TWI629045B - 透鏡模組及眼底相機 - Google Patents

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TWI629045B
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Abstract

一種透鏡模組包含從一眼底側至一成像側依序配置之一第一透鏡群組、一第二透鏡群組以及一第三透鏡群組。第一透鏡群組之有效焦距為正，且包含一第一鏡片，其朝向眼底側以及成像側之二個表面皆為凸面。第二透鏡群組之有效焦距為正或負，且包含多個第二鏡片，其中最靠近眼底側之第二鏡片之表面為凹面。第三透鏡群組之有效焦距為正，且包含多個第三鏡片，其中至少一第三鏡片為一膠合鏡片。上述透鏡模組可縮減整體的體積並能降低鬼影的形成。同時亦揭露一種包含上述透鏡模組之眼底相機。

Description

透鏡模組及眼底相機
本發明是有關一種透鏡模組及眼底相機，特別是一種體積小之手持式透鏡模組及眼底相機。
眼底觀測裝置之基本原理是將光源導入被觀察者的眼底，再藉由一成像系統將被觀察者的眼底成像於觀察者眼中或是相機之感光元件，例如底片或影像感測器。習知之眼底觀測裝置主要包含直接眼底鏡(Direct Ophthalmoscope)和間接眼底鏡(Indirect Ophthalmoscope)以及眼底照相機(Eye Fundus Camera)等。直接眼底鏡以及間接眼底鏡的主要差異為間接眼底鏡會先形成一中間像後，再成像於觀察者眼中或是相機之感光元件。而眼底相機則可記錄被觀察者之眼底影像，並容易傳遞以及保存。
然而，習知之眼底觀測裝置皆有各自的缺點需要克服。舉例而言，直接眼底鏡的觀測範圍約為5度上下，僅可以觀察視神經盤或是眼底中央凹的部分，且使用時觀測者以及被觀測者必須非常靠近。間接眼底鏡雖然觀測範圍較廣，除了可觀測視神經盤和中央凹外，還可以觀測到眼球微血管狀況，但是使用時觀測者以及被觀測者仍必須非常靠近。此外，直接眼底鏡以及間接眼底鏡皆無法記錄被觀測者之眼底影像。而眼底相機雖然具備觀測範圍較廣、可紀錄被觀測者之眼底影像以及使用時觀測者和被觀測者不須非常靠近等優點，但其體積過大，不易攜帶，且無法用於一些特殊人員，例如嬰兒、臥床或是行動不便的病患等。此外，目前手持式的眼底鏡或是眼底相機均無法提供固眼光(precision light)，以指引被觀測者 精準調整眼球角度，進而拍到不同區域的眼底。而桌上型之眼底相機則需要不小的空間。
綜上所述，提供一種具備上述優點且能縮減體積之眼底觀測裝置便是目前極需努力的目標。
本發明提供一種透鏡模組及眼底相機，其是將照明系統以及成像系統共用一組透鏡群組，因此可縮減整體的體積。此外，共用之透鏡群組為雙凸表面，其可降低共用之透鏡群組所反射之光線入射至成像系統，進而降低鬼影的產生。
本發明一實施例之透鏡模組用以會聚從一眼底反射之一影像光，該透鏡模組包含從一眼底側至一成像側依序同軸配置之一第一透鏡群組、一第二透鏡群組以及一第三透鏡群組，以及一第一發光元件。第一透鏡群組之有效焦距為正，且是由單一之一第一鏡片所組成，其朝向眼底側以及成像側之二個表面皆為凸面。第二透鏡群組之有效焦距為正或負，且包含多個第二鏡片，其中最靠近眼底側之第二鏡片之表面為凹面。第三透鏡群組之有效焦距為正，且包含多個第三鏡片，其中至少一第三鏡片為一膠合鏡片。第一發光元件設置於第一透鏡群組之成像側且光學上偏離透鏡模組之一光軸，第一發光元件用以產生直接照射於第一透鏡群組之一照明光，並經由第一透鏡群組會聚至眼底側之一角膜。
