CN112731648A - 一种紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，涉及口腔健康领域。所述方法包括以下步骤：步骤1、制作层合结构；步骤2、将照明光路、观察光路和层合结构制作成紧凑型口腔内三维成像光路；步骤3、将所述紧凑型口腔内三维成像光路与牙齿平行放置入口腔中。本发明既能满足对牙齿的内表面进行充分地照明，还能向牙齿投射结构光并基于机构光光路进行三维成像，又能满足体积足够小，能够适合低龄患者的生理特征。

Description

一种紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法
技术领域
本发明涉及口腔健康领域领域，尤其涉及一种紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法。
背景技术
口腔健康是全身健康的重要组成部分。口腔疾病直接或间接影响全身健康。例如龋病、牙周疾病等会破坏牙齿硬组织和牙齿周围支持组织，除影响咀嚼、言语、美观等功能外，还会引起社会交往困难和心理障碍。有些微生物长期存在于口腔中，可导致或加剧某些全身疾病如冠心病、糖尿病等，危害全身健康，影响生活质量。
在现有技术中，医生通过肉眼观察患者的口腔。除了采用灯光照亮口腔内部便于观察以外，为了观察到牙齿的内侧，通常采用一个反射镜，放置入患者口腔中，通过牙齿内侧在反射镜中成的像来观察牙齿内表面的情况。但是，一方面，口腔内部难以通过单一的光源进行充分的照明，导致观察困难；另一方面一颗牙齿大约为厘米级的尺寸，为了能够观察到完整的像，就需要口腔提供厘米级的光学通道，以便来自牙齿内表面的光能够通过反射镜到医生视野中。最常规的做法是尽量打开患者的口腔，但这显然会给患者带来不适。对于口腔较小的患者，尤其是低龄儿童，无法做到配合医生将口腔打开到要求的尺寸，使得检查效果受到影响。
此外，传统观察方法无法将牙齿内表面的情况作为图像保存下来，因此无法与其他医生就同一个视角的牙齿表面进行讨论。即便能够对牙齿内部拍照并保存图像，由于普通照片只能保存二维信息，导致许多三维信息缺失，也无法充分反映牙齿表面的实际状况。尽管在现有技术中，基于结构光的三维成像技术已经日益成熟，但是将结构光技术应用到口腔内的成像还存在很多问题。首先，与传统观察方法类似地，结构光的入射、反射同样需要与牙齿尺寸接近的光学通道。更甚地，采用结构光光路来实现三维图像重建，需要至少两套光路，其中一套为将经过空间调制的结构光投射到牙齿上的照明光路，另一套为从牙齿反射回感光成像系统的观察光路。而且，结构光光路要求照明光路的主光轴与观察光路的主光轴之间呈一定的角度，例如呈45度角。为了一次拍摄足够大的面积，需要将光路探头深入到口腔内部对整个牙列进行扫描才能够采集到足够多的图像。因此在空腔空间有限的前提下，为光路设计带来很大的困难。
因此，本领域技术人员有动机研发一种紧凑的结构光光路的制作方法，该光路既能满足对牙齿的内表面进行充分地照明，还能向牙齿投射结构光并基于机构光光路进行三维成像，又能满足体积足够小，能够适合低龄患者的生理特征。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种一种紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、制作层合结构；
步骤2、将照明光路、观察光路和层合结构制作成紧凑型口腔内三维成像光路；
步骤3、将所述紧凑型口腔内三维成像光路与牙齿平行放置入口腔中。
进一步地，所述步骤1具体包括：
步骤11、取第一结构层、第二结构层、第三结构层、第四结构层和第五结构层均为薄片状，所述第一结构层、第三结构层和第五结构层厚度100微米，所述第二结构层和所述第四结构层厚度为1000微米，且平行放置；
