CN101288590A - 一种牙齿几何形状测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种牙齿几何形状测量装置，包括光源、图像发生单元、投影单元和成像单元；光源发出入射光照射到图像发生单元，图像发生单元产生网状几何图形影像，投影单元以对称三角形的角度将形状相同的网状几何图形影像交替投射到牙齿表面上形成各自不同的扭曲的网状几何图形影像，通过牙齿表面将两幅不同的扭曲的网状几何图形影像反射到成像单元中，并将两幅不同的扭曲的网状几何图形影像传输给外部计算机，投影单元投射的投影光线与从牙齿表面反射的成像光线之间的透视角范围为±10°～±30°，特点是以采用的可编程图形发生器(LCOS)只需较低的驱动电压，且LCOS可产生任何用于计算机成像算法的图形，同时使得网状几何图形影像具有更高的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学测量装置，尤其是涉及一种牙齿几何形状测量装置。
背景技术
目前出现了许多用于患者口腔内牙齿的光学测量装置，如从德国西门子公司分离出来的Sirona公司制造的CEREC(Chair-side Economic Reconstruction of Esthetic Ceramic，数字化临床修复系统)装置，该装置采用普遍使用的图形投影工业测量技术，将明暗相间的线性条纹的平行网格投射在牙齿的表面上，并以视差角度成像在二维的CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)照相机上，从线性条纹的曲率可以得到牙齿的相对高度或相对深度，牙齿的数字影像数据采用利用正弦光栅的相移或相位解析技术进行处理；其中，线性条纹的相位通过压电位移方法或其他方法移动0°、90°、180°、或270°获得，从而得到平行网格上的每一点的相对相位；并通过滤波或平滑技术降低或消除了线性条纹的背景噪音及强度扰动。这种装置能够为牙齿再造所必须使用的CAD/CAM(Computer Aided Design，计算机辅助设计/Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)处理提供较好的数字影像数据，而无需做牙齿模型。但这种装置存在明显的缺点：a)由于光的相干性，利用正弦光栅的相移解析技术严重受制于散斑点情形，由此造成牙齿的数字影像的高度模糊；b)该装置通过滤波或平滑技术降低或消除了线性条纹的背景噪音及强度扰动，但同时极大地降低牙齿的数字影像的分辨率；c)相移解析技术应用于固定的平行网格中，当牙齿的高度发生突变时(大于2π相差)会造成线性条纹移位大于网距，需要更多的投影或变化网距来补偿这个缺陷，从而使得该装置的结构更为复杂，同时造成了数字影像数据的不确定性。
除了上述缺点外，包括上述CEREC装置在内的光学测量装置存在共同的缺陷，由于视差角度是一个非常重要的参数，视差角度越大，则测量的灵敏度就越高，但同时阴影问题就越严重，为了尽可能地消除阴影，光学测量装置通常选择小于10°，甚至更小的视差角度，但这样极大地降低了牙齿的测量精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、成本低、功耗小、使用寿命长，且能够提高网状几何图形影像分辨率、测量灵敏度和精度，有效避免网状几何图形影像出现阴影的牙齿几何形状测量装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种牙齿几何形状测量装置，该装置包括光源、图像发生单元、投影单元和成像单元；所述的光源发出入射光照射到所述的图像发生单元，所述的图像发生单元产生网状几何图形影像，所述的投影单元以对称三角形的角度将形状相同的网状几何图形影像交替投射到牙齿表面上形成各自不同的扭曲的网状几何图形影像，通过牙齿表面将两幅不同的扭曲的网状几何图形影像反射到所述的成像单元中，所述的成像单元将两幅不同的扭曲的网状几何图形影像传输给外部计算机，由所述的外部计算机根据公知的相位拆卸算法或透视算法算出牙齿轮廓，所述的投影单元投射到牙齿表面的投影光线与从牙齿表面反射到所述的成像单元的成像光线之间的透视角范围为±10°～±30°。
