CN102411200A - 同轴出光式数字显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明提出的数字显微镜之一，包含有：一影像感测电路，其上具有一影像感测区；一第一物镜，与该影像感测区沿着一轴线排列；一发光装置，设置于该轴线之外，用于朝向不与该轴线同轴的方向发出光线；一光线转向器，设置于该轴线之外，用于将该发光装置发出的光线转向；以及一分光装置，位于该轴线上，用来改变该光线转向器传来的光线的路径，以提供与该轴线同轴且实质上沿着该轴线输出的光线；其中该第一物镜位于该影像感测区与该分光装置之间。分光装置所提供与该轴线同轴且实质上沿着该轴线输出的光线，可使数字显微镜所得到的待测物表面细节的影像，具有更良好的清晰度和立体感，让观察者能清楚地获得待测物表面的细微状况。

Description

同轴出光式数字显微镜

技术领域

本发明有关数字显微镜技术，尤指一种同轴出光式的数字显微镜。

背景技术

数字显微镜的应用领域相当广泛，特别是手持式的数字显微镜问世后，更扩大了可能的应用范围和提升了使用上的便利性。

然而，在运作上，手持式数字显微镜与待测物间的光线常常会影响数字显微镜的成像品质。受限于光线的强度和光线的角度，现有的手持式数字显微镜在待测物表面细节的影像清晰度和立体感的表现方面并不理想，造成观察者难以清楚得知待测物表面的细微状况。

发明内容

有鉴于此，如何改善手持式数字显微镜对于待测物表面细节的影像清晰度和立体感，实在是业界有待解决的问题。

本说明书提供了一种数字显微镜的实施例，其包含有：一影像感测电路，其上具有一影像感测区；一第一物镜，与该影像感测区沿着一轴线排列；一发光装置，设置于该轴线之外，且其发出的光线不与该轴线同轴；一光线转向器，设置于该轴线之外，用于将该发光装置发出的光线转向；以及一分光装置，位于该轴线上，用来改变该光线转向器传来的光线的路径，以提供与该轴线同轴且实质上沿着该轴线输出的光线；其中该第一物镜位于该影像感测区与该分光装置之间。

本说明书提供了一种数字显微镜的实施例，其包含有：一影像感测电路，其上具有一影像感测区；一物镜，与该影像感测区沿着一轴线排列；一发光装置，设置于该轴线之外，用于朝向不与该轴线同轴的方向发出光线；一光线转向器，设置于该轴线之外，用于将该发光装置发出的光线转向；一分光装置，位于该轴线上，用于改变该光线转向器传来的光线的路径，以提供与该轴线同轴且实质上沿着该轴线输出的光线；一防反光装置，设置于该分光装置相对于该光线转向器的一侧，用于接收经由该分光装置透射过来的透射光；一第一偏光片，设置在该发光装置到该分光装置的光学路径上；以及一第二偏光片，设置在该分光装置到该影像感测区的光学路径上；其中该第一偏光片与该第二偏光片两者的偏光角度实质上垂直，且该物镜位于该影像感测区与该分光装置之间。

前述实施例的优点之一是，可以使数字显微镜所得到的待测物表面细节的影像，具有更良好的清晰度和立体感，让观察者能清楚地获得待测物表面的细微状况。

前述实施例的另一优点是，可减少发光装置所需的发光元件个数，更能节省数字显微镜运作时所需的能源。

附图说明

图1为本发明的手持式数字显微镜的第一实施例简化后的示意图。

图2为本发明的手持式数字显微镜的第二实施例简化后的示意图。

图3为本发明的手持式数字显微镜的第三实施例简化后的示意图。

图4为本发明的手持式数字显微镜的第四实施例简化后的示意图。

图5为本发明的手持式数字显微镜的第五实施例简化后的示意图。

图6为本发明的手持式数字显微镜的第六实施例简化后的示意图。

图7为本发明的手持式数字显微镜的第七实施例简化后的示意图。

图8为本发明的手持式数字显微镜的第八实施例简化后的示意图。

【主要元件符号说明】

100、200、300、400、500、600、700、800   数字显微镜

102                    轴线

104                    标的物件

110                    影像感测电路

112                    影像感测区

120、890               物镜

130                    发光装置

140、240、340          光线转向器

150                    分光装置

162、164、678、680、780偏光片

242                    凸透镜

342                    入光面

344                    反射区

346                    出光面

470、570、670、770     防反光装置

572                    反射件

574                    固定件

576                    反射面

具体实施方式

以下将配合相关图式来说明本发明的实施例。在这些图式中，相同的标号表示相同或类似的组件。

在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，同样的元件可能会用不同的名词来称呼。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来做为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来做为区分的基准。在通篇说明书及后续的权项当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于...」。

