KR101917519B1 - 출력비트 조정 고속 이미지센서를 이용한 공초점 3차원 구강스캐너 - Google Patents

Abstract

이미지센서에 많이 사용되는 SAR ADC 혹은 Pipeline ADC의 경우 출력해상도에 해당하는 출력 디지털 비트수에 따라 변환 처리 시간이 비례 증가하게 된다. SAR ADC나 Pipeline ADC 둘다 원리상 입력된 아날로그 신호의 주요 성분에 해당하는 디지털 코드들 먼저 판별하고(coarse) 이렇게 판별하고 남은 성분을 더 높은 해상도의 디지털코드로 판별(fine)하는 형태로 MSB에서 LSB로 변화과정을 거치되므로 출력비트에 비례하는 변환시간이 요구된다. 이미지센서에 사용되는 ADC는 보통 8~12비트 수준으로 이미지센서의 각 픽셀에 입사되는 빛의 신호를 256단계에서 4096단계 수준으로 구분한다. 한편 공초점 3차원 측정은 그 측정 원리상 각 측정 위치에서의 상대적 빛의 세기값만을 서로 비교하여 가장 빛의 세기가 높았던 지점을 찾아 3차원 높이값을 환산하는 방식이므로 빛의 세기를 비교하는데 필요한 수준의 해상도만 갖추면 된다. 극단적으로 빛의 세기를 1비트라고 하더라도 공초점 방식에서 초점거리 지점에서 그 값이 1이고 나머지 지점에서 그 빛의 측정값이 0이라면, 빛의 세기가 최대값인 1이되는 지점을 찾음으로써 높이값을 알수 있다. 이와 같이 공초점 3차원 측정 방식에서는 이미지 품질 그 자체보다 각 픽셀에서 상대적 빛의 세기값 차이만을 구분할 수 있으면 되므로 높은 출력비트 해상도를 갖는 2D 이미지센서가 필요없다. 2D 이미지센서의 출력비트 해상도가 3차원 측정 해상도로 이어지지도 않을 뿐더러 오히려 측정 속도를 저하시키는 요인이 되어 3차원 측정 해상도를 높이는데 어려움을 초래하는 요인이 된다. 따라서 SAR ADC나 Pipeline ADC의 출력비트를 조정하고 대신에 변환시간을 줄여서 프레임처리를 고속화시킬 수 있는 ADC를 이용한 이미지센서를 사용하여 공초점 3차원 스캔에 사용함으로써 높은 3차원 해상도를 갖는 공초점 3차원 구강 스캐너를 적은 비용으로 구현할 수 있다.
본 발명은 SAR ADC나 Pipeline ADC 설계에 큰 변경을 가하지 않고 출력비트수만을 신호세기값 비교에 필요한 수준으로 제한하여 신호 변환시간을 단축화하여 공초점 3차원 스캔 구강스캐너의 이미지센서로 사용함으로써 전체 시스템 비용을 낮추고 3차원 측정 해상도를 높일 수 있다. 또한 필요에 따라 이미지센서의 ADC 출력비트 설정을 원래로 돌려놓아 측정되는 이미지센서를 통한 구강내 치아 2D 이미지를 고화질로 측정하여 관찰하거나 3D 측정의 측정지점 표시 디스플레이 등의 다용도로 활용할 수도 있다.

Description

출력비트 조정 고속 이미지센서를 이용한 공초점 3차원 구강스캐너 {Confocal intraoral 3D scanner with output bit configurable high speed image sensor}

본 발명은 공초점 방식 3차원 구강 스캐너 장치에 관한 것이다.