本發明另一實施例之眼底相機包含一影像感測模組以及一透鏡模組。影像感測模組用以感測光線以形成一影像。透鏡模組用以會聚從一眼底反射之一影像光至影像感測模組。透鏡模組包含從一眼底側至一成像側依序同軸配置之一第一透鏡群組、一第二透鏡群組以及一第三透鏡群組，以及一第一發光元件。第一透鏡群組之有效焦距為正，且是由單一之一第一鏡片所組成，其朝向眼底側以及成像側之二個表面皆為凸面。第二透鏡群組之有效焦距為正或負，且包含多個第二鏡片，其中最靠近眼底側之第二鏡片之表面為凹面。第三透鏡群組之有效焦距為正，且包含多個 第三鏡片，其中至少一第三鏡片為一膠合鏡片。第一發光元件設置於第一透鏡群組之成像側且光學上偏離透鏡模組之一光軸，第一發光元件用以產生直接照射於第一透鏡群組之一照明光，並經由第一透鏡群組會聚至眼底側之一角膜。
以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
10‧‧‧眼球
20‧‧‧影像感測模組
30‧‧‧顯示模組
40‧‧‧儲存模組
A‧‧‧光軸
EYE‧‧‧眼底側
G1‧‧‧第一透鏡群組
G2‧‧‧第二透鏡群組
G3‧‧‧第二透鏡群組
I1‧‧‧中間像
I2‧‧‧影像
I3‧‧‧中間像
IL‧‧‧照明光
IMG‧‧‧成像側
L1‧‧‧第一鏡片
L2‧‧‧第二鏡片
L3a‧‧‧第三鏡片
L3b‧‧‧第三鏡片
L3c‧‧‧第三鏡片
LSa‧‧‧第一發光元件
LSa1‧‧‧可見光發光二極體
LSa2‧‧‧紅外光發光二極體
LSb‧‧‧第二發光元件
O1‧‧‧光學元件
O2‧‧‧分光器
O3‧‧‧光學透鏡
PL‧‧‧固眼光
S1~S11‧‧‧表面
圖1為一示意圖，顯示本發明第一實施例之透鏡模組以及眼底相機。
圖2a以及圖2b為一示意圖，顯示照明光被本發明一實施例之透鏡模組中第一透鏡群組反射的情形。
圖3為一示意圖，顯示本發明第二實施例之透鏡模組。
圖4為一示意圖，顯示本發明第三實施例之透鏡模組。
圖5為一示意圖，顯示本發明第四實施例之透鏡模組。
圖6a為一示意圖，顯示本發明第五實施例之透鏡模組。
圖6b為一示意圖，顯示本發明第六實施例之透鏡模組。
請參照圖1，本發明之一實施例之透鏡模組是用以會聚從被觀測者眼球10之一眼底反射之一影像光而形成影像I2。本發明之透鏡模組包含從一眼底側EYE至一成像側IMG依序配置之一第一透鏡群組G1、一第二透鏡群組G2以及一第三透鏡群組G3。第一透鏡群組G1之有效焦距(effective focal length，EFL)為正，且包含一第一鏡片L1。第一鏡片L1朝向眼底側EYE以及成像側IMG之二個表面S1、S2皆為凸面。於一實施例中，第一透鏡群組G1可為單一鏡片或膠合鏡片。
接續上述說明，第二透鏡群組G2之有效焦距可為正或負，且包含多個第二鏡片L2，其中最靠近眼底側EYE之第二鏡片L2之表面S3 為凹面。第三透鏡群組G3之有效焦距為正，且包含多個第三鏡片，其中至少一第三鏡片為一膠合鏡片。舉例而言，圖1所示之實施例中，第三透鏡群組G3是由三個第三鏡片L3a、L3b、L3c所組成，而其中第三鏡片L3b為膠合鏡片。
請再參照圖1，於一實施例中，本發明之透鏡模組更包含一第一發光元件LSa，其設置於第一透鏡群組G1之成像側IMG且偏離透鏡模組之一光軸A。如圖1所示，第一發光元件LSa用以產生一照明光IL，且照明光IL經由第一透鏡群組G1會聚至眼底側EYE之一角膜。依據此架構，本發明之透鏡模組中之第一透鏡群組G1為成像系統以及照明系統所共用。而眼底所反射之影像光先經第一透鏡群組G1會聚後形成一中間像I1，再經第二透鏡群組G2以及第三透鏡群組G3而形成影像I2。影像I2可由觀測者直接觀察或是由一影像感測模組20感測而形成影像。