图1所绘示为本发明第一实施例的手持式数字显微镜100简化后的示意图。在本实施例中，数字显微镜100具有一中空的管状壳体(未绘示于图中)。在数字显微镜100的管状壳体内，包含有一影像感测电路110、一物镜120、一发光装置(Luminance Device)130、一光线转向器(Light Redirector)140、以及一分光装置(Beam Splitter)150。影像感测电路110包含有一或多个CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)感测器、CCD(ChargeCoupled Device)感测器、CMOS/CCD混合式感测器、CID(Charge InjectionDevice)感测器、或是其他感光元件，用来感测一标的物件104表面的影像，并产生相对应的影像讯号。如图所示，影像感测电路110上会有一影像感测区112，让从标的物件104的表面反射回来的光线能入射到影像感测电路110中的感测器。

在一实施例中，影像感测电路110除了会透过一预定的传输接口(例如USB接口、1394接口等等)，将产生的影像讯号回传给耦接的电脑或检测***(未绘示于图中)外，还会透过该传输接口自该电脑或检测***接收数字显微镜100运作所需的电力。

在数字显微镜100中，物镜120、影像感测电路110的影像感测区112、以及分光装置150是沿着一轴线102排列，且物镜120是位于影像感测区112与分光装置150之间。实作上，可将物镜120与影像感测区112的间距设计成可依需要调整的架构，以增加数字显微镜100的可用倍率。例如，在数字显微镜100的壳体中，可设置一伸缩管组件，让物镜120或影像感测电路110可在该伸缩管组件的内部沿着轴线102移动，以调整数字显微镜100的焦距或倍率。或者，亦可利用一或多个导引元件(例如导引杆、导引条、螺纹等构造)，搭配适当的连结构造与物镜120或影像感测电路110连接，使物镜120或影像感测区112可藉由在导引元件上滑动或旋动的方式，沿着轴线102移动。

在数字显微镜100中，为避免影响到从标的物件104的表面反射回来的光线进入影像感测电路110的路径，会将发光装置130设置于轴线102之外的地方。另外，由于数字显微镜100是手持式的装置，为了便于使用和握持，数字显微镜100的体积和宽度不能设计的太大，使得数字显微镜100的壳体内部空间相当受限。将发光装置130设置成直接朝向分光装置150发光的配置方式，需要较宽的壳体空间，也会导致数字显微镜100的宽度增加。因此，在图1的实施例中，发光装置130是设置成朝向不与轴线102同轴的方向发光，且不直接朝向分光装置150发光。亦即，从发光装置130直接射出的光线并不会与轴线102同轴，也不会直接进入分光装置150，藉以使数字显微镜100的壳体能具有较小的宽度。实作上，发光装置130可用LED装置来实现，以节省所需的电力。

光线转向器140也是设置于轴线102之外，以免影响到从标的物件104的表面反射回来的光线进入影像感测电路110的路径。光线转向器140会将发光装置130发出的光线转向分光装置150的方向。在一实施例中，光线转向器140可用光纤来实现。

分光装置150会改变从光线转向器140传来的光线的路径，提供与轴线102同轴(coaxial)并实质上沿着轴线102输出的光线，以照明标的物件104的表面，并使从标的物件104的表面反射回来的光线沿着轴线102进入影像感测电路110。

由于光线从数字显微镜100照射到标的物件104表面的路径，以及光线从标的物件104的表面反射回来进入影像感测电路110的路径，两者都是沿着轴线102，所以数字显微镜100所得到的与标的物件104表面的粗糙度(Roughness)或平整度(Smoothness)相关的细节影像，会比现有的数字显微镜来得更清晰和更有立体感，让观察者能更清楚地得知标的物件104表面的细微状况，例如刮痕、水痕等高低起伏细节。

实作上，可利用一或多个导引元件(例如导引杆、导引条等构造)，搭配适当的连结构造与分光装置150连接，使分光装置150可藉由在导引元件上滑动的方式，沿着轴线102移动。当分光装置150沿着轴线102移动时，光线转向器140也要随着一起移动或转动。

