專利名稱：一種基于微透鏡陣列的cmos傳感器的顯微鏡成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及顯微鏡成像領(lǐng)域，具體涉及一種基于微透鏡陣列的CMOS傳感器 的顯微鏡成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)碼顯微鏡及LCD顯示技術(shù)在顯微鏡的應(yīng)用，給顯微鏡的光電轉(zhuǎn)換成像的適 配光學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)新挑戰(zhàn)。光電轉(zhuǎn)換成像的光學(xué)鏡頭和傳感器之間的匹配是顯微鏡數(shù)字化 成像的關(guān)鍵技術(shù)之一。現(xiàn)有傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)中，常見的是在顯微鏡物鏡的后續(xù)光路 中(即在顯微鏡物鏡后初次成像面的前面或后面)設(shè)置一個(gè)雙膠合透鏡或一組透鏡，見 附圖1所示，使光線會(huì)聚發(fā)射到傳感器的像素面上，并在傳感器有效區(qū)域截獲與目鏡視場(chǎng)相一致的觀察范圍，同時(shí)在顯示屏上顯示優(yōu)質(zhì)的像。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)在于由于顯微鏡物鏡后續(xù)的成像系統(tǒng)是一會(huì)聚光路，導(dǎo)致某些不同角度的光線不能全部進(jìn)入傳感 器的像素面上，其減少的光線與增大角度余弦值的四次方是成比例關(guān)系的，因此顯示的圖像會(huì)不均勻從而產(chǎn)生光斑；同時(shí)，系統(tǒng)畸變得不到良好的校正，造成屏幕圖像失真。 在顯微鏡制造過(guò)程中，為確保各倍率物鏡更換時(shí)成像的一致性，方便使用者尋找觀察目標(biāo)，物體在顯微鏡物鏡后的初次成像面與物體之間的距離一般是固定的。為了改善上述缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的做法是，在顯微鏡物鏡的后續(xù)光路上采用遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)，見附圖2所示，它在顯微鏡物鏡的后續(xù)光路中設(shè)置三組透鏡，使來(lái)自顯微鏡物鏡的主光線垂直入射至傳感器像素面，以獲取成像區(qū)照明的均勻性。但是，隨著CMOS傳感器技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)展及CMOS技術(shù)的發(fā)展，某些CMOS 傳感器為了匹配特定鏡頭的較大入射角的光線，CMOS傳感器為每個(gè)像素都設(shè)計(jì)一個(gè)微 鏡頭，形成將來(lái)自不同角度的光線聚焦在不同的像素上，這種結(jié)構(gòu)的CMOS傳感器一 般叫做具有微透鏡陣列的CMOS傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖見附圖3所示；這里每個(gè)像素 上都有一個(gè)主光線角度CRA!，此角度處的像素響應(yīng)降低為零度角像素響應(yīng)(此時(shí)，此像 素是垂直于光線的)的80%。因此，對(duì)于具有微透鏡陣列的CMOS傳感器，其微透鏡的 主光線角度CRA，是一隨視場(chǎng)變化的確定的曲線。這時(shí)，如果采用附圖1和2所示的成 像系統(tǒng)，這時(shí)顯微鏡實(shí)際的主光線角度CRA3或CRA4與具有微透鏡陣列的CMOS傳 感器的微鏡頭設(shè)計(jì)的主光線角度CR^之間的關(guān)系是不匹配，附圖4為采用附圖1所示 的成像系統(tǒng)中顯微鏡實(shí)際主光線角度CRA3與具有微透鏡陣列的CMOS傳感器的主光 線CRA的比對(duì)圖，橫坐標(biāo)X為CMOS傳感器上的歸化后成像高度，縱坐標(biāo)Y為主光線角度；附圖5為采用附圖2所示的成像系統(tǒng)中顯微鏡實(shí)際主光線角度CRA4與具有微 透鏡陣列的CMOS傳感器的主光線CRA!的比對(duì)圖；從圖中可以看出，CRA3或CRA4 與CR^明顯不匹配，并且處于邊緣的主光線的角度差明顯增大，這樣將會(huì)出現(xiàn)不理想 的透過(guò)傳感器的光線強(qiáng)度(也就是"陰影"或光斑)，從而嚴(yán)重影響顯示像面質(zhì)量。