TWI794928B - 可變變焦成像裝置以及光學成像系統 - Google Patents

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Abstract

本案揭露一種可變變焦成像裝置，i)複數成像光學器件，經配置以在一目標的一影像區域中形成一影像，目標位於一目標區域；ii)一可調孔徑光闌，調節地設定用於由成像光學器件所形成的影像的一數值孔徑NA；iii)一電子偵測器，包括位於影像區域的複數偵測器元件的一陣列，以偵測影像；以及iv)一影像處理電路，耦接電子偵測器，以根據來自偵測器元件中至少一些偵測元件的複數信號產生一數位表示。對於由可調孔徑光闌所設定的影像的複數不同數值孔徑中的每一個，影像處理電路產生具有目標的一不同倍率m的數位表示。

Description

可變變焦成像裝置以及光學成像系統
本發明是有關於一種可變變焦成像裝置，特別是有關於一種與高解析度光學感測器一起使用的光學成像系統，其能以具有成本效益的方式時限高品質以及可變變焦。
光學成像系統在位於目標區域的目標的影像區域(通常在影像平面上)中形成一影像。光學成像系統包括一個或多個光學成像元件，例如透鏡或曲面鏡。在幾何光學的架構內，每個光學成像元件的特性及其相對於彼此的位置以及每個目標和影像區域共同導致，從目標區域的每個點發出的光線在影像區域中的一相應點處重新組合，從而形成該影像。因此，光學成像系統在影像區域中產生光的空間分佈，其對應於在目標區域中的目標的空間特徵。具體而言，該影像對應於目標空間特徵如何以不同的方式影響(例如，反射、透射、繞射、散射、和/或衰減)入射光。在一些情況下，環境光照射目標以產生由光學成像系統所捕獲的光線，因而形成該影像，而在其他情況下，一照明源專門用於產生照明光線並產生該影 像。被成像到影像區域的目標區域中的複數點的空間範圍稱為物場(object field)，類似地，在該影像中的複數點的空間範圍稱為像場(image field)。
一般而言，光學成像系統能夠重現像場中的一小特徵的程度，係取決於光學成像系統的像側數值孔徑(image-side numerical aperture)NA，其對應於在影像區域的每一點處由光學成像系統重新組合的光線在成像區域的角度範圍。例如，像側數值孔徑NA可以表示為n．sinθ，其中，θ是入射到影像區域的最傾斜光線(即邊緣光線)與光軸形成的夾角，其中，n是緊鄰影像區域之前的介質的折射率。光學成像系統的孔徑光闌(aperture stop)是系統中的元件，其透過防止超出此角度範圍的任何光線到達影像區域來設定此數值孔徑NA。
光學成像系統的關於影像區域中的影像之倍率m'是在影像區域的影像中各個特徵的橫向尺寸相對於目標的橫向尺寸而增加(或減小)程度的度量。因此，舉有橫向尺寸D的目標的特徵將在橫向尺寸等於m'．D的影像中重現。通常，希望提供具有可由使用者選擇的不同倍率範圍的光學成像系統。例如，在以較低的倍率m' 1 觀看在大物場上方的目標後，使用者可能希望以更大的倍率m' 2 觀看該物場的子集，即，使用者可能想要“縮放”進入目標區域的子集。提供從m'=m' min 的最小倍率到m'=m' max 的最大倍率變化的不同倍率m’的成像系統，定義了變焦比(zoom ratio)z=m'/m' min 和最大變焦比z max =m' max /m' min 。具有z max >1規格的光學成像系統可以 稱為可變變焦系統。
傳統上，可變變焦光學系統包括一種系統，其具有一個或多個光學成像元件，光學成像元件相對於彼此移動以提供可變倍率，以及包括另一種系統，其具有轉座，用以將數個不同光學模組中之一者插入光路徑中以提供可變倍率。在光學上，這種可變倍率是透過固定像側數值孔徑同時減小物場和增加物側數值孔徑來實現的。
為了獲得和儲存由光學成像系統所產生的目標影像的數位表示，可以將具有偵測器元件陣列的光學感測器(本文也稱為“偵測器”或“相機”)定位在影像區域。每個偵測器元件產生一電信號，其對應於入射到該偵測器元件的光強度的量度(或在一些情況下，對於光的多個顏色中的每一者，入射到該偵測器元件的光強度的量度)。影像處理電路系統耦接到偵測器元件陣列，以處理電信號並儲存影像的數位表示。目前的技術進步能夠成就高解析度光學感測器，且這些高解析度光學感測器可提供非常大的不同感測器元件的橫向密度。實際上，偵測器元件的數量可以遠大於數位表示所需的典型的像素數量。因此，一些現有技術的成像系統實現了“數位變焦”，其透過從整個偵測器元件集合中的一對應子集產生數位表示，以簡單地獲得在最終數位表示中對目標的不同倍率m。具體而言，最小變焦對應於在光學系統的像場中的整個偵測器元件陣列的取樣偵測器元件，而較大的變焦對應於僅位於光學系統的影像區域的連續較小子集中的取樣檢測元件。
發明人已經意識到現有技術的變焦系統中的某些問題。實現光學變焦的系統需要移動部件，從而在變焦期間降低穩固性並增加發生振動、影像漂移或焦點偏移的可能性，從而降低性能。這些變焦系統通常還需要更多數量的元件和/或更複雜的元件，從而增加了製造和設計的成本。另一方面，實現數位變焦的系統在整個變焦範圍內存在光學成像系統的設計和偵測器元件取樣之間的不匹配。
例如，假設偵測器具有一個由10,000×10,000個偵測器元件組成的陣列，並且影像的數位表示所需的解析度是1000×1000，那麼在使用數位變焦下變焦範圍原則上可以從1到10。具體而言，在最低變焦下，數位表示的每個像素映射到一相應的偵測器元件的10×10子陣列，而在最高變焦下，數位表示的每個像素映射到在整個偵測器元件陣列內1000×1000子陣列中的一單一對應偵測器。然而，不同變焦的偵測器陣列取樣下衍生的這種差異對光學成像系統施加了不同的約束，這是因為1000×1000數位表示的解析度可能不會比由光學成像系統在偵測器陣列上產生的光學影像的解析度更好。因此，如果一偵測器元件的橫向尺寸為p，那麼在最低變焦下，光學成像系統只需要提供足以產生特徵尺寸小到約為10p的光學影像的解析度，但在最高變焦下，光學成像系統需要提供足以產生特徵尺寸小到約為p的光學影像的解析度。