치과 치료 과정에서 환자 치아 구강 형상 정보는 인상(impression)을 통해 취득하는 것이 보편적이나, 최근에는 3차원 광학 측정 기술의 발달로 환자의 구강에서 바로 광학식으로 측정하는 방식의 장비가 보급되고 있다. 이런 광학식 구강 스캐너 장비를 사용함으로써 환자는 인상채득(impression taking) 과정에서 얻는 불쾌감을 느끼지 않고 시간을 절약할 수 있으며, 치과의사는 보철물 제작에 필요한 정확한 구강 형상 정보를 얻을 수 있으며, 치기공사의 경우 보철물 제작과정에서 인상물의 중간 파손, 변형 등으로 인해 발생하는 제작과정의 오류를 피할 수 있다.

이러한 광학식 구강 스캐너들 중 치아 표면의 광학적 산란 특성이나 침으로 인한 오차에 덜 민감한 공초점 기술을 사용한 제품들도 등장하였다. 공초점 방식은재료의 표면의 광학적 환경적 특성으로 인한 오차에는 덜 민감한 장점을 가지나 측정 대상물의 높이 값에 따라 빛의 세기를 감지하여 높이값 즉 3차원 정보를 획득해야 하므로 높이값을 얼마나 세밀하게 조절해가며 빛의 세기를 측정하느냐에 따라 3차원 높이값 정밀도와 측정 해상도가 달라지는 문제점이 있다. 일반적으로 구강 스캐너로서 치아 3차원 측정을 위해서는 대략 10 mm 이상의 측정범위를 가져야 하며, 측정된 3차원 데이터로 보철물 제작등에 활용하기 위해서는 적어도 100 um 이하의 해상도 수준이 요구된다. 측정범위 10 mm를 해상도 100 um 로 공초점 방식으로 측정하기 위해서는 10 mm 높이를 100 um 단위마다 측정해야한다. 즉 1프레임의 3D 데이터 획득을 위해서 100(= 10mm/100um) 프레임의 2D 이미지를 획득하여 비교하여야 한다. 구강스캐너가 핸드헬드형이고, 환자도 구강 스캔시 움직일 수 있으므로 정확한 구강 3차원 스캔을 위해서는 짧은 시간내 최대한 빠르게 상대적 정지 상태의 피사체를 측정하여야만 한다. 대략 10 FPS 수준이상 3D 데이터 프레임 정도가 되어야 원활한 측정이 가능하다. 3D 데이터 10 FPS 측정 속도를 위해서 상기에서 가정했던 10 mm 측정범위에 100um 해상도를 적용하면 1000 FPS의 2D 촬영이 가능한 이미지 센서를 필요로 하게 된다. 즉 공초점 구강 스캐너를 위해서는 초당 수천프레임 이상급의 이미지 센서가 필요한데 이러한 특수 이미지센서들은 그 자체로 고가이고 이를 이용해 구강스캐너를 제작하는데에도 초당 처리해야 할 2D 데이터양이 너무 커 전자회로의 비용을 증가시키고 사용 전력량도 많아져 그에 따른 핸드헬드형 디바이스로 제작하기 어렵게 하는 크기 문제를 유발하기도 한다.

