專利名稱：膠囊內(nèi)視鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種膠囊內(nèi)視鏡。
背景技術(shù)：
常規(guī)內(nèi)視鏡包括第一部分，其帶有尖端部，該第一部分被插入病人體內(nèi)，用于觀察和治療；以及控制裝置，其設(shè)置在外部，并與第一部分連接。第一部分在尖端部?jī)?nèi)具有諸如照射系統(tǒng)和圖像傳感器那樣的電氣裝置。控制裝置通過(guò)電線向這些電氣裝置供電。
常規(guī)內(nèi)視鏡在被插入病人體內(nèi)時(shí)會(huì)使病人感到很疼痛。例如，當(dāng)尖端部途經(jīng)病人咽喉時(shí)，病人會(huì)感到很疼痛。并且，當(dāng)尖端部在體內(nèi)時(shí)，病人持續(xù)感到疼痛，從而使病人產(chǎn)生負(fù)擔(dān)。為了減輕病人疼痛，已建議使用一種圖1所示的小型膠囊內(nèi)視鏡本體1。病人只需吞咽膠囊內(nèi)視鏡本體1，之后當(dāng)膠囊內(nèi)視鏡本體1位于病人體內(nèi)期間，病人一般僅感到輕微疼痛，或者感覺(jué)不到疼痛。
然而，膠囊內(nèi)視鏡本體1存在以下問(wèn)題。
第一，它包括電池，電池可提供在病人體內(nèi)進(jìn)行觀察所需的電力；然而，供電是有限的。通常，從吞咽膠囊內(nèi)視鏡本體1時(shí)到膠囊內(nèi)視鏡本體1排出體外要花大約30小時(shí)。由于缺電，常規(guī)膠囊內(nèi)視鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)人體內(nèi)整個(gè)通道的觀察。為了解決該問(wèn)題，已經(jīng)考慮使用多個(gè)電池或存儲(chǔ)容量增加的電池。然而，增加電池體積會(huì)使膠囊內(nèi)視鏡所需尺寸增加。
第二，與常規(guī)膠囊內(nèi)視鏡一起使用的照射源包括鹵素?zé)艉蚅ED，它們可為諸如食管2那樣的人體的狹窄、管狀部分內(nèi)的觀察提供足夠亮度，但卻不能為諸如胃3和大腸4那樣的較大空間內(nèi)的觀察提供足夠照度。為了解決該問(wèn)題，使用諸如圖2所示那樣的較大的LED5來(lái)確保足夠亮度。然而，膠囊的直徑D必須隨著照射系統(tǒng)尺寸的增加而增加。此外，操作較大的LED會(huì)需要更多電力。為了解決該問(wèn)題，一般需要更多電池14(圖3)或存儲(chǔ)容量增加的電池14’(圖4)。結(jié)果，膠囊的全長(zhǎng)必須增加，以便適應(yīng)一個(gè)或多個(gè)電池體積的必要增加。然而，增加膠囊全長(zhǎng)會(huì)削弱膠囊內(nèi)視鏡在減輕病人疼痛方面的優(yōu)勢(shì)。
膠囊內(nèi)視鏡的其中一項(xiàng)要求是，物鏡6(圖2)具有較大的視野深度，該視野深度的跨度為從尖端部罩9(圖3)的外表面到其前面幾十毫米。一般，具有較大F數(shù)(光圈數(shù))的物鏡光學(xué)系統(tǒng)將具有較大的視野深度。然而，使用具有較大F數(shù)的物鏡光學(xué)系統(tǒng)一般將對(duì)途經(jīng)物鏡光學(xué)系統(tǒng)的光線加以限制，從而使圖像不太亮。為了解決該問(wèn)題，必須使照射源更亮。
膠囊內(nèi)視鏡攜帶上述相對(duì)較弱的照射源。因此，當(dāng)物鏡光學(xué)系統(tǒng)具有大F數(shù)時(shí)，圖像會(huì)如此暗淡以至難以進(jìn)行物體的觀察和診斷。為此，常規(guī)膠囊內(nèi)視鏡不通過(guò)使用具有大F數(shù)的物鏡光學(xué)系統(tǒng)來(lái)擴(kuò)展物鏡光學(xué)系統(tǒng)的視野深度。因此，常規(guī)膠囊內(nèi)視鏡具有較小的視野深度。
為了滿足觀察要求，圖3所示的常規(guī)膠囊內(nèi)視鏡的物鏡光學(xué)系統(tǒng)7被設(shè)計(jì)成在離開(kāi)物鏡光學(xué)系統(tǒng)前端幾十毫米的表面上聚焦。在尖端部罩9和物鏡光學(xué)系統(tǒng)前端之間的距離d可根據(jù)物鏡光學(xué)系統(tǒng)的視野深度來(lái)調(diào)整，從而使視野深度的近點(diǎn)與尖端部罩9的外表面匹配。這可使物體能夠在從尖端部罩到離開(kāi)尖端部罩幾十毫米之間處于焦點(diǎn)上。然而，圖3所示的結(jié)構(gòu)會(huì)增加尖端部罩和物鏡光學(xué)系統(tǒng)前端之間的距離d，從而使膠囊全長(zhǎng)L增加。
膠囊內(nèi)視鏡的物鏡光學(xué)系統(tǒng)也需要較小。在常規(guī)非膠囊內(nèi)視鏡中的物鏡光學(xué)系統(tǒng)例如由多個(gè)透鏡和各種濾光器形成，各種濾光器用于顏色校正。對(duì)于常規(guī)膠囊內(nèi)視鏡，顏色校正可確保在與一種采用具有不同光譜輸出的源的照射系統(tǒng)一起使用時(shí)，得到恒定的顏色再現(xiàn)。諸如CCD和CMOS器件那樣的固態(tài)元件對(duì)紅外線波長(zhǎng)尤其敏感。因此，這種非線性敏感性會(huì)產(chǎn)生光噪聲，而光噪聲是在成像過(guò)程中引入的。因此，一般在物鏡光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置濾光器，用于降低紅外線波長(zhǎng)的強(qiáng)度。為此，常規(guī)非膠囊內(nèi)視鏡的物鏡光學(xué)系統(tǒng)具有較大全長(zhǎng)。由于常規(guī)非膠囊內(nèi)視鏡的物鏡光學(xué)系統(tǒng)由許多光學(xué)元件形成，因而該物鏡光學(xué)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是部件成本高并且組裝成本高。因此，現(xiàn)有技術(shù)的非膠囊內(nèi)視鏡的物鏡光學(xué)系統(tǒng)不適合用作膠囊內(nèi)視鏡的物鏡光學(xué)系統(tǒng)。
膠囊內(nèi)視鏡本體可由磁感應(yīng)來(lái)控制，以便在病人體內(nèi)的觀察期間實(shí)現(xiàn)其定位/定向。因此，重要的是，膠囊內(nèi)視鏡本體的質(zhì)量輕是很重要的。膠囊內(nèi)視鏡本體還需要是可拋棄型的。因此，降低每個(gè)膠囊的生產(chǎn)成本非常關(guān)鍵。
為了滿足上述要求，膠囊內(nèi)視鏡中的物鏡光學(xué)系統(tǒng)可使用塑料透鏡來(lái)形成。然而，塑料透鏡在其形狀方面容易發(fā)生較大變化，這取決于塑料透鏡的水合溫度和水合量。而且也會(huì)發(fā)生諸如屈光力那樣的物理特性的變化。因此，溫度、體內(nèi)含水量、以及吞下后經(jīng)過(guò)的時(shí)間都會(huì)大大影響物鏡光學(xué)系統(tǒng)的成像性能。這會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題，即在病人體內(nèi)觀察過(guò)程中發(fā)生的物鏡光學(xué)系統(tǒng)的視野深度變化會(huì)使膠囊內(nèi)視鏡無(wú)法提供所需圖像。為了避免這一問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)已對(duì)物鏡光學(xué)系統(tǒng)制造公差的變化以及在實(shí)際情況下的視野深度變化都作了考慮，從而以較高精度進(jìn)行聚焦。這會(huì)使組裝更困難，并會(huì)減少合格產(chǎn)品的產(chǎn)量，從而使生產(chǎn)成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是確保膠囊內(nèi)視鏡具有較大的視野深度；本發(fā)明的第二目的是延長(zhǎng)可使用膠囊內(nèi)視鏡進(jìn)行觀察的時(shí)間；本發(fā)明的第三目的是使膠囊內(nèi)視鏡本體尺寸更?。槐景l(fā)明的第四目的是降低膠囊內(nèi)視鏡本體內(nèi)各部件的成本；以及本發(fā)明的第五目的是降低膠囊內(nèi)視鏡本體的組裝成本。
根據(jù)本發(fā)明的目的，提供一種膠囊內(nèi)視鏡本體，其包括下列被密封在膠囊內(nèi)視鏡本體內(nèi)的部件，這些部件是照射系統(tǒng)，用于照射空腔內(nèi)部；成像系統(tǒng)，用于使由照射系統(tǒng)照射的內(nèi)部成像，所述成像系統(tǒng)包括物鏡光學(xué)系統(tǒng)和圖像傳感器，該圖像傳感器可掃描圖像以便把圖像轉(zhuǎn)換為電輸出信號(hào)；以及發(fā)送器，用于發(fā)送由圖像傳感器輸出的信號(hào)；其特征在于成像系統(tǒng)還包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器，該空間頻率特性轉(zhuǎn)換器可使成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)在對(duì)焦位置的某個(gè)范圍內(nèi)保持大體恒定。


