TWI521242B - An optical filter element that corrects spectral aberration - Google Patents

Description

可修正光譜像差之光學濾波元件

本發明是有關於一種可修正光譜像差之光學濾波元件，尤指一種可在任何光學成像、照明與投影之系統上使用，並於不破壞原系統之光學水準下，同步實現光學波長之選擇、光場強度之控制、場型調制及修正光譜像差，進而增進光學影像中色度與明度之均勻性及正確性，而達到有效降低量測誤差之功效者。

按，光學濾片(optical filter)是一種廣泛而普及的光學元件，其功能為針對寬頻的光源，進行特定光學波長的截取。

一般而言，常見的光學濾片設計有分為高通濾片（long-pass filter）、低通濾片(low-pass filter)、帶通濾片(band-pass filter)等；該高通濾片即為僅使較高波長的光通行，阻絕了低波長的光。低通濾片則反之，僅使較低波長的光通行，而阻絕了高波長的光，而該帶通濾片則是上述兩者之混合，僅讓特定波長範圍內的光通行。此外，亦有些其他光學濾片的設計，如帶阻濾片(band-reject filter)、中性濾片（Neutral density filter, ND filter）或雷射純化型濾片（laser line filter）等等。經由這類各式濾片的混合使用，可有效地應用於廣泛的光學量測技術之上，尤其在螢光成像的技術方面，更擔任了舉足輕重的重要角色，而一般的濾片，玻璃業者往往將之製作為平坦、厚度固定之圓或方形之產品，使其可易於使用於各式光學系統之中。

在一般可見的無限共軛光學系統中（如光學複顯微鏡），光學濾片被置於接近平行光的光路位置，以提供均勻穩定的光學激發與收光，以常見的螢光顯微鏡為例，標準之濾片方體放於無限共軛的物鏡後端，並插置在與準直光源路徑交會的區域，而激發濾片（Exciter filter）接收了光源透過收斂鏡組勻化後的白光，並濾出激發樣品螢光的波長光源。經由雙色鏡片（Dichroic mirror）而反射之螢光樣品，成功激發出螢光之後，該散射之螢光返回雙色鏡片後，因其波長較高而形成通行，其原理即為高通低反之濾片設計，最後，為避免雜散的激發光有機會入射感測器，有一道阻隔濾片（Barrier filter）存在，用以獲取乾淨的螢光訊息，以便於完成最後的螢光顯微成像，由此範例可見濾片組合在光學應用上的重要性與技術彈性，由於光學顯微鏡之成像對於光路需求非常苛刻，是以亦可得見濾片置放位置之重要性，若此濾片方體置於其他非平行光之位置，勢必對螢光影像會有嚴重之干擾。

而在常見的有限共軛光學系統中（如光學照相機），濾片一般被置相機鏡頭之前端，常見的有有色玻璃(colored glass)、減光鏡（ND filter）或偏振片(Polarizer)等，其目的為純粹擔任感測器收光前最後濾光之工作，以拍攝所想要的光學資訊。而在螢光量測時，其激發光的光學路徑通常並不會與相機共路徑，而會在樣品端以側向或背向的方式照明螢光物質，而螢光激發後以散射的光學方式表現，而相機鏡頭直接收取螢光而於感測器進行成像。在相機對焦於無限遠的情形下，光學影像本身並不會受到濾片的干擾；然而，若是聚焦於近物，或是拍攝超廣角照片時，所截取的影像本身便會有問題產生，原因來自光源通過濾片的光學路徑長度（Optical path length）不一致，這在拍攝一般生活用的照片時感覺差異不大，但應用於科學研究領域時，就有可能造成相當的誤差。

