KR101648970B1 - 압전소자 기반의 패턴 모듈과 가변 초점 렌즈를 이용한 3차원의 구강 스캔 장치 - Google Patents

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엄주범
안재성
이병일
신인희
박안진
이병하
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한국광기술원
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Abstract

본 발명은 구강 내 입체적 형상을 가지는 피사체를 촬영하여 얻어진 2차원 영상을 가공하여 3차원 영상을 얻는 디지털 인상채득을 위한 3차원 구강 스캔 장치로서, 입사된 평행광을 구조광으로 변환시키는 패턴 마스크; 인가된 교류전압으로 표면에 기계적 진동이 발생되는 압전판; 및 압전판에 교류전압을 인가하는 전원부를 포함하고, 압전판은 표면에 발생된 기계적 진동으로 상기 패턴 마스크를 압전판의 길이 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 구강 스캔 장치는 전기적인 방법으로 패턴 마스크를 이동시켜 소음과 진동발생이 적은 이점이 있다.
또한 본 발명은, 치아에 투사되는 구조광의 초점 거리를 전기적으로 제어하여 치아의 깊이를 보다 정밀하게 측정하는 이점이 있다.

Description

압전소자 기반의 패턴 모듈과 가변 초점 렌즈를 이용한 3차원의 구강 스캔 장치 {THREE-DIMENSIONAL INTRAORAL SCANNING APPARATUS USING A TUNABLE LENS AND THE PIEZOELECTRIC ELEMENT OF THE PATTERN-BASED MODULE}
본 발명은 치아의 영상을 정밀하게 획득하기 위한 구강 스캔 장치에 관한 것으로서, 특히 구조광을 이용하여 치아의 형상을 3차원으로 정합하는 구강 스캔 장치에 관한 것이다.
3차원 구강 스캔 장치는, 디지털 인상채득 방법을 사용하여 구강 내 입체적 형상을 가지는 피사체를 촬영한다. 3차원 구강 스캔 장치는 피사체를 촬영하여 얻어진 2차원 영상을 가공하여 3차원 영상을 얻는 장치로, 밀링머신 및 3D 프린터와 연계되어 발전하고 있다.
3차원 구강 스캔 장치는, 3차원 카메라를 이용하여 구강 내 치아 및 잇몸을 측정한 후 CAD/CAM 시스템을 이용하여 치아의 형상을 3차원으로 정합한다. 컴퓨터를 이용하여 피사체의 실제 이미지와 동일한 3차원 영상을 얻고, 치아의 수복이나 보철 등의 치과 치료시 치아 및 구강조직의 형태를 보여주는 장치이다.
3차원 구강 스캔 장치의 구동 방식은 광원을 피사체에 출사시켜 그 반사광을 통해 2차원 이미지를 획득하고, 획득된 2차원 이미지를 조합하여 3차원 영상을 정합하는 방식이다. 종래 공초점 현미경 방식(Confocal microscopy), 삼각법 (Tranangulation technic), 광단층영상시스템 방식(Optical coherence tomography method), 프린지 간섭법(Accordion fringe interferometry), 능동파면샘플링 방법 (Active wavefront sampling method) 등의 분석방법이 있고, 이는 밀링머신 및 3D 프린터와 연계한 통합진료시스템 방식으로 발전하고 있다.
이와 관련, 종래 특허 문헌으로 한국공개특허 제2012-0050854호는 삼각법으로 치아를 측정하는 구강용 스캐너를 개시하고 있다. 도 1은 종래의 구강용 스캐너를 나타낸다. 도1을 참조하면, 구강용 스캐너([0076] 100')는 삽입체(210), 본체(220), 가이드(230), 광학계(240), 광학계 구동 부재(250), 광학계 멈춤 부재(260), 광출력 소자(270), 광센싱 소자(280), 제어 모듈(290) 및 데이터 처리 모듈(300) 등을 포함하여 구성된다.
다만, 위와 같은 종래 기술은 광학계 구동 부재(250)나 광학계 멈춤 부재(260)를 이용하여 광출력 소자(270)를 슬라이딩 방식으로 이동시키는 기계적인 광출력 방식이다. 이는 3차원 구강스캐너의 크기가 커지고, 소음이 발생할 뿐만 아니라, 진동이 일어날 수 있는 문제점을 가지고 있다.
