具有液體透鏡的口內照相機的製作方法

2023-06-07 11:39:51

專利名稱：具有液體透鏡的口內照相機的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及一種口內成像照相機系統。更具體地，本發明涉及具有用於連續和單自動聚焦的液體透鏡的口內照相機。
背景技術：
諸如牙醫等牙科專業人員可能期望在提供牙科醫療之前捕獲患者牙齒的圖像。在治療之前，可以提取患者牙齒的圖像並且將其存儲為數據，並且能夠基於所捕獲的圖像來做出治療方案。另外，在治療過程中，可以提取口腔內部的圖像並且將其存儲為數據，用於使牙醫和患者均能夠觀看治療的進展並且用作學術會議的報告材料。能夠採用口內照相機來捕獲圖像。可顯示口腔的圖像以用於診斷、治療、患者教導等用途。一般地，口內照相機包括照明模塊、透鏡模塊和電部件。一些口內照相機可採用器件來通過數字方式捕獲圖像，例如，使用數字傳感器。在一些口內照相機中，通過手動調整透鏡和傳感器之間的距離來進行焦點調整。 然而，此方法不便於牙醫操作。一些口內照相機將使用能夠提供大DOF(場深度)的小 NA(數值孔徑)來代替焦點調整。但是，小NA光學系統不能夠提供高解析度且不能夠增大光通量。因此，需要提供一種具有連續聚焦和單自動聚焦的口內照相機。發明概述本發明的目的是提供具有連續聚焦和單自動聚焦的口內照相機。口內照相機包括⑴數字成像傳感器，其用於捕獲對象的數字圖像；(2)光源，其用於照射對象；C3)成像透鏡組件，其用於朝向數字成像傳感器沿著光路引導來自對象的光；(4)液體透鏡，其布置在光路中成像透鏡組件和數字成像傳感器之間，所述液體透鏡具有可調節焦距；( 驅動器，其向液體透鏡施加可變電壓以控制液體透鏡的焦距；以及(6) 處理器，其用於處理由數字成像傳感器捕獲的數字圖像。在另一布置中，提供一種口內照相機，包括(1)數字成像傳感器，其用於捕獲對象的數字圖像；(2)光源，其用於照相對象；(3)第一成像透鏡組件，其用於朝向中間平面沿著光路引導來自對象的光以形成中間圖像；(4)第二成像透鏡組件，其包括液體透鏡，所述第二成像透鏡組件布置在光路中所述第一成像透鏡組件和所述數字成像傳感器之間，所述液體透鏡具有可調節焦距，將中間圖像轉送到數字成像傳感器；( 驅動器，其向液體透鏡施加可變電壓以控制液體透鏡的焦距；以及(6)處理器，其用於處理由數字成像傳感器捕獲的數字圖像。此目的僅通過示例性實施例的方式給出，並且這一目的可以為本發明的一個或多個實施方案的示例。由公開的本發明固有實現的其它期望的目標和優點可呈現於本領域技術人員或者對於本領域技術人員而言變得顯而易見。本發明由所附的權利要求限定。根據本申請的緊湊型口內照相機提供了具有用於自動聚焦的液體透鏡的小尺寸的、簡單的結構。


通過下面對如附圖所示的本發明的實施方案的更加特別的描述，本發明的前述和其它的目的、特徵和優點對於本領域技術人員來說是顯而易見的。附圖的元件不一定相對於彼此成比例。圖1示出了具有液體透鏡的口內照相機的系統結構。圖2示出了具有液體透鏡的口內照相機的實施例。圖3A和圖IBB示出了液體透鏡的結構。圖4示出了液體透鏡的工作原理。圖5示出了根據圖3的口內照相機的設計流程。圖6圖解地示出了本發明的口內照相機的電氣結構。圖7示出了用於連續自動聚焦的圖6中的DSP (圖像處理器)中的固件工作流程。圖8示出了口內照相機的連續自動聚焦特徵的聚焦區域。