CN102188290A - 利用远心散焦的3d成像 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于获取牙齿的3D表面轮廓图像数据的装置，其具有被设置成将牙齿的表面的图像形成到图像检测器阵列上的双远心光学系统。焦点调节机构能够被致动以沿光轴将所述双远心光学系统和所述图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置调节到焦点位置序列中的每一个。控制逻辑处理器以控制信号与所述焦点调节机构通信以调节焦点位置，并且以图像数据与所述图像检测器阵列通信以接收由所述图像检测器阵列获取的图像数据，以及以图像数据与存储器通信以存储对应于所述焦点位置序列中的每一个所接收的图像数据。所述控制逻辑处理器还响应于根据所述图像数据计算3D表面轮廓图像数据的存储指令。

Description

利用远心散焦的3D成像

技术领域

本发明一般地涉及诊断成像领域，并且特别涉及口腔内的表面的3D成像。更具体地，本发明涉及用于按焦点(focus)变化的顺序利用远心光学系统(telecentric optics)进行3D成像的装置和方法。

背景技术

对牙齿和口腔内结构进行3D成像的能力通常能够帮助改善牙齿护理和诊断，并且提供更精确的数据用于牙科器具和修复体的准备。尽管对于这个问题已有大量的建议解决方案，但是这些方法中的每一个所固有的困难限制了它们的可用性、精确度以及成本效益。

已提出的一种常规类型的方法是轮廓或条纹投影成像。条纹投影成像利用图案化的或结构化的光来获取各种类型的复杂结构的表面轮廓信息。在条纹投影成像中，将干涉条纹或光栅的线的图案从给定的方向朝物体(object)的表面投影。然后，来自所述表面的投影图案从另一个方向被看作轮廓图像，同时利用三角测量来基于轮廓线的外观分析表面信息。典型地将相位移动用作条纹投影成像的一部分，在相位移动中，投影图案在空间上以递增的方式被移动以获取新的位置上的附加测量结果，使用所述相位移动来完成所述表面的轮廓映射并且增加所述轮廓图像上的总的分辨率。

条纹投影成像已被有效地用于固体的、高度不透明的物体的表面轮廓成像，并且已被用于对人体的某些部分进行表面轮廓成像以及被用于获取关于皮肤结构的详细数据。然而，诸如牙齿半透明性、光散射以及高反射水平等技术障碍使表面重构问题变得复杂，并且限制了条纹投影成像对于牙齿的有效使用。用于补偿这些问题的技术(举例来说诸如临时对牙齿表面进行涂层来调整牙齿表面并且增强牙齿不透明性)增加了成像过程的时间和成本并且可能往往掩盖其他问题。

其他用于口腔内3D成像的方法包括利用手持式光学探针进行深度测量，诸如在Wenz的名为“用于测量空间的尺寸、尤其是口腔的尺寸的过程和设备(Process and Device for measuring the dimensions of a space，in particular a buccal cavity)”的美国专利No.5,440,393中所描述的那样。然而，这样的设备被限于进行非常具体的测量，并且不是被设计用于对一个或多个牙齿进行牙齿表面的3D成像的。举例来说诸如在Babayoff等人的名为“通过共焦聚焦一系列光束对三维结构进行成像(Imaging a Three-Dimensional Structure by Confocal Focussing an Array of Light Beams)”的美国专利No.6,697,164中所示教的共焦成像方法将离散的大量光点照射在牙齿表面上，并且使用这种取样来映射表面轮廓。然而，这种类型的共焦方法需要光照(illumination)和感测部件的相对复杂的布置。另外，结果得到的表面轮廓信息一旦被获取然后就必须在独立的处理操作中与牙齿图像本身相关或对准。

牙齿3D成像系统所面临的挑战之一是牙齿表面的高度显著的轮廓。可能难以提供足够量的光到所有牙齿表面上并且感测从所有牙齿表面反射回的光。牙齿的不同表面可能相对于彼此以90度定向，这使得难以引导足够的光来对牙齿的所有部分精确地成像。

能够理解的是提供牙齿的精确表面轮廓成像而无需为了这个目的应用增加的涂层或对牙齿表面进行其他调整的装置和方法将有助于促进重构牙科的发展，并且能有助于降低用于获取表面轮廓信息的常规方法的固有成本和不便之处，所述常规方法是诸如用于获取牙冠、植入物或其他修复结构的铸型或其他表面轮廓的那些方法。

