膠囊內視鏡的製作方法

2023-05-20 01:59:41

專利名稱：膠囊內視鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及膠囊內視鏡。
背景技術：
膠囊內視鏡近來已經在醫療和工業領域投入廣泛使用。目前的醫療內視鏡不具有插入部件，並且不再需要一個插入過程。這些醫療內視鏡被封裝在病人可以吞入的膠囊內。這消除了在使用具有插入部件的現有技術內視鏡時所造成的痛苦。例如，膠囊內視鏡的例子包括在日本待審專利申請2001-91860和專利公開PCT WO 00/76391 A1中披露的膠囊內視鏡。
在日本待審專利申請2001-91860中披露的現有技術膠囊內視鏡配備有在一個近似半球形透明蓋內的一個物鏡和一個照明裝置，該照明裝置由相對於物鏡對稱設置的多個發光二極體組成。物體的一部分被發光二極體照射，並由物鏡在一個圖像傳感器上成像以進行觀察。專利公開PCT WO 00/76391 A1中披露的現有技術膠囊內視鏡包括單個橢圓頂光學窗口。在橢圓頂的焦點曲線平面上方或與其接觸的位置設置一個照明元件和一個接收元件。在焦點曲線上設置多個照明元件，使得當照射光的一部分被窗口的內外表面反射時，來自照明元件的光返回焦點曲線上的某個其它點。因此，接收元件位於焦點曲線之外的位置，以便防止在橢圓頂的界面處反射的光進入接收元件，從而防止不利地影響圖像正確檢測的閃爍和重影。
日本待審專利申請2001-91860中披露的現有技術膠囊內視鏡沒有描述一個具有以下功能的裝置，即防止或減少來自照明裝置的一部分照明光在透明蓋的空氣界面處反射後進入物鏡所導致的閃爍和重影。專利公開PCT WO 00/76391 A1中披露的現有技術膠囊內視鏡使用一個用於照明和觀察窗口的橢圓頂透明蓋，其製造成本比半球形透明蓋高。此外，在焦點曲線上設置多個照明元件。由於應該調整每個元件的位置，這種設計需要額外的勞動量。
當照明元件是發光元件(LED)時，照明元件具有不能忽略的尺寸大小。因此為了把LED設置在焦點曲線上，焦點曲線應該足夠長以容納可以放置LED的區域。這造成橢圓頂的尺寸變得較大，不利的是，這需要膠囊的尺寸較大。但是，增加膠囊的尺寸是不希望的，因為吞下一個較大尺寸的膠囊內視鏡是困難、甚至痛苦的。因此，喪失了使用膠囊內視鏡的優點。因此，照明裝置和圖像檢測元件在一個膠囊內的布置必須被設計得使膠囊儘可能小。

發明內容
本發明涉及一種被吞下以便檢查生物體的內部區域的膠囊內視鏡。更具體地說，本發明提供一種易於製造並且成本低廉的具有透明蓋的小尺寸膠囊內視鏡，並且其使得來自照明裝置的不需要光難以進入物鏡光學系統。


根據以下詳細說明和僅以示例方式給出的、因而不作為本發明限制的附圖，可以更全面地理解本發明，在附圖中圖1(A)和1(B)顯示使用根據本發明第一實施例的膠囊內視鏡的膠囊內視鏡系統；圖2(A)顯示膠囊內視鏡的內部結構的剖面圖，圖2(B)顯示根據本發明第一實施例、當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、圖像檢測裝置和照明裝置之間的位置關係；圖3是根據本發明的物鏡光學系統和CMOS圖像檢測元件的像面的放大圖；
圖4(A)和4(B)顯示使用半球形窗口的物鏡光學系統的效果，其中圖4(A)顯示照明光位於半球形透明蓋的曲率中心時的情況，圖4(B)顯示照明光位於其它位置時的情況；圖5是顯示根據本發明第二實施例的膠囊內視鏡的結構的橫剖面圖；圖6是解釋透明蓋的操作的有關細節的圖；圖7是顯示根據本發明第二實施例的第一可能改進的膠囊內視鏡的結構的橫剖面圖；圖8是顯示根據本發明第二實施例的第二可能改進的膠囊內視鏡的結構的橫剖面圖；圖9是顯示根據本發明第二實施例的第三可能改進的膠囊內視鏡的結構的橫剖面圖；圖10(A)和10(B)涉及本發明的第三實施例，其中圖10(A)是橫剖面圖，圖10(B)顯示當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、照明裝置和圖像檢測元件之間的位置關係；圖11(A)-11(D)涉及本發明的第四實施例，其中圖11(A)是橫剖面圖，圖11(B)顯示ON狀態，圖11(C)顯示當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、照明裝置和圖像檢測元件之間的位置關係，圖11(D)顯示圖11(C)所示位置關係的一個可能改進；圖12(A)-12(C)涉及本發明的第五實施例，其中圖12(A)是膠囊內視鏡的尖端部的橫剖面圖，圖12(B)顯示當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、照明裝置和圖像檢測元件之間的位置關係，圖12(C)顯示圖12(B)所示位置關係的第一可能改進；圖13(A)和13(B)涉及第五實施例的第二可能改進，其中，不是使用用於成像的單個透鏡，而是把能夠提供具有用於三維觀察的不同視差的圖像的左和右成像系統設置在膠囊內，圖13(A)是顯示包括多個物鏡光學系統的膠囊內視鏡的尖端部的主要部件的結構的橫剖面圖，圖13(B)顯示當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、成像裝置和照明裝置之間的位置關係；
圖14(A)和14(B)涉及第五實施例的第三可能改進，其中圖14(A)顯示包括多個物鏡光學系統的膠囊內視鏡的尖端部的主要部件的結構的橫剖面圖，圖14(B)顯示當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、成像裝置和照明裝置之間的位置關係；圖15是顯示在生物體的內腔形狀的部分內移動的本發明膠囊內視鏡的橫剖面圖；圖16(A)和16(B)顯示兩個不同的光通量分布，其中圖16(A)是從一個LED發射的光束的光通量分布，其使得在峰值強度點的50％處測量的半光束角為25°，圖16(B)是從一個具有擴散裝置的LED發射的光束的光通量分布，其使得在峰值強度點的50％處測量的半光束角較大，在此情況中為35°。
具體實施例方式
本發明的膠囊內視鏡採用一個透明的圓頂狀蓋，蓋的內表面具有一個曲率中心。在透明蓋內設置有一個用於照射透明蓋外的物體的發光裝置和一個成像裝置，成像裝置包括一個物鏡光學系統和一個圖像檢測元件，該圖像檢測元件捕獲由物鏡光學系統形成的圖像的圖像數據。物鏡光學系統可以被布置為，使得其光軸位於透明圓頂的內表面的曲率中心上。