從以下給出的詳細(xì)說(shuō)明并結(jié)合附圖，將對(duì)本發(fā)明有更全面的了解。這些附圖是僅通過(guò)舉例說(shuō)明而給出的，因而不對(duì)本發(fā)明加以限制。在附圖中圖1是與本發(fā)明相關(guān)的人體內(nèi)部部分的示意圖；圖2是示出現(xiàn)有技術(shù)的膠囊內(nèi)視鏡本體的前視圖的示意圖；圖3是示出圖2所示的膠囊內(nèi)視鏡本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是示出現(xiàn)有技術(shù)的另一膠囊內(nèi)視鏡本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的膠囊內(nèi)視鏡觀察系統(tǒng)的總體構(gòu)成；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體的前視圖的示意圖；圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖；圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖；圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的被視為“最佳模式”的第六實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖；圖12(a)和圖12(b)示出了第六實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡的物鏡光學(xué)系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，第六實(shí)施例當(dāng)前是本發(fā)明的“最佳模式”，從物體側(cè)看，圖12(a)是側(cè)視圖，圖12(b)是端視圖；圖13示出了可在第六實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡中使用的物鏡光學(xué)系統(tǒng)的另一例的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；
圖14示出了第七實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；圖15(a)和圖15(b)示出了第七實(shí)施例的物鏡光學(xué)系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從物體側(cè)看，圖15(a)是橫截面?zhèn)纫晥D，圖15(b)是端視圖；圖16(a)和圖16(b)示出了第七實(shí)施例的物鏡光學(xué)系統(tǒng)的另一例的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從物體側(cè)看，圖16(a)是橫截面?zhèn)纫晥D，圖16(b)是端視圖；圖17示出了本發(fā)明第八實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；圖18示出了本發(fā)明第八實(shí)施例的物鏡光學(xué)系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；圖19(a)和圖19(b)示出了本發(fā)明第九實(shí)施例的物鏡光學(xué)系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從物體側(cè)看，圖19(a)是橫截面?zhèn)纫晥D，圖19(b)是端視圖；圖20是本發(fā)明第十實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體的示意性前視圖；圖21示出了本發(fā)明第十實(shí)施例的物鏡光學(xué)系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；圖22示出了現(xiàn)有技術(shù)的成像系統(tǒng)的視野深度擴(kuò)展，該現(xiàn)有技術(shù)迄今還未用于擴(kuò)展膠囊內(nèi)視鏡成像系統(tǒng)的視野深度；圖23是示出圖22所示的掩模外觀的透視圖，該掩模起到空間頻率特性轉(zhuǎn)換器的作用，用于使圖22的成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)在對(duì)焦位置的某個(gè)范圍內(nèi)保持大體恒定；圖24是示出當(dāng)物體位于通用光學(xué)系統(tǒng)中的焦點(diǎn)時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布的圖形顯示；圖25是示出當(dāng)物體離開(kāi)通用光學(xué)系統(tǒng)中的焦點(diǎn)時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布的圖形顯示；圖26是示出在通用光學(xué)系統(tǒng)中當(dāng)物體離開(kāi)的焦點(diǎn)的距離比在圖25還要遠(yuǎn)時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布的圖形顯示；圖27是示出在一種具有擴(kuò)展視野深度的光學(xué)系統(tǒng)中當(dāng)物體位于焦點(diǎn)時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布的圖形顯示；圖28是示出在一種具有擴(kuò)展視野深度的光學(xué)系統(tǒng)中當(dāng)物體遠(yuǎn)離焦點(diǎn)時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布的圖形顯示；圖29是示出在一種具有擴(kuò)展視野深度的光學(xué)系統(tǒng)中當(dāng)物體離開(kāi)的焦點(diǎn)的距離比在圖28還要遠(yuǎn)時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布的圖形顯示；
圖30是用于示出在一種具有擴(kuò)展視野深度的光學(xué)系統(tǒng)中的反向?yàn)V光器特性的圖形顯示，該反向?yàn)V光器用于處理光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布；圖31是用于示出在使用具有圖30的特性的反向?yàn)V光器來(lái)處理圖27的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布之后的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布的圖形顯示；圖32是用于示出在使用具有圖30的特性的反向?yàn)V光器來(lái)處理圖28的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布之后的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布的圖形顯示；圖33是用于示出在使用具有圖30的特性的反向?yàn)V光器來(lái)處理圖29的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布之后的光學(xué)傳遞函數(shù)的強(qiáng)度分布的圖形顯示；圖34是示出LED的光譜輻射度特性的圖形顯示；圖35顯示本發(fā)明的第十一實(shí)施例；圖36顯示本發(fā)明第十二實(shí)施例的可以用于膠囊內(nèi)視鏡例子的物鏡系統(tǒng)的橫截面圖；圖37到39是當(dāng)物體距離分別是5mm，13.5mm和100mm時(shí)物鏡系統(tǒng)的OTF；圖40到42是在圖36的物鏡系統(tǒng)的表面r2由一個(gè)不具有自由形狀非球面表面的平面表面代替的情況下，當(dāng)物體距離分別是5mm，13.5mm和100mm時(shí)物鏡系統(tǒng)的OTF；圖43顯示本發(fā)明第十三實(shí)施例的可以用于膠囊內(nèi)視鏡例子的另一個(gè)物鏡系統(tǒng)的橫截面圖；圖44到46是當(dāng)物體距離分別是5mm，15.5mm和100mm時(shí)物鏡系統(tǒng)的OTF；圖47到49是在圖43的物鏡系統(tǒng)的表面r2由一個(gè)不具有自由形狀非球面表面的平面表面代替的情況下，當(dāng)物體距離分別是5mm，13.5mm和100mm時(shí)物鏡系統(tǒng)的OTF。
本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的膠囊內(nèi)視鏡具有以下特性。膠囊內(nèi)視鏡本體包括照射系統(tǒng)，用于照射生物體內(nèi)部；成像系統(tǒng)，用于使所照射的內(nèi)部成像；以及發(fā)送器，用于發(fā)送由成像系統(tǒng)捕獲和輸出的圖像信號(hào)，所有這些部分都被收納在密封膠囊內(nèi)。
