CN117420670A - 红外共聚焦成像系统 - Google Patents

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CN117420670A CN202311743614.4A CN202311743614A CN117420670A CN 117420670 A CN117420670 A CN 117420670A CN 202311743614 A CN202311743614 A CN 202311743614A CN 117420670 A CN117420670 A CN 117420670A
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张超
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Weipeng Suzhou Medical Devices Co ltd
Zhendian Suzhou Medical Technology Co ltd
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Weipeng Suzhou Medical Devices Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种红外共聚焦成像系统。本发明的红外共聚焦成像系统使用阵列探测器用于扫描成像解决了提升分辨率的技术问题，本发明甚至可实现超过衍射极限的超分辨。本发明的红外共聚焦成像系统还可采用透射通过样品的光进行成像，这解决了提高成像的信号强度的技术问题。本发明的红外共聚焦成像系统可广泛用于多种利用红外光的共聚焦成像的应用。

Description

红外共聚焦成像系统
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。
对于上述问题，已经开发出了使用单点探测器进行成像的方案，例如利用透射式光学元件和扫描振镜配合实现成像的红外激光扫描共聚焦成像系统。然而当激光波段处于红外波段（3 μm-20 μm）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。
在以上现有技术的基础上，仍期望获得价格适中、减少色差、同时还能实现提高的分辨率和信噪比，甚至提高的信号强度（即在如上方面改进成像质量）的红外共聚焦成像系统。
发明内容
为了满足上述期望，本发明提供了一种红外共聚焦成像系统。
所述红外共聚焦成像系统，包括：
用于发射红外光束的光源，所述红外光束入射到样品产生成像光束，所述红外光束的波长为1微米至20微米，
用于探测成像光束的阵列探测器，其包括由m×n个探测单元排列组成的光学探测器，其中m和n相同或不同且独立地选自2、3、4、5和最高达100的整数，该光学探测器具有尺寸为Lm和Ln的探测平面，其中Lm对应于m个探测单元形成的边长，Ln对应于n个探测单元形成的边长，
光学器件组，设置为将红外光束引导并且聚焦到样品，并且将来自样品的成像光束聚焦并且引导至阵列探测器，
针孔，设置为与样品表面光学共轭且仅使聚焦光束通过，并且通过针孔的成像光束在阵列探测器上形成的像的尺寸大于单个探测单元的尺寸；以及
控制系统，设置为控制红外共聚焦成像系统的成像过程。
在一个实施方式中，所述阵列探测器包括移动机构，其使得阵列探测器的探测平面能够在小于Lm和Ln的尺度上在所述探测平面内进行平移。
在一个实施方式中，所述红外光束的波长为4微米至12微米。
在一个实施方式中，除了任选的靠近光源的红外分光片之外，所述光学器件组的光学器件以反射方式引导和聚焦红外光束和成像光束。
在一个实施方式中，光学器件组设置为使得成像光束是红外光束照射到样品上时由样品反射的光束，光学器件组包含靠近光源的红外分光片，所述红外分光片设置为允许来自光源的红外光束透射并且允许来自样品的成像光束反射。
在一个具体的实施方式中，所述光学器件组包含：
作为光源的红外激光器，所述红外光束为红外激光束，
第一扫描振镜，设置为改变所述红外光束的方向以实现在样品上的扫描；
