CN101268353A - 光学观察系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及允许在平坦面上精确投影及观察弯曲表面的光学系统。本发明通过沿弯曲表面减小景深可以用于防止或减少由微粒物质导致的观察误差。

Description

光学观察系统

技术领域

本发明涉及允许在平坦面上精确投影及观察弯曲表面的光学系统。本发明可以用于防止或减少由微粒物质导致的观察误差。

背景技术

照相机和目视系统常常用在观察系统中，尤其用以观察缺陷。但是，常规照相机镜头对于观察弯曲表面来说可能不精确和/或足够，因为通常在观察系统中，成像物体被投影到平坦的CCD成像面上。校正该问题的一项技术是通过减小孔径的尺寸而增加常规照相机镜头的景深。

在特定应用中，例如接触透镜观察，减小孔径尺寸带来了额外的困难。接触透镜的较大曲率(约3.5mm的弧矢高度和14mm的直径)阻止了整个透镜表面的均匀聚焦。此外，对于漂浮在液体溶液中的物品，例如接触透镜，当景深被调节为捕捉3.5mm的深度时，溶液中漂浮的碎屑也被聚焦，使得观察技术不精确。

本发明通过提供一种光学系统来改善检查弯曲表面上的缺陷的能力，而解决此处列出的问题。具体实施例包括能够观察接触透镜的表面及侧面上的缺陷的光学系统。

发明内容

本发明通过提供一组光学元件而沿特定弯曲表面减小数字照相机的景深来提供改善观察分辨率的方法。在一些实施例中，所述特定弯曲表面可以是接触透镜。优选将弯曲表面的像投影在平坦的CCD面上。可以使用多个光学元件；这样的元件的可调节性质可包括：前后表面半径、玻璃类型、元件之间间距、元件直径以及元件厚度。对于每个可调节性质可使用尺寸范围。例如，在本发明的一个实施例中，第一元件的前表面半径是在50到55mm之间；第一元件的后表面半径是在-30到-35mm之间；第二元件的前表面半径是在95到100mm之间；第二元件的后表面半径是在-15到-20mm之间；第三元件的前表面半径是在-15到-20mm之间；第三元件的后表面半径是在-25到-30mm之间；第四元件的前表面半径是在40到45mm之间；第四元件的后表面半径是在10到15mm之间；第五元件的前表面半径是在10到15mm之间；第五元件的后表面半径是在-55到-60mm之间；第六元件的前表面半径是在20到25mm之间；第六元件的后表面半径是在-10到-15mm之间；以及第七元件的前表面半径是在-15到-20mm之间。在一个相关实施例中，第一元件的直径是在15到20mm之间；第二元件的直径是在15到20mm之间；第三元件的直径是在15到20mm之间；第四元件的直径是在15到20mm之间；第五元件的直径是在15到20mm之间；第六元件的直径是在20到25mm之间；以及第七元件的直径是在20到25.0mm之间。

在相似实施例中，第一元件的厚度是在1到5mm之间；第二元件的厚度是在1到5mm之间；第三元件的厚度是在1到5mm之间；第四元件的厚度是在1到5mm之间；第五元件的厚度是在5到10mm之间；第六元件的厚度是在5到10mm之间；以及第七元件的厚度是在1到5mm之间。

本发明的元件可以由FK3型玻璃或SFL6型玻璃制成。在本发明的使用七个光学元件的更具体实施例中，所述第一元件的前表面半径可以为约51.9mm；所述第一元件的后表面半径可以为约-32.0mm；所述第二元件的前表面半径可以为约98.4mm；所述第二元件的后表面半径可以为约-15.8mm；所述第三元件的前表面半径可以为约-15.8mm；所述第三元件的后表面半径可以为约-29.9mm；所述第四元件的前表面半径可以为约40.5mm；所述第四元件的后表面半径可以为约11.1mm；所述第五元件的前表面半径可以为约11.1mm；所述第五元件的后表面半径可以为约-58.1mm；所述第六元件的前表面半径可以为约23.5mm；所述第六元件的后表面半径可以为约-13.5mm；所述第七元件的前表面半径可以为约-13.5mm；以及所述第七元件的后表面半径可以为约-16.9mm。

