KR102014753B1

KR102014753B1 - 치아 스캐닝 장치

Info

Publication number: KR102014753B1
Application number: KR1020180018394A
Authority: KR
Inventors: 권대갑; 정형준; 이동령; 류지흔; 함태호; 김종호; 김민욱
Original assignee: 주식회사 덴티움
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2018-02-14
Publication date: 2019-08-27
Also published as: WO2018151532A1; KR20180094810A

Abstract

일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치는, 빛을 방출하는 광원, 상기 광원에서 방출되는 빛을 평면상에 이차원으로 배열되는 다중 광원의 형태로 변환시키는 핀홀 어레이(Pinhole array), 초점거리를 변화시키고 상기 핀홀 어레이로부터 빛을 전달 받아 시편에 초점평면을 형성하는 전기적 초점변조렌즈(Electrically tunable lens) 및 상기 시편에서 반사된 빛을 검출하는 이미지 센서를 포함한다.

Description

치아 스캐닝 장치{A DEVICE FOR SCANNING THE DENTAL}

아래의 실시예들은 치아 스캐닝 장치에 관한 것이다.

기존의 치아 임플란트를 위한 매뉴얼 프로세스는 알지네이트와 같은 인상재료를 이용해 치아의 본을 뜨고, 석고 모델을 제작한 뒤 이를 스캔하여 3D 모델링 및 CAD 디자인 작업이 이루어 진다. 그 후, 상기 작업을 바탕으로 임플란트를 가공 후 식립하는 과정을 거친다.

이와 같은, 기존의 방법은 치아를 본뜨는 과정에서 환자들이 불편함을 느끼고 절차가 번거롭다. 뿐만 아니라, 여러 과정을 거치면서 다수의 오차가 발생하고 그로 인해 수 차례 환자의 치아를 다시 본 떠야 하는 상황도 발생한다.

한국 특허 2010-0105461호에는 치아 모형 이미지를 스캔하기 위한 장치에 관하여 개시되어 있다.

일 실시예에 따른 목적은, 환자의 치아의 x-y축 및 z축을 빠른 속도로 스캐닝하여 치아의 3D 형상을 복원하기 위한 치아 스캐닝 장치를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 일 실시예에 따른 목적은, 환자의 불편함을 최소화하고 높은 정밀도로 치아의 3D 형상을 복원해낼 수 있으며, 구조가 간단하여 비용 절감 및 소형화 시키기에 용이한 치아 스캐닝 장치를 제공하고자 하는 것이다.

뿐만 아니라, 일 실시예에 따른 목적은, 환자의 구강 내에서 치아를 바로 스캐닝하여 치아의 3D 형상 데이터를 획득할 수 있는 치아 스캐닝 장치를 제공함으로써, 상기 치아의 3D 형상 데이터를 바탕으로 CAD 디자인을 수행한 후 임플란트 가공 및 식립 과정을 진행시켜 치아 임플란트 제작 과정을 간략화하기 위한 것이다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 시편에서 반사된 빛이 상기 핀홀 어레이의 평면에 상기 시편의 이미지를 형성시킴으로써 상기 시편의 x-y축 영역을 스캐닝하며, 상기 전기적 초점변조렌즈의 곡률반경을 변화시킴으로써 상기 전기적 초점변조렌즈의 초점거리를 변화시켜 상기 시편의 z축 영역을 스캐닝한다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 핀홀 어레이와 상기 전기적 초점변조렌즈 사이에 배치되어 상기 핀홀 어레이로부터 전달되는 빛을 평행광으로 변환시키는 튜브렌즈, 상기 튜브렌즈와 상기 전기적 초점변조렌즈 사이에 배치되어 음의 굴절률을 지니는 오프셋렌즈(Offset lens) 및 상기 전기적 초점변조렌즈와 상기 시편 사이에 배치되어 상기 전기적 초점변조렌즈로부터 전달되는 빛을 시편에 집광시키는 대물렌즈를 더 포함할 수 있다.

상기 시편에 형성된 초점평면은 상기 핀홀 어레이의 평면과 켤레면(conjugate plane)을 이루고, 상기 오프셋렌즈와 전기적 초점변조렌즈에 의하여 상기 대물렌즈에 입사되는 빛이 발산 또는 수렴함에 따라 상기 초점평면의 광축 방향의 위치가 변화될 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 대물렌즈와 상기 시편 사이에 배치되어 상기 대물렌즈로부터 전달되는 빛을 상기 시편을 향해 반사시키는 반사거울 및 상기 대물렌즈와 상기 반사거울 사이에 배치되어 상기 시편에서 반사되는 빛의 편광을 상기 광원에서 방출되는 빛의 편광과 90˚ 차이가 나도록 만드는 쿼터 파장 플레이트(Quarter wave plate)을 더 포함할 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 광원과 상기 핀홀 어레이 사이에 배치되어 상기 광원에서 방출되는 빛을 집광시켜 상기 핀홀 어레이를 조명하는 집광렌즈(Condenser lens), 상기 집광렌즈와 상기 핀홀 어레이 사이에 배치되는 제1 선형 편광자(Linear polarizer) 및 상기 제1 선형 편광자와 상기 핀홀 어레이 사이에 배치되는 편광 빔 스플리터(Polarized beam splitter)를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 선형 편광자 및 상기 편광 빔 스플리터에 의하여 상기 집광렌즈로부터 전달되는 빛은 수평 편광될 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 이미지 센서 사이에 배치되어 상기 핀홀 어레이의 평면에 형성된 이미지를 상기 이미지 센서로 전달하는 이미징렌즈 및 상기 편광 빔 스플리터와 상기 이미징렌즈 사이에 배치되는 제2 선형 편광자를 더 포함할 수 있다.

