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Die
Erfindung betrifft eine dentale oder medizinische Kamera mit einem
Gehäuse, einer Optik und einem Bildwandler.
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Stand der Technik
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Der
Bildwandler einer solchen Kamera wird dazu verwendet, ein von der
Optik der Kamera abgebildetes Bild in elektrische Signale umzuwandeln. Um
eine Scharfstellung auf unterschiedlich weit entfernte Abbildungsgegenstände,
wie beispielsweise Zähne, zu erreichen wird bei der bekannten
Kamera der Bildwandler längs der optischen Achse der Optik verschoben.
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Aufgrund
der erforderlichen Positionierungsgenauigkeit der zur Verschiebung
des Bildwandlers verwendeten Mechanik, ist diese teuer. Die Mechanik muss
zudem im Laufe der Endmontage der Kamera eine präzise mechanische
Kalibrierung zur Kompensation von Herstellungs- und Montagetoleranzen
erhalten, beispielsweise über eine Scharfstellung auf ”unendlich”.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine dentale oder medizinische Kamera
anzugeben, bei der eine mechanische Kalibrierung der Lage von Optik und
Bildwandler entfallen kann.
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Erfindungsgemäß wird
dies erreicht durch eine dentale oder medizinische Kamera mit einem Gehäuse,
einer Optik und ei nem Bildwandler, bei der die Optik eine Linse
mit steuerbarer Brennweite aufweist und der Bildwandler ortsfest.
im Gehäuse angeordnet ist.
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Anstatt
also die Relativlage zwischen Bildwandler und Optik einzujustieren,
wird die Linse mit steuerbarer Brennweite dazu verwendet, die Bildebene
der Optik in die Sensorebene des Bildwandlers zu verlagern. Damit
kann auf eine aufwändige Mechanik zur Verschiebung des
Bildwandlers verzichtet werden. Als Linsen mit steuerbarer Brennweite
kommen beispielsweise deformierbare Linsen in Frage, die einen Linsenkörper
aus einem transparenten elastischen Material aufweisen, der mit
entsprechenden Linsenfassungen deformiert werden kann, oder auch Linsen
mit Flüssigkeitsmenisken, die durch elektrische Felder
beeinflussbar sind.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Linse
mit steuerbarer Brennweite eine Flüssiglinse ist. Die Funktionsweise
einer Flüssiglinse mit steuerbarer Brennweite beruht darauf, dass
der Benetzungswinkel einer Flüssigkeit an einer Grenzfläche
zu einem Festkörper durch die elektrostatische Wirkung
einer Steuerelektrode variiert werden kann. Daraus ergibt sich für
die Grenzfläche zwischen einem Flüssigkeitsvolumen
und einem umgebenden Medium, wie beispielsweise Luft oder einer anderen
Flüssigkeit mit unterschiedlicher optischer Dichte, eine
einstellbare Wölbung. Da unterschiedlich gewölbte
Grenzflächen zweier optischer Medien eine unterschiedliche
Brechkraft haben, ist durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen
eine Linse mit steuerbarer Brennweite realisierbar. Eine solche Flüssiglinse
erfordert also keinerlei mechanische Aktoren, sodass die Änderung
der Brechkraft schnell und zuverlässig gesteuert werden
kann.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Linse
mit steuerbarer Brennweite eine Brennweite hat, die auf etwa Unendlich
und etwa 100 cm, vorzugsweise etwa 10 cm, und dazwischen liegende
Werte einstellbar ist. Dadurch dass die Brennweite in den angegebenen
Bereichen beispielsweise in diskreten Schritten oder kontinuierlich auf
verschiedene Werte eingestellt werden kann, ist ein ausreichend
großer Bereich zur Anpassung der Bildebene auf die Position
der Sensorebene des Bildwandlers gegeben.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Linse
mit steuerbarer Brennweite eine Apertur zwischen etwa 5 mm und etwa
1 mm, vorzugsweise zwischen etwa 3,5 mm und etwa 2,5 mm, hat. Aufgrund
eines eng bemessenen Bauraums in dentalen oder medizinischen Kameras
haben sich Linsen mit steuerbarer Brennweite, die eine Apertur in
den genannten Bereichen haben, als vorteilhafter Kompromiss zwischen
Baugröße, Lichtstärke und Tiefenschärfe
herausgestellt. Dabei wird hier mit Apertur der maximale Durchmesser
bezeichnet, durch den Licht durch die Linse mit steuerbarer Brennweite
hindurchtreten kann.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle optischen
Elemente der Optik ortsfest im Gehäuse angeordnet sind.
