CN100444812C - 用于视觉假体的眼内摄像头 - Google Patents
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Abstract
一种用于视觉假体的眼内摄像头，属于医用器械技术领域。本发明中，梯度折射率透镜和CMOS图像传感器无缝接合，环形太阳能电池将梯度折射率透镜和CMOS图像传感器完全包裹在其内部，环形太阳能电池与CMOS图像传感器连接，为CMOS图像传感器提供稳定的工作电压。梯度折射率透镜作为光学镜头，焦距短，可实现与CMOS图像传感器的无缝接合，减小了***轴向尺寸。设计的低像素CMOS图像传感器，在满足识别物体要求的同时，既减小了尺寸，又降低了功耗。采用环形太阳能电池供电，安全，对人体无毒副作用，并且一旦植入后，免去更换电池的麻烦，环形的设计符合人瞳孔形状，体积小便于植入。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗器械技术领域的装置，具体地说，是一种用于视觉假体的眼内摄像头。
背景技术
近年来已经开发了许多种采用固体摄像元件的摄像***，可以实时的采集图像信息，在医疗、监控、安全等方面广泛应用。但是它们为了满足各种应用的需要，通常像素、分辨率很高，功能复杂，尺寸大，功耗高，不能满足视觉假体的要求。
现有的摄像***，通常采用普通透镜作为光学镜头，其焦距长，尺寸大，难于加工，不便于植入，并且生产成本高。
目前，在微型成像器件中，通常采用纽扣电池作为电源，其体积小便于植入。但是其不足之处在于：纽扣电池含有对人体有害的物质，它在人体内滞留较长的时间显然是不合适的，并且当电池耗尽时，更换电池也是较为麻烦的。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利申请号为CN03262832.3，公开日为2004年9月15日，该专利自述为：“***头，它由光学镜头、摄像头组成，其特征是：光学镜头是自聚焦透镜，自聚焦透镜前端面为平面，后端面为球面，自聚焦透镜成像面有CCD摄像头，自聚焦透镜前端面与光轴垂直固定有小孔光栏。”其不足之处在于：1.采用CCD摄像头作为成像器件，2.自聚焦透镜(即梯度折射率透镜)没有考虑到缩短焦距，实现与CCD的无缝接合，所以该***只是在一定程度上实现了微型化，但是针对于视觉假体眼内摄像头的需要，该***明显体积过大，不便于植入。并且该***没有考虑到电源设计部分。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于视觉假体的眼内摄像头，使其尺寸小、功耗低，满足视觉假体成像的需要，并且可植入眼内，通过人眼珠的转动自动实现扫描。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的用于视觉假体的眼内摄像头包括：梯度折射率透镜、CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器、环形太阳能电池。梯度折射率透镜和CMOS图像传感器无缝接合，环形太阳能电池将梯度折射率透镜和CMOS图像传感器完全包裹在其内部，组成一个整体***。环形太阳能电池与CMOS图像传感器连接，为CMOS图像传感器提供稳定的工作电压。
所述的梯度折射率透镜，其直径在0.35mm-0.6mm之间，长度在1.3mm-3mm之间，梯度折射率透镜作为光学镜头覆盖在CMOS图像传感器中感光阵列的前表面，为其提供汇聚光。梯度折射率透镜采用梯度折射率光纤，尺寸小，焦距短，便于安装，可实现与CMOS图像传感器的无缝接合，进一步缩小了摄像***的轴向尺寸，便于眼内植入。
所述的CMOS图像传感器包括：感光阵列、控制电路、预处理电路、模数转换(A/D)电路。控制电路的输出连接到感光阵列的信号输入端，感光阵列的信号输出端连接到预处理电路的输入端，预处理电路的输出端连接到模数转换电路，控制电路产生控制信号给感光阵列，感光阵列进行光电转换后输出与光强成比例的电信号，该信号首先输出到预处理电路，经过处理后的模拟信号输出给模数转换电路，进行模数转换后输出数字信号。
所述的感光阵列，其分辨率为25×25，总像素数625，最小像敏单元尺寸范围在6um×6um-10um×10um之间，感光面积在0.15mm×0.15mm-0.25mm×0.25mm之间。感光阵列的基本组成部分，即像敏单元，采用有源结构，在像素表面无覆盖彩色滤光片，即只产生灰度值信号。设计的低像素CMOS图像传感器，在满足物体识别的要求基础上，既减小了尺寸，又降低了功耗，便于眼内植入。CMOS图像传感器外形尺寸在0.25mm×0.25mm-0.45mm×0.45mm之间，对角线尺寸在0.35mm-0.6mm之间，厚度在0.3mm-0.6mm之间。帧频在24fps-30fps之间，工作电压2.5V，功耗在0.5mW-1.0mW之间，输出8位数字信号。
