專利名稱：原位成形式光學(xué)微透鏡制造的實(shí)時監(jiān)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型提出一種原位成形式光學(xué)微透鏡制造的實(shí)時監(jiān)控和質(zhì)量控制系統(tǒng)，主要用于對原位成形光學(xué)微透鏡的制造進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和實(shí)時修正，以保證原位成形光學(xué)微透鏡的非球曲面的曲率和尺寸精度達(dá)到技術(shù)要求，屬于生物學(xué)和分析化學(xué)及醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微生物芯片近年來在生命科學(xué)領(lǐng)域中是已迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是:在微型化基礎(chǔ)上將全部生化分析過程和整個化驗(yàn)室功能(如:采樣，稀釋，加試劑，反應(yīng)，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(shí)驗(yàn)室”。其科學(xué)性和先進(jìn)性集中體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)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(shù)的重要組成部分，主要包括信號產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)，已成為生物芯片領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛、靈敏度最高的檢測技術(shù)之一。目前光譜微檢測系統(tǒng)中多使用光電倍增管(PMT)或電荷耦合元件(CCD)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這些元件及其配套的光路系統(tǒng)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(fā)展的瓶頸。因此，研制體積小到可嵌入芯片和靈敏度高能達(dá)到生物技術(shù)要求的光譜微檢測系統(tǒng)勢在必行。目前國內(nèi)外的相關(guān)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(fā)光小，而并非被測物發(fā)射熒光強(qiáng)度降低。使用特定曲面形狀的光學(xué)微透鏡可增大系統(tǒng)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(tǒng)的光強(qiáng)聚焦效率。因此，獲得特定光學(xué)微透鏡和實(shí)現(xiàn)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(xué)微透鏡有多種生產(chǎn)工藝技術(shù)，主要方法有:光學(xué)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(diǎn)是，先單獨(dú)在另外的基材上制作光學(xué)微透鏡，然后再將它移至光激發(fā)單元或光檢測單元的濾光片上，用光學(xué)膠粘合。這些制作光學(xué)微透鏡的方法都面臨兩個共同的技術(shù)難題:一是當(dāng)將制作好的光學(xué)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(dāng)微透鏡與光激發(fā)單元或光檢測單元的濾光片粘合時，難以保證光學(xué)微透鏡的光軸與光激發(fā)單元中的激發(fā)光源或光檢測單元中的光電轉(zhuǎn)換器件的中心對稱軸精確對準(zhǔn)。本實(shí)用新型的原位成形法光學(xué)微透鏡可以克服了上述兩大難題，實(shí)現(xiàn)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(xué)膠從一定高度釋放滴在芯片原定位置上，當(dāng)膠滴在工作面自上而下并向四周擴(kuò)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(shè)計形狀的光學(xué)微透鏡。該方法有助于基因熒光微檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(nèi)，靈敏度高到能滿足微生物信號檢測的技術(shù)要求。[0005]雖然原位成形法制作微透鏡雖然能夠使得光學(xué)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(shù)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(guān)鍵之一。當(dāng)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(nèi)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(dá)到設(shè)計技術(shù)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(tǒng)靈敏度無法滿足對微弱生物信號檢測的技術(shù)要求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種精細(xì)控制在原位由液態(tài)光學(xué)物質(zhì)形成的微透鏡的形狀的設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型設(shè)計了原位成形式光學(xué)微透鏡制造的實(shí)時監(jiān)控裝置，該裝置由調(diào