TWI551882B - 影像透鏡系統 - Google Patents

Description

影像透鏡系統

本發明是關於一種影像透鏡系統。

一般而言，內視鏡包含一系列的透鏡，用以將場景的影像從內視鏡之遠端傳遞至近端，讓設在近端的影像感測器擷取影像。某些黏液，例如胃酸或食糜，可能存在於內視鏡所使用的環境中。為了保護透鏡免於污染並確保光的入射，內視鏡包含在透鏡與場景之間的蓋板玻璃，如此一來，在場景/環境中的黏液可被蓋板玻璃阻擋，且光可通過蓋板玻璃而傳遞至透鏡。

然而，蓋板玻璃可能無法與透鏡有效地整合。舉例而言，部份透過蓋板玻璃的光可能無法通過透鏡。此外，由於蓋板玻璃的尺寸以及透鏡與蓋板玻璃之間的距離，內視鏡可能具有較大的長度與寬度，而不利於內視鏡的微小化。蓋板玻璃與透鏡的配置值得改善。

本發明是關於一種應用於內視鏡的影像透鏡系統。

根據本發明之一實施方式，影像透鏡系統包含透鏡與透明板。透鏡設置於物體與感測器之間，且透鏡包含朝向物體之平面以及朝向感測器之非球面。透明板與透鏡連接且設置於物體與透鏡之間。透鏡之阿貝數在30至50的範圍內，透明板之阿貝數在40至60的範圍內，且影像透鏡系統之有效焦距在大約0.3毫米至大約0.4毫米之間。

基於以上敘述，根據本發明之多個範例性的實施方式，由於透鏡與透明板之阿貝數以及影像透鏡系統之有效焦距，影像透鏡系統具有良好的成像品質以及小尺寸。

應了解到，前面的概述與以下的詳細說明皆為例示，用以進一步解釋所申請專利範圍所主張的發明。

100‧‧‧影像透鏡系統

110‧‧‧透鏡

120‧‧‧透明板

130‧‧‧孔徑光闌

132‧‧‧開口

200‧‧‧物體

300‧‧‧感測器

310‧‧‧像平面

320‧‧‧感測器蓋板玻璃

330‧‧‧感測器單元

400‧‧‧內視鏡

410‧‧‧外側表面

A‧‧‧光軸

D1‧‧‧直徑

D2‧‧‧直徑

W1‧‧‧寬度

S1‧‧‧表面

S2‧‧‧平面

S2’‧‧‧表面

S3‧‧‧非球面

第1圖為根據本發明之一實施方式之影像透鏡系統之結構示意圖。

第2圖為具有第1圖之影像透鏡系統之內視鏡之示意圖。

第3A圖為第1圖之影像透鏡系統之場曲之影像光學模擬資料圖。

第3B圖為第1圖之影像透鏡系統之畸變之影像光學模擬資料圖。

第3C圖為第1圖之影像透鏡系統之橫向光線扇形圖之影像光學模擬資料圖。

詳細參照本發明之多個實施方式，其中多個實施方式之實施例將搭配圖式以詳細說明。盡可能地，圖式與說明敘述中使用相同的標號用以標示相同或相似的元件。

第1圖為根據本發明之一實施方式之影像透鏡系統100之結構示意圖。影像透鏡系統100包含透鏡110與透明板120。透鏡110設置於物體200與感測器300之間，且透鏡110包含朝向物體200之平面S2以及朝向感測器300之非球面S3。透明板120與透鏡110連接，且透明板120設置於物體200與透鏡110之間。於本實施方式中，透鏡110之阿貝數(Abbe Number)在30至50的範圍內，透明板120之阿貝數在40至60的範圍內，且影像透鏡系統100之有效焦距(Effective Focal Length；EFL)在大約0.3毫米至大約0.4毫米之間。

於一或多個實施方式中，非球面S3為凸面的。經過非球面S3的光可以被聚集至感測器300之像平面310上。非球面S3的曲率在大約-0.17毫米至大約-0.20毫米之間，以產生前述之影像透鏡系統100之有效焦距。

透明板120可包含朝向物體200之表面S1與相對於表面S1之表面S2’。於一或多個實施方式中，表面S2’與透鏡110之平面S2連接，而使透明板120與透鏡110連接。平面S2、非球面S3、表面S1以及表面S2’沿著光軸A而設置。

於一或多個實施方式中，透明板120可以是平面板，適用於內視鏡的封裝。舉例而言，在晶圓級的透鏡製程中，具有透鏡110與透明板120的影像透鏡系統100可以是從具有 多個微透鏡的平面透明基板上所切割而來的多塊之一，但這也不應用以限制本發明。於部份實施方式中，透明板120可以是適用於內視鏡封裝之彎折板或透鏡。透明板120可以是內視鏡的蓋板玻璃，且透明板120可保護透鏡110免於污染並確保光線入射。

於一或多個實施方式中，表面S1或表面S2’小於透鏡110之平面S2。詳細而言，平面S2之直徑D1長於表面S1或表面S2’之寬度W1。換句話說，光通過透明板120的尺寸小於光通過透鏡110的尺寸。