종래의 구강 스캐너들은 광학 측정 방식의 한계로 여러 단점들을 가지고 있다. 그 중 대표적인 것이 구강의 환경적인 제약으로 치아 표면의 침에 인한 수막이나 치아 재료적 특성 등으로 인한 광학적 표면 산란 등으로 인한 오차를 들 수 있다. 광학식 3차원 스캔 방식에 많이 사용되는 구조광원 방식이나 여러 액티브 스테레오 방식 등에서는 조사되는 광원이 피사체 표면에 맺힌 상을 이용해 3차원 스캔을 하는데, 치아 표면의 맺힌 침으로 인한 수막, 그리고 치아의 표면의 상아질 특유의 산란 효과 등으로 인한 해부학적 구조 특성으로 인해 상기 방식으로의 3차원 스캔한 결과에는 상당한 오차가 포함될 수밖에 없다. 이로 인해 측정 전에 별도의 스프레이를 치아에 뿌리는 등의 과정을 통해 오차를 줄이는 불편한 점이 있다. 이와 달리 역사가 오래되고 원리가 간단한 공초점(confocal) 측정 방식의 경우 침으로 인한 수막효과나 치아 표면 상아질으로 인한 산란 효과 등으로 인한 오차로부터 자유로운 장점을 가진다. 하지만, 측정 방식의 원리상 높은 측정 해상도를 위해서는 높이값에 따라 더 촘촘하게 자주 빛의 세기를 측정하여 상대적으로 세기가 더 높은 점을 찾아야 하므로 측정 대상물이 정적으로 고정된 상태에서 측정하는 경우라면 문제가 덜하지만, 구강 스캐너와 같이 측정기와 피사체(환자 구강)가 같이 움직이는 상황에서 측정을 하려면, 고속으로 3차원을 얻어야하므로 초당 수천프레임 이상급의 이미지를 얻을 수 있는 이미지센서가 필요하게 된다. 초당 수천프레임급 이상의 이미지센서를 구현하기 위해서는 상대적으로 짧은 노출 시간(적은 광량)으로도 필요한 신호가 발생해야아므로 고감도의 픽셀이 필요하고, 수광된 빛에 의해 발생한 전기 신호를 빠르게 디지털 코드로 변환해야 하므로 고속의 ADC(Analog to Digital Converter)가 요구된다. 공초점 측정의 경우 별도의 광원을 사용함으로써 이미지센서 고속화에 필요한 픽셀의 고감도화 문제로부터는 상대적으로 자유롭다. 감도에 맞게 더 강한 광을 조사함으로써 노출 시간에 따른 센서 속도 저하문제를 없앨 수 있기 때문이다. 결국 공초점 측정에 있어서 3차원 해상도 문제는 이미지센서 내부의 ADC 속도 문제로 귀결된다. 일반적으로 이미지센서에는 해상도 비트 수 대비 고속 변환에 유리한 SAR(Successive Approximation) ADC나 Pipeline ADC를 사용한다. 이런 고속 ADC를 사용하더라도 초당 수천프레임 수준을 달성하기 위해서는 복수개의 ADC를 병렬로 사용하는 것이 불가피하다. SAR ADC나 Pipeline ADC가 복수개로 들어간 이미지센서는 칩 사이즈를 증가시켜 제작상 높은 비용이 들고, 이를 사용한 제품의 부피도 커지게 할 뿐 아니라 높은 전력소모, 발열을 유발하여 시스템 설계상 부가적인 비용도 증가시키게 된다. 또한 초당 수천프레임에 해당하는 수십만~수백만 화소의 8~12bit의 영상신호를 처리하기 위한 복잡한 전자회로가 요구되 구강 스캐너를 제작하는데 있어서 높은 전자회로 비용과 설계상 난이도를 요구하게 된다.

이미지센서에 많이 사용되는 SAR ADC 혹은 Pipeline ADC의 경우 출력해상도에 해당하는 출력 디지털 비트수에 따라 변환 처리 시간이 비례 증가하게 된다. SAR ADC나 Pipeline ADC 둘다 원리상 입력된 아날로그 신호의 주요 성분(MSB측 코드)에 해당하는 디지털 코드들 먼저 판별하고(coarse) 이렇게 판별하고 남은 성분(LSB측 코드)을 더 높은 해상도의 디지털코드로 판별(fine)하는 형태로 MSB에서 LSB로 변화과정을 거치되므로 출력비트에 비례하는 변환시간이 요구된다. 이미지센서에 사용되는 ADC는 보통 8~12비트 수준으로 이미지센서의 각 픽셀에 입사되는 빛의 신호를 256단계~4096단계 수준으로 구분한다. 한편 공초점 3차원 측정은 그 측정 원리상 각 측정 위치에서의 상대적 빛의 세기값만을 서로 비교하여 가장 빛의 세기가 높았던 지점을 찾아 3차원 높이값을 환산하는 방식이므로 빛의 세기를 비교하는데 필요한 수준의 출력 비트 해상도만 갖추면 된다. 극단적으로 빛의 세기를 1비트라고 하더라도 공초점 방식에서 초점거리 지점에서 그 값이 1이고 나머지 지점에서 그 빛의 측정값이 0이라면, 빛의 세기가 최대값인 1이되는 지점을 찾음으로써 높이값을 알수 있다. 이와 같이 공초점 3차원 측정 방식에서는 이미지 품질 그 자체보다 각 픽셀에서 상대적 빛의 세기값 차이만을 구분할 수 있으면 되므로 높은 출력 비트 해상도를 갖는 2D 이미지센서가 필요없다. 2D 이미지센서의 출력비트 해상도가 3차원 측정 해상도로 이어지지도 않을 뿐더러 오히려 측정 속도를 저하시키는 요인이 되어 3차원 측정 해상도를 높이는데 어려움을 초래하는 요인이 된다.