Dadurch, dass außer dem Bildwandler auch alle optischen
Elemente der Optik ortsfest angeordnet sind, kann insgesamt auf
teure Mechaniken innerhalb der Kamera verzichtet werden, sodass
sich die Konstruktion der Kamera deutlich vereinfacht.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Linse
mit steuerbarer Brennweite mit einer Steuereinheit verbunden ist,
die mit zumindest einem Korrektursignal beaufschlagbar ist und abhängig
von letzterem ein Steuersignal für die steuerbare Linse
bereitstellt. Die Kalibrierung der Kamera erfolgt so durch einfaches
Anlegen eines Korrektursignals, welches beispielsweise von einem
Justierwiderstand oder einem digitalen Speicher bereitgestellt wird.
Das Korrektursignal wird von der Steuereinheit dazu verwendet, die
Brennweite der Linse mit steuerbarer Brennweite so einzustellen,
dass die Kamera beispielsweise auf ”unendlich” fokussiert
ist, d. h. ein weit entfernter Gegenstand optimal auf der Sensorebene
des Bildwandlers abgebildet wird.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Linse
mit steuerbarer Brennweite mit einer Steuereinheit verbunden ist,
die mit einem Fokussiersignal beaufschlagbar ist und abhängig
von letzterem ein Steuersignal für die steuerbare Linse bereitstellt.
Mit dem Fokussiersignal kann die Kamera nach der Montage auf unterschiedliche
Gegenstandsweiten scharf gestellt werden. Damit ist es möglich,
die Kamera an unterschiedliche Abbildungserfordernisse des Einsatzes
anzupassen.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fokussiersignal
von einem Betätigungselement erzeugt wird. Über
das Betätigungselement wird dem Anwender der Kamera die
Möglichkeit gegeben, im laufenden Betrieb Einfluss auf die
Scharfstellung der Kamera zu nehmen. Als Betätigungselemente
können dabei beispielsweise ein Rändelrad, ein
um den Umfang der Kamera angeordneter Drehring (gegebenenfalls mit
Anschlägen), zwei Tasten oder ein Wechselschieber dienen,
die über eine nachgeschaltete Elektronik das Fokussiersignal
an die Steuereinheit übergeben. Besonders vorteilhaft können
als Betätigungselement kapazitive Sensoren innerhalb des
Gehäuses angeordnet sein, sodass die Außenfläche
des Gehäuses der Kamera als geschlossene Fläche
ausgebildet werden kann. Damit wird eine aus medizinischen Gründen
gebotene Reinigung der dentalen oder medizinischen Kamera vereinfacht.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Optik
eine objektseitige Linsenanordnung, eine mittlere Linsenanordnung
und eine wandlerseitige Linsenanordnung aufweist. Eine Optik mit
einer solchen Aufteilung der Linsenanordnung hat sich als vorteilhaft
zum Erreichen guter Abbildungseigenschaften erwiesen. Dabei kann
eine Linsenanordnung nur eine einzelne oder auch mehrere Linsen
umfassen, die beispielsweise als Achromaten eine Korrektur chromatischer
Aberrationsfehler erlauben.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Linse
mit steuerbarer Brennweite Teil der wandlerseitigen Linsenanordnung
ist oder diese darstellt. Eine Anordnung der steuerbaren Linse in
der wandlerseitigen Linsenanordnung ermöglicht eine Verlagerung
der Bildebene, ohne dass die anderen Linsenanordnungen geändert
werden müssen. Wie bereits bemerkt, kann die Linse mit
steuerbarer Brennweite nur einen Teil oder die gesamte Linsenanordnung
darstellen. Insbesondere im Fall einer Flüssiglinse, kann
die steuerbare Linse als bauliche Einheit zusammen mit einer Korrekturlinse
vorliegen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im
Folgenden werden an Hand der Zeichnung Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher beschrieben. Darin zeigt:
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1:
eine schematische Schnittansicht einer elektrisch kalibrierbaren
Dentalkamera.
