CN202714941U - 一种新型光学三维图像成像装置 - Google Patents

Abstract

一种新型光学三维图像成像装置，其特征在于包括：一主机箱，内设激光发生器、空间光调制器、成像光学系统、图像传感器及控制电路；一扫描手柄，内设阵列光转换模块、分光镜、焦阑模式的共焦光学系统、电机以及出/入射光口；一传光装置，连接所述主机箱与扫描手柄；该传光装置包括发射光传光装置、反射光传光装置以及包覆于该发射光传光装置及反射光传光装置的第一保护套；所述发射光传光装置和反射光传光装置均包括传光部件及包覆于该传光部件的第二保护套，所述传光部件的一端为主机箱接线端，另一端为扫描手柄接线端。通过上述结构组成设计，使得本实用新型相比现有技术的结构而言，具有成像效果更好且操作更为方便的实用进步性。

Description

一种新型光学三维图像成像装置

技术领域

本实用新型涉及牙科口腔治疗领域，具体涉及一种用于获得牙齿三维表面特征的新型非接触式光学三维成像装置。 

背景技术

在牙齿成像领域和假牙自动化设计领域中，有多种不同的光学三维直接成像的方法和装置，不同于传统使用印模材料取牙模方法的是，这些光学直接成像的方法通常采用数字化计算机辅助设计（CAD）对口腔中的牙齿直接成像，在计算机上得到相应的牙齿模型，之后将数字化牙齿模型传输到假牙制作实验室，通过采用计算机辅助制作（CAM）加工假牙。 

其中，有一种三维光学成像方法是基于激光三角方法来测量牙齿表面和伸入到病人空腔中的光学探测器之间的距离来获取牙齿表面三维特征。存在以下缺点：这种方法假设牙齿表面具有理想的反光特征，如兰伯特反射，然而，实际牙齿的表面并不具备兰伯特反射特性，因此成像往往不够准确。 

而其他的技术，如已经商业化的Siemens GmbH或者Sirona牙科产品CEREC-1和CEREC-2，分别使用光学相干断层技术和光学相位移技术实现对牙齿的三维成像，这两种成像系统利用特别设计的手持式光学探测器来获取牙齿三维表面特征信息，然而不足之处是：这种方法需要在牙齿表面涂抹一层特殊物质（如测量粉末或者一种白色颜料悬浮液），其厚度很难把握在规定标准的范围内，导致成像易产生误差。 

因此，如何解决上述现有技术存在的不足点，便成为本实用新型所要解决的问题。 

发明内容

本实用新型目的是提供一种新型光学三维图像成像装置。 

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种新型光学三维图像成像装置，包括：一主机箱，内设激光发生器、空间光调制器、成像光学系统、图像传感器及控制电路；一扫描手柄，内设阵列光转换模块、分光镜、焦阑模式的共焦光学系统、电机以及出/入射光口；一传光装置，连接所述主机箱与扫描手柄；该传光装置包括发射光传光装置、反射光传光装置以及包覆于该发射光传光装置及反射光传光装置的第一保护套；所述发射光传光装置和反射光传光装置均包括传光部件及包覆于该传光部件的第二保护套，所述传光部件的一端为主机箱接线端，另一端为扫描手柄接线端；其中，所述激光发生器的出射端与空间光调制器的入射端连接，该空间光调制器的出射端与所述发射光传光装置中传光部件的主机箱接线端连接，该发射光传光装置中传光部件的扫描手柄接线端连接所述阵列光转换模块的入射端，所述阵列光转换模块的出射端经由所述分光镜连接所述焦阑模式的共焦光学系统的第一端，该焦阑模式的共焦光学系统的第二端连接所述出/入射光口；所述反射光传光装置中传光部件的扫描手柄接线端经由所述分光镜连接所述焦阑模式的共焦光学系统的第一端，该反射光传光装置中传光部件的主机箱接线端连接所述成像光学系统的入射端，该成像光学系统的出射端与所述图像传感器的接收端连接；所述主机箱的控制电路电连接所述激光发生器、电机及图像传感器。 