따라서 SAR ADC나 Pipeline ADC의 출력비트를 조정하고 대신에 변환시간을 줄여서 프레임처리를 고속화시킬 수 있는 ADC를 이용한 이미지센서를 사용하여 공초점 3차원 스캔에 사용함으로써 높은 3차원 측정 해상도를 갖는 공초점 3차원 구강 스캐너를 적은 비용으로 구현할 수 있다.

본 발명은 SAR ADC나 Pipeline ADC 설계에 큰 변경을 가하지 않고 출력비트수만을 신호세기값 비교에 필요한 수준으로 제한하여 신호 변환시간을 단축화하여 공초점 3차원 스캔 구강스캐너의 이미지센서로 사용함으로써 전체 시스템 비용을 낮추고 3차원 측정 해상도를 높일 수 있다.

도1은 종래의 공초점 광학 3차원 측정 장치를 나타낸 도면
도2는 위쪽의 경우는 종래의 공초점 광학 3차원 측정 장치에서의 시간 혹은 Z축(높이값) 이동값에 따른 빛의 세기를 나타낸 그래프, 아래쪽의 경우는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 출력비트를 줄이고 고속화된 이미지센서를 이용한 공초점 3차원 구강스캐너를 통해 측정한 Z축 높이값에 따른 빛의 세기를 나타낸 그래프
도3은 좌측의 경우 단일 ADC를 사용한 이미지 센서의 구조, 우측의 경우 복수 ADC를 사용한 이미지 센서의 구조를 나타낸 도면
도4는 SAR(Successive Approximation) ADC의 구조와 4비트 출력 경우의 변환 타이밍을 나타낸 도면
도5는 Pipeline ADC의 구조와 변환 타이밍을 나타낸 도면
도6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 출력비트 조정 고속 이미지센서를 이용한 공초점 3차원 구강스캐너를 나타낸 도면

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

우선 각도 면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도1은 종래의 공초점 광학 3차원 측정 장치를 나타낸 도면이다. 공초점(Confocal) 3차원 광학 측정은 광원(104)에서 조사된 광원이 조명 핀홀(103)을 지나 빔스플리터(105) 경계면에서 반사되어 측정대상물 쪽으로 향하게 되고, 이 조사된 광은 대물렌즈(106)에 의해 측정 대상물에 집광된다. 이렇게 집광된 빛이 초점거리에서 측정 대상물 표면(108)에 조사되어 반사되면, 다시 말해서 초점거리면(109)에 측정 대상지점이 있다면 이렇게 반사된 빛은 다시 빔스플리터(105)를 거쳐 공초점 핀홀(102)의 구멍을 소실없이 집광된채로 지나 이미지센서에 전달된다. 이와 달리, 비초점거리면(110)에서 측정 대상물에서 반사되어 이미지센서(101)쪽으로 반사된 빛은 공초점 핀홀(102)에서 막히거나 그 일부만이 통과해 빛의 세기가 약화된 상태로 이미지센서(101) 픽셀에 전달되게 된다. 이러한 공초점의 원리에 따라 초점가변거리 혹은 측정범위 만큼 Z축을 움직여가며 빛의 세기를 측정하면 도2의 위쪽 그래프와 같이 Z축 운동중 빛의 세기가 가장 큰 지점이 생겨난다. 이 지점이 바로 공초점 측정 장치(111)의 초점거리에서 피사체가 반사된 경우로 이 높이값을 기준으로 측정대상물의 Z축 3차원 데이터를 환산할 수 있다.