成像系統(tǒng)由物鏡光學(xué)系統(tǒng)、空間頻率特性轉(zhuǎn)換器以及圖像傳感器形成，圖像傳感器可掃描圖像，以便把圖像轉(zhuǎn)換為電輸出信號(hào)?？臻g頻率特性轉(zhuǎn)換器由在第5,748,371號(hào)美國(guó)專利中揭示的光學(xué)掩模構(gòu)成，該美國(guó)專利的揭示內(nèi)容在本文中引用以供參考。空間頻率特性轉(zhuǎn)換器使光學(xué)傳遞函數(shù)在對(duì)焦位置的某個(gè)范圍內(nèi)保持基本恒定。這可使成像系統(tǒng)的視野深度增大，同時(shí)保持良好的圖像質(zhì)量。
在第5,748,371號(hào)美國(guó)專利中還揭示了一種信號(hào)處理器，該信號(hào)處理器用于恢復(fù)已由空間頻率特性轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的空間頻率特性。信號(hào)處理器可設(shè)置在膠囊內(nèi)視鏡本體自身內(nèi)，也可設(shè)置在膠囊內(nèi)視鏡本體外。優(yōu)選的是，信號(hào)處理器設(shè)置在膠囊內(nèi)視鏡本體外，以下將對(duì)此進(jìn)行論述。
遠(yuǎn)離膠囊內(nèi)視鏡本體設(shè)有接收器，用于接收從膠囊內(nèi)視鏡本體發(fā)送的圖像信號(hào)。該接收器優(yōu)選地包括信號(hào)處理器，該信號(hào)處理器可恢復(fù)已由膠囊內(nèi)視鏡本體內(nèi)的空間頻率特性轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的空間頻率特性，從而在擴(kuò)展的視野深度上生成生物體內(nèi)部的高分辨率圖像。圖像傳感器是MOS型圖像傳感器，MOS型傳感器功耗低，適于封裝。與在現(xiàn)有技術(shù)的膠囊內(nèi)視鏡中一樣，用于操作膠囊內(nèi)視鏡的電源可包括一個(gè)或多個(gè)電池。
根據(jù)本發(fā)明，用于至少部分向膠囊內(nèi)視鏡本體供電的電源可設(shè)置在膠囊內(nèi)視鏡本體外。例如，膠囊內(nèi)視鏡本體可全部或部分由從外部電源發(fā)送的諸如微波那樣的電磁波供電。物鏡光學(xué)系統(tǒng)可由多個(gè)塑料透鏡形成。密封膠囊具有透明尖端部罩，該透明尖端部罩可罩住物鏡光學(xué)系統(tǒng)和照射系統(tǒng)雙方的前部。并且，尖端部罩可具有大體橢圓形狀。
或者，尖端部罩在用于罩住物鏡光學(xué)系統(tǒng)前部的部分具有的形狀可以與用于罩住照射系統(tǒng)前部的部分具有的形狀不同。并且，可在物鏡光學(xué)系統(tǒng)和照射系統(tǒng)之間設(shè)有一個(gè)用于提供屏蔽效應(yīng)的構(gòu)件?？臻g頻率特性轉(zhuǎn)換器優(yōu)選地具有孔，該孔在形狀上與圖像傳感器的受光部分的孔類似，該受光部分的孔的形狀為大體長(zhǎng)方形。用于支撐物鏡光學(xué)系統(tǒng)的透鏡框架在物體側(cè)具有孔，該孔也用作光闌(brightness stop)。光闌的形狀也優(yōu)選地與空間頻率特性轉(zhuǎn)換器的孔形狀相同。物鏡光學(xué)系統(tǒng)可由具有正屈光力的單個(gè)非球面透鏡形成，或者由具有正屈光力的透鏡組形成(該透鏡組由兩個(gè)正透鏡組成)，或者由一個(gè)具有總負(fù)屈光力的第一透鏡組和一個(gè)具有總正屈光力的第二透鏡組形成。
用于支撐物鏡光學(xué)系統(tǒng)的透鏡框架在物體側(cè)具有開(kāi)口，該開(kāi)口用作光闌，空間頻率特性轉(zhuǎn)換器位于與物鏡光學(xué)系統(tǒng)的光闌大體相同的位置。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的膠囊內(nèi)視鏡系統(tǒng)的總體構(gòu)成，該膠囊內(nèi)視鏡系統(tǒng)包括膠囊內(nèi)視鏡本體1和接收器16，接收器16設(shè)置在附近，用于接收來(lái)自膠囊內(nèi)視鏡本體的圖像，從而可使所接收的圖像顯示在監(jiān)視器上。
以下將對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
第一實(shí)施例圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體1的結(jié)構(gòu)。膠囊內(nèi)視鏡本體包括透明罩9，用于封閉膠囊內(nèi)視鏡本體1；照射系統(tǒng)18；物鏡光學(xué)系統(tǒng)7，其包括物鏡6；紅外線阻塞濾光器8；固態(tài)成像元件10；圖像處理裝置12，用于控制固態(tài)成像元件10并處理圖像；控制裝置11；無(wú)線裝置13；天線15；以及電源14。本實(shí)施例使用電池用于電源14。
物鏡光學(xué)系統(tǒng)7設(shè)有空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19，用于轉(zhuǎn)換空間頻率。而且，信號(hào)處理電路被包括在圖像處理裝置12內(nèi)，而圖像處理裝置12設(shè)置在膠囊內(nèi)視鏡本體內(nèi)。在裝運(yùn)膠囊內(nèi)視鏡本體之前，針對(duì)由于物鏡光學(xué)系統(tǒng)7的制造公差引起的光學(xué)性能變化，使用圖像處理裝置12進(jìn)行調(diào)整。這可使膠囊內(nèi)視鏡系統(tǒng)具有恒定成像性能，盡管在各個(gè)膠囊內(nèi)視鏡本體之間存在光學(xué)性能差異，而且通過(guò)減少由于質(zhì)量控制原因而必須拋棄的膠囊內(nèi)視鏡本體的數(shù)量，還可提高產(chǎn)量。信號(hào)處理電路用于使用數(shù)字處理來(lái)恢復(fù)圖像信號(hào)的空間頻率成分，以便消除僅由于各個(gè)膠囊內(nèi)視鏡本體的光學(xué)系統(tǒng)的制造公差引起的圖像信號(hào)的空間頻率成分變化。
如上所述，視野深度擴(kuò)展的光學(xué)系統(tǒng)在第5,748,371號(hào)美國(guó)專利中作了揭示。圖22是這樣一種現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)系統(tǒng)的示意圖，該現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)迄今還未與膠囊內(nèi)視鏡的成像系統(tǒng)一起使用。該視野深度擴(kuò)展的光學(xué)系統(tǒng)由物鏡光學(xué)系統(tǒng)(例如所示的正透鏡)形成，該物鏡光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)掩模觀察物體來(lái)形成物體的圖像。掩模位于物鏡光學(xué)系統(tǒng)的光瞳位置，并且優(yōu)選地是具有圖23所示形狀的透明相掩模。掩模通過(guò)使來(lái)自物體的光的某些空間頻率的延遲多于其他空間頻率來(lái)影響光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)。諸如圖22所示的CCD陣列那樣的圖像傳感器可捕獲所修改的圖像數(shù)據(jù)。諸如所示的數(shù)字處理系統(tǒng)那樣的圖像處理裝置可用于取消掩模的影響，從而使視野深度擴(kuò)展的圖像能夠被顯示以觀看。
圖24至圖33是光學(xué)傳遞函數(shù)OTF(繪制在Y軸上)與圖像平面上的相對(duì)空間頻率(繪制在X軸上)的關(guān)系曲線圖，X軸上的數(shù)字“2”與成像元件的奈奎斯特(Nyquist)頻率對(duì)應(yīng)。
對(duì)于不具有相掩模的常規(guī)光學(xué)成像系統(tǒng)，當(dāng)物體位于光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)時(shí)，光學(xué)傳遞函數(shù)如圖24所示。當(dāng)物體朝離開(kāi)光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)的方向移動(dòng)給定距離時(shí)，光學(xué)傳遞函數(shù)從如圖24所示降級(jí)到如圖25所示。如果物體進(jìn)一步朝離開(kāi)光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)的方向繼續(xù)移動(dòng)，則光學(xué)傳遞函數(shù)仍進(jìn)一步降級(jí)，如圖26所示。
另一方面，針對(duì)物體相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)的各個(gè)相同位置，使用一種具有相同光學(xué)性能但帶有圖23所示的光學(xué)相掩模(起到空間頻率特性轉(zhuǎn)換器的作用)的光學(xué)系統(tǒng)，將產(chǎn)生圖27、圖28和圖29所示的光學(xué)傳遞函數(shù)。如果針對(duì)圖27、圖28和圖29所示的強(qiáng)度分布，使用具有圖30所示特性的反向?yàn)V光器進(jìn)行濾光處理，則OTF分布分別如圖31、圖32和圖33所示，這些OTF分布與當(dāng)物體位于焦點(diǎn)時(shí)圖像平面上的OTF分布類似。
