KR101874269B1 - 치아 공초점 이미징을 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

치아 공초점 이미징을 위한 장치는, 광 빔의 어레이를 발생시키기 위한 조명 모듈, 광 빔의 어레이의 공초점 집속을 위한 광학계 시스템, 및 입사면 및 출사면을 갖는 도광 부분을 구비한 탐침 헤드를 포함한다. 조명 모듈과 광학계 시스템 및 탐침 헤드는, 조명 모듈로부터의 광 빔의 어레이가 광학계 시스템을 통과하여, 입사면을 통해 도광 부분으로 입사되고, 그리고 출사면을 통해 도광 부분에서 출사되도록 배치된다. 광학계 시스템은, 광학계 시스템을 통과한 후, 광학계 시스템의 광 축선에 대한 최외측 광 빔의 최외측 주변 광선이 광 축선에 평행하거나 또는 발산하도록 구성된다.

Description

치아 공초점 이미징을 위한 장치{APPARATUS FOR DENTAL CONFOCAL IMAGING}
본 명세서에 언급된 모든 간행물, 특허, 및 특허출원은 각각의 개별 간행물, 특허, 또는 특허출원이 구체적으로 그리고 개별적으로 참조 인용된 바와 동일한 정도로 여기에 참조 인용되었다.
본 발명의 실시예는 치아의 표면 토폴로지를 측정하기 위한 것과 같은, 치아 공초점 이미징을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
치열 교정(orthodontics) 및 치과 보철물의 분야에서, 환자 입의 현재의 치아 토폴로지를 결정하기 위한 상이한 방법들이 알려져 있다. 상기 방법 중 하나는, 환자의 치열의 영감(impression)을 취하는 단계를 포함한다. 이런 영감을 이용하여, (긍정적인) 물리적 치아 모델을 나타내는 석고 캐스트(plaster cast)가 제조된다. 그 후, 이런 물리적 치아 모델은 후속의 치료 계획을 위해 사용될 수 있다.
CAD(computer-aided design) 및/또는 CAM(computer-aided manufacturing) 기술이 사용된다면, 치아에 대응하는 디지털 데이터세트가 스캐닝에 의해 획득될 수 있다. 예를 들어, 석고 캐스트 형태의 상기 (긍정적인) 물리적 치아 모델 또는 영감의 형태인 (부정적인) 물리적 치아 모델은, x-선, 컴퓨터 단층 촬영, 자기 공명 이미징, 또는 레이저 스캐닝 장치를 사용하여 스캐닝되거나 또는 이미지화될 수 있다. 이렇게 얻어진 이미지 데이터에 의해, 치아 또는 그 일부의 컴퓨터 모델이 설정될 수 있다. 그러나 이런 방법 및 장치는, 이상적인 것보다 다소 시간 소모적이며 또한 더 비쌀 수 있다.
대안으로서, 환자 입의 치아는 직접적으로 이미지화될 수 있다. 이를 위해, 상이한 이미징 장치가 알려져 있다.
감지면을 갖는 탐침과의 비-접촉식 이미징을 위한 종래 장치는, 적어도 일부 면에서는 덜 이상적이었다. 종래 탐침 장치는 이상적인 것보다 다소 클 수 있으며, 또한 적어도 일부 경우에는 종래 장치의 사용을 다소 번거롭게 할 수 있는 큰 구강 내 전방 팁을 가질 수 있다. 집속(focusing) 광학계를 통과하는 입사광 빔의 어레이가 사용될 수 있더라도, 이러한 디바이스의 이상적인 탐침 헤드보다 더 크다면, 환자의 구강의 이상적인 측정값보다 덜 이상적인 측정값을 제공할 수 있다. 또한, 구조물 상에 조명된 점(spot)을 발생시키기 위한 빔 및 광 경로를 따라 전파하는 복귀 광선의 강도에 의존하는 종래 장치는, 사용 및 유지하기에 다소 번거로울 수 있으며, 또한 이상적인 것보다 제조하기에 다소 더 많은 비용이 소요될 수 있다.
3각 측량(triangulation)을 사용하는 3차원(3D) 데이터 획득이 제안되었더라도, 이런 디바이스는 이상적인 것보다는 덜 콤팩트할 수 있으며, 또한 환자의 입에 위치시키는 것이 다소 어려울 수 있다. 또한, 이런 디바이스는 정렬을 요구할 수 있으며, 그리고 적어도 일부 경우에는 이상적인 것보다 덜 정확하고 덜 신뢰적일 수 있다.
전술한 바에 비추어 볼 때, 구강과 같은 표면을 측정하기 위한 개량된 방법 및 장치가 요망된다. 이상적으로, 이런 방법 및 장치는 종래 방법 및 장치의 결점 중 적어도 일부를 극복할 것이며, 또한 환자의 입에 사용하기에 더욱 정확하고, 신뢰성이 있으며, 콤팩트하고, 용이할 수 있으며, 또한 종래 디바이스보다 비용이 적게 소요된다.
