CN116350175A - 立体扫描设备 - Google Patents

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王静慧
吴宗训
胡志铭
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Abstract

本发明提供一种立体扫描设备，用来检测物件的表面轮廓。该立体扫描设备包含有照明光源、第一椭圆开口部、参考图案产生件、第二椭圆开口部以及光接收器。该照明光源用来输出照明光。该参考图案产生件利用该照明光生成参考图案，并将该参考图案经由该第一椭圆开口部投射到该物件。该光接收器经由该第二椭圆开口部接收来自该物件的侦测图案，以利用该参考图案与该侦测图案的差异取得该表面轮廓。

Description

立体扫描设备
技术领域
本发明涉及一种立体扫描设备，尤指一种可兼顾扫描景深与影像亮度的立体扫描设备。
背景技术
随着科技的进步，光学扫描技术已广泛应用到各种领域，例如口腔扫描仪。传统的光学口腔扫描仪由光源将照明光投射到光栅，光栅反射生成的光栅图案经由第一光圈投射到目标物件上，目标物件再将光栅图案反射以通过第二光圈为影像撷取器所接收。然而，传统光学口腔扫描仪的第一光圈与第二光圈的其中一个为非椭圆针孔，此设计会影响影像撷取器的可收光量，造成取像品质低落。故如何设计一种可以应用在低照明环境、并能兼顾扫描景深与影像亮度的光学扫描系统，即为相关光学设计产业的重点发展目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可兼顾扫描景深与影像亮度的立体扫描设备，以解决上述问题。
基于上述目的，本发明提出一种立体扫描设备，用来检测物件的表面轮廓，该立体扫描设备包含有：照明光源，用来输出照明光；第一椭圆开口部；参考图案产生件，利用该照明光生成参考图案，并将该参考图案经由该第一椭圆开口部投射到该物件；第二椭圆开口部；以及光接收器，经由该第二椭圆开口部接收来自该物件的侦测图案，以利用该参考图案与该侦测图案的差异取得该表面轮廓。
较佳的，该第一椭圆开口部的长轴与短轴的第一比例和该第二椭圆开口部的长轴与短轴的第二比例的差异小于预定门槛值。
较佳的，该第一椭圆开口部的长轴和/或短轴相对于该参考图案的第一夹角相同或相近于该第二椭圆开口部的长轴和/或短轴相对于该参考图案的第二夹角。
较佳的，该参考图案具有相邻排列的多个条纹，该第一椭圆开口部的长轴轴向相交于该多个条纹的排列方向。
较佳的，该参考图案具有相邻排列的多个条纹，该第二椭圆开口部的长轴轴向相交于该多个条纹的排列方向。
较佳的，该长轴轴向与该排列方向的夹角为九十度、或是该长轴轴向实质上垂直该排列方向且具有容许角度误差。
较佳的，该第一椭圆开口部与该第二椭圆开口部分别属于固定孔径开口部或可变孔径开口部。
较佳的，该参考图案具有相邻排列的多个条纹，该第一椭圆开口部的长轴和该第二椭圆开口部的长轴的至少其中之一沿着该多个条纹的条纹方向延长，以维持该立体扫描设备的扫描景深且增加该侦测图案的亮度。
较佳的，该参考图案具有相邻排列的多个条纹，该第一椭圆开口部的短轴和该第二椭圆开口部的短轴的至少其中之一沿着该多个条纹的排列方向缩短，从而维持该侦测图案的亮度且增加该立体扫描设备的扫描景深。
较佳的，该参考图案产生件为数字微型反射镜组合，该参考图案则为该数字微型反射镜组合产生的预定光栅图案。
本发明的立体扫描设备主要设计为牙科使用的光学取模设备。患者口腔内无法放置光源，医疗人员以外部光源照射口腔的效果亦有限，需改良光学取模设备的光学系统来提高侦测准确度，故本发明提出的立体扫描设备藉由调整光圈单元开口部的形状、比例和/或尺寸，在保持扫描应用所需景深的同时，也能维持建模影像的应有亮度，从而确保可取得精准且清晰的物件表面轮廓。
附图说明
图1为本发明实施例的立体扫描设备的示意图。
图2为本发明实施例的第一椭圆开口部与第二椭圆开口部的示意图。