因此，為了在僅使用數位變焦的全變焦範圍內提供成像的高品質數位表示，光學成像系統必須提供足以達到最高數位變焦設定的解析度。同時，光學成像系統必須從對應於最低變焦的整個物場捕獲光束，從而增加了光學成像系統的複雜度，這需要許多和/或更大的光學成像元件。這是因為，光學成像系統的複雜度通常隨著物場和像側NA中的每一者的增加而增加。例如，設計一個光學系統以產生具有粗解析度的一相對較小區域的影像比設計一個光學系統以產生具有高解析度的一相對較大區域的影像更為容易。為了實現後者，通常需要更多數量的光學元件、更大的光學元件、和/或更複雜的光學元件來引導來自更大物場中更多數量的點的每一者的相應更大的光束。
為了解決這些問題，發明人揭露了一種將數位變焦與更簡單的光學成像系統相結合的系統，該系統包括一可變孔徑光闌以根據數位變焦設定所需的解析度來調整像側數值孔徑NA。在最低變焦下，孔徑光闌被設定為最小的NA，且光學成像系統旨在以這個最小的NA捕獲來自整個物場的光束，以在偵測器上產生光學影像。在較高變焦下，孔徑光闌開口被設定為較大的NA，以便為對應於較高變焦的物場的一(較小)子區域提供必要的解析度。光學成像系統旨在以此較大的NA捕獲來自物場的該子區域的光束，以在偵測器上產生光學影像。另一方面，為了簡化光學成像系統的設計，光學成像系統不被設計為以此較大的NA捕獲來自該子區域之外的物場的所有光束。儘管這可能會在偵測器的某些部分產生模糊的影像，但那些部分將對應於位在用以在這些更高變焦下產生光學影像的數 位表示的偵測器的取樣區域之外的偵測器元件。這大大減少了對光學成像系統的設計限制，從而降低了成本和複雜度，同時仍然產生在整個變焦範圍內具有所需解析度的目標的數位影像。
因此，更大體而言，本案公開了以下實施例。
一般而言，在一方面，提供了一種可變變焦成像裝置。此變變焦成像裝置包括i)複數成像光學器件，經配置以在一目標的一影像區域中形成一影像，目標位於一目標區域；ii)一可調孔徑光闌，調節地設定用於由成像光學器件所形成的影像的一數值孔徑NA；iii)一電子偵測器，包括位於影像區域的複數偵測器元件的一陣列，以偵測影像；以及iv)一影像處理電路，耦接電子偵測器，以根據來自偵測器元件中至少一些偵測元件的複數信號產生一數位表示。對於由可調孔徑光闌所設定的影像的複數不同數值孔徑中的每一個，影像處理電路產生具有目標的一不同倍率m的數位表示。其中，不同倍率m從一最小倍率m=m min 變化到一最大倍率m=m max ，以定義一變焦比z=m/m min 和一最大變焦比z max =m max /m min 。
可變變焦成像裝置的複數實施例可包括以下附加特徵中的任一者。
成像光學器件是固定的，以提供目標區域的一固定倍率給影像區域。
數位表示的變焦比z與用以產生數位表示的偵測器元件所跨越的一場區域成反比變化。舉例來說，由可調孔徑光闌所設定的不同數值孔徑的尺寸隨著關於數位表示的變焦比z的相應增加 而增加。此外，在一些實施例中，由可調孔徑光闌所設定的不同數值孔徑的尺寸隨著關於數位表示的變焦比z在大於1的一變焦比範圍內的相應增加而線性增加。例如，由可調孔徑光闌所設定的用於影像的數值孔徑NA由NA
Figure 110129767-A0305-02-0010-12
所給定，其中，p是一偵測元件的最小橫向尺寸，λ是用於在偵測器上形成該影像的光的一中心波長。
數位表示包括在複數像素的一N 1 ×N 2 陣列中每個像素處的至少一個強度值，N 1 和N 2 是正整數。例如，N 1 和N 2 的每一者皆大於或等於400。
用於電子檢測器的偵測器元件的陣列包括至少與一M．N 1 ×M．N 2 陣列一樣大的一陣列，M是大於或等於z max 的一正整數。例如，z max 大於或等於3。在一些實施例中，影像處理電路透過根據來自M/z×M/z偵測器元件的一對應子陣列中的偵測器元件的一或多個信號來確定在N1×N2陣列中每個像素的強度值，以產生具有變焦比z的數位表示。在一些其他實施例中，影像處理電路透過根據來自M/z×M/z偵測器元件的對應子陣列中的偵測器元件的僅一個信號確定在N1×N2陣列中每個像素的強度值，以產生具有變焦比z的數位表示。在又一些其他實施例中，影像處理電路透過根據來自M/z×M/z偵測器元件的對應子陣列中的等偵測器元件的信號的一加權平均確定在N1×N2陣列中每個像素的強度值，以產生具有變焦比z的該數位表示。此外，在一些實施例中，數位表示中像素所對應的偵測器元件的多個子陣列，在偵測器元件所跨越的場區域內彼此重複地間隔開以產生該數位表示。
一般而言，在一些實施例中，影像處理電路通過根據來自一個或多個偵測器元件的一對應子陣列中的偵測器元件的一或多個信號確定在N1×N2陣列中每個像素的強度值，以產生具有變焦比z的數位表示，其中，在每一對應子陣列中的偵測器元件的數量隨著由孔徑光闌可調節地設定的數值孔徑NA的增加而減少。
成像光學器件包括一第一組光學器件，以將光線從目標引導到由孔徑光闌所定義的一光瞳，且包括一第二光學器件，以光從光瞳引導到一影像區域。可變變焦成像裝置更包括一光源，經配置照射目標並藉此向成像光學器件提供光線以形成目標的影像。例如，光源是一同調雷射器。此外，在一些實施例中，可變變焦成像裝置更包括複數干涉儀組件，干涉儀組件包括一分光鏡以及一參考表面，其中，光源還經配置照射參考表面，並且分光鏡經配置為同調結合來自目標和參考表面的光，使得在影像區域上由成像光學器件所形成的影像為一干涉影像。
在一些實施例中，偵測器元件的陣列的面積在0.25cm2和10cm2之間的。
在一些實施例中，最小倍率在1/10和1/5之間，例如，可變變焦成像裝置為一斐索干涉儀(Fizean interferometer)。在一些其他實施例中，最小倍率在1/2和5之間，例如，可變變焦成像裝置為一顯微鏡干涉儀。
在一些實施例中，成像到偵測器元件的陣列上的目標區域的面積在0.04cm2和10,000cm2之間。
可調孔徑光闌為連續可調整的。二者擇一地，可調孔徑光闌對於多個離散設定中的每一個是離散地可調整的。例如，可調孔徑光闌為一機械孔徑光闌或一電子孔徑光闌。此外，例如，孔徑光闌提供了一圓形開口，以定義數值孔徑。二者擇一地，孔徑光闌提供了一矩形開口，以定義數值孔徑。
可變變焦成像裝置更包括一使用者控制介面，其反應於變焦比的一使用者輸入以電子方式調整可調節孔徑光闌。例如，使用者控制介面還使影像處理電路反應於變焦比的使用者輸入來設定偵測器對目標的倍率。此外，例如，影像處理控制電路經配置為透過調整用於產生數位表示的偵測器元件的取樣來設定偵測器對目標的倍率。
