专利名称：具有线性压电致动器的自动对焦口腔内照相机的制作方法
技术领域：
概括地说，本发明涉及医疗诊断仪器领域，尤其涉及牙齿成像器械。更具体地说， 本发明涉及方便操作且高精度成像的、具有线性压电致动器的自动对焦口腔内照相机。
背景技术：
虽然在检测、治疗及预防技术上已经有了改进，但龋齿仍然保持着影响所有年龄 群的人的普遍的情形。如果不能被正确并迅速地治疗，龋齿能够导致永久性的牙齿损坏并 且甚至导致牙齿脱落。因此，基于口腔内照相机的牙齿成像引起了极大的关注。存在已知的口腔内照相机，比如那些可以从美国新泽西州月桂山市的ACTEON有 限公司(ACTEOM Inc. of Mount Laurel，NJ，USA)所获得的。一般来说，口腔内照相机操 作于大工作距离范围上，所述范围通常在大约1毫米至大约50毫米之间变化。它们必须 同时具有大小可调的景深(D0F)，其在不同的工作距离处是不同的。因此，焦距调节对保 证好的成像质量来说是必要的。然而，对于大多数已知的口腔内照相机，包括专利号为 6，019，721 (Holmes等)的美国专利中所披露的口腔内照相机，焦距调节是通过操作者调节 透镜和成像感测器之间的距离来手动地执行。传统的照相机没有自动对焦性能而且必须对 每一个图像进单独的调节。因此它们在使用方面不方便。也存在已知的自动对焦照相机，比如在公开号为US2008/0079897的美国专利申 请(Goldfain 等)、专利号为 6，806，988 (Onuki 等)以及 7，236，696 (Higuma 等)的美国专 利中披露的照相机。这些较早的照相机，虽然从前面到后面相对比较薄，但是对口腔内成像 应用而言，就太宽了。它们的自动对焦功能通常是通过相对于固定的感测器调节光学透镜 的焦点来实现。这可以通过使透镜或透镜组运动，或者是通过改变其具有的流体透镜的形 状来实现。传统的具有自动对焦性能的照相机，虽然适合用于它们在普通成像应用中的预 期使用，但是，由于它们的整体宽度却不容易被用于为口腔内目标成像。虽然传统的自动对焦照相机在其具体应用中可能已经达到一定程度的成功，但是 它们不能满足口腔内成像的尺寸要求及操作需求。因此需要一种自动对焦口腔内照相机， 其宽度小、使用方便且能够高精度并高速地拍摄图像。
发明内容
本发明的目的是提供一种自动对焦口腔内照相机，其包括能被压电致动器移动以 便精确成像的可移动感测器。本发明的另一个目的是提供一种自动对焦口腔内照相机，其包括能够在不超过 0. 2秒、更优选地不超过0. 1秒以及最优选地不超过0. 05秒内为目标成像的压电致动器。本发明的再一个目的是提供一种自动对焦口腔内照相机，其具有不超过20毫米、 更优选地不超过15毫米以及最优选地不超过5毫米的宽度。本发明的优点是，所发明的照相机宽度小，使用方便，并且能够以高精度和高速度 自动地拍摄患者口腔内的图像。
这些目的仅通过示例的方式给出，并且这些目的可以是本发明的一个或多个实施 方式的范例。对于本领域的技术人员而言，可以想到通过所披露的发明自然获得的其它期 望的目的和优点，并且这些目的和优点将变得很明显。本发明由所附的权利要求书限定。根据本发明的一个方面，提供了一种自动对焦照相机，其包括光学系统，其用于 形成目标的图像；可移动感测器，其用于记录所述目标的一组一个或多个图像，该组一个或 多个图像对应于所述可移动感测器的一组一个或多个位置；线性压电致动器，其以机械的 方式耦连至所述可移动感测器，用于响应于激励将所述可移动感测器沿预定运动方向驱动 至该组一个或多个位置；驱动系统，其能够致动以产生驱动所述压电致动器的激励；以及 图像处理器，其响应于存储的指令，从所述可移动感测器获取该组一个或多个记录图像、处 理该组一个或多个所获取的记录图像并且识别焦点对准的图像。根据本发明的另一方面，提供的自动对焦照相机，其包括光学系统，其用于形成 目标的图像；可移动感测器，其用于记录所述目标的所述图像；线性压电致动器，其以机械 的方式耦连至所述可移动感测器，用于响应于激励沿预定运动方向驱动所述可移动感测 器；驱动系统，其能够致动以提供驱动所述压电致动器以使所述可移动感测器运动的激励； 以及图像处理器，其连接至所述驱动系统及所述可移动感测器，其中，所述处理器响应于存 储的指令以致动所述驱动系统，从而产生驱动所述压电致动器的激励，所述压电致动器进 而使所述可移动感测器运动至优选位置，所述感测器在该位置处记录所述目标的图像。