常見的光學濾片有三種型態，一為吸收型濾片（Absorbing filter）、一為薄膜干涉型濾片(Interference filter)、一為偏振型濾片（Polarization filter）；該吸收型濾片乃利用一般玻璃摻雜了金屬離子或特殊化合物，藉其吸收或散射而造成通過光的波長被部分濾除，根據比爾-朗伯特-博格定律(Beer-Lambert-Bouguer law) ，吸收型材料之穿透光譜與其材料厚度有對數之強度變化關係；該薄膜干涉型濾片則利用1/4光波長厚度的多層膜疊合，利用光學干涉原理而形成濾波功能；而該偏振型濾片則藉特殊材料之物理特性，改變光場之空間分布，這三者的濾波功能皆對光於材料內行走的光程路徑異相當敏感，吸收型濾片可以想像為若其厚度越厚，則光於材料間遭遇到的散射或吸收離子便越多，因此穿透的光能量越小，波長被截止的範圍就越廣，薄膜干涉型濾片則可視為因光入射角的改變而造成光程迥異於原設計之厚度，因此原料想的濾波頻譜範圍也將發生偏移的情況，而偏振型濾片也是因為光的入射角並非垂直入射而導致了光程的不同，解偏現象於是形成，而發生了消光頻譜變形的現象。

因此，無論是何種光學濾片，其光學性質皆與光於材料內行走的光學路徑長度有關，針對一個平坦而厚度固定的標準濾片，若欲得到一個完美均勻的穿透光譜，其光源必須亦為完美準直之光源，或是該濾片只能置於無限共軛的光學系統的中端區域，在無限共軛的光學系統內，由於濾片被置於近似平行光之光路位置，因此並不會有太大的影響。然而在有限共軛的光學環境內，若光源並非準直光，而為發散光(Diverging beams)或收斂光(Converging Beams)，則必會因為光程差（Optical path difference）的存在，而導致光通過濾片時，在中間與邊緣有光譜、光強與光場不同的問題，易言之，將發生穿透光譜的不均勻現象。若以濾片的光軸做為標準，理論上，濾片的邊緣會出現暗角、光譜偏移和光場變形現象，此現象應可視之為一種光譜像差(Spectrum Aberration)。

為解決習用之種種缺失，本案之發明人特潛心研究，開發出一種「可修正光譜像差之光學濾波元件」，以有效改善習用之缺點。

本發明之主要目的係在於，可在任何光學成像、照明與投影之系統上使用，並於不破壞原系統之光學水準下，同步實現光學波長之選擇、光場強度之控制、場型調制及修正光譜像差，進而增進光學影像中色度與明度之均勻性及正確性，而達到有效降低量測誤差之功效。

為達上述之目的，本發明係一種可修正光譜像差之光學濾波元件包含有：一濾片透鏡，係可改變穿透光，並可消除不同角度的光入射時所形成的光程差，以作為光譜像差之修正。

於本發明之一實施例中，該濾片透鏡係具有改變光強、光譜範圍或調制光場分布之特性，而其材料至少可由多層之介電質薄膜、SiO₂ 參雜之玻璃材質、偏振晶體或聚合物材質所組成。

於本發明之一實施例中，該濾片透鏡可為單層鏡片或多層鏡片。

於本發明之一實施例中，該濾片透鏡至少可為球面鏡或非球面鏡之形狀。

於另一實施例中本發明可修正光譜像差之光學濾波元件包含有：一濾片透鏡、以及一設於濾片透鏡一側之曲光透鏡；該濾片透鏡可改變穿透光，並可消除不同角度的光入射時所形成的光程差，以作為光譜像差之修正，而該曲光透鏡，係可改變穿透光之傳遞方向，且可準直及修正光束之方向進行成像，並可修正濾片透鏡所造成之色像差。

於本發明之一實施例中，該濾片透鏡係具有改變光強、光譜範圍或調制光場分布之特性，而其材料至少可由多層之介電質薄膜、SiO₂ 參雜之玻璃材質、偏振晶體或聚合物材質所組成。

