CN205286293U - 小体积牙科扫描探头以及牙齿表面三维形貌重建系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型包括一种新型小体积牙科扫描探头以及牙齿表面三维形貌重建系统，属于医学精密测量仪器领域。其提供了一种新型扫描探头，沿光路方向依次包括LED光源模组、偏振分光棱镜、非球面准直反射镜、LCos投影器件、投影成像共用镜头、波导元件及波导元件中的部分反射镜序列、成像镜头、探测器CCD。本实用新型提供的扫描探头实现了口腔探测要求的小型化、高精度，牙齿表面三维形貌重建系统能够根据所探测的信息得到牙齿三维形貌数据并重建三维图形，满足了牙齿探测实时、快速的要求。

Description

小体积牙科扫描探头以及牙齿表面三维形貌重建系统

技术领域

本实用新型属于医学精密测量仪器领域，涉及一种新型小体积牙科扫描探头以及牙齿表面三维形貌重建系统，特别适用于牙科疾病的观察，牙模、义齿的制作甚至获取其它微型物体三维形貌数据等领域。

背景技术

随着生活水平的不断提高，牙齿的保健越来越受到人们的重视。其中观察牙齿病变、获取牙模、制作义齿等牙齿诊疗手段中最重要的一个步骤就是获取牙齿的三维形貌数据。而牙齿测量方法分为口腔内和口腔外测量。口腔外测量属间接测量，首先用常规印模材料让牙齿患者咬合，取出牙印模，接着制作石膏或陶瓷模型，然后再扫描并获取石膏模型三维形貌数据。口腔外测量操作容易，精度高，但其效率太低，而且牙印模材料容易引起患者不适，比较适用于多单位固定桥模型。口腔内直接测量节省了牙印模的工序，效率相对提高很多。然而由于探头尺寸和口内环境的限制，传统的牙科三维测量系统一般只能针对损坏的两三个紧挨的牙齿测量，且测量精度较低。用目前市场上现有的技术，不管是口腔内还是口腔外的测量方式，都给病人带来了很多不便，病人一般需要等待半个月才能进行治疗，所以采用新的技术手段快速获得更精确全面的牙齿表面数据，成为当今研究的热点。

目前，国内的一些研究单位在此方面也有了一定的研究成果，与本实用新型相似的技术为一篇硕士学位论文“牙齿三维测量技术与系统研究”，文章中的系统运用内窥镜并经光纤传像束将图像传递给CCD，由于光纤束的限制导致三维测量精度降低，而且光纤在实际应用下的长期移动中容易损坏，导致图像残缺。并且系统利用了成型的光学镜头，成型的光学镜头除了体积太大的缺点之外还有其测量精度不如根据系统器件、应用和环境而设计的光学系统，所以这也是其测量精度低的原因。

深圳大学发表的一篇“数字印模口内三维扫描技术研究”中也利用了成型的光学镜头，导致其体积庞大、精度受限。

针对以上问题，研发一套专门用于口腔内部直接测量的牙齿三维测量系统，满足牙齿测量的微型化、直接化、灵活性、高精度的需求。

发明内容

本实用新型的目的之一在于提供一种新型小体积牙科扫描探头，旨在将探头的体积缩小，能够灵活地深入口腔扫描，将获得的图像信息传递给探测器。

本实用新型的目的之二在于提供一种软硬件结合设计的方法，来快速地获取口腔内部的三维形貌数据并让计算机同步构建其三维形貌模型。

本实用新型解决技术问题的具体技术方案是：

一种新型小体积牙科扫描探头，按照光路前进的顺序，其特征在于：包括，光源LED模组(1)，能够将成像、投影光路合为一体并且保证各光路不相互干扰的偏振分光棱镜(2)，对光源的光束起准直作用的非球面准直反射镜(3)，能够根据要求以一定频率投射结构光条纹的新型投影器件LCos(4)，可将投影光路、成像光路合为一路并因此能缩小系统体积、保证能够清晰投影、清晰成像的共光路镜头(5)，能够深入口腔内部、并能起到压缩光路、光瞳转换和光瞳放大作用而且无像差的波导元件(6)，波导元件中包含有与波导基底成一定角度以保证光路能够投射到被测面或使被测面的反射光进入波导的部分反射镜序列(7)，保证清晰成像的CCD前成像镜头(8)，保证光线进入波导元件后能够在波导元件内部进行全反射的波导入射面与波导基底的夹角(9)、采集条纹信息的探测器CCD(10)。

