DE10245142A1 - Miniaturisierte Kamera - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Kamera mit einer in einem stab- oder rohrförmigen Gehäuse angeordneten fotosensitiven CCD-Matrix und einer integrierten Beleuchtungseinrichtung, insbesondere zum Einsatz oder zur Verwendung in einem zahnärztlichen Diagnoseinstrument. Im Kopfende des stabförmigen Gehäuses ist eine Aussparung vorgesehen, in die eine optische Platte mit Blendenöffnung oder verstellbarer Blende eingesetzt wird. Lichteintrittsseitig ist hinter der Blendenöffnung ein Objektiv vorgesehen und in einem Fokusabstand, welcher veränderbar ist, wird die CCD-Matrix, bevorzugt innerhalb des Kopfendes, angeordnet. DOLLAR A Das zur Objektbeleuchtung erforderliche Licht wird erfindungsgemäß in den Objektivstrahlengang koaxial eingekoppelt. Das Objektiv und/oder die CCD-Matrix als Bildsensor sind auf einem Aktor angeordnet oder mit diesem zum Erhalt einer Linearverschiebung längs des Strahlengangs verbunden. Eine Kameraelektronik nimmt eine laufende Auswertung hochfrequenter Signalanteile des Bildsensors vor. Weiterhin ist eine Steuerungseinrichtung für den Aktor vorgesehen, wobei die Steuerungseinrichtung die Linearverschiebung so vorgibt, dass ein maximaler Hochfrequenz-Signalanteil erhalten oder wieder hergestellt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Kamera mit einer in einem stab- oder rohrförmigen Gehäuse angeordneten fotosensitiven CCD-Matrix und einer integrierten Beleuchtungseinrichtung, insbesondere zum Einsatz oder zur Verwendung in einem haut- oder zahnärztlichen Diagnoseinstrument, wobei im Kopfende des stabförmigen Gehäuses eine Aussparung vorgesehen wird, in die eine optische Platte mit Blendenöffnung eingesetzt ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Aus der internationalen Patentanmeldung PCT-WO 99/06871 ist eine Kamera, insbesondere eine modulare Dentalkamera, vorbekannt, die ein Gehäuse umfasst, in dem ein optisches System zur Abbildung eines Objektfelds, ein Bildaufnehmer, der das Bild des Objektivs aufnimmt, und eine Beleuchtungseinheit angeordnet sind. Zur Umschaltung des Objektfelds zwischen kleinem Objektfeld und einem kleinem Aufnahmeabstand und einer Übersichtsaufnahme mit großem Aufnahmeabstand ist ein Funktionselement vorgesehen, das gleichzeitig die Fokussierung auf den jeweiligen Aufnahmeabstand und die Blende von einer kleinen Öffnung bei kleinem Aufnahmeabstand auf eine große Öffnung bei großem Aufnahmeabstand und umgekehrt schaltet.
• Mit Hilfe der Umschaltung soll insbesondere die Schärfentiefe dem jeweiligen Einsatzfall angepasst werden, um bei einer Dentalkamera mit ein und derselben Einrichtung eine Aufnahme eines Details der Zähne und anschließend eine Aufnahme des Kopfes des Patienten machen zu können.
• Die Fokussierung gemäß der vorbekannten Lösung erfolgt durch Verschieben des CCD-Bildaufnehmers oder durch Verschieben des Objektivs, bevorzugt jedoch durch Verschieben einer optischen Baugruppe des Objektivs selbst. Die Funktionselemente greifen auf eine Translations- oder Rotationsbewegung zurück und können auch elektrisch arbeiten. Dabei soll eine Sensortaste oder eine ähnliche Schalteinrichtung vorgesehen sein, damit der Benutzer die verschiedenen Betriebszustände in einfacher Weise einstellen kann. Weiterhin soll das Funktionselement einen Regelkreis aufweisen, der z. B. die Fokussierung über einen Sensor erfasst, so dass dann ein Autofokus-System realisiert werden kann.
• Bei der vorbekannten Lösung ist es also zwingend notwendig, dass ein externer Sensor oder eine Taste vorhanden ist, über die die Umschaltfunktion ausgelöst wird. Für ein Autofokussystem wiederum ist ein weiterer Sensor notwendig, so dass insgesamt die Kosten für eine derartige Dentalkamera erhöht sind und eine Vielzahl von Funktionselementen mit naturgemäß höherer Ausfallwahrscheinlichkeit in das Kameragehäuse integriert werden muss.
• Bei der auf die Anmelderin zurückgehenden Offenlegungsschrift DE 100 49 835 A1 wird von einer miniaturisierten Kamera mit einer in einem stab- oder rohrförmigen Gehäuse angeordneten fotosensitiven CCD-Matrix ausgegangen, wobei die Kamera eine integrierte Beleuchtungseinrichtung umfasst.
• Eine dort vorhandene optische Platte besitzt eine mindestens im sichtbaren Spektralbereich undurchlässige Beschichtung, bevorzugt eine Rückseitenbeschichtung, wobei diese Beschichtung für eine Blendenöffnung geringen Durchmessers sowie um die Blendenöffnung angeordnete größere Beleuchtungsöffnungen unterbrochen ist. Lichteintrittsseitig ist hinter der Blendenöffnung eine Linse, bevorzugt unmittelbar an der optischen Platte befestigt. In einem vorgegebenen Fokusabstand zur Linse befindet sich die CCD-Matrix. Unterhalb der vorerwähnten Beleuchtungsöffnungen sind als Strahlungsquellen lichtemittierende Dioden, bevorzugt Weißlichtdioden befestigt, wobei durch die Beschichtung der optischen Platte eine unerwünschte unmittelbare Einkopplung von Strahlung der lichtemittierenden Dioden in die Optik, bestehend aus Blendenöffnung und Linse, verhinderbar ist, so dass ein optisches Übersprechen vermieden werden kann.
