JP2014513319A - 液体レンズを使用する自動焦点合わせ方法 - Google Patents

Abstract

口腔内カメラのための自動焦点合わせ方法は、少なくとも第１、第２、および第３の焦点位置を有する周期で、液体レンズの焦点を調節し、各焦点位置で画像を得て、得られた画像の焦点を測定する。液体レンズの位置は、測定された焦点に従って調整される。少なくとも第１、第２、および第３の焦点位置を伴う周期で、液体レンズの焦点を調節するステップ、ならびに各焦点位置で画像を得、得られた画像の焦点を測定するステップは、反復される。

Description

本発明は、一般に、歯科画像処理のための装置に関する。より具体的には、本発明は、液体レンズを有する口腔内カメラのための自動焦点合わせ方法に関する。

検出、治療、および予防技法は改善されてきているが、齲蝕は、いまだに全ての年齢層の人々を侵す、まん延する病態のままである。適切かつ速やかに治療されない場合、齲蝕は、永久的な歯の損傷、および更には歯の喪失につながる可能性がある。故に、口腔内カメラに基づく歯科画像処理は、大きな関心事である。

ＡＣＴＥＯＮ Ｉｎｃ．ｏｆ Ｍｏｕｎｔ Ｌａｕｒｅｌ，ＮＪ，ＵＳＡから入手可能なもの等の、既知の口腔内カメラが存在する。一般に、口腔内カメラは、約１ｍｍ〜約５０ｍｍの間で典型的に変動する、大きい作動距離範囲にわたって動作させられる。それらはまた、異なる作動距離で異なる、かなり大きな被写界深度（ＤＯＦ）を有さなければならない。故に、焦点調整は、良好な画質を提供するために必要である。しかしながら、米国特許第６，０１９，７２１号（Ｈｏｌｍｅｓら）に開示されるものを含む、既知の口腔内カメラのほとんどについて、焦点調整は、レンズと画像処理センサとの間の距離に対するオペレーター調整によって、手動で行われる。従来の口腔内カメラは、各画像につき、別個に調整されなければならない。これにより、これらの従来のカメラは、歯科医において画像を得るのに不向きであり、開業医は、自動焦点合わせ性能を備えないカメラがより使用困難であることに気付く可能性がある。

口腔内カメラのための光学系は、大きい被写界深度（ＤＯＦ）および可能な限り幅広い視界（ＦＯＶ）を提供しなければならない。既存の口腔内カメラのうちの幾つかは、十分なＤＯＦ（被写界深度）を提供して、焦点調整に対する要件を低減する一助となることができる、小さいＮＡ（開口数）を使用する。しかしながら、小さいＮＡを有する光学系は、限界を有し、歯科検診に必要とされる高解像度を提供するのに不向きである。小さいＮＡは、口腔内使用に十分な光束を提供することが不可能であり得る。

口腔内画像処理のために提案されてきた幾つかの解決策は、画像処理光学の一部として、液体レンズを使用する。液体レンズは、口腔内の要件に対してより容易に調整することができ、ＦＯＶおよびＤＯＦに関して有利である。自動焦点合わせは、しかしながら、いまだに問題のままである。したがって、追加的な構成要素を要求せず、歯科医院において使用するのに十分に迅速に動作する、自動焦点合わせ性能を有する口腔内カメラを提供する必要性が存在する。

米国特許第６０１９７２１号

本発明の目的は、液体レンズを有し、自動焦点を提供することが可能な、口腔内カメラを提供することである。本発明の実施形態は、小型で、好適な画像処理を提供し、かつオペレーターまたは開業医による焦点合わせを要求しない、カメラを提供するのに有利である。

これらの目的は、例証的な例としてのみ与えられ、かかる目的は、本発明の１つ以上の実施形態を例示するものであり得る。開示される発明によって本質的に達成される他の望ましい目的および利点が、当業者に想到されるか、または明らかとなり得る。本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定される。

本発明の一態様によれば、自動焦点合わせ方法のための口腔内カメラが提供され、少なくとも第１、第２、および第３の焦点位置を有する周期で、液体レンズの焦点を調節することと、各焦点位置で画像を得、得られた画像の焦点を測定することと、測定された焦点に従ってレンズ位置を調整することと、少なくとも第１、第２、および第３の焦点位置を伴う周期で、液体レンズの焦点を調節するステップ、ならびに各焦点位置で画像を得、得られた画像の焦点を測定するステップを反復することとを含む。

本発明の前述のおよび他の目的、特徴、および利点は、添付の図面において例証される、本発明の実施形態の次のより特定の説明から明らかとなるであろう。図面の要素は、相互に対して必ずしも一定の縮尺ではない。