如上所述，在本發(fā)明的膠囊內(nèi)視鏡本體中使用的空間頻率特性轉(zhuǎn)換器可使成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)在對(duì)焦位置的某個(gè)范圍內(nèi)保持大體不變，如圖27、圖28和圖29所示的曲線的幾乎平坦區(qū)域所示。如圖6所示，空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19可大體在物鏡光學(xué)系統(tǒng)7的光瞳處形成。然后，進(jìn)行信號(hào)處理，以便恢復(fù)從固態(tài)成像元件10獲得的圖像信號(hào)的空間頻率，固態(tài)成像元件10位于光學(xué)系統(tǒng)的圖像平面上。這可解決常規(guī)膠囊內(nèi)視鏡的問(wèn)題，并可提供一種視野深度大大增加的光學(xué)成像系統(tǒng)。
因此，物鏡光學(xué)系統(tǒng)7可具有小F數(shù)，并可同時(shí)提供較大的視野深度，以確保在固態(tài)成像元件10上形成明亮圖像。這可使膠囊內(nèi)視鏡本體能夠獲得生物體內(nèi)較大空間的內(nèi)部的圖像，例如當(dāng)膠囊內(nèi)視鏡在胃和大腸內(nèi)時(shí)所需的圖像。
使物鏡光學(xué)系統(tǒng)能夠具有小F數(shù)，可使照射系統(tǒng)18能夠被設(shè)計(jì)成低功率LED，這可縮減照射系統(tǒng)的尺寸，并可減少其耗電量。更有利的是，膠囊內(nèi)視鏡本體1現(xiàn)可設(shè)計(jì)成具有圖7所示的較小直徑D，從而減輕病人疼痛。由于使用用電量較少的較小LED而產(chǎn)生的剩余電量，可使膠囊內(nèi)視鏡本體在病人體內(nèi)時(shí)進(jìn)行觀察和診斷的時(shí)間延長(zhǎng)。電池14(圖6)的容量可大幅減少，因此體積減小。這可縮短圖6所示的膠囊內(nèi)視鏡本體1的全長(zhǎng)L。
可由物鏡光學(xué)系統(tǒng)7提供的擴(kuò)展視野深度是相當(dāng)大的。因此，無(wú)需任何聚焦操作，就可為物體的觀察和診斷獲得足夠的視野深度。這可簡(jiǎn)化膠囊內(nèi)視鏡本體1的組裝。此外，盡管塑料透鏡由于塑料的光學(xué)特性更多地依賴于溫度和濕度而在以往有時(shí)會(huì)導(dǎo)致聚焦失敗，然而在本發(fā)明中無(wú)需聚焦，使得能夠使用塑料透鏡。因此，這將提高膠囊內(nèi)視鏡本體內(nèi)的物鏡光學(xué)系統(tǒng)的產(chǎn)量，并將降低該物鏡光學(xué)系統(tǒng)的制造和組裝成本。
本實(shí)施例的物鏡光學(xué)系統(tǒng)具有約140°的寬視野，該視野是使用焦點(diǎn)后移型透鏡裝置獲得的，該透鏡裝置按照從物體側(cè)開(kāi)始的順序包括具有負(fù)屈光力的透鏡組，該透鏡組由負(fù)透鏡元件和正透鏡元件形成；光闌，在該光闌處設(shè)有空間頻率特性轉(zhuǎn)換器；以及具有正屈光力的透鏡組，該透鏡組由正透鏡元件形成，該正透鏡元件與一負(fù)透鏡元件接合。由于在使膠囊內(nèi)視鏡本體在病人體內(nèi)定向方面存在困難，因而具有廣角視野的物鏡光學(xué)系統(tǒng)與本發(fā)明中可用的擴(kuò)展視野深度相結(jié)合，將極其有助于確保生物體內(nèi)的較大腔體被膠囊內(nèi)視鏡正確觀察。用于產(chǎn)生寬發(fā)散照射束的磨砂散射板或凹透鏡可設(shè)置在LED的光出射表面的前面，以便彌補(bǔ)擴(kuò)展視野的周邊區(qū)域內(nèi)的任何光不足。這樣，可提供一種光分布廣泛的光學(xué)照射系統(tǒng)，該光學(xué)照射系統(tǒng)可有助于確保生物體內(nèi)的較大腔體被膠囊內(nèi)視鏡正確觀察。本實(shí)施例在膠囊內(nèi)視鏡本體1內(nèi)包括圖像處理裝置12，該圖像處理裝置12的功能如上所述。
對(duì)于無(wú)線膠囊內(nèi)視鏡來(lái)說(shuō)，為了節(jié)省電能，在發(fā)送圖像數(shù)據(jù)之前使用諸如JPEG格式的圖像壓縮技術(shù)是有用的。JPEG格式通過(guò)忽略來(lái)自圖像數(shù)據(jù)的高空間頻率，可影響已使用該格式壓縮的圖像的空間頻率成分。本實(shí)施例的設(shè)計(jì)可采用較少數(shù)量的電路使圖像壓縮發(fā)生，從而降低生產(chǎn)成本。并且，空間頻率特性恢復(fù)和圖像壓縮可針對(duì)各膠囊內(nèi)視鏡本體而受控，從而確保精確的圖像再現(xiàn)，而圖像質(zhì)量不會(huì)由于制造公差而變化。并且，空間頻率特性恢復(fù)是在圖像壓縮之前進(jìn)行的，以便把由于不可逆地忽略較高空間頻率的JPEG格式引起的圖像質(zhì)量損失降至最少。采用這種方式，可提高使用膠囊內(nèi)視鏡獲得的圖像質(zhì)量。
第二實(shí)施例圖8示出了第二實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體1的結(jié)構(gòu)，第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同在于，用于罩住照射系統(tǒng)和物鏡光學(xué)系統(tǒng)的透明罩9的尖端部具有大體橢圓形狀。如上所述，使用本發(fā)明可增加膠囊內(nèi)視鏡本體的成像系統(tǒng)的視野深度。因此，即便觀察點(diǎn)和第一透鏡表面之間的距離d較小，也可在與尖端部罩9接觸的點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聚焦。因此，可進(jìn)一步縮短膠囊內(nèi)視鏡本體的全長(zhǎng)L，而不會(huì)使采用膠囊內(nèi)視鏡所作的觀察降質(zhì)。這可使罩的尖端部能夠由具有任何形狀的價(jià)格低廉的模制塑料形成。在本實(shí)施例中使用橢圓形狀。
第三實(shí)施例圖9示出了第三實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體1的結(jié)構(gòu)，第三實(shí)施例與第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的不同在于透明罩9的尖端部的結(jié)構(gòu)，以及在物鏡光學(xué)系統(tǒng)6和照射系統(tǒng)18之間存在屏蔽構(gòu)件21。對(duì)于用于罩住物鏡光學(xué)系統(tǒng)的部分9’以及對(duì)于用于罩住照射系統(tǒng)的部分20，本實(shí)施例的尖端部罩采用不同部件形成。
第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，即單個(gè)尖端部罩可罩住物鏡光學(xué)系統(tǒng)6和照射系統(tǒng)18這種結(jié)構(gòu)，可使從物鏡光學(xué)系統(tǒng)18出射的光能夠在透明罩9的尖端部上反射，產(chǎn)生雜散光，然后，該雜散光進(jìn)入物鏡光學(xué)系統(tǒng)7，并容易在視野內(nèi)產(chǎn)生閃光。為了避免該問(wèn)題，針對(duì)雜散光，如有的話，在物鏡光學(xué)系統(tǒng)、照射系統(tǒng)18和尖端部罩之間進(jìn)行位置調(diào)整，以防雜散光進(jìn)入物鏡光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)。然而，這種調(diào)整將使膠囊內(nèi)視鏡本體1的組裝更困難。本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)可容易地防止雜散光進(jìn)入物鏡光學(xué)系統(tǒng)，因此，無(wú)需在物鏡光學(xué)系統(tǒng)7、照射系統(tǒng)18和尖端部罩之間進(jìn)行位置調(diào)整。因此，膠囊內(nèi)視鏡本體1更易于組裝，從而可提高產(chǎn)量并可降低生產(chǎn)成本。
第四實(shí)施例第四實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同在于它在圖5的接收器16內(nèi)包括信號(hào)處理電路17(用于恢復(fù)空間頻率特性，以便形成視野深度擴(kuò)展的圖像)。把信號(hào)處理電路17設(shè)置在接收器16內(nèi)而不是設(shè)置在膠囊內(nèi)視鏡本體1內(nèi)，可簡(jiǎn)化在膠囊內(nèi)視鏡本體1內(nèi)所需的信號(hào)處理以及電路結(jié)構(gòu)。這可進(jìn)一步省電，并可使膠囊內(nèi)視鏡本體在病人體內(nèi)進(jìn)行觀察和診斷的時(shí)間延長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)一種更實(shí)用的膠囊內(nèi)視鏡系統(tǒng)。并且，可使用具有較小存儲(chǔ)容量和較小體積的電池，從而可進(jìn)一步縮減膠囊的尺寸。當(dāng)使用諸如JPEG格式那樣的不可逆壓縮時(shí)，可消除圖像的高空間頻率分量。因此，接收器16接收高空間頻率成分減少的圖像信號(hào)，該高空間頻率成分隨著圖像壓縮比而變化。在接收器16內(nèi)用于恢復(fù)空間頻率特性的信號(hào)處理電路17可執(zhí)行最佳處理，該最佳處理以圖像信號(hào)的中到低空間頻率特性為目標(biāo)。這可簡(jiǎn)化信號(hào)處理電路17，從而降低膠囊內(nèi)視鏡系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。一般，圖像信號(hào)的高空間頻率分量包括來(lái)自諸如圖像傳感器那樣的電氣元件的噪聲，該噪聲可在圖像再現(xiàn)期間由圖像處理電路放大。本實(shí)施例通過(guò)使用信號(hào)處理來(lái)獲得低噪聲的再現(xiàn)圖像，該信號(hào)處理強(qiáng)調(diào)中到低空間頻率分量，而削弱高空間頻率分量。
