本發(fā)明屬于光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于輪廓擬合匹配的紫外光固化制備微透鏡裝置。

背景技術(shù)：

微透鏡是微光學(xué)領(lǐng)域的重要元器件之一，其本身具有體積小、便于集成的優(yōu)點。近幾年來，微透鏡在顯微成像，微流控芯片，光纖通信系統(tǒng)，PCR熒光檢測領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，已成為新的科研發(fā)展方向。雖然微透鏡在以上優(yōu)點，但其加工難度遠高于普通透鏡的加工。目前國內(nèi)外主要的微透鏡制造技術(shù)：微注塑成型法、超精密車削法、3D打印法。其中微注塑成型法需要制作專門的微透鏡模具，前期制備工作消耗很多時間和成本；超精密車削法制作的微透鏡表面粗糙，光潔度較差，需要后續(xù)打磨處理，3D打印法由于是逐層制造，層層疊加的增材制造技術(shù)，存在層與層之間的結(jié)合不緊密，原型結(jié)構(gòu)疏松等缺點。

在前期工作中我們設(shè)計出了原位成形微透鏡制造工藝，其基本過程是從一定高度將光固化膠滴落在基板上，其膠滴的面形隨著外在施加的高壓電場實時變化，通過面形CCD檢測裝置捕捉表面面形傳輸給計算機進行觀察，當(dāng)滿足所需膠滴面形時，用一定功率紫外光照射光固化膠滴進行固化，最后將膠滴固化成一定形狀的微透鏡，這種微透鏡專門用于生物芯片光學(xué)微檢測系統(tǒng)中，見專利“原位成形式光學(xué)微透鏡的激光微制造裝置及方法”，申請?zhí)枺篊N102230978A。但該裝置及制造方法存在如下缺點：

此裝置無法根據(jù)給定的微透鏡樣片直接復(fù)制制作出來，只能通過觀察計算機處理之后的面形輪廓圖像，進行人工判斷是否為所需的面形。并且，人工判斷環(huán)節(jié)無法對其進行精確的透鏡面形判斷，通過該裝置制備的微透鏡與原始微透鏡樣片面形誤差較大，如果微透鏡一次不能達到所要求的形狀，仍需要重復(fù)多次進行操作制備。針對一次制備多片面形參數(shù)相同的微透鏡，此裝置實現(xiàn)起來較為困難，并且制備出來的微透鏡個體差異較大，面型參數(shù)不盡相同。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種基于輪廓擬合匹配的紫外光固化制備微透鏡裝置，用于光固化膠在動態(tài)固化成形過程中的膠滴面形輪廓擬合匹配檢測和批量復(fù)制成形制備微透鏡，達到半自動化批量生產(chǎn)微透鏡，減少人工測量操作的目的，具有制備速度快的優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種基于輪廓擬合匹配的紫外光固化制備微透鏡裝置包括：紫外光源、微控制器、上電極導(dǎo)電玻璃板、下電極導(dǎo)電玻璃板、第一、第二、第三支架臺、壓控電源、進樣器、活塞、推桿電機、步進電機、電機驅(qū)動器、第一、第二限位開關(guān)、絲桿滑臺導(dǎo)軌、滑臺、第一、第二顯微攝像頭、上位機、托片、微透鏡樣片，其中，

所述紫外光源位于整個裝置的正上方，上下電極導(dǎo)電玻璃板安裝在紫外光源的正下方，由第一支架臺固定使得上電極導(dǎo)電玻璃板和下電極導(dǎo)電玻璃板處于水平狀態(tài)，壓控電源的正、負極分別連接上、下電極導(dǎo)電玻璃，壓控電源的輸入端與微控制器相連；所述推桿電機的推進軸與活塞相連，推桿電機、進樣器和第一顯微攝像頭均固定在第二支架臺上，支架的底端固定于滑臺上；步進電機的轉(zhuǎn)動軸與絲桿滑臺導(dǎo)軌相連，同時要保持第一顯微攝像頭和下電極導(dǎo)電玻璃板的高度一致；推桿電機和步進電機分別與電機驅(qū)動器相連，電機驅(qū)動器和微控制器相連；第一、第二限位開關(guān)和電機驅(qū)動器相連；所述微透鏡樣片放置在托片上，托片固定在第三支架臺上使其保持水平，第二顯微攝像頭安裝在托片一側(cè)，同樣保持第二顯微攝像頭和托片的高度一致；所述第一、第二顯微攝像頭均與上位機相連；

