KR101656106B1

KR101656106B1 - 치아 표면 형상 및 색조 촬상용 장치

Info

Publication number: KR101656106B1
Application number: KR1020100051911A
Authority: KR
Inventors: 롱구앙 리앙
Original assignee: 케어스트림 헬스 인코포레이티드
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2016-09-08
Also published as: JP2010279695A; ES2392027T3; CN101904773B; CN101904773A; EP2258254B1; KR20100130559A; EP2258254A1; CN201920703U; JP2016093511A; JP6045676B2; US20100311005A1; US8570530B2

Abstract

제 1 광원으로부터 빛을 수용하는 경우에는 윤곽 줄무늬 투영 패턴을 가지며 제 2 광원으로부터 빛을 수용하는 경우에는 실질적으로 균일한 조명 필드를 갖는 조명 빔을 형성하는 조명 필드 생성기를 구비한 구강 촬상 장치가 개시된다. 조명 빔의 경로 내의 편광자는 제 1 편광 투과 축을 갖는다. 투영 렌즈는 편광된 조명 빔이 치아 표면을 향하게 하며, 촬상 렌즈는 치아 표면으로부터의 빛 중 적어도 일부가 검출 경로를 따르게 한다. 검출 경로를 따라 배치된 편광 선택 소자는 제 2 편광 투과 축을 갖는다. 적어도 하나의 검출기는 편광 선택 소자를 통해 제공된 빛으로부터 이미지 데이터를 입수한다. 제어 연산 프로세서는 프로그래밍된 명령에 반응하여 제 1 및 제 2 광원을 순서에 따라 교대로 활성화시키며 윤곽 줄무늬 투영 데이터 및 컬러 이미지 데이터 모두를 입수한다.

Description

치아 표면 형상 및 색조 촬상용 장치{APPARATUS FOR DENTAL SURFACE SHAPE AND SHADE IMAGING}

본 발명은 개략적으로 화상 진단 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 치아 등의 구조물에 대한 결합형 3차원 형상 및 색조 촬상을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

치아의 형상 및 색조 모두를 정확하게 모델링하는 것은 수복 치의술 및 관련 서비스를 제공하기 위해 중요한 기능이다. 종래에는 치아 윤곽(contour)을 결정하고 치아 색조를 조화시키는 기능이 별도의 작업으로서 수행되었다. 이는 색조 정보를 형상 정보에 정합하거나 양자를 서로 연관시키는 것을 어렵게 한다. 특히 색조 결정에 있어서는 사람의 실수가 개입하기 쉬우며, 전체적인 정확도는 흔히 실무자의 상대적인 경험에 따라 달라진다.

디지털 촬상 기술의 도래와 함께, 치아로부터 표면 윤곽 데이터 및 색조 정보를 얻기 위해 수많은 툴(tool)이 사용 가능하게 되었다. 치아 윤곽을 입수하기 위해 적용되어 온 한 기술은 줄무늬 투영 촬상(fringe projection imaging)이다. 줄무늬 투영 촬상은 패턴광 또는 구조광을 이용하여 다양한 유형의 구조물에 대한 표면 윤곽 정보를 입수한다. 줄무늬 투영 촬상에 있어서, 간섭 격자 또는 간섭 무늬의 선의 패턴이 주어진 방향으로부터 물체의 표면을 향해 투영된다. 그 표면으로부터의 투영된 패턴은 그 후에 윤곽 이미지로서 다른 방향으로부터 관찰되며, 윤곽선의 양상에 기초한 표면 정보를 분석하기 위해 삼각측량을 이용한다. 새로운 위치에서의 추가 측정값을 얻기 위해 투영된 패턴이 공간상에서 증분적으로 시프트되는 위상 시프팅(phase shifting)은 전형적으로 줄무늬 투영 촬상의 부분으로서 적용되며, 표면의 윤곽 매핑(contour mapping)을 완성하기 위해 그리고 윤곽 이미지의 전체 해상도를 증가시키기 위해 사용된다.

줄무늬 투영 촬상은 매우 불투명한 고체 물질의 표면 윤곽 촬상을 위해 사용되며, 인체의 몇몇 부분의 표면 윤곽을 촬상하기 위해 그리고 피부 구조에 대한 상세한 데이터를 얻기 위해 사용되었다. 그러나, 수많은 기술적 장애 요인들로 인해 치아에 대하여 줄무늬 투영 촬상을 효과적으로 사용할 수 없었다. 치아 표면 촬상에서의 한가지 난제는 치아 반투명성과 관련된다. 일반적으로 반투명성 물질은 줄무늬 투영 촬상에 대하여 특히 곤란한 것으로 알려져 있다. 반투명 구조체 내에서의 표면 하 산란(subsurface scattering)이 전체 신호 대 노이즈(S/N) 비율을 감소시키며 광 강도를 시프트시킴으로써, 부정확한 높이 데이터를 야기할 수 있다. 다른 난제는 다양한 치아 표면에 대한 높은 레벨의 반사와 관련된다. 반사가 매우 잘 되는 물질, 특히 중공형 반사 구조체는 이러한 유형의 촬상의 동적 범위를 효과적으로 감소시킬 수 있다.

줄무늬 투영 촬상 전체에 있어서, 전형적으로 명암 대비가 불량하며, 그 주요 요인이 노이즈이다. 명암 대비(contrast)를 향상시키기 위해, 몇몇 줄무늬 투영 촬상 시스템은 윤곽 이미지에서의 노이즈의 양을 줄이기 위한 조치를 취한다. 일반적으로, 줄무늬 촬상 기술을 사용하여 정확한 표면 구조 측정값을 얻기 위해서는 테스트 하의 구조물의 표면으로부터 직접 반사된 빛을 입수하며 표면 아래에 놓인 물질 또는 구조물로부터 반사된 빛을 제거하는 것이 바람직하다. 이것이 반투명 물체의 3차원 표면 스캐닝을 위한 접근법이다.

광학적 관점에서, 치아 자체의 구조가 줄무늬 투영 촬상에 대한 다수의 추가적인 난제를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 치아의 표면 하부를 관통한 빛은 반투명한 치아 물질 내에서 상당한 산란을 거치는 경향이 있다. 또한, 치아 표면 하부의 불투명한 특징부로부터의 반사가 발생하여, 감지된 신호를 열화시키는 노이즈를 부가하며 그에 따라 치아 표면 분석 작업을 복잡하게 한다.

줄무늬 투영을 치아의 윤곽 촬상에 실행할 수 있게 하기 위해 시도되어 온 보정 조치는 치아 표면 자체의 반사 특성을 변경시키는 코팅을 도포하는 것이다. 여기에서, 치아의 상대적인 반투명성에 의해 초래된 문제를 보완하기 위해, 다수의 종래 치아 윤곽 촬상 시스템은 표면 윤곽 촬상 전에 치아 표면에 페인트 또는 반사 분말을 도포한다. 줄무늬 투영 촬상을 위해, 이러한 추가 단계가 치아의 불투명도를 향상시켜서, 상술한 산란광 효과를 감소시키거나 제거한다. 그러나, 이러한 유형의 접근법에도 단점이 있다. 코팅 분말 또는 액체를 도포하는 단계가 치아 윤곽 촬상 처리의 비용 및 시간을 증가시킨다. 코팅층 자체의 두께가 일정한 두께를 가지며 흔히 치아 표면 전체에 걸쳐서 균일하지 않기 때문에, 측정 에러가 쉽게 발생한다. 코팅이 도포되는 경우, 치아의 상대적 반투명도에 대한 어떠한 정보도 입수 가능하지 않다. 나아가, 도포된 코팅은, 윤곽 촬상을 용이하게 하는 반면에, 치아가 갖는 다른 문제를 가리기 쉬우며, 따라서 입수 가능한 정보의 전체 양을 감소시킬 수 있다. 치아에 대한 코팅 또는 다른 유형의 표면 컨디셔닝이 사용된 경우에도, 모든 치아 표면 상에 충분한 양의 빛을 제공하고 그로부터 다시 반사된 빛을 감지하는 것은 여전히 어려울 수 있다. 치아의 여러 표면이 서로에 대하여 90도로 배향될 수 있으며, 이는 코팅의 도포 여부와 무관하게 치아의 모든 부분을 정확하게 촬상하는데 충분한 빛을 유도하기 어렵게 한다.

