CN116783452A

CN116783452A - 用于检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法和口内扫描仪

Info

Publication number: CN116783452A
Application number: CN202180092626.8A
Authority: CN
Inventors: P·威斯曼; N·E·乌尔里希
Original assignee: Infinisys Technology Co ltd
Current assignee: Infinisys Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-09-19
Also published as: WO2022128621A1; DE102020133627A1; US20230320825A1; EP4100694A1; EP4100694B1

Abstract

本发明涉及一种方法以及一种口内扫描仪(100)，所述方法和所述口内扫描仪用于通过将所述表面(1)的第一部分形貌和第二部分形貌至少部分叠加来检测半透明物体(O)、特别是牙科物体的表面(1)的形貌。分别通过以下方式来实现对部分形貌的检测：‑借助投影装置(11)将整体测量图案投射到所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)上，其中所述整体测量图案包括至少两个不同的测量图案，所述测量图案分别具有多个彼此平行的测量线，并且所述测量图案分别对应有所述衍射光学元件中的一个，可以借助所述衍射光学元件通过光衍射来产生所述测量线，‑提供所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)的第一图像和第二图像，其中在所述第一图像中，所述至少两个测量图案中的第一测量图案被投射到所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)上，在所述第二图像中，所述至少两个测量图案中的第二测量图案被投射到所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)上，并且‑在使用所述相应第一图像和/或所述相应第二图像的情况下，借助三角测量法来检测所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)的相应部分形貌。

Description

用于检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法和口内扫描仪

技术领域

本发明涉及一种检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法以及一种用于检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的口内扫描仪。

背景技术

由现有技术已知用于检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法和口内扫描仪，其特别是用于牙科领域，以便三维地(3D检测)、数字地检测患者的牙齿情况。在此情况下，通常借助口内扫描仪(也称为3D口内摄像机或3D口内扫描仪)进行检测，其包括所谓的具有检测装置的手机(英文为“hand piece”)。

在检测形貌的过程(通常也被称为口内扫描过程或者英文为“Intraoral-Scanning”)中，操作者在患者的口腔内将手机的所谓的扫描尖端移到待检测的牙齿区域或待检测的牙齿表面上。牙齿表面通常由诸如牙齿、牙龈、牙修复体或牙科辅助设备(如所谓的“扫描体”或“基台”)的牙科物体构成。扫描过程的结果是所检测的物体的表面形貌(在口内扫描领域也称为“数字(牙)印”)。

在测量技术领域，术语表面形貌指的是对物体(几何)形状的描述。计量式测得的表面形貌例如可以由多个三维测量点(也称为点云或者英文为“point cloud”)、三维三角网(英文为“mesh”或“triangle mesh”)或者由一个或多个深度图(英文为“depth map”)来给出。在此，深度图是由图像元素(像素)构成的数字图像，其中像素表示“深度值”。深度图的深度值相当于从相应检测位置或视向来看从口内扫描仪(或通常是3D/深度摄像机)的局部坐标系到所检测的物体的表面的相应距离。

口内扫描仪也可以在口腔外使用，以便检测牙科物体或其他物体(如牙齿模型或非牙科相关构件)的表面形貌。

在扫描过程期间，以三维数据的形式采集当前可检测(或可见)的部分表面的部分形貌。该部分表面通常相当于整个待检测表面的较小局部。为了检测整个表面的(整体)形貌，在扫描尖端(在待检测的表面上)移动的过程中，将多个所采集的部分形貌组合在一起，这也被称为“登记”、“对齐”、“缝合”或“SLAM”(英文为“Simultaneous Localization andMapping(同步定位与地图构建)”)。因此，将这些部分表面(表面的部分区域)的多个部分形貌组合成待检测的表面的(整体)表面形貌，从而实现对整个待检测表面(区域)的三维检测。因此，在扫描尖端(持续)以一定的运动速度(沿运动路径)在待检测的表面上移动时，采集表面形貌。在此情况下，如果即使在相对较高的运动速度下也能可靠地以较高的总检测精度来检测表面形貌，则对于实际可用性而言是较为有利的。

特别是在牙科领域，通常需要以至少50μm的精度(总检测精度)来检测表面形貌。为了达到该总检测精度，通常需要以更高的精度(其例如可以在5至10μm的范围内)检测组合成(整体)表面形貌的各个部分形貌(部分检测精度)，因为在组合成表面的(整体)形貌的过程中，各个部分形貌的检测误差可能会叠加。

现有技术中揭露过检测表面形貌的不同方法。本发明涉及已知的“结构光照明”方法与已知的三角测量法的结合，其也统称为“主动式三角测量法”。

在采用结构光照明时，借助光源朝投影轴的方向将通常分别包括多个测量元件(如测量线、点状测量元件)一个或多个测量图案投射到物体的表面。借此通过测量图案(或测量元件)对物体的表面进行照明，使得仅这些测量元件所对应的表面区段被光源以较高光强度照亮，而位于被照亮区段之间的表面区域则不会(直接)被光源照亮并且由此具有较低的光强度。因此，光强度沿该表面局部地发生变化，所以这种类型的表面照明也被称为结构光照明。

借助检测装置(如摄像机)沿与投影轴有所偏离的检测轴采集测量图案的投射到表面的测量元件的图像。物体表面的形貌致使测量图案从检测装置来看出现空间失真。在采用三角测量法的情况下，此失真用于借助几何计算来检测物体表面形貌，具体方式在于，针对位于测量元件上的多个测量点来测定三维坐标。在此情况下，正确测定这些测量点的三维坐标的前提是解决所谓的对应问题，根据该对应问题，必须在检测装置的所采集的图像中单独识别出每个单个的测量元件。就此而言，也被认为是(单个)测量元件进行编码或索引，进而能够解决对应问题。现有技术中揭露过多个解决对应问题的方法，其中，例如借助不同的颜色(颜色编码的测量元件)以及/或者通过测量元件在所采集的图像中的特征性存在或不存在(存在编码的测量元件)来对测量元件进行编码。在此情况下，时间顺序(时间编码)和空间顺序(空间编码)以及这两种手段的混合形式(混合编码)都是已知的。

就时间编码而言，通过在多次投影/检测中会发生特征性的变化的图像内容(例如，在多次投影/检测的序列中，测量线以特征性的方式存在或不存在)来对测量元件进行编码。纯时间编码的特征在于，每个测量元件均单独进行编码，即无需测量元件的环境来解决对应问题。与此相对，投射/检测的次数则相对较多。

就空间编码而言，通过处于测量元件环境中的特征性图像内容(例如，在测量元件环境中存在或不存在其他(测量)线)来对测量元件进行编码。相应地，解决对应问题需要检测测量元件的环境；无法直接对单个测量元件进行解析。就此而言，也可以说是最小可解析的测量元件序列或环境，例如可能需要检测n个相邻的测量元件来解决这些测量元件的对应问题。该缺点被投影/检测次数相对较少的优点所抵消。

混合编码相当于空间编码和时间编码的组合。编码方法(时间、空间或混合)的选择主要取决于相应应用的框架条件和目标。混合编码例如可以是一种折中方案，其包括少于纯时间编码的投影/检测次数以及小于纯空间编码的测量元件的最小可解析的测量元件序列或环境。

在现有技术中还揭露过使用仅用于解决对应问题的附加图案或图案序列，例如由条纹图案组成的格雷码序列。

在实践中，对一个或多个不同的测量图案进行投射。这些测量图案可以包括一条或多条测量线(作为测量元件)或者也可以以完全不同的方式设计，例如形式为点图案或彩色编码的条纹图案。

文件WO 2018073824 Al揭示过一种用于借助结构光照明和三角测量法检测口内场景的装置以及一种借助结构光照明和三角测量法检测口内场景的方法。借助到待检测物体上的彩色编码的成像式测量图案投射以及通过摄像机采集所投射的测量图案来实现上述检测。在识别颜色转变后，根据已知的主动式三角测量法实现3D检测。

可以借助现有技术中已知的方法用白光源和相应的彩色滤光片来产生成像式投射的彩色编码的测量图案，这些彩色滤光片例如形式为幻灯片。由投影镜头将此幻灯片成像到物体表面上。

文件DE 102007054907 Al也描述过一种使用三角测量法对牙科物体进行光学测量的方法以及一种用于在使用三角测量法的情况下对牙科物体进行光学测量的相关装置，其中同时对(至少)两个不同的测量图案进行投射和采集。在此情况下，通过遮光产生这些测量图案，具体方式在于，光源照亮构建为光栅的光阑构件(参见段落[0091])。

文件WO 2020102658 A2揭示过一种用于口内扫描仪的激光投影系统。在此情况下，借助光学元件对激光二极管的射束进行扩展并且在光强度方面平面地实现均匀化，以便对空间光调制器(英文为“spatial light modulator”)进行照明。空间光调制器借助空间离散且可选的反射或吸收产生测量图案，借助投影镜头将该测量图案投射到物体表面上。通过借助检测系统对所投射的图像进行分析，根据已知的主动式三角测量法来实现3D检测。

文件WO 2019032923 A2描述过一种口内扫描仪系统，其中，例如由一个或多个激光器构成的照明单元(英文为“light engine”)对反射式空间光调制器进行照明，其中双棱镜设计为，使得能够在较小的空间内对光路进行折叠并且特别是可以将其分割成待投射的光和非待投射的光。在此情况下，在双棱镜的内部界面处根据光调制器反射光的角度来实现上述分割。此举相当于微镜阵列的功能，其中就每个可显示的像素而言，镜位致使光或是通过后续的镜头被投射，或是在投影仪内在所谓的“光阱”中被吸收。

文件WO 2020102658 A2以及WO 2019032923 A2中所描述的投影方式的共同之处在于，借助吸收或反射来产生所投射的图案。在这两种情况下，就不具有最大可产生的亮度的图案区域而言，虽然会(在光源中)产生光，但由于会吸收或反射到光阱中，此光并非用于对物体进行照明，而是在投影仪内转化为热量。

发明内容

有鉴于现有技术，本发明的目的是提供一种检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法(以及一种用于检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的口内扫描仪)，所述方法的特征在于有所提高的实际可用性，特别是在较高的检测精度、扫描过程中允许的较高运动速度、高景深、手机的小型化以及经济效益上的可实现性方面。在检测精度方面，本发明旨在以特别的方式解决(口内)检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌时产生的问题。在此情况下，牙科物体通常是部分透光的(半透明的)，因此具有相对较高的半透明度和体积散射度。由此，入射光不仅会被半透明物体的待检测表面背散射，而且还会被位于表面下方的物质背散射。

本发明用以达成上述目的的解决方案在于根据权利要求1所述的一种检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法以及根据权利要求9所述的一种口内扫描仪。

所述检测半透明物体、特别是牙科物体的(至少布置)表面的形貌的方法(借助该表面的结构光照明)包括以下步骤：

-检测所述表面的第一部分区域的第一部分形貌以及所述表面的与所述第一部分区域至少部分重叠的第二部分区域的第二部分形貌，其中分别通过以下方式来实现对所述表面的部分区域的部分形貌的检测

