技术领域
[0001] 本
发明涉及显微检测与精密加工领域，特别涉及一种三维动态显微检测及其多焦点透镜制备的新方法。
背景技术
[0002] 与传统的二维图像相比，三维图像能够反映被检测物体更多的信息：包括三维空间结构分布、三维空间组织成分等。特别是三维实时显微检测技术，能够实时的反应出被检测物体的动态特性；特别是对于活体
生物细胞检测、微流控芯片检测等领域有着十分重要的作用。然而，现有的显微检测技术主要是基于平面显微检测技术，包括
荧光显微镜、普通
光学显微镜、光纤检测技术等。但是这些显微检测技术只能在二维平面尺度上对目标物体进行检测和观察，或者只能以统计光通量的方式进行检测。
[0003] 激光共聚焦三维成像技术，可以对半透明物体在静态情况下或者较慢形态变化时进行三维成像检测。其
三维重建的基本原理是：在显微透镜光学焦平面上作X或Y轴向的逐点逐线的移动扫描所获得的信息，获得该XY平面的二维图像；然后，可以沿着Z轴扫描得到一系列XY平面，借助于计算机的
图像处理专用
软件可以将这些平面图像“堆积”起来，成为立体的三维图像。然而，由于共聚焦显微镜的三维成像是基于点阵二维图像三维
叠加的原理，在平面上进行各个图像点的获取之间存在时间间隔ΔT1，每个平面图像的获取也有时间差ΔT2。因此，该方法主要适用于静态组织的检测，对于随时间变化的形态，无法给出实时准确的描述，普通共聚焦显微镜对于高速反应和变化的被检测目标，存在一定的三维成像检测的局限性。
[0004] 另外，对于显微成像系统中的关键器件——透镜，现有的主要加工方法为抛磨工艺：该方法主要用于加工球面透镜；并且难以加工具有多焦点的复杂曲面透镜。另外，具有多焦点的复杂曲面透镜比球面透镜有着更广泛的应用和作用：例如用于矫正近视的眼镜镜片、高
精度显微成像等。但是，具有多焦点的复杂曲面透镜一直存在很大的加工难度。对多焦点的复杂曲面透镜，现有提出如下加工方法：在原有透镜的周边或者中心
位置再次
焊接具有不同
曲率或者光学特性的材料、使用粘接材料将两
块或者多块透镜拼接粘合在一起、使用具有不同屈服点
温度的玻璃材料进行按序多次
热压法制备复杂曲面多焦点透镜。但是这些加工方法存在光学对准困难、抛磨工艺复杂、光学特性差等特点。
发明内容
[0005] 为了克服上述
现有技术的
缺陷，本发明的目的在于提出一种三维静态及动态显微检测系统及方法，可以实时检测被测物体在三维空间上的多个截面信息，可对快速反应或变化的待测目标进行实时三维显微
跟踪检测。
[0006] 本发明的技术解决方案是：
[0007] 一种三维静态及动态显微检测系统，其特殊之处是：包括光学系统和
图像分析计算机140；所述光学系统包括依次设置在同一光轴上的
光源100、汇聚透镜101、孔径光阑102、滤波片103、具有多个焦距的多焦点透镜120、光学采集CCD130；所述光学采集CCD130与图像分析计算机140相连；所述多焦点透镜120为两焦点透镜、三焦点透镜或四焦点透镜；所述滤波片103、多焦点透镜120分别位于被检测物体的两侧；所述多焦点透镜120的每个焦点均位于被检测物体内；
[0008] 上述两焦点透镜包括中心透镜和第一外环透镜；所述中心透镜的前端面为曲面，其后端面为平面；所述第一外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第一平面以及设置在第一平面外的第一环曲面；所述第一平面与中心透镜的后端面重合；所述中心透镜前端面的焦距比第一环曲面的焦距短；
[0009] 上述三焦点透镜，包括中心透镜、第一外环透镜和第二外环透镜；所述中心透镜的前端面为曲面，其后端面为平面；所述第一外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第一平面以及设置在第一平面外的第一环曲面；所述第一平面与中心透镜的后端面重合；所述第二外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第二平面以及设置在第二平面外的第二环曲面；所述第二平面与第一外环透镜的后端面重合；所述中心透镜前端面的焦距比第一环曲面的焦距短；所述第一环曲面的焦距比第二环曲面的焦距短；