本発明の口腔内カメラの構成要素の略図を示す。 ゼロ電圧状態にある液体レンズを示す側面図の略図である。 ゼロ以外の印加電圧を有する二電極液体レンズを示す側面図の略図である。 二電極液体レンズの作動原理を示す側面図の略図である。 自動焦点順序を示す論理流れ図である。 ローリングシャッター画像装置のための自動焦点検出順序の一部分を示すタイミング図である。 グローバルシャッター画像装置のための自動焦点検出順序の一部分を示すタイミング図である。 液体レンズ位置が焦点を合わせられたときの、自動焦点試験結果を示す。 液体レンズ位置が１つの方向で焦点を外れているときの、自動焦点試験結果を示す。 液体レンズ位置が、図５Ｂのものから反対側の方向で焦点を外れているときの、自動焦点試験結果を示す。 その再焦点合わせ方向が現在のレンズ位置に依存している、液体レンズ位置が焦点を外れているときの、自動焦点試験結果を示す。 その再焦点合わせ方向が現在のレンズ位置および感知された焦点値に依存している、液体レンズ位置が焦点を外れているときの、自動焦点試験結果を示す。

以下は、本発明の好ましい実施形態の詳細な説明であり、同じ参照番号が、複数の図の各々における構造の同じ要素を特定する、図面への参照がなされる。

それらが使用される場合、「第１」、「第２」、「第３」等の用語は、必ずしも、任意の序数または優先関係を表さないが、１つの要素または時間間隔を別の要素または時間間隔からより明確に識別するために使用されてもよい。

図１は、一実施形態による、本発明の口腔内カメラ１０の構成要素を示す。口腔内カメラ１０は、照明システム１１、画像処理システム１２、画像処理センサ１６を含む。画像処理システム１２は、多数の電極有する液体レンズ３６、液体レンズドライバ要素３８、およびマイクロプロセッサ３４を含む。口腔内カメラ１０は、患者の口内にある標的の歯または他の構造を画像処理するために、およびそれを便宜的かつ正確に行うことが意図される。

画像処理システム１２は、大きい被写界深度（ＤＯＦ）を提供し、センサ１６上に標的の画像を形成する。画像処理レンズ２２と協同している液体レンズ３６は、オペレーターによる調整の必要なしに、画像処理システム１２の焦点合わせを可能にする。使用される液体レンズは、光路である光軸Ｏに沿った位置に配置され、ドライバ要素３８から受信された調整信号に反応して、２つの直交軸の各々に対する屈折を変更するために発動可能である、調整可能なレンズ要素を提供する。光軸Ｏに沿った液体レンズの位置もまた調整可能であり、ここで光軸Ｏに沿ったその直線位置もまたドライバ要素３８によって制御される。このタイプの調整可能なレンズの使用は、本発明の口腔内カメラ１０を、多くの他のタイプの従来のカメラから、および他の使用のために意図される従来の口腔内カメラから、差別化する。

本発明の実施形態がどのように、従来の液体レンズを使用するカメラの実施形態よりも有利であるかをよりよく理解するために、液体レンズがどのように動作するかを概観することは有用である。図２Ａ〜２Ｃを参照すると、従来の液体レンズ３６ａは、一般に、等しい密度の２種類の液体を含む。液体は、円錐形の槽における２つの透明な窓１０７の間に挟まれる。一実施形態では、光軸１０５に対して一定の安定性を提供するために、一方の液体は導電性の水１０３である一方で、他方は油１０１である。液体レンズ３６ａは、油１０１から絶縁されるが、水１０３と電気接触している、電極１０９および１１３を更に含み、可変の電圧を、調整信号として電極に選択的に印加することができる。絶縁体１１１は、電極１０９および１１３の間に、それらを分離するために堆積される。油１０１と水１０３との間のインターフェース１１５は、円錐形の構造にわたって印加される電圧に応じて、その形状を変更する。図２Ａに示されるように、ゼロボルトが印加されるとき、インターフェース１１５は、若干湾曲し、油１０１の表面は、若干凹状となる。電圧が約４０ボルトまで増加されるとき、油１０１の表面は、図２Ｂに示されるように、高度に凹状となる。このようにして、液体レンズ３６ａは、電極に印加される電圧を用いて、所望の屈折力を達成することができる。

