TWI438489B - 影像擷取系統 - Google Patents

Description

影像擷取系統

本發明是關於一種影像擷取系統，尤係關於一種能夠縮小系統體積與提升照明效率之影像擷取系統。

影像擷取技術中，尤其是應用於生物腔體的影像擷取技術，因生物腔體內部無光源提供照明，且生物腔體的開口通常較小，因此必須提供一適當的外部照明能夠通過腔體的開口且提供足夠亮度的照明光線，使成像系統擷取腔體內部反射的成像光線，以清楚且準確地觀察或拍攝腔體內部的影像。

一習知技術為一照明系統中利用一環型中空反射鏡用以反射一光源的光線並搭配透鏡組使照明光線能夠進入腔體的開口，成像光經過環型中空反射鏡的中空區域以成像，然而一般光源的發光強度分佈為藍伯特(Lambertian)分布或高斯(Gaussian)分布，其中央部份強度較強，環型中空反射鏡將無法將光源中央部份的光線反射提供照明，造成照明的效率不佳。

另一習知技術為提供一照明系統，其利用一點光源搭配一反射鏡與透鏡組將照明光線聚焦至腔體的開口上，再藉由與照明系統離軸設置的成像系統擷取出腔體的成像光以成像。雖然解決了照明效率不佳的問題，但由於照明系統與成像系統為離軸設置，因此使用的光學部件數量較多，製造成本提高。另外系統體積與長度也將會增加，限制系統的視角度(field of view)，無法設計成大視角及大光圈的系統，且照明與成像的視野不同，降低拍攝的準確性。

綜上所述，如何有效縮減系統體積並有效提升光學效率便是目前極需努力的目標。

本發明係提供一種影像擷取系統，利用透鏡物像關係設置光源位置，使照明光能夠充分進入腔體內部大幅提升照明效率，並將成像與照明的元件整合在一系統中，可達成縮小體積，節省成本的優勢。

依據本發明之一實施例之影像擷取系統，用以擷取具有一開口之一腔體之一影像，其影像擷取系統包含一第一透鏡組、一光源以及一成像模組。其中第一透鏡組定義一焦距、一第一光軸位置以及一第二光軸位置，其中，第一光軸位置以及第二光軸位置位於第一透鏡組之相對側之一光軸上，並滿足以下關係：

其中，D1為第一光軸位置至第一透鏡組之距離，D2為第二光軸位置至第一透鏡組之距離，f為焦距，且該第一光軸位置至該第一透鏡組之距離大於該第一透鏡組的焦距；光源偏離第一透鏡組之光軸設置，且光源至第一透鏡組之距離大於焦距且小於第一光軸位置至第一透鏡組之距離。光源與第一透鏡組光學耦合並提供一照明光，其中照明光通過第一透鏡組並匯聚於腔體內部之後發散，以照明腔體的內面。成像模組設置於光軸上，用以接受腔體之表面所反射之一成像光，以形成影像。

本發明上述及其他態樣、特性及優勢可由附圖及實施例之說明而可更加了解。

請同時參考圖1以及圖2，圖1為示意圖顯示依據本發明一實施例之影像擷取系統；圖2為本發明一實施例之影像擷取系統中決定光源設置的位置的示意圖。本發明之影像擷取系統用以擷取具有一開口11之一腔體1的影像。以下的說明中所使用的上、下、左、右等方位敘述僅依照圖示上的相關位置描述，以方便說明，非用以限定本發明。 本發明一實施例之影像擷取系統包含：一第一透鏡組20、一光源30以及一成像模組40。其中第一透鏡組20的焦點F具有一焦距f、一光軸X通過第一透鏡組20，並在光軸X上定義一第一光軸位置A以及一第二光軸位置B，其中，第一光軸位置A以及第二光軸位置B位於第一透鏡組20之相對側，並滿足以下關係：

D1>f,D2>f...式2

可以理解的是，式1為透鏡成像公式，其中，D1為第一光軸位置A至第一透鏡組20之距離，D2為第二光軸位置B至第一透鏡組20之距離。光源30包含至少一點光源，可為一發光二極體或一發光光纖，其偏離光軸X設置，且光源30至第一透鏡組20之距離大於焦距f且小於第一光軸位置A至第一透鏡組20之距離，較佳者，第一光軸位置A至第一透鏡組20之距離D1大於二倍的焦距f，腔體1設置於第一透鏡組20的左側且腔體1的開口11至第一透鏡組20之距離實質上等於第二光軸位置B至第一透鏡組20之距離D2。