圖9示出了圖示連續自動聚焦方法的流程圖。圖10示出了圖示聚焦掃描處理的流程圖。圖11示出了單自動聚焦的聚焦區域。圖12示出了示例性的焦點值計算。圖13示出了圖示單自動聚焦方法的流程圖。圖14示出了圖15中的單自動聚焦方法的峰值校驗。圖15示出了圖13中的單自動聚焦方法的近端或遠端聚焦校驗。圖16示出了圖15中的單自動聚焦方法的近端或遠端聚焦校驗。發明詳述下面將參照附圖對本發明的優選實施方案進行詳細說明，其中在多個圖中的每個中相同的附圖標記表示結構的相同元件。圖1示出了具有液體透鏡100的示例性的口內照相機系統。正如所示，所述照相機包括成像透鏡組件302、液體透鏡100、數字成像元件/傳感器304、液體透鏡驅動器306、 和圖像處理器308以及在傳感器304和圖像處理器602之間的通信器件310。在此布置中， 能夠通過改變施加到液體透鏡的電壓來調整液體透鏡的焦距。因此，口內照相機能夠在不同的工作距離處聚焦到對象上。驅動器306為液體透鏡100提供可變電壓。傳感器304用於捕獲圖像，並且圖像處理器308適於處理由成像元件/傳感器304捕獲的圖像。液體透鏡100用於自動聚焦。 在其它的實施方案中，透鏡組件302能夠包括液體透鏡。圖2示出了具有液體透鏡的口內照相機的實施方案。為了提供大的視場和自動聚焦，光學設計採用了圖2中所示的布置。如圖所示，光學系統包括成像透鏡組件302和液體透鏡100。液體透鏡驅動器306向液體透鏡100施加可變電壓。成像元件/傳感器304捕獲圖像。圖像處理器308處理由傳感器304捕獲的圖像。液體透鏡100用於聚焦，並且透鏡組件600用於成像。成像透鏡組件302和液體透鏡100布置在待成像對象(例如，牙齒)和傳感器304 的中間。成像透鏡組件302由如下三透鏡組構成第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡。第一透鏡將大FOV(視場)壓縮成小FOV並且製作對象的中間圖像。第二和第三透鏡在具有所涉及到的液體透鏡100的傳感器304上製作最終圖像。換句話說，序列為對象、成像透鏡組件 302、液體透鏡100和傳感器304。這些部分以此方式布置以使得能夠對於不同的工作距離來調整液體透鏡100，以有助於成像透鏡組件302在傳感器304上形成圖像。參照圖3A和圖;3B，液體透鏡100通常包括兩種等密度液體，所述兩種等密封液體夾在錐形容器中的兩個透明窗107之間。在此實施方案中，一種液體為水103，水103為導電性的，而另一個液體為油101，油101用作蓋，允許工程師用固定量的水工作，並且為光軸 105提供穩定性測量。透鏡100進一步包括與油101絕緣但是與水103電接觸的電極109 和113 ；並且可變電壓能夠選擇性地施加到電極上。絕緣體111沉積在電極109和113之間以將它們隔離。油101和水103之間的界面將根據橫過錐形結構施加的電壓來改變其形狀。如圖IA所示，當施加零伏時，表面為平坦的。當電壓增加到40伏時，油101的表面變得極度凸，如圖IB所示。以此方式，液體透鏡能夠通過改變施加到電極上的電壓來獲得期望的折射功率。圖4示出了根據圖1的液體透鏡100的工作原理。液體透鏡100基於下面所述的電潤溼現象工作水滴103沉積到由金屬製成的由薄絕緣層覆蓋的襯底上。施加的襯底上的電壓產生靜電壓力以迫使液體改變其形狀，從而改變了液滴的接觸角。