图3为本发明实施例的参考图案、第一椭圆开口部与第二椭圆开口部的示意图。
图4本发明另一实施例的第一椭圆开口部的示意图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
请参阅图1，图1为本发明实施例的立体扫描设备10的示意图。立体扫描设备10利用光学技术扫描且检测物件Ot的表面轮廓。在本发明实施例中，物件Ot可为牙齿，立体扫描设备10则可为牙科使用的光学取模设备，然实际应用不限于此。立体扫描设备10可包含照明光源12、第一光学模组14、第二光学模组16、参考图案产生件18以及光接收器20。照明光源12输出的照明光B经由参考图案产生件18生成参考图案Pr。参考图案Pr经由第一光学模组14与反射片22投射到物件Ot，反射生成的侦测图案Pd再经由第二光学模组16，为光接收器20所接收以转换出物件Ot的表面轮廓。
照明光源12可包含三个发光单元24、26和28，分别可为红光发光二极管、蓝光发光二极管与绿光发光二极管；其应用端视设计需求而定，故此不再详加定义。照明光源12还可进一步包含多个光学元件，可能是光反射片、滤光片、光扩散片和分光片等；其数量、光学特性、摆放位置及角度搭配发光单元24、26和28的发光特性而定。照明光源12输出的照明光B可选择性地利用反射片30而传递到参考图案产生件18。
本发明实施例中，参考图案产生件18可为数字微型反射镜组合(DigitalMicromirror Device，简称DMD)，其具有阵列排列的多个微型反射镜。该多个微型反射镜依据控制指令生成预定光栅图案作为参考图案Pr。举例来说，数字微型反射镜组合可指示奇数行或列的微型反射镜、或是偶数行或列的微型反射镜、或是特定位置(不限于行或列)的微型反射镜提供反射功能，其它微型反射镜则转向不反射照明光B，以此产生预定光栅图案。参考图案产生件18也可能是其它光学或非光学元件组合，其变化端视设计需求而定。
第一光学模组14与第二光学模组16可各自包含多个光学元件与光圈单元；光学元件可能是各种类型的凸透镜和/或凹透镜，光圈单元则是具有椭圆开口部的结构件。换言之，第一光学模组14可至少具有第一椭圆开口部32，第二光学模组16可至少具有第二椭圆开口部34，各自位于其光学模组的光圈单元上。第一椭圆开口部32和第二椭圆开口部34用于过滤掉非焦距面的照明光B，以产生更为清晰的参考图案Pr与侦测图案Pd。光接收器20则为常见的影像撷取元件，例如电荷耦合元件(Charge-coupled Device，简称CCD)或互补式金属氧化半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，简称CMOS)，然实际应用不限于此。
请参阅图2，图2为本发明实施例的第一椭圆开口部32与第二椭圆开口部34的示意图。第一椭圆开口部32可具有第一长轴Ax1与第一短轴Ay1，第二椭圆开口部34则具有第二长轴Ax2与第二短轴Ay2，且第一长轴Ax1和第一短轴Ay1的第一比例、与第二长轴Ax2和第二短轴Ay2的第二比例的差异可小于预定门槛值。预定门槛值的容许区间可能为百分之一至百分之十，然实际数值不限于此。本发明限定第一比例和第二比例的差异范围，据此定义第一椭圆开口部32与第二椭圆开口部34应属于形状及长短轴比例相同或相似的两个椭圆透光孔。
请参阅图3，图3为本发明实施例的参考图案Pr、第一椭圆开口部32与第二椭圆开口部34的示意图。参考图案Pr可具有相邻排列的多个条纹，所述多个为至少两个，意即前述的预定光栅图案。侦测图案Pd因反射自物件Ot而造成条纹形变。第一椭圆开口部32和第二椭圆开口部34较佳地以长轴/短轴彼此对齐的方式摆设，或是可定义为：第一椭圆开口部32相对于参考图案Pr的延伸方向Ds或排列方向Da的转向角度较佳地会相同或相似于第二椭圆开口部34相对于侦测图案Pd的延伸方向Ds’或排列方向Da’的转向角度。换句话说，第一椭圆开口部32的第一长轴Ax1和/或第一短轴Ay1相对于参考图案Pr其中一条纹(或其延伸方向Ds)的第一夹角，可相同或相近于第二椭圆开口部34的第二长轴Ax2和/或第二短轴Ay2相对于侦测图案Pd的延伸方向Ds’的第二夹角。