구조광 표면-프로파일링 기술을 치아 구조 촬상의 난제에 맞춰 개조하려는 시도가 있어 왔다. 예컨대, 매슨(Massen) 등의 "치아의 3차원 측량 방법 및 그를 위한 광학 프로브(Optical Probe and Method for the Three-Dimensional Surveying of Teeth)"란 명칭의 미국 특허 제 5,372,502 호에는 치아 표면으로의 투영을 위한 스트라이프의 패턴을 형성하기 위해 LCD 매트릭스를 사용하는 것이 기재되어 있다. 오키프(O'Keefe) 등에 의한 "3차원 촬상 카메라용 프론트 엔드(Front End for 3-D Imaging Camera)"란 명칭의 미국 특허 공개 제 2007/008662 호에는 다른 접근법이 기재되어 있다. 트리셀(Trissel)의 "구강 스캐닝용 편광 멀티플렉서 및 구강 스캐닝 방법(Polarization Multiplexer and Methods for Intra-Oral Scanning)"이란 명칭의 미국 특허 제 7,312,924 호에는 삼각화(triangularization) 및 편광을 사용하여 치아 표면을 프로파일링하는 방법이 기재되어 있는데, 이는 작업을 위해 형광 코팅의 도포를 필요로 한다. 또한, 파이퍼(Pfeiffer) 등의 "특히 치과용의 표면 구조를 기록하기 위한 3차원 카메라(3-D Camera for Recording Surface Structures, In Particular for Dental Purposes)"란 명칭의 미국 특허 제 6,885,464 호에는 삼각화를 사용하지만 또한 촬상을 위해 치아 표면에 불투명한 분말을 도포할 필요가 있는 치아 촬상 장치가 개시되어 있다.

윤곽 촬상을 용이하게 하는데 도움이 될 수도 있는 분말 또는 다른 표면 코팅의 사용은 동시에 색조 정보가 입수되지 못하게 한다. 따라서, 색조 정보 및 표면 윤곽 정보는 별도로 입수되어야만 하며, 이는 색조 정보 및 형상 정보를 서로에 대하여 정합하기 어렵게 한다.

공초점 촬상(confocal imaging)을 사용하여 하나의 장치로부터 형상 정보 및 색조 정보 모두를 얻는 접근법이 바베이오프(Babayoff)의 "3차원 구조체의 컬러 촬상용 장치 및 방법(Method and Apparatus for Color Imaging a Three-Dimensional Structure)"이란 명칭의 미국 특허 제 7,319,529 호에 기재되어 있다. 숙지된 바와 같이, 수백 장의 치아 이미지가 점증적인 초점 거리에서 촬상되며, 치아 표면 상의 다수의 지점에 대한 표면 윤곽의 측정 기준으로서 상대적인 화소 강도(pixel intensity)가 사용된다. 이와 같이 입수된 컬러 및 농도 데이터는 치아의 형상 및 색조를 입수하여 표시하기 위해 결합된다.

공초점 촬상법이 몇몇 장점을 가질 수도 있으나, 이러한 방법을 사용하는 데에는 단점도 존재한다. 그러한 접근법에는 사용된 화소 해상도에 따라 상당한 이미지 처리 리소스(image processing resources)가 필요할 수 있다. 이러한 처리가 접속된 호스트 컴퓨터 또는 프로세서에서 외부적으로 이루어진 경우, 공초점 장치용 호스트 컴퓨터 또는 프로세서에 전송된 필요한 양의 데이터로 인해 총비용이 상당히 많을 수 있다. 또한, 광학적 구성요소 및 설계와 관련된 단점이 존재한다. 광로 요건은 형상 측정을 위해 효율적이고 유용한 것과 치아 색조를 효과적으로 측정하기 위해 필요한 것 사이에 차이가 있다. 공초점 촬상은 텔레센트릭(telecentric) 조명 및 촬상 경로를 필요로 함으로써 촬상 장치의 시계를 제한한다.

정확한 치아 표면 윤곽 촬상 및 색조 데이터를 제공하는 장치 및 방법은 수복 치의술의 속도를 높이는데 도움이 될 수 있으며, 치관, 임플란트, 기타의 수복 구조물을 위한 틀 또는 다른 표면 프로파일을 입수하기 위한 것과 같은 종래의 방법의 고유 비용이나 불편함을 낮추는데 도움이 될 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 목적은 특히 구강 촬상 적용을 위한 화상 진단 기술을 향상시키는 것이다.

이러한 목적을 염두에 두고, 본 발명은, 제 1 광원으로부터 입사광을 수용하는 경우에는 윤곽 줄무늬 투영 패턴을 가지며 제 2 광원으로부터 입사광을 수용하는 경우에는 실질적으로 균일한 조명 필드를 갖는 조명 빔을 형성하도록 구동 가능한 공간 광 변조기를 구비하는 조명 필드 생성기(illumination field generator)와, 조명 필드 생성기로부터 사출된 조명 빔의 경로 내에 배치되며, 제 1 편광 투과 축(polarization transmission axis)을 갖는 편광자(polarizer)와, 편광된 조명 빔을 입사 조명으로서 치아 표면을 향하게 하도록 배치된 투영 렌즈와, 치아 표면에서 입사 조명으로부터 반사 및 산란된 빛 중 적어도 일부가 검출 경로를 따르게 하도록 배치된 촬상 렌즈와, 검출 경로를 따라 배치되며 제 2 편광 투과 축을 갖는 편광 선택 소자(polarization-selective element)와, 편광 선택 소자를 통해 제공된 빛으로부터 이미지 데이터를 입수하도록 검출 경로를 따라 배치된 적어도 하나의 검출기와, 프로그래밍된 명령에 반응하여, 제 1 및 제 2 광원을 순서에 따라 교대로 활성화시키며 적어도 하나의 검출기로부터 윤곽 줄무늬 투영 데이터 및 컬러 이미지 데이터 모두를 입수하는 제어 연산 프로세서를 포함하는 구강 촬상 장치를 제공한다.

본 발명의 특징은 치아 윤곽 촬상의 과제에 대해 변화하는 휘도의 줄무늬 투영 양식에 따른 적합한 편광 및 파장의 빛을 적용한다는 것이다.

본 발명의 장치 및 방법이 제공하는 장점은 향상된 치아 표면의 촬상 및 종래의 윤곽 촬상 방법에 비해 상대적으로 낮은 비용으로 치아 색조 정보를 입수하는 것이다. 종래의 방법과는 다르게, 윤곽 촬상을 위한 예비 단계로서 치아에 분말 또는 다른 불투명한 물질을 도포할 필요가 없다.

이들 목적은 단지 설명을 위한 예로써 주어지며, 그러한 목적은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 대한 예일 수도 있다. 본 발명에 의해 고유하게 성취되는 다른 바람직한 목적 및 장점은 당업자에게 명백하게 되거나 당업자가 인식할 수도 있다. 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된다.

본 발명의 상술한 목적, 특징 및 장점과 기타의 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면의 요소는 서로에 대하여 반드시 일정한 비율을 갖는 것은 아니다.