在一些實施例中，當可調孔徑光闌被設定為不同數值孔徑中的最大者時，對於跨越陣列中所有偵測器元件的一全場區域所對應的物場的一全場區域而言，成像光學器件的直徑不夠大，無法通過來自目標的所有光線軌跡。然而，在一些實施例中，當可調孔徑光闌被設定為不同數值孔徑中的最小者時，對於目標的全場域而言，成像光學器件的直徑足夠大以通過來自目標的所有光線軌跡。
在一些實施例中，當可調孔徑光闌被設定為不同數值孔徑中的最大者時，成像光學器件不會在跨越陣列中所有偵測器元件的一全場區域上產生一繞射受限影像。然而，在這樣的實施例中，當可調孔徑光闌被設定為不同數值孔徑中的最小者時，成像光學器件在全場區域上產生一繞射受限影像。此外，例如，當可調孔徑光 闌被設定為不同數值孔徑中的最大者時，成像光學器件在一最大放大場區域上產生一繞射受限影像，最大放大場區域等於全場區域的面積除以z max 。成像光學器件在影像區域(“FOV”)的一給定視場上產生數值孔徑NA的一繞射受限影像，意味著成像光學器件可以在影像區域中以一空間週期d產生一特徵，其中，
Figure 110129767-A0305-02-0013-2
，其在關於同調照明的該FOV中的任何位置。
一般而言，在另一方面，揭露了一種光學成像系統，用於實現一數位變焦的一可變變焦成像裝置。光學成像裝置包括：i)複數成像光學器件，經配置以在一目標的一影像區域中形成一影像，目標位於一目標區域；以及ii)一可調孔徑光闌，調節地設定用於由成像光學器件所形成的影像的一數值孔徑NA。對於用於影像的連續增加的複數數值孔徑NA中每一者，成像光學器件被設計為將影像形成為一繞射受限影像，其中，數值孔徑NA由在目標區的目標的複數連續減小視場所對應的可調節孔徑光闌來設定。
光學成像系統的實施例還可以包括上述用於可變變焦成像裝置的任何特徵。
在此提及的所有文件，如果有的話，通過引用整體併入。在與本公開以及通過引用併入的任何文件衝突的情況下，以本公開為準。
在附圖和下文的描述中闡述了本發明的一個或多個實施例的細節。本發明的其他特徵、目的和優點將從說明書和附圖以及請求項中顯而易見。
100:可變變焦成像系統
105:光軸
110:目標區域
115:目標
120:光線
125:中心光線
130:光學元件/準直器
135:孔徑光闌
140:光學元件/目鏡
145:偵測器
150:影像區域
155:影像處理電路
190:使用者介面
195:數位表示
A 1O ,A 2O :物場
A 1I ,A 2I :像場
θ 1 ,θ 2 :角度
第1A圖是在第一低倍率下的可變變焦成像裝置的示意圖。
第1B圖是由第1A圖所示在第一低倍率下的可變變焦成像裝置所實現的數位取樣的示意圖。
第2A圖是在第二較高倍率下的可變變焦成像裝置的示意圖。
第2B圖是由第2A圖所示在第二較高倍率下的可變變焦成像裝置所實現的數位取樣的示意圖。
第3-5圖是用於將目標成像到感測器上的示範成像光學系統的光線軌跡示意圖，其中，系統具有準直器、孔徑光闌、以及目鏡，並且準直器與目鏡是而言是採用薄透鏡近似(thin lens approximation)。
第6~7圖是第3~5圖中描繪的系統的目鏡部分的光線軌跡示意圖，其比較一全物場和一較小孔徑光闌(如第6圖所示)的光束與三分之一物場尺寸系統(導致由感測器所提供的數位表示的倍率為3倍(3x))和一3倍大的孔徑光闌(如第7圖所示)的光束。
第8~10圖是使用真實透鏡元件的一6-透鏡目鏡的光線軌跡示意圖。
第11圖是使用真實透鏡元件的一5-透鏡目鏡並實現本發明的光學設計簡化的光線軌跡示意圖，其能成就用於實現數位變焦的一可變變焦系統的繞射受限成像(diffraction-limited imaging)。
第12圖是第8~10圖所示的目鏡的全光學系統的光線軌跡示意圖，且包括一3-透鏡準直器。
第13與14圖是第11圖所示的目鏡的全光學系統的光線軌跡示意圖，且還包括一2-透鏡準直器。全光學系統實現了本發明的光學設計簡化，其能成就用於實現數位變焦的可變變焦系統的繞射受限成像。第13圖顯示了在1100-像素解析度下的全物場成像，而第14圖顯示了在1100-像素解析度下的三分之一物場成像，其中，像素尺寸是第13圖中的像素尺寸的三分之一。
第15圖是第13與14圖的光學成像系統的示意圖，其還包括作為照明源的雷射光源，用於透過分光鏡(beam splitter)照射目標。
第16圖是第15圖的光學成像系統的示意圖，其透過包括參考元件而進一步實施為干涉光學成像系統，使得形成在感測器器上的目標的影像干涉參考波前以產生目標的干涉影像。
各圖中相同的參考符號表示相同的元件。
影像變焦是許多光學系統中的一個重要功能。放大影像為使用者提供在較小影像尺寸上有較佳的橫向解析度。一個精心設計的變焦系統將增加可用的解析度，其正比於變焦比。這通常是透過將在感測器上固定成像光束的數值孔徑，同時減小透鏡視場(lens field of view)並增加目標空間數值孔徑來實現的。新的超高解析度感測器的出現為影像縮放提供了一種替代方法(“數位” 縮放)，適用於影像中所需的解析度單元(resolution element)數量明顯少於感測器中的感測器單元數量的應用子集。然而，如上所述，數位變焦通常存在著光學成像系統設計與整個數位變焦範圍內的偵測器元件取樣之間的不匹配問題。
本發明的實施例包括一種成像系統，其中，孔徑光闌的尺寸與期望的變焦比成比例地增加，並且通過對感測器的一成比例地較小區域進行取樣來調整視場。光學系統的設計使得成像在以當前選擇的變焦比指定的視場內保持繞射受限(diffraction-limited)。該變焦系統的實施例可以比標準光學變焦簡單得多，因為，標準光學變焦需要復雜的凸輪機構來移動多個光學元件以在保持聚焦的同時調整變焦。此外，在至少一些實施例中，僅需要在改變醫感測器的顯示區域的同時調整孔徑光闌的尺寸。此外，這些實施利可以保持對焦並避免在許多機械驅動的光學變焦系統中觀察到的影像漂移。