一种牙齿表面三维形貌重建系统，其特征在于：包括，一种新型小体积牙科扫描探头，带有控制程序的FPGA芯片，控制CCD同步实时采集条纹信息并实时重建三维形貌的计算机系统以及电路系统。

该测量系统的基本结构为投影系统、成像系统和计算机系统三部分组成。投影系统将将含有相位信息的光栅图像投影到被测物体表面，光栅图像因收到物体表面轮廓的调制而发生变形；成像系统采集变形的光栅图像数据并将其传输给计算机；计算机对变形的光栅图像进行处理并计算出表示被测物体高度的相位信息，再根据相位信息和已标定好的系统结构参数重建物体的三维几何信息。整个重建过程中，光学系统起着至关重要的作用，考虑到口腔内三维扫描重建的工作环境，本发明采用成像投影一体化光学系统与平板波导元件集成设计：成像投影一体化光学系统设计即使投影光路与成像光路共用一部分光路，成像系统的入瞳与投影系统的出瞳分别位于平板波导元件入瞳上的不同位置，平板波导元件在整个光路中其光瞳放大器的作用，投影系统的出瞳和成像系统的入瞳在平面波导元件的另一端被放大并且互相重合。

本实用新型基于相位轮廓术原理，考虑到牙科扫描仪抖动的工作环境，开发了一种快速三维重建系统。整个系统由上述光学系统，FPGA芯片控制模块和计算机组成。FPGA芯片与LCos电路和CCD电路的外触发相连，控制LCos的显示开关，控制CCD电路的图像采集开关，计算机与LCos和CCD进行数据传输。其中，FPGA芯片由计算机对其进行控制程序烧写。图像采集完毕后，交由计算机里的三维重建算法快速重建，快速三维重建算法主要基于相位测量轮廓术，由三步相移算法、时域相位展开算法和隐式标定算法组成，重建结果在计算机上显示。

本实用新型具有以下显著优点：本实用新型采用了偏振分光棱镜(2)，使得投影光路和成像光路合而为一，并且不相互干扰；成像投影一体化光学系统设计即使投影光路与成像光路共用一部分光路(5)，从而缩小了系统体积；波导元件(6)及其内部的部分反射镜(7)的利用，实现了整体系统的轻量化、小型化，实现了光路的多次折叠、成像系统的入瞳与投影系统的出瞳分别位于平板波导元件入瞳上的不同位置、整个光路中的光瞳放大，这些改变可以增加光学系统的景深，并且增大了光学系统的通光量；三维重建系统的软硬件结合设计，加快了系统的扫描速度与重建速度。因此，可以克服传统三维扫描系统的体积庞大、重建速度慢，精度低等缺点，特别适用于抖动环境、高精度要求及难以深入探测等情况下对目标的三维重建。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的口腔表面三维形貌实时测量及探头系统结构图。

图2是本实用新型提供的三维重建系统的系统示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做详细说明：

如图1所示，一种新型小体积牙科扫描探头，其结构包括：光源LED模组(1)，能够将成像、投影光路合为一体并且保证各光路不相互干扰的偏振分光棱镜(2)，对光源的光束起准直作用的非球面准直反射镜(3)，能够根据要求以一定频率投射结构光条纹的新型投影器件LCos(4)，可将投影光路、成像光路合为一路并因此能缩小系统体积、保证能够清晰投影、清晰成像的共光路镜头(5)，能够深入口腔内部、并能起到压缩光路、光瞳转换和光瞳放大作用而且无像差的波导元件(6)，波导元件中包含有与波导基底成一定角度以保证光路能够投射到被测面或使被测面的反射光进入波导的部分反射镜序列(7)，保证清晰成像的CCD前成像镜头(8)，保证光线进入波导元件后能够在波导元件内部进行全反射的波导入射面与波导基底的夹角(9)、采集条纹信息的探测器CCD(10)。