首先將待復(fù)制的微透鏡樣片放置在托片上，第二顯微攝像頭采集微透鏡樣片圖像并傳輸至上位機中，上位機處理微透鏡樣片輪廓信息，根據(jù)輪廓信息計算出樣片的直徑、厚度、頂部面形曲率、關(guān)鍵輪廓像素點橫縱坐標值，并將以上信息發(fā)送給微控制器，微控制器接收到信息之后開始控制步進電機轉(zhuǎn)動，同時帶動滑臺向右移動至預(yù)設(shè)距離，使進樣器和第二顯微攝像頭到達上下電極導(dǎo)電玻璃之間，此時微控制器控制推桿電機推進活塞使進樣器擠出光固化膠滴，膠滴滴落至下電極導(dǎo)電玻璃；微控制器DA數(shù)模轉(zhuǎn)換引腳接口提供的電壓逐漸增大，壓控電源輸出電壓隨之逐漸增大，上下電極導(dǎo)電玻璃之間的電場強度逐漸增大，進一步膠滴的面形也隨之改變，此過程中第一顯微攝像頭實時采集捕捉膠滴輪廓，上位機根據(jù)該輪廓提取膠滴的相關(guān)面形信息并發(fā)送至微控制器，微控制器同步比較該面形信息是否滿足微透鏡樣片的面形信息，當(dāng)達到匹配擬合度閾值時，微控制器控制電壓停止增加，接著微控制器控制開啟紫外光源進行膠滴固化，完成單次微透鏡制備。

作為優(yōu)選，利用壓控電源為裝置提供0-5KV高壓電場，壓控電源輸入端與微控制器DA數(shù)模轉(zhuǎn)換口相連，提供0-5V外控電壓，壓控電源和上下電極導(dǎo)電玻璃之間用絕緣銅芯粗導(dǎo)線相連。

作為優(yōu)選，當(dāng)滑臺左右水平移動觸碰到限位開關(guān)時，電機驅(qū)動器接收到限位開關(guān)的電平信號，向微控制器發(fā)出量程限位信號，同時自主控制步進電機停止移動，規(guī)定左限位開關(guān)為零位原點，右限位開關(guān)為滿量程點，滑臺的初始位置為零位原點處。

作為優(yōu)選，將樣片的直徑、厚度、頂部面形曲率、關(guān)鍵輪廓像素點橫縱坐標值作為閾值判斷參數(shù)，所述匹配擬合度閾值為95％--105％。

本發(fā)明的基于輪廓擬合匹配的紫外光固化制備微透鏡裝置，首先通過一組顯微攝像頭采集原始微透鏡樣片面形信息，經(jīng)上位機圖像處理面形輪廓之后，將該樣片面形信息存儲至微控制器中。接著在制備過程中，通過另一組顯微攝像頭實時采集光固化膠滴面形信息，同樣經(jīng)上位機圖像處理并存儲至微控制器中，利用輪廓匹配程序把實時采集的膠滴面形和樣片面形比較，當(dāng)滿足擬合閾值時，微控制器自動控制開啟紫外燈對膠滴進行固化，利用該裝置可直接批量復(fù)制出與原始微透鏡樣片面形輪廓擬合度較高的微透鏡，減少在人工觀察測量操作。

本發(fā)明與現(xiàn)有制備微透鏡技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)點：

1、利用兩組顯微攝像頭直接采集原始微透鏡樣片面形和制備過程中的光固化膠滴面形，通過進行相關(guān)輪廓要素閾值判斷，實現(xiàn)光固化膠滴與微透鏡樣片擬合匹配并自動控制固化。該面形匹配過程由機器程序判斷取代之前的人工判斷，減小了光固化膠滴微透鏡與原始微透鏡樣片面形誤差，大大提高了面形擬合精度。

2、可根據(jù)給定的微透鏡樣片直接復(fù)制制作出來，可通過該裝置水平移動光固化膠滴進樣器，在不同的位置滴落膠滴，可一次復(fù)制多片面形參數(shù)擬合度高的微透鏡。

3、與原有專利“原位成形式光學(xué)微透鏡的激光微制造裝置及方法”，申請?zhí)枺篊N 102230978 A相比，利用顯微攝像頭取代之前復(fù)雜的圖像采集光路，簡化了整個設(shè)備的工作結(jié)構(gòu)。增加電機驅(qū)動器控制步進電機和進樣器推桿電機，使得電機轉(zhuǎn)動角度更為精準和靈敏。

4、利用壓控電場，可由微控制器DA數(shù)模轉(zhuǎn)換口自動可調(diào)節(jié)輸出不同電壓大小的電場，使得電場電壓控制更為精準方便。減少人工計算機端操作，減少制備過程的繁瑣工序。