本發明的可變變焦成像系統100的代表性實施例顯示於圖1和圖2，分別具有第一較低倍率m 1 (第1A圖)和第二較高倍率m 2 (第2A圖)。可變變焦成像系統100被配置在位於一目標區域110的一目標115的一影像區域150上產生一影像。如下文將進一步描述，倍率m 1 和m 2 是關於該影像的一最終數位表示，且與影像區域中該目標的該影像的光學倍率m'相反，對於第1A圖和第2A圖中所示的本發明的可變變焦成像系統100而言，該光學倍率是恆定的。除了其光學組件之外，它還包括電子偵測器145，該電子偵測器包括 N×N偵測器元件陣列(在本文中也稱為一高解析度感測器)，該陣列被配置為透過測量每個偵測器元件處的光強度值來偵測影像。影像處理電路155電性耦合至偵測器145，以儲存和處理強度值藉此提供影像的數位表示。影像處理電路155電性耦合到使用者介面190，以從使用者介面接收命令並向使用者介面190提供數位表示。可變變焦成像系統100的光學組件沿對應於z軸的光軸105延伸，並且包括一個或多個光學元件130(在本文中也稱為“準直器”)的第一光學模組、一個或多個光學元件140(在本文中也稱為“目鏡”)的第二光學模組、以及位於第一光學模組130和第二光學模組140之間的孔徑光闌135。光學模組130和140內的光學元件可以包括例如透鏡和/或曲面鏡。在本實施例中，目標區域110和影像區域150都平行於x-y平面延伸，偵測器145的偵測器元件陣列也是如此。孔徑光闌135提供可變孔徑開口以改變光學成像系統的像側數值的孔徑NA，並且可操作地耦合到使用者界面190，使得使用者可以控制該像側數值孔徑NA。孔徑開口也會限制物側數值孔徑，其等於像側數值孔徑NA乘以倍率m。
準直器130和目鏡140形成一光學成像系統，其用於在影像區域150上產生位於目標區域110的目標115的光學影像。具體而言，光學成像系統內每個光學元件的特性(例如，尺寸和光功率)以及它們相對於彼此的定位以及目標區域與影像區域共同導致從目標區域的每個點發出的光線在影像區域中的一相應點處重新組合，從而形成影像。這在第1A圖與第2B圖的每一者中示意性地描述， 其等顯示目標區域110上的三個點以及影像區域150上的三個對應點。在光軸105上有一組對應點，在物場與像場(在第1A圖中由A 1O 和A 1I 所表示，在第2A圖中由A 2O 和A 2I 所表示)的外邊緣有另外兩組對應點。從目標區域110的每個點發出的光束的中心光線125被稱為主光線，並且在第1A圖和第2A圖中以實線箭頭來表示。在第1A圖與第2A圖的光學成像系統圖是遠心系統(telecentric system)，這是因為通過由孔徑光闌135所提供的開口的中心的主光線垂直於目標區域110和影像區域150中的每一者。從目標區域110的每個點發出的光束的最外面的光線120(在第1A圖中)和220(在第2A圖中)被稱為邊緣光線，並且在第1A圖和第2A圖中以虛線箭頭來表示。孔徑光闌135所提供的開口的邊緣與邊緣光線的路徑重合，且限定邊緣光線從目標區域110發出並入射到影像區域150的角度。
為了配置可變變焦成像系統100以在第一較低倍率m 1 (如第1A圖所示)下操作，使用者介面190使可變孔徑光闌135為光束提供一較小開口，從而導致邊緣光線120相對於光軸105而入射到影像區域150的一較小角度θ 1 以及一所產生的較小像側數值孔徑NA 1 。相反，為了配置可變變焦成像系統100以在第二更高倍率m 2 下操作(如第2A圖所示)，使用者介面190使可變孔徑光闌135為光束提供一較大的開口，從而導致邊緣光線220相對於光軸105而入射到影像區域150的一較大角度θ 2 以及一所產生的較大像側數值孔徑NA 2 。在某些實施例中，目鏡140具有有效焦距f，並且孔徑光闌 135和影像區域150分別位於目鏡140的前焦平面和後焦平面，在這種情況下，入射到影像區域的邊緣光線角度θ滿足等式tanθ=r/f，且NA=n．sin[arctan(r/f)]，其中，r是光軸105到孔徑光闌開口平行於x-y平面的邊緣的距離。例如，對於垂直於光軸而定位的圓形孔徑光闌，r是孔徑光闌開口的半徑。在許多成像系統中關於θ的常見的小角度限制中，NA的表達式簡化為NA=n．r/f。
重要的是，雖然可變變焦成像系統100的不同倍率m 1 和m 2 對應於不同的孔徑光闌開口，但準直器130和目鏡140中的每一者內的光學元件保持相同並且不相對於彼此或不相對於目標和影像區域而移動，從而提供一個非常穩定和健壯的系統。相反地，使用數位變焦來提供不同的倍率，分別第1B圖和第2B圖中所示。具體來說，第1A圖和第1B圖示意性地表示由偵測器150的偵測器元件的成像處理電路155進行的取樣以產生數位表示195。為了便於說明，在這些圖式中的數位表示195被描繪為具有跨越一3×3像素陣列的值，並且偵測器被描繪為具有一9×9偵測器元件陣列。
如第1B圖所示，在第一較低倍率m 1 下，數位表示195中每個像素處的一強度值是從偵測器145中的3×3偵測器元件的一空間對應區塊中的一個或多個值所導出。舉例來說，強度值可以簡單地對應於3×3偵測器元件區塊中的中央偵測器元件的強度值；其可以對應於3×3偵測器元件區塊中強度值的平均；其可以對應於3×3偵測器元件區塊中強度值的加權平均(例如，中央偵測器元件的權重比周圍偵測器元件更大)；或者其可以對應於偵測器元件的 3×3區塊中強度值的更複雜的函數。在任何情況下，數位表示從跨越在影像區域150上的偵測器的整個區域的偵測器元件導出，對應於像場尺寸A 1I ，因此，數位表示的比例對應於物場尺寸A 1O 。
另一方面，如第2B圖所示，在第二較高倍率m 2 下，在3×3數位表示195中每個像素處的一強度值是從在偵測器145中央處的3×3偵測器元件區塊中一對應偵測器元件的強度值所導出的。在這種情況下，數位表示僅從在影像區域150上的偵測器整個區域的中央三分之一中的偵測器元件導出，對應於像場尺寸A 2I ，因此，數位表示的比例對應於物場尺寸A 2O ，基於第1B圖和第2B圖的說明性描述，物場尺寸A 2O 是A 1O 的三分之一。結果，對於這個說明性的描述，第二較高的倍率m 2 比第一較低倍率m 1 大三倍。
當然，在實際實施例中，偵測器的解析度提供了許多、更多的偵測器元件，例如至少1000×1000，或甚至是與10,000×10,000一樣大或大於10,000×10,000。因此，在進一步的實施例中，可能有更多等級的數位變焦，其中，數位表示的相繼更大倍率係基於對由偵測器提供的偵測器元件陣列的連續較小區域進行取樣。為了在光學上適應這種增加的數位倍率，可變孔徑光闌被設置為相應地增加孔徑光闌，從而增加NA，使得就具有與數位表示中每個像素相對應的偵測器元件區塊數的量級大小的影像特徵而言，在偵測器上由數位表示(即具有尺寸Ai的像場)捕獲的光學影像的區域是繞射受限的。另一方面，在該區域外偵測器上的光學影像的品質不必是高品質的，這是因為數位表示不會對這區域進行取 樣，從而減少了對光學成像系統的設計限制。
