CN106154536A - 影像透镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种影像透镜系统，其包含透镜与透明板。透镜设置于物体与感测器之间，且透镜包含朝向物体的平面以及朝向感测器的非球面。透明板与透镜连接且设置于物体与透镜之间。透镜的阿贝数在30至50的范围内，透明板的阿贝数在40至60的范围内，且影像透镜系统的有效焦距在大约0.3毫米至大约0.4毫米之间。

Description

影像透镜系统

技术领域

本发明涉及一种影像透镜系统。

背景技术

一般而言，内视镜包含一系列透镜，用以将场景的影像从内视镜的远端传递至近端，让设在近端的影像感测器撷取影像。某些粘液，例如胃酸或食糜，可能存在于内视镜所使用的环境中。为了保护透镜免于污染并确保光的入射，内视镜包含在透镜与场景之间的盖板玻璃，如此一来，在场景/环境中的粘液可被盖板玻璃阻挡，且光可通过盖板玻璃而传递至透镜。

然而，盖板玻璃可能无法与透镜有效地整合。举例而言，部分透过盖板玻璃的光可能无法通过透镜。此外，由于盖板玻璃的尺寸以及透镜与盖板玻璃之间的距离，内视镜可能具有较大的长度与宽度，而不利于内视镜的微小化。盖板玻璃与透镜的配置值得改善。

发明内容

本发明涉及一种应用于内视镜的影像透镜系统。

根据本发明的一个实施方式，影像透镜系统包含透镜与透明板。透镜设置于物体与感测器之间，且透镜包含朝向物体的平面以及朝向感测器的非球面。透明板与透镜连接且设置于物体与透镜之间。透镜的阿贝数(Abbe Number)在30至50的范围内，透明板的阿贝数在40至60的范围内，且影像透镜系统的有效焦距(Effective Focal Length；EFL)在大约0.3毫米至大约0.4毫米之间。

基于以上叙述，根据本发明的多个范例性的实施方式，由于透镜与透明板的阿贝数以及影像透镜系统的有效焦距，影像透镜系统具有良好的成像品质以及微小的尺寸。

应了解到，前面的概述与以下的详细说明皆为例示，用以进一步解释各权利要求所主张的发明。

附图说明

图1为根据本发明一个实施方式的影像透镜系统的结构示意图。

图2为具有图1的影像透镜系统的内视镜的示意图。

图3A为图1的影像透镜系统的场曲率的影像光学模拟资料图。

图3B为图1的影像透镜系统的畸变的影像光学模拟资料图。

图3C为图1的影像透镜系统的横向光线扇形图的影像光学模拟资料图。

具体实施方式

详细参照本发明的多个实施方式，其中多个实施方式的实施例将配合附图以进行详细说明。尽可能地，附图与说明叙述中使用相同的附图标记用以标示相同或相似的元件。

图1为根据本发明一个实施方式的影像透镜系统100的结构示意图。影像透镜系统100包含透镜110与透明板120。透镜110设置于物体200与感测器300之间，且透镜110包含朝向物体200的平面S2以及朝向感测器300的非球面S3。透明板120与透镜110连接，且透明板120设置于物体200与透镜110之间。在本实施方式中，透镜110的阿贝数在30至50的范围内，透明板120的阿贝数在40至60的范围内，且影像透镜系统100的有效焦距在大约0.3毫米至大约0.4毫米之间。

在一个或多个实施方式中，非球面S3为凸面的。经过非球面S3的光可以被聚集至感测器300的像平面310上。非球面S3的曲率在大约-0.17毫米至大约-0.20毫米之间，以产生前述影像透镜系统100的有效焦距。

透明板120可包含朝向物体200的表面S1与相对于表面S1的表面S2’。在一个或多个实施方式中，表面S2’与透镜110的平面S2连接，而使透明板120与透镜110连接。平面S2、非球面S3、表面S1以及表面S2’沿着光轴A而设置。

在一个或多个实施方式中，透明板120可以是平面板，适用于内视镜的封装。举例而言，在芯片级的透镜制程中，具有透镜110与透明板120的影像透镜系统100可以是从具有多个微透镜的平面透明基板上所切割而得到的多块之一，但这不用以限制本发明。在部分实施方式中，透明板120可以是适用于内视镜封装的弯折板或透镜。透明板120可以是内视镜的盖板玻璃，且透明板120可保护透镜110免于污染并确保光线入射。

在一个或多个实施方式中，表面S1或表面S2’小于透镜110的平面S2。详细而言，平面S2的直径D1大于表面S1或表面S2’的宽度W1。换句话说，光通过透明板120的尺寸小于光通过透镜110的尺寸。