[0010] 上述四焦点透镜，包括中心透镜、第一外环透镜、第二外环透镜和第三外环透镜；所述中心透镜的前端面为曲面，其后端面为平面；所述第一外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第一平面以及设置在第一平面外的第一环曲面；所述第一平面与中心透镜的后端面重合；所述第二外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第二平面以及设置在第二平面外的第二环曲面；所述第二平面与第一外环透镜的后端面重合；所述第三外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第三平面以及设置在第三平面外的第三环曲面；所述第三平面与第二外环透镜的后端面重合；所述中心透镜前端面的焦距比第一环曲面的焦距短；所述第一环曲面的焦距比第二环曲面的焦距短；所述第二环曲面的焦距比第三环曲面的焦距短。
[0011] 上述三维静态及动态显微检测系统，还可包括第一半反镜（104）、第二半反镜（105）、第一反射镜（106）和第二反射镜（107）；所述第一半反镜设置在滤波片（103）和被检测物体之间；所述第一反射镜设置在第一半反镜的反射光路上；所述第二反射镜设置在第一反射镜的反射光路上；所述第二半反镜（105）设置在被检测物体和多焦点透镜之间，将第二半反镜（105）的反射光反射至被测物体上。
[0012] 上述三维静态及动态显微检测系统，或者包括反射镜（108）、第二半反镜（105）、第一反射镜（106）和第二反射镜（107）；所述第一半反镜设置在滤波片（103）和被检测物体之间；所述第一反射镜设置在第一半反镜的反射光路上；所述第二反射镜设置在第一反射镜的反射光路上；所述第二半反镜（105）设置在被检测物体和多焦点透镜之间，将第二半反镜（105）的反射光反射至被测物体上。
[0013] 上述多焦点透镜采用如下加工方法制备：
[0015] 2）飞秒激光改性：
[0016] 飞秒激光脉冲经过参数调制后，聚焦到硬质基板（260）表面；
[0017] 飞秒激光脉冲对硬质基板（260）进行不同深度、不同区域分布上的表面改性；
[0018] 通过光学CCD（230）对飞秒激光改性过程进行观察和检测；
[0020] 将步骤2）改性后的
石英玻璃置于
超声波环境的氢氟
酸溶液中进行选择性腐蚀，形成硬质基板（260）上的多焦点凹面透镜结构；
[0021] 4）多焦点透镜复制：
[0022] 以硬质基板（260）上的多焦点凹面透镜结构为母版，通
过热压工艺，翻模复制多焦点凸面透镜。
[0023] 上述步骤2）中的飞秒激光（280）中心脉宽为30-150fs、
波长为325-1200nm、单脉冲
能量为1-100μJ、重复
频率10Hz-100KHz；
[0024] 上述步骤3）中的氢氟酸溶液为浓度5%-10%的氢氟酸稀溶液，腐蚀温度在20-50℃之间；
[0025] 上述的硬质基板（260）的材料是熔融石英或K9玻璃或
硅片。
[0026] 上述步骤2）和步骤3）具体如下：
[0027] 将硬质基板（260）固定在三维平移台（270）上；
[0028] 进行第一次飞秒激光定点多脉冲改性或者扫描改性，之后进行步骤3）获得简单曲面的凹透镜结构；
[0029] 重复进行飞秒激光定点多脉冲改性或者扫描改性和步骤3），在上次获得的凹透镜结构上重复加工复合的凹透镜结构，最终获得多焦点凹透镜结构。
[0030] 一种三维静态及动态显微检测方法，包括以下步骤：