5、利用微控制器作為該裝置的主控部分，使該裝置系統(tǒng)設(shè)計小型化，減少外圍電路及元器件數(shù)量。利用微控制器的邏輯輸入輸出操作其他模塊顯得十分方便。

附圖說明

圖1為以微透鏡樣片邊緣輪廓端點建立空間直角坐標系的示意圖；

圖2為紫外光固化制備微透鏡裝置的總結(jié)構(gòu)圖；

圖3為膠滴進樣結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。

具體實施方法

本發(fā)明實施例提供一種基于輪廓擬合匹配的紫外光固化制備微透鏡裝置，本發(fā)明的理論依據(jù)為：水平放置的液滴由于表面張力的作用，液滴面形近似為球冠形，在液滴上下兩端分別施加正負極性電壓，由于電離作用、離子交換或吸附等化學(xué)作用，在電場中使液滴頂部聚集了大量的感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷產(chǎn)生的作用力使液滴頂部產(chǎn)生向外的作用力，使液滴頂部面形曲率變大。當(dāng)施加電壓更大時，液滴頂端電荷密度增強，形成拋物面形甚至類圓錐形。根據(jù)這一原理，我們首先采集給定的微透鏡樣片輪廓，根據(jù)輪廓信息計算出樣片的直徑、厚度、頂部面形曲率、關(guān)鍵輪廓像素點橫縱坐標值，并將以上信息作為閾值判斷參數(shù)。制備過程中，選取紫外光固化膠作為制備材料，該膠可在一定波段的紫外光照射下從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，利用電場操控紫外光固化膠滴的面形，并利用顯微攝像頭實時進行面形檢測，當(dāng)光固化膠滴的面形參數(shù)滿足閾值參數(shù)時，采用紫外光照射使液滴透鏡固化，可以制作具有良好成像和聚焦性能的微透鏡。

根據(jù)上述原理，本發(fā)明提出一種基于輪廓擬合匹配的紫外光固化制備微透鏡裝置，由圖像采集與處理模塊、微控制器、壓控電場模塊、傳動機制模塊四部分組成。圖像采集與處理模塊利用顯微攝像頭采集與處理圖像信息，提取面形輪廓，并將面形信息發(fā)送給微控制器；微控制器用于控制系統(tǒng)，接收上位機發(fā)來的面形輪廓信息，存儲面形信息，匹配面形輪廓，控制進樣和紫外燈開關(guān)；壓控電場可通過外控電壓調(diào)節(jié)輸出高壓電場；傳動機制模塊用來精確移動膠滴進樣器和顯微攝像頭，以及推動進樣器擠出光固化膠滴。

圖像采集與處理模塊由兩組顯微攝像頭與上位機組成，其中一組顯微攝像頭用來拍攝給定的微透鏡樣片面形圖像，另一組顯微攝像頭可隨著電機傳動模塊水平移動，用來實時采集捕捉制備過程中的光固化膠滴面形圖像。上位機用于對顯微攝像頭拍攝的圖像信息進行處理，用于從包含特征物、背景和噪聲等對象的數(shù)字化圖像中提取特征物，特征物為微透鏡樣片輪廓和實時捕捉的膠滴輪廓。

首先對采集到的微透鏡樣片圖像進行噪聲干擾過濾，把圖像從RGB(紅、綠、藍)顏色空間轉(zhuǎn)化成HSV(色調(diào)、飽和度、亮度)顏色空間，對色調(diào)通道進行像素直方圖分析，利用直方圖法對圖像進行二值化操作得到二值圖像。為得到更好的微透鏡樣片邊緣輪廓信息，對二值圖像進行多次膨脹腐蝕處理，最后對處理后二值圖像進行輪廓提取，接著上位機進行輪廓端點檢測，識別出輪廓的兩個端點A、B，以兩個端點之間的中點為坐標原點建立空間直角坐標系，如圖1所示。

上位機對其輪廓像素點進行坐標標定，根據(jù)該坐標系計算出輪廓端點AB之間的距離，即為微透鏡樣片直徑；利用冒泡排序法找出輪廓像素點縱坐標的最大值和最小值，最大值和最小值之差即為微透鏡樣片厚度；具有最大縱坐標值的像素點即為微透鏡樣片的頂冠點，將該頂冠點一階導(dǎo)數(shù)設(shè)定為y,，該頂冠點二階導(dǎo)數(shù)設(shè)定為y,,，輸出頂冠點曲率定為k，則得到公式：根據(jù)該公式可求出頂冠點曲率，即為微透鏡樣片頂部面形曲率；根據(jù)像素點橫坐標等間距取出六個采樣點S1-S6作為表征微透鏡樣片輪廓的關(guān)鍵特征點。最后上位機程序?qū)⑻崛〉囊陨衔⑼哥R樣片面形輪廓信息發(fā)送給微控制器做進一步處理。另一組顯微攝像頭在實時采集捕捉膠滴圖像之后，做上述相同操作處理。