在一个或多个实施方式中，透镜110与透明板120的折射率差异小于0.1。在部分实施方式中，透镜110与透明板120的折射率皆在大约1.5至大约1.6之间。此相似的折射率可以降低不同材料之间的反射，且也可防止当光经过透镜110与透明板120的介面时的全反射(Total InternalReflection)。因此，藉由降低介面所造成的反射，可以改善影像亮度。在部分实施方式中，透镜110与透明板120可由相同材料或不同材料所组成，例如透明玻璃、树脂等等。

在一个或多个实施方式中，透明板120的厚度为0.2毫米至0.6毫米之间，且透镜110的厚度为0.1毫米至大约0.3毫米之间。

在一个或多个实施方式中，影像透镜系统100包含孔径光阑130，孔径光阑130设置于透明板120的表面S1上。孔径光阑130可以控制影像透镜系统100的入光量。在本实施方式中，孔径光阑130的开口132具有直径D2，直径D2小于表面S1的宽度W1，但这不用以限制本发明的范围。

传统上，与透镜的最小孔径尺寸相比，盖板玻璃通常配置有较大的孔径尺寸，因此部分通过盖板玻璃的光线无法通过透镜系统。在本实施方式中，由于光通过透明板120的尺寸小于光通过透镜110的尺寸，因此可降低影像透镜系统100的宽度，且通过透明板120的光可实质上通过透镜110。换句话说，影像透镜系统100的宽度不受限于盖板玻璃的尺寸。

除了降低影像透镜系统100的宽度之外，可以藉由设计非球面而降低影像透镜系统100的长度。在一个或多个实施方式中，主要透过设计透镜110的非球面S3的曲率，而得到影像透镜系统100的有效焦距，如此一来，透镜110与透明板120之间的距离不会严重影响到影像透镜系统100的有效焦距。因此，透镜110可直接贴附于盖板玻璃，即透明板120，且在盖板玻璃与透镜110之间不存在任何空间。

此外，可藉由选择透镜110与透明板120的理想材料，而减少由单个非球面所造成的像差问题，理想材料具有理想的阿贝数，阿贝数与材料的色散有关，因此不需要在影像透镜系统100中设置其他具有非球面的光学元件以消除像差。因此，藉由整合透镜110与透明板120，可在不降低影像品质的状况下，缩小影像透镜系统100的尺寸。

图2为具有图1的影像透镜系统100的内视镜400的示意图。内视镜400的外侧表面410包含透明板120朝向物体200的表面S1。在场景/环境中的粘液可被阻挡在表面S1之外。

除了影像透镜系统100，内视镜400包含感测器300，感测器300用以撷取影像并将影像转为电讯号。感测器300可包含感测器盖板玻璃320以及感测器单元330，且感测器盖板玻璃320可保护感测器单元330免于损毁。

虽然，如图所示，内视镜400设计为接收来自图中下端的光线，但不应以此限制本发明的范围。内视镜400可设计为接收来自侧边的光线。内视镜400的配置在此仅简略地描述，不应以图中的细节而限制本发明的范围。

以下提供影像透镜系统100的一个实施方式，对照图1与图2。应注意的是，以下表一与表二中的详细数据并非用以限制本发明的范围，且在不脱离本发明的范围内，熟知该技术领域的人可适当地变更参数或设定。

表一

在表一中，表面1、表面2与表面3分别指表面S1、平面S2、非球面S3，即空气与透明板120的介面、透明板120与透镜110的介面、透镜110与空气的介面。表面4指空气与感测器盖板玻璃320的介面。表面5指感测器盖板玻璃320与感测器单元330的介面。表面OBJ与表面IMA分别指物体与像平面310的位置。

应注意的是，影像透镜系统100的孔径光阑130设置于表面1(表面S1)上。

曲率半径的正负号表示表面的方向。在本实施方式中，正的近轴曲率半径是指，具有正的近轴曲率半径的非球面朝向位于成像透镜的光轴上的物体侧弯曲；且负的近轴曲率半径是指，具有负的近轴曲率半径的非球面朝向位于成像透镜的光轴上的影像侧弯曲。

厚度指在两个邻近的表面之间沿着光轴A的直线距离。举例而言，表一中表面1的厚度是表面S1与平面S2/表面S2’之间沿着光轴A的直线距离；换句话说，表一中表面1的厚度表示透明板120的厚度。表一中表面2的厚度是平面S2/表面S2’与非球面S3之间沿着光轴A的直线距离，换句话说，表一中表面2的厚度表示透镜110的厚度。表一中表面3的厚度指透镜110和感测器盖板玻璃320之间的距离。表一中表4的厚度是感测器盖板玻璃320的厚度。

“型态”中提到的每个元件所对应的折射率和阿贝数可从每一列中找到对应的值。曲率半径、距离、阿贝数和其他表一中的参数以及影像透镜系统100的设计，完全满足以上叙述的条件。

以上的表面3(非球面S3)为非球面，并以下列公式表示：

$Z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+{\mathrm{\α}}_3{r}^6+{\mathrm{\α}}_4{r}^8+{\mathrm{\α}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{r}^{12}+{\mathrm{\α}}_7{r}^{14}+{\mathrm{\α}}_8{r}^{16}$