較佳者，第一發光元件LSa之設置位置以及眼球10之角膜之位置相對於第一透鏡群組G1符合物像關係。簡言之，第一發光元件LSa設置於第一透鏡群組G1之物體側(object side)，第一發光元件LSa所發出之照明光IL在眼球10之角膜(即成像側)會聚，並入射至眼球10之眼底。需注意者，此處所指之成像側為照明系統之成像側，與前述透鏡模組之成像側IMG並不相同。配合不同的光學設計，第一發光元件LSa之設置位置至第一鏡片L1朝向成像側IMG之表面S2之距離介於40mm至100mm。依據上述架構，第一發光元件LSa以及第一透鏡群組G1之間無需其它中繼透鏡(relay lens)，亦即不形成任何中間像，即可有效利用第一發光元件LSa所發出之照明光IL。
由於鏡片的製程無法達到完全穿透光線，因此照射在第一透鏡群組G1之照明光仍會有部分反射光反射至成像鏡頭，亦即第二透鏡群組G2，造成所謂的鬼影。請參照圖2a以及圖2b，本發明透鏡模組之第一透鏡群組G1採用雙凸結構的設計，當照明光IL在第一透鏡群組G1之表面S1反射時，由於表面S1相對於第一發光元件LSa為一凹面，因此對反射之照明光IL產生會聚作用。接著經凸面之表面S2折射，使反射之照明光 IL進一步收斂而在靠近第一透鏡群組G1側會聚，加大了反射之照明光IL的出光角度，使得入射至第二透鏡群組G2之反射照明光IL大幅降低，如圖2a所示。當照明光IL在第一透鏡群組G1之表面S2反射時，由於表面S1相對於第一發光元件LSa為一凸面，因此，反射之照明光IL將發散，亦使得入射至第二透鏡群組G2之反射照明光IL大幅降低，如圖2b所示。由上述說明可知，本發明透鏡模組之第一透鏡群組G1採用雙凸結構的設計可大幅降低鬼影的形成。此外，調整第一發光元件LSa之高度，亦即與光軸A之間的距離，可進一步降低鬼影的形成。
於一實施例中，依據不同的觀測需求，第一發光元件LSa可為可見光發光二極體或紅外光發光二極體。請參照圖3，於一實施例中，第一發光元件LSa可包含多個發光二極體，且多個發光二極體包含可見光發光二極體LSa1以及紅外光發光二極體LSa2。可見光發光二極體LSa1以及紅外光發光二極體LSa2的配置比例可依據實際需求加以設計。例如，第一發光元件LSa可為2個可見光發光二極體LSa1以及1個紅外光發光二極體LSa2。為了使第一發光元件LSa之設置位置以及眼球10之角膜之位置相對於第一透鏡群組G1符合物像關係，可見光發光二極體LSa1以及紅外光發光二極體LSa2能夠以上下並列的方式配置，亦即可見光發光二極體LSa1以及紅外光發光二極體LSa2與光軸A之距離不同，如圖3所示。或者，可見光發光二極體LSa1以及紅外光發光二極體LSa2能夠以左右並列的方式配置，亦即可見光發光二極體LSa1以及紅外光發光二極體LSa2與光軸A之距離實質上相同。需注意者，可見光發光二極體LSa1以及紅外光發光二極體LSa2亦可上下或左右對調的方式或環形對稱等方式配置。
請參照圖4，於一實施例中，本發明之透鏡模組更包含一光學元件O1，其設置於第一透鏡群組G1以及第一發光元件LSa之間。光學元件O1可用以偏折照明光IL後入射至第一透鏡群組G1。舉例而言，光學元件O1可為偏光鏡(polarizer)、稜鏡(prism)或分光器(beam splitter)等。如圖4所示，經由光學元件O1偏折紅外光發光二極體LSa2所發出之照明光，紅外光發光二極體LSa2之設置位置可等同於可見光發光二極體LSa1之設 置位置，不僅距離相同，且在同一物體平面上。如此，紅外光發光二極體LSa2之照明範圍能夠與可見光發光二極體LSa1之照明範圍極為相近。
請參照圖5，於一實施例中，本發明之透鏡模組更包含一第二發光元件LSb，其用以產生一固眼光(precision light)PL。固眼光PL經由一分光器O2反射，再經第一透鏡群組G1會聚至眼底側EYE之一角膜，其中第二發光元件LSb之設置位置經由分光器O2反射後，等同於透鏡模組之中間像I1之位置。依據此架構，第二發光元件LSb所發出之固眼光PL可入射至眼球20之眼底，以使觀測者藉由點亮特定位置之第二發光元件LSb供被觀測者注視，以固定被觀測者之眼球角度。
