專利名稱：原位成形式光學微透鏡制造的實時監控裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型提出一種原位成形式光學微透鏡制造的實時監控和質量控制系統，主要用于對原位成形光學微透鏡的制造進行實時監測和實時修正，以保證原位成形光學微透鏡的非球曲面的曲率和尺寸精度達到技術要求，屬于生物學和分析化學及醫學檢測領域。
背景技術：
微生物芯片近年來在生命科學領域中是已迅速發展起來的一項高新技術，其實質是:在微型化基礎上將全部生化分析過程和整個化驗室功能(如:采樣，稀釋，加試劑，反應，分離和檢測等)集成(嵌入)在郵票或者信用卡大小的芯片里，因而被通俗地稱為“芯片實驗室”。其科學性和先進性集中體現在結構縮微和功能集成這兩個方面。其中的信號檢測是生物芯片技術的重要組成部分，主要包括信號產生、信號收集與傳輸、信號處理及識別三部分。在各種生物芯片信號檢測方法中，熒光微光譜檢測法具有選擇性好、能作微量的定性定量分析、具有非破壞性等優點，已成為生物芯片領域中應用最廣泛、靈敏度最高的檢測技術之一。目前光譜微檢測系統中多使用光電倍增管(PMT)或電荷耦合元件(CCD)進行光電轉換，這些元件及其配套的光路系統體積大，不可能嵌入生物芯片中，大大地阻礙了生物芯片集成化的提高，成為生物芯片發展的瓶頸。因此，研制體積小到可嵌入芯片和靈敏度高能達到生物技術要求的光譜微檢測系統勢在必行。目前國內外的相關研究尚處在初級探索階段。在生物芯片的熒光光譜檢測時，熒光信號微弱的原因是被測物量少、發光小，而并非被測物發射熒光強度降低。使用特定曲面形狀的光學微透鏡可增大系統的光子采集總量，并且使微透鏡與檢測工作端面高精度地同光軸粘合可增大系統的光強聚焦效率。因此，獲得特定光學微透鏡和實現高精度同光軸粘合是體積特征尺寸在毫米和亞毫米量級時提高微體積光譜微檢測靈敏度的有效手段。目前光學微透鏡有多種生產工藝技術，主要方法有:光學樹脂液滴噴印法、熱塑膜制法、多層光刻蝕成型法。上述幾種工藝方法的共有特點是，先單獨在另外的基材上制作光學微透鏡，然后再將它移至光激發單元或光檢測單元的濾光片上，用光學膠粘合。這些制作光學微透鏡的方法都面臨兩個共同的技術難題:一是當將制作好的光學微透鏡剝離制作基材時，難以保證透鏡底部水平面的平整度以及與光軸之間的垂直度。二是當微透鏡與光激發單元或光檢測單元的濾光片粘合時，難以保證光學微透鏡的光軸與光激發單元中的激發光源或光檢測單元中的光電轉換器件的中心對稱軸精確對準。本實用新型的原位成形法光學微透鏡可以克服了上述兩大難題，實現高精度同光軸粘合。具體工藝過程是，將摻入一定比例石英納米粒子的紫外固化光學膠從一定高度釋放滴在芯片原定位置上，當膠滴在工作面自上而下并向四周擴散流淌時，為了保持勢能最低，其表面的曲線形狀隨液體表面張力而變化，但始終保持中心對稱和表面積最小，適時地紫外激光照射，將其固化成吻合設計形狀的光學微透鏡。該方法有助于基因熒光微檢測系統實現微體積和高靈敏度，即體積微小到可以直接嵌入到生物芯片內，靈敏度高到能滿足微生物信號檢測的技術要求。[0005]雖然原位成形法制作微透鏡雖然能夠使得光學微透鏡與微檢測工作端面高精度地同光軸粘合。但是在制作微透鏡過程中面臨著另一個技術難題:微透鏡的非球工作曲面曲率和尺寸精度影響透鏡的聚焦效果，這是影響生物芯片中微光譜檢測靈敏度的關鍵之一。當加工制作原位成形微透鏡時，由于某些因素(如非均勻固化或內部與表面收縮張力差異以及在控制接觸角時基底界面特性差異等)，造成激光固化的原位微透鏡的非球工作曲面曲率和尺寸精度不能達到設計技術要求，使得原位成形微透鏡對對光的聚焦效率降低，檢測靈敏度同樣也將降低，這將使得微光譜檢測系統靈敏度無法滿足對微弱生物信號檢測的技術要求。
