CN106662434B - 共焦平面相对于共焦设备与样品的相对移动方向倾斜的共焦表面形貌测量 - Google Patents

共焦平面相对于共焦设备与样品的相对移动方向倾斜的共焦表面形貌测量 Download PDF

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Abstract

描述一种用于测量三维结构的表面形貌的设备。在多个实施例中，所述设备被配置为将多个光束中的每个光束均相对于所述设备聚焦到各自固定的焦点位置。所述设备测量多个返回光束中的每个返回光束的特性，该返回光束通过利用光束照射所述三维结构而产生。针对所述设备与所述三维结构之间的多个不同位置和/或朝向测量所述特性。针对所述设备与所述三维结构之间的多个不同位置和/或朝向，至少部分地基于测量的返回光束的所述特性，确定所述三维结构的表面形貌。

Description

共焦平面相对于共焦设备与样品的相对移动方向倾斜的共焦 表面形貌测量
背景技术
已经开发了各种方法用于光学测量表面形貌。例如，已经开发和采用了能够用于光学测量患者的牙齿的表面形貌的光学系统和方法。例如，测得的牙齿的表面形貌能够用于设计和制造义齿，以及/或者用于确定正畸治疗计划以矫正咬合不正。
一种用于光学测量表面形貌的技术采用了激光三角法来测量牙齿表面与光学距离探头之间的距离，该探头插入到患者的口腔中。然而，由于例如来自牙齿表面的次优的反射率，导致经由激光三角法而测得的表面形貌可能比期望的精度低。
在能够从西门子公司(Siemens GmbH)或西诺德牙科设备公司 (Sirona DentalSystems)市售的CEREC-1和CEREC-2系统中实施的用于光学测量表面形貌的其他技术分别使用光切法和相移法。两个系统均采用特殊设计的手持探头测量准备的牙齿的三维坐标。然而，这两种方法均要求在牙齿上沉积特定的被覆物(即，分别为测量粉末和白色颜料悬浮液)。被覆层的厚度应该满足特定的并且难以控制的需求，这可能导致测量数据的不准确。
在另一技术中，基于利用探头对表面的物理扫描和通过例如利用光学器件或其他遥感装置确定探头的位置而进行牙齿表面形貌的测绘。
美国专利No.5372502公开了一种用于三维测量的光学探头。
将各种图案投射到待测量的牙齿上，并且利用光学探头捕获相应的多个扭曲的图案。每个捕获的图案均能够用于细化形貌测量。
发明内容
提供了用于测量三维结构的表面形貌的设备和方法。在多个实施例中，用于测量表面形貌的设备被配置为针对设备的光学探头与三维结构之间的多个不同位置和/或朝向而利用光束照亮三维结构(例如，患者的齿列)。公开的设备和方法采用了在不相对于光学探头而光学地移动光束的焦点位置的情况下的三维结构的共焦扫描，而是使用光学探头相对于结构的移动，从而实现了更小、更快并且更具成本效益的光学器件。
从而，在一个方面中，描述一种设备用于测量三维结构的表面形貌。设备被配置为测量多个返回光束中的每个返回光束的特性，所述返回光束通过利用多个光束照射三维结构而产生。针对设备与三维结构之间的多个不同位置和/或朝向测量特性。
在另一方面中，描述一种设备用于测量三维结构的表面形貌。在多个实施例中，设备包括光学探头、光学系统以及处理单元。光学探头相对于三维结构移动。光学系统将多个入射光束中的每个入射光束聚焦到相对于光学探头并且远离光学探头的各自的焦点位置。通过利用入射光束照射三维结构而产生返回光束。针对光学探头与三维结构之间的多个不同相对位置和/或朝向，至少部分地基于测量的返回光束的特性，处理单元确定三维结构的表面形貌。
在另一方面中，描述一种用于测量三维结构的表面形貌的方法。方法包括将多个入射光束中的每个入射光束聚焦到相对于光学探头并且远离光学探头的各自的焦点。通过利用入射光束照射三维结构而产生返回光束。针对光学探头与三维结构之间的多个不同的相对位置和/ 或朝向测量返回光束的特性，以生成三维结构的表面形貌数据。
通过阅读说明书、权利要求书和附图，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。
附图说明
在所附权利要求中具体阐述本发明的新颖特征。通过参考以下详细说明将获得对本发明的特征和优点的更好理解，所述详细说明阐述了使用本发明的原理的说明性实施例，并且其附图为：
图1A和1B利用方框图示意性地示出了根据多个实施例的共焦表面形貌测量设备(图1B是图1A的延续)；
图2A是根据实施例的共焦表面形貌测量设备的探测部件的顶视图；
图2B是穿过图2A的探测部件的纵截面图，描绘了穿过其中的示例性光线；
图2C和2D是根据多个实施例的图2A的探测部件的端视图；
图3A示出了根据多个实施例的使用固定焦点位置来扫描结构的光学探头；
图3B示出图3A的光学探头在使用固定焦点位置扫描结构期间的另一视图；
图4A示出根据多个实施例的被配置为将多个光束聚焦到各自的焦点位置的光学组件；
