專利名稱：膠囊內(nèi)窺鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及膠囊內(nèi)窺鏡。
背景技術(shù)：
膠囊內(nèi)窺鏡近來已經(jīng)在醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域投入廣泛使用。目前的醫(yī)療內(nèi)窺鏡不具有插入部件，并且不再需要一個插入過程。這些醫(yī)療內(nèi)窺鏡被封裝在病人可以吞入的膠囊內(nèi)。這消除了在使用具有插入部件的現(xiàn)有技術(shù)內(nèi)窺鏡時所造成的痛苦。例如，膠囊內(nèi)窺鏡的例子包括在日本待審專利申請2001-91860和專利公開PCT WO 00/76391 A1中披露的膠囊內(nèi)窺鏡。
在日本待審專利申請2001-91860中披露的現(xiàn)有技術(shù)膠囊內(nèi)窺鏡配備有在一個近似半球形透明蓋內(nèi)的一個物鏡和一個照明裝置，該照明裝置由相對于物鏡對稱設(shè)置的多個發(fā)光二極管組成。物體的一部分被發(fā)光二極管照射，并由物鏡在一個圖像傳感器上成像以進行觀察。專利公開PCT WO 00/76391 A1中披露的現(xiàn)有技術(shù)膠囊內(nèi)窺鏡包括單個橢圓頂光學窗口。在橢圓頂?shù)慕裹c曲線平面上方或與其接觸的位置設(shè)置一個照明元件和一個接收元件。在焦點曲線上設(shè)置多個照明元件，使得當照射光的一部分被窗口的內(nèi)外表面反射時，來自照明元件的光返回焦點曲線上的某個其它點。因此，接收元件位于焦點曲線之外的位置，以便防止在橢圓頂?shù)慕缑嫣幏瓷涞墓膺M入接收元件，從而防止不利地影響圖像正確檢測的閃爍和重影。
日本待審專利申請2001-91860中披露的現(xiàn)有技術(shù)膠囊內(nèi)窺鏡沒有描述一個具有以下功能的裝置，即防止或減少來自照明裝置的一部分照明光在透明蓋的空氣界面處反射后進入物鏡所導致的閃爍和重影。專利公開PCT WO 00/76391 A1中披露的現(xiàn)有技術(shù)膠囊內(nèi)窺鏡使用一個用于照明和觀察窗口的橢圓頂透明蓋，其制造成本比半球形透明蓋高。此外，在焦點曲線上設(shè)置多個照明元件。由于應(yīng)該調(diào)整每個元件的位置，這種設(shè)計需要額外的勞動量。
當照明元件是發(fā)光元件(LED)時，照明元件具有不能忽略的尺寸大小。因此為了把LED設(shè)置在焦點曲線上，焦點曲線應(yīng)該足夠長以容納可以放置LED的區(qū)域。這造成橢圓頂?shù)某叽缱兊幂^大，不利的是，這需要膠囊的尺寸較大。但是，增加膠囊的尺寸是不希望的，因為吞下一個較大尺寸的膠囊內(nèi)窺鏡是困難、甚至痛苦的。因此，喪失了使用膠囊內(nèi)窺鏡的優(yōu)點。因此，照明裝置和圖像檢測元件在一個膠囊內(nèi)的布置必須被設(shè)計得使膠囊盡可能小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種被吞下以便檢查生物體的內(nèi)部區(qū)域的膠囊內(nèi)窺鏡。更具體地說，本發(fā)明提供一種易于制造并且成本低廉的具有透明蓋的小尺寸膠囊內(nèi)窺鏡，并且其使得來自照明裝置的不需要光難以進入物鏡光學系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種膠囊內(nèi)窺鏡，包括用于照射一個物體的照明裝置；用于對物體成像的成像裝置；和具有一曲率中心的透明蓋，所述透明蓋蓋住照明裝置和成像裝置；其中成像裝置包括物鏡光學系統(tǒng)和圖像檢測元件；并且照明裝置相對于圖像檢測元件布置，使得當從物體側(cè)觀察膠囊內(nèi)窺鏡時，一個相對于物鏡光學系統(tǒng)的光軸與照明裝置的一個發(fā)光區(qū)域?qū)ΨQ布置的區(qū)域與圖像檢測元件的一個區(qū)域重疊，但是不與圖像檢測元件的用于圖像檢測的任何區(qū)域重疊；其中所述物鏡光學系統(tǒng)具有一入射光瞳；透明蓋具有內(nèi)表面和外表面，該內(nèi)表面的曲率中心位于入射光瞳位置；并且該透明蓋的厚度從與入射光瞳對置處的最大值向該透明蓋的周邊遞減。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種膠囊內(nèi)窺鏡，包括用于照射一個物體的照明裝置；用于對物體成像的成像裝置；和透明蓋，蓋住照明裝置和成像裝置；其中成像裝置包括物鏡光學系統(tǒng)和圖像檢測元件；照明裝置相對于圖像檢測元件布置，使得當從物體側(cè)觀察膠囊內(nèi)窺鏡時，一個相對于物鏡光學系統(tǒng)的光軸與照明裝置的一個發(fā)光區(qū)域?qū)ΨQ布置的區(qū)域與圖像檢測元件的一個區(qū)域重疊，但是不與圖像檢測元件的用于圖像檢測的任何區(qū)域重疊；其中所述物鏡光學系統(tǒng)具有一入射光瞳；該透明蓋具有一個外表面，該外表面的曲率中心位于入射光瞳位置；以及該透明蓋的厚度從與入射光瞳對置處的最大值向該透明蓋的周邊遞減。


根據(jù)以下詳細說明和僅以示例方式給出的、因而不作為本發(fā)明限制的附圖，可以更全面地理解本發(fā)明，在附圖中圖1(A)和1(B)顯示使用根據(jù)本發(fā)明第一實施例的膠囊內(nèi)窺鏡的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)；
圖2(A)顯示膠囊內(nèi)窺鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剖面圖，圖2(B)顯示根據(jù)本發(fā)明第一實施例、當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、圖像檢測裝置和照明裝置之間的位置關(guān)系；圖3是根據(jù)本發(fā)明的物鏡光學系統(tǒng)和CMOS圖像檢測元件的像面的放大圖；圖4(A)和4(B)顯示使用半球形窗口的物鏡光學系統(tǒng)的效果，其中圖4(A)顯示照明光位于半球形透明蓋的曲率中心時的情況，圖4(B)顯示照明光位于其它位置時的情況；圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的膠囊內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)的橫剖面圖；圖6是解釋透明蓋的操作的有關(guān)細節(jié)的圖；圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的第一可能改進的膠囊內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)的橫剖面圖；圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的第二可能改進的膠囊內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)的橫剖面圖；圖9是顯示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的第三可能改進的膠囊內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)的橫剖面圖；圖10(A)和10(B)涉及本發(fā)明的第三實施例，其中圖10(A)是橫剖面圖，圖10(B)顯示當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、照明裝置和圖像檢測元件之間的位置關(guān)系；圖11(A)-11(D)涉及本發(fā)明的第四實施例，其中圖11(A)是橫剖面圖，圖11(B)顯示ON狀態(tài)，圖11(C)顯示當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