CN117008351A - 一种口扫光路系统及扫描仪 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种口扫光路系统及扫描仪，其中口扫光路系统包括：投影光束生成组件，所述投影光束生成组件的下游设置有偏振分光棱镜及四分之一波片；所述投影光束生成组件用于发射以及调制投影光束，所述四分之一波片的相位延迟轴与投影光束电场方向呈45°角，投影光束依次通过所述偏振分光棱镜以及所述四分之一波片成像至牙齿表面，经牙齿表面的反射形成摄像光束，摄像光束通过所述四分之一波片后原路返回至所述偏振分光棱镜，并经所述偏振分光棱镜反射后进入成像芯片。本发明能够具有更加精简的光路器件，光机体积以及光路成本均有所减少，同时集成式的设计能够形成0°的投影以及拍摄镜头夹角，在理论上具有最大的重合视场。

Description

一种口扫光路系统及扫描仪

技术领域

本申请涉及口腔扫描技术领域，具体而言，涉及一种口扫光路系统及扫描仪。

背景技术

在正畸、种牙等口腔医疗领域，预先对口腔内牙齿的几何数据进行采集与建模，有利于帮助医生确定医疗方案、评估术后效果。

在对牙齿形貌进行建模的相关技术中，基于表面结构光的三维重建技术是一个使用较多的方案。通过投影成像技术，在牙齿表面投影出单色或多色的直线条纹图案，再通过相机采集光栅照射表面的图案，经过算法处理后，可还原出表面的形貌特征。

常见的结构光成像光路系统如图1所示，由激光器发出的光束经过透镜准直后，合光进入复眼中进行匀光。匀光后的光束通过中继光路进行成像，形成均匀的照明光斑后，在照明处放置一编码光栅，光栅经过投影镜头成像至被测物体表面，其反射光进入另一个拍摄镜头中，成像至CMOS芯片上进行采集。

在该光路中，投影镜头、成像镜头两个模组彼此相对独立，在机器上以特定的夹角进行安装。这种安装方式主要存在以下问题：

1.由于安装角度的存在，投影镜头、拍摄镜头的有效视场在工作范围内会有一定程度的错位。实际的有效工作视场为投影视场、拍摄镜头视场相交的区域，视场小于拍摄视场、投影视场的设计值。

2.口腔内部的空间限制了扫描头的尺寸，因此要求光路要有较紧凑的尺寸与体积。

为尽可能提高投影视场、拍摄视场的重合区域，要求两个镜头模组具有较小的夹角。现有的同类产品中，镜头的安装夹角多数小于8°。但较小的安装夹角可能导致两个镜头镜片的干涉，为此需要通过光路优化，减小镜片半径、加大工作距离，在光路不干涉的前提下实现较小的镜头夹角，以加大有效视场的面积，提高算法效率，该类方案对于体积的减少、视场的提升存在限制。

发明内容

本申请的目的是提供一种口扫光路系统及扫描仪，能够具有更加精简的光路器件，光机体积以及光路成本均有所减少，同时集成式的设计能够形成0°的投影以及拍摄镜头夹角，在理论上具有最大的重合视场。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种口扫光路系统，包括：投影光束生成组件，所述投影光束生成组件的下游设置有偏振分光棱镜及四分之一波片；

所述投影光束生成组件用于发射以及调制投影光束，所述四分之一波片的相位延迟轴与投影光束电场方向呈45°角，投影光束依次通过所述偏振分光棱镜以及所述四分之一波片成像至牙齿表面，经牙齿表面的反射形成摄像光束，摄像光束通过所述四分之一波片后原路返回至所述偏振分光棱镜，并经所述偏振分光棱镜反射后进入成像芯片。

在可选的实施方式中，所述投影光束生成组件的下游还设置有镜头组，投影光束及摄像光束共用同一镜头组。

在可选的实施方式中，相对投影光束，所述偏振分光棱镜设置在所述四分之一波片的光路上游，所述四分之一波片在所述偏振分光棱镜光路下游的位置可调。

在可选的实施方式中，所述投影光束生成组件包括激光器、准直透镜、波长膜片、匀光器件、中继光路组以及投影光栅，投影光束经过所述投影光栅后进入所述偏振分光棱镜。

在可选的实施方式中，摄像光束经所述偏振分光棱镜反射后进入成像芯片，摄像光束在成像芯片的入射方向与在偏振分光棱镜的反射方向垂直。

在可选的实施方式中，所述投影光栅与所述成像芯片垂直设置，且分别与所述偏振分光棱镜上的入射面及出射面相对设置。

在可选的实施方式中，所述投影光栅与所述成像芯片的尺寸相同。

在可选的实施方式中，所述激光器与所述准直透镜包括两组，两组激光器发射的投影光束分别经过准直透镜进行准直后，在所述波长膜片的入光面垂直相交，所述波长膜片对两束投影光束合光。