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種基于微透鏡陣列的 CMOS傳感器的顯微鏡成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效減少因光線損失和避免像素響應(yīng)降低帶 來(lái)的像面光斑；同時(shí)，達(dá)到良好的畸變校正和優(yōu)質(zhì)圖像。本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該基于微透鏡陣列的CMOS傳感器的顯微鏡成像系統(tǒng)，包括顯微鏡物鏡和基于微透鏡陣列的CMOS傳感器，其特 征在于所述顯微鏡物鏡與所述基于微透鏡陣列的CMOS傳感器之間設(shè)置有適配成像 系統(tǒng)，該適配成像系統(tǒng)包括有具有正光焦度的第一透鏡組和具有正光焦度的第二透鏡 組，其中第一透鏡組設(shè)置在顯微鏡物鏡與由顯微鏡物鏡確定的初次成像面之間，并且該 第一透鏡組使來(lái)自顯微鏡物鏡的光線會(huì)聚，這些光線的會(huì)聚面為第一成像面；經(jīng)過(guò)第一成像面上發(fā)射出的光線再通過(guò)所述具有正光焦度的第二透鏡組進(jìn)行發(fā)散，從而使光線發(fā)散出射至CMOS傳感器的微透鏡凸面上。較好的，所述第一透鏡組采用具有正光焦度的第十一透鏡和具有負(fù)光焦度的第十二 透鏡組成的雙膠合透鏡。這里所述第十一透鏡的入射面的曲率半徑為17.28mm ，第十一透鏡的出射面和第 十二透鏡的入射面的曲率半徑均為-29.22mm，第十二透鏡的出射面的曲率半徑為29.22 mm，第十一透鏡的厚度為6mm，第十二透鏡的厚度為2mm，第十一透鏡入射面頂點(diǎn)與 由顯微鏡物鏡確定的初次成像面之間的距離為156mm，第十一透鏡的折射率為 1.548088，第十二透鏡的折射率為1.744003，第H^—透鏡的色散系數(shù)為53.9479，第十二 透鏡的色散系數(shù)為44.9099。所述第二透鏡組為具有正光焦度的第二十一透鏡、具有負(fù)光焦度的第二十二透鏡、 具有正光焦度的第二十三透鏡、具有正光焦度的第二十四透鏡組合而成，其中第二十一 透鏡為雙凸正透鏡；第二十二透鏡為雙凹負(fù)透鏡和雙凸正透鏡組成的雙膠合負(fù)透鏡，第 二十三透鏡為雙凸正透鏡；第二十四透鏡為月牙型正透鏡。較好的，所述第二十一透鏡的入射面的曲率半徑為26.67 mm，出射面的曲率半徑 為-9.43mm，厚度為3.5mm，與第一透鏡組出射面頂點(diǎn)之間的距離為69.66mm，折射率 為1.6204414，色散系數(shù)為60.2743;雙凹負(fù)透鏡入射面的曲率半徑為-5.8 mm，出射面 的曲率半徑為4.86 mm，厚度為L(zhǎng)5mm，與第二H^—透鏡出射面頂點(diǎn)之間的距離為 2.4mmm，折射率為1.755199，色散系數(shù)為27.5302，雙凸正透鏡入射面的曲率半徑為4.86mm，出射面的曲率半徑為-17.28 mm，厚度為5mm，折射率為1.744003，色散系數(shù) 為44.9099;第二十三透鏡的入射面的曲率半徑為11.2 mm，出射面的曲率半徑為-180 mm，厚度為4.6mm，與第二十二透鏡出射面頂點(diǎn)之間的距離為1.7mm，折射率為 1.744003，色散系數(shù)為44.9099;第二十四透鏡的入射面的曲率半徑為4.41 mm，出射面 的曲率半徑為3.23 mm，厚度為4.4mm，與第二十三透鏡出射面頂點(diǎn)之間的距離為 0.5mm，折射率為1.744003，色散系數(shù)為44.卯99;具有微透鏡陣列的CMOS傳感器與 第二十四透鏡出射面頂點(diǎn)之間的距離為4.98mm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于將來(lái)自顯微鏡物鏡的光線，通過(guò)第一透 鏡組和第二透鏡組進(jìn)行二次成像，使得主光線角度與傳感器微透鏡的主光線角度能較好 的匹配，減少因光線損失和避免像素響應(yīng)降低帶來(lái)的像面光斑，消除透過(guò)傳感器的光線 強(qiáng)度不均勻(即"陰影")的現(xiàn)象，具有良好的場(chǎng)曲校正，畸變小于1.2%。