도2는 위쪽의 경우는 종래의 공초점 광학 3차원 측정 장치에서의 시간 혹은 Z축(높이값) 이동값에 따른 빛의 세기를 나타낸 그래프, 아래쪽의 경우는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 출력비트를 줄이고 고속화된 이미지센서를 이용한 공초점 3차원 구강스캐너를 통해 측정한 Z축 높이값에 따른 빛의 세기를 나타낸 그래프이다. 도2 그래프들의 X축은 측정을 위한 Z축 이동속도가 정속이라고 가정하고 시간축으로 볼수도 있고 거기에 비례한 Z축 이동 거리로 볼 수도 있다. 도2의 위쪽에서 그래프에서 보듯이 공초점 3차원 높이 측정의 해상도는 Z축을 움직여가면서 움직이는 측정범위내에서 얼마나 자주 빛의 세기를 측정하느냐에 따라 가장 빛의 세기가 가장 최대인 지점을 찾을 수 있다. 움직이는 속도에 비해서 너무 늦게 빛의 세기를 측정하면 경우에 따라서는 최대점을 측정과 측정 사이에 놓쳐 버려 Z축 높이값을 찾지 못할 수도 있다. 따라서 공초점 3차원 측정에서는 측정 범위내에서 얼마나 자주 빛의 세기를 측정하여 서로 비교하여 최대값을 찾느냐가 측정 정밀도 및 해상도에 중요하므로 측정 속도가 중요한 변수가 된다. 더 자주 측정해야 해상도를 높일 수 있어서, 산업용 측정 처럼 대상체를 고정시켜 놓고 측정하는 경우가 아니라 구강 스캐너 처럼 측정 장치도 핸드헬드형으로 움직이고, 피사체인 환자도 움직이는 경우에는 한프레임의 3D 데이터를 순간적으로 얻어야만 오차를 줄일 수 있고, 한프레임 3D 데이터를 빠르게 얻기위해서 그 보다 수백배~수천배의 2D 데이터를 측정해야하는 공초점 방식 3차원 구강 스캐너에서는 초고속의 2D 이미지 센서가 필요하다.

일반적인 이미지센서의 구조는 도3과 같다. 도3의 좌측의 경우 단일 ADC를 사용한 이미지 센서의 구조, 우측의 경우 복수 ADC를 사용한 이미지 센서의 구조를 나타낸 도면이다. ROW SELECTOR(302)와 COLUMN SELECTOR(303)에 의해 PHOTO-DIODE CELL ARRAY(301)중 하나의 PHOTO-DIODE CELL 픽셀이 선택되어 COLUMN MUX(304) 회로에 의해 ADC(306)에 연결되고, PHOTO-DIODE를 통해 광신호를 ADC(306)에서 디지털코드값으로 변환하여 LINE DRIVER & BUFFER(307)을 통해 측정한 신호 디지털 값을 전달한다. 이 일련과정을 MAIN CONTROL LOGIC(305)이 제어해 순차적으로 각 픽셀별로 단계적으로 처리한다. 이러한 이미지센서의 고속화를 위해서는 PHOTO-DIODE CELL ARRAY(301)의 각 개별 PHOTO-DIODE CELL의 광감도를 높여 광노출시간을 줄이고, ADC 변환 처리 시간을 줄여야한다. 공초점 측정에서는 별도의 외부광을 사용함으로써 각 PHOTO-DIODE CELL의 광감도를 높이는 것은 상대적으로 중요치 않다. 공초점 3차원 측정에 있어서 이미지처리 고속화를 위해서는 ADC 변환 시간을 줄여 고속화하여야 한다. 이미지센서의 ADC 변환시간을 줄여 고속화하는 가장 일반적인 방법은 도3의 우측에서와 같이 COLUMN MUX(304)와 ADC(306) 복수 병렬화하는 것이다. 하지만 통상 반도체 기술로 구현되는 이미지센서에 있어서 ADC(306)가 차지하는 면적비중이 크고 전력소모 비중이 높아 이는 급격한 비용상승을 초래한다. 이미지센서에 사용되는 ADC(306)는 SAR(Successive Approxiamtion) 방식이나 Pipeline 방식을 주로 갖는다.

