CN116931245A - 一种红外共聚焦成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外共聚焦成像系统。本发明所述的红外共聚焦成像系统通过单点扫描成像的方式，使用单个探测器即可实现红外成像，相比于传统红外面阵成像，具有成像分辨率高、视场大、成本低等优点。采用反射式光学元件，基于反射式光学元件无色差的特点实现从可见波段到红外波段光束的全覆盖，无需定制红外专用的透射式光学元件，降低了成本和加工难度。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像技术领域，尤其是指一种红外共聚焦成像系统。
背景技术
传统红外成像是使用面阵探测器，通过将面阵探测器放置于显微系统像面处来进行成像。传统的红外面阵成像中使用的红外面阵探测器价格昂贵，且受限于红外材料，探测器分辨率及靶面很难做大，导致传统红外成像分辨率低。专利CN102706846B公开了一种近红外激光扫描共聚焦成像系统，利用透射式光学元件和扫描振镜配合实现了725-820nm范围内的近红外成像。然而当激光波段处于红外波段(3um-20um)内时，由于透镜材料强烈的吸收作用，红外波段的光很难透过普通的透射式光学元件进行传播。由于在红外波段内可使用的透镜材料较少，因此制作成各式的用于红外波段的透镜难度极大，且价格昂贵不易获得。同时，采用透射式光学元件易在整个光学系统中引起色差导致成像效果不佳。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种红外共聚焦成像系统。
一种红外共聚焦成像系统，包括：
红外激光器，所述红外激光器出射红外激光光束；
二维振镜，所述二维振镜通过振动改变所述红外激光光束的方向和位置；
反射镜组，所述反射镜组包括第一凹面反射镜和第二凹面反射镜，用于将由所述二维振镜反射的光汇聚于同一点处；
反射物镜，所述反射物镜将由所述第一反射镜组出射的光聚焦于样品上，并由所述样品反射得到样品光束，所述样品光束沿入射光路反射；
红外分光片，所述红外分光片设置于所述红外激光器与所述二维振镜之间，反射的样品光束经所述红外分光片反射后改变其传输方向；
离轴抛面反射镜，所述离轴抛面反射镜将由所述红外分光片反射的光束聚焦；
红外探测器，所述红外探测器紧靠所述针孔放置，用于将通过针孔的光束进行收集并转换为电信号。
优选的，所述红外激光器的波长范围为4-12μm。
优选的，所述第一凹面反射镜与所述第二凹面反射镜之间的距离为所述第一凹面反射镜与所述第二凹面反射镜的焦距之和。
优选的，所述第一凹面反射镜的焦距f1与所述第二凹面反射镜的焦距f2的比值关系由所述红外激光光束直径D1以及所述反射物镜入瞳直径D2确定，满足：D2＝D1×f2/f1。
优选的，所述反射镜组还包括至少一个平面反射镜，所述平面反射镜设置于所述第一凹面反射镜与所述第二凹面反射镜之间。
优选的，入射至所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的入射光束与所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的中心法线的夹角为0-15°。
优选的，入射至所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的入射光束与所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的中心法线的夹角为5°。
优选的，所述红外共聚焦成像系统还包括针孔，所述针孔与所述样品表面共轭，用于滤除样品平面外的光束。
优选的，所述针孔的直径d由所述红外激光器输出波长λ、所述红外激光光束直径D1、所述离轴抛物面反射镜焦距f3确定，其数学关系满足d≤2.44×λ×f3/D1。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1、本发明所述的红外共聚焦成像系统通过单点扫描成像的方式，使用单个探测器即可实现红外成像，相比于传统红外面阵成像，具有成像分辨率高、视场大、成本低等优点。