상기 편광 빔 스플리터에 의하여 상기 시편에서 반사되는 빛은 상기 제2 선형 편광자에 전달되고, 상기 제2 선형 편광자에 의하여 상기 시편에서 반사되는 빛은 수직 편광될 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 전기적 초점변조렌즈와 상기 대물렌즈 사이에 배치되는 조리개를 더 포함할 수 있고, 상기 조리개가 상기 대물렌즈의 전방 초점평면에 위치됨으로써 텔레센트릭(telecentric) 구조를 이룰 수 있다.

상기 광원은, 발산 특성이 있고 비간섭성을 지닌 발광다이오드(LED)일 수 있다.

일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치는, 평면상에 이차원으로 배열된 다중 광원의 형태의 빛을 방출하는 광원부, 더블 텔레센트릭(Double telecentric) 구조로 형성되어 상기 광원부에서 방출된 빛의 초점평면의 위치가 변하는 동안 시야각을 일정하게 유지시키는 중계 광학계 및 상기 중계 광학계를 통과하여 시편에서 반사된 빛을 검출하고 검출된 빛의 신호를 통하여 시편의 영상을 복원할 수 있는 검출부를 포함한다.

상기 광원부는, 빛을 방출하는 광원, 상기 광원에서 방출되는 빛을 평면상에 이차원으로 배열되는 다중 광원의 형태로 변환시키는 핀홀 어레이(Pinhole array), 상기 광원과 상기 핀홀 어레이 사이에 배치되어 상기 광원에서 방출되는 빛을 집광시켜 상기 핀홀 어레이를 조명하는 집광렌즈(Condenser lens), 상기 집광렌즈와 상기 핀홀 어레이 사이에 배치되어 상기 집광렌즈로부터 전달되는 빛을 수평 편광시키는 제1 선형 편광자(Linear polarizer) 및 상기 제1 선형 편광자와 상기 핀홀 어레이 사이에 배치되는 편광 빔 스플리터(Polarized beam splitter)를 포함할 수 있다.

상기 중계 광학계는, 초점거리를 변화시키고 상기 핀홀 어레이로부터 빛을 전달 받아 시편에 초점평면을 형성하는 전기적 초점변조렌즈, 상기 광원부의 핀홀 어레이와 상기 전기적 초점변조렌즈 사이에 배치되어 상기 핀홀 어레이로부터 전달되는 빛을 평행광으로 변환시키는 튜브렌즈, 상기 튜브렌즈와 상기 전기적 초점변조렌즈 사이에 배치되어 음의 굴절률을 지니는 오프셋렌즈 및 상기 전기적 초점변조렌즈와 상기 시편 사이에 배치되어 상기 전기적 초점변조렌즈로부터 전달되는 빛을 시편에 집광시키는 대물렌즈를 포함할 수 있다.

상기 검출부는, 상기 시편에서 반사된 빛을 검출하는 이미지 센서, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 이미지 센서 사이에 배치되어 상기 핀홀 어레이의 평면에 형성된 이미지를 상기 이미지 센서로 전달하는 이미징렌즈 및 상기 편광 빔 스플리터와 상기 이미징렌즈 사이에 배치되어 상기 시편에서 반사되는 빛을 상기 편광 빔 스플리터로부터 전달 받아 수직 편광시키는 제2 선형 편광자를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치는, 빛을 방출하는 광원, 상기 광원에서 방출되는 빛을 평면상에 이차원으로 배열되는 다중 광원의 형태로 변환시키는 어레이(array), 초점거리를 변화시키고, 상기 어레이로부터 빛을 전달 받아 시편에 초점평면을 형성하는 초점변조장치 및 상기 시편에서 반사된 빛을 검출하는 이미지 센서를 포함한다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 시편에서 반사된 빛이 상기 어레이의 평면에 상기 시편의 이미지를 형성시킴으로써 상기 시편의 x-y축 영역을 스캐닝하며, 상기 초점변조장치의 곡률을 변화시킴으로써 상기 초점변조장치의 초점거리를 변화시켜 상기 시편의 z축 영역을 스캐닝할 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 어레이와 상기 초점변조장치 사이에 배치되어 상기 어레이로부터 전달되는 빛을 평행광으로 변환시키는 튜브렌즈, 상기 초점변조장치와 상기 시편 사이에 배치되어, 상기 초점변조장치로부터 전달되는 빛을 시편에 집광시키는 대물렌즈 및 상기 튜브렌즈와 상기 초점변조장치 사이에 배치되어, 음의 굴절률을 지니는 오프셋렌즈(Offset lens)를 더 포함할 수 있다.

상기 초점변조장치는 전기적 초점변조렌즈(Electrically tunable lens)이며, 상기 시편에 형성된 초점평면은 상기 어레이의 평면과 켤레면(conjugate plane)을 이루고, 상기 전기적 초점변조렌즈에 의하여 상기 대물렌즈에 입사되는 빛이 발산 또는 수렴함에 따라 상기 초점평면의 광축 방향의 위치가 변화될 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 대물렌즈와 상기 시편 사이에 배치되어, 상기 대물렌즈로부터 전달되는 빛을 상기 시편을 향해 반사시키는 반사거울 및 상기 대물렌즈와 상기 반사거울 사이에 배치되어 상기 시편에서 반사되는 빛의 편광을 상기 광원에서 방출되는 빛의 편광과 90˚ 차이가 나도록 만드는 쿼터 파장 플레이트(Quarter wave plate)을 더 포함할 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 광원과 상기 어레이 사이에 배치되어 상기 광원에서 방출되는 빛을 집광시켜 상기 어레이를 조명하는 집광렌즈(Condenser lens), 상기 집광렌즈와 상기 어레이 사이에 배치되는 제1 선형 편광자(Linear polarizer) 및 상기 어레이의 전방 또는 후방에 배치되는 제1 빔 스플리터(Beam splitter)를 더 포함하고, 상기 제1 선형 편광자 및 상기 제1 빔 스플리터에 의하여 상기 집광렌즈로부터 전달되는 빛은 수평 편광될 수 있다.

