三维静态及动态显微检测系统及方法
【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AT1，每个平面图像的获取也有时间差λτ2。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(XD130 ;所述光学采集(XD130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:
[0014]I)清洗硬质基板材料；
[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CXD (230)对飞秒激光改性过程进行观察和检测；
[0019]3)氢氟酸溶液腐蚀:
[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1-100 μ J、重复频率ΙΟΗζ-ΙΟΟΚΗζ ；
[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°C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]I)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CXD (130)上；光学采集CXD (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CXD (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:
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