於本發明之一實施例中，該濾片透鏡可為單層鏡片或多層鏡片。

於本發明之一實施例中，該濾片透鏡至少可為球面鏡或非球面鏡之形狀。

於本發明之一實施例中，該曲光透鏡至少可由SiO₂ 參雜之玻璃材質或聚合物之中性材質所組成。

於本發明之一實施例中，該曲光透鏡可為單層鏡片或多層鏡片。

於本發明之一實施例中，該曲光透鏡至少可為球面鏡或非球面鏡之形狀。

於本發明之一實施例中，該曲光透鏡可用於修正濾片透鏡所造成之任何光學色像差。

１‧‧‧可修正光譜像差的光學濾波元件
１１‧‧‧濾片透鏡
１２‧‧‧曲光透鏡
２‧‧‧被攝物件
３‧‧‧通過濾片透鏡的發散光束
４‧‧‧被準直光束
５‧‧‧相機鏡頭
６‧‧‧來自被攝物件的發散光束
７０‧‧‧顯微鏡光源端之燈絲
７１‧‧‧光源
７２‧‧‧會聚透鏡
７３‧‧‧微小樣品
７４‧‧‧顯微物鏡
７５‧‧‧顯微目鏡
７６‧‧‧感光元件
８０‧‧‧投影系統之光源
８１‧‧‧數位/類比的光處理器
８２‧‧‧調制光
８３‧‧‧投影光學鏡片組
８４‧‧‧投影屏幕
a‧‧‧中心厚度
b‧‧‧工作距離
c‧‧‧鏡片兩面的曲率半徑
d‧‧‧發散光束的發散角
e‧‧‧光學路徑長度
f‧‧‧理想設計曲線
g‧‧‧低成本之設計辦法
h1‧‧‧光發散角度15度時之光譜曲線
h2‧‧‧光發散角度30度時之光譜曲線
h3‧‧‧光發散角度45度時之光譜曲線
h4‧‧‧光發散角度60度時之光譜曲線
i1‧‧‧使用濾片透鏡的情況下，相機感光元件在對角線上所獲得紅光色階數值曲線
i2‧‧‧使用傳統固定厚度之濾片的情況下，相機感光元件對角線上所獲得紅光色階數值曲線
j1‧‧‧使用濾片透鏡的情況下，相機感光元件在對角線上所獲得綠光色階數值曲線
j2‧‧‧使用傳統固定厚度之濾片的情況下，相機感光元件對角線上所獲得綠光色階數值曲線

第1圖，係本發明之典型組成應用於微距相機攝影之實施例示意圖。

第2圖，係本發明濾片透鏡之工作原理示意圖。

第3圖，係本發明顯示濾片透鏡之曲率半徑於鏡片之示意圖。

第4-1圖及第4-2圖，係本發明適當曲率半徑之濾片透鏡修正光譜像差之理論結果示意圖。

第5-1圖~第5-4圖，係本發明應用於數位單眼相機鏡頭上之實際實驗結果示意圖。

第6圖，係本發明可修正光譜像差之光學濾波元件應用於標準顯微成像系統上之實施例示意圖。

第7圖，係本發明可修正光譜像差之光學濾波元件應用於投影光學系統上之實施例示意圖。

請參閱『第1圖~第5-4圖』所示，係分別為本發明之典型組成應用於微距相機攝影之實施例示意圖、本發明濾片透鏡之工作原理示意圖、本發明顯示濾片透鏡之曲率半徑於鏡片之示意圖、本發明適當曲率半徑之濾片透鏡修正光譜像差之理論結果示意圖及本發明應用於數位單眼相機鏡頭上之實際實驗結果示意圖。如圖所示：本發明係一種可修正光譜像差之光學濾波元件1可直接以濾片透鏡11為之，或是包含有一濾片透鏡11以及一曲光透 鏡12所構成。

上述所提之濾片透鏡11係可改變穿透光，並可消除不同角度的光入射時所形成的光程差，以作為光譜像差之修正，其中該濾片透鏡11係具有改變光強、光譜範圍或調制光場分布之特性，而其材料至少可由多層之介電質薄膜、SiO₂參雜之玻璃材質、偏振晶體或聚合物材質所組成，而該濾片透鏡11可為單層鏡片或多層鏡片，且該濾片透鏡11至少可為球面鏡或非球面鏡之形狀。

