CN103513384B - 一种提高光子探测效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高光子探测效率的方法，其包括以下步骤：1）设置一包括有光学成像系统和彩色数字光电探测器的成像探测系统；2）基于彩色摄像机的结构对成像探测系统的各个器件的位置进行设置；3）探测目标的散射光或荧光经物镜放大，并经聚焦透镜聚焦到彩色数字光电探测器；4）根据所采用的彩色数字光电探测器的像元间距和像元宽度，对物镜和聚焦透镜的参数进行选择；5）根据步骤4）所选择的物镜和聚焦透镜的参数，计算光学成像系统的色差；6）相对移动光学系统和彩色光电探测器，根据色差对彩色光电探测器的像元位置进行校准，使由于色差造成的红绿蓝三色色斑的距离恰好与单个彩色光电探测器像素的红绿蓝感光单元在空间上耦合，实现对色差的空间矫正。本发明特别适用于高速弱光探测。

Description

一种提高光子探测效率的方法

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，特别是关于一种适用于高速线阵扫描成像的提高光子探测效率的方法。

背景技术

数字成像器件是获取图像的主流工具，目前的数字成像器件（CCD或CMOS）在有效利用光子方面需要进一步提高，以满足科学研究的需求。特别是在生物显微成像方面，光子探测效率不高会使信噪比大大降低，甚至无法探测到信号。因此，提高数字成像器件的光子探测效率是当前的研究热点，也是数字成像器件的一个发展方向。

传统的彩色数字成像技术包括CFA(Color Filter Array)，单传感器彩色分时分色及三传感器棱镜分光，它们各自都有一定的局限性。其中，CFA方法在图像边缘会引入一定的色彩失真甚至虚假色彩；单传感器彩色分时分色不可避免的限制其在实时视频中的应用；单传感器分区三原色的方法，将造成2/3的光能量被浪费。为了获得三原色高的探测效率，最近发展的三CCD技术通过棱镜将可见光分为RGB三原色，这样每个像素都有RGB三原色的原始信息，没有虚拟色，如图1所示。此项技术虽然克服了上述两个问题，但是其缺点在于成本高，制造难度大，同时棱镜的引入会使探测器的体积变大，图像配准难度较大，不便于集成，从而限制其广泛应用。而且，在图像的获取环节显露的不足，必然导致在图像的生成环节需要通过软件计算作必要的插值模拟补偿，因此影响了图像颜色的表现效果和物像真实性。另外，成像光学系统由于透镜的材料和曲率的原因，会产生色差，形成弥散斑，传统的方法是通过一系列不同材料和不同曲率的透镜组实现消色差，提高系统的分辨率，但是传统消色差的方法光学设计难度大，并且加工制造难度也很大，成本高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种提高光子探测效率的方法，其利用透镜具有色差的特性，使由于色差造成的红绿蓝三色色斑的距离恰好与单个彩色光电探测器的像素的红绿蓝感光单元在空间上耦合，实现对色差的空间矫正，使光子探测效率和分辨率得到显著的提升。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种提高光子探测效率的方法，其包括以下步骤：1）设置一包括有光学成像系统和彩色数字光电探测器的成像探测系统，所述光学成像系统包括一物镜和一聚焦透镜；2）基于彩色摄像机的结构对所述成像探测系统的各个器件的位置进行设置，即将一探测目标放置在所述物镜的焦平面，将所述彩色数字光电探测器放置在所述聚焦透镜的焦平面；3）所述探测目标的散射光或荧光经所述物镜放大，并经所述聚焦透镜聚焦到所述彩色数字光电探测器；4）根据所采用的彩色数字光电探测器的像元间距和像元宽度，对所述物镜和聚焦透镜中各透镜的曲率、材料以及各光学面间距参数进行选择；5）根据步骤4）所选择的所述物镜和聚焦透镜的参数，计算所述光学成像系统的色差；6）相对移动所述光学系统和彩色光电探测器，根据步骤5）所计算的光学成像系统的色差对所述彩色光电探测器的像元位置进行校准，使由于色差造成的红绿蓝三色色斑的距离恰好与单个彩色光电探测器像素的红绿蓝感光单元在空间上耦合，实现对色差的空间矫正。

所述彩色光电探测器采用三线彩色线阵光电探测器。

所述物镜采用显微物镜和望远物镜中的一种。

一种提高光子探测效率的方法，其包括以下步骤：1）设置一光学成像系统，光学成像系统包括一物镜和一聚焦透镜，所述物镜与聚焦透镜中各透镜的曲率、材料以及各光学面间距参数已确定；2）根据设计的光学成像系统中的物镜和聚焦透镜的参数，计算所述光学成像系统的色差；3）根据步骤2）所计算的光学成像系统的色差制作相对应的彩色光电探测器，确定所述彩色光电探测器的像元间距和像元宽度；4）将所述光学成像系统与彩色光电探测器构成一成像探测系统，基于彩色摄像机的结构对所述成像探测系统的各个器件的位置进行设置，即将一探测目标放置在所述物镜的焦平面，将所述彩色数字光电探测器放置在所述聚焦透镜的焦平面；5）根据步骤2）光学成像系统的色差对制作的彩色光电探测器的像元位置进行校准，相对移动光学系统和彩色光电探测器，使由于色差造成的红绿蓝三色色斑的距离恰好与单个彩色光电探测器的像素的红绿蓝感光单元在空间上耦合，实现对色差的空间矫正。