、照明裝置和圖像檢測元件之間的位置關(guān)系，圖11(D)顯示圖11(C)所示位置關(guān)系的一個可能改進；圖12(A)-12(C)涉及本發(fā)明的第五實施例，其中圖12(A)是膠囊內(nèi)窺鏡的尖端部的橫剖面圖，圖12(B)顯示當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、照明裝置和圖像檢測元件之間的位置關(guān)系，圖12(C)顯示圖12(B)所示位置關(guān)系的第一可能改進；圖13(A)和13(B)涉及第五實施例的第二可能改進，其中，不是使用用于成像的單個透鏡，而是把能夠提供具有用于三維觀察的不同視差的圖像的左和右成像系統(tǒng)設(shè)置在膠囊內(nèi)，圖13(A)是顯示包括多個物鏡光學系統(tǒng)的膠囊內(nèi)窺鏡的尖端部的主要部件的結(jié)構(gòu)的橫剖面圖，圖13(B)顯示當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、成像裝置和照明裝置之間的位置關(guān)系；圖14(A)和14(B)涉及第五實施例的第三可能改進，其中圖14(A)顯示包括多個物鏡光學系統(tǒng)的膠囊內(nèi)窺鏡的尖端部的主要部件的結(jié)構(gòu)的橫剖面圖，圖14(B)顯示當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、成像裝置和照明裝置之間的位置關(guān)系；圖15是顯示在生物體的內(nèi)腔形狀的部分內(nèi)移動的本發(fā)明膠囊內(nèi)窺鏡的橫剖面圖；圖16(A)和16(B)顯示兩個不同的光通量分布，其中圖16(A)是從一個LED發(fā)射的光束的光通量分布，其使得在峰值強度點的50％處測量的半光束角為25°，圖16(B)是從一個具有擴散裝置的LED發(fā)射的光束的光通量分布，其使得在峰值強度點的50％處測量的半光束角較大，在此情況中為35°。
具體實施例方式
本發(fā)明的膠囊內(nèi)窺鏡采用一個透明的圓頂狀蓋，蓋的內(nèi)表面具有一個曲率中心。在透明蓋內(nèi)設(shè)置有一個用于照射透明蓋外的物體的發(fā)光裝置和一個成像裝置，成像裝置包括一個物鏡光學系統(tǒng)和一個圖像檢測元件，該圖像檢測元件捕獲由物鏡光學系統(tǒng)形成的圖像的圖像數(shù)據(jù)。物鏡光學系統(tǒng)可以被布置為，使得其光軸位于透明圓頂?shù)膬?nèi)表面的曲率中心上。
當觀察一個生物體內(nèi)腔的內(nèi)壁時，所感興趣的觀看區(qū)域經(jīng)常在視野的周邊。一個形成為曲面的透明蓋被安裝在成像裝置前方，并且把透明蓋密封到膠囊本體上。在此情況下，位于視野周邊的所感興趣的內(nèi)腔狀內(nèi)部非?？拷谡彰餮b置，以致于在視野周邊處經(jīng)常發(fā)生過度曝光。本發(fā)明采用的結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)良的觀察圖像，并且避免了在視野周邊處的過度曝光現(xiàn)象。更具體地說，膠囊內(nèi)窺鏡被如此構(gòu)成，使得當從物體側(cè)觀察膠囊內(nèi)窺鏡時，照明裝置和成像裝置之間的位置關(guān)系被確定為，使得一個相對于光軸與照明裝置對稱的區(qū)域?qū)⒈化B加(overlap)到圖像檢測元件的圖像捕獲區(qū)域之外的區(qū)域上。在一種情況中，圖像檢測裝置的圖像檢測區(qū)域中的一部分被一個不透明元件所覆蓋，并且相對于光軸與照明裝置對稱的區(qū)域與該覆蓋區(qū)域重疊。在另一種情況中，圖像檢測元件的圖像檢測區(qū)域中的一部分被電氣遮蔽使得該遮蔽區(qū)域不可操作，并且相對于光軸與照明裝置對稱的區(qū)域與該電氣遮蔽區(qū)域重疊。在此，詞“不可操作”的意思包括一個電氣遮蔽區(qū)域內(nèi)的像素不產(chǎn)生電信號，或者那些像素產(chǎn)生的電信號不被用于構(gòu)成要觀察的圖像。在再一種情況中，相對于光軸與照明裝置對稱的區(qū)域與圖像檢測區(qū)域以外的區(qū)域重疊。在上述任何一種情況中，相對于光軸與照明裝置對稱的區(qū)域與圖像檢測元件的一個區(qū)域重疊，但不與圖像檢測元件的任何用于圖像檢測的區(qū)域重疊。因此，即使透明蓋的內(nèi)表面反射了照明光束，這種不希望的光也將不會對所捕獲的圖像有貢獻，因為它不會入射到圖像檢測裝置的有效區(qū)域上。
圖15是顯示當在生物體內(nèi)的小直徑、內(nèi)腔狀部分內(nèi)移動以進行觀察時膠囊內(nèi)窺鏡的狀態(tài)的橫剖面圖。人類消化道(即，膠囊內(nèi)窺鏡的通常觀察路徑)的大約80％長度是在具有較小直徑的小腸內(nèi)。內(nèi)腔狀內(nèi)部90具有一個緊鄰著透明窗口的部分98，并且該部分(是主要關(guān)注的部分)容易被照明裝置92過度曝光。在透明蓋的曲率半徑為約5mm的膠囊內(nèi)窺鏡中，物體的過度曝光部分98位于以照明裝置92為中心大約3mm的范圍內(nèi)。在該圖中，93是物鏡光學系統(tǒng)，94是圖像檢測元件，100是像面。
通常使用LED作為照明裝置。利用這種照明裝置時，存在一個對被照射平面上的照度有特別強貢獻的區(qū)域。一般來說，LED的光通量輸出具有高斯分布，輸出總光量的大約75％集中在一個從LED的光軸測量的角度范圍內(nèi)，該角度范圍內(nèi)的強度比超過0.5。這種光強烈地影響被照射平面上的照度分布。如圖16(A)所示，從一個LED發(fā)射的光的通量分布具有很強的方向性，正規(guī)化強度比(在Y軸上測量)超過0.5時的光束寬度(在X軸上測量)大約是25°。在該光束寬度外側(cè)發(fā)射的光線對被照射平面上的照度分布沒有大的影響。當使用具有如圖16(B)所示的改善通量分布特性的LED時，其中一個緊鄰LED前方設(shè)置的光散射器提供了擴散功能，正規(guī)化強度比(在Y軸上測量)超過0.5時的光束寬度(在X軸上測量)大約是35°。優(yōu)選使用后一種情況的LED作為膠囊內(nèi)窺鏡的照明裝置。此時，如果LED的發(fā)光平面是一個具有半徑r的圓，當將其投影到位于LED發(fā)光平面前方3mm的平面上時，半徑r以大約2到3.5的放大系數(shù)被放大。
現(xiàn)在對在通過物鏡光學系統(tǒng)93時的圖像形成關(guān)系進行說明。過度曝光部分98是一個在視野角度θ外側(cè)延伸的區(qū)域，并且在該區(qū)域中，攝像物體的尺寸被縮小并且在物鏡光學系統(tǒng)93的光軸相反側(cè)的像面100上的一個“對稱區(qū)域”形成一個圖像。膠囊內(nèi)窺鏡的物鏡光學系統(tǒng)對于一個鄰近透明蓋的物體的放大率在約0.25到0.5的范圍內(nèi)。另一方面，物鏡光學系統(tǒng)93能夠?qū)嶋H在像面上形成圖像的范圍會比圖15所示的視野角度θ大。因此，在膠囊內(nèi)窺鏡的物鏡光學系統(tǒng)中，物鏡光學系統(tǒng)和圖像檢測元件之間的布置關(guān)系被設(shè)置為，使得來自視野角度θ外側(cè)的過量光通量的圖像形成區(qū)域入射到圖像檢測元件的一個不用于圖像檢測的區(qū)域?；蛘撸娲@種布置，可以通過在圖像處理操作時把視野角度θ外側(cè)的圖像形成區(qū)域電氣遮蔽來確定視野角度θ的范圍。
因此，對于一個小型膠囊內(nèi)窺鏡來說，當照明裝置和成像裝置位于光軸相反兩側(cè)時，必須適當?shù)卮_定從膠囊內(nèi)窺鏡的前方觀察到的二者之間的位置關(guān)系，以便提供盡可能大的視野，并提供合適的亮度，使得不會發(fā)生視野內(nèi)的物體的過度曝光。
