專利名稱：用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體地說，是一種用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭。
背景技術(shù)：
近年來已經(jīng)開發(fā)了許多種采用固體攝像元件的攝像系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)的采集圖像信息，在醫(yī)療、監(jiān)控、安全等方面廣泛應(yīng)用。但是它們?yōu)榱藵M足各種應(yīng)用的需要，通常像素、分辨率很高，功能復(fù)雜，尺寸大，功耗高，不能滿足視覺假體的要求。
現(xiàn)有的攝像系統(tǒng)，通常采用普通透鏡作為光學(xué)鏡頭，其焦距長，尺寸大，難于加工，不便于植入，并且生產(chǎn)成本高。
目前，在微型成像器件中，通常采用紐扣電池作為電源，其體積小便于植入。但是其不足之處在于紐扣電池含有對(duì)人體有害的物質(zhì)，它在人體內(nèi)滯留較長的時(shí)間顯然是不合適的，并且當(dāng)電池耗盡時(shí)，更換電池也是較為麻煩的。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N03262832.3，
公開日為2004年9月15日，該專利自述為“微型攝像頭，它由光學(xué)鏡頭、攝像頭組成，其特征是光學(xué)鏡頭是自聚焦透鏡，自聚焦透鏡前端面為平面，后端面為球面，自聚焦透鏡成像面有CCD攝像頭，自聚焦透鏡前端面與光軸垂直固定有小孔光欄?！逼洳蛔阒幵谟?.采用CCD攝像頭作為成像器件，2.自聚焦透鏡(即梯度折射率透鏡)沒有考慮到縮短焦距，實(shí)現(xiàn)與CCD的無縫接合，所以該系統(tǒng)只是在一定程度上實(shí)現(xiàn)了微型化，但是針對(duì)于視覺假體眼內(nèi)攝像頭的需要，該系統(tǒng)明顯體積過大，不便于植入。并且該系統(tǒng)沒有考慮到電源設(shè)計(jì)部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭，使其尺寸小、功耗低，滿足視覺假體成像的需要，并且可植入眼內(nèi)，通過人眼珠的轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃描。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明所述的用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭包括梯度折射率透鏡、CMOS(互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器、環(huán)形太陽能電池。梯度折射率透鏡和CMOS圖像傳感器無縫接合，環(huán)形太陽能電池將梯度折射率透鏡和CMOS圖像傳感器完全包裹在其內(nèi)部，組成一個(gè)整體系統(tǒng)。環(huán)形太陽能電池與CMOS圖像傳感器連接，為CMOS圖像傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓。
所述的梯度折射率透鏡，其直徑在0.35mm-0.6mm之間，長度在1.3mm-3mm之間，梯度折射率透鏡作為光學(xué)鏡頭覆蓋在CMOS圖像傳感器中感光陣列的前表面，為其提供匯聚光。梯度折射率透鏡采用梯度折射率光纖，尺寸小，焦距短，便于安裝，可實(shí)現(xiàn)與CMOS圖像傳感器的無縫接合，進(jìn)一步縮小了攝像系統(tǒng)的軸向尺寸，便于眼內(nèi)植入。
所述的CMOS圖像傳感器包括感光陣列、控制電路、預(yù)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)電路?？刂齐娐返妮敵鲞B接到感光陣列的信號(hào)輸入端，感光陣列的信號(hào)輸出端連接到預(yù)處理電路的輸入端，預(yù)處理電路的輸出端連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，控制電路產(chǎn)生控制信號(hào)給感光陣列，感光陣列進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出與光強(qiáng)成比例的電信號(hào)，該信號(hào)首先輸出到預(yù)處理電路，經(jīng)過處理后的模擬信號(hào)輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號(hào)。
所述的感光陣列，其分辨率為25×25，總像素?cái)?shù)625，最小像敏單元尺寸范圍在6um×6um-10um×10um之間，感光面積在0.15mm×0.15mm-0.25mm×0.25mm之間。感光陣列的基本組成部分，即像敏單元，采用有源結(jié)構(gòu)，在像素表面無覆蓋彩色濾光片，即只產(chǎn)生灰度值信號(hào)。設(shè)計(jì)的低像素CMOS圖像傳感器，在滿足物體識(shí)別的要求基礎(chǔ)上，既減小了尺寸，又降低了功耗，便于眼內(nèi)植入。CMOS圖像傳感器外形尺寸在0.25mm×0.25mm-0.45mm×0.45mm之間，對(duì)角線尺寸在0.35mm-0.6mm之間，厚度在0.3mm-0.6mm之間。幀頻在24fps-30fps之間，工作電壓2.5V，功耗在0.5mW-1.0mW之間，輸出8位數(shù)字信號(hào)。