상기 제1 빔 스플리터는 편광 빔 스플리터(Polarized beam splitter)일 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 제1 빔 스플리터와 상기 이미지 센서 사이에 배치되는 제2 선형 편광자를 더 포함하고, 상기 제1 빔 스플리터에 의하여 상기 시편에서 반사되는 빛은 상기 제2 선형 편광자에 전달되고, 상기 제2 선형 편광자에 의하여 상기 시편에서 반사되는 빛은 수직 편광될 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 제2 선형 편광자와 상기 이미지 센서 사이에 배치되어, 상기 어레이의 평면에 형성된 이미지를 상기 이미지 센서로 전달하는 이미징렌즈를 더 포함할 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 전기적 초점변조렌즈와 상기 대물렌즈 사이에 배치되는 조리개를 더 포함하고, 상기 조리개가 상기 대물렌즈의 전방 초점평면에 위치됨으로써 텔레센트릭(telecentric) 구조를 이룰 수 있다.

상기 광원은 발산 특성이 있고 비간섭성을 지닌 발광다이오드(LED)일 수 있다.

또는, 상기 치아 스캐닝 장치는, 상기 어레이와 상기 초점변조장치 사이에 배치되어 상기 어레이로부터 전달되는 빛을 평행광으로 변환시키는 튜브렌즈, 상기 초점변조장치와 상기 시편 사이에 배치되어, 상기 초점변조장치로부터 전달되는 빛을 시편에 집광시키는 대물렌즈를 더 포함하고, 상기 초점변조장치는 반사형 초점가변장치일 수 있다. 상기 시편에 형성된 초점평면은 상기 어레이의 평면과 켤레면(conjugate plane)을 이루고, 상기 반사형 초점가변장치에 의하여 상기 대물렌즈에 입사되는 빛이 발산 또는 수렴함에 따라 상기 초점평면의 광축 방향의 위치가 변화될 수 있다.

상기 반사형 초점변조장치는, 상기 튜브렌즈로부터 전달되는 빛을 반사시키는 반사형 거울, 상기 반사형 거울로부터 전달되는 빛을 상기 대물렌즈로 반사시키는 곡률조절요소 및 상기 반사형 거울과 상기 곡률조절요소 사이에 배치되는 제2 빔 스플리터를 포함할 수 있다.

상기 어레이는, 핀홀 형상, 다각형 형상, 심리스(seamless) 형상 또는 코디드(coded) 형상으로 형성될 수 있다.

일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치는, 환자의 치아의 x-y축 및 z축을 빠른 속도로 스캐닝하여 치아의 3D 형상을 복원할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치는, 환자의 불편함을 최소화하고 높은 정밀도로 치아의 3D 형상을 복원해낼 수 있으며, 구조가 간단하여 비용 절감 및 소형화가 가능할 수 있다.

뿐만 아니라, 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치는, 환자의 구강 내에서 치아를 바로 스캐닝함으로써, 이를 바탕으로 CAD 디자인을 수행한 후 임플란트 가공 및 식립 과정이 진행될 수 있도록 하여 치아 임플란트 제작 과정을 간략화 시킬 수 있다.

도1은 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도2는 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치의 오프셋렌즈 및 전기적 초점변조렌즈에 의하여 대물렌즈의 초점거리가 변화되는 원리를 나타내는 도면이다.
도3은 일 실시예에 따른 조리개를 포함하는 중계 광학계의 구조를 도시한 도면이다.
도4는 일 실시예에 따른 오프셋렌즈 및 전기적 초점변조렌즈를 포함하는 중계 광학계의 구조를 도시한 도면이다.
도5는 일 실시예에 따른 전기적 초점변조렌즈에 전기적인 신호를 가했을 때, 전기적 초점변조렌즈의 형상 변화와 그에 따른 초점 거리 변화를 나타내는 도면이다.
도6은 일 실시예에 따른 전기적 초점변조렌즈와 음의 굴절률을 가지는 오프셋렌즈를 나란히 배치하였을 때, 전기적 초점변조렌즈의 초점거리 변화에 따라 평행광의 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도7은 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치에 의하여 광원 면과 광 검출 면에 핀홀 어레이가 배치됨으로써 시편의 절편 정보가 획득되는 개념을 도시한 도면이다.
도8은 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도9는 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도10 내지 도13은 어레이의 다양한 패턴을 나타낸다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 실시예들의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 실시예에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.

다만, 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도1은 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치의 구조를 도시한 도면이며, 도2는 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치의 오프셋렌즈 및 전기적 초점변조렌즈에 의하여 대물렌즈의 초점거리가 변화되는 원리를 나타내는 도면이다. 도3은 일 실시예에 따른 조리개를 포함하는 중계 광학계의 구조를 도시한 도면이며, 도4는 일 실시예에 따른 오프셋렌즈 및 전기적 초점변조렌즈를 포함하는 중계 광학계의 구조를 도시한 도면이다. 도5는 일 실시예에 따른 전기적 초점변조렌즈에 전기적인 신호를 가했을 때, 전기적 초점변조렌즈의 형상 변화와 그에 따른 초점 거리 변화를 나타내는 도면이며, 도6은 일 실시예에 따른 전기적 초점변조렌즈와 음의 굴절률을 가지는 오프셋렌즈를 나란히 배치하였을 때, 전기적 초점변조렌즈의 초점거리 변화에 따라 평행광의 투과 특성을 나타내는 도면이다. 도7은 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치에 의하여 광원 면과 광 검출 면에 핀홀 어레이가 배치됨으로써 시편의 절편 정보가 획득되는 개념을 도시한 도면이다. 도8은 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치의 구조를 도시한 도면이며, 도9는 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치의 구조를 도시한 도면이다. 도10 내지 도13은 어레이의 다양한 패턴을 나타낸다.