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第一扫描振镜之间；
第一反射镜组，设置为反射来自第一扫描振镜的红外光束；
第一反射物镜，设置为将来自所述第一反射镜组的红外光束聚焦于样品上以产生成像光束，并将成像光束沿入射光路反射；
第二反射镜组，设置为将由所述红外分光片反射的成像光束聚焦并且通过针孔；和
第三反射镜组，设置为将通过针孔的成像光束反射至阵列探测器。
在上述具体的实施方式中，第一反射镜组包括第一凹面反射镜和第二凹面反射镜，和设置于所述第一凹面反射镜与所述第二凹面反射镜之间的第一平面反射镜组，所述第一平面反射镜组包含一个、两个或更多个平面反射镜。
在上述具体的实施方式中，第一平面反射镜组包含第一平面反射镜和第二平面反射镜，并且设置为使得红外光束依次通过第一凹面反射镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜和第二凹面反射镜。
在上述具体的实施方式中，第二反射镜组包含离轴抛面反射镜或凹面反射镜。
在上述具体的实施方式中，第三反射镜组包含至少两个凹面反射镜，使得通过针孔的成像光束经所述至少两个凹面反射镜反射后入射至阵列探测器。
在上述具体的实施方式中，红外光束在所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的入射角为0-15°。
在上述具体的实施方式中，红外光束在所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的入射角为5°。
在上述具体的实施方式中，所述针孔的直径d由所述红外激光器发射的红外光束的波长λ、所述红外光束尺寸D 1、所述第二反射镜组的焦距f 0确定，其数学关系满足d≤2.44×λ×f 0/D 1。
在另一个具体的实施方式中，成像光束是红外光束照射到样品上时由样品透射的光束，并且光学器件组不包含红外分光片。
在上述另一个具体的实施方式中，所述光学器件组包含：
如前文所定义的红外激光器、第一扫描振镜、第一反射镜组、和第一反射物镜，其中入射到第一反射物镜的由样品反射的光束不作为成像光束；
第二反射物镜，设置为将由样品透射产生的成像光束收集；
第二扫描振镜，设置为与第一扫描振镜同步协同扫描；
第四反射镜组，设置在第二反射物镜和第二扫描振镜之间并且设置为将来自第二反射物镜的成像光束反射至第二扫描振镜；
第五反射镜组，设置为将来自第二扫描振镜的成像光束聚焦并且通过针孔；
第六反射镜组，设置为将通过针孔的成像光束反射至阵列探测器。
在上述另一个具体的实施方式中，第四反射镜组包括第三凹面反射镜和第四凹面反射镜，和设置于所述第三凹面反射镜与所述第四凹面反射镜之间的第二平面反射镜组，所述第二平面反射镜组包含一个、两个或更多个平面反射镜。
在上述另一个具体的实施方式中，第五反射镜组包含凹面反射镜。
在上述另一个具体的实施方式中，第六反射镜组包含至少两个凹面反射镜，使得通过针孔的成像光束经所述至少两个凹面反射镜反射后入射至阵列探测器。
在上述另一个具体的实施方式中，控制系统设置为使得第一扫描振镜和第二扫描振镜的扫描角度关系为
其中第一扫描振镜的偏转角为(θ x1 ，θ y1 )，第二扫描振镜的偏转角为(θ x2 ，θ y2 )，第一反射物镜的焦距为f obj1 ，第二反射物镜的焦距为f obj2 ，第一凹面反射镜的焦距为f 1 ，第二凹面反射镜的焦距为f 2 ，第三凹面反射镜的焦距为f 3 ，第四凹面反射镜的焦距为f 4 。
在上述另一个具体的实施方式中，所述针孔的直径d由所述红外激光器反射的红外光束的波长λ、所述红外光束尺寸D’ 1、所述第五反射镜组的凹面反射镜的焦距f’ 0确定，其数学关系满足d≤2.44×λ×f’ 0/D’ 1。
在一个优选的实施方式中，第三反射镜组或第六反射镜组由两个凹面反射镜组成，并且单个探测单元的形状和尺寸满足以下关系，单个探测单元为矩形，边长x＞边长y，针孔的直径为d，第三反射镜组或第六反射镜组中接收通过针孔的光束的凹面反射镜的焦距为f i，第三反射镜组或第六反射镜组中另一个凹面反射镜的焦距为f ii，则y≥d×（f ii/f i）。