도 1은 치과 보철물을 제공하기 위한 순서에서 본 발명의 촬상 장치 및 방법의 역할을 나타내는 작업 흐름도,
도 2a는 치아에 입사하는 조명의 파장에 따른 침투력을 나타내는 도면,
도 2b는 상이한 파장을 갖는 반사 및 산란된 빛의 상대적인 강도를 나타내는 개략도,
도 3은 일 실시예에 따른 구강 촬상 시스템의 구성요소를 나타내는 블록도,
도 4는 치아 또는 다른 구조물에 대한 결합된 형상 및 색조 정보를 입수하기 위한 연산 흐름도,
도 5는 일 실시예에서 결합된 형상 및 색조 정보를 입수하기 위한 촬상 장치의 개략도,
도 6a는 편광형 줄무늬 투영 촬상 장치의 편광자에 평행한 편광 축을 갖는 검광자의 용도를 나타내는 블록도,
도 6b는 편광형 줄무늬 투영 촬상 장치의 편광자에 수직인 편광 축을 갖는 검광자의 용도를 나타내는 블록도,
도 7a는 치아에 입사하는 조명의 편광에 따른 반사 및 산란을 나타내는 도면,
도 7b는 입사 조명으로부터의 반사광 및 산란광의 상대적인 강도를 나타내는 도면,
도 8a는 공통 편광을 검출하는 경우 입수된 빛의 구성요소를 나타내는 도면,
도 8b는 교차 편광을 검출하는 경우 입수된 빛의 구성요소를 나타내는 도면,
도 9는 다수의 검출기를 사용하는 실시예에서 결합된 형상 및 색조 정보를 입수하기 위한 촬상 장치의 개략도,
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 조명 필드 생성기를 나타내는 개략도,
도 11a 내지 도 11c는 윤곽이 있는 표면을 갖는 촬상 필드의 부분에 걸친 향상된 촬상을 위해 증가된 휘도가 어떻게 적용될 수 있는지를 나타내는 개략도,
도 12a 및 도 12b는 일 실시예에서 윤곽 촬상을 위해 생성된 예시적인 투영광 패턴을 나타내는 도면,
도 13은 윤곽 보정 이미지를 입수하기 위한 순서를 나타내는 연산 흐름도.

2009년 4월 16일 출원되며 통상적으로 양도된 "편광 줄무늬 투영을 이용한 치아 표면 촬상"(리앙)이란 명칭의 미국 특허 출원 제 12/424,532 호를 참조한다.

본 명세서에 제공된 도면은 본 발명에 따른 작업 및 구성요소 관계의 기본 원리를 각각의 광로에 따라 설명하기 위해 주어진 것이며, 실제 크기 또는 비율을 나타낼 의도로 도시된 것은 아니다. 기본적인 구조적 관계 또는 작동의 원리를 강조하기 위해 일부 과장이 필요할 수도 있다. 예컨대 동력 제공, 포장, 시스템 광학 소자의 장착 및 보호 등을 위한 보조 구성요소와 같이, 기재된 실시예의 실시에 필요할 수 있는 몇몇 종래의 구성요소는 발명 자체에 대한 설명을 단순화하기 위해 도면에 도시되지 않았다. 이하의 설명 및 도면에서, 유사한 구성요소에는 유사한 도면부호를 부여하였으며, 이미 기술된 구성요소 및 장치 또는 구성요소의 상호 작용에 관한 유사한 설명은 생략된다.

본 명세서의 맥락에서, "줄무늬 패턴 조명(fringe pattern illumination)"의 용어는 줄무늬 투영 촬상 또는 "윤곽" 촬상에 사용되는 구조화된 조명의 유형을 기술하기 위해 사용된다. 줄무늬 패턴 자체는, 패턴 특징으로서, 피조사면에 걸쳐 분포되며 사전 결정된 공간 주파수를 갖는 다수의 선, 원, 곡선 또는 기타의 기하학적 형상을 포함하며, 일정한 주기로 반복된다.

구조화된 조명의 패턴에 있어서 빛의 선 또는 다른 특징 중 두 부분은 그들의 투영된 선의 폭이 일정 길이의 선에 걸쳐서 ±15% 이하의 범위 내에서 동일한 경우 실질적으로 "치수적으로 균일한(dimensionally uniform)" 것으로 여겨질 수 있다. 보다 상세히 후술되는 바와 같이, 균일한 공간 주파수를 유지하기 위해 구조화된 조명의 패턴의 치수적인 균일성이 요구된다.

본 명세서의 맥락에서, "실질적으로 균일한" 광 빔은 그 필드에 걸쳐서 시각적으로 인식할 수 있는 강도의 변화를 나타내지 않는다.

작업 흐름

본 발명에 의해 다루어지는 문제를 보다 충분하게 이해하기 위해, 본 발명의 장치 및 방법이 치관(crown) 또는 다른 컬러 매칭된 치과 보철물을 설계, 제작 및 설치하기 위한 전체 작업 흐름에 어떻게 도움이 되는가를 숙고하는 것은 유익하다. 도 1의 작업 흐름도를 참조하면, 이와 같은 처리는 현존하는 치아 표면의 적절한 형상 및 색조를 결정하는데 이용되는 이미지를 입수하는 이미지 캡처 단계(S160)로 시작된다. 줄무늬 투영 이미지는 형상 구성 단계(S164)에서 3D 형상 정보를 생성하는데 사용된다. 상이한 조명 파장을 갖는 단색 이미지 또는 컬러 이미지는 색조 추출 단계(S168)에서 필요한 컬러 정보를 제공하는데 사용된다. 그 후에, 컬러 3D 이미지 생성 단계(S170)는 결합된 색조 및 형상 데이터를 사용하여 컬러 이미지를 형성한다. 그리고, 보철물 구체화 단계(S174)는 치관 또는 다른 치과 보철물의 재료 및 다른 특징을 구체화하기 위해 그 정보 및 다른 정보를 사용한다. 프로토타이핑(prototyping) 단계(S178)는, 예컨대 컬러 화상 표시 장치에서와 같이, 보철 기구의 시각화를 가능케 한다. 치과 의사가 견본을 승인하는 고객 승인 단계(S180)가 후속된다. 일단 승인되면, 제작 단계(S182)가 진행되어 색조 및 형상 데이터와 그로부터 생성된 프로토타이핑 정보를 사용한다. 그 후에, 치관 또는 다른 치과 기구를 환자에게 끼워서 필요한 간단한 조정을 수행하는 설치 단계(S188)가 후속된다. 마지막으로, 점검 단계(S190)가 수행된다.

도 1에 개략적으로 나타낸 작업 흐름 동안, 본 발명은 주로 이미지 캡처 단계(S160), 형상 구성 단계(S164), 색조 추출 단계(S168) 및 후속되는 컬러 3D 이미지 생성 단계(S170)에 관여한다.

일반적으로, 형상 구성 단계(S164) 동안 치아로부터 윤곽 정보를 입수하는 문제는 색조 추출 단계(S168)에서 컬러 이미지를 입수하기 위한 요건과 반대될 수도 있는 기술 및 접근법을 필요로 한다. 예컨대, 윤곽 촬상은 그레이 레벨 출력(gray level output)을 사용하기 때문에 다색 광원보다는 단색 광원을 사용하여 가장 잘 작동되고, 구조광 패턴을 위한 협대역의 파장의 사용에 의해 줄무늬 패턴 검출을 단순화하며 예컨대 산재하는 주변광(ambient light)의 영향을 본질적으로 감소시킨다. 특히 치과 촬상에 대하여, 치아의 반투명성 및 그에 따른 산란(파장마다 달라짐)으로 인해 치아의 윤곽 촬상을 위해서는 상대적으로 짧은 파장의 빛이 다른 빛보다 유리하다는 것을 발견하였다. 줄무늬 투영 촬상과 색조 촬상 사이의 추가적인 차이점은, 아래에서 상세하게 기술되는 바와 같이, 각 유형에 유리한 광 강도의 균일성에 관련된다.

치아에 대해 산란하는 빛에 대한 파장의 영향이 도 2a와 그에 대응하는 도 2b의 그래프에 도시되어 있다. 도 2a는 치아(20)를 향하는 3개의 상이한 파장(λ1, λ2, λ3)을 나타낸다. 가장 짧은 파장(λ1)이 가장 적은 거리만큼 치아를 침투한다. 그 다음으로 긴 파장(λ2)이 그보다 치아를 침투한다. 마지막으로, 가장 긴 파장(λ3)이 가장 먼 거리까지 치아를 침투한다. 도 2b의 그래프는 산란이 어떻게 각 파장으로부터 치아 표면 상의 빛의 풋프린트(footprint)에 영향을 미치는가를 나타낸다. 파장이 길면 길수록, 풋프린트는 넓어지며, 이는 보다 많은 측정 에러를 초래한다. 파장(λ1)은 예컨대 350㎚ 내지 500㎚ 범위의 자외선 근처 또는 청색광일 수 있다. 파장(λ2)은 예컨대 500㎚ 내지 700㎚ 범위의 녹색광일 수 있다. 파장(λ3)은 예컨대 700㎚ 또는 그 이상의 적색광 또는 적외선일 수 있다. 따라서, 350㎚ 내지 500㎚ 범위의 자외선 부근 또는 청색광은 치아 구조체 내로 가장 적게 침투하기 때문에 일 실시예에서 줄무늬 투영 촬상에 적합한 것으로 판명된다.

