一种用于弱光信号的扫描成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于弱信号成像领域，更具体地，涉及一种用于弱光信号的扫描成像系统。
【背景技术】
[0002]弱信号成像是一种经常遇到的成像问题。对强度较弱的信号成像需要更长的曝光时间，制约着成像速度。如果对强度较强的信号进行高速成像，由于曝光时间非常短，采集到的信号也会相对是弱信号。在工业等应用领域，高速、弱光扫描成像都有十分广泛的需求，更高的成像速度意味着更高的产品检测效率。而在科研领域，特别是在一些需要高时间分辨率成像的情况或者是需要获取大量样品图像的情况，高速扫描成像都是必要的。
[0003]扫描成像是一种十分重要的高速成像方法，其中包括点扫描成像和线扫描成像。而线扫描成像方法又相当于多点并行扫描，在成像速度上比单点扫描成像方法有天然的优势。线阵列CXD是一种在线扫描成像中的成像核心器件。其中时间延迟积分CXD (TD1-CXD)又以其高信噪比、高灵敏度在高速线扫描、弱光成像应用中独具优势。
[0004]目前技术的发展使得线探测器(TD1-CXD)的成像速度可以达到最大10KHz的行频，如此之快的行频意味着我们可以使用较快的扫描速度来扫描样品，而于此对应的是更短的行曝光时间。虽然TD1-CCD的积分级数可以达到数百级甚至更高，但是对于一些弱光成像应用，例如荧光成像，仅仅靠探测器的信号积分仍然无法在高速成像中得到较好的信噪比。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高速弱光扫描成像系统，其目的在于将特定的线扫描模块和光斑整形模块相结合，从而使照明区域与线探测器的成像区域相匹配，提高照明效率由此解决使用线探测器成像时信号偏弱、成像速度不高的技术问题。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高速弱光扫描成像系统，所述成像系统包括线扫描模块和光斑整形模块；
[0007]所述线扫描模块包括线探测器和成像镜头；
[0008]所述光斑整形模块，按照光路方向依次包括扩束单元和缩束单元；所述成像系统，其光斑整形模块中的扩束单元为一对共焦点共光轴设置的透镜，使得光斑二维扩大；所述缩束单元为一对共焦点共光轴设置的柱面镜，其中包括第一柱面镜和第二柱面镜，第一、第二柱面镜的母线平行，使得光斑一维压缩；
[0009]准直光束通过光斑整形模块形成椭圆光斑，用于照明样品；样品产生光信号，经所述线扫描模块的成像镜头聚焦后，被所述线扫描模块的线探测器采集成像，样品和所述线探测器I相对运动扫描，所述线探测器的扫描方向与椭圆光斑长轴垂直，椭圆光斑的长轴大于线探测器的成像区域长度，椭圆光斑的短轴和线探测器的成像区域宽度比在0.8?1.5。
[0010]优选地，所述扫描成像系统，其所述扩束单元的一对透镜，按照光路方向包括第一透镜和第二透镜，其中第一透镜为凹透镜或者凸透镜，第二透镜为凸透镜。
[0011]优选地，所述扫描成像系统，其所述光斑整形模块还包括平面反射镜，用于调整光路方向。
[0012]优选地，所述扫描成像系统，其所述椭圆光斑经分光镜反射垂直照明样品，样品光信号经所述分光镜透射被线扫描模块采集。
[0013]优选地，所述扫描成像系统，其所述线探测器固定，样品沿扫描方向运动。
[0014]优选地，所述扫描成像系统，按照光路方向，其所述光斑整形模块与样品之间，设置有显微物镜。
[0015]优选地，所述扫描成像系统，其所述样品光信号经过滤光后，被所述线扫描模块采集。
[0016]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0017]本发明提供的扫描成像系统，其照明装置使得照明光的能量基本上聚集在成像区域，提高光能量利用率。这样我们在使用相同的光源照明高速成像时，能得到较好的成像结果。在兼顾扫描成像速度的同时，提高成像信噪比。相对于现有的弱光扫描成像系统，尤其是荧光扫描成像系统，成像速度快，成像效果好。在荧光成像、检测、红外成像等领域具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0018]图1是实施例1的整体系统架构示意图；
