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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Intraoralkamera zur Anwendung
in der Zahnmedizin gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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In
der Zahnmedizin werden aus diagnostischen Gründen oftmals
optische Aufnahmen der zu untersuchenden Zähne erstellt,
da anhand eines optischen Bildes eventuell erforderliche therapeutische Maßnahmen
dem Patienten besser vermittelt werden können. Die hierzu
verwendeten so genannten Intraoralkameras werden dabei sowohl für
Makroaufnahmen, also zum Beispiel für die Aufnahme von
Kavitäten eines einzelnen Zahns eingesetzt, als auch für die
Aufnahmen von einzelnen Zähnen bis zu einer Ganzgesichtsaufnahme
hin. In der Vergangenheit war dabei die Nutzung einer konstanten
Brennweite für intraorale sowie für extraorale
Anwendungen vorgesehen, wobei vorzugsweise eine sehr kurze Brennweite
genutzt wurde, da diese für intraorale Anwendungen aufgrund
der natürlich bedingten Platzverhältnisse die
beste Lösung darstellte. Bei kostengünstigen optischen
Systemen zieht eine derart kurze Brennweite allerdings eine starke
Verzeichnung mit sich, was zu einer sehr eingeschränkten
Benutzbarkeit des Systems für Ganzgesichtsaufnahmen führte.
Letztendlich ermöglicht eine derartige Kamera lediglich,
einen sehr eingeschränkten Beobachtungsbereich scharf abzubilden.
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Um
die Qualität der optischen Darstellungen sowohl im Nah-
als auch im Fernbereich zu verbessern, war es ferner bekannt, eine
Einstellung der Bildebene der Aufnahmeeinheit bzw. des Bildsensors entsprechend
der gewählten Aufnahmesituation vorzunehmen. Diese Einstellung
konnte beispielsweise manuell über die Fokussierung des
Abbildungssystems, beispielsweise durch eine Verschiebung einer Linsengruppe
entlang der optischen Achse vorgenommen werden. Alternativ hierzu
besteht auch die Möglichkeit, die Fokussierung, also die
Justierung der Bildlage auf die Sensorebene automatisiert durchzuführen,
wobei als Auswertegröße die Kontrastermittlung
des Bildsignals herangezogen werden kann.
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Die
Ausleuchtung des von der Kamera zu beobachtenden Bereichs erfolgt üblicherweise
mit Hilfe einer in die Kamera integrierten oder am Eingang der Kamera
in geeigneter Weise angebrachten Beleuchtungseinheit. Aufgrund der
starken Reflexionen der Zähne verbunden mit dem geringen
Objektabstand bei intraoral gebrauchten Kameras gelangt bei derartigen
Nahaufnahmen wesentlich mehr reflektiertes Licht auf den Bildsensor.
Aus diesem Grund ist es zur Erhöhung der so genannten Tiefenschärfe
sinnvoll, die Blende des optischen Systems in Abhängigkeit
des zur Verfügung stehenden Lichts zu variieren. In diesem
Zusammenhang beschreibt die
EP
1 058 860 eine Dentalkamera, bei der eine fest vorgegebene
Kopplung zwischen Blende und Fokus über ein Funktionselement
vorliegt. Der Nachteil dieser bekannten festen Kopplung von Blendenöffnung
an die Stellung der Fokuslinse ist allerdings die Unfähigkeit
des Systems, eine optimale Anpassung an die vorhandenen Verhältnisse
vorzunehmen. So führt eine fest vorgegebene Blende im Makrobereich
aufgrund der unterschiedlichen Lichtabsorption der aufzunehmenden
Objekte oftmals zu keiner optimalen Belichtung des Sensors. Die
Absorption von Amalgam ist beispielsweise um ein Vielfaches höher
als die Absorption von Dentin. Zur scharfen Darstellung von Tiefenkavitäten
in Dentin ist also beispielsweise ein kleiner Blendendurchmesser für
eine hohe Tiefenschärfe von Vorteil. Wird mit dieser Makroeinstellung
allerdings eine stark absorbierende Amalgamfüllung betrachtet,
muss aufgrund der großen Absorption des Amalgams das von
dem Sensor erfasste Signal stark verstärkt werden, wodurch
sich das Signal-/Rauschverhältnis verschlechtert. Bei Verwendung
eines größeren Blendendurchmessers hingegen kann
ein lokales „Überstrahlen" des Bilds auftreten,
so dass einzelne Pixel des Bildaufnehmers in Sättigung
gehen, was letztendlich zur Folge hat, dass das Objekt nicht mehr
in ausreichendem Maße erkennbar ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde,
die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Realisierung von
Intraoralkameras zu verbessern, um für sämtliche
Aufnahmebedingungen optimale Aufnahmeverhältnisse zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird durch eine Intraoralkamera, welche die Merkmale des
Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass
im Gegensatz zum Stand der Technik der
EP 1 058 860 die Einstellung der Blende
nicht starr an den Fokus des Abbildungssystems der Kamera gekoppelt
ist, sondern dass stattdessen die Einstellung des variablen Durchmessers
der Blende unabhängig hiervon erfolgen kann. Dies ermöglicht
eine größere Flexibilität hinsichtlich
der Aufnahmebedingungen, wodurch gewährleistet ist, dass
jederzeit eine optimale Belichtung des Sensors bzw. allgemein der
Aufnahmeeinheit erfolgen kann.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird dementsprechend eine Intraoralkamera
mit einem Abbildungssystem zur Abbildung des vor einem Sichtfenster
der Kamera befindlichen Objekts auf eine Aufnahmeeinheit vorgeschlagen,
wobei das Abbildungssystem zumindest eine Fokussiereinheit zur Einstellung
eines geeigneten Fokus sowie eine Blendeneinheit zur Bildung einer
veränderlichen Blende aufweist, und wobei erfindungsgemäß die
Einstellung der Blende unabhängig von dem durch die Fokussiereinheit
eingestellten Fokus erfolgt.
