CN202875522U - 一种光学彩色三维图像成像装置 - Google Patents

Abstract

一种光学彩色三维图像成像装置，其特征在于：包括主成像模块和多色光发生模块；其中，所述主成像模块包括：激光发生器、阵列光转换模块、第一分光镜、成像光学系统、图像传感器、控制电路、焦阑模式的共焦光学系统、第一电机以及出/入射光口；所述多色光发生模块包括：光源、聚光系统、三色序列发生器、第二电机以及第二分光镜；该主成像模块主要用于对照射物进行三维成像，而该多色光发生模块则能够对对照射物不同面进行不同颜色的拍照，并配合主成像模块采集的三维图像进行组合，最终实现对照射物三维彩色图形的形成。通过上述设计，以使本实用新型相比现有技术的结构而言，解决了以往成像装置难以呈现包含颜色信息的三维图像的问题。

Description

一种光学彩色三维图像成像装置

技术领域

本实用新型涉及一种能够呈现包含颜色信息的三维图像的新型成像装置，具体用于口腔医疗、农业产品、工业产品、文物保护、建筑等需要彩色三维图像成像的领域。

背景技术

目前，业界已开发出许多用于获取物体表面三维信息的方法，且在各领域均已有大量实际应用。以口腔治疗领域为例，众所周知的直接非接触式光学测量技术，就是特别针对直接牙齿光学测量及其之后的自动假牙制造（所述“直接光学测量”表示对病人口腔牙齿的测量）。这有利于取得用于假牙制造的计算机辅助设计（CAD）或计算机辅助制造（CAM）的必要结构数据，而无需制作任何牙齿模型印模。这种系统通常包括一个耦合到光学采集器或如电荷耦合装置（CCD）那样的接收器的光学探头，以及一个执行相应图像处理技术的处理器，处理器虚拟设计和制造所需的产品。这些方法提供了一个本质上单色的数字化三维表面模型，即，在成像过程中没有获取颜色信息的数字化三维表面模型。

确定三维物体的相关颜色信息并不简单，尤其是通过使用三维扫描方法获取位置信息，而使用二维扫描方法获取颜色信息。要将二维颜色信息统一映射到三维表面模型上是很难解决的问题，而且通常颜色与三维采集点都不匹配。从本质上来说，在二维彩色探测器获取颜色信息的位置上，很难准确地将探测器获取的颜色信息关联到三维表面模型上正确的点，特别当物体和装置之间发生相对运动时，采集的三维形貌数据和二维图像数据。

以此，如何解决上述问题便成为本实用新型的研究课题。

发明内容

本实用新型提供一种光学彩色三维图像成像装置，其目的在于解决以往成像装置难以呈现包含颜色信息的三维图像的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种光学彩色三维图像成像装置，包括：主成像模块和多色光发生模块；其中，

所述主成像模块包括：激光发生器、阵列光转换模块、第一分光镜、成像光学系统、图像传感器、控制电路、焦阑模式的共焦光学系统、第一电机以及出/入射光口；所述激光发生器的出射端与阵列光转换模块的入射端连接，该阵列光转换模块的出射端经由所述第一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；所述成像光学系统的入射端经由所述第一分光镜连接所述焦阑模式的共焦光学系统的第一端，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；所述控制电路电性连接所述激光发生器、第一电机及图像传感器；

所述多色光发生模块包括：光源、聚光系统、三色序列发生器、第二电机以及第二分光镜；所述光源的出射端与聚光系统的入射端连接，该聚光系统的出射端连接三色序列发生器的入射端，所述第二分光镜设于主成像模块中所述焦阑模式的共焦光学系统和出/入射光口之间，所述三色序列发生器的出射端经由所述第二分光镜连接所述出/入射光口；所述第二电机电性连接所述三色序列发生器。

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，且可采用多个波长不一致的激光发生器并联的方式来提高装置的成像速率。

2、上述方案中，所述阵列光转换模块由光扩展器和光栅、针孔阵列加透镜的组合、微透镜阵列三者中任一者串接组成，其作用是将源光束转换成多股照射方向一致的阵列点光源；其中，通过设置所述光扩展器，可缩短光路以精简装置的体积；所述光栅指的是一张由条状透镜组成的薄片。