發明內容本實用新型的目的在于提供一種精細控制在原位由液態光學物質形成的微透鏡的形狀的設備。為了實現上述目的，本實用新型設計了原位成形式光學微透鏡制造的實時監控裝置，該裝置由調整機構、監測機構、質量控制機構和中心控制機構組成，其中，所述調整機構由工作平臺及調整工作平臺位置的工作平臺前后步進電機、工作平臺左右步進電機、工作平臺上下步進電機和工作平臺旋轉電機組成，且各所述電機由所述中心控制機構控制；所述監測機構由透明液體動態輪廓攝影系統構成；所述質量控制機構由弧面微吹風工作頭、與弧面微吹風工作頭相連接的微吹吸風系統、帶動弧面微吹風工作頭轉動的轉動電機、能夠照射工作平臺上整個工件的紫外激光器組成，其中，所述弧面微吹風工作頭位于工作平臺的上方，為內凹的球形弧面，且弧面上均勻設置五個以上的圓形進出風小孔，并在弧面四周均勻設置四個橢圓形紫外激光出孔，所述微吹吸風系統為與所述圓形進出風小孔個數對應的吹吸管及與所述紫外激光出孔對應的小型紫外激光器，該每個吹吸管通過各自的切換閥分別與正壓氣源和負壓氣源連接，該正壓氣源為鼓風設備的出氣口，該負壓氣源為鼓風設備的進氣口，所述切換閥和鼓風設備及轉動電機與所述中心控制機構連接；所述中心控制機構由計算機構成。所述鼓風設備采用吹風機。本實用新型的有益效果在于:本實用新型能夠克服在制作原位成形光學微透鏡過程中某些因素對微透鏡的曲率半徑精度的影響，使得微透鏡對光的聚焦效率達到最佳。并且本系統通過計算機的實時監測控制微透鏡局部的曲率形狀，具有精度高、速度快、方法簡單、成本較低的特點，適合大量生產，具有很大經濟效益。
圖1本實用新型原位成形式光學微透鏡制造的實時監控裝置的結構示意圖；圖2本實用新型中弧面微吹風工作頭的吹風端面示意圖。圖中:1、工作平臺，2、透明液體動態輪廓攝影系統，3、弧面微吹風工作頭，4、轉動電機，5、微吹吸風系統，6、工作平臺前后步進電機，7、工作平臺左右步進電機，8、工作平臺上下步進電機，9、工作平臺旋轉電機，10、小型紫外激光器，11、計算機，12、進出風小孔，13、紫外激光出孔，14、紫外激光器。
具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本實用新型的一個優選實施例。本實施例結構示意框圖如圖1，主要由工作平臺1、透明液體動態輪廓攝影系統2、弧面微吹風工作頭3、計算機11組成，分別為本系統中調整機構、監測機構、質量控制機構和中心控制機構的主要部件。其中，工作平臺I具有上下、左右、前后、旋轉四個維度的移動功能，并且設置有工作平臺前后步進電機6、工作平臺左右步進電機7、工作平臺上下步進電機8和工作平臺旋轉電機9，使工作平臺在四個維度移動，并能夠通過計算機11控制各步進電機實現自動控制。透明液體動態輪廓攝影系統2能夠圍繞工作平臺I移動，對工作平臺I上的工件(透明膠滴)能夠實現360°拍攝。弧面微吹風工作頭3為內凹的球面，其上設有進出風小孔12及紫外激光出孔13，本實施例中進出風小孔12為九個，每排三個，橫縱各三排均勻設置于球面上；與弧面微吹風工作頭3還連接有微吹吸風系統5，該系統為九根分別與所述進出風小孔12連接的氣管，并且各氣管通過切換閥分別與正壓氣源和負壓氣源連接，正壓氣源和負壓氣源分別由吹風機的出風口和進風口產生；還設置有轉動電機4，能夠帶動弧面微吹風工作頭3水平轉動；還設置有小型紫外激光器9，其發出的激光通過紫外激光出孔13射出，本實施例中紫外激光出孔13為四個，并且為橢圓形孔，均勻分布于所述球面的四周；并且在工作平臺I上方還設置有紫外激光器14，用于對透明膠滴固化。