실시예에 따라, 광 빔의 어레이를 발생시키기 위한 조명 모듈, 상기 광 빔의 어레이의 공초점 집속을 위한 광학계 시스템, 및 입사면 및 출사면을 갖는 도광 부분(light-guiding part)을 구비한 탐침 헤드를 포함할 수 있는, 공초점 이미징을 위한 장치가 제공된다. 상기 조명 모듈과 광학계 시스템 및 탐침 헤드는, 조명 모듈로부터의 광 빔의 어레이가 상기 광학계 시스템을 통과하여, 상기 입사면을 통해 도광 부분으로 입사되고, 그리고 상기 출사면을 통해 상기 도광 부분에서 출사되도록, 배치될 수 있다. 여기에 기재된 실시예는 종래 디바이스로는 도달하기 어려울 수 있는, 환자의 구강과 같은 표면의 측정을 촉진시킬 수 있는, 감소된 크기를 갖는 탐침을 제공한다. 또한, 여기에 기재된 실시예는 감소된 측정 비용으로 향상된 정확성 및 신뢰성을 제공한다는 이점을 갖는다. 많은 실시예에 있어서, 다수의 빔은, 상기 다수의 빔의 각각이 초점으로 연장하고 또한 주 광선을 포함하는 측정면을 향해, 지향된다. 상기 다수의 빔의 주 광선은, 탐침의 크기를 감소시키고 또한 최외측 주변 광선의 분산을 억제하기 위해, 상기 탐침과 초점 사이에서 서로 발산할 수 있다. 많은 실시예에 있어서, 상기 공초점 이미징 시스템은, 탐침으로부터 방출되는 광 빔의 축선을 벗어난 주 광선 각도가 상기 탐침으로 입사되는 주변 광선의 각도에 대해 반대 배향을 갖도록, 비-텔레센트릭(non-telecentric) 구성을 포함하므로, 상기 탐침의 실질적으로 감소된 횡단면 크기가 제공될 수 있다. 많은 실시예에 있어서, 광 축선의 양 측부 상의 각각의 외측 빔의 횡방향으로 최외측에 있는 주변 광선은, 상기 광 축선에 실질적으로 평행하거나 또는 상기 광 축선으로부터 발산하는 광 경로를 따라 연장한다. 많은 실시예에 있어서, 각각의 개별적인 빔이 초점을 향해 수렴하기 때문에, 상기 빔의 어레이의 횡방향 분산이 억제되며, 그리고 이런 분산은 초점이 이동될 때 억제될 수 있다.
제1 양태에 있어서, 실시예는 광 빔의 어레이를 발생시키기 위한 조명 모듈, 상기 광 빔의 어레이의 공초점 집속을 위한 광학계 시스템, 및 입사면과 출사면을 갖는 도광 부분을 구비한 탐침 헤드를 포함하는, 공초점 이미징을 위한 장치를 제공한다. 상기 조명 모듈과 광학계 시스템 및 탐침 헤드는, 조명 모듈로부터의 광 빔의 어레이가 상기 광학계 시스템을 통과하여, 상기 입사면을 통해 도광 부분으로 입사되고, 그리고 상기 출사면을 통해 상기 도광 부분에서 출사되도록, 배치된다. 상기 광학계 시스템은, 광학계 시스템을 통과한 후, 상기 광학계 시스템의 광 축선에 대한 최외측 광 빔의 최외측 주변 광선이 상기 광 축선에 대해 평행하거나 또는 발산하도록 구성된다.
다른 양태에 있어서, 실시예는 광 빔의 어레이를 발생시키기 위한 조명 모듈, 상기 광 빔의 어레이의 공초점 집속을 위한 광학계 시스템, 및 입사면과 출사면을 갖는 도광 부분을 구비한 탐침 헤드를 포함하는, 공초점 이미징을 위한 장치를 제공한다. 상기 조명 모듈과 광학계 시스템 및 탐침 헤드는, 광 빔의 어레이의 주 광선이 서로 발산하도록 배치된다.
다른 양태에 있어서, 실시예는 공초점 이미징을 위한 방법을 제공한다. 광 빔의 어레이를 발생시키기 위해 조명 모듈이 제공된다. 광 빔의 어레이의 공초점 집속을 위한 광학계 시스템 및 광 축선을 가지며 입사면 및 출사면을 갖는 도광 부분을 구비한 탐침 헤드가 제공된다. 상기 광학계 시스템은, 광학계 시스템을 통과한 후, 탐침과 상기 광 빔의 초점 사이에서, 상기 광 축선에 대한 최외측 광 빔의 최외측 주변 광선이 상기 광 축선에 대해 평행하거나 또는 발산하도록 구성된다.
본 발명의 신규한 특징은 특히 첨부된 청구범위에 설명되어 있다. 본 발명의 원리가 사용된 도시된 실시예를 설명한 이하의 상세한 설명의 참조에 의해 본 발명의 특징 및 이점의 더 나은 이해가 얻어질 것이다.
도 1은 실시예에 따라, 공초점 이미징 장치의 개략적인 도면이다.
도 2a는 실시예에 따라, 근축(paraxial) 디자인에서, 공초점 이미징 장치의 광학계 시스템에서의 광 경로의 개략적인 도면이다.
도 2b는 실시예에 따라, 두꺼운 렌즈 디자인에서, 공초점 이미징 장치의 광학계 시스템에서의 광 경로의 개략적인 도면이다.
도 3은 실시예에 따라, 개략적으로 도시된 탐침 헤드의 평면도이다.
도 4는 도 3의 선 A-A 를 통한 길이방향 횡단면도이다.
도 5는 실시예에 따라, 개략적으로 도시된 탐침 헤드를 통한 길이방향 횡단면도이다.