发明内容

本发明的目的是获取来自牙齿或其他口腔内结构的表面的3D图像数据。相关的目的是利用双远心光学系统来获取这种图像数据。

这些目的仅仅是通过示意性举例的方式给出的，并且这样的目的可以是本发明的一个或多个实施例的示例。其他由所公开的发明固有地实现的理想目标和优点可以被本领域的技术人员想到或者变得对于他们显而易见。本发明由所附的权利要求限定。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于获取牙齿的3D表面轮廓图像数据的装置，所述装置包括：焦点调节机构，其能够被致动以沿光轴将双远心光学系统和图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置调节到焦点位置序列中的每一个；以及控制逻辑处理器，其以控制信号与焦点调节机构通信以调节焦点位置，并且以图像数据与图像检测器阵列通信以接收由图像检测器阵列获取的图像数据，并且以图像数据与存储器通信以存储对应于焦点位置序列中的每一个所接收的图像数据，其中控制逻辑处理器还响应于根据所存储的图像数据计算3D表面轮廓图像数据的存储指令(stored instruction)。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于获取牙齿的3D表面轮廓图像数据的方法，所述方法包括：在双远心光学系统的像平面上设置图像检测器阵列，该图像检测器阵列能够被激励以形成图像；沿光轴将双远心光学系统和图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置调节到焦点位置序列中的每一个；在所述序列中的每一个焦点位置处从检测器阵列获取图像数据并且将所述图像数据存储在电子存储器中；计算所获取的图像数据中的多个像素中的每一个像素的焦点，并且根据像素对比度为所述像素中的每一个确定对应的深度值；结合多个所确定的深度值以形成3D表面轮廓图像；以及显示所述3D表面轮廓图像。

有利地，所获取的图像数据能够容易地与计算得到的表面轮廓数据一起被显示，因为像素化的(pixellated)图像检测器被用于获取表面信息。

附图说明

本发明的上述及其他目的、特征和优点根据下面对本发明的实施例更具体的描述而将是显而易见的，如附图所示。

附图中的元件并不一定相对彼此成比例。为了示出所特别关注的原理或特性，角度和空间关系可以缩小或放大的方式来表示。

图1是示出常规的非远心光学系统的放大效果的示意图。

图2是示出物体远心光学系统的特性的示意图。

图3是示出物体远心光学系统的特性的示意图。

图4是示出双远心光学系统的特性的示意图。

图5是示出根据本发明的方面的双远心成像装置的特性和一些基本部件的示意图。

图6是示出本发明的实施例如何在物场和像场中采用远心光模式的示意图。

图7是示出用于从根据本发明的方面的双远心光学系统获取3D深度信息的顺序(sequence)的逻辑流程图。

图8是示出根据一个实施例的口腔内成像系统的部件的框图。

图9是示出利用检测器移动来改变焦点以实现深度检测的示意图。

图10是示出利用透镜移动来改变焦点以实现深度检测的示意图。

图11是示出了使用多个图像来重构示出表面轮廓的图像的图示，所述多个图像中的每一个处于不同的焦点。

图12是利用偏振光照来进行深度散焦成像的成像装置的示意图。

图13A、13B和13C示出轮廓数据以及根据一个实施例利用焦点信息对牙齿的一部分表面重构。

图14A和14B示出了假牙的一部分表面，该部分表面异常光滑并且对获取精确的表面数据提出了挑战。

图15A和15B示出为图14A和14B所示的光滑表面结合深度检测对投影图案的利用。

图16是将投影条纹成像的方面与深度散焦成像结合的成像装置的示意图。

具体实施方式

下面是对本发明的优选实施例的详细描述，其中对附图进行了参考，在所述附图中相同的参考标号在若干幅图的每一幅中标识相同的结构元件。

本发明的装置和方法通过利用远心散焦来获取来自图像的3D深度信息。为了更全面地理解本发明的原理和操作，从总体上对远心性(telecentricity)进行回顾，并且更具体地，对本发明的装置的双远心光学系统的操作进行描述是有益的。

图1的示意图示出透镜10如何在常规的非远心成像系统中形成图像。在透镜10左边的物空间中，物体A、B和C具有相同的高度。然而，在像空间中，图像A’、B’和C’具有不同的高度。按照这种常规的模式，物体距离透镜越远，则有效的放大倍数越低。

图2的示意图示出了物空间远心光学装置的原理。与图1的非远心的例子不同，来自物场的主射线(chief ray)与光轴OA平行，在图2中(由假想线)将该主射线示出为从物体C发出的中心射线。光阑22限制来自物场的光射线的角度范围。在物体侧，主射线与光轴平行。物空间远心光学系统要求透镜20具有足够大的直径用于接收来自物场的光，其基本的几何形状在图2中示出。大量物空间远心透镜可用于特定的应用。然而，由于所需要的是大视场，物空间远心性对很多类型的成像系统是不实际的。