한국공개특허 제2012-0050854호
본 발명은 기계적인 방식으로 광출력을 하는 경우 발생하는 진동이나 소음 등을 제거하기 위해 전기적인 방법으로 광출력 소자를 구동한다. 또한, 본 발명은 정밀하게 치아의 깊이를 측정하기 위해 치아에 투사되는 구조광의 초점거리를 전기적인 방법으로 조절하는 장치를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 구조광을 이용하여 치아의 3차원 형상을 정합하는 구강 스캔 장치에 있어서, 입사된 평행광을 구조광으로 변환시키는 패턴 마스크; 인가된 교류전압으로 표면에 기계적 진동이 발생되는 압전판; 및 압전판에 교류전압을 인가하는 전원부를 포함하고, 압전판은 표면에 발생된 기계적 진동으로 패턴 마스크를 압전판의 길이 방향으로 이동시키는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 패턴 마스크는, 평행광이 통과되는 투광 라인; 및 평행광이 차단되는 차광 라인을 구비할 수 있고, 패턴 마스크는 투광 라인과 차광 라인이 교대로 반복 배열될 수 있다.
바람직하게, 구조광이 입사되고 음의 곡률이 형성된 오프셋 렌즈; 및 구조광을 피사체 방향으로 반사시키는 반사 거울을 더 포함할 수 있고, 오프셋 렌즈는 구조광의 초점 거리를 감소시킬 수 있다.
바람직하게, 구강 스캔 장치는 오프셋 렌즈를 투과한 구조광의 감소된 초점 거리를 조절하는 가변 초점 렌즈를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 가변 초점 렌즈는 전도성의 제1 액체층; 절연성의 제2 액체층; 및 전압이 인가되는 복수의 전극을 포함할 수 있다.
바람직하게, 가변 초점 렌즈는, 복수의 전극에 전압이 인가되면 평행하게 배열된 상기 제1 액체층과 상기 제2 액체층이 조절되어 상기 감소된 초점 거리가 제어될 수 있다.
바람직하게, 가변 초점 렌즈는, 치아의 이미지를 정합하기 위해 상기 피사체로부터 반사되는 반사광을 상기 오프셋 렌즈로 입사시킬 수 있다.
바람직하게, 압전판은 PZT(Plumbum Ziconate titanate) 세라믹 소자일 수 있다.
본 발명에 의하면, 압전판은 전계를 인가시켜 기계적 진동을 일으키는 방법으로 패턴 마스크를 이동시켜 소음과 진동발생이 적은 이점이 있다.
또한 본 발명에 의하면, 가변 초점 렌즈는 치아에 투사되는 구조광의 초점 거리를 전기적으로 제어하여 치아의 깊이를 보다 정밀하게 측정하는 이점이 있다. 이 경우, 압전판과 가변 초점 렌즈에 의해 구조광이 제어되며, 구강 스캔 장치의 소형화를 할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 구강용 스캐너를 도시한 모습이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구강 스캔 장치를 도시한 모습이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 패턴 마스크와 압전판의 모습이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 패턴 마스크의 이미지 획득 모습이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구강 스캔 장치(1)를 도시한 모습이다. 도 3을 참조하면, 구강 스캔 장치(1)는 광원(91), 패턴 마스크(10), 압전판(30), 전원부(50), 렌즈부(70), 광 디텍터(93), 처리부(95), 빔 스플리터(97) 로 구성될 수 있다.
광원(91)은 Red, Green, Blue LED 및 LD를 사용할 수 있다
패턴 마스크(10)는 입사된 평행광을 구조광으로 변환시킬 수 있다. 패턴 마스크(10)는 평행광이 통과되는 투광 라인(101)과 평행광이 차단되는 차광 라인(103)을 포함할 수 있다.
패턴 마스크(10)는 투광 라인(101)과 차광 라인(103)이 교대로 반복 배열될 수 있다. 투광 라인(101)과 차광 라인(103)은 세로방향으로 구성될 수 있다. 패턴 마스크(10)는 세로방향으로 일정 간격을 두고 구성되어 레이저 광이 통과하면 광을 패턴 형태로 만들 수 있다.