第五實(shí)施例圖10示出了第五實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體1的結(jié)構(gòu)，第五實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同在于物鏡光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的物鏡光學(xué)系統(tǒng)包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。物鏡6由兩個(gè)正透鏡元件形成，這使得其尺寸較小。因此，物鏡光學(xué)系統(tǒng)按照從物體側(cè)的順序包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19，光闌22，兩個(gè)平凸透鏡，以及固態(tài)成像元件10的受光表面。一般，僅由正透鏡形成的物鏡光學(xué)系統(tǒng)有助于一種緊湊的成像裝置，但不提供足夠大的后焦點(diǎn)。本實(shí)施例的物鏡光學(xué)系統(tǒng)7具有空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19，該空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19非常靠近光闌22，從而縮短物鏡光學(xué)系統(tǒng)7的全長(zhǎng)m。這可進(jìn)一步縮短膠囊內(nèi)視鏡本體的全長(zhǎng)L。
本實(shí)施例的物鏡光學(xué)系統(tǒng)7不包括紅外線濾光器或顏色校正濾光器。如在現(xiàn)有技術(shù)中所述，內(nèi)視鏡用的常規(guī)物鏡光學(xué)系統(tǒng)需要紅外線濾光器或顏色校正濾光器。然而，膠囊內(nèi)視鏡把照射裝置和成像裝置一起包括在膠囊內(nèi)。因此，成像裝置的顏色再現(xiàn)可根據(jù)照射裝置的光譜強(qiáng)度特性來(lái)確定。為此，在物鏡光學(xué)系統(tǒng)中無(wú)需顏色校正濾光器。此外，白色LED被用作照射系統(tǒng)。白色LED使用熒光物質(zhì)來(lái)生成期望顏色，因此，白色LED不會(huì)產(chǎn)生大量紫外光或紅外光，而大量紫外光或紅外光會(huì)使采用電子圖像傳感器進(jìn)行的觀察降質(zhì)。
圖34示出了白色LED的相對(duì)光譜輻射度(在Y軸上以百分率為單位表示)與發(fā)射光的波長(zhǎng)(在X軸上以nm為單位表示)的關(guān)系曲線。由于白色LED產(chǎn)生的紫外線波長(zhǎng)可忽略不計(jì)并且?guī)缀醪划a(chǎn)生紅外線波長(zhǎng)，因而無(wú)需把紅外線阻塞濾光器或紫外線阻塞濾光器包括在物鏡光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)。由于無(wú)需設(shè)置紅外線濾光器和顏色校正濾光器，因而可使用一種無(wú)需較大后焦點(diǎn)的具有正屈光力的光學(xué)系統(tǒng)。
第六實(shí)施例圖11示出了第六實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體1的結(jié)構(gòu)，第六實(shí)施例與第五實(shí)施例的不同在于物鏡光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的物鏡光學(xué)系統(tǒng)7包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。物鏡系統(tǒng)由兩個(gè)正透鏡形成。因此，物鏡光學(xué)系統(tǒng)按照從物體側(cè)的順序包括框架23，其在物體側(cè)具有開(kāi)口，該開(kāi)口用作光闌，這使得其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19；兩個(gè)平凸透鏡；以及固態(tài)成像元件10的受光表面?？蚣?3在物體側(cè)具有開(kāi)口25，該開(kāi)口25用作光闌，緊隨其后的是空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。緊隨光闌設(shè)置空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19可使物鏡光學(xué)系統(tǒng)能夠僅由兩個(gè)正透鏡元件形成。
該結(jié)構(gòu)包括膠囊內(nèi)視鏡本體，該膠囊內(nèi)視鏡本體容納照射裝置18；物鏡光學(xué)裝置7；固態(tài)成像元件10；圖像處理裝置12，用于控制固態(tài)成像元件10并處理圖像；總控制裝置11；無(wú)線裝置13；天線15；以及電源14，它們都密封在膠囊罩1和透明罩9內(nèi)，如圖11所示。而且，接收器16設(shè)有信號(hào)處理電路17，用于再現(xiàn)空間頻率特性，如圖5所示。電源14是電池，該電池提供膠囊內(nèi)視鏡所需的所有電力。固態(tài)成像元件10可以是CCD型圖像傳感器，也可以是MOS型圖像傳感器。
圖12(a)和圖12(b)示出了成像裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。從物體側(cè)看，圖12(a)是側(cè)視圖，圖12(b)是端視圖。參照?qǐng)D12(a)，在具有開(kāi)口25的透鏡框架23內(nèi)，按照從物體側(cè)的順序設(shè)有光瞳調(diào)制元件19；平凸透鏡6；環(huán)24，用于隔開(kāi)平凸透鏡6；以及固態(tài)成像元件10。參照?qǐng)D12(b)，透鏡框架23的開(kāi)口25是光闌并具有圓形形狀。光瞳調(diào)制元件19圍繞光軸具有圓形周邊，平凸透鏡6也一樣。光瞳調(diào)制元件19的外徑與平凸透鏡6的外徑相等。
如圖13所示，通過(guò)把空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19和平凸透鏡6組合成單透鏡或者把對(duì)置定向的平凸透鏡6與固態(tài)成像元件10接合，可進(jìn)一步減少部件數(shù)量，以便提高成像裝置的組裝性能。這也有助于防止用于形成成像裝置的各部件之間的距離出現(xiàn)偏差，從而可使成像質(zhì)量穩(wěn)定，同時(shí)可提高產(chǎn)量。
第七實(shí)施例圖14示出了第七實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體1的結(jié)構(gòu)，第七實(shí)施例與第六實(shí)施例的不同在于物鏡光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖15(a)和圖15(b)是第七實(shí)施例的成像裝置的詳細(xì)視圖，從物體側(cè)看，圖15(a)是側(cè)視圖，圖15(b)是端視圖。物鏡光學(xué)系統(tǒng)7包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。物鏡由兩個(gè)平凸透鏡組成，這兩個(gè)平凸透鏡定向成使其凸側(cè)相互面對(duì)，如圖所示。因此，物鏡光學(xué)系統(tǒng)按照從物體側(cè)的順序包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19，兩個(gè)平凸透鏡，以及固態(tài)成像元件10的受光表面?？蚣?3在物體側(cè)具有開(kāi)口25，該開(kāi)口25用作光闌，緊隨其后的是空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。