上述技术方案中的有关内容解释如下： 

1、上述方案中，所述激光发生器用以产生激光束。

2、上述方案中，所述空间光调制器的作用是将所述激光束变成空间非相干光，因为所述激光发生器产生的激光束本身为相干光，易发生光的干涉（“光的干涉”意为：两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象），而光的干涉将降低被照射物的成像效果。 

3、上述方案中，所述成像光学系统的作用是将经过所述反射光传光装置中传光部件的光线进行会聚，具体为单一凸透镜或一系列的透镜组合，并以后者为佳，因为选用一系列的透镜组合相比单一凸透镜能够具有消除噪声及提高成像质量的作用。 

4、上述方案中，所述图像传感器的作用是感受光学图像信息并转换成可输出电信号，即完成“光”到“电”的转换；该图像传感器为CCD或CMOS。 

5、上述方案中，所述控制电路用以控制激光发生器、电机、图像传感器的工作。 

6、上述方案中，所述阵列光转换模块的作用是将源光束转换成多股照射方向一致的光束；该阵列光转换模块具体可为微透镜阵列，或是针孔阵列加透镜组合。 

7、上述方案中，所述分光镜的作用是：一、折射通过所述发射光传光装置中传光部件的光束；二、传递（即被穿透）通过所述焦阑模式的共焦光学系统的光束。 

8、上述方案中，所述焦阑模式（telecentric lens）的共焦光学系统具体由一系列透镜、精密针孔、狭缝组成，可对图像产生正投影视图，即图像的放大倍数同图像到共焦光学系统的距离和位置相独立。 

9、上述方案中，所述电机用以控制所述焦阑模式的共焦光学系统发生位移改变其焦点位置，以助其形成三维的图像，而若无电机的驱动，则只能对被照射区域形成二维甚至一维图像。 

10、上述方案中，所述出/入射光口具体为一内窥镜，包括玻璃体及设置在末端的具全内反射功能的一镜面，其作用是发出发射光至牙齿和采集牙齿的反射光。 

11、上述方案中，所述传光部件具体为光纤或自由空间，并以光纤为佳。 

12、上述方案中，还包括一第一偏振器及第二偏振器，该第一、第二偏振器用以对光发生极化作用，以最终提高成像的效果；所述第一偏振器设于所述激光发生器的出射端与空间光调制器的入射端之间；所述第二偏振器设于所述反射光传光装置中传光部件的扫描手柄接线端与成像光学系统的入射端之间。 

13、上述方案中，还包括一中继光学系统，该中继光学系统设于所述焦阑模式的共焦光学系统及出/入射光口之间，其作用在于将图像无失真的从共焦光学系统传输至出/入射光口。 

本实用新型的工作原理及优点如下：本实用新型一种新型光学三维图像成像装置，通过在主机箱中设置激光发生器、第一偏振器、空间光调制器、第二偏振器成像光学系统、图像传感器及控制电路，在扫描手柄中设置阵列光转换模块、分光镜、焦阑模式的共焦光学系统、电机、中继光学系统以及出/入射光口，并通过一传光装置连接该主机箱和扫描手柄，该传光装置则具有独立的发射光传光装置和反射光传光装置，以使本实用新型相比现有技术的结构而言，具有成像效果更好且操作更为方便的实用进步性。 

附图说明

附图1为本实用新型最佳实施例的结构示意图； 

附图2为本实用新型最佳实施例的结构原理框图；

附图3为本实用新型最佳实施例中传光装置的剖面结构示意图；

附图4为本实用新型最佳实施例的外接设备的结构示意图。

以上附图中：1、传光装置；2、发射光传光装置；3、反射光传光装置；4、第一保护套；5、第二保护套；6、光纤；7、分光镜；8、牙齿。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述： 