微控制器作為該系統(tǒng)的核心器件，具有如下功能：通過RS232總線通信方式與上位機進行面形輪廓信息數(shù)據(jù)傳輸；通過微處理器內(nèi)部程序向電機驅(qū)動器發(fā)送命令信號控制傳動機制，從而操作顯微攝像頭和膠滴進樣器的水平移動以及膠滴進樣器的精確進樣；通過內(nèi)部程序控制微控制器DA數(shù)模轉(zhuǎn)換引腳接口輸出0-5V可變電壓信號；通過內(nèi)部程序比較原始微透鏡樣片面形信息與制備過程中實時采集到的膠滴面形信息的擬合度，擬合度判斷包括微透鏡樣片與光固化膠滴的直徑擬合度判斷、厚度擬合度判斷、頂部面形曲率擬合度判斷、關(guān)鍵輪廓像素點橫縱坐標值擬合度判斷，當(dāng)滿足擬合度閾值時，控制開啟紫外燈進行膠滴固化。

傳動機制模塊包括電機驅(qū)動器、步進電機、絲桿滑臺導(dǎo)軌、推桿電機。電機驅(qū)動器接受來自微控制器的命令信號從而輸出步進運動信號控制步進電機和推桿電機轉(zhuǎn)動，步進電機轉(zhuǎn)動軸連接絲桿滑臺導(dǎo)軌，使滑臺能夠水平移動，滑臺上裝有一組顯微攝像頭、進樣器及推桿電機。推桿電機與活塞相連，可控制推拉活塞使膠滴擠出。由于進樣器可跟隨滑臺移動，因此可以將進樣器移動多個位置進行光固化膠滴擠出進樣，從而一次制備多個微透鏡片。

壓控電場模塊可通過0-5V外控電壓調(diào)節(jié)輸出0-5KV高壓電場，外控電壓由微控制器DA數(shù)模轉(zhuǎn)換引腳接口提供，為了保證光固化膠滴在后期固化過程光照充分，采用透明ITO導(dǎo)電玻璃基板作為高壓電場的上下電極，在制備過程中，光固化膠滴由進樣器擠出，滴落至下電極透明導(dǎo)電玻璃上，上電極導(dǎo)電玻璃接正極性高壓電極，下電極導(dǎo)電玻璃接零電極，當(dāng)高壓電源開啟后，由于電離作用，使液滴頂部聚集了大量的感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷產(chǎn)生的作用力使液滴頂部產(chǎn)生向外的作用力，液滴頂部面形曲率變大。當(dāng)施加電壓更大時，液滴頂端電荷密度增強，形成拋物面形甚至類圓錐形。在單次輪廓匹配過程中，微控制器DA數(shù)模轉(zhuǎn)換引腳接口提供的電壓從0V逐漸增大，高壓電場電極兩端電壓隨之從0KV逐漸增大，進一步膠滴的面形也隨之改變，當(dāng)顯微攝像頭檢測到的膠滴面形滿足擬合度閾值時，微控制器自動控制電壓停止增加，此時輸出電壓為某定值，配合紫外燈固化。

實施例1

如圖2、3所示，本發(fā)明實施例提供一種基于輪廓擬合匹配的紫外光固化制備微透鏡裝置，包括紫外光源1、微控制器2、上電極ITO導(dǎo)電玻璃板3、下電極ITO導(dǎo)電玻璃板4、第一、第二、第三支架臺5-1、5-2、5-3、壓控電源6、絕緣銅芯粗導(dǎo)線7、進樣器8、活塞9、推桿電機10、步進電機11、電機驅(qū)動器12、第一、第二限位開關(guān)13-1、13-2、絲桿滑臺導(dǎo)軌14、滑臺15、第一、第二顯微攝像頭16-1、16-2、上位機17、托片18、微透鏡樣片19。

所述紫外光源1位于整個系統(tǒng)的正上方，紫外光源開關(guān)工作方式為+5V電平觸發(fā)方式，當(dāng)輸入+5V高電平時，紫外光源開啟，當(dāng)輸入0V時，紫外光源關(guān)閉，紫外光源開關(guān)的輸入端與微控制器相連。選用阻值小、導(dǎo)電性能好、厚度較薄、透光性好的ITO導(dǎo)電玻璃板作為高壓電場的上下電極，上下電極導(dǎo)電玻璃板安裝在紫外光源的正下方，由第一支架臺5-1固定使得上電極導(dǎo)電玻璃板3和下電極導(dǎo)電玻璃板4處于水平狀態(tài)，由于壓控電源6輸出電壓過高，壓控電源的正、負極分別連接上、下電極導(dǎo)電玻璃，壓控電源和上下電極導(dǎo)電玻璃之間用絕緣銅芯粗導(dǎo)線7相連。壓控電源的輸入端與微控制器2相連。