當觀察一個生物體內腔的內壁時，所感興趣的觀看區域經常在視野的周邊。一個形成為曲面的透明蓋被安裝在成像裝置前方，並且把透明蓋密封到膠囊本體上。在此情況下，位於視野周邊的所感興趣的內腔狀內部非常靠近於照明裝置，以致於在視野周邊處經常發生過度曝光。本發明採用的結構提供了優良的觀察圖像，並且避免了在視野周邊處的過度曝光現象。更具體地說，膠囊內視鏡被如此構成，使得當從物體側觀察膠囊內視鏡時，照明裝置和成像裝置之間的位置關係被確定為，使得一個相對於光軸與照明裝置對稱的區域將被疊加(overlap)到圖像檢測元件的圖像捕獲區域之外的區域上。在一種情況中，圖像檢測裝置的圖像檢測區域中的一部分被一個不透明元件所覆蓋，並且相對於光軸與照明裝置對稱的區域與該覆蓋區域重疊。在另一種情況中，圖像檢測元件的圖像檢測區域中的一部分被電氣遮蔽使得該遮蔽區域不可操作，並且相對於光軸與照明裝置對稱的區域與該電氣遮蔽區域重疊。在此，詞「不可操作」的意思包括一個電氣遮蔽區域內的像素不產生電信號，或者那些像素產生的電信號不被用於構成要觀察的圖像。在再一種情況中，相對於光軸與照明裝置對稱的區域與圖像檢測區域以外的區域重疊。在上述任何一種情況中，相對於光軸與照明裝置對稱的區域與圖像檢測元件的一個區域重疊，但不與圖像檢測元件的任何用於圖像檢測的區域重疊。因此，即使透明蓋的內表面反射了照明光束，這種不希望的光也將不會對所捕獲的圖像有貢獻，因為它不會入射到圖像檢測裝置的有效區域上。
圖15是顯示當在生物體內的小直徑、內腔狀部分內移動以進行觀察時膠囊內視鏡的狀態的橫剖面圖。人類消化道(即，膠囊內視鏡的通常觀察路徑)的大約80％長度是在具有較小直徑的小腸內。內腔狀內部90具有一個緊鄰著透明窗口的部分91，並且該部分(是主要關注的部分)容易被照明裝置92過度曝光。在透明蓋的曲率半徑為約5mm的膠囊內視鏡中，物體的過度曝光部分91位於以照明裝置92為中心大約3mm的範圍內。在該圖中，93是物鏡光學系統，94是圖像檢測元件，100是像面。
通常使用LED作為照明裝置。利用這種照明裝置時，存在一個對被照射平面上的照度有特別強貢獻的區域。一般來說，LED的光通量輸出具有高斯分布，輸出總光量的大約75％集中在一個從LED的光軸測量的角度範圍內，該角度範圍內的強度比超過0.5。這種光強烈地影響被照射平面上的照度分布。如圖16(A)所示，從一個LED發射的光的通量分布具有很強的方向性，正規化強度比(在Y軸上測量)超過0.5時的光束寬度(在X軸上測量)大約是25°。在該光束寬度外側發射的光線對被照射平面上的照度分布沒有大的影響。當使用具有如圖16(B)所示的改善通量分布特性的LED時，其中一個緊鄰LED前方設置的光散射器提供了擴散功能，正規化強度比(在Y軸上測量)超過0.5時的光束寬度(在X軸上測量)大約是35°。優選使用後一種情況的LED作為膠囊內視鏡的照明裝置。此時，如果LED的發光平面是一個具有半徑r的圓，當將其投影到位於LED發光平面前方3mm的平面上時，半徑r以大約2到3.5的放大係數被放大。
現在對在通過物鏡光學系統93時的圖像形成關係進行說明。過度曝光部分91是一個在視野角度θ外側延伸的區域，並且在該區域中，攝像物體的尺寸被縮小並且在物鏡光學系統93的光軸相反側的像面100上的一個「對稱區域」形成一個圖像。膠囊內視鏡的物鏡光學系統對於一個鄰近透明蓋的物體的放大率在約0.25到0.5的範圍內。另一方面，物鏡光學系統93能夠實際在像面上形成圖像的範圍會比圖15所示的視野角度θ大。因此，在膠囊內視鏡的物鏡光學系統中，物鏡光學系統和圖像檢測元件之間的布置關係被設置為，使得來自視野角度θ外側的過量光通量的圖像形成區域入射到圖像檢測元件的一個不用於圖像檢測的區域。或者，替代這種布置，可以通過在圖像處理操作時把視野角度θ外側的圖像形成區域電氣遮蔽來確定視野角度θ的範圍。
因此，對於一個小型膠囊內視鏡來說，當照明裝置和成像裝置位於光軸相反兩側時，必須適當地確定從膠囊內視鏡的前方觀察到的二者之間的位置關係，以便提供儘可能大的視野，並提供合適的亮度，使得不會發生視野內的物體的過度曝光。
如上所述，當使用一個具有光散射器的LED作為照明裝置時，在發射光被投影到在LED前方約3mm的平面上時，LED的發光區域被放大約2到3.5倍，並且在該距離處的一個物體被物鏡光學系統成像到像面上。擴散器的發光平面被物鏡光學系統以大約0.9到1.0的放大率成像，因為物鏡光學系統對一個鄰近物體的放大率是大約0.25到0.5。該圖像的位置相對於光軸與LED對稱。這意味著，當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時，相對於光軸與具有擴散器的LED的發光區域對稱的圖像檢測表面上的一個區域幾乎與具有擴散器的LED的發光區域一致。
根據上述說明，如果與照明裝置對稱的一個區域所重疊的像面上的一個區域成為一個不用於成像的區域，那麼可以避免過度曝光部分成為一個圖像。以此方式，可以避免照明裝置的高發光強度對圖像的過度曝光而導致物體圖像的劣化。
此外，當基於由圖像檢測元件檢測的圖像的亮度來調整照明強度時，如上所述，由於從圖像中排除了強反射光，可以避免調整誤差。
根據照明源、物鏡以及圖像檢測元件的設置和尺寸的一個示範例，詳細說明了排除過度曝光的情況。一般，在膠囊內視鏡中存在相似的情況，其中照明源和物鏡光學系統並行設置並被一個透明圓頂狀蓋所覆蓋。因此可以把本發明的基本思想廣泛地應用到不同的膠囊內視鏡。照明裝置92和成像裝置94最好應該被布置為儘可能相互接近，以便構造小尺寸的膠囊內視鏡。但是，如果相對於物鏡光學系統93的光軸與照明裝置92對稱的像面100上的成像區域是一個用於成像的區域，那麼接觸透明蓋周邊的物體會得到過度曝光物體，從而防礙了對例如小腸壁的良好觀察。因此，最好通過確定照明裝置92和圖像檢測裝置94之間的位置關係，使得一個相對於物鏡光學系統的光軸與照明裝置92對稱的區域與圖像檢測裝置94的像面內一個不用於成像的區域重疊，來實現膠囊內視鏡的小型化。例如，不用於成像的區域是一個用於檢測在像面中的光學黑色(optical black)的標準電平的稱為「光學黑色」的部分，並且是一個利用光屏蔽掩模處理的區域，等等。
而且，即使一個相對於光軸與照明裝置對稱的區域是圖像檢測裝置94的有效圖像捕獲區域，只要在圖像處理期間來自該區域的輸出被忽略(即，如果該區域被「電氣遮蔽」)，那麼就不會有問題。
如上所述，提供了能夠獲得沒有閃爍或重影的優良圖像、並且能夠實現小型化的結構的膠囊內視鏡。而且，即使透明蓋的形狀不是球形而是非球形，也可以通過確定照明裝置和圖像檢測裝置之間的位置關係，使得一個相對於物鏡光學系統的光軸與照明裝置對稱的區域與一個在圖像檢測裝置的像面內的不用於圖像檢測的區域重疊，並且還通過在透明蓋的內表面提供防反射塗層，來獲得一個能提供幾乎無閃爍和重影的優良圖像的膠囊內視鏡。