本发明的红外共聚焦成像系统相对于现有技术具有以下优点：
1. 本发明的阵列探测器可以改进的分辨率成像，实现超分辨率；
2. 本发明的阵列探测器配合使用移动机构可提升信噪比以及图像X-Y方向分辨率的均一性；
3. 本发明利用透射通过样品的光成像还可提升成像的信号强度。
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是本发明阵列探测器的示意图。
图2是本发明阵列探测器实现分辨率提升的在频率域的示意图。
图3是本发明平移阵列探测器的示意图。
图4是本发明第一实施方式的红外共聚焦成像系统示意图。
图5是本发明第二实施方式的红外共聚焦成像系统示意图。
图6是本发明第三实施方式的红外共聚焦成像系统示意图。
图7是本发明使用波长5 μm的红外光束时实现的分辨率提升。
图8是本发明使用波长10 μm的红外光束时实现的分辨率提升。
说明书附图标记说明：
1、红外激光器；
2、第一扫描振镜；
3、第一反射镜组；
301、第一反射镜组3的第一凹面反射镜；
302、第一反射镜组3的第二凹面反射镜；
303、第一反射镜组3的平面反射镜；
4、第一反射物镜；
5、红外分光片；
6、第二反射镜组；
601、第二反射镜组6的离轴抛面反射镜；
602、第二反射镜组6的凹面反射镜；
7、针孔；
8、第三反射镜组；
801、第三反射镜组8的凹面反射镜；
802、第三反射镜组8的凹面反射镜；
9、阵列探测器；
10、第二反射物镜；
11、第二扫描振镜；
12、第四反射镜组；
1201、第四反射镜组12的第三凹面反射镜；
1202、第四反射镜组12的第四凹面反射镜；
1203、第四反射镜组12的平面反射镜；
13、第五反射镜组；
1301、第五反射镜组13的凹面反射镜；
14、第六反射镜组；
1401、第六反射镜组14的凹面反射镜；
1402、第六反射镜组14的凹面反射镜；
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。
本发明利用阵列探测器实现了改进的成像分辨率。如图1所示，本发明用于探测成像光束的阵列探测器包括由m×n个探测单元排列组成的光学探测器，其中m和n相同或不同且独立地选自2、3、4、5和最高达100的整数，该光学探测器具有尺寸为Lm和Ln的探测平面，其中Lm对应于m个探测单元形成的边长，Ln对应于n个探测单元形成的边长。
阵列探测器中的每一个探测单元都具有独立探测能力，并且尺寸小于成像光束在阵列探测器上形成的像的尺寸。图1中所示的探测单元的形状并不是限制性的，探测单元不限于正方形或矩形形状，并且这意味着多个探测单元的排列方式也可随着形状而变化。用于探测红外光的单元探测器可市售获得并且根据具体需要选择个数进行组合以实现期望的效果。例如，可采用2×2或3×3或4×4或5×5的正方形排列方式。
下面参照图2说明本发明利用阵列探测器实现改进的分辨率的方式。入射光入射到样品表面后产生成像光束，成像光束具有两个分量，负责光波的空间传播的分量k∥=k·cos（θ）（平行于光轴），以及携带样品的空间频率信息的分量k⊥=k·sin（θ）（垂直于光轴），其中k=1/λ，为光的波矢。与光轴的倾角越大，即θ越大，携带的空间频率越大。因此，成像系统都可视为低通滤波器，因为大倾角的高频分量通常会被小孔或透镜过滤掉而无法到达探测器，这导致在频率域中探测器只能识别有限范围的频率信息。这可由图2a所体现，k0代表成像空间频率域的范围（由圆圈所限定的范围表示）。这种情况可视为采用单一的探测单元的情况下所获得的成像空间频率。由于θ越大，所携带的样品的空间频率信息越多，这意味着图2a中越远离圆心部分，频率越高，即外围部分的信息更有利于获得良好的分辨率。
在使用单一探测单元的情况中，靠近圆心和远离圆心部分的频率信号平均成一个成像信号。
在使用阵列探测器的情况中，如图2b中采用了2×2的阵列探测器，远离圆心部分的高频率信号部分不会和靠近圆心部分的部分的信号进行平均，而是通过多个单一探测单元分别得出多个信号，利用多个信号再进行成像则可“区分”出原来被平均的高频信息，提高分辨率。此时，阵列探测器中的每一个探测单元都可视为从一个特定角度观察样品从而获得样品的成像信息。从多个角度观察使得可获得更丰富的样品信息，即获得更高的分辨率。