图3的示意图示出像空间远心光学装置。在这种布置的情况下，像场中的主射线与光轴平行地延伸。因此，当图像位置沿光轴移动时，随着焦点改变，放大倍数保持恒定。在放大倍数恒定的情况下，无需为图像处理重新缩放和对准图像。认识到图像远心光学系统的这个优点，研究员Masahiro Watanabe和Shree K.Nayar在名为“用于焦点分析的远心光学系统(Telecentric Optics for Focus Analysis)”(IEEE模式分析与机器智能学报，1997年，第19卷，第12期，第1360-5页)的文章中描述了利用商业上可买到的机器视觉透镜的像空间远心系统。通过利用适当的孔隙布置，Watanabe等人描述了如何改造现成的透镜用于像空间远心系统，该像空间远心系统被用于基于根据散焦确定深度的范围感测。

在Watanabe等人的文章中所描述的图像系统仅在像空间中是远心的，其能够被用于改善机器视觉系统的性能，但是具有大量缺点，这些缺点使得其对于在牙齿成像应用中的使用不那么理想。遮蔽可能由例如牙齿或具有相对陡峭的边缘的其他物体的正面成像引起。此外，当传感器沿光轴移动时，传感器像素对应于不同的物点(object point)。因此，为了在使用像空间远心光学系统时提取深度信息，必须进行缩放调节。

本发明的实施例同样利用远心光学设计原理为牙齿成像应用解决深度检测的问题，但是没有上述约束和限制。为了更全面地理解本发明的操作和特征，有益的是首先对双远心成像装置进行回顾，所述双远心成像装置既提供前面参照图2所描述的物体侧远心性，也提供前面参照图3所描述的、Watanabe等人所示教的图像侧远心性。

双远心成像装置具有图4所示意性地示出的布置。此处，光阑22被放置在透镜20和30的公共焦点F处，使得主射线与物空间和像空间两者都平行。在像空间中，如所示出的那样，对于具有相同高度的物体A、B和C，不管其与透镜20的距离如何，图像A’、B’和C’都具有相同的高度。

关于图4所示的双远心光学布置，能够得到大量相关的结论。

(i)放大倍数被保持。不管焦点如何调节，物场中的每个物体的放大倍数保持相同。在焦点变化的情况下，图像随着焦点变化而对称地变模糊。

(ii)在任何焦点位置，远心透镜从相同的透视角“观察”物场。

(iii)对于物体上的任何点，主射线角为零或至少非常小，典型地在零点几度以内。相似地，像平面内的主射线角同样非常小。

(iv)物镜20仍然必须具有足够的直径用于接收来自物场的光，如针对物体侧的远心系统所提到的那样。在实践中，这意味着透镜20的直径应当比要被成像的牙齿表面的尺寸大。

(v)每个像素(图像点)仅对应于单独的一个物点。

参照图5，示出了根据本发明的一个实施例的、被用于牙齿成像的双远心成像装置40的示意图。牙齿12被示出在物场中。以主射线为中心的窄的射线锥被示出为从牙齿12的表面上的点Q发出。透镜组件26至少具有透镜20和30，并且包括处于透镜20和30的公共焦点处的孔隙22。在能够被激励以形成像素化的图像的检测器阵列24(诸如CMOS或CCD图像检测器阵列)上，物点Q被成像到点Q’，即成像到对应于点Q’的像素传感器。如前所述，Q’在检测器阵列24上的位置不随成像装置40的焦点的任何改变而变化。也就是说，由于双远心设计，Q’处的像素传感器感测从牙齿12上的点Q所接收的光，而不管成像装置与牙齿之间的距离如何。这样，由于放大倍数被保持(如在上面的(i)中所描述的那样)，物场中的每个点在形成于像平面上的二维图像中都具有对应的点位置，并且像平面上的这个点位置对于任何焦点调节都被保持。检测器阵列24可以是单色的或彩色的。在一实施例中，用于口腔内成像设备的紧凑布置具备沿如图5所示的那样在一个方向上延伸的光轴对准的检测器阵列24和透镜组件26，而无需重新引导光轴的路径的旋转镜或其他设备。