)整機(jī)構(gòu)、監(jiān)測機(jī)構(gòu)、質(zhì)量控制機(jī)構(gòu)和中心控制機(jī)構(gòu)組成，其中，所述調(diào)整機(jī)構(gòu)由工作平臺及調(diào)整工作平臺位置的工作平臺前后步進(jìn)電機(jī)、工作平臺左右步進(jìn)電機(jī)、工作平臺上下步進(jìn)電機(jī)和工作平臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)組成，且各所述電機(jī)由所述中心控制機(jī)構(gòu)控制；所述監(jiān)測機(jī)構(gòu)由透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)構(gòu)成；所述質(zhì)量控制機(jī)構(gòu)由弧面微吹風(fēng)工作頭、與弧面微吹風(fēng)工作頭相連接的微吹吸風(fēng)系統(tǒng)、帶動弧面微吹風(fēng)工作頭轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動電機(jī)、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(fēng)工作頭位于工作平臺的上方，為內(nèi)凹的球形弧面，且弧面上均勻設(shè)置五個以上的圓形進(jìn)出風(fēng)小孔，并在弧面四周均勻設(shè)置四個橢圓形紫外激光出孔，所述微吹吸風(fēng)系統(tǒng)為與所述圓形進(jìn)出風(fēng)小孔個數(shù)對應(yīng)的吹吸管及與所述紫外激光出孔對應(yīng)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(fù)壓氣源連接，該正壓氣源為鼓風(fēng)設(shè)備的出氣口，該負(fù)壓氣源為鼓風(fēng)設(shè)備的進(jìn)氣口，所述切換閥和鼓風(fēng)設(shè)備及轉(zhuǎn)動電機(jī)與所述中心控制機(jī)構(gòu)連接；所述中心控制機(jī)構(gòu)由計算機(jī)構(gòu)成。所述鼓風(fēng)設(shè)備采用吹風(fēng)機(jī)。本實(shí)用新型的有益效果在于:本實(shí)用新型能夠克服在制作原位成形光學(xué)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(dá)到最佳。并且本系統(tǒng)通過計算機(jī)的實(shí)時監(jiān)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(diǎn)，適合大量生產(chǎn)，具有很大經(jīng)濟(jì)效益。

圖1本實(shí)用新型原位成形式光學(xué)微透鏡制造的實(shí)時監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本實(shí)用新型中弧面微吹風(fēng)工作頭的吹風(fēng)端面示意圖。圖中:1、工作平臺，2、透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)，3、弧面微吹風(fēng)工作頭，4、轉(zhuǎn)動電機(jī)，5、微吹吸風(fēng)系統(tǒng)，6、工作平臺前后步進(jìn)電機(jī)，7、工作平臺左右步進(jìn)電機(jī)，8、工作平臺上下步進(jìn)電機(jī)，9、工作平臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)，10、小型紫外激光器，11、計算機(jī)，12、進(jìn)出風(fēng)小孔，13、紫外激光出孔，14、紫外激光器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型的一個優(yōu)選實(shí)施例。本實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意框圖如圖1，主要由工作平臺1、透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)2、弧面微吹風(fēng)工作頭3、計算機(jī)11組成，分別為本系統(tǒng)中調(diào)整機(jī)構(gòu)、監(jiān)測機(jī)構(gòu)、質(zhì)量控制機(jī)構(gòu)和中心控制機(jī)構(gòu)的主要部件。其中，工作平臺I具有上下、左右、前后、旋轉(zhuǎn)四個維度的移動功能，并且設(shè)置有工作平臺前后步進(jìn)電機(jī)6、工作平臺左右步進(jìn)電機(jī)7、工作平臺上下步進(jìn)電機(jī)8和工作平臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)9，使工作平臺在四個維度移動，并能夠通過計算機(jī)11控制各步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動控制。透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)360°拍攝。弧面微吹風(fēng)工作頭3為內(nèi)凹的球面，其上設(shè)有進(jìn)出風(fēng)小孔12及紫外激光出孔13，本實(shí)施例中進(jìn)出風(fēng)小孔12為九個，每排三個，橫縱各三排均勻設(shè)置于球面上；與弧面微吹風(fēng)工作頭3還連接有微吹吸風(fēng)系統(tǒng)5，該系統(tǒng)為九根分別與所述進(jìn)出風(fēng)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(fù)壓氣源連接，正壓氣源和負(fù)壓氣源分別由吹風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口產(chǎn)生；還設(shè)置有轉(zhuǎn)動電機(jī)4，能夠帶動弧面微吹風(fēng)工作頭3水平轉(zhuǎn)動；還設(shè)置有小型紫外激光器9，其發(fā)出的激光通過紫外激光出孔13射出，本實(shí)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(shè)置有紫外激光器14，用于對透明膠滴固化。