[0031] 1）被检测物体放置在白光光源和多焦点透镜之间，且多焦点透镜（120）的每个焦点均位于被检测物体内；
[0032] 2）白光光源经调制后，对被检测物体（110）进行透射照明或反射照明；
[0033] 3）被检测物体（110）产生的
透射光或者反射光，经过多焦点透镜（120），成像到光学采集CCD（130）上；光学采集CCD（130）上成像包含被检测物体（110）的多个切面图像信息；
[0034] 4）对光学采集CCD（130）采集的多个切面图像信息进行数码解析和三维重构，实现被检测物体110的多个切面的实时静态或动态检测。
[0035] 上述白光光源对被检测物体（110）进行反射照明是采用以下步骤实现：
[0036] 用半反镜或反射镜将白光光源45°反射；
[0037] 将反射光再经两次反射，入射至被检测物体和多焦点透镜之间的半反镜；
[0038] 半反镜将入射光反射至被检测物体上。
[0039] 本发明的优点：
[0040] 本发明提出一种利用多焦点透镜的成像特点，对待测物体在多个层面上进行一次实时显微检测的方法；该三维成像方法不需要特殊的机械扫描过程，其检测速度只由图像处理的过程影响，因此具有检测速度快的特点；该三维显微检测方法可对快速反应或变化的检测目标实现实时的三维显微观测。另外，本发明中提出的多焦点透镜的飞秒激光加工方法，具有加工方法灵活、加工效率高的特点，可对多焦点透镜的表面复杂曲面进行精确调控。
附图说明
[0041] 图1为利用多焦点透镜进行三维动态显微检测的示意图。
[0042] 图2为对待测目标在三个层面上进行动态显微检测的示意图。
[0043] 图3为对待测目标在两个层面上进行动态显微检测的示意图。
[0044] 图4为飞秒激光改性加工设备示意图。
[0045] 图5为三次飞秒激光改性、氢氟酸腐蚀制备的三焦点凸面透镜及其工艺方案示意图。
[0046] 图6为两次飞秒激光改性、氢氟酸腐蚀制备的双焦点透镜的工艺方案示意图。
具体实施方式
[0047] 下面结合图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
[0048] 本发明的目的在于提出三维静态及动态显微检测系统及方法，可以实时同时检测被测物体在三维空间上的多个切面参数，可对快速反应或变化的待测目标进行实时三维显微检测；
[0050] 一种三维动态显微检测方法的示意图如图1所示，采用以下技术方案：
[0051] 显微检测系统主要包括：白光光源100、汇聚透镜101、孔径光阑102、滤波片103、被检测物体110、半反射镜104/105和反射镜106/107、多焦点透镜120、光学采集CCD130、图像分析计算机140。
[0052] 由白光光源发射100的激发（照明）光依次通过汇聚透镜101、孔径光阑102、滤波片103进行调制，然后半反镜104将激发（照明）光分成两部分：一路光（a）直接照射被检测物体110，产生透射（激发）光；另一路入射光（b）经反射镜106、107和半反镜105后对被检测物体110形成上照明，产生反射（激发）光。
[0053] 被检测物体110产生的透射或者反射（激发）光，经过多焦点透镜120，入射到光学采集CCD130上；由于多焦点透镜120具有多个焦距。因此，在光学采集CCD130上所成像包含被检测物体110的多个切面图像信息。光学采集CCD130与图像分析计算机140相连，通过图像分析计算机140对光学采集CCD130采集的图像进行数码解析和三维重构，实现被检测物体110的表面结构和内部结构的三维多层切面的实时显微检测。
[0054] 图1光路中，汇聚透镜101、孔径光阑102、滤波片103在白光光源发射100的出射端，通过孔径光阑102和滤波片103可调节激发（照明）光的通光量、光斑尺寸、波长范围。