本发明的装置和方法采用在焦点可变的情况下，放大倍数恒定并且因此射光孔(pupil)位置固定的这个原理来检测沿牙齿表面的深度差异。由于这个深度信息对牙齿上的每个像素都可用，因此牙齿的表面轮廓然后能够被确定。图6的示意图示出远心光如何被用于深度测量。牙齿12位于左边的物场中并且对于成像呈现不规则的表面，如所示出的那样。来自表面点Q1、Q2和Q3中的每一个的光都是远心的，这使得来自每个点的主射线大体上与光轴OA平行。在右边的像场中，检测器阵列24具有分别对应于每个表面点Q1、Q2和Q3的像素Q1’、Q2’和Q3’。这种表面点与像素的对应在每个焦点位置处都被保持。如图6所示，表面点Q2相对于检测器阵列24在焦点上(in focus)，使得像素Q2’从牙齿12上的那个点接收聚焦的光。同时，表面点Q1和Q3在焦点外。如图6所示，焦点与检测器阵列24沿光轴OA的相对位置有关。对于点Q1和Q3两者，焦点在检测器阵列24的当前位置的左边。因此，在对应的像素Q1’和Q3’处所接收的光如在这幅图中所示出的那样经过焦点。

对于前面图3所示的像空间远心布置，可用于焦点调节的唯一手段是检测器阵列24沿光轴OA的移动。然而，对于如图5所示的成像装置40的双远心布置，能够以各种方式改变焦点距离：通过沿光轴OA移动检测器阵列24；或者通过相对于检测器阵列24移动透镜组件的位置；或者通过将透镜组件和检测器24两者作为一个单元移动，从而改变到牙齿12的距离，这将在后面更详细地描述。每个表面点的3D深度信息能够利用检测器阵列24与透镜组件的相对位置在对于该点的焦点处被获取。

图7的逻辑流程图示出用于从深度数据获取3D表面轮廓信息的基本处理顺序，其利用图5的光学部件布置以及增加的用于改变焦点和处理数据的部件，这将在后面更详细地描述。在成像步骤S80中，步进的焦点位置序列被采用。牙齿的多个图像1..N被获取，其中每一个代表在N个焦点位置中的每一个处所形成的图像。在一个实施例中，N为100。这种图像捕捉是自动完成的；操作者仅仅将成像装置40固定就位，同时自动化过程执行重复的一系列捕捉图像的步骤，然后按顺序移动到下一个焦点位置。在一个实施例中，连续的焦点位置以10um的均匀间隔隔开。

继续参照图7的逻辑流程，一旦多个图像已在步骤S80中被获取并且被存储在电子存储器中，循环步骤S90然后就被执行。循环步骤S90控制焦点评定步骤S100的执行，该焦点评定步骤S100确定N个所存储的图像的任何一个中的哪些像素在焦点上。每个像素的对应焦点位置然后在焦点存储步骤S110中被存储。接着能够利用所存储的焦点位置数据执行深度计算步骤S120，同时存储每个像素的深度信息。最后，能够根据所存储的深度数据确定3D表面轮廓。3D轮廓数据然后能够被存储在电子存储器中、被显示或在后续处理中被使用。

从图像处理的角度来看，通过考虑场景(scene)上的单个点，诸如图6中的点Q2，能够更好地理解通过此处关于图5所描述的双远心光学系统和参照图6所描述的焦点布置利用图7的过程来获取表面轮廓信息。对本领域的技术人员公知的是，区域的焦点的量度是相对对比度。区域的对比度的量度则是方差。

在图像像素水平上，脱焦情况可以被认为是图像与模糊滤镜(blur filter)进行卷积的结果。模糊滤镜减少了图像的高频内容。如前所述，远心系统的一个方面在于随着像平面的移动，对图像没有放大。因此，点在场景中的位置(在本例中为Q2)在每个图像中具有相同的像素定位(Q2’)。随着焦平面的移动，相邻像素的窗口含有相同部分的场景。通过计算像素附近的其他像素的方差(variance)并且将这种类型的计算用在焦点序列中的每个图像上，能够获取像素在每个焦点位置(即像平面位置)处的对比度的量度。产生最大方差值的焦点位置指示所选的单个点(Q2)提供最佳地在焦点上的像素(Q2’)的地方。利用公知的薄透镜成像公式和其他相机参数，能够利用这个焦点信息容易地估算像素的深度的估计值。这个程序能够为每个像素反复地被执行，产生每个像素的深度估计值。