图4B示出根据多个实施例的被配置为将多个光束聚焦到斜的焦平面的另一光学组件；
图5示出根据多各实施例的用于将光束阵列聚焦到斜的焦平面的微透镜阵列；
图6A示出根据多个实施例的被配置为将多个光束聚焦到斜的焦平面的另一光学组件；
图6B示出根据多个实施例的通过图6A的光学组件的返回光束的光学路径；
图7A示出根据多个实施例的被配置为将多个光束聚焦到斜的焦平面的另一光学组件；
图7B示出图7A的光学组件的展开配置；以及
图8是简化的方框图，描述了根据多个实施例的使用固定焦点位置测量表面形貌的方法的步骤。
具体实施方式
本文描述了采用表面形貌的共焦测量的设备和方法。在一些方法中，诸如其公开内容全部通过参考并入本文的美国专利No.6697164描述的方法中，测量设备产生的入射光束用于确定三维结构的表面形貌。设备包括光学探头，光束从该光学探头发出以照亮该结构。光束通过聚焦光学器件聚焦到光学探头外部的各个交点(还称为焦点位置)。为了测量三维表面形貌，通过相对于光学探头的多个位置而光学扫描焦点位置。焦点位置沿着入射光束的传播方向相对于光学探头移动(轴向扫描)。焦点位置还能够与传播方向正交地移动(横向扫描)。本文中关于光的方向的任何描述能够被认为是指光的主射线(主光线) 的方向。类似地，本文中关于光的传播方向的任何描述能够被认为是光的主射线的传播方向。通常，通过例如经由诸如电流计镜、电动机和/或伸缩式扫描机构这样的适当装置而机械移动光学元件，来实现相对于光学探头的轴向扫描和/或横向扫描。然而，使用这样的轴向扫描或横向扫描构件可能增加测量设备的尺寸、重量和成本。
相比之下，本公开的设备和方法在不光学移动焦点位置相对于光学探头的位置的情况下进行三维表面形貌的共焦测量。与以上描述的光学扫描相对于光学探头的焦点位置的方法相比，本文描述的方法将各光束聚焦至各自的焦点，所述各自的交点相对于光学探头具有固定空间布置。光学探头与三维结构之间的相对移动用于使焦点相对于结构移动。测量光学探头与三维结构之间的距离用于光学探头与三维结构之间的多个不同位置和/或朝向。然后结合关于探头与三维结构之间的相对位置的数据来处理数据，以确定被测量的结构的表面形貌。通过避免使用光学扫描机构，本文公开的设备和方法相对于现有的光学测量系统可以是更小、更快并且更有成本效益的。
在多个实施例中，通过测量用入射光束照明结构所产生的返回光束的一个以上的特性来确定光学探头与三维结构之间的距离。这样的特性能够包括例如返回光束的强度、波长、偏振、相移、干涉和/或色散。本文关于光强的任何描述也能够适用于光的其他合适的特性，反之亦然。特性的测量能够用于检测入射光束是否聚焦在结构的表面上，并且从而确定光学探头与三维结构之间的距离。
例如，能够基于测量返回光束的强度而确定结构的表面形貌。在多个实施例中，设备配置为使得当入射光束聚焦在结构的表面时，从结构返回的任意特定光束的强度是最大的。通过相对于结构移动探头，能够通过识别相应返回反射光束的强度何时为最大值，确定对于特定光束的探头与结构之间的距离以及探头相对于结构的位置和朝向。然后能够基于测量的返回光束的强度以及光学探头相对于结构的位置和/ 或朝向而确定结构的表面形貌。
作为另一实例，能够通过使用空间频率分析以识别结构的哪些区域在焦点上，来确定表面形貌。在多个实施例中，聚焦区域将包含比非聚焦区域更高的空间频率。因此，能够通过识别区域的空间频率何时为最大，从而针对探头相对于结构的特定位置和朝向，确定探头与结构上的特定区域之间的距离。该方法能够用于确定具有空间细节的结构的表面形貌。
本文描述的设备和方法能够用于测量任意合适的三维结构的表面形貌。在多个实施例中，进行光学测量以产生表示患者牙列的三维表面形貌的数据。例如，数据能够用于产生能够被显示和操纵的牙列的三维虚拟模型。三维虚拟模型能够用于例如定义患者牙列的空间关系，其用于为患者创建牙修复体(例如，齿冠或齿桥)，提供数字模型或物理模型用于记录保存目的，建立治疗计划，制造正畸矫正器或任何其他牙科目的。表面形貌数据能够被存储和/或传输或输出到诸如制造装置，该制造装置能够用于例如制造患者牙列的物理模型，牙科技师使用该物理模型来为患者创建牙修复体。
在一个方面中，提供一种设备，用于测量三维结构的表面形貌。该设备能够被配置为：(a)将多个光束中的每个光束均相对于设备聚焦到各自固定的焦点位置；(b)测量通过用光束照射三维结构而产生的多个返回光束中的每一个返回光束的特性，所述特性是针对设备与三维结构之间的多个不同位置和/或朝向所测量的；并且(c)对于装置与三维结构之间的多个不同位置和/或朝向，至少部分地基于测量的返回光束的特性来确定三维结构的表面形貌。