여기에 기재된 방법 및 장치는 하나 또는 그 이상의 많은 방법으로 조합될 수 있으며, 또한 구강의 표면과 같은 조직 표면의 측정과 같은 표면 토폴로지와 관련된 많은 디바이스와의 조합에 매우 적합하다. 상기 조직 표면은, 예를 들어, 입의 치아의 하나 또는 그 이상의 표면을 포함할 수 있다. 측정된 표면은 치과 교정 전문의 및 치과 의사와 같은 헬스케어 제공자에 의해 사용될 수 있다.
많은 실시예에 있어서, 상기 광학계 시스템은, 광학계 시스템을 통과한 후, 상기 광학계 시스템의 광 축선에 대한 최외측 광 빔의 최외측 주변 광선이 상기 광 축선에 평행하거나 또는 발산하도록 구성될 수 있다. 많은 실시예에 있어서, 다수의 광 빔은 발산 각도(divergence angle)로 상기 탐침 헤드에서 출사된다. 다수의 광 빔의 각각은, 광학계 시스템의 광 축선으로부터 발산하는 주 광선을 포함할 수 있다.
많은 실시예에 있어서, 최외측 광 빔의 최외측 주변 광선은, 광학계 시스템에서 출사된 후, 집속 광학계의 초점면을 이송시킬 때라도, 빔의 어레이의 횡방향 분산을 피하기 위해, 광 축선을 향해 수렴되지 않는다. 많은 실시예에 있어서, "최외측(outermost)"이라는 용어는 광 축선과 직교하는 거리와 같은, 광 축선을 횡단하는 거리를 지칭한다. 많은 실시예에 있어서, 최외측 광 빔 또는 축선으로부터 가장 멀리 떨어진 광 빔은, 이와 직교하는 방향으로 상기 광 축선에 대해 가장 큰 거리를 갖는 빔을 포함한다.
구강 내 공초점 이미징을 위한 공초점 이미징 장치와 같은 장치는 구강 내 공초점 이미징을 위해 구성될 수 있으며, 이는 긍정적인 및/또는 부정적인 물리적 치아 모델의 공초점 이미징을 위해 사용될 수 있다. 상기 장치는 스캐닝 장치를 포함할 수 있다. 상기 장치의 집속 광학계는 비-텔레센트릭 광학계를 포함할 수 있으므로, 탐침 헤드 입사면에서의 감소된 광선 족적(footprint)이 제공될 수 있다.
많은 실시예에 있어서, 최외측 광 빔의 최외측 주변 광선은 광학계 시스템을 통과한 후 상기 광 축선에 대해 발산하며, 상기 최외측 주변 광선과 광 축선 사이의 발산 각도는 최대 10°, 일부 실시예에서는 최대 8°, 그리고 특정한 실시예에서는 최대 5°일 수 있다.
많은 실시예에 있어서, 상기 도광 부분은 투명한 본체를 포함한다. 상기 투명한 본체는 하나 또는 그 이상의 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있으며, 또한 단단한 본체와 같은, 뻣뻣한 중실 본체를 포함할 수 있다.
상기 도광 부분은, 광 빔의 어레이가 입사면에 대해 약 90°의 각도로 도광 부분으로 입사되도록 배치된다. 일부 실시예에 있어서, 상기 도광 부분은 90°± 8°와 같은 90°± 10°, 보다 구체적으로 90°± 5°의 각도로 상기 입사면을 통해 입사되도록 배치될 수 있다.
상기 도광 부분은 측벽에 의해 경계를 이룰 수 있으며, 상기 도광 부분의 측벽 및 입사면은 입사면을 통해 상기 도광 부분으로 입사된 각각의 광 빔이 출사면을 통해 출사되기 전에, 상기 측벽에서 홀수 번 반사되도록 배치될 수 있다. 많은 실시예에 있어서, 각각의 광 빔은 출사면을 통해 출사되기 전에 상기 측벽에서 3번 또는 5번 반사될 수 있다. 측벽 및/또는 출사면 및/또는 입사면 각각은, 평탄할 수 있다.
상기 도광 부분은, 입사면을 통해 입사되는 각각의 광 빔이 내부 반사에 의해 상기 도광 부분의 측벽 중 적어도 하나로부터 반사되도록, 입사면 및 측벽의 굴절률 및 배치로 구성될 수 있다. 많은 실시예에 있어서, 측벽에서의 반사 중 적어도 일부는 전체 내부 반사, 감쇠된 전체 내부 반사, 또는 절두형의(frustrated) 전체 내부 반사 중 하나 또는 그 이상과 같은 내부 반사에 기인한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 적어도 일부 반사에는 측벽 또는 측벽의 일부 상에 거울 코팅이 제공될 수 있다.
많은 실시예에 있어서, 도광 부분은 일체형 본체를 포함한다.
많은 실시예에 있어서, 상기 도광 부분은 입사면에 대해 예각으로 배치된 상부 측벽, 상기 입사면에 대해 둔각으로 배치된 하부 측벽, 및 상기 입사면 및/또는 출사면에 대해 예각으로 배치된 단부 측벽을 포함한다. 상기 상부 측벽은 입사면과 인접할 수 있고, 상기 하부 측벽은 입사면과 인접할 수 있으며 및/또는 상기 단부 측벽은 상부 측벽 및/또는 하부 측벽과 인접할 수 있다. 상기 단부 측벽과 하부 측벽 사이의 각도는 둔각일 수 있다. 상기 하부 측벽은 출사면을 포함할 수 있다.