在一个相关实施例中，第一元件的后面和第二元件的前面之间的间距可以为约0.5mm；第二元件的后面和第三元件的前面之间的间距可以为约0.0mm；第三元件的后面和第四元件的前面之间的间距可以为约18.3mm；第四元件的后面和第五元件的前面之间的间距可以为约0.0mm；第五元件的后面和第六元件的前面之间的间距可以为约1.9mm；以及第六元件的后面和第七元件的前面之间的间距可以为约0.0mm。在另一相关实施例中，第一元件的厚度可以为约3mm；第二元件的厚度可以为约4mm；第三元件的厚度可以为约1.7mm；第四元件的厚度可以为约2mm；第五元件的厚度可以为约6.7mm；第六元件的厚度可以为约8.5mm；以及第七元件的厚度可以为约2mm。

附图说明

图1示出本发明的光学系统的侧视图；

图2示出与本发明结合使用的外壳。

具体实施方式

本发明旨在提高对弯曲物体所成的像的质量，从而改善对弯曲物体的观察，所述弯曲物体必须被投影到平坦的电荷耦合器件(CCD)成像面上。本发明允许照相机镜头通过减小景深而使用全开孔径。

景深限定了这样的区域，在所述区域中，清楚显示从前景到后景的所有元素。像中的景深由三个因素控制：到主体的距离、焦距和用于捕捉图像的孔径。有必要理解，术语“景深”定义了一个有点“弹性”的概念：可接受的清晰度。清晰度的感觉各人有所不同，当使用“景深”的表达时，它实际是指对于具体应用表现出足够的清晰度以被或多或少地认为处于聚焦的像中的区域。景深并不必须是精确清晰的区域，而是其中相对于事物是什么及其所用的目的而保持可辨认所述事物的像的部分。例如，在一个观察系统中，清晰度必须使得任何可能的缺陷，如果存在的话，都清楚可见。

对于数字照相机来说，景深是特别关注的主题，因为景深比早期的胶片照相机更难以控制。在数字照相机中，例如CCD照相机，入射光线被称为电荷耦合器件(CCD)的硅片接收。该硅晶片是固态的电子元件，该电子元件被微加工并被分割成称为像素的单个光敏元件的阵列。小型照相机的微小成像传感器要求使用短焦距，这又使这样的照相机具有相比于35mm照相机的较长景深。因此，希望得到浅的景深更加困难。

通常，当主体靠近照相机时景深减小；意味着当聚焦点靠近镜头，景深的可能范围变小。另一方面，如果主体离照相机足够远(对于小型照相机来说，这并不需要非常远)，则景深延伸至无穷远。

在本发明中，聚焦点优选靠近照相机镜头。在一个示例性观察系统中，例如用于接触透镜的观察系统，待观察的接触透镜优选离照相机约35到55mm，以聚焦一些缺陷，例如泪滴或裂口。但是，在光学和观察系统的不同配置下可以使用其他距离。本发明中通过使用光学元件系统将接触透镜的像投影在CCD成像传感器上而获得弯曲表面的清晰像。本发明通过使用一个或多个光学元件来根据弯曲表面的曲率减小景深而改善观察。但是，在典型的接触透镜观察系统中，接触透镜位于湿润漕或盐水溶液中。湿润漕中时常会出现微粒物质。因此，用于观察的数字照相机的自动对焦会不注意地包括这些微粒物质或对焦在这些微粒物质上。根据曲率减小景深有效使得照相机获得薄的弯曲的聚焦片，该聚焦片防止包括微粒物质的测量。

在一个实施例中，光学系统包括多个光学元件。每个光学元件优选具有以mm为单位测量的前表面半径和后表面半径。此外，每个光学元件具有从15mm到25mm的直径。所述光学元件优选由玻璃制成，具体为FK3或SFL6型的玻璃。增加光学元件的数目提供更好的聚焦和精确度。