在另一方面中，提供一种设备，用于测量三维结构的表面形貌。该设备包括被配置为相对于三维结构移动的光学探头。设备包括照射单元，该照射单元被配置为产生多个入射光束，每个入射光束均包含第一波长组分。该设备包括光学系统，该光学系统被配置为将多个入射光束的每个入射光束的第一波长组分相对光学探头聚焦至各自固定的焦点位置。该设备包括检测器单元，该检测器单元被配置为测量多个返回光束中的每个返回光束的特性，所述返回光束通过利用入射光束照射三维结构而产生。设备包括与检测器单元结合的处理单元，该处理单元被配置为针对光学探头与三维结构之间的多个不同的相对位置和/或朝向，至少部分地基于测量的多个返回光束的特性来确定三维结构的表面形貌。在多个实施例中，特性是强度。
在多个实施例中，检测器单元包括传感器元件的二维阵列。每个传感器元件均能够被配置为测量多个返回光束的相应返回光束的特性。光学系统能够被配置为根据由照明单元产生的光形成入射光束的二维图案，入射光束的二维图案与由传感器元件的二维阵列测量的返回光束相对应。光学系统能够包括光学扩束器单元，光学扩束器单元被配置为扩展由照射单元产生的光，以形成入射光束的二维图案。照射单元能够被配置为产生入射光束的二维图案，该入射光束的二维图案与由传感器元件的二维阵列所测量的返回光束相对应。
入射光束能够相对于光学探头聚焦到多个相应的焦距。在多个实施例中，入射光束能够被布置在具有第一行和最后一行的多行中。各行中的入射光束能够被聚焦到相应的共同焦距。第一行和最后一行的焦距能够相差预定长度。例如，预定长度能够是5mm至25mm。传感器元件能够布置在一个平面中，该平面被定向为关于入射光束的第一波长组分的焦距对返回光束进行共焦传感。在一些实施例中，传感器元件的平面与返回光束是非正交的。
在多个实施例中，光学探头通过相对于结构的多个不同的位置和 /或朝向而移动。从而，能够至少部分地基于光学探头相对于三维结构的位置和/或朝向，根据测量的特性重建三维表面形貌。能够使用任意合适的方法确定光学探头与结构之间的相对位置和/或朝向。在多个实施例中，处理单元包括一个以上的处理器，以及有形非暂时性存储装置。有形非暂时性存储装置能够存储可以由一个以上的处理器执行的指令，以使得一个以上的处理器处理测量性能的数据，使用检测单元针对光学探头与三维结构之间的多个不同的相对位置和/或朝向而产生测量性能的数据。数据能够由一个以上的处理器处理，以确定光学探头与三维结构之间的相对位置和/或朝向。
在多个实施例中，设备还包括被配置为收集运动数据的运动跟踪装置。处理单元能够包括一个以上的处理器，以及有形非暂时的存储装置。有形非暂时性存储设备能够存储由一个以上的处理器执行的指令，以使得一个以上的处理器处理使运动数据，以确定光学探头与三维结构之间的相对位置和/或朝向。例如，运动跟踪装置能够包括摄像机，并且运动数据能够包括图像数据。在另一实例中，运动跟踪装置能够包括陀螺仪和/或加速度计。作为另一实例，运动跟踪装置能够包括电磁传感器。
能够使用多个入射光束的任何合适的配置。例如，光学系统能够被配置为将光束的第一波长组分聚焦到相对于扫描仪的至少10个不同的焦距，并且焦距能够具有至少10mm的范围。
在另一方面中，提供用于测量三维结构的表面形貌的方法。该方法能够包括产生多个入射光束，每个入射光束包括第一波长组分。每个入射光束的第一波长组分能够聚焦到相对于光学探头的各焦点位置。针对光学探头与三维结构之间的多个不同的相对位置和/或朝向，能够测量通过用入射光束照射三维结构而产生的多个返回光束中的每一个返回光束的特性。能够处理针对光学探头与三维结构之间的多个不同相对位置和/或朝向的测量特性，以生成三维结构的表面形貌数据。能够使用表面形貌数据生成三维结构的表面形貌。在多个实施例中，测量的特性是强度。在多个实施例中，方法包括跟踪光学探头与三维结构之间的相对位置和/或朝向中的变化。
入射光束能够被布置在具有第一行和最后一行的多行中。例如，各行中的入射光束能够被聚焦到相应的共同焦距。第一行和最后一行的焦距能够相差预定长度。例如，预定长度能够是至少10mm。入射光束能够相对于探头聚焦到任意合适的相应固定位置。例如，光束的波长组分能够相对于扫描仪聚焦到至少10个不同的焦距，并且焦距可以具有至少10mm的范围。
现在转到附图，其中在各个附图中相同的附图标记表示相同的元件，图1A和1B示出用于光学测量表面形貌的设备20。设备20包括结合到处理器24的光学装置22。示出的实施例对于测量患者牙齿26 的表面形貌是特别有益的。例如，设备20能够被用于测量患者牙齿的至少一个牙齿或者牙齿的一部分缺失这样的部分的表面形貌，以产生用于随后在针对患者的假体(例如，齿冠或齿桥)的设计和/或制造中使用的表面形貌数据。然而，应注意，本发明不限于测量牙齿的表面形貌，并且，加以必要的修改，也适用于对象的三维结构的成像的各种其他应用(例如，用于考古学对象的记录，用于任何合适项目的三维结构的成像，诸如生物组织等)。