图8的框图示出3D成像系统50，其通过参照图6和7所描述的步进焦点位置序列利用成像装置40来提供3D图像数据。控制逻辑处理器44提供协调焦点调节的信号并且执行提供深度信息所需的计算。对于到焦点位置序列中的每一个的焦点调节，控制逻辑处理器44以控制信号与致动器28通信，致动器28提供焦点调节机构。从控制逻辑处理器44发起的控制信号使得致动器28移动到所述序列中的每个位置。

为了获取和存储所述序列中的每个焦点位置的图像数据，控制逻辑处理器44以图像数据与检测器阵列24通信。图像数据通信能够例如通过并行或串行的数据连接来进行。响应于存储指令，控制逻辑处理器44将每个焦点位置的图像数据存储在计算机可访问的电子存储器48中，电子存储器48可位于控制逻辑处理器44的外部。控制逻辑处理器44执行提供表面信息所需的图像处理，或者替代地，该控制逻辑处理器44与用于执行这种处理的外部处理器通信。位于口腔内成像装置内部或者设置在外部的处理器的组合可以执行逻辑处理功能。显示器46被设置为成像系统50的部分，在图像捕捉步骤和3D表面数据处理之后提供显示图像。有利地，全色图像被获取，并且该全色图像能够与计算得到的表面信息一起被显示。

能够通过在物体侧调节透镜组件26与牙齿12之间的相对距离，或者在图像侧调节透镜组件26与检测器阵列24之间的相对距离来改变焦点位置。这种焦点调节能够以多种方式完成。举例来说，图9和10的示意图示出两种不同的方式，其中在利用本发明的成像装置40的情况下，能够通过焦点调节机构80实现多个焦点位置。图9示出成像装置40的实施例，其具有与检测器阵列24操作性连接的致动器28，并且致动器28能够被致动以顺序地将双远心光学系统的像空间中的焦点与检测器阵列24的相对位置调节到大量焦点位置中的每一个。在所示出的实施例中，致动器28沿光轴OA相对于透镜组件26以递增的方式移动检测器阵列24，从而将焦点从一个位置改变到下一个位置。

图10示出成像装置40的替代性实施例，其具有与透镜组件26操作性连接的焦点调节机构80的致动器28来沿光轴OA移动相关联的光学部件，从而将焦点从一个位置改变到下一个位置。在这个实施例中，检测器阵列24不沿光轴OA移动。

第三种实现多个焦点位置的技术是将检测器阵列24和透镜组件26两者作为一个单元沿光轴OA朝向或远离牙齿12或其他牙齿特征移动。对于这种技术，检测器阵列24和透镜组件26沿光轴相对于彼此固定就位，但是通过焦点调节机构80的一个或多个致动器28一起被移动到大量焦点位置中的每一个。图10示出了一个实施例，其中以虚线轮廓示出可选的致动器29，其被设置成结合透镜组件26的移动来移动检测器阵列24。在替代性实施例中使用单个致动器。

焦点调节机构80的致动器28可以是能够被致动以允许以足够小的增量进行可控移动的多种类型的设备中的任何一种。在一个实施例中，致动器28是线性压电致动器。替代地，可以使用能够提供所需的空间分辨率的步进电机或其他类型的具有螺杆、皮带或者其他适当机构的旋转电动机。

图11是示出如何根据由成像装置40所获取的多个图像重构3D表面图像的图示。在每个焦点位置处，图像32由检测器阵列24捕捉，并且被存储在控制逻辑处理器44可访问的电子存储器中，如前面参照图8所描述的那样。控制逻辑处理器44执行深度计算步骤S120和表面形成步骤S130(图7)的逻辑，其分析焦点信息来计算与每个像素相关联的深度信息。结果产生3D轮廓图像36，该3D轮廓图像36根据像素深度计算结果重构，并且能够被显示、通过网络被传输或者被存储。如图11的例子所示，像素Q1’、Q2’和Q3’中的每一个表示牙齿上处于不同深度并且因此从不同的捕捉图像32被获取的点。

用于成像装置的光照能够由独立的光源提供，包括成像装置的附件，其中光照的路径或者穿过双远心光学系统，或者位于双远心光学系统外部。替代地，如图12的实施例所示，能够由光源52提供均匀的光照场，举例来说该光源52位于成像装置40内部，或者利用光纤被引导到成像装置40中。与共焦成像设计不同，光照路径无需延伸通过双远心光学系统。投影光学器件64调整光照，该光照被设置成在物场上作为均匀的光束提供光照。在图12的实施例中，诸如发光二极管(LED)或其他固态光源的光源52利用分束器54朝牙齿12引导光。这使得来自光源52的至少一部分光能够照射牙齿表面，并且能够被反射以及被用于深度检测。在一个实施例中利用多色光源(也被称作白色光源)，其提供牙齿的彩色图像；然而，可以利用具有一个或多个彩色光源的布置。