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中顯微鏡物鏡的后續(xù)光路圖一； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中顯微鏡物鏡的后續(xù)光路圖二； 圖3為具有微透鏡陣列的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖4為采用圖1所示成像系統(tǒng)的主光線角度CRA3與具有微透鏡陣列的CMOS傳 感器的微鏡頭設(shè)計(jì)的主光線角度CRA，之間的比對(duì)圖；圖5為采用圖2所示成像系統(tǒng)的主光線角度CRA3與具有微透鏡陣列的CMOS傳 感器的微鏡頭設(shè)計(jì)的主光線角度CRA!之間的比對(duì)圖；圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例中顯微鏡成像系統(tǒng)的光路圖；圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例中的顯微鏡成像系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖；圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例的顯微鏡成像系統(tǒng)的主光線角度CRA2與具有微透鏡陣列 的CMOS傳感器的微鏡頭設(shè)計(jì)的主光線角度CR 之間的比對(duì)圖；具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一歩詳細(xì)描述。本實(shí)用新型提供了一種基于微透鏡陣列的CMOS傳感器的顯微鏡成像系統(tǒng)，參見 圖6、圖7所示，該顯微鏡成像系統(tǒng)包括顯微鏡物鏡1、適配成像系統(tǒng)、具有微透鏡陣 列的CMOS傳感器2。適配成像系統(tǒng)包括具有正光焦度的第一透鏡組Ul和具有正光焦 度的第二透鏡組U2，適配成像系統(tǒng)設(shè)置在顯微鏡物鏡1與所述基于微透鏡陣列的CMOS 傳感器2之間，該適配成像系統(tǒng)包括有具有正光焦度的第一透鏡組Ul和具有正光焦度 的第二透鏡組U2，其中第一透鏡組Ul設(shè)置在顯微鏡物鏡1與由顯微鏡物鏡確定的初次 成像面3之間，并且該第一透鏡組U1使 自顯 鏡物鏡1的光線會(huì)聚，這些光線的會(huì)聚面為第一成像面4;經(jīng)過(guò)第一成像面4上發(fā)射出的光線再通過(guò)所述具有正光焦度的第二透鏡組U2進(jìn)行發(fā)散，從而使光線發(fā)散出射至CMOS傳感器2的微透鏡凸面上本實(shí)施例中第一透鏡組Ul為具有正光焦度的第十一透鏡Ll和具有負(fù)光焦度的第 十二透鏡L2組成的雙膠合透鏡；其中第十一透鏡Ll的入射面的曲率半徑rl為17.28 mm，第i"^一透鏡Ll的出射面r2和第十二透鏡L2的入射面r2的曲率半徑均為-29.22 mm，第十二透鏡L2的出射面r3的曲率半徑為29.22 mm，第H"^—透鏡Ll的厚度dl為 6mm，第十二透鏡L2的厚度d2為2mm，第H^—透鏡Ll入射面頂點(diǎn)與由顯微鏡物鏡確 定的初次成像面3之間的距離為156mm，第i"^一透鏡Ll的折射率為1.548088，第十二 透鏡L2的折射率為1.744003，第十一透鏡Ll的色散系數(shù)為53.9479，第十二透鏡L2 的色散系數(shù)為44.9099。這時(shí)，來(lái)自物鏡的光線經(jīng)過(guò)第一透鏡組U1后會(huì)聚而成第一成像面4與第十二透鏡 L2的出射面頂點(diǎn)之間的距離為70mm，相對(duì)于由顯微鏡物鏡確定的初次成像面3來(lái)說(shuō)， 第一透鏡組Ul將物體在顯微鏡物鏡之后第一次成像的成像面拉近了。