一種提高光子探測效率的方法
【專利摘要】本發明涉及一種提高光子探測效率的方法，其包括以下步驟：1）設置一包括有光學成像系統和彩色數字光電探測器的成像探測系統；2）基于彩色攝像機的結構對成像探測系統的各個器件的位置進行設置；3）探測目標的散射光或熒光經物鏡放大，并經聚焦透鏡聚焦到彩色數字光電探測器；4）根據所采用的彩色數字光電探測器的像元間距和像元寬度，對物鏡和聚焦透鏡的參數進行選擇；5）根據步驟4）所選擇的物鏡和聚焦透鏡的參數，計算光學成像系統的色差；6）相對移動光學系統和彩色光電探測器，根據色差對彩色光電探測器的像元位置進行校準，使由于色差造成的紅綠藍三色色斑的距離恰好與單個彩色光電探測器像素的紅綠藍感光單元在空間上耦合，實現對色差的空間矯正。本發明特別適用于高速弱光探測。
【專利說明】一種提高光子探測效率的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光電探測【技術領域】，特別是關于一種適用于高速線陣掃描成像的提高光子探測效率的方法。
【背景技術】
[0002]數字成像器件是獲取圖像的主流工具，目前的數字成像器件((XD或CMOS)在有效利用光子方面需要進一步提高，以滿足科學研究的需求。特別是在生物顯微成像方面，光子探測效率不高會使信噪比大大降低，甚至無法探測到信號。因此，提高數字成像器件的光子探測效率是當前的研究熱點，也是數字成像器件的一個發展方向。
[0003]傳統的彩色數字成像技術包括CFA (Color Filter Array),單傳感器彩色分時分色及三傳感器棱鏡分光，它們各自都有一定的局限性。其中，CFA方法在圖像邊緣會引入一定的色彩失真甚至虛假色彩；單傳感器彩色分時分色不可避免的限制其在實時視頻中的應用；單傳感器分區三原色的方法，將造成2/3的光能量被浪費。為了獲得三原色高的探測效率，最近發展的三CXD技術通過棱鏡將可見光分為RGB三原色，這樣每個像素都有RGB三原色的原始信息，沒有虛擬色，如圖1所示。此項技術雖然克服了上述兩個問題，但是其缺點在于成本高，制造難度大，同時棱鏡的引入會使探測器的體積變大，圖像配準難度較大，不便于集成，從而限制其廣泛應用。而且，在圖像的獲取環節顯露的不足，必然導致在圖像的生成環節需要通過軟件計算作必要的插值模擬補償，因此影響了圖像顏色的表現效果和物像真實性。另外，成像光學系統由于透鏡的材料和曲率的原因，會產生色差，形成彌散斑，傳統的方法是通過一系列不同材料和不同曲率的透鏡組實現消色差，提高系統的分辨率，但是傳統消色差的方法光學設計難度大，并且加工制造難度也很大，成本高。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明的目的是提供一種提高光子探測效率的方法，其利用透鏡具有色差的特性，使由于色差造成的紅綠藍三色色斑的距離恰好與單個彩色光電探測器的像素的紅綠藍感光單元在空間上耦合，實現對色差的空間矯正，使光子探測效率和分辨率得到顯著的提升。
[0005]為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:一種提高光子探測效率的方法，其包括以下步驟:1)設置一包括有光學成像系統和彩色數字光電探測器的成像探測系統，所述光學成像系統包括一物鏡和一聚焦透鏡；2)基于彩色攝像機的結構對所述成像探測系統的各個器件的位置進行設置，即將一探測目標放置在所述物鏡的焦平面，將所述彩色數字光電探測器放置在所述聚焦透鏡的焦平面；3)所述探測目標的散射光或熒光經所述物鏡放大，并經所述聚焦透鏡聚焦到所述彩色數字光電探測器；4)根據所采用的彩色數字光電探測器的像元間距和像元寬度，對所述物鏡和聚焦透鏡中各透鏡的曲率、材料以及各光學面間距參數進行選擇；5)根據步驟4)所選擇的所述物鏡和聚焦透鏡的參數，計算所述光學成像系統的色差；6)相對移動所述光學系統和彩色光電探測器，根據步驟5)所計算的光學成像系統的色差對所述彩色光電探測器的像元位置進行校準，使由于色差造成的紅綠藍三色色斑的距離恰好與單個彩色光電探測器像素的紅綠藍感光單元在空間上耦合，實現對色差的空間矯正。