由前述可知，发光装置130所发出的光线，经由光线转向器140和分光装置150的光学作用，最后会转成与轴线102同轴且实质上沿着轴线102输出的光线。因此，发光装置130所发出的大部分光线都可以被有效地利用在照明标的物件104上。这样的设计可大幅提升发光装置130的光利用效率，减少所需的发光元件个数。例如，以LED装置来实现发光装置130时，只需要使用一个LED便可提供数字显微镜100足够的照明光线，能有效节省数字显微镜100运作时所需的能源。

在另一实施例中，会在发光装置130到分光装置150的光学路径上加设一偏光片162，并在分光装置150到影像感测区112的光学路径上，沿着轴线102加设一偏光片164，且偏光片162与偏光片164两者的偏光角度实质上垂直。偏光片162可设置于发光装置130与光线转向器140之间，或是光线转向器140与分光装置150之间。偏光片164可设置于分光装置150与物镜120之间，或是物镜120与影像感测区112之间。实作上，还可将偏光片162利用适当的连接机构(例如枢接方式)设置成可移动式或可旋转式，让使用者可将偏光片162自发光装置130到分光装置150的光学路径上移开。相仿地，也可将偏光片164利用适当的连接机构(例如枢接方式)设置成可移动式或可旋转式，让使用者可将偏光片164自轴线102上移开。

当偏光片162不在发光装置130到分光装置150的光学路径上，或是偏光片164不在轴线102上时，影像感测电路110所检测到的标的物件104的影像，主要会是基于由发光装置130所发出，并自标的物件104的表面沿着轴线102反射回来的光线所获得。

当偏光片162位于发光装置130到分光装置150的光学路径上，且偏光片164位于轴线102上时，影像感测电路110所检测到的标的物件104的影像，主要会是基于由其他环境光源所发出，并由标的物件104的表面漫射回来的光线所获得。

藉由移动或旋转偏光片162及/或偏光片164的方式，使用者能够获得不同光源下的观测影像并进行比较，进而对标的物件104表面的粗糙度或平整度相关的细节有更相对性的了解。

图2为本发明第二实施例的手持式数字显微镜200简化后的示意图。在图2的实施例中，数字显微镜200的光线转向器240是用一反射面(例如一镜面或是一高反射性表面)来实现。另外，在分光装置150的一侧，亦即光线转向器240与分光装置150之间，还设置有一凸透镜242。当发光装置130产生的光线照射到光线转向器240时，会被反射至凸透镜242，再射向分光装置150。在另一实施例中，凸透镜242会将光线转向器240反射过来的光线转换成实质上平行的光线射向分光装置150，使得从分光装置150射向标的物件104的光线，会是实质上沿着轴线102射出的平行光。

前述图1的实施例中所提到的偏光片162，可设置于图2的发光装置130与光线转向器240之间、光线转向器240与凸透镜242之间、或是凸透镜242与分光装置150之间。至于偏光片164在数字显微镜200中的设置方式，与前述的数字显微镜100相同，故在此不重复叙述。

图3为本发明第三实施例的手持式数字显微镜300简化后的示意图。数字显微镜300与前述的数字显微镜200的主要差异在于光线转向器的实施方式。数字显微镜300中的光线转向器340是用一实质上透明的导光装置来实现。在本实施例中，光线转向器340包含有一入光面342、一反射区344、以及一出光面346。发光装置130产生的光线会经由入光面342照射至反射区344，反射区344会将光线反射至出光面346，最后光线再经由出光面346射出至分光装置150。在一实施例中，光线转向器340的入光面342具有一外凸形状，可将发光装置130产生的光线转换成实质上平行的光线照射至反射区344。如此一来，从光线转向器340射向分光装置150的光线，以及从分光装置150射向标的物件104的光线，都会是实质上平行的光线。实作上，光线转向器340可用压克力、玻璃或是其他透光性材质以一体成型的结构来实现。