上述分辨率的提高可从图2b中看出。由k1所示的空间频率范围明显比k0更大，即圆圈的范围更大。因此，采用本发明的阵列探测器可允许提高分辨率，这对于红外共聚焦成像而言是非常有利的。
图2c和图3示出了本发明在图2b基础上进一步优选的方案，其中阵列探测器包括移动机构，其使得阵列探测器的探测平面能够在小于Lm和Ln的尺度上在所述探测平面内进行平移。图3更详细地且示意性地体现出利用移动机构的方式，将n×n的边长为L的正方形阵列探测器以小于一个探测单元尺寸的距离平移L/p距离时，可等效实现更多个探测单元构成的阵列探测器实现的成像效果，即等效于n×p×n×p个单元（例如p可等于2）。在平移后对原样品进行成像可进一步改进成像质量，因为此时从更多的角度获得了样品的成像信息。
成像效果的改进可从图2c中看出。由k2所示的空间频率范围中的取样点（即小的圆圈数）比k1更多，如此，采用本发明的带有移动机构的阵列探测器可允许提高图像X-Y方向分辨率的均一性以及提高信噪比。
参考图4至图6来说明本发明红外共聚焦成像系统的工作过程，并且说明本发明利用阵列探测器实现的改进的分辨率。
如图4所示，本发明的红外共聚焦成像系统包括：
红外激光器1，其发射波长为1微米至20微米，优选4微米至12微米的红外激光束；
用于探测成像光束的阵列探测器9，其包括由N×N（即此时m = n）个探测单元排列组成的光学探测器；本发明中，m和n相同或不同且独立地选自2、3、4、5和最高达100的整数，该光学探测器具有尺寸为Ln×Ln的探测平面，其中Ln对应于n个探测单元形成的边长；
光学器件组，其包括：
- 第一扫描振镜2，第一扫描振镜2能够改变所述红外光束的方向以实现在样品上的扫描；
- 第一反射镜组3，其包含第一凹面反射镜301和第二凹面反射镜302，和设置于所述第一凹面反射镜与所述第二凹面反射镜之间的包括两个平面反射镜303的第一平面反射镜组；
- 第一反射物镜4，其将来自所述第一反射镜组的红外光束聚焦于样品上以产生成像光束，并将成像光束沿入射光路反射；
- 红外分光片5，其允许来自红外激光器的红外光束透射并且允许来自样品（此时来自第一反射物镜4）的成像光束反射；
- 第二反射镜组6，其包含离轴抛面反射镜601，所述离轴抛面反射镜601接受来自红外分光片5的反射光；
- 针孔7，其与样品表面光学共轭且仅使聚焦光束通过，并且通过针孔的成像光束在阵列探测器上形成的像的尺寸大于单个探测单元的尺寸；
- 第三反射镜组8，其包含两个凹面反射镜801和802，所述凹面反射镜801和802通过反射将来自针孔7的光束反射至阵列探测器9。
在一个实施方式中，红外光束在所述第一凹面反射镜301和第二凹面反射镜302的入射角为0-15°，优选为5°。
在一个实施方式中，针孔7的直径d由所述红外激光器1发射的红外光束的波长λ、所述红外光束尺寸D 1、所述第二反射镜组（在此为离轴抛物面反射镜601，或凹面反射镜602，即图5中的实施方式）的焦距f 0确定，其数学关系满足d≤2.44×λ×f 0/D 1。在此实施方式中，所述红外光束尺寸D 1可视为来自红外分光片5的光束的尺寸且D 1=2.5mm，由图中箭头A所示。具体地，离轴抛物面反射镜601的焦距f 0=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。
在一个具体的实施方式中，所述第一凹面反射镜301的焦距f 301与所述第二凹面反射镜302的焦距f 302的比值关系由所述红外激光光束直径D 1以及所述第一反射物镜4入瞳直径D 2确定，满足：D 2=D 1×f 302/f 301。具体地，所述第一反射物镜4入瞳直径D 2=5mm，光束直径D 1=2.5mm，第一凹面反射镜301的焦距f 301=150mm，第二凹面反射镜302的焦距f 302=300mm。
图5中所示的实施方式是图4中所示的实施方式的变体，区别在于将第二反射镜组6的离轴抛面反射镜601替换为凹面反射镜602。