舉例來說，假設數位表示所需的影像解析度是N×N個像素，並且變焦比z的所需範圍是從z min =1到z max =M，其中，M是一正整數。然後，在進一步的實施例中，偵測器被選擇為具有由至少M．N×M．N的偵測器元件陣列提供的解析度。例如，在變焦比為1的一實施例中，讀取整個偵測器陣列，然後對其進行次取樣，從而選擇每第M行上的每個第M個像素來導出在光學影像的N×N數位表示中每個像素的值。通過與使用者介面的通信，影像處理電路可以改變此取樣以提供更高的變焦比。例如，不是對每個第M行上每個第M個像素進行取樣以提供等於1的變焦比，而是影像處理電路可對每第(M-m)行上的每第(M-m)個像素進行取樣以提供等於M/(M-m)的變焦比z，其中，m為從0到M，並且成像處理電路僅讀取足以在該取樣中填充N×N數位表示的偵測器陣列的中央部分。使用這些整數取樣間隔，可以對特定偵測器元件進行取樣。舉例來說，假設M=3，那麼m=0、1、2的整數值將分別對應取樣3x3、2x2、和1x1像素區塊，其等分別對應於1、1.5、和3的變焦比z。然而，也可以通過內插偵測器元件來選擇中間變焦比。此外，如上文中關於第1B圖和第2B圖所描述，成像處理電路也可以透過平均、加權平均、或更複雜的處理，從在空間上對應的(M-m)×(M-m)偵測器元件區塊中的一個或多個強度信號導出在數位表示中每個像素處的強度值。
為了提供其利用由偵測器元件取樣所提供的解析度並 且能成就將在每個變焦比下由數位表示所捕獲的繞射受限影像的一光學影像，由可變孔徑光闌所設定(例如，在使用者介面的控制下)的像側數值孔徑NA可以由以下等式來表示：
Figure 110129767-A0305-02-0022-3
 其中，p是一偵測器元件的最小橫向尺寸，且λ是用於在偵測器上形成影像的光的中心波長。更一般而言，包括對於非積分取樣，NA可以根據以下來設定：
Figure 110129767-A0305-02-0022-4
因此，對於與增加的數位變焦相對應的連續較小圖像場A I 。光學成像系統只需要設計為在較大NA下為繞射受限。對於一特定變焦比，在像場之外的非為繞射受限的偵測器上的影像品質將無關緊要，這是因為這些區域不需要產生該變焦比的數位表示。由於校正光學成像系統需要被校正所在的場域尺寸與孔徑光闌開口的尺寸成反比，這對於光學成像系統的光學設計者來說是一個顯著的優勢。舉例來說，在2倍變焦時，光闌是在1倍變焦時的兩倍，但場域是½大。孔徑光闌尺寸與場域尺寸的這種權衡，使得與設計具有聲稱為繞射受限的傳統數位成像系統通常要求的全場域尺寸和全解析度的主光學成像系統相比較，設計光學系統是更為容易的。而且，與在轉座上的一光學連續變焦或一系列變焦中繼透鏡相比，這種方法的優勢在於除了孔徑光闌之外沒有移動的光學元件。這避免了在變焦期間最小化影像位置偏移和焦點偏移所需的嚴格組裝和對準容限。
使用者體驗也得到了顯著改善。舉例來說，由於沒有移動透鏡，相機上的影像位置根據定義而在不同的變焦位置之間是固定的。此外，焦距不會隨著變焦而偏移，因此使用者可以放大到最大倍率並對焦影像，並確信在切換到較低變焦時焦距將不會偏移。此外，在目標和相機之間的原始像素橫向校準不會隨著變焦比而變化，因此在任何變焦位置的單一校準就足以校準所有變焦位置。此外，以較低變焦對偵測器元件陣列的次取樣可導致更高的儀器轉換函數(instrument transfer function，ITF)，這是因為與被取樣的偵測器元件之間的距離相比，單個偵測器元件的尺寸較小。
在進一步的實施例中，像側數值孔徑NA和變焦比z之間的關係可與上述的等式(1)或(2)中所示的關係有些不同。例如，等式(1)和(2)假設目標的同調照明(coherent illumination)。為了說明非同調照明(incoherent illumination)，可以考慮阿貝解析度極限(Abbe resolution limit)的一般公式：d=λ/(NA+NA') (3)其中，d是影像中可分辨的最小空間週期，NA'是關於目標照明的數值孔徑。該照明數值孔徑NA'的變化係從用於同調照明的NA'=0到用於填充像側孔徑的非同調照明的NA'=NA。等式(1)和(2)對應於同調照明的阿貝公式，其用於解析對應於一給定變焦設定z的最小空間週期：
Figure 110129767-A0305-02-0023-5
 例如，在最大變焦時，d=2p，對應於兩個偵測器元件的尺寸。因此，在涉及非同調照明的其他實施例中，等式(1)和(2)中的像側NA的表式最多減少用於填充像側孔徑的非同調照明的極限的二分之一。
此外，無論是否被修改以考慮非同調照明，等式(1)和等式(2)都沒有考慮任何過取樣(oversampling)採樣，藉此，數值孔徑略大於用於解析對應於一給定數位變焦設定的最小空間週期所需的數值孔徑。因此，在其他實施例中，無論是否被修改以考慮非同調照明，像側數值孔徑NA可以比等式(1)和等式(2)所給出的數值稍大。然而，重要的是像側數值孔徑NA通常隨著變焦比z的相應增加而增加。
實現本發明特徵的光學成像系統可以使用本領域已知的常見光學設計軟件來設計，例如來自Synopsys的Code V Optical Design Software或來自Zemax LLC.的類似軟體。由本發明產生的光學設計的簡化現將在第3~14圖中說明，其中包括由這種光學設計軟體所產生的光線軌跡圖，並說明了成像光學系統的各種設計下關於數個目標點的主光線和在某些情況下的邊緣光線的傳播。
製造光學成像系統的成本通常取決於光學元件的數量及其尺寸和精度。因此，通過最小化元件數量、減小尺寸、並允許對表面和其對齊的較寬鬆容限來控制成本。光學成像系統通常被設計為遠心成像系統。在設計用於放大或縮小的遠心成像系統中，通常有兩組分開的透鏡，使得此兩組透鏡之間具有共同的焦點。系統 的孔徑光闌位於該點。透過將光闌定位在兩個焦點重合的位置，在透鏡的目標與影像側的主光線都平行於光軸。在第1A圖和第2A圖的實施例中，這兩組透鏡對應於準直器130和目鏡140。
第3圖顯示出了使用薄透鏡近似的簡單遠心光學成像系統，用以在感測器(即，具有複數偵測器元件陣列的偵測器)上產生目標的影像。遠心光學成像系統包括共享共用焦點的準直器和目鏡，孔徑位於該焦點處。透鏡的尺寸由視場(對應於第1A圖和第2A圖的實施例中的物場A O )和孔徑光闌尺寸的組合來確定。如第4圖所示，較小的場域尺寸會減小所需透鏡的尺寸。此外，如第5圖所示，增加孔徑光闌尺寸會增加透鏡所需的尺寸，這是因為光學系統需要捕獲從物場中的每個目標點射出的更大角度範圍的光線。