步骤12、取所述第三结构层、第四结构层和第五结构层构成照明波导，且所述结构层的折射率满足关系：第三结构层折射率<第四结构层折射率，第五结构层折射率<第四结构层折射率；
步骤13、取所述第一结构层、第二结构层、第三结构层构成观察波导，且第二结构层的折射率>第一结构层折射率，第二结构层的折射率>第三结构层折射率。
进一步地，所述步骤1还包括：所述第一结构层在临近成像系统的一端设置有耦出棱镜，所述第五结构层在临近光源的一端设置有耦入棱镜；所述第四结构层在靠近所述第三结构层的位置设置有耦出光栅，所述第二结构层中在靠近牙齿的位置设置有耦入光栅。
进一步地，其特征在于，所述耦入棱镜的截面形状为三角形，且所述三角形中的一条边与第四结构层、第五结构层之间的交界面紧密贴合。
进一步地，所述步骤1还包括，将所述耦入棱镜的折射率设置与所述第四结构层材料的折射率相同，所述耦出棱镜的折射率设置与所述第二结构层材料的折射率相同。
进一步地，所述耦出光栅和所述耦入光栅为衍射光栅。
进一步地，所述步骤1还包括，将第一结构层、第三结构层和第五结构层材料选为相同，折射率1.46；将所述第二结构层和所述第四结构层材料选为相同，为光学树脂，折射率1.74；将所述耦出棱镜和所述耦入棱镜的材料选为光学树脂，折射率1.74。
进一步地，所述耦入光栅的优选材料为光学UV胶，折射率1.46，周期572纳米，填充率50％；所述耦出光栅的优选材料为光学UV胶，折射率1.46，周期596纳米，填充率50％。
进一步地，对于耦出光栅的周期设置要求为：
A、出射光的角度不满足全反射条件，导致照明光从照明波导中通过第5层耦出，并投射到牙齿的内表面上；
B、出射视场满足对整个牙列的扫描需求，即照明光足以覆盖整个牙列；
C、照明光从第五结构层耦出时，呈20度-70度的夹角。
进一步地，在第四结构层靠近与第三结构层交界的表面上刻蚀周期性条纹，并镀膜上与第三结构层相同的材料形成周期性衍射光栅作为耦出光栅。
本发明具有以下技术效果：
1、在本申请提供的方案中，照明光通过光波导传播，然后精准地投射在牙齿的内表面上，一方面确保对牙齿内表面进行充分地照明，另一方面照明光也可以是经过空间调制的结构光，为三维成像提供条件。
2、本申请提供的方案中，采用光波导作为照明光、观测光的光学通道，整个装置的厚度为毫米级，即便是体积较小的口腔也能够提供，且不会带来不适。
3、本申请提供的方案中，通过调整波导中的衍射光栅来控制光的传播方向，因此可以实现照明光的主光轴与观察光的主光轴具有一定夹角。
4、通过本申请提供的方案，可以将传统结构光光路应用到牙齿内部表面的三维成像中，而不受口腔体积的影响。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本实施例由两套光路组成。其中一套光路称为照明光路，用于将光源发出的光投射到牙齿上，尤其是牙齿的内表面。尤其在本实施例中，照明光还可以是经过空间调制的结构光，因此为在口腔中得到牙齿内表面的三维图像提供了前提条件。另一套光路称为观察光路，用于采集被牙齿内表面反射的光。当投射到牙齿内表面的结构光被成像系统采集到以后，就可以通过三维重建算法得到牙齿内表面的三维图像。
本实施例的外形为一个薄片状的装置，在使用时，将本装置放入口腔中，尽量使得薄片装置与牙齿平行放置。本实施例具体包括一个五层结构。在该五层结构中，第1层-第5层采用相应的材料1-材料5制成。其中材料1-材料5对于常规结构光的波长而言均为透明介质，但各自具有相应的不同的折射率1-折射率5。在使用时，第5层靠近牙齿放置而第1层远离牙齿放置。