在具体实施例中，如图1所示，光学元件系统被物理地置于待成像的弯曲表面或面80与平坦的CCD面90之间。第一光学元件10可具有50到55mm之间的前表面半径以及-30到-35mm之间的后表面半径。第一元件还可具有15到20mm之间的直径，并可由FK3型玻璃制成。第二光学元件20可具有95到100mm之间的前表面半径以及-15到-20mm之间的后表面半径。第二元件还可具有15到20mm之间的直径，并由FK3型玻璃制成。第三光学元件30可具有-15到-20mm之间的前表面半径以及-25到-30mm之间的后表面半径。第三元件还可具有15到20mm之间的直径，并可由SFL6型玻璃制成。第四光学元件40可具有40到45mm之间的前表面半径以及10到15mm之间的后表面半径。第四元件可具有15到20mm之间的直径，并可由SFL6型玻璃制成。第五光学元件50可具有约10到15mm之间的前表面半径以及-55到-60mm之间的后表面半径。第五元件还可具有15到20mm之间的直径，并可由FK3型玻璃制成。第六光学元件60优选可具有20到25mm之间的前表面半径以及-10到-15mm之间的后表面半径。第六元件还可具有20到25mm之间的直径，并可由FK3型玻璃制成。第七光学元件70优选具有-10到-15mm之间的前表面半径以及-15到-20mm之间的后表面半径。第七元件还可具有20到25mm之间的直径，并可由SFL6型玻璃制成。

在本发明的另一实施例中，第一元件10的后面和第二元件20的前面之间的间距可以是在0到5mm之间。第二元件20的后面和第三元件30的前面之间的间距可以包括从0到5mm的范围，优选0mm。第三元件30的后面和第四元件40的前面之间的间距可以是在15到18mm之间。第四元件40的后面和第五元件50的前面之间的间距可以包括从0到5mm的范围，优选0mm。第五元件50的后面和第六元件60的前面之间的间距可以是在1到5mm之间。第六元件60的后面和第七元件70的前面之间的间距可以包括从0到5mm的范围，优选0mm。

在本发明又一实施例中，每个光学元件的厚度可以有所变化。在使用七个光学元件的实施例中，第一、第二、第三、第四和第七元件的厚度可以在1到5mm之间。第五和第六元件的厚度可以在5到10mm之间。

本发明的一个具体实施例包括下表中的半径、间距和直径。术语“间距”被定义为某元件的后面和下一元件的前面之间的距离。

光学元件	前表面半径	后表面半径	厚度	直径	间距
						1	51.9mm	-32.0mm	3mm	16mm	0.5mm
2	98.4mm	-15.8mm	4mm	16mm	0.0mm
						3	-15.8mm	-29.9mm	1.7mm	17.2mm	18.3mm
4	40.5mm	11.1mm	2mm	19.2mm	0.0mm
						5	11.1mm	-58.1mm	6.7mm	19.2mm	1.9mm
6	23.5mm	-13.5mm	8.5mm	21.0mm	0.0mm
						7	-13.5mm	-16.9mm	2mm	22.0mm	N/A

该光学系统优选被包含在外壳中，如图2所示。所述外壳优选具有可以精细调节第七光学元件70和CCD面90之间的距离以用于聚焦的机构。它还可具有可调节孔径，以控制穿过光学系统的光的量，用以控制成像强度和景深。

Claims (14)