2、本发明所述的红外共聚焦成像系统采用反射式光学元件，基于反射式光学元件无色差的特点实现从可见波段到红外波段光束的全覆盖，无需定制红外专用的透射式光学元件，降低了成本和加工难度。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明红外共聚焦成像系统示意图。
图2是本发明光线与凹面反射镜中心法线的夹角为5°时的仿真光路图。
图3是仿真图2所示光路在扫描情况下进物镜入瞳处的光斑分布。
图4是本发明光线与凹面反射镜中心法线的夹角为20°时的仿真光路图。
图5是仿真图4所示光路在扫描情况下进物镜入瞳处的光斑分布。
说明书附图标记说明：1、红外激光器；2、二维振镜；3、反射镜组；301、第一凹面反射镜；302、第二凹面反射镜；303、平面反射镜；4、反射物镜；5、红外分光片；6、离轴抛面反射镜；7、针孔；8、红外探测器；9、样品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明提供一种红外共聚焦成像系统，包括：
红外激光器1，所述红外激光器1出射红外激光光束；
二维振镜2，所述二维振镜2通过振动改变所述红外激光光束的方向和位置；
反射镜组3，所述反射镜组3包括第一凹面反射镜301和第二凹面反射镜302，用于将由所述二维振镜2反射的光汇聚于同一点处，所述第一凹面反射镜301与所述第二凹面反射镜302之间的距离为所述第一凹面反射镜301与所述第二凹面反射镜302的焦距之和；
反射物镜4，所述反射物镜4将由所述第一反射镜组3出射的光聚焦于样品9上，并由所述样品9反射得到样品9光束，所述样品9光束沿入射光路反射；
红外分光片5，所述红外分光片5设置于所述红外激光器1与所述二维振镜2之间，反射的样品9光束经所述红外分光片5反射后改变其传输方向；
离轴抛面反射镜6，所述离轴抛面反射镜6将由所述红外分光片5反射的光束聚焦；
针孔7，所述针孔7与所述样品9表面共轭，用于滤除样品9平面外的光束，提高图像信噪比；
红外探测器8，所述红外探测器8紧靠所述针孔7放置，用于将通过针孔7的光束进行收集并转换为电信号。
在一个具体的实施例中，所述二维振镜2由两个轴组成，分别为快轴和慢轴，作用是将光束进行二维的角度偏摆，起到二维扫描的作用。
在一个可选的实施例中，所述红外激光器1的波长范围为4-12μm。
在一个具体的实施例中，所述第一凹面反射镜301的焦距f1与所述第二凹面反射镜302的焦距f2的比值关系由所述红外激光光束直径D1以及所述反射物镜4入瞳直径D2确定，满足：D2＝D1×f2/f1。具体地，所述反射物镜4入瞳直径D2＝5mm，光束直径D1＝2.5mm，第一凹面反射镜301的焦距f1＝150mm，第二凹面反射镜302的焦距f2＝300mm。
在一个具体的实施例中，所述针孔7的直径d由所述红外激光器1输出波长λ、所述红外激光光束直径D1、所述离轴抛物面反射镜焦距f3确定，其数学关系满足d≤2.44×λ×f3/D1。具体地，离轴抛物面反射镜焦距f3＝25.4mm，以所述红外激光器1输出波长为4μm为例，针孔7直径满足d≤99.16μm。
在一个优选的实施例中，所述反射镜组3还包括至少一个平面反射镜303，所述平面反射镜303设置于所述第一凹面反射镜301与所述第二凹面反射镜302之间，用于进行多次反射折叠光路缩小系统空间。
本发明的红外共聚焦成像系统基于反射式光学元件实现，但为避免入射至反射式光学元件的入射光和经反射式光学元件反射的反射光进行干涉，其元件本身应该避让光路，即入射至反射式光学元件的入射光束需要以一定的入射角入射。本发明的红外共聚焦成像系统中入射至所述第一凹面反射镜301和第二凹面反射镜302的入射光束与所述第一凹面反射镜301和第二凹面反射镜302的中心法线的夹角为0-15°，优选的，所述夹角为5°；如此设置一方面可降低由入射角引起的像差，另一方面能满足整体激光扫描成像性能。
本发明的红外共聚焦成像系统的具体实施过程如下：
所述红外激光器1发出的红外激光光束透过所述红外分光片5后入射至所述二维振镜2，经过二维振镜2的光束再依次经所述第一凹面反射镜301、所述平面反射镜303、和所述第二凹面反射镜302反射进入所述反射物镜4，通过所述反射物镜4聚焦在样品9上，并由所述样品9反射得到样品9光束；所述样品9光束依次经过所述反射物镜4、所述第二凹面反射镜302、所述平面反射镜303和所述第一凹面反射镜301反射后回到所述二维振镜2，经由所述二维振镜2反射后与入射至所述二维振镜2的光束完全重合回到所述红外分光片5；光束由所述红外分光片5反射，经过所述离轴抛物面反射镜，聚焦到针孔7处。所述红外探测器8紧贴所述针孔7放置，将通过所述针孔7的光束进行收集并转换为电信号，随着二维振镜2的扫描，依次对样品9面进行二维扫描成像，至此，红外共聚焦成像完成。