現在只關注系統的目鏡部分，第6圖與第7圖比較了一全物場和一較小孔徑光闌(如第6圖所示)的光束與三分之一物場尺寸系統(導致由感測器所提供的數位表示的倍率為3倍)和一3倍大的孔徑光闌(如第7圖所示)的光束。尤其是在第6圖的系統中，光束需要更大直徑的目鏡，但導致目鏡上相對較小的光束足跡(footprint)，而在第7圖的系統中，較小的直徑是必要的，但是光束足跡較大並且實質上上覆蓋了這個較小的直徑因此，對於這種3倍變焦情況，目鏡只需要在目鏡中心的一小部分區域具有更高的品質。
第8-10圖顯示了以由多個透鏡元件所形成的真實目鏡來說明的相同原理。具體來說，第8圖顯示了一6元件目鏡，其係設 計用於在感測器的全視場範圍內提供3300-像素解析度。相比之下，第9圖顯示了相同的系統，但其光闌尺寸減小以僅提供1100-像素解析度，並導致在目鏡的透鏡元件上的光束足跡更小。最後，第10圖顯示了具有與第8圖中相同的3300-像素分辨率的相同系統，但具有三分之一的物場(導致由感測器所提供的數位表示的的倍率為3)，其顯示了與第9圖相似(甚至更小)的光束足跡。
透過減小第8圖和第9圖之間所需的透鏡的直徑，降低了目鏡的成本。由於滿足這些成像規範的目鏡不再需要6個元件，因此，進一步的簡化和降低成本也是可能的。例如，第11圖顯示一個新的目鏡，其中元素的數量已從6減少至5。
此外，與第8圖中的目鏡一起使用的大型準直器需要3個元件才能在整個物場上實現3300個像素的成像性能，如第12圖所示，以提供完整的系統佈局。另一方面，與第11圖中的目鏡一起使用並且如第13圖和第14圖所示提供完整系統佈局的準直器只需要2個元件，這進一步節省了成本。第13圖顯示了以1100-像素解析度對全物場進行成像的本發明系統，第14圖顯示了以1100-像素分辨率對三分之一物場(導致由感測器所提供的數位表示的倍率為3倍)進行成像的系統，但像素尺寸是第13圖的三分之一。
第12~15圖中描繪的完整系統佈局包括沿著準直器與孔徑光闌位置之間的光學路徑的分光器元件(以矩形元件來呈現)。分光器的目的是耦合來自照明源(例如，雷射光源)的光線以照射目標(例如，被檢查的測試部件)以產生由準直器和目鏡成像到感 測器上的光線。包括這些附加元件的完整系統顯示於第15圖中。具體而言，來自雷射光源的光線由雷射聚焦透鏡聚焦，然後被分光器反射並通過2-透鏡準直器，以照射物場中的目標(例如，測試部件)。反應於此照射光線而來自於測試部件的光線接著由2-透鏡準直器透過分光器和孔徑光闌而成像，孔徑光闌定義了系統的像側數值孔徑且位於2-透鏡準直器的焦點處。穿過孔徑光闌的光線隨後被5-透鏡目鏡聚焦，以在感測器上形成目標的一光學影像，其用於捕捉目標的數位表示。
在其他實施例中，可以使用不同的照明配置。舉例來說，一照明源可以從側面或從後面以一定角度照射目標，或者可以使用環境光來照射目標。如上所述，照明可以是同調的(例如來自一雷射源)或非同調的，導致對解析某些尺寸特徵所需的數值孔徑NA的不同要求。
此外，在其他實施例中，可變變焦成像系統可以被配置為干涉系統，如第16圖中所示，其在第15圖的系統中進一步包括一參考元件，以將照射光線透過5-元件目鏡反射回感測器，以干涉來自測試部件的光線並在感測器上形成測試部件的干涉影像，其可由影像處理電路處理以產生一數位表示。例如，如本領域所已知的，可以使用干涉成像來提供關於在被成像的目標區域中的測試部件的表面高度信息。具體而言，在第16圖中，參考元件是剛好位在目標之前的一透射平面，以將照明光線的一小部分反射回感測器以干涉從目標反射的照明光線。
本發明的實施例可以具有許多不同的實現方式。舉例來說，由光學成像系統提供的絕對倍率可以大於1(即放大)或小於1(即縮小)。例如，在某些實施例中，最小倍率將在1/10和1/5之間，例如適用於斐索干涉儀(Fizean interferometer)中的成像光學器件。在另一個例子中，在某些實施例，最小倍率將在1/2和5之間，例如適用於顯微鏡干涉儀中的成像光學器件。此外，舉例來說，偵測器元件陣列的面積可以根據實施方式在較寬的範圍內變化，例如，在0.25cm2和10cm2之間的任何範圍。相關地，成像到偵測器元件陣列上的目標區域的面積也可以根據實施方式在較寬的範圍內變化，例如在0.04cm2和10,000cm2之間的任何範圍。
此外，在一些實施例中，可調孔徑光闌提供一連續可調的孔徑開口，而在其他實施例中，可調孔徑光闌對於多個離散設定中的每一個是離散地可調整的。可調孔徑光闌可以機械驅動或電子驅動。此外，雖然第1A圖與第2A圖的實施例具有使用者控制介面，其被配置為反應於變焦比的使用者輸入來調整可調孔徑光闌，而在其他實施例中，孔徑光闌也可以手動調整。通常，孔徑光闌是圓形的，但是也可能有一些實施例是具有正方形或矩形的孔徑開口。
範圍
必須注意，如本文和所附申請專利範圍中所使用的，除非上下文另有明確規定，單數形式“一”、“一者、”和“該”包括複數所指對象，例如，當使用“單個”一詞時。
如本文所用，術語“適應”和“配置”意味著元件、組件、 或其他標的被設計為和/或用於執行一給定的功能。因此，術語“適應”和“配置”的使用不應被解釋為意味著一給定元件、組件或其他標的簡單地“能夠”執行一給定的功能。
如本文所使用，關於多於一個實體的列表的用語“至少一個”和“一個或多個”是指實體列表中的任何一個或多個實體，並且不限於實體清單中具體列出的各個和每一實體中的至少一個。例如，“A和B中的至少一個”(或相當於，“A或B中的至少一個”，或相當於，“A以及/或B中的至少一個”)可以單獨指A、單獨指B、或A和B的組合。
如本文所使用，置於第一實體和第二實體之間的術語“和/或”意指(1)第一實體、(2)第二實體、以及(3)第一實體和第二實體，上述三者中的一個。用“和/或”列出的多個實體應以相同的方式解釋，即“一或多個”實體如此結合。除了由“和/或”子具明確標識的實體之外，其他實體可以可選地存在，無論與那些明確標識的實體相關或不相關。
儘管本說明書包含許多具體的實施細節，但這些不應被解釋為對任何發明的範圍或可能請求保護的範圍的限制，而是對特定發明的特定實施例而言的特有特徵的描述。