-借助投影装置将整体测量图案投射到所述半透明物体的表面的相应部分区域上，其中

-所述投影装置包括至少一个光源和至少两个衍射光学元件，

-所述整体测量图案包括至少两个不同的测量图案，

-所述测量图案可以投射到所述表面上并且分别具有多个彼此平行的测量线，并且

-所述测量图案分别对应有所述衍射光学元件中的一个，可以借助所述衍射光学元件通过光衍射来产生测量线，

-借助检测装置来提供所述表面的相应部分区域的第一图像和第二图像，其中在所述第一图像中，所述至少两个测量图案中的第一测量图案被投射到所述表面的相应部分区域上，在所述第二图像中，所述至少两个测量图案中的第二测量图案被投射到所述表面的相应部分区域上，并且

-在使用相应第一图像和/或相应第二图像的情况下，借助三角测量法来检测所述表面的相应部分区域的相应部分形貌，

-通过将所述表面的第一部分形貌和第二部分形貌至少部分叠加来检测所述表面的形貌。

用于根据上述方法来检测半透明物体、特别是牙科物体的(至少部分)表面的形貌的口内扫描仪包括投影装置、检测装置以及与所述投影装置和所述检测装置作用性连接的计算装置，

-其中所述投影装置包括至少一个光源和至少两个衍射光学元件并且适于将整体测量图案投射到所述半透明物体的表面的部分区域上，

所述整体测量图案包括至少两个不同的测量图案，

所述测量图案可以投射到所述表面上并且分别具有多个彼此平行的测量线，并且

所述测量图案分别对应有所述衍射光学元件中的一个，可以借助所述衍射光学元件通过光衍射来产生所述测量线，

-其中所述检测装置适于提供所述表面的相应部分区域的第一图像和第二图像，在所述第一图像中，所述至少两个测量图案中的第一测量图案被投射到所述表面的相应部分区域上，在所述第二图像中，所述至少两个测量图案中的第二测量图案被投射到所述表面的相应部分区域上，并且

-其中所述计算装置适于

在使用相应第一图像和/或相应第二图像的情况下，借助三角测量法来检测所述表面的第一部分区域的第一部分形貌以及所述表面的第二部分区域的第二部分形貌，以及

通过将所述表面的第一部分形貌和第二部分形貌至少部分叠加来检测所述表面的形貌。

本发明基于以下令人惊讶的认知：可以通过使用用于产生测量线(或测量图案)的衍射光学元件，以与其他根据本发明的方法特征协同作用的方式来实现检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法，其特征在于显著提高的实际可用性，特别是通过较高的检测精度、大景深、扫描过程中允许的较高的手机运动速度、手机的高度小型化以及经济效益上的可实现性来实现。

此点基于以下认知：通过使用衍射光学元件(DOE)来产生测量线以及进而通过利用光衍射来进行测量图案投影，也称为“衍射式”(英文为“diffraction”)图案投影，可以相对于光源的引入光功率在物体表面实现显著提高的光强度。衍射光学元件为光衍射图案投影提供了一种成本效益较高且结构紧凑的变体方案，其中根据本发明，每个测量图案均对应有固有的(单独的)衍射光学元件。可以借助单独对应的衍射光学元件以紧凑且成本效益高的方式对多个不同的测量图案进行投影。

尽管这些测量图案是从不同的(彼此间隔一定距离的)投影原点被投射出来的，但由此产生的单个测量图案的阴影(例如由于待检测物体的突出部)竟如此之小，以致于可以满足口内扫描仪在这方面的高要求。这主要归因于投影装置的(通过所述根据本发明的特征的协同作用而实现的)小型化，由此，投影轴之间的距离可能会出乎意料地彼此接近。因此，口内扫描仪在较小阴影方面的高要求是由于待检测的牙齿物体往往具有必须同样可以检测的突出部或较窄的缝隙(例如牙间隙和空洞)而引起的。

在此情况下，衍射光学元件分别具有一个衍射结构(衍射作用区)，其适于借助光折射针对以定义的角度入射的定义波长的光产生定义的测量图案。就此而言，也认为是测量图案保存在DOE中。在此情况下，该衍射结构通常布置在衍射光学元件的平面内，因此也被称为平面衍射结构或衍射作用平面/面。

口内扫描仪需要相对较高的空间分辨率或数据密度(表面的单位面积的测量点)，因此需要数量相对较多的待投射测量元件。在此情况下，令人惊讶的是，在对于牙齿表面而言较为有利的400-480nm(蓝色)的波长范围内的衍射光学元件，即使需要数量相对较多的待投影测量线，也具有满足口内扫描仪的高要求的投影质量。因为波长越低，待投射的测量线越多，开发和制造具有足够高的投影质量的DOE的要求就越高。其中，高投影质量的特征在于高分辨率(在此相当于较小的测量线宽度)、亮区与暗区之间的高对比度、高衍射效率以及0级衍射中的较低光分量。

此外，本发明还基于以下认识：借助根据本发明的特征，可以结合衍射式图案投影的优点来提供一种检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法，所述方法能够投射多个不同的测量图案，可以仅在对于牙科物体而言特别有利的400-480nm(蓝色)的波长范围内且特别是单色地(一色地)产生这些测量图案。这种方法以及根据所述方法的口内扫描仪迄今为止在现有技术中是完全未知的；在现有技术中，迄今为止例如仅使用成像法(即使用光折射)来实现投射多个不同测量图案的能力。为此，使用所谓的空间光调制器(如DLP)，其成本较高且无法量好地小型化。本发明所基于的一个重要认识在于以下令人惊讶的认知：根据本发明的口内扫描仪(具有投射多个不同测量图案的能力)与现有技术中已知的技术原理相比成本显著降低并且可以更好地小型化。

根据本发明通过对应相应的衍射光学元件而实现的投射多个不同测量图案的能力就口内扫描仪而言是特别有利，因为借此可以实现测量元件的时间编码以解决对应问题。而在投射单个测量图案的情况下，则仅考虑空间编码。就空间编码而言，将测量元件的图像中的特征性环境用于解决对应问题。由于在此缺少编码的时间组分，所用的环境必须相应地较大，这样才能明确地解决对应问题。然而，这又限制了测量元件的最小可解析的序列或环境，此外，相对于干扰因素的稳健性也会下降。实践中试图通过引入颜色编码来减少上述效果。然而，这样就背离了对于牙齿表面而言特别有利的400-480nm的波长范围，这降低了相应方法的性能。与此相反，在投射多个不同的测量图案时，可以实现时间编码和空间编码的结合(混合编码)，从而可以在相对于干扰因素更加稳健的同时实现较小的最小可解析序列。换句话说，根据本发明的方法和根据本发明的口内扫描仪允许以协同的方式将衍射式图案投射的优点与投射多个不同测量图案的能力结合在一起。

现有技术中已知的能够投射多个测量图案的用于检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法和装置使用根据光折射原理的投影法，即借助成像光学器件来投射测量图案(或测量线)。该成像光学器件将静态幻灯片或动态图像生成器(也称为空间光调制器(如微镜阵列或LCD元件))的内容投射到物体表面上。在采用作为本发明的主题的结构光照明的情况下，这些成像投影法总是会遭受大幅的光损失。这是因为结构光照明根据定义并不是均匀的，因此会包含物体表面上光强度的局部变化。根据工作原理，通过光的吸收或反射来实现静态幻灯片或动态图像生成器上的光强度相对于入射光的局部降低。该被吸收或被反射的光由光源来产生，但未到达物体表面，因此，对于光效率而言是不利的。

与此相反，如果借助光衍射来实现图案投影，则吸收和反射都不会在产生结构光照明时产生影响。替代性地通过针对性对将入射光束偏转至表面的(测量线所对应的)应显得更亮的区段上并且使该入射光束偏离应显得更暗的区域，来实现表面上光强度的局部变化。因此，通过光衍射产生结构光照明的光效率大幅提高。

下面将结合示例性的条纹图案对光效率的提高进行说明，该条纹图案包含最大亮度的条纹和最小亮度的条纹，其中该测量图案的总面积的50％具有最大亮度，50％具有最小亮度。在采用现有技术中已知的用于口内扫描仪的成像投影的情况下，通过空间光调制器生成条纹图案，该空间光调制器可以是静态幻灯片，或者在动态情况下，可以是微镜阵列或LCD。该空间光调制器被光源平面地照明并且通过吸收/透射或反射而产生图案的亮区和暗区。在此，在忽略其他所有光学损失的情况下，最大可实现的光效率为50％，因为只有光调制器的一半面积相当于最大亮度的条纹，而余下面积上的入射光在投影装置内被吸收。在借助光衍射进行投影的情况下，可以借助衍射光学元件(DOE)来生成条纹图案。入射光束入射至DOE上，所述DOE会根据测量图案定义将该入射光束偏转到相应待照明的区域进中。在此情况下产生的DOE的内部损失(例如所谓的衍射效率)通常在单位数百分比范围内。如果忽略微小的内部损失，则会在不吸收所引入的光的情况下生成图案。在相同的光输入下，与成像投影相比，借此产生条纹图案的双倍亮度或(光)强度。这样就能提高表面的被照明区段的光强度，同时减少所需的光输入(通过光源)，进而缩小光源的尺寸以及能量需求。因此，所揭示的根据本发明的技术原理(与现有技术相比)能够显著缩小投影装置或手机以及口内扫描仪的尺寸(小型化)。

口内扫描仪应具有尽可能紧凑的手机，以便尽可能易于到达口腔的待检测区域。此外，尽可能紧凑的手机是有利的，因为其使操作员能够更容易地操作手机，特别是在扫描过程期间导引手机。通过紧凑的手机也可以实现特别有吸引力的设计，这对于可销售性而言是有利的。

由于(通过本发明的技术原理实现的)投影装置的小型化，可以将投影装置与检测装置一同布置在(口内扫描仪的)手机的扫描尖端中，从而可以实现一个有利的纤细的壳体设计。此外，光的程长(从光源到表面以及从表面到检测装置)可以由此有所减少，这对于投影和检测精度而言是有利的，因为例如可以借此减少手机在操作过程中出现的结构机械扭曲的不利影响。

常规的投影装置，如WO 2018073824 Al、WO 2020102658 A2和WO 2019032923 A2中所描述的投影装置，当前无法被小型化到可以安装在扫描尖端中的程度。有鉴于此，需要将检测装置和投影装置布置在手机的后部中，这就需要壳体在该处具有凸起。与其他已知的方法相比，通过借助光衍射进行投影，可以将投影装置小型化至非常小的尺寸，从而允许将其靠前地安装在扫描尖端中。在此情况下，不需要手机的后部的凸起，从而实现手机的更符合人体工程学且更吸引人的设计。

因此，就口内形貌检测而言，即就口内扫描仪而言，通过DOE借助光衍射进行图案投射是有利的，因为这样就能提供紧凑、轻便、节能且成本效益高的口内扫描仪。换句话说，根据本发明的口内扫描仪(或手机)可以原理相关地以更紧凑的方式实现，因为借助衍射进行图案投射不需要(相对大体积的)成像投影镜头和空间光调制器。