該曲光透鏡12係設於濾片透鏡11一側(例如：可設於濾片透鏡11之前端)，係可改變穿透光之傳遞方向，且可準直及修正光束之方向進行成像，並可修正濾片透鏡11所造成之任何光學色像差，其中該曲光透鏡12至少可由SiO₂參雜之玻璃材質或聚合物之中性材質所組成，而該曲光透鏡12可為單層鏡片或多層鏡片，且該曲光透鏡12至少可為球面鏡或非球面鏡之形狀，並該曲光透鏡12可視光學需求進行不同形狀之改變，至少包含顯微、微距、廣角與望遠等之其他光學目的成像。如是，藉由上述之結構構成一全新之可修正光譜像差之光學濾波元件。

當本發明於運用時，係可藉由至少各一片之濾片透鏡11與曲光透鏡12依光學系統之使用需求與目的，進行任意的鏡片排列或組合，且其使用方式至少應用於相機或顯微鏡之光學成像系統、相機或顯微鏡之光譜分析系統、投影、照明系統的光譜均勻化、偏振光學之量測系統或樣品基板形狀。

而該曲光透鏡12能增加光學成像之放大倍率以提供微距攝影之功能，並準直來自被攝物件2且通過濾片透鏡11之發散光束3，以及修正濾片透鏡１１所造成之任何色像差；該濾片透鏡１１則具有光學濾波之物理特性，可因鏡片材料來選擇或控制通過光束的波長範圍、光場強度與偏振等等，並藉其不同的曲面結構，來達成適當光譜像差之修正；而後，被準直光束４將進入一般相機鏡頭５，再至感光元件完成成像，經由上述之至少兩片鏡片之組成與搭載至一般之相機鏡頭上，即能同步達成微距光學成像、濾光、調制光與光譜像差修正之目的。

然該濾片透鏡１１之工作原理（如第２圖所示）其中該中心厚度a為濾片透鏡１１位於光軸上之厚度，而工作距離b則為鏡片之標準工作距離，當來自被攝物件２之發散光束６進入到濾片透鏡１１時，將會因濾片透鏡１１之材料與環境折射率的不同而發生介面折射現象，若濾片透鏡１１兩面的曲率半徑c經過適當之設計，則無論發散光束的發散角d為何，光於濾片透鏡１１內行走之光學路徑長度e皆可等值於中心厚度a，這代表一發散光束６進入到濾片透鏡１１時，將無光程差之存在，意即穿透濾片透鏡１１之光的光學性質將非常均勻，不會發生光強不同、光譜偏移或光場變形之狀況。

再由第３圖所示，其係顯示濾片透鏡１１的曲率半徑於鏡片設計上之實施例；為符合任何發散角之光束進入濾片透鏡１１後都能有相同之光學路徑長度，濾片透鏡１１之曲率半徑需經過非常精準的計算，圖中之縱軸為濾片透鏡１１兩面曲率半徑的不同長度數值，橫軸為發散光束之不同角度數值，依據理論之計算，能完美滿足零光程差的鏡片需符合理想設計曲線f，意即濾片透鏡１１兩面的曲率半徑需隨著發散光束的發散角的變大而變大，這代表濾片透鏡１１需製作為一非球面之形狀，而在成本考量與製作可行性的情況下，應亦可適當挑選一個不隨發散光束的發散角而改變之固定數值的曲率半徑，即低成本之設計辦法g，來達到雖不完全但相對仍足優異之光譜像差之修正，而符合此條件之濾片透鏡１１則為一球面形狀。

第４-１圖為一發散光束通過傳統之固定厚度濾片的穿透光譜圖，而第４-２圖為一發散光束通過濾片透鏡１１的穿透光譜圖；此兩圖的橫軸為波長，縱軸為歸一化之穿透光強度，曲線h1、h2、h3、h4分別代表光發散角度為15度、30度、45度與60度時之光譜曲線，比對左右兩圖可得知，傳統固定厚度之濾片的穿透光譜會隨著光發散角的不同而有明顯不同，而濾片透鏡１１則不會有此問題，由此結論可提供此創作之理論證據。