本說明書中在單獨實施例的上下文中描述的某些特徵也可以在單個實施例中以組合方式實現。相反地，在單個實施例的上下文中描述的各種特徵也可以單獨地或以任何合適的子組合在多個實施例中實現。
此外，雖然上述特徵可能被描述為在某些組合中起作用，甚至最初以此請求保護，但在某些情況下可以從請求組合中刪除組合中的一或多個特徵，並且要求保護的組合可以針對一子組合或一子組合的變形。
相似地，儘管在圖中以特定順序描繪操作，但這不應被理解為要求以所示的特定順序或連續順序來執行這些操作，或者要求執行所有圖示的操作，以獲得期望的結果。在某些情況下，多任務以及並行處理可能是有利的。此外，上述實施例中各個系統組件的分離不應理解為在所有實施例中都需要這樣的分離，應當理解為，所描述的程序組件和系統一般可以集成在單個軟體產品中或封裝至多個軟體產品。
因此，已經描述了本標的的特定實施例。其他實施例在以下請求項的範圍內。在某些情況下，請求像中記載的動作可以以不同的順序來執行，但仍能達到期望的結果。此外，附圖中描述的過程不一定需要所示的特定順序或連續順序來實現期望的結果。在某些實現中，多任務和並行處理可能是有利的。
雖然已經描述了本發明的多個實施例，然而，應當理解，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下可以進行各種修改。因此，其他實施例在以下請求項的範圍內。
100:可變變焦成像系統
105:光軸
110:目標區域
115:目標
120:光線
125:中心光線
130:光學元件/準直器
135:孔徑光闌
140:光學元件/目鏡
145:偵測器
150:影像區域
155:影像處理電路
190:使用者介面
A 1O :物場
A 1I :像場
θ 1 :角度

Claims (44)

  1. 一種可變變焦成像裝置，包括：複數成像光學器件，經配置以在一目標的一影像區域中形成一影像，該目標位於一目標區域；一可調孔徑光闌，調節地設定用於由該等成像光學器件所形成的該影像的一數值孔徑NA；一電子偵測器，包括位於該影像區域的複數偵測器元件的一陣列，以偵測該影像；以及一影像處理電路，耦接該電子偵測器，以根據來自該等偵測器元件中至少一些偵測元件的複數信號產生一數位表示；其中，對於由該可調孔徑光闌所設定的該影像的複數不同數值孔徑中的每一個，該影像處理電路產生具有該目標的一不同倍率m的該數位表示；其中，該等不同倍率m從一最小倍率m=m min 變化到一最大倍率m=m max ，以定義一變焦比z=m/m min 和一最大變焦比z max =m max /m min 。
  2. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該等成像光學器件是固定的，以提供該目標區域的一固定倍率給該影像區域。
  3. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該數位表示的該變焦比z與用以產生該數位表示的該等偵測器元件所跨越的一場區域成反比變化。
  4. 如請求項3的可變變焦成像裝置，其中，由該可調 孔徑光闌所設定的該等不同數值孔徑的尺寸隨著關於該數位表示的該變焦比z的相應增加而增加。
  5. 如請求項4的可變變焦成像裝置，其中，由該可調孔徑光闌所設定的該等不同數值孔徑的尺寸隨著關於該數位表示的該變焦比z在大於1的一變焦比範圍內的相應增加而線性增加。
  6. 如請求項4的可變變焦成像裝置，其中，由該可調孔徑光闌所設定的用於該影像的該數值孔徑NA由NA
    Figure 110129767-A0305-02-0033-15
    所給定，其中，p是一偵測元件的最小橫向尺寸，λ是用於在該電子偵測器上形成該影像的光的一中心波長。
  7. 如請求項4的可變變焦成像裝置，其中，該數位表示包括在複數像素的一N 1 ×N 2 陣列中每個該像素處的至少一個強度值，N 1 和N 2 是正整數。
  8. 如請求項7的可變變焦成像裝置，其中，N 1 和N 2 的每一者皆大於或等於400。
  9. 如請求項7的可變變焦成像裝置，其中，用於該電子檢測器的該偵測器元件的該陣列包括至少與一M．N 1 ×M．N 2 陣列一樣大的一陣列，M是大於或等於z max 的一正整數。
  10. 如請求項9的可變變焦成像裝置，其中，z max 大於或等於3。
  11. 如請求項9的可變變焦成像裝置，其中，該影像處理電路透過根據來自M/z×M/z偵測器元件的一對應子陣列中的該等偵測器元件的該等信號中的一個或多個來確定在該N1×N2陣列 中每個該像素的該強度值，以產生具有該變焦比z的該數位表示。
  12. 如請求項11的可變變焦成像裝置，其中，該影像處理電路透過根據來自M/z×M/z偵測器元件的該對應子陣列中的該等偵測器元件的該等信號中的僅一者確定在該N1×N2陣列中每個該像素的該強度值，以產生具有該變焦比z的該數位表示。
  13. 如請求項11的可變變焦成像裝置，其中，該影像處理電路透過根據來自M/z×M/z偵測器元件的該對應子陣列中的該等偵測器元件的該等信號的一加權平均確定在該N1×N2陣列中每個該像素的該強度值，以產生具有該變焦比z的該數位表示。
  14. 如請求項11的可變變焦成像裝置，其中，該數位表示中該等像素所對應的偵測器元件的多個子陣列，在該等偵測器元件所跨越的該場區域內彼此重複地間隔開以產生該數位表示。
  15. 如請求項7的可變變焦成像裝置，其中，該影像處理電路通過根據來自一個或多個偵測器元件的一對應子陣列中的該等偵測器元件的該等信號中的一個或多個確定在該N1×N2陣列中每個該像素的該強度值，以產生具有該變焦比z的該數位表示，其中，在每一該對應子陣列中的該等偵測器元件的數量隨著由該孔徑光闌可調節地設定的該數值孔徑NA的增加而減少。
  16. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該等成像光學器件包括一第一組光學器件，以將光線從該目標引導到由該可調孔徑光闌所定義的一光瞳，且包括一第二光學器件，以光從該光瞳引導到該影像區域。
  17. 如請求項1的可變變焦成像裝置，更包括一光源，經配置照射該目標並藉此向該等成像光學器件提供光線以形成該目標的該影像。