如上所述，當使用一個具有光散射器的LED作為照明裝置時，在發(fā)射光被投影到在LED前方約3mm的平面上時，LED的發(fā)光區(qū)域被放大約2到3.5倍，并且在該距離處的一個物體被物鏡光學系統(tǒng)成像到像面上。擴散器的發(fā)光平面被物鏡光學系統(tǒng)以大約0.9到1.0的放大率成像，因為物鏡光學系統(tǒng)對一個鄰近物體的放大率是大約0.25到0.5。該圖像的位置相對于光軸與LED對稱。這意味著，當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時，相對于光軸與具有擴散器的LED的發(fā)光區(qū)域?qū)ΨQ的圖像檢測表面上的一個區(qū)域幾乎與具有擴散器的LED的發(fā)光區(qū)域一致。
根據(jù)上述說明，如果與照明裝置對稱的一個區(qū)域所重疊的像面上的一個區(qū)域成為一個不用于成像的區(qū)域，那么可以避免過度曝光部分成為一個圖像。以此方式，可以避免照明裝置的高發(fā)光強度對圖像的過度曝光而導致物體圖像的劣化。
此外，當基于由圖像檢測元件檢測的圖像的亮度來調(diào)整照明強度時，如上所述，由于從圖像中排除了強反射光，可以避免調(diào)整誤差。
根據(jù)照明源、物鏡以及圖像檢測元件的設(shè)置和尺寸的一個示范例，詳細說明了排除過度曝光的情況。一般，在膠囊內(nèi)窺鏡中存在相似的情況，其中照明源和物鏡光學系統(tǒng)并行設(shè)置并被一個透明圓頂狀蓋所覆蓋。因此可以把本發(fā)明的基本思想廣泛地應(yīng)用到不同的膠囊內(nèi)窺鏡。照明裝置92和成像裝置94最好應(yīng)該被布置為盡可能相互接近，以便構(gòu)造小尺寸的膠囊內(nèi)窺鏡。但是，如果相對于物鏡光學系統(tǒng)93的光軸與照明裝置92對稱的像面100上的成像區(qū)域是一個用于成像的區(qū)域，那么接觸透明蓋周邊的物體會得到過度曝光物體，從而防礙了對例如小腸壁的良好觀察。因此，最好通過確定照明裝置92和圖像檢測裝置94之間的位置關(guān)系，使得一個相對于物鏡光學系統(tǒng)的光軸與照明裝置92對稱的區(qū)域與圖像檢測裝置94的像面內(nèi)一個不用于成像的區(qū)域重疊，來實現(xiàn)膠囊內(nèi)窺鏡的小型化。例如，不用于成像的區(qū)域是一個用于檢測在像面中的光學黑色(optical black)的標準電平的稱為“光學黑色”的部分，并且是一個利用光屏蔽掩模處理的區(qū)域，等等。
而且，即使一個相對于光軸與照明裝置對稱的區(qū)域是圖像檢測裝置94的有效圖像捕獲區(qū)域，只要在圖像處理期間來自該區(qū)域的輸出被忽略(即，如果該區(qū)域被“電氣遮蔽”)，那么就不會有問題。
如上所述，提供了能夠獲得沒有閃爍或重影的優(yōu)良圖像、并且能夠?qū)崿F(xiàn)小型化的結(jié)構(gòu)的膠囊內(nèi)窺鏡。而且，即使透明蓋的形狀不是球形而是非球形，也可以通過確定照明裝置和圖像檢測裝置之間的位置關(guān)系，使得一個相對于物鏡光學系統(tǒng)的光軸與照明裝置對稱的區(qū)域與一個在圖像檢測裝置的像面內(nèi)的不用于圖像檢測的區(qū)域重疊，并且還通過在透明蓋的內(nèi)表面提供防反射涂層，來獲得一個能提供幾乎無閃爍和重影的優(yōu)良圖像的膠囊內(nèi)窺鏡。
下面參考附圖對本發(fā)明的幾個實施例進行說明。
第一實施例下面參考圖1(A)-4(B)對第一實施例進行說明。圖1(A)和1(B)顯示一個使用根據(jù)本發(fā)明第一實施例的膠囊內(nèi)窺鏡的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。圖2(A)是顯示膠囊內(nèi)窺鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖2(B)是顯示當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、圖像檢測裝置和照明裝置之間位置關(guān)系的圖。圖3是物鏡光學系統(tǒng)的放大圖。圖4(A)和4(B)顯示一個使用半球形窗口的物鏡光學系統(tǒng)的效果，其中圖4(A)顯示照射光位于半球形透明蓋的曲率中心時的情況，圖4(B)顯示照射光位于其它位置時的情況。
如圖1(A)所示，膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)1使用根據(jù)第一實施例的膠囊內(nèi)窺鏡3。膠囊內(nèi)窺鏡由病人2通過嘴和胃腸道吞入，同時無線地發(fā)送胃腸道的內(nèi)壁的圖像數(shù)據(jù)。天線單元4設(shè)置在病人身體外部以接收來自膠囊內(nèi)窺鏡3的圖像數(shù)據(jù)信號，并且提供一個外部單元5來臨時存儲圖像。外部單元5包括一個小型閃速存儲器(R)大小的、容量例如是1GB的內(nèi)置硬盤，以便存儲圖像數(shù)據(jù)。在檢查期間或之后，可以在顯示系統(tǒng)6(圖1(B))上顯示存儲在外部單元5中的圖像數(shù)據(jù)。
如圖1(B)所示，外部單元5通過諸如USB電纜8這樣的通信電纜可拆卸地連接到一個形成顯示系統(tǒng)6的個人計算機7。外部單元5中存儲的圖像被上載到個人計算機7，然后存儲在其內(nèi)置硬盤中，和/或被處理并在顯示器9上顯示。個人計算機7配備有例如用于數(shù)據(jù)輸入的鍵盤10。
USB電纜8可以根據(jù)任何一個通信標準USB1.0，USB1.1，或USB2來提供?？梢允褂闷渌袛?shù)據(jù)通信類型，例如根據(jù)通信標準RS-232C或IEEE1384的那些通信類型。而且，也可以使用并行數(shù)據(jù)通信。
如圖1(A)所示，病人2吞下膠囊內(nèi)窺鏡3，并穿著一個屏蔽襯衫11，該屏蔽襯衫11包括以網(wǎng)狀形式布置的電導體以提供電磁屏蔽效果。屏蔽襯衫的內(nèi)側(cè)(即電導體內(nèi)側(cè))配備有天線單元4。天線單元4接收由膠囊內(nèi)窺鏡3檢測并發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)被臨時存儲在與天線單元4連接的外部單元5中。例如，利用一個可拆卸鉤把外部單元5固定在病人的腰帶上。
外部單元例如為盒狀，并裝有一個用于顯示圖像的液晶監(jiān)視器13以及一個在其前蓋上的用于控制操作的按鈕14。外部單元5包含一個收發(fā)電路(即一個通信電路)，一個控制電路，一個圖像數(shù)據(jù)顯示電路，和一個電源。
如圖2(A)所示，膠囊內(nèi)窺鏡3由一個圓筒形外蓋16形成，圓筒形外蓋16具有一個封閉的圓形后端和一個開口的前端，前端與一個半球形透明蓋17以不漏水的方式連接和密封。
密封的膠囊包含以下部件。物鏡光學系統(tǒng)23的光軸與膠囊的中心軸對準，并面向半球形透明蓋17。物鏡光學系統(tǒng)23固定到八角形電路板21的中心桶并固定到與電路板21的中心桶接合的透鏡框架22。一個固態(tài)圖像檢測器件(例如CMOS圖像檢測元件24)位于物鏡光學系統(tǒng)23的像面。
如圖2(B)所示，四個白色LED 25被設(shè)置在物鏡光學系統(tǒng)23周圍的電路板21前表面上。把白色LED 25設(shè)置在圍繞物鏡光學系統(tǒng)23的多個點上作為照明裝置，使得在短距離內(nèi)有充分的光量，以便提供優(yōu)質(zhì)的觀察圖像(即捕獲圖像)。
此外，膠囊內(nèi)窺鏡的小型化是通過如下設(shè)計實現(xiàn)的，即，保持白色LED 25和CMOS圖像檢測元件24之間的特定位置關(guān)系，使得相對于光軸101與白色LED 25對稱的區(qū)域(在此情況下，這些區(qū)域?qū)?yīng)于LED 25的位置)與CMOS圖像檢測元件24的像面100上不用于成像的區(qū)域重疊。白色LED 25發(fā)射間歇光或閃爍光。圖像檢測元件與白色LED 25的閃爍同步地捕獲圖像。這使得即使在發(fā)生意外移動時，也能獲得低功耗和沒有模糊的優(yōu)良觀察圖像。