所述的環(huán)形太陽能電池，其內(nèi)徑在0.35mm-0.6mm之間，外徑在4.0mm-8.0mm之間，厚度在1.6mm-3.6mm之間，轉(zhuǎn)換效率15％-23％，輸出功率可達(dá)1mW。環(huán)形太陽能電池作為外接圓包裹在梯度折射率透鏡和CMOS圖像傳感器周圍，為其提供穩(wěn)定的2.5V工作電壓。太陽能電池設(shè)計(jì)成環(huán)形，其圓形內(nèi)邊緣便于包裹圓柱形的梯度折射率透鏡；并且人體瞳孔為圓形，太陽能電池光滑的外邊緣更適合于植入瞳孔內(nèi)。尺寸小、可自動(dòng)充電，方便系統(tǒng)的眼內(nèi)植入，且一旦植入后免去更換電池的麻煩。
本發(fā)明中，梯度折射率透鏡直徑在0.35mm-0.6mm之間，CMOS圖像傳感器對(duì)角線長度在0.35mm-0.6mm之間，設(shè)計(jì)時(shí)確保兩者尺寸完全一致，無縫接合，環(huán)形太陽能電池內(nèi)徑尺寸在0.35mm-0.6mm之間，確保其與梯度折射率透鏡直徑和CMOS圖像傳感器對(duì)角線的長度完全一致，使其以外接圓形式完全包裹在梯度折射率透鏡與CMOS圖像傳感器周圍，既起到保護(hù)梯度折射率透鏡的作用，又提供了封裝，形成一個(gè)整體系統(tǒng)。本發(fā)明尺寸最大限制在外徑8.00mm，長度3.6mm，最小可達(dá)外徑4.0mm，長度1.6mm，根據(jù)人體瞳孔尺寸的大小，可知該系統(tǒng)可以植入眼內(nèi)，實(shí)現(xiàn)攝像功能。


圖1是本發(fā)明用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭的剖面圖。
圖3是本發(fā)明中CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是本發(fā)明中CMOS圖像傳感器的感光陣列的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭包括梯度折射率透鏡1、CMOS圖像傳感器2、環(huán)形太陽能電池3。梯度折射率透鏡1和CMOS圖像傳感器2無縫接合，環(huán)形太陽能電池3將梯度折射率透鏡1和CMOS圖像傳感器2完全包裹在其內(nèi)部，環(huán)形太陽能電池3與CMOS圖像傳感器2連接，為CMOS圖像傳感器2提供穩(wěn)定的工作電壓。
如圖2所示，梯度折射率透鏡1直徑在0.35mm-0.6mm之間，CMOS圖像傳感器2對(duì)角線尺寸在0.35mm-0.6mm之間，使兩者尺寸完全一致，無縫接合在一起，環(huán)形太陽能電池3內(nèi)徑在0.35mm-0.6mm之間，與梯度折射率透鏡1直徑和CMOS圖像傳感器2對(duì)角線的尺寸完全一致，作為外接圓，完全包裹在外部，作為一個(gè)整體植入瞳孔內(nèi)部。CMOS圖像傳感器2厚度在0.3mm-0.6mm之間，梯度折射率透鏡1的長度在1.3mm-3mm之間，環(huán)形太陽能電池3的厚度在1.6mm-3.6mm之間，設(shè)計(jì)時(shí)使環(huán)形太陽能電池3的長度等于梯度折射率透鏡1的長度與CMOS圖像傳感器2的厚度之和，這樣其恰好可以把梯度折射率透鏡1和CMOS圖像傳感器2完全包裹在其內(nèi)部，便于安裝和植入。
根據(jù)模型眼的計(jì)算，假設(shè)預(yù)計(jì)恢復(fù)的視力為0.1，則CMOS圖像傳感器2的最小像素尺寸不得小于6um。像素尺寸越大，捕捉光線的能力越強(qiáng)，圖像質(zhì)量越好，但是越難制造，同時(shí)生產(chǎn)成本越高，綜合考慮，設(shè)計(jì)CMOS圖像傳感器2的最小像素尺寸范圍在6um×6um-10um×10um之間。
經(jīng)研究表明，對(duì)于盲人，只需要25×25，即625個(gè)總像素?cái)?shù)，就可以識(shí)別物體。這樣設(shè)計(jì)CMOS圖像傳感器2的感光陣列為25×25，較低的像素?cái)?shù)既減小了圖像傳感器2的尺寸，又降低了其功耗。在研究初級(jí)階段，選擇了較低的像素?cái)?shù)，若今后要求提高，可以進(jìn)一步提高圖像傳感器的像素。同時(shí)，在研究初級(jí)階段，只考慮黑白圖像，因此在像敏單元表面無覆蓋彩色濾光片，輸出灰度值圖像。
經(jīng)過計(jì)算，CMOS圖像傳感器的感光面積在0.15mm×0.15mm-0.25mm×0.25mm之間，加上其內(nèi)部的其他一些處理電路，預(yù)期CMOS圖像傳感器2的尺寸限制在0.25mm×0.25mm-0.45mm×0.45mm之間，對(duì)角線尺寸在0.35mm-0.6mm之間，厚度在0.3mm-0.6mm之間。