• In Weiterbildung der dortigen Erfindung besteht die Möglichkeit, zur Fokusveränderung im Raum zwischen Linse und CCD-Matrix ein oder mehrere optisch dichte Medien anzuordnen. Beispielsweise kann ein Saphirglas über einen beweglichen Schieber in den Zwischenraum verbracht werden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit der stufenweisen Fokusveränderung. Der erwähnte bewegliche Schieber zum Lageverändern des im stabförmigen Gehäuse befindlichen optisch dichten Mediums kann mit einem elektromagnetischen, hydraulischen, pneumatischen, aber auch einem manuellen Handantrieb in Verbindung stehen. Grundsätzlich gilt es, mindestens den Kamerakopf so zu miniaturisieren, dass dieser im wesentlichen Abmessungen einnimmt, die denjenigen üblicher zahnärztlicher Instrumente, z. B. einem Winkelspiegel entsprechen, so dass alle möglicherweise kritischen Stellen im Mundraum eines Patienten in einfacher Weise betrachtet und damit diagnostiziert werden können.
• Obwohl die ältere Lehre nach DE 100 49 835 A1 eine wesentliche Verbesserung des im Anmeldezeitpunkt bestehenden Standes der Technik darstellt, ist nach wie vor eine Betätigungsvorrichtung zur Auslösung einer Fokusänderung erforderlich, was dann, wenn es sich um einen externen Schieber handelt, zu Dichtproblemen innerhalb des Gehäuses führt oder im Fall eines separaten Tasters eben eine Bedienungshandlung erfordert.
• Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte miniaturisierte Kamera mit einer in einem stab- oder rohrförmigen Gehäuse angeordneten fotosensitiven CCD-Matrix und einer integrierten Beleuchtungseinrichtung, insbesondere zum Einsatz oder zur Verwendung in einem zahn- oder hautärztlichen Diagnoseinstrument anzugeben, welche eine wesentlich vereinfachte Bedienung ermöglicht und die es gestattet, ganz unterschiedliche Objekte entsprechend sicher aufgelöst zu erfassen, um auf diese Weise die Akzeptanz der Anwendung einer derartigen Kamera durch den behandelnden Arzt zu verbessern.
• Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
• Demgemäß liegt der Grundgedanke der Erfindung darin, von einer an sich bekannten miniaturisierten Kamera, bevorzugt zur Anwendung im zahnärztlichen Bereich auszugehen, wobei das zur Objektbeleuchtung erforderliche Licht in den Objektivstrahlengang koaxial eingekoppelt wird. Diese Koaxialbeleuchtung reduziert das Problem des Auftretens unerwünschter Reflexionen am zu betrachtenden Objekt. Damit wird verhindert, dass durch eine Überbelichtung aufgrund von Reflexionserscheinungen bestimmte krankhafte Veränderungen, z. B. an einem Zahn oder dort vorhandene Mikrorisse, nicht oder nur unzureichend erkannt werden, so dass eine Diagnose unmöglich wird.
• Weiterhin wird erfindungsgemäß das Objektiv oder eine Linse des Objektivs und/oder die CCD-Matrix als Bildsensor auf einem Aktor angeordnet oder mit diesem zum Erhalt einer Linearverschiebung längs des Strahlengangs verbunden.
• Eine bevorzugt in das Kameragehäuse integrierte Kameraelektronik nimmt eine laufende Auswertung hochfrequenter Signalanteile des Bildsensors vor, wobei diese ermittelten hochfrequenten Signalanteile auf eine Steuerungseinrichtung für den Aktor führen. Die Steuerungseinrichtung gibt dann die Linearverschiebung über den Aktor derart vor, dass ein maximaler Hochfrequenz-Signalanteil im aufgenommenen Bild erhalten oder wieder hergestellt wird.
• Durch die vorbeschriebene Lösung kann ein quasi passiver Autofokus über die Auswertung der hochfrequenten Bildanteile erfolgen. Die gefundene Fokusstellung entspricht dann im Regel dem Maximum der hochfrequenten Bildanteile. Mit Hilfe der ständig mitlaufenden Messung dieser hochfrequenten Bildanteile ist gewährleistet, dass bei definierter Abweichung vom Maximalwert eine neue Fokussuche und Einstellung automatisch beginnen kann und durchgeführt wird, ohne dass der Benutzer irgendwelche Funktionen auslösen muss oder mechanische Elemente zu betätigen hat. Die Fokuseinstellung wird über eine interne Lageveränderung des Bildsensors oder einer Linsengruppe im optischen System realisiert, wobei bevorzugt auf einen Piezoaktor zurückgegriffen werden kann.
• Ausgestaltend arbeitet der Autofokus in Verbindung mit einer elektrisch verstellbaren Blende bzw. Blendenöffnung. Die Hauptfunktion dieser Blende ist die Regelung der Beleuchtungsstärke mit dem Ziel, ein rauschfreies Bild zu erzeugen.
• Als verstellbare Blende kommt beispielsweise eine Irisblende oder eine mechanische Wechselblende mit mehreren Öffnungen zum Einsatz. Die mechanische Wechselblende kann über ein Verschieben, Verdrehen oder Verschwenken verschiedene Blendenöffnungen in den Strahlengang bringen, um auf diese Weise die jeweils gewünschte Beleuchtungsstärke einzustellen.
• In Weiterbildung der Erfindung besteht zum Zweck größerer Linearverschiebebewegungen die Möglichkeit, als Aktor einen Schritt- oder Tauchspulenmotor oder einen ähnlichen Linearantrieb einzusetzen. Bei einer Aktorkombination, bestehend aus einem Schritt- oder Tauchspulenmotor zur Grobpositionierung über größere Verstellwege ist es möglich, einen zusätzlichen Piezoaktor zur Feinpositionierung vorzusehen.
• Bevorzugt kann in diesem Fall die CCD-Matrix unmittelbar auf dem Piezoaktor, mit der optisch sensitiven Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung desselben, angeordnet werden.