偏振光能够替代地被用作光照源。偏振光对于例如减小镜面反射可能是有利的。再次参照图12的示意图，分束器54可以是偏振分束器，其朝牙齿12反射一种偏振的光，并且传递正交偏振的反射光，用于在检测器阵列24处进行深度检测。可以替代地利用其他类型的偏振器。也可以在接收光的路径上设置可选的分析器56。

对于很多牙齿及其他牙齿物体，有足够的表面纹理或粗糙度用于利用图7的顺序进行深度成像。图13A-13C在图13A中示出牙齿12的例子，对其的深度成像是成功的。图13C中的曲线图70示出在噪声过滤之前的原始测量数据，其显然可用于获取牙齿表面的轮廓。图13B中的图像72示出利用这个数据所获取的一部分重构表面。

然而，图14A-14B的替代性的例子示出假牙12的一部分表面，该部分表面异常光滑，并且从其获取表面数据更加困难。图像74示出通过焦点技术和图7的顺序进行表面重构的结果。如图74所示，表面信息对于这个例子而言相对不清楚。

如图14A-14B的例子所示，利用对比度和方差数据来获取表面轮廓信息可能具有一些限制。举例来说，如果区域缺乏特征并且非常光滑，则难以将所测得的对比度或方差值从噪声中区分出来。再次考虑前面引入的模糊滤镜处理模型，能够发现模糊对不具有可察觉的高频内容的图像没有影响。

为了克服这种限制并且允许从光滑的牙齿表面(诸如图14A-14B所示的牙齿表面)获取轮廓数据，在场景的分布状况(topography)不被破坏的情况下，能够利用有助于增强牙齿表面上的小的变化的措施。举例来说，这样的措施能够包括通过涂敷细小的颗粒来对场景进行涂粉(dusting)。

用于增强诸如图14A-14B所示的光滑表面情况的表面轮廓的另一种方法是将纹理图案投影到场景上。然后，能够通过利用与投影图案有关的焦点信息来获取附加的信息。参照图15A-15B，在图7的顺序期间，图案78被投影到牙齿12上。根据投影图案计算焦点信息，从而产生改善的重构表面图像74。

如图15A-15B所示，当结合深度散焦被使用时，图案化的光照能够获取还要更高的精确程度用于牙齿表面成像。在本公开内容的上下文中，术语“图案光照”或“图案化的光照”被用于描述用于条纹投影成像或“轮廓”成像的结构化的光照的类型。图案本身可以包括多条线、点、棋盘图案或其他几何形状作为图案特征，这些几何形状分布在整个被照射的区域上并且具有预定的空间频率，以给定的周期重现。诸如棋盘图案的二维图案与所投影的平行线相比具有提供表面轮廓信息的优点。光照图案向物体表面提供纹理，并且因此有助于提取对比度映射(contrast map)来得到更高的空间分辨率。光照图案被调节以使深度精确度和分辨率最大化。这种方法对具有相对光滑的表面的物体特别有效，并且能够结合例如涂层或粉末一起被利用。

参照图16，示出有成像装置40的示意图，其包括图案产生器60，该图案产生器60能够被激励以将图案化的光照引导到牙齿12的表面上。在一个实施例中，图案产生器60包括固态光源，并且以图像数据与控制逻辑处理器44通信以在牙齿上形成一种或多种不同类型的图案。可以采用附加的偏振部件来改善图案图像投影性能，如在Liang的2009年4月16日提交的名为“利用偏振条纹投影的牙齿表面成像(Dental Surface Imaging Using Polarized Fringe Projection)”的共同转让的序列号为12/424,562的美国专利申请中所描述的那样。这可以包括用于图案化光照的偏振分束器54和分析器56，例如前面在图12中所示出的那样。当结合深度成像一起被利用时，结构化的投影图案不需要如同常规的条纹投影成像一样进行相位移动。这是因为焦点检测算法在包括图案本身的图像上操作。

在将图案投影到场景上的情况下，所投影的纹理图案的几何形状需要与用于计算方差的窗口尺寸相适合。一个合理的经验法则是所投影的纹理的完整周期应当被包含在窗口内。否则，用于估计方差的统计数字可能具有空间相关性，这会使结果偏斜。