在示出的实施例中，光学装置22包括发射光的光源(例如，半导体激光单元28)，如箭头30所表示的。光束30能够包括单一波长组分或者多个波长组分。在一些情况下，具有多个波长组分的光可以由多个光源产生。光通过偏光器32，这使得通过偏光器32的光具有一定的偏振。然后光进入光学扩束器34，这增加了光束30的直径。然后光束30通过模块38，该模块例如可以是将母光束30分成多个光束36的光栅或微透镜阵列，此处，为了易于图示，将光束36用单线表示。
光学装置22还包括部分透明镜40，其具有小中心孔径。镜40允许光从激光单元28传输通过下游的光学器件，但是反射在相反方向上行进的光。应注意，原则上，可以使用具有类似功能的其他光学器件 (例如，分束器)而不是部分透明镜。镜40中的孔径提高了设备的测量精度。由于该镜结构，只要区域不对焦，光束就在被成像的对象的照射区域上产生光环。当光束相对于成像对象聚焦时，光环变成强烈聚焦的照明点。因此，在离焦与对焦时的测量强度之间的差较大。该类镜的另一优点在于，与分束器相反，避免了在分束器中发生的内部反射，因此信噪比更大。
光学装置22还包括聚焦光学器件42、中继光学器件44和内窥镜探头部件46。聚焦光学器件42能够包括合适的光学器件，用于将光束 36相对于探头部件46聚焦到固定空间位置处的多个相应的焦点，如下所述。在多个实施例中，聚焦光学器件42是静态的，使得光学装置22 不采用机构来相对于探头部件46扫描焦点(例如，轴向或横向)。在多个实施例中，中继光学器件44被配置为保持光束的传播的特定数值孔径。
内窥镜探头部件46能够包括透光介质，其可以是在其内限定了光透射路径的中空物体或者由透光材料(例如，玻璃体或管)制成的物体。透光介质可以是刚性的或柔性的(例如，光纤)。在多个实施例中，内窥镜探头部件46包括确保全内反射并将入射光束朝向患者的牙齿26引导的这样类型的镜。从而内窥镜46发射照射在患者的牙齿26 的表面上的多个入射光束48。
内窥镜46能够包括一个以上的运动跟踪元件47(例如，陀螺仪、加速度计、用于光学跟踪的目标以及电磁传感器)。在多个实施例中，运动跟踪元件47响应于内窥镜46的移动而生成运动跟踪信号。在多个实施例中，运动跟踪信号由处理器24处理，以跟踪内窥镜46在六个自由度(即，三个平移自由度和三个旋转自由度)中的空间布置的变化。
在多个实施例中，入射光束48形成相对于笛卡尔参考系50布置在平面中并沿着Z轴传播的光束的二维阵列。光束48能够被聚焦到限定了合适的焦平面的各焦点，所述焦平面例如是与Z轴正交的平面(例如，X-Y平面)或非正交平面。当入射光束48入射到不平坦表面上时，所产生的照明点52的阵列在不同的(Xi，Yi)位置处沿着Z轴彼此移位。从而，虽然在一个位置处的照明点52可以针对内窥镜46与牙齿 26之间的给定相对空间布置而聚焦，但是在其他位置处的照明点52可能是离焦的。
因此，聚焦点的返回光束的光强度将处于其峰值，而其他点处的光强度将不处于峰值。从而，对于各个照明点，测量光强用于内窥镜 46与牙齿26之间的不同的相对空间布置。通常，将求出强度对时间的导数，并且其中导数等于零的内窥镜46与牙齿26之间的相对空间布置可以用于产生数据，该数据与内窥镜26与牙齿26之间的相对空间布置关联使用，以确定牙齿的表面形貌。如上所述，由于使用具有孔径的镜40，入射光在离焦时在表面上形成光盘，并且仅在聚焦时形成强烈聚焦的光斑。结果，当接近对焦位置时，距离导数将表现出较大的数值变化，从而提高了测量的精度。
从每个照明点52反射的光包括在由入射光束行进的光路的相反方向上的、最初在Z轴上行进的光束。每个返回光束54都对应于一个入射光束36。鉴于镜40的不对称性质，返回光束54被反射到检测组件60的方向上。检测组件60包括偏光器62，偏光器62具有与偏光器 32的偏振平面垂直定向的优选偏振平面。返回的偏振光束54通过通常为透镜或多个透镜的成像光学器件64，并且然后通过针孔阵列66。每个返回光束54至少部分地穿过针孔阵列66的各个针孔。可以是电荷耦合装置(CCD)或任何其它合适的图像传感器的传感器阵列68包括传感元件的矩阵。在多个实施例中，各个传感元件代表图像的像素，并且各个感测元件与阵列66中的一个针孔相对应。
传感器阵列68连接到处理器单元24的图像捕捉模块80。利用处理器24以下面描述的方式分析由传感器阵列68的各个传感元件所测量的光强。虽然在图1A和1B中将光学装置22描述为测量光强，但是装置22还能够被配置为测量其他合适的特性(例如，波长、偏振、相移、干扰和色散)，如本文前面所述。在多个实施例中，传感器阵列 68的平面与返回光束54正交(例如，与返回光束的传播方向正交)。在一些实施例中，传感器阵列68的平面不与返回光束54正交，如下文所述。
光学装置22包括控制半导体激光器28的操作的控制模块70。在从每个传感元件获取代表光强度(或其他特性)的数据期间，控制模块70使图像捕获模块80的操作与激光器28的操作同步。由处理器24 经处理软件82处理强度数据以及内窥镜46与牙齿26之间的相对空间布置的数据，以获得代表牙齿26的外表面的三维形貌的数据。下面描述用于处理特性数据和相对空间布置数据的方法的示例性实施例。测量的结构的所得的三维表示能够显示在显示器84上，并且通过用户控制模块85(通常为计算机键盘)操作用以观看(例如，从不同角度观看，放大或缩小)。另外，代表表面形貌的数据能够通过诸如调制解调器88或任意合适的通信网络(例如，电话网络，互联网)这样的适当的数据端口传输到接受者(例如，到异地CAD/CAM设备)。