如附图中所示，根据本发明多个实施方式的如下更具体的阐述，本发明的前述及 其它目的、特征以及优点将变得非常显然。附图中的元件不一定按照相互之间的比例绘制。图1示出了本发明的自动对焦照相机的透视图；图2示出了根据本发明的自动对焦照相机的系统配置。
具体实施例方式下面是本发明优选实施方式的详细描述，同时参考了附图，在图中，各图内相同的 参考标号表示同样的结构元件。图1示出了根据一个实施方式的本发明的自动对焦照相机10。自动对焦照相机10 包括光学系统12、可移动感测器14、线性压电致动器16、驱动系统18以及图像处理器20。 图2示出了根据一个实施方式的本发明的自动对焦照相机10的系统配置并解释了本发明 的工作原理。自动对焦照相机10意在用于为患者口腔内的目标1成像，并且方便且精确地来进 行成像。例如，目标1可以是牙齿。成像操作在不超过0.2秒内、更优选地在不超过0.1秒 内、最优选的在不超过0. 05秒内完成。这种自动对焦的高速成像主要是由于使用了以大约 50至100毫米/秒的速度响应的压电致动器16。以这个速度，压电致动器16能够在口腔 内成像环境的通常运动范围内——比如在大约+/-3毫米的范围内——迅速地使感测器14 运动。由于压电致动器16精确的定位分辨率，实现了用自动对焦照相机10拍摄的图像的 高精度。在一个实施方式中，压电致动器16产生平均每步约0. 5-1. 0微米的线性运动。光学系统12包括提供大景深(DOF)的透镜或一组透镜。对光学设计领域的技术人员来说，这种透镜系统的设计是熟悉的。在一个示例中，光学系统10包括三个透镜。在 操作时，光学系统10多次把目标1成像到可移动感测器14上，并且在感测器14的不同位 置处拍摄图像。可选地，自动对焦照相机10还包括照明系统M，其被配置为指引来自光源的光， 从而照亮目标1以改善在可移动感测器14处的成像。该光源可以是一个或多个发光二极 管(LED)或者任何其它已知的光源。照明系统M可以被集成到自动对焦照相机10包装内 或者可以由单独的装置提供。光纤或其它光导装置可以被提供用于从外部光源向目标1指 引光照。可移动感测器14记录目标1在许多相对于光学系统12的位置中每一处的图像。 可移动感测器14可以是互补金属氧化物半导体(CM0Q装置、电荷耦合装置(CCD)或任何 其它已知阵列类型的感测器。当可移动感测器14被设置在一个优选位置时，目标1的图像 对焦在可移动感测器14上。当可移动感测器14位于距优选位置的容许距离内时，即使其 稍微地偏离了在可移动感测器14上的对焦，目标1的成像是可接受的。当可移动感测器14 位于距优选位置的容许距离之外时，目标1的图像偏离了在可移动感测器14上的对焦而不 可接受。在一个实施方式中，线性压电致动器16为与可移动感测器14机械耦连的压电马 达，且其与驱动系统18通信连接。驱动系统18提供激励，例如信号或电流，其致动线性压 电致动器16从而沿预定方向22运动。如图所示，预定方向22基本上与自动对焦照相机10 的轴向方向平行。驱动系统18可以是可致动或可激发以产生信号——或者更概括地说是 适用于驱动压电马达的激励——的任何已知的系统或部件。在一示例中，驱动系统18包括 集成电路(IC)驱动器。对电子领域的技术人员来说，用于压电致动器的IC驱动器是熟悉 的。压电致动器16是一种使用压电响应从而产生线性运动的马达，其通常仅包括少 量部件驱动元件、驱动垫、驱动杆以及弹簧。在一个示例中，当响应比如电子信号等激励而 被致动时，驱动元件以超声频率振荡。驱动垫被用于从驱动元件向驱动杆传递运动，其由于 驱动元件中的弯曲波(flexural wave)而可以以正弦曲线方式运动。