液體透鏡採用的是兩種同密度液體一種是絕緣體101，而另一種是導體103。電壓的變化使得液體-液體界面的曲率變化，這依次使得透鏡的焦距變化。圖5提供了口內照相機的光學設計的流程。在口內照相機中確定液體透鏡的位置；然後，與口內照相機的不同工作距離相對應地計算出液體透鏡的光功率，以判定光功率是否在液體透鏡的能力範圍內。如果光功率在所述範圍之外，則應當重新定位液體透鏡的位置，然後重新計算光功率以進行判定。如果光功率在所述範圍內，這意味著位置是正確的，那麼當前的設計結束。如上所述，諸如牙醫等牙科專業人員可能期望在提供牙科醫療之前捕獲患者牙齒的圖像或圖像的集合。或者，可能期望捕獲連續系列的圖像。為了提供操作簡易性，口內照相機提供了連續聚焦和單自動聚焦。因此，提供一種口內照相機，包括(1)數字成像傳感器，其用於捕獲對象的數字圖像；( 光源，其用於照射對象；C3)成像透鏡組件，其朝向數字成像傳感器沿光路引導來自對象的光；(4)液體透鏡，其布置在光路中成像透鏡組件和數字成像傳感器之間，所述液體透鏡具有可調焦距；( 驅動器，其向液體透鏡施加可變電壓以控制液體透鏡的焦距；以及(6)處理器，其用於處理由數字成像傳感器捕獲的數字圖像。如上所述，提供一種口內照相機，包括(1)數字成像傳感器，其用於捕獲對象的數字圖像；( 光源，其用於照射對象；C3)第一成像透鏡組件，其朝向中間平面沿著光路引導來自對象的光以形成中間圖像；(4)第二成像透鏡組件，其包括液體透鏡，所述第二成像透鏡組件布置在光路中第一成像透鏡組件和數字成像傳感器之間，液體透鏡具有可調焦距，用於將中間圖像轉送到數字成像傳感器；( 驅動器，其向液體透鏡施加可變電壓以控制液體透鏡的焦距；以及(6)處理器，其用於處理由數字成像傳感器捕獲的數字圖像。圖6圖解地示出了用於口內照相機的連續聚焦和單自動聚焦的本發明的口內照相機的電氣結構。系統結構包括透鏡組件302、傳感器304、圖像處理器(顯示為DSP) 308、液體透鏡驅動器306、激勵裝置(諸如按鈕輸入)，以及傳輸/通信器件(例如，USB和Wifi)。 光學系統由一個或多個光學透鏡和液體透鏡構成。能夠通過加載到液體透鏡上的電壓信號來控制液體透鏡的焦距。關於DSP(圖像處理器)308，功能結構示於圖7和圖8中。圖7示出了用於連續自動聚焦的圖6的DSP(圖像處理器)中的固件工作流程。為了連續自動聚焦，在整個圖像上對三個聚焦區域進行分段(圖8中顯示為元件A、B和C)。對於從圖像傳感器獲取的每個聚焦區域確定焦點值以評估聚焦度。連同相應的電壓一起獲得一系列焦點值(記錄於每幀)。這些值存儲在焦點值陣列PA[n]以及相應的電壓陣列Vol [η]中。任一個或兩個陣列可存儲在例如DRAM或其它存儲器中。根據聚焦狀態來處理焦點搜索的場景變化檢測。在每個聚焦區域中執行場景變化檢測，而在檢測到場景變化的聚焦區域中執行焦點搜索。圖9示出了圖示連續自動聚焦方法的流程圖。一旦供往口內照相機的功率被激勵，連續自動聚焦能夠通過激勵裝置(例如啟動 /捕獲按鈕)而被激勵。多個參數/設置被初始化，諸如焦點值計算器和存儲器。焦距掃描被初始化，其中液體透鏡電壓迭代地變化，直到檢測到焦點位置。(下面將參照圖10對這點進行更加詳細地說明。)一旦獲取焦點位置，就對場景變化處理進行初始化。如果檢測到場景的變化，則對迭代焦點掃描進行初始化。如果未檢測到場景變化，則不對迭代焦點掃描進行初始化。如果期望，口內照相機可配置為按預定時間間隔對場景的變化進行監測。