參照?qǐng)D15(a)和圖15(b)，在框架23內(nèi)形成的光闌或開(kāi)口25大體是方形?？臻g頻率特性轉(zhuǎn)換器19也大體是方形。因此，框架23具有大體方形的內(nèi)輪廓，以便收納空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。固態(tài)成像元件10也形成為大體方形。因此，框架23具有大體方形的內(nèi)輪廓，以便收納固態(tài)成像元件10。如圖23所示，面向光闌或開(kāi)口25的空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19的大體方形區(qū)域具有自由三維曲面。固態(tài)成像元件10的像素陣列的垂直(V)和水平(H)方向與空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19和光闌或開(kāi)口25的大體方形區(qū)域的垂直和水平方向?qū)?zhǔn)。這可使固態(tài)成像元件10的成像裝置內(nèi)的空間頻率特性轉(zhuǎn)換性能最大化。考慮到監(jiān)視器的垂直(V)和水平(H)分辨率，這也有助于優(yōu)化成像裝置內(nèi)的空間頻率特性轉(zhuǎn)換性能。
使用本實(shí)施例的框架結(jié)構(gòu)可消除固態(tài)成像元件10、空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19以及光闌或開(kāi)口25的垂直和水平對(duì)準(zhǔn)操作。而且，與第六實(shí)施例一樣，用于形成成像裝置的部件可被插入和固定在框架23內(nèi)用于組裝。這可通過(guò)顯著減輕組裝所需的勞動(dòng)并顯著縮短組裝所需的時(shí)間而有助于組裝。通過(guò)把空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19模制到緊隨其后的平凸透鏡上，可減少部件數(shù)量，從而進(jìn)一步改善組裝性能。
圖16(a)和圖16(b)示出了第七實(shí)施例的修改實(shí)施例，從物體側(cè)看，圖16(a)是側(cè)視圖，圖16(b)是端視圖。如圖所示，成像裝置包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器和平凸透鏡，這兩者組合為單透鏡19；以及另一平凸透鏡6?？蚣?3具有一結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可確定空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19和平凸透鏡6之間的距離n，使得可消除空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19和平凸透鏡6之間的間隙環(huán)，從而可減少部件數(shù)量。而且，在本實(shí)施例中，平凸透鏡6和固態(tài)成像元件10可接合在一起，以便減少部件數(shù)量，從而可進(jìn)一步改善成像裝置的組裝性能。
第八實(shí)施例圖17示出了第八實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體的結(jié)構(gòu)，第八實(shí)施例與第五實(shí)施例、第六實(shí)施例和第七實(shí)施例的不同在于物鏡光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖18是第八實(shí)施例的成像裝置的詳細(xì)視圖。物鏡光學(xué)系統(tǒng)包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19，如圖所示元件。物鏡由單個(gè)非球面雙凸透鏡6’組成。因此，成像裝置按照從物體側(cè)的順序包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19，非球面雙凸透鏡6’，以及固態(tài)成像元件10的受光表面?？蚣?3在物體側(cè)具有開(kāi)口25，該開(kāi)口25用作光闌，緊隨其后的是空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。
這種由單個(gè)非球面雙凸透鏡組成的結(jié)構(gòu)不能具有足夠大的后焦點(diǎn)。因此，空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19設(shè)置在物鏡光學(xué)系統(tǒng)的光闌的位置。非球面透鏡能夠獨(dú)自對(duì)視野曲率和球面像差進(jìn)行校正。這可產(chǎn)生一種視野深度較大并且像差校正令人滿意同時(shí)具有廣角視野的極其緊湊的成像裝置。使用這種成像裝置會(huì)有助于進(jìn)一步縮短膠囊內(nèi)視鏡本體的全長(zhǎng)L。而且，與第六實(shí)施例一樣，用于形成成像裝置的部件可按順序被插入和固定在框架23內(nèi)用于組裝。也就是說(shuō)，空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19、間隙環(huán)24、非球面雙凸透鏡6以及固態(tài)成像元件10可按照從物體側(cè)的順序被插入和固定在框架23內(nèi)。這可降低成像裝置的組裝成本。
第九實(shí)施例圖19(a)和圖19(b)是第九實(shí)施例的成像裝置的詳細(xì)視圖，從物體側(cè)看，圖19(a)是側(cè)視圖，圖19(b)是端視圖。第九實(shí)施例與第八實(shí)施例的不同在于物鏡光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。物鏡光學(xué)系統(tǒng)包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。物鏡由具有正屈光力的單個(gè)非球面透鏡組成。因此，成像裝置按照從物體側(cè)的順序包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19，非球面雙凸透鏡6’，以及固態(tài)成像元件10的受光表面?？蚣?3在物體側(cè)具有開(kāi)口25，該開(kāi)口25用作光闌，緊隨其后的是空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。在框架23內(nèi)形成的光闌或開(kāi)口25大體是方形?？臻g頻率特性轉(zhuǎn)換器19也形成為大體方形。因此，框架23具有大體方形的內(nèi)輪廓，以便收納空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。
固態(tài)成像元件10也形成為大體方形。因此，框架23具有大體方形的內(nèi)輪廓，以便收納固態(tài)成像元件10。如圖23所示，面向光闌或開(kāi)口25的空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19的大體方形區(qū)域具有自由三維曲面。固態(tài)成像元件10的像素陣列的垂直(V)和水平(H)方向與空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19和光闌或開(kāi)口25的大體方形區(qū)域的垂直和水平方向?qū)?zhǔn)。這可增強(qiáng)固態(tài)成像元件10的成像性能。
框架23具有一結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可確定空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19和非球面雙凸透鏡6’之間的距離n。這樣可無(wú)需在空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19和非球面雙凸透鏡6’之間設(shè)置間隙環(huán)，從而可進(jìn)一步減少部件數(shù)量。使用本實(shí)施例的框架結(jié)構(gòu)可消除第八實(shí)施例的垂直和水平對(duì)準(zhǔn)操作，即消除固態(tài)成像元件10、空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19以及光闌或開(kāi)口25的垂直和水平對(duì)準(zhǔn)操作。與第八實(shí)施例一樣，用于形成成像裝置的部件可在組裝過(guò)程中容易被插入和固定在框架23內(nèi)。
第十實(shí)施例圖20是從物體側(cè)看到的第十實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體1的前視圖。圖21是圖20所示的在“.”方向上的成像裝置的剖面圖。本實(shí)施例使用多個(gè)物鏡光學(xué)系統(tǒng)26、一個(gè)中心物鏡6、以及單個(gè)固態(tài)成像元件10。提供有光學(xué)物鏡6，用于在直接觀察方向上觀察；以及物鏡光學(xué)系統(tǒng)26，用于在透視觀察方向上觀察。各物鏡光學(xué)系統(tǒng)均具有空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。