• Erfindungsgemäß besitzt die Kameraelektronik eine Differenzmesseinrichtung, welche den jeweiligen Abweichungswert von einem Maximalwert der Hochfrequenz-Signalanteile ermittelt, um hiernach die Steuerungseinrichtung für den Aktor zu betätigen.
• Die Steuerungseinrichtung für den Aktor wird beim Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Abweichungswerts aktiviert, wobei die Größe des Abweichungswerts selbst je nach Anwendungsfall definierbar ist.
• Zur Umsetzung der vorgeschlagenen Koaxialbeleuchtung ist im Kameragehäuse eine Strahlteileranordnung befindlich, wobei der Strahlteileranordnung benachbart, d. h. mit dieser zusammen wirkend, eine Gruppe von internen Lichtquellen, insbesondere Weißlicht emittierenden Dioden vorgesehen wird.
• Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass an der Strahlteileranordnung quasi lichteintrittsseitig eine Faseroptik endet, welche zum handstückseitigen Ende des Kameragehäuses in eine Koppelstelle mündet. Die Koppelstelle dient zum Anschluss an eine externe Lichtquelle, insbesondere eine Kaltlichtquelle. Je nach Beleuchtungsaufgabe und örtlichen Beleuchtungsverhältnissen kann dann die interne und/oder die externe Lichtquelle eingeschaltet oder zugeschaltet werden.
• Um die beim Betrieb der internen Lichtquellen entstehende Wärme abzuführen, ist vorgeschlagen, die internen Strahlungsquellen auf einem wärmeleitenden Träger großer Fläche zu befestigen, wobei sich ein Teil des Trägers in das kopfferne Ende des stabförmigen Gehäuses erstreckt, um die Wärmeenergie von der CCD-Matrix fernzuhalten.
• Zusammenfassend wird bei der vorliegenden Erfindung von einer Kombination einer an sich bekannten Koaxialbeleuchtung mit einer speziellen Autofokusregelung ausgegangen, um insbesondere ein Überblenden von reflektierenden Untersuchungsobjekten zu verhindern.
• Über eine laufende Auswertung der hochfrequenten Signalanteile am Ausgang des Bildsensors mittels einer Kameraelektronik kann ein Optimum für die jeweilige Abbildung gefunden werden, ohne dass der Benutzer manuelle Einstelloperationen durchführen muss oder auszulösen hat.
• Über die ergänzende Möglichkeit einer Beeinflussung oder Auswahl der Blendenöffnung und der Steuerung der Intensität der internen und/oder externen Strahlungsquellen können hochauflösende Sensoren eingesetzt werden, die unter dem Aspekt einer optimierten Diagnose vorteilhaft sind.
• Ausgestaltend besteht die Möglichkeit, die in der älteren Anmeldung DE 100 49 835 A1 offenbarte Beleuchtungslösung mit der hier beschriebenen koaxialen Beleuchtung zu kombinieren. Bei einer solchen Kombinationslösung wird dann, wenn unerwünschte Reflexionen auftreten, die unmittelbare Beleuchtung nach DE 100 49 835 A1 abgeschaltet oder in ihrer Intensität heruntergeregelt und gleichzeitig die Koaxialbeleuchtung in Betrieb genommen oder deren Intensität erhöht.
• Bei dieser Weiterbildung der Erfindung besitzt also die optische Platte nicht nur eine gegebenenfalls verstellbare Blendenöffnung, sondern um die Blendenöffnung gruppiert größere Beleuchtungsöffnungen. Unterhalb der Beleuchtungsöffnungen sind als Strahlungsquellen bevorzugt lichtemittierende Dioden, hier wiederum bevorzugt Weißlicht-Dioden befestigt. Durch eine Beschichtung der optischen Platte wird eine unerwünschte unmittelbare Einkopplung von Strahlung der lichtemittierenden Dioden in die Optik verhindert.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Anordnung aus optischer Platte mit Blendenöffnung, Objektiv und CCD-Matrix nicht entlang der Längsachse des stabförmigen Gehäuses, sondern ist unmittelbar im Kopf quer zur Längsrichtung beabstandet befindlich. In diesem Fall befindet sich die fotosensitive CCD-Matrix auf einem zungenartigen Trägerstreifen, welcher mit Hilfe eines Piezoaktors in eine erste und zweite Position verschwenkbar ist. Die Anschlagpositionen stellen einen Abbildungs-Fern- oder -Nahbereich dar, wobei die Auswahl der jeweiligen Position anhand der Größe der hochfrequenten Signalanteile erfolgt und der Betätigungsaktor mittels der Steuerungseinrichtung einer entsprechenden Aktivierung unterliegt.
• Auf das nachstehende Ausführungsbeispiel hierzu sowie die Figur sei verwiesen.
• Bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird eine Fokuseinstellung durch Abstandsänderung zwischen Eingangsblende 6 bzw. der auf einem Deckglas 5 befindlichen Linse 4 und dem CCD-Sensor 3 bewirkt.
• Zum Erzeugen der gewünschten Relativbewegung ist auf einem Lagerbock 2 ein piezoelektrischer Bieger 1 befindlich.
• Mit dem Anlegen einer elektrischen Spannung führt der Piezobieger 1 eine Bewegung aus, die zur gewünschten Abstandsänderung führt. Die Bewegung stellt sich als Verschwenken um den festen Verbindungspunkt zwischen Lagerbock 2 und Piezobieger 1 dar.
• Bei der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der Lagerbock 2 über nahezu die gesamte Längsausdehnung der Anordnung, wobei eine Lichtdurchtrittsöffnung 7 am gemäß Figur rechtsseitigen Ende vorgesehen ist.
• Linse 4, Deckglas 5 und Blende 6 sind beispielsweise mit einem (nicht gezeigten) Gehäuseteil verbunden bzw. in eine Gehäuseaussparung eingelassen. Bezugszeichenaufstellung 1 Piezobieger
  2 Lagerbock
  3 CCD-Matrix bzw. CCD-Sensor
  4 Linse
  5 Deckglas
  6 Blende
  7 Öffnung im Bereich des Lagerbockes 2
  