在该五层结构中，其中第3层-第5层构成照明波导。对第3层-第5层而言，第4层的材料所具有的折射率4最高，即折射率3、4、5满足关系：折射率3<折射率4，折射率5<折射率4。当光在照明波导结构中以适合的入射角入射时，可在照明波导中进行全反射传播而不损失任何能量。照明波导的一端临近牙齿(作为待测目标)，另一端临近光源。第5层在临近光源的一端设置有耦入棱镜，该耦入棱镜的截面形状为三角形，该三角形中的一条边与第4层、第5层之间的交界面紧密贴合。耦入棱镜的作用为将来自光源的光以一个合适的角度耦合至照明波导内以确保光在照明波导内全反射传播。优选地，耦入棱镜的折射率与第4层材料的折射率4相同。在第4层中靠近第3层的位置设置有耦出光栅，耦出光栅为衍射光栅，其作用为改变光的出射角度。为了制造方便，本实施例中的耦入光栅采用与第3层相同的材料，即其具有折射率3。具体地，在第4层靠近与第3层交界的表面上刻蚀周期性条纹，并镀膜上材料3形成周期性衍射光栅作为耦出光栅。可以通过调节耦出光栅的周期来控制其对光出射角度的改变大小。耦出光栅的具体周期设置与第3层-第5层的厚度和具体折射率有关，对于耦出光栅的周期设置要求为：
1、出射光的角度不满足全反射条件，导致照明光从照明波导中通过第5层耦出，并投射到牙齿的内表面上。
2、出射视场满足对整个牙列的扫描需求，即照明光足以覆盖整个牙列。
3、照明光从第5层耦出时，并非以90度垂直耦出，而是呈45度左右的夹角。在其他类似的实施例中，也可以是20度-70度的夹角。
在本实施例中，从光源系统提供的光为经过空间调制器形成的结构光，因此第3层-第5层构成的光路同时也是结构光的投射光路。
与第3层-第5层类似地，第1层-第3层构成观察波导。在第1层-第3层中，折射率2最高，当光在观察波导结构中以适合的入射角入射时，可在该波导中进行全反射传播而不损失任何能量。因此在本实施例中，由第1层-第3层形成的观察波导作为观察光路的关键部件。在实际使用中，观察波导的一端临近牙齿(作为待测目标)，另一端临近成像系统。，该耦出棱镜的截面形状为三角形，该三角形中的一条边与第1层、第2层之间的交界面紧密贴合。耦出棱镜的作用为将原本在观察波导内全反射传播的光以一个合适的角度耦合出观察波导，并能够被成像系统接收，因此耦出棱镜需要满足耦出光的视场符合成像系统的要求。优选地，耦出棱镜的折射率与第2层材料的折射率2相同。在第2层中靠近牙齿的位置设置有耦入光栅，与上述的耦出光栅相同，耦入栅同样为衍射光栅。为了制造方便，本实施例中的耦出光栅采用与第1层相同的材料，即其具有折射率1。具体地，在第2层与第1层靠近的表面上刻蚀周期性条纹，并镀膜上材料1形成周期性衍射光栅作为耦入光栅。可以通过调节耦入光栅的周期来控制其对光出射角度的改变大小。耦出光栅的具体周期设置与第1层-第3层的厚度和具体折射率有关，与上述耦出光栅不同的是，由于反射自牙齿的光相对于观察波导基本为垂直入射，因此耦入光栅对光传播角度的改变要大于耦出光栅。具体地，对于耦入光栅的周期设置要求为，能将反射自牙齿(作为待测目标)的光以合适的入射角耦合至观察波导中，该入射角满足临界条件使得光在观察波导中得以全反射传播。
由于从光源出射并经过照明光路投射到牙齿内表面的光为经过空间调制的结构光，因此从牙齿内表面反射并经过观察光路而被成像系统接收的光同样为结构光。加上投射到牙齿内表面的光路角度与牙齿反射的光路角度错开，因此整个光路形成了基于结构光的三维成像光路。通过成像系统中的三维图像重建算法，即可得到牙齿内表面的三维图像。
在本实施例中，优选地将材料1、材料3、材料5采用同一种材料，其具体优选为光学UV胶，折射率1.46。材料2、材料4采用同一种材料，其具体优选为光学树脂，折射率1.74。
五层结构的厚度优选为：
第1层：100微米；
第2层：1000微米(1毫米)；
第3层：100微米；
第4层：1000微米(1毫米)；
第5层：100微米。
耦入光栅的优选材料为光学UV胶，折射率1.46，周期572纳米，填充率50％。
耦出光栅的优选材料为光学UV胶，折射率1.46，周期596纳米，填充率50％。
耦出棱镜和耦入棱镜的优选材料为光学树脂，折射率1.74。
由上可知，该五层结构的总厚度不超过3mm。即相当于通常的雪糕棒的厚度。即便对于低龄患者的口腔体积而言，本实施例仍然很容易被放置到牙齿内表面附近。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、制作层合结构；