図２Ｃは、２つの電極１０９および１１３を有する液体レンズ３６ａの作動原則を要約する。液体レンズ３６ａは、後述の電気湿潤（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｗｅｔｔｉｎｇ）現象に基づいて作動する：一滴の水１０３が、薄い絶縁層によって被覆された、金属製の基質上に堆積される。基質に印加される電圧は、静電圧を生成して、液体インターフェースにおける接触角を修正するようにその形状を変更することを液体に強いる。２つの等密度液体が、液体レンズにおいて用いられ、一方は、油１０１等の絶縁体である一方で、他方は、水１０３等の導電体である。電圧の変形は、液体−液体インターフェース１１５の曲率の変更につながり、それが今度は、レンズの光電力または屈折の変更につながる。一般に、液体レンズの２つの液体構成要素は、非混和性であり、異なる光指数を有する。液体の間のインターフェースの相対的な形状は、レンズの屈折特性を決定する。２つの液体の屈折の相対指数は、調整可能な屈折を提供するために、相互に幾らか異ならなければならない。

図３は、自動焦点順序におけるステップを示す論理流れ図である。自動焦点合わせ方法は、収束試験状態２００および再焦点合わせ状態３００の２つの状態を有する。起動ステップ１８０において、口腔内カメラ１０は、通電され、画像フレームを取得し始める。振動周期ステップ２１０において、液体レンズは、振動または調節されて、レンズが３つの焦点位置を有するように、レンズ形状を迅速に変更する。画像は、液体レンズの各振動位置につき取得される。焦点検出ステップ２２０が次いで実行し、後に詳述されるように、各々取得された画像の焦点が測定され、各振動位置での相対的焦点が分析される。収束試験が、焦点が許容されることを示す場合、自動焦点合わせは、終了ステップ２３０で終了する。収束試験が、焦点が調整を必要とすることを示す場合、再焦点合わせ状態３００が実行される。再焦点合わせ状態３００で、レンズ走査ステップ３１０の一部として山登り法を使用してレンズ位置を調整して、ピーク値を検出し、その対応する焦点位置を決定する。焦点評価ステップ３２０は、レンズ走査ステップ３１０を反復すべきか、それとも収束試験状態２００に戻るべきかを決定する。収束試験状態２００および再焦点合わせ状態３００におけるステップの各々は、必要に応じて、任意の回数だけ反復することができる。

焦点状態を検出し、焦点方向を決定するために、液体レンズは、若干の振動を提供するように迅速に調節され、その周期タイミングは、図４Ａおよび４Ｂに示される。図４Ａにおいて、従来のＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサ等の、ローリングシャッターを有するセンサについてのタイミング順序が示される。フレーム順序１４０は、ローリングシャッターモードにおけるセンサについての、画像取得フレームのタイミングを示す。画像処理順序１５０は、画像を得るために使用される、液体レンズの３つの位置を示す。単一の周期を形成する３つの位置は、中央、ニア、およびファーオフセット位置であり、各々が異なる焦点を有する。ニア、中央、およびファー位置の３つの各々に対するレンズ焦点変更の振幅について、好適な値が選定される。タイミング図に示されるように、液体レンズ位置における変更は、画像取得フレームの間で実行される。周期における各画像取得順序は、ローリングシャッターデバイスについて、２つの画像取得フレームに及ぶ。全周期は故に、６つの画像取得フレームに及ぶ。

図４Ｂにおいて、従来のＣＣＤ（電荷結合素子）センサ等の、グローバルシャッターを有するセンサについてのタイミング順序が示される。フレーム順序１４０は、グローバルシャッターモードにおけるセンサについての、画像取得フレームのタイミングを示す。画像処理順序１５２は、グローバルシャッタータイミングにより画像を得るために使用される、液体レンズの３つの位置の周期を示す。再び、各周期における位置は、中央、ニア、およびファーオフセット位置であり、各々が異なる焦点を有する。タイミング図に示されるように、液体レンズ位置における変更は、画像取得フレームの間で実行される。周期における各画像取得順序は、グローバルシャッターデバイスについて、単一の画像取得フレームに及ぶ。全周期は故に、３つの画像取得フレームに及ぶ。

図５Ａの図は、液体レンズ位置が焦点を合わせられたときの、図３の収束試験状態２００からの自動焦点試験結果を示す。焦点は、垂直軸上で表される。取得画像における焦点は、画像から抽出されるコントラストおよび高周波構成要素を分析することによって等の、幾つかの方法で測定することができる。グラフ２４０ａ、２４０ｂ、および２４０ｃが示される。焦点を合わせられたとき、中央値は、ニアおよびファーオフセット値のいずれも下回らず、好ましくは、ニアまたはファーオフセット値を超える。

図５Ｂは、液体レンズ位置がニア走査方向で焦点を外れているときの、自動焦点試験結果を示す、グラフ２４２ａおよび２４２ｂを示す。ニアオフセット値は、中央およびファーオフセット値の両方を超える。