도 3의 개략도는 하나 이상의 치아(20)에 대한 표면 윤곽 및 색조의 이미지를 형성하기 위한 프로브(120)를 갖는 촬상 장치(100)를 구비한 구강 촬상 시스템(42)을 도시한다. 일반적으로 컴퓨터 워크스테이션 또는 다른 전용 연산 프로세서인 호스트 프로세서(134)가 촬상 장치(100)로부터 데이터를 수집하여 처리하며, 일반적으로 이 정보를 화상 표시 장치(38)에 제공한다. 휴대용 프로브(120)는 거의 불쾌함 없이 환자의 구강 내에 용이하게 위치 설정될 수 있다. 프로브(120)는 유선 또는 무선 데이터 통신 채널에 의해 호스트 프로세서(134)와 통신한다.

도 4의 연산 흐름도는 일 실시예에서 표면 윤곽 및 색조의 결합된 이미지를 얻기 위해 사용되는 단계를 나타낸다. 위치 설정 단계(S200)에서, 조작자가 프로브(도 3 참조)를 환자의 구강 내에 위치 설정한다. 그 후에 서로 정합될 수 있는 컬러 및 윤곽 정보를 입수하기 위해 형상 촬상 단계(S210) 및 색조 촬상 단계(S220)가 연이어 실행된다. 서로에 대한 2가지 유형의 이미지의 정합(registration)은 촬상 기술에 관련된 당업자에게 공지된 다수의 기술 중 임의의 것을 사용할 수 있으며, 예컨대 2가지 유형의 이미지 각각 내에서 명확하게 드러나는 또는 용이하게 확인할 수 있는 특징의 검출을 수반할 수도 있다.

다시 도 4를 참조하면, 단계(S210) 및 단계(S220)는 어느 순서로도 실행될 수 있다. 일 실시예에서, 색조 촬상 단계(S220)가 먼저 실행되고, 그 결과가 즉시 후속되는 형상 촬상 단계(S210)의 효율을 조절하는데 사용된다. 이러한 특정 유형의 순서의 사용은 아래에서 상세하게 기술된다. 결합 단계(S230)에서, 윤곽 및 색조 데이터 모두를 갖는 단일 이미지가 입수될 수 있도록 전단계로부터 색조 및 형상 정보가 결합되고, 화상 표시 및 저장 단계(S240)에서 표시 및 저장된다.

도 5의 개략도는 줄무늬 투영 및 색조 이미지 모두를 입수하도록 구성된 촬상 장치(100)의 일 실시예를 나타낸다. 조명 필드 생성기(112)는 줄무늬 투영 촬상 및 컬러 촬상 모두에 필요한 조명을 형성하도록 활성화될 수 있다. 줄무늬 투영 촬상을 위해, 조명 필드 생성기(112)가 일정 패턴의 특징부를 형성하는데, 이는 가변적인 강도를 가질 수도 있다. 컬러 촬상을 위해, 조명 필드 생성기(112)는 광대역 스펙트럼을 갖는 실질적으로 균일한 필드를 생성하거나, 또는 상이한 파장을 갖는 2 이상의 순차적인 동시에 균일한 필드를 생성한다. 조명 필드 생성기(112)의 내부 구성요소 및 작동은 아래에서 상세하게 기술된다.

다시 도 5를 참조하면, 조명 필드 생성기(112)로부터의 조명은 편광자(14)를 통하도록 지향되며, 입사 조명으로서 투영 렌즈(16)를 통해 치아(20)로 지향된다. 치아(20)로부터 반사 및 산란된 빛은 촬상 렌즈(22), 및 검광자(analyzer)(28)와 같은 편광 선택 소자를 통해 검출기(30)에 제공된다. 검출기(30)는, 촬상 렌즈(22)의 이미지 평면에, 검출 경로(88)를 따라 배치된다. 제어 연산 프로세서(34)는 검출기(30)로부터 이미지 데이터를 수신하여 처리하고, 이미지 데이터를 호스트 프로세서(134)(도 3 참조)에 전송하며, 후술하는 바와 같이, 그 프로세서(34) 자체의 작동을 제어하기 위해 이미지 데이터를 사용할 수도 있다.

줄무늬 투영 촬상

촬상 장치(100)는 컬러 촬상 직전 또는 직후에 단계(S210)(도 4 참조)에서 줄무늬 투영 촬상을 수행하기 위해 사용된다. 제어 연산 프로세서(34)(도 5 참조)는 이러한 기능을 위한 촬상 장치(100)의 구성요소를 설정하며, 검출기(30)에서 치아로부터의 윤곽 이미지 데이터를 입수한다. 일 실시예에서, 줄무늬 투영 촬상을 위해 사용되는 조명은 350㎚ 내지 450㎚ 범위 내의 청색광이다.

줄무늬 투영 촬상 동안의 제어 연산 프로세서(34)의 한가지 기능은 줄무늬의 위치를 증분적으로 시프트시키며, 검출기를 개시시켜서 치아 표면에 관한 3차원 정보를 계산하는데 사용되는 이미지를 캡처하는 것이다. 위상 시프팅 줄무늬 투영법에 있어서, 물체의 3차원 정보를 계산하는데 충분한 정보를 제공하기 위해 일반적으로 적어도 3장의 이미지가 필요하다. 이들 3장의 투영된 이미지를 위한 줄무늬의 상대 위치는 일반적으로 줄무늬 주기의 1/3만큼 시프트된다. 제어 연산 프로세서(34)는 컴퓨터, 마이크로프로세서, 또는 프로그래밍된 명령을 실행하는 다른 전용 연산 처리 장치일 수 있다.

도 5의 구강 촬상 장치(100)는 치아(20)의 표면 촬상을 위해 편광을 사용한다. 편광자(14)는 조명 필드 생성기(112)로부터의 줄무늬 패턴 조명을 선형 편광(linearly polarized light)으로 제공한다. 일 실시예에서, 검광자(28)의 투과 축은 편광자(14)의 투과 축에 평행하다. 이러한 배열을 사용하면, 오직 줄무늬 패턴과 동일한 편광을 갖는 빛만이 검출기(30)에 제공된다. 다른 실시예에서, 검출기(30)로의 반사광의 경로 내에 있는 검광자(28)는 액추에이터(18)에 의해 필요에 따라 하기의 2가지 배향 중 하나로 회전된다.

(a) 그 중 하나는 편광자(14)와 동일한 편광 투과 축의 배향이다. 이러한 "공통 편광(co-polarization)" 위치에서, 검출기(30)는 치아(20)의 표면으로부터 반사된 정반사광과, 치아(20)의 에나멜 면의 표면층으로부터 산란 및 반사된 빛의 대부분 뿐만 아니라, 치아의 표면 아래 부분으로부터 다시 산란된 빛의 일부를 얻는다. 검광자(28) 축의 공통 편광 배향은 도 6a에 도시되어 있다. 평행 또는 공통 편광은 다른 구성에 비해 향상된 명암 대비를 제공한다.

(b) 다른 하나는 편광자(14)에 대해 수직인 편광 투과 축의 배향이다. 수직 편광 또는 교차 편광을 사용하면, 치아 표면으로부터의 정반사 성분을 감소시키고 치아의 내부 부분으로부터의 산란광을 보다 많이 입수하는데 도움이 된다. 검광자(28) 축의 교차 편광 배향은 도 6b에 도시되어 있다.

촬상 시스템 및 센서에 의해 치아가 촬상되는 경우, 센서가 이용 가능한 빛은 (i) 치아 상면으로부터 반사된 빛, (ⅱ) 치아의 표면 근접 부피 또는 부분으로부터 산란 또는 반사된 빛 및 (ⅲ) 치아 내부에서 산란된 빛일 수 있다. 본 명세서의 맥락에서, 치아의 "표면 근접 부피(near-surface volume)"는 표면의 수백 마이크로미터 이하의 범위 내에 있는 치아 구조체의 부분이다.