計算機(jī)11為中心控制機(jī)構(gòu)，其可控制透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)2圍繞工作平臺I轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)6-9和轉(zhuǎn)動電機(jī)4，從而調(diào)整工作平臺I和弧面微吹風(fēng)工作頭3位置，使工作平臺I上的透明膠滴與弧面微吹風(fēng)工作頭3的球形弧面對應(yīng)；還可控制微吹吸風(fēng)系統(tǒng)5中的切換閥的切換和吹風(fēng)機(jī)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(shí)施例中弧面微吹風(fēng)工作頭3位于工作平臺I上方。工作時，透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)2實(shí)時拍攝膠滴的動態(tài)輪廓，將動態(tài)輪廓的高動態(tài)范圍影像放大，并進(jìn)行數(shù)字化處理，送入計算機(jī)11中，通過軟件比較膠滴的動態(tài)輪廓與理想的膠滴輪廓，得到比較數(shù)據(jù)，確定膠滴曲率半徑不合格處。計算機(jī)11通過控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)4控制弧面微吹風(fēng)工作頭3旋轉(zhuǎn)，使得弧面微吹風(fēng)工作頭吹風(fēng)端弧面與膠滴曲率半徑不合格處弧面能吻合，計算機(jī)11通過控制工作平臺前后步進(jìn)電機(jī)6、工作平臺左右步進(jìn)電機(jī)7、工作平臺上下步進(jìn)電機(jī)8和工作平臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)9控制工作平臺前后左右上下移動并且旋轉(zhuǎn)，通過控制微吹吸風(fēng)系統(tǒng)5控制弧面微吹風(fēng)工作頭3，使得不同進(jìn)出風(fēng)小孔12可調(diào)整強(qiáng)度地吹風(fēng)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(dá)到技術(shù)要求，此時計算機(jī)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(yù)固化。透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)2不斷對透明膠滴實(shí)時監(jiān)測，并反復(fù)上述過程改善微透鏡曲率半徑不合格處曲率使之達(dá)到技術(shù)要求并預(yù)固化，使得整個原位成形微透鏡的曲率半徑達(dá)到技術(shù)要求，此時計算機(jī)11控制紫外激光器14對整個微透鏡強(qiáng)光固化，從而得到對光的聚焦效率最佳的光學(xué)微透鏡。具體的實(shí)施過程為:[0024]I)在膠滴滴落在芯片原定位置上向四周擴(kuò)散流淌時，透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)2實(shí)時拍攝膠滴的動態(tài)輪廓，將動態(tài)輪廓的高動態(tài)范圍影像放大，進(jìn)行數(shù)字化處理，將處理好的膠滴輪廓數(shù)據(jù)送入到計算機(jī)11中。2)計算機(jī)11通過軟件將膠滴的輪廓與理想的膠滴輪廓進(jìn)行比較，得到比較數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。計算機(jī)11控制工作平臺前后步進(jìn)電機(jī)5、工作平臺左右步進(jìn)電機(jī)6、工作平臺上下步進(jìn)電機(jī)8、工作平臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)7使得檢測到的膠滴曲率半徑不合格位置到達(dá)弧面微吹風(fēng)工作頭3處，計算機(jī)11根據(jù)該位置的膠滴曲率半徑數(shù)據(jù)控制轉(zhuǎn)動電機(jī)4使得弧面微吹風(fēng)工作頭3轉(zhuǎn)動，使得弧面微吹風(fēng)工作頭3的吹風(fēng)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(jī)11根據(jù)檢測到的曲率半徑不合格處的曲率半徑數(shù)據(jù)精確地控制微吹吸風(fēng)系統(tǒng)5，進(jìn)而精確地控制弧面微吹風(fēng)工作頭3的進(jìn)出風(fēng)小孔12彼此間可不相同地吹風(fēng)或倒吸，并且強(qiáng)度可精確地調(diào)整，從而引導(dǎo)和改變膠滴曲率半徑不合格處的形狀，并且透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)2實(shí)時監(jiān)測，反饋到計算機(jī)11精確地控制微吹風(fēng)系統(tǒng)5，使得不合格處的曲率半徑達(dá)到技術(shù)要求。4)當(dāng)檢測到膠滴曲率不合格處到達(dá)技術(shù)要求時，計算機(jī)11控制安裝在在弧面微吹風(fēng)工作頭3內(nèi)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(jìn)行預(yù)固化。