TWI427347B - 光學成像系統 - Google Patents

Description

光學成像系統

本發明是有關於一種光學系統，且特別是有關於一種光學成像系統。

成像鏡頭在各種光學系統中對於成像的品質有著關鍵性的影響，這些光學系統例如是攝影機、數位相機、投影機、顯微鏡、內視鏡等等。由於在成本上的考量，鏡頭中的鏡片多半是採用玻璃球面透鏡為主，再加上光學系統的光程相位差、繞射、散射等現象，往往會使得成像鏡頭所形成的影像與物體本身的樣貌不完全相同，而有像差的存在。

為了追求更為完美的成像效果，習知光學設計工程師通常是由鏡頭本身之鏡片來著手，例如採用非球面透鏡、膠合透鏡，或使鏡片的各曲率經過特殊設計而有著良好的搭配。然而，採用非球面透鏡往往使製作成本、設計難度與光學系統敏感度大幅提升。因此，專業攝影師往往需花費甚鉅以購買昂貴的鏡頭。

此外，當成像鏡頭應用於醫療器材(例如眼底攝影機或咽喉口腔內視鏡)時，由於人體的構造(如眼底、咽喉、口腔等)是極為立體的構造，當鏡頭很靠近這些構造拍攝時，容易使景深變淺。如此一來，將難以在一張畫面中清晰呈現各種離鏡頭遠近不等的構造。若分成多張相片來拍攝，則在各種不同構造的比較上較為困難。

此外，當使用習知的成像鏡頭時，當某一成像鏡頭已作選擇時，此光學系統的成像解析力就已受到限制，而無法針對不同的使用需求作適當地調整。

本發明提供一種光學成像鏡頭，其可有效補償光學像差、提升成像解析力、具有較大的景深，且成像效果可視使用需求而作調整。

本發明之一實施例提出一種光學成像系統，包括一成像鏡頭及一空間光調變器。成像鏡頭具有一光闌位置(aperture-stop position)。空間光調變器配置於成像鏡頭之光闌位置，以作為成像鏡頭的一孔徑光闌(aperture stop)。空間光調變器適於調變空間光調變器的光傳遞率(amplitude transmittance)以使孔徑光闌的光強度振幅與相位改變。

本發明之另一實施例提出一種光學成像系統，適於將一物體成像於一像平面上。此光學成像系統包括一成像鏡頭及一空間光調變光源。成像鏡頭具有一光闌位置。空間光調變光源適於提供一結構光束，以照射物體。結構光束成像於光闌位置。空間光調變光源適於調變結構光束，以改變結構光束成像於光闌位置的影像。光闌位置位於空間光調變光源與像平面之間的結構光束之傳遞路徑上。

在本發明之實施例之光學成像系統中，由於採用了空間光調變器來作為孔徑光闌，或者採用空間光調變光源來提供成像於光闌位置的結構光束，因此藉由調變空間光調變器或空間光調變光源，可使孔徑光闌或結構光束變形。如此一來，便可根據使用需求形成不同的成像效果。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A為本發明之一實施例之光學成像系統的光路示意圖，圖1B為圖1A繪示數位微鏡元件中之一微反射鏡及其所產生之光路徑，而圖2為圖1A之數位微鏡元件在某一種狀態下之光傳遞率分佈圖。請參照圖1A、圖1B及圖2，本實施例之光學成像系統100包括一成像鏡頭110及一空間光調變器200。成像鏡頭110具有一光闌位置P。空間光調變器200配置於成像鏡頭110之光闌位置P，以作為成像鏡頭110的一孔徑光闌。空間光調變器200適於調變空間光調變器200的光傳遞率以使孔徑光闌的光強度振幅與相位改變。

具體而言，在本實施例中，成像鏡頭110包括至少一第一透鏡112(在圖1A中是以一個第一透鏡112為例)及至少一第二透鏡114(在圖1A中是以一個第二透鏡114為例)。空間光調變器200配置於第一透鏡112與第二透鏡114之間之光束B的傳遞路徑上。