도1을 참조하면, 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치(10)는, 평면상에 이차원으로 배열된 다중 광원의 형태의 빛을 방출하는 광원부(100), 더블 텔레센트릭(Double telecentric) 구조로 형성되어 광원부(100)에서 방출된 빛의 초점평면의 위치가 변하는 동안 시야각을 일정하게 유지시키는 중계 광학계(200) 및 중계 광학계(200)를 통과하여 시편(D)에서 반사된 빛을 검출하고 검출된 빛의 신호를 통하여 시편(D)의 영상을 복원할 수 있는 검출부(300)를 포함한다.

광원부(100)는, 빛을 방출하는 광원(110), 광원(110)에서 방출되는 빛을 평면상에 이차원으로 배열되는 다중 광원의 형태로 변환시키는 핀홀 어레이(Pinhole array, 120), 광원(110)과 핀홀 어레이(120) 사이에 배치되어 광원(110)에서 방출되는 빛을 집광시켜 핀홀 어레이(120)를 조명하는 집광렌즈(Condenser lens, 130), 집광렌즈(130)와 핀홀 어레이(120) 사이에 배치되어 집광렌즈(130)로부터 전달되는 빛을 수평 편광시키는 제1 선형 편광자(140) 및 제1 선형 편광자(140)와 핀홀 어레이(120) 사이에 배치되는 편광 빔 스플리터(Polarized beam splitter, 150)를 포함할 수 있다.

상기 광원(110)은 발산 특성이 있고 비간섭성을 지닌 발광다이오드(LED)일 수 있으며, 제1 선형 편광자(140) 및 편광 빔 스플리터(150)에 의하여 집광렌즈(130)로부터 전달되는 빛은 수평 편광될 수 있다.

중계 광학계(200)는, 초점거리를 변화시키고 핀홀 어레이(120)로부터 빛을 전달 받아 시편(D)에 초점평면을 형성하는 전기적 초점변조렌즈(210), 광원부(110)의 핀홀 어레이(120)와 전기적 초점변조렌즈(210) 사이에 배치되어 핀홀 어레이(120)로부터 전달되는 빛을 평행광으로 변환시키는 튜브렌즈(220), 튜브렌즈(220)와 전기적 초점변조렌즈(210) 사이에 배치되어 음의 굴절률을 지니는 오프셋렌즈(230) 및 전기적 초점변조렌즈(210)와 시편(D) 사이에 배치되어 전기적 초점변조렌즈(210)로부터 전달되는 빛을 시편(D)에 집광시키는 대물렌즈(240)를 포함할 수 있다.

시편(D)에 형성된 초점평면은 핀홀 어레이(120)의 평면과 켤레면(conjugate plane)을 이루고, 오프셋렌즈(230)와 전기적 초점변조렌즈(210)에 의하여 대물렌즈(240)에 입사되는 빛이 발산 또는 수렴함에 따라 초점평면의 광축 방향의 위치가 변화될 수 있다.

검출부(300)는, 시편(D)에서 반사된 빛을 검출하는 이미지 센서(310), 편광 빔 스플리터(150)와 이미지 센서(310) 사이에 배치되어 핀홀 어레이(120)의 평면에 형성된 이미지를 이미지 센서(310)로 전달하는 이미징렌즈(320) 및 편광 빔 스플리터(150)와 이미징렌즈(320) 사이에 배치되어 시편(D)에서 반사되는 빛을 편광 빔 스플리터(150)로부터 전달 받아 수직 편광시키는 제2 선형 편광자(330)를 포함할 수 있다.

다시 말하면, 편광 빔 스플리터(150)에 의하여 시편(D)에서 반사되는 빛은 반사되어 제2 선형 편광자(330)에 전달되고, 제2 선형 편광자(330)에 의하여 시편(D)에서 반사되는 빛은 수직 편광될 수 있다.

또한, 치아 스캐닝 장치(10)는, 대물렌즈(240)와 시편(D) 사이에 배치되어 대물렌즈(240)로부터 전달되는 빛을 시편(D)을 향해 반사시키는 반사거울(400) 및 대물렌즈(240)와 반사거울(400) 사이에 배치되어 시편(D)에서 반사되는 빛의 편광을 광원(110)에서 방출되는 빛의 편광과 90˚ 차이가 나도록 만드는 쿼터 파장 플레이트(500)을 더 포함할 수 있다.

이와 같은 구성을 포함하는 치아 스캐닝 장치(10)는, 시편(D)에서 반사된 빛이 핀홀 어레이(120)의 평면에 시편(D)의 이미지를 형성시킴으로써 시편(D)의 x-y축의 평면 영역을 스캐닝할 수 있으며, 전기적 초점변조렌즈(210)의 곡률반경을 변화시킴으로써 전기적 초점변조렌즈(210)의 초점거리를 변화시켜 시편(D)의 z축 영역을 스캐닝할 수 있다.

다시 말하면, 상기와 같은 구조를 지닌 치아 스캐닝 장치(10)는, 시편(D)의 x-y축 영역을 스캐닝을 하기 위한 수단으로 갈바노 미러를 이용하는 대신 핀홀 어레이(120)를 이용할 수 있다.