此外，本发明是基于以下认识：表面的被照明区段(或测量元件/测量线)的(通过使用衍射光学元件来生成测量线而实现的)较高光强度可以用于提高半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的检测精度。如上所述，牙科物体具有相对较高的半透明度和体积散射度，这导致入射光不仅会被物体的待检测的外表面反射(背散射)，而且还会被位于表面下方的物质反射。此效应的缺点在于，投射到半透明物体的表面上的测量线会失去对比度，因此测量线显得更暗、对比度较低且较为模糊(类似于散焦)。只能以有所降低的精度在检测装置所提供的图像中定位较暗、对比度较低或较模糊的测量线的位置，这对于表面形貌的检测精度具有不利影响。通过提高测量线(或表面上测量线所对应的区段)的光强度可以抵消此影响，尽管物体是半透明的，借此仍可以实现相对较高的检测精度。此外，光强度的提高可以实现景深的提高，这会增大3D检测的可用工作范围。3D检测的工作范围是一个区域，表面必须位于该区域中，以便可以对该表面的形貌进行检测。通过测量线中更高的光强度来实现景深的提高，该更高的光强度允许在相同的检测强度下实现检测装置的更小孔径(f数更大)。

此外，通过提高测量线所对应的表面区段的光强度，可以提高允许的运动速度，因为可以减少提供图像所需的曝光时间(积分时间)。允许的运动速度是指检测装置在检测形貌的过程中可以在待检测表面上被导引而不会损害形貌检测的精度要求(例如由于运动模糊)的最大速度。

在此情况下，使用衍射光学元件来生成多个不同的(包括测量元件、特别是测量线的)测量图案背离了迄今为止在现有技术中所遵循的检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法，这些方法的共同之处在于使用光折射法来生成多个不同的(包括测量元件、特别是测量线)测量图案。

针对特定设计波长的光来定义和制造衍射光学元件，以便投射(所保存的)设计测量图案。在采用衍射光学元件的情况下，测量线的产生是基于波长相关的光衍射现象，因此，只有在精确地使用者设计波长时，才能投射所保存的设计测量图案。与此相反，如果衍射光学元件使用的光位精确地符合其设计波长，则所产生的测量图案与设计测量图案相比就会有所失真，其中这种(测量图案)失真例如可能是由相邻测量线之间的距离变化和/或单个测量线的曲率而引起的。

在光源的实际操作中，必须始终将所发射的光谱与规范的轻微偏差考虑在内(光谱变化)，这些偏差可归因于非恒定的操作条件(例如光源的温度)和/或制造相关的散射。在将光源用于作为便携式手机的一部分而移动的投影装置中时，这些偏差会更加明显，因为其在使用期间会经历不同的工作状态并且该便携式手机会暴露在有所变化的环境条件下。在使用衍射光学元件时，这些波长偏差致使该衍射光学元件(至少部分)被用于其设计波长之外，因此，所产生的测量图案与设计测量图案相比具有上述失真(测量图案失真)，这对表面投影的可实现精度具有不利影响(波长相关的投影误差)。

而现有技术中已知的成像测量图案投影法(用于检测半透明表面、特别是牙齿表面的形貌)则是基于光折射的现象。由所发射的光的波长偏差(如所谓的色差)而引起的测量图案失真在此实际上可以通过成像光学器件的相应设计(如通过消色差透镜)而被消除。

令人惊讶的是，尽管存在波长相关的DOE投影误差，但在根据本发明的口内扫描仪中仍可以实现所需的非常高的表面形貌检测精度。事实表明，DOE的波长相关的投影误差的缺点被在实施本发明的过程中能够实现的特别是在测量线的可实现的更高光强度和由此实现的更高检测精度方面的巨大优势所抵消。这样就能通过使用衍射光学元件(用于产生测量线)——特别是在检测半透明物体的表面形貌时(其中，如上所述可能会因体积散射而导致测量线的对比度减弱)——整体上在检测形貌时实现出乎意料的高精度。

此外，本发明基于以下认识：还可以通过其他措施进一步提高形貌检测的精度：

一方面，根据本发明的一种有利的技术方案，所述衍射光学元件布置在共用的(一体式)(DOE)衬底上，其中特别是所述衍射光学元件的衍射结构(衍射作用面)布置在共用的平面中。借此有利地无需相对于彼此对各个衍射光学元件进行调节(或遵循较窄的制造公差)以实现彼此协调的测量图案定向和位置。通过衍射光学元件的一体式实施方案可以使得平面衍射结构处于共用的平面内，其相当于共用衬底的表面。这样就能有利地实现测量图案的相同投影距离并且特别是实现测量图案在表面上的完全相同的标度(即投影尺寸)。此外，还通过一体式实施方案降低DOE制造的成本和复杂度，因为与采用多个单独的DOE相比，切割和处理耗费有所降低。此外，借此也可以消除或至少减少因衍射光学元件彼此之间的对准偏差而引起的投影误差。

另一方面，投影质量和成本效益可以有所受益：根据本发明的另一有利的技术方案，所述投影装置包括用于调整至少一个投影轴的位置的第一装置和/或用于进行调整的第二装置，其中借助所述用于进行调整的第二装置

-可以改变所述衍射光学元件中的一个与至少一个光源之间的距离，或者-可以改变透镜与所述至少一个光源之间的距离。在此情况下，该透镜特别是可以布置在所述至少一个光源与所对应的衍射光学元件之间。

这样就能调整投影轴(光轴)的位置和/或(激光)光源的焦距，由于对制造公差的要求较低，此调整可以有利地提高制造成本效益。

将光源的光轴或投影轴带入共用的投影轴平面中特别是可能是较为有益。为此，一方面可以使用关于光源、光源光学器件和投影装置的机构的较窄制造公差。然而，就提高制造成本效益而言有利的是，为此在所述投影装置中设置用于调整投影轴的位置的(可针对每个光源单独进行调节的)第一装置，以便特别是确保所有投影轴都布置在同一平面内。为此，所述用于进行调整的第一装置例如可以设置为，使得能够借助螺旋装置(在一定程度上)单独改变每个光源相对于所对应的衍射光学元件的平移和/或旋转定向(支承)。

此外，可以进一步提高检测精度，具体方式在于，根据本发明的另一有利的技术方案，所述至少一个光源以在极化方向上线性极化的光对所述衍射光学元件进行照明，并且在(待检测)表面与检测装置之间布置有线性极化滤波器，该极化滤波器的导通方向与极化方向一致。就口内扫描仪而言，这样就能利用激光的自然极化，以便结合物体表面与检测装置之间的极化滤波器实现对(半透明)牙齿表面的体积散射的光效抑制。

就典型的半透明牙科物体(如牙釉质、牙质或牙龈)而言，投射到表面上的测量图案(或结构光照明)部分的被牙科物体的表面背散射。然而，很大一部分入射光也会被通过体积散射进行照明的位于下方(位于表面下方)的物质背散射。被位于表面下方的物质背散射的部分光会引起对比度损失以及检测装置所检测到的结构光照明的失真。因此，通过半透明物体中的体积散射，图案投影(测量元件)的被检测位置因背散射的重心略微移动至表面下方而发生变化。有所减低的对比度以及上述移动都会引起牙齿表面检测的误差，这对于信噪比和3D检测的精度而言是不利的。

为了减少未被表面背散射的光的分量，可以在物体与检测装置之间设置极化滤波器。在此情况下，利用牙科物体表面的特性，用以在直接在表面处进行背散射时主要保持入射光的极化状态。而被位于表面下方的物质背散射的光的极化状态则是随机的，即其并非保持入射光的极化状态，而是呈现出混合状态。换句话说：光的直接被表面背散射的部分主要保持照明的极化方向，而在物体表面下方被背散射的部分则具有几乎均匀分布的混合极化状态。通过将极化光与位于(物体)表面与检测装置之间的极化滤波器结合使用，可以有利地提高被表面背散射的光的相对分量。这样就能提高3D检测的信噪比和检测精度。

现有技术中已知的许多投影装置使用主要呈混合极化状态的光源(如LED)或极化状态有所混合的激光器，例如通过用于产生强度均匀的平面照明、用于光混合或减少斑点的光学元件。在这些情形下，照射到待检测表面上的光是非极化的，因此，需要光源与(物体)表面之间的极化滤波器来制造极化的投影。就非极化光而言，这种极化滤波器通常会导致可用光减少至少50％。而本发明允许直接利用在采用激光二极管的情况下通常会出现的自然极化，进而避免了光源与物体之间的极化滤波器以及与此相关的损失。这样就能有利地在物体表面上实现更高的光效率和可实现的更高光强度。此外，还可以借此省去作为光学构件的布置在光源与(物体)表面之间的极化滤波器。

因此，本发明能够仅通过使用位于(物体)表面与检测装置之间的极化滤波器以及光源结合其自然极化方向的相应定向，以光效率特别高且成本较低的方式利用与极化光的使用相关的优势。

在此情况下，极化滤波器原则上可以实施为透射式或反射式极化滤波器。透射式极化滤波器的极化方向是极化滤波器主要透射的极化方向，就反射式极化滤波器的而言，是极化滤波器主要反射的极化方向。在此情况下，上述优点可以通过使用线性极化和圆极化来实现(只要所使用的光源具有相应的极化)。

根据本发明的一种特别有利的技术上方案，所述极化滤波器仅在所述至少一个(激光)光源的发射光谱中具有极化作用，在其余光谱中是中性的。因此，可以光谱选择性地对牙齿表面的体积散射进行抑制。如果3D检测(表面形貌的三维检测)在另一光谱范围内进行，而不是(同时进行)彩色图像采集(其中并非对表面形貌进行检测，而是对表面的颜色进行检测)。与3D检测相比，抑制半透明牙齿表面的体积散射在采用彩色图像采集的情况下更为意重要义，因为在此通常未对测量图案进行投射，而是投射强度均匀分布的照明。同时，可以借助LED成本较低地以较低的技术复杂度来产生用于彩色图像采集的物体表面照明，这些LED通常不具有明显的自然极化，可以结合此自然极化沿导通方向相对于极化滤波器对这些LED进行定向。因此，所产生的非极化光的很大一部分(通过非光谱选择性的极化滤镜)被用于采集彩色图像。因此，光谱选择性的极化滤波器可以有利地提高彩色图像采集的光效率，其中同时保持了抑制牙齿表面的体积散射以进行3D检测的优点。

此外，可以提高投射到表面上的测量图案的检测精度，具体方式在于，根据本发明的另一有利的技术方案，将整体测量图案投射到半透明物体的表面的相应部分区域上包括借助用于减少斑点的装置来减少斑点，可选地在对整体测量图案进行投射期间(借助投影装置投射到半透明物体表面的部分区域中的一个上)通过衍射光学元件中的至少一个的移动、特别是平移。为此，所述投影装置可以包括用于减少斑点的装置，其中可选地，这些衍射光学元件中的至少一个是可移动的、特别是可平移的(在对整体测量图案进行投射期间)。

在借助结构光照明方法进行3D检测的情况下，减少斑点有利于提高信噪比。在使用例如由激光提供的相干照明来检测光学上较粗糙的表面时会产生斑点，其在光学中也被称为光造粒或激光造粒。现有技术揭示过减少斑点的方法；例如可以通过在检测装置的曝光时间(也称为积分时间)内对不同的斑点图案(或斑点状态)进行时间平均来减少斑点。

在使用衍射光学元件(DOE)借助光衍射进行测量图案投影时，可以超越已知的技术水平通过移动衍射光学元件、特别是平移来减少斑点，因为斑点图案通过移动衍射光学元件而(在时间上和/或空间上)发生变化。就此而言，移动衍射光学元件是指机械操纵地移动衍射光学元件或改变衍射光学元件的位置或位姿。