在本實施例中，來自物體50的光束B適於被成像鏡頭110所收集而依序通過第一透鏡112、空間光調變器200及第二透鏡114，然後成像於像平面I上。在本實施例中，像平面I上設有一光偵測器60，以偵測物體50之成像。光偵測器60例如為一互補式金氧半導體感測元件(complementary metal oxide semiconductor sensor,CMOS sensor)、一電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)或一底片(film)，其中底片例如為負片(negative)或正片(positive)。

在本實施例中，空間光調變器200具有複數個微光闌單元210。具體而言，空間光調變器200例如為一數位微鏡元件，而微光闌單元210例如為數位微鏡元件上之呈陣列排列之微反射鏡。每一微光闌單元210(即每一微反射鏡)適於轉動+θ角度，或轉動-θ角度，其中θ例如為12度。當微反射鏡轉動至+θ角度時(即轉動至圖1B所繪示之以實線表示之微光闌單元210的位置時)，即處於開狀態(on-state)，此時微反射鏡適於將光束B反射，而使光束B(如圖1B中以實線所繪示的光束B)能夠傳遞至第二透鏡114，而第二透鏡114則使光束B成像於光偵測器60上。另一方面，當微反射鏡轉動至-θ角度時(即轉動至圖1B所繪示之以虛線表示之微光闌單元210的位置時)，即處於關狀態(off-state)，此時微反射鏡適於將光束B(如圖1B中以虛線所繪示的光束B)反射至偏離第二透鏡114的方向，以使光束B無法傳遞至第二透鏡114，進而使光束B無法傳遞至光偵測器60。

微反射鏡適於非常快速地在+θ角度與-θ角度之間擺動，例如在5.6毫秒之單位時間內可提供256種灰階。灰階的不同是由在單位時間內微反射鏡轉動至+θ角度與-θ角度的單位時間次數比例之不同來決定。當微反射鏡轉動至+θ角度的單位時間次數比例越高時，即灰階值越大，此時代表光束B傳遞至光偵測器60的光傳遞率越高，即越多比例之光束B被微反射鏡反射至光偵測器60。

此外，空間光調變器200適於將這些微光闌單元210調變成複數個光闌區域220(如圖2所繪示)，每一微光闌區域220包括至少一微光闌單元210。舉例而言，微光闌區域220可包括1個、4個、9個等呈陣列排列之微光闌單元210，或更多個呈陣列排列之微光闌單元210。在本實施例中，這些光闌區域220的光傳遞率由孔徑光闌的中心(在本實施例中即為空間光調變器200的中心)往孔徑光闌的邊緣做對稱性的變化。舉例而言，這些光闌區域220的光傳遞率由孔徑光闌的中心往孔徑光闌的邊緣遞減。此外，在本實施例中，當每一個光闌區域220包括複數個微光闌單元210時，在同一光闌區域220中之這些微光闌單元210的光傳遞率實質上相同，亦即如圖2所繪示，代表微光闌單元210之方格中，交叉線的密度越低者，代表光傳遞率越高。反之，交叉線的密度越高者，代表光傳遞率越低。

在本實施例中，光學成像系統100更包括一光束方向轉換器120，配置於第一透鏡112與空間光調變器200之間之光束B的傳遞路徑上，且配置於空間光調變器200與第二透鏡114之間之光束B的傳遞路徑上。在本實施例中，光束方向轉換器120例如為一全反射稜鏡(total internal reflection prism,TIR prism)，全反射鏡鏡包括一第一稜鏡122與一第二稜鏡124，第一稜鏡122與第二稜鏡124之間存在一間隙126，例如為空氣間隙。間隙126使得第二稜鏡124之朝向間隙126的表面128成為一全反射面。當光束B被處於開狀態的微反射鏡反射時，表面128適於將光束B(例如圖1A中之以點虛線表示之光束B)全反射至第二透鏡114。另一方面，當光束B被處於關狀態的微反射鏡反射時，光束B(例如圖1A中之以短劃虛線所表示之光束B)適於穿透表面128，而無法傳遞至第二透鏡114。光束方向轉換器120可使空間光調變器200的光軸實質上平行於入射空間光調變器200的光束B之光軸，如此一來，可使入射空間光調變器200的光束B與從空間光調變器200出射的光束B部分重疊，進而達到縮小本實施例之光學成像系統100的效果。