[0055] 图1光路中，激发（照明）光经过半反镜104分成（a）路直射光和（b）路上照明光，分别用于对被检测物体110的透射照明和反射照明。（a）路直射光和（b）路上照明光根据被检测物体110的透光程度进行选择其一。其中，被检测物体110对照明光和透射（激发）光是透明或者半透明时，激发（照明）光使用（a）路直射光或者（b）路上照明光中的一路；被检测物体110对照明光和透射（激发）光是不透光时，激发（照明）光使用（b）路上照明光，从而能够实现对被检测物体110在表面结构上的显微多层检测。
[0056] 实施例二：
[0057] 图2为对待测目标在三个层面上进行动态显微检测的示意图。使用图1中的检测光路对物体110进行实时检测时，由于多焦点透镜121具有三个焦距f1/f2/f3，根据光学成像原理，被检测物体110通过多焦点透镜121后在光学CCD130上成像时，图像包括物体110三个切面A/B/C的信息，通过图像分析计算机对光学采集CCD130采集的图像进行数码解析和三维重构，实现被检测物体110的三层切面A/B/C的实时显微检测。
[0058] 实施例三：
[0059] 图3为对待测目标在两个层面上进行动态显微检测的示意图。使用图1中的检测光路对物体110进行实时检测时，由于多焦点透镜122具有两个焦距f1/f2，根据光学成像原理，被检测物体110通过多焦点透镜122后在光学CCD130上成像时，图像包括物体110两个切面A’/B’的信息，通过图像分析计算机对光学采集CCD130采集的图像进行数码解析和三维重构，实现被检测物体110的两层切面A’/B’的实时显微检测。
[0060] 多焦点透镜可以有两焦点、三焦点和四焦点，也可以更多焦点。但在显微成像方面，焦点再多，实际应用上较为复杂或没有意义。
[0061] 两焦点透镜包括中心透镜和第一外环透镜；中心透镜的前端面为曲面，其后端面为平面；第一外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第一平面以及设置在第一平面外的第一环曲面；第一平面与中心透镜的后端面重合（即中心透镜和第一外环透镜一体式结构）；中心透镜前端面的焦距比第一环曲面的焦距短。
[0062] 三焦点透镜，包括中心透镜、第一外环透镜和第二外环透镜；中心透镜的前端面为曲面，其后端面为平面；第一外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第一平面以及设置在第一平面外的第一环曲面；第一平面与中心透镜的后端面重合；第二外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第二平面以及设置在第二平面外的第二环曲面；第二平面与第一外环透镜的后端面重合；中心透镜前端面的焦距比第一环曲面的焦距短；第一环曲面的焦距比第二环曲面的焦距短。中心透镜、第一外环透镜和第二外环透镜一体式结构。
[0063] 三焦点透镜，包括中心透镜、第一外环透镜、第二外环透镜和第三外环透镜；中心透镜的前端面为曲面，其后端面为平面；第一外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第一平面以及设置在第一平面外的第一环曲面；第一平面与中心透镜的后端面重合；第二外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第二平面以及设置在第二平面外的第二环曲面；第二平面与第一外环透镜的后端面重合；第三外环透镜的后端面为平面，其前端面包括设置在中心的第三平面以及设置在第三平面外的第三环曲面；第三平面与第二外环透镜的后端面重合；中心透镜前端面的焦距比第一环曲面的焦距短；第一环曲面的焦距比第二环曲面的焦距短；第二环曲面的焦距比第三环曲面的焦距短。中心透镜、第一外环透镜、第二外环透镜和第三外环透镜一体式结构。
[0064] 参照图4和图5，通过一次飞秒激光改性、氢氟酸腐蚀过程制备三焦点透镜，包括以下主要步骤：