請參照圖6a以及圖6b，於一實施例中，本發明之透鏡模組更包含一光學透鏡O3，其設置於第二發光元件LSb以及分光器O2之間。光學透鏡O3用以會聚第二發光元件LSb所產生之固眼光PL以形成一中間像，其位置等同於透鏡模組之中間像I1之位置。舉例而言，請參照圖6a，第二發光元件LSb所產生之固眼光PL經光學透鏡O3會聚後，在分光器O2之前形成一中間像I3。中間像I3之位置經由分光器O2反射後，等同於透鏡模組之中間像I1之位置。或者，請參照圖6b，第二發光元件LSb所產生之固眼光PL經光學透鏡O3會聚，並經分光器O2反射後形成中間像，其位置即為透鏡模組之中間像I1之位置。由上述可知，藉由適當之設計，用以反射固眼光PL之分光器O2可設置於透鏡模組之中間像I1之眼底側EYE或成像側IMG。
以下，以具體實施例說明本發明之透鏡模組。請參照表1，其定義圖1所示之透鏡模組之各項參數。表1中之表面編號對應圖1所示之每一鏡片之表面，其中表面S7為一光闌之表面；厚度則是該表面朝成像側IMG方向至下一表面於光軸A上之距離。舉例而言，表面S1之厚度欄位中之數值表示表面S1至表面S2於光軸A上之距離；表面S11之距離欄位則表示表面S11至影像I2之距離。表1中以星號註記之表面表示其為非球面曲面。
非球面曲面可由以下方程式表示：
其中，c為近軸曲率，r為從光軸A至鏡片表面之距離，z為非球面曲面上r的點至非球面曲面的頂點切平面(垂直於光軸A之平面)的距離，k為楕球係數，α1-8為係數。非球面曲面之各項係數如表2所示，表2未示之係數α1、α7、α8則為0。
請再參照圖1，本發明一實施例之眼底相機包含一影像感測模組20以及一透鏡模組，其包含一第一透鏡群組G1、一第二透鏡群組G2 以及一第三透鏡群組G3。透鏡模組之詳細結構如前所述，在此不再贅述。影像感測模組20則用以感測光線以形成一影像。圖1所繪製之影像I2與影像感測模組20之間保留一間隙僅是為了易於理解。實際應用時之設計，影像I2應位於影像感測模組20之感測表面上。
於一實施例中，本發明之眼底相機更包含一顯示模組30，其與影像感測模組20電性連接。顯示模組30可直接顯示影像I2，如此，觀測者無須貼近被觀測者即可觀察眼底影像。於一實施例中，本發明之眼底相機更包含一儲存模組40，其與影像感測模組20電性連接。儲存模組40用以儲存影像感測模組20所擷取之影像I2作為記錄，以利後續比較復原的情況。
綜合上述，本發明之透鏡模組及眼底相機將其中一組透鏡群組與照明系統共用，因此照明系統無須額外設置光學透鏡，而可有效縮減整體的體積，以利攜帶以及應用於遠距醫療。此外，共用之透鏡群組為雙凸表面設計，其可降低共用之透鏡群組所反射之光線入射至成像系統，進而降低鬼影的產生。又，固眼光亦使用相同之透鏡群組，而無須額外設置，因此，本發明之透鏡模組及眼底相機作為手持式裝置之應用時，仍可提供固眼光，以協助被觀測者之眼球轉動至特定的角度，而有利觀測者的觀察眼底的情況。
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。

Claims (18)

  1. 一種透鏡模組，其用以會聚從一眼底反射之一影像光，該透鏡模組包含從一眼底側至一成像側依序同軸配置之一第一透鏡群組、一第二透鏡群組以及一第三透鏡群組，以及一第一發光元件；其中該第一透鏡群組之有效焦距為正，且是由單一之一第一鏡片所組成，該第一鏡片朝向該眼底側以及該成像側之二個表面皆為凸面；該第二透鏡群組之有效焦距為正或負，且包含多個第二鏡片，其中最靠近該眼底側之該第二鏡片之表面為凹面；該第三透鏡群組之有效焦距為正，且包含多個第三鏡片，其中至少一該第三鏡片為一膠合鏡片；以及該第一發光元件設置於該第一透鏡群組之該成像側且光學上偏離該透鏡模組之一光軸，該第一發光元件用以產生直接照射於該第一透鏡群組之一照明光，並經由該第一透鏡群組會聚至該眼底側之一角膜。