一般，難以控制膠囊內(nèi)視鏡本體在病人體內(nèi)的觀察方向。因此，擴(kuò)展成像系統(tǒng)的觀察范圍對(duì)于實(shí)現(xiàn)體內(nèi)最大程度的觀察和診斷是必要的。本實(shí)施例使用具有不同觀察方向的多個(gè)物鏡光學(xué)系統(tǒng)。這可使體內(nèi)的觀察范圍得到擴(kuò)展。各物鏡光學(xué)系統(tǒng)均設(shè)有空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19。因此，即便使用多個(gè)物鏡光學(xué)系統(tǒng)，也可消除聚焦操作。結(jié)果，本實(shí)施例的膠囊內(nèi)視鏡本體可實(shí)現(xiàn)觀察范圍的擴(kuò)展，并可易于組裝。
圖像處理裝置可對(duì)由多個(gè)物鏡光學(xué)系統(tǒng)從若干不同方向觀察的并且形成在固態(tài)成像元件10上的圖像進(jìn)行處理，以便生成失真較少的單個(gè)廣角圖像。當(dāng)同一物體由各個(gè)物鏡光學(xué)系統(tǒng)觀察時(shí)出現(xiàn)的視差可用于生成三維圖像。如上所述把一個(gè)包括具有不同觀察方向的多個(gè)物鏡光學(xué)系統(tǒng)的成像裝置與一個(gè)圖像處理裝置進(jìn)行組合的這種膠囊內(nèi)視鏡本體可獲得針對(duì)膠囊內(nèi)視鏡本體內(nèi)的具體觀察和診斷狀況而優(yōu)化的圖像。本實(shí)施例使用五個(gè)物鏡光學(xué)系統(tǒng)，但也可使用其他數(shù)量的物鏡光學(xué)系統(tǒng)。
第十一實(shí)施例圖35顯示本發(fā)明的第十一實(shí)施例。該實(shí)施例與第四實(shí)施例的不同在于，圖像數(shù)據(jù)處理裝置27包括一個(gè)信號(hào)處理電路17，該信號(hào)處理電路17恢復(fù)空間頻率特性以便形成具有擴(kuò)展視野深度的圖像。參考數(shù)字28表示一個(gè)監(jiān)視電視，用于顯示由膠囊內(nèi)視鏡捕獲的物體的圖像。
這使得能夠簡(jiǎn)化接收器16的電子電路并減小接收器16的功率需求，也就是說(shuō)，減小接收器16中電池尺寸。因此，接收器16被小型化，這可以減小病人在進(jìn)行檢查時(shí)佩帶該接收器的負(fù)擔(dān)。
可以使用一個(gè)個(gè)人計(jì)算機(jī)作為包括信號(hào)處理電路17的圖像數(shù)據(jù)處理裝置27。在此情況下，通過(guò)使用CD-ROM等可以容易地對(duì)用于恢復(fù)的軟件進(jìn)行版本升級(jí)或更新。而且，通過(guò)把該計(jì)算機(jī)改換為一個(gè)具有高速CPU的計(jì)算機(jī)或者一個(gè)可以由醫(yī)生很容易攜帶的便攜式計(jì)算機(jī)，可以建立一個(gè)滿足醫(yī)生的各種需求的靈活的膠囊內(nèi)視鏡觀察系統(tǒng)。
在該圖中，接收器16和圖像數(shù)據(jù)處理裝置與用于發(fā)送圖像數(shù)據(jù)信號(hào)的電纜29電連接。但是，為該相同目的也可以使用無(wú)線傳輸?？梢允褂眯?shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)把圖像數(shù)據(jù)從接收器16傳送到圖像數(shù)據(jù)處理裝置。
第十二實(shí)施例圖36顯示可以用于根據(jù)本發(fā)明的膠囊內(nèi)視鏡例子的物鏡系統(tǒng)的橫截面圖。
物鏡系統(tǒng)包括光瞳調(diào)制元件19，孔徑光闌25a，具有一個(gè)小孔25；正彎月透鏡元件100；和平凸透鏡元件101。光瞳調(diào)制元件19在其圖像側(cè)表面具有自由形狀的非球面表面，其形狀由下面的函數(shù)(a)表示。該表面位于瞳面，用作一個(gè)空間頻率特性轉(zhuǎn)換器。
z＝0.22 1(x*3+y*3) (a)其中x*3表示x的立方(x的三次方)。z軸在光軸上，x和y軸是垂直于z軸的平面中的兩個(gè)正交坐標(biāo)。坐標(biāo)的原點(diǎn)在x-y平面上。
透鏡數(shù)據(jù)如下給出。長(zhǎng)度單位是毫米。

其中r1，r2，…，表示表面的曲率半徑，d1，d2，…表示表面之間的距離，nd1，nd2，…表示每個(gè)透鏡的折射率，vd1，vd2，…表示每個(gè)透鏡的阿貝數(shù)。在該數(shù)據(jù)表中，表面r2被指定為一個(gè)平面。但是，實(shí)際的表面r2具有的形狀是，其原點(diǎn)位于r2平面的由函數(shù)(a)修定的平面。
圖37到圖39是當(dāng)物體距離分別是5mm，13.5mm和100mm時(shí)物鏡系統(tǒng)的OTF。
在圖像拾取裝置具有8μm像素間距的情況下，該裝置的奈奎斯特頻率是63線對(duì)/mm。如圖37-39所示，該物鏡系統(tǒng)具有在奈奎斯特頻率的空間頻率響應(yīng)。因此，可以通過(guò)使用一個(gè)用于恢復(fù)由光瞳調(diào)制元件修改的圖像數(shù)據(jù)空間頻率的處理裝置來(lái)恢復(fù)OTF分布。
在本例中，最大圖像高度(IH)是0.6mm。
圖40-42是一個(gè)物鏡系統(tǒng)的OTF，該物鏡系統(tǒng)的表面r2由一個(gè)不具有自由形狀非球面表面的平面表面代替，其余部件與上面描述的物鏡系統(tǒng)完全相同。圖40，圖41和圖42中的物鏡距離分別是5mm，13.5mm，100mm。
如圖40所示，OTF在高頻率區(qū)幾乎變?yōu)榱?，因此，即使?yīng)用了處理裝置，也很難恢復(fù)OTF頻率。而且，發(fā)生相位反轉(zhuǎn)，并且產(chǎn)生了偽分辨(spurious resolution)。此外，由于該物鏡系統(tǒng)的取決于物體距離的OTF變化大于具有空間頻率特性轉(zhuǎn)換器的物鏡系統(tǒng)的OTF變化，一個(gè)適合于一個(gè)物體距離的處理裝置不適用于另一個(gè)物體距離。
第十三實(shí)施例圖43顯示可以用于根據(jù)本發(fā)明的膠囊內(nèi)視鏡例子的另一個(gè)物鏡系統(tǒng)的橫截面圖。
該物鏡系統(tǒng)包括孔徑光闌25a，具有一個(gè)小孔25；正透鏡元件110；和平凸透鏡元件111。正透鏡元件110在其物體側(cè)表面具有自由形狀的非球面表面，其形狀由下面的函數(shù)(b)表示。該表面位于瞳面，用作一個(gè)空間頻率特性轉(zhuǎn)換器。
z＝0.29 1(x*3+y*3)(b)透鏡數(shù)據(jù)如下給出。長(zhǎng)度單位是毫米。

表面r2被指定為一個(gè)平面。但是，實(shí)際的表面r2具有的形狀是，其原點(diǎn)位于r2平面的由函數(shù)(a)修定的平面。
圖44到圖46是當(dāng)物體距離分別是5mm，15.5mm和100mm時(shí)物鏡系統(tǒng)的OTF。
在圖像拾取裝置具有8μm像素間距的情況下，該裝置的奈奎斯特頻率是63線對(duì)/mm。如圖44-46所示，該物鏡系統(tǒng)具有在奈奎斯特頻率的空間頻率響應(yīng)。因此，可以通過(guò)使用一個(gè)用于恢復(fù)由在平面r2上形成的空間頻率轉(zhuǎn)換器修改的圖像數(shù)據(jù)空間頻率的處理裝置來(lái)恢復(fù)OTF分布。
在本例中，最大圖像高度(IH)是0.775mm。
圖47-49是一個(gè)物鏡系統(tǒng)的OTF，該物鏡系統(tǒng)的表面r2由一個(gè)平面表面代替，其余部件與上面描述的物鏡系統(tǒng)完全相同。圖47，圖48和圖49中的物體距離分別是5mm，15.5mm，和100mm。
如圖47所示，OTF幾乎變?yōu)榱悖词箲?yīng)用了處理裝置，也很難恢復(fù)OTF頻率。而且，發(fā)生相位反轉(zhuǎn)，并且產(chǎn)生了偽分辨。此外，由于該物鏡系統(tǒng)的取決于物體距離的OTF變化大于具有空間頻率特性轉(zhuǎn)換器的物鏡系統(tǒng)的OTF變化，一個(gè)適合于一個(gè)物體距離的處理裝置不適用于另一個(gè)物體距離。
膠囊內(nèi)視鏡本體可從外部電源連續(xù)獲得電力這一事實(shí)可解決膠囊內(nèi)視鏡本體內(nèi)缺電的問(wèn)題。這可使體內(nèi)用于診斷的觀察時(shí)間延長(zhǎng)。并且，第一實(shí)施例至第十三實(shí)施例的所有物鏡光學(xué)系統(tǒng)都可使用塑料透鏡。如上所述，本發(fā)明的成像系統(tǒng)可解決現(xiàn)有膠囊內(nèi)視鏡的物鏡光學(xué)系統(tǒng)所遇到的問(wèn)題，即成像性能惡化，以及由于體內(nèi)溫度和濕度變化導(dǎo)致無(wú)法聚焦。使用帶有空間頻率特性轉(zhuǎn)換器19的塑料透鏡會(huì)減少光學(xué)系統(tǒng)的重量，從而實(shí)現(xiàn)一種輕質(zhì)膠囊內(nèi)視鏡。這有助于通過(guò)病人體內(nèi)的膠囊內(nèi)視鏡本體的磁感應(yīng)來(lái)進(jìn)行位置控制。塑料透鏡還大大有助于降低生產(chǎn)成本，而生產(chǎn)成本的降低可使膠囊內(nèi)視鏡本體在一次性使用之后丟棄。