所述的图像发生单元包括与外部计算机连接的可编程图形发生器和偏振分光棱镜，所述的投影单元包括投影透镜、变偏振态分光镜和反射镜，所述的变偏振态分光镜和所述的反射镜分布在所述的成像单元的两侧，所述的成像单元包括成像透镜和成像照相机，所述的光源发出的入射光通过所述的偏振分光棱镜照射到所述的可编程图形发生器上，所述的可编程图形发生器生成网状几何图形影像，所述的偏振分光棱镜输出偏振的网状几何图形影像，并通过投影透镜传输到所述的变偏振态分光镜，所述的变偏振态分光镜交替改变偏振角使偏振的网状几何图形影像投射到牙齿表面或透射后通过所述的反射镜投射到牙齿表面，所述的变偏振态分光镜投射的光线与所述的反射镜投射的光线呈对称三角形的角度，从牙齿表面反射的光线通过所述的成像透镜成像于所述的成像照相机中。
所述的变偏振态分光镜为电子控制液晶开关。
所述的图像发生单元包括与外部计算机连接的可编程图形发生器，所述的光源与所述的可编程图形发生器之间设置有照明透镜，所述的投影单元包括投影透镜、第一棱镜、扫描透镜、第二棱镜、第三棱镜、第一梯度透镜、第二梯度透镜、第一梯度透镜物镜、第四棱镜、第二梯度透镜物镜和第五棱镜，所述的成像单元包括第六棱镜、第三梯度透镜、第四梯度透镜、成像透镜和成像照相机，所述的第二棱镜为偏振分光棱镜，所述的光源发出的入射光通过所述的照明透镜照射到所述的可编程图形发生器上，所述的可编程图形发生器交替生成形状相同的第一网状几何图形影像和第二网状几何图形影像，所述的第一网状几何图形影像和所述的第二网状几何图形影像具有相互垂直的偏振态，所述的第二棱镜反射所述的第一网状几何图形影像而透射所述的第二网状几何图形影像，所述的第一网状几何图形影像通过所述的第一梯度透镜、所述的第一梯度透镜物镜和所述的第四棱镜投射到牙齿表面形成扭曲的第一网状几何图形影像，所述的第二网状几何图形影像通过所述的第三棱镜、所述的第二梯度透镜、所述的第二梯度透镜物镜和所述的第五棱镜投射到牙齿表面形成扭曲的第二网状几何图形影像，扭曲的第一网状几何图形影像和第二网状几何图形影像从牙齿表面反射通过所述的第六棱镜、所述的第三梯度透镜、所述的第四梯度透镜和所述的成像透镜成像于所述的成像照相机中。
所述的可编程图形发生器为微型电子取景器型的反射式硅基液晶阵列或为投影仪型的反射式硅基液晶片。
所述的可编程图形发生器为数字光处理芯片。
所述的光源为白光光源，所述的成像照相机为RGB(Red Green Blue，红绿蓝)照相机。
所述的光源为LED(Light Emitting Diode，发光二极管)灯或激光器，所述的成像照相机为单色照相机。
与现有技术相比，本发明的优点在于以可编程图形发生器(LCOS，Liquid Crystal onSilicon)替代现有的压电位移方法，使得本测量装置结构紧凑、成本低、功耗小、使用寿命长，LCOS只需较低的驱动电压，且LCOS可产生任何用于计算机成像算法的图形，同时与现有的透射式液晶相比具有更高的网状几何图形影像分辨率；投影单元投射到牙齿表面的投影光线与从牙齿表面反射到成像单元的成像光线之间的透视角范围为±10°～±30°，使得两幅不同的扭曲的网状几何图形影像在大透视角(可大于30度)下形成，不仅有效地避免了扭曲的网状几何图形影像出现阴影的现象，而且提高了牙齿的测量灵敏度和精度；通过本测量装置获取的扭曲的网状几何图形影像在牙齿再造系统的计算机中以影像比为24∶23∶12∶6比例的相位拆卸算法进行处理，形成粗、精测量，避免了数据的不确定性。
附图说明
图1为本发明测量装置的结构示意图一；
图2为本发明测量装置的结构示意图二；
图3为应用本发明测量装置的牙齿再造系统的示意图一；
图4为应用本发明测量装置的牙齿再造系统的示意图二。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：如图1所示，一种牙齿几何形状测量装置，该装置包括光源1、图像发生单元、投影单元和成像单元；图像发生单元包括外部计算机连接的可编程图形发生器3和偏振分光棱镜2，投影单元包括投影透镜41、变偏振态分光镜42和反射镜43，变偏振态分光镜42和反射镜43分布在成像单元的两侧，成像单元包括成像透镜51和成像照相机52，光源1发出的入射光通过偏振分光棱镜2照射到可编程图形发生器3上，可编程图形发生器3生成网状几何图形影像，通过偏振分光棱镜2输出偏振的网状几何图形影像，再通过投影透镜41将偏振的网状几何图形影像传输到变偏振态分光镜42，变偏振态分光镜42毫秒内交替改变偏振角使偏振的网状几何图形影像投射到牙齿6的表面或透射后通过反射镜43投射到牙齿6的表面形成两幅各自不同的扭曲的网状几何图形影像，变偏振态分光镜42投射的光线与反射镜43投射的光线呈对称三角形的角度，牙齿6的表面的两幅各自不同的扭曲的网状几何图形影像通过成像透镜51成像于成像照相机52中，成像照相机52将两幅各自不同的扭曲的网状几何图形影像传输给外部计算机，由外部计算机根据公知的相位拆卸算法或透视算法算出牙齿轮廓；投影单元投射到牙齿6的表面的投影光线与从牙齿6的表面反射到成像单元的成像光线之间的透视角范围为±10°～±30°，两幅各自不同的扭曲的网状几何图形影像在大透视角(可大于30度)下形成，不仅有效地避免了扭曲的网状几何图形影像出现阴影的现象，而且提高了牙齿的测量灵敏度和精度。