在本實施例中，空間光調變器200的光闌區域220的光傳遞率之分佈T’(x,y)可擬合(fit)一曲線T(x,y)，如圖2上圖所繪示之虛曲線。在圖2中，光傳遞率分佈T’(x,y)與曲線T(x,y)在位置座標(即橫軸)上與光傳遞率座標(即縱軸)上均先經過歸一化，以便於讀者理解。換言之，本發明之孔徑光闌可為圓形對稱，但亦可以是呈橢圓形。

在本實施例中，T(x,y)為如下之函數：

在本實施例中，g(x)為由原點(即x=0且y=0處)往x² +y² =1處遞減之函數。在一實施例中，g(x,y)=g(-x,-y)。在圖2所繪示之一實施例中，g(x)=1-(x² +y² )，但本發明不以此為限。此外，式中及圖2中的x方向與y方向均與空間光調變器200的光軸實質上垂直，且x方向實質上垂直於y方向。

由於光傳遞率分佈T’(x,y)可擬合曲線T(x,y)，因此空間光調變器200之光傳遞率分佈函數可以下式表示：

其中，

上式中之c例如為光闌區域220的寬度c(如圖2所繪示)，其例如大致上為一個微反射鏡的寬度d之正整數倍，而在圖2中是以5倍為例。此外，D為空間光調變器200所形成之孔徑光闌之寬度D(如圖2所繪示)。δ[x-(2mc/D)]δ[y-(2nc/D)]代表光闌區域之中心點的位置之δ函數(delta function)。此外，E'(x,y)=[H(x+c/D)-H(x-c/D)]×[H(y+c/D)-H(y-c/D)其中H(x+c/D)、H(x-c/D)、H(y+c/D)及H(y-c/D)為階梯函數(step function)。Int[(D/c-1)/2]代表[(D/c-1)/2]的整數部分。符號則為捲積運算(convolution operation)。

以下利用數學運算計算出本實施例之光學成像系統100的光學轉移函數(optical transfer function)。本實施例之光學成像系統100之光瞳函數(pupil function)f(x,y)可以下式表示：

f(x,y)=T'(x,y)exp[ikW(x,y)]

其中，f(x,y)為複數函數。當孔徑光闌為圓對稱時，f(x,y)可以下式表示：

其中，α與β例如為非負數之整數。此外，ω_αβ 為產生各種不同類型之光學像差的係數。舉例而言，ω₂₀ 為失焦(defocus)像差係數，ω₄₀ 為球差(sperical aberration)係數，而ω₃₁ 為彗差(coma aberration)係數。此外，k=2π/λ。

再者，本實施例之光學成像系統100之光學傳遞函數τ(s)則可以下列方式計算出：

其中，s為空間頻率，且s≡FλN，其中F為成像鏡頭110的光圈值(fnumber)，λ為波長，而N為在像平面上單位長度的週期循環數。此外，f^* (x,y)為f(x,y)的共軛複數。在此，定義K≡(c/D)。如圖2所繪示，當c值越小時，光闌區域220的寬度c越小，則空間光調變器200可產生數量越多的光闌區域220。數量越多的光闌區域220則可產生灰階數(即圖2中上圖之階梯數)越多的光傳遞率分佈函數T’(x,y)以擬合曲線T(x,y)。圖3A為圖1A之光學成像系統的對照組所運算出的光學傳遞函數曲線圖，其中此對照組是採用完全透光之明晰孔徑(clear aperture)，亦即採用完全透光之孔徑。

在本實施例中，光學成像系統100更包括一控制單元150，電性連接至空間光調變器200，以控制空間光調變器200的調變方式。舉例而言，控制單元150可根據使用需求以控制K值的大小及決定光傳遞率分佈函數T’(x,y)應擬合何種函數。