接續上述，光源30與第一透鏡組20光學耦合並提供一照明光301，其中照明光301通過第一透鏡組20並匯聚於腔體1內部之後發散，以照明腔體1內部之一表面12。成像模組40設置於光軸X上，於一實施例中，成像模組40包含一第二透鏡組41與一影像感測元件42，成像模組40用以接受腔體1之表面12所反射之一成像光302，成像光302依序通過腔體1之開口11、第一透鏡組20以及第二透鏡組41達到影像感測元件42，以形成影像。其中影像感測元件42可為一電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)、互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)感測器、軟片(film)或以上之組合。於一實施例中，成像模組40更包含一光闌43，其設置於第一透鏡組20與光源30之間，用以限制光軸X外的光線進入成像模組40。可以理解的是，第一透鏡組20及/或第二透鏡組41可為變焦透鏡組，用以調整焦距以清楚形成影像。

請同時參考圖1與圖3，圖3為本發明一實施例之影像擷取系統之第一光學偏極片與第二光學偏極片之示意圖。如圖1所示，於一實施例中，本發明之影像擷取系統更包含一第一光學偏極片71、一第二光學偏極片72。其中，第一光學偏極片71設置於光源30與第一透鏡組20之間並與照明光301光學耦合，以偏極化照明光301；第二光學偏極片72設置於成像模組40與第一透鏡組20之間並與成像光302光學耦合，以偏極化成像光302。第一光學偏極片71與第二光學偏極片72的極化方向不同，舉例來說，第一光學偏極片71為一水平方向偏極片而第二光學偏極片72為一垂直方向偏極片，光源30透過第一光學偏極片71發出且經由第一透鏡組20反射至成像模組40方向的光線，其偏極化方向與第二光學偏極片72之偏極化方向相差90度，將無法通過第二光學偏極片72，而僅允許與第二光學偏極片72極化方向相同的成像光302通過，因此可提升影像品質。如圖3所示，於一實施例中，第一光學偏極片71可環設於第二光學偏極片72周圍，但不以此為限。可以理解的是，第一光學偏極片71可與光源30整合為一模組，用以發出具有一特定極化方向的照明光301。

於一實施例中，更包含一濾光片，其與光源30光學耦合，用以發出特定波長範圍的照明光301，或者於另一實施例中，濾光片可與成像模組40光學耦合，使成像模組40僅接收一波長範圍的成像光302。較佳者，如圖1所示，於一實施例中，更包含兩濾光片80、81分別設置與照明光301與成像光302光學耦合，舉例來說，於圖1的實施例中，濾光片80設置於光源30與第一光學偏極片71之間；濾光片81設置於成像模組40的第二透鏡組41與影像感測元件42之間，但不以此為限。濾光片80、81用以濾除一波長範圍的光線。根據光源30與腔體1的表面12特性，僅讓特定波長的照明光301與成像光302通過，提升應用範圍與影像品質。

本發明之影像擷取系統中決定光源設置的位置的方式請參考圖2與以下說明，要注意的是，為方便說明，圖2中省略成像模組40之圖示。假設第二光軸位置B上具有一像高r的成像I，則由式1的透鏡成像公式可以得知在第一光軸位置A的方向上具有一虛擬的物O，此物O的頂點定義為一離軸位置C，而離軸位置C至光軸X之投影位置為第一光軸位置A，離軸位置C與第一光軸位置A距離即為物O的高度，其值為像高r乘以第一透鏡組20的放大率。

假設物O於離軸位置C發出一第一光錐501的光線，第一光錐501包含一第一光錐的上緣光線5011與一第一光錐的下緣光線5012，其中第一光錐的上緣光線5011與第一透鏡組20交於一第一光學邊界201；第一光錐的下緣光線5012與第一透鏡組20交於一第二光學邊界202，其中離軸位置C與第一光學邊界201位於光軸X之相對側，而第一光學邊界201與第二光學邊界202位於光軸X之相對側。要說明的是，第一光學邊界201與第二光學邊界202是指第一透鏡組20可對光源30所發出之光線產生光學作用的邊界，例如第一透鏡組20能與第一光軸位置A的物O光學耦合，並在第二光軸位置B形成成像I。