然而，即使在颗粒被涂敷或者图案被投影的情况下，结果得到的图像可能仍然没有含足够的信息来以任何置信度估计表面特征的深度或范围。举例来说，可能有陡峭的边缘或者场景上的位于成像系统的焦点范围之外的点，例如远远超出所关注的期望距离的点。如果发生这种情况，识别和标记这些区域中的像素是有用的。识别这些像素的一种方法是将所选的像平面上所关注的像素周围的方差与像平面的位置的最大范围上的像素的方差进行比较。如果方差的最大差小于某个预定的阈值，那么该像素被识别为是不确定的。在一个实施例中，根据经验得到10个方差单位的阈值，并且该阈值提供对具有不可靠的深度估计结果的像素的合理识别。

应注意到的是，双远心光学系统与可调焦点机构的结合实现了根据焦点信息的深度检测，如在本发明的实施例中所用的那样。与诸如共焦深度检测或条纹投影设备等其他装置不同，本发明的成像装置40获取并且利用来自连续的2D牙齿图像而不是来自映射的点或来自投影的条纹图案的焦点信息。这种布置与其他轮廓成像方法相比的优点在于，轮廓信息一旦被获取就能够更容易地与其他图像内容相关，这是因为能够为所述图像的每个像素计算轮廓信息。彩色或单色的图像能够被获取。

已具体参考当前优选的实施例对本发明进行了详细描述，但应理解的是，在本发明的精神和范围内能够实现变化和改动。例如，本发明能够被用于从牙齿以及其他口腔内结构获取深度信息。参照图8所描述的控制逻辑处理器44可以是响应于存储指令的多种类型的控制逻辑设备中的任何一种，诸如微处理器、专用处理器、计算机或计算机工作站，或者一个或多个连网的计算机、工作站或主处理器。

因此，当前所公开的实施例被认为在所有方面都是示意性的并且不是限制性的。本发明的范围由所附的权利要求指示，并且落在其等同物的含义和范围内的所有变化都意在被包含在其中。

本发明提供了一种用于获取牙齿的3D表面轮廓图像数据的装置，所述装置包括：双远心光学系统，其被构造成将所述牙齿的表面的图像形成到图像检测器阵列上；焦点调节机构，其能够被致动以沿光轴将所述双远心光学系统和所述图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置调节到焦点位置序列中的每一个；以及控制逻辑处理器，其以控制信号与所述焦点调节机构通信以调节焦点位置，并且以图像数据与所述图像检测器阵列通信以接收由所述图像检测器阵列获取的图像数据，以及以图像数据与存储器通信以存储对应于所述焦点位置序列中的每一个所接收的图像数据，其中所述控制逻辑处理器还响应于根据所存储的图像数据计算所述3D表面轮廓图像数据的存储指令。

在一些实施例中，所述检测器阵列是CMOS或CCD检测器。

在一些实施例中，所述焦点调节机构包括压电致动器。

在一些实施例中，所述控制逻辑处理器还响应于检测所存储的图像数据中的多个像素中的每一个像素的相对焦点的存储指令。

在一些实施例中，所述装置还包括用于朝牙齿引导光照的多色光源。

在一些实施例中，所述光源具有位于所述双远心光学系统外部的光照路径。

在一些实施例中，所述装置还包括位于所述光照的路径上的偏振器。

在一些实施例中，所述装置还包括图案产生器，该图案产生器能够被激励以将光照图案引导到牙齿表面上。

在一些实施例中，所述焦点调节机构能够被致动以将所述双远心光学系统的元件移动到沿所述光轴的各个位置，但是不移动所述图像检测器阵列。

在一些实施例中，所述焦点调节机构能够被致动以将所述检测器阵列移动到沿所述光轴的各个位置，但是所述双远心光学系统的透镜元件沿所述光轴保持固定。

本发明还提供了一种用于获取牙齿的3D表面轮廓图像数据的方法，所述方法包括：在双远心光学系统的像平面上设置图像检测器阵列，所述图像检测器阵列能够被激励以形成图像；沿光轴将所述双远心光学系统和所述图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置调节到焦点位置序列中的每一个；在所述序列中的每个焦点位置处从所述检测器阵列获取图像数据并且将所述图像数据存储在电子存储器中；计算所获取的图像数据中的多个像素中的每一个像素的焦点，并且根据像素对比度为所述像素中的每一个像素确定对应的深度值；结合多个所确定的深度值以形成所述3D表面轮廓图像；以及显示所述3D表面轮廓图像。

在一些实施例中，所述方法还包括朝牙齿引导图案化的光照。

在一些实施例中，调节所述双远心光学系统和所述图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置包括激励压电致动器。