所述的环形太阳能电池，其内径在0.35mm-0.6mm之间，外径在4.0mm-8.0mm之间，厚度在1.6mm-3.6mm之间，转换效率15％-23％，输出功率可达1mW。环形太阳能电池作为外接圆包裹在梯度折射率透镜和CMOS图像传感器周围，为其提供稳定的2.5V工作电压。太阳能电池设计成环形，其圆形内边缘便于包裹圆柱形的梯度折射率透镜；并且人体瞳孔为圆形，太阳能电池光滑的外边缘更适合于植入瞳孔内。尺寸小、可自动充电，方便***的眼内植入，且一旦植入后免去更换电池的麻烦。
本发明中，梯度折射率透镜直径在0.35mm-0.6mm之间，CMOS图像传感器对角线长度在0.35mm-0.6mm之间，设计时确保两者尺寸完全一致，无缝接合，环形太阳能电池内径尺寸在0.35mm-0.6mm之间，确保其与梯度折射率透镜直径和CMOS图像传感器对角线的长度完全一致，使其以外接圆形式完全包裹在梯度折射率透镜与CMOS图像传感器周围，既起到保护梯度折射率透镜的作用，又提供了封装，形成一个整体***。本发明尺寸最大限制在外径8.00mm，长度3.6mm，最小可达外径4.0mm，长度1.6mm，根据人体瞳孔尺寸的大小，可知该***可以植入眼内，实现摄像功能。
附图说明
图1是本发明用于视觉假体的眼内摄像头的结构示意图。
图2是本发明用于视觉假体的眼内摄像头的剖面图。
图3是本发明中CMOS图像传感器结构框图。
图4是本发明中CMOS图像传感器的感光阵列的结构图。
具体实施方式
如图1所示，本发明用于视觉假体的眼内摄像头包括：梯度折射率透镜1、CMOS图像传感器2、环形太阳能电池3。梯度折射率透镜1和CMOS图像传感器2无缝接合，环形太阳能电池3将梯度折射率透镜1和CMOS图像传感器2完全包裹在其内部，环形太阳能电池3与CMOS图像传感器2连接，为CMOS图像传感器2提供稳定的工作电压。
如图2所示，梯度折射率透镜1直径在0.35mm-0.6mm之间，CMOS图像传感器2对角线尺寸在0.35mm-0.6mm之间，使两者尺寸完全一致，无缝接合在一起，环形太阳能电池3内径在0.35mm-0.6mm之间，与梯度折射率透镜1直径和CMOS图像传感器2对角线的尺寸完全一致，作为外接圆，完全包裹在外部，作为一个整体植入瞳孔内部。CMOS图像传感器2厚度在0.3mm-0.6mm之间，梯度折射率透镜1的长度在1.3mm-3mm之间，环形太阳能电池3的厚度在1.6mm-3.6mm之间，设计时使环形太阳能电池3的长度等于梯度折射率透镜1的长度与CMOS图像传感器2的厚度之和，这样其恰好可以把梯度折射率透镜1和CMOS图像传感器2完全包裹在其内部，便于安装和植入。
根据模型眼的计算，假设预计恢复的视力为0.1，则CMOS图像传感器2的最小像素尺寸不得小于6um。像素尺寸越大，捕捉光线的能力越强，图像质量越好，但是越难制造，同时生产成本越高，综合考虑，设计CMOS图像传感器2的最小像素尺寸范围在6um×6um-10um×10um之间。
经研究表明，对于盲人，只需要25×25，即625个总像素数，就可以识别物体。这样设计CMOS图像传感器2的感光阵列为25×25，较低的像素数既减小了图像传感器2的尺寸，又降低了其功耗。在研究初级阶段，选择了较低的像素数，若今后要求提高，可以进一步提高图像传感器的像素。同时，在研究初级阶段，只考虑黑白图像，因此在像敏单元表面无覆盖彩色滤光片，输出灰度值图像。
经过计算，CMOS图像传感器的感光面积在0.15mm×0.15mm-0.25mm×0.25mm之间，加上其内部的其他一些处理电路，预期CMOS图像传感器2的尺寸限制在0.25mm×0.25mm-0.45mm×0.45mm之间，对角线尺寸在0.35mm-0.6mm之间，厚度在0.3mm-0.6mm之间。
根据人的生理特点，当图像的刷新速度达到5fps时，人开始感觉图像是活动的；而达到24fps时，人感觉图像是完全连续和流畅的，电影所使用的帧频就是24fps，所以视频信号的帧频应大于等于24Hz。理论上来说，帧频越高越好，但是帧频越高，对电路的要求也越高，技术越复杂，后期处理难度越高，成本越高，综合考虑的情况下，设计CMOS图像传感器2的帧频在24fps-30fps之间。在这种情况下，数据传输率约为1.9Mbit/s(考虑输出为8位数字信号，30fps的情况下)。