所述物镜采用显微物镜和望远物镜中的一种。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明根据光学成像系统的色差对彩色光电探测器的像元位置进行校准，使由于色差造成的红绿蓝三色色斑的距离恰好与单个彩色光电探测器像素的红绿蓝感光单元在空间上耦合，实现对色差的空间矫正，相对于不进行色差空间矫正的情况，本发明利用透镜具有色差的特性，通过透镜组设计，实现红绿蓝三色色斑的距离刚好与光电探测器的像素红绿蓝像元的之间距离大小相符，光子利用效率得到显著的提升，从而获得高的探测效率和分辨率，而且本发明通过色斑与感光单元的耦合克服了色彩失真，提升了彩色表现力。2、本发明整体结构紧凑，本身功耗很低，与传统的色差校正的透镜组的成本相比，成本有很大降低，因此为此类仪器的应用推广提供了有力的支持。本发明适用于高速线阵扫描成像中，特别适用于高速弱光探测。

附图说明

图1是现有技术中基于棱镜的3CCD彩色线阵摄影机技术结构原理示意图；

图2是本发明三线彩色线阵摄像机的空间校正的原理示意图；

图3是本发明三线彩色线阵光电探测器结构示意图；

图4是本发明光学显微物镜系统的结构图和点列图，图（a）为显微物镜的实体模型示意图，图（b）为显微物镜的二维设计示意图，图（c）为该显微物镜光学系统的焦平面的点阵效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例1：

本发明的提高光子探测效率的方法，包括以下步骤：

1、如图2所示，设置一包括有光学成像系统1和彩色数字光电探测器2的成像探测系统，光学成像系统包括一显微物镜11和一聚焦透镜12。彩色数字光电探测器2可以采用彩色CCD或CMOS，本实施例中的彩色数字光电探测器采用三线彩色线阵光电探测器2，但是不限于此，根据实际使用可以选择面阵光电探测器或其它种类光电探测器。

如图3所示，本实施例所采用的三线彩色线阵光电探测器2为现有的光电探测器件，包括一基底21，基底21上间隔平行排列设置有三行像元，三线彩色线阵光电探测器2转换出的电荷通过对应引脚22引出，三行像元分别为红色像元R、绿色像元G和蓝色像元B，分别对红、绿、蓝三种波长的光敏感，其中，红色像元R与绿色像元G之间的间距为a，绿色像元R与蓝色像元G之间的间距为b，每一行像元的宽度为c。

2、基于三线彩色线阵摄像机的结构对成像探测系统的各个器件的位置进行设置，即将一探测目标3放置在显微物镜11的焦平面，三线彩色线阵光电探测器2放置在聚焦透镜12的焦平面，本实施的显微物镜11还可以根据实际需要选择望远镜物镜等其它光学成像镜头，在此不作限定。

3、探测目标3的散射光或荧光经显微物镜11放大后，并经聚焦透镜12聚焦到三线彩色线阵光电探测器2。

4、根据所采用的三线彩色线阵光电探测器2的像元间距和像元尺寸，对显微物镜11和聚焦透镜12中各透镜的曲率、材料以及各光学面间距参数进行选择，例如：如图4（a）和（b）所示，显微物镜1包括若干透镜111和光阑112，可以根据所采用的三线彩色线阵光电探测器2的像元间距和像元尺寸，对显微物镜11中的各透镜111的曲率、材料、光阑112的大小以及各光学面间距进行选择。

5、根据步骤4所确定的显微物镜11和聚焦透镜12的参数，计算光学成像系统1的色差（色差为各色斑上下分离，不重合）。

本发明以垂轴色差为实施例进行说明，但是不限于此，但是可以根据实际所采用的彩色光电探测器计算其它位置分布的色差，例如品字形位置分布的色差。

如图4所示，本实施例的光学成像系统的各色斑不重合，上下分离严重，存在垂轴色差。如图4(c)所示，根据本实施例显微物镜11和聚焦透镜12的参数计算得到光学成像系统1的垂轴色差，即红色色斑与绿色色斑的平均距离为m，绿色色斑与蓝色色斑的平均距离为n，红、绿、蓝三色斑在竖直方向上的半高全宽的平均值为q。

在色差分析过程中，先预设置各个光学元件的曲率、材料和间距参数，然后通过对显微物镜11和聚焦物镜12各个光学面进行追迹，得到焦平面上的色斑分布，色差分布，调整各透镜相应的曲率、材料和各个光学面间距等参数，得到具有垂轴色差的光学成像系统，即从而得到m、n和q的值，使其与三线彩色线阵光电探测器的三色像元的位置分布对应。

6、相对移动光学成像系统和三线彩色线阵光电探测器2，根据步骤5所计算的光学成像系统的垂轴色差对三线彩色线阵光电探测器的像元位置进行校准，使由于色差造成的红绿蓝三色色斑的距离恰好与单个彩色光电探测器的像素的红绿蓝感光单元在空间上耦合，实现对色差的空间矫正。