如圖2(A)和2(B)所示，電路板21在其背面有一個方形凹陷，該方形凹陷容納用于支撐物鏡圖像系統(tǒng)的桶。CMOS圖像檢測元件24的位置被設(shè)置為，使得其前表面的周邊將與電路板21的后表面在凹陷的周邊附近鄰接。芯片部件26形成一個用于多個驅(qū)動白色LED 25的LED驅(qū)動電路，這些白色LED 25圍繞著CMOS圖像檢測元件24安裝在電路板21上。在CMOS圖像檢測元件24的后側(cè)以膠囊的軸向方向從前向后堆疊以下部件驅(qū)動和處理電路27，用于驅(qū)動CMOS圖像檢測元件24并處理來自CMOS圖像檢測元件24的圖像信號；無線通信電路28，用于把由驅(qū)動和處理電路27產(chǎn)生的圖像信號高頻調(diào)制為無線傳輸信號；和按鈕狀電池29、29，用于為LED驅(qū)動電路提供電源。
連接到無線通信電路28的天線30靠近驅(qū)動和處理電路27和無線通信電路28。而且，例如可以在膠囊的后端，靠近電池29、29設(shè)置一個可以以非接觸方式啟動的非接觸啟動開關(guān)31和一個用于利用磁力引導膠囊內(nèi)窺鏡3的永磁鐵32。
非接觸啟動開關(guān)31的啟動所使用的兩個接觸點位于串聯(lián)連接的電池29、29的電極之一(例如正電極)和被提供電源的電路之間?？梢詮哪z囊外部施加具有指定方向的磁力線，以便把兩個接觸點從OFF狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镺N狀態(tài)。當它們轉(zhuǎn)為ON時，一個內(nèi)部模擬開關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)镺N并且即使去除了所施加的磁力線時仍然保持ON狀態(tài)。因此，當永磁鐵32被激勵以便引導膠囊內(nèi)窺鏡3時，膠囊內(nèi)窺鏡3能夠保持在其操作狀態(tài)。
如圖2(A)所示，本實施例的膠囊內(nèi)窺鏡3使用半球形透明蓋17。物鏡光學系統(tǒng)23設(shè)置在透明蓋17內(nèi)，其入射光瞳34位于透明蓋17的曲率中心。更具體地說，透明蓋17的內(nèi)外表面具有相同曲率中心，其曲率半徑Ri和Ro例如分別等于5mm和5.5mm。因此，本實施例中透明蓋17的厚度是均勻的，使得其易于制造。
物鏡光學系統(tǒng)23安裝在膠囊中，使得其入射光瞳34以相同的公共點為中心，并且白色LED 25圍繞物鏡光學系統(tǒng)23的周圍。
透明蓋17的內(nèi)表面具有涂覆到其上的抗反射涂層35，例如透明介質(zhì)材料。這有效地減少了來自照明裝置的被不希望地反射回物鏡光學系統(tǒng)的光量，因此改善了所檢測圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為了防止不希望的光被透鏡框架22(和其它部件)反射并進入物鏡光學系統(tǒng)23，透鏡框架22的前圓錐表面和安裝有白色LED的電路板21的前表面上設(shè)置了吸光涂層36。理想的是，該吸光涂層是黑色的，但是也可以使用其它已知的吸光手段，例如其它深色涂層，一個不光滑或絨狀表面等。在本實施例中，物鏡光學系統(tǒng)23能夠在視野角度θ內(nèi)成像。透鏡框架的前表面具有圓錐狀切除部分，使得視野角度θ內(nèi)的入射光可以進入物鏡光學系統(tǒng)23。
利用上述結(jié)構(gòu)，當來自照明裝置的照射光在透明蓋17的內(nèi)表面上反射時，從除感興趣物體以外的其它部件反射的不希望光幾乎不能進入物鏡光學系統(tǒng)23。
圖3是物鏡光學系統(tǒng)23的放大圖。物鏡光學系統(tǒng)23從物體側(cè)開始按順序由以下部件形成第一透鏡37，例如可以是一個平凸透鏡元件，其平面在物體側(cè)；和第二透鏡38，例如可以是一個平凸透鏡，其凸面在物體側(cè)。一個薄板或黑色涂層被設(shè)置在入射光瞳位置34周圍的第一透鏡37前表面上，以便形成一個光闌(brightness stop)39。
圖像檢測裝置(即CMOS圖像檢測元件24)位于第二透鏡38后方，其圖像檢測區(qū)域的中心與物鏡光學系統(tǒng)23的第二透鏡38的光軸對準。射向入射光瞳位置34的光被光闌39收縮，并且如圖3所示，在CMOS圖像檢測元件24的像面上成像。
現(xiàn)在對本實施例的操作進行說明。通過使用一個與膠囊內(nèi)窺鏡的后部接近的永磁鐵(未示出)，其中該磁鐵的磁力線具有指定的磁化方向，使得由已知的簧片開關(guān)形成的非接觸啟動開關(guān)31轉(zhuǎn)變?yōu)镺N，以便把膠囊內(nèi)窺鏡置于操作狀態(tài)。
如下面將詳細說明的，膠囊內(nèi)窺鏡3然后利用天線30發(fā)送圖像信號。天線12(圖1)接收這些圖像信號，并連接到外部單元5，外部單元5對圖像信號進行解碼并在液晶監(jiān)視器13上顯示。在確認了由膠囊內(nèi)窺鏡3捕獲的圖像被顯示在液晶監(jiān)視器13上后，允許病人2吞下膠囊內(nèi)窺鏡3。
一旦被吞下，膠囊內(nèi)窺鏡3開始在胃腸道中通過。當膠囊內(nèi)窺鏡3處于操作狀態(tài)中時，驅(qū)動和處理電路27的控制部分把控制信號發(fā)送到在電路板21上形成的LED驅(qū)動電路。然后，LED驅(qū)動電路命令LED 25以特定間隔閃爍。
來自白色LED 25的光透視過透明蓋17以便照射膠囊外部的區(qū)域。物鏡光學系統(tǒng)23使透明蓋17外部的一個被照射物體(例如食道)在位于物鏡光學系統(tǒng)23像面處的CMOS圖像檢測元件24上成像。CMOS圖像檢測元件24以取決于其類型的公知方式把圖像轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)。通常，使用CMOS圖像檢測元件24。
與閃爍光同步(例如在每個閃爍的結(jié)尾)，驅(qū)動和處理電路27把控制信號發(fā)送到CMOS圖像檢測元件24，以便輸出被光電轉(zhuǎn)換的信號。驅(qū)動和處理電路27進行圖像處理，在該處理中提取某些信號分量并產(chǎn)生圖像信號。
所產(chǎn)生的圖像信號被傳送到無線通信電路28并用于調(diào)制一個高頻電磁波，使得可以通過天線30發(fā)送所得的波形。通過設(shè)置在病人2身體外部的天線單元4接收電磁波，并在外部單元5(在無線通信電路的接收部分中)進行解調(diào)。然后，把它進行A/D轉(zhuǎn)換，存儲在硬盤中，并由顯示電路處理，以便在液晶監(jiān)視器13上顯示由CMOS圖像檢測元件24捕獲的圖像。
當膠囊內(nèi)窺鏡3接近諸如小腸之類的主目標部分時(或者當預期膠囊內(nèi)窺鏡3接近諸如小腸之類的感興趣物體的時間到了時)，使用外部單元5的控制按鈕14把一個命令信號從外部單元5發(fā)送到膠囊內(nèi)窺鏡3，使得照明裝置的閃爍和相關(guān)圖像檢測之間的間隔縮短。因此，現(xiàn)在以較短間隔捕獲的圖像數(shù)據(jù)被臨時存儲在外部單元5的硬盤上。
當以上述方式照射物體并成像時，物鏡光學系統(tǒng)23的入射光瞳位置34的中心與半球形透明蓋17的表面的曲率半徑中心處于同一位置。用作照明裝置的白色LED位于與球心較遠的周邊區(qū)域。因此，即使一部分來自照明裝置的照射光在透明蓋17的內(nèi)表面反射，這種反射光也幾乎不會進入物鏡光學系統(tǒng)23。上述情況在圖4(A)和4(B)中顯示。
圖4(A)顯示由透明蓋17的內(nèi)表面上的任何點P0反射的光返回到球心，此時的條件是該光線的反射表面的法線穿過點P0。因此，如果白色LED 25的發(fā)光區(qū)域與球心重疊，反射光將返回球心。
圖4(B)顯示球心和光源的發(fā)光區(qū)域不重疊的情況。在此情況下，當來自光源的光由透明蓋17的內(nèi)表面上的任何點P1或P2反射時，如圖所示其反射角度等于入射角度(分別為φ1或φ2)，并且光不返回球心。