치아 표면으로부터 반사된 빛(i), 즉 정반사광은 입사광의 편광 상태를 유지하는 것으로 알려져 있다. 입사광이 치아 내로 더 전파됨에 따라, 빛은 점점 편광 해소된다(depolarized).

불리하게도, 윤곽 패턴을 위한 (i)의 빛 중 일부는 치아 표면 중 상대적으로 반사가 더 잘되는 부분에 입사되어 광 검출을 악화시키는 포화(saturation)를 일정량 야기할 수도 있다. 치아로부터의 모든 빛을 사용하는 종래의 접근법과 비교하여, 본 발명의 방법은 정반사광(i) 및 표면 근접 반사광(ⅱ) 양자 모두 중 적어도 일부를 사용하며, 치아 내부 깊은 곳에서 산란된 빛을 회피한다. 특히 청색광 및 보다 짧은 파장의 표면 근접 광(ⅱ)은 여전히 실질적으로 편광되어 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 예컨대 치아 에나멜의 표면층으로부터 산란 및 반사된 빛 중 대부분은 입사광 및 정반사광(i)과 동일한 편광 상태를 갖는다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 장치 및 방법이 치아의 표면 바로 아래로부터 산란된 표면 근접 광을 사용하는 이유를 나타낸다. 도 8a 및 도 8b는 평행 편광을 사용하는 경우와 교차 편광을 사용하는 경우의 차이를 나타낸다. 작은 치수를 갖는 편광(PO)이 치아를 조명하는 경우, 일부의 빛(P1)은 치아로부터 정반사 방식으로 반사되며 조명광(PO)과 동일한 편광 상태를 갖는다. 조명광(PO)의 나머지 부분은 치아 내로 침투하여 산란되며, 편광 해소된다. 산란광 중 일부(P2)는 조명 영역 근처의 치아 표면을 벗어나며 검출기(30)(도 5 참조)에 도달할 수 있다.

의미심장하게, 선 두께와 같은 구조광의 패턴 특징의 치수와 관련된 산란광(P2)의 공간적인 "풋프린트(footprint)"는 반사광(P1)의 대응하는 공간적인 풋프린트에 비해 증가를 나타낸다. 예컨대, 구조광 패턴이 일정한 두께의 평행선의 빛으로 구성되는 경우, 이러한 패턴 특징으로부터의 반사광(P1)은 투영된 패턴과 실질적으로 동일한 두께의 선을 갖는다. 그러나, 산란광(P2)은 약간 증가된 두께의 선으로서 검출된다. 즉, 빛(P2)은 치아 내부에서 산란되었기 때문에, 치아 표면상의 투영된 풋프린트는 입사광으로서 투영된 조명 빔과 동일한 크기의 정반사된 빛의 풋프린트보다 넓다. 도 7b의 그래프는 치아 표면으로부터의 빛(P1)의 풋프린트와 치아 내부로부터의 빛(P2) 사이의 차이점을 나타낸다. 발생할 수 있는 측정 에러를 감소시키기 위해, 치아 내부로부터 검출되는 빛은 최소화되어야만 한다. 발명자는 편광이 치아 표면으로부터의 정반사광(P1)과 치아 내부로부터의 산란광을 구별하기 위한 효과적인 판별 장치를 제공하는 동시에 여전히 산란광(P2)의 일부를 이용한다는 사실을 발견하였다.

도 5의 실시예에 대하여, 하나 이상의 공간 광 변조기가 조명 필드 생성기(112)의 일부로서 사용되어, 후술되는 바와 같이, 편광형 줄무늬 투영 촬상을 위해 필요한 시프팅 동작을 제공한다. 줄무늬 패턴 자체는 촬상 동안 적어도 하나의 추가의 교호적인 위치, 보다 바람직하게는 2 이상의 교호적인 위치로 시프트된다. 이러한 광 패턴의 시프팅은 별도의 액추에이터(도 5에 도시되지 않음)에 의해 야기될 수 있는데, 이 액추에이터는 압전식 또는 다른 유형의 액추에이터로서 정밀 증분 운동을 위한 조명 필드 생성기(112)의 부분이다. 선택적으로, 조명 필드 생성기(112)가 공간 광 변조기를 사용하는 경우, 이러한 시프팅은 조명 필드 생성기(112) 내의 부품의 기계적인 운동 없이 전자기적으로 수행될 수 있다. 또한, 공통 편광 이미지 및 교차 편광 이미지 모두를 입수하기 위해, 편광자(14) 또는 검광자(28)(도 5에 도시된 바와 같음)를 90도로 회전시키기 위한 다른 액추에이터가 배치될 수 있다. 또한, LCD 공간 광 변조기를 사용하는 경우 편광은 각각의 수직인 위치로 회전될 수 있다.

색조 촬상

줄무늬 투영 촬상의 직전 또는 직후에, 촬상 장치(100)는, 도 5와 관련하여 기술된 동일한 광로 구성요소를 사용하여, 컬러 이미지 또는 컬러 이미지를 형성하는 상기한 조명 파장을 갖는 다수의 단색 이미지를 입수한다. 조명 필드 생성기(112)는 윤곽 특징부의 패턴보다는 실질적으로 균일한 조명 필드를 형성한다. 빛은 적색(약 630㎚ 내지 700㎚) 광원, 청색(약 440㎚ 내지 480㎚) 광원 및 녹색(약 500㎚ 내지 540㎚) 광원으로부터의 다색광이다. 이 조명은 다시 편광자(14)에 의해 편광되어 치아(20)에 투영된다. 치아(20)로부터 반사된 빛은 검광자(28)를 통하도록 지향되는데, 이 검광자(28)는 교차 편광 배향, 즉 도 6b 및 도 8b에 관하여 기술된 바와 같이 편광자(14)의 편광 투과 축에 수직인 편광 투과 축을 갖는 상태로 위치 설정될 수 있다. 이러한 배향은 검출기의 포화를 야기할 수 있는 정반사광을 감소시키는데 도움이 될 수 있으므로 유익하다. 선택적으로, 검광자(28)는 공통 편광 배향, 즉 도 6a 및 도 8a에 관하여 기술된 바와 같이 편광자(14)의 편광 투과 축과 평행한 편광 투과 축을 갖는 상태로 위치 설정될 수 있다.

도 5의 실시예에서 도시된 바와 같은 단일 검출기(30)의 사용은 적은 부품수, 및 줄무늬 투영 촬상 및 색조 촬상 모두를 위한 동일한 이미지 경로 및 구성요소의 사용이라는 점에서 유리하다. 그러나, 본 실시예는 몇몇 조건 하에서 주변광에 다소 민감할 수 있다.

도 9의 개략적인 블록도는, 줄무늬 투영 이미지 및 컬러 이미지 모두를 입수하며 이미지 캡처 사이에 편광자(14) 또는 검광자(28)를 회전시킬 필요 없이 공통 편광 및 교차 편광 상태의 빛을 입수하는 구강 촬상 장치(140)의 일 실시예를 도시한다. 별도의 검광자는 필요하지 않다. 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter)(36)가 검출 경로(88) 내의 편광 선택 요소로서 기능하여 반사광과 산란광을 분리하며, 교차 편광된 빛을 검출기(30b)에 반사시키고 공통 편광된 빛을 검출기(30a)에 전송한다. 양 편광 상태의 빛을 모두 사용할 수 있기 때문에, 구강 촬상 장치(140)는 형상 및 색조 측정을 위해 보다 많은 정보를 입수할 수 있다. 청색 투과 필터(90)는 선택적이며, 주변 조명이 검출 경로(88)로부터 달리 방해되지 않는 경우에 필요할 수도 있다. 일 실시예에서, 필터(90)는 350㎚ 내지 500㎚의 빛을 투과시킨다.

본 명세서에 기술된 검출기(30, 30a, 30b)는 다수의 유형의 이미지 감지 어레이 중 하나, 예컨대 CCD 디바이스와 같은 장치일 수 있다. 편광자 및 검광자는 와이어 그리드(wire-grid)형이거나 또는 다른 편광자 타입일 수 있다.