参考图案Pr与第一椭圆开口部32(或侦测图案Pd与第二椭圆开口部34)并非位于同一基准平面上，故图3没有标注第一夹角和第二夹角。然本发明可定义，参考图案Pr沿着光传递路径(意即图3中的左虚线)、在不旋转与变形的条件下贴近第一椭圆开口部32，此时参考图案Pr的各一条纹相对于第一长轴Ax1/第一短轴Ay1的夹角为第一夹角；侦测图案Pd沿着光传递路径(意即图3中的右虚线)、在不旋转与变形的条件下贴近第二椭圆开口部34，此时侦测图案Pd的延伸方向Ds’相对于第二长轴Ax2/第二短轴Ay2的夹角则定义为第二夹角。或者，也可定义参考图案Pr的排列方向Da相对于第一长轴Ax1/第一短轴Ay1的夹角为第一夹角，且侦测图案Pd的排列方向Da’相对于第二长轴Ax2/第二短轴Ay2的夹角为第二夹角。
如图3所示，参考图案Pr的多个条纹沿着延伸方向Ds扩展，并且沿着排列方向Da排列。第一椭圆开口部32的第一长轴Ax1的长轴轴向Dx1可相交于参考图案Pr的排列方向Da，第二椭圆开口部34的第二长轴Ax2的长轴轴向Dx2也会相交于参考图案Pr的排列方向Da；而长轴轴向Dx1与长轴轴向Dx2相对于排列方向Da的相交夹角较佳可为九十度，或谓长轴轴向Dx1与长轴轴向Dx2实质上垂直排列方向Da、但是具有容许角度误差。容许角度误差的百分比则视立体扫描设备10的整体光机设计而定，例如百分之三至百分之五，实际应用当不限于此。
通常来说，第一椭圆开口部32与第二椭圆开口部34设计为固定孔径开口部，例如在光圈单元的结构件上挖出椭圆形破孔。然而，第一椭圆开口部32与第二椭圆开口部34也可以设计成可变孔径开口部，例如，可变孔径开口部由多组叶片组合而成，其利用多组叶片之间相对位置关系的变化来增加或缩小开口部的口径，从而调整光圈单元的进光量。
请参阅图4，图4本发明另一实施例的第一椭圆开口部32A的示意图。先前实施例的第一椭圆开口部32与第二椭圆开口部34为形成于光圈单元的椭圆孔，然亦可能制作成其它形式。如图4所示，第一椭圆开口部32A可为遮住椭圆孔的上半部部分区域及下半部部分区域的开口结构，亦能达到维持扫描景深且提高影像亮度的目的；第二椭圆开口部也可以设计为此形式。第一椭圆开口部与第二椭圆开口部的形式不限于前揭两种实施态样，于此不再对其它可能详加说明。
综合来看，本发明的立体扫描设备10利用照明光源12输出照明光B，照明光B经由反射片30投射到参考图案产生件18，利用参考图案产生件18的可程式化特性产生具有预定图案的参考图案Pr。参考图案Pr再通过第一椭圆开口部32以及反射片22投射到物件Ot。物件Ot具有高低起伏的表面轮廓，故会反射生成侦测图案Pd；侦测图案Pd再通过第二椭圆开口部34为光接收器20所接收。光接收器20可运算分析参考图案Pr与侦测图案Pd之间的差异，从而判断物件Ot的表面轮廓。前述运算功能指光接收器20可内置运算处理器进行分析处理，或者光接收器20可另将相关资料传送到外部运算处理器，其运算方式依立体扫描设备10的设计需求而定。
本发明实施例中，立体扫描设备10会因应使用需求而配置不同设计特征的第一椭圆开口部32与第二椭圆开口部34。举例来说，如要维持立体扫描设备10的扫描景深，并且增加侦测图案Pd的亮度，立体扫描设备10可设计第一椭圆开口部32的第一长轴Ax1与第二椭圆开口部34的第二长轴Ax2的至少其中一个长轴沿着参考图案Pr的延伸方向Ds延长，从而增加收光量，并且选择性不调整第一椭圆开口部32的第一短轴Ay1和第二椭圆开口部34的第二短轴Ay2的长度，以维持扫描所需的景深。