즉, 갈바노 미러의 스캐닝 속도의 한계 및 스캐닝 각도의 한계를 극복하기 위하여, 갈바노 미러 대신 핀홀 어레이(120)를 이용하여 다중초점을 만드는 방식이 사용될 수 있다. 발산 특성이 있는 비간섭성 광원(110)을 집광렌즈(130)를 이용하여 핀홀 어레이(120)에 조명시키면 핀홀 어레이(120)의 개수만큼의 다중 광원이 생성될 수 있다. 이러한 여러 개의 다중 광원을 대물렌즈(240)를 통해 시편(D) 상에 조명시키고, 시편(D)에서 반사된 빛은 핀홀 어레이(120)의 평면에 이미지를 형성시킬 수 있다. 그 후, 이미징렌즈(320)와 이미지 센서(310)를 통해 시편의 3D 형상을 복원해낼 수 있다. 이와 같이, 핀홀 어레이(120)를 사용함으로써 공초점 현미경과 같이 광학적 절편(Optical sectioning)이 형성되고 3D 이미징이 가능해진다. 이와 같은 구조를 직시 공초점 현미경(direct-view confocal microscope, DVCM) 이라고 한다.

또한, 시편(D)의 z축 영역을 스캐닝을 위한 수단으로 PZT 스테이지 등을 이용하여 대물렌즈나 시편을 이송하는 대신 전기적 초점변조렌즈(210)을 이용할 수 있다.

상기 전기적 초점변조렌즈(210)의 내부는 유체로 메워져 있으며 겉은 탄성 중합체 막(elastic polymer membrane)으로 씌어져 있다. 전기적 초점변조렌즈(210)의 변형은 유체의 압력에 비례하여 발생한다. 유체의 압력은 전기적 초점변조렌즈(210)에 연결된 전자기 모터에 전류를 흘려줌으로써 변화시킬 수 있다. 따라서 인가시켜주는 전류의 양을 조절함에 따라 전기적 초점변조렌즈(210)의 초점 거리를 변화시킬 수 있다. 이 때, 전기적 초점변조렌즈(210)를 광학계에 효과적으로 삽입하기 위해서 음의 굴절률을 가지는 오프셋렌즈(230)가 함께 사용될 수 있다. 이와 같이, 전기적 초점변조렌즈(210)와 오프셋렌즈(230)을 나란히 사용할 경우 평행광이 입사했을 때, 전기적 초점변조렌즈(210)의 초점거리 변조에 따라 빛은 기존의 평행광에서 발산하거나 수렴하는 형태가 될 수 있다.

이와 같은 구조를 지닌 치아 스캐닝 장치(10)의 구동 방식을 이하에서 설명한다.

광원(110)은 집광렌즈(130)에 의해 집광되어 핀홀 어레이(120)을 조명한다. 이 때, 제1 선형 편광자(140)와 편광 빔 스필리터(150)에 의해 빛은 수평 편광(p-polarized)이 된다. 조명된 핀홀 어레이(120)로부터 평면상에 이차원으로 배열된 다중 광원이 만들어진다. 각각의 점광원으로부터 나오는 빛은 튜브렌즈(220)에 의해 다시 평행광으로 만들어지고 오프셋렌즈(230)와 전기적 초점변조렌즈(210)에 의해 평행광의 상태에서 벗어나 발산하거나 수렴하는 형태가 된다. 이 빛은 대물렌즈(240)를 통과하고, 반사거울(400)에 의해 반사되어 측정하고자 하는 시편(D)에 초점평면을 형성한다. 이는 핀홀 어레이(120)의 면과 켤레면(conjugate plane)을 이룬다. 이 때, 대물렌즈(240)에 입사하는 빛이 발산 혹은 수렴함에 따라 초점평면의 광축 방향의 위치가 변하게 된다. 여기서, 튜브렌즈(220), 오프셋렌즈(230), 전기적 초점변조렌즈(210), 대물렌즈(240)으로 구성된 중계 광학계(200)는 더블 텔레센트릭(Double telecentric) 구조이며 초점평면의 위치가 변함에 따라 시야각(field of view, FOV)이 변하지 않는 특징을 지닌다.

대물렌즈(240)의 후방에는 쿼터 파장 플레이트(Quarter wave plate, 500)가 배치되어 시편으로부터 반사되어 돌아오는 빛의 편광을 광원(110) 빛의 편광과 90˚ 차이가 나도록 만들어 준다. 시편(D)으로부터 반사된 빛은 다시 반사거울(400)과 중계 광학계(200)를 거쳐 핀홀 어레이(120) 상에 이미지를 형성한다. 이 때, 핀홀 어레이(120)에 의해 공간적 필터링 및 광학적 절편이 형성된다. 핀홀 어레이(120) 상에 형성된 이미지는 이미징렌즈(320)를 거쳐 이미지 센서(310)에 의해 감광된다. 이 때, 검출부(300)에서는 편광 빔 스플리터(150)와 제2 선형 편광자(330)에 의해 오직 수직 편광된 빛만을 검출할 수 있다.

도2를 참조하면, 치아 스캐닝 장치(10)는, 전기적 초점변조렌즈(210)와 대물렌즈(240) 사이에 배치되는 조리개(250)를 더 포함할 수 있고, 조리개(250)가 대물렌즈(240)의 전방 초점평면에 위치됨으로써 텔레센트릭(telecentric) 구조를 이룰 수 있다. 이 때, 오프셋렌즈(230)와 전기적 초점변조렌즈(210)를 대물렌즈(240)와 결합하여 초점 거리를 변화시킬 수 있다.