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Die
Einstellung der Blende erfolgt vorzugsweise automatisch. Die erfindungsgemäße
kann hierzu eine Steuereinheit zur automatischen Ansteuerung der
Blendeneinheit aufweisen. Die Ansteuerung kann dabei auf Basis eines
von der Aufnahmeeinheit zur Verfügung gestellten Ausgangssignals
erfolgen. Alternativ bzw. ergänzend hierzu kann allerdings
auch vorgesehen sein, dass die Kamera Eingabeelemente zur manuellen
Auswahl einer Blende aufweist.
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Die
Blendeneinheit selbst kann beispielsweise eine motorgetriebene Iris-
oder Katzenaugenblende aufweisen, welche eine nahezu stufenlose
Einstellung der Blendenöffnung ermöglicht. Alternativ hierzu
kann allerdings auch eine erste Blende mit einem ersten Blendendurchmesser
sowie eine wahlweise in den Strahlengang des Abbildungssystems einbringbare
zweite Blende mit einem zweiten Blendendurchmesser vorgesehen sein,
der kleiner ist als der erste Blendendurchmesser. Mit Hilfe der
zweiten Blende, die bewegbar, insbesondere verschiebbar, verdrehbar,
kipp- oder schwenkbar gelagert sein kann, kann dann wahlweise eine
große oder eine kleine Blende eingestellt werden. Ferner
kann die Blendeneinheit auch ein in den Strahlengang des Abbildungssystems
wahlweise einbringbares optisches Element aufweisen, mit dessen
Hilfe die Einstellung der Blende erfolgt. Die Fixierung der Blendenendstellung
kann dabei mit Hilfe von Permanentmagneten erfolgen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kamera erfolgt auch die Ansteuerung der Fokussiereinheit automatisch.
Wiederum kann die Ansteuerung durch eine entsprechende Steuereinheit
auf Basis eines von der Aufnahmeeinheit zur Verfügung gestellten
Ausgangsignals erfolgen. Ferner wäre auch die Nutzung eines
Sensors zur Ermittlung des Objektstandes bzw. die manuelle Auswahl
der Fokusseinstellung mit Hilfe entsprechender Eingabeelemente denkbar.
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Die
Fokussiereinheit kann dann beispielsweise eine in Richtung der optischen
Achse verstellbare Linse oder Linsengruppe aufweisen oder derart ausgestaltet
sein, dass die Aufnahmeeinheit hinsichtlich ihrer Lage verändert
wird.
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Eine
andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kamera
besteht darin, dass zusätzlich auch die Brennweite mit
Hilfe einer verstellbaren Linsengruppe vorgesehen sein kann. Hierdurch
wird die Möglichkeit geschaffen, zwischen Makroaufnahmen und
Gesamtgesichtsaufnahmen zu wechseln.