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Detaillierte Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
eine Dentalkamera 10 mit einem länglichen Gehäuse 12,
das einen in der Zeichnung links liegenden um 90° abgewinkelten
Endabschnitt 14 hat.
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Als
Abschluss trägt der abgewinkelte Endabschnitt 14 eine
plane Glasplatte 16, die flüssigkeitsdicht mit
dem Gehäuse 12 verbunden ist und das transparente,
meist rund oder oval ausgeführte, Eintrittsfenster der
Dentalkamera 10 darstellt.
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Im
Randbereich der Glasplatte 16 sind innerhalb des Gehäuses 12 LEDs 18 angeordnet,
die als Lichtquellen zur Beleuchtung eines abzubildenden Gegenstands,
wie den in der 1 schematisch angedeuteten Zähnen 20a und 22a,
dienen.
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Das
von den Zähnen 20a und 22a reflektierte Licht 24 fällt,
wie gestrichelt stark schematisch dargestellt, durch den Zentralbereich
der Glasplatte 16 in das Innere des Gehäuses 12.
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Im Übergangsbereich
zwischen dem abgewinkelten Endabschnitt 14 und dem im Wesentlichen länglichen
Hauptteil des Gehäuses 12 ist ein Halbwürfelprisma 26 mit
einer Spiegelfläche angeordnet. Das Halbwürfelprisma 26,
das als Ablenkungsprisma dient, ist derart angeordnet, dass das
einfallende Licht 24 in Richtung einer im länglichen
Hauptteil des Gehäuses 12 angeordneten Optik abgelenkt
wird.
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Das
Halbwürfelprisma 26 wird dabei von am Gehäuse 12 angeformten
Halterungen 28 und 30 präzise ausgerichtet,
sodass die Hauptrichtung des einfallenden Lichts 24 in
Richtung einer optischen Achse 32 der Kameraoptik abgelenkt
wird.
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Die
Optik umfasst eine objektseitige Linsenanordnung 34, eine
mittlere Linsenanordnung 36 sowie eine bildseitige Linsenanordnung 38,
wobei in 1 sowohl die Linsenan ordnungen
als auch der Strahlverlauf des einfallenden Lichts 24 in
Bezug auf Brechkraft und Abstände der Linsenanordnungen
nur stark schematisiert wiedergegeben ist. Jede Linsenanordnung
kann eine einzelne oder mehrere Linsen aufweisen, wobei die Linsen
und die Linsenanordnungen insgesamt sowohl positive als auch negative Brechkraft
aufweisen können. So hat beispielsweise die objektseitige
Linsenanordnung 34 die Wirkung einer konkav-konvexen Linse.
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Die
Linsenanordnungen sind über ringförmige Linsenfassungen 40 und/oder
nicht gezeigte hülsenförmige Präzisionsabstandshalter
innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet.
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Die
bildseitige Linsenanordnung 38 weist eine Flüssiglinse 42 auf,
deren Brennweite über eine angelegte Steuerspannung, die
typischerweise zwischen 0 V und etwa 60 V liegt, im Bereich zwischen Unendlich
und etwa 10 cm eingestellt werden kann.
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Dem
Strahlverlauf weiter folgend, weist die Dentalkamera 10 nach
der bildseitigen Linsenanordnung 38 einen CCD-Chip 44 als
Bildwandler auf, der an der nach rechts gerichteten Stirnseite 45 des
Gehäuses 12 ortsfest angeordnet ist. Der CCD-Chip 44 hat
eine Sensorebene S, die bei korrekter Scharfstellung mit der Bildebene
B der Kameraoptik zusammenfällt.
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Über
eine Wandlerelektronik 46 und ein Videokabel 48 wird
das von dem CCD-Chip 44 aufgenommene Bild an einen nicht
gezeigten Monitor übermittelt.
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Mit
der Flüssiglinse 42 ist eine Steuereinheit 50 über
eine Steuerleitung 52 verbunden.
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Obwohl
die Steuereinheit 50 in 1 außerhalb
des Gehäu ses 12 der Dentalkamera 10 schematisiert
dargestellt ist, wird diese bei einem realen Ausführungsbeispiel
im Inneren des Gehäuses 12 angeordnet oder beispielsweise
als Teil der Wandlerelektronik 46 ausgebildet sein.