도3을 참조하면, 튜브렌즈(220)의 후방 초점 면과 대물렌즈(240)의 전방 초점 면에 해당하는 위치에 조리개(250)를 배치시킴으로써 더블 텔레센트릭(Double telecentric) 구조를 구현할 수 있다. 튜브렌즈(220)와 대물렌즈(240)의 배율을 조절함에 따라 핀홀 어레이(120)의 간격에 의해 결정된 점광원 간의 간격을 초점평면 상에서 조절할 수 있다.

도4를 참조하면, 도3과 달리 조리개(250) 대신 오프셋렌즈(230)와 전기적 초점변조렌즈(210)를 중계 광학계에 삽입한 구조를 나타낸 것이다. 전기적 초점변조렌즈(210)의 곡률반경을 변화시킴에 따라 시편의 z축 스캐닝이 가능하다. 이 때, 중계 광학계는 더블 텔레센트릭 구조이므로 초점 거리가 변함에 따라 시야각(FOV)의 변화가 생기지 않는다.

도5를 참조하면, 전기적 신호에 의해 전기적 초점변조렌즈(210)의 형상이 변했을 시 초점 거리가 바뀌는 현상을 확인할 수 있다. 전기적 초점변조렌즈(210)의 내부는 유체로 메워져 있으며 겉은 탄성 중합체 막으로 씌어져 있으며, 전기적 초점변조렌즈(210)의 변형은 유체의 압력에 비례하여 발생한다. 유체의 압력은 전기적 초점변조렌즈(210)에 연결된 전자기 모터에 전류를 흘려줌으로써 변화시킬 수 있다. 따라서, 전기적 초점변조렌즈(210)에 인가시켜주는 전류의 양을 조절함에 따라 전기적 초점변조렌즈(210)의 초점 거리를 변화시킬 수 있다.

도6을 참조하면, 전기적 초점변조렌즈(210)와 음의 굴절률을 가지는 오프셋렌즈(220)를 나란히 배치하였을 때 빛의 투과 특성을 확인할 수 있다. 평행광이 전기적 초점변조렌즈(210)에 입사할 경우 전기적 초점변조렌즈(210)의 굴절력에 의해 빛은 수렴하지만 오프셋렌즈(220)에 의해 다시 발산한다. 따라서, 전기적 초점변조렌즈과 오프셋렌즈의 조합으로 기존의 평행광을 그대로 유지시키거나 발산하는 형태, 혹은 수렴하는 형태로 조절할 수 있다.

도7을 참조하여, 치아 스캐닝 장치(10)에 의하여 광원 평면과 광 검출 평면에 핀홀 어레이(120)가 배치됨으로써 시편(D)의 절편 정보가 획득되는 개념을 설명한다. 광원 평면(A)과 광 검출 평면(B)에 각각 핀홀 어레이(120)가 위치되어 직시 공초점 현미경(DVCM) 구조를 구현할 수 있다. 핀홀 어레이(120)에 의해 형성된 여러 개의 점광원들이 제1 렌즈(600)를 거쳐 측정 대상이 되는 시편(D)에 조명되고 반사된 빛은 편광 빔 스플리터(150)에 의해 광 경로가 바뀌어 제2 렌즈2(700)에 의해 광 검출 평면 상에 이미지를 형성한다. 이 때 광 검출 평면에 위치한 핀홀 어레이(120)에 의해 광학적 절편 형성이 이루어진다.

도8을 참조하면, 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치(10')는, 빛을 방출하는 광원(110), 광원(110)에서 방출되는 빛을 평면상에 이차원으로 배열되는 다중 광원의 형태로 변환시키는 어레이(array, 120'), 초점거리를 변화시키고 상기 어레이(120')로부터 빛을 전달 받아 시편에 초점평면을 형성하는 초점변조장치 및 시편(D)에서 반사된 빛을 검출하는 이미지 센서(310)를 포함한다.

상기 치아 스캐닝 장치(10')는, 시편(D)에서 반사된 빛이 어레이(120')의 평면에 시편(D)의 이미지를 형성시킴으로써 시편의 x-y축 영역을 스캐닝하며, 초점변조장치의 곡률을 변화시킴으로써 초점변조장치의 초점거리를 변화시켜 시편의 z축 영역을 스캐닝할 수 있다.

이 때, 상기 초점변조장치는 전기적 초점변조렌즈(Electrically tunable lens, 210)일 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치(10')는, 어레이(120')와 전기적 초점변조렌즈(210) 사이에 배치되어 어레이(120')로부터 전달되는 빛을 평행광으로 변환시키는 튜브렌즈(220), 전기적 초점변조렌즈(210)와 시편(D) 사이에 배치되어 전기적 초점변조렌즈(210)로부터 전달되는 빛을 시편(D)에 집광시키는 대물렌즈(240) 및 튜브렌즈(220)와 전기적 초점변조렌즈(210) 사이에 배치되어 음의 굴절률을 지니는 오프셋렌즈(Offset lens, 230)를 더 포함할 수 있다.

이 때, 시편(D)에 형성된 초점평면은 어레이(120')의 평면과 켤레면(conjugate plane)을 이루고, 전기적 초점변조렌즈(210)에 의하여 대물렌즈(240)에 입사되는 빛이 발산 또는 수렴함에 따라 초점평면의 광축 방향의 위치가 변화될 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치(10)'는, 대물렌즈(240)와 시편(D) 사이에 배치되어 대물렌즈(240)로부터 전달되는 빛을 시편(D)을 향해 반사시키는 반사거울(400) 및 대물렌즈(240)와 반사거울(400) 사이에 배치되어 시편(D)에서 반사되는 빛의 편광을 광원에서 방출되는 빛의 편광과 90˚ 차이가 나도록 만드는 쿼터 파장 플레이트(Quarter wave plate, 500)을 더 포함할 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치(10')는, 광원(110)과 어레이(120') 사이에 배치되어 광원(110)에서 방출되는 빛을 집광시켜 어레이(120')를 조명하는 집광렌즈(Condenser lens, 130), 집광렌즈(130)와 어레이(120') 사이에 배치되는 제1 선형 편광자(Linear polarizer, 140) 및 어레이(120')의 전방 또는 후방에 배치되는 제1 빔 스플리터(Beam splitter, 151)를 더 포함할 수 있다.

