JP2013509208A - 液体レンズを備えた口腔内カメラ - Google Patents

Abstract

液体レンズをともなう自動焦点口腔内カメラは、被写体のデジタル画像をキャプチャするデジタル画像センサ（３０４）と、被写体に光を当てるための光源と、光路に沿って被写体からの光を、デジタル画像センサに導く結像レンズアセンブリ（３０２）と、結像レンズアセンブリとデジタル画像センサとの間の光路に配置されており、調節可能な焦点距離を有する液体レンズ（１００）と、可変電圧を液体レンズに印加して、液体レンズの焦点距離を制御するドライバ（３０６）と、デジタル画像センサによりキャプチャされたデジタル画像を処理するためのプロセッサ（３０８）とを備えている。一方、口腔内カメラの連続自動焦点方法が開示される。

Description

本発明は、概して口腔内撮像カメラシステムに関するものである。より具体的には、本発明は、連続および単一の自動焦点のための液体レンズをともなう口腔内カメラに関するものである。

歯科医などの歯科専門家は、歯科治療を行う前に患者の歯の画像をキャプチャすることを所望する場合がある。処置の前に、患者の歯の画像を取得し、データとして保存することができ、キャプチャした画像に基づいて処置プランを練ることができる。さらに、処置の経過中にも、口腔内部の画像を取得し、データとして保存してもよい。これにより、歯科医および患者の両者が処置の進行を再検討でき、学会での発表材料として用いることができる。画像をキャプチャするためには口腔内カメラを用いることができる。口腔の画像は診断、処置、患者の教育などを目的として表示することができる。

一般的に、口腔内カメラは、照明モジュール、レンズモジュール、および電気部品を備える。一部の口腔内カメラは、例えば、デジタルセンサを用いて、デジタル的に画像をキャプチャする手段を有する。

一部の口腔内カメラでは、レンズとセンサとの間の距離を手動で調節することにより焦点を合わせる。しかしながら、この方法は処置中の歯科医には不便である。口腔内カメラのいくつかでは、ピント調整と置き換えるために、ＤＯＦ（被写界深度）が大きい、ＮＡ（開口数）の小さいものが用いられるであろう。しかしながら、ＮＡが小さい光学系は、高い解像度を供給することができず、光束も増大することができない。

したがって、連続的かつ単一の自動焦点口腔内カメラが要求される。

本発明の目的は、連続的かつ単一の自動焦点口腔内カメラを提供することである。

口腔内カメラは、（１）被写体のデジタル画像をキャプチャするためのデジタル画像センサと、（２）被写体に光を当てる光源と、（３）光路に沿って被写体からの光を、デジタル画像センサに導く結像レンズアセンブリと、（４）結像レンズアセンブリとデジタル画像センサとの間の光路に配置されており、調節可能な焦点距離を有する液体レンズと、（５）可変電圧を液体レンズに印加して、液体レンズの焦点距離を制御するドライバと、（６）デジタル画像センサによりキャプチャされたデジタル画像を処理するプロセッサとを備えている。

別の配設では、（１）被写体のデジタル画像をキャプチャするデジタル画像センサと、（２）被写体に光を当てる光源と、（３）光路に沿って被写体からの光を、中間面に導き、中間像を形成する第１の結像レンズアセンブリと、（４）第１の結像レンズアセンブリとデジタル画像センサとの間の光路に配置されており、中間像をデジタル画像センサに中継する、調節可能な焦点距離を有する液体レンズを含む第２の結像レンズアセンブリと、（５）可変電圧を液体レンズに印加して、液体レンズの焦点距離を制御するドライバと、（６）デジタル画像センサによりキャプチャされたデジタル画像を処理するプロセッサと、を備えている口腔内カメラが提供される。

この対象物は説明に役立つ実例としてのみ提供され、このような対象物は本発明の１つ以上の実施形態の例示であってもよい。本開示の発明により本質的に達成される他の望ましい目的および利点は、当業者にもたらされる、または明らかとなる。本発明は添付の請求項により定義される。

本願に従う小型の口腔内カメラは、自動焦点のための液体レンズをともなう小さいサイズおよび簡単な構造を提供する。

本発明の前述および他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示すような本発明の実施形態の以下のより具体的な説明から当業者に明らかとなるであろう。図面の要素は、互いに相対的に必ずしも原寸に比例しない。