[0006]所述彩色光電探測器采用三線彩色線陣光電探測器。
[0007]所述物鏡采用顯微物鏡和望遠物鏡中的一種。
[0008]一種提高光子探測效率的方法，其包括以下步驟:1)設置一光學成像系統，光學成像系統包括一物鏡和一聚焦透鏡，所述物鏡與聚焦透鏡中各透鏡的曲率、材料以及各光學面間距參數已確定；2)根據設計的光學成像系統中的物鏡和聚焦透鏡的參數，計算所述光學成像系統的色差；3)根據步驟2)所計算的光學成像系統的色差制作相對應的彩色光電探測器，確定所述彩色光電探測器的像元間距和像元寬度；4)將所述光學成像系統與彩色光電探測器構成一成像探測系統，基于彩色攝像機的結構對所述成像探測系統的各個器件的位置進行設置，即將一探測目標放置在所述物鏡的焦平面，將所述彩色數字光電探測器放置在所述聚焦透鏡的焦平面；5)根據步驟2)光學成像系統的色差對制作的彩色光電探測器的像元位置進行校準，相對移動光學系統和彩色光電探測器，使由于色差造成的紅綠藍三色色斑的距離恰好與單個彩色光電探測器的像素的紅綠藍感光單元在空間上耦合，實現對色差的空間矯正。
[0009]所述物鏡采用顯微物鏡和望遠物鏡中的一種。
[0010]本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點:1、本發明根據光學成像系統的色差對彩色光電探測器的像元位置進行校準，使由于色差造成的紅綠藍三色色斑的距離恰好與單個彩色光電探測器像素的紅綠藍感光單元在空間上耦合，實現對色差的空間矯正，相對于不進行色差空間矯正的情況，本發明利用透鏡具有色差的特性，通過透鏡組設計，實現紅綠藍三色色斑的距離剛好與光電探測器的像素紅綠藍像元的之間距離大小相符，光子利用效率得到顯著的提升，從而獲得高的探測效率和分辨率，而且本發明通過色斑與感光單元的耦合克服了色彩失真，提升了彩色表現力。2、本發明整體結構緊湊，本身功耗很低，與傳統的色差校正的透鏡組的成本相比，成本有很大降低，因此為此類儀器的應用推廣提供了有力的支持。本發明適用于高速線陣掃描成像中，特別適用于高速弱光探測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是現有技術中基于棱鏡的3CCD彩色線陣攝影機技術結構原理示意圖；
[0012]圖2是本發明三線彩色線陣攝像機的空間校正的原理示意圖；
[0013]圖3是本發明三線彩色線陣光電探測器結構示意圖；
[0014]圖4是本發明光學顯微物鏡系統的結構圖和點列圖，圖(a)為顯微物鏡的實體模型示意圖，圖(b)為顯微物鏡的二維設計示意圖，圖(C)為該顯微物鏡光學系統的焦平面的點陣效果示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0016]實施例1:
[0017]本發明的提高光子探測效率的方法，包括以下步驟:[0018]1、如圖2所示，設置一包括有光學成像系統I和彩色數字光電探測器2的成像探測系統，光學成像系統包括一顯微物鏡11和一聚焦透鏡12。彩色數字光電探測器2可以采用彩色CCD或CMOS，本實施例中的彩色數字光電探測器采用三線彩色線陣光電探測器2，但是不限于此，根據實際使用可以選擇面陣光電探測器或其它種類光電探測器。
