多焦点透镜及其加工设备、加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及显微检测与精密加工领域，特别涉及多焦点透镜及其加工设备、加工方法。
【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多焦点透镜及其加工设备、加工方法，工艺简单、曲面可控。
[0006]本发明的技术解决方案是:
[0007]第一种多焦点透镜，其特殊之处是: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。
[0008]第二种多焦点透镜，其特殊之处是: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。
[0009]第三种多焦点透镜，其特殊之处是: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。
[0010]制备上述多焦点透镜的加工设备，包括产生飞秒激光脉冲280的飞秒激光发生器210、参数调制光路220、光学(XD230、半透半反镜或窄带高反片240、光学聚焦镜头250、硬质基板260以及三维平移台270 ;所述参数调制光路220、半透半反镜或窄带高反片240依次位于飞秒激光脉冲280的出射光路上；所述光学CCD230位于半透半反镜或窄带高反片240的透射光路上；所述光学聚焦镜头250、硬质基板260位于半透半反镜或窄带高反片240的反射光路上；所述硬质基板260设置于三维平移台270上。
[0011]上述的硬质基板260的材料可以是熔融石英或K9玻璃或硅片。
[0012]上述光学聚焦镜头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。
[0013]制备上述多焦点透镜的加工方法，包括以下步骤:
[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(XD230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]本发明的优点:
[0031]本发明中提出一种显微成像用多焦点透镜及其加工设备和加工方法。多焦点透镜有2、3或4个焦点，对于随时间变化的形态，可以给出实时准确的描述，即多焦点透镜对于高速反应和变化的被检测目标，可以实现三维成像检测。本发明加工设备简单，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】
[0032]图1为飞秒激光改性加工设备示意图。
[0033]图2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。
[0034]图3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】
[0035]本发明的目的在于提出一种多焦点透镜及其加工设备和飞秒激光加工方法。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]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。
[0039]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冲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