如图3所示，所述的CMOS图像传感器的功能模块包括：感光阵列、控制电路、预处理电路、模数转换A/D电路。其中感光阵列为图像传感器的核心，对图像信息进行光电转换，输出电信号。控制电路完成水平垂直控制、时序电路产生，自动曝光控制等功能，使得图像传感器在一定的时序下进行图像输出。预处理电路对输出的模拟信号进行初步处理，包括自动增益控制、滤波等功能。模数转换A/D电路，对处理后的模拟信号进行数字转换，输出8位灰度值数字信号。控制电路产生一些控制信号给感光阵列，感光阵列在一定的控制下进行光电转换后输出与光强成比例的电信号，该信号首先输出到预处理电路，经过处理后的模拟信号输出给模数转换电路，进行模数转换后输出数字信号。
如图4所示，所述的CMOS图像传感器2中的感光阵列包括：25H×25V总像素数，其像敏单元按X和Y方向排列成25H×25V的方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X、Y各方向上的地址，可分别由水平垂直控制进行选择。像敏单元采用有源结构，即主动像敏单元结构，在每个像敏单元都经过放大后，才通过场效应管模拟开关输出，固定图案噪声大大降低，图像信号的信噪比却显著提高。在视觉假体中只要求得到黑白图像，因此在像敏单元表面无需覆盖彩色滤光片，可直接输出灰度值信号，得到黑白图像。
梯度折射率透镜1与普通透镜的区别在于：1.其不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点；2.通光效率高，容易加工，两端为光滑的平面，便于安装；3.直径小，整体尺寸小，同时焦距短可达0.5mm，便于植入眼内。
这里要求梯度折射率透镜1外形尺寸为，直径与CMOS图像传感器2的对角线尺寸一致，在0.35mm-0.6mm之间，长度在1.3mm-3mm之间，数值孔径0.46，截距0.25P。选择截距0.25P时，从透镜前端面入射的平行光线经自聚焦透镜后汇聚到透镜的后端面，CMOS图像传感器2直接安装在后端面，这样可以缩短眼内摄像头的轴向尺寸。
由于太阳能电池提供的能量有限，必须尽可能减小CMOS图像传感器2的能耗。因此传感器采用2.5V低工作电压，内部电路结构简单，可以将其功耗限制在0.5mW-1mW之间，实现低功耗。
太阳能电池尺寸小，便于植入，可以自动充电，植入眼内后可免去更换电池的麻烦，并且无毒副作用，更安全，对人体伤害小。目前普通单晶硅太阳能电池的转换效率为15％，实验室内转换效率可达23％。CMOS图像传感器2的对角线尺寸在0.35mm-0.6mm之间，设计环形太阳能电池3尺寸为，内径与梯度折射率透镜1的直径和CMOS图像传感器2的对角线长度完全一致，在0.35mm-0.6mm之间，外径在4.0mm-8.0mm之间，设计时使其厚度等于梯度折射率透镜1的长度与CMOS图像传感器2的厚度之和，在1.6mm-3.6mm之间，这样其输出功率可达1mW，满足CMOS图像传感器2工作要求。将其设计成环形，内圆方便与梯度折射率透镜1和CMOS图像传感器2组合安装，外圆光滑的边缘，便于移植入眼内。同时其厚度可以完全包裹梯度折射率透镜1和CMOS图像传感器2在其内部，既起到了保护的作用，又提供了封装，形成一个整体***。
Claims (6)
1.一种用于视觉假体的眼内摄像头，包括：梯度折射率透镜(1)、CMOS图像传感器(2)、环形太阳能电池(3)，其特征在于，梯度折射率透镜(1)和CMOS图像传感器(2)无缝接合，环形太阳能电池(3)将梯度折射率透镜(1)和CMOS图像传感器(2)完全包裹在环形太阳能电池(3)内部，环形太阳能电池(3)与CMOS图像传感器(2)连接，为CMOS图像传感器(2)提供稳定的工作电压。
2.根据权利要求1所述的用于视觉假体的眼内摄像头，其特征是，所述的梯度折射率透镜(1)，直径与CMOS图像传感器(2)的对角线尺寸完全一致，在0.35mm-0.6mm之间，长度在1.3mm-3mm之间，数值孔径0.46，截距0.25P。
3.根据权利要求1所述的用于视觉假体的眼内摄像头，其特征是，所述的CMOS图像传感器(2)，包括：感光阵列、控制电路、预处理电路、模数转换电路，控制电路的输出连接到感光阵列的信号输入端，感光阵列的信号输出端连接到预处理电路的输入端，预处理电路的输出端连接到模数转换电路，控制电路产生控制信号给感光阵列，感光阵列进行光电转换后输出与光强成比例的电信号，该信号首先输出到预处理电路，经过处理后的模拟信号输出给模数转换电路，进行模数转换后输出数字信号。
4.根据权利要求3所述的用于视觉假体的眼内摄像头，其特征是，所述的感光阵列，其分辨率为25×25，总像素数625，最小像敏单元尺寸范围在6μm×6μm-10μm×10μm之间，感光面积在0.15mm×0.15mm-0.25mm×0.25mm之间，像敏单元采用有源结构，在像素表面无覆盖彩色滤光片，即只产生灰度值信号。