通过捕获针对内窥镜46与结构之间的不同的相对空间布置(例如，在牙齿区段的情况下，从颊侧方向、舌侧方向和/或可选地从牙齿上方)而测量的内窥镜46与结构之间的相对距离数据，能够生成结构的精确的三维表示。三维数据和/或所得到的三维表示能够用于创建在计算机环境中的三维结构的虚拟模型和/或以任何合适的方式(例如，经由计算机控制铣床，诸如立体光刻设备或3D打印设备这样的快速成型设备)制造的物理模型。
现在参考图2A和2B，示出了根据多个实施例的探测部件90。在多个实施例中，探测部件90形成内窥镜46的至少一部分。探测部件 90能够由透光材料(例如，玻璃、水晶、塑料等)制成，并且包括远端段91和近端段92，该远端段91和近端段92在93处以透光的方式紧密粘合在一起。倾斜面94被反射镜层95覆盖。限定了传感表面97 的透明盘96(例如，由玻璃、水晶、塑料或任何其它合适的透明材料制成)沿着光路远离反射镜层95安置，以在透明盘96与远端段91之间留出空气间隙98。透明盘96利用保持结构(未示出)固定在适当位置。示意性地呈现了三条光线99。可以看出，光线99以探测部件90 的壁全反射的角度从探测部件90的壁反射，从反射镜层95反射，然后通过传感表面97传播。虽然光线99能够以各焦距的任意合适的组合聚焦到探测部件90外部，但是在多个实施例中，光线99聚焦在探测部件90外部的焦平面100上。例如，如图2C所示，其示出了探测部件90的端视图III-III，光线99聚焦至共同的焦距，从而被聚焦在探测部件90外部的焦平面100上，该焦平面100与光线99的传播方向 (本文中还称为Z轴)垂直。作为另一实例，如图2D所示，其示出了探测部件90的端视图III-III，光线99聚焦到不同的焦距，从而被聚焦在不与Z轴垂直的焦平面100上。虽然示出并描述了焦点位置的两种配置，但是能够采用焦点位置的任意合适的配置。
图3A和3B示出根据多个实施例的在全局笛卡尔坐标系204中扫描结构202的光学探头200。(图3B示出图3A中定义的截面I-I)。光学探头200能够与本文描述的任意合适的扫描装置或系统一起使用，诸如光学装置22。从光学探头200发出的入射光束206的二维阵列被布置于在X方向上延伸的多行中，包括第一行208和最后一行210。光束206的阵列的各行都沿着Z轴聚焦到各个共同的焦距，从而形成了斜的焦平面212。第一行208与最后一行210的焦距在Z方向上相差预定长度214。光学探头200能够相对结构202移动，以利用光束206扫描结构202。例如，如图3B所描述的，光学探头200能够在Y方向上从第一位置216平移到第二位置218。
在多个实施例中，光束206阵列中的各行均沿着Z方向聚焦到不同的深度，从而产生不与Z轴正交的焦平面212。因此，随着光学探头 200相对于结构202移动，光束206的焦平面212扫过结构202的三维体积。例如，随着光学探头200从位置216平移到位置218，焦平面212扫过具有Z深度214的三维体积。因此，通过光学探头200相对于结构202的连续移动，光学探头200能够在Z方向上扫描结构202，同时保持了光束206的各个焦距恒定。虽然图3B描述了光学探头200在 Y方向上的移动，但是在多个实施例中，光学探头200可以在六个自由度上移动(例如，三个平移自由度和三个旋转自由度)到光学探头 200与结构202之间的多个不同的相对位置和/或朝向。
能够以任意合适的配置设置光束206的阵列。例如，光束206的阵列能够被聚焦到相对于光学探头200的任意合适的数量的不同焦距，诸如3、5、10、50或100个或者更多个不同的焦距。光束206的阵列的焦距能够被配置为具有任意合适的范围，诸如至少5mm、7.5mm或 10mm以上。光束206的阵列中的第一行208与最后一行210的焦距可以相差任意合适的长度，诸如5mm以下、10mm、15mm或25mm以上。例如，焦距的差可以在5mm至25mm的范围的长度内。
能够由适用于将各个光束的波长组分聚焦到各自的焦点位置(例如，斜的焦平面212)的任意系统或装置产生光束206的阵列。在多个实施例中，光学装置22的一个以上的光学器件能够用于将光束的阵列聚焦到相对探头的多个固定的焦点位置。例如，本文描述的光学器件的合适的实施例能够包括在光栅或微透镜阵列38、聚焦光学器件42、中继光学器件44、内窥镜46内的光学器件或者它们的合适的组合中。光学器件能够被配置为与远心和/或非远心共焦聚焦光学器件一起使用。