計算機11為中心控制機構，其可控制透明液體動態輪廓攝影系統2圍繞工作平臺I轉動和拍攝，并接收拍攝的圖片信息；還可控制工作平臺I的四個維度的步進電機6-9和轉動電機4，從而調整工作平臺I和弧面微吹風工作頭3位置，使工作平臺I上的透明膠滴與弧面微吹風工作頭3的球形弧面對應；還可控制微吹吸風系統5中的切換閥的切換和吹風機的功率，以及小型紫外激光器9和紫外激光器14的啟停。本實施例中弧面微吹風工作頭3位于工作平臺I上方。工作時，透明液體動態輪廓攝影系統2實時拍攝膠滴的動態輪廓，將動態輪廓的高動態范圍影像放大，并進行數字化處理，送入計算機11中，通過軟件比較膠滴的動態輪廓與理想的膠滴輪廓，得到比較數據，確定膠滴曲率半徑不合格處。計算機11通過控制旋轉電機4控制弧面微吹風工作頭3旋轉，使得弧面微吹風工作頭吹風端弧面與膠滴曲率半徑不合格處弧面能吻合，計算機11通過控制工作平臺前后步進電機6、工作平臺左右步進電機7、工作平臺上下步進電機8和工作平臺旋轉電機9控制工作平臺前后左右上下移動并且旋轉，通過控制微吹吸風系統5控制弧面微吹風工作頭3，使得不同進出風小孔12可調整強度地吹風或倒吸，改善微透鏡的曲率半徑不合格處曲率，使該處曲率形狀達到技術要求，此時計算機11控制小型紫外激光器9從紫外激光出孔13出射微弱激光對該處短時間預固化。透明液體動態輪廓攝影系統2不斷對透明膠滴實時監測，并反復上述過程改善微透鏡曲率半徑不合格處曲率使之達到技術要求并預固化，使得整個原位成形微透鏡的曲率半徑達到技術要求，此時計算機11控制紫外激光器14對整個微透鏡強光固化，從而得到對光的聚焦效率最佳的光學微透鏡。具體的實施過程為:[0024]I)在膠滴滴落在芯片原定位置上向四周擴散流淌時，透明液體動態輪廓攝影系統2實時拍攝膠滴的動態輪廓，將動態輪廓的高動態范圍影像放大，進行數字化處理，將處理好的膠滴輪廓數據送入到計算機11中。2)計算機11通過軟件將膠滴的輪廓與理想的膠滴輪廓進行比較，得到比較數據，檢測到膠滴曲率半徑不合格的位置，并獲得該位置的膠滴曲率半徑數據。計算機11控制工作平臺前后步進電機5、工作平臺左右步進電機6、工作平臺上下步進電機8、工作平臺旋轉電機7使得檢測到的膠滴曲率半徑不合格位置到達弧面微吹風工作頭3處，計算機11根據該位置的膠滴曲率半徑數據控制轉動電機4使得弧面微吹風工作頭3轉動，使得弧面微吹風工作頭3的吹風端弧面(如圖2)與檢測到的曲率半徑不合格處弧面吻合。3)計算機11根據檢測到的曲率半徑不合格處的曲率半徑數據精確地控制微吹吸風系統5，進而精確地控制弧面微吹風工作頭3的進出風小孔12彼此間可不相同地吹風或倒吸，并且強度可精確地調整，從而引導和改變膠滴曲率半徑不合格處的形狀，并且透明液體動態輪廓攝影系統2實時監測，反饋到計算機11精確地控制微吹風系統5，使得不合格處的曲率半徑達到技術要求。4)當檢測到膠滴曲率不合格處到達技術要求時，計算機11控制安裝在在弧面微吹風工作頭3內的小型紫外激光器9在短時間從紫外激光出孔13出射激光對該處進行預固化。5)通過透明液體動態輪廓攝影系統2不斷地實時監測，反饋到計算機11控制弧面微吹風工作頭3、轉動電機4、工作平臺1、小型紫外激光器9和微吹吸風系統5工作。