KR102779552B1 - 치과용 3d 스캐너에서 광학 시스템의 초점을 변경하기 위한 장치 및 치과용 3d 스캐너 - Google Patents

치과용 3d 스캐너에서 광학 시스템의 초점을 변경하기 위한 장치 및 치과용 3d 스캐너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 치과용 3D 스캐너(10)에서 광학 시스템의 초점(24)을 변경하기 위한 장치(28)에 관한 것으로서: 스캔 대상(22)에 대한 초점의 위치를 변경하도록 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이에서 이동 가능한, 렌즈(20)를 구비한 렌즈 유닛(30); 렌즈의 광축(46)에 평행한 가이드 축(48)을 따라 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이에서 렌즈 유닛의 이동을 안내하는 가이드 유닛(34); 및 렌즈 유닛의 이동을 구동하는 구동 유닛(36) - 상기 구동 유닛은 앵커(anchor)(40) 및 고정자(42)를 갖는 리니어 모터(38)를 포함하고, 상기 앵커는 가이드 축에 평행한 구동 유닛의 구동 축(44)을 따라 이동 가능하고, 상기 고정자는 가이드 유닛에 부착됨 - 을 포함한다. 본 발명은 또한 3 차원 스캔 대상을 스캔하기 위한 치과용 3D 스캐너(10)에 관한 것이다.

Description

치과용 3D 스캐너에서 광학 시스템의 초점을 변경하기 위한 장치 및 치과용 3D 스캐너
본 발명은 치과용 3D 스캐너에서 광학 시스템의 초점을 변경하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 치과용 3D 스캐너에 관한 것이다.
인구의 평균 기대 수명이 증가하고 기술이 발전함에 따라, 최근 몇 년 동안 치아의 재건 및 의치 및 치과 보철물의 사용이 점점 더 중요해지고 있다. 이러한 목적을 위해 그리고 치아학 분야의 다른 적용을 위해, 환자의 구강 내의 상황을 정확하게 평가하는 것이 필요하다. 이러한 점에서 전통적인 접근 방식에는 부드러운 재료, 특히 왁스를 사용하여 환자의 턱 및 남아있는 치아의 인상을 생성하는 것이 포함된다. 이러한 인상은 그 후 각 환자의 특정 요구에 맞게 인공 치열을 맞춤화하기 위한 모델을 구성하기 위한 기초를 형성한다.
최근에, 치과 의사 및 치과 기공소의 기술자는 환자의 구강에서 얻은 스캔 데이터를 기반으로 환자의 구강 내의 상황을 3 차원으로 표현하기 위해 3D 스캐너(때로는 단층 촬영 스캐너라고도 함)에 점점 더 많이 의존하고 있다. 이러한 모델은 예를 들어 컴퓨터 지원 보철물 설계의 기초를 형성할 수 있다. 현장 스캔 데이터를 얻기 위한 구강 내 3D 스캐너로서 환자의 구강에 삽입되는 다양한 핸드헬드(handheld) 장치가 존재한다. 예를 들어, 카메라 센서를 사용하여 각 데이터를 수집할 수 있다. 일반적으로, 카메라는 재건될 위턱 또는 아래턱 또는 관심 있는 턱 부분 주위로 수동으로 이동된다.
스캐닝 및 재구성은 예를 들어 프린지 프로젝션 방법(fringe projection methods)을 기반으로 할 수 있다. 대상은 구조화된 광의 패턴으로 조명된다. 이러한 패턴은 스캔 대상에 의해 변조된 다음, 투사에 대해 알려진 각도로 카메라를 사용하여 이미지로 기록된다. 푸리에 변환과 같은 기술을 사용하여 기록된 이미지를 분석함으로써 표면 변조를 계산할 수 있다. 이러한 데이터를 기반으로, 스캔 대상의 3D 좌표를 얻을 수 있다.
