[发明专利]原位液体成形光学微透镜制造中的高精度面形获取方法

说明书

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：