在使用图4和图5红外共聚焦成像系统时，工作过程如下。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后入射至所述第一扫描振镜2，经过第一扫描振镜2的光束再依次经所述第一凹面反射镜301、两个平面反射镜303、和所述第二凹面反射镜302反射进入所述第一反射物镜4，通过所述第一反射物镜4被聚焦并照射在样品上，并由所述样品反射得到成像光束；所述成像光束依次经过所述第一反射物镜4、所述第二凹面反射镜302、两个平面反射镜303和所述第一凹面反射镜301反射后回到所述第一扫描振镜2，经由所述第一扫描振镜2反射后与入射至所述第一扫描振镜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601，聚焦且通过针孔7。通过针孔7的光束入射至第三反射镜组8，在两个凹面反射镜801和802之间反射后，来自针孔7的光束反射至阵列探测器9，阵列探测器9将通过所述针孔7的光束进行收集并转换为电信号，随着第一扫描振镜2的扫描，依次对样品面进行二维扫描成像，至此，红外共聚焦成像完成。
如上文解释过地，可保持第一扫面振镜2的扫描位置不变，利用阵列探测器9所配置的移动机构（图中未示出）平移阵列探测器9的探测平面，从而提高信噪比并且提高图像X-Y方向分辨率的均一性。
另外，图4和图5的实施方式可减少色差，甚至几乎没有色差，因为光学器件组除了红外分光片之外均使用反射型光学器件，减少了透镜带来的色差问题。
图6中是本发明另一种实施方式的红外共聚焦成像系统，其包括：
如上文中所定义的红外激光器1、第一扫描振镜2、第一反射镜组3、和第一反射物镜4、针孔7和阵列探测器9，其中不同之处在于第一反射镜组3中的平面反射镜303仅有一个；
第二反射物镜10，其将由样品透射产生的成像光束聚焦收集；
第二扫描振镜11，其与第一扫描振镜2同步协同扫描；
第四反射镜组12，其位于第二反射物镜10和第二扫描振镜11之间并且将来自第二反射物镜10的成像光束反射至第二扫描振镜11，第四反射镜组12包含第三凹面反射镜1201和第四凹面反射镜1202，以及平面反射镜1203；
第五反射镜组13，其包含凹面反射镜1301，凹面反射镜1301将来自第二扫描振镜11的成像光束聚焦并且通过针孔7；
第六反射镜组14，其包含凹面反射镜1401和1402，凹面反射镜1401和1402通过反射将通过针孔7的成像光束反射至阵列探测器9；
上述红外共聚焦成像系统中并不存在红外分光片。
在该实施方式中，红外共聚焦成像系统中的控制系统设置为使得第一扫描振镜2和第二扫描振镜11的扫描角度关系为
其中第一扫描振镜2的偏转角为(θ x1 ，θ y1 )，第二扫描振镜11的偏转角为(θ x2 ，θ y2 )，第一反射物镜2的焦距为f obj1 ，第二反射物镜11的焦距为f obj2 ，第一凹面反射镜301的焦距为f 1 ，第二凹面反射镜302的焦距为f 2 ，第三凹面反射镜1201的焦距为f 3 ，第四凹面反射镜1202的焦距为f 4 ，这种角度关系有利于实现第一扫描振镜2和第二扫描振镜11的同步（协同）扫描。
针孔7的直径d由所述红外激光器1发射的红外光束的波长λ、所述红外光束尺寸D’ 1、所述第五反射镜组13的凹面反射镜1301的焦距f’ 0确定，其数学关系满足d≤2.44×λ×f’ 0/D’ 1。在此实施方式中，所述红外光束尺寸D 1可视为来自第二扫描振镜11的光束的尺寸，由图中箭头A所示。
在使用图6红外共聚焦成像系统时，工作过程如下。所述红外激光器1发出的红外激光光束入射至所述第一扫描振镜2，经过第一扫描振镜2的光束再依次经所述第一凹面反射镜301、一个平面反射镜303、和所述第二凹面反射镜302反射进入所述第一反射物镜4，通过所述第一反射物镜4被聚焦并照射在样品上，并由样品透射得到成像光束；所述成像光束经过所述第二反射物镜10收集后入射到第四反射镜组12中，经过第三凹面反射镜1201、一个平面反射镜1203和第四凹面反射镜1202反射后入射到所述第二扫描振镜11，经由所述第二扫描振镜11反射后入射至所述第五反射镜组13的凹面反射镜1301；光束由所述凹面反射镜1301反射且通过针孔7。通过针孔7的光束入射到第六反射镜组14，通过凹面反射镜1401和1402反射后进入所述阵列探测器9。所述阵列探测器9将通过所述针孔7的光束进行收集并转换为电信号，随着第一扫描振镜2和第二扫面振镜11的协同扫描，依次对样品面进行二维扫描成像，至此，红外共聚焦成像完成。