조명 필드 생성기(112)

도 10은 윤곽 촬상에 사용되는 줄무늬 투영 패턴과 색조 촬상에 사용되는 균일한 조명 필드 모두를 형성하기 위한 조명 필드 생성기(112)의 일 실시예를 도시한다. 도 10의 실시예에서, 줄무늬 투영 촬상용의 광원으로서 광원(80)이 사용된다. 단색 광원(80)은 발광 다이오드(LED) 또는 레이저와 같은 고체 상태 광원이거나, 또는 램프 등의 광원일 수 있다. 350㎚ 내지 400㎚ 범위의 자외선 근처의 빛 또는 청색광은 상술한 바와 같이 치아의 표면 근접 부분으로부터의 활용 가능한 이미지 정보를 제공하기 위해 사용된다. 이색성(dichroic) 표면(92)은 광원(80)으로부터의 파장 350㎚ 내지 400㎚의 빛을 렌즈 또는 다른 광학 소자(82)로 투과한다. 도 10의 실시예에서 광원(81r, 81g, 81b)을 포함하는 것으로 도시된 다색성 광원(78)은 색조 촬상을 위해 필요한 다색 조명을 제공한다. 일 실시예에서, 광원(81r, 81g, 81b)은 각각 적색, 청색 및 녹색 LED이며, 컬러 이미지를 입수하기 위해 동시에 또는 순차적으로 활성화된다. 다른 실시예에서는, 상이한 파장 대역을 갖는 고체 상태 광원과 같이, 대체 컬러 또는 상이한 수의 컬러 광원이 사용될 수도 있다. 선택적으로, 백색광 LED와 같은 단일의 백색 광원, 램프, 유기 LED(OLED), 또는 하나 이상의 레이저나 다른 고체 상태의 발광소자 또는 다른 광원이 광원(78)으로부터의 다색 조명을 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 이색성 표면(92)은 광원(78)으로부터의 다색광을 광학 소자(82) 쪽으로 반사시킨다.

광원(80)은 선택적으로 광대역 광원일 수 있으며, 줄무늬 투영 이미지를 입수하기 위해 조명 경로 내에 또는 검출 경로(88)를 따라, 또는 조명 경로 및 검출 경로 양자 모두 내에 필터가 제공될 수도 있음을 유의해야만 한다. 선택적인 실시예에서, 단일 광대역 광원은 줄무늬 촬상 및 색조 촬상 모두를 위해 사용되고, 가동성 필터는 모터 또는 다른 액추에이터에 의해 줄무늬 투영 촬상 동안에는 적소에 위치 설정되며 색조 촬상 동안에는 조명 경로로부터 제거된다.

다시 도 10을 참조하면, 조명 빔을 형성하기 위해 공간 광 변조기(84)가 제공된다. 일 실시예에서, 공간 광 변조기(84)는 예컨대 미국 텍사스주 달라스의 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)로부터의 디지털 라이트 프로세서(Digital Light Processor; DLP^TM)와 같은 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)이다. 액정 디바이스(LCD) 또는 다른 전자적으로 제어되는 광 변조기가 선택적으로 사용될 수도 있다. 줄무늬 투영 촬상을 위해, 공간 광 변조기(84)는 단색 광원(80)으로부터의 조명을 사용하여 구조광의 특징화된 줄무늬 투영 패턴을 형성한다. 색조 촬상을 위해, 공간 광 변조기(84)는 치아로 지향되는 실질적으로 균일한 필드의 빛을 형성한다.

공간 광 변조기(SLM)는 조명 빔의 성형 및 윤곽 줄무늬 패턴의 형성을 위한 다수의 장점을 제공한다. 일 장점으로서, 광 강도에 대한 공간 광 변조기의 화소 기반형 제어는 투영된 빔 또는 패턴의 비균일성에 대한 보정을 가능케 한다. 이러한 능력에 의해 공간 광 변조기는 예컨대 에이징(aging) 등으로 인한 광원의 비균일성을 보정할 수 있다. 공간 광 변조기는 투영된 조명 패턴을 윤곽 촬상 또는 색조 촬상을 위해 동적으로 변경할 수 있다. 예컨대, 윤곽 데이터를 입수하기 위해 사용된 것과 상이한 패턴 또는 동일한 패턴을 사용하여 색조 측정용으로 패턴화된 조명 빔을 형성하는 것이 유리할 수도 있다. 또한, 공간 광 변조기는 하나 이상의 선의 광원 또는 하나 이상의 점 광원을 제공하는데 사용될 수 있으며, 이는 반투명성 측정을 위해 유리할 수도 있다.

적응형 줄무늬 투영 촬상

상술한 배경기술에서 언급한 바와 같이, 치아의 뚜렷한 윤곽은 서로에 대해 급격하게 경사져 있는 면을 포함함으로써, 각 면으로 충분한 빛을 유도하는 과제를 어렵게 만든다. 그 결과, 치아의 일부 표면은 충분한 3차원 정보를 제공하지 않을 수도 있다. 도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 치아(20)의 후면(26)에 대한 이러한 문제가 도시되어 있다. 촬상 장치(10)로부터의 패턴광은, 도 11b에 도시된 바와 같이, 치아(20) 상에 윤곽 검출용 줄무늬 패턴(44)을 생성한다. 줄무늬 패턴(44)은, 영역(52)에 걸쳐 개략적으로 도시된 바와 같이, 상면(46)에 걸친 3D 이미지 정보를 입수하기에 충분히 밝지만, 치아(20)의 후면(26)에 대응하며 상대적으로 어두운 영역(54)으로 도시된 배면 영역은 매우 희미하게 비춰져 있다. 이에 의해 후면(26)의 윤곽에 대해서는 기껏해야 정밀하지 않은 추정만이 허용된다.

종래의 줄무늬 투영 패터닝 기술을 사용하여 이러한 휘도 부족을 보정하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 일정한 영역에 걸쳐 투영된 줄무늬 패턴 조명의 광 강도를 선택적으로 증가시킨다. 도 11c에서, 상대적인 광 강도에 의해 구별되는 2개의 상이한 영역을 갖는 줄무늬 패턴(50)이 도시되어 있다. 줄무늬 패턴(50)에서, 윤곽 촬상을 위해 보다 용이하게 접근할 수 있는 상면(46)과 같은 면의 줄무늬 투영 촬상을 위해 제 1 강도(56)가 제공된다. 치아의 배면 영역을 위해 제 2 강도(58)가 제공되는데, 이 제 2 강도는 도 11c에서 상대적으로 어두운 선으로 표시되며 도시된 예에 대하여 제 1 강도(56)보다 높은 강도이다. 본 예에서의 패턴 특징인 투영된 윤곽선의 실제 패턴 특징 간격 및 두께는 본 실시예에서 변경되지 않음을 주의해야 한다. 줄무늬 패턴의 동일한 공간 주파수가 유지된다. 이는 윤곽 패턴, 즉 줄무늬 패턴(50)은 치수적으로 균일하며, 각각의 선 또는 다른 패턴 특징부는 치수 또는 간격(주기)보다는 오직 강도에 있어서만 변화됨을 의미한다. 하나 이상의 영역에 걸친 줄무늬 패턴 조명의 상대적인 강도만이 필요한 경우에 증가된다. 예컨대, 구조광 줄무늬 패턴(50) 내의 임의의 한 선을 따라서, 도 11c에서 제 1 및 제 2 강도(56, 58)로 도시된 2개의 강도와 같이, 임의의 수의 강도가 존재할 수 있다. 줄무늬 패턴 내의 선 두께는 변화하지 않으며, 줄무늬 패턴의 공간 주파수도 유지된다.

줄무늬 패턴의 치수적인 균일성 및 공간 주파수를 유지하는 것은 전체 이미지 필드에 걸쳐서 균일한 해상도를 제공하기 때문에 윤곽 촬상에 유리하다. 특정 영역에 걸친 패턴 선의 두께를 증가시키는 것과 같이, 패턴의 치수 자체를 변경시키기 위한 다른 기술이 제안되었지만, 이러한 기술을 사용하는 경우에 줄무늬 패턴의 공간 주파수가 변하기 때문에, 입수되는 윤곽 이미지의 최종 해상도가 균일하지 않게 된다. 도 11c에 도시된 줄무늬 패턴(50)의 예와 관련하여, 제 2 강도(58)로서 표시된 영역이 실제로 보다 두꺼운 선을 사용한다면 결과적인 윤곽 이미지는 이 영역에 걸쳐 해상도가 감소될 것이라는 사실을 인식하는 것은 유익하다. 치수적으로는 균일한 줄무늬 패턴의 선을 유지하며 오직 빛의 강도만을 증가시켜서 본 예에서의 제 2 강도를 제공함으로써, 본 발명의 실시예는 상대적으로 어두운 영역에 걸쳐 해상도의 손실 없이 증가된 조명을 제공한다.