实施例：如图1所示，一种新型光学三维图像成像装置，包括：

一主机箱，内设激光发生器、第一偏振器、空间光调制器、第二偏振器成像光学系统、图像传感器及控制电路；

一扫描手柄，内设阵列光转换模块、分光镜7、焦阑模式的共焦光学系统、电机、中继光学系统以及出/入射光口；

还包括一传光装置1，如图2～3所示，该传光装置1连接所述主机箱与扫描手柄，并包括发射光传光装置2、反射光传光装置3以及包覆于该发射光传光装置2及反射光传光装置3的第一保护套4；所述发射光传光装置2和反射光传光装置3均包括传光部件及包覆于该传光部件的第二保护套5，所述传光部件具体为光纤6，该光纤6的一端为主机箱接线端，另一端为扫描手柄接线端；通过上述结构设计使得该传光装置1具有柔性特质，因此使用者可以灵活操作控制所述扫描手柄。

如图1所示，所述激光发生器的出射端与第一偏振器的入射端连接，第一偏振器的出射端与空间光调制器的入射端连接，该空间光调制器的出射端与所述发射光传光装置2中光纤6的主机箱接线端连接，见图3，该发射光传光装置2中光纤6的扫描手柄接线端连接所述阵列光转换模块的入射端，所述阵列光转换模块的出射端经由所述分光镜7连接所述焦阑模式的共焦光学系统的第一端，该焦阑模式的共焦光学系统的第二端连接所述中继光学系统的第一端，中继光学系统的第二端连接所述出/入射光口； 

所述反射光传光装置3中光纤6的扫描手柄接线端经由所述分光镜7连接所述焦阑模式的共焦光学系统的第一端，该反射光传光装置3中光纤6的主机箱接线端连接所述第二偏振器的入射端，第二偏振器的出射端与所述成像光学系统的入射端连接，该成像光学系统的出射端与所述图像传感器的接收端连接；

所述主机箱的控制电路电连接所述激光发生器、电机及图像传感器。

其中，所述激光发生器用以产生激光束；所述第一、第二偏振器用以对光发生极化作用，以最终提高成像的效果；所述空间光调制器的作用是将所述激光束变成空间非相干光，以避免由于激光束为相干光而易发生光的干涉而降低成像效果的问题；所述成像光学系统具体为一系列的透镜组合，以将经过所述反射光传光装置中传光部件的光线进行会聚，并能消除噪声、提高成像质量；所述图像传感器具体为一CCD（见图1），其作用是感受光学图像信息并转换成可输出电信号；所述控制电路用以控制激光发生器发出激光束，并能驱动电机控制所述焦阑模式的共焦光学系统发生位移改变其焦点位置（以助其形成三维的图像，而若无电机的驱动，则只能对被照射区域形成二维甚至一维图像），还能控制图像传感器的工作，且，该控制电路还与一外接设备（PC机）连接，并直接驱动其中的图像采集模块工作，见图4，而图像传感器亦可直接将信号发送至该图像采集模块； 

所述阵列光转换模块具体为微透镜阵列，以将源光束转换成多股照射方向一致的光束；所述分光镜7的作用既能折射通过所述发射光传光装置中传光部件的光束又能传递（即被穿透）通过所述焦阑模式的共焦光学系统的光束；所述焦阑模式（telecentric lens）的共焦光学系统具体由一系列透镜组成，该一系列透镜具有不同的参数，因此具有不同的光学特性，可对图像产生正投影视图，即图像的放大倍数同图像到共焦光学系统的距离和位置相独立；所述中继光学系统的作用在于将图像无失真的从所述共焦光学系统传输至出/入射光口；所述出/入射光口具体为一内窥镜，包括玻璃体及设置在末端的具全内反射功能的一镜面，其作用是发出发射光至牙齿8和采集牙齿8的反射光。