前述图1的实施例中所提到的偏光片162和偏光片164，在数字显微镜300中的设置方式与在数字显微镜100中相同，故在此不重复叙述。

图4为本发明第四实施例的手持式数字显微镜400简化后的示意图。相较于前述的数字显微镜100～300，数字显微镜400的壳体中还增设了一个防反光装置470(Anti-Reflection Device)，位于分光装置150相对于光线转向器的一侧，用于接收经由分光装置150透射过来的透射光。防反光装置470的功能，主要是避免或减轻分光装置150透射过来的透射光，因为其他物体(例如数字显微镜400的壳体的内表面)的反射而折返分光装置150的情况。因为这种情况可能会降低数字显微镜400的成像品质。实作上，可在数字显微镜400的壳体的内表面上，设置一吸光层(Light-Absorbing Layer)，例如绒布或其他低反射性材料，来实现防反光装置470。

数字显微镜400中的光线转向器及其他元件，皆可用前揭任一实施例的方式来实现，为简洁起见，在此不重复叙述。

图5为本发明第五实施例的手持式数字显微镜500简化后的示意图。在图5的实施例中，防反光装置570包含有一反射件572以及一固定件574，而反射件572上则具有一反射面576。固定件574会将反射件572定位在数字显微镜500的壳体内与分光装置150相对应的位置上，并具有一适当的倾斜角度，使得反射面576能将从分光装置150透射过来的透射光导向分光装置150以外的地方。较佳者，反射面576会将从分光装置150透射过来的透射光，导向不会与轴线102交错的方向。

在另一实施例中，亦可将一吸光层，例如绒布或其他低反射性材料，设置在反射件572的反射面576上，用以吸收从分光装置150透射过来的透射光，以降低光线折返分光装置150的可能。

数字显微镜500中的光线转向器及其他元件，皆可用前揭任一实施例的方式来实现，为简洁起见，在此不重复叙述。

图6为本发明第六实施例的手持式数字显微镜600简化后的示意图。在数字显微镜600中，防反光装置670另包含有一偏光片678，设置于反射面576与分光装置150之间(例如在反射面576之上)。此外，在数字显微镜600中，还会在分光装置150到影像感测区112的光学路径上，沿着轴线102设置一偏光片680，且偏光片678与偏光片680两者的偏光方向实质上垂直。如此一来，即使发生分光装置150透射过来的透射光，因为其他物体的反射又折返分光装置150的情况，这些光线成分也会因为偏光片678与偏光片680两者的光学偏振作用而被过滤掉，能进一步确保数字显微镜600的成像品质。实作上，偏光片680的位置可设在物镜120与影像感测区112之间，亦可设在物镜120与分光装置150之间。或者，亦可用前述的偏光片164来实现偏光片680的功能。

数字显微镜600中的光线转向器及其他元件，皆可用前揭任一实施例的方式来实现。

图7为本发明第七实施例的手持式数字显微镜700简化后的示意图。在数字显微镜700的防反光装置770中，会在偏光片678与分光装置150之间(例如在偏光片678之上)设置一偏光片780，且偏光片678与偏光片780两者的偏光方向实质上垂直。实作上，可于偏光片678与偏光片780间设置适当尺寸的间隔件(Spacing Element，图中未绘示)，使偏光片678与偏光片780两者间具有一微小间隙。偏光片678与偏光片780两者的运作原理与前述的偏光片678与偏光片680的搭配类似，在此不重复叙述。

数字显微镜700中的光线转向器及其他元件，皆可用前揭任一实施例的方式来实现。

图8为本发明第八实施例的手持式数字显微镜800简化后的示意图。在数字显微镜800中，还会沿着轴线102设置一物镜890，使得分光装置150位于物镜120与物镜890之间。

物镜890的设置，可增加数字显微镜800的可用倍率选择。实作上，可将物镜890与分光装置150的间距设计成可依需要调整的架构，以增加数字显微镜800的倍率选择。例如，可在数字显微镜800的壳体中，设置一伸缩管组件，让物镜890在该伸缩管组件的内部沿着轴线102移动，以调整数字显微镜800的倍率。或者，亦可利用一或多个导引元件(例如导引杆、导引条、螺纹等构造)，搭配适当的连结构造与物镜890连接，使物镜890可藉由在导引元件上滑动或旋动的方式，沿着轴线102移动。

数字显微镜800中的光线转向器、防反光装置及其他元件，皆可用前揭任一实施例的方式来实现，为简洁起见，在此不重复叙述。

前揭的数字显微镜的实施例可应用在许多方面，包含(但不限定于)材料检测方面的应用、医学相关领域的应用、汽车及其他工业领域的应用、教育领域的应用、以及休闲娱乐领域的应用等等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种数字显微镜，其包含有：