而第二透鏡組U2為具有正光焦度的第二十一透鏡L3、具有負(fù)光焦度的第二十二透 鏡、具有正光焦度的第二十三透鏡L6、具有正光焦度的第二十四透鏡L7組合而成，其 中第二i^一透鏡L3為雙凸正透鏡；第二十二透鏡為雙凹負(fù)透鏡L4和雙凸正透鏡L5組 成的雙膠合負(fù)透鏡，第二十三透鏡為雙凸正透鏡；第二十四透鏡為月牙型正透鏡；其中 第二H^—透鏡L3的入射面的曲率半徑r4為26.67 mm，出射面r5的曲率半徑為-9.43 mm, 厚度d4為3.5mm，與第一透鏡組Ul出射面頂點(diǎn)之間的距離d3為69.66mm，折射率 為1.6204414，色散系數(shù)為60.2743;雙凹負(fù)透鏡L4入射面的曲率半徑r6為-5.8 mm， 出射面的曲率半徑r7為4.86 mm，厚度d6為1.5mm，與第二H^—透鏡L3出射面頂點(diǎn) 之間的距離d5為2.4mmm，折射率為1.755199，色散系數(shù)為27.5302，雙凸正透鏡L5 入射面的曲率半徑r7為4.86mm，出射面的曲率半徑r8為-17.28 mm，厚度d7為5mm， 折射率為1.744003，色散系數(shù)為44.9099;第二十三透鏡L6的入射面的曲率半徑r9為 11.2mm，出射面r10的曲率半徑為-180mm，厚度d9為4.6mm，與第二十二透鏡L5出 射面頂點(diǎn)之間的距離d8為1.7mm，折射率為1.744003，色散系數(shù)為44.9099;第二十四 透鏡L7的入射面的曲率半徑r11為4.41mm，出射面的曲率半徑r12為3.23 mm，厚度 dll為4.4mm，與第二十三透鏡L6出射面頂點(diǎn)之間的距離d10為0.5mm，折射率為 1.744003，色散系數(shù)為44.9099;具有微透鏡陣列的CMOS傳感器2與第二十四透鏡L7 出射面頂點(diǎn)之間的距離d12為4.98mm。上述所有透鏡均釆用低色散的冕牌玻璃和高色散的火石玻璃組合而成，入射面和出 射面均為球面，并同軸對(duì)稱設(shè)置。采用上述成像系統(tǒng)后，本實(shí)施例各視場(chǎng)出射主光線角度CRA2與CMOS各對(duì)應(yīng)位置 微透鏡主光線角度CRAi曲線比對(duì)圖參見圖8所示，其橫坐標(biāo)X方向自左至右代表中心成像區(qū)域至最邊緣的歸化后的成像高度，縱坐標(biāo)Y方向表示相對(duì)應(yīng)的主光線出射角度， CRA2為本實(shí)用新型各視場(chǎng)出射主光線角度變化圖，CRA,為特殊微透鏡陳列的CMOS 傳感器的各視場(chǎng)主光線角度變化圖。從圖中可以看出，本實(shí)用新型的主光線角度CRA2為一近似線性，與CMOS各對(duì)應(yīng) 位置微透鏡主光線角度CRAi之間匹配度較好，使并且兩條曲線在點(diǎn)C (約像高的80%) 相交，這時(shí)本實(shí)用新型的主光線角度CRA2與CMOS各對(duì)應(yīng)位置微透鏡主光線CRA,角 度差都減到最理想狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了合理匹配，消除透過(guò)傳感器的光線強(qiáng)度不均勻(B卩"陰影") 的現(xiàn)象，達(dá)到光斑補(bǔ)償、視場(chǎng)照明均勻的目的，同時(shí)，具有良好的場(chǎng)曲校正，畸變小于 1.2%。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)參數(shù)說(shuō)明了一個(gè)實(shí)施例，如第一成像面位置在結(jié)構(gòu)允許的情況下 變化，而需要改變相應(yīng)的曲率半徑、厚度、材料參數(shù)，也在本實(shí)用新型保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種基于微透鏡陣列的CMOS傳感器的顯微鏡成像系統(tǒng)，包括顯微鏡物鏡(1)和基于微透鏡陣列的CMOS傳感器(2)，其特征在于所述顯微鏡物鏡(1)與所述基于微透鏡陣列的CMOS傳感器(2)之間設(shè)置有適配成像系統(tǒng)，該適配成像系統(tǒng)包括有具有正光焦度的第一透鏡組(U1)和具有正光焦度的第二透鏡組(U2)，其中第一透鏡組(U1)設(shè)置在顯微鏡物鏡(1)與由顯微鏡物鏡確定的初次成像面(3)之間，并且該第一透鏡組(U1)使來(lái)自顯微鏡物鏡(1)的光線會(huì)聚，這些光線的會(huì)聚面為第一成像面(4)；經(jīng)過(guò)第一成像面(4)上發(fā)射出的光線再通過(guò)所述具有正光焦度的第二透鏡組(U2)進(jìn)行發(fā)散，從而使光線發(fā)散出射至CMOS傳感器(2)的微透鏡凸面上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微透鏡陣列的CMOS傳感器的顯微鏡成像系統(tǒng)，其 特征在于所述第一透鏡組(U1)為具有正光焦度的第十一透鏡(L1)和具有負(fù)光焦度的第 十二透鏡(L2)組成的雙膠合透鏡。