第５-１圖～第５-４圖顯示該光學濾波元件１１應用於一般單眼相機鏡頭上之實際實驗結果之一，第５-１圖為使用傳統固定厚度之濾片搭配曲光透鏡所拍攝之照片，第５-２圖為使用可修正光譜像差之光學濾波元件１所拍攝之照片，兩種濾波材料為相同之高通玻璃，其截止波長位於530 nm，經由此兩影像之比對，可見第５-１圖有較嚴重的暗角與邊緣色偏，因此，可得知本發明濾片透鏡１１相比傳統固定厚度之濾片能提供顯著的光譜像差修正。而為求定量化實驗結果，足夠的同類型照片被取樣並取其總數值統計，以做為確切的數值比對證據，第５-３圖與第５-４圖分別表示在相機感光元件對角線上所獲得的平均紅光(R)與綠光(G)色階頻譜，圖中的橫軸為相機感光元件於對角線上之各畫素點位置，縱軸為平均之色階數值，而藍光(G)頻譜在此並無顯示，是因為此高通濾片已濾擋波長530 nm以下之光源，因此數值恆為零。曲線i1與曲線j1表示在使用濾片透鏡１１的情況下、相機感光元件在對角線上分別所獲得紅光(R)與綠光(G)色階數值曲線，曲線i2與曲線j2表示在使用傳統固定厚度之濾片的情況下、相機感光元件對角線上分別所獲得紅光(R)與綠光(G)色階數值曲線。此實驗結果顯示出，曲線i1與j1在邊緣區域相對比曲線i2與j2平坦，這意謂了使用濾片透鏡１１時將使數位單眼相機獲得更一致的光譜穿透率。

請參閱『第６圖』所示，係為可修正光譜像差之光學濾波元件應用於標準顯微成像系統上之實施例。如圖所示：當顯微鏡光源端之燈絲７０發出光源７１後，經會聚透鏡７２將之會聚後照明於微小樣品７３上，若在入射微小樣品７３之前已有濾光之需求，可於顯微鏡光源之燈絲７０與會聚透鏡７２之間置入可修正光譜像差之光學濾波元件１，或者在該微小樣品７３與會聚透鏡７２之間插入一可修正光譜像差之光學濾波元件１，其仍具該濾片之原本功能且能修正光強不同、光譜偏移、光場變形或色像差之問題。

當微小樣品７３經照明後，可由顯微物鏡７４進行收光，其光束將接著傳送至顯微目鏡７５進行會聚，而於感光元件７６進行成像，若於顯微物鏡７４與顯微目鏡７５之間已無空間再置入任何光學濾片元件，則此時在該微小樣品７３與顯微物鏡７４之間、或顯微目鏡７５與感光元件７６之間，皆可以插入一可修正光譜像差之光學濾波元件１，來進行其濾光功能，且能修正光強不同、光譜偏移、光場變形或色像差之問題，此一可修正光譜像差之光學濾波元件１的置放位置可位於顯微鏡中任何非準直光束的光路區域，其可與專門置於準直光束的光路區域的一般濾片交叉搭配，或以任意方式混合使用，如產偏與解偏的光學偏振片、螢光多波長濾片方體等等。以在有限的光路空間內，達成任何期待的光學量測目的，並降低因光於材料內的光程差所造成的任何光學誤差。

請參閱『第７圖』所示，係為可修正光譜像差之光學濾波元件應用於投影光學系統上之實施例。如圖所示：投影系統之光源８０出射光束後經過數位/類比的光處理器８１後，調制光８２藉投影光學鏡片組８３而將影像投射至投影屏幕８４，類同第６圖之光路概念，其光學系統內可於任何非準直光之光路區域置入可修正光譜像差之光學濾波元件１，以使其具濾片之原始功能且能修正光強不同、光譜偏移、光場變形或色像差之問題，或者增添特殊之光學目的，如擴束、增倍等等。

其中，該數位/類比的光處理器８１亦可以純粹之物體、圖罩或影像取代，而可修正光譜像差之光學濾波元件１亦應可被包含於數位/類比的光處理器８１中之一部分，或是投影光學鏡片組８３中之一部分；此外，數位/類比的光處理器８１可為穿透式或反射式元件，例如類比液晶元件或數位微鏡組元件，是以第７圖的示意不單包含以數位/類比的光處理器８１為穿透形式之光路架構，亦應包含了以數位/類比的光處理器８１為反射形式之光路架構。