구조광은 인식 대상체에 조사되는 광으로 특정한 패턴을 가지고 있는 빛을 말한다. 구조광은 피사체의 2차원 스캐닝을 하기 위해 패턴 마스크(10)를 통과한 빛을 말한다. 구조광의 패턴을 구성하는 방식은 여러 가지가 있으나, 본 발명에서 사용하는 방식은 패턴 마스크(10)의 이동을 통해 구조광을 형성하는 방법이다. 구조광은 격자 패턴의 균일한 밝기를 가질 수 있다.
압전판(30)은 인가된 교류전압으로 표면에 기계적 진동이 발생될 수 있다. 또한 압전판(30)은 표면에 발생된 기계적 진동으로 패턴 마스크(10)를 압전판(30)의 길이 방향으로 이동시킬 수 있다. 길이 방향이란 압전판(30)이 신장된 방향을 말한다. 패턴 마스크(10)는 압전판(30)이 신장된 방향인 길이 방향으로 압전판(30)에 의해 일정 범위 안에서 움직일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 패턴 마스크(10)와 압전판(30)의 모습이다. 도 3을 참조하면, 압전판(30)은 패턴 마스크(10)를 움직이게 하기 위해 패턴 마스크(10)에 연결될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 패턴 마스크(10)의 하단에 수직으로 압전판(30)이 연결될 수 있다. 압전판(30)에 교류전압이 인가되는 경우 압전판(30)은 기계적 진동을 일으키게 되고, 수직으로 연결된 패턴 마스크(10)는 압전판(30)의 기계적 진동에 따라 구동될 수 있다.
압전판(30)은 압전 세라믹스의 압전효과를 이용한 것으로, 그 자체로서는 사용할 수 없고 원하는 방향으로 전계를 인가하면 진동을 일으키는 특성이 있다. 전원부(50)의 전압을 인가받아 구동될 수 있다. 교류는 일반적인 가정용 교류 전압이나 주기 함수를 가지는 펄스 형태의 교류 전압도 포함할 수 있다. 또한 교류 전압의 세기와 인가방향에 따라 압전판(30)의 제어가 가능하며, 높은 토크와 저속을 필요로 하는 본 발명에 사용될 수 있다.
압전판(30)은 인가된 교류 전압으로 표면에 기계적 진동이 발생되는 PZT 세라믹 소자로 제공될 수 있다. PZT(티탄산지르콘납 : Plumbum Ziconate Titanate)는 적절한 압전 특성을 가지며, 압전체 구조에서 에너지 변환 물질로 사용된다.
압전판(30)은 신장된 길이의 판 형상일 수 있으며, 본 실시예에서는 패턴 마스크(10)를 이동시키는 역할을 한다. 탄성체인 세라믹스 소자로 이루어진 압전판(30)은 전계를 인가하면 분극 방향에 따라서 전계와 직각방향으로 기계적인 신장과 수축이 일어난다. 압전판(30)에 교류전압이 인가되면 기계적 진동이 정현파의 형태로 여진된다. 그 결과 패턴 마스크(10)는 진동을 일으키며 일정 범위 내에서 동일한 주기를 가지고 움직일 수 있다. 본 실시예에서는 100㎛ 주기를 가지고 움직일 수 있다.
따라서 광원(91)이 일정할 때 패턴 마스크(10)가 주기적으로 움직이게 되면 광 디텍터(93)에서는 특정 위치의 이미지를 획득할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 패턴 마스크(10)의 이미지 획득 과정이다. 도 4를 참조하면, 패턴을 3개로 나누어서 이미지를 획득하는 모습이다. 본 발명의 실시예에서는 이러한 이미지 획득을 위해 패턴을 3~10개까지 만들 수 있다. 패턴의 간격이 좁을수록 분해능은 더 좋아지는 관계에 있지만 강도 응답(intensity response) 특성이 감소되기 때문에 측정되는 이미지의 목적에 따라 패턴의 간격이 적절하게 조절될 수 있다.
전원부(50)는 압전판(30)에 교류전압을 인가할 수 있다. 압전판(30)의 길이 방향으로 진행파를 인가할 수 있고, 인가하는 파형에 따라 상기 설명한 바와 같이 압전판(30)의 기계적 진동을 발생시킬 수 있다.