5)通過透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)2不斷地實(shí)時監(jiān)測，反饋到計算機(jī)11控制弧面微吹風(fēng)工作頭3、轉(zhuǎn)動電機(jī)4、工作平臺1、小型紫外激光器9和微吹吸風(fēng)系統(tǒng)5工作。反復(fù)上述過程優(yōu)化微透鏡曲率半徑不合格處使得膠滴的曲率形狀精度達(dá)到技術(shù)要求。6)通過調(diào)整，當(dāng)檢測到膠滴曲率完全符合技術(shù)要求時，計算機(jī)11控制紫外激光器14，發(fā)射強(qiáng)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(xué)性能，這樣本裝置有足夠的時間對膠滴中由于某些因素產(chǎn)生的曲率半徑未達(dá)到技術(shù)要求處進(jìn)行改善。因此本系統(tǒng)中的膠滴參雜一些納米顆粒，在不影響光學(xué)性能的情況下，通過實(shí)時監(jiān)測和質(zhì)量控制使得原位成形光學(xué)微透鏡曲率半徑達(dá)到最佳。本實(shí)用新型克服了在制作原位成形光學(xué)微透鏡時由于某些因素的影響(如非均勻固化或內(nèi)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(dá)到技術(shù)要求。通過使用本實(shí)用新型可以使得微透鏡對光的聚焦效率達(dá)到最佳，從而有效提高檢測靈敏度。并且本實(shí)用新型采用的原位成形法可以使得光學(xué)微透鏡擬小到毫米數(shù)量級，甚至微米數(shù)量級。這將使得微光譜檢測系統(tǒng)可以直接嵌入到生物芯片內(nèi)，并且靈敏度滿足對微弱生物信號檢測的技術(shù)要求。
權(quán)利要求1.原位成形式光學(xué)微透鏡制造的實(shí)時監(jiān)控裝置，由調(diào)整機(jī)構(gòu)、監(jiān)測機(jī)構(gòu)、質(zhì)量控制機(jī)構(gòu)和中心控制機(jī)構(gòu)組成，其特征在于: 所述調(diào)整機(jī)構(gòu)由工作平臺(I)及調(diào)整工作平臺(I)位置的工作平臺前后步進(jìn)電機(jī)(6)、工作平臺左右步進(jìn)電機(jī)(7)、工作平臺上下步進(jìn)電機(jī)(8)和工作平臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)(9)組成，且各所述電機(jī)由所述中心控制機(jī)構(gòu)控制； 所述監(jiān)測機(jī)構(gòu)由透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)(2)構(gòu)成； 所述質(zhì)量控制機(jī)構(gòu)由弧面微吹 風(fēng)工作頭(3)、與弧面微吹風(fēng)工作頭(3)相連接的微吹吸風(fēng)系統(tǒng)(5 )、帶動弧面微吹風(fēng)工作頭(3 )轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動電機(jī)(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(fēng)工作頭(3)位于工作平臺(I)的上方，為內(nèi)凹的球形弧面，且弧面上均勻設(shè)置五個以上的圓形進(jìn)出風(fēng)小孔(12)，并在弧面四周均勻設(shè)置四個橢圓形紫外激光出孔(13)，所述微吹吸風(fēng)系統(tǒng)(5)為與所述圓形進(jìn)出風(fēng)小孔(12)個數(shù)對應(yīng)的吹吸管及與所述紫外激光出孔(13)對應(yīng)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(fù)壓氣源連接，該正壓氣源為鼓風(fēng)設(shè)備的出氣口，該負(fù)壓氣源為鼓風(fēng)設(shè)備的進(jìn)氣口，所述切換閥和鼓風(fēng)設(shè)備及轉(zhuǎn)動電機(jī)(4)與所述中心控制機(jī)構(gòu)連接； 所述中心控制機(jī)構(gòu)由計算機(jī)(11)構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的原位成形式光學(xué)微透鏡制造的實(shí)時監(jiān)控裝置，其特征在于:所述鼓風(fēng)設(shè)備采用吹風(fēng)機(jī)。
專利摘要原位成形式光學(xué)微透鏡制造的實(shí)時監(jiān)控裝置，主要用于對原位成形光學(xué)微透鏡的制造進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和修正，以保證原位成形光學(xué)微透鏡的非球工作曲面曲率和尺寸精度達(dá)到技術(shù)要求，屬于生物學(xué)和分析化學(xué)及醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域。該制作由調(diào)整機(jī)構(gòu)、監(jiān)測機(jī)構(gòu)、質(zhì)量控制機(jī)構(gòu)和中心控制機(jī)構(gòu)組成，主要由工作平臺、透明液體動態(tài)輪廓攝影系統(tǒng)、弧面微吹風(fēng)工作頭、計算機(jī)分別構(gòu)成調(diào)整機(jī)構(gòu)、監(jiān)測機(jī)構(gòu)、質(zhì)量控制機(jī)構(gòu)和中心控制機(jī)構(gòu)的主要部件。其中弧面微吹風(fēng)工作頭與形成微透鏡的光學(xué)膠液滴吻合，并設(shè)有多個風(fēng)力調(diào)整孔，在監(jiān)測機(jī)構(gòu)的實(shí)時監(jiān)測下，使液滴的形狀符合透鏡要求。采用本系統(tǒng)制作原位上的光學(xué)微透鏡具有精度高、速度快、方法簡單、成本較低的特點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者吳堅(jiān), 劉文操, 陳濤 申請人:北京工業(yè)大學(xué)