驱动垫在半个周期过 程中仅与驱动杆接触；因此，在每个电子周期中驱动杆将向前或向后运动一步。弹簧用于在 驱动垫和驱动杆之间产生摩擦或加载力。响应于电子信号或其它激励，压电致动器16的驱 动杆精确(对于通常的装置平均每步约0. 5-1. 0微米)并方便地(以大约50-100毫/秒 的速度)沿着预定的运动方向22运动。虽然通常来说压电致动器能够沿三个方向产生运动，但是根据本发明的实施方 式，线性压电致动器16仅在预定方向22产生运动。由于压电致动器16的运动，可移动感 测器14的位置平移，或者被推或者被拉，从而沿预定方向22运动。这种活动进而又改变可 移动感测器14和光学系统12之间的距离。在沿着预定方向22的某些点处，可移动感测器 14被部署至最靠近光学系统12的焦点。通过使用线性压电致动器16，本发明的自动对焦照相机10可以在宽度W方面做 小。对口腔内使用而言，宽度W应当不超过20毫米，更优选地不超过15毫米，最优选地不 超过5毫米。为了将照相机10舒适地配置在患者口中并且将本发明的自动对焦照相机10 与用于其它用处的许多其它类型的传统的现有技术自动对焦照相机区别开来，这种狭小的宽度需求是必要的。图像处理器20，比如数字信号处理器(DSP)，与可移动感测器14以及驱动系统18 两者通信连接，并且根据存储的、预编程的指令与这两个部件相互作用。在一个示例中，图 像处理器20、可移动感测器14以及驱动系统18之间的连接通过硬线15制成，比如柔性印 刷线路(FPC)连接。在其图像获取功能中，通过与可移动感测器14连接，图像处理器20从 可移动感测器14获得目标1的一组记录图象。在该组记录图像中的每个构件或元件图像 是在可移动感测器14处于不同位置时所获取并存储的。使用通常已知的方法，比如利用高通滤波器计算图像的清晰度(sharpness)，可以 对已经获得的图像中的每一个评估聚焦程度。图像处理器20对该组一个或多个已获得的 记录图像中的每一个元件计算清晰度。该组中具有最高清晰度的记录图像被确定是焦点对 准的并且和可移动感测器14的优选位置相关。在其运动控制功能中，通过与驱动系统18 连接，图像处理器20能发送一个或多个脉冲给驱动系统18以作为运动激励。脉冲的数量 与可移动感测器14到不同的位置的运动相关联。以这种方式，图像处理器20命令驱动系 统18将可移动感测器14驱动到不同的位置。为了到达每一个不同的位置，根据需要，线性 压电致动器16精确并便利地驱动可移动感测器14沿着预定方向22前进或后退。在其优 选位置，即最近的最优焦点处，可移动感测器14记录目标1的清晰图像。一般来说，这是随 后能被显示给相机操作者、被进一步处理以及被存储用于未来参考的图像。在图1的实施方式中，图像处理器20为专用微处理器，其被结合到自动对焦照相 机10包装内紧凑尺寸内。替代地，例如，图像处理器20可以外置于手持照相机，比如在操 作者控制台的一部分上或者与显示器相关联。例如，图像处理器20可以是外部连接的计算 机工作站、便携式计算机或者其它逻辑处理装置，包括联网处理器。图像处理器20与可移 动感测器14以及驱动系统18通信连接，用于获取并为其提供所需的数据及信号。可移动 感测器14与驱动系统18以及外置图像处理器20之间的这种通信连接可以通过一个或多 个线或者——可选地——可以是无线的。虽然本发明的自动对焦照相机10目的在于为口腔内的目标成像，但是，其也可以 被使用在其它适合的应用中，特别是照相机的宽度要求相当受限制的场合，比如用于内窥 镜应用。与传统的自动对焦装置不同，本发明的自动对焦照相机10通过移动可移动感测 器14的位置调节焦距，而不是通过对照相机的光学装置进行任何调节。压电致动器的使用 使得感测器14能够沿着移动方向22以微小增量快速及精确地重新定位，从而拍摄连续的 图像。图像清晰度及其它图像特性的快速计算使得图像处理器20能够迅速地确定最佳焦 距。这样，图像拍摄以及焦距调节过程的自动化使得口腔内图像能够被迅速地获得并且最 小化了对操作者的训练及主观判断的需求。