빔 스플리터(97)는 빛의 파장과 빛의 세기에 따라 구조광을 나눌 수 있다. 입사한 구조광은 빔 스플리터(97)를 통과하여 렌즈부(70)로 입사될 수 있다. 빔 스플리터(97)는 구조광의 일부는 반사하고, 다른 부분은 투과하는 반사경 또는 기타의 광학 장치로 이루어질 수 있다. 결정의 복굴절성을 이용하여 진동 방향이 서로 직각인 두 출사광을 얻도록 할 수 있다.
렌즈부(70)는 난반사를 방지하는 편광 렌즈(701), 구조광이 입사되는 음의 곡률을 갖는 오프셋 렌즈(703), 전압으로 초점 거리를 조절할 수 있는 가변 초점 렌즈(705), 구조광의 초점을 모아주는 포커싱 렌즈(707) 및 구조광을 피사체 방향으로 반사시키는 반사 거울(709)을 포함할 수 있다.
렌즈부(70)는 구조광과 피사체 사이에 위치하여, 구조광이 피사체에 도달될 수 있도록 그 경로를 제공하고, 구조광의 초점거리를 조절하여 치아의 이미지 형상을 얻도록 조절될 수 있다.
편광 렌즈(701)는 구조광을 직접적으로 사용하는 경우, 금속 치아에 의해 발생되는 난반사와 반사광 등을 차단시킬 수 있다. 편광 렌즈(701)는 미세한 선을 정밀한 간격(30만개/㎠)으로 배열하여 편광 렌즈(701)를 통과하는 빛의 1/4 파장에 해당하는 일정량만을 받아들일 수 있다. 편광 렌즈(701)는 미세하게 배열된 결 사이로 똑바로 들어오는 빛만을 통과 시켜, 난반사와 금속에 의한 반사광을 막을 수 있다.
오프셋 렌즈(703)는 음의 곡률을 갖도록 구성될 수 있고, 구조광이 입사될 수 있다. 오프셋 렌즈(703)는 구강 스캔 장치(1)의 크기를 줄이기 위해 가변 초점 렌즈(705)에 입사되기 전에 설치될 수 있다. 오프셋 렌즈(703)는 반사된 구조광의 초점 거리를 감소시킬 수 있다.
가변 초점 렌즈(705)는 초점거리가 감소된 구조광이 입사될 수 있고, 가변 초점 렌즈(705)는 전압으로 제어될 수 있다. 가변 초점 렌즈(705)는 액체로 구성될 수 있으며, 액체는 전해액으로 구성될 수 있다.
가변 초점 렌즈(705)는 절연성의 액체와 전도성의 액체로 구성될 수 있으며, 인가되는 구동 전압의 세기에 따라 절연성의 액체와 전도성의 액체의 분포가 달라지며 초점 거리를 가변시킬 수 있다. 가변 초점 렌즈(705)는 인가되는 구동 전압의 세기에 따라 전해액으로 이루어진 인터페이스 곡률을 변화시킬 수 있고, 이를 통해 렌즈의 초점거리를 가변 시킬 수 있다.
가변 초점 렌즈(705)는 전도성의 제1 액체층과 절연성의 제2 액체층 및 전압이 인가되는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 가변 초점 렌즈(705)는, 복수의 전극에 전압이 인가되면 평행하게 배열된 제1 액체층과 제2 액체층이 조절되어 감소된 초점 거리가 제어될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 액체층과 제2 액체층 및 복수의 전극을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 추가적으로 복수의 전도성 액체층과 절연성 액체층 및 저항층이 포함될 수 있다.
제1 액체층과 제2 액체층은 가변 초점 렌즈(705)의 표면과 평행하게 배열될 수 있고, 복수의 전극은 가변 초점 렌즈(705)의 둘레에 배열되어 전압이 인가되면 제1 액체층과 제2 액체층의 내부 구성요소의 배열을 조절할 수 있다.
가변 초점 렌즈(705)를 삽입함으로서, 구강 스캔 장치(1)가 더 콤팩트화 되고 기구적인 움직임을 줄일 수 있는 장점이 있다. 이는 제조비용이 높은 기구적인 액추에이터가 필요 없다는 것 외에 무브먼트(Movement: 기구적인 움직임)가 적어져, 구강 스캔 장치(1)에 먼지가 들어가는 것을 감소 시킬 수 있다. 또한, 글라스(Glass) 렌즈보다 훨씬 가벼우며 효율적인 소비전력, 수 ㎳의 빠른 응답속도를 가질 수 있다.