많은 실시예에 있어서, 상기 단부 측벽은 거울을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 단부 측벽은 거울 코팅을 포함할 수 있다. 이런 실시예에 있어서 도광 부분은 각각의 입사면을 통해 입사되는 각각의 광 빔이 단부 측벽을 제외한 모든 (나머지) 측벽에서 내부 반사에 의해 반사되도록 배치될 수 있으며 및/또는 구성될 수 있다.
상기 입사면과 하부 측벽 사이의 각도는 90°내지 125°, 특히 90°내지 115°로 놓일 수 있다. 상기 출사면 또는 하부 측벽과 단부 측벽 사이의 각도는, 20°내지 45°, 특히 25°내지 35°로 놓일 수 있다. 상기 입사면과 상부 측벽 사이의 각도는 90°내지 65°, 특히 90°내지 80°로 놓일 수 있다.
상기 출사면은 투명한 덮개 판에 의해 덮일 수 있다. 상기 투명한 덮개 판은 유리 또는 플라스틱 판일 수 있다. 상기 덮개 판은 출사면으로부터 거리를 두고 배치될 수 있다.
많은 실시예에 있어서, 조명 모듈은 단일의 발광기 또는 다수의 발광기를 포함한다. 상기 하나 또는 그 이상의 발광기는 간섭성 광을 포함할 수 있다. 상기 발광기는 하나 또는 다수의 레이저 발광기를 포함할 수 있다. 단일의 발광기를 포함하는 실시예에 있어서, 상기 조명 모듈은 빔-팽창기 요소 및/또는 상기 발광기로부터의 광 빔을 다수의 광 빔으로 및/또는 광 빔의 어레이로 분할하기 위한 빔-분할기 요소를 추가로 포함할 수 있다. 상기 빔-분할기 요소는 격자 또는 마이크로렌즈 어레이와 같은 회절 광학계 또는 굴절 광학계를 포함할 수 있다.
전술한 장치 중 임의의 장치는 광 빔을 선형으로 편광하기 위한 편광기를 포함할 수 있으며, 상기 편광기는 조명 모듈과 탐침 헤드 사이, 특히 조명 모듈과 광학계 시스템 사이의 광 경로를 따라 배치된다.
전술한 장치 중 임의의 장치는 상기 조명 모듈과 광학계 시스템 사이의 광 경로를 따라 배치되는 빔 분할기를 포함할 수 있어, 상기 조명 모듈로부터의 광 빔의 어레이가 빔 분할기를 통과하고 또한 광학계 모듈로부터 복귀한 광 빔의 어레이가 특히 검출기를 향해 반사되도록 한다. 상기 빔 분할기는 반-투명 거울을 포함할 수 있다. 광학계 시스템을 통과하는 조명 모듈로부터의 광 빔은 입사광 빔을 포함할 수 있으며, 상기 광학계 시스템을 통해 광 경로를 반대 방향으로 따르는 광 빔은 복귀하는 광 빔을 포함할 수 있다. 상기 복귀하는 광 빔의 어레이는, 예를 들어 치아 부분과 같은, 이미지화될 피사체에 의해 반사된 광 빔의 어레이를 포함할 수 있다.
기재된 장치는 복귀하는 광 빔의 어레이를 검출하기 위해 검출기를 추가로 포함할 수 있다. 상기 검출기는 검출기 요소의 어레이를 포함할 수 있다. 상기 검출기 요소는 CCD 카메라 또는 포토다이오드 어레이를 포함할 수 있다. 상기 검출기는 분광 광도계(spectrophotometer)를 포함할 수 있다.
전술한 장치는 광학계 시스템의 초점면을 이송시키기 위해 초점-이송 기구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 초점-이송 기구는 광 축선을 따라 상기 광학계 시스템의 하나 또는 그 이상의 렌즈를 이송시키도록 구성될 수 있다. 많은 실시예에 있어서, 상기 초점-이송 기구는 광학계 시스템의 하나 또는 그 이상의 렌즈를 병진시키기 위해 병진 기구를 포함할 수 있다.
많은 실시예에 있어서, 탐침 헤드는 하우징을 포함하며, 상기 도광 부분 및/또는 광학계 시스템이 상기 하우징 내에 제공된다. 초점-이송 기구가 제공된 실시예에 있어서, 상기 초점-이송 기구는 하우징 내에 제공될 수도 있다.
많은 실시예에 있어서, 탐침 헤드는 손 파지형 디바이스의 부분을 포함한다. 광학계 시스템 및/또는 초점-이송 기구는 예를 들어 손 파지형 디바이스의 부분을 포함할 수 있다. 특히, 상기 손 파지형 디바이스는 전술한 하우징에 의해 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 첨부한 도면을 참조하여 추가적인 특징이 기재될 것이다.
여기에 사용되는 바와 같이, 주 광선은 광의 빔의 중심 광선을 둘러싼다. 많은 실시예에 있어서, 다수의 빔은 측정될 표면 상으로 지향되고, 상기 다수의 빔의 각각이 주 광선을 포함한다.