故，由上述各項之敘述可知，本發明之曲光透鏡１２可裝置於任何光學系統中的適合區域，提供額外之光學功能，或者用來修正因濾片透鏡１１之存在所造成的任何光學色像差。而濾片透鏡１１則裝置於曲光透鏡１２上，其功能為取代傳統之各式光學濾片，以其鏡片結構來補償非準直光束於進入介質後的路程，進而消除光程差之存在，因而可以有效消除光譜像差，提供良好而均勻的穿透光譜資訊。且對應不同的光學系統可各別調整鏡片數量與設計以達到最優化，而本發明應根據使用需求，將之包含於如成像、光譜、照明、投影、偏振、基板構造等系統或元件上之應用。

綜上所述，本發明可修正光譜像差之光學濾波元件可有效改善習用之種種缺點，可在任何光學成像、照明與投影之系統上使用，並於不破壞原系統之光學水準下，同步實現光學波長之選擇、光場強度之控制、場型調制及修正光譜像差，進而增進光學影像中色度與明度之均勻性及正確性，而達到有效降低量測誤差之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧可修正光譜像差之光學濾波元件

11‧‧‧濾片透鏡

12‧‧‧曲光透鏡

2‧‧‧被攝物件

3‧‧‧通過濾片透鏡的發散光束

4‧‧‧被準直光束

5‧‧‧相機鏡頭

Claims (12)

1. 一種可修正光譜像差之光學濾波元件，包括有：
   一濾片透鏡， 係可改變穿透光，並可消除不同角度的光入射時所形成的光程差，以作為光譜像差之修正。
2. 依申請專利範圍第１項所述之可修正光譜像差之光學濾波元件，其中，該濾片透鏡係具有改變光強、光譜範圍或調制光場分布之特性，而其材料至少可由多層之介電質薄膜、SiO₂ 參雜之玻璃材質、偏振晶體或聚合物材質所組成。
3. 依申請專利範圍第１或第２項所述之可修正光譜像差之光學濾波元件，其中，該濾片透鏡可為單層鏡片或多層鏡片。
4. 依申請專利範圍第１或第２項所述之可修正光譜像差之光學濾波元件，其中，該濾片透鏡至少可為球面鏡或非球面鏡之形狀。
5. 一種可修正光譜像差之光學濾波元件，包括有：
   一濾片透鏡，係可改變穿透光，並可消除不同角度的光入射時所形成的光程差，以作為光譜像差之修正；以及
   一曲光透鏡，係設於濾片透鏡一側，係可改變穿透光之傳遞方向，且可準直及修正光束之方向進行成像，並可修正濾片透鏡所造成之色像差。
6. 依申請專利範圍第５項所述之可修正光譜像差之光學濾波元件，其中，該濾片透鏡係具有改變光強、光譜範圍或調制光場分布之特性，而其材料至少可由多層之介電質薄膜、SiO₂ 參雜之玻璃材質、偏振晶體或聚合物材質所組成。
7. 依申請專利範圍第５或第６項所述之可修正光譜像差之光學濾波元件，其中，該濾片透鏡可為單層鏡片或多層鏡片。
8. 依申請專利範圍第５或第６項所述之可修正光譜像差之光學濾波元件，其中，該濾片透鏡至少可為球面鏡或非球面鏡之形狀。
9. 依申請專利範圍第５項所述之可修正光譜像差之光學濾波元件，其中，該曲光透鏡至少可由SiO₂ 參雜之玻璃材質或聚合物之中性材質所組成。
10. 依申請專利範圍第５或第９項所述之可修正光譜像差之光學濾波元件，其中，該曲光透鏡可為單層鏡片或多層鏡片。
11. 依申請專利範圍第５或第９項所述之可修正光譜像差之光學濾波元件，其中，該曲光透鏡至少可為球面鏡或非球面鏡之形狀。
12. 依申請專利範圍第５或第９項所述之可修正光譜像差之光學濾波元件，其中，該曲光透鏡可用於修正濾片透鏡所造成之任何光學色像差。