図５Ｃは、液体レンズ位置が、図５Ｂのものから反対側の方向で焦点を外れているときの、自動焦点試験結果を示す、グラフ２４４ａおよび２４４ｂを示す。ここで、液体レンズ位置は、ファー走査方向で焦点を外れている。ファーオフセット値は、中央およびニアオフセット値の両方を超える。

図５Ｄは、その再焦点合わせ方向が現在のレンズ位置に依存している、液体レンズ位置が焦点を外れているときの、自動焦点試験結果を有するグラフ２４６を示す。

図５Ｅは、その再焦点合わせ方向が現在のレンズ位置および感知された焦点値に依存している、液体レンズ位置が焦点を外れているときの、自動焦点試験結果を有するグラフ２４８を示す。

本発明の自動焦点合わせ方法は、液体レンズ状態および位置の焦点および調整の自動測定のための、単純明快な方法を提供する。口腔内画像処理に対する焦点位置を達成するために、外部デバイスまたは測定は必要とされない。

照明システム１１（図１）は、画像処理センサ１６における改善された画像処理のために歯または他の標的を照らすために、光源から光を導くように構成される。光源は、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）または任意の他の既知の光源であり得る。照明システム１１は、口腔内カメラ１０パッケージ中に統合され得るか、または別個のデバイスから提供され得る。照明を外部光源から標的１へと導くために、光ファイバーまたは他の光導体が提供される可能性がある。

画像処理センサ１６は、固定位置で標的の歯の画像を記録する。画像処理センサ１６は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイス、電荷結合素子（ＣＣＤ）、または任意の他の既知のセンサアレイタイプであり得る。

本発明の口腔内カメラ１０は、口腔内標的を画像処理するために設計されるが、本デバイスは、特に、内視鏡用途のため等の、カメラ幅の要件がかなり制約される場合の、他の好適な用途において使用されてもよい。

Claims (10)

1. 口腔内カメラのための自動焦点合わせ方法であって、
   少なくとも第１、第２、および第３の焦点位置を有する周期で、液体レンズの前記焦点を調節することと、
   各焦点位置で画像を得、前記得られた画像の焦点を測定することと、
   前記測定された焦点に従って、前記液体レンズの位置を調整することと、
   少なくとも第１、第２、および第３の焦点位置を伴う前記周期で、前記液体レンズの前記焦点を調節するステップ、ならびに各焦点位置で前記画像を得、前記得られた画像の焦点を測定するステップを反復することと、を含む、方法。
2. 各焦点位置で画像を得ることは、相補型金属酸化膜半導体センサから画像を得ることを含む、請求項１に記載の自動焦点合わせ方法。
3. 各焦点位置で画像を得ることは、電荷結合素子センサから画像を得ることを含む、請求項１に記載の自動焦点合わせ方法。
4. レンズ位置を調整することは、前記第１の位置での前記画像の前記焦点が、前記第２の位置での前記画像の前記焦点を超えるとき、レンズ位置を１つの方向に調整することと、前記第３の位置での前記画像の前記焦点が、前記第２の位置での前記画像の前記焦点を超えるとき、レンズ位置を反対側の方向で調整することと、を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の位置は、ニアオフセット位置であり、前記第２の位置は、中央位置であり、前記第３の位置は、ファーオフセット位置である、請求項１に記載の方法。
6. 前記測定された焦点は、前記得られた画像の輝度に基づく、請求項１に記載の方法。
7. 前記液体レンズの前記焦点を調節することは、第１、第２、および第３の電圧レベルを印加することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 口腔内カメラのための自動焦点合わせ方法であって、
   少なくとも第１、第２、および第３の焦点位置を有する周期で、対応する第１、第２、および第３の電圧を前記液体レンズに印加することによって、液体レンズの前記焦点を調節することと、
   前記第１、第２、および第３の焦点位置の各々で画像を得、各位置で前記得られた画像の焦点を測定することと、
   前記測定された焦点に従って、前記液体レンズの位置をその光軸に沿って調整することと、
   少なくとも第１、第２、および第３の焦点位置を伴う前記周期で、前記液体レンズの前記焦点を調節するステップ、ならびに各焦点位置で前記画像を得、画像コントラストを測定することによって、各々得られた画像の焦点を測定するステップを１回以上、反復することと、を含む、方法。
9. 前記前記第１、第２、および第３の焦点位置の各々で画像を得ることは、ローリングシャッターモードで前記画像を得ることを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記前記第１、第２、および第３の焦点位置の各々で画像を得ることは、グローバルシャッターモードで前記画像を得ることを含む、請求項８に記載の方法。

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