在可选的实施方式中，所述偏振分光棱镜用于透射投影光束，所述四分之一波片用于对投影光束的偏振状态进行转换。

第二方面，本发明提供了一种扫描仪，包括前述实施方式中任一项所述的口扫光路系统，所述光路系统安装在所述扫描仪中，用于对口腔内牙齿的几何数据进行采集与建模。

通过设置的偏振分光棱镜，能够透过P态偏振光的投影光束，并且通过四分之一波片，以及结合四分之一波片的相位延迟轴与投影光束电场方向呈45°角的形式，使到达牙齿表面后反射成像转换为摄像光束原路返回至四分之一波片，进而使初始投影光束在经过两次四分之一波片后，其电场方向发生90°的偏振，转换初始投影光束的形态，将P态偏振光的投影光束转换为S态偏振光的摄像光束，同时S态偏振光进入偏振分光棱镜后，基于偏振分光棱镜的反射S态偏振光的特性，将摄像光束反射后成像至成像芯片上。

本发明中的口扫光路系统，充分结合了偏振分光棱镜的自身特性，以及初始光束两次经过四分之一波片后偏振状态的转换，从而能够减少镜头模组的设置，可使投影光束以及摄像光束共用同一镜头模组，同时实现了0°的投影、拍摄夹角，极大减小了光机体积，以及光路器件的设置数量。

在精简光路器件的前提下，实现了最大的重合视场。

本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有技术中口扫光路系统示意图；

图2为本申请中口扫光路系统示意图；

图3为本申请中四分之一波片在镜头组内的光路系统示意图；

图4为本申请中四分之一波片在镜头组出口的光路系统示意图。

图标：

100-第一激光器；101-第二激光器；

110-第一准直透镜；111-第二准直透镜；

120-波长膜片；

130-匀光器件；

140-中继光路组；

150-投影光栅；

200-偏振分光棱镜；

210-四分之一波片；

220-镜头组；

300-牙齿表面；

400-成像芯片。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请中的口扫光路系统，主要用于口腔内对牙齿形貌进行扫描，通过投影成像对口腔内牙齿的几何数据进行采集与建模，具体通过在传统的光路系统上增加透过P态偏振光且反射S态偏振光的光学器件，以及具有使光束电场方向可进行偏振状态转换的光学器件，实现0°的投影、拍摄镜头夹角，达到最大的重合视场。

结合图1，现有技术中的口扫光路系统, 投影镜头、成像镜头两个模组彼此相对独立，在机器上以特定的夹角进行安装，投影视场与拍摄视场的重合区域较低。

参见2，本申请中的口扫光路系统，包括：投影光束生成组件，投影光束生成组件用于发射以及调制投影光束，投影光束生成组件的下游设置有偏振分光棱镜200及四分之一波片210；

四分之一波片210的相位延迟轴与投影光束电场方向呈45°角，投影光束依次通过所述偏振分光棱镜200以及所述四分之一波片210成像至牙齿表面300，经牙齿表面300的反射形成摄像光束，摄像光束通过所述四分之一波片210后原路返回至所述偏振分光棱镜200，并经所述偏振分光棱镜200反射后进入成像芯片400。

本发明中光路系统的原理在于，偏振分光棱镜200具有透过P态偏振光，反射S态偏振光的功能。对于从投影光束生成组件出射的投影光束，其初始偏振态为P态，因此可以透过偏振分光棱镜200进入镜头，投影成像；同时，由偏振分光棱镜200所出射的光束，在出射及返回时两次通过四分之一波片210，四分之一波片210的相位延迟轴与初始光束偏振角呈45°，初始光束经过两次四分之一波片210后，其电场方向发生了90°的偏振，因此由P态偏振光转换为S态偏振光，S态偏振光进入偏振分光棱镜200后，由于偏振分光棱镜200的特性，反射至相机成像芯片400处，完成采集。