如上文解释过地，可保持第一扫面振镜2和第二扫面振镜11的扫描位置不变，利用阵列探测器9所配置的移动机构（图中未示出）平移阵列探测器9的探测平面，从而提高信噪比并且提高图像X-Y方向分辨率的均一性。
现已发现，在本发明的红外共聚焦成像系统中，采用经样品透射产生的光束进行成像，所得信号强度相比较于经样品反射产生的光束进行成像的情况是更高的。因此，图6所对应的实施方式可在实现图4和图5实施方式的优点的基础上，进一步提高了信号的强度。
在图4至6的实施方式中，通过使用阵列探测器均可实现分辨率的提升。
在使用波长5 μm的红外激光时，在使用单点式探测器和阵列式探测器的分辨率对比示于图7中。本发明的超分辨共聚焦分辨率可达到传统成像分辨率的21/2倍。传统显微成像分辨率极限为0.61×λ/NA，λ为波长，NA为物镜的数值孔径。当物镜NA=0.5且λ为5 μm时，传统成像分辨率为约6.1 μm，而本发明成像系统的分辨率可达4.3 μm。
当使用的波长为10 μm的红外激光时，本发明的分辨率可达约8.6 μm，而传统显微成像分辨率为12.2 μm，这在图8中所体现。
在图4至图6的实施方式的一个优选的方案中，单个探测单元的形状和尺寸满足以下关系，单个探测单元为矩形，边长x＞边长y，针孔7的直径为d，凹面反射镜801（或凹面反射镜1401）的焦距为f i，凹面反射镜802（或凹面反射镜1402）的焦距为f ii，则y≥d×（f ii/f i）。这样的设置对于实现本发明的成像质量改进/分辨率提升是有利的。
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 (21)

1.一种红外共聚焦成像系统，包括：
用于发射红外光束的光源，所述红外光束入射到样品产生成像光束，所述红外光束的波长为1微米至20微米，
用于探测成像光束的阵列探测器，其包括由m×n个探测单元排列组成的光学探测器，其中m和n相同或不同且独立地选自2、3、4、5和最高达100的整数，该光学探测器具有尺寸为Lm和Ln的探测平面，其中Lm对应于m个探测单元形成的边长，Ln对应于n个探测单元形成的边长，
光学器件组，设置为将红外光束引导并且聚焦到样品，并且将来自样品的成像光束聚焦并且引导至阵列探测器，
针孔，设置为与样品表面光学共轭且仅使聚焦光束通过，并且通过针孔的成像光束在阵列探测器上形成的像的尺寸大于单个探测单元的尺寸；以及
控制系统，设置为控制红外共聚焦成像系统的成像过程。
2.如权利要求1所述的共聚焦成像系统，其中所述阵列探测器包括移动机构，其使得阵列探测器的探测平面能够在小于Lm和Ln的尺度上在所述探测平面内进行平移。
3.如权利要求1所述的共聚焦成像系统，其中所述红外光束的波长为4微米至12微米。
4.如权利要求1所述的共聚焦成像系统，其中除了任选的靠近光源的红外分光片之外，所述光学器件组的光学器件以反射方式引导和聚焦红外光束和成像光束。
5.如权利要求4所述的共聚焦成像系统，其中光学器件组设置为使得成像光束是红外光束照射到样品上时由样品反射的光束，光学器件组包含靠近光源的红外分光片，所述红外分光片设置为允许来自光源的红外光束透射并且允许来自样品的成像光束反射。
6.如权利要求5所述的共聚焦成像系统，其中所述光学器件组包含：
作为光源的红外激光器，所述红外光束为红外激光束，
第一扫描振镜，设置为改变所述红外光束的方向以实现在样品上的扫描；
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第一扫描振镜之间；
第一反射镜组，设置为反射来自第一扫描振镜的红外光束；
第一反射物镜，设置为将来自所述第一反射镜组的红外光束聚焦于样品上以产生成像光束，并将成像光束沿入射光路反射；
第二反射镜组，设置为将由所述红外分光片反射的成像光束聚焦并且通过针孔；和
第三反射镜组，设置为将通过针孔的成像光束反射至阵列探测器。