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Letztendlich
wird also durch die vorliegende Erfindung eine Kamera geschaffen,
welche hinsichtlich ihrer Abbildungseigenschaften für unterschiedlichste
Aufnahmesituationen im Dentalbereich optimale Ergebnisse liefert.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert werden. Es zeigen:
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1 die
Ansicht einer erfindungsgemäßen Intraoralkamera;
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2 die
schematische Darstellung der verschiedenen Komponenten der erfindungsgemäßen Kamera
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 eine
Variante zu der Darstellung von 2;
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4 ein
Ausführungsbeispiel eines Motors zur Veränderung
der Fokuseinstellung;
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5 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten
variablen Blendeneinheit;
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6a bis 6e Varianten
zur Bildung einer zweistufigen Blendeneinheit;
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7a bis 7d weitere
Möglichkeiten zur Realisierung eines Kippantriebs zur Bildung
einer zweistufigen Blendeneinheit;
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8a bis 8c Möglichkeiten
zur Bildung einer stufenlos verstellbaren Blendeneinheit;
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9 bis 11 verschiedene
Varianten zur Ausgestaltung der Beleuchtung der erfindungsgemäßen
Intraoralkamera;
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12 eine
weitere Variante der erfindungsgemäßen Intraoralkamera
und
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13 und 14 die
Vorgehensweise zur Belichtung in zwei verschiedenen Aufnahmemodi
der Kamera.
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Die
in 1 allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehene
erfindungsgemäße weist ein längliches
Handstück bzw. Griffstück 2 auf, in dem
die wesentliche Elektronik der Kamera angeordnet ist. An der Rückseite
ist das Griffstück 2 über einen Stecker 3 mit
einem Versorgungs-/Datenübertragungsschlauch 4 verbunden,
der zu einer – nicht dargestellten – zentralen
Einheit führt. Über diesen Schlauch 4, der
beispielsweise ein USB-Kabel beinhalten kann, wird einerseits die
Stromversorgung der Kamera 1 sichergestellt, ferner können
auch Bildinformationen von der Kamera 1 zu einem Bildschirm übertragen und
dargestellt werden. Auch die drahtlose Übertragung der
Bilddaten zu einem Monitor bzw. allgemein der zentralen Einheit
wäre denkbar.
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Am
vorderen Ende des Griffkörpers 2 befindet sich
ein sondenförmiger Kamerakopf 5, der das Lichteintritts-
bzw. Sichtfenster 6 für die Kameraoptik beinhaltet.
Aus ergonomischen Gründen ist dabei das Sichtfenster 6 nicht
an der Stirnseite des Kopfs 5, sondern an dessen Mantelfläche
angeordnet. Die entsprechende Umlenkung des Bildes erfolgt dann mittels
optischer Elemente, die nachfolgend noch näher erläutert
werden. Ferner ist im Kopfbereich eine nicht näher dargestellte
Beleuchtungseinheit zur Ausleuchtung des zu beobachtenden Bereichs
angeordnet. Möglichkeiten zur Realisierung dieser Beleuchtungseinheit
werden zu einem späteren Zeitpunkt noch beschrieben.
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Am
Griffkörper 2 selbst befinden sich verschiedene
manuelle Eingabeelemente 7 und 8, mit deren Hilfe
die Kamera 1 bedient werden kann. Einige der Elemente 7 bzw. 8 können
dabei für die Steuerung der Blende sowie des Fokus vorgesehen
sein. Andere Elemente wiederum können dazu dienen, die Abspeicherung
eines aktuellen Kamerabildes zu initiieren bzw. zwischen einem Live-Bildmodus
und einem Standbildmodus zu wechseln. Den Eingabeelementen 7, 8 können
entsprechende LEDs zugeordnet sein, welche die aktuelle Kameraeinstellung
anzeigen. Der Handgriff bzw. Griffkörper 2 weist
vorzugsweise einen etwas größeren Durchmesser
auf und bietet somit ausreichend Platz für die verschiedenen
elektronischen Einheiten.
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Die
verschiedenen optischen und elektronischen Komponenten der erfindungsgemäßen
Kamera sind schematisch in 2 dargestellt
und sollen nachfolgend erläutert werden. Als Aufnahmeeinheit 10 dient
hierbei ein digitales Bildaufnahmeelement beispielsweise in Form
eines CCD- oder CMOS-Chips. Das vor dem Sichtfenster 6 der
Kamera 1 befindliche Objekt wird dann mit Hilfe optischer Mittel
auf diesen Chip 10 abgebildet, wobei hierzu einerseits
ein keilförmiges Prisma 11 zur Bildumlenkung,
welches die Blickrichtung festlegt, sowie andererseits ein Abbildungssystem 12 eingesetzt
werden. Das Abbildungssystem 12 weist zunächst
mehrere ortsfest in dem Aufsatz 5 angeordnete Linsen 13 sowie
eine hinsichtlich ihrer Position in der Längsachse verstellbare
Zoomlinse 14 auf. Je nach Position der Linse 14 kann
die Brennweite des Abbildungssystems eingestellt werden, wobei – wie
später noch näher erläutert wird – die
Einstellung vorzugsweise mit Hilfe einer entsprechenden Motorsteuerung
erfolgt.