  18. 如請求項16的可變變焦成像裝置，更包括複數干涉儀組件，該等干涉儀組件包括一分光鏡以及一參考表面，其中，該光源還經配置照射該參考表面，並且該分光鏡經配置為同調結合來自該目標和該參考表面的光，使得在該影像區域上由該等成像光學器件所形成的該影像為一干涉影像。
  19. 如請求項17的可變變焦成像裝置，其中，該光源是一同調雷射器。
  20. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該等偵測器元件的該陣列的面積在0.25cm2和10cm2之間的。
  21. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該最小倍率在1/10和1/5之間。
  22. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該最小倍率在1/2和5之間。
  23. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，成像到該等偵測器元件的該陣列上的該目標區域的面積在0.04cm2和10,000cm2之間。
  24. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該可調孔徑光闌為連續可調整的。
  25. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該可調孔 徑光闌對於多個離散設定中的每一個是離散地可調整的。
  26. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該可調孔徑光闌為一機械孔徑光闌。
  27. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該可調孔徑光闌為一電子孔徑光闌。
  28. 如請求項1的可變變焦成像裝置，更包括一使用者控制介面，其反應於該變焦比的一使用者輸入以電子方式調整該可調節孔徑光闌。
  29. 如請求項28的可變變焦成像裝置，其中，該使用者控制介面還使該影像處理電路反應於該變焦比的該使用者輸入來設定該偵測器對該目標的該倍率。
  30. 如請求項29的可變變焦成像裝置，其中，該影像處理電路經配置為透過調整用於產生該數位表示的該等偵測器元件的取樣來設定該偵測器對該目標的該倍率。
  31. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該可調孔徑光闌提供了一圓形開口，以定義該數值孔徑。
  32. 如請求項1的可變變焦成像裝置，其中，該可調孔徑光闌提供了一矩形開口，以定義該數值孔徑。
  33. 如請求項4的可變變焦成像裝置，其中，當該可調孔徑光闌被設定為該等不同數值孔徑中的最大者時，對於跨越該陣列中所有該等偵測器元件的一全場區域所對應的該物場的一全場區域而言，該等成像光學器件在直徑上無法使來自該目標的所有光線 軌跡通過。
  34. 如請求項33的可變變焦成像裝置，其中，當該可調孔徑光闌被設定為該等不同數值孔徑中的最小者時，對於該目標的該全場域而言，該等成像光學器件在直徑上使來自該目標的所有光線軌跡通過。
  35. 如請求項4的可變變焦成像裝置，其中，當該可調孔徑光闌被設定為該等不同數值孔徑中的最大者時，該等成像光學器件不會在跨越該陣列中所有該等偵測器元件的一全場區域上產生一繞射受限影像。
  36. 如請求項35的可變變焦成像裝置，其中，當該可調孔徑光闌被設定為該等不同數值孔徑中的最小者時，該等成像光學器件在該全場區域上產生一繞射受限影像。
  37. 如請求項35的可變變焦成像裝置，其中，當該可調孔徑光闌被設定為該等不同數值孔徑中的最大者時，該等成像光學器件在一最大放大場區域上產生一繞射受限影像，該最大放大場區域等於該全場區域的面積除以z max 。
  38. 如請求項37的可變變焦成像裝置，其中，該等成像光學器件在該影像區域(“FOV”)的一給定視場上產生該數值孔徑NA的一繞射受限影像，意味著該等成像光學器件可以在該影像區域中以一空間週期d產生一特徵，其中，
    Figure 110129767-A0305-02-0037-9
    ，其在關於同調照明的該FOV中的任何位置。
  39. 一種光學成像系統，用於實現一數位變焦的一可 變變焦成像裝置，該光學成像裝置包括：a.複數成像光學器件，經配置以在一目標的一影像區域中形成一影像，該目標位於一目標區域；以及b.一可調孔徑光闌，調節地設定用於由該等成像光學器件所形成的該影像的一數值孔徑NA；c.其中，對於用於該影像的連續增加的複數數值孔徑NA中每一者，該等成像光學器件被設計為將該影像形成為一繞射受限影像，其中，該等數值孔徑NA由在該目標區的該目標的複數連續減小視場所對應的該可調節孔徑光闌來設定。
  40. 如請求項39的光學成像系統，其中，當該可調孔徑光闌被設定為不同的該等數值孔徑中的最大者時，對於跨越所有該影像區域的一全場區域所對應的該物場的一全場區域而言，該等成像光學器件在直徑上無法使來自該目標的所有光線軌跡通過。
  41. 如請求項40的光學成像系統，其中，當該可調孔徑光闌被設定為不同的該等數值孔徑中的最小者時，對於該物場的該全場區域而言，該等成像光學器件的直徑足夠大以通過來自該目標的所有光線軌跡。
  42. 如請求項39的光學成像系統，其中，當該可調孔徑光闌被設定為不同的該等數值孔徑中的最大者時，該等成像光學器件不會在跨越所有該影像區域的一全場區域上產生一繞射受限影像。
  43. 如請求項39的光學成像系統，其中，在該影像區 域(“FOV”)的一給定視場上產生該數值孔徑NA的一繞射受限影像，意味著該等成像光學器件可以在該影像區域中以一空間週期d產生一特徵，其中，
    Figure 110129767-A0305-02-0039-8
    ，其在關於同調照明的該FOV中的任何位置。
  44. 如請求項39的光學成像系統，其中，該等成像光學器件包括一第一組光學器件，在該目標區域與該可調孔徑光闌之間，以將光線從該目標引導到由該可調孔徑光闌所定義的一光瞳，且包括一第二光學器件，在該可調孔徑光闌與該影像區域之間，以光從該光瞳引導到該影像區域。
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