相对移动移动光学成像系统和三线彩色线阵光电探测器的位置，使红色像元和绿色像元之间的间距a与红色色斑和绿色色斑之间的间距m相等，绿色像元和蓝色像元之间的间距b与绿色光斑和蓝色光斑之间的距离n相等，同时红、绿、蓝的像元的尺寸c和红、绿、蓝三色色斑的平均半高全宽相等，具体为：a＝m，b＝n，c＝q。

实施例2：

本发明的实施例1是根据已有的三线彩色线阵光电探测器2对光学成像系统中的显微物镜11和聚焦透镜12进行光学设计使其色差造成的红绿蓝三色色斑的距离恰好与单个彩色光电探测器的像素的红绿蓝感光单元在空间上耦合，实现对色差的空间矫正，另外也可以针对所设计的光学成像系统的色差特性制作出与其色差特性相对应的彩色光电探测器，使其色差造成的红绿蓝三色色斑的距离恰好与单个彩色光电探测器的像素的红绿蓝感光单元在空间上耦合，实现对色差的空间矫正，具体过程为：

1、设置一光学成像系统1，光学成像系统包括一显微物镜11和一聚焦透镜12，显微物镜11与聚焦透镜12中各透镜的曲率、材料以及各光学面间距参数已确定；

2、根据设计的光学成像系统1中的显微物镜11和聚焦透镜12的参数，计算光学成像系统1的色差。

3、根据步骤2所计算的光学成像系统1的色差制作相对应的彩色光电探测器2，确定彩色光电探测器2的像元间距和像元宽度。

4、将光学成像系统1与彩色光电探测器2构成一成像探测系统，基于彩色摄像机的结构对所述成像探测系统的各个器件的位置进行设置，即将一探测目标3放置在显微物镜11的焦平面，将彩色数字光电探测器2放置在聚焦透镜11的焦平面；

5、根据步骤2所计算的光学成像系统的色差对制作的彩色光电探测器2的像元位置进行校准，相对移动光学成像系统1和彩色光电探测器2，使由于色差造成的红绿蓝三色色斑的距离恰好与单个彩色光电探测器的像素的红绿蓝感光单元在空间上耦合，实现对色差的空间矫正。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法各步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种提高光子探测效率的方法，其包括以下步骤：

1)设置一包括有光学成像系统和彩色数字光电探测器的成像探测系统，所述光学成像系统包括一物镜和一聚焦透镜；

2)基于彩色摄像机的结构对所述成像探测系统的各个器件的位置进行设置，即将一探测目标放置在所述物镜的焦平面，将所述彩色数字光电探测器放置在所述聚焦透镜的焦平面；

3)所述探测目标的散射光或荧光经所述物镜放大，并经所述聚焦透镜聚焦到所述彩色数字光电探测器；

4)根据所采用的彩色数字光电探测器的像元间距和像元宽度，对所述物镜和聚焦透镜中各透镜的曲率、材料以及各光学面间距参数进行选择；

5)根据步骤4)所选择的所述物镜和聚焦透镜的参数，计算所述光学成像系统的色差；

6)相对移动所述光学成像系统和彩色数字光电探测器，根据步骤5)所计算的光学成像系统的色差对所述彩色数字光电探测器的像元位置进行校准，使由于色差造成的红绿蓝三色色斑的距离恰好与单个彩色数字光电探测器像素的红绿蓝感光单元在空间上耦合，实现对色差的空间矫正。

2.如权利要求1所述的一种提高光子探测效率的方法，其特征在于：所述彩色数字光电探测器采用三线彩色线阵光电探测器。

3.如权利要求1或2所述的一种提高光子探测效率的方法，其特征在于：所述物镜采用显微物镜和望远物镜中的一种。

4.一种提高光子探测效率的方法，其包括以下步骤：

1)设置一光学成像系统，光学成像系统包括一物镜和一聚焦透镜，所述物镜与聚焦透镜中各透镜的曲率、材料以及各光学面间距参数已确定；

2)根据设计的光学成像系统中的物镜和聚焦透镜的参数，计算所述光学成像系统的色差；

3)根据步骤2)所计算的光学成像系统的色差制作相对应的彩色数字光电探测器，确定所述彩色数字光电探测器的像元间距和像元宽度；

4)将所述光学成像系统与彩色数字光电探测器构成一成像探测系统，基于彩色摄像机的结构对所述成像探测系统的各个器件的位置进行设置，即将一探测目标放置在所述物镜的焦平面，将所述彩色数字光电探测器放置在所述聚焦透镜的焦平面；

5)根据步骤2)光学成像系统的色差对制作的彩色数字光电探测器的像元位置进行校准，相对移动光学成像系统和彩色数字光电探测器，使由于色差造成的红绿蓝三色色斑的距离恰好与单个彩色数字光电探测器的像素的红绿蓝感光单元在空间上耦合，实现对色差的空间矫正。

5.如权利要求4所述的一种提高光子探测效率的方法，其特征在于：所述物镜采用显微物镜和望远物镜中的一种。