本实施例中的变偏振态分光镜42为电子控制液晶开关。
本实施例中的可编程图形发生器3为微型电子取景器型的二维的反射式硅基液晶(LCOS，Liquid Crystal on Silicon)阵列，也可以为投影仪型的二维的反射式硅基液晶片，由于反射式的硅基液晶可以做的非常小，且不像透射式的LCD(Liquid CrystalDisplay，液晶显示器)像素间的连接方式，硅基液晶的连接线都设置有其背面，其像素间可以做到几乎没有间隙，并且硅基液晶可以产生任何用于计算机成像算法的图形，同时，硅基液晶阵列或硅基液晶片能很容易地集成在测量装置上实现透明式的控制。可编程图形发生器3还可以采用美国德州仪器的数字光处理(DLP，Digital Light Procession)芯片，该数字光处理芯片基于半导体工艺的MEMs(Micro Electro Mechanical Systems，机械-电子-镜面)技术，其像素分辨率高、成本低。
本实施例中的光源1为白光光源，此时，成像照相机52采用RGB照相机；当光源1为LED灯或激光器，则成像照相机52采用单色照相机。RGB照相机或单色照相机可以为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机或CMOS(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)相机。
图3给出了应用本发明测量装置的牙齿再造系统的示意图，与计算机8连接的本发明的测量装置7中的可编程图形发生器生成的网状几何图形影像经测量装置7的投影和成像后，记录在成像照相机中的扭曲的网状几何图形影像通过USB(Universal SerialBus，通用串行总线)数据线返回给计算机8；计算机8对扭曲的网状几何图形影像以影像比为24∶23∶12∶6比例的相位拆卸算法进行调整处理，并根据成熟的三角测量技术，将牙齿的三维表面计算机出，同时绘出牙齿轮廓，并以无线方式将牙齿轮廓送入铣床9；铣床9根据牙齿轮廓制作出陶瓷、烤瓷，或合成材料的人式牙齿、牙冠、镶牙、帖牙等。其中，在测量装置7外部设置有专门为光源(LED灯)、可编程图形发生器(LCOS)及成像照相机提供电源的电源单元71。其中，以影像比为24∶23∶12∶6比例的相位拆卸算法对扭曲的网状几何图形影像进行处理，这样可以形成精、精测量，避免数据的不确定性。
图4给出了应用本发明测量装置的牙齿再造系统的另一种示意图，与图3不同的是计算机8与测量装置7之间以无线方式进行通信，有效地保证了在没有USB数据线情况下也能顺利进行通信；此外，省去了电源单元71，在测量装置7中内置电池，由电池为测量装置7中的光源(LED灯)、可编程图形发生器(LCOS)及成像照相机提供电源，这样使得测量装置结构更为简单、更为紧凑。
实施例二：如图2所示，本实施例与实施例一不同之外仅在于图像发生单元包括外部计算机连接的可编程图形发生器3，光源1与可编程图形发生器3之间设置有照明透镜11，投影单元包括投影透镜41、第一棱镜441、扫描透镜45、第二棱镜442、第三棱镜443、第一梯度透镜461、第二梯度透镜462、第一梯度透镜物镜471、第四棱镜444、第二梯度透镜物镜472和第五棱镜445，成像单元包括第六棱镜446、第三梯度透镜463、第四梯度透镜464、成像透镜51和成像照相机52，第二棱镜442为偏振分光棱镜；光源1发出的入射光通过照明透镜11照射到可编程图形发生器3上，可编程图形发生器3交替生成形状相同的第一网状几何图形影像和第二网状几何图形影像，第一网状几何图形影像和第二网状几何图形影像具有相互垂直的偏振态，同时将交替生成的第一网状几何图形影像和第二网状几何图形影像通过投影透镜41、第一棱镜441和扫描透镜45传输给第二棱镜442，第二棱镜442反射第一网状几何图形影像而透射第二网状几何图形影像，第一网状几何图形影像通过第一梯度透镜461、第一梯度透镜物镜471和第四棱镜444投射到牙齿6的表面形成扭曲的第一网状几何图形影像，第二网状几何图形影像通过第三棱镜443、第二梯度透镜462、第二梯度透镜物镜472和第五棱镜445投射到牙齿6的表面形成扭曲的第二网状几何图形影像，扭曲的第一网状几何图形影像和第二网状几何图形影像从牙齿6的表面反射通过第六棱镜446、第三梯度透镜463、第四梯度透镜464和成像透镜51成像于成像照相机52中。