液体レンズをともなう口腔内カメラのシステム構成を示す図である。 液体レンズをともなう口腔内カメラの例を示す図である。 液体レンズの構成を示す図である。 液体レンズの構成を示す図である。 液体レンズの作動原理を示す図である。 図３に従う、口腔内カメラの設計フローチャートを示す図である。 本発明の口腔内カメラの電気的構成を図式的に示す図である。 連続自動焦点のための図６のＤＳＰ（画像処理プロセッサ）内のファームウェア作業の流れを示す図である。 口腔内カメラの連続自動焦点機能に関する焦点領域を示す図である。 連続自動焦点方式を説明するフローチャートである。 焦点スキャン処理を説明するフローチャートである。 単一の自動焦点の焦点領域を示す図である。 例示の焦点値計算を説明する図である。 単一の自動焦点方式を説明するフローチャートである。 図１５の単一の自動焦点方式におけるピーク検出を示す図である。 図１３の単一の自動焦点方式に関する近端または遠端における焦点検出を示す図である。 図１５の単一の自動焦点方式に関する近端または遠端における焦点検出を示す図である。

以下に本発明の好ましい実施形態の詳細な説明を、いくつかの図面の各々において同一の参照番号が同一の構成の要素を特定する図面を参照して説明する。

図１は液体レンズ１００を有する例示の口腔内カメラシステムを示す。カメラは結像レンズアセンブリ３０２、液体レンズ１００、デジタル撮像要素／センサ３０４、液体レンズドライバ３０６、画像プロセッサ３０８、およびセンサ３０４と画像プロセッサ６０２との間の通信手段３１０を含む。この配設では、印加する電圧を変化させることにより、液体レンズの焦点距離を調節できる。このようにして、口腔内カメラは異なる作動距離において被写体に焦点を合わせることができる。

ドライバ３０６は液体レンズ１００に可変電圧を供給する。画像のキャプチャにはセンサ３０４が用いられ、撮像要素／センサ３０４によりキャプチャされた画像を処理するように画像プロセッサ３０８は適応する。液体レンズ１００は自動焦点調節のために用いられる。他の実施形態では、レンズアセンブリ３０２は液体レンズを含んでもよい。

図２は液体レンズを備えた口腔内カメラの実施形態を示す。大視野および自動焦点を提供するために、光学設計は図２に示す配設を用いる。示すように、光学系は結像レンズアセンブリ３０２および液体レンズ１００からなる。液体レンズドライバ３０６が、液体レンズ１００に可変電圧を印加する。撮像要素／センサ３０４が画像をキャプチャする。画像プロセッサ３０８は、センサ３０４がキャプチャした画像を処理する。焦点調節のために液体レンズ１００が用いられ、撮像のためにレンズアセンブリ６００が用いられる。

結像レンズアセンブリ３０２および液体レンズ１００は、画像化される被写体（例えば、歯）とセンサ３０４との中間に配置される。結像レンズアセンブリ３０２は、３つのレンズの群、すなわち第１のレンズ、第２のレンズ、および第３のレンズからなる。第１のレンズは大きいＦＯＶ（視野）を小さいＦＯＶに圧縮し、被写体の中間像を生成する。第２および第３のレンズは、関連する液体レンズ１００と共にセンサ３０４上に最終像を生成する。換言すれば、この順序は、被写体、結像レンズアセンブリ３０２、液体レンズ１００、センサ３０４である。これらの部品は、このようにして、結像レンズアセンブリ３０２がセンサ３０４上に画像を形成する助けになるように、液体レンズ１００が異なる作動距離に対して調節できるように配置される。

図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、液体レンズ１００は、通常、等密度の２種類の液体を含む。これらは、２つの透明窓１０７の間に挟まれた円錐容器に入っている。この実施形態では、液体の１つは伝導性を有する水１０３であり、もう１つはその蓋として作用する油１０１である。この油により、技術者が一定の水量を使用して、光軸１０５に対する安定性の方策を提供することができる。油１０１から隔離されているが、水１０３とは電気接触する電極であって、可変電圧を選択的に印加することができる電極１０９および１１３をレンズ１００はさらに含む。電極１０９と電極１１３との間には、それらを分離する絶縁体１１１が配置される。油１０１と水１０３との間の界面は、円錐構造の両側にわたって印加される電圧に応じてその形状が変化するであろう。図１Ａに示すように、電圧が印加されていない状態では表面は平坦である。電圧が４０ボルトに増大すると、図１Ｂに示すように、油１０１の表面は高い凸面になる。この方法では、電極に印加する電圧を変化させる手段により、液体レンズは所望の屈折力を達成することができる。