接續上述，物O於第一光軸位置A發出一第二光錐502的光線，第二光錐502包含一第二光錐的上緣光線5021與一第二光錐的下緣光線5022，其分別與第一透鏡組20交於第一光學邊界201與第二光學邊界202。光源30將設置於離軸位置C以及第一透鏡組20之第一光學邊界201之連線與第一光軸位置A與第一透鏡組20之第二光學邊界202之連線的交點E。設置於交點E的光源30發出的照明光301便會涵蓋第一透鏡組20之第一光學邊界201與第二光學邊界202之間的範圍，即照明光301沿著第一光錐的上緣光線5011、第二光錐的下緣光線5022與第一透鏡組20光學耦合，並於第一透鏡組20的焦點F與腔體1內部的表面12之間匯聚，而非匯聚於第一光軸位置A或第一透鏡組20的焦點F，因此成像I的高度小於開口內徑的二分之一，照明光301即能夠充分進入腔體1內部大幅提升照明效率。

另外，由圖2可知，照明光301沿著第一光錐的上緣光線5011的路徑與第一透鏡組20光學耦合後偏折的角度較照明光301沿著第二光錐的下緣光線5022的路徑與第一透鏡組20光學耦合後偏折的角度小，因此照明光301於第二光軸位置B與照明光301於腔體1內匯聚的交點之間距離光軸X的最高高度的變化較小，使得照明光301可以有較大的前後移動容許度，即腔體1的開口11設置於此範圍之間皆可讓照明光301充分進入腔體1內部。可以理解的是，本發明之影像擷取系統中可根據腔體1的開口11大小，在垂直光軸X的方向上調整光源30設置的位置(交點E)，當交點E的位置距離光軸X較遠時，可以使用大角度及大光圈的成像模組40。因為本發明之影像擷取系統將負責成像與照明的元件整合在一系統中，可達成縮小體積，節省成本的優勢。另外，腔體1可為眼部，開口11為瞳孔，腔體1亦可為耳鼻喉部、皮膚、腹腔、胃腔...等等等器官。本發明之影像擷取系統可以廣泛地應用於內視鏡(光管型或是膠囊型)、生物顯微攝影等領域或任何等級的數位醫療攝影系統。

另外，光源30的照明光301是直接與第一透鏡組20光學耦合，所以並不會因為光源30偏離光軸X設置而使亮度不均勻，進而提升照明效率。也因為光源30偏離光軸X設置，所以也不會存在成像時會產生鬼影的問題。於一實施例中，腔體1的開口11對稱光軸X，且開口11的開口內徑大小為二倍的像高r，照明光301通過開口11的截面二分之一的範圍。較佳者，光源30可為一環型光源，如圖4A所示，其為依據本發明一實施例之影像擷取系統之光源之示意圖，光源30可為複數個環型排列之發光二極體31，其對稱光軸X設置，照明光301將充分涵蓋開口11，提供均勻的照明，照明光301並在腔體1內匯聚成一環狀光斑之後發散照明腔體1的內部。可以理解的是，上述的環型光源亦可由複數個發光光纖環狀排列設置，於其他實施例中，光源30更包含一環狀的導光元件(未圖示)，形成一環型光源。於另一實施例中，本發明之影像擷取系統更包含一反射裝置60，如圖4B所示，其中光源30為環型光源，反射裝置60可為一中空的反射罩，其與光源30光學耦合，用以將光源30所發出之光線反射至第一透鏡組20，提升照明效率。

綜合上述，本發明之影像擷取系統中，根據第二光軸位置上的物體與第一透鏡組光學耦合後，在第一光軸位置成像的第一光錐與第二光錐的邊緣的交點以決定光源設置的離軸位置。光源為離軸設置且所發出的照明光直接與第一透鏡組光學耦合，因此無鬼影以及照明亮度不均勻的問題。照明光通過第一透鏡組之後匯聚腔體內部，於腔體的開口處提供充分的照明，大幅提升照明效率。另外，設置於離軸位置的光源可以有較大的前後移動容許度，並且本發明之影像擷取系統將負責成像與照明的元件整合在一系統中，可達成縮小體積，節省成本的優勢。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1．．．腔體