於一或多個實施方式中，透鏡110與透明板120之折射率差異小於0.1。於部份實施方式中，透鏡110與透明板120之折射率皆在大約1.5至大約1.6之間。此相似的折射率可以降低不同材料之間的反射，且也可防止當光經過透鏡110與透明板120的介面時的全反射(Total Internal Reflection)。因此，藉由降低介面所造成的反射，可以改善影像亮度。於部份實施方式中，透鏡110與透明板120可由相同材料或不同材料所組成，例如透明玻璃、樹脂等等。

於一或多個實施方式中，透明板120的厚度為0.2毫米至0.6毫米之間，且透鏡110的厚度為0.1毫米至大約0.3毫米之間。

於一或多個實施方式中，影像透鏡系統100包含孔徑光闌130，設置於透明板120之表面S1上。孔徑光闌130可以控制影像透鏡系統100的入光量。於本實施方式中，孔徑 光闌130的開口132具有直徑D2，直徑D2小於表面S1之寬度W1，但這不應用以限制本發明之範圍。

傳統上，相較於透鏡的最小孔徑尺寸，蓋板玻璃通常配置有較大的孔徑尺寸，因此部份通過蓋板玻璃的光線無法通過透鏡系統。於本實施方式中，由於光通過透明板120的尺寸小於光通過透鏡110的尺寸，因此可降低影像透鏡系統100的寬度，且通過透明板120的光可實質上通過透鏡110。換句話說，影像透鏡系統100的寬度不受限於蓋板玻璃的尺寸。

除了降低影像透鏡系統100的寬度之外，可以藉由設計非球面而降低影像透鏡系統100的長度。於一或多個實施方式中，主要透過設計透鏡110之非球面S3的曲率，而得到影像透鏡系統100的有效焦距，如此一來，透鏡110與透明板120之間的距離不會嚴重影響到影像透鏡系統100的有效焦距。因此，透鏡110可直接貼附於蓋板玻璃，即透明板120，且在蓋板玻璃與透鏡110之間不存在任何空間。

此外，可藉由選擇透鏡110與透明板120之理想材料，而減少由單個非球面所造成的像差問題，理想材料具有理想的阿貝數，阿貝數與材料的色散有關，且因此不需要在影像透鏡系統100中設置其他具有非球面的光學元件以消除像差。因此，藉由整合透鏡110與透明板120，可在不降低影像品質的狀況下，縮小影像透鏡系統100的尺寸。

第2圖為具有第1圖之影像透鏡系統100之內視鏡400之示意圖。內視鏡400之外側表面410包含透明板120朝向 物體200之表面S1。在場景/環境中的黏液可被阻擋在表面S1之外。

除了影像透鏡系統100，內視鏡400包含感測器300，感測器300用以擷取影像並將影像轉為電訊號。感測器300可包含感測器蓋板玻璃320以及感測器單元330，且感測器蓋板玻璃320可保護感測器單元330免於損毀。

雖然，如圖所示，內視鏡400是設計以接收來自圖中下端的光線，但不應以此限制本發明之範圍。內視鏡400可設計以接收來自側邊的光線。內視鏡400的配置在此僅簡略地描述，不應以圖中的細節而限制本發明之範圍。

以下提供影像透鏡系統100之一實施方式，對照第1圖與第2圖。應注意的是，以下表一與表二中的詳細數據並非用以限制本發明之範圍，且在不脫離本發明之範圍內，熟知該技術領域之人可適當地變更參數或設定。

在表一中，表面1、表面2與表面3分別指表面S1、平面S2、非球面S3，即空氣與透明板120的介面、透明板120與透鏡110的介面、透鏡110與空氣的介面。表面4指空氣與感測器蓋板玻璃320的介面。表面5指感測器蓋板玻璃320與感測器單元330的介面。表面OBJ與表面IMA分別指物體與像平面310的位置。

應注意的是，影像透鏡系統100之孔徑光闌130是設置於表面1(表面S1)上。

曲率半徑的正負號表示表面的方向。於本實施方式中，正的近軸曲率半徑意指，具有正的近軸曲率半徑的非球面朝向在成像透鏡之光軸上的物體側彎曲，且負的近軸曲率半徑意指，具有負的近軸曲率半徑的非球面朝向在成像透鏡之光軸上的影像側彎曲。

厚度指在兩個鄰近的表面之間沿著光軸A的直線距離。舉例而言，表一中表面1的厚度是表面S1與平面S2/表面S2’之間沿著光軸A的直線距離；換句話說，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’與非球面S3之間沿著光軸A的直線距離，換句話說，表一中表面2的厚度表示透鏡110的厚度。表一中表面3的厚度指透鏡110和感測器蓋板玻璃320之間的距離。表一中表4的厚度是感測器蓋板玻璃320的厚度。

「型態」中提到的每個元件，其對應的折射率和阿貝數可從每一列中找到對應的值。曲率半徑、距離、阿貝數 和其他表一中的參數以及影像透鏡系統100的設計，完全滿足以上敘述的條件。