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Der
Zoomlinse 14 nachgeordnet ist eine Blendeneinheit 15,
deren axiale Lage fest ist und mit deren Hilfe eine in ihrer Größe
bzw. ihrem Durchmesser veränderliche Blende gebildet wird.
Zwischen der Blendeneinheit 15, die vorzugsweise an einem
Kreuzungspunkt des Strahlengangs mit der optischen Achse angeordnet
ist, und dem Chip 10 ist schließlich noch eine
Fokussiereinheit 16 angeordnet, um das Bild des vor dem
Sichtfenster 6 der Kamera 1 befindlichen Objekts
auf den Chip 10 scharf abzubilden.
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Die
Ansteuerung der verschiedenen Komponenten des Abbildungssystems
erfolgt vorzugsweise mit Hilfe entsprechender Steuereinheiten, die
bei der Variante gemäß 2 ebenfalls
in der Griffhülse der Kamera 1 angeordnet sind.
Die Elektronik 17 der Kamera 1 umfasst dabei zunächst
eine Einheit zur Bildauswertung 18, deren Informationen
von den weiteren Steuereinheiten genutzt werden. Bei diesen weiteren
Steuereinheiten handelt es sich einerseits um die Motorsteuerung
Zoom 19 zur Ansteuerung der Zoomlinse 14, um die
Motorsteuerung Blende 20 zur Ansteuerung der Blendeneinheit 15 sowie
um die Motorsteuerung Fokus 21 zur Ansteuerung der Fokussiereinheit 16.
Dabei besteht entsprechend der Alternativdarstellung in 3 auch
die Möglichkeit, die Elektronik 117 der Kamera 1 auszulagern,
beispielsweise in der zuvor erwähnten Zentraleinrichtung
anzuordnen.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Fokussierung der Kamera 1 automatisch
erfolgt. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Kontrastumfang
des durch den Chip 10 aufgenommenen Bildes ermittelt und
bewertet wird. Die Fokussiereinheit 16 wird dann unter
kontinuierlicher Kontrastberechnung so lange verstellt, bis ein
Maximum an Kontrastumfang erzielt wird. Da das Maximum des Kontrastes
erfahrungsgemäß bei fokussierter Einstellung erreicht
wird, kann auf diesem Wege eine gute Scharfstellung des Bildes erzielt
werden.
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In
diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass für
den Fall, das durch Änderung der Entfernung des Objekts
von der Kamera auf dem Bildaufnehmer ein unscharfes Bild entsteht,
unbestimmt ist, in welche Richtung zu verfahren ist, um wieder ein scharfes
Bild zu erhalten. Vorzugsweise verfährt daher die Fokussiereinrichtung 16 nach
einem festen Programm. Einerseits können alle möglichen
Positionen eingenommen werden, wobei bei jeder Stellung der aus
den Daten des Bildaufnehmers resultierende Bildschärfewert
(z. B. Kontrastfunktion) mittels Mikrokontroller, FPGA oder DSP
rechnerisch ermittelt wird. Aufgrund der funktionellen Abhängigkeit
der Einstellung der Fokussiereinrichtung 16 und dem jeweils
ermittelten Bildschärfewert kann dann das Optimum der Bildschärfe
bestimmt und die Fokussiereinrichtung 16 in die zugehörige
Sollposition verfahren werden.
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Eine
andere Möglichkeit zum Auffinden des bestmöglichen
Werts für die Scharfeinstellung des Bilds besteht darin,
ausgehend von der jeweiligen Position die Fokussiereinrichtung 16 zu
verstellen und nach der Richtung zu suchen, die eine Verbesserung
der Bildschärfe erwirkt. Dies lässt sich so lange fortsetzen,
bis das Optimum erreicht ist (steepest descent oder hill-climbing
Algorithmus).
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Alternativ
zu diesen Varianten wäre es auch denkbar, den Abstand zu
dem zu beobachtenden Objekt im Bildzentrum mit Hilfe eines Sensors
zu erfassen. Je nach dem, welcher Objektabstand ermittelt wurde,
kann dann eine entsprechende Einstellung der Fokussiereinrichtung 16 vorgenommen
werden. Ferner könnte auch eine diskrete Fokuseinstellung mit
Hilfe der an der Kamera 1 befindlichen Bedienelemente 7 bzw. 8 ausgewählt
und dann mit Hilfe der Motorsteuerung 21 angefahren werden.