反復上述過程優化微透鏡曲率半徑不合格處使得膠滴的曲率形狀精度達到技術要求。6)通過調整，當檢測到膠滴曲率完全符合技術要求時，計算機11控制紫外激光器14，發射強激光來整體固化微透鏡。在膠滴中參雜九納米尺寸的石英納米顆粒，可以使得膠滴在滴落在平臺后流淌時的速度非常慢并且不影響膠滴的光學性能，這樣本裝置有足夠的時間對膠滴中由于某些因素產生的曲率半徑未達到技術要求處進行改善。因此本系統中的膠滴參雜一些納米顆粒，在不影響光學性能的情況下，通過實時監測和質量控制使得原位成形光學微透鏡曲率半徑達到最佳。本實用新型克服了在制作原位成形光學微透鏡時由于某些因素的影響(如非均勻固化或內部與表面收縮張力差異以及在控制接觸角時基底界面特性差異等)，使得非球工作曲面曲率和尺寸精度不能達到技術要求。通過使用本實用新型可以使得微透鏡對光的聚焦效率達到最佳，從而有效提高檢測靈敏度。并且本實用新型采用的原位成形法可以使得光學微透鏡擬小到毫米數量級，甚至微米數量級。這將使得微光譜檢測系統可以直接嵌入到生物芯片內，并且靈敏度滿足對微弱生物信號檢測的技術要求。
權利要求1.原位成形式光學微透鏡制造的實時監控裝置，由調整機構、監測機構、質量控制機構和中心控制機構組成，其特征在于: 所述調整機構由工作平臺(I)及調整工作平臺(I)位置的工作平臺前后步進電機(6)、工作平臺左右步進電機(7)、工作平臺上下步進電機(8)和工作平臺旋轉電機(9)組成，且各所述電機由所述中心控制機構控制； 所述監測機構由透明液體動態輪廓攝影系統(2)構成； 所述質量控制機構由弧面微吹 風工作頭(3)、與弧面微吹風工作頭(3)相連接的微吹吸風系統(5 )、帶動弧面微吹風工作頭(3 )轉動的轉動電機(4 )、能夠照射工作平臺上整個工件的紫外激光器(14)組成，其中，所述弧面微吹風工作頭(3)位于工作平臺(I)的上方，為內凹的球形弧面，且弧面上均勻設置五個以上的圓形進出風小孔(12)，并在弧面四周均勻設置四個橢圓形紫外激光出孔(13)，所述微吹吸風系統(5)為與所述圓形進出風小孔(12)個數對應的吹吸管及與所述紫外激光出孔(13)對應的小型紫外激光器(10)，該每個吹吸管通過各自的切換閥分別與正壓氣源和負壓氣源連接，該正壓氣源為鼓風設備的出氣口，該負壓氣源為鼓風設備的進氣口，所述切換閥和鼓風設備及轉動電機(4)與所述中心控制機構連接； 所述中心控制機構由計算機(11)構成。
2.如權利要求1所述的原位成形式光學微透鏡制造的實時監控裝置，其特征在于:所述鼓風設備采用吹風機。
專利摘要原位成形式光學微透鏡制造的實時監控裝置，主要用于對原位成形光學微透鏡的制造進行實時監測和修正，以保證原位成形光學微透鏡的非球工作曲面曲率和尺寸精度達到技術要求，屬于生物學和分析化學及醫學檢測領域。該制作由調整機構、監測機構、質量控制機構和中心控制機構組成，主要由工作平臺、透明液體動態輪廓攝影系統、弧面微吹風工作頭、計算機分別構成調整機構、監測機構、質量控制機構和中心控制機構的主要部件。其中弧面微吹風工作頭與形成微透鏡的光學膠液滴吻合，并設有多個風力調整孔，在監測機構的實時監測下，使液滴的形狀符合透鏡要求。采用本系統制作原位上的光學微透鏡具有精度高、速度快、方法簡單、成本較低的特點。
文檔編號G02B3/00GK203084224SQ201320069870
公開日2013年7月24日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者吳堅, 劉文操, 陳濤 申請人:北京工業大學