도4는 SAR(Successive Approximation) ADC의 구조와 4비트 출력 경우의 변환 타이밍을 나타낸 도면이다. SAR ADC는 입력되는 아날로그 전압 VIN을 S&H(401)회로 (Sample & Hold)가 캡처하여 변환 사이클이 완료될 때까지 유지하고, 이 값을 COMPARATOR(402)를 통해 변환 중간 과정의 디지털 코드에서 DAC(404)(Digital to Analog Converter)로 다시 복원해는 전압과 비교해 1 비트 코드화해서 이를 통해 SAR(403)(Successive Approximation)회로에서 전체 변환 과정동안 입력된 아날로그 전압값 VIN에 가까운 디지털코드를 근사화시켜 가는 과정을 거쳐 VIN에 해당하는 디지털 코드값을 출력한다. 이 변환과정 동안 필요한 동작 타이밍들은 TIMING GENERTATOR LOGIC(405)이 만들어 낸다.

도5는 Pipeline ADC의 구조와 변환 타이밍을 나타낸 도면이다. Pipeline ADC는 SAR ADC와 비슷한 구조로 구성된 여러 다단 STAGE(505)를 갖고 있다. 한 STAGE에 입력된 아날로그 전압 VIN은 S&H(405)(Sample&Hold)회로에 의해 서브 STAGE 변환 과정동안 캡처 유지되고 이 전압값은 주로 Flash 구조의 ADC(501)로 변환되어 서브 STAGE단계의 디지털 코드값을 출력하고 이렇게 출력된 디지털 코드값은 바로 DAC(502)를 통해 다시 아날로그 변환되어 S&H(405)가 잡고 있는 VIN 아날로그 값에 전압뺄셈기(503)을 통해 입력된 아날로그 전압에서 해당 서브 STAGE(505)에서 구한 디지털코드값에 해당하는 전압이 빼지고 증폭기(504)를 거쳐 다음 STAGE에 아날로그 전압 입력으로 전달되게 된다. 이러한 서브 STAGE(505)를 여러 단 Pipeline 구조화하여 입력된 VIN 신호를 STAGE별로 처리하고 최종적으로 남은 아날로그 전압을 Flash ADC(506)로 디지털 코드화 하여 DIGITAL CORRECTION INTEGRATOR LOGIC(507)에서 각 서브 STAGE와 마지막 Flash ADC에서 구한 디지털코드들위 취합하여 오차보정을 거쳐 출력하게 된다. 이러한 Pipeline 구조는 통해 고속화에 가장 유리한 Flash ADC의 장점을 활용하면서도 Flash ADC의 경우 출력 비트수가 늘어난 경우 기하 급수적으로 면적이 늘어나는 문제를 피할수 있어 고속화 고해상도 ADC에 유리하다.