이 때, 일 예로서, 제1 빔 스플리터(151)는 어레이(120')의 전방에 배치될 수 있다. 즉, 어레이(120')와 튜브렌즈(220) 사이에 제1 빔 스플리터(151)가 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 선형 편광자(140) 및 제1 빔 스플리터(151)에 의하여 집광렌즈(130)로부터 전달되는 빛은 수평 편광될 수 있다.

상기 제1 빔 스플리터(151)는 편광 빔 스플리터(Polarized beam splitter)일 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치(10')는, 제1 빔 스플리터(151)와 이미지 센서(310) 사이에 배치되는 제2 선형 편광자(330)를 더 포함하고, 제1 빔 스플리터(151)에 의하여 시편(D)에서 반사되는 빛은 제2 선형 편광자(330)에 전달되고, 제2 선형 편광자(330)에 의하여 시편(D)에서 반사되는 빛은 수직 편광될 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치(10')는, 선택적으로 제2 선형 편광자(330)와 이미지 센서(310) 사이에 배치되어, 어레이(120')의 평면에 형성된 이미지를 이미지 센서(130)로 전달하는 이미징렌즈를 더 포함할 수 있다.

상기 치아 스캐닝 장치(10')는, 전기적 초점변조렌즈(210)와 대물렌즈(240) 사이에 배치되는 조리개를 더 포함하고, 조리개가 대물렌즈의 전방 초점평면에 위치됨으로써 텔레센트릭(telecentric) 구조를 이룰 수 있다.

상기 광원(110)은 발산 특성이 있고 비간섭성을 지닌 발광다이오드(LED)일 수 있다.

도9를 참조하면, 상기 도8과 달리, 일 실시예에 따른 치아 스캐닝 장치(10'')는 집광렌즈(130)를 포함하지 않고, 오프셋렌즈(230)와 전기적 초점변조렌즈(210)가 반사형 초점변조장치(600)로 대체될 수 있다.

즉, 상기 치아 스캐닝 장치(10'')는 초점변조장치가 반사형 초점가변장치(600)일 수 있다. 이 때, 시편(D)에 형성된 초점평면은 어레이(120')의 평면과 켤레면(conjugate plane)을 이루고, 반사형 초점가변장치(600)에 의하여 대물렌즈(240)에 입사되는 빛이 발산 또는 수렴함에 따라 초점평면의 광축 방향의 위치가 변화될 수 있다.

반사형 초점변조장치(600)는, 튜브렌즈(220)로부터 전달되는 빛을 반사시키는 반사형 거울(610), 반사형 거울(610)로부터 전달되는 빛을 대물렌즈(240)로 반사시키는 곡률조절요소(620) 및 반사형 거울(610)과 곡률조절요소(620) 사이에 배치되는 제2 빔 스플리터(630)를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 곡률조절요소(620)를 통하여 초점 거리를 변화시킬 수 있다.

도10 내지 도13을 참조하면, 어레이(120')는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

구체적으로 도10을 참조하면, 어레이(120')는 핀홀 형상으로 형성될 수 있으며, 도11을 참조하면, 어레이(120')는 삼각형, 사각형 등 다각형 형상으로 형성될 수 있다.

아울러, 도12를 참조하면, 어레이(120')는 헥사곤(hexagon) 형상 또는 심리스(seamless) 형상으로 형성될 수 있으며, 도13을 참조하면, 어레이(120')는 코디드(coded) 형상으로 형성될 수 있다.

다만, 어레이(120')의 형상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 도출될 수 있는 기타 다른 형상이 적용될 수 있음은 자명하다.

상기 어레이(120')에 적용될 수 있는 다양한 형상은 식각 또는 에칭과 같은 모양 가공에 의하여 형성될 수 있다. 또는 투명 재질에 인쇄하는 방식으로 형성될 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이 치아 스캐닝 장치(10)는, 환자의 치아의 x-y축 및 z축을 빠른 속도로 스캐닝하여 치아의 3D 형상을 복원할 수 있다.

또한, 환자의 불편함을 최소화하고 높은 정밀도로 치아의 3D 형상을 복원해낼 수 있으며, 구조가 간단하여 비용 절감 및 소형화가 가능할 수 있다.

뿐만 아니라, 치아 스캐닝 장치(10)는, 환자의 구강 내에서 치아를 바로 스캐닝함으로써, 이를 바탕으로 CAD 디자인을 수행한 후 임플란트 가공 및 식립 과정이 진행될 수 있도록 하여 치아 임플란트 제작 과정을 간략화 시킬 수 있다.