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微透鏡陣列的CMOS傳感器的顯微鏡成像系統(tǒng)，其 特征在于所述第十一透鏡(L1)的入射面的曲率半徑為17.28,第十一透鏡(L1)的出射面 和第十二透鏡(L2)的入射面的曲率半徑均為-29.22,第十二透鏡(L2)的出射面的曲率半徑 為29.22，第十一透鏡(L1)的厚度為6mm，第十二透鏡(L2)的厚度為2mm，第i"^一透鏡 (Ll)入射面頂點(diǎn)與由顯微鏡物鏡確定的初次成像面(3)之間的距離為156mm，第十一透鏡 (Ll)的折射率為1.548088，第十二透鏡(L2)的折射率為1.744003，第十一透鏡(L1)的色 散系數(shù)為53.9479，第十二透鏡(L2)的色散系數(shù)為44.9099。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于微透鏡陣列的CMOS傳感器的顯微鏡成像系統(tǒng)，其 特征在于所述第二透鏡組(U2)為具有正光焦度的第二十一透鏡(L3)、具有負(fù)光焦度的 第二十二透鏡、具有正光焦度的第二十三透鏡(L6)、具有正光焦度的第二十四透鏡(L7) 組合而成，其中第二H^—透鏡(L3)為雙凸正透鏡；第二十二透鏡為雙凹負(fù)透鏡(L4)和雙 凸正透鏡(L5)組成的雙膠合負(fù)透鏡，第二十三透鏡為雙凸正透鏡；第二十四透鏡為月牙 型正透鏡。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微透鏡陣列的CMOS傳感器的顯微鏡成像系統(tǒng)，其 特征在于所述第二十一透鏡(L3)的入射面的曲率半徑為26.67mm，出射面的曲率半徑 為-9.43mm，厚度為3.5，與第一透鏡組(U1)出射面頂點(diǎn)之間的距離為69.66mm，折射 率為1.6204414，色散系數(shù)為60.2743;雙凹負(fù)透鏡(L4)入射面的曲率半徑為-5.8 mm，出 射面的曲率半徑為4.86 mm，厚度為1.5mm，與第二i~一透鏡(L3)出射面頂點(diǎn)之間的距 離為2.4mmm，折射率為1.755199，色散系數(shù)為27.5302，雙凸正透鏡(L5)入射面的曲率 半徑為4.86mm，出射面的曲率半徑為-17.28 mm，厚度為5mm，折射率為1.744003，色散系數(shù)為44.9099;第二十三透鏡(L6)的入射面的曲率半徑為11.2mm，出射面的曲率 半徑為-180mm,厚度為4.6mm，與第二十二透鏡(L5)出射面頂點(diǎn)之間的距離為1.7mm， 折射率為1.744003，色散系數(shù)為44.9099;第二十四透鏡(L7)的入射面的曲率半徑為4.41 mm，出射面的曲率半徑為3.23mm，厚度為4.4mm，與第二十三透鏡(L6)出射面頂點(diǎn)之 間的距離為0.5mm，折射率為1.744003，色散系數(shù)為44.9099;具有微透鏡陣列的CMOS 傳感器(2)與第二十四透鏡(L7)出射面頂點(diǎn)之間的距離為4.98mm 。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于微透鏡陣列的CMOS傳感器的顯微鏡成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括顯微鏡物鏡和基于微透鏡陣列的CMOS傳感器，其特征在于所述顯微鏡物鏡與所述基于微透鏡陣列的CMOS傳感器之間設(shè)置有適配成像系統(tǒng)，該適配成像系統(tǒng)包括有具有正光焦度的第一透鏡組和具有正光焦度的第二透鏡組，其中第一透鏡組設(shè)置在顯微鏡物鏡與由顯微鏡物鏡確定的初次成像面之間，并且該第一透鏡組使來(lái)自顯微鏡物鏡的光線會(huì)聚，這些光線的會(huì)聚面為第一成像面；經(jīng)過(guò)第一成像面上發(fā)射出的光線再通過(guò)所述具有正光焦度的第二透鏡組進(jìn)行發(fā)散，從而使光線發(fā)散出射至CMOS傳感器的微透鏡凸面上。本實(shí)用新型的主光線角度與傳感器微透鏡的主光線角度能較好的匹配。
文檔編號(hào)G02B21/36GK201421518SQ20092012279
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者張燕珂, 曾麗珠, 黃曉燕 申請(qǐng)人:寧波永新光學(xué)股份有限公司