圖3B、圖3C及圖3D分別為圖1A之光學成像系統為K=0、K=0.05與K=0.3時所運算出來的光學轉移函數曲線圖，其中K=0代表c的值趨近於0，即代表光傳遞率分佈函數T’(x,y)趨近於曲線T(x,y)。此外，圖3A至圖3D的縱軸為光學轉移函數的模數，即調變轉移函數(modulation transfer function)，而橫軸為空間頻率，即上列公式中的s。此外，圖3A至圖3D中的多條曲線是將-ω₂₀ =ω₄₀ =ω₃₁ =0,λ/π,3λ/π,5λ/π,10λ/π,20λ/π代入上述τ(s)之公式後所求得的曲線。由圖3A至圖3D可知，當K值不同時，對於不同的空間頻率與不同程度的像差會有不同的成像解析力。舉例而言，當空間頻率在0.5附近時，將圖3A至圖3D中5λ/π那條曲線上的光學轉移函數的模數作比較時，可發現圖3C的為最大，比圖3A的大，可知對於空間頻率為0.5之圖形的成像解析力而言，本實施例之光學成像系統100明顯優於對照組。

為了便於讀者了解，以下列出對照組與本實施例之光學成像系統100在各種不同情況下對於空間頻率s=0.085之光學轉移函數的模數

(表一)

在上表一中，對應至像差系數10λ/π、K=0.05及球差那格的數值0.68代表在此條件下，光學轉移函數的模數為0.68，而其他格的數值所代差的意義可由此類推。由上表一可知，本實施例之光學成像系統100當K=0.05及K=0.3時，光學轉移函數的模數均大於明晰孔徑的光學轉移函數之模數，此種情形在像差系數大於或等於5λ/π時特別顯著。再者，三者綜合是指失焦(ω₂₀ =-ω₄₀ )、球差(ω₄₀ )與彗差(ω₃₁ )三者皆採用的綜合效果。

由以上數學運算數值可知，本實施例之光學成像系統100可達到較佳的成像品質。此外，由於本實施例之光學成像系統100在上述失焦條件下仍能具有較高的光學轉移函數的模數，代表光學成像系統具有較大的景深。在本實施例中，光學成像系統100可作為攝影機的成像系統或其他光學系統的成像系統。由於光學成像系統100可具有較大的景深，因此配合影像軟體的控制，可得到最佳化的景深效果，並且可以與現有醫療器材共用，而不需大幅變更光學系統架構。換言之，即使採用解像能力較不高、價格較便宜的成像鏡頭，透過空間光調變器200的調制作用亦能夠達到較高的成像解晰力，因此能夠節省鏡頭之成本。此外，由於具有較大的景深，本實施例之光學成像系統100可應用於眼底攝影機及咽喉口腔內視鏡等醫療器材中。

再者，當本實施例之光學成像系統100作為攝影機時，亦可針對同樣的物體採用不同的K值來作成像，以得到數位高動態範圍(high dynamic range)的影像。

值得注意的是，本發明並不限定空間光調變器200為數位微鏡元件。在其他實施例中，空間光調變器200亦可以是反射式液晶面板，例如為矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)，而微光闌單元則為矽基液晶面板的畫素，且光傳遞率則為畫素對特定偏振方向的光所產生的光反射率。

此外，在其他實施例中，光束方向轉換器120亦可以是採用分光器(beam splitter)，而分光器例如是部分穿透部分反射器或偏振分光器(polarizing beam splitter,PBS)，其中偏振分光器適用於空間光調變器200為反射式液晶面板的情況。

再者，在其他實施例中，光學成像系統100亦可以不包括光束方向轉換器120，而處於開狀態的微反射鏡直接將光束B反射至第二透鏡114，且處於關狀態的微反射鏡則使光束B無法傳遞至第二透鏡114。