能夠通過去激勵裝置(例如，停止按鈕)使自動聚焦去激勵。圖10示出了圖示圖9所示的聚焦掃描處理的流程圖，其中液體透鏡電壓迭代變化，直到檢測到焦點位置。現在參照圖11和圖12來描述單自動聚焦。圖11示出了單自動聚焦的聚焦區域。 儘管能夠採用各種數量的分段，圖11示出了從整個圖像進行分段的五個聚焦區域(即，C、 LC、RC、L、R)。例如基於Bayer原始數據來計算焦點值。此計算可利用本領域技術人員所公知的方法來進行，例如，通過如圖12所示的4階IIR濾波器進行處理。圖13示出了圖示單自動聚焦方法的流程圖。現在將參照圖13-17來描述單自動聚焦方法。一旦供往口內照相機的功率被激勵，單自動聚焦能夠通過激勵裝置(例如啟動/ 捕獲按鈕)而被激勵。在步驟400中，多個參數/設置被初始化，諸如焦點值計算器和存儲器。在步驟410中，確定聚焦起始位置和方向。如果當前位置與近端最接近，則焦點搜索將起始於近端。否則，焦點搜索將起始於遠端。近端為距成像透鏡組件最近的位置，而遠端為透鏡組件能夠進行成像的最遠位置。對於液體透鏡電壓，近端對應於最大電壓V0LN，而遠端對應於最小電壓V0LF。在步驟402中，液體透鏡的電壓在與視頻幀同步的步驟/時間升高或降低。在步驟403中，通過高通濾波器從視頻圖像中計算焦點值，並且將所述焦點值與之前的焦點值進行平均以生成PA[i]，其中i為陣列階數。此新的焦點值PA[i]被添加到焦點值陣列中。通過將之前的最大值和最小值進行比較在焦點值陣列中更新最大值和最小值。在步驟404中，從五個連續位置的焦點值陣列中檢測峰值，如圖14所示。例如，如果滿足下列條件=PA[n-5] < PA[n-4]且 PA[n_4] PA[n_2]且 PA[n-2] > PA[n-l]，則 PA[n_3]被確定為峰值。如果滿足下列條件=PA[n-5] < PA[n_4]且 PA[n_5] < PA[n_4]且 PA[n_4] PA[n_2]且 PA[n_2] >PA[n_l]且 PA[n_l] > PA[n]，則 PA[n_3] 被確定為最佳峰值。設置中途停止標記。中途停止標記是指檢測到恰好的焦點位置並且停止聚焦掃描的狀態。在步驟405中，所述方法判定恰好的焦點位置是否靠近近端或遠端定位，如圖15 和圖16所示。如果最大焦點值位於起始點，則在第十個位置處執行近端或遠端校驗。第十個位置的選擇是確保最大焦點值的可靠性。如果最大焦點值為PA[m]且Vol[m]靠近近端 VOLN或遠端V0LF，同時PA[m] > PA[m+l]且PA[m+l] > PA[m+2]，則將恰好的焦點位置視為起始點，即Vol [m]。設置中途停止標記。在步驟406中，校驗中途停止標記以判定聚焦是否成功。如果中途停止標記被設定，則步驟402至405的重複將停止，並且所述方法移至步驟408。如果不設定中途停止標記，則所述方法移至步驟407。在步驟407中，方法判定聚焦掃描是否完成。如果未完成，則重複步驟402至406。如果液體透鏡電壓達到近端或遠端，則步驟402至406的重複將停止，並且該方法移至步驟408。在步驟408中，基於下列等式利用與峰值鄰近的五個點的焦點值來計算焦點近似位置y = ax2+ba+c (a < 0)在步驟409中，所述方法判定在全部五個聚焦區域中是否檢測到峰值。如果在全部五個聚焦區域中未檢測到峰值，則在步驟410中將在端點處執行近端或遠端校驗。