[0019]如圖3所示，本實施例所采用的三線彩色線陣光電探測器2為現有的光電探測器件，包括一基底21，基底21上間隔平行排列設置有三行像元，三線彩色線陣光電探測器2轉換出的電荷通過對應引腳22引出，三行像元分別為紅色像元R、綠色像元G和藍色像元B，分別對紅、綠、藍三種波長的光敏感，其中，紅色像元R與綠色像元G之間的間距為a，綠色像元R與藍色像元G之間的間距為b，每一行像元的寬度為C。
[0020]2、基于三線彩色線陣攝像機的結構對成像探測系統的各個器件的位置進行設置，即將一探測目標3放置在顯微物鏡11的焦平面，三線彩色線陣光電探測器2放置在聚焦透鏡12的焦平面，本實施的顯微物鏡11還可以根據實際需要選擇望遠鏡物鏡等其它光學成像鏡頭，在此不作限定。
[0021]3、探測目標3的散射光或熒光經顯微物鏡11放大后，并經聚焦透鏡12聚焦到三線彩色線陣光電探測器2。
[0022]4、根據所采用的三線彩色線陣光電探測器2的像元間距和像元尺寸，對顯微物鏡11和聚焦透鏡12中各透鏡的曲率、材料以及各光學面間距參數進行選擇，例如:如圖4(a)和(b)所示，顯微物鏡I包括若干透鏡111和光闌112，可以根據所采用的三線彩色線陣光電探測器2的像元間距和像元尺寸，對顯微物鏡11中的各透鏡111的曲率、材料、光闌112的大小以及各光學面間距進行選擇。
[0023]5、根據步驟4所確定的顯微物鏡11和聚焦透鏡12的參數，計算光學成像系統I的色差(色差為各色斑上下分離，不重合)。
[0024]本發明以垂軸色差為實施例進行說明，但是不限于此，但是可以根據實際所采用的彩色光電探測器計算其它位置分布的色差，例如品字形位置分布的色差。
[0025]如圖4所示，本實施例的光學成像系統的各色斑不重合，上下分離嚴重，存在垂軸色差。如圖4(c)所示，根據本實施例顯微物鏡11和聚焦透鏡12的參數計算得到光學成像系統I的垂軸色差，即紅色色斑與綠色色斑的平均距離為m，綠色色斑與藍色色斑的平均距離為n，紅、綠、藍三色斑在豎直方向上的半高全寬的平均值為q。
[0026]在色差分析過程中，先預設置各個光學元件的曲率、材料和間距參數，然后通過對顯微物鏡11和聚焦物鏡12各個光學面進行追跡，得到焦平面上的色斑分布，色差分布，調整各透鏡相應的曲率、材料和各個光學面間距等參數，得到具有垂軸色差的光學成像系統，即從而得到m、η和q的值，使其與三線彩色線陣光電探測器的三色像元的位置分布對應。
[0027]6、相對移動光學成像系統和三線彩色線陣光電探測器2，根據步驟5所計算的光學成像系統的垂軸色差對三線彩色線陣光電探測器的像元位置進行校準，使由于色差造成的紅綠藍三色色斑的距離恰好與單個彩色光電探測器的像素的紅綠藍感光單元在空間上耦合，實現對色差的空間矯正。
[0028]相對移動移動光學成像系統和三線彩色線陣光電探測器的位置，使紅色像元和綠色像元之間的間距a與紅色色斑和綠色色斑之間的間距m相等，綠色像元和藍色像元之間的間距b與綠色光斑和藍色光斑之間的距離η相等，同時紅、綠、藍的像元的尺寸c和紅、綠、藍三色色斑的平均半高全寬相等,具體為:a = m, b = n, c = q。
[0029]實施例2:
[0030]本發明的實施例1是根據已有的三線彩色線陣光電探測器2對光學成像系統中的顯微物鏡11和聚焦透鏡12進行光學設計使其色差造成的紅綠藍三色色斑的距離恰好與單個彩色光電探測器的像素的紅綠藍感光單元在空間上耦合，實現對色差的空間矯正，另外也可以針對所設計的光學成像系統的色差特性制作出與其色差特性相對應的彩色光電探測器，使其色差造成的紅綠藍三色色斑的距離恰好與單個彩色光電探測器的像素的紅綠藍感光單元在空間上耦合，實現對色差的空間矯正，具體過程為:
[0031]1、設置一光學成像系統I，光學成像系統包括一顯微物鏡11和一聚焦透鏡12,顯微物鏡11與聚焦透鏡12中各透鏡的曲率、材料以及各光學面間距參數已確定；