도 11a 내지 도 11c의 개략도는 2개의 상이한 강도(56, 58)를 사용함으로써 줄무늬 패턴(50)이 표면 경사를 보정하는 단순한 예를 도시하였다. 도 12a 및 도 12b는 3 이상의 광 강도를 사용하는 다른 가능한 배열의 예를 도시한다. 도 12a에서, 예컨대 줄무늬 패턴 조명용 빛은 본 예에서 가장 강한 강도로서 도시된 제 1 강도(56), 제 2 강도(58) 또는 제 3 강도(66)일 수 있다. 도 12b에서, 빛은 각각 제 1, 제 2 또는 제 3 강도(56, 58, 60)이거나 또는 도시된 바와 같이 휠씬 더 높은 제 4 강도(68)일 수 있다. 광 강도는, 투영된 줄무늬 패턴(50)에 있어서의 하나의 선을 따르는 것과 같이, 임의의 개별적인 패턴 특징을 따라 변화할 수 있다.

촬상 장치(10)의 위치에 대해 치아 표면 중 상대적으로 어두운 영역에 걸친 광 강도를 증가시키는 것 뿐만 아니라, 달리 검출기의 포화를 야기하는 정반사가 존재할 수도 있는 영역에 걸쳐 광 강도를 감소시키는 것도 가능하다. 또한, 변화되는 것은 투영된 광 패턴의 하나 이상의 부분에 걸친 광 강도이며, 공간 주파수에 관련된 선 두께 및 간격은 상이한 강도에 대하여 동일하게 유지됨은 강조되어야만 한다.

도 5 또는 도 9의 블록도를 다시 참조하면, 투영된 패턴에 걸친 광 강도는 프로그래밍된 명령에 응답하는 제어 연산 프로세서(34)로부터의 명령에 의해 그리고 제어 연산 프로세서(34)로부터 관련된 제어 구성요소에 제공된 신호에 의해 조명 필드 생성기(112)를 제어함으로써 변경될 수 있다. 그리고, 펄스 폭 변조(Pulse-Width Modulation; PWM)를 사용하여 디지털 마이크로미러 디바이스의 회전 가능한 미러의 유효 듀티 사이클(duty cycle)을 증가시킴으로써, 줄무늬 투영 패턴(50)의 임의의 부분에 걸쳐 강도가 증가될 수 있으며, 그에 따라 적절한 시간 동안 줄무늬 패턴의 특정 부분에 걸쳐 소스 조명이 제공된다. 조명 강도 조절에 대한 다른 방법이 LCD에 대하여 그리고 다른 투과형 및 발광형 공간 광 변조기에 대하여 적용될 수 있으며, 이는 촬상 기술 분야의 당업자에게 익숙한 광 변조 기술을 사용한다.

다시 도 5 및 도 9를 참조하면, 제어 연산 프로세서(34)는 줄무늬 패턴(50) 내의 선 또는 다른 특징부의 국소적인 강도를 촬상 조건에 따라 자동적으로 적응시키는 명령을 갖도록 프로그래밍되어 있다. 일 실시예에서, 치아에 대한 컬러 촬상이 먼저 수행되고, 조명 중 어느 부분을 강화할지를 결정하기 위해 컬러 이미지를 분석한다. 다른 실시예에서, 최초 줄무늬 투영 이미지가 캡처되고, 윤곽 이미지를 입수하기 위해 강도를 증가 또는 감소시킬 영역을 결정하도록 점검된다. 그 후에, 이러한 정보를 사용하여 실제 윤곽 이미지가 캡처된다.

도 13의 연산 흐름도는 일 실시예에서 적응형 줄무늬 투영 촬상을 위해 사용되는 단계의 순서를 나타낸다. 최초 단계(S60)에서, 제 1 기준 이미지가 입수된다. 이 기준 이미지는 치아 표면 상에 구조광을 투영함으로써 형성되는 윤곽 이미지일 수 있다. 선택적으로, 기준 이미지는 치아 표면 상으로 균일한 필드의 빛을 투영함으로써 입수된 종래의 2차원 이미지일 수 있다. 입수된 기준 이미지는 최대 해상도의 이미지일 수 있으나, 선택적으로, 기준 이미지는 촬상을 위해 직접 사용되는 것이 아니라 대신에 각 표면 영역에 걸쳐 반사되는 빛의 총 양을 결정하기 위해 사용되기 때문에, 상대적으로 낮은 해상도의 이미지일 수 있다.

다시 도 13을 참조하면, 감지된 기준 이미지로부터 충분히 밝지 않은 영역이 식별되는 분석 단계(S64)가 후속된다. 치과 촬상 응용예에 대하여, 분석 단계(S74)는 치아 구조에 관해 공지된 데이터를 활용할 수 있다. 예컨대, 조작자는 번호로 치아를 식별하거나 분석 단계(S64)에서 사용되는 다른 정보를 제공할 수도 있다. 그 후에, 제 1 기준 이미지에 따라 상대적으로 강한 또는 약한 강도의 영역이 규정되는 맵 생성 단계(S70)가 실행된다. 도 12a 및 도 12b와 관련하여, 단계(S70)는 그 후에 가변적 강도 줄무늬 패턴(50)을 설정한다. 그 후에, 이미지 획득 단계(S74)는 생성된 줄무늬 패턴(50)을 사용하여 도 11a 내지 도 11c와 관련하여 기술된 바와 같이 휘도가 추가된 윤곽 이미지를 입수한다. 이미지 획득 단계(S74)에 이어서, 제 2 또는 다른 추가의 매핑을 생성하기 위해 적절한 강도의 변화를 사용하여 맵 생성 단계(S70)의 분석을 1회 이상 반복함으로써, 투영된 구조화된 조명 패턴이 시프트될 수 있게 하는 임의의 루핑(looping) 단계(S76)가 실행될 수도 있다. 이러한 시프팅은 줄무늬 투영 기술을 사용하여 치아 윤곽에 대한 보다 정확한 평가를 얻기 위해 행해진다. 개별적으로 입수된 윤곽 이미지는, 촬상 기술 분야에서 공지된 기술을 사용하여, 표면 구조 정보를 입수하기 위해 결합된다. 일 실시예에서, 이미지 획득 단계(S74)는 또한 공통 편광(도 6a에 도시된 바와 같음) 및 교차 편광(도 6b에 도시된 바와 같음) 모두를 사용하여 이미지를 입수하기 위해 활성화 액추에이터(18)(도 5 참조)를 포함한다.

선택적인 실시예에서, 윤곽 줄무늬 패턴 선의 두께 또는 다른 패턴 요소의 상대적인 크기는 치아의 부분에 걸쳐 추가의 빛을 제공하기 위해 또는 빛을 감소시키기 위해 변경될 수도 있다. 그러나, 윤곽 촬상 데이터는 감소된 해상도일 수 있으며, 형상 계산 처리는 보다 복잡할 수도 있다.

본 발명의 실시예는 적응형 줄무늬 투영 패턴을 형성하기 위한 공간 광 변조기의 능력 및 빛의 특성을 이용함으로써, 치아에 대한 향상된 색조 촬상 및 향상된 윤곽 촬상을 제공한다. 공간 광 변조기의 사용에 의해, 색조 촬상을 위한 균일한 조명 필드 뿐만 아니라, 가변적인 강도의 줄무늬 패턴이 형성될 수도 있다. 별도의 줄무늬 이미지 및 컬러 이미지가 연이어 촬상될 수 있으며, 치아 또는 다른 구조물에 대한 정확한 3D 이미지를 제공하기 위해 형상 및 색조 정보를 정합시킴으로써 문제를 최소화한다. 본 발명의 장치 및 방법은 줄무늬 투영 촬상을 위해 짧은 파장의 빛을 사용함으로써 그리고 줄무늬 투영 촬상 및 색조 촬상을 위해 편광의 원리를 채용함으로써 치아의 반투명성에 관련된 문제를 보정한다.