이러한 특징들로 인해 이미지센서는 대부분 SAR나 Pipeline 구조를 갖는 ADC(306)를 사용한다. 도4와 도5의 SAR이나 Pipeline구조의 동작 타이밍도에서 볼수 있듯이 SAR이나 Pipeline ADC의 경우 출력 비트수에 따라 변환시간이 비례하게 된다. 출력 비트수가 늘어나면 늘어난 비트 수 만큼 SAR의 경우 입력된 아날로그 신호에 맞춰 더 근사화 단계 과정을 거쳐야하고, Pipeline의 경우 늘어난 비트수에 맞춰 STAGE가 늘어나 해당 STAGE처리 시간이 추가되어야만 한다. 상용화된 대부분의 이미지센서들은 대부분 8~12비트의 출력을 갖고 있다. 즉 상용화된 대부분의 이미지 센서들이 각 픽셀별로 입사되는 빛의 세기를 256단계~4096단계로 구분해내게 되어 있다. 하지만, 공초점 3차원 측정의 경우 이렇게 세분화된 단계가 필요치 않고 단지 Z축 이동에 따라 측정되는 빛의 세기를 비교하여 최대값 지점만을 찾을 수 있으면 된다.

도6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 출력비트 조정 고속 이미지센서를 이용한 공초점 3차원 구강스캐너를 나타낸 도면이다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 공초점 3차원 구강스캐너는 OUTPUT N-bit SELECT REGISTER(614)가 이미지센서(610)의 ADC(512)에 내장되어 제어연산부(603)의 명령에 따라 ADC(612) 출력비트값을 전송받아 저장하면서 각 픽셀의 광신호에 의한 아날로그 전압값을 디지털 코드로 변환하면서 OUTPUT N-bit SELECT REGISTER(614)에 지정된 비트수 이상의 하위 LSB쪽 비트 변환은 TIMING GENERATOR LOGIC(405)이 변화사이클을 초기화 다시 변환사이클을 시작시킴으로서 생략하게 하여 측정 해상도는 줄어드나 변화시간을 줄여서 측정 속도를 향상시킨다. 이렇게 향상된 측정 속도를 바탕으로 구강 스캐너의 제어연산부(603)가 모터와 캠축 등으로 구성된 구동부(602)를 통해 1축왕복직선운동부(601)에 결합된 대물렌즈(106)를 고속으로 초점거리에 비례하는 측정범위 만큼 왕복 운동시키면서 광원(104)을 제어하여 빛을 측정 대상물인 구강내 치아에 조사하고 반사된 빛을 이미지센서(610)을 통해 고속으로 회득하여 움직일때마다 측정한 데이타 비교하여 각 최대값을 갖는 지점을 찾음으로써 치아의 높이값을 찾아 3차원 데이터로 환산한다. 이렇게 함으로써 도2의 아래쪽 그래프에서와 같이 제어연산부(603)의 설정에 따라 출력비트감소에 따라 빛의 세기를 표현하는 해상도는 줄어들더라도 2D FRAME TIME이 짧아져 더 자주 빛의 세기를 측정해서 최대인 지점에 더 근사한 지점을 찾음으로써 오히려 3차원 높이값에 대한 해상도는 늘릴 수 있고 3차원 프레임을 얻기 위한 3D 측정 시간도 짧아져 구강 스캐너와 같이 순간적으로 3차원 데이터 획득이 필요한 경우를 만족 시킬 수 있다. 또한 필요에 따라 이미지센서의 ADC 출력비트 설정을 원래로 돌려놓아 측정되는 이미지센서를 통한 구강내 치아 2D 이미지를 고화질로 측정하여 관찰하거나 3D 측정의 측정지점 표시 디스플레이 등의 다용도로 활용할 수도 있다.

이러한 방법을 통해 치아 표면의 침이나 치아 표면 특성으로 인한 광학적 특성에 민감하지 않은 공초점 방식을 사용하면서도 빠른 3차원 측정을 가능하게 해 구강 스캐너 사용상의 손 흔들림이나 환자의 움직임 등에 대한 오차를 최소화하면서도 이미지센서 고속화에 따른 비용을 줄여서 전체 구강 스캐너 비용을 최소화 시킬 수 있다.