下面參考附圖對本發明的幾個實施例進行說明。
第一實施例下面參考圖1(A)-4(B)對第一實施例進行說明。圖1(A)和1(B)顯示一個使用根據本發明第一實施例的膠囊內視鏡的膠囊內視鏡系統。圖2(A)是顯示膠囊內視鏡的內部結構的剖面圖。圖2(B)是顯示當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、圖像檢測裝置和照明裝置之間位置關係的圖。圖3是物鏡光學系統的放大圖。圖4(A)和4(B)顯示一個使用半球形窗口的物鏡光學系統的效果，其中圖4(A)顯示照射光位於半球形透明蓋的曲率中心時的情況，圖4(B)顯示照射光位於其它位置時的情況。
如圖1(A)所示，膠囊內視鏡系統1使用根據第一實施例的膠囊內視鏡3。膠囊內視鏡由病人2通過嘴和胃腸道吞入，同時無線地發送胃腸道的內壁的圖像數據。天線單元4設置在病人身體外部以接收來自膠囊內視鏡3的圖像數據信號，並且提供一個外部單元5來臨時存儲圖像。外部單元5包括一個小型閃速存儲器(R)大小的、容量例如是1GB的內置硬碟，以便存儲圖像數據。在檢查期間或之後，可以在顯示系統6(圖1(B))上顯示存儲在外部單元5中的圖像數據。
如圖1(B)所示，外部單元5通過諸如USB電纜8這樣的通信電纜可拆卸地連接到一個形成顯示系統6的個人計算機7。外部單元5中存儲的圖像被上載到個人計算機7，然後存儲在其內置硬碟中，和/或被處理並在顯示器9上顯示。個人計算機7配備有例如用於數據輸入的鍵盤10。
USB電纜8可以根據任何一個通信標準USB1.0，USB1.1，或USB2來提供。可以使用其它串行數據通信類型，例如根據通信標準RS-232C或IEEE1384的那些通信類型。而且，也可以使用並行數據通信。
如圖1(A)所示，病人2吞下膠囊內視鏡3，並穿著一個屏蔽襯衫11，該屏蔽襯衫11包括以網狀形式布置的電導體以提供電磁屏蔽效果。屏蔽襯衫的內側(即電導體內側)配備有天線單元4。天線單元4接收由膠囊內視鏡3檢測並發送的圖像數據。圖像數據被臨時存儲在與天線單元4連接的外部單元5中。例如，利用一個可拆卸鉤把外部單元5固定在病人的腰帶上。
外部單元例如為盒狀，並裝有一個用於顯示圖像的液晶監視器13以及一個在其前蓋上的用於控制操作的按鈕14。外部單元5包含一個收發電路(即一個通信電路)，一個控制電路，一個圖像數據顯示電路，和一個電源。
如圖2(A)所示，膠囊內視鏡3由一個圓筒形外蓋16形成，圓筒形外蓋16具有一個封閉的圓形後端和一個開口的前端，前端與一個半球形透明蓋17以不漏水的方式連接和密封。
密封的膠囊包含以下部件。物鏡光學系統23的光軸與膠囊的中心軸對準，並面向半球形透明蓋17。物鏡光學系統23固定到八角形電路板21的中心桶並固定到與電路板21的中心桶接合的透鏡框架22。一個固態圖像檢測器件(例如CMOS圖像檢測元件24)位於物鏡光學系統23的像面。
如圖2(B)所示，四個白色LED 25被設置在物鏡光學系統23周圍的電路板21前表面上。把白色LED 25設置在圍繞物鏡光學系統23的多個點上作為照明裝置，使得在短距離內有充分的光量，以便提供優質的觀察圖像(即捕獲圖像)。
此外，膠囊內視鏡的小型化是通過如下設計實現的，即，保持白色LED 25和CMOS圖像檢測元件24之間的特定位置關係，使得相對於光軸101與白色LED 25對稱的區域(在此情況下，這些區域對應於LED 25的位置)與CMOS圖像檢測元件24的像面100上不用於成像的區域重疊。白色LED 25發射間歇光或閃爍光。圖像檢測元件與白色LED 25的閃爍同步地捕獲圖像。這使得即使在發生意外移動時，也能獲得低功耗和沒有模糊的優良觀察圖像。
如圖2(A)和2(B)所示，電路板21在其背面有一個方形凹陷，該方形凹陷容納用於支撐物鏡圖像系統的桶。CMOS圖像檢測元件24的位置被設置為，使得其前表面的周邊將與電路板21的後表面在凹陷的周邊附近鄰接。晶片部件26形成一個用於多個驅動白色LED 25的LED驅動電路，這些白色LED 25圍繞著CMOS圖像檢測元件24安裝在電路板21上。在CMOS圖像檢測元件24的後側以膠囊的軸向方向從前向後堆疊以下部件驅動和處理電路27，用於驅動CMOS圖像檢測元件24並處理來自CMOS圖像檢測元件24的圖像信號；無線通信電路28，用於把由驅動和處理電路27產生的圖像信號高頻調製為無線傳輸信號；和按鈕狀電池29、29，用於為LED驅動電路提供電源。
連接到無線通信電路28的天線30靠近驅動和處理電路27和無線通信電路28。而且，例如可以在膠囊的後端，靠近電池29、29設置一個可以以非接觸方式啟動的非接觸啟動開關31和一個用於利用磁力引導膠囊內視鏡3的永磁鐵32。
非接觸啟動開關31的啟動所使用的兩個接觸點位於串聯連接的電池29、29的電極之一(例如正電極)和被提供電源的電路之間。可以從膠囊外部施加具有指定方向的磁力線，以便把兩個接觸點從OFF狀態轉變為ON狀態。當它們轉為ON時，一個內部模擬開關轉變為ON並且即使去除了所施加的磁力線時仍然保持ON狀態。因此，當永磁鐵32被激勵以便引導膠囊內視鏡3時，膠囊內視鏡3能夠保持在其操作狀態。
如圖2(A)所示，本實施例的膠囊內視鏡3使用半球形透明蓋17。物鏡光學系統23設置在透明蓋17內，其入射光瞳34位於透明蓋17的曲率中心。更具體地說，透明蓋17的內外表面具有相同曲率中心，其曲率半徑Ri和Ro例如分別等於5mm和5.5mm。因此，本實施例中透明蓋17的厚度是均勻的，使得其易於製造。
物鏡光學系統23安裝在膠囊中，使得其入射光瞳34以相同的公共點為中心，並且白色LED 25圍繞物鏡光學系統23的周圍。
透明蓋17的內表面具有塗覆到其上的抗反射塗層35，例如透明介質材料。這有效地減少了來自照明裝置的被不希望地反射回物鏡光學系統的光量，因此改善了所檢測圖像數據的質量。為了防止不希望的光被透鏡框架22(和其它部件)反射並進入物鏡光學系統23，透鏡框架22的前圓錐表面和安裝有白色LED的電路板21的前表面上設置了吸光塗層36。理想的是，該吸光塗層是黑色的，但是也可以使用其它已知的吸光手段，例如其它深色塗層，一個不光滑或絨狀表面等。在本實施例中，物鏡光學系統23能夠在視野角度θ內成像。透鏡框架的前表面具有圓錐狀切除部分，使得視野角度θ內的入射光可以進入物鏡光學系統23。