值得注意的是，第一透鏡112的數量亦可以是有複數個，以形成一透鏡群。此外，第二透鏡114的數量亦可以是複數個，以形成一透鏡群。

圖4為本發明之另一實施例之光學成像系統的光路示意圖。請參照圖4，本實施例之光學成像系統100a與圖1A之光學成像系統100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，光學成像系統100a的空間光調變器200a為穿透式液晶面板，微光闌單元210a為穿透式液晶面板之呈陣列排列之畫素，而光傳遞率為畫素之光穿透率。本實施例之光學成像系統100a亦可達到圖1A之光學成像系統100的優點與功效，在此不再重述。此外，由於空間光調變器200a是穿透式的空間光調變器，而不是反射式的空間光調變器，因此本實施例中可以不設置如圖1A之光束方向轉換器120來變來自空間光調變器200a的光束B之傳遞方向。

圖5為本發明之又一實施例之光學成像系統的光路示意圖。請參照圖5，本實施例之光學成像系統100b與圖1A之光學成像系統100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例之光學成像系統100b中，在成像鏡頭110b的光闌位置P上並無配置空間光調變器，取而代之的是，在本實施例中，光學成像系統100b包括一空間光調變光源300。空間光調變光源300適於提供一結構光束302，以照射物體50，其中結構光束302成像於光闌位置P。在本實施例中，結構光束302成像於光闌位置P的影像304即用以取代圖1A之空間光調變器200所產生的光傳遞率分佈。

具體而言，空間光調變光源300適於調變結構光束302，以改變結構光束302成像於光闌位置P的影像304，且光闌位置P位於空間光調變光源300與像平面I之間的結構光束302之傳遞路徑上。在本實施例中，空間光調變光源300包括一光源310及空間光調變器200。光源310適於提供一照明光束312。空間光調變器200配置於照明光束312的傳遞路徑上，以將照明光束312轉換為結構光束302。在本實施例中，空間光調變光源300包括至少一透鏡320(在本實施例中是以一個透鏡320為例)，配置於空間光調變器200與光源310之間之照明光束312的傳遞路徑上。此外，在本實施例中，光學成像系統100b更包括至少一第三透鏡116，配置於空間光調變光源300與物體50之間之結構光束302的傳遞路徑上。在本實施例中，結構光束302適於穿透物體50而傳遞至第一透鏡112，進而通過光闌位置P與第二透鏡114而傳遞至像平面I，亦即光闌位置P位於第一透鏡112與第二透鏡114之間之結構光束302的傳遞路徑上。此外，物體50則被成像於像平面I上，即成像於光偵測器60上。

在本實施例中，空間光調變器200與圖1A之空間光調變器200相同，均為數位微鏡元件。此外，在本實施例中，空間光調變光源300具有複數個微光源單元330。具體而言，當空間光調變器200的微反射鏡(即圖1A之微光闌單元210)處於開狀態時，便能將照明光束312反射至第三透鏡116，亦即此時微反射鏡(即微光闌單元210)便能形成一微光源單元330。複數個處於開狀態的微反射鏡便能形成複數個微光源單元330，也就是將照明光束312轉換成結構光束302。此外，空間光調變單元300適於將這些微光源單元330調變成複數個光源區域，這些光源區域的光強度由空間光調變光源300的中心往空間光調變光源300的邊緣遞減。

在本實施例中，每一光源區域包括至少一微光源單元330。當每一光源區域包括複數個微光源單元330，且在同一光源區域中之這些微光源單元330的光強度實質上相同。換言之，可將圖1A之微光闌單元210視為本實施例之微光源單元330，將圖2之光闌區域220視為本實施例之光源區域，而圖2之光闌區域220之光傳遞率則視為本實施例之光源區域的光強度。此外，結構光束302位於光闌位置P的影像304則可視為圖1A之空間光調變器200所形成的孔徑光闌之投影所成之影像。無論設於光闌位置P的是如圖1A之實體孔徑光闌，或是如本實施例之孔徑光闌的成像(即影像304)，對於將物體50成像於光偵測器60上的光學效果均有類似的光調節作用。亦即，將孔徑光闌的成像設於光闌位置P就相當於或類似於將一個實體孔徑光闌設於光闌位置P上。因此，本實施例之光源區域的光強度分佈可完全參照圖1B之實施例所述之光傳遞率分佈，在此不再重述。