[0032]2、根據設計的光學成像系統I中的顯微物鏡11和聚焦透鏡12的參數，計算光學成像系統I的色差。
[0033]3、根據步驟2所計算的光學成像系統I的色差制作相對應的彩色光電探測器2，確定彩色光電探測器2的像元間距和像元寬度。
[0034]4、將光學成像系統I與彩色光電探測器2構成一成像探測系統，基于彩色攝像機的結構對所述成像探測系統的各個器件的位置進行設置，即將一探測目標3放置在顯微物鏡11的焦平面，將彩色數字光電探測器2放置在聚焦透鏡11的焦平面；
[0035]5、根據步驟2所計算的光學成像系統的色差對制作的彩色光電探測器2的像元位置進行校準，相對移動光學成像系統I和彩色光電探測器2，使由于色差造成的紅綠藍三色色斑的距離恰好與單個彩色光電探測器的像素的紅綠藍感光單元在空間上耦合，實現對色差的空間矯正。
[0036]上述各實施例僅用于說明本發明，其中方法各步驟等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
【權利要求】
1.一種提高光子探測效率的方法，其包括以下步驟: 1)設置一包括有光學成像系統和彩色數字光電探測器的成像探測系統，所述光學成像系統包括一物鏡和一聚焦透鏡； 2)基于彩色攝像機的結構對所述成像探測系統的各個器件的位置進行設置，即將一探測目標放置在所述物鏡的焦平面，將所述彩色數字光電探測器放置在所述聚焦透鏡的焦平面； 3)所述探測目標的散射光或熒光經所述物鏡放大，并經所述聚焦透鏡聚焦到所述彩色數字光電探測器； 4)根據所采用的彩色數字光電探測器的像元間距和像元寬度，對所述物鏡和聚焦透鏡中各透鏡的曲率、材料以及各光學面間距參數進行選擇； 5)根據步驟4)所選擇的所述物鏡和聚焦透鏡的參數，計算所述光學成像系統的色差； 6)相對移動所述光學系統和彩色光電探測器，根據步驟5)所計算的光學成像系統的色差對所述彩色光電探測器的像元位置進行校準，使由于色差造成的紅綠藍三色色斑的距離恰好與單個彩色光電探測器像素的紅綠藍感光單元在空間上耦合，實現對色差的空間矯正。
2.如權利要求1所述的一種提高光子探測效率的方法，其特征在于:所述彩色光電探測器采用三線彩色線陣光電探測器。
3.如權利要求1或2所述的一種提高光子探測效率的方法，其特征在于:所述物鏡采用顯微物鏡和望遠物鏡中的一種。
4.一種提高光子探測效率的方法，其包括以下步驟: 1)設置一光學成像系統，光學成像系統包括一物鏡和一聚焦透鏡，所述物鏡與聚焦透鏡中各透鏡的曲率、材料以及各光學面間距參數已確定； 2)根據設計的光學成像系統中的物鏡和聚焦透鏡的參數，計算所述光學成像系統的色差; 3)根據步驟2)所計算的光學成像系統的色差制作相對應的彩色光電探測器，確定所述彩色光電探測器的像元間距和像元寬度； 4)將所述光學成像系統與彩色光電探測器構成一成像探測系統，基于彩色攝像機的結構對所述成像探測系統的各個器件的位置進行設置，即將一探測目標放置在所述物鏡的焦平面，將所述彩色數字光電探測器放置在所述聚焦透鏡的焦平面； 5)根據步驟2)光學成像系統的色差對制作的彩色光電探測器的像元位置進行校準，相對移動光學系統和彩色光電探測器，使由于色差造成的紅綠藍三色色斑的距離恰好與單個彩色光電探測器的像素的紅綠藍感光單元在空間上耦合，實現對色差的空間矯正。
5.如權利要求4所述的一種提高光子探測效率的方法，其特征在于:所述物鏡采用顯微物鏡和望遠物鏡中的一種。
【文檔編號】G02B21/36GK103513384SQ201310286386
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年7月9日 優先權日:2013年7月9日
【發明者】楊旭三, 席鵬 申請人:北京大學