11．．．開口

12．．．表面

20．．．第一透鏡組

201．．．第一光學邊界

202．．．第二光學邊界

30．．．光源

301．．．照明光

302．．．成像光

31．．．發光二極體

40．．．成像模組

41．．．第二透鏡組

42．．．影像感測元件

43．．．光闌

60．．．反射裝置

71．．．第一光學偏極片

72．．．第二光學偏極片

80、81．．．濾光片

501．．．第一光錐

5011．．．第一光錐的上緣光線

5012．．．第一光錐的下緣光線

502．．．第二光錐

5021．．．第二光錐的上緣光線

5022．．．第二光錐的下緣光線

A．．．第一光軸位置

B．．．第二光軸位置

C．．．離軸位置

F．．．焦點

f．．．焦距

r．．．像高、內徑

X．．．光軸

I．．．成像

O．．．物

E．．．交點

D1．．．第一光軸位置至第一透鏡組之距離

D2．．．第二光軸位置至第一透鏡組之距離

圖1為依據本發明一實施例之影像擷取系統之示意圖。

圖2為依據本發明一實施例之醫療影像擷取系統中決定光源設置的位置的示意圖。

圖3為依據本發明一實施例之影像擷取系統之第一光學偏極片與第二光學偏極片之示意圖。

圖4A為依據本發明一實施例之影像擷取系統之光源之示意圖。

圖4B為依據本發明一實施例之影像擷取系統之光源之示意圖。

1．．．腔體

11．．．開口

12．．．表面

20．．．第一透鏡組

30．．．光源

301．．．照明光

302．．．成像光

40．．．成像模組

41．．．第二透鏡組

42．．．影像感測元件

43．．．光闌

71．．．第一光學偏極片

72．．．第二光學偏極片

80、81．．．濾光片

A．．．第一光軸位置

B．．．第二光軸位置

F．．．焦點

f．．．焦距

X．．．光軸

D1．．．第一光軸位置至第一透鏡組之距離

D2．．．第二光軸位置至第一透鏡組之距離

Claims (9)

1. 一種影像擷取系統，用以擷取具有一開口之一腔體之一影像，該影像擷取系統包含：一第一透鏡組，其定義一焦點、一第一光軸位置以及一第二光軸位置，其中，該第一光軸位置以及該第二光軸位置位於該第一透鏡組之相對側之一光軸上，並滿足下列關係： 其中，D1為該第一光軸位置至該第一透鏡組之距離，D2為該第二光軸位置至該第一透鏡組之距離，f為第一透鏡組的焦距，且該第一光軸位置至該第一透鏡組之距離大於該第一透鏡組的焦距；一光源，其偏離該第一透鏡組之該光軸設置，且該光源至該第一透鏡組之距離大於該焦距且小於該第一光軸位置至該第一透鏡組之距離，該光源與該第一透鏡組光學耦合並提供一照明光，其中該照明光通過該第一透鏡組並匯聚於該腔體內部之後發散，以照明該腔體的內面；以及一成像模組，其設置於該光軸上，用以接受該腔體的內面所反射之一成像光，以形成該影像。
2. 如請求項1所述之影像擷取系統，其中該光源設置於一離軸位置以及該第一透鏡組之一第一光學邊界之連線與該第一光軸位置與該第一透鏡組之一第二光學邊界之連線的交點，其中，該離軸位置以及該第一光學邊界位於該光軸之相對側；該離軸位置偏離該光軸，且該離軸位置至該光軸之投影位置為該第一光軸位置。
3. 如請求項1所述之影像擷取系統，其中該成像模組包含一第二透鏡組與一影像感測元件，該成像光依序通過該腔體之該開口、該第一透鏡組以及該第二透鏡組達到該影像感測元件，其中該影像感測元件包含一電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)、互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)感測器、軟片(film)或以上之組合。
4. 如請求項3所述之影像擷取系統，其中該第二透鏡組為一變焦透鏡 組，其中該成像模組更包含一光闌，用以限制該光軸外的光線進入該成像模組。
5. 如請求項1所述之影像擷取系統，更包含：一第一光學偏極片，其設置於該光源與該第一透鏡組之間，用以偏極化該照明光；以及一第二光學偏極片，其設置於該成像模組與該第一透鏡組之間，用以偏極化該成像光，其中該第一光學偏極片與該第二光學偏極片的極化方向不同。
6. 如請求項1所述之影像擷取系統，更包含至少一濾光片，其設置與該照明光或該成像光至少其中任一光學耦合，用以濾除一波長範圍的光線。
7. 如請求項1所述之影像擷取系統，其中該光源包含至少一點光源或一環型光源。
8. 如請求項1所述之影像擷取系統，其中該光源包含一發光二極體、複數個環型排列之發光二極體或一發光光纖。
9. 如請求項1所述之影像擷取系統，更包含一反射裝置，其與該光源光學耦合，用以將該光源所發出之光線反射至該第一透鏡組。