도 1은, 많은 실시예에 따라, 치아 세그먼트 또는 치아 부분의 치아 공초점 이미징을 위한 장치의 예를 개략적으로 도시하고 있다. 상기 치아 세그먼트는 하나의 치아, 다수의 치아, 치아 이뿌리(stump) 및/또는 하나 또는 그 이상의 치아가 유실된 부분을 포함할 수 있다. 상기 장치는, 예를 들어, 치아의 구강 내 이미징을 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 긍정적인 또는 부정적인 치아 모델의 이미징이 수행될 수도 있다.
도시된 장치는 간섭성 광원으로서 발광기(1)를 포함한다. 예를 들어, 상기 발광기는 반도체 레이저와 같은 레이저 소스일 수 있다.
도시된 화살표에 의해 표시된 바와 같이, 방출된 광은 빔 팽창기(2)를 통과하며, 상기 빔 팽창기는 원하는 폭 또는 개구수(numerical aperture)를 갖는 시준된 광 빔을 얻기 위해, 조준 렌즈(collimating lens)를 포함할 수 있다.
발광기(1)와 빔 팽창기(2) 사이의 광 경로를 따라, 선택적으로, 편광 필터와 같은 편광기가 제공될 수 있다.
빔을 광 빔의 어레이로 분할하기 위한 점 어레이 발생기 요소(3)가 빔 팽창기(2)를 뒤따른다. 회절 또는 굴절 광학계의 형태인 상기 점 어레이 발생기 요소(3)는 예를 들어 격자 또는 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
도시된 예에 있어서, 발광기는 단일의 광원을 포함하며, 이런 광원으로부터 광 빔의 어레이가 빔 팽창기 및 빔 분할기 요소를 통해 발생된다. 대안으로서, 발광기(1)는 어레이의 형태로 배치된 다수의 광원을 미리 포함할 수 있다. 이 경우, 빔 팽창기 및/또는 빔 분할기를 피할 수 있도록, 광 빔의 어레이가 발광기(1)에 직접 발생된다. 예를 들어, 광원의 어레이는 반도체 레이저와 같은 레이저 소스의 어레이의 형태로 제공될 수 있다.
이런 예에 있어서, 발광기(1), 빔 팽창기(2), 및 점 어레이 발생기 요소(3)는 광 빔의 어레이를 발생시키는 조명 모듈을 형성한다.
용이한 도시를 위해 여기에 단일의 광선으로 제시된 광 빔의 어레이는, 반-투명 거울의 형태인 빔 분할기(4)를 통과하여, 광학계 시스템(5)으로 입사된다. 광학계 시스템(5)은 이하에 더욱 상세히 기재될 비-텔레센트릭, 공초점 렌즈 장치를 포함한다.
발광기(1)로부터 오며 그리고 이미지화될 샘플(예를 들어, 치아 세그먼트)을 향해 전파되는 광 빔이 입사광 빔으로 지칭되는 반면에, 샘플에서 반사되고 그리고 입사광 빔의 광 경로를 따라, 그러나 반대 방향으로, 전파되는 광 빔은 복귀 광 빔으로 지칭된다.
광학계 시스템(5) 이후로, 광 빔의 입사 어레이는 탐침 헤드(6)로 입사된다. 특히, 광 빔의 어레이는 도광 부분의 입사면을 통해 상기 탐침 헤드의 도광 부분과 결합된다. 도광 부분 내에서, 각각의 빔은 치아 세그먼트(7)와 같은, 이미지화될 피사체 상에서 출사면을 통해 결합되기 전에, 여러 번 반사된다. 이런 방식으로, 광 빔의 입사 어레이가 치아 세그먼트(7)를 향해 방출되며, 따라서 치아 표면 상에 광점(light spot)의 어레이로 나타난다.
치아와 탐침 헤드 사이에 화살표 중 하나에 의해 도시된 바와 같이, 반사된 광은 탐침 헤드(6)에, 특히 출사면을 통해 도광 부분에 재-입사된다. 이런 방식으로, 각각의 반사된 또는 복귀한 광 빔은 입사광 빔에 의해 이동된 바와는 반대 방향으로 광 경로를 따라 이동한다. 따라서 상기 복귀 광 빔은 탐침 헤드(6)의 도광 부분 내에서 여러 번 반사되어, 광학계 시스템(5)을 역방향으로 통과한다. 반-투명 거울(4)에서는, 핀홀(pinhole) 어레이(9)가 뒤따르는 하나 또는 그 이상의 렌즈를 포함하는 이미징 광학계(8)를 향해 복귀 광 빔이 반사된다.
그 후, 복귀 광 빔의 어레이는 검출기 요소의 어레이를 포함하는 검출기(10) 상에 충돌한다. 예를 들어, 상기 검출기(10)는 CCD 카메라 또는 포토다이오드 어레이일 수 있다. 각각의 검출기 요소 또는 감지 요소는 어레이(9)의 핀홀에 대응한다.
검출기(10)는 각각의 검출기 요소에서 측정된 각각의 광 강도가 획득되고 그리고 분석되는 프로세싱 유닛(11)에 연결된다.
상기 장치는 모터(13)뿐만 아니라 발광기(1)에도 연결되는 제어 유닛(12)을 추가로 포함한다. 상기 모터(13)는 광학계 시스템(5)의 초점면을 이송시키기 위한 초점-이송 기구의 예이다. 특히, 모터(13)는 광 축선을 따라 상기 광학계 시스템의 하나 또는 그 이상의 렌즈를 이송시키거나 병진시키기 위해, 광학계 시스템(5)에 결합된다. 이런 방식으로, 초점면 위치가 변경되거나 또는 이송될 수 있다.