Schließlich kann ergänzend bei der automatischen
Fokussierung auch die Intensität des Helligkeitssignals
berücksichtigt werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform einer Fokussiereinrichtung 16 ist
in 4 dargestellt. Hierbei wird mit Hilfe eines speziellen
Antriebs eine Linse 40 bzw. eine Linsengruppe entlang der
optischen Achse verschoben. Die Linse 40 bzw. Linsengruppe
wird hierbei über einen Linearschrittantrieb 41 bewegt
und ist hierzu an einem Führungselement 42 angeordnet, welches
Magnetringe 43 aufweist. Des Weiteren ist in Längsrichtung
des Antriebs 41 ein Stator ausgebildet, der ein Joch 44,
Magnetspulen 45 sowie ferromagnetische Ringe 46 aufweist.
Durch entsprechende Beaufschlagung der Spulen 45 mit Spannung
wird eine in Längsrichtung wirkende Kraft generiert, über die
das Führungselement 42 mit der Linse 40 in
einfacher Weise verschoben werden kann. Die Ansteuerung der Spulen 45 erfolgt
dabei wie bereits erwähnt durch die entsprechende Ansteuereinheit 21 der
Kameraelektronik 17.
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Der
in 4 dargestellte Linearantrieb zur Fokuseinstellung
stellt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung dar, da er einen äußerst kompakten
Mechanismus zur Veränderung der Fokuslage darstellt. Dieser
Mikroschrittantrieb kann aufgrund seiner Bauweise ohne Weiteres
in den Kamerakopf 5 integriert werden. Er erspart dem Benutzer
der Kamera die durch Reibung schwergängige manuelle Scharstellung
des Bildes. Aufgrund der kleinen Masse des Läufers und
dem geringen Verfahrweg lässt sich ferner der oben beschriebene
Vorgang zur automatischen Fokussierung in weniger als einer Sekunde
durchführen, so dass der Anwender ohne merkliche Verzögerung
ein scharfes Bild erhält. Hilfreich ist in diesem Zusammenhang
die Tatsache, dass aufgrund des Betriebs als Schrittmotor nur wenige
Linsenpositionen anzufahren sind.
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Alternativ
hierzu wäre allerdings auch denkbar, optische Platten in
den Strahlengang der Kamera einzuschieben bzw. einzuklappen, um
die Fokuslage zu verändern. Ferner könnte auch
der Chip 10 selbst entlang der optischen Achse der Kamera 1 verschoben
werden. Die Fokussierung kann dabei in diskreten Stufen oder kontinuierlich
ausgeführt sein, wobei ergänzend zu der automatischen
Fokussierung auch vorgesehen sein kann, diese vorübergehend
manuell zu deaktivieren, wenn explizit eine bestimmte Einstellung
bevorzugt wird.
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Die
variable Blendeneinheit 15 dient dazu, die Tiefenschärfe
der Kamera 1 im intraoralen Gebrauch zu erhöhen.
Für eine optimale Handhabung der Kamera 1 durch
einen Anwender ist dabei vorzugsweise vorgesehen, dass sich der
Blendendurchmesser automatisch und situationsbedingt einstellt, insbesondere
unabhängig von der Einstellung der Fokussiereinrichtung 16.
Dabei ist die Blendeneinheit 15 derart im optischen Strahlengang
der Kamera 1 angeordnet, dass sie je nach Größe
der Blendenöffnung die Helligkeit des Bilds begrenzt, jedoch
nicht den Feldwinkel, d. h. die Größe des von
dem optischen System abbildbaren Objektfelds einschränkt.
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Die
automatische Einstellung wird wiederum über die Auswertung
des Eingangssignals durch den CCD- oder CMOS-Chip 10 erzielt.
Bei ausreichendem Licht wird dabei eine Blende mit einem geringeren
Blendendurchmesser zur Erhöhung der Tiefenschärfe
eingestellt. Dies ist erfahrungsgemäß im Makrobereich
aufgrund des geringen Abstandes von Lichtaustritt und Objektfeld
zuzüglich der starken Reflexion der Zähne der
Fall. Werden allerdings stark absorbierende Objekte, wie beispielsweise
Amalgam oder dergleichen aufgenommen, wird aufgrund des schwächeren
Eingangssignals des Bildsensors 10 automatisch eine Blende
mit einem größeren Blendendurchmesser gewählt.
Auf diesem Wege ist sichergestellt, dass der letztendlich erreichte
Helligkeitswert in optimaler Weise an den Regelbereich des Bildaufnehmers
angepasst wird. Dabei kann wiederum vorgesehen sein, dass mit Hilfe
der Eingabeelemente 7 bewusst auch manuell eine bestimmte Blendeneinstellung
gewählt werden kann.