根據(jù)人的生理特點(diǎn)，當(dāng)圖像的刷新速度達(dá)到5fps時(shí)，人開始感覺圖像是活動(dòng)的；而達(dá)到24fps時(shí)，人感覺圖像是完全連續(xù)和流暢的，電影所使用的幀頻就是24fps，所以視頻信號(hào)的幀頻應(yīng)大于等于24Hz。理論上來說，幀頻越高越好，但是幀頻越高，對(duì)電路的要求也越高，技術(shù)越復(fù)雜，后期處理難度越高，成本越高，綜合考慮的情況下，設(shè)計(jì)CMOS圖像傳感器2的幀頻在24fps-30fps之間。在這種情況下，數(shù)據(jù)傳輸率約為1.9Mbit/s(考慮輸出為8位數(shù)字信號(hào)，30fps的情況下)。
如圖3所示，所述的CMOS圖像傳感器的功能模塊包括感光陣列、控制電路、預(yù)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D電路。其中感光陣列為圖像傳感器的核心，對(duì)圖像信息進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號(hào)?？刂齐娐吠瓿伤酱怪笨刂啤r(shí)序電路產(chǎn)生，自動(dòng)曝光控制等功能，使得圖像傳感器在一定的時(shí)序下進(jìn)行圖像輸出。預(yù)處理電路對(duì)輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行初步處理，包括自動(dòng)增益控制、濾波等功能。模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D電路，對(duì)處理后的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，輸出8位灰度值數(shù)字信號(hào)?？刂齐娐樊a(chǎn)生一些控制信號(hào)給感光陣列，感光陣列在一定的控制下進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出與光強(qiáng)成比例的電信號(hào)，該信號(hào)首先輸出到預(yù)處理電路，經(jīng)過處理后的模擬信號(hào)輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號(hào)。
如圖4所示，所述的CMOS圖像傳感器2中的感光陣列包括25H×25V總像素?cái)?shù)，其像敏單元按X和Y方向排列成25H×25V的方陣，方陣中的每一個(gè)像敏單元都有它在X、Y各方向上的地址，可分別由水平垂直控制進(jìn)行選擇。像敏單元采用有源結(jié)構(gòu)，即主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)，在每個(gè)像敏單元都經(jīng)過放大后，才通過場(chǎng)效應(yīng)管模擬開關(guān)輸出，固定圖案噪聲大大降低，圖像信號(hào)的信噪比卻顯著提高。在視覺假體中只要求得到黑白圖像，因此在像敏單元表面無需覆蓋彩色濾光片，可直接輸出灰度值信號(hào)，得到黑白圖像。
梯度折射率透鏡1與普通透鏡的區(qū)別在于1.其不僅能夠使沿徑向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射，而且其沿徑向逐漸減小的折射率分布，能夠?qū)崿F(xiàn)出射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)；2.通光效率高，容易加工，兩端為光滑的平面，便于安裝；3.直徑小，整體尺寸小，同時(shí)焦距短可達(dá)0.5mm，便于植入眼內(nèi)。
這里要求梯度折射率透鏡1外形尺寸為，直徑與CMOS圖像傳感器2的對(duì)角線尺寸一致，在0.35mm-0.6mm之間，長度在1.3mm-3mm之間，數(shù)值孔徑0.46，截距0.25P。選擇截距0.25P時(shí)，從透鏡前端面入射的平行光線經(jīng)自聚焦透鏡后匯聚到透鏡的后端面，CMOS圖像傳感器2直接安裝在后端面，這樣可以縮短眼內(nèi)攝像頭的軸向尺寸。
由于太陽能電池提供的能量有限，必須盡可能減小CMOS圖像傳感器2的能耗。因此傳感器采用2.5V低工作電壓，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)簡單，可以將其功耗限制在0.5mW-1mW之間，實(shí)現(xiàn)低功耗。
太陽能電池尺寸小，便于植入，可以自動(dòng)充電，植入眼內(nèi)后可免去更換電池的麻煩，并且無毒副作用，更安全，對(duì)人體傷害小。目前普通單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為15％，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)23％。CMOS圖像傳感器2的對(duì)角線尺寸在0.35mm-0.6mm之間，設(shè)計(jì)環(huán)形太陽能電池3尺寸為，內(nèi)徑與梯度折射率透鏡1的直徑和CMOS圖像傳感器2的對(duì)角線長度完全一致，在0.35mm-0.6mm之間，外徑在4.0mm-8.0mm之間，設(shè)計(jì)時(shí)使其厚度等于梯度折射率透鏡1的長度與CMOS圖像傳感器2的厚度之和，在1.6mm-3.6mm之間，這樣其輸出功率可達(dá)1mW，滿足CMOS圖像傳感器2工作要求。