如圖4(A)和4(B)所示，用作照明裝置的白色LED 25位于透明蓋17的球心以外的某處。這防止了由透明蓋17反射的光通過透明蓋17的球心位置或者進入物鏡光學系統(tǒng)23的入射光瞳位置34。因此，可以有效防止由于光在透明蓋17的內(nèi)表面反射并進入物鏡光學系統(tǒng)23而導致的閃爍和重影。
此外，可以通過把CMOS圖像檢測元件24的像面100內(nèi)的一個不用于圖像檢測的區(qū)域和一個相對于物鏡光學系統(tǒng)的光軸與白色LED 25的發(fā)光區(qū)域?qū)ΨQ地對置的區(qū)域重疊來進行觀察。本實施例使用CMOS圖像檢測元件作為固態(tài)圖像檢測元件(圖像傳感器)。但是，固態(tài)圖像檢測元件的類型不限于CMOS圖像傳感器，顯然可以使用其它圖像傳感器(例如CCD)和以下三種近期研制的但是已公知的圖像傳感器。如下所述，每種圖像傳感器都具有優(yōu)點。
第一種圖像傳感器是稱為“閾值調(diào)制圖像傳感器(VMIS)”的下一代圖像傳感器，其具有CCD和CMOS圖像檢測元件二者的優(yōu)點。在現(xiàn)有技術(shù)CMOS圖像檢測元件中，用于每個像素的光接收部分由三到五個晶體管和光電二極管組成，而在VMIS中，由所接收光產(chǎn)生的電荷對MOS晶體管的閾值進行調(diào)制。該閾值調(diào)制被輸出作為圖像信號。這種類型的圖像傳感器的特征在于，把由CCD圖像傳感器提供的高圖像質(zhì)量與CMOS圖像傳感器的較高集成度、較低驅(qū)動電壓、和較低功耗相結(jié)合。因此，VMIS型圖像傳感器特別適合用于一次性膠囊內(nèi)窺鏡。VMIS型圖像傳感器的其它好處是結(jié)構(gòu)簡單，每個圖像傳感器像素僅使用一個晶體管；優(yōu)良的光電特性，例如高靈敏性和高動態(tài)范圍；高密度和低價格，由于制造技術(shù)與CMOS晶體管相同。這種傳感器的例子包括QCIF(QSIF)尺寸、CIF(SIF)尺寸、VGA型、SVGA型、XGA型。諸如QCIF(QSIF)和CIF(SIF)尺寸傳感器這樣的較小尺寸傳感器在無線傳輸速率、低功耗、和小尺寸方面特別適于本發(fā)明的膠囊內(nèi)窺鏡，使得膠囊易于吞下。
第二種類型圖像傳感器稱為“人工視網(wǎng)膜LSI”，基本上是一種與圖像處理電路一起集成到芯片中的CMOS圖像傳感器。該芯片同時檢測圖像和進行某種圖像處理，顯然與人眼執(zhí)行的功能相似。常規(guī)CCD和CMOS圖像傳感器僅檢測圖像。然后使用外部圖像處理器來進行特征化和檢驗處理。而人工視網(wǎng)膜芯片自己進行這些處理。因此，電路可以被簡化和縮減尺寸。其它優(yōu)點包括高通過量處理、單個電源、和低功耗。因此，“人工視網(wǎng)膜LSI”適用于一次性膠囊內(nèi)窺鏡。這種類型的圖像傳感器的其它好處包括執(zhí)行圖像輪廓提取、白色平衡、邊沿增強、亮度調(diào)整、內(nèi)置灰度校正功能、和內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換功能的能力；高靈敏性和高圖像質(zhì)量；小尺寸封裝；以及可用的內(nèi)置噪聲減小電路。這種類型圖像傳感器的例子包括QCIF(QSIF)尺寸、160×144尺寸、CIF(SIF)尺寸、VGA型、SVGA型、XGA型。諸如QCIF(QSIF)尺寸、160×144尺寸、和CIF(SIF)尺寸這樣的較小類型傳感器在無線傳輸速率、低功耗、和小尺寸方面特別適用于本發(fā)明的膠囊內(nèi)窺鏡，使得膠囊易于吞下。
第三種類型的圖像傳感器是一種彩色圖像傳感器，具有為每個像素在深度方向(縱向)布置的三個光電檢測器(光接收層)以便獲得相應(yīng)RGB顏色信號，其中不同的層吸收具有不同波長的光。這使得與使用相同數(shù)量像素的常規(guī)圖像傳感器相比，分辨率被加倍。這種類型的圖像傳感器具有類似于CCD的優(yōu)點。相同的技術(shù)還可以應(yīng)用于CMOS圖像傳感器，并且這種單元的價格應(yīng)該比常規(guī)圖像傳感器有競爭力。該彩色圖像傳感器使用的VPS(可變像素尺寸)系統(tǒng)集總地讀取幾個像素以讀取相應(yīng)的顏色信號。這有利于允許像素尺寸的改變。這還提供了其它優(yōu)點，例如對靜止圖像的高靈敏性和視頻圖像(運動圖像)所需的高讀取速率。
利用這種類型的圖像傳感器，不產(chǎn)生偽彩色(false color)。因此，其使用時無需低通濾波器。這種類型的彩色圖像傳感器適于需要小尺寸和低功耗的膠囊醫(yī)療裝置。其也適合于常規(guī)視頻內(nèi)窺鏡。
本發(fā)明使用根據(jù)藍牙標準執(zhí)行的無線傳輸。但是，本發(fā)明不限于使用藍牙標準，目前正在研究的一種寬帶無線脈沖技術(shù)顯然可以用于本發(fā)明。寬帶具有以下優(yōu)點使用寬帶無線通信來擴展信號，信號接近噪聲電平；因此，可以把寬帶通信與常規(guī)窄帶通信結(jié)合使用，并且與窄帶通信不同，不使用載頻。因此，可以直接分析信號。例如，通過測量到達時間來容易地取出精確的距離信息。精確的距離信息給出一個精確的位置信息。
近來，發(fā)布了一種稱為UWB(超寬帶)的脈沖無線通信技術(shù)并且已經(jīng)商業(yè)化。如果被加入一個膠囊醫(yī)療系統(tǒng)的無線通信裝置中，該UWB技術(shù)將允許使用更易于通過人體透射的長波長。通過人體的更好透射性意味著需要的電力更少，因此，可以減少無線通信裝置的功耗。利用該無線技術(shù)還可以獲得精確的位置信息。
第二實施例下面參考圖5對本發(fā)明第二實施例進行說明。圖5是顯示第二實施例的膠囊內(nèi)窺鏡3B的結(jié)構(gòu)的示意圖。本實施例中的透明蓋17B的厚度不再是均勻的。透明蓋17B在光軸處最厚，并向視野的周邊區(qū)域逐漸變薄。透明蓋17B的內(nèi)表面在視野角度θ內(nèi)的曲率半徑Ri例如等于5.5mm，其曲率中心與物鏡光學系統(tǒng)23的入射光瞳34的中心重合。
另一方面，透明蓋17B的外表面在視野角度θ內(nèi)的曲率半徑Ro例如等于5.5mm。外表面的曲率中心位于光軸上，但是位于物鏡光學系統(tǒng)23的入射光瞳位置34的物體側(cè)。在此情況下，外表面的曲率中心和入射光瞳的軸向位置之間的距離是0.5mm。
透明蓋17B的內(nèi)表面由兩個不同曲面組成。一個是具有曲率半徑Ri的球形表面。另一個是具有環(huán)形半徑Rs的環(huán)形表面，Rs＜Ri。這些半徑的中心位于如圖6所示的橫剖面中。因此，透明蓋的厚度從視野中心的最大值減小到視野周邊的最小值。由于較小的Rs值(例如，3mm)，使得在視野外部逐漸停止透明蓋的厚度的減小。然后，把該蓋連接到圓柱部17C。當外半徑為Ro和內(nèi)半徑為Rs的部分較寬時，該蓋的厚度減小先停止并開始逐漸增加。但實際上該部分較窄。因此，在厚度減小幾乎停止的位置--即厚度幾乎均勻的部分—蓋17B連接到17C。使用這種在中心較厚的透明蓋17B的一個優(yōu)點是，該蓋較為結(jié)實，在膠囊受到機械震蕩時不容易損壞。但是，一個在視野角度θ內(nèi)具有逐漸向周邊減小的厚度的透明蓋17B的第二個優(yōu)點是，由蓋的外表面反射的光將通過內(nèi)表面和外表面的反射被引導，直至從視野的周邊射出。因此，進一步防止了不希望的光加入圖像檢測裝置，提供了優(yōu)良的觀察圖像。下面參考圖6對這種現(xiàn)象進行詳細說明。