  2. 如請求項1所述之透鏡模組，其中該第一發光元件之設置位置以及該角膜之位置相對於該第一透鏡群組符合物像關係。
  3. 如請求項2所述之透鏡模組，更包含：一光學元件，其設置於該第一透鏡群組以及該第一發光元件之間，用以偏折該照明光入射至該第一透鏡群組。
  4. 如請求項3所述之透鏡模組，其中該光學元件包含偏光鏡、稜鏡或分光器。
  5. 如請求項1所述之透鏡模組，其中該第一發光元件包含多個發光二極體，且該多個發光二極體包含可見光發光二極體以及紅外光發光二極體至少其中之一。
  6. 如請求項1所述之透鏡模組，其中該第一發光元件之設置位置至該第一鏡片朝向該成像側之該表面之距離介於40mm至100mm。
  7. 如請求項1所述之透鏡模組，更包含：一第二發光元件，其用以產生一固眼光，該固眼光經由一分光器反射 以及該第一透鏡群組會聚至該眼底側之一角膜，其中該第二發光元件之設置位置等同於該透鏡模組之一第一中間像之位置。
  8. 如請求項7所述之透鏡模組，更包含：一光學透鏡，其設置於該第二發光元件以及該分光器之間，其中該第二發光元件所產生之該固眼光經由該光學透鏡會聚形成一第二中間像，且該第二中間像之位置等同於該透鏡模組之該第一中間像之位置。
  9. 一種眼底相機，包含：一影像感測模組，其用以感測光線以形成一影像；以及一透鏡模組，其用以會聚從一眼底反射之一影像光至該影像感測模組，該透鏡模組包含從一眼底側至一成像側依序同軸配置之一第一透鏡群組、一第二透鏡群組以及一第三透鏡群組，以及一第一發光元件；其中該第一透鏡群組之有效焦距為正，且是由單一之一第一鏡片所組成，該第一鏡片朝向該眼底側以及該成像側之二個表面皆為凸面；該第二透鏡群組之有效焦距為正或負，且包含多個第二鏡片，其中最靠近該眼底側之該第二鏡片之表面為凹面；該第三透鏡群組之有效焦距為正，且包含多個第三鏡片，其中至少一該第三鏡片為一膠合鏡片；以及該第一發光元件設置於該第一透鏡群組之該成像側且光學上偏離該透鏡模組之一光軸，該第一發光元件用以產生直接照射於該第一透鏡群組之一照明光，並經由該第一透鏡群組會聚至該眼底側之一角膜。
  10. 如請求項9所述之眼底相機，其中該第一發光元件之設置位置以及該角膜之位置相對於該第一透鏡群組符合物像關係。
  11. 如請求項10所述之眼底相機，更包含：一光學元件，其設置於該第一透鏡群組以及該第一發光元件之間，用以偏折該照明光入射至該第一透鏡群組。
  12. 如請求項11所述之眼底相機，其中該光學元件包含偏光鏡、稜鏡或分光器。
  13. 如請求項9所述之眼底相機，其中該第一發光元件包含多個發光二極 體，且該多個發光二極體包含可見光發光二極體以及紅外光發光二極體至少其中之一。
  14. 如請求項9所述之眼底相機，其中該第一發光元件之設置位置至該第一鏡片朝向該成像側之該表面之距離介於40mm至100mm。
  15. 如請求項9所述之眼底相機，更包含：一第二發光元件，其用以產生一固眼光，該固眼光經由一分光器反射以及該第一透鏡群組會聚至該眼底側之一角膜，其中該第二發光元件之設置位置等同於該透鏡模組之一第一中間像之位置。
  16. 如請求項15所述之眼底相機，更包含：一光學透鏡，其設置於該第二發光元件以及該分光器之間，其中該第二發光元件所產生之該固眼光經由該光學透鏡會聚形成一第二中間像，且該第二中間像之位置等同於該透鏡模組之該第一中間像之位置。
  17. 如請求項9所述之眼底相機，更包含：一顯示模組，其與該影像感測模組電性連接，用以顯示該影像。
  18. 如請求項9所述之眼底相機，更包含：一儲存模組，其與該影像感測模組電性連接，用以儲存該影像。
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