图4A示出根据多个实施例的用于将多个光束聚焦到各自的焦点位置的光学组件300。在光学组件300中，从光源阵列304(例如，微透镜阵列)发出的光束302的阵列由聚焦光学器件306聚焦，并且从镜308(例如，设置在内窥镜探测部件内的镜)反射以形成焦平面310。镜308能够被定位为相对于光轴的45°角，以产生正交的焦平面310。
图4B示出根据多个实施例的用于将多个光束聚焦到斜的焦平面的光学组件320。与光学组件300相似，系统320包括产生光束阵列 322的光源阵列324、聚焦光学器件326、以及镜328。镜328以相对于光轴的合适的角度倾斜，诸如30°角，以产生相对于扫描仪332倾斜的焦平面330。焦平面330能够用于使用本文描述的固定焦点位置扫描三维结构，诸如牙齿334。
图5示出根据多个各实施例的用于将光束阵列聚焦到斜的焦平面的微透镜阵列400。微透镜阵列400的微透镜(例如，微透镜元件402) 被布置在包括第一行406和最后一行408的多行404中。每行微透镜均配置为将光束聚焦到不同的焦距，从而产生斜的焦平面。
图6A示出根据多个实施例的用于将多个光束聚焦到斜的焦平面的光学组件500。光学组件500包括倾斜的光源阵列502，光源阵列502 可以是以相对于光轴的合适的角度倾斜的微透镜阵列。倾斜的光源阵列502所产生的光束504的阵列通过聚焦光学器件506，并且从镜508 反射以形成斜的焦平面501，如本文所述地适用于以固定的焦点位置扫描结构512。图6B示出返回光束514通过光学组件500的光路。从结构512反射的返回光束514通过聚焦光学器件506返回，并且被扩束器516引导在传感器阵列518上。如前所述，传感器阵列518能够包括布置在平面中的多个传感器元件。在多个实施例中，传感器阵列518 相对于返回光束514是非正交的，使得传感器元件的平面相对于返回光束514的传播方向是倾斜的。平面能够以与光源阵列502相同的量倾斜，以便允许返回光束502的共焦传感。
图7A示出根据多个实施例的用于将多个光束聚焦到斜的焦平面的光学组件600。图7B示出光学组件600的展开配置。在光学组件600 中，从光源阵列602发出的光束604的阵列通过聚焦光学器件606。非对称光学器件608被安置在聚焦光学器件606与镜610之间，并且被配置为将光束聚焦到斜的焦平面612，该斜的焦平面612适于用如本文描述的固定焦点位置扫描结构614。任何合适的光学元件或光学元件的组合均能够用作为非对称光学器件608。例如，非对称光学器件608能够包括以相对于光轴的合适的角度倾斜的离轴透镜。作为代替或者组合，非对称光学器件608能够包括菲涅耳透镜，菲涅耳透镜包括多个区段，该多个区段被配置为将多个光束中的每一个光束折射到各自的焦点位置，以便产生合适的斜的焦平面。
能够通过将局部强度数据在空间上彼此匹配来重建结构的全局表面形貌。在多个实施例中，在扫描过程期间的光学探头与结构之间的相对位置和/或朝向用于确定强度数据之间的空间关系，并且从而匹配数据。任意合适的方法或者方法的组合能够用于跟踪光学探头或者光学探头的合适部分(例如，内窥镜46的扫描尖端或探测部件90)相对于结构的位置和/或朝向，诸如合适的运动估计或运动跟踪方法。例如，一个以上的运动跟踪装置能够用于产生适用于确定光学探头相对于三维结构的位置和/或朝向的运动数据。
在多个实施例中，光学跟踪方法用于确定探头相对于结构的关于六个自由度的空间布置。例如，运动跟踪装置能够包括外置摄像机(或任意其它合适的图像传感器)，以随着其在扫描过程期间在多个不同的位置和/或朝向之间移动而产生探头的图像数据。摄像机能够捕获探头的任意合适部分的图像，诸如位于患者口腔外部的部分。作为代替或组合，摄像机能够捕获放置于探头的一个以上的合适部分上的一个以上的合适的标记(例如，包括在运动跟踪元件47中)的图像。能够使用任何合适的机器视觉方法(例如，运动算法的结构，摄影测量方法，图像配准/对准方法和/或光流估计方法，例如Lucas-Kanade方法) 来处理图像以估计探头相对于结构的位置和/或朝向。可选地，摄像机能够集成到探头中或与探头结合，使得能够使用诸如本文所述的机器视觉方法这样的合适的自我运动估计方法，来分析由摄像机捕获的图像数据，以确定探头相对于结构的位置和/或朝向。
作为代替或组合，运动跟踪装置能够使用基于惯性的估计方法来确定探头的相对位置和/或朝向。例如，运动传感器能够包括惯性测量单元，诸如惯性传感器。惯性传感器能够是微机电系统(MEMS)装置。在多个实施例中，惯性传感器包括多个加速度计和/或多个陀螺仪，其被配置为检测探头关于三个平移度和/或三个旋转度的运动。