図４は図１に従う液体レンズ１００の作動原理を示す図である。液体レンズ１００は、以下に記載するような、電気湿潤現象に基づいて作動する。すなわち、薄い絶縁層により覆われた、金属製の基質上に水滴１０３が付着する。静電圧を生成する基質に印加された電圧は、液体の形状を強制的に変化させて、液滴の接触角を修正する。液体レンズには、１つは絶縁体１０１、もう１つは伝導体１０３である２種類の等密度の液体を用いる。電圧の変化により、液液界面の曲率の変化を導き、さらには、レンズの焦点距離の変化を導く。

図５は口腔内カメラの光学設計のフローチャートを提供する。液体レンズの位置は口腔内カメラ内において決定され、次に、口腔内カメラの異なる作動距離に対応して液体レンズの屈折力が計算され、屈折力が液体レンズの能力の範囲内であるか否かを判定する。屈折力が範囲外である場合には、液体レンズの位置は再移動され、その後判定のために、屈折力を再計算するべきである。屈折力が範囲内である場合は、位置が適切であることを意味し、本設計は終了に進む。

前述のように、歯科医などの歯科専門家は、歯科治療の前に患者の１本以上の歯の画像または画像の群をキャプチャすることを所望する場合がある。または、連続的な一連の画像をキャプチャすることが望ましい場合がある。処置を簡単にするために、口腔内カメラは連続および単一の自動焦点機能を提供する。

このようなことから、（１）被写体のデジタル画像をキャプチャするデジタル画像センサと、（２）被写体に光を当てる光源と、（３）光路に沿って被写体からの光を、デジタル画像センサに導く結像レンズアセンブリと、（４）結像レンズアセンブリとデジタル画像センサとの間の光路に配置されており、調節可能な焦点距離を有する液体レンズと、（５）可変電圧を液体レンズに印加して、液体レンズの焦点距離を制御するドライバと、（６）デジタル画像センサがキャプチャしたデジタル画像を処理するプロセッサと、を備えた口腔内カメラが提供される。

記載したように、（１）被写体のデジタル画像をキャプチャするデジタル画像センサと、（２）被写体に光を当てる光源と、（３）光路に沿って被写体からの光を、中間面に導き、中間像を形成する第１の結像レンズアセンブリと、（４）第１の結像レンズアセンブリとデジタル画像センサとの間の光路に配置されており、中間像をデジタル画像センサに中継する、調節可能な焦点距離を有する液体レンズを含む第２の結像レンズアセンブリと、（５）可変電圧を液体レンズに印加して、液体レンズの焦点距離を制御するドライバと、（６）デジタル画像センサがキャプチャしたデジタル画像を処理するプロセッサと、を備えている口腔内カメラが提供される。

図６は口腔内カメラの連続および単一の自動焦点機能に対する本発明の口腔内カメラの電気的構成を図式的に示す図である。システム構成は、レンズアセンブリ３０２、センサ３０４、画像処理プロセッサ（ＤＳＰとして示す）３０８、液体レンズドライバ３０６、起動デバイス（ボタン入力などのような）、および伝送／通信手段（例えば、ＵＳＢおよびＷｉｆｉ）を含む。光学系は、１つ以上の光学レンズおよび液体レンズからなる。液体レンズの焦点距離は、液体レンズにかけられる電圧信号により制御することができる。

ＤＳＰ（画像プロセッサ）３０８に関しては、機能構造を図７および図８に説明する。図７は、連続自動焦点のための図６のＤＳＰ（画像プロセッサ）におけるファームウェア作業の流れを示す。連続自動焦点では、画像全体の中でこれらの３つの焦点領域は分割される（図８に要素Ａ、ＢおよびＣとして示す）。焦点調節の程度を評価するために、画像センサから取得された各焦点領域に対して焦点値が決定される。一連の焦点値（フレームごとに記録された）は、対応する電圧と共に得られる。これらの値は焦点値配列ＰＡ［ｎ］、および対応する電圧配列Ｖｏｌ［ｎ］に保存される。配列のいずれかまたは両方は、例えば、ＤＲＡＭまたは他のメモリに保存することができる。場面変化検出または焦点探索は、焦点状態に従い処理される。場面変化検出は焦点領域ごとに実行され、焦点探索は、場面変化が検出された焦点領域で実行される。