利用上述結構，當來自照明裝置的照射光在透明蓋17的內表面上反射時，從除感興趣物體以外的其它部件反射的不希望光幾乎不能進入物鏡光學系統23。
圖3是物鏡光學系統23的放大圖。物鏡光學系統23從物體側開始按順序由以下部件形成第一透鏡37，例如可以是一個平凸透鏡元件，其平面在物體側；和第二透鏡38，例如可以是一個平凸透鏡，其凸面在物體側。一個薄板或黑色塗層被設置在入射光瞳位置34周圍的第一透鏡37前表面上，以便形成一個光闌(brightness stop)39。
圖像檢測裝置(即CMOS圖像檢測元件24)位於第二透鏡38後方，其圖像檢測區域的中心與物鏡光學系統23的第二透鏡38的光軸對準。射向入射光瞳位置34的光被光闌39收縮，並且如圖3所示，在CMOS圖像檢測元件24的像面上成像。
現在對本實施例的操作進行說明。通過使用一個與膠囊內視鏡的後部接近的永磁鐵(未示出)，其中該磁鐵的磁力線具有指定的磁化方向，使得由已知的簧片開關形成的非接觸啟動開關31轉變為ON，以便把膠囊內視鏡置於操作狀態。
如下面將詳細說明的，膠囊內視鏡3然後利用天線30發送圖像信號。天線12(圖1)接收這些圖像信號，並連接到外部單元5，外部單元5對圖像信號進行解碼並在液晶監視器13上顯示。在確認了由膠囊內視鏡3捕獲的圖像被顯示在液晶監視器13上後，允許病人2吞下膠囊內視鏡3。
一旦被吞下，膠囊內視鏡3開始在胃腸道中通過。當膠囊內視鏡3處於操作狀態中時，驅動和處理電路27的控制部分把控制信號發送到在電路板21上形成的LED驅動電路。然後，LED驅動電路命令LED 25以特定間隔閃爍。
來自白色LED 25的光透視過透明蓋17以便照射膠囊外部的區域。物鏡光學系統23使透明蓋17外部的一個被照射物體(例如食道)在位於物鏡光學系統23像面處的CMOS圖像檢測元件24上成像。CMOS圖像檢測元件24以取決於其類型的公知方式把圖像轉換為圖像數據。通常，使用CMOS圖像檢測元件24。
與閃爍光同步(例如在每個閃爍的結尾)，驅動和處理電路27把控制信號發送到CMOS圖像檢測元件24，以便輸出被光電轉換的信號。驅動和處理電路27進行圖像處理，在該處理中提取某些信號分量並產生圖像信號。
所產生的圖像信號被傳送到無線通信電路28並用於調製一個高頻電磁波，使得可以通過天線30發送所得的波形。通過設置在病人2身體外部的天線單元4接收電磁波，並在外部單元5(在無線通信電路的接收部分中)進行解調。然後，把它進行A/D轉換，存儲在硬碟中，並由顯示電路處理，以便在液晶監視器13上顯示由CMOS圖像檢測元件24捕獲的圖像。
當膠囊內視鏡3接近諸如小腸之類的主目標部分時(或者當預期膠囊內視鏡3接近諸如小腸之類的感興趣物體的時間到了時)，使用外部單元5的控制按鈕14把一個命令信號從外部單元5發送到膠囊內視鏡3，使得照明裝置的閃爍和相關圖像檢測之間的間隔縮短。因此，現在以較短間隔捕獲的圖像數據被臨時存儲在外部單元5的硬碟上。
當以上述方式照射物體並成像時，物鏡光學系統23的入射光瞳位置34的中心與半球形透明蓋17的表面的曲率半徑中心處於同一位置。用作照明裝置的白色LED位於與球心較遠的周邊區域。因此，即使一部分來自照明裝置的照射光在透明蓋17的內表面反射，這種反射光也幾乎不會進入物鏡光學系統23。上述情況在圖4(A)和4(B)中顯示。
圖4(A)顯示由透明蓋17的內表面上的任何點P0反射的光返回到球心，此時的條件是該光線的反射表面的法線穿過點P0。因此，如果白色LED 25的發光區域與球心重疊，反射光將返回球心。
圖4(B)顯示球心和光源的發光區域不重疊的情況。在此情況下，當來自光源的光由透明蓋17的內表面上的任何點P1或P2反射時，如圖所示其反射角度等於入射角度(分別為φ1或φ2)，並且光不返回球心。
如圖4(A)和4(B)所示，用作照明裝置的白色LED 25位於透明蓋17的球心以外的某處。這防止了由透明蓋17反射的光通過透明蓋17的球心位置或者進入物鏡光學系統23的入射光瞳位置34。因此，可以有效防止由於光在透明蓋17的內表面反射並進入物鏡光學系統23而導致的閃爍和重影。
此外，可以通過把CMOS圖像檢測元件24的像面100內的一個不用於圖像檢測的區域和一個相對於物鏡光學系統的光軸與白色LED 25的發光區域對稱地對置的區域重疊來進行觀察。本實施例使用CMOS圖像檢測元件作為固態圖像檢測元件(圖像傳感器)。但是，固態圖像檢測元件的類型不限於CMOS圖像傳感器，顯然可以使用其它圖像傳感器(例如CCD)和以下三種近期研製的但是已公知的圖像傳感器。如下所述，每種圖像傳感器都具有優點。
第一種圖像傳感器是稱為「閾值調製圖像傳感器(VMIS)」的下一代圖像傳感器，其具有CCD和CMOS圖像檢測元件二者的優點。在現有技術CMOS圖像檢測元件中，用於每個像素的光接收部分由三到五個電晶體和光電二極體組成，而在VMIS中，由所接收光產生的電荷對MOS電晶體的閾值進行調製。該閾值調製被輸出作為圖像信號。這種類型的圖像傳感器的特徵在於，把由CCD圖像傳感器提供的高圖像質量與CMOS圖像傳感器的較高集成度、較低驅動電壓、和較低功耗相結合。因此，VMIS型圖像傳感器特別適合用於一次性膠囊內視鏡。VMIS型圖像傳感器的其它好處是結構簡單，每個圖像傳感器像素僅使用一個電晶體；優良的光電特性，例如高靈敏性和高動態範圍；高密度和低價格，由於製造技術與CMOS電晶體相同。這種傳感器的例子包括QCIF(QSIF)尺寸、CIF(SIF)尺寸、VGA型、SVGA型、XGA型。諸如QCIF(QSIF)和CIF(SIF)尺寸傳感器這樣的較小尺寸傳感器在無線傳輸速率、低功耗、和小尺寸方面特別適於本發明的膠囊內視鏡，使得膠囊易於吞下。
第二種類型圖像傳感器稱為「人工視網膜LSI」，基本上是一種與圖像處理電路一起集成到晶片中的CMOS圖像傳感器。該晶片同時檢測圖像和進行某種圖像處理，顯然與人眼執行的功能相似。常規CCD和CMOS圖像傳感器僅檢測圖像。然後使用外部圖像處理器來進行特徵化和檢驗處理。而人工視網膜晶片自己進行這些處理。因此，電路可以被簡化和縮減尺寸。其它優點包括高通過量處理、單個電源、和低功耗。因此，「人工視網膜LSI」適用於一次性膠囊內視鏡。這種類型的圖像傳感器的其它好處包括執行圖像輪廓提取、白色平衡、邊沿增強、亮度調整、內置灰度校正功能、和內置A/D轉換功能的能力；高靈敏性和高圖像質量；小尺寸封裝；以及可用的內置噪聲減小電路。這種類型圖像傳感器的例子包括QCIF(QSIF)尺寸、160×144尺寸、CIF(SIF)尺寸、VGA型、SVGA型、XGA型。諸如QCIF(QSIF)尺寸、160×144尺寸、和CIF(SIF)尺寸這樣的較小類型傳感器在無線傳輸速率、低功耗、和小尺寸方面特別適用於本發明的膠囊內視鏡，使得膠囊易於吞下。