초점면의 위치가 변경되었다는(또는, 하나 또는 그 이상의 렌즈가 이송되었다는) 피드백 신호의 수신 후, 상기 제어 유닛(12)은 발광기(1)를 트리거하여, 광 펄스를 발생시킨다. 프로세싱 유닛(11)은 치아 부분(7)에서 반사되었던 광 펄스에 대응하는, 검출기(10)에 의해 검출된 바와 같은 광 강도를 나타내는 데이터를 획득할 것이다. 이런 과정은 초점면을 위한 다수의 위치에 대해 반복될 것이다.
WO 00/08415호에 상세히 기재된 바와 같이, 그 전체 내용이 여기에 참조 인용되었으며, 예를 들어 이미지 피사체(예를 들어, 치아 세그먼트)의 표면 토폴로지는, 특별한 픽셀에 대해 광 강도가 최대인 초점면 위치를 결정함으로써 결정된다. 이런 방식으로, 피사체, 예를 들어 치아 세그먼트의 3차원 표시가 얻어질 수 있다. 이는 디바이스될 수 있으며 및/또는 추가로 프로세싱될 수 있다.
광 빔의 어레이는 상이한 파장을 갖는 광 빔을 포함할 수 있다. 이를 위해, 발광기(1)는 상이한 파장의 광을 방출하는 상이한 광원을 포함할 수 있다. 상이한 파장의 빔을 구비한 어레이의 경우, 상기 검출기는 색 해상도를 구비한 분광 광도계일 수 있다. 분광 광도계에 대한 예로는 3칩 CCD 카메라, 또는 단색 CCD 또는 광 센서 위에 베이어(Bayer) 마스크의 사용이 거론된다.
상이한 초점면 상에 동시에 각각 집속되는, 상이한 파장을 구비한 광 부품 또는 광 빔을 사용함으로써, 상이한 초점면 범위가 동시에 측정될 수 있기 때문에, 이미징을 위한 시간이 단축될 수 있다.
상기 탐침 헤드(6)는 하우징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학계 시스템(5)과 도광 부분 모두는 이러한 하우징 내에 제공될 수 있다. 상기 하우징은 도광 부분 및/또는 광학계 시스템(5) 및/또는 모터(13)가 손 파지형 디바이스에 포함되도록, 손 파지형 디바이스로서 구성될 수 있다.
도 2a는 많은 실시예에 따라 제1차 이미징 구성을 도시한, 광학계 시스템의 근축 디자인의 예를 개략적으로 도시하고 있다. 이런 개략적인 도면에서, 탐침(6)은 단일 블록으로서 도시된다. 이 예에 있어서, 중심 빔(14) 및 최외측 빔(15)(광 축선과 직교하는 방향으로의)은 소스 평면(16)으로부터 방출된다. 예로서, 도면부호 15' 및 15"는 최외측 빔(15)의 주변 광선을 도시하고 있는 반면에, 도면부호 14"'는 중심 빔(14)의 주 광선을 도시하고 있다. 따라서 "주변 광선(marginal ray)"이라는 용어는 빔의 주위 또는 엔빌로프(envelope)를 형성하는 (특정 광 빔의) 광선을 나타내는 통상적인 의미로 사용되며, 상기 "주 광선(chief ray)"은 빔의 중심 광선에 대응한다.
이 예에서 알 수 있는 바와 같이, 최외측 광 빔(15)의 최외측 주변 광선(15")은, 광학계 시스템(5)을 통과한 후 그리고 탐침 헤드(6)로 입사되기 전에, 광 축선(24)에 평행하며, 또한 상기 주변 광선(15")은 광 축선(24) 상에 있는 중심 빔의 주 광선(14"')과 평행하다.
광 빔의 완전한 어레이의 경우, 광학계 시스템을 통과한 후 그리고 탐침 헤드로 입사되기 전에, (광 축선의 양 측부 상의) 어레이의 외측 빔의 최외측 주변 광선은 광 축선에 대해 모두 평행하다. 이런 구성의 결과로서, 어레이의 초점면(17)을 이동시킬 때라도, 빔의 어레이의 횡방향 확산이 거의 없거나 또는 전혀 없다.
다수의 광 빔의 각각은 주 광선을 포함할 수 있다. 예를 들어, 외측 빔(15)은 소스 평면(16)의 외측 개구로부터 초점면(17)의 초점으로 연장하는 주 광선(15"')을 포함할 수 있다.
상기 최외측 빔의 최외측 주변 광선과 상기 중심 빔의 주 광선의 전술한 유사점에 대한 대안으로서 또는 이와 조합하여, 광학계 시스템은 상기 광학계 시스템의 광 축선에 대한 최외측 빔의 최외측 주변 광선이 광 축선에 관해 발산하도록 구성될 수 있다. 많은 실시예에 있어서, 광학계 시스템을 통과한 후, 상기 최외측 빔의 최외측 주변 광선은 광 축선에 대해 개방 각도를 나타낼 수 있다. 광 축선에 대한 이런 발산 각도 또는 개방 각도는 최대 10°, 바람직하기로는 최대 8°일 수 있다.