所述方法將判定焦點值變化是否與圖16中所示的規則相對應。如果最大焦點值靠近焦點值陣列PA[m]的端定位並且Vol[m]靠近近端VOLN或遠端V0LF，同時PA[m_2] <PA[m-ll]且PA[m-ll] < PA[m]，則將恰好的焦點位置視為端點。也就是，將恰好的焦點位置Vol [m]視為端點。在步驟411中，根據焦點近似位置來選擇聚焦區域，將最靠近近端聚焦區域的聚焦區域選為聚焦區域。在步驟412中，液體透鏡被設定為所選聚焦區域的目標電壓。已經特別地參照了當前優選的實施方案對本發明進行了詳細說明，但是應當理解的是可以在本發明的主旨和範圍之內實現變型例和改進方案。因此，當前公開的實施方案在所有方面被視為示例性和非限制性的。本發明的範圍由所附的權利要求表示，並且落在權利要求等同內容的含義和範圍內的所有改變旨在被本發明的範圍包含。
權利要求
1.一種口內照相機，包括數字成像傳感器，其用於捕獲對象的數字圖像； 光源，其用於照射所述對象；成像透鏡組件，其用於朝向所述數字成像傳感器沿著光路引導來自所述對象的光； 液體透鏡，其布置在所述光路中所述成像透鏡組件和所述數字成像傳感器之間，所述液體透鏡具有可調焦距；驅動器，其向所述液體透鏡施加可變電壓以控制所述液體透鏡的所述焦距；以及處理器，其用於處理由所述數字成像傳感器捕獲的所述數字圖像。
2.一種口內照相機，包括數字成像傳感器，其用於捕獲對象的數字圖像； 光源，其用於照射所述對象；第一成像透鏡組件，其朝向中間平面沿著光路引導來自所述對象的光以形成中間圖像；第二成像透鏡組件，其包括液體透鏡，所述第二成像透鏡組件布置在所述光路中所述第一成像透鏡組件和所述數字成像傳感器之間，所述液體透鏡具有可調焦距，將所述中間圖像轉送到所述數字成像傳感器；驅動器，其向所述液體透鏡施加可變電壓以控制所述液體透鏡的所述焦距；以及處理器，其處理由所述數字成像傳感器捕獲的所述數字圖像。
3.一種用於口內照相機的連續自動聚焦的方法，包括 激勵所述口內照相機；利用所述口內照相機來初始化用於對象的連續自動聚焦獲取的參數； 向液體透鏡施加預定電壓，所述液體透鏡布置在光路中成像透鏡組件和數字成像傳感器之間，所述液體透鏡具有可調焦距；迭代地改變施加到所述液體透鏡的電壓，直到檢測到焦點位置；以及獲取所述焦點位置。
4.根據權利要求3所述的方法，進一步包括在獲取所述焦點位置之後，對場景變化進行監測。
5.根據權利要求4所述的方法，進一步包括當檢測到場景變化時，對場景變化處理進行初始化。
全文摘要
一種具有液體透鏡的自動聚焦口內照相機包括數字成像傳感器(304)，其用於捕獲對象的數字圖像；光源，其用於照射對象；成像透鏡組件(302)，其用於朝向數字成像傳感器沿光路引導來自對象的光；液體透鏡(100)，其布置在光路中成像透鏡組件和數字成像傳感器之間，其中液體透鏡具有可調焦距；驅動器(306)，其用於向液體透鏡施加可變電壓以控制液體透鏡的焦距；以及處理器(308)，其用於處理由數字成像傳感器捕獲的數字圖像。同時，公開了一種用於口內照相機的連續自動聚焦方法。
文檔編號A61B1/24GK102596002SQ200980162287
公開日2012年7月18日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者J·張, M·徐, T·T·王, Z·E·劉, Z·Z·於 申請人:卡爾斯特裡姆保健公司