図９は連続自動焦点方式を説明するフローチャートである。

口腔内カメラへの電力が起動すると、開始／キャプチャボタンなどの起動デバイスを通じて連続自動焦点を起動することができる。焦点値の計算機およびメモリなどのいくつかのパラメータ／設定が初期化される。焦点位置が検出されるまで、液体レンズの電圧を繰り返し変化させて、焦点スキャンが実行される（これは図１０に関連して以下により詳細に記載する）。焦点位置が得られると、場面変化処理が起動する。場面変化が検出されると、繰り返し焦点スキャンが起動する。場面変化が検出されない場合には、繰り返し焦点スキャンは起動しない。所望に応じて、所定の時間間隔における場面変化を監視するように口腔内カメラを構成することができる。自動焦点は、ストップボタンなどの停止デバイスを通じて動作を停止することができる。

図１０は図９に示す焦点スキャン処理を説明するフローチャートであり、焦点位置が検出されるまで液体レンズの電圧は繰り返し変化する。

ここで、図１１および図１２を参照して単一の自動焦点を説明する。図１１は単一の自動焦点の焦点領域を示す。様々な数の区分を用いることができるが、図１１は画像全体において分割された５つの焦点領域（すなわち、Ｃ、ＬＣ、ＲＣ、Ｌ、Ｒ）を示す。焦点値は、例えば、未加工のベイヤ（Ｂａｙｅｒ）データに基づいて計算される。この計算は当業者に既知の方法、例えば、図１２に示す４次ＩＩＲフィルタを用いて処理すること、を用いて行うことができる。

図１３は単一の自動焦点方式を説明するフローチャートである。ここで、図１３〜図１７を参照して単一の自動焦点方式を説明する。

口腔内カメラへの電力が起動されると、開始／キャプチャボタンなどの起動デバイスを通じて単一の自動焦点を起動することができる。

ステップ４００において、焦点値の計算機およびメモリなどのいくつかのパラメータ／設定を初期化する。

ステップ４１０において、焦点開始位置および方向を決定する。現在位置が近端に最接近している場合には、近端において焦点探索を開始する。これ以外の場合では、焦点探索は遠端で開始する。

近端は、結像レンズアセンブリに最も近い位置であり、一方で、遠端はレンズアセンブリが撮像できる最も遠い位置である。液体レンズの電圧に関しては、近端は最大電圧ＶＯＬＮに対応し、一方で、遠端は最小電圧ＶＯＬＦに対応する。

ステップ４０２において、液体レンズの電圧を、映像フレームと同時のステップ／時間において増大または減少する。

ステップ４０３において、高域通過フィルタを用いてビデオ画像から焦点値を計算し、以前の焦点値と平均し、ｉが配列順序であるＰＡ［ｉ］を生成する。この新しい焦点値ＰＡ［ｉ］を焦点値配列に追加する。最大値および最小値は、焦点値配列の中で以前の最大値および最小値と比較することにより、更新される。

ステップ４０４において、図１４で説明するように、５つの連続配置の焦点値配列からピークを検出する。例えば、以下の条件、すなわちＰＡ［ｎ−５］＜ＰＡ［ｎ−４］、ＰＡ［ｎ−４］＜ＰＡ［ｎ−３］、ＰＡ［ｎ−３］＞ＰＡ［ｎ−２］、およびＰＡ［ｎ−２］＞ＰＡ［ｎ−１］という条件を満たす場合には、ＰＡ［ｎ−３］をピークとして決定する。

以下の条件、すなわちＰＡ［ｎ−５］＜ＰＡ［ｎ−４］、ＰＡ［ｎ−５］＜ＰＡ［ｎ−４］、ＰＡ［ｎ−４］＜ＰＡ［ｎ−３］、ＰＡ［ｎ−３］＞ＰＡ［ｎ−２］、ＰＡ［ｎ−２］＞ＰＡ［ｎ−１］、およびＰＡ［ｎ−１］＞ＰＡ［ｎ］という条件を満たす場合には、ＰＡ［ｎ−３］を完全なピークとして決定する。

途中停止のフラッグを設定する。途中停止のフラッグは、妥当な焦点位置が検出されて、焦点スキャンを停止した状態を意味する。

ステップ４０５において、この方法は図１５および図１６に示すように、妥当な焦点位置が近端または遠端のいずれに近接して配置されるかを決定する。最大焦点値が開始点に位置する場合には、近端または遠端における焦点検出を第１０の位置で実行する。第１０の位置の選択は、最大焦点値の信頼性を保証する。最大焦点値がＰＡ［ｍ］であり、Ｖｏｌ［ｍ］が近端のＶＯＬＮまたは遠端のＶＯＬＦとほぼ等しく、同時に、ＰＡ［ｍ］＞ＰＡ［ｍ＋１］およびＰＡ［ｍ＋１］＞ＰＡ［ｍ＋２］が成り立つ場合には、妥当な焦点位置は開始点、すなわちＶｏｌ［ｍ］とみなされる。途中停止のフラッグを設定する。