如圖6所示，來自光源的透射過內(nèi)表面的一部分照射光將由透明蓋17B的外表面反射。這些光的一部分將通過內(nèi)表面并對由圖像檢測元件檢測的雜散光作貢獻。一些由外表面反射的照射光將在透明蓋的內(nèi)表面完全內(nèi)部反射并將再次到達透明蓋17B的外表面。而且，當透明蓋17B具有諸如抗反射涂層時，應(yīng)該考慮該涂層的折射率。對此不進一步討論，但是應(yīng)說明，來自透明蓋17B的外表面的一部分反射光將反復地在透明蓋的內(nèi)表面和外表面之間進行完全內(nèi)部反射。如圖6所示，表面的入射角度隨著每次反射而減小，直至光線不再被完全內(nèi)部反射并出射到透明蓋17B的外圍區(qū)域中。因此，透明蓋的厚度向視野角度θ的周邊逐漸變小可以有助于減少使圖像檢測裝置檢測的圖像變差的雜散光。可以根據(jù)透明蓋17B的折射率來確定視野角度θ內(nèi)的內(nèi)表面和外表面的曲率半徑，使得在透明蓋內(nèi)進行內(nèi)部反射的光從透明蓋17B進入物鏡光學系統(tǒng)23的視野角度θ外側(cè)的空氣層。這可以防止由透明蓋17B的外表面反射的光造成的視野中的閃爍的不良影響。如上所述，在透明蓋的周邊附近，可以增加一個環(huán)形區(qū)域內(nèi)的透明蓋的曲率，以便在橫剖面中具有一個表觀曲率半徑Rs，其中Rs小于Ro。這使得對于膠囊主體的一個給定圓柱直徑，可以減小透明蓋的長度以及膠囊內(nèi)窺鏡的長度。
物鏡光學系統(tǒng)可以用于校正由透明蓋的厚度在視野角度θ內(nèi)逐漸減小造成的像面上的光學象差。而且，在本實施例中，CMOS圖像檢測元件24的前側(cè)被蓋玻璃41覆蓋。
圖7顯示第二實施例的一個改進1的結(jié)構(gòu)。該改進中的透明蓋具有一個曲率半徑等于例如5.5mm的外表面。該曲率幾乎持續(xù)到視野的周邊。與原來一樣，外表面的曲率中心位于入射光瞳位置34的物體側(cè)的軸上，如圖所示，但在該示例中該距離較大使得透明蓋在軸上較厚。與原來一樣，透明蓋具有一個球形表面和環(huán)形表面結(jié)合的內(nèi)表面。該內(nèi)表面的球形部分覆蓋視野的中心區(qū)域并幾乎延伸到視野的周邊。其具有曲率半徑Ri(例如6mm)，并且該球形表面的曲率中心在軸上的物鏡光學系統(tǒng)的入射光瞳位置。內(nèi)表面的環(huán)形部分從靠近視野的周邊處開始。與原來一樣，該環(huán)形的中心在軸上并位于入射光瞳位置34的物體側(cè)，如圖7所示，該環(huán)形的曲率半徑為Rs。與原來一樣，Rs＜Ri，并且透明蓋的厚度從視野中心的最大值向周邊遞減。由于較小的Rs值(例如3mm)，所以該蓋的厚度減小在視野外部逐漸停止。然后，把透明蓋17C與外蓋16的前沿接合并以不漏水的方式密封。
即使來自白色LED 25的照射光被透明蓋17C的內(nèi)表面反射，改進1也能有效地防止該照射光進入物鏡光學系統(tǒng)23。而且，通過使透明蓋17C具有較厚的中心部分，可以使其更結(jié)實，并更好地承受機械震蕩。
圖8和9分別顯示本實施例的改進2和改進3的膠囊內(nèi)窺鏡3D和3E的結(jié)構(gòu)。在膠囊內(nèi)窺鏡3D和3E中，透明蓋17D和17E的外表面具有曲率半徑Ro(例如Ro＝5.5mm)，并且外表面的曲率中心與入射光瞳位置34的軸向位置重合。透明蓋17D和17E的內(nèi)表面的曲率中心位于入射光瞳34、34的軸向位置的像側(cè)。例如，透明蓋17D的內(nèi)表面曲率半徑Ri是5.5mm，透明蓋17E的內(nèi)表面曲率半徑Ri是6mm。改進2和改進3使用抗反射涂層35來有效防止來自白色LED 25的照射光被透明蓋17D或17E的內(nèi)表面反射。
第三實施例圖10(A)是本發(fā)明第三實施例的膠囊內(nèi)窺鏡51的橫剖面圖。圖10(B)顯示當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、照明裝置和圖像檢測元件之間的位置關(guān)系。參考圖10(A)，膠囊內(nèi)窺鏡51包括圓筒形的透明前蓋52，具有半球形前端；和圓筒形的后蓋53，具有半球形后端。透明前蓋52的后端和后蓋的前端相互配合并密封以便產(chǎn)生一個不漏水的膠囊容器，在其中容納物鏡光學系統(tǒng)54和其它元件。
物鏡光學系統(tǒng)54包括由第一透鏡框架55支撐的第一透鏡和由第二透鏡框架56支撐的第二透鏡，并且沿著膠囊的對稱軸設(shè)置，其入射光瞳75面向前蓋52。一個CMOS圖像檢測元件58被固定到電路板57的前表面上，并且位于由物鏡光學系統(tǒng)54形成的像面上。白色LED 60被設(shè)置在電路板59上，電路板59與第二透鏡框架56接合并固定。如圖10(B)所示，一個環(huán)形的白色LED 60以物鏡光學系統(tǒng)的光軸101為中心設(shè)置。該環(huán)形的白色LED 60的一部分與CMOS圖像檢測元件58的像面上的一個不用于圖像檢測的區(qū)域(圖10(B)中顯示為斷面線)重疊。其上安裝有CMOS圖像檢測元件58的電路板57通過連接器61電連接到安裝有其它電子元件的電路板，以便形成一個驅(qū)動和處理電路62。一個包括存儲器電路63和其它電子部件的電路板位于安裝有驅(qū)動和處理電路62的電路板之后，并通過連接器64與其連接。一個支撐無線通信電路65的電路板位于支持存儲器電路63的電路板之后，并通過連接器66與其連接。兩個按鈕電池67位于支撐無線通信電路65的電路板之后。
天線68靠近用于支撐驅(qū)動和處理電路62的電路板設(shè)置。例如，串聯(lián)連接的電池67、67的負極通過一個引線(未標出)連接到無線通信電路65的接地端并連接到其它電路的接地端。無線通信電路65的正端子和其它電路的正端子連接到一個彈簧接觸部件71的一端。彈簧接觸部件71包括位于串聯(lián)連接的電池67、67之后的接觸部71a。絕緣板73可拆卸地設(shè)置在彈簧接觸部件71的接觸部71a和與電池正極接觸的接觸部71b之間。因此，因為絕緣板73防止接觸部71a和接觸部71b之間的電接觸，可以建立膠囊內(nèi)窺鏡的OFF狀態(tài)。
絕緣板73的一部分通過一個具有橡膠閥部74的小切除部從膠囊內(nèi)窺鏡中延伸出來。通過拉出絕緣板73，使得由彈簧加載的接觸部71a與接觸部71b接觸，以便建立ON狀態(tài)。一旦從膠囊內(nèi)窺鏡中拉出絕緣板73，橡膠閥部74自動地密封關(guān)閉以便保持不漏水狀態(tài)。前蓋52的透明圓頂部的內(nèi)表面和外表面分別具有恒定曲率半徑Ri和Ro，曲率半徑Ri和Ro幾乎延伸到視野角度θ的周邊。在本實施例中，Ri是6.0mm，Ro是6.5mm。圓頂?shù)膬?nèi)表面和外表面的曲率中心都與物鏡光學系統(tǒng)54的入射光瞳75的軸向位置重合。因此，本實施例使用一個在視野角度θ的中心部分內(nèi)具有均勻厚度的透明圓頂。在靠近視野角度θ的周邊的區(qū)域，透明圓頂?shù)耐獗砻娴那拾霃絉p比曲率半徑Ri和Ro都小(例如Rp＝4.0mm)，使得外表面繼續(xù)直至與膠囊的圓筒本體相交。本實施例的膠囊內(nèi)窺鏡的外本體直徑D是11mm。
第一透鏡框架55具有圓錐狀前表面76，其被粗糙化以便使入射到其上的光散射。由于透明蓋的設(shè)計和部件的設(shè)置，本實施例還有效防止了從前蓋52的內(nèi)表面和外表面反射的一部分照射光進入物鏡光學系統(tǒng)54。換句話說，它有效防止了不希望的光進入物鏡光學系統(tǒng)54，從而實現(xiàn)了優(yōu)良質(zhì)量的圖像。
第四實施例圖11(A)顯示本發(fā)明第四實施例的膠囊內(nèi)窺鏡81的結(jié)構(gòu)的橫剖面圖。圖11(B)顯示本實施例的膠囊內(nèi)窺鏡的0N狀態(tài)。圖11(C)顯示當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、照明裝置和圖像檢測元件之間的位置關(guān)系，圖11(D)顯示圖11(C)所示位置關(guān)系的一個可能改進。