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Die
makroskopisch übliche Methode zur stufenlosen Änderung
des Blendendurchmessers wird durch die bekannte sog. Irisblende
verkörpert. Die Öffnung ist je nach Irisqualität
in jeder Größe nahezu kreisförmig. Irisblenden
bestehen meist aus mehreren Lamellen, die gleichzeitig nach außen
oder innen gedreht werden. Alle Lamellen sind dabei auf einer eigenen
Achse gelagert und mit einem Ring über jeweils eine weitere
Achse miteinander verbunden. Auf diese Art wird die gemeinsame Bewegung
erzeugt.
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Eine
vereinfachte Variante der Irisblende stellt die sog. Katzenaugenblende
dar, bei der zwei Lamellen mit dreieckigen Einschnitten gegeneinander
verfahren werden, um die Größe der Öffnung
zu variieren. Der Antrieb muss hier eine Bewegung senkrecht zur
Lichtrichtung bereitstellen. Eine derartige Katzenaugenblende ist
wesentlich einfacher zu fertigen, allerdings beschränkt
die Form der Blende häufig in unerwünschter Form
das Bild. Ferner ist der Bauraum für die Blendeneinheit 15 in
der Kamera 1 sehr beschränkt, weshalb sich die
nachfolgend beschriebenen Lösungen zur Ausgestaltung der
Führungen und Antrieb für die Verstellung der
Blendenöffnung von makroskopischen Lösungen unterscheiden.
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Im
Gegensatz zu den soeben beschriebenen stufenlosen Blendensystemen
werden Blenden mit stufenweiser Änderung des Blendendurchmessers nur
mit den benötigten Blendendurchmessern versehen. Im Betrieb
wechseln diese Blenden dann je nach Bedarf die Öffnung.
Zwischenschritte sind in diesem Fall jedoch nicht möglich.
Im einfachsten Fall wird eine große feste Blende von einer
kleineren überdeckt. Zur Bewegung lassen sich einfache
lineare, rotatorische oder Kippbewegungen einsetzen. Bei geeigneter
Lagerung kommt es zu wenig Reibung. Entsprechend gering ist die
benötigte Antriebsleistung.
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Eine
erste bevorzugte Ausführungsform einer Blendeneinheit 15 ist
dementsprechend in 5 dargestellt. Die dargestellte
Ausführungsform ermöglicht dabei die Wahl zwischen
zwei verschiedenen Blendeneinstellungen, wobei einerseits eine erste Blende 30 mit
einer großen Blendenöffnung fix in dem Strahlengang
des Abbildungssystems angeordnet ist. Ferner kann bedarfsweise eine
zweite Blende 31 mit einem kleineren Blendendurchmesser
in den Strahlengang eingebracht werden. Die zweite Blende 31 ist
dabei über ein Scharnier 32, welches durch eine
Feder gebildet ist, schwenkbar gelagert und kann mit Hilfe eines
weiteren Linearantriebs 33 eingeklappt werden. Hierzu ist
ein Betätigungselement 34 an einem Führungsteil 35 mit Permanentmagnetringen
angeordnet. Diese werden wiederum von einem Stator mit mehreren
Statorwicklungen 36 umgeben. Durch entsprechende Ansteuerung
der Statorwicklungen 36 kann dann das Führungselement 35 in
Längsrichtung verschoben und hierdurch die zweite 31 Blende
wahlweise ein- oder ausgeklappt werden. Wiederum zeichnet sich dieser
elektromagnetische Mechanismus durch seine kompakte Ausgestaltung
aus, welche eine Anordnung bzw. Integration in die Kamera 1 ermöglicht.
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Weitere
Möglichkeiten zur Bildung einer derartigen zweistufigen
Blende sind schematisch in den 6a bis 6e dargestellt. Dabei kommen bei den Varianten
der 6a und 6b Linearbewegungen,
in den 6c, 6d und 6e Kipp- bzw. Drehbewegungen in Betracht,
wobei in sämtlichen Varianten Blendenelemente 37 in
den Strahlengang der Kamera eingebracht werden, um wahlweise eine
große oder eine kleine Blendenöffnung zu bilden.
Prinzipiell lassen sich zur Durchführung der Bewegung verschiedene Verfahren
der Energieumsetzung verwenden, wobei aufgrund des geringen Bauraums
Piezosteller, Formgedächtnis- oder Bimetallantriebe sowie
magnetostriktive oder elektromagnetische Antriebe in Betracht kommen.