如要维持侦测图案Pd的亮度，并且增加立体扫描设备10的扫描景深，立体扫描设备10可设计第一椭圆开口部32的第一短轴Ay1和第二椭圆开口部34的第二短轴Ay2的至少其中一个短轴沿着参考图案Pr的延伸方向Ds缩短，能据此提高扫描景深，并且选择性不调整第一椭圆开口部32的第一长轴Ax1与第二椭圆开口部34的第二长轴Ax2，以维持侦测图案Pd的亮度。特别一提的是，若第一椭圆开口部32与第二椭圆开口部34为固定孔径开口部，前揭所述的沿着参考图案Pr的延伸方向Ds延长或缩短椭圆开口部的长轴或短轴，指直接替换椭圆开口部所在的光圈单元；若第一椭圆开口部32与第二椭圆开口部34为可变孔径开口部，则是利用叶片调整来达到改变长短轴的目的。
再者，第一椭圆开口部32的第一长轴Ax1与第一短轴Ay1之间的比例关系、及第二椭圆开口部34的第二长轴Ax2与第二短轴Ay2之间的比例关系，较佳可大于1.0但是小于2.0，意即长轴必然长于短轴，但是长轴不超出短轴的两倍长度。若在短轴固定的条件下，长轴与短轴的比例接近1.0时，延长椭圆开口部的长轴以提升参考图案Pr与侦测图案Pd的亮度的效果有限；如长轴与短轴的比例接近2.0，延长椭圆开口部的长轴可造成参考图案Pr与侦测图案Pd能有较显著的亮度提升效果。若在长轴固定的条件下，长轴与短轴的比例接近1.0时，缩短椭圆开口部的短轴以调整参考图案Pr与侦测图案Pd的解像精度的影响较小；如长轴与短轴的比例接近2.0，缩短椭圆开口部的短轴可使参考图案Pr与侦测图案Pd能有较显著的解像精度提升。
综上所述，本发明的立体扫描设备主要设计为牙科使用的光学取模设备。患者口腔内无法放置光源，医疗人员以外部光源照射口腔的效果亦有限，需改良光学取模设备的光学系统来提高侦测准确度，故本发明提出的立体扫描设备藉由调整光圈单元开口部的形状、比例和/或尺寸，在保持扫描应用所需景深的同时，也能维持建模影像的应有亮度，从而确保可取得精准且清晰的物件表面轮廓。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种立体扫描设备，用来检测物件的表面轮廓，其特征在于，该立体扫描设备包含有：
照明光源，用来输出照明光；
第一椭圆开口部；
参考图案产生件，利用该照明光生成参考图案，并将该参考图案经由该第一椭圆开口部投射到该物件；
第二椭圆开口部；以及
光接收器，经由该第二椭圆开口部接收来自该物件的侦测图案，以利用该参考图案与该侦测图案的差异取得该表面轮廓。
2.如权利要求1所述的立体扫描设备，其特征在于，该第一椭圆开口部的长轴与短轴的第一比例和该第二椭圆开口部的长轴与短轴的第二比例的差异小于预定门槛值。
3.如权利要求1所述的立体扫描设备，其特征在于，该第一椭圆开口部的长轴和/或短轴相对于该参考图案的第一夹角相同或相近于该第二椭圆开口部的长轴和/或短轴相对于该参考图案的第二夹角。
4.如权利要求1所述的立体扫描设备，其特征在于，该参考图案具有相邻排列的多个条纹，该第一椭圆开口部的长轴轴向相交于该多个条纹的排列方向。
5.如权利要求1所述的立体扫描设备，其特征在于，该参考图案具有相邻排列的多个条纹，该第二椭圆开口部的长轴轴向相交于该多个条纹的排列方向。
6.如权利要求4或5所述的立体扫描设备，其特征在于，该长轴轴向与该排列方向的夹角为九十度、或是该长轴轴向实质上垂直该排列方向且具有容许角度误差。
7.如权利要求1所述的立体扫描设备，其特征在于，该第一椭圆开口部与该第二椭圆开口部分别属于固定孔径开口部或可变孔径开口部。
8.如权利要求1所述的立体扫描设备，其特征在于，该参考图案具有相邻排列的多个条纹，该第一椭圆开口部的长轴和该第二椭圆开口部的长轴的至少其中之一沿着该多个条纹的条纹方向延长，以维持该立体扫描设备的扫描景深且增加该侦测图案的亮度。
9.如权利要求1所述的立体扫描设备，其特征在于，该参考图案具有相邻排列的多个条纹，该第一椭圆开口部的短轴和该第二椭圆开口部的短轴的至少其中之一沿着该多个条纹的排列方向缩短，从而维持该侦测图案的亮度且增加该立体扫描设备的扫描景深。
10.如权利要求1所述的立体扫描设备，其特征在于，该参考图案产生件为数字微型反射镜组合，该参考图案则为该数字微型反射镜组合产生的预定光栅图案。
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