在另一实施例中，能够使用电磁跟踪(EMT)系统来跟踪探头相对于结构的位置和/或朝向。例如，EMT场能够由合适的发生器或发射器提供，并且能够基于由传感器检测的电磁信号来确定EMT传感器在场内的位置和/或朝向(例如，相对于最多三个旋转自由度和三个平移自由度)。能够使用任何合适数量和配置的EMT场发生器和EMT传感器。例如，EMT场发生器能够位于扫描过程的场地处的固定位置(例如，结合到手术台或患者座椅)，并且EMT传感器能够被安置在探头上(例如，包括在运动跟踪元件47中)，以跟踪探头的运动。在多个实施例中，EMT传感器还被放置在三维结构上或三位结构附近(例如，在患者的头、脸、颌和/或牙齿上)，以在测量过程期间考虑结构的任何运动。作为代替或组合，EMT场发生器能够被放置在结构上，并且用于跟踪具有结合的EMT传感器的探头的相对运动。相反，EMT场发生器能够位于探头上，并且EMT传感器能够位于结构上。
能够使用任意合适的方法处理运动数据，以确定探头相对于结构的位置和/或朝向。例如，能够与卡尔曼滤波器组合使用运动跟踪算法来处理数据。可选地，处理可以使用从本文描述的多个不同类型的运动跟踪系统和设备接收的运动数据。
图8是简化的方框图，描述了根据多个实施例的用于测量三维结构的表面形貌的方法700的步骤。诸如本文描述的实施例这样的任意合适的光学装置或系统能够用于实践方法700。
在步骤710中，产生了多个入射光束。在多个实施例中，本文所述的光学装置22能够用于形成光束的二维图案。
在步骤720中，多个入射光束中的每个入射光束均聚焦到相对于光学探头的各自的焦点位置。能够使用任意合适的聚焦机构，诸如本文描述的实施例。在多个实施例中，光束被聚焦以形成斜的焦平面，以利用探头的运动提供Z扫描，如前文所述。
在步骤730中，对于探头与结构之间的多个相对位置和/或朝向，用入射光束照射三维结构。在多个实施例中，光束被聚焦到斜的焦平面，使得探头通过相对于结构的多个位置和/或朝向的移动能够实现结构的三维扫描，如本文所述。通过利用入射光束照射结构产生了多个返回光束，每个返回光束均与入射光束相对应。
在步骤740中，测量了从三维结构返回的多个光束的每个光束的特性。如前文所述，特性可以是光束的任何合适的可测量参数，例如强度、波长、偏振、相移、干涉或色散。能够使用被配置为测量各个光束的特性的任意合适的装置。例如，能够使用诸如包括传感器元件的二维阵列的传感器(例如，传感器阵列68)这样的合适的检测器单元，如前文所述。基于聚焦光学器件和光源阵列的配置，传感器阵列可以与返回光束正交或者非正交。
在步骤750中，处理(例如，利用处理器24)测量的特性以及相应的光学探头与结构之间的相对位置和/或朝向，以对于结构生成表面形貌数据。能够使用用于处理测量的特性的数据的任意合适的方法，诸如本文描述的实施例。在多个实施例中，基于通过如本文所述跟踪光学探头的相对位置和/或朝向而获得的数据(例如，运动数据和/或图像数据)，来匹配测量的特性的数据。
在步骤760中，例如使用本文描述的处理器24产生用于三维结构的表面形貌。得到的结构的三维表示能够用于任意合适的应用，诸如本文描述的牙齿和正畸过程。
虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说明显的是，这样的实施例仅以示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员将会想到多种变化、改变和替换。应当理解，在实施本发明时可以采用本文所述的本发明实施例的各种替代方案。意图是以下权利要求限定本发明的范围，并且由此涵盖这些权利要求的范围内的方法和结构及其等同物。

Claims (23)

1.一种用于测量三维结构的表面形貌的设备，所述设备被配置为：(a)将多个光束中的每个光束均相对于所述设备聚焦到各自的固定的焦点位置；(b)测量多个返回光束中的每个返回光束的特性，通过用所述光束照射所述三维结构而产生所述多个返回光束，针对所述设备与所述三维结构之间的多个不同位置和/或朝向测量所述特性；并且(c)针对所述设备与所述三维结构之间的多个所述不同位置和/或朝向，至少部分地基于测量的所述返回光束的所述特性，来确定所述三维结构的表面形貌。
2.一种用于测量三维结构的表面形貌的设备，所述设备包括：
光学探头，该光学探头被配置为相对于所述三维结构移动；
照射单元，该照射单元被配置为产生多个入射光束，每个所述入射光束均包含第一波长组分；
光学系统，该光学系统被配置为将所述多个入射光束的每个入射光束的所述第一波长组分相对于所述光学探头聚焦至各自的固定的焦点位置；
检测器单元，该检测器单元被配置为测量多个返回光束中的每个返回光束的特性，所述返回光束通过利用所述入射光束照射所述三维结构而产生；以及
