CN111283335B - 激光显微切割装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光显微切割装置及方法，所述激光显微切割装置包括激光器、物镜；微镜阵列组包括呈阵列设置的多个微反射镜；所述激光的输出光经过所述微镜阵列组的反射后射向所述物镜；绘制单元适于操作人员绘制切割曲线；计算单元根据绘制的切割曲线获得与所述切割曲线中的任一点对应的所述微镜阵列组中各微反射镜的相对所述输出光的倾斜角度，并传送到控制单元；控制单元根据接收到的倾斜角度调整各微反射镜。本发明具有结构简单、切割准确等优点。

Description

激光显微切割装置及方法

技术领域

本发明涉及生物领域，特别涉及激光显微切割装置及方法。

背景技术

目前，激光显微切割仪通常采用以下二种方式：

1.DMD实现闭合切割曲线，DMD调节角度一致，请参见中国专利CN107186364A；该方案的不足在于：

只能反射出平行光，经过物镜只能得到一个点，非曲线；同时，未考虑光路经物镜后产生的像差等误差。

2.利用传动组件移动光源或扫描振镜等机械方式改变光行进方向。该方案的不足在于：

传动组件体积庞大，精度较低、能耗大。

目前，市场上出现了微镜阵列组，这是一种集成有上百万面可控微镜阵列的芯片组，每个微镜都可以独立向正负方向翻转一定角度，并可以每秒钟翻转几万次。微镜的角度改变无需机械式传动组件，极大地降低了空间体积，且可以随意改变焦点，调节起来十分方便，能耗也随之降低很多。

若将微镜阵列组应用激光显微切割仪上，则存在以下技术障碍：

1.不能实现任何曲线的切割，也即，尚未建立切割曲线和微镜阵列组动作间的对应关系；

2.微镜阵列组调整输出光的方向，并和物镜组合将切割光会聚在切割对象上，再利用微镜阵列的角度的调整改变输出光方向，使得切割光的会聚点扫过切割对象上的与切割曲线对应的不同位置处，耗时长、操控麻烦、误差大；

3.微镜阵列组的应用增加了像差、色差等误差；

4.切割曲线和微镜阵列组间的对应关系非线性，需构建合适的最优化模型，进行优化处理。

发明内容

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种切割准确、高效、低能耗、体积小的激光显微切割装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种激光显微切割装置，所述激光显微切割装置包括激光器、物镜；所述激光显微切割装置还包括：

微镜阵列组，所述微镜阵列组包括呈阵列设置的多个微反射镜；所述激光的输出光经过所述微镜阵列组的反射后射向所述物镜；

绘制单元，所述绘制单元适于操作人员绘制切割曲线；

计算单元，所述计算单元根据绘制的切割曲线获得与所述切割曲线中的任一点对应的所述微镜阵列组中各微反射镜的相对所述输出光的倾斜角度，并传送到控制单元；

控制单元，所述控制单元根据接收到的倾斜角度调整各微反射镜。

本发明的目的还在于提供了切割准确、高效的激光显微切割方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

激光显微切割方法，所述激光显微切割方法包括计算阶段和切割阶段，所述计算阶段为：

构建坐标系：分别构建绘制坐标系及微镜阵列组坐标系；

绘制曲线：操作人员在绘制坐标系中绘制切割曲线，获取所述切割曲线的轨迹数学模型；

构建最优化问题求解：以最小误差为目标函数，以曲线轨迹数学模型和光路数学模型为约束条件，构建最优化模型；

求解坐标点及角度：解出微镜阵列组的坐标点及相应角度。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明申请的核心在于：有效解决了现有激光显微切割仪和微镜阵列组间组合时的技术障碍，使得微镜阵列组能真正地应用在激光显微切割仪中，发挥了各自的技术优势，取得了明显的优势：

1.极大减小体积；

将微镜阵列组应用在激光显微切割仪中，无需体积庞大的传动组件，极大的减小了所占显微镜体积，提高了操作人员的工作效率。

2.解除了荧光口的占用；

常见的显微切割仪会占据显微镜的荧光口，以至于在安装显微切割仪的显微镜中不能使用荧光口，需另配一台显微镜进行实验，应用微镜阵列组无需占用荧光口。

3.切割准确、高效；

建立了绘制坐标系中切割曲线和微镜阵列组间的对应关系，使得切割光在切割对象上的轨迹符合切割曲线，可以切割出绘制出的任意曲线；

根据激光器、微镜阵列组、物镜等光学系统构建了光路数学模型，并构建最优化问题求解，使得微镜阵列组的动作精准地符合绘制的切割曲线的需要；

微镜阵列组上的反射光会聚在物镜的焦点处，使得穿过物镜后的切割光为平行光，入射到切割对象上的切割光满足符合切割曲线，也即一次性完成了切割，耗时短、高效；

4.误差小；

微镜阵列组仅需调整一次角度即可完成切割，无需多次调整，替代了扫描时切割，显著地降低了多次调整带来的误差；

利用透射光栅和透镜组的组合，有效地解决了色差、像差的问题，显著地降低了误差。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例的激光显微切割装置的结构简图；