ステップ４０６において、焦点調節が成功したか否かを決定するために、途中停止のフラッグの有無を確認する。途中停止のフラッグが設定されている場合には、ステップ４０２〜ステップ４０５の繰り返しを終了し、方法はステップ４０８に進む。

途中停止のフラッグが設定されていない場合には、方法はステップ４０７に進む。ステップ４０７において、方法は焦点スキャンが完了したか否かを決定する。焦点スキャンが完了していない場合には、ステップ４０２〜ステップ４０６を繰り返す。液体レンズの電圧が近端または遠端に到達すると、ステップ４０２〜ステップ４０６の繰り返しは終了し、方法はステップ４０８に進む。

ステップ４０８において、ピークに近接する５つの点の焦点値を用いた以下の方程式に基づいて、焦点の概算位置が計算される。
ｙ＝ａｘ^２＋ｂａ＋ｃ（ａ＜０）

ステップ４０９において、この方法は５つ全ての焦点領域のピークが検出されたか否かを判定する。

５つ全ての焦点領域のピークが検出されていない場合には、次に、ステップ４１０において、端点において近端または遠端における焦点検出が実行される。

この方法は、図１６に示す規則に応じて焦点値が変化するか否かを決定する。最大焦点値が焦点値配列ＰＡ［ｍ］の終端近辺に位置し、Ｖｏｌ［ｍ］が近端のＶＯＬＮまたは遠端のＶＯＬＦに近く、同時に、ＰＡ［ｍ−２］＜ＰＡ［ｍ−１１］およびＰＡ［ｍ−１１］＜ＰＡ［ｍ］が成り立つ場合には、妥当な焦点位置は終端点とみなされる。つまり、Ｖｏｌ［ｍ］、妥当な焦点位置は終端点であるとみなされる。

ステップ４１１において、焦点領域は焦点の概算位置に従って選択され、近端の焦点領域に最も近い位置を焦点領域として選択する。

ステップ４１２において、液体レンズを、選択された焦点領域の目標電圧に設定する。

本発明を、現在好ましい実施形態を特に参照して詳細に記載してきたが、本発明の精神および範囲内で変更および修正できることが理解されよう。したがって、現在開示されている実施形態は、全ての点において例示的であり、限定的でないとみなされる。本発明の範囲は、添付の請求項の範囲により示され、その均等物の意味および範囲内の全ての変更はそこに包含されることが意図される。

Claims (5)

1. 被写体のデジタル画像をキャプチャするデジタル画像センサと、
   前記被写体に光を当てる光源と、
   光路に沿って前記被写体からの前記光を、前記デジタル画像センサに導く結像レンズアセンブリと、
   前記結像レンズアセンブリと前記デジタル画像センサとの間の前記光路に配置されており、調節可能な焦点距離を有する液体レンズと、
   可変電圧を前記液体レンズに印加して、前記液体レンズの前記焦点距離を制御するドライバと、
   前記デジタル画像センサによりキャプチャされた前記デジタル画像を処理するプロセッサと、を備える、口腔内カメラ。
2. 被写体のデジタル画像をキャプチャするデジタル画像センサと、
   前記被写体に光を当てる光源と、
   光路に沿って前記被写体からの前記光を、中間面に導き、中間像を形成する第１の結像レンズアセンブリと、
   前記第１の結像レンズアセンブリと前記デジタル画像センサとの間の前記光路に配置されており、前記中間像を前記デジタル画像センサに中継する、調節可能な焦点距離を有する液体レンズを含む第２の結像レンズアセンブリと、
   可変電圧を前記液体レンズに印加して、前記液体レンズの前記焦点距離を制御するドライバと、
   前記デジタル画像センサによりキャプチャされた前記デジタル画像を処理するプロセッサと、を備える、口腔内カメラ。
3. 口腔内カメラの連続自動焦点のための方法であって、
   前記口腔内カメラを起動することと、
   前記口腔内カメラを用いて、被写体の連続自動焦点を得るためのパラメータを初期化することと、
   結像レンズアセンブリとデジタル画像センサとの間の光路に配置されており、調節可能な焦点距離を有する液体レンズに所定の電圧を印加することと、
   焦点位置が検出されるまで、前記液体レンズに印加する電圧を繰り返し変化させることと、
   前記焦点位置を取得することと、を含む、方法。
4. 前記焦点位置の取得後、場面変化を観測することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 場面変化が検出された場合に、場面変化処理を起動することをさらに含む、請求項４に記載の方法。

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