將其設(shè)計(jì)成環(huán)形，內(nèi)圓方便與梯度折射率透鏡1和CMOS圖像傳感器2組合安裝，外圓光滑的邊緣，便于移植入眼內(nèi)。同時(shí)其厚度可以完全包裹梯度折射率透鏡1和CMOS圖像傳感器2在其內(nèi)部，既起到了保護(hù)的作用，又提供了封裝，形成一個(gè)整體系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭，包括梯度折射率透鏡(1)、CMOS圖像傳感器(2)、環(huán)形太陽能電池(3)，其特征在于，梯度折射率透鏡(1)和CMOS圖像傳感器(2)無縫接合，環(huán)形太陽能電池(3)將梯度折射率透鏡(1)和CMOS圖像傳感器(2)完全包裹在其內(nèi)部，環(huán)形太陽能電池(3)與CMOS圖像傳感器(2)連接，為CMOS圖像傳感器(2)提供穩(wěn)定的工作電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭，其特征是，所述的梯度折射率透鏡(1)，直徑與CMOS圖像傳感器(2)的對(duì)角線尺寸完全一致，在0.35mm-0.6mm之間，長度在1.3mm-3mm之間，數(shù)值孔徑0.46，截距0.25P。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭，其特征是，所述的CMOS圖像傳感器(2)，包括感光陣列、控制電路、預(yù)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，控制電路的輸出連接到感光陣列的信號(hào)輸入端，感光陣列的信號(hào)輸出端連接到預(yù)處理電路的輸入端，預(yù)處理電路的輸出端連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，控制電路產(chǎn)生控制信號(hào)給感光陣列，感光陣列進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出與光強(qiáng)成比例的電信號(hào)，該信號(hào)首先輸出到預(yù)處理電路，經(jīng)過處理后的模擬信號(hào)輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭，其特征是，所述的感光陣列，其分辨率為25×25，總像素?cái)?shù)625，最小像敏單元尺寸范圍在6um×6um-10um×10um之間，感光面積在0.15mm×0.15mm-0.25mm×0.25mm之間，像敏單元采用有源結(jié)構(gòu)，在像素表面無覆蓋彩色濾光片，即只產(chǎn)生灰度值信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭，其特征是，所述的CMOS圖像傳感器(2)，其外形尺寸在0.25mm×0.25mm-0.45mm×0.45mm之間，對(duì)角線尺寸在0.35mm-0.6mm之間，厚度在0.3mm-0.6mm之間，幀頻在24fps-30fps之間，工作電壓2.5V，功耗在0.5mW-1.0mW之間，輸出8位數(shù)字信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭，其特征是，所述的環(huán)形太陽能電池(3)，其內(nèi)徑與梯度折射率透鏡(1)的直徑和CMOS圖像傳感器(2)的對(duì)角線尺寸完全一致，在0.35mm-0.6mm之間，外徑在4.0mm-8.0mm之間，確保其厚度與梯度折射率透鏡(1)的長度和CMOS圖像傳感器(2)的厚度之和一致，在1.6mm-3.6mm之間，轉(zhuǎn)換效率15％-23％，輸出功率可達(dá)1mW。
全文摘要
一種用于視覺假體的眼內(nèi)攝像頭，屬于醫(yī)用器械技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明中，梯度折射率透鏡和CMOS圖像傳感器無縫接合，環(huán)形太陽能電池將梯度折射率透鏡和CMOS圖像傳感器完全包裹在其內(nèi)部，環(huán)形太陽能電池與CMOS圖像傳感器連接，為CMOS圖像傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓。梯度折射率透鏡作為光學(xué)鏡頭，焦距短，可實(shí)現(xiàn)與CMOS圖像傳感器的無縫接合，減小了系統(tǒng)軸向尺寸。設(shè)計(jì)的低像素CMOS圖像傳感器，在滿足識(shí)別物體要求的同時(shí)，既減小了尺寸，又降低了功耗。采用環(huán)形太陽能電池供電，安全，對(duì)人體無毒副作用，并且一旦植入后，免去更換電池的麻煩，環(huán)形的設(shè)計(jì)符合人瞳孔形狀，體積小便于植入。
文檔編號(hào)H04N5/335GK1895188SQ20061002798
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2006年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月22日
發(fā)明者任秋實(shí), 柴新禹, 余文娟, 王艷艷, 喻瑋 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)