다른 3D 측정 원리는 초점(또는 초점면)을 변경하기 위해 이미지 센서의 광학 시스템의 렌즈가 이동되는 것을 필요로 한다. 검출기(이미지 센서) 및/또는 프로젝터에 대해 렌즈를 앞뒤로 이동함으로써, 스캔 대상의 공간 치수에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이러한 측정 원리는 공초점 현미경의 기능에 해당한다. 카메라가 핸드헬드 장치인 경우, 스캔 대상에 대한 카메라의 상대적인 이동이 측정 정확도에 영향을 미치지 않도록 충분한 속도로 렌즈를 이동하는 것이 중요하다. 일반적으로, 치과용 3D 스캐너에서 이동 가능한 렌즈의 진동 주파수는 2 내지 20 Hz 정도이다.
이와 관련하여, EP 2 051 042 B1은 대상을 단층 기록하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 광원의 하류에 있는 광 빔의 광축에 배열된 제 1 그리드를 포함하며, 대상을 조사하기 전에 광 빔이 상기 제 1 그리드를 통해 안내될 수 있어, 제 1 그리드의 패턴이 대상에 투사될 수 있다. 이 장치는 센서 상의 대상을 이미징하기 위한 광학 이미징 조립체를 더 포함한다. 또한, 이 장치는 반사된 광 빔의 광축에 제공된 제 2 그리드를 포함하고, 제 2 그리드는 제 1 그리드와 일치하는 패턴을 가지며, 제 1 그리드의 패턴을 갖는 반사된 광 빔은 상기 제 2 그리드를 통해 안내되어, 센서는 제 1 그리드의 패턴 및 제 2 그리드의 패턴의 중복에 의해 발생되는 모아레 패턴을 가지고 대상에 의해 반사된 광 빔을 감지한다.
이동 가능한 렌즈를 사용한 3 차원 스캐닝에 대한 현재 접근 방식의 한 가지 과제는 진동이다. 특히 고주파수의 경우, 핸드헬드 스캐닝 장치에서 렌즈의 이동으로 인해 스캐닝 장치의 진동이 발생할 수 있다. 이러한 진동으로 인해 수집된 데이터 및 재구성된 3D 스캔의 블러링(blurring)이 야기될 수 있다. 이러한 진동을 보상하는 한 가지 방법은 균형추를 사용하는 것이다. 이러한 균형추는 렌즈와 동일한 속도로 그러나 반대 방향으로 이동될 수 있다. 그러나, 이는 전체 질량이 증가하여 적절한 진동 주파수로 렌즈를 이동시키기가 더 어려워진다는 단점을 갖는다.
이러한 관점에서, 본 발명은 이동 가능한 렌즈를 구비한 치과용 3D 스캐너의 이미지 품질을 향상시키는 문제를 대하고 있다. 특히, 본 발명은 장치의 경량 구조를 허용하지만 구강 내 적용을 위한 핸드헬드 스캐닝 장치의 진동을 감소시키는 것을 목표로 한다. 스캔 대상에 대한 핸드헬드 장치의 수동 이동을 보상할 수 있도록 하기 위해 이동 가능한 렌즈의 높은 진동 주파수 및 빠른 반응이 필요하다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 제 1 양태는 치과용 3D 스캐너에서 광학 시스템의 초점을 변경하기 위한 장치에 관한 것으로서, 스캔 대상에 대한 초점의 위치를 변경하도록 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이에서 이동 가능한, 렌즈를 구비한 렌즈 유닛; 렌즈의 광축에 평행한 가이드 축을 따라 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이에서 렌즈 유닛의 이동을 안내하는 가이드 유닛; 및 렌즈 유닛의 이동을 구동하기 위한 구동 유닛 - 상기 구동 유닛은 앵커(anchor) 및 고정자를 갖는 리니어 모터를 포함하고, 상기 앵커는 가이드 축에 평행한 구동 유닛의 구동 축을 따라 이동 가능하고, 상기 고정자는 