Wesentlich ist, dass der Blendenwechsel für die zugrunde
liegende Anwendung so schnell erfolgt, dass der Beobachter dies
nicht bemerkt bzw. nur eine Helligkeitsänderung wahrnimmt. Aufgrund
der für Piezoantriebe erforderlichen hohen Spannungen scheiden
diese weitgehend aus. Magnetostriktive Antriebe erfordern einen
verhältnismäßig großen Bauraum,
Antriebe mit Bimetallen oder Formgedächtnislegierungen
weisen aufgrund der notwendigen Temperaturänderung eine
große Totzeit auf, so dass in erster Linie elektromagnetische
Antriebe – beispielsweise entsprechend der Art gemäß 5 – in
Betracht kommen.
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Zur
Fixierung der Endlagen Blendenelemente 37 lassen sich zweckmäßigerweise
Permanentmagnete einsetzen. Eine Optimierung des Antriebs gelingt
dabei durch die weitgehende Vermeidung von Reibung und die Beschränkung
auf kurze Wege und geringe bewegte Massen. Die 7a bis 7d zeigen hierbei mögliche Ausführungsformen
für einen Kippantrieb mit einer Fixierung des Endanschlags
des Blendenelements 37 durch die Verwendung von Permanentmagneten.
Hierbei sind kleine Luftspalte angeraten, um sowohl die Durchflutung
für den Schaltpuls gering zu halten, als auch zur Erzeugung
ausreichender Kräfte für die Bewegung.
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Alternativ
zu den in den 5 bis 7 dargestellten
Ausführungsformen könnte auch eine motorgetriebene
Irisblende verwendet werden, welche eine stufenlose Einstellung
des Blendendurchmessers ermöglicht. Hierdurch werden die
optischen Eigenschaften der Kamera 1 weiter verbessert,
allerdings ist dieser Mechanismus aufwändiger zu realisieren.
Ferner wäre der Einschub von optischen Platten in den Strahlengang
denkbar, durch welche die Fokuslage bzw. die Apertur des optischen
Systems variiert wird.
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Weitere
Möglichkeiten zur Realisierung einer stufenlos verstellbaren
Blende sind ferner in den 8a bis 8c dargestellt, wobei die Kombination einer
Bewegung einer Katzenaugenblende 38 über Biegebalken 39a (8a und 8b)
bzw. mit Hilfe eines Zugfedermechanismus 39b (8c) jeweils mit elektromagnetischem Antrieb
vorgesehen ist.
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Die
Verstellung der Zoomlinse 14 kann in gleicher Weise durch
einen Linearantrieb wie die Verstellung der Fokussiereinheit 16 erfolgen.
Auf diesem Wege lässt sich eine variable Brennweite für
das optische System der Kamera 1 erzielen. Allerdings könnte
auf diese zusätzliche Einstellmöglichkeit auch verzichtet
werden. Sofern jedoch die Möglichkeit der Brennweitenänderung
besteht, erfolgt diese vorzugsweise in Abhängigkeit von
der Fokuslage. Eine kurze Brennweite verbunden mit einem kleinen
Blendendurchmesser für den intraoralen Bereich bei kleinem Objektabstand
ermöglicht dabei eine gute Übersicht des Objektfeldes
bei maximaler Tiefenschärfe. Eine lange Brennweite hingegen
verbunden mit größerem Blendendurchmesser bei
extraoralem Gebrauch ermöglicht eine verzeichnungsfreie
natürliche Objektdarstellung, falls Gesamtaufnahmen des
Gebisses oder Ganzgesichtsaufnahmen gewünscht sind.
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Letztendlich
werden durch die zuvor beschriebenen optischen Elemente der erfindungsgemäßen
Kamera für jede Aufnahmesituation optimale Abbildungsbedingungen
geschaffen. Gegenüber bislang bekannten Systemen ist damit
die erfindungsgemäße Intraoralkamera deutlich
flexibler einsetzbar und kann in verschiedensten Situationen benutzt werden,
um Bilder hoher Qualität zu erstellen.
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Die 9 bis 11 zeigen
Varianten der erfindungsgemäßen Kamera 1,
wobei unterschiedliche Möglichkeiten zur Ausleuchtung des
Sichtbereichs 101 des Prismas 11 dargestellt sind.
Eine möglichst optimale Ausleuchtung des Sichtbereichs 101 ist
unerlässlich, um innerhalb des Bereichs angeordnete Objekte,
beispielsweise den dargestellten Zahn 100 in geeigneter
Weise durch den CCD- bzw. CMOS-Chip 10 erfassen zu können.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde dabei
auf die Darstellung der bereits zuvor erläuterten optischen
Elemente des Abbildungssystems verzichtet. Es sind lediglich die für
die Ausleuchtung verantwortlichen Komponenten der Kamera 1 dargestellt.