많은 실시예에 있어서, 광학계 시스템의 공초점 집속 시스템은 비-텔레센트릭 광학 시스템을 포함한다. 상기 광학계 시스템은, 최외측 빔의 주변 광선에 의해 형성된 각도가 광 축선에 대해 극단적으로 축선을 벗어난 주 광선에 의해 형성된 각도와 상보적이도록, 구성될 수 있다. 이러한 실시예에는 이미지화될 피사체, 예를 들어, 치아 세그먼트에서의 감소된 광선 족적이 제공된다.
도 2b는 도 2a의 실시예에 대응하는 두꺼운 렌즈 디자인의 예를 개략적으로 도시하고 있다. 또한 도 2b에 있어서, 실시예에 따라, 간단함을 위해, 조명 모듈에 의해 발생된 빔의 어레이로부터, 오직 하나의 중심 빔(14) 및 하나의 최외측 빔(15)이 점선으로 도시되었다.
도 3 및 4는, 많은 실시예에 따라, 탐침 헤드의 평면도 및 횡단면도(선 A-A 통한)를 각각 개략적으로 도시하고 있다. 탐침 헤드(6)는 입사면(18) 및 출사면(19)을 구비한 도광 부분을 갖는다. 발광기 및 광학계 시스템으로부터 오는 광은, 약 90°의 각도로, 즉 입사면과 실질적으로 수직으로, 입사면(18)을 통해 도광 부분으로 입사된다. 상기 입사각은 예를 들어 90°± 10°, 바람직하기로는 90°± 8°일 수 있다. 이는, 특히 최외측 광 빔의 최외측 주변 광선이 광학계 시스템을 통과한 후, 축선에 대해 발산되는 실시예에 적용된다.
도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이, 입사면(18)을 통해 도광 부분으로 입사되는 각각의 광 빔이 상기 측벽에서 반사되는 그런 방식으로, 도광 부분이 배치되고, 광이 도광 부분에 결합된다. 도 4에 따른 실시예에 있어서, 광 빔이 출사면(19)을 통해 도광 부분에서 출사되기 전에, 3개의 반사가 발생한다. 제1 반사는, 입사면(18)에 인접하고 또한 상기 입사면(18)에 대해 예각으로 배치된, 상부 측벽(20)에서 발생한다. 제2 반사는, 입사면(18)에 인접하고 또한 입사면에 대해 둔각으로 배치된, 하부 측벽(21)에서 발생한다. 마지막 반사는 상부 측벽과 하부 측벽 모두에 인접한 단부 측벽(22)에서 발생한다. 출사면(19)은 하부 측벽(21)의 부분이다.
상기 단부 측벽(22)은 거울을 포함하며, 이러한 거울은 도광 부분의 대응 표면의 적절한 코팅에 의해 얻어질 수 있다. 상기 도광 부분은 전체적으로 이들 실시예에서 일체형 본체, 예를 들어, 유리 본체 또는 투명한 수지로 구성된 본체를 포함할 수 있다. 상부 측벽(20) 및 하부 측벽(21)에서의 제1 및 제2 반사는, 내부 반사에 기인할 수 있다.
이들 실시예의 관점에서, 그 일체형 형태에 따라, 탐침 헤드의 도광 부분은 간단하고 경제적인 방식으로 제조될 수 있다.
전술한 광학계 시스템의 특정한 구성은, 향상된 구강 내 사용으로 나타나는 작은 두께를 유지하면서, 긴 도광 부분 및 탐침 헤드를 허용한다.
많은 실시예에 있어서, 또한 도 5에 도시된 바와 같이, 출사면(19)은 상기 출사면(19)으로부터 약간의 거리를 두고 배치된 투명한 덮개 판(23)에 의해 덮일 수 있다. 이 덮개 판(23)은 위생상 이유로 교체될 수 있으며, 또한 1회용 부품을 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 실시예는, 출사면(19)을 통해 출사되기 전에, 광 빔이 5번 반사되는 훨씬 더 긴 도광 부분을 제공한다. 원칙적으로, 임의의 홀수 번의 반사가 가능하다.
많은 실시예에 있어서, 다수의 광 빔의 각각의 주 광선은 예를 들어, 광 축선에 대한 발산 각도로 출사면(19)에서 출사된다. 광 빔의 각각의 주 광선의 이런 발산은 예를 들어 향상된 측정을 제공하며, 또한 구강 상에 이미지화된 점의 중첩을 감소시킬 수 있다. 여기에 기재된 바와 같이, 광 빔의 주변 광선의 분산의 감소는, 예를 들어 여기에 기재된 바와 같이 향상된 측정의 정확성을 제공하기 위해, 각각의 광 빔의 주 광선의 발산과 조합될 수 있다.
여기에 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자에게는 이런 실시예가 단지 예로서만 제공된다는 점이 명백할 것이다. 본 발명으로부터의 일탈 없이, 이제 본 기술분야의 통상의 기술자에게 다양한 변형, 변경, 및 대체가 이루어질 것이다. 여기에 기재된 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대안이 본 발명을 실시하는 데 사용될 수 있음을 인식해야 한다. 이하의 청구 범위는 발명의 범주를 정의하고, 또한 이들 청구범위 및 그 등가물의 범주 내의 방법 및 구조가 이에 의해 커버되는 것으로 의도된다.