第三種類型的圖像傳感器是一種彩色圖像傳感器，具有為每個像素在深度方向(縱向)布置的三個光電檢測器(光接收層)以便獲得相應RGB顏色信號，其中不同的層吸收具有不同波長的光。這使得與使用相同數量像素的常規圖像傳感器相比，解析度被加倍。這種類型的圖像傳感器具有類似於CCD的優點。相同的技術還可以應用於CMOS圖像傳感器，並且這種單元的價格應該比常規圖像傳感器有競爭力。該彩色圖像傳感器使用的VPS(可變像素尺寸)系統集總地讀取幾個像素以讀取相應的顏色信號。這有利於允許像素尺寸的改變。這還提供了其它優點，例如對靜止圖像的高靈敏性和視頻圖像(運動圖像)所需的高讀取速率。
利用這種類型的圖像傳感器，不產生偽彩色(false color)。因此，其使用時無需低通濾波器。這種類型的彩色圖像傳感器適於需要小尺寸和低功耗的膠囊醫療裝置。其也適合於常規視頻內視鏡。
本發明使用根據藍牙標準執行的無線傳輸。但是，本發明不限於使用藍牙標準，目前正在研究的一種寬帶無線脈衝技術顯然可以用於本發明。寬帶具有以下優點使用寬帶無線通信來擴展信號，信號接近噪聲電平；因此，可以把寬帶通信與常規窄帶通信結合使用，並且與窄帶通信不同，不使用載頻。因此，可以直接分析信號。例如，通過測量到達時間來容易地取出精確的距離信息。精確的距離信息給出一個精確的位置信息。
近來，發布了一種稱為UWB(超寬帶)的脈衝無線通信技術並且已經商業化。如果被加入一個膠囊醫療系統的無線通信裝置中，該UWB技術將允許使用更易於通過人體透射的長波長。通過人體的更好透射性意味著需要的電力更少，因此，可以減少無線通信裝置的功耗。利用該無線技術還可以獲得精確的位置信息。
第二實施例下面參考圖5對本發明第二實施例進行說明。圖5是顯示第二實施例的膠囊內視鏡3B的結構的示意圖。本實施例中的透明蓋17B的厚度不再是均勻的。透明蓋17B在光軸處最厚，並向視野的周邊區域逐漸變薄。透明蓋17B的內表面在視野角度θ內的曲率半徑Ri例如等於5.5mm，其曲率中心與物鏡光學系統23的入射光瞳34的中心重合。
另一方面，透明蓋17B的外表面在視野角度θ內的曲率半徑Ro例如等於5.5mm。外表面的曲率中心位於光軸上，但是位於物鏡光學系統23的入射光瞳位置34的物體側。在此情況下，外表面的曲率中心和入射光瞳的軸向位置之間的距離是0.5mm。
透明蓋17B的內表面由兩個不同曲面組成。一個是具有曲率半徑Ri的球形表面。另一個是具有環形半徑Rs的環形表面，Rs＜Ri。這些半徑的中心位於如圖6所示的橫剖面中。因此，透明蓋的厚度從視野中心的最大值減小到視野周邊的最小值。由於較小的Rs值(例如，3mm)，使得在視野外部逐漸停止透明蓋的厚度的減小。然後，把該蓋連接到圓柱部17C。當外半徑為Ro和內半徑為Rs的部分較寬時，該蓋的厚度減小先停止並開始逐漸增加。但實際上該部分較窄。因此，在厚度減小几乎停止的位置--即厚度幾乎均勻的部分—蓋17B連接到17C。使用這種在中心較厚的透明蓋17B的一個優點是，該蓋較為結實，在膠囊受到機械震蕩時不容易損壞。但是，一個在視野角度θ內具有逐漸向周邊減小的厚度的透明蓋17B的第二個優點是，由蓋的外表面反射的光將通過內表面和外表面的反射被引導，直至從視野的周邊射出。因此，進一步防止了不希望的光加入圖像檢測裝置，提供了優良的觀察圖像。下面參考圖6對這種現象進行詳細說明。
如圖6所示，來自光源的透射過內表面的一部分照射光將由透明蓋17B的外表面反射。這些光的一部分將通過內表面並對由圖像檢測元件檢測的雜散光作貢獻。一些由外表面反射的照射光將在透明蓋的內表面完全內部反射並將再次到達透明蓋17B的外表面。而且，當透明蓋17B具有諸如抗反射塗層時，應該考慮該塗層的折射率。對此不進一步討論，但是應說明，來自透明蓋17B的外表面的一部分反射光將反覆地在透明蓋的內表面和外表面之間進行完全內部反射。如圖6所示，表面的入射角度隨著每次反射而減小，直至光線不再被完全內部反射並出射到透明蓋17B的外圍區域中。因此，透明蓋的厚度向視野角度θ的周邊逐漸變小可以有助於減少使圖像檢測裝置檢測的圖像變差的雜散光。可以根據透明蓋17B的折射率來確定視野角度θ內的內表面和外表面的曲率半徑，使得在透明蓋內進行內部反射的光從透明蓋17B進入物鏡光學系統23的視野角度θ外側的空氣層。這可以防止由透明蓋17B的外表面反射的光造成的視野中的閃爍的不良影響。如上所述，在透明蓋的周邊附近，可以增加一個環形區域內的透明蓋的曲率，以便在橫剖面中具有一個表觀曲率半徑Rs，其中Rs小於Ro。這使得對於膠囊主體的一個給定圓柱直徑，可以減小透明蓋的長度以及膠囊內視鏡的長度。
物鏡光學系統可以用於校正由透明蓋的厚度在視野角度θ內逐漸減小造成的像面上的光學象差。而且，在本實施例中，CMOS圖像檢測元件24的前側被蓋玻璃41覆蓋。
圖7顯示第二實施例的一個改進1的結構。該改進中的透明蓋具有一個曲率半徑等於例如5.5mm的外表面。該曲率幾乎持續到視野的周邊。與原來一樣，外表面的曲率中心位於入射光瞳位置34的物體側的軸上，如圖所示，但在該示例中該距離較大使得透明蓋在軸上較厚。與原來一樣，透明蓋具有一個球形表面和環形表面結合的內表面。該內表面的球形部分覆蓋視野的中心區域並幾乎延伸到視野的周邊。其具有曲率半徑Ri(例如6mm)，並且該球形表面的曲率中心在軸上的物鏡光學系統的入射光瞳位置。內表面的環形部分從靠近視野的周邊處開始。與原來一樣，該環形的中心在軸上並位於入射光瞳位置34的物體側，如圖7所示，該環形的曲率半徑為Rs。與原來一樣，Rs＜Ri，並且透明蓋的厚度從視野中心的最大值向周邊遞減。由於較小的Rs值(例如3mm)，所以該蓋的厚度減小在視野外部逐漸停止。然後，把透明蓋17C與外蓋16的前沿接合併以不漏水的方式密封。
即使來自白色LED 25的照射光被透明蓋17C的內表面反射，改進1也能有效地防止該照射光進入物鏡光學系統23。而且，通過使透明蓋17C具有較厚的中心部分，可以使其更結實，並更好地承受機械震蕩。
圖8和9分別顯示本實施例的改進2和改進3的膠囊內視鏡3D和3E的結構。在膠囊內視鏡3D和3E中，透明蓋17D和17E的外表面具有曲率半徑Ro(例如Ro＝5.5mm)，並且外表面的曲率中心與入射光瞳位置34的軸向位置重合。透明蓋17D和17E的內表面的曲率中心位於入射光瞳34、34的軸向位置的像側。例如，透明蓋17D的內表面曲率半徑Ri是5.5mm，透明蓋17E的內表面曲率半徑Ri是6mm。改進2和改進3使用抗反射塗層35來有效防止來自白色LED 25的照射光被透明蓋17D或17E的內表面反射。