首先，由LED模组(1)发出的束经偏振分光棱镜(2)反射后到达非球面准直反射镜(3)，经过非球面准直反射镜的准直作用，光束平行地入射到LCos(4)表面，LCos由于受到计算机及FPGA芯片的控制，它将以一定的频率显示带有相移的条纹结构光，条纹结构光被由偏振分光棱镜和共用目镜(5)组成的投影光学系统投影后进入平板波导元件(6)，平板波导是一种类似于柔性焦距透镜组的透明薄板，它可作为近距离透射系统的核心光学元件，作用为光瞳放大器。波导在结构上分为入射耦合和出射耦合两个结构，波导入射面、目镜的主面以及偏振分光棱镜的光源入射面相互平行，本实施例中平板波导由波导元件入射面与波导基底的夹角(9)作为入射耦合，由部分反射镜阵列(7)作为出射耦合。平板波导可将投影光学系统中高清晰度的图像直接传递到被测物面上。平板波导入口耦合处将光以一定入射角耦合进入波导，这种方式可保证光在平板波导衬底上发生全内反射(TIR)。经过衬底上的多次反射，光线达到部分反射镜，将光从波导传递到被测物体的表面上。基于光路可逆原理，同样光线可以在平板波导出射耦合处进入平板波导，光线经入射耦合处出射后进入CCD前成像镜头(8)成像在CCD(10)上。

如图2所示，三维重建系统的系统示意图，其组成包括：可编程逻辑器件FPGA、控制线路、数据传输线路、LCos、CCD、计算机、被测牙齿表面。

其次，本实用新型提出的软硬件结合的快速三维重建方法，其步骤如下：

测量开始前，需要先对FPGA芯片进行控制程序烧写，搭建控制电路，并进行初步的测试；采用隐式标定法对成像光学系统景深范围进行标定，采用LM(Levenberg_Marquardt)优化方法求取标定矩阵；

将光学探头伸入口腔内，利用FPGA控制LCos投影一组图像，微量延时后，控制CCD捕获这一组图像；

利用快速三维重建算法对这组图像进行处理，包括三步相移算法和时域相位展开算法，结合第一步求出的标定矩阵，可以求出牙齿的三维点云，从而重建牙齿的三维形貌。

本实用新型实施例提供的新型小体积牙科扫描探头以及牙齿表面三维形貌重建系统能够将小体积、高灵活度的探头深入口腔扫描，并精确快速地获取口腔内部的三维形貌数据，同时让计算机构建其三维形貌模型。可以满足牙科三维扫描系统体积小、灵活、高精度、快速的要求，能够大大减少医生及技师的劳动量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种新型小体积牙科扫描探头，按照光路前进的顺序，其特征在于：包括，光源LED模组(1)，能够将成像、投影光路合为一体并且保证各光路不相互干扰的偏振分光棱镜(2)，对光源的光束起准直作用的非球面准直反射镜(3)，能够根据要求以一定频率投射结构光条纹的新型投影器件LCos(4)，可将投影光路、成像光路合为一路并因此能缩小系统体积、保证能够清晰投影、清晰成像的共光路镜头(5)，能够深入口腔内部、并能起到压缩光路、光瞳转换和光瞳放大作用而且无像差的波导元件(6)，波导元件中包含有与波导基底成一定角度以保证光路能够投射到被测面或使被测面的反射光进入波导的部分反射镜序列(7)，保证清晰成像的CCD前成像镜头(8)，保证光线进入波导元件后能够在波导元件内部进行全反射的波导入射面与波导基底的夹角(9)、采集条纹信息的探测器CCD(10)。

2.一种牙齿表面三维形貌重建系统，其特征在于：包括，如权利要求1中一种新型小体积牙科扫描探头，带有控制程序的FPGA芯片，控制CCD同步实时采集条纹信息并实时重建三维形貌的计算机系统以及电路系统。