3、上述方案中，所述第一分光镜的作用是：折射通过所述阵列光转换模块的光束，以及传递（即被穿透）通过所述焦阑模式的共焦光学系统的回射光束；第二分光镜的作用是：折射通过所述三色序列发生器的光束，以及传递（即被穿透）通过所述出/入射光口的回射光束。

4、上述方案中，所述成像光学系统的作用是将经过所述分光镜的光线进行会聚，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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、上述方案中，所述第一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，而若无该第一电机的驱动，则只能对被照射区域形成二维甚至一维图像。

9、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。

12、上述方案中，所述光源的作用如下：可配合所述激光发生器，使得所述主成像模块于所述出/入射光口产生至少红、绿、蓝三色的光。

13、上述方案中，所述三色序列可发生器用于滤光，即在单位时间产生红/绿/蓝这三色光中任一种，并依次变化上述三种不同色的光；所述第二电机以驱动该三色序列可发生器切换不同色的发出光。

14、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阵列光转换模块的入射端之间；所述第二偏振器设于分光镜与成像光学系统的入射端之间。

15、上述方案中，还包括一孔径光阑，该孔径光阑设于所述焦阑模式的共焦光学系统和第二分光镜之间，其作用为过滤杂散光，提高光学系统的成像清晰度。

16、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，该作用与所述聚光系统的作用相同。

本实用新型工作原理及优点如下：

本实用新型一种光学彩色三维图像成像装置，包括主成像模块和多色光发生模块；其中，主成像模块包括激光发生器、阵列光转换模块、第一分光镜、成像光学系统、图像传感器、控制电路、焦阑模式的共焦光学系统、第一电机以及出/入射光口；多色光发生模块包括：光源、聚光系统、三色序列发生器、第二电机以及第二分光镜；该主成像模块主要用于对被照射物（即牙齿）进行三维成像，而该多色光发生模块则能够对被照射物不同面进行不同颜色的拍照，并配合主成像模块采集的三维图像进行组合，最终实现被照射物三维彩色图形的形成。通过上述设计，以使本实用新型相比现有技术的结构而言，解决了以往成像装置难以呈现包含颜色信息的三维图像的问题。

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外接设备的结构示意图。

以上附图中：1、第一分光镜；2、第二分光镜；3、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，一种光学彩色三维图像成像装置，包括：主成像模块和多色光发生模块；其中，

所述主成像模块包括：激光发生器、第一偏振器、阵列光转换模块、第一分光镜1、成像光学系统、第二偏振器、图像传感器、控制电路、焦阑模式的共焦光学系统、第一电机、孔径光阑、中继光学系统以及出/入射光口；所述激光发生器的出射端与第一偏振器的入射端连接，该第一偏振器的出射端与阵列光转换模块的入射端连接，该阵列光转换模块的出射端经由所述第一分光镜1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孔径光阑的入射端，该孔径光阑的出射端经由所述第二分光镜2连接所述中继光学系统的入射端，该中继光学系统的出射端连接所述出/入射光口；所述第二偏振器的入射端经由所述第一分光镜1连接所述焦阑模式的共焦光学系统的第一端，该第二偏振器的出射端与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；所述控制电路电性连接所述激光发生器、第一电机及图像传感器；

所述多色光发生模块包括：光源、聚光系统、三色序列发生器、第二电机以及第二分光镜2；所述光源的出射端与聚光系统的入射端连接，该聚光系统的出射端连接三色序列发生器的入射端，所述第二分光镜2设于主成像模块中所述焦阑模式的共焦光学系统和出/入射光口之间，所述三色序列发生器的出射端经由所述第二分光镜2连接所述出/入射光口；所述第二电机电性连接所述三色序列发生器。

其中，所述激光发生器用以产生激光束，且可采用多个波长不一致的激光发生器并联的方式来提高装置的成像速率；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；所述成像光学系统具体为一系列的透镜组合，以将经过所述第一分光镜1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，并能驱动第一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，而若无该第一电机的驱动，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2，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由光扩展器和光栅、针孔阵列加透镜的组合、微透镜阵列三者中任一者串接组成，其作用是将源光束转换成多股照射方向一致的阵列点光源，其中，通过设置所述光扩展器，可缩短光路以精简装置的体积；所述光栅指的是一张由条状透镜组成的薄片；所述第一分光镜1的作用是：折射通过所述阵列光转换模块的光束，以及传递（即被穿透）通过所述焦阑模式的共焦光学系统的回射光束；第二分光镜2的作用是：折射通过所述三色序列发生器的光束，以及传递（即被穿透）通过所述出/入射光口的回射光束；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；所述孔径光阑的作用为过滤杂散光，提高光学系统的成像清晰度；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，所述聚光系统的作用与之相同；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3和采集牙齿3的反射光。