步骤2、将照明光路、观察光路和层合结构制作成紧凑型口腔内三维成像光路；
步骤3、将所述紧凑型口腔内三维成像光路与牙齿平行放置入口腔中。
2.如权利要求1所述的紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤11、取第一结构层、第二结构层、第三结构层、第四结构层和第五结构层均为薄片状，所述第一结构层、第三结构层和第五结构层厚度100微米，所述第二结构层和所述第四结构层厚度为1000微米，且平行放置；
步骤12、取所述第三结构层、第四结构层和第五结构层构成照明波导，且所述结构层的折射率满足关系：第三结构层折射率<第四结构层折射率，第五结构层折射率<第四结构层折射率；
步骤13、取所述第一结构层、第二结构层、第三结构层构成观察波导，且第二结构层的折射率>第一结构层折射率，第二结构层的折射率>第三结构层折射率。
3.如权利要求1所述的紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，其特征在于，所述步骤1还包括：所述第一结构层在临近成像系统的一端设置有耦出棱镜，所述第五结构层在临近光源的一端设置有耦入棱镜；所述第四结构层在靠近所述第三结构层的位置设置有耦出光栅，所述第二结构层中在靠近牙齿的位置设置有耦入光栅。
4.如权利要求3所述的紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，其特征在于，所述耦入棱镜的截面形状为三角形，且所述三角形中的一条边与第四结构层、第五结构层之间的交界面紧密贴合。
5.如权利要求3所述的紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，其特征在于，所述步骤1还包括，将所述耦入棱镜的折射率设置与所述第四结构层材料的折射率相同，所述耦出棱镜的折射率设置与所述第二结构层材料的折射率相同。
6.如权利要求3所述的紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，其特征在于，所述耦出光栅和所述耦入光栅为衍射光栅。
7.如权利要求3所述的紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，其特征在于，所述步骤1还包括，将第一结构层、第三结构层和第五结构层材料选为相同，折射率1.46；将所述第二结构层和所述第四结构层材料选为相同，为光学树脂，折射率1.74；将所述耦出棱镜和所述耦入棱镜的材料选为光学树脂，折射率1.74。
8.如权利要求3所述的紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，其特征在于，所述耦入光栅的优选材料为光学UV胶，折射率1.46，周期572纳米，填充率50％；所述耦出光栅的优选材料为光学UV胶，折射率1.46，周期596纳米，填充率50％。
9.如权利要求3所述的紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，其特征在于，对于耦出光栅的周期设置要求为：
A、出射光的角度不满足全反射条件，导致照明光从照明波导中通过第5层耦出，并投射到牙齿的内表面上；
B、出射视场满足对整个牙列的扫描需求，即照明光足以覆盖整个牙列；
C、照明光从第五结构层耦出时，呈20度-70度的夹角。
10.如权利要求3所述的紧凑型口腔内三维成像光路的制作方法，其特征在于，在第四结构层靠近与第三结构层交界的表面上刻蚀周期性条纹，并镀膜上与第三结构层相同的材料形成周期性衍射光栅作为耦出光栅。
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