在本實施例中，控制單元150電性連接至空間光調變光源300，以控制空間光調變光源300的調變方式。具體而言，控制單元150例如電性連接至空間光調變器200，以控制空間光調變器200的調變方式。控制單元150可決定光源區域的光強度分佈應擬合何種函數，且可決定K值。此外，本實施例之光學成像系統100b可達到與圖1A之光學成像系統100相同或類似的優點與功效，在此不再重述。

此外，在本實施例中，在光闌位置P上可配置有一孔徑光闌130b，而孔徑光闌130b具有一孔洞，而影像304是被形成於孔洞中。

本實施例之光學成像系統100b可作為顯微鏡，以觀測物體50。然而，在其他實施例中，當物體50為空間光調變器(例如穿透式液晶面板)且將光偵測器60置換為屏幕時，則光學成像系統100b則可作為投影系統，以將空間光調變器(即物體50)的影像投影於屏幕上。此外，在其他實施例中，物體50亦可以是幻燈片。由上述數學運算分析可知，當K值不同時對於不同的空間頻率具有不同程度的成像解析力。因此，當光學成像系統100b用於投影裝置時，且當顯示藍光光碟或DVD的影像時，由於這樣的影像空間頻率較高，為了使畫面較為銳利，可利用對高空間頻率有較佳解析力的K值來顯示影像。另一方面，當顯示有線電視或無線電視等解析度較低的畫面時，則可利用對較低空間頻率有較佳解析力的K值來顯示顯像，以使畫面較為自然。

值得注意的是，本發明並不限定空間光調變光源300中的空間光調變器200是採用數位微鏡元件，在其他實施例中，亦可以是採用反射式液晶面板。

圖6為本發明之再一實施例之光學成像系統的光路示意圖。請參照圖6，本實施例之光學成像系統100c類似圖5之光學成像系統100b，而兩者的差異在於圖5的光學成像系統100b是將穿透物體50的結構光束302所搭載之物體50的影像成像於光偵測器60上，而本實施例之光學成像系統100c則是將由物體50反射且搭載物體50的影像之結構光束302成像於光偵測器60上。本實施例之光學成像系統100c具有類似於圖1A之光學成像系統100的優點與功效。舉例而言，本實施例之光學成像系統100c具有較大的景深F，因此即使物體50相對於結構光束302傾斜擺放，亦能夠清晰地成像於光偵測器60上。

本實施例之物體50亦可以是空間光調變器，例如是數位微鏡元件或反射式液晶面板，而光偵測器60可置換為屏幕，則光學成像系統100c即可作為投影系統。

圖7為本發明之另一實施例之光學成像系統的光路示意圖。請參照圖7，本實施例之光學成像系統100d類似於圖5之光學成像系統100b，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，空間光調變光源300d更包括如圖1A所繪示之光束方向轉換器120。光束方向轉換器120配置於光源310與空間光調變器200之間之照明光束312的傳遞路徑上，且配置於空間光調變器200與光闌位置P之間之結構光束302的傳遞路徑上。在本實施例中，來自光源310的照明光束312適於被全反射面128全反射至空間光調變器200，而空間光調變器200中呈現開狀態的微反射鏡則適於將照明光束312轉換為穿透全反射面128之結構光束302。在其他實施例中，光束方向轉換器120亦可以視使用需求而採用分光器或偏振分光器。

圖8為本發明之又一實施例之光學成像系統的光路示意圖。請參照圖8，本實施例之光學成像系統100e類似於圖6之光學成像系統100c，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，光學成像系統100e更包括一光束方向轉換器140e，配置於空間光調變光源300與物體50之間之結構光束302的傳遞路徑上，且配置於物體50與第一透鏡112之間之結構光束302的傳遞路徑上。在本實施例中，光束方向轉換器140e為一分光單元，例如為一部分穿透部分反射鏡，其適於將部分來自空間光調變光源300的結構光束302反射至物體50，且適於讓部分來自物體50的結構光束302穿透而傳遞至光闌位置P。在其他實施例中，光束方向轉換器140e亦可以是一內部全反射稜鏡或一偏振分光單元。當光束方向轉換器140e為偏振分光單元(例如偏振分光鏡或偏振分光稜鏡)時，光源310可採用偏振光源，而此偏振分光單元與物體50之間之結構光束302的傳遞路徑上可設有四分之一波片(wave plate)。