在该公式中，Z(r)为表面至顶点的凹陷距离或在光轴A的方向上的相关垂直线距离，c为密切球面的半径的倒数，例如接近光轴A的曲率半径的倒数(例如表一中非球面S3的曲率半径)，k为在表一中提过的圆锥系数，r为非球面的高度，例如透镜从中心至边缘的高度，以及α₁至α₈为非球面系数。在本实施方式中，系数α₁为0。表面3的其他参数α₂至α₈列于表二中。

表二

图3A至图3C为根据表一与表二的影像透镜系统的模拟结果。详细而言，图3A为图1的影像透镜系统的场曲率的影像光学模拟资料图。图3B为图1的影像透镜系统的畸变的影像光学模拟资料图。图3C为图1的影像透镜系统的横向光线扇形图的影像光学模拟资料图。

在图3A中，标记S的场曲率表示弧矢焦面，标记T的场曲率表示正切焦面。最大的场为40.826度。根据图3A与图3B可知，在本实施方式的影像透镜系统100中，多波长影像(例如650奈米、610奈米、550奈米、510奈米以及470奈米)的畸变是相似的，因此，影像透镜系统100的色像差是不明显的。更甚者，当影像透镜系统100的光圈设置于适当的直径时，弧矢与正切场曲率的差异微小，因此，影像透镜系统100可形成良好的成像品质。据此，影像透镜系统100可提供良好的成像品质，并维持其微小的尺寸，进而可适当地应用于内试镜中。

图3C为影像透镜系统100的横向光线扇形图。此横向光线扇形图展示位于像平面310之上或邻近像平面310的像差，其中像平面310是表一中的IMA表面。在IMA后方的标记数值表示感测器上的影像高度或场高度，每个图中的五条曲线分别表示影像的光的五个波长(例如650奈米、610奈米、550奈米、510奈米以及470奈米)。明显地，位于像平面310之上或邻近像平面310的这些像差，在近轴的光线下，是相似的且不明显的。这些图最大的标度为正负20微米。

在本实施方式中，由于影像透镜系统100的尺寸可以微小化至合适的尺寸，具有较长波长的光线的离轴像差，例如650奈米与610奈米，也可控制在影像透镜系统100内。因此，影像透镜系统100可提供良好的成像品质以及微小化的尺寸。

总而言之，根据本发明的多个范例性的实施方式，由于透镜与透明板的阿贝数以及影像透镜系统的有效焦距，可以降低畸变、场曲率以及离轴像差，且可以在不牺牲成像品质下，微小化影像透镜系统。

虽然本发明已以多种实施方式详细揭露如上，然仍有多个可行的其他实施方式。因此，所附的权利要求书的精神与范围不应受在此所含的实施方式的内容所限制。

任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可对本发明的结构作各种更动与润饰。有鉴于以上叙述，本发明涵盖的更动与润饰，皆在后附的权利要求书所界定范围之内。

【附图标记说明】

100：影像透镜系统

110：透镜

120：透明板

130：孔径光阑

132：开口

200：物体

300：感测器

310：像平面

320：感测器盖板玻璃

330：感测器单元

400：内视镜

410：外侧表面

A：光轴

D1：直径

D2：直径

W1：宽度

S1：表面

S2：平面

S2’：表面

S3：非球面

Claims (10)

1.一种影像透镜系统，包含：

一透镜，其设置于一物体与一感测器之间，其中该透镜包含朝向该物体的一平面以及朝向该感测器的一非球面；以及

一透明板，其与该透镜连接且设置于该物体与该透镜之间，其中该透镜的阿贝数在30至50的范围内，该透明板的阿贝数在40至60的范围内，且该影像透镜系统的一有效焦距在大约0.3毫米至大约0.4毫米之间。

2.如权利要求1所述的影像透镜系统，其中该透镜与该透明板的折射率皆在大约1.5至大约1.6之间。

3.如权利要求1所述的影像透镜系统，还包含一孔径光阑，其设置于该透明板朝向该物体的一表面。

4.如权利要求1所述的影像透镜系统，其中该平面连接该透明板。

5.如权利要求1所述的影像透镜系统，其中该透明板的厚度为0.2毫米至0.6毫米之间，且该透镜的厚度为0.1毫米至大约0.3毫米之间。

6.如权利要求1所述的影像透镜系统，其中该非球面为凸面的。

7.如权利要求1所述的影像透镜系统，其中该透明板为平面板。

8.如权利要求1所述的影像透镜系统，其中该影像透镜系统适用于一内视镜，且该内视镜的一外侧表面包含该透明板朝向该物体的一表面。

9.如权利要求1所述的影像透镜系统，其中该透镜与该透明板由不同材料所组成。

10.如权利要求1所述的影像透镜系统，其中该透镜与该透明板的折射率差异小于0.1。