一影像感测电路，其上具有一影像感测区；

一第一物镜，与该影像感测区沿着一轴线排列；

一发光装置，设置于该轴线之外，用于朝向不与该轴线同轴的方向发出光线；

一光线转向器，设置于该轴线之外，用于将该发光装置发出的光线转向；以及

一分光装置，位于该轴线上，用于改变该光线转向器传来的光线的路径，以提供与该轴线同轴且实质上沿着该轴线输出的光线；

其中该第一物镜位于该影像感测区与该分光装置之间。

2.如权利要求1所述的数字显微镜，其中该物镜与该影像感测区的间距为可调整的。

3.如权利要求2所述的数字显微镜，其中该物镜或该影像感测电路可沿着该轴线移动。

4.如权利要求1所述的数字显微镜，其中该光线转向器传向该分光装置的光线是实质上平行的光线。

5.如权利要求1所述的数字显微镜，其中该分光装置的位置可沿着该轴线移动。

6.如权利要求1所述的数字显微镜，其另包含有：

一凸透镜，设置于该分光装置的一侧；

其中该光线转向器包含有：

一反射面，用于将该发光装置产生的光线反射至该凸透镜，并射向该分光装置。

7.如权利要求6所述的数字显微镜，其中该凸透镜会将该反射面反射过来的光线转换成实质上平行的光线。

8.如权利要求1所述的数字显微镜，其中该光线转向器包含有：

一实质上透明的导光装置，包含有一入光面、一反射区、以及一出光面；

其中该发光装置产生的光线会经由该入光面照射至该反射区，再透过该出光面射出。

9.如权利要求8所述的数字显微镜，其中该入光面具有一外凸形状，可将该发光装置产生的光线转换成实质上平行的光线。

10.如权利要求9所述的数字显微镜，其中该导光装置是一体成型的结构。

11.如权利要求1所述的数字显微镜，其另包含有：

一第一偏光片，设置在该发光装置到该分光装置的光学路径上；以及

一第二偏光片，沿着该轴线设置在该分光装置到该影像感测区的光学路径上；

其中该第一偏光片与该第二偏光片两者的偏光角度实质上垂直。

12.如权利要求11所述的数字显微镜，其中该第一偏光片可自该发光装置到该分光装置的光学路径上移开，及/或该第二偏光片可自该轴线上移开。

13.如权利要求1或11所述的数字显微镜，其另包有：

一防反光装置，设置于该分光装置相对于该光线转向器的一侧，用于接收经由该分光装置透射过来的透射光。

14.如13所述的数字显微镜，其中该防反光装置包含有一反射面，用于将该透射光导向该分光装置以外的地方。

15.如14所述的数字显微镜，其中该防反光装置另包含有：

一第三偏光片，设置于该反射面与该分光装置之间。

16.如15所述的数字显微镜，其中该防反光装置另包含有：

一第四偏光片，设置于该第三偏光片与该分光装置之间，且该第三、第四偏光片两者的偏光方向实质上垂直。

17.如15所述的数字显微镜，其另包含有：

一第四偏光片，位于该分光装置到该影像感测区的光学路径上；

其中该第三、第四偏光片两者的偏光方向实质上垂直。

18.如13所述的数字显微镜，其中该防反光装置包含有一吸光层，用以吸收该透射光。

19.如1、11或13所述的数字显微镜，其另包含有：

一第二物镜，与该影像感测区沿着一轴线排列；

其中该分光装置位于该第一物镜与该第二物镜之间。

20.一种数字显微镜，其包含有：

一影像感测电路，其上具有一影像感测区；

一物镜，与该影像感测区沿着一轴线排列；

一发光装置，设置于该轴线之外，用于朝向不与该轴线同轴的方向发出光线；

一光线转向器，设置于该轴线之外，用于将该发光装置发出的光线转向；

一分光装置，位于该轴线上，用于改变该光线转向器传来的光线的路径，以提供与该轴线同轴且实质上沿着该轴线输出的光线；

一防反光装置，设置于该分光装置相对于该光线转向器的一侧，用于接收经由该分光装置透射过来的透射光；

一第一偏光片，设置在该发光装置到该分光装置的光学路径上；以及

一第二偏光片，设置在该分光装置到该影像感测区的光学路径上；

其中该第一偏光片与该第二偏光片两者的偏光角度实质上垂直，且该物镜位于该影像感测区与该分光装置之间。

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