本發(fā)明如上所述，將顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明可采用多種方式加以更改。例如，本發(fā)明第一實(shí)施例至第十三實(shí)施例的各電源14均可至少部分地由外部電源供電，電能經(jīng)由諸如微波那樣的電磁波被傳送到膠囊內(nèi)視鏡本體?？商峁┨炀€15，用于接收微波，而且還可提供電源14，該電源14把微波轉(zhuǎn)換為電能，然后，該電能被存儲(chǔ)在諸如電容器或可再充電的電池那樣的公知裝置內(nèi)。通過(guò)使天線15與諸如圖像傳輸那樣的其他功能共享，可進(jìn)一步縮短膠囊內(nèi)視鏡的尺寸。這樣，可向膠囊內(nèi)視鏡連續(xù)提供電能，并可使儲(chǔ)能裝置尺寸更小，而這就可使膠囊內(nèi)視鏡本體尺寸更小。并且，物鏡光學(xué)系統(tǒng)可包括玻璃透鏡，只要這些玻璃透鏡不包含諸如砷和鉛那樣的有害物質(zhì)就行，因?yàn)檫@些物質(zhì)對(duì)于在人體內(nèi)使用是不安全的，而且會(huì)產(chǎn)生處理問(wèn)題。這些變動(dòng)不應(yīng)被視為背離本發(fā)明的精神和范圍。而本發(fā)明的范圍應(yīng)按照所附權(quán)利要求及其合法等同物的規(guī)定來(lái)定義。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，所有這些修改都應(yīng)被包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種膠囊內(nèi)視鏡本體，其包括下列被密封在膠囊內(nèi)視鏡本體內(nèi)的部件，這些部件是照射系統(tǒng)，用于照射空腔內(nèi)部；成像系統(tǒng)，用于使由照射系統(tǒng)照射的內(nèi)部成像，所述成像系統(tǒng)包括物鏡光學(xué)系統(tǒng)和圖像傳感器，該圖像傳感器可掃描圖像以便把圖像轉(zhuǎn)換為電輸出信號(hào)；以及發(fā)送器，用于發(fā)送由圖像傳感器輸出的信號(hào)；其特征在于成像系統(tǒng)還包括空間頻率特性轉(zhuǎn)換器，該空間頻率特性轉(zhuǎn)換器可使成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)在對(duì)焦位置的某個(gè)范圍內(nèi)保持大體恒定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，物鏡光學(xué)系統(tǒng)由具有正屈光力的單個(gè)非球面透鏡組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，物鏡光學(xué)系統(tǒng)僅由兩個(gè)透鏡組形成，各透鏡組均具有正屈光力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，物鏡光學(xué)系統(tǒng)按照從物體側(cè)的順序包括具有總負(fù)屈光力的第一透鏡組以及具有總正屈光力的第二透鏡組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，空間頻率特性轉(zhuǎn)換器具有孔，該孔的形狀與圖像傳感器的受光部分的孔形狀相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，圖像傳感器是MOS型圖像傳感器或CCD圖像傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，用于操作膠囊內(nèi)視鏡本體的電力由位于密封膠囊內(nèi)視鏡本體內(nèi)的至少一個(gè)電池提供。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，用于操作膠囊內(nèi)視鏡本體的電力至少部分地由膠囊內(nèi)視鏡本體提供，該膠囊內(nèi)視鏡本體接收來(lái)自位于密封膠囊內(nèi)視鏡本體外的電源的電磁能。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，物鏡光學(xué)系統(tǒng)由塑料透鏡形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，在所述膠囊內(nèi)視鏡本體內(nèi)還包括信號(hào)處理電路，用于針對(duì)成像系統(tǒng)的制造公差進(jìn)行調(diào)整。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，密封膠囊具有透明、大體橢圓形的尖端部罩，該尖端部罩罩住物鏡光學(xué)系統(tǒng)和照射系統(tǒng)雙方的前部。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，密封膠囊具有透明尖端部罩，該罩罩住物鏡光學(xué)系統(tǒng)和照射系統(tǒng)雙方的前部，該尖端部罩在用于罩住物鏡光學(xué)系統(tǒng)前部的部分具有的形狀與該尖端部罩在用于罩住照射系統(tǒng)前部的部分具有的形狀不同。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，空間頻率特性轉(zhuǎn)換器大體位于物鏡光學(xué)系統(tǒng)的光瞳處。
14.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，一個(gè)用于收納物鏡光學(xué)系統(tǒng)的框架在物鏡光學(xué)系統(tǒng)的物體側(cè)具有開(kāi)口，該開(kāi)口用作光闌，空間頻率特性轉(zhuǎn)換器大體位于該光闌處。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，所述空間頻率特性轉(zhuǎn)換器具有圓孔。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡本體，其特征在于，成像系統(tǒng)還包括一個(gè)或多個(gè)附加的物鏡光學(xué)系統(tǒng)。
17.一種膠囊內(nèi)視鏡接收器，用于接收從膠囊內(nèi)視鏡本體發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，其特征在于所述圖像數(shù)據(jù)已由空間頻率特性轉(zhuǎn)換器修改，該空間頻率特性轉(zhuǎn)換器使成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)在對(duì)焦位置的某個(gè)范圍內(nèi)保持大體恒定；以及所述膠囊內(nèi)視鏡接收器包括信號(hào)處理器，用于恢復(fù)所修改圖像數(shù)據(jù)的空間頻率成分。
18.一種膠囊內(nèi)視鏡系統(tǒng)，該膠囊內(nèi)視鏡系統(tǒng)包括權(quán)利要求1中定義的膠囊內(nèi)視鏡本體和權(quán)利要求17中定義的膠囊內(nèi)視鏡接收器。
19.一種膠囊內(nèi)視鏡系統(tǒng)，該膠囊內(nèi)視鏡系統(tǒng)包括權(quán)利要求10中定義的膠囊內(nèi)視鏡本體和一個(gè)用于接收從膠囊內(nèi)視鏡本體發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)的膠囊內(nèi)視鏡接收器。
20.一種膠囊內(nèi)視鏡系統(tǒng)，該膠囊內(nèi)視鏡系統(tǒng)包括權(quán)利要求1定義的膠囊內(nèi)視鏡本體、一個(gè)用于接收從膠囊內(nèi)視鏡本體發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)的膠囊內(nèi)視鏡接收器、和一個(gè)用于處理該圖像數(shù)據(jù)并把圖像顯示在監(jiān)視器上的圖像數(shù)據(jù)處理裝置，其中所述圖像數(shù)據(jù)處理裝置包括信號(hào)處理器，該信號(hào)處理器用于恢復(fù)所修改圖像數(shù)據(jù)的空間頻率內(nèi)容。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種膠囊內(nèi)視鏡本體，該膠囊內(nèi)視鏡本體設(shè)有空間頻率特性轉(zhuǎn)換器，該空間頻率特性轉(zhuǎn)換器可使膠囊內(nèi)視鏡的成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)在對(duì)焦位置的某個(gè)范圍內(nèi)保持大體恒定。從膠囊內(nèi)視鏡本體獲得的圖像的視野深度通過(guò)信號(hào)處理而增加，以便取消空間頻率特性轉(zhuǎn)換器的影響。而且，在膠囊內(nèi)視鏡本體內(nèi)可提供信號(hào)處理，用于減少由于制造公差引起的圖像質(zhì)量變化。然而，優(yōu)選的是，某些信號(hào)處理可在與膠囊內(nèi)視鏡本體分開(kāi)的接收器內(nèi)進(jìn)行。
文檔編號(hào)A61B1/273GK1433734SQ03100098
公開(kāi)日2003年8月6日 申請(qǐng)日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月18日
發(fā)明者松本伸也 申請(qǐng)人:奧林巴斯光學(xué)工業(yè)株式會(huì)社