가이드 유닛에 부착됨 - 을 포함한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 3 차원 스캔 대상을 스캐닝하기 위한 치과용 3D 스캐너에 관한 것으로서, 상기 정의된 바와 같은 장치; 렌즈를 통과하는 스캔 대상으로부터의 광 신호를 검출하는 검출기; 및 스캔 대상 주위로 3D 스캐너를 수동으로 안내하기 위한 핸드헬드 하우징을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 종속 청구항에 정의된다. 청구된 치과용 3D 스캐너는 특히 종속항에서 정의되고 여기에 개시된 바와 같이 청구된 장치와 유사한 및/또는 동일한 바람직한 실시예를 갖는다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 장치는 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이에서 이동 가능한 각각의 고정부 및 렌즈를 포함하는 렌즈 유닛을 갖는다. 이러한 이동은 렌즈의 광축(가이드 축)에 평행한 방향으로 가이드 유닛에 의해 안내된다. 이러한 렌즈의 이동에 의해, 치과용 3D 스캐너의 렌즈와 광 검출기 및 프로젝터 사이의 거리가 변경된다. 거리는 전방 방향 전환 위치에서 증가된다. 이에 의해, 스캔 대상에 대한 초점의 위치가 수정된다. 즉, 스캔 대상은 다른 깊이 또는 다른 평면에서 스캔된다. 이동은 리니어 모터를 갖는 구동 유닛에 의해 구동된다. 리니어 모터의 고정자는 가이드 유닛에 부착되고, 앵커 이동은 렌즈 유닛으로 전달된다. 일반적으로, 렌즈는 스캔 대상을 스캔하는 동안 진동 주파수로 진동한다. 따라서 렌즈의 이동은 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이의 거리에 의해 제한된다. 그러나, 렌즈가 더 작은 진폭으로 이동될 수도 있다.
본 발명은 치과용 3D 스캐너에서 렌즈를 이동시키기 위해 리니어 모터를 사용하는 아이디어를 기초로 한다. 이전의 압전 액추에이터(피에조 음향 드라이브)를 사용한 접근 방식, 회전 운동을 선형 운동으로 변환하거나 또는 음성 코일 액추에이터와 유사한 액추에이터를 정렬하기 위해 링크 운동을 기초로 하는 접근 방식과 비교하여, 본 발명의 리니어 모터는 렌즈의 이동의 제어가 매우 정밀하고 정확하다는 이점이 있다. 렌즈의 이동을 스캔 대상의 크기 및 위치에 맞추기 위해 반전 지점을 자유롭게 선택할 수 있게 된다. 렌즈의 위치는 해당 센서를 통해 매우 정확하게 평가될 수 있다. 또한, 렌즈 유닛의 높은 가속이 가능하여, 높은 진동 주파수를 구현할 수 있다. 그 결과, 고품질 스캔을 생성할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 구동 유닛은 제 1 방향으로의 앵커의 이동이 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로의 렌즈의 이동으로 전달되도록 앵커와 렌즈 유닛의 이동을 커플링하기 위한 커플링 장치를 포함한다. 따라서, 리니어 모터의 앵커는 렌즈 유닛의 이동으로 인한 진동을 보상하기 위한 균형추로 사용된다. 별도의 균형추를 필요로 하는 이전 접근 방식과 비교할 때, 이것은 더 경량의 구조를 얻을 수 있다는 이점이 있다. 또한, 앵커를 균형추로 사용함으로써, 렌즈 유닛 및 균형추의 이동 타이밍이 보장된다. 렌즈 유닛은 균형추에 의해 구동되기 때문에, 진동이 발생하지 않는다. 측정 정확도가 향상되고, 대상의 고품질 3 차원 이미지를 생성할 수 있는 것이 보장된다.