이상과 같이 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 실시예가 설명되었으나 이는 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10 : 치아 스캐닝 장치
10' : 치아 스캐닝 장치
10'' : 치아 스캐닝 장치
100 : 광원부
110 : 광원
120 : 핀홀 어레이
120' : 어레이
130 : 집광렌즈
140 : 제1 선형 편광자
150 : 편광 빔 스플리터
151 : 제1 빔 스플리터
200 : 중계 광학계
210 : 전기적 초점변조렌즈
220 : 튜브렌즈
230 : 오프셋렌즈
240 : 대물렌즈
300 : 검출부
310 : 이미지 센서
320 : 이미징렌즈
330 : 제2 선형 편광자
400 : 반사거울
500 : 쿼터 파장 플레이트
600 : 반사형 초점가변장치
610 : 반사형 거울
620 : 곡률조절요소
630 : 제2 빔 스플리터

Claims

빛을 방출하는 광원;
상기 광원에서 방출되는 빛을 평면상에 이차원으로 배열되는 다중 광원의 형태로 변환시키는 어레이(array);
초점거리를 변화시키고, 상기 어레이로부터 빛을 전달 받아 시편에 초점평면을 형성하는 초점변조장치;
상기 시편에서 반사된 빛을 검출하는 이미지 센서;
상기 어레이와 상기 초점변조장치 사이에 배치되어, 상기 어레이로부터 전달되는 빛을 평행광으로 변환시키는 튜브렌즈; 및
상기 초점변조장치와 상기 시편 사이에 배치되어, 상기 초점변조장치로부터 전달되는 빛을 시편에 집광시키는 대물렌즈;
를 포함하고,
상기 시편에서 반사된 빛이 상기 어레이의 평면에 상기 시편의 이미지를 형성시킴으로써 상기 시편의 x-y축 영역을 스캐닝하며, 상기 초점변조장치의 초점거리를 변화시켜 상기 시편의 z축 영역을 스캐닝하고, 상기 시편에 형성된 초점평면은 상기 어레이의 평면과 켤레면(conjugate plane)을 이루는, 치아 스캐닝 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 초점변조장치는 전기적 초점변조렌즈(Electrically tunable lens)이며,
상기 전기적 초점변조렌즈에 의하여 상기 대물렌즈에 입사되는 빛이 발산 또는 수렴함에 따라 상기 초점평면의 광축 방향의 위치가 변화되는, 치아 스캐닝 장치.
제3항에 있어서,
상기 튜브렌즈와 상기 초점변조장치 사이에 배치되어, 음의 굴절률을 지니는 오프셋렌즈(Offset lens);
를 더 포함하는, 치아 스캐닝 장치.
제4항에 있어서,
상기 대물렌즈와 상기 시편 사이에 배치되어, 상기 대물렌즈로부터 전달되는 빛을 상기 시편을 향해 반사시키는 반사거울; 및
상기 대물렌즈와 상기 반사거울 사이에 배치되어, 상기 시편에서 반사되는 빛의 편광을 상기 광원에서 방출되는 빛의 편광과 90˚ 차이가 나도록 만드는 쿼터 파장 플레이트(Quarter wave plate);
을 더 포함하는, 치아 스캐닝 장치.
제5항에 있어서,
상기 광원과 상기 어레이 사이에 배치되어, 상기 광원에서 방출되는 빛을 집광시켜 상기 어레이를 조명하는 집광렌즈(Condenser lens);
상기 집광렌즈와 상기 어레이 사이에 배치되는 제1 선형 편광자(Linear polarizer); 및
상기 어레이의 전방 또는 후방에 배치되는 제1 빔 스플리터(Beam splitter);
를 더 포함하고,
상기 제1 선형 편광자 및 상기 제1 빔 스플리터에 의하여 상기 집광렌즈로부터 전달되는 빛은 수평 편광되는, 치아 스캐닝 장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 빔 스플리터는 편광 빔 스플리터(Polarized beam splitter)일 수 있는, 치아 스캐닝 장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 빔 스플리터와 상기 이미지 센서 사이에 배치되는 제2 선형 편광자;
를 더 포함하고,
상기 제1 빔 스플리터에 의하여 상기 시편에서 반사되는 빛은 상기 제2 선형 편광자에 전달되고, 상기 제2 선형 편광자에 의하여 상기 시편에서 반사되는 빛은 수직 편광되는, 치아 스캐닝 장치.
제8항에 있어서,
상기 제2 선형 편광자와 상기 이미지 센서 사이에 배치되어, 상기 어레이의 평면에 형성된 이미지를 상기 이미지 센서로 전달하는 이미징렌즈;
를 더 포함하는, 치아 스캐닝 장치.
제3항에 있어서,
상기 전기적 초점변조렌즈와 상기 대물렌즈 사이에 배치되는 조리개;
를 더 포함하고,
상기 조리개가 상기 대물렌즈의 전방 초점평면에 위치됨으로써 텔레센트릭(telecentric) 구조를 이루는, 치아 스캐닝 장치.
제1항에 있어서,
상기 광원은 발산 특성이 있고 비간섭성을 지닌 발광다이오드(LED)인, 치아 스캐닝 장치.
제1항에 있어서,
상기 초점변조장치는 반사형 초점가변장치이며,
상기 반사형 초점가변장치에 의하여 상기 대물렌즈에 입사되는 빛이 발산 또는 수렴함에 따라 상기 초점평면의 광축 방향의 위치가 변화되는, 치아 스캐닝 장치.
제12항에 있어서,
상기 반사형 초점변조장치는,
상기 튜브렌즈로부터 전달되는 빛을 반사시키는 반사형 거울;
상기 반사형 거울로부터 전달되는 빛을 상기 대물렌즈로 반사시키는 곡률조절요소; 및
상기 반사형 거울과 상기 곡률조절요소 사이에 배치되는 제2 빔 스플리터;
를 포함하는, 치아 스캐닝 장치.
제1항에 있어서,
상기 어레이는, 핀홀 형상, 다각형 형상, 심리스(seamless) 형상 또는 코디드(coded) 형상으로 형성될 수 있는, 치아 스캐닝 장치.