在一些实施例中，调节所述双远心光学系统和所述图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置包括激励致动器以移动所述检测器阵列。

在一些实施例中，朝牙齿引导光照图案包括激励固态光源。

本发明还提供了一种用于获取牙齿的3D表面轮廓图像数据的装置，所述装置包括：图案产生器，其能够被激励以将光照图案引导到牙齿表面上；检测器阵列，其能够被激励以形成图像；双远心光学系统，其设置成向所述检测器阵列引导从所述牙齿的表面反射的光；焦点调节机构，其能够被致动以沿光轴将所述双远心光学系统和所述图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置调节到一系列焦点位置中的每一个；以及控制逻辑处理器，其与所述检测器阵列以及与所述图案产生器以图像数据通信，并且响应于将所述一系列焦点位置中的每一个的图像数据存储在存储器中以及根据所存储的图像数据计算所述3D表面轮廓图像数据的指令。

在一些实施例中，所述检测器阵列是CMOS或CCD检测器。

在一些实施例中，所述焦点调节机构将所述双远心光学系统的元件移动到沿光轴的各个位置。

在一些实施例中，所述焦点调节机构将所述检测器阵列移动到沿光轴的各个位置。

在一些实施例中，所述光照图案是棋盘图案。

Claims (10)

1.一种用于获取牙齿的3D表面轮廓图像数据的装置，所述装置包括：

双远心光学系统，其被构造成将所述牙齿的表面的图像形成到图像检测器阵列上；

焦点调节机构，其能够被致动以沿光轴将所述双远心光学系统和所述图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置调节到焦点位置序列中的每一个；以及

控制逻辑处理器，其以控制信号与所述焦点调节机构通信以调节焦点位置，并且以图像数据与所述图像检测器阵列通信以接收由所述图像检测器阵列获取的图像数据，以及以图像数据与存储器通信以存储对应于所述焦点位置序列中的每一个所接收的图像数据，

其中所述控制逻辑处理器还响应于根据所存储的图像数据计算所述3D表面轮廓图像数据的存储指令。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述控制逻辑处理器还响应于检测所存储的图像数据中的多个像素中的每一个像素的相对焦点的存储指令。

3.如权利要求1所述的装置，其还包括图案产生器，所述图案产生器能够被激励以将光照图案引导到所述牙齿表面上。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述焦点调节机构能够被致动以将所述双远心光学系统的元件移动到沿所述光轴的各个位置，但是不移动所述图像检测器阵列。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述焦点调节机构能够被致动以将所述检测器阵列移动到沿所述光轴的各个位置，但是所述双远心光学系统的透镜元件沿所述光轴保持固定。

6.一种用于获取牙齿的3D表面轮廓图像数据的方法，所述方法包括：

在双远心光学系统的像平面上设置图像检测器阵列，所述图像检测器阵列能够被激励以形成图像；

沿光轴将所述双远心光学系统和所述图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置调节到焦点位置序列中的每一个；

在所述序列中的每个焦点位置处从所述检测器阵列获取图像数据并且将所述图像数据存储在电子存储器中；

计算所获取的图像数据中的多个像素中的每一个像素的焦点，并且根据像素对比度为所述像素中的每一个像素确定对应的深度值；

结合多个所确定的深度值以形成所述3D表面轮廓图像；以及

显示所述3D表面轮廓图像。

7.如权利要求6所述的方法，其中调节所述双远心光学系统和所述图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置包括激励致动器以移动所述检测器阵列。

8.一种用于获取牙齿的3D表面轮廓图像数据的装置，所述装置包括：

图案产生器，其能够被激励以将光照图案引导到所述牙齿表面上；

检测器阵列，其能够被激励以形成图像；

双远心光学系统，其被设置成向所述检测器阵列引导从所述牙齿的表面反射的光；

焦点调节机构，其能够被致动以沿光轴将所述双远心光学系统和所述图像检测器阵列中的任何一个或两者的位置调节到焦点位置序列中的每一个；以及

控制逻辑处理器，其以图像数据与所述检测器阵列以及与所述图案产生器通信，并且响应于将所述焦点位置序列中的每一个的图像数据存储在存储器中以及根据所存储的图像数据计算所述3D表面轮廓图像数据的指令。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述焦点调节机构将所述双远心光学系统的元件移动到沿光轴的各个位置。

10.如权利要求8所述的装置，其中所述焦点调节机构将所述检测器阵列移动到沿光轴的各个位置。

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