所述光源的作用如下：可配合所述激光发生器，使得所述主成像模块于所述出/入射光口产生至少红、绿、蓝三色的光。所述三色序列可发生器用于滤光，即在单位时间产生红/绿/蓝这三色光中任一种，并依次变化上述三种不同色的光；所述第二电机以驱动该三色序列可发生器切换不同色的发出光。

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，由激光发生器接收到控制电路的控制指令开始工作，发出一第一光束；该第一光束射入第一偏振器，经由该第一偏振器极化后射入由光扩展器及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阵列点光源，并通过所述第一分光镜1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，然后进入所述孔径光阑，并再经由第二分光镜2进入所述中继光学系统，再通过该中继光学系统的传输，第一光束进入由内窥镜构成的所述出/入射光口；于此同时，所述光源发射一第二光束，该第二光束经由聚光系统后进入所述三色序列发生器，该三色序列发生器由第二电机驱动，可将该第二光束过滤，并在不同时间段（按设定）变化该第二光束为红/绿/蓝这三种光中任一种，然后，该过滤后的第二光束经由第二分光镜2亦进入所述出/入射光口；该第一光束和第二光束由该出/入射光口发射，以对患者的牙齿3进行照射；在对患者的牙齿3进行照射时，操作者可以通过移动装置的出/入射光口来对患者的牙齿3进行全面和全方位的扫描；于此同时，所述控制电路控制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3进行实时三维照射扫描；最后，由牙齿2表面反射的第一光束和第二通过所述出/入射光口回到中继光学系统，穿过所述第二分光镜2，并传输至共焦光学系统后，再穿过所述第一分光镜1进入第二偏振器，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2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2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。

本实用新型一种光学彩色三维图像成像装置，包括主成像模块和多色光发生模块；其中，主成像模块包括激光发生器、阵列光转换模块、第一分光镜、成像光学系统、图像传感器、控制电路、焦阑模式的共焦光学系统、第一电机以及出/入射光口；多色光发生模块包括：光源、聚光系统、三色序列发生器、第二电机以及第二分光镜；该主成像模块主要用于对被照射物（即牙齿）进行三维成像，而该多色光发生模块则能够对被照射物不同面进行不同颜色的拍照，并配合主成像模块采集的三维图像进行组合，最终实现被照射物三维彩色图形的形成。通过上述设计，以使本实用新型相比现有技术的结构而言，解决了以往成像装置难以呈现包含颜色信息的三维图像的问题。

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 (5)

1.一种光学彩色三维图像成像装置，其特征在于：

包括：主成像模块和多色光发生模块；其中，

所述主成像模块包括：激光发生器、阵列光转换模块、第一分光镜、成像光学系统、图像传感器、控制电路、焦阑模式的共焦光学系统、第一电机以及出/入射光口；所述激光发生器的出射端与阵列光转换模块的入射端连接，该阵列光转换模块的出射端经由所述第一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；所述成像光学系统的入射端经由所述第一分光镜连接所述焦阑模式的共焦光学系统的第一端，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；所述控制电路电性连接所述激光发生器、第一电机及图像传感器；

所述多色光发生模块包括：光源、聚光系统、三色序列发生器、第二电机以及第二分光镜；所述光源的出射端与聚光系统的入射端连接，该聚光系统的出射端连接三色序列发生器的入射端，所述第二分光镜设于主成像模块中所述焦阑模式的共焦光学系统和出/入射光口之间，所述三色序列发生器的出射端经由所述第二分光镜连接所述出/入射光口；所述第二电机电性连接所述三色序列发生器。

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阵列光转换模块的入射端之间；所述第二偏振器设于第一分光镜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：还包括一孔径光阑，该孔径光阑设于所述焦阑模式的共焦光学系统和第二分光镜之间。

4.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。

5.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于：所述阵列光转换模块由光扩展器和光栅、针孔阵列加透镜的组合、微透镜阵列三者中任一者串接组成。

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