가변 초점 렌즈(705)는 치아를 정밀하게 스캔하기 위해 적절한 전압으로 초점거리를 조절할 수 있다. 가변 초점 렌즈(705)는 치아의 윗면에서 또는 아랫면에서 스캔을 시작할 수 있도록 조절될 수 있다.
반사 거울(709)은 패턴 마스크(10)를 통과한 구조광을 피사체에 반사시킬 수 있다. 반사 거울(709)의 반사 각도는 45°로 할 수 있다.
광 디텍터(93)는 피사체로부터 반사된 반사광, 즉 빔 스플리터(97)를 통과한 반사광의 이미지를 촬영할 수 있다. 광 디텍터(93)는 촬영된 이미지를 전기적 신호로 변환시켜 처리부(95)에 전송할 수 있다. 광 디텍터(93)는 위상 시프트법이나 공간 코드화법으로 대표되는 비접촉 3차원 측정이 가능한 CMOS 이미지 센서를 사용할 수 있다.
처리부(95)는 광 디텍터(93)에서 촬영된 이미지를 전송받을 수 있다. 처리부(95)는 무선 전송장치를 포함할 수 있고, 이미지를 무선으로 전송받을 수도 있다. 처리부(95)는 광 디텍터(93)에서 촬영된 적어도 하나 이상의 이미지를 전송받을 수 있고, 전송받은 이미지를 정합하여 3차원 이미지로 표현할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1 : 구강 스캔 장치
10 : 패턴 마스크 30 : 압전판
50 : 전원부 70 : 렌즈부
91 : 광원 93 : 광 디텍터
95 : 처리부 97: 빔 스플리터
101 : 투광 라인 103 : 차광 라인
701 : 편광 렌즈 703 : 오프셋 렌즈
705 : 가변 초점 렌즈 707 : 포커싱 렌즈
709 : 반사 거울

Claims (8)

  1. 구조광을 이용하여 치아의 3차원 형상을 정합하는 구강 스캔 장치에 있어서,
    입사된 평행광을 구조광으로 변환시키는 패턴 마스크;
    인가된 교류전압으로 표면에 기계적 진동이 발생되는 압전판; 및
    상기 압전판에 교류전압을 인가하는 전원부;
    상기 구조광이 입사되고 음의 곡률이 형성된 오프셋 렌즈; 및
    상기 구조광을 피사체 방향으로 반사시키는 반사 거울;
    난반사를 방지하는 편광렌즈;
    상기 구조광의 초점을 모아주는 포커싱 렌즈;
    상기 오프셋 렌즈를 투과한 구조광의 감소된 초점 거리를 조절하는 가변 초점 렌즈를 포함하고,
    상기 압전판은 표면에 발생된 기계적 진동으로 상기 패턴 마스크를 압전판의 길이 방향으로 이동시키고, 상기 오프셋 렌즈는 상기 구조광의 초점 거리를 감소시키되,
    상기 패턴 마스크는,
    상기 평행광이 통과되는 투광 라인; 및
    상기 평행광이 차단되는 차광 라인을 구비하고,
    상기 패턴 마스크는 상기 투광 라인과 상기 차광 라인이 교대로 반복 배열되며,
    상기 가변 초점 렌즈는,
    치아의 이미지를 정합하기 위해 상기 피사체로부터 반사되는 반사광을 상기 오프셋 렌즈로 입사시키는 것을 특징으로 하는 구강 스캔 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 가변 초점 렌즈는 전도성의 제1 액체층;
    절연성의 제2 액체층; 및
    전압이 인가되는 복수의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 구강 스캔 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 가변 초점 렌즈는,
    상기 복수의 전극에 전압이 인가되면 평행하게 배열된 상기 제1 액체층과 상기 제2 액체층이 조절되어 상기 감소된 초점 거리가 제어되는 것을 특징으로 하는 구강 스캔 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항, 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 압전판은 PZT(Plumbum Ziconate titanate) 세라믹 소자인 것을 특징으로 하는 구강 스캔 장치.
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