일 실시예에서, 커플링 장치는 앵커로부터 렌즈 유닛으로 힘을 전달하기 위해 앵커와 렌즈 유닛을 연결하기 위한 가요성 연결 요소를 포함한다. 상기 가요성 연결 요소는 바람직하게는 강철 스트립(steel strip)을 포함한다. 강철 스트립은 강철 테이프라고도 할 수 있다. 가요성 연결 요소는 앵커의 이동을 반대 방향으로 렌즈 유닛의 이동으로 변환하거나 또는 전달한다. 이를 위해, 연결 요소는 바람직하게는 대략 해당 편향(deflection)만큼 안내될 수 있도록 단일 방향으로 가요성이 있고, 압축력 및 견인력 모두가 앵커로부터 렌즈 유닛으로 전달될 수 있도록 길이 축에 대해 강성이 있다. 강철 스트립 또는 강철 밴드는 이러한 특성을 가지며, 따라서 유리하게 사용될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 커플링 장치는 연결 요소를 긴장시키기 위한 긴장 요소(tension element)를 포함한다. 상기 긴장 요소는 바람직하게는 스프링을 포함한다. 긴장 요소를 사용함으로써, 앵커의 이동이 렌즈 유닛의 이동으로 매끄럽게 전달되도록 보장할 수 있다. 연결 요소가 일정하게 힘을 받아 유지되고 있다면 진동이 발생하지 않는다. 특히, 선형 운동이 반대 방향으로 전환될 때, 오버슈팅을 저지하는 것이 중요하다. 바람직하게는, 이러한 기능을 제공하기 위해 스프링이 사용된다. 진동이 최소화되어 3 차원 스캔의 품질이 향상되는 것이 보장된다.
일 실시예에서, 커플링 장치는 앵커의 이동을 반전시키기 위한 반전 요소를 포함한다. 이러한 반전 요소는 바람직하게 볼 베어링을 포함한다. 앵커로부터 렌즈 유닛으로 이동을 전달하기 위해, 방향의 변화에 따른 편향을 이용하는 것이 유리하다. 이러한 기능을 제공하기 위해, 마찰을 최소화하는 볼 베어링을 사용하여 낮은 진동에서 높은 진동 주파수를 얻을 수 있는 것이 가능하다. 이는 생성된 3D 스캔의 품질을 향상시키기 위해 렌즈 유닛의 고속 정밀 이동을 보장하는 효과가 있다.
또 다른 실시예에서, 가이드 유닛은 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이의 렌즈 유닛의 위치를 결정하기 위한 위치 센서를 포함한다. 위치 센서는 바람직하게는 광학 거리 측정 센서를 포함한다. 렌즈의 위치를 결정하기 위한 위치 센서를 포함하여 가이드 유닛 내에서 초점의 위치를 결정하는 것이 가능하다. 광학 거리 측정 센서는 특히 거리를 정확하게 결정할 수 있는 레이저 센서 등에 해당할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서는 고정 부분에 부착될 수 있고, 광 빔은 가이드 유닛의 이동 부분으로 지향될 수 있다. 위치 센서를 사용함으로써, 렌즈 유닛의 이동을 제어하고 렌즈 유닛의 이동을 현재 스캔 대상의 위치 및 형상에 적응시킬 수 있다. 정밀한 측정은 스캔 대상의 고품질 3D 스캔을 생성한다.