101 : 이미지센서 102 : 공초점 핀홀
103 : 조명 핀홀 104 : 광원
105 : 빔스플리터 106 : 대물렌즈
107 : 공초점 측정시스템의 초점가변거리, 측정범위 혹은 Z축 운동거리
108 : 측정대상물표면 109 : 초점 거리면
110 : 비초점 거리면 111 : 공초점측정장치
301 : PHOTO-DIODE CELL ARRAY 302 : ROW SELECTOR
303 : COLUMN SELECTOR 304 : COLUMN MUX
305 : MAIN CONTROL LOGIC
306 : ADC (Aanalog to Digital Converter)
307 : LINE DRIVER & BUFFER 401 : S&H (Sample & Hold) 회로
402 : COMPARATOR
403 : SAR (Successive Approximation Logic)
404 : DAC (Digital to Analog Converter)
405 : TIMING GENERATOR LOGIC
406 : SAR ADC 501 : sub Flash ADC
502 : sub DAC 503 : 전압뺄셈기
504 : 전압 증폭기 505 : Pipeline STAGE
506 : Flash ADC
507 : DIGITAL CORRECTION AND INTEGRATOR LOGIC
508 : Pipeline ADC 601 : 1축왕복직선운동부
602 : 구동부 603 : 제어연산부
610 : 출력비트 설정이 가능한 OUTPU N-bit SELECT REGISTER를 내장한 단일 혹은 복수개의, SAR 혹은 Pipeline ADC를 갖는 이미지센서
611 : 출력비트 설정이 가능한 MAIN CONTROL LOGIC
612 : OUTPUT N-bit SELECT REGISTER를 내장한 ADC
613 : TIMING GENERATOR LOGIC을 제외한 SAR ADC 혹은 Pipeline ADC 블럭
614 : OUTPUT N-bit SELECT REGISTER

Claims (1)

1. 치아 3차원 데이터를 획득하는 공초점 방식 구강 스캐너에 있어서, 제어연산부의 제어를 받아 광을 조사하는 광원; 광원에서 조사되는 빛을 정렬하는 역할을 하는 조명핀홀; 조명핀홀을 통과한 빛을 측정 대상물 측 방향 대물렌즈쪽으로 선택적으로 반사하고 측정대상물 표면에서 반사되어 돌아오는 빛을 이미지센서 쪽으로 선택적으로 투과시켜 보내는 빔스플리터; 빔스플리터 경계면에서 반사되어 전달되는 광원의 빛을 단일초점 혹은 다중병렬초점으로 집광하는 대물렌즈; 대물렌즈에서 집광 전달되어 조사된 빛이 측정물에서 반사되어 다시 빔스플리터를 거쳐 입사될 때 측정 대상물 반사 지점의 초점거리에 따라 광신호를 걸러주는 공초점 핀홀; 공초점 핀홀을 통과해 입사된 빛을 고속으로 측정할 수 있도록 제어연산부의 명령에 따라 출력비트를 제한해 변환시간을 단축 시켜 고속 측정이 가능하도록 설정값을 저장하는 출력비트설정 레지스터와 상기 레지스터 값을 참조하여 하위 비트 변환처리를 생략하고 새로이 변환사이클을 시작하는 타이밍생성로직을 갖는 SAR 구조 혹은 Pipeline 구조의 갖는 단일 혹은 복수개의 ADC를 갖는 이미지센서; 제어연산부의 제어에 따라 초점거리를 조절하기 위한 상기 대물렌즈가 고정된 1축왕복직선운동부; 제어연산부의 제어에 따라 1축왕복진선운동부를 고속으로 구동하는 구동부; 구동부를 구동하여 1축왕복직선운동부에 고정된 상기 대물렌즈 혹은 상기 공초점 핀홀 위치를 제어해 가며 측정 위치마다 상기 이미지센서를 통해 얻은 데이터로 빛의 세기를 비교해 최대값을 갖는 초점거리 지점을 찾아 구강내 치아의 3차원 데이터를 생성하면서 필요에 따라 3차원 측정 해상도를 향상을 위한 측정 고속화를 위해 이미지센서 출력비트를 제한하는 기능을 갖는 제어연산부로 구성되는 것을 특징으로 하는 공초점 3차원 측정방식 구강 스캐너

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