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Als
Lichtquelle wird in allen drei Varianten vorzugsweise ein LED verwendet,
wobei es sich entweder um eine Weißlicht-LED oder eine
LED-Anordnung bestehend aus verschiedenfarbigen LEDs handeln kann,
die gemeinsam ein weißes Mischlicht abgeben. Das Licht
dieser Lichtquelle 50 wird dann vorzugsweise über
einen Lichtleiter 51 zum Kamerakopf geleitet und von dort
auf den Sichtbereich 101 des Prismas 11 gerichtet.
Entsprechend den drei dargestellten Varianten kann dabei die Lichtquelle 50 innerhalb
der Griffhülse 2, im Anschlussbereich 3 oder
im Versorgungsschlauch 4 angeordnet sein. Die Einkopplung
des Lichts der Lichtquelle 50 in den Lichtleiter 51 erfolgt
dabei vorzugsweise mit Hilfe eines schematisch angedeuteten Reflektors 51 bzw.
anderer optischer Elemente. Auch eine direkte Lichteinkopplung in
den vorzugsweise durch ein flexibles Faserbündel gebildeten
Lichtleiter 51 wäre denkbar. Zur besseren Lichteinkopplung
ist in diesem Fall das flexible Faserbündel an den Enden
verschmolzen. Der Lichttransport zum Kamerakopf hin mit Hilfe des Lichtleiters 51 oder über
einen Lichtleitstab bringt dabei den Vorteil mit sich, dass die
Größe des Kamerakopfes minimiert werden kann,
wodurch die intraorale Bewegungsfreiheit der Kamera 1 zusätzlich
erhöht wird.
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Eine
andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kamera 1 ist
in 12 dargestellt. Hierbei ist der vordere Endbereich
mit dem Sichtfenster 6 und der darin befindlichen Optik
drehbar, sodass sowohl für Unter- als auch für
Oberkieferaufnahmen eine physiologisch bequeme Handhabung der Kamera 1 ermöglicht
ist. Ein Handgriff 9 mit der integrierten Kameraelektronik 17 sowie
dem Bildaufnahmesensor 10 ist in diesem Fall fest und zur
senkrechten Haltung bestimmt. Die Optik selbst rastet vorzugsweise
in 90°- oder alternativ in 180°-Schritten ein.
Die Stellung der Optik wird durch einen mechanischen Anschlag auf
maximal 270° beschränkt. Die Stellung der Optik wird
ferner vorzugsweise automatisch erfasst, sodass bei Oberkieferaufnahmen
das Videobild automatisch über die Kameraelektronik gespiegelt
dargestellt wird. Alternativ wird die Stellung der Optik mit Hilfe
eines speziellen Sensors erfasst und als Information in das Videosignal
eingebettet. Die Drehung des Live-Videos wird in diesem Fall über
eine entsprechende Software realisiert.
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Die 13 und 14 schließlich
zeigen zwei verschiedene Varianten zur Ansteuerung der Kamerabeleuchtung,
und zwar einerseits für einen Live-Bildbetrieb (13)
und andererseits für einen Standbildbetrieb (14).
Die Beleuchtung wird vorzugsweise gepulst betrieben und ist hierbei
auf den Shutter der Kamera synchronisiert. Bei der Umschaltung auf
den Standbildmodus wird dabei die Länge der Shutterzeit
beibehalten, allerdings wird die Belichtungszeit an das Ende des
ersten Halbbildes und an den Anfang des zweiten Halbbildes verlegt,
wie 11 zeigt. Die Lichtmenge zur Belichtung eines Halbbildes,
genau genommen das Integral der Beleuchtungsintensität über
die Pulsdauer soll dabei bei der Umschaltung von Live- auf Standbild
gleich bleiben. Eine Farbverschiebung des aufgenommenen Bildes in
Folge der höheren LED-Bestromung im Pulsbetrieb wird hierbei
kompensiert, was durch eine entsprechende Manipulation der aufgenommenen Bilddaten
erfolgen kann.
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Insgesamt
gesehen wird somit ein Konzept für eine neuartige Intraoralkamera
vorgeschlagen, welche hinsichtlich ihrer Abbildungseigenschaften deutliche
Vorteile gegenüber bislang bekannten Lösungen
aufweist. Durch die Weiterbildungen hinsichtlich der Beleuchtung
sowie der Ansteuerung der Beleuchtung kann dabei sowohl im Live-Bildbetrieb
als auch im Standbildbetrieb eine optimale Aufnahmequalität
erzielt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1058860 [0004, 0007]