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Die
Steuereinheit 50 umfasst eine Leistungsstufe 54,
einen Digital-Analog-Umsetzer 56, einen digitalen Kennlinienkreis 58 sowie
einen Summierer 60.
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Die
Steuerleitung 52 ist mit der Leistungsstufe 54 verbunden,
welche die Steuerspannung für die Flüssiglinse 42 ausgibt.
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Die
Leistungsstufe 54 verstärkt dazu eine von dem
Digital-Analog-Umsetzer 56 kommende Spannung.
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Dieser
wiederum erhält sein digitales Eingangssignal von dem Kennlinienkreis 58,
der dazu dient, eventuell auftretende nicht lineare Abhängigkeiten
der Brechkraft der Flüssiglinse 42 von der angelegten
Steuerspannung auszugleichen.
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Der
Kennlinienkreis 58 wiederum erhält sein Eingangssignal
von dem Summierer 60, an dem ein Korrektursignal anliegt,
das beispielsweise durch einen Justierwiderstand 62 gegeben
ist, der während einer Kalibrierungsphase der Dentalkamera 10 eingestellt
wurde. Stattdessen ist auch die Speicherung des Korrektursignals
in einem digitalen Speicher möglich.
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Weiter
erhält der Summierer 60 ein Fokussiersignal von
einem variablen Widerstand 64, der über ein Rändelrad 66 angesteuert
wird.
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Das
Rändelrad 66 ist an geeigneter Stelle am Gehäuse 12 angeordnet,
sodass der Verwender der Dentalkamera 10 während der
Verwendung einen leichten Zugang zu diesem hat. Anstelle des einstellbaren
Widerstands 64 kann man auch eine digitale Fokussiersignalquelle
vorsehen, z. B. in Form eines Auf/Ab-Zählers, der durch
in das Gehäuse 12 eingelassene Sensoren betätigt
wird.
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Wie
durch die gepunktet dargestellten Zähne 20b und 22b angedeutet,
kann der Verwender durch Betätigung des Rändelrads 66 die
Dentalkamera 10 auf unterschiedliche Aufnahmeentfernungen
im Aufnahmebereich 68 einstellen.
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Dabei
wird das auf dem CCD-Chip 44 abgebildete Bild scharf abgebildet,
obwohl alle optischen Elemente der Dentalkamera 10 ortsfest
in dem Gehäuse 12 angeordnet sind.
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Schließlich
weist die Dentalkamera 10 an geeigneter Stelle im Strahlengang
mindestens eine einstellbare Blende auf, die hier als Irisblende 70 ausbildet
ist, wobei jedoch auch radial verschiebbare oder drehbare Mehrlochblenden
zum Einsatz kommen können. Eine Stellvorrichtung der Facettenlochblende 70 ist
ebenfalls über eine Leitung mit der Steuereinheit 50 verbunden
und wird von dieser über nicht gezeigte Schaltkreise angesteuert.
Dies ermöglicht die Anpassung der Blende an unterschiedliche
Fokussierungen.
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Man
kann ferner die Flüssiglinse und eine motorisch verstellbare
Blende abgestimmt aufeinander verstellen. Dabei liegt vorzugsweise
die Blendenöffnung bei intraoraler Fokussierung bei circa
0.6 mm und bei extraoraler Fokussierung bei circa 1.5 mm.
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Nach
einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit 50 auch
einen Controller umfassen, der die Steuerspannung für die
Flüssiglinse 42 über einen DC/DC-Wandler
steuert. Dadurch ist man noch flexibler in der Wahl des Betäti gungselements
für die Linsenverstellung. So kann die Betätigung
leicht über eine Schalterwippe zur feinen Änderung
der Fokussierung, über einen 3-Stufen-Schalter für
die Fokusbereiche Makro/Intraoral/Extraoral und/oder über
einen Autofokus erfolgen.
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Die
einstellbaren Gegenstandsweiten der Kameraoptik liegen für
eine Dentalkamera in der Praxis im Bereich von ca. 1 mm bis ca.
100 mm. Die Bildweite liegt zwischen ca. 3 mm und ca. 10 mm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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