[0019]图2是实施例2的整体系统架构示意图；
[0020]图3是实施例3的整体系统架构示意图；
[0021]图4是本发明的光斑整形效果示意图；
[0022]图5是利用实施例3的成像系统对荧光样品进行高速显微成像的示意图；
[0023]图6是利用实施例4获取的生物样品高分辨率图像；
[0024]图7为图6的局部放大图。
[0025]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:1_线探测器，2-成像镜头，3-分光镜，4-样品，5-平移台，6-第二柱面镜，7-第一柱面镜，8-反射镜，9-第二透镜，10-第一透镜，11-系统入射光束截面光斑，12-照明区域，13-成像区域，14-光束整形系统出射光束截面光斑，15-科研级TD1-CXD，16-截止滤光片，17- 二向色镜，18-成像筒镜，19-成像物镜，20-视场中的照明区域与成像区域示意图。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0027]现有技术中，使用TD1-CCD进行成像时，成像区域是带状区域，但是照明区域往往是圆形区域。这样，照明区域就远大于成像区域，大部分照明光的能量就白白浪费了。为了弥补照明光能量的损失，得到较强的成像信号，往往选择降低成像速度来提高曝光时间，这样严重妨碍成像速度的提高。为此，本发明提供了一种成像系统，对于弱光信号成像，尤其是荧光信号成像，具有成像速度快、信噪比高的优势。
[0028]本发明提供的成像系统，包括线扫描模块和光斑整形模块；
[0029]所述线扫描模块包括线探测器I和成像镜头2 ;
[0030]所述光斑整形模块，按照光路方向依次包括扩束单元和缩束单元；所述扩束单元为一对共焦点共光轴设置的透镜，使得光斑二维扩大；所述缩束单元为一对共焦点共光轴设置的柱面镜，其中包括第一柱面镜7和第二柱面镜6，第一、第二柱面镜6、7的母线平行，使得光斑一维压缩；所述扩束单元的一对透镜，按照光路方向包括第一透镜10和第二透镜9，其中第一透镜10为凹透镜或者凸透镜，第二透镜9为凸透镜。优选地，所述光斑整形模块还包括平面反射镜8，用于调整光路方向。
[0031]准直光束通过光斑整形模块形成椭圆光斑，用于照明样品4 ;样品4产生光信号，经所述线扫描模块的成像镜头2聚焦后，被所述线扫描模块的线探测器I采集成像，样品4和所述线探测器I相对运动扫描，所述线探测器I的扫描方向与椭圆光斑长轴垂直，椭圆光斑的长轴大于线探测器I的成像区域13长度，椭圆光斑的短轴和线探测器I的成像区域13宽度比在0.8?1.5。所述椭圆光斑经分光镜3反射垂直照明样品4，样品4光信号经所述分光镜3透射被线扫描模块采集。优选地，所述线探测器I固定，样品4沿扫描方向运动。
[0032]线扫描探测器I，如TD1-C⑶，其光敏面是一个长为L、宽为H的矩形，映射到样品面上后是一按比例缩小的矩形，所以我们需要将所有的照明光能量聚集在这一矩形区域。首先我们利用了柱面镜的一维聚焦特性，两个不同焦距的柱面镜就可以对光束进行一个方向的压缩或者扩大。其次对于特定焦距的成像镜头，我们使用特定的光路参数来配置照明光路，以便与成像光路匹配。最终我们使照明区域与TD1-CCD的成像区域相匹配，从而实现光源能量的充分利用，充分发挥TD1-CCD的速度优势，实现对于弱光物体的高速成像。
[0033]实施例1
[0034]一种成像系统，如图1所示为使用红外光高速扫描成像的装置。包括线扫描模块和光斑整形模块。
[0035]所述线扫描模块，包括线探测器I (TD1-CXD