Claims (18)

  1. 공초점 이미징을 위한 공초점 이미징 장치로서,
    광 빔의 어레이를 발생시키기 위한 조명 모듈;
    상기 광 빔의 어레이의 공초점 집속을 위한 광학계 시스템; 및
    입사면 및 출사면을 갖는 도광 부분(light-guiding part)을 구비한 탐침 헤드를 포함하며,
    상기 조명 모듈과 광학계 시스템 및 탐침 헤드는, 조명 모듈로부터의 광 빔의 어레이가 상기 광학계 시스템을 통과하여, 상기 입사면을 통해 상기 도광 부분으로 입사되고, 그리고 상기 출사면을 통해 상기 도광 부분에서 출사되도록, 배치되며,
    상기 광학계 시스템은, 광학계 시스템을 통과한 후, 상기 광학계 시스템의 광 축선에 대한 최외측 광 빔의 최외측 주변 광선(marginal ray)이 상기 광 축선에 평행하거나 또는 발산하도록 구성되는 공초점 이미징 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 도광 부분은 투명한 본체를 포함하는 공초점 이미징 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 도광 부분은, 광 빔의 어레이가 상기 입사면에 대해 90°의 각도로 상기 도광 부분으로 입사되는 공초점 이미징 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 도광 부분은 측벽에 의해 경계가 이루어지고, 상기 도광 부분은 출사면을 통해 출사되기 전에, 상기 입사면을 통해 도광 부분으로 입사되는 각각의 광 빔이 측벽에서 홀수 번 반사되도록 배치되는 공초점 이미징 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 도광 부분은, 상기 입사면을 통해 입사되는 각각의 광 빔이 내부 반사에 의해 상기 도광 부분의 측벽 중 적어도 하나로 반사되도록 배치되거나 또는 구성되는 공초점 이미징 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 도광 부분은 일체형 본체를 포함하는, 공초점 이미징 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 도광 부분은 입사면에 인접하고 또한 상기 입사면에 대해 예각으로 배치된 바와 같은 상부 측벽, 상기 입사면에 인접하고 또한 상기 입사면에 대해 둔각으로 배치된 바와 같은 하부 측벽, 및 상기 상부 측벽 또는 하부 측벽에 인접하고 상기 입사면 또는 출사면에 대해 예각으로 배치된 바와 같은 단부 측벽을 포함하는 공초점 이미징 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 단부 측벽은 거울을 포함하는 공초점 이미징 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 입사면과 상기 하부 측벽 사이의 각도는 90°내지 125°로 놓이는 공초점 이미징 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 출사면은 투명한 덮개 판에 의해 덮이는 공초점 이미징 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 조명 모듈은 레이저 방출기와 같은 단일의 또는 다수의 발광기를 포함하는 공초점 이미징 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 조명 모듈과 광학계 시스템 사이의 광 경로를 따라 배치된 빔 분할기를 더 포함하여, 상기 조명 모듈로부터의 광 빔의 어레이가 상기 빔 분할기를 통과하고, 또한, 상기 광학계 시스템으로부터 복귀하는 광 빔의 어레이가 반사되도록 하는 공초점 이미징 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    복귀하는 광 빔의 어레이를 검출하기 위해 검출기를 더 포함하는 공초점 이미징 장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학계 시스템의 초점면을 이송시키기 위해 초점-이송 기구를 더 포함하는, 공초점 이미징 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 초점-이송 기구는, 광 축선을 따라 상기 광학계 시스템의 하나 또는 그 이상의 렌즈를 이송시키도록 구성되는, 공초점 이미징 장치.
  16. 공초점 이미징을 위한 공초점 이미징 장치로서,
    광 빔의 어레이를 발생시키기 위한 조명 모듈;
    상기 광 빔의 어레이의 공초점 집속을 위한 광학계 시스템; 및
    입사면 및 출사면을 갖는 도광 부분을 구비한 탐침 헤드를 포함하며,
    상기 조명 모듈과 광학계 시스템 및 탐침 헤드는, 광 빔의 어레이의 주 광선들(chief rays)이 탐침 헤드로 입사되기 전에 서로 발산하도록 배치되는 공초점 이미징 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 어레이의 각각의 빔은 각각의 주 광선 및 각각의 주변 광선을 형성하며, 상기 조명 모듈 및 상기 각각의 주변 광선은 상기 각각의 주 광선에 대해 수렴 각도(convergence angle)를 포함하며, 상기 광학계 시스템 및 탐침 헤드는 상기 빔의 어레이의 외측 빔의 주 광선이 탐침 헤드의 광 축선에 대해 발산 각도(divergence angle)를 포함하도록 배치되며, 상기 발산 각도는 상기 수렴 각도와 상보적인 공초점 이미징 장치.
  18. 공초점 이미징을 위한 공초점 이미징 방법으로서:
    광 빔의 어레이를 발생시키기 위한 조명 모듈을 제공하는 단계; 및
    광 빔의 어레이의 공초점 집속을 위해 광학계 시스템과, 광 축선과 입사면 및 출사면을 갖는 도광 부분을 구비한 탐침 헤드를 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 광학계 시스템은, 광학계 시스템을 통과한 후, 상기 광 축선에 대한 최외측 광 빔의 최외측 주변 광선이 상기 탐침과 광 빔의 초점 사이에서 상기 광 축선에 대해 평행하거나 또는 발산하도록 구성되는, 공초점 이미징 방법.
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