本實施例的膠囊內(nèi)窺鏡81包括圓筒形外蓋82，其具有一個封閉的圓形后端和一個前端，一個近似半球形透明蓋83與該前端接合并密封以產(chǎn)生一個不漏水結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中布置物鏡光學系統(tǒng)84和其它元件。物鏡光學系統(tǒng)84從物體側(cè)開始包括由第一透鏡框架85支撐的第一透鏡和由第二透鏡框架86支撐的第二透鏡。一個位于電路板87的前表面上的凹陷內(nèi)的CCD 88被設(shè)置為，使其檢測面位于物鏡光學系統(tǒng)84的像面上。白色LED 91連接到電路板90，電路板90固定到第二透鏡框架86的桶部上，第二透鏡框架86與第一透鏡框架85接合。
如圖11(C)所示，白色LED 91被設(shè)置為，當從膠囊的前方觀察時，相對于光軸101與白色LED91對稱地對置的圖像檢測表面上的區(qū)域不用于圖像檢測。但是，該區(qū)域可以是CCD的一個用于檢測“光學黑色”的有效區(qū)域。光學黑色部分是這樣一個區(qū)域，即，通過遮蔽(以物理方式或電氣方式)圖像檢測表面100來遮蔽其中的圖像元件，因此是一個不用于圖像檢測的區(qū)域。而且，如圖11(D)所示，一個圖像檢測元件可以使用兩個白色LED 91。在本例中，使用一個不同類型的CCD 88’。CCD 88’包括一個光學黑色部件(CCD 88’的用斜線顯示的部分，不用于圖像檢測)和一個信號讀取部件。因此，白色LED 91被布置為，使得相對于物鏡光學系統(tǒng)的光軸101與LED 91對稱地對置的區(qū)域(即，圖11(D)中用斜線顯示的區(qū)域)與圖像檢測元件的不用于成像的區(qū)域重疊。為了便于解釋，圖11(C)和11(D)被簡化，其中顯示的LED 91比實際存在的要少。
在安裝有CCD 88的電路板87后面，設(shè)置一個電路板92，電路板92上安裝有用于形成一個驅(qū)動、處理和存儲器電路的電子部件。在電路板92之后，有一個用于支撐無線通信電路93的電路板。電子芯片元件94、94和無線通信電路93的部件被安裝在該電路板的兩側(cè)上。按鈕電池67被設(shè)置在用于支撐無線通信電路93的電路板之后。天線95靠近電路板87和92。
如圖11(A)和11(B)所示，串聯(lián)連接電池67、67的正極與接觸部71b電連接。如前面參考圖10(A)所述，通過位于彈簧接觸部71a和接觸部71b之間的絕緣板73來防止二者接觸，從而建立OFF狀態(tài)。通過拉出絕緣板73，接觸部71a和71b相互接觸，從而建立ON狀態(tài)。
本實施例使用的透明蓋83的內(nèi)表面和外表面在視野角度θ內(nèi)的曲率半徑Ri和Ro分別等于4.5mm和5.0mm。透明蓋83的內(nèi)表面和外表面具有位于物鏡光學系統(tǒng)84的入射光瞳96的軸向位置處的共同曲率中心。因此，在本實施例中的視野角度θ內(nèi)，透明蓋83具有均勻的厚度0.5mm。在視野角度θ外側(cè)，透明蓋內(nèi)表面和外表面的曲率不同(從橫剖面圖中看，外表面的表觀曲率半徑是Rp)，使得透明蓋平滑地與外直徑為11mm的膠囊內(nèi)窺鏡本體配合。這種設(shè)計使得膠囊總長可以縮短。此外，如上所述，透明蓋的前端的曲率半徑比膠囊內(nèi)窺鏡81的外直徑值的一半要小。這有助于減小膠囊內(nèi)窺鏡81的總長。而且，本實施例使用圓筒形第一透鏡框架85。固定在第一透鏡框架85中的第一透鏡的前表面設(shè)置有一個薄板或一個涂層，以在入射光瞳位置96周圍遮蔽光，從而形成一個光闌97。
本實施例的一個特征是，在密封之前可以在縱向調(diào)整透明蓋與膠囊的接合位置，使得物鏡光學系統(tǒng)84的入射光瞳位置96與透明蓋83的曲率半徑Ri和Ro的中心位置重合。換句話說，可以把透明蓋83與圓筒形外蓋82接合的部分用作一個定位裝置，以便在視野角度θ內(nèi)把物鏡光學系統(tǒng)84的入射光瞳位置96定位在曲率中心。提供一個定位裝置可以確保把物鏡光學系統(tǒng)84的入射光瞳位置96精確定位在透明蓋83的曲率半徑Ri和Ro的中心位置?？梢允褂靡粋€光學調(diào)整裝置(未示出)進行定位調(diào)整。還可以通過操作膠囊內(nèi)窺鏡和把透明蓋定位在閃光最小化的位置來進行定位。在其他實施例中說明的定位結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用到該實施例中。
第五實施例圖12(A)是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的膠囊內(nèi)窺鏡的尖端部的橫剖面圖。圖12(B)顯示當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、圖像檢測裝置和照明裝置之間的位置關(guān)系。圖12(C)顯示在第五實施例的改進例中當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、圖像檢測裝置和照明裝置之間的位置關(guān)系。
如圖12(A)所示，在根據(jù)本實施例的膠囊內(nèi)窺鏡中，透明蓋110的外表面和內(nèi)表面為半球形，并具有共同的曲率中心，物鏡光學系統(tǒng)112被設(shè)置在膠囊內(nèi)，使得其入射光瞳的中心與透明蓋110的共同曲率中心重合。CCD 113的圖像檢測表面100(圖12(B))被設(shè)置在物鏡光學系統(tǒng)112的像面上。四個白色LED111設(shè)置在物鏡光學系統(tǒng)112的周邊。此外，如圖12(B)所示，通過確定白色LED和CCD113之間的位置關(guān)系，使得被電氣遮蔽以便不在這些區(qū)域提供圖像信號的CCD 113的周邊區(qū)域114(圖12(B)中由剖面線表示)相對于光軸101與白色LED111對稱地對置，從而實現(xiàn)膠囊內(nèi)窺鏡的小型化。該電氣遮蔽被顯示為，好象一個實際的物理掩模被放置在像面100上，但是實際上，其是通過在成像時忽略所示區(qū)域中的圖像像素數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。
因為校正了物鏡光學系統(tǒng)112的失真象差，本實施例中的電氣實現(xiàn)的掩模114所具有的效果是一個圓形被投影到像面100上。電氣實現(xiàn)的掩模114內(nèi)部的區(qū)域是用于成像的區(qū)域。
第五實施例的第一改進例在圖12(C)中顯示。在圖12(C)中，電氣實現(xiàn)的掩模114是一個更復雜的形狀，以便解決物鏡光學系統(tǒng)112產(chǎn)生的負失真。在該改進例中，用于形成本實施例的照明裝置的四個LED111被布置為，使它們的中心靠近CCD113的四個角。四個白色LED111相對于CCD113被布置為，在軸向從膠囊內(nèi)窺鏡前方觀察時，一個相對于物鏡光學系統(tǒng)的光軸與照明裝置的一個發(fā)光區(qū)域?qū)ΨQ設(shè)置的區(qū)域與CCD113的一個區(qū)域重疊但是不與CCD 113的任何用于成像的區(qū)域重疊。通過如上所述設(shè)置LED，并把所示區(qū)域電氣遮蔽以解決由物鏡光學系統(tǒng)112產(chǎn)生的負失真，可以提供一個具有觀察圖像的能力并且避免了過度曝光的小型膠囊內(nèi)窺鏡。這是通過遮蔽(以電氣方式或其它方式)那些會被包含大比例的鏡面反射光的所檢測光過度曝光的像素元件來實現(xiàn)的。該鏡面反射光來自于在透明蓋內(nèi)表面和外表面反射的光，和在內(nèi)腔壁面反射的光，特別是與透明蓋的外圍部分接觸的內(nèi)腔壁面反射的光。
圖13(A)和13(B)顯示了第五實施例的第二改進例。如圖13(A)所示，提供一個具有左和右物鏡光學系統(tǒng)以捕獲具有視差的圖像的膠囊內(nèi)窺鏡，使得可以由該膠囊內(nèi)窺鏡捕獲用于三維顯示器的圖像。在第五實施例的該改進例中，一個照明裝置的出射光瞳被設(shè)置在透明蓋的曲率中心，在照明裝置的任何一側(cè)使用左和右物鏡光學系統(tǒng)。