这种减少斑点的方法也可以独立于根据本发明的检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法(并且独立于根据本发明的口内扫描仪)而使用，因此也构成一项独创性发明。在此情况下，本独创性发明是一种以减少斑点的方式进行测量图案投影和检测的方法，包括以下步骤：

-借助光源照射衍射光学元件，在所述衍射光学元件中保存有测量图案，其中所述光源特别是实施为激光光源，

-将所述测量图案投射到表面上，

-借助检测装置在曝光时间内采集所述表面上的所投射测量图案的图像，以及

-在曝光时间内移动、特别是平移所述衍射光学元件。

下述与减少斑点相关的有利技术方案可以与根据本发明检测半透明物体、特别是牙科物体的形貌的方法、根据本发明的口内扫描仪以及/或者所述(作为独创性发明的)以减少斑点的方式进行测量图案投影和检测的方法结合使用。

根据一种有利的技术方案，所述衍射光学元件可以在其衍射结构(衍射作用面)的平面内移动。

根据一种有利的技术方案，保存在所述衍射光学元件中的测量图案可以包括构建为彼此平行的测量线的测量元件，并且所述衍射光学元件可以在其衍射结构(衍射作用面)的平面内移动，特别是朝测量线的方向上线性地平移。该技术方案使得测量线因移动而得以尤其未失真的再现，因为其仅朝测量线的方向移动并且不会横向于测量线而移动。

根据另一有利的技术方案，可以线性振荡地进行运动(线性振荡)。可以通过线性驱动其(如直线电机或线性致动器)或线性谐振器来产生线性振荡。例如可以借助振动源(如旋转式或线性的不平衡电机或振动电机)结合弹簧或弹簧系统结合来实现线性谐振器。也可以通过对弹簧-质量系统的电磁激励或其他可控激励来实现线性谐振器。

根据另一有利的技术方案，所述振荡的周期(振荡频率的倒数)至多相当于(用于采集图像的)曝光时间以及/或者所述振荡的幅度至少为所述入射光束的射束直径的一半(相对于FWHM——英文为“Full-Width-Half-Maximum(半高全宽)”而言)。

根据另一特别有利的技术方案，可以通过补偿力对通过振荡引入口内扫描仪的手机中的力进行补偿。例如可以在相同频率和180°相移的情况下，通过第二质量的振荡来实现该补偿力。

根据另一有利的技术方案，所述投影装置可以包括至少一个实施为激光光源的光源，所述光源在一个维度(方向)上是单模的，在第二维度(方向)上是多模的，其中所述第二(多模)维度平行于或垂直于所述测量线的方向而定向。由于激光光源的相干长度较短，这种结构可以有效降低斑点对比度。

根据另一有利的技术方案，所述投影装置可以包括至少一个实施为激光光源的光源，所述光源的供电电流以处于1-1000MHz的范围内的频率进行调制。这种高频调制可以消除激光模式跳跃并且缩短所述发射的光的相干长度。消除激光模式跳跃使得激光的光谱发射更为稳定。由于借助光衍射进行的图案投影是波长相关的，借此可以提高投影的时间稳定性并最终(在根据本发明的用途中)提高表面形貌的检测精度。此外，所发射的光的同样与调制相关的相干长度缩短也会减少斑点，这对于形貌检测的精度而言也是有利的。

此外，也可以通过以下方式来提高表面形貌检测的精度：根据本发明的另一有利的技术方案，所述测量线借助代数曲面进行校准并且可选地使用这些代数曲面来进行三角测量。代数曲面可以是三维平面或可用高次多项式来表示的曲面，例如二次或三次曲面。特别是也可以将圆锥面用于校准测量线。在此情况下，可以可选地通过在检测装置的视线与所校准的代数曲面之间形成交点来进行三角测量。

如前所述，相对于所谓的设计波长来定义和制造衍射光学元件或(通过衍射结构的设计)保存在其中的(设计)测量图案。如果入射光与设计波长精确对应，则会根据定义精确地再现测量图案。然而，在实践中，与设计波长精确对应的照明光谱很难实现，或者说只有在耗费较高的情况下才能实现。通用的光源具有制造相关的光谱变化，此外，发射光谱与其他参数(如工作温度)相关。此外，其他因素也对测量图案的再现起作用，例如入射至DOE中的光的方向(投影轴)，因为照明方向的偏差也会导致借助光衍射而生成的图案的偏差。在实践中，很少存在与波长和照明方向相关的精确设计条件，因此，可以假设测量图案投影与原始定义有所偏差。如果在设计条件下针对DOE定义了直线测量线，则在理想的设计条件下(在照明状态下)，这些测量线分别跨越一个投影面，可以借助平面方程来说明该投影面(投影平面)。而在实践中，在与设计条件有所偏差的常规条件下，投射到(物体)表面上的测量线并不完全是直的，而是弯曲的，因此，测量线所跨越的投影面可以通过高次代数曲面以更高的精度来说明(与采用投影平面相比)。

借此，基于在实践中出现的与设计条件的偏差，通过高次代数曲面实现对测量线的更好校准，在借助代数曲面对测量线(而不是如常规那样借助平面)进行校准的情况下，此举例如可以有效提高检测精度。

综上所述，通过本发明描述一种用于检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的方法(以及一种口内扫描仪)，所述方法具有更高的光效率，因而具有结构光照明的可实现的更高光强度。在借助光衍射而产生结构光照明时，直接通过不进行吸收或反射来实现该更高的光效率。此外，可以在保持较高光效率的情况下进一步提高检测精度，具体方式在于，利用激光二极管的自然极化特性实现结构光照明的极化，而不是使用未极化的光源以及位于光源与物体之间的极化滤波器。

就口内扫描仪而言，结构光照明的光强度的最大化是特别有利的。原因在于，根据现有技术，口内扫描仪是手动地被导引到待测量表面上。在此情况下，与针对其他应用的3D扫描仪相比，实现与待解析的图像内容的大小以及所需的检测精度相关的特别高的速度(运动速度)。为了最大限度地减少不可避免的运动模糊，必须将结构光照明的积分时间缩短至最小程度，在时间上依序进行多次投影的情况下，此点可以通过缩短投影时间来实现，或者在进行永久投影的情况下，此点可以通过缩短检测装置的曝光时间来实现。最小可用积分时间与投影装置在物体表面上所产生的光强度直接相关。在确保图像采集所需的信噪比的情况下，光强度越高，可以选择的积分时间就越短。因此，根据本发明的口内扫描仪原理相关地具有较短的最小积分时间，故而相对于运动模糊而言更为耐用。此外，可以通过该较短的最小积分时间来提高3D检测(表面形貌检测)的频率。就口内扫描仪而言，3D检测的高频率尤为有利，因为在给定的手机运动速度下，两个部分形貌之间存在较大的重叠。该较大的重叠又会引起这些部分形貌相对于彼此的更好且更稳健的对准。

结构光照明的高光强度的另一优点是可以实现图像采集的更高景深。就口内扫描仪而言，尽可能高的景深是有利的，因为由于口腔的形貌和口内扫描仪的手动操作运动，与待解析的图像内容的大小相比，预计与物体表面的距离会发生很大的变化。可以通过较高的f数(即图像采集的较小孔径)实现图像采集的较高景深，直至达到衍射限制。在确保图像采集所需的信噪比的情况下，光强度越高，可以选择的孔径就越小。

借助本发明实现光效率的另一优点在于可以由此实现有所提高的能效。基于在此所描述的口内扫描仪的能效，与现有技术中已知的其他口内扫描仪相比，可以省去主动冷却装置。从而节省硬件成本并降低制造复杂度，并且该设备噪音更小，所需的维护也更少。此外，手机变得不那么热，这对用户(如操作者或患者)而言可能更为舒适。此外，节能的口内扫描仪对于使用集成至手机中的电源进行无线操作而言也是有利的。

在此所描述的本发明的另一优点在于，与现有技术相比，可以实现的更紧凑的投影单元，因此，可以实现更紧凑的手机(手机的小型化)。

与现有技术相比，根据本发明的口内扫描仪的硬件成本大幅降低。与本发明所需的硬件相比，现有技术中常用的动态空间光调制器(如微镜阵列)以及其所需的电子控制设备特别是成本极高。

因此，本发明满足了对(用于检测半透明物体、特别是牙科物体的表面形貌的)口内扫描仪的需求，该口内扫描仪非常实用，同时制造成本较低。

通过至少部分叠加表面的两个(至少部分重叠的)部分区域的两个部分形貌来检测表面形可以提高形貌的检测精度，但(在两个部分区域的重叠区域中)，在第一部分形貌中出现的(例如因不利的照明情况和/或反射而引起的)检测误差可以部分地通过第二部分形貌进行补偿，在在该处更精确地对相应区域进行检测的情况下。特别是在检测半透明(特别是牙齿)表面时，由于属于这些表面的物体的半透明性，通常会频繁出现这类检测误差，因此，所描述的方法尤其适用于检测这类表面。可以借助现有技术中已知的方法，例如借助迭代最近点(ICP)算法，对部分形貌进行叠加。

在此情况下，通过三角测量法检测表面的部分区域的部分形貌需要借助现有技术中已知的适用方法解决上述对应问题。就此而言可能特别有利的是：

-所述测量线布置在所述整体测量图案的可能的测量线位置上，其中所述可能的测量线位置相当于具有恒定测量线周期的网格，布置在可能的测量线位置上的测量线被称为显示测量线，未布置有测量线的可能的测量线位置被称为未显示测量线，

-所述第一测量图案确定显示测量线以及可选的未显示测量线与所述可能的测量线位置的第一对应，所述第二测量图案确定显示测量线以及未显示测量线与所述可能的测量线位置的第二对应，

-所述第一测量图案和所述第二测量图案设计为，使得由所述第一对应和所述第二对应形成的处于所述可能的测量线位置上的显示和未显示测量线的组合能够解决所述对应问题。

在此情况下，测量线周期描述两个相邻的可能测量线位置之间的距离。通过设计这些测量图案所对应的DOE的衍射作用区来实现显示测量线和未显示测量线与可能的测量线位置对应。对于分辨率或数据密度以及表面检测的精度而言有利的是，这些测量图案中的一个仅将显示测量线(而非未显示测量线)与可能的测量线位置对应。就此而言，也被称为充满的或密集的测量图案。

根据另一有利的技术方案，对应于同一可能的测量线位置的(显示和未显示)测量线形成一组(对应于该可能的测量线位置的)测量线，并且这一组内的显示和未显示测量线的组合相当于一个(对应于该可能的测量线位置的)符号。

在此情况下。所有可能的符号的总和被称为字母表。在采用由两个测量图案组成的整体测量图案时，一组测量线例如最多可以形成显示和未显示测量线的四种组合(状态)；这相当于一个最多具有不四个(2^2＝4)符号的字母表。在采用由三个测量图案组成的整体测量图案时，字母表相应地最多可以包括八个(2^3＝8)符号。

为了进一步进行说明，以下列表示出由四个符号(0、1、2、3)构成的字母表，在采用由两个测量图案组成的整体测量图案时，可以(通过一组显示和未显示测量线的组合)形成该字母表：