处理单元，该处理单元与检测器单元连接，并且被配置为针对所述光学探头与所述三维结构之间的多个不同的相对位置和/或朝向，至少部分地基于测量的所述多个返回光束的所述特性，来确定所述三维结构的表面形貌。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述特性是强度。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述检测器单元包括传感器元件的二维阵列，每个传感器元件均被配置为根据所述多个返回光束中的相应的返回光束测量所述特性。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述光学系统被配置为利用由所述照射单元产生的光形成所述入射光束的二维图案，所述入射光束的二维图案与由所述传感器元件的二维阵列所测量的所述返回光束相对应。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光学系统包括光学扩束器单元，该光学扩束器单元被配置为扩展由所述照射单元产生的光，以形成所述入射光束的二维图案。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述照射单元被配置为产生所述入射光束的二维图案，所述入射光束的二维图案与由所述传感器元件的二维阵列所测量的所述返回光束相对应。
8.根据权利要求4所述的设备，其中，
所述入射光束被布置为具有第一行和最后一行的多行；
各行中的所述入射光束被聚焦到各自的共同焦距；并且
所述第一行和所述最后一行的焦距相差预定长度。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述预定长度是5mm至25mm。
10.根据权利要求4所述的设备，其中，所述传感器元件被布置在平面中，该平面被定向为相对于所述入射光束的所述第一波长组分的焦距对所述返回光束进行共焦感测。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述传感器元件的所述平面与所述返回光束正交。
12.根据权利要求4所述的设备，其中，所述处理单元包括一个以上的处理器，并且包括有形非暂时性存储装置，该有形非暂时性存储装置存储能够由所述一个以上的处理器执行的指令，以使得所述一个以上的处理器处理测量的所述特性的数据，使用所述检测器单元针对所述光学探头与所述三维结构之间的所述多个不同的相对位置和/或朝向而生成测量的所述特性的数据，以确定所述光学探头与所述三维结构之间的相对位置和/或朝向。
13.根据权利要求4所述的设备，还包括：运动跟踪装置，该运动跟踪装置被配置为采集运动数据，并且其中，所述处理单元包括一个以上的处理器，并且包括有形非暂时性存储设备，该有形非暂时性存储设备存储由所述一个以上的处理器执行的指令，以使得所述一个以上的处理器处理所述运动数据，以确定所述光学探头与所述三维结构之间的相对位置和/或朝向。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述运动跟踪装置包括摄像机，并且所述运动数据包括图像数据。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述运动跟踪装置包括陀螺仪和/或加速度计。
16.根据权利要求13所述的设备，其中，所述运动跟踪装置包括电磁传感器。
17.根据权利要求2所述的设备，其中，所述光学系统被配置为将所述光束的所述第一波长组分聚焦到相对于扫描仪的至少10个不同的焦距，并且其中，所述焦距具有至少10mm的范围。
18.一种测量三维结构的表面形貌的方法，该方法包括：
产生多个入射光束，每个所述入射光束均包括第一波长组分；
将每个所述入射光束的所述第一波长组分聚焦到相对于光学探头的各自的固定的焦点位置；
针对所述光学探头与所述三维结构之间的多个不同的相对位置和/或朝向，测量通过用所述入射光束照射所述三维结构而产生的多个返回光束中的每个返回光束的特性；
处理针对所述光学探头与所述三维结构之间的所述多个不同相对位置和/或朝向测量的所述特性，以生成所述三维结构的表面形貌数据；以及
使用所述表面形貌数据生成所述三维结构的表面形貌。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述特性是强度。
20.根据权利要求18所述的方法，包括跟踪所述光学探头与所述三维结构之间的相对位置和/或朝向的变化。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，
所述入射光束被布置为具有第一行和最后一行的多行；
各行中的所述入射光束被聚焦到各自的共同的焦距；并且
所述第一行和所述最后一行的焦距相差预定长度。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述预定长度是至少10mm。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述光束的波长组分相对于扫描仪聚焦到至少10个不同的焦距，并且其中，所述焦距具有至少10mm的范围。
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