도 1에 대하여 상술된 바와 같이, 본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 입수된 이미지 데이터는 치관 또는 다른 치과 보철물의 제작에 대한 정확성 및 시의성(timeliness)을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 이는 일부 조건 하에서 치본(impressions)을 입수할 필요를 경감 또는 제거하는데 도움이 되어 치과 치료의 전체 비용을 줄일 수 있다. 따라서, 본 방법 및 장치를 사용하여 수행된 촬상은 치과 의사에 의해 거의 또는 전혀 조정 없이 설치되는 우수한 맞춤 보철물 장치를 성취하는데 도움이 될 수 있다. 다른 실시형태로부터, 본 발명의 장치 및 방법은 치아, 지지 구조물 및 치아 교합 상태에 대한 장기간의 추적을 위해 사용될 수 있으며, 이는 보다 심각한 건강상의 문제를 진단하여 방지하는데 도움이 된다. 결국, 본 시스템을 사용하여 생성된 데이터는 환자와 치과 의사 사이의 소통, 그리고 치과 의사, 스탭, 실험실 설비 사이의 통신을 개선하는데 도움이 되도록 사용될 수 있다.

유리하게, 본 발명의 장치 및 방법은 특수 분말의 사용이나 치아 표면에 대한 다른 일시적인 코팅의 도포를 필요로 하지 않으면서 치아 및 다른 치과 특징부에 대한 3차원 촬상을 위한 구강 촬상 시스템을 제공한다. 이 시스템은 일 실시예에서 25 내지 50㎛ 범위 내에서 높은 해상도를 제공한다.

본 발명은 특히 현재 바람직한 실시예와 관련하여 상세하게 기술되었지만, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 변화예 및 변형예가 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 다수의 상이한 유형의 공간 광 변조기 중 임의의 변조기가 조명 필드 생성기의 일부로서 사용될 수 있다. 여러 개략도에서 단일 구성요소로서 도시된 렌즈(16, 22)는 하나 이상의 회절 요소 또는 반사 요소를 구비한 보다 복잡한 장치일 수도 있다.

10 : 촬상 장치 14 : 편광자
16 : 렌즈 18 : 액추에이터
20 : 치아 22 : 렌즈
26 : 후면 28 : 검광자
30, 30a, 30b : 검출기 34 : 제어 연산 프로세서
36 : 편광 빔 스플리터 38 : 화상 표시 장치
42 : 구강 촬상 시스템 78, 80 : 광원
81r, 81g, 81b : 광원 82 : 광학 소자
84 : 공간 광 변조기 88 : 검출 경로
90 : 필터 100 : 촬상 장치
112 : 조명 필드 생성기 120 : 프로브
134 : 호스트 프로세서 140 : 촬상 장치

Claims

구강 촬상 장치에 있어서,
조명 필드 생성기(illumination field generator)로서, 단색광을 제공하는 제 1 광원과, 다색광을 제공하는 제 2 광원과, 상기 제 1 광원으로부터 입사광을 수용하는 경우에는 윤곽 줄무늬 투영 패턴을 갖는 제 1 조명 빔을 형성하며, 상기 제 2 광원으로부터 입사광을 수용하는 경우에는 실질적으로 균일한 조명 필드를 갖는 제 2 조명 빔을 형성하도록 구동 가능한 공간 광 변조기를 구비하는, 상기 조명 필드 생성기와,
상기 조명 필드 생성기로부터 사출된 조명 빔의 경로 내에 배치되며, 제 1 편광 투과 축(polarization transmission axis)을 갖는 편광자와,
입사 조명으로서 상기 편광자에 의해 편광된 조명 빔이 치아 표면을 향하게 하도록 배치된 투영 렌즈와,
치아 표면에서 입사 조명으로부터 반사 및 산란된 빛 중 적어도 일부가 검출 경로를 따르게 하도록 배치된 촬상 렌즈와,
상기 검출 경로를 따라 배치되며, 제 2 편광 투과 축을 갖는 편광 선택 소자(polarization-selective element)와,
상기 편광 선택 소자를 통해 제공된 빛으로부터 이미지 데이터를 입수하도록 상기 검출 경로를 따라 배치된 적어도 하나의 검출기와,
프로그래밍된 명령에 반응하여, 상기 제 1 및 제 2 광원을 순서에 따라 교대로 활성화시키며 상기 적어도 하나의 검출기로부터 윤곽 줄무늬 투영 데이터 및 컬러 이미지 데이터 모두를 입수하고, 컬러 3차원 이미지로 표시하기 위하여 상기 윤곽 줄무늬 투영 데이터와 컬러 이미지 데이터를 정합하는 제어 연산 프로세서를 포함하는
구강 촬상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 편광자 또는 상기 편광 선택 소자에 연결되며, 연결된 상기 편광자 또는 상기 편광 선택 소자를 2가지의 각각 수직인 위치 중 하나로 회전시키도록 활성화 가능한 액추에이터를 더 포함하는
구강 촬상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 편광 선택 소자는 검광자인
구강 촬상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 편광 선택 소자는 편광 빔 스플리터이며,
상기 적어도 하나의 검출기는 상기 편광 빔 스플리터를 통해 투과된 빛을 수용하도록 배치된 제 1 검출기와, 상기 편광 빔 스플리터로부터 반사된 빛을 수용하도록 배치된 제 2 검출기를 포함하는
구강 촬상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 공간 광 변조기는 디지털 마이크로미러 디바이스 및 액정 디바이스로 구성되는 그룹으로부터 선택되는
구강 촬상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 광원 중 적어도 하나는 발광 다이오드를 포함하는
구강 촬상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 광원은 복수의 고체 상태 광원을 포함하는
구강 촬상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 검출 경로를 따라 배치되며, 350㎚ 내지 500㎚ 범위 내의 빛을 투과시키는 필터를 더 포함하는
구강 촬상 장치.
구강 촬상 방법에 있어서,
단색광을 제공하는 제 1 광원으로부터 빛을 사출하는 경우에는 윤곽 줄무늬 투영 패턴을 가지며 다색광을 제공하는 제 2 광원으로부터 빛을 사출하는 경우에는 균일한 조명 필드를 갖는 조명 빔을 형성하는 단계와,
제 1 편광 투과 축을 따라 조명 빔을 편광시키는 단계와,
입사 조명으로서 편광된 조명 빔이 치아 표면을 향하게 하는 단계와,
입사 조명으로부터 치아 표면에서 반사 및 산란된 빛 중 적어도 일부가 검출 경로를 따르게 하는 단계와,
제 2 편광 투과 축을 갖는 편광 선택 소자를 상기 검출 경로를 따라 배치하는 단계와,
상기 제 1 및 제 2 광원을 순서에 따라 교대로 활성화시키며, 상기 편광 선택 소자를 통해 제공된 빛으로부터 윤곽 줄무늬 투영 이미지 데이터 및 컬러 이미지 데이터 모두를 입수하는 단계와,
컬러 3차원 이미지로 표시하기 위하여 상기 윤곽 줄무늬 투영 이미지 데이터와 컬러 이미지 데이터를 정합하는 단계를 포함하는
구강 촬상 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 광원은 350㎚ 내지 500㎚ 범위 내의 빛을 사출하는
구강 촬상 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 조명 빔을 형성하는 단계는 공간 광 변조기를 활성화시키는 단계를 포함하는
구강 촬상 방법.
삭제
제 9 항에 있어서,
상기 윤곽 줄무늬 투영 패턴을 갖는 조명 빔을 형성하는 단계는 치아 표면에 대응하는 줄무늬 투영 패턴의 하나 이상의 부분의 강도를 증가시키는 단계를 더 포함하는
구강 촬상 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 강도를 증가시키는 단계는 상기 줄무늬 투영 패턴의 공간 주파수를 유지하는
구강 촬상 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 제 2 광원으로부터 빛을 사출하는 단계는 2개 이상의 고체 상태 광원 각각으로부터 연이어 빛을 사출하는 단계를 포함하며,
상기 고체 상태 광원은 상이한 파장 대역의 빛을 사출하는
구강 촬상 방법.