-符号0：第一测量图案和第二测量图案中的未显示测量线的组合，

-符号1：第一测量图案中的未显示测量线和第二测量图案中的显示测量线的组合，

-符号2：第一测量图案中的显示测量线和第二测量图案中的未显示测量线的组合，

-符号3：第一测量图案和第二测量图案中的显示测量线的组合。

其中，根据另一有利的技术方案，可以设定

-所述整体测量图案形成一个符号序列(符号顺序)，其长度(符号数量)与所述可能的测量线位置的数量对应，并且

-每个可能的测量线位置恰好对应有所述符号序列中的一个符号，并且

-对应于相邻的可能测量线位置的n个符号的顺序相当于一个字，并且

-在所述符号序列中，每个(所包含的)长度为n的字仅以某种频率出现，以便解决对应问题，以及/或者

-在所述符号序列中，每个(所包含的)长度为n的字最多出现三次，特别是最多出现两次。

在此情况下，自然数n表示符号序列的字长。在此情况下，如果一个字的特征性的相邻符号顺序出现在符号序列中的两个位置处，则该字例如在该符号序列中出现两次。

为进行说明，示例性地给出以下(简短的)符号序列，其设计为，使得每个所包含的字长为3(n＝3)的字仅出现一次：

符号序列：0,0,0,1,0,0,2,0,0,3,...,2,3,2,3,3,3

在此情况下，这些字分别由三个(n＝3)相邻的符号构成：

-字1：0,0,0

-字2：0,0,1

-字3：0,1,0

-…

对应问题的解决方案在于将可能的测量线位置的索引与检测装置所提供的图像中识别出的测量线对应。这些可能的测量线位置的索引是自然数，其中第一可能的测量线位置例如带有索引1，第二可能的测量线位置带有索引2，这些可能的测量线位置k带有索引k。在给定的示例中，可能的测量线位置的索引与字(以及相应地与符号序列)的对应如下：

-字1：{1,2,3}

-字2：{2,3,4}

-字3：{3,4,6}

-…

在此情况下，对应问题的解决方案例如可以包括以下步骤：

-识别所述检测装置所提供的图像中的整体测量图案的处于可能的测量线位置上的显示和未显示测量线的组合，

-根据所识别的显示和未显示测量线的组合将符号与可能的测量线位置对应，

-根据所述对应于相邻的可能测量线位置的符号形成字，以及

-将可能的测量线位置的索引与所述字对应。

要指出的是，在实践中，一个字在符号序列中仅出现一次并不一定是解决对应问题的必要条件。确切而言，也可以通过以下方法来解决多义性：例如使用有限的工作腔来识别无效的对应关系(从而建立明确的对应)。

根据另一有利的技术方案，所述符号序列可以构建为德布鲁因序列。

所述至少一个光源实施为激光光源的实施方案可能是特别有利的，因为这样就能实现特别具有成本效益且紧凑的口内扫描仪。此外，激光光源能够产生相干的光谱窄带光，所述光特别适于借助光衍射来产生高分辨率的(测量)图案投影，因为光衍射效果是波长相关的。

根据一种有利的技术方案，每个衍射光学元件(以及每个测量图案)可以对应有一个单独的光源。单独对应有每个测量图案的(激光)光源是一种依序或同时投射多个测量图案的有效方案。此外，可以将待由投影装置产生的光功率分布在多个(激光)光源上，从而减少对单个光源的(功率)要求，进而也可以使(通常限于局部热条件的)整体光功率成倍增加。

根据另一有利的技术方案，可以借助照明装置以均匀分布的强度在所述物体的表面上产生非结构光照明，其中可选地，所述非结构光照明包括红光、绿光、蓝光、白光、紫外光、近红外光或红外光或者以上光的组合。这种照明有利于检测物体表面的空间分辨的颜色信息(彩色图像采集)。该照明可以是光谱宽带(如白色)或光谱窄带(如红色、绿色、蓝色、紫外、近红外或红外)的。多个光谱或颜色可以是可激活且可停用的。例如可以借助LED照明或者通过多色激光器的组合来提供非结构光照明。该照明装置可以有利地包括环形光源或光源的环形布局。在此情况下，该环形照明装置可以围绕检测装置的检测轴同心布置，以便从检测装置的角度实现均匀的照明，但该检测装置对物体的视野不会被遮挡。

根据另一有利的技术方案，所述第一测量图案可以在第一波长光谱中投射，所述第二测量图案可以在第二波长光谱中投射，特别是同时投射，并且所述检测装置可以光谱选择性地设置，从而通过主要检测所述第一波长光谱的光来提供第一图像，通过主要检测所述第二波长光谱的光来提供第二图像。

就此而言，术语“主要检测某一波长光谱的光”在此背景下指的是，在采用光谱选择性检测装置的情况下，由于技术原因，在光谱选择性地检测定义波长光谱的光时，通常也会在很小的程度上一同检测处于定义波长光谱之外的光，然而，所测得的光中的绝大部分可对应于该定义的波长光谱。

光谱选择性地设置的检测装置(光谱选择性检测装置)例如可以实施为RGB彩色摄像机(其中RGB相当于英文“red”、“green”、“blue”)，可以同时借助红光、绿光、蓝光以及上述光的部分量或组合进行测量图案的投影。该检测装置也可以在其他光谱范围中具有选择性，例如在蓝光的两个或多个波长间隔中。在此情况下，该投影装置也可以有利地在不同的(波长)光谱中同时投射多个测量图案。光谱选择性在此指的是检测装置可以区分不同的(波长)光谱或者可以将不同的光谱与不同的图像通道对应，进而与不同的图像对应。这种光谱选择性检测装置也可以由多个摄像机和光谱选择性组件构成，这些组件布置在摄像机与物体表面之间。这类光谱选择性组件例如可以实施为二色分束器、带通滤波器或带阻滤波器(英文为“notch filter”)。

根据本发明的另一有利的技术方案，所述第一测量图案可以在第一极化状态下或在第一极化方向上投射，所述第二测量图案可以在第二极化状态下或在第二极化方向上投射，特别是同时投射，所述检测装置可以极化选择性或极化敏感性地设置，以便通过主要检测所述第一极化方向或所述第一极化状态的光来提供所述第一图像，通过主要检测所述第二极化方向或所述第二极化状态的光来提供所述第二图像。

如果第一测量图案例如在第一极化状态下投射，第二测量图案在第二极化状态(与第一极化状态有所不同)下投射，并且两次投射同时进行，则可以借助相应设置的检测装置来区分这两个所投射的测量图案并且在两个不同的图像提供这两个所投射的测量图案。这些极化状态可以包括不同方向的线性极化状态或不同方向的圆极化状态，如RHCP(英文为Right Hand Circular Polarisation，右手螺旋极化)或LHCP(英文为Left HandCircular Polarisation，左手螺旋极化)或者以上极化状态的组合。

极化选择性检测装置相当于能够区分极化状态或根据极化状态在不同的图像通道(进而在不同的图像)中采集图像信息的检测装置。

极化敏感性检测装置相当于提供至少一个与确定的极化状态相对应的图像通道的检测装置。

根据一种特别有利的技术方案，可以以不同的线性极化方向同时投射两个测量图案，其中所述两个线性极化方向彼此正交。如果两个光源实施为发射线性极化光的激光光源，则这些线性极化方向可以相当于相应光源的自然极化，其中可以通过以相对于发射方向(或投影轴)旋转偏移90°的方式安装激光光源来实现正交性。

根据另一有利的技术方案，可以以不同的圆极化方向同时投射两个测量图案，其中所述测量图案中的一个具有极化状态RHCP，另一测量图案具有极化状态LHCP。

根据另一有利的技术方案，所述测量图案中的至少一个可以以相对于测量图案中心点点对称的方式构建并且所对应的衍射光学元件可以可选地构建为二元衍射光学元件。在此情况下，特别有利的是，所有测量图案均以相对于其相应的测量图案中心点点对称的方式构建并且所有衍射光学元件均构建为二元衍射光学元件。

二元衍射光学元件具有更高的衍射效率，进而实现更高的光效率。此外，与非二元DOE相比，这些二元衍射光学元件更为简单，因此制造成本更低，并且在给定的光波长和图案投影质量下，最大可投射张角更大。二元DOE的测量图案投影原理相关地以相对于测量图案中心点对称的方式构建，其中该测量图案中心点位于投影轴P上(该投影轴相当于入射激光束的轴线)。因此，优选将中心点对称的图案用作待投射的测量图案，因为这些图案可以用二元DOE来表示。

因此，二元衍射光学元件为借助光衍射进行图案投影的一种光效率尤其高且成本尤其低的实施方案，尽管只能生成点对称的测量图案。

一般而言，测量线特别适于用作测量元件，因为这些测量线可以产生特别多的可重构测量点(或像点)。

根据另一有利的技术方案，所述测量图案可以分别朝投影轴的方向投射到表面上，并且所述投影轴可以布置在共用的投影轴平面内，所述投影轴平面与所述测量线的方向平行，并且测量图案的至少一个测量图案中心点可以可选地布置在所述投影轴平面内。在此情况下，投影轴指的是为穿过入射到衍射光学元件上的射束的中心点的几何直线。通过由测量线的纵向延伸来定义这些测量线的方向。该布局有利地实现整体测量图案的空间恒定性。该整体测量图案通过叠加多个所投射的测量图案而产生。在此，整体测量图案的空间恒定性的特征在于，整体测量图案仅在比例或尺寸方面与投影距离相关地有所变化，而不是在测量线彼此之间(垂直于测量线的方向)的彼此相关的距离方面有所变化。整体测量图案的空间恒定性对于通过结构光照明进行的形貌检测而言是有利的，因为其能够实现来自多个测量图案的测量线相对于彼此的可重现的且与距离无关的对应。此外，多个由测量线构成的测量图案可以由此精确地重叠，这对于需要对不同测量图案的测量线进行局部对应的3D重建法而言是有利的。

根据另一有利的技术方案，可以以不同的张角对所述测量图案进行投射。这样一来，工作平面中的测量图案可以共同覆盖期望的表面区域，其中测量图案投影的相应张角选择为，使得在工作平面内，所述期望的表面区域完全被共同覆盖并且余下区域(期望的表面区域以外的区域)的覆盖被减少至最低程度。该工作平面是指形貌检测所需的光学组件设计用于最佳功能的平面。就根据结构光照明法对测量图案进行共同处理而言，共同覆盖所投射的图案的表面区域(图案投影)是有利的。根据本发明，不同的图案投影不具有相同的投影原点，因此，可以通过不同的张角来产生对期望的表面区域的共同覆盖，其中可以将在余下区域上的非期望的投影减少至最低程度。在余下区域上进行投影特别是非期望的，因为其降低了投影装置的光效率并且产生了非期望的散射光。因此，该技术方案在光效率和测量图案投影的质量方面较为有利。换句话说，为了在同时达到最佳光效率的情况下实现测量图案投影的共同覆盖区域，提出实现测量图案投影的相应张角的最小化，这可以通过各个DOE的不同张角来实现。

根据本发明的另一有利的技术方案，所述投影装置可包括至少一个像散透镜(或光学器件)。

根据本发明的另一有利的技术方案，所述衍射光学元件中的至少一个可以以光聚焦的方式起作用。

根据另一有利的技术方案，所述投影装置可以包括至少一个分束器和至少一个空间光调制器，其中所述光调制器特别是布置在所述分束器与所述物体的待检测表面之间(即所述光调制器相对于光的传播方向布置在分束器后面)。空间光调制器可以通过液晶显示器(如LCD或LCoS)或其他空间光调制方法来实现。在此，术语可调制是指能够控制出射光束相对于入射光束的投射、反射、吸收或相位。