以上的表面3(非球面S3)為非球面，並以下列公式表示：

在公式中，Z(r)為表面至頂點的之凹陷距離或在光軸A的方向上的相關垂直線，c為密切球面的半徑的倒數，例如接近光軸A之曲率半徑的倒數(例如表一中非球面S3的曲率半徑)，k為在表一中提過的圓錐係數，r為非球面之高度，例如透鏡從中心至邊緣的高度，以及α₁至α₈為非球面係數。於本實施方式中，係數α₁為0。表面3之其他參數α₂至α₈列於表二中。

第3A圖至第3C圖為根據表一與表二之影像透鏡系統之模擬結果。詳細而言，第3A圖為第1圖之影像透鏡系統 之場曲之影像光學模擬資料圖。第3B圖為第1圖之影像透鏡系統之畸變之影像光學模擬資料圖。第3C圖為第1圖之影像透鏡系統之橫向光線扇形圖之影像光學模擬資料圖。

在第3A圖中，標記S的場曲表示弧矢焦面，標記T的場曲表示正切焦面。最大的場為40.826度。根據第3A圖與第3B圖可知，在本實施方式之影像透鏡系統100中，多波長影像(例如650奈米、610奈米、550奈米、510奈米以及470奈米)的畸變是相似的，因此，影像透鏡系統100的色像差是不明顯的。更甚者，當影像透鏡系統100的光圈設置於適當的直徑時，弧矢與正切場曲的差異微小，因此，影像透鏡系統100可形成良好的成像品質。據此，影像透鏡系統100可提供良好的成像品質，並維持其微小的尺寸，進而可適當地應用於內試鏡中。

第3C圖為影像透鏡系統100之橫向光線扇形圖。此橫向光線扇形圖展示位於像平面310之上或鄰近像平面310的像差，其中像平面310是表一中的IMA表面。在IMA後方之標記數值表示感測器上的影像高度或場高度，每個圖中的五條曲線分別表示影像的光的五個波長(例如650奈米、610奈米、550奈米、510奈米以及470奈米)。明顯地，位於像平面310之上或鄰近像平面310的這些像差，在近軸的光線下，是相似的且不明顯的。這些圖最大的標度為正負20微米。

本實施方式中，由於影像透鏡系統100的尺寸可以微小化至合適的尺寸，具有較長波長的光線的離軸像差，例如650奈米與610奈米，也可控制在影像透鏡系統100內。因 此，影像透鏡系統100可提供良好的成像品質以及微小化的尺寸。

總而言之，根據本發明之多個範例性的實施方式，由於透鏡與透明板的阿貝數以及影像透鏡系統的有效焦距，可以降低畸變、場曲以及離軸像差，且可以在不犧牲成像品質下，微小化影像透鏡系統。

雖然本發明已以多種實施方式詳細揭露如上，然仍有多個可行的其他實施方式。因此，所附之申請專利範圍之精神與範圍不應受在此所含的實施方式之內容所限制。

任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可對本發明之結構作各種之更動與潤飾。有鑒於以上敘述，本發明涵蓋之更動與潤飾，皆在後附之申請專利範圍所界定範圍之內。

100‧‧‧影像透鏡系統

110‧‧‧透鏡

120‧‧‧透明板

130‧‧‧孔徑光闌

132‧‧‧開口

200‧‧‧物體

300‧‧‧感測器

310‧‧‧像平面

A‧‧‧光軸

D1‧‧‧直徑

D2‧‧‧直徑

W1‧‧‧寬度

S1‧‧‧表面

S2‧‧‧平面

S2’‧‧‧表面

S3‧‧‧非球面

Claims (10)

1. 一種影像透鏡系統，包含：一透鏡，設置於一物體與一感測器之間，其中該透鏡包含朝向該物體之一平面以及朝向該感測器之一非球面；以及一透明板，與該透鏡連接且設置於該物體與該透鏡之間，其中該透鏡之阿貝數在30至50的範圍內，該透明板之阿貝數在40至60的範圍內，且該影像透鏡系統之一有效焦距在大約0.3毫米至大約0.4毫米之間。
2. 如請求項1所述之影像透鏡系統，其中該透鏡與該透明板的折射率皆在大約1.5至大約1.6之間。
3. 如請求項1所述之影像透鏡系統，更包含一孔徑光闌，設置於該透明板朝向該物體之一表面。
4. 如請求項1所述之影像透鏡系統，其中該透鏡之該非球面於該透明板鄰近該物體之一表面的投影大於該透明板鄰近該物體之該表面。
5. 如請求項1所述之影像透鏡系統，其中該透明板的厚度為0.2毫米至0.6毫米之間，且該透鏡的厚度為0.1毫米至大約0.3毫米之間。
6. 如請求項1所述之影像透鏡系統，其中該非球面為凸面的。
7. 如請求項1所述之影像透鏡系統，其中該透明板為平面板。
8. 如請求項1所述之影像透鏡系統，其中該影像透鏡系統適用於一內視鏡，且該內視鏡之一外側表面包含該透明板朝向該物體之一表面。
9. 如請求項1所述之影像透鏡系統，其中該透鏡與該透明板由不同材料所組成。
10. 如請求項1所述之影像透鏡系統，其中該透鏡與該透明板之折射率差異小於0.1。