圖9為本發明之再一實施例之光學成像系統的光路示意圖。請參照圖9，本實施例之光學成像系統100f類似於圖5之光學成像系統100b，而兩者的差異如下所述。在本實施例之光學成像系統100f中，空間光調變光源300f例如為一發光二極體陣列(light emitting diode array,LED array)、一有機發光二極體陣列(organic light emitting diode array,OLED array)、一電漿顯示面板(plasma display panel,PDP)、場發射顯示面板(field emission display panel,FED panel)或陰極射線管(cathode ray tube,CRT)，亦即空間光調變光源300f為一自發光顯示器，而空間光調變光源300f的畫素340f之亮度則可決定光源區域的光強度。

圖10為本發明之另一實施例之光學成像系統的光路示意圖。請參照圖10，本實施例之光學成像系統100g類似於圖5之光學成像系統100b，而兩者的差異如下所述。在本實施例之光學成像系統100g中，空間光調變器200g例如為一穿透式液晶面板，而部分來自光源310的照明光束312適於穿透空間光調變器200g而形成結構光束302。

綜上所述，在本發明之實施例之光學成像系統中，由於採用了空間光調變器來作為孔徑光闌，或者採用空間光調變光源來提供成像於光闌位置的結構光束，因此藉由調變空間光調變器或空間光調變光源，可使孔徑光闌或結構光束的光強度振幅與相位改變。如此一來，便可根據使用需求形成不同的成像效果。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

50．．．物體

60．．．光偵測器

100、100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g．．．光學成像系統

110、110b．．．成像鏡頭

112．．．第一透鏡

114．．．第二透鏡

116．．．第三透鏡

120、140e．．．光束方向轉換器

122．．．第一稜鏡

124．．．第二稜鏡

126．．．間隙

128．．．表面

130b．．．孔徑光闌

150．．．控制單元

200、200a、200g．．．空間光調變器

210、210a．．．微光闌單元

220．．．光闌區域

300、300d、300f．．．空間光調變光源

302．．．結構光束

304．．．影像

310．．．光源

312．．．照明光束

320．．．透鏡

330．．．微光源單元

340f．．．畫素

B．．．光束

c、D、d．．．寬度

F．．．景深

I．．．像平面

P．．．光闌位置

θ．．．角度

圖1A為本發明之一實施例之光學成像系統的光路示意圖。

圖1B為圖1A繪示數位微鏡元件中之一微反射鏡及其所產生之光路徑。

圖2為圖1A之數位微鏡元件在某一種狀態下之光傳遞率分佈圖。

圖3A為圖1A之光學成像系統的對照組所運算出的光學傳遞函數曲線圖。

圖3B、圖3C及圖3D分別為圖1A之光學成像系統為K=0、K=0.05與K=0.3時所運算出來的光學轉移函數曲線圖。

圖4為本發明之另一實施例之光學成像系統的光路示意圖。

圖5為本發明之又一實施例之光學成像系統的光路示意圖。

圖6為本發明之再一實施例之光學成像系統的光路示意圖。

圖7為本發明之另一實施例之光學成像系統的光路示意圖。

圖8為本發明之又一實施例之光學成像系統的光路示意圖。

圖9為本發明之再一實施例之光學成像系統的光路示意圖。

圖10為本發明之另一實施例之光學成像系統的光路示意圖。

50．．．物體

60．．．光偵測器

100．．．光學成像系統

110．．．成像鏡頭

112．．．第一透鏡

114．．．第二透鏡

120．．．光束方向轉換器

122．．．第一稜鏡

124．．．第二稜鏡

126．．．間隙

128．．．表面

150．．．控制單元

200．．．空間光調變器

210．．．微光闌單元

B．．．光束

I．．．像平面

P．．．光闌位置

Claims (17)