第三實施例圖10(A)是本發明第三實施例的膠囊內視鏡51的橫剖面圖。圖10(B)顯示當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、照明裝置和圖像檢測元件之間的位置關係。參考圖10(A)，膠囊內視鏡51包括圓筒形的透明前蓋52，具有半球形前端；和圓筒形的後蓋53，具有半球形後端。透明前蓋52的後端和後蓋的前端相互配合併密封以便產生一個不漏水的膠囊容器，在其中容納物鏡光學系統54和其它元件。
物鏡光學系統54包括由第一透鏡框架55支撐的第一透鏡和由第二透鏡框架56支撐的第二透鏡，並且沿著膠囊的對稱軸設置，其入射光瞳75面向前蓋52。一個CMOS圖像檢測元件58被固定到電路板57的前表面上，並且位於由物鏡光學系統54形成的像面上。白色LED 60被設置在電路板59上，電路板59與第二透鏡框架56接合併固定。如圖10(B)所示，一個環形的白色LED 60以物鏡光學系統的光軸101為中心設置。該環形的白色LED 60的一部分與CMOS圖像檢測元件58的像面上的一個不用於圖像檢測的區域(圖10(B)中顯示為斷面線)重疊。其上安裝有CMOS圖像檢測元件58的電路板57通過連接器61電連接到安裝有其它電子元件的電路板，以便形成一個驅動和處理電路62。一個包括存儲器電路63和其它電子部件的電路板位於安裝有驅動和處理電路62的電路板之後，並通過連接器64與其連接。一個支撐無線通信電路65的電路板位於支持存儲器電路63的電路板之後，並通過連接器66與其連接。兩個按鈕電池67位於支撐無線通信電路65的電路板之後。
天線68靠近用於支撐驅動和處理電路62的電路板設置。例如，串聯連接的電池67、67的負極通過一個引線(未標出)連接到無線通信電路65的接地端並連接到其它電路的接地端。無線通信電路65的正端子和其它電路的正端子連接到一個彈簧接觸部件71的一端。彈簧接觸部件71包括位於串聯連接的電池67、67之後的接觸部71a。絕緣板73可拆卸地設置在彈簧接觸部件71的接觸部71a和與電池正極接觸的接觸部71b之間。因此，因為絕緣板73防止接觸部71a和接觸部71b之間的電接觸，可以建立膠囊內視鏡的OFF狀態。
絕緣板73的一部分通過一個具有橡膠閥部74的小切除部從膠囊內視鏡中延伸出來。通過拉出絕緣板73，使得由彈簧加載的接觸部71a與接觸部71b接觸，以便建立ON狀態。一旦從膠囊內視鏡中拉出絕緣板73，橡膠閥部74自動地密封關閉以便保持不漏水狀態。前蓋52的透明圓頂部的內表面和外表面分別具有恆定曲率半徑Ri和Ro，曲率半徑Ri和Ro幾乎延伸到視野角度θ的周邊。在本實施例中，Ri是6.0mm，Ro是6.5mm。圓頂的內表面和外表面的曲率中心都與物鏡光學系統54的入射光瞳75的軸向位置重合。因此，本實施例使用一個在視野角度θ的中心部分內具有均勻厚度的透明圓頂。在靠近視野角度θ的周邊的區域，透明圓頂的外表面的曲率半徑Rp比曲率半徑Ri和Ro都小(例如Rp＝4.0mm)，使得外表面繼續直至與膠囊的圓筒本體相交。本實施例的膠囊內視鏡的外本體直徑D是11mm。
第一透鏡框架55具有圓錐狀前表面76，其被粗糙化以便使入射到其上的光散射。由於透明蓋的設計和部件的設置，本實施例還有效防止了從前蓋52的內表面和外表面反射的一部分照射光進入物鏡光學系統54。換句話說，它有效防止了不希望的光進入物鏡光學系統54，從而實現了優良質量的圖像。
第四實施例圖11(A)顯示本發明第四實施例的膠囊內視鏡81的結構的橫剖面圖。圖11(B)顯示本實施例的膠囊內視鏡的ON狀態。圖11(C)顯示當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、照明裝置和圖像檢測元件之間的位置關係，圖11(D)顯示圖11(C)所示位置關係的一個可能改進。
本實施例的膠囊內視鏡81包括圓筒形外蓋82，其具有一個封閉的圓形後端和一個前端，一個近似半球形透明蓋83與該前端接合併密封以產生一個不漏水結構，在該結構中布置物鏡光學系統84和其它元件。物鏡光學系統84從物體側開始包括由第一透鏡框架85支撐的第一透鏡和由第二透鏡框架86支撐的第二透鏡。一個位於電路板87的前表面上的凹陷內的CCD 88被設置為，使其檢測面位於物鏡光學系統84的像面上。白色LED 91連接到電路板90，電路板90固定到第二透鏡框架86的桶部上，第二透鏡框架86與第一透鏡框架85接合。
如圖11(C)所示，白色LED 91被設置為，當從膠囊的前方觀察時，相對於光軸101與白色LED91對稱地對置的圖像檢測表面上的區域不用於圖像檢測。但是，該區域可以是CCD的一個用於檢測「光學黑色」的有效區域。光學黑色部分是這樣一個區域，即，通過遮蔽(以物理方式或電氣方式)圖像檢測表面100來遮蔽其中的圖像元件，因此是一個不用於圖像檢測的區域。而且，如圖11(D)所示，一個圖像檢測元件可以使用兩個白色LED 91。在本例中，使用一個不同類型的CCD 88』。CCD 88』包括一個光學黑色部件(CCD 88』的用斜線顯示的部分，不用於圖像檢測)和一個信號讀取部件。因此，白色LED 91被布置為，使得相對於物鏡光學系統的光軸101與LED 91對稱地對置的區域(即，圖11(D)中用斜線顯示的區域)與圖像檢測元件的不用於成像的區域重疊。為了便於解釋，圖11(C)和11(D)被簡化，其中顯示的LED 91比實際存在的要少。
在安裝有CCD 88的電路板87後面，設置一個電路板92，電路板92上安裝有用於形成一個驅動、處理和存儲器電路的電子部件。在電路板92之後，有一個用於支撐無線通信電路93的電路板。電子晶片元件94、94和無線通信電路93的部件被安裝在該電路板的兩側上。按鈕電池67被設置在用於支撐無線通信電路93的電路板之後。天線95靠近電路板87和92。
如圖11(A)和11(B)所示，串聯連接電池67、67的正極與接觸部71b電連接。如前面參考圖10(A)所述，通過位於彈簧接觸部71a和接觸部71b之間的絕緣板73來防止二者接觸，從而建立OFF狀態。通過拉出絕緣板73，接觸部71a和71b相互接觸，從而建立ON狀態。