1.一种提高观察分辨率的方法，包括提供一组光学元件，其中所述元件沿特定弯曲表面减小数字照相机的景深。

2.如权利要求1的方法，其中所述特定弯曲表面的像被记录并投影在平坦的CCD面上。

3.如权利要求1的方法，其中所述一组光学元件包括7个光学元件，其中：

所述第一元件的前表面半径为约51.9mm；

所述第一元件的后表面半径为约-32.0mm；

所述第二元件的前表面半径为约98.4mm；

所述第二元件的后表面半径为约-15.8mm；

所述第三元件的前表面半径为约-15.8mm；

所述第三元件的后表面半径为约-29.9mm；

所述第四元件的前表面半径为约40.5mm；

所述第四元件的后表面半径为约11.1mm；

所述第五元件的前表面半径为约11.1mm；

所述第五元件的后表面半径为约-58.1mm；

所述第六元件的前表面半径为约23.5mm；

所述第六元件的后表面半径为约-13.5mm；

所述第七元件的前表面半径为约-13.5mm；以及

所述第七元件的后表面半径为约-16.9mm。

4.如权利要求1的系统，其中所述光学元件由选自FK3型玻璃和SFL6型玻璃的材料制成。

5.如权利要求1的系统，还包括：

第一元件的后面和第二元件的前面之间的间距为约0.5mm；

第二元件的后面和第三元件的前面之间的间距为约0.0mm；

第三元件的后面和第四元件的前面之间的间距为约18.3mm；

第四元件的后面和第五元件的前面之间的间距为约0.0mm；

第五元件的后面和第六元件的前面之间的间距为约1.9mm；以及

第六元件的后面和第七元件的前面之间的间距为约0.0mm。

6.如权利要求1的系统，其中

第一元件的直径为约16.0mm；

第二元件的直径为约16.0mm；

第三元件的直径为约17.2mm；

第四元件的直径为约19.2mm；

第五元件的直径为约19.2mm；

第六元件的直径为约21.0mm；以及

第七元件的直径为约22.0mm。

7.如权利要求1的系统，其中

第一元件的厚度为约3mm；

第二元件的厚度为约4mm；

第三元件的厚度为约1.7mm；

第四元件的厚度为约2mm；

第五元件的厚度为约6.7mm；

第六元件的厚度为约8.5mm；以及

第七元件的厚度为约2mm。

8.如权利要求1的系统，其中所述弯曲表面是接触透镜。

9.一种通过提供至少7个光学元件提高观察分辨率的方法，所述光学元件将数字照相机的景深减小为特定曲率，其中：

所述第一元件的前表面半径是在50到55mm之间；

所述第一元件的后表面半径是在-30到-35mm之间；

所述第二元件的前表面半径是在95到100mm之间；

所述第二元件的后表面半径是在-15到-20mm之间；

所述第三元件的前表面半径是在-15到-20mm之间；

所述第三元件的后表面半径是在-25到-30mm之间；

所述第四元件的前表面半径是在40到45mm之间；

所述第四元件的后表面半径是在10到15mm之间；

所述第五元件的前表面半径是在10到15mm之间；

所述第五元件的后表面半径是在-55到-60mm之间；

所述第六元件的前表面半径是在20到25mm之间；

所述第六元件的后表面半径是在-10到-15mm之间；以及

所述第七元件的前表面半径是在-15到-20mm之间。

10.如权利要求9的方法，其中

所述第一元件的直径是在15到20mm之间；

所述第二元件的直径是在15到20mm之间；

所述第三元件的直径是在15到20mm之间；

所述第四元件的直径是在15到20mm之间；

所述第五元件的直径是在15到20mm之间；

所述第六元件的直径是在20到25mm之间；以及

所述第七元件的直径是在20到25.0mm之间。

11.如权利要求9的方法，其中

所述第一元件的厚度是在1到5mm之间；

所述第二元件的厚度是在1到5mm之间；

所述第三元件的厚度是在1到5mm之间；

所述第四元件的厚度是在1到5mm之间；

所述第五元件的厚度是在5到10mm之间；

所述第六元件的厚度是在5到10mm之间；以及

所述第七元件的厚度是在1到5mm之间。

12.如权利要求9的方法，其中所述弯曲表面是接触透镜。

13.如权利要求9的方法，其中所述光学元件由选自FK3型玻璃和SFL6型玻璃的材料制成。

14.一种通过提供至少7个光学元件提高观察分辨率的方法，所述光学元件将数字照相机的景深减小为特定曲率。

Images