通过具体参照现在的最佳实施方式，已经详细阐述了本发明，但应当理解，在本发 明的精神和范围内可以实现多种变型和改型。例如，没有具体示出启动图像拍摄过程的操 作者控制器，但是其可以被设置在自动对焦照相机10的本体上或独立的操作者控制台上。 如机械领域的技术人员所了解的，用于产生线性运动的、线性压电致动器16与可移动感测 器14的机械耦连能够通过多种方式来实现并且可以包括弹簧、联动件或其它部件。因此， 现在所披露的实施方式就各方面而言应认为仅为示例性而非限制性的。本发明的范围由所附的权利要求书表明，在与此等同的意思及范围内所作的所有修改均意在包含在此范围
内。
元件列表
1目标
10自动对焦照相机
12光学系统
14可移动感测器
15线
16压电致动器
18驱动系统
20图像处理器
22运动方向
对照明系统
权利要求
1.一种自动对焦照相机，其包括光学系统，其用于形成目标的图像；可移动感测器，其用于记录所述目标的一组一个或多个图像，该组一个或多个图像对 应于所述可移动感测器的一组一个或多个位置；线性压电致动器，其以机械的方式耦连至所述可移动感测器，用于响应于激励将所述 可移动感测器沿预定运动方向驱动至该组一个或多个位置；驱动系统，其能够致动以产生驱动所述压电致动器的激励；以及图像处理器，其响应于存储的指令，从所述可移动感测器获取该组一个或多个记录图 像、处理该组一个或多个所获取的记录图像并且识别焦点对准的图像。
2.如权利要求1所述的自动对焦照相机，其中，所述目标为口腔内目标。
3.如权利要求1所述的自动对焦照相机，进一步包括用于将光指引向所述目标的照明 系统。
4.如权利要求1所述的自动对焦照相机，其中，所述线性压电致动器通过线连接到所 述可移动感测器。
5.如权利要求1所述的自动对焦照相机，其中，所述图像处理器进一步发送一个或多 个脉冲至所述驱动系统，所述脉冲的数量对应于所述可移动感测器的不同位置。
6.一种自动对焦照相机，其包括光学系统，其用于形成目标的图像；可移动感测器，其用于记录所述目标的所述图像；线性压电致动器，其以机械的方式耦连至所述可移动感测器，用于响应于激励沿预定 运动方向驱动所述可移动感测器；驱动系统，其能够致动以提供驱动所述压电致动器以使所述可移动感测器运动的激 励；以及图像处理器，其连接至所述驱动系统及所述可移动感测器，其中，所述处理器响应于存储的指令以致动所述驱动系统，从而产生驱动所述压电致 动器的激励，所述压电致动器进而使所述可移动感测器运动至优选位置，所述感测器在该 位置处记录所述目标的图像。
7.如权利要求6所述的自动对焦照相机，其中，所述目标为口腔内目标。
8.如权利要求6所述的自动对焦照相机，其中，所述压电致动器沿所述预定运动方向 以约50-100毫米/秒的平均速度运动。
9.如权利要求6所述的自动对焦照相机，其中，所述图像为第一图像并且所述感测器 进一步记录第二图像，所述处理器比较所述第一图像和第二图像的清晰度。
10.如权利要求6所述的自动对焦照相机，其中，所述图像处理器发送一个或多个脉冲 至所述驱动系统，所述脉冲的数量对应于所述可移动感测器相对于所述优选位置的位置。
全文摘要
本发明涉及一种自动对焦照相机，其包括光学系统，其用于形成目标的图像；可移动感测器，其用于记录所述目标的一组一个或多个图像，该组一个或多个图像对应于所述可移动感测器的一组一个或多个位置；线性压电致动器，其以机械的方式耦连至所述可移动感测器，用于响应于激励将所述可移动感测器沿预定运动方向驱动至该组一个或多个位置。驱动系统能够致动以产生驱动所述压电致动器的激励。图像处理器响应于存储的指令，从所述可移动感测器获取该组一个或多个记录图像、处理该组一个或多个所获取的记录图像并且识别焦点对准的图像。
文档编号A61B1/24GK102116996SQ200910206779
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者T·王, Y·莫, Z·刘 申请人:卡尔斯特里姆保健公司