现就本实用新型的工作原理进行说明：当本实用新型的装置开始工作时，首先，主机箱内的激光发生器接收到控制电路的控制指令开始工作，发出激光束；激光束射入第一偏振器，经由该第一偏振器极化后射入空间光调制器，以将所述激光束变成空间非相干光；随后，光束进入插接于该主机箱的传光装置1中的发射光传光装置2，并通过该发射光传光装置2中的光纤6传输入所述扫描手柄中由微透镜阵列组成的阵列光转换模块，光束通过该微透镜阵列转换成多股照射方向一致的光束，并通过所述分光镜7的折射后进入由一系列透镜组成的焦阑模式的共焦光学系统，然后进入所述中继光学系统，再通过该中继光学系统的传输，光束进入由内窥镜构成的所述出/入射光口，并由该出/入射光口将光束发射，以对患者的牙齿8进行照射；在对患者的牙齿8进行照射时，操作者可以通过移动所述扫描手柄来对患者的牙齿8进行全面和全方位的扫描，由于所述传光装置1的设置，此工作会变得较为轻松方便；于此同时，主机箱中的控制电路控制扫描手柄中的电机来驱动所述共焦光学系统进行位移，其目的是对被照射区域的牙齿8进行实时三维照射扫描；最后，由牙齿8表面反射的光束通过所述出/入射光口回到中继光学系统，并传输至共焦光学系统后，直接穿过所述分光镜7进入传光装置1的反射光传光装置3，再经反射光传光装置3的光纤6传输至主机箱内的第二偏振器，同样经由该第二偏振器极化，极化后的光束射入由一系列的透镜组合构成的成像光学系统中，以对光束进行会聚、消除噪声，再进入CCD（即图像传感器），至此本实用新型成像装置完成工作。需要说明的是：控制电路会根据CCD、电机以及图4中外接PC机的图像采集模块实时反馈的数据或信号，在装置工作时实时调整上述CCD、电机和图像采集模块的工作时序，以获取较为满意的成像。 

如图4所示，该外接PC机包括图像采集模块、中央处理单元、显示器、调制解调器，其中显示器可外接一用户控制模块，而调制解调器则可外接网络/蓝牙/WIFI等通信模块，以发送图像信息至诸如牙模加工设备直接制造牙模。 

本实用新型一种新型光学三维图像成像装置，通过在主机箱中设置激光发生器、第一偏振器、空间光调制器、第二偏振器、成像光学系统、图像传感器及控制电路，在扫描手柄中设置阵列光转换模块、分光镜、焦阑模式的共焦光学系统、电机、中继光学系统以及出/入射光口，并通过一传光装置连接该主机箱和扫描手柄，该传光装置则具有独立的发射光传光装置和反射光传光装置，以使本实用新型相比现有技术的结构而言，具有成像效果更好且操作更为方便的实用进步性。 

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种新型光学三维图像成像装置，其特征在于：包括：

一主机箱，内设激光发生器、空间光调制器、成像光学系统、图像传感器及控制电路；

一扫描手柄，内设阵列光转换模块、分光镜、焦阑模式的共焦光学系统、电机以及出/入射光口；

一传光装置，连接所述主机箱与扫描手柄；该传光装置包括发射光传光装置、反射光传光装置以及包覆于该发射光传光装置及反射光传光装置的第一保护套；所述发射光传光装置和反射光传光装置均包括传光部件及包覆于该传光部件的第二保护套，所述传光部件的一端为主机箱接线端，另一端为扫描手柄接线端；

其中，所述激光发生器的出射端与空间光调制器的入射端连接，该空间光调制器的出射端与所述发射光传光装置中传光部件的主机箱接线端连接，该发射光传光装置中传光部件的扫描手柄接线端连接所述阵列光转换模块的入射端，所述阵列光转换模块的出射端经由所述分光镜连接所述焦阑模式的共焦光学系统的第一端，该焦阑模式的共焦光学系统的第二端连接所述出/入射光口；

所述反射光传光装置中传光部件的扫描手柄接线端经由所述分光镜连接所述焦阑模式的共焦光学系统的第一端，该反射光传光装置中传光部件的主机箱接线端连接所述成像光学系统的入射端，该成像光学系统的出射端与所述图像传感器的接收端连接；

所述主机箱的控制电路电连接所述激光发生器、电机及图像传感器。

2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于：还包括一第一偏振器及第二偏振器；所述第一偏振器设于所述激光发生器的出射端与空间光调制器的入射端之间；所述第二偏振器设于所述反射光传光装置中传光部件的扫描手柄接线端与成像光学系统的入射端之间。

3.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于：还包括一中继光学系统，该中继光学系统设于所述焦阑模式的共焦光学系统及出/入射光口之间。

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