本實施例使用的透明蓋83的內表面和外表面在視野角度θ內的曲率半徑Ri和Ro分別等於4.5mm和5.0mm。透明蓋83的內表面和外表面具有位於物鏡光學系統84的入射光瞳96的軸向位置處的共同曲率中心。因此，在本實施例中的視野角度θ內，透明蓋83具有均勻的厚度0.5mm。在視野角度θ外側，透明蓋內表面和外表面的曲率不同(從橫剖面圖中看，外表面的表觀曲率半徑是Rp)，使得透明蓋平滑地與外直徑為11mm的膠囊內視鏡本體配合。這種設計使得膠囊總長可以縮短。此外，如上所述，透明蓋的前端的曲率半徑比膠囊內視鏡81的外直徑值的一半要小。這有助於減小膠囊內視鏡81的總長。而且，本實施例使用圓筒形第一透鏡框架85。固定在第一透鏡框架85中的第一透鏡的前表面設置有一個薄板或一個塗層，以在入射光瞳位置96周圍遮蔽光，從而形成一個光闌97。
本實施例的一個特徵是，在密封之前可以在縱向調整透明蓋與膠囊的接合位置，使得物鏡光學系統84的入射光瞳位置96與透明蓋83的曲率半徑Ri和Ro的中心位置重合。換句話說，可以把透明蓋83與圓筒形外蓋82接合的部分用作一個定位裝置，以便在視野角度θ內把物鏡光學系統84的入射光瞳位置96定位在曲率中心。提供一個定位裝置可以確保把物鏡光學系統84的入射光瞳位置96精確定位在透明蓋83的曲率半徑Ri和Ro的中心位置。可以使用一個光學調整裝置(未示出)進行定位調整。還可以通過操作膠囊內視鏡和把透明蓋定位在閃光最小化的位置來進行定位。在其他實施例中說明的定位結構也可以應用到該實施例中。
第五實施例圖12(A)是根據本發明第五實施例的膠囊內視鏡的尖端部的橫剖面圖。圖12(B)顯示當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、圖像檢測裝置和照明裝置之間的位置關係。圖12(C)顯示在第五實施例的改進例中當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、圖像檢測裝置和照明裝置之間的位置關係。
如圖12(A)所示，在根據本實施例的膠囊內視鏡中，透明蓋110的外表面和內表面為半球形，並具有共同的曲率中心，物鏡光學系統112被設置在膠囊內，使得其入射光瞳的中心與透明蓋110的共同曲率中心重合。CCD 113的圖像檢測表面100(圖12(B))被設置在物鏡光學系統112的像面上。四個白色LED 111設置在物鏡光學系統112的周邊。此外，如圖12(B)所示，通過確定白色LED和CCD 113之間的位置關係，使得被電氣遮蔽以便不在這些區域提供圖像信號的CCD 113的周邊區域114(圖12(B)中由剖面線表示)相對於光軸101與白色LED111對稱地對置，從而實現膠囊內視鏡的小型化。該電氣遮蔽被顯示為，好象一個實際的物理掩模被放置在像面100上，但是實際上，其是通過在成像時忽略所示區域中的圖像像素數據來實現的。
因為校正了物鏡光學系統112的失真象差，本實施例中的電氣實現的掩模114所具有的效果是一個圓形被投影到像面100上。電氣實現的掩模114內部的區域是用於成像的區域。
第五實施例的第一改進例在圖12(C)中顯示。在圖12(C)中，電氣實現的掩模114是一個更複雜的形狀，以便解決物鏡光學系統112產生的負失真。在該改進例中，用於形成本實施例的照明裝置的四個LED 111被布置為，使它們的中心靠近CCD 113的四個角。四個白色LED 111相對於CCD 113被布置為，在軸向從膠囊內視鏡前方觀察時，一個相對於物鏡光學系統的光軸與照明裝置的一個發光區域對稱設置的區域與CCD 113的一個區域重疊但是不與CCD 113的任何用於成像的區域重疊。通過如上所述設置LED，並把所示區域電氣遮蔽以解決由物鏡光學系統112產生的負失真，可以提供一個具有觀察圖像的能力並且避免了過度曝光的小型膠囊內視鏡。這是通過遮蔽(以電氣方式或其它方式)那些會被包含大比例的鏡面反射光的所檢測光過度曝光的像素元件來實現的。該鏡面反射光來自於在透明蓋內表面和外表面反射的光，和在內腔壁面反射的光，特別是與透明蓋的外圍部分接觸的內腔壁面反射的光。
圖13(A)和13(B)顯示了第五實施例的第二改進例。如圖13(A)所示，提供一個具有左和右物鏡光學系統以捕獲具有視差的圖像的膠囊內視鏡，使得可以由該膠囊內視鏡捕獲用於三維顯示器的圖像。在第五實施例的該改進例中，一個照明裝置的出射光瞳被設置在透明蓋的曲率中心，在照明裝置的任何一側使用左和右物鏡光學系統。
如圖13(A)所示，根據第五實施例的該改進的膠囊內視鏡採用的透明蓋120具有一個半球形的前部。光散射裝置123的出射光瞳被布置在白色LED 122前方，該白色LED 122沿著膠囊本體的圓筒形中心部分的中心軸布置。光散射裝置123的出射光瞳的中心最好布置為，與透明蓋120的內表面和外表面的曲率中心重合。物鏡光學系統125和126被布置在白色LED 122的相反側，CCD 127和128的圖像檢測表面(圖13(B))被布置在相應物鏡光學系統125和126的像面100和100』上。而且，白色LED 129a和129b(圖13(A)中未示出)可以如圖13(B)所示布置，其中連接LED129a和129b的中心的線段、連接圖像檢測元件118和119的中心的線段、和散射裝置的中心軸117交叉在一個公共點上。
此外，如圖13(B)所示，標為130和130』的虛線外側的包括區域部分131a，131a』，131b，131b』的周邊區域以及考慮了物鏡光學系統125和126的負失真的區域被電氣遮蔽，使得它們不對由圖像檢測元件127和128檢測的圖像有所貢獻，其中區域部分131a，131a』，131b，131b』相對於每個物鏡光學系統的光軸與照明裝置的發光區域(即，白色LED 129a和129b)對稱布置。
通過以此方式把圖像檢測元件127和128的選定區域電氣遮蔽，即使在具有多個圖像檢測元件和多個照明裝置的膠囊內視鏡中，實際上通過忽略由於透明蓋或者一個通過物鏡光學系統把部分照射光鏡面反射到圖像傳感器中的感興趣物體而導致的、圖像傳感器的圖像檢測元件中的將被過度曝光的那些像素區域，仍然可以獲得一個被觀察物體的包含視差的正確曝光圖像。
圖14(A)和14(B)涉及第五實施例的第三個可能改進，圖14(A)是一個包括多個物鏡光學系統的膠囊內視鏡的尖端部的主要部件的結構的橫剖面圖，圖14(B)顯示當從物體側軸向觀察膠囊內視鏡時、照明裝置和成像裝置之間的位置關係。同樣，一個光散射裝置143的出射光瞳被布置在一個白色LED 142的前方，該白色LED 142沿著膠囊內視鏡本體的圓筒形中心部分的中心軸140布置。光散射裝置143的出射光瞳的中心最好設置為，與透明蓋141的內表面和外表面的曲率中心重合。物鏡光學系統144和145被布置在白色LED 142的相反兩側，一個共享CCD 146的像面被設置為與物鏡光學系統144和145的像面共面。而且，白色LED 149a和149b(圖14(A)中未示出，但圖14(B)中顯示)可以如所示設置(即，從膠囊前方看時，兩個LED149a和149b相對於LED 142對稱)。