7.如权利要求6所述的共聚焦成像系统，其中第一反射镜组包括第一凹面反射镜和第二凹面反射镜，和设置于所述第一凹面反射镜与所述第二凹面反射镜之间的第一平面反射镜组，所述第一平面反射镜组包含一个、两个或更多个平面反射镜。
8.如权利要求7所述的共聚焦成像系统，其中第一平面反射镜组包含第一平面反射镜和第二平面反射镜，并且设置为使得红外光束依次通过第一凹面反射镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜和第二凹面反射镜。
9.如权利要求6所述的共聚焦成像系统，其中第二反射镜组包含离轴抛面反射镜或凹面反射镜。
10.如权利要求6所述的共聚焦成像系统，其中第三反射镜组包含至少两个凹面反射镜，使得通过针孔的成像光束经所述至少两个凹面反射镜反射后入射至阵列探测器。
11.如权利要求7所述的共聚焦成像系统，其中红外光束在所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的入射角为0-15°。
12.如权利要求11所述的红外共聚焦成像系统，其中红外光束在所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的入射角为5°。
13.如权利要求9所述的红外共聚焦成像系统，其中所述针孔的直径d由所述红外激光器发射的红外光束的波长λ、所述红外光束尺寸D 1、所述第二反射镜组的焦距f 0确定，其数学关系满足d≤2.44×λ×f 0/D 1。
14.如权利要求4所述的共聚焦成像系统，其中成像光束是红外光束照射到样品上时由样品透射的光束，并且光学器件组不包含红外分光片。
15.如权利要求14所述的共聚焦成像系统，其中所述光学器件组包含：
如权利要求6至13中任一项所定义的红外激光器、第一扫描振镜、第一反射镜组、和第一反射物镜，其中入射到第一反射物镜的由样品反射的光束不作为成像光束；
第二反射物镜，设置为将由样品透射产生的成像光束收集；
第二扫描振镜，设置为与第一扫描振镜同步协同扫描；
第四反射镜组，设置在第二反射物镜和第二扫描振镜之间并且设置为将来自第二反射物镜的成像光束反射至第二扫描振镜；
第五反射镜组，设置为将来自第二扫描振镜的成像光束聚焦并且通过针孔；
第六反射镜组，设置为将通过针孔的成像光束反射至阵列探测器。
16.如权利要求15所述的共聚焦成像系统，其中第四反射镜组包括第三凹面反射镜和第四凹面反射镜，和设置于所述第三凹面反射镜与所述第四凹面反射镜之间的第二平面反射镜组，所述第二平面反射镜组包含一个、两个或更多个平面反射镜。
17.如权利要求15所述的共聚焦成像系统，其中第五反射镜组包含凹面反射镜。
18. 如权利要求15所述的共聚焦成像系统，其中第六反射镜组包含至少两个凹面反射镜，使得通过针孔的成像光束经所述至少两个凹面反射镜反射后入射至阵列探测器。
19.如权利要求15至18中任一项所述的共聚焦成像系统，其中控制系统设置为使得第一扫描振镜和第二扫描振镜的扫描角度关系为
，
其中第一扫描振镜的偏转角为(θ x1 ，θ y1 )，第二扫描振镜的偏转角为(θ x2 ，θ y2 )，第一反射物镜的焦距为f obj1 ，第二反射物镜的焦距为f obj2 ，第一凹面反射镜的焦距为f 1 ，第二凹面反射镜的焦距为f 2 ，第三凹面反射镜的焦距为f 3 ，第四凹面反射镜的焦距为f 4 。
20.如权利要求17所述的红外共聚焦成像系统，其中所述针孔的直径d由所述红外激光器反射的红外光束的波长λ、所述红外光束尺寸D’ 1、所述第五反射镜组的凹面反射镜的焦距f’ 0确定，其数学关系满足d≤2.44×λ×f’ 0/D’ 1。
21.如权利要求10或18所述的红外共聚焦成像系统，其中第三反射镜组或第六反射镜组由两个凹面反射镜组成，并且单个探测单元的形状和尺寸满足以下关系，单个探测单元为矩形，边长x＞边长y，针孔的直径为d，第三反射镜组或第六反射镜组中接收通过针孔的光束的凹面反射镜的焦距为f i，第三反射镜组或第六反射镜组中另一个凹面反射镜的焦距为f ii，则y≥d×（f ii/f i）。
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