[0065] 步骤一、硬质基板材料的清洗：依次使用丙
酮、
乙醇、去离子
水分别
超声波清洗5min，对硬质基板材料260进行有效清洗；硬质基板260材料，包括熔融石英、K9玻璃、
硅片中的一种；
[0066] 步骤二、飞秒激光改性：参照图1，飞秒激光发生器210产生的飞秒激光脉冲280，经过参数调制光路220、半透半反镜或窄带高反片240，然后通过光学聚焦镜头250聚焦到硬质基板260表面；硬质基板260固定在可编程控制三维平移台270上。参照图2，将三焦点透镜凹面结构飞秒激光影响区分解成三块区域，循环进行飞秒激光改性和氢氟酸溶液腐蚀，最终形成具有三焦点透镜凹面结构的飞秒激光影响区；其中的飞秒激光改性过程调节的参数包括：光学聚焦镜头250参数、激光能量、单点改性的脉冲次数、扫描改性的路径。飞秒激光280为一种超短脉冲激光，中心脉宽为30-150fs、波长为325-1200nm、单脉冲能量为1-100μJ、重复频率10Hz-100KHz；光学聚焦镜头250为显微镜物镜，放大倍数在10-100之间，数值孔径NA值0.5-0.95之间；
[0067] 步骤三、氢氟酸溶液腐蚀：将扫描后的石英玻璃置于超声波环境的氢氟酸溶液中进行选择性腐蚀，形成硬质基板260上的多焦点凹面透镜结构261，261’为三焦点凹面透镜261的俯视图；氢氟酸溶液，为浓度5%-10%的氢氟酸稀溶液，腐蚀温度根据对透镜的形貌要求控制在20-50℃之间；
[0068] 步骤四、多焦点透镜复制：以三焦点凹面透镜结构262为母版，通过热压工艺，在具有较低热屈服温度材料上翻模复制三焦点凸面透镜291，291’为三焦点凸面透镜291的俯视图。
[0069] 参照图6和图4，通过多次飞秒激光改性、氢氟酸腐蚀过程制备双焦点透镜，包括以下主要步骤：
[0070] 步骤一、硬质基板材料的清洗：依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声波清洗5min，对硬质基板材料260进行有效清洗；硬质基板260材料，包括熔融石英、K9玻璃、硅片中的一种；
[0071] 步骤二、飞秒激光第一次改性：参照图1，飞秒激光发生器210产生的飞秒激光脉冲280，经过参数调制光路220、半透半反镜或窄带高反片240，然后通过光学聚焦镜头250聚焦到硬质基板260表面；硬质基板260固定在可编程控制三维平移台270上；通过飞秒激光改性形成第一块材料改性区，作为双焦点凹面透镜的一部分曲面；所述的步骤二中的飞秒激光280为一种超短脉冲激光，中心脉宽为30-150fs、波长为325-1200nm、单脉冲能量为1-100μJ、重复频率10Hz-100KHz。光学聚焦镜头250为显微镜物镜，放大倍数在10-100之间，数值孔径NA值0.5-0.95之间；
[0072] 步骤三、氢氟酸溶液第一次腐蚀：利用氢氟酸对石英材料飞秒激光改性区的高腐蚀率特性，将第一次改性后的石英玻璃置于超声波环境的氢氟酸溶液中进行选择性腐蚀，形成硬质基板260上的单焦点凹面透镜结构262，262’为单焦点凹面透镜262的俯视图；氢氟酸溶液，为浓度5%-10%的氢氟酸稀溶液，腐蚀温度根据对透镜的形貌要求控制在20-50℃之间；
[0073] 步骤四、秒激光第二次改性：在已形成的单焦点凹面透镜结构262
基础上再次进行飞秒激光改性，形成第二块材料改性区，作为双焦点凹面透镜的第二部分曲面；
[0074] 步骤五、氢氟酸溶液第二次腐蚀：将第二次改性后的石英玻璃置于超声波环境的氢氟酸溶液中进行选择性腐蚀，形成硬质基板260上的双焦点凹面透镜结构263，263’为双焦点凹面透镜263的俯视图；
[0075] 步骤六、多焦点透镜复制：以硬质基板260上的双焦点凹面透镜结构263为母版，通过热压工艺，在具有较低热屈服温度材料上翻模复制双焦点凸面透镜290，290’为双焦点凸面透镜290的俯视图。