此外，如圖14(B)所示，標為150和150』的虛線外側的包括區域部分151a，151a』，151b，151b』的周邊區域以及考慮了物鏡光學系統144和145的負失真的區域被電氣遮蔽，使得它們不對由共享圖像檢測元件146檢測的圖像有所貢獻，其中區域部分151a，151a』，151b，151b』相對於每個物鏡光學系統的光軸與照明裝置的發光區域(即，白色LED 149a和149b)對稱布置。
通過以此方式把圖像檢測元件146的選定區域電氣遮蔽，即使在具有多個照明裝置的膠囊內視鏡中，實際上通過忽略由於光被透明蓋表面或者一個與透明蓋的遮蔽區域接觸的內腔壁鏡面反射而通過物鏡光學系統進入圖像檢測元件所導致的、圖像檢測元件中的將被過度曝光的那些像素區域，仍然可以獲得一個被觀察物體的包含視差的正確曝光圖像。
在所有實施例中，在減少從視野外部通過透明蓋的內表面間接進入物鏡光學系統的不希望光和減少直接進入視野的不希望光這個方面來說，透明蓋的內表面上的抗反射塗層是有利的。而且，透明蓋的外表面上的防水塗層可以防止汙染物粘附到透明蓋上而妨礙觀察。
當然，首要的是，透明蓋和膠囊內視鏡本體是由對人體無危害的材料製成。此外，重要的是，在以低成本方式處理時，膠囊內視鏡的所有部件不會對環境造成危害。以此方式，可以以相當低的成本提供一次性膠囊內視鏡。
以上描述了本發明，顯然可以以多種方式對其進行修改。例如，可以選擇性地使用優選實施例中描述的特徵的組合。本發明的範圍應該由所附權利要求及其法律等同物來定義。本領域技術人員所容易想到的所有修改都應落入所附權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種膠囊內視鏡，包括用於照射一個物體的照明裝置；用於對物體成像的成像裝置；和具有一曲率中心的透明蓋，所述透明蓋蓋住照明裝置和成像裝置；其中成像裝置包括物鏡光學系統和圖像檢測元件；物鏡光學系統的入射光瞳位置被布置為，使得其中心位於透明蓋的曲率中心；並且照明裝置相對於圖像檢測元件布置，使得當從物體側觀察膠囊內視鏡時，一個相對於物鏡光學系統的光軸與照明裝置的一個發光區域對稱布置的區域與圖像檢測元件的一個區域重疊，但是不與圖像檢測元件的用於圖像檢測的任何區域重疊。
2.根據權利要求1所述的膠囊內視鏡，其中當從物體側觀察膠囊內視鏡時，圖像檢測元件的一個不用於成像的、並且相對於物鏡光學系統的光軸與照明裝置的一個發光區域對稱設置的區域是一個在圖像處理時被以電氣方式處理的遮蔽區域。
3.一種膠囊內視鏡，包括用於照射一個物體的照明裝置，該照明裝置包括發光元件；用於對物體成像的成像裝置，該成像裝置包括物鏡光學系統；和具有一曲率中心的透明蓋，所述透明蓋蓋住照明裝置和成像裝置；其中照明裝置包括具有出射光瞳的光散射裝置和發光元件，並且光散射裝置的出射光瞳的中心被布置為與透明蓋的曲率中心重合。
4.根據權利要求3所述的膠囊內視鏡，其中成像裝置包括多個構成物鏡光學系統的透鏡元件和一個圖像檢測元件。
5.一種膠囊內視鏡，包括用於照射一個物體的照明裝置；用於對物體成像的成像裝置；和具有一曲率中心的透明蓋，所述透明蓋蓋住照明裝置和成像裝置；其中成像裝置包括多個物鏡光學系統和一個圖像檢測元件；照明裝置包括具有出射光瞳的光散射裝置和發光元件；光散射裝置的出射光瞳的中心被布置為與透明蓋的曲率中心重合，並且光散射裝置的出射光瞳相對於圖像檢測元件布置，使得當從物體側觀察膠囊內視鏡時，一個相對於物鏡光學系統的光軸與光散射裝置的出射光瞳對稱布置的區域與圖像檢測元件的一個區域重疊，但是不與圖像檢測元件的用於圖像檢測的任何區域重疊。
6.根據權利要求5所述的膠囊內視鏡，其中當從物體側觀察膠囊內視鏡時，圖像檢測元件的一個不用於成像的、並且相對於物鏡光學系統的光軸與照明裝置的一個發光區域對稱布置的區域是一個在圖像處理時被以電氣方式遮蔽的遮蔽區域。
7.一種膠囊內視鏡，包括用於照射一個物體的照明裝置；用於對物體成像的成像裝置；和具有一曲率中心的透明蓋，所述透明蓋蓋住照明裝置和成像裝置；其中成像裝置包括多個物鏡光學系統和多個圖像檢測元件；照明裝置包括具有出射光瞳的光散射裝置和發光元件；光散射裝置的出射光瞳被布置為與透明蓋的曲率中心重合，並且光散射裝置的出射光瞳相對於圖像檢測元件布置，使得當從物體側觀察膠囊內視鏡時，一個相對於物鏡光學系統的光軸與光散射裝置的出射光瞳對稱布置的區域與圖像檢測元件的一個區域重疊，但是不與圖像檢測元件的用於圖像檢測的任何區域重疊。
8.一種膠囊內視鏡，包括用於照射一個物體的照明裝置；用於對物體成像的成像裝置；和透明蓋，蓋住照明裝置和成像裝置；其中成像裝置包括物鏡光學系統和圖像檢測元件；照明裝置相對於圖像檢測元件布置，使得當從物體側觀察膠囊內視鏡時，一個相對於物鏡光學系統的光軸與照明裝置的一個發光區域對稱布置的區域與圖像檢測元件的一個區域重疊，但是不與圖像檢測元件的用於圖像檢測的任何區域重疊。
9.根據權利要求8所述的膠囊內視鏡，其中當從物體側觀察膠囊內視鏡時，圖像檢測元件的一個不用於成像的、並且相對於物鏡光學系統的光軸與照明裝置的一個發光區域對稱設置的區域是一個在圖像處理時被以電氣方式遮蔽的遮蔽區域。
10.根據權利要求1所述的膠囊內視鏡，其中透明蓋具有內表面和外表面，該內表面的曲率中心實際上位於入射光瞳位置；以及該透明蓋的厚度從與入射光瞳對置的部分向該透明蓋的周邊遞減。
11.根據權利要求8所述的膠囊內視鏡，其中物鏡光學系統具有一個入射光瞳；該透明蓋具有一個外表面，該外表面的曲率中心實際上位於入射光瞳位置；以及該透明蓋的厚度從與入射光瞳對置處的最大值向該透明蓋的周邊遞減。
全文摘要
揭示了一種膠囊內視鏡，包括用於照射一個物體的照明裝置；用於對物體成像的成像裝置；和具有一曲率中心的透明蓋，所述透明蓋蓋住照明裝置和成像裝置；其中成像裝置包括物鏡光學系統和圖像檢測元件；照明裝置相對於圖像檢測元件布置，使得當從物體側觀察膠囊內視鏡時，一個相對於物鏡光學系統的光軸與照明裝置的一個發光區域對稱布置的區域與圖像檢測元件的一個區域重疊，但是不與圖像檢測元件的用於圖像檢測的任何區域重疊。
文檔編號A61B1/00GK1443510SQ0311971
公開日2003年9月24日 申請日期2003年3月7日 優先權日2002年3月8日
發明者鈴木隆之, 松本伸也, 長谷川晃, 橫井武司, 瀨川英建, 滝澤寬信 申請人:奧林巴斯光學工業株式會社