根据另一有利的技术方案，所述投影装置可以包括用于以均匀分布的强度在所述物体的表面上产生非结构光照明的照明装置，并且所述非结构光照明可以可选地包括红光、绿光、蓝光、白光、紫外光、近红外光或红外光或者以上光的组合。

根据另一有利的技术方案，实施为激光光源的(至少一个)光源的至少一个工作参数可以被调节以及/或者所述至少一个工作参数可以以1-1000MHz范围内的频率进行调制。此调节例如可以涉及温度或电流强度等参数以及以上参数的组合。两个可选的特征(调节和高频调制)可以在所发射的光谱以所发射的光功率方面减少光发射的波动。

根据另一有利的技术方案，所述投影装置可以特别是在400nm-480nm的波长范围内生成测量图案。此举特别是可以通过以下方式来实现：所述至少一个光源在400nm-480nm的波长范围内发射光。该波长范围对于半透明表面、特别是牙齿表面的3D检测而言是有利的，因为这些表面在此对光的体积散射和透入深度具有特别小的影响。此举有助于改善信噪比，进而提高3D检测的精度。

根据本发明的另一有利的技术方案，所述口内扫描仪可以包括偏转镜。其中，所述偏转镜为可选的构件，在采用口内扫描仪的情况下，其可以在口腔内相关区域的可及性方面提供优势。该偏转镜可以被加热，以便防止因空气湿度较高的呼吸气而引起雾化。加热至约37℃至约42℃之间的温度可以确保呼出的空气中的水分不会凝结在镜子表面，并且该镜子可以最佳地反射入射光；其他温度范围也可以达到期望效果。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明进行详细说明。其中：

-图1为现有技术中已知的结合三角测量法的结构光照明方法的示意图，其也统称为主动式三角测量法，

-图2.1为根据本发明的口内扫描仪的一个实施例的侧视示意图，

-图2.2为根据本发明的口内扫描仪的另一实施例的侧视示意图，

-图2.3为根据本发明的口内扫描仪的一个实施例的俯视示意图，仅限于扫描尖端的区域，

-图3为根据本发明的口内扫描仪在用于检测第一部分形貌的第一位置和用于检测第二部分形貌的第二位置中的示意图，

-图4.1为根据本发明的口内扫描仪的投影装置的侧视示意图，

-图4.2为根据本发明的口内扫描仪的投影装置的俯视示意图，

-图4.3为根据本发明的口内扫描仪的三个布置在共用的衬底上的衍射光学元件的示意图，

-图4.4为根据本发明的口内扫描仪的测量图案的示意图，

-图4.5为根据本发明的口内扫描仪的投影装置的俯视示意图，

-图5.1为根据本发明的口内扫描仪的投影装置的俯视示意图和侧视示意图，

-图5.2为根据本发明的口内扫描仪的投影装置的示意图。根据本发明的口内扫描仪的投影装置的俯视示意图和侧视示意图，

-图6.1为根据本发明的口内扫描仪的投影装置的俯视示意图，

-图6.2为根据本发明的口内扫描仪的光调制器的俯视示意图，

-图7为形成整体测量图案的测量图案的示意图，以及

-图8为根据本发明的口内扫描仪的示意图。

具体实施方式

为了阐明本发明的一般背景，首先结合图1对现有技术中已知且属于一般专业知识的结合三角测量法的结构光照明方法(也统称为主动式三角测量法)进行详细说明(为此也参阅Richard Hartley等人所著的“Multiple View Geometry in Computer Vision(计算机视觉中的多视图几何)”或张松所著的“Handbook of 3D Machine Vision(三维机器视觉手册)”等参考书)。主动式三角测量方法可以用于检测物体表面1的形貌。图1示例性地结合由投影装置11和检测装置12构成的装置示出上述方案。

投影装置11将测量图案6投射到表面1(其形貌待被检测)上，在此，该测量图案仅由构建为测量线9的测量元件构成。检测装置12采集物体表面上所投射的测量图案的图像3。在该图像3中，可以检测到多个像点，这些像点表示所投射的线，其中为清楚起见，仅标示出一个像点4。在包括测量线的测量图案中，在实践中测定这些测量线的中心作为局部(光)强度最大值并将其用于构建直线视线S。在使用投影装置和检测装置的多个校准参数的情况下，可以借助几何计算来计算直线视线S和投影平面E的交点2，该交点相当于物体表面在x、y、z坐标系中的所测得的三维坐标。三维投影平面E表示由投影装置11所投射的(对应于测量线9)的“光平面”并且同样由该系统的校准参数而得出。这些校准参数例如包括投影和检测装置的所谓内参数(如焦距、图像/投影中心点)和所谓的畸变参数以及外参数(如投影原点7与图像原点5相对于彼此的相对位置)，因此也包括所谓的三角测量基线8。现有技术中揭露过校准相应系统的方法，也揭露过三角测量所需的几何计算。在实践中，对一个或多个不同的测量图案进行投射。这些测量图案可以包含一条或多条测量线或者也可以以完全不同的方式设计，例如形式为点图案或彩色编码的条纹图案。在所示示例中，测量图案6仅由一条测量线9构成。在此仅投射一个“光平面”，因此，仅存在一个投影平面E，其也被称为对应问题的“平凡”解决方案。该对应问题在于将像点对应于所投射的测量元件，例如一条测量线。如果测量图案6包括一条以上的测量线9，则需要一种方式来解决该对应问题。如在现有技术的描述中所阐明的那样，已知多种解决对应问题的方法，其中，这些测量元件例如借助不同的颜色(颜色编码的测量元件)以及/或者通过测量元件的特征性存在或不存在(存在编码的测量元件)来进行编码。在此情况下，时间编码和空间编码以及两种方式的混合形式(混合编码)都是已知的。

图2.1为根据本发明的口内扫描仪100的一个实施例的侧视示意图，该口内扫描仪包括手机110和通过接口单元124与手机110作用性连接的分析装置120。

手机110具有手机壳体10、投影装置11、检测装置12、控制单元13、扫描尖端14、偏转镜15、用户界面16、储能器17、极化滤波器70和照明装置B。

控制单元13与投影装置11、检测装置12、照明装置B、偏转镜15、用户界面16以及接口单元124作用性连接。

为了避免偏转镜15起雾，可以对其进行加热。偏转镜15的加热可以由控制单元13根据该偏转镜(特别是在其表面上)所测得的温度来进行调控。

用户界面16以与控制单元13作用性连接的方式借助不同的光信号来显示口内扫描仪的工作状态并且允许通过操纵按钮而在工作状态之间进行切换。

投影装置11包括三个实施为激光光源的具有未示出的聚焦光学器件(如聚光透镜)的光源30以及三个衍射光学元件31并且被适于将包括三个测量图案的整体测量图案投射到表面1上(进而对表面1进行结构光照明)。在此情况下，每个激光光源30朝投影轴P的方向借助激光对其所对应的衍射光学元件31进行照明。

朝投影轴P的方向对通过衍射光学元件31的辐照借助光衍射而产生的测量图案6投射，或者在借助偏转镜15进行偏转之后，朝投影轴P*的方向将该测量图案投射到物体的待检测的半透明表面、特别是牙齿表面1的部分区域上。

照明装置B实施为LED照明设备并且发出光谱宽带光，用以对表面1进行非结构光照明。此外，该照明装置围绕检测装置12的检测轴同心地以环状方方式构建并且特别地设计为，使得其不会遮挡检测装置12对表面1的观察。

借助例如可以实施为单色或彩色摄像机的检测装置12，可以沿检测轴R或R*提供待检测表面1的部分区域的图像。在此情况下，通过极化滤波器70来进行上述检测。

可以通过接口单元124借助无线或有线数据传输将检测装置12所提供的图像传输至计算装置121以及包括视觉输出装置122的分析装置120。在采用有线连接的情况下，也通过接口单元124以有线方式进行供电；在采用无线连接的情况下，需要储能器17来进行供电。同样，手机110与分析装置120之间也可以直接进行数据传输。分析装置120例如可以实施为PC或笔记本电脑。在使用待检测表面1的部分区域的图像的情况下，可以借助计算装置121检测该表面的形貌并且例如提供该表面形貌作为三维数据模型。视觉输出装置122可以实施为屏幕并且能够显示表面形貌。

接口单元124包括具有电源接头的电源；该接口单元可以设计为，使得其适于作为手机的存放位置。在采用无线手机的情况下，可以将接口单元124的电源用于对手机110中的储能器17进行充电。在采用有线手机110的情况下，接口单元124可以包含USB分配器，手机通过该USB分配器与分析装置120连接，接口单元124中的电源也可以用来直接为手机110供电。

为了便于对半透明的牙科物体的表面形貌进行口内检测，有利地紧凑地设计手机110的前部，即所谓的扫描尖端14，使得能够将该扫描尖端插入环周的口腔中。为此，有利的是，扫描尖端14在插入长度L内不超过最大直径D。例如，在7cm的插入长度L内，扫描尖端14的最大直径D不应超过4cm。

图2.2为根据本发明的口内扫描仪100的(与图1相比)较为纤细的手机110a的另一实施例的侧视示意图，其中(小型化的)投影装置11与检测装置12一同布置在扫描尖端14中。

图2.3为根据本发明的口内扫描仪100的(与图1相比)较为纤细的手机110b的另一实施例的俯视示意图。与图2.2所示实施例有所不同，投影装置11和检测装置12在俯视图中彼此并排布置。这样就能实现具有尽可能小的(平面)横截面的扫描尖端14，从而可以提高口腔深处区域的可及性。

下面结合图3来说明可以如何将图2.1所示口内扫描仪100用于检测半透明的牙科物体O的表面1的形貌。在此情况下，为清楚起见，图3中并未绘示出手机的图2.1所示所有细节。

操作者将手机110的扫描尖端14沿运动路径连续移动到物体O的表面1的待检测部分上。在此情况下，手机110在第一时间点经过第一位置I(见手机110.I)，其能够将包括三个测量图案的整体测量图案投射到表面1的第一部分区域B.I上(将手机定位在第一位置中)。在此情况下，检测装置12适于提供第一部分区域B.I的第一图像、第二图像和第三图像，其中在第一图像中，第一测量图案被投射到表面1上，在第二图像中，第二测量图案被投射到该表面上，在第三图像中，第三测量图案被投射到该表面上。在此情况下，可以同时或依序提供(采集)这三个图像。应有利地选择尽可能短的曝光时间(积分时间)(特别是小于20毫秒)，以便实现(在采集/提供图像期间由扫描尖端的连续运动而引起的)运动模糊效果的最小化。

借助无线或有线数据传输将在第一位置I中所提供的三个图像传输至分析装置120。计算装置121适于在使用在第一位置I中所提供(所采集)的三个图像的情况下，借助三角测量法来提供第一部分区域B.I的第一部分形貌。