为了验证本发明中设置光线与凹面反射镜中心法线的夹角为0-15°所具备的效果，选取角度为5°和20°进行了仿真对比，对比光路以及结果如图2-5所示，仿真时所述第一凹面反射镜301的焦距f1＝150mm，所述第二凹面反射镜302的焦距f2＝300mm，所述第一凹面反射镜301与所述第二凹面反射镜302之间放置有一个平面反射镜303对光路进行一次折叠。其中，如图2所示，为光线与凹面反射镜中心法线的夹角为5°时的仿真光路，图3是仿真图2所示光路在扫描情况下，进物镜入瞳处的光斑分布。图4所示是光线与凹面反射镜中心法线夹角为20°时的仿真光路，图5是仿真图4所示光路在扫描情况下，进物镜入瞳处的光斑分布。由仿真的对比分析可以看出，在本发明所限定的光线与凹面反射镜中心法线的夹角范围内，进如物镜入瞳的光斑较圆，且各扫描视场较重叠，扫描效果较好；而不在本发明角度范围内的，可以由仿真结果看出，物镜入瞳处的光斑变为椭圆，引入了离轴像差。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种红外共聚焦成像系统，其特征在于，包括：
红外激光器，所述红外激光器出射红外激光光束；
二维振镜，所述二维振镜通过振动改变所述红外激光光束的方向和位置；
反射镜组，所述反射镜组包括第一凹面反射镜和第二凹面反射镜，用于将由所述二维振镜反射的光汇聚于同一点处；
反射物镜，所述反射物镜将由所述第一反射镜组出射的光聚焦于样品上，并由所述样品反射得到样品光束，所述样品光束沿入射光路反射；
红外分光片，所述红外分光片设置于所述红外激光器与所述二维振镜之间，反射的样品光束经所述红外分光片反射后改变其传输方向；
离轴抛面反射镜，所述离轴抛面反射镜将由所述红外分光片反射的光束聚焦；
红外探测器，所述红外探测器紧靠所述针孔放置，用于将通过针孔的光束进行收集并转换为电信号。
2.根据权利要求1所述的红外共聚焦成像系统，其特征在于，所述红外激光器的波长范围为4-12μm。
3.根据权利要求1所述的红外共聚焦成像系统，其特征在于，所述第一凹面反射镜与所述第二凹面反射镜之间的距离为所述第一凹面反射镜与所述第二凹面反射镜的焦距之和。
4.根据权利要求1所述的红外共聚焦成像系统，其特征在于，所述第一凹面反射镜的焦距f1与所述第二凹面反射镜的焦距f2的比值关系由所述红外激光光束直径D1以及所述反射物镜入瞳直径D2确定，满足：D2＝D1×f2/f1。
5.根据权利要求1所述的红外共聚焦成像系统，其特征在于，所述反射镜组还包括至少一个平面反射镜，所述平面反射镜设置于所述第一凹面反射镜与所述第二凹面反射镜之间。
6.根据权利要求1所述的红外共聚焦成像系统，其特征在于，入射至所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的入射光束与所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的中心法线的夹角为0-15°。
7.根据权利要求6所述的红外共聚焦成像系统，其特征在于，入射至所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的入射光束与所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的中心法线的夹角为5°。
8.根据权利要求1所述的红外共聚焦成像系统，其特征在于，所述红外共聚焦成像系统还包括针孔，所述针孔与所述样品表面共轭，用于滤除样品平面外的光束。
9.根据权利要求1所述的红外共聚焦成像系统，其特征在于，所述针孔的直径d由所述红外激光器输出波长λ、所述红外激光光束直径D1、所述离轴抛物面反射镜焦距f3确定，其数学关系满足d≤2.44×λ×f3/D1。
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