所述推桿電機10的推進軸與進樣器8的活塞9相連，推桿電機10、進樣器8和第一顯微攝像頭16-1均固定在第二支架臺5-2上，支架的底端固定于滑臺15上。步進電機11的轉(zhuǎn)動軸與絲桿滑臺導(dǎo)軌14相連，滑臺15可隨著步進電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)水平方向左右移動，從而可使進樣器在玻璃板不同的位置滴落光固化膠滴20，同時要保持第一顯微攝像頭16-1和下電極導(dǎo)電玻璃板4的高度一致，以便第一顯微攝像頭16-1觀察到完整膠滴輪廓。推桿電機和步進電機分別與電機驅(qū)動器12相連，電機驅(qū)動器和微控制器2相連，微控制器可向電機驅(qū)動器發(fā)送串行命令從而控制電機的轉(zhuǎn)動。第一、第二限位開關(guān)13-1、13-2和電機驅(qū)動器相連，當(dāng)滑臺左右水平移動觸碰到限位開關(guān)時，電機驅(qū)動器接收到限位開關(guān)的電平信號，向微控制器發(fā)出量程限位信號，同時自主控制步進電機11停止移動，規(guī)定左限位開關(guān)為零位原點，右限位開關(guān)為滿量程點，滑臺的初始位置為零位原點處。

所述微透鏡樣片19放置在托片18上，托片固定在第三支架臺5-3上使其保持水平，第二顯微攝像頭16-2安裝在托片一側(cè)，同樣保持第二顯微攝像頭16-2和托片18的高度一致，以便第二顯微攝像頭16-2觀察到完整微透鏡樣片輪廓。

所述第一、第二顯微攝像頭16-1 16-2均與上位機17相連。利用visual studio編程軟件和openCV機器視覺庫編寫上位機軟件程序提取相關(guān)輪廓圖像信息，將該圖像信息發(fā)送至微控制器2。

該裝置的具體工作過程為：首先將待復(fù)制的微透鏡樣片19放置在托片18上，第二顯微攝像頭16-2采集微透鏡樣片圖像并傳輸至上位機17中，上位機處理微透鏡樣片輪廓信息，根據(jù)輪廓信息計算出樣片的直徑、厚度、頂部面形曲率、關(guān)鍵輪廓像素點橫縱坐標值，并將以上信息發(fā)送給微控制器2，該裝置默認制備一個微透鏡，若需一次制備多個微透鏡，需要從上位機軟件輸入制備數(shù)量信息，并發(fā)送給微控制器。微控制器接收到信息之后開始控制步進電機11轉(zhuǎn)動，同時帶動滑臺15向右移動至一段距離，使進樣器8和第二顯微攝像頭16-1到達上下電極導(dǎo)電玻璃之間，該距離可由微控制器根據(jù)上位機輸入的制備數(shù)量自動調(diào)節(jié)控制。此時微控制器控制推桿電機10推進活塞9使進樣器8擠出光固化膠滴20，膠滴滴落至下電極導(dǎo)電玻璃4。微控制器DA數(shù)模轉(zhuǎn)換引腳接口提供的電壓從0V逐漸增大，壓控電源6輸出電壓隨之從0KV逐漸增大，上下電極導(dǎo)電玻璃之間的電場強度逐漸增大，進一步膠滴20的面形也隨之改變。此過程中第一顯微攝像頭16-1實時采集捕捉膠滴輪廓，上位機17提取膠滴20的直徑、厚度、頂部面形曲率、關(guān)鍵輪廓像素點橫縱坐標值信息，并發(fā)送至微控制器2，微控制器同步比較以上信息是否與微透鏡樣片19相匹配，當(dāng)達到匹配擬合度閾值(95％--105％)時，微控制器控制電壓停止增加，此時輸出電壓為某定值，接著微控制器控制開啟紫外光源1進行膠滴固化，完成單次微透鏡制備。若一次制備多個透鏡，滑臺15會繼續(xù)向右移動一段距離，重復(fù)上述操作步驟，該距離可由微控制器根據(jù)上位機輸入的制備數(shù)量自動調(diào)節(jié)控制。制備完成后，滑臺移動至零位原點處，微控制器向上位機發(fā)送任務(wù)完成指令。