在(第一时间点之后的)第二时间点，手机110受操作者的导引经过第二位置II(见手机110.II)，其能够将包括三个测量图案的整体测量图案投射到表面1的第二部分区域B.II上(将手机定位在第二位置中)，其中第二部分区域B.II部分或完全与第一部分区域B.I重合。检测装置12提供(采集)表面1的第二部分区域B.II的第一图像、第二图像和第三图像，其中在第一图像中，第一测量图案被投射到表面1上，在第二图像中，第二测量图案被投射到该表面上，在第三图像中，第三测量图案被投射到该表面上。在同样将在第二位置II中所采集的三个图像传输至分析装置120后，计算装置121提供了第二部分的顶部图像。计算装置121在使用在第二位置II中所提供(所采集)的三个图像的情况下，借助三角测量法来提供第二部分区域的第二部分形貌。

此外，计算装置121适于通过(表面的第一部分区域B.I的)第一部分形貌和(表面的第二部分区域B.II的)第二部分形貌的部分叠加来提供该表面的(包括表面的第一和第二部分区域)的部分的(整体)形貌。

此外，所谓的工作平面A在图3中示出。工作平面A是投影装置11、检测装置12和照明装置B的光学组件设计用于最佳功能的平面。该设计例如涉及投影装置和检测装置的焦距、投影轴和检测轴相对于彼此的空间位置或照明装置的射束成形。

因此，如果表面1位于工作平面A内，就可以以尽可能好的质量对该表面进行检测。如果该表面在实践中不可避免地位于工作平面A外，但处于允许的工作范围内，则仍然可以以符合应用要求的质量对该表面进行检测，因为光学组件被设计成在工作范围内保持功能(例如关于投影和检测光学器件的景深)。工作平面A的符合应用要求的位置例如是与扫描尖端的表面间隔大约5mm的距离(在扫描尖端外部)。该工作区域例如可以从工作平面出发朝扫描尖端的方向延伸至该扫描尖端的表面并且沿相反的方向延伸至间隔大约20mm的距离。

下面将结合示出根据本发明的口内扫描仪的两个不同实施例的两个投影装置11的图4.1至4.5，对投影装置11的结构和工作方式进行详细说明。

图4.1和4.2为根据本发明的口内扫描仪的一个实施例的投影装置11的侧视示意图(图4.1)和俯视示意图(图4.2)。投影装置11包括三个实施为激光光源的光源30以及三个衍射光学元件(DOEs)31。

光源30朝投影轴P的方向发射聚焦到工作平面A上的光束，由衍射光学元件31根据图案定义选择性地借助光衍射将这些光束分割和偏转成多个射束，从而(分别朝相应投影轴P的方向)投射三个聚焦的测量图案。

在此情况下，光源30分别对应有三个衍射光学元件31中的一个，其分别产生(保存在其中的)所对应的测量图案。在此情况下，通过布置在衍射光学元件上或其中的衍射结构36来实现衍射光学元件31的光衍射效应，即在入射光下产生测量图案，其中在本实施例中，衍射结构36实施为平面衍射结构(衍射作用面)。在此情况下，根据图4.1和4.2所示实施例，衍射光学元件31的三个平面衍射结构36在共同的平面中布置在共用的一体式(DOE)衬底31S上。因此，三个衍射光学元件31一体成型。

以相应张角33实现测量图案的投影，这些张角相当于通过投影宽度W在工作平面A上定义的区域恰好被所有测量图案覆盖的最小张角。

图4.3为三个一体式地布置在共用的衬底31S上的衍射光学元件31的正视图，这三个衍射光学元件分别具有一个针对相应测量图案的独立衍射结构36(衍射作用面)。

根据图4.1和4.2的投影装置11还包括用于进行调整的第一装置V1和第二装置V2以及用于减少斑点的装置V3。

借助用于减少斑点的装置V3，衍射光学元件31、31S可以线性地平移(可以机械操纵地移动)。

根据另一未示出的有利实施例，由光源30发出的光并未聚焦到工作平面A上。而是通过DOEs 31、31S聚焦到工作平面A上，从而可以省去相应的光学器件(聚焦光学组件)。

图4.4示意性地示出由(图4.1至4.3所示)三个衍射光学元件31中的一个在(布置在工作平面A中的)表面1上产生的(未失真)测量图案6，其具有彼此平行的测量线9作为测量元件并且围绕测量图案中心点37对称布置。在本申请中，投射到表面1上的(通过光衍射产生的)测量图案也被称为测量图案投影或测量图案在表面上的投影。

图4.5为根据本发明的口内扫描仪的另一实施例的投影装置的俯视示意图，该投影装置包括三个分别实施为具有准直光学器件的激光光源的光源30以及三个衍射光学元件31(DOEs)。光源30取向(定向)为，使得其投影轴P在工作平面A上的共用点F处相交。此外，光源30的焦点借助准直光学器件调节至工作平面A上的该共用点F上。但作为替代方案，也可以有利地通过DOEs 31来进行聚焦，从而省去这些准直光学器件。在根据图4.5的实施例中，DOE的衍射结构36(衍射作用面)垂直于光源的投影轴而定向并且实施为独立的单个DOE，但作为替代方案，也可以具有共用的定向并且布置在共用的一体式DOE衬底上(相当于31S)。后一种布局需要针对倾斜(即并非垂直于DOE表面地)入射的激光束相应地设计(Design)衍射作用面36。图4.5所示实施例的优点在于，与采用平行投影轴P的情形相比，可以借助单个图案投影的更小张角33实现测量图案投影的共用覆盖区域，从而实现更高的光效率。

图5.1和5.2为根据本发明的口内扫描仪100的投影装置11的局部示意图。在此情况下，为清楚起见，此图示仅限于单个光源30、单个衍射光学元件31和单个图案投影。

图5.1a示出具有聚光透镜光学器件40(例如球面或非球面透镜，可选地具有像散)的光源30，该聚光透镜光学器件适于将光源30所发出的光聚焦到工作平面A上。衍射光学元件31借助光衍射产生测量图案投影(或测量图案)。图5.1a的图示为俯视图；图5.1b为同一实施例的侧视图。

在衍射图案投影中，通常存在入射光中的不被衍射的分量，即所谓的“零级”、“0级”或“0级衍射”。在实践中，人们试图通过优化DOE设计(即衍射作用面的设计)来实现零级的最小化，因为此零级不会像预期的那样有助于图案投影(或测量图案)。在实践中，通常可以将零级减少至入射光的约0.1-1％的分量。这种比例通常会导致零级在所投射的测量图案中仍然产生最高的(光)强度。因此，其通常也是对投影装置的人眼安全起决定性作用的大小，进而在保持人眼安全等级的同时限制最大引入的光功率。零级通常以所投射的测量图案的中心处的亮点的形式出现。因为零级通常并非为期望的测量图案投影的一部分，所有其通常也是干扰源，例如在借助图像处理对所投射的测量图案进行阐释时。

图5.2为图5.1所示实施例的一种有利的改进方案(扩展)的俯视图(图5.2a)和侧视图(图5.2b)，该改进方案的目标在于降低零级衍射的强度。扩展之处在于，聚光透镜光学器件40并非将光源30中所发出的光聚焦到工作平面A上，而是优选对其进行准直。在此，也可以根据应用有利地采用除准直之外的其他焦点调节，但有利之处在于，焦点并非处于口内扫描仪的工作范围内。聚光透镜光学元件所形成的未聚焦到工作平面A上的光束与图5.1所示实施例相比，增加了像像散学器件(透镜)41，其主要在一个维度上将光聚焦到工作平面上。像像散学器件41在此实施为柱面透镜光学器件，其中圆柱轴平行于图5.2所示X轴。在一个维度上聚焦的光入射至DOE 31上，该DOE借助光衍射产生(测量)图案投影，特别是包括测量线的测量图案。在此情况下，这些测量线平行于柱面透镜光学器件的圆柱轴(以及X轴)。因此，工作平面A上的图案投影(垂直于Z轴)朝Y轴的方向被聚焦并且在X轴的方向上未被聚焦。

通过该实施例，有效降低零级的(光)强度，因为入射光仅在一个方向(维度)上被聚焦，在另一个方向则被准直或被散焦。因此，零级不会在图案投影的测量图案中心点处产生光强度较高的聚焦点，而是产生一条光强度有所降低的线。在此情况下，这条线的(光)强度与其长度成反比，该长度又与入射光在X轴上的散焦成正比。由于这条线位于根据本发明的测量图案的测量线上，其本身并不会引起测量图案的散焦。

在该实施例扩展为多个光源的方案中，针对多个或所有光源共同使用像像散学器件是有利的。在此情况下，这些光源应朝圆柱轴的方向线性布置。

代替聚光透镜光学器件与柱面透镜的组合，也可以有利地针对每个光源使用单个透镜或具有定义像散的透镜系统。类似于图5.2中所描述的实施例，这种投影装置11可以有效降低零级的强度，具体方式在于，在工作平面A上产生一条聚焦线而不是一个焦点来，该聚焦线沿测量图案的测量线的方向延伸。

图6.1为根据本发明的口内扫描仪的另一实施例的投影装置11的俯视示意图，该投影装置有利地允许借助光衍射以有成本效益且紧凑的方式投射多个测量图案。光源30发出光束，由分束器50与反射镜52的组合来对该光束进行分割和偏转。

在一种有利的分束实施方案中，所有三个出射射束具有相同的光度特性。在采用三束分光的情况下，此点可以通过具有约33.3％的透射率和约66.7％的反射率的第一分束器50、具有约50.0％的透射率和反射率的第二分束器50以及反射镜52来实现。

在不同测量图案的待照明区域不同(例如因不同的张角33或由于测量图案中测量线的数量不同)的情况下，可以特别有利地借助分束器的分束比改变光度特性，使得所有测量图案中的测量线均具有相同的强度。为了进行分束和偏转，也可以使用现有技术中已知的其他方法，如棱镜或衍射式分束方法。在所示实施例中，将入射射束分成三个出射射束；也可以借助现有技术中已知的相应手段来实现更少或更多的分束。

光源的分割射束入射至空间光调制器53上，该空间光调制器例如实施为液晶显示器(LCD或LCoS)。图6.2为有利的空间光调制器53的示意图，该空间光调制器包含多个光学可调制片段54，其中这些片段的数量至少相当于入射光束的数量。如图6.2所示，这些光学可调制片段54可以布置在单个(一体式)组件上或者由多个独立的组件构成。投影控制装置51切换(控制)光源30的光发射和空间光调制器53针对相应光路的状态，进而对相应所对应的DOEs 31进行照明。三个DOEs 31在此有利地实施为具有多个独立的衍射结构36的一体式共用DOE衬底31S，其中也可以使用多个单个的DOE或衬底。

根据一种有利的实施方案，光源30所发射的光束基本上可以被准直(例如借助未示出的聚光透镜光学器件)，即所发射的光束具有最小的散度。准直的光束分别入射至布置在分束器50或反射镜52与DOE 31之间的聚焦光学器件上，该光学器件将入射光束聚焦到工作平面A上。在此情况下特别有利的是，具有像散的聚焦光学器件将入射射束朝Y轴的方向聚焦到工作平面A上，而不会将其朝X轴的方向聚焦到工作平面A上。因此，所投射的测量线(其平行于X轴而定向)聚焦在工作平面A中，但由于在X轴上的散焦，DOEs 31的零级衍射并非显现为点，而是显现为线，因此强度有所降低。强度降低对于激光安全和测量图案的投影质量而言是有利的。如图6.1所示，聚焦光学器件可以有利地实施为一体式像像散学器件41(如柱面透镜，其圆柱轴平行于X轴)，但也可以采用单个像散光学器件或单个非像散光学器件。也可以用光聚焦有效DOE来代替聚焦光学器件。