通过设置的偏振分光棱镜200以及四分之一波片210，能够使P态偏振光的初始投影光束透过偏振分光棱镜200，并且使光束第一次经过四分之一波片210，然后再经牙齿表面300的反射形成摄像光束，摄像光束在第二次经过四分之一波片210时，基于四分之一波片210的延迟角与初始光束偏振角呈45°，初始光束在两次经过四分之一波片210后，其电场方向发生了90°的偏振，由P态偏振光的投影光束转换为S态偏振光的摄像光束，摄像光束进入偏振分光棱镜200后，由于偏振分光棱镜200透过P态偏振光反射S态偏振光的特性，最终使摄像光束反射至相机成像芯片400处，完成采集。

投影光束生成组件的下游还设置有镜头组220，基于上述投影光束以及摄像光束的透过、反射以及转换，投影光束在经过偏振分光棱镜200后的路径与摄像光束在牙齿表面300反射后的路径相同，能够使投影光束及摄像光束共用同一镜头组220就能达到完整的投影、拍摄功能，实现0°的投影、拍摄夹角，共用同一镜头组220的形式，可实现光路系统的集成化设置，减小了光机体积。

从使P态偏振光的投影光束先透过偏振分光棱镜200后，再通过四分之一波片210进行偏振状态改变的角度，对于投影光束角度来讲，偏振分光棱镜200设置在四分之一波片210的光路上游，同时四分之一波片210在偏振分光棱镜200光路下游的位置可调，只需要满足光束依次通过偏振分光棱镜200→四分之一波片210→牙齿表面300反射→四分之一波片210→偏振分光棱镜200的顺序即可。

进一步地，由于镜头组220处于偏振分光棱镜200→镜头组220→偏振分光棱镜200的中间流程上，四分之一波片210相对于镜头组220可设置在不同的部位上。

参见图2，在其中一种设置形式中，四分之一波片210设置在偏振分光棱镜200与镜头组220之间，使光束在经过四分之一波片210后进入镜头组220，该种设置形式中，四分之一波片210设置在镜头组220的镜头入口，能够使器件的体积最小。

参见图3，在另外一种设置形式中，四分之一波片210设置在镜头组220内部，能够使透过偏振分光棱镜200后的光束经过镜头组220的入射镜头后进入四分之一波片210，然后经过镜头组220的出射镜头，直至牙齿表面300。

参见图4，在其他一种设置形式中，四分之一波片210设置在镜头组220与拍摄物之间，使光束在经过镜头组220后进入四分之一波片210，该种设置形式中，四分之一波片210设置在镜头组220的镜头出口，能够使四分之一波片210充当窗口，起到保护镜头组220玻璃的作用。

在其中一个具体的实施例中，投影光束生成组件用于发射以及调制投影光束，具体地，投影光束生成组件包括激光器、准直透镜、波长膜片120、匀光器件130、中继光路组140以及投影光栅150，投影光束经过投影光栅150得到调制后进入偏振分光棱镜200。

进一步地，激光器与准直透镜包括两组，每组由一台激光器及一个准直透镜组成，激光器包括第一激光器100及第二激光器101，准直透镜包括第一准直透镜110及第二准直透镜111，两组激光器发射的投影光束分别经过准直透镜进行准直后，在波长膜片120的入光面垂直相交，波长膜片120对两束投影光束合光。

经过合光后的光束通过中继光路组140进行成像，照明至投影光栅150，由投影光栅150进行调制后形成图像光。

在另一个具体的实施例中，摄像光束经偏振分光棱镜200反射后进入成像芯片400，摄像光束在成像芯片400的入射方向与在偏振分光棱镜200的反射方向垂直。

本实施例中由于初始光束在两次经过四分之一波片210后电场方向发生了90°的偏振，因此投影光束与摄像光束垂直，且分别与偏振分光棱镜200的入射面及出射面相对应。

进一步地，投影光栅150与成像芯片400垂直设置，且分别与偏振分光棱镜200上的入射面及出射面相对设置。

基于本申请中投影以及摄像共用同一镜头组220的形式，投影与拍摄的放大倍数是一致的，由于牙齿表面300为同一尺寸，因此投影光栅150与成像芯片400可为相同的尺寸，使投影光栅150器件与成像芯片400有接近的有效尺寸。