1. 一種光學成像系統，包括：一成像鏡頭，具有一光闌位置；以及一空間光調變器，配置於該成像鏡頭之該光闌位置，以作為該成像鏡頭的一孔徑光闌，其中該空間光調變器適於調變該空間光調變器的光傳遞率以使該孔徑光闌的光強度振幅與相位改變，其中該空間光調變器具有複數個微光闌單元，該空間光調變器適於將該些微光闌單元調變成複數個光闌區域，該些光闌區域的光傳遞率由該孔徑光闌的中心往該孔徑光闌的邊緣做對稱性的變化。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學成像系統，其中每一該光闌區域包括至少一微光闌單元。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學成像系統，其中當每一該光闌區域包括複數個微光闌單元時，在同一該光闌區域中之該些微光闌單元的光傳遞率實質上相同。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學成像系統，其中該空間光調變器為一數位微鏡元件、一反射式液晶面板或一穿透式液晶面板。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學成像系統，其中該成像鏡頭包括：至少一第一透鏡；以及至少一第二透鏡，其中該空間光調變器配置於該第一透鏡與該第二透鏡之間之光束傳遞路徑上，且該光學成係系統更包括一光束方向轉換器，配置於該 第一透鏡與該空間光調變器之間之光束傳遞路徑上，且配置於該空間光調變器與該第二透鏡之間之光束傳遞路徑上。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光學成像系統，其中該光束方向轉換器為包括一全反射稜鏡或一分光器。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學成像系統，更包括一控制單元，電性連接至該空間光調變器，以控制該空間光調變器的調變方式。
8. 一種光學成像系統，適於將一物體成像於一像平面上，該光學成像系統包括：一成像鏡頭，具有一光闌位置；以及一空間光調變光源，適於提供一結構光束，以照射該物體，其中該結構光束成像於該光闌位置，該空間光調變光源適於調變該結構光束，以改變該結構光束成像於該光闌位置的的光強度振幅與相位分布，且該光闌位置位於該空間光調變光源與該像平面之間的該結構光束之傳遞路徑上，其中該空間光調變光源具有複數個微光源單元，該空間光調變光源適於將該些微光源單元調變成複數個光源區域，該些光源區域的光強度由該空間光調變光源的中心往該空間光調變光源的邊緣做對稱性的變化。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光學成像系統，其中每一該光源區域包括至少一微光源單元。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光學成像系統，其中當每一該光源區域包括複數個微光源單元時，在同一該 光源區域中之該些微光源單元的光強度實質上相同。
11. 如申請專利範圍第8項所述之光學成像系統，其中該空間光調變光源包括：一光源，適於提供一照明光束；以及一空間光調變器，配置於該照明光束的傳遞路徑上，以將該照明光束轉換為該結構光束。
12. 如申請專利範圍第11項所述之光學成像系統，其中該空間光調變器為一數位微鏡元件、一反射式液晶面板或一穿透式液晶面板。
13. 如申請專利範圍第11項所述之光學成像系統，更包括一光束方向轉換器，配置於該光源與該空間光調變器之間之該照明光束的傳遞路徑上，且配置於該空間光調變器與該光闌位置之間之該結構光束的傳遞路徑上。
14. 如申請專利範圍第13項所述之光學成像系統，其中該光束方向轉換器為包括一全反射稜鏡、一分光器或一偏振分光器。
15. 如申請專利範圍第8項所述之光學成像系統，其中該空間光調變光源為一發光二極體陣列、一有機發光二極體陣列、一電漿顯示面板、場發射顯示面板或陰極射線管。
16. 如申請專利範圍第8項所述之光學成像系統，其中該成像鏡頭包括：至少一第一透鏡；以及至少一第二透鏡，其中該光闌位置位於該第一透鏡與 該第二透鏡之間之該結構光束的傳遞路徑上，且該光學成像系統更包括至少一第三透鏡，配置於該空間光調變光源與該物體之間之該結構光束的傳遞路徑上。
17. 如申請專利範圍第8項所述之光學成像系統，更包括一控制單元，電性連接至該空間光調變光源，以控制該空間光調變光源的調變方式。