图7示出根据本发明的口内扫描仪的一个实施例的测量图案的图示以及这些测量图案的空间定向和对称。所示出的三个测量图案6形成整体测量图案并且分别包括多个平行于X轴的测量线9。在此情况下，图7a示出第一测量图案，图7b示出第二测量图案，图7c示出第三测量图案(三个测量图案9中的一个)。理论上，如果从与相应的投影轴P重合的检测轴R来观察投射到表面1上的测量图案6，该测量图案则显得未失真(在本发明中则并非如此)。在此所示出的坐标系相当于先前图式的坐标系。

在此情况下，测量线9布置在可能的测量线位置9P上。可能的测量线位置9P相当于具有恒定测量线周期MP的网格。可能的测量线位置9P上示出的测量线9也被称为显示的测量线9P_D。未布置有测量线的可能测量线位置9P被称为未显示的测量线9P_ND。对应于共用的可能测量线位置9P的显示测量线9P_D和未显示测量线9P_ND形成测量线组G。在该组G内，由显示测量线9P_D和未显示测量线9P_ND构成的组合相当于(可能的测量线位置9P)所对应的符号。为清楚起见，在图7中并非所有所绘示的测量线9，而是仅示出所选定的测量线、可能的测量线位置9P、显示的测量线9P_D、未显示的测量线9P_ND或组G配设相应的附图标记。

测量图案6围绕相应测量图案中心点37点对称，因此可以借助二元DOE而产生。为了阐明对称性，在图7中绘示出水平对称轴62和竖直对称轴63。测量图案6优选地设计为，使得测量图案中心点37以及零级衍射位于测量线9上。如果测量图案中心点以及零级衍射并非位于测量线上，则其便会视具体实施例而定在测量图案的中心处产生点或线，其并非为期望的图案投影的一部分。

图8为根据本发明的口内扫描仪的一个实施例的示意图，增口内扫描仪包括投影装置11和检测装置12、偏转镜15以及具有箭头72所示检测极化方向的透射式线性极化滤波器70。投影装置11具有三个实施为激光光源的包括所发射的光的根据箭头72的光发射自然线性极化方向的光源30以及三个实施为一体式DOE衬底31S的分别包括一个衍射结构(或衍射作用面)36的衍射光学元件(DOE)31。光源30依次或同时照亮其所对应的衍射光学元件31或衍射结构36并且借助光衍射来产生结构光照明的相应(保存在该处的)测量图案6。通过偏转镜15将测量图案6反射到物体的待检测表面1上。检测装置12检测通过偏转镜15投射到表面1上的测量图案6。光源30和透射式极化滤波器70相对于彼此而定向，使得其具有共用的极化方向。在此情况下，以围绕相应投影轴P旋转的方式对光源30进行定向；以围绕检测轴R旋转的方式对极化滤波器70进行定向。在采用激光光源、特别是激光二极管的情况下，极化方向通常与壳体特征相关。因此，光源的安装装置可以设计为，使得其只能在正确的极化方向上进行装配。在借助光衍射对结构光照明进行投射时以及在通过偏转镜15进行双重偏转(投射和检测)时，保留借此得到确保的光源的共用极化方向。

光源30和极化滤波器70的图8所示出的共用极化方向是示例性给出的。对于有效实施方案而言重要的是，这些组件具有共用的极化方向。所示出的极化滤波器70实施为透射式极化滤波器。

Claims

1.一种检测半透明物体(O)、特别是牙科物体的表面(1)的形貌的方法，包括以下步骤：

-检测所述表面(1)的第一部分区域(B.I)的第一部分形貌以及所述表面(1)的与所述第一部分区域(B.I)至少部分重叠的第二部分区域(B.II)的第二部分形貌，其中分别通过以下方式来实现对所述表面(1)的部分区域(B.I、B.II)的部分形貌的检测

-借助投影装置(11)将整体测量图案投射到所述半透明物体(O)的表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)上，其中

-所述投影装置(11)包括至少一个光源(30)和至少两个衍射光学元件(31)，

-所述整体测量图案包括至少两个不同的测量图案(6)，

-所述测量图案(6)可以投射到所述表面(1)上并且分别具有彼此平行的多个测量线(9)，并且

-所述测量图案(6)分别对应有所述衍射光学元件(31)中的一个，可以借助所述衍射光学元件通过光衍射来产生所述测量线(9)，

-借助检测装置(12)来提供所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)的第一图像和第二图像，其中在所述第一图像中，所述至少两个测量图案(6)中的第一测量图案被投射到所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)上，在所述第二图像中，所述至少两个测量图案(6)中的第二测量图案被投射到所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)上，并且

-在使用相应第一图像和/或相应第二图像的情况下，借助三角测量法来检测所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)的相应部分形貌，

-通过将所述表面(1)的第一部分形貌和第二部分形貌至少部分叠加来检测所述表面(1)的形貌。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个光源(30)以在极化方向(71)上线性极化的光对所述衍射光学元件(31)进行照明，并且

在所述表面(1)与所述检测装置(12)之间布置有线性极化滤波器(70)，所述极化滤波器的导通方向(72)与所述极化方向(71)一致。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述极化滤波器(70)仅在所述至少一个光源(30)的发射光谱中具有极化作用，在其余光谱中是中性的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述整体测量图案投射到所述半透明物体(O)的表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)上包括：

借助用于减少斑点的装置(V3)来减少斑点，可选地在对所述整体测量图案进行投射期间通过所述衍射光学元件(31)中的至少一个的移动、特别是平移来减少斑点。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述测量线(9)借助代数曲面进行校准并且可选地使用所述代数曲面来进行三角测量。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

借助照明装置(B)以均匀分布的强度在所述物体(O)的表面(1)上产生非结构光照明，其中可选地，所述非结构光照明包括红光、绿光、蓝光、白光、紫外光、近红外光或红外光或者以上光的组合。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

所述第一测量图案(6)在第一波长光谱中投射，所述第二测量图案(6)在第二波长光谱中投射，特别是同时投射，并且

所述检测装置(12)光谱选择性地设置，从而通过主要检测所述第一波长光谱的光来提供所述第一图像，通过主要检测所述第二波长光谱的光来提供所述第二图像。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

所述第一测量图案(6)在第一极化状态下或在第一极化方向上投射，所述第二测量图案(6)在第二极化状态下或在第二极化方向上投射，特别是同时投射，并且

所述检测装置(12)极化选择性或极化敏感性地设置，以便通过主要检测所述第一极化方向或所述第一极化状态的光来提供所述第一图像，通过主要检测所述第二极化方向或所述第二极化状态的光来提供所述第二图像。

9.一种用于以根据前述权利要求中任一项所述的方法来检测半透明物体(O)、特别是牙科物体的表面(1)的形貌的口内扫描仪(100)，包括投影装置(11)、检测装置(12)以及与所述投影装置(11)和所述检测装置(12)作用性连接的计算装置(121)，

-其中所述投影装置(11)包括至少一个光源(30)和至少两个衍射光学元件(31)并且适于将整体测量图案投射到所述半透明物体(O)的表面(1)的部分区域(B.I、B.II)上，

所述整体测量图案包括至少两个不同的测量图案(6)，

所述测量图案(6)可以投射到所述表面(1)上并且分别具有彼此平行的多个测量线(9)，并且

所述测量图案(6)分别对应有所述衍射光学元件(31)中的一个，可以借助所述衍射光学元件通过光衍射来产生所述测量线(9)，

-其中所述检测装置(12)适于提供所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)的第一图像和第二图像，在所述第一图像中，所述至少两个测量图案(6)中的第一测量图案被投射到所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)上，在所述第二图像中，所述至少两个测量图案(6)中的第二测量图案被投射到所述表面(1)的相应部分区域(B.I、B.II)上，并且

-其中所述计算装置(121)适于

在使用所述相应第一图像和/或所述相应第二图像的情况下，借助三角测量法来检测所述表面(1)的第一部分区域(B.I)的第一部分形貌以及所述表面(1)的第二部分区域(B.II)的第二部分形貌，以及

通过将所述表面(1)的第一部分形貌和第二部分形貌至少部分叠加来检测所述表面(1)的形貌。

10.根据权利要求9所述的口内扫描仪(100)，其特征在于，所述衍射光学元件(31)布置在共用的衬底(31S)上，其中所述衍射光学元件(31)的衍射结构(36)特别是布置在同一平面内。

11.根据权利要求9或10中任一项所述的口内扫描仪(100)，其特征在于，所述测量图案(6)中的至少一个以相对于测量图案中心点(37)点对称的方式构建并且所对应的衍射光学元件(31)可选地实施为二元衍射光学元件。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的口内扫描仪(100)，其特征在于，所述测量图案(6)可以分别朝投影轴(P)的方向投射到所述表面(1)上，并且所述投影轴(P)布置在共用的投影轴平面内，所述投影轴平面与所述测量线(9)的方向平行，并且可选地，测量图案(6)的至少一个测量图案中心点(37)布置在所述共用的投影轴平面内。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的口内扫描仪(100)，其特征在于，所述投影装置(11)包括用于调整至少一个投影轴(P)的位置的第一装置(V1)和/或用于进行调整的第二装置(V2)，其中借助所述用于进行调整的第二装置(V2)

-能够改变所述衍射光学元件(31)中的一个与至少一个光源(30)之间的距离，或者-能够改变透镜与所述至少一个光源(30)之间的距离。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的口内扫描仪(100)，其特征在于，以不同的张角(33)对所述测量图案(6)进行投射。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的口内扫描仪(100)，其特征在于，所述投影装置(11)包括用于减少斑点的装置(V3)，并且可选地，在投射所述整体测量图案期间，所述衍射光学元件(31)中的至少一个是可移动的、特别是可平移。

16.根据权利要求9至15中任一项所述的口内扫描仪(100)，其特征在于，所述投影装置(11)包括至少一个像散透镜。

17.根据权利要求9至16中任一项所述的口内扫描仪(100)，其特征在于，所述衍射光学元件(31)中的至少一个以光聚焦的方式起作用。

18.根据权利要求9至17中任一项所述的口内扫描仪(100)，其特征在于，所述投影装置(11)包括至少一个分束器(50)和至少一个空间光调制器(53)。

19.根据权利要求9至18中任一项所述的口内扫描仪(100)，其特征在于，所述投影装置(11)包括用于以均匀分布的强度在所述物体(O)的表面(1)上产生非结构光照明的照明装置(B)，并且所述非结构光照明可选地包括红光、绿光、蓝光、白光、紫外光、近红外光或红外光或者以上光的组合。

20.根据权利要求9至19中任一项所述的口内扫描仪(100)，其特征在于，所述至少一个光源(30)实施为激光光源，

并且所述激光光源在第一维度上是单模的，在第二维度上是多模的，其中所述第二维度平行于或垂直于所述测量线(9)的方向而定向，

和/或，所述激光光源的至少一个工作参数被调节和/或所述至少一个工作参数能够以1-1000MHz范围内的频率进行调制。