5.根据权利要求1或者3所述的用于视觉假体的眼内摄像头，其特征是，所述的CMOS图像传感器(2)，其外形尺寸在0.25mm×0.25mm-0.45mm×0.45mm之间，对角线尺寸在0.35mm-0.6mm之间，厚度在0.3mm-0.6mm之间，帧频在21fps-30fps之间，工作电压2.5V，功耗在0.5mW-1.0mW之间，输出8位数字信号。
6.根据权利要求1所述的用于视觉假体的眼内摄像头，其特征是，所述的环形太阳能电池(3)，其内径与梯度折射率透镜(1)的直径和CMOS图像传感器(2)的对角线尺寸完全一致，在0.35mm-0.6mm之间，外径在4.0mm-8.0mm之间，确保其厚度与梯度折射率透镜(1)的长度和CMOS图像传感器(2)的厚度之和一致，在1.6mm-3.6mm之间，转换效率15％-23％，输出功率可达1mW。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANGHAI HUASHI INVESTMENT CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY Effective date: 20101217 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 200240 NO. 800, DONGCHUAN ROAD, MINHANG DISTRICT, SHANGHAI TO: 200040 5D, HUATONG BUILDING, NO. 618, XIKANG ROAD, JING'AN DISTRICT, SHANGHAI |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20101217 Address after: Xikang Road 200040 Shanghai City No. 618 Jingan District Huatong building 5D Patentee after: Shanghai Huashi Investment Co., Ltd. Address before: 200240 Dongchuan Road, Shanghai, No. 800, No. Patentee before: Shanghai Jiao Tong University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20180319 Address after: No. 1, unit 3, courtyard No. 6, indiruba Road, Beijing, Beijing Patentee after: Li Baojun Address before: Xikang Road 200040 Shanghai City No. 618 Jingan District Huatong building 5D Patentee before: Shanghai Huashi Investment Co., Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20180409 Address after: 100094 3 floor 350, block D, 24 building, 68 Beiqing Road, Haidian District, Beijing. Patentee after: Beijing Da Shing science and Technology Development Co., Ltd. Address before: No. 1, unit 3, courtyard No. 6, indiruba Road, Beijing, Beijing Patentee before: Li Baojun |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081224 Termination date: 20190622 |
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| RR01 | Reinstatement of patent right | ||
| RR01 | Reinstatement of patent right |
Former decision: termination of patent right due to unpaid annual fee Former decision publication date: 20200623 |