如圖13(A)所示，根據(jù)第五實施例的該改進的膠囊內(nèi)窺鏡采用的透明蓋120具有一個半球形的前部。光散射裝置123的出射光瞳被布置在白色LED 122前方，該白色LED 122沿著膠囊本體的圓筒形中心部分的中心軸布置。光散射裝置123的出射光瞳的中心最好布置為，與透明蓋120的內(nèi)表面和外表面的曲率中心重合。物鏡光學系統(tǒng)125和126被布置在白色LED 122的相反側(cè)，CCD 127和128的圖像檢測表面(圖13(B))被布置在相應(yīng)物鏡光學系統(tǒng)125和126的像面100和100’上。而且，白色LED 129a和129b(圖13(A)中未示出)可以如圖13(B)所示布置，其中連接LED129a和129b的中心的線段、連接圖像檢測元件118和119的中心的線段、和散射裝置的中心軸117交叉在一個公共點上。
此外，如圖13(B)所示，標為130和130’的虛線外側(cè)的包括區(qū)域部分131a，131a’，131b，131b’的周邊區(qū)域以及考慮了物鏡光學系統(tǒng)125和126的負失真的區(qū)域被電氣遮蔽，使得它們不對由圖像檢測元件127和128檢測的圖像有所貢獻，其中區(qū)域部分131a，131a’，131b，131b’相對于每個物鏡光學系統(tǒng)的光軸與照明裝置的發(fā)光區(qū)域(即，白色LED 129a和129b)對稱布置。
通過以此方式把圖像檢測元件127和128的選定區(qū)域電氣遮蔽，即使在具有多個圖像檢測元件和多個照明裝置的膠囊內(nèi)窺鏡中，實際上通過忽略由于透明蓋或者一個通過物鏡光學系統(tǒng)把部分照射光鏡面反射到圖像傳感器中的感興趣物體而導致的、圖像傳感器的圖像檢測元件中的將被過度曝光的那些像素區(qū)域，仍然可以獲得一個被觀察物體的包含視差的正確曝光圖像。
圖14(A)和14(B)涉及第五實施例的第三個可能改進，圖14(A)是一個包括多個物鏡光學系統(tǒng)的膠囊內(nèi)窺鏡的尖端部的主要部件的結(jié)構(gòu)的橫剖面圖，圖14(B)顯示當從物體側(cè)軸向觀察膠囊內(nèi)窺鏡時、照明裝置和成像裝置之間的位置關(guān)系。同樣，一個光散射裝置143的出射光瞳被布置在一個白色LED 142的前方，該白色LED 142沿著膠囊內(nèi)窺鏡本體的圓筒形中心部分的中心軸140布置。光散射裝置143的出射光瞳的中心最好設(shè)置為，與透明蓋141的內(nèi)表面和外表面的曲率中心重合。物鏡光學系統(tǒng)144和145被布置在白色LED 142的相反兩側(cè)，一個共享CCD 146的像面被設(shè)置為與物鏡光學系統(tǒng)144和145的像面共面。而且，白色LED 149a和149b(圖14(A)中未示出，但圖14(B)中顯示)可以如所示設(shè)置(即，從膠囊前方看時，兩個LED149a和149b相對于LED 142對稱)。
此外，如圖14(B)所示，標為150和150’的虛線外側(cè)的包括區(qū)域部分151a，151a’，151b，151b’的周邊區(qū)域以及考慮了物鏡光學系統(tǒng)144和145的負失真的區(qū)域被電氣遮蔽，使得它們不對由共享圖像檢測元件146檢測的圖像有所貢獻，其中區(qū)域部分151a，151a’，151b，151b’相對于每個物鏡光學系統(tǒng)的光軸與照明裝置的發(fā)光區(qū)域(即，白色LED 149a和149b)對稱布置。
通過以此方式把圖像檢測元件146的選定區(qū)域電氣遮蔽，即使在具有多個照明裝置的膠囊內(nèi)窺鏡中，實際上通過忽略由于光被透明蓋表面或者一個與透明蓋的遮蔽區(qū)域接觸的內(nèi)腔壁鏡面反射而通過物鏡光學系統(tǒng)進入圖像檢測元件所導致的、圖像檢測元件中的將被過度曝光的那些像素區(qū)域，仍然可以獲得一個被觀察物體的包含視差的正確曝光圖像。
在所有實施例中，在減少從視野外部通過透明蓋的內(nèi)表面間接進入物鏡光學系統(tǒng)的不希望光和減少直接進入視野的不希望光這個方面來說，透明蓋的內(nèi)表面上的抗反射涂層是有利的。而且，透明蓋的外表面上的防水涂層可以防止污染物粘附到透明蓋上而妨礙觀察。
當然，首要的是，透明蓋和膠囊內(nèi)窺鏡本體是由對人體無危害的材料制成。此外，重要的是，在以低成本方式處理時，膠囊內(nèi)窺鏡的所有部件不會對環(huán)境造成危害。以此方式，可以以相當?shù)偷某杀咎峁┮淮涡阅z囊內(nèi)窺鏡。
以上描述了本發(fā)明，顯然可以以多種方式對其進行修改。例如，可以選擇性地使用優(yōu)選實施例中描述的特征的組合。本發(fā)明的范圍應(yīng)該由所附權(quán)利要求及其法律等同物來定義。本領(lǐng)域技術(shù)人員所容易想到的所有修改都應(yīng)落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種膠囊內(nèi)視鏡，包括用于照射一個物體的照明裝置，該照明裝置包括發(fā)光元件；用于對物體成像的成像裝置，該成像裝置包括物鏡光學系統(tǒng)；和具有一曲率中心的透明蓋，所述透明蓋蓋住照明裝置和成像裝置；其中照明裝置還包括具有出射光瞳的光散射裝置，并且光散射裝置的出射光瞳的中心被布置為與透明蓋的曲率中心重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠囊內(nèi)視鏡，其中成像裝置包括多個構(gòu)成物鏡光學系統(tǒng)的透鏡元件和一個圖像檢測元件。
3.一種膠囊內(nèi)視鏡，包括用于照射一個物體的照明裝置；用于對物體成像的成像裝置；和具有一曲率中心的透明蓋，所述透明蓋蓋住照明裝置和成像裝置；其中成像裝置包括多個物鏡光學系統(tǒng)和一個圖像檢測元件；照明裝置包括具有出射光瞳的光散射裝置和發(fā)光元件；光散射裝置的出射光瞳的中心被布置為與透明蓋的曲率中心重合，并且光散射裝置的出射光瞳相對于圖像檢測元件布置，使得當從物體側(cè)觀察膠囊內(nèi)視鏡時，一個相對于物鏡光學系統(tǒng)的光軸與光散射裝置的出射光瞳對稱布置的區(qū)域與圖像檢測元件的一個區(qū)域重疊，但是不與圖像檢測元件的用于圖像檢測的任何區(qū)域重疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的膠囊內(nèi)視鏡，其中當從物體側(cè)觀察膠囊內(nèi)視鏡時，圖像檢測元件的一個不用于成像、并且相對于物鏡光學系統(tǒng)的光軸與照明裝置的一個發(fā)光區(qū)域?qū)ΨQ布置的區(qū)域是一個在圖像處理時被以電氣方式遮蔽的遮蔽區(qū)域。
5.一種膠囊內(nèi)視鏡，包括用于照射一個物體的照明裝置；用于對物體成像的成像裝置；和具有一曲率中心的透明蓋，所述透明蓋蓋住照明裝置和成像裝置；其中成像裝置包括多個物鏡光學系統(tǒng)和多個圖像檢測元件；照明裝置包括具有出射光瞳的光散射裝置和發(fā)光元件；光散射裝置的出射光瞳被布置為與透明蓋的曲率中心重合，并且光散射裝置的出射光瞳相對于圖像檢測元件布置，使得當從物體側(cè)觀察膠囊內(nèi)視鏡時，一個相對于物鏡光學系統(tǒng)的光軸與光散射裝置的出射光瞳對稱布置的區(qū)域與圖像檢測元件的一個區(qū)域重疊，但是不與圖像檢測元件的用于圖像檢測的任何區(qū)域重疊。
全文摘要
揭示了一種膠囊內(nèi)視鏡，包括用于照射一個物體的照明裝置，該照明裝置包括發(fā)光元件；用于對物體成像的成像裝置，該成像裝置包括物鏡光學系統(tǒng)；和具有一曲率中心的透明蓋，所述透明蓋蓋住照明裝置和成像裝置；其中照明裝置還包括具有出射光瞳的光散射裝置，并且光散射裝置的出射光瞳的中心被布置為與透明蓋的曲率中心重合。
文檔編號A61B5/07GK1689505SQ20051007496
公開日2005年11月2日 申請日期2003年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者鈴木隆之, 松本伸也, 長谷川晃, 橫井武司, 瀨川英建, 滝澤寬信 申請人:奧林巴斯株式會社