16-1到达上下电极导电玻璃之间，该距离可由微控制器根据上位机输入的制备数量自动调节控制。此时微控制器控制推杆电机10推进活塞9使进样器8挤出光固化胶滴20，胶滴滴落至下电极导电玻璃4。微控制器DA数模转换引脚接口提供的电压从0V逐渐增大，压控电源6输出电压随之从0KV逐渐增大，上下电极导电玻璃之间的电场强度逐渐增大，进一步胶滴20的面形也随之改变。此过程中第一显微摄像头16-1实时采集捕捉胶滴轮廓，上位机17提取胶滴20的直径、厚度、顶部面形曲率、关键轮廓像素点横纵坐标值信息，并发送至微控制器2，微控制器同步比较以上信息是否与微透镜样片19相匹配，当达到匹配拟合度阈值(95％--105％)时，微控制器控制电压停止增加，此时输出电压为某定值，接着微控制器控制开启紫外光源1进行胶滴固化，完成单次微透镜制备。若一次制备多个透镜，滑台15会继续向右移动一段距离，重复上述操作步骤，该距离可由微控制器根据上位机输入的制备数量自动调节控制。制备完成后，滑台移动至零位原点处，微控制器向上位机发送任务完成指令。

Claims (4)

1.一种基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置，其特征在于，包括紫外光源、微控制器、上电极导电玻璃板、下电极导电玻璃板、第一、第二、第三支架台、压控电源、进样器、活塞、推杆电机、步进电机、电机驱动器、第一、第二限位开关、丝杆滑台导轨、滑台、第一、第二显微摄像头、上位机、托片、微透镜样片，其中，

所述紫外光源位于整个装置的正上方，上下电极导电玻璃板安装在紫外光源的正下方，由第一支架台固定使得上电极导电玻璃板和下电极导电玻璃板处于水平状态，压控电源的正、负极分别连接上、下电极导电玻璃，压控电源的输入端与微控制器相连；所述推杆电机的推进轴与活塞相连，推杆电机、进样器和第一显微摄像头均固定在第二支架台上，支架的底端固定于滑台上；步进电机的转动轴与丝杆滑台导轨相连，同时要保持第一显微摄像头和下电极导电玻璃板的高度一致；推杆电机和步进电机分别与电机驱动器相连，电机驱动器和微控制器相连；第一、第二限位开关和电机驱动器相连；所述微透镜样片放置在托片上，托片固定在第三支架台上使其保持水平，第二显微摄像头安装在托片一侧，同样保持第二显微摄像头和托片的高度一致；所述第一、第二显微摄像头均与上位机相连；

首先将待复制的微透镜样片放置在托片上，第二显微摄像头采集微透镜样片图像并传输至上位机中，上位机处理微透镜样片轮廓信息，根据轮廓信息计算出样片的直径、厚度、顶部面形曲率、关键轮廓像素点横纵坐标值，并将以上信息发送给微控制器，微控制器接收到信息之后开始控制步进电机转动，同时带动滑台向右移动至预设距离，使进样器和第一显微摄像头到达上下电极导电玻璃之间，此时微控制器控制推杆电机推进活塞使进样器挤出光固化胶滴，胶滴滴落至下电极导电玻璃；微控制器DA数模转换引脚接口提供的电压逐渐增大，压控电源输出电压随之逐渐增大，上下电极导电玻璃之间的电场强度逐渐增大，进一步胶滴的面形也随之改变，此过程中第一显微摄像头实时采集捕捉胶滴轮廓，上位机提取胶滴的相关面形信息并发送至微控制器，微控制器同步比较该面形信息是否满足微透镜样片的面形信息，当达到匹配拟合度阈值时，微控制器控制电压停止增加，接着微控制器控制开启紫外光源进行胶滴固化，完成单次微透镜制备。

2.如权利要求1所述的基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置，其特征在于，利用压控电源为装置提供0-5KV高压电场，压控电源输入端与微控制器DA数模转换口相连，提供0-5V外控电压，压控电源和上下电极导电玻璃之间用绝缘铜芯粗导线相连。

3.如权利要求1所述的基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置，其特征在于，当滑台左右水平移动触碰到限位开关时，电机驱动器接收到限位开关的电平信号，向微控制器发出量程限位信号，同时自主控制步进电机停止移动，规定左限位开关为零位原点，右限位开关为满量程点，滑台的初始位置为零位原点处。

4.如权利要求1所述的基于轮廓拟合匹配的紫外光固化制备微透镜装置，将样片的直径、厚度、顶部面形曲率、关键轮廓像素点横纵坐标值作为阈值判断参数，其特征在于，所述匹配拟合度阈值为95％--105％。