Claims (17)

1. Miniaturisierte Kamera mit einer in einem stab- oder rohrförmigen Gehäuse angeordneten fotosensitiven CCD-Matrix und einer integrierten Beleuchtungseinrichtung, insbesondere zum Einsatz oder zur Verwendung in einem zahn- oder hautärztlichen Diagnoseinstrument, wobei im Kopfende des stabförmigen Gehäuses eine Aussparung vorgesehen wird, in die eine optische Platte mit Blendenöffnung eingesetzt ist, lichteintrittsseitig hinter der Blendenöffnung ein Objektiv vorgesehen und in einem veränderbaren Fokusabstand zum Objektiv die CCD-Matrix angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das zur Objektbeleuchtung erforderliche Licht in den Objektivstrahlengang koaxial eingekoppelt ist,
das Objektiv und/oder die CCD-Matrix als Bildsensor auf einem Aktor angeordnet oder mit diesem zum Erhalt einer Linearverschiebung im wesentlichen längs des Strahlengangs verbunden ist,
eine Kameraelektronik eine laufende Auswertung hochfrequenter Signalanteile des Bildsensors vornimmt, und dass
eine Steuerungseinrichtung für den Aktor vorgesehen ist, wobei die Steuerungseinrichtung die Linearverschiebung so vorgibt, dass ein maximaler hochfrequenter Signalanteil erhalten oder wieder hergestellt wird.