本实施例的测量装置的尺寸更小，其直径可以小于3毫米。
Claims (8)
1、一种牙齿几何形状测量装置，其特征在于该装置包括光源、图像发生单元、投影单元和成像单元；所述的光源发出入射光照射到所述的图像发生单元，所述的图像发生单元产生网状几何图形影像，所述的投影单元以对称三角形的角度将形状相同的网状几何图形影像交替投射到牙齿表面上形成各自不同的扭曲的网状几何图形影像，通过牙齿表面将两幅不同的扭曲的网状几何图形影像反射到所述的成像单元中，所述的成像单元将两幅不同的扭曲的网状几何图形影像传输给外部计算机，由所述的外部计算机根据公知的相位拆卸算法或透视算法算出牙齿轮廓，所述的投影单元投射到牙齿表面的投影光线与从牙齿表面反射到所述的成像单元的成像光线之间的透视角范围为±10°～±30°。
2、根据权利要求1所述的一种牙齿几何形状测量装置，其特征在于所述的图像发生单元包括与外部计算机连接的可编程图形发生器和偏振分光棱镜，所述的投影单元包括投影透镜、变偏振态分光镜和反射镜，所述的变偏振态分光镜和所述的反射镜分布在所述的成像单元的两侧，所述的成像单元包括成像透镜和成像照相机，所述的光源发出的入射光通过所述的偏振分光棱镜照射到所述的可编程图形发生器上，所述的可编程图形发生器生成网状几何图形影像，所述的偏振分光棱镜输出偏振的网状几何图形影像，并通过投影透镜传输到所述的变偏振态分光镜，所述的变偏振态分光镜交替改变偏振角使偏振的网状几何图形影像投射到牙齿表面或透射后通过所述的反射镜投射到牙齿表面，所述的变偏振态分光镜投射的光线与所述的反射镜投射的光线呈对称三角形的角度，从牙齿表面反射的光线通过所述的成像透镜成像于所述的成像照相机中。
3、根据权利要求2所述的一种牙齿几何形状测量装置，其特征在于所述的变偏振态分光镜为电子控制液晶开关。
4、根据权利要求1所述的一种牙齿几何形状测量装置，其特征在于所述的图像发生单元包括与外部计算机连接的可编程图形发生器，所述的光源与所述的可编程图形发生器之间设置有照明透镜，所述的投影单元包括投影透镜、第一棱镜、扫描透镜、第二棱镜、第三棱镜、第一梯度透镜、第二梯度透镜、第一梯度透镜物镜、第四棱镜、第二梯度透镜物镜和第五棱镜，所述的成像单元包括第六棱镜、第三梯度透镜、第四梯度透镜、成像透镜和成像照相机，所述的第二棱镜为偏振分光棱镜，所述的光源发出的入射光通过所述的照明透镜照射到所述的可编程图形发生器上，所述的可编程图形发生器交替生成形状相同的第一网状几何图形影像和第二网状几何图形影像，所述的第一网状几何图形影像和所述的第二网状几何图形影像具有相互垂直的偏振态，所述的第二棱镜反射所述的第一网状几何图形影像而透射所述的第二网状几何图形影像，所述的第一网状几何图形影像通过所述的第一梯度透镜、所述的第一梯度透镜物镜和所述的第四棱镜投射到牙齿表面形成扭曲的第一网状几何图形影像，所述的第二网状几何图形影像通过所述的第三棱镜、所述的第二梯度透镜、所述的第二梯度透镜物镜和所述的第五棱镜投射到牙齿表面形成扭曲的第二网状几何图形影像，扭曲的第一网状几何图形影像和第二网状几何图形影像从牙齿表面反射通过所述的第六棱镜、所述的第三梯度透镜、所述的第四梯度透镜和所述的成像透镜成像于所述的成像照相机中。
5、根据权利要求2或3所述的一种牙齿几何形状测量装置，其特征在于所述的可编程图形发生器为微型电子取景器型的反射式硅基液晶阵列或为投影仪型的反射式硅基液晶片。
6、根据权利要求2或3所述的一种牙齿几何形状测量装置，其特征在于所述的可编程图形发生器为数字光处理芯片。
7、根据权利要求2或3所述的一种牙齿几何形状测量装置，其特征在于所述的光源为白光光源，所述的成像照相机为RGB照相机。
8、根据权利要求2或3所述的一种牙齿几何形状测量装置，其特征在于所述的光源为LED灯或激光器，所述的成像照相机为单色照相机。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091118 Termination date: 20140523 |