图2是根据本发明实施例的切割效果图。

具体实施方式

图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本发明实施例1的激光显微切割装置的结构简图，如图1所示，所述激光显微切割装置包括：

激光器1和物镜，这些器件均是本领域的现有技术，具体结构和工作方式在此不再赘述；

微镜阵列组5，所述微镜阵列组包括呈阵列设置的多个微反射镜；所述激光的输出光经过所述微镜阵列组的反射后射向所述物镜；

绘制单元，所述绘制单元适于操作人员绘制切割曲线，如在电脑屏幕、便携式终端上绘制切割曲线；

计算单元，所述计算单元根据绘制的切割曲线获得与所述切割曲线中的任一点对应的所述微镜阵列组中各微反射镜的相对所述输出光的倾斜角度，并传送到控制单元；

控制单元，所述控制单元根据接收到的倾斜角度调整各微反射镜。

为了解决切割光路中色差、像差问题，进一步地，所述激光显微切割装置还包括：

透射光栅3，所述输出光穿过所述透射光栅，透射光入射到透镜组；

透镜组4，所述透镜组消除所述透射光的色差，所述微镜阵列组设置在所述透镜组下游的光路上。

为了实现一次性实现切割，进一步地，所述输出光在所述微镜阵列组的反射光会聚在所述物镜的焦点处，所述焦点处于所述物镜和微镜阵列组之间。

为了指引切割，进一步地，所述激光器包括：

第一激光器，所述第一激光器发出指示可见光；

第二激光器，所述第二激光器发出切割光。

本发明实施例的激光显微切割方法，所述激光显微切割方法包括计算阶段和切割阶段，所述计算阶段为：

构建坐标系：分别构建绘制坐标系及微镜阵列组坐标系；

绘制曲线：操作人员在绘制坐标系中绘制切割曲线，获取所述切割曲线的轨迹数学模型；

构建最优化问题求解：以最小误差为目标函数，以曲线轨迹数学模型和光路数学模型为约束条件，构建最优化模型；

求解坐标点及角度：解出微镜阵列组的坐标点及相应角度；

切割阶段为：

激光器的输出光被微镜阵列组反射，控制单元根据计算单元传送来的微反射镜的坐标和角度去调整微反射镜，使得输出光在微镜阵列组上的反射光穿过物镜，切割光在切割对象上的轨迹符合切割曲线。

为了准确地获得切割曲线和微镜阵列组的对应关系，进一步地，坐标系的构建方式为：

以微镜阵列组的中心为坐标原点，以45°角度向上方向为横坐标轴，以与水平面平行方向为纵坐标轴；

以曲线绘制区域的中心为坐标原点，以水平向右方向为横坐标轴，以竖直向上方向为纵坐标轴。

为了准确地切割，进一步地，所述光路数学模型的构建方式为：

畸变视场大小q(l)≈a₁·l²＝a₁·(m²+n²)²·β²·d²；

横向畸变偏移Δ_m＝a₁·(m²+n²)·n·β³·d³；

纵向畸变偏移Δ_n＝a₁·(m²+n²)·n·β³·d³；

m为微反射镜所在的行数，n为微反射镜所在的列数，d相邻微反射镜的中心的距离，β为物镜的放大倍率；a₁为系数；

微反射镜的坐标(x_D，y_D)和角度(α_x，α_y)为：

k为与物镜相关的常数，(x_S，y_S)为绘制坐标系中的切割曲线的坐标，f为所述物镜的焦距。

为了获得切割曲线和微镜阵列组间的对应关系，提高切割准确度，进一步地，最优化模型的构建方式为：

目标函数：min{e(t)}

约束条件为：

截止条件：||e(t)||＜ε。

实施例2：

根据发明实施例1的激光显微切割装置及方法在胚胎切割中的应用例。

在本应用例中，如图1所示，光路上依次设置激光器1、透射光栅3、消色差透镜组4、微镜阵列组5、二色镜6、物镜7和培养皿8，二色镜6的侧面设置目镜及相机9；激光器1的输出光2透过透射光栅3和透镜组4，在微镜阵列组5上反射，透过二色镜6和物镜7；绘制单元和计算单元采用电脑，适于操控人员在电脑上绘制切割曲线，并在电脑屏幕上显示；