2. Miniaturisierte Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Blendenöffnung veränderbar ist, wobei die Blendengröße mittels der Kameraelektronik zum Erhalt einer rauschfreien Abbildung ermittelt und vorgegeben wird.

3. Miniaturisierte Kamera nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Irisblende oder eine mechanische Wechselblende mit mehreren Öffnungen unterschiedlicher Durchmesser.

4. Miniaturisierte Kamera nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen piezoelektrischen Aktor.

5. Miniaturisierte Kamera nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei größeren Linearverschiebungsbewegungen ein Schritt- oder Tauchspulenmotor als Aktor eingesetzt ist.

6. Miniaturisierte Kamera nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Aktorkombination aus einem Schritt- oder Tauchspulenmotor zur Grobpositionierung über größere Verstellwege und einen Piezoaktor zur Feinpositionierung.

7. Miniaturisierte Kamera nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die CCD-Matrix unmittelbar auf den Piezoaktor mit der optisch sensitiven Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung desselben angeordnet ist.

8. Miniaturisierte Kamera nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameraelektronik eine Differenzmeßeinrichtung umfasst, welche einen Abweichungswert von einem Maximalwert der hochfrequenten Signalanteile des Bildsensors ermittelt, um hiernach die Steuerungseinrichtung für den Aktor zu aktivieren.

9. Miniaturisierte Kamera nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung beim Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Abweichungswerts aktiviert wird.

10. Miniaturisierte Kamera nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fokusveränderung in den Abstand zwischen Objektiv und CCD-Matrix ein optisch dichteres Medium einbringbar, insbesondere einschwenkbar ist.

11. Miniaturisierte Kamera nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als CCD-Matrix zur Verringerung des Bauraums ein Nacktchip oder ein Sensor in TAPE-Bauform eingesetzt ist.

12. Miniaturisierte Kamera nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kameragehäuse eine Strahlteileranordnung zur Koaxialbeleuchtung befindlich ist.

13. Miniaturisierte Kamera nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteileranordnung benachbart eine Gruppe von internen Lichtquellen, insbesondere Weißlicht emittierenden Dioden befindlich ist.

14. Miniaturisierte Kamera nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der Strahlteileranordnung eine Faseroptik endet, welche zum handstückseitigen Ende des Kameragehäuses in eine Koppelstelle mündet, um Strahlung von einer, auch externen. Lichtquelle, insbesondere Kaltlichtquelle, zuzuführen.

15. Miniaturisierte Kamera nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Beobachtungsaufgabe und örtlichen Beleuchtungsverhältnissen die internen und/oder externen Lichtquellen umschalt- oder zuschaltbar sind.

16. Miniaturisierte Kamera nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierenden Dioden mit einer steuerbaren Konstantstromquelle verbunden sind, wobei die Leuchtstärke in Abhängigkeit von den Umgebungs- Lichtverhältnissen oder der Art des Objekts regelbar ist.

17. Miniaturisierte Kamera nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die internen Strahlungsquellen auf einem wärmeleitenden Träger großer Fläche befestigt sind, wobei sich ein Teil des Trägers in das kopfferne Ende des stabförmigen Gehäuses der Kamera erstreckt.