本发明中的口扫光路系统，通过偏振转换器件与偏振分光器件，用于投影、成像光束的分离，可实现共用同一镜头组220，以及0°的投影、拍摄夹角，具有最大的重合视场。

在使用过程中，由激光器所发出的光束经过准直透镜进行准直后，通过波长膜片120合光后进入匀光器件130中进行匀光。匀光后的光束通过中继光路组140进行成像，照明至投影光栅150器件上，由投影光栅150器件调制后，形成投影光束的图像光。

投影光束的图像光为P态线偏振光，首先通过偏振分光棱镜200，由于偏振分光棱镜200具有透射P态偏振光、反射S态偏振光的作用，因此图像光经偏振分光棱镜200投射后，依次通过四分之一波片210、投影拍摄镜头组220，成像至牙齿表面300。同时图像光通过牙齿表面300的反射，依次经过投影拍摄镜头组220、四分之一波片210，原路返回至偏振分光棱镜200。四分之一波片210的相位延迟轴与光束电场方向呈45°，因此，图像光在经过两次四分之一波片210后，根据光学相关原理，其偏振角发生了90°的偏转，进而转换为S态偏振光。

通过偏振分光棱镜200时，S态偏振光状态的光束被偏振分光棱镜200反射，从而进入另一侧的成像芯片400上。

本发明还提供了一种扫描仪，具体为口扫仪的形式，包括上述口扫光路系统，口扫光路系统安装在扫描仪中，用于对口腔内牙齿的几何数据进行采集与建模。

通过本发明中的口扫光路系统以及扫描仪，相比于传统的独立投影、拍摄模组连接方案，具有更精简的光路器件，因此光机体积、光路成本均有所减少。同时，集成式的设计可理解为0°的投影、拍摄镜头夹角，在理论上具有最大的重合视场。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种口扫光路系统，其特征在于，包括：投影光束生成组件，所述投影光束生成组件的下游设置有偏振分光棱镜及四分之一波片；

所述投影光束生成组件用于发射以及调制投影光束，所述四分之一波片的相位延迟轴与投影光束电场方向呈45°角，投影光束依次通过所述偏振分光棱镜以及所述四分之一波片成像至牙齿表面，经牙齿表面的反射形成摄像光束，摄像光束通过所述四分之一波片后原路返回至所述偏振分光棱镜，并经所述偏振分光棱镜反射后进入成像芯片。

2.根据权利要求1所述的口扫光路系统，其特征在于，所述投影光束生成组件的下游还设置有镜头组，投影光束及摄像光束共用同一镜头组。

3.根据权利要求2所述的口扫光路系统，其特征在于，相对投影光束，所述偏振分光棱镜设置在所述四分之一波片的光路上游，所述四分之一波片在所述偏振分光棱镜光路下游的位置可调。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的口扫光路系统，其特征在于，所述投影光束生成组件包括激光器、准直透镜、波长膜片、匀光器件、中继光路组以及投影光栅，投影光束经过所述投影光栅后进入所述偏振分光棱镜。

5.根据权利要求4所述的口扫光路系统，其特征在于，摄像光束经所述偏振分光棱镜反射后进入成像芯片，摄像光束在成像芯片的入射方向与在偏振分光棱镜的反射方向垂直。

6.根据权利要求5所述的口扫光路系统，其特征在于，所述投影光栅与所述成像芯片垂直设置，且分别与所述偏振分光棱镜上的入射面及出射面相对设置。

7.根据权利要求5所述的口扫光路系统，其特征在于，所述投影光栅与所述成像芯片的尺寸相同。

8.根据权利要求5所述的口扫光路系统，其特征在于，所述激光器与所述准直透镜包括两组，两组激光器发射的投影光束分别经过准直透镜进行准直后，在所述波长膜片的入光面垂直相交，所述波长膜片对两束投影光束合光。

9.根据权利要求1所述的口扫光路系统，其特征在于，所述偏振分光棱镜用于透射投影光束，所述四分之一波片用于对投影光束的偏振状态进行转换。

10.一种扫描仪，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的口扫光路系统，所述口扫光路系统安装在所述扫描仪中，用于对口腔内牙齿的几何数据进行采集与建模。