本发明实施例的激光显微切割方法，所述激光显微切割方法包括计算阶段和切割阶段，所述计算阶段为：

构建坐标系：分别构建绘制坐标系及微镜阵列组坐标系，具体为：

以微镜阵列组的中心为坐标原点，以45°角度向上方向为横坐标轴，以与水平面平行方向为纵坐标轴；

以曲线绘制区域(电脑屏幕)的中心为坐标原点，以水平向右方向为横坐标轴，以竖直向上方向为纵坐标轴；

绘制曲线：操作人员在绘制坐标系(电脑屏幕)中绘制切割曲线，坐标分别为：(-85,146)，(-81,145)，(-73,142)，(-65,146)，(-62,146)，(-54,145)，(-47,146)，(-36,144)，(-34,142)，(-29,141)，(-25,142)，(-15,136)，(-13,137)，(-12,137)，(0,133)，(8,132)，(17,129)，(25,124),(28,120)，(30,121)，(38,116),(43,116)，(55,109)，(65,102),(72,98),(78,93)；

获取所述切割曲线的轨迹数学模型，可参考专利CN110286011A技术方案；

构建最优化问题求解：以最小误差为目标函数，以曲线轨迹数学模型和光路数学模型为约束条件，构建最优化模型；所述光路数学模型的构建方式为：

畸变视场大小q(l)≈a₁·l²＝-2×10^-9·(m²+n²)²，d＝0.1mm，β＝2，a₁＝-5×10^-8；

横向畸变偏移Δ_m＝-4×10^-10·(m²+n²)·n；

纵向畸变偏移Δ_n＝-4×10^-10·(m²+n²)·n；

微反射镜的坐标(x_D，y_D)和角度(α_x，α_y)为：

k＝8.379×10^-4，f＝3.083；

最优化模型的构建方式为：

目标函数：min{e(t)}

约束条件为：

截止条件：||e(t)||＜ε＝0.01；

结果为：(-85,146)，(-81.0002,145)，(-73,142)，(-65,146)，(-62,146.004)，(-54,145)，(-47,146)，(-36,144)，(-34,142)，(-29.0005,141)，(-25,142)，(-15,136)，(-13,137)，(-12,137.00097)，(0,133)，(8.0009,132.0001)，(17,129)，(25,124.0001)，(28,120)，(30,121)，(38,116)，(43,116.00012)，(55,109)，(65.00025,102)，(72,98)，(78.0001,93.00016)；

即||e(t)||＝0.0074＜0.01；

则将微镜坐标(x_D,y_D)及角度(α_x,α_y)表示为矩阵[x_D,y_D,α_x,α_y]^T，最后所得结果为：

切割阶段为：

激光器的输出光被微镜阵列组反射，控制单元根据计算单元传送来的微反射镜的坐标和角度去调整微反射镜，使得输出光在微镜阵列组上的反射光穿过物镜，其中反射光会聚在物镜的(物镜和微镜阵列组间的)焦点处，透过物镜的切割光为平行光，切割光在切割对象上的轨迹符合切割曲线，一次性实现了激光切割。

结果表明，切割效果完全满足要求，如图2所示。

Claims (5)

1.激光显微切割方法，所述激光显微切割方法包括计算阶段和切割阶段，其特征在于：所述计算阶段为：

构建坐标系：分别构建绘制坐标系及微镜阵列组坐标系；坐标系的构建方式为：以微镜阵列组的中心为坐标原点，以45°角度向上方向为横坐标轴，以与水平面平行方向为纵坐标轴；以曲线绘制区域的中心为坐标原点，以水平向右方向为横坐标轴，以竖直向上方向为纵坐标轴；

绘制曲线：操作人员在绘制坐标系中绘制切割曲线，获取所述切割曲线的轨迹数学模型；

构建最优化问题求解：以最小误差为目标函数，以曲线轨迹数学模型和光路数学模型为约束条件，构建最优化模型；

求解坐标点及角度：解出微镜阵列组的坐标点及相应角度。

2.根据权利要求1所述的激光显微切割方法，其特征在于：所述光路数学模型的构建方式为：

畸变视场大小q(l)≈a₁·l²＝a₁·(m²+n²)²·β²·d²；

横向畸变偏移Δ_m＝a₁·(m²+n²)·n·β³·d³；

纵向畸变偏移Δ_n＝a₁·(m²+n²)·n·β³·d³；

m为微反射镜所在的行数，n为微反射镜所在的列数，d相邻微反射镜的中心的距离，β为物镜的放大倍率；a₁为系数；

微反射镜的坐标(x_D，y_D)和角度(α_x，α_y)为：

k为与物镜相关的常数，(x_S，y_S)为绘制坐标系中的切割曲线的坐标，f为所述物镜的焦距。

3.根据权利要求2所述的激光显微切割方法，其特征在于：最优化模型的构建方式为：

目标函数：min{e(t)}

约束条件为：

截止条件：||e(t)||＜ε。

4.根据权利要求3所述的激光显微切割方法，其特征在于：ε＜0.01。

5.根据权利要求1所述的激光显微切割方法，其特征在于：所述切割阶段为：

控制单元根据计算单元传送来的微反射镜的坐标和角度去调整微反射镜，激光器的输出光在微镜阵列组上的反射光穿过物镜，切割光在切割对象上的轨迹符合切割曲线。

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