바람직한 실시예에서, 구동 유닛은 위치 센서의 센서 신호에 기초하여 렌즈 유닛의 이동을 제어하도록 구성된다. 특히, 위치 센서의 센서 신호를 이용하여 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 것이 유리하다. 따라서, 측정된 변수는 제어하도록 의도되는 변수, 즉 초점 또는 초점면의 위치를 직접 나타낸다. 대조적으로, 앵커 위치를 측정하고 앵커 위치를 기초로 하여 제어를 실행하는 대안은 앵커 이동이 렌즈 이동으로 전달되어야 하므로 직접 제어에 해당하지 않는다. 렌즈 유닛은 렌즈에 견고하게 연결되어, 위치 센서의 센서 신호를 사용하여 초점 또는 초점면 위치의 직접 측정이 얻어질 수 있다. 정밀한 제어가 보장되어 스캔 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 가이드 유닛은 선형 리서큘레이팅(recirculating) 볼 베어링 가이드를 포함한다. 렌즈 유닛은 상기 선형 리서큘레이팅 볼 베어링 가이드에 맞물리는 맞물림 요소를 포함한다. 선형 리서큘레이팅 볼 베어링 가이드는 렌즈 유닛의 각 부분이 가이드 축을 따라 가이드되는 레일링(railing)에 해당한다. 마찰이 최소화되거나 또는 감소되어, 렌즈 유닛의 정확하고 빠른 이동이 가능하다. 이것은 다시 스캔 품질이 향상되는 효과를 갖는다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 렌즈 유닛의 질량은 렌즈 및 앵커의 가속으로 인한 반력을 보상하기 위해 앵커의 질량과 동일하다. 바람직하게는, 렌즈 유닛의 질량은 앵커의 질량과 동일하도록 선택된다. 2 개의 질량이 동일하면, 반대 방향으로의 이동이 완전히 보상되어, 결과적인 진동이 최소화되거나 또는 완전히 방지된다. 따라서, 렌즈 유닛 또는 앵커에 추가 질량(균형 질량)을 사용하여 반대 방향으로 이동하는 2 개의 부품의 총 질량이 동일하도록 보장하는 것이 선택적으로 가능하다. 핸드헬드 스캐너의 진동을 최소화하여 고품질 3D 스캔이 가능하다.
다른 바람직한 실시예에서, 가이드 축에 평행한 렌즈 유닛의 질량 중심선은 가이드 축에 평행한 앵커의 질량 중심선에 상응한다. 이동하는 부품의 질량 중심선이 서로 정렬되도록 보장함으로써, 힌지 또는 토크 모멘트를 보상할 수 있다. 앵커 및 렌즈 유닛이 서로에 대해 반대 방향으로 이동되거나 가속될 때 토크 모멘트가 생성되지 않는 것이 보장된다. 스캔 품질은 더욱 향상된다.
다른 바람직한 실시예에서, 리니어 모터는 브러시리스 3 상 리니어 서보 모터(brushless 3-phase linear servomotor)이다. 리니어 모터는 바람직하게는 고정자에 대한 앵커의 위치를 측정하기 위한 홀 센서(hall sensor)를 포함한다. 추가 센서로서, 3 상 리니어 서보 모터에서 홀 센서를 사용할 수 있다. 이러한 홀 센서는 특히 서보 모터에 대한 전원 입력을 제어하는데 사용되어 정밀한 제어 가능성을 가능하게 한다.
다른 실시예에서, 앵커의 최대 변위는 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이의 거리와 동일하다. 앵커의 최대 변위가 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이의 거리에 해당하는 경우 필요한 구조 또는 공간이 최소화된다. 2 개의 이동하는 부분의 이동이 연결되어 있기 때문에, 하나의 이동이 다른 이동보다 더 높은 변위를 가질 필요는 없다. 필요한 구조 공간 및 총 중량이 최소화되고, 제조 비용이 감소된다.
다른 바람직한 실시예에서, 구동 유닛은 렌즈 유닛의 이동을 2 내지 20 Hz, 바람직하게는 5 내지 10 Hz, 특히 7.5 Hz의 진동 주파수로 선택 가능한 전방 진동 위치와 선택 가능한 후방 진동 위치 사이에서 진동하게 구동하도록 구성된다. 진동이 최대 변위에서 수행되는 것이 필요하지는 않다. 더 작은 스캔 대상의 경우, 스캔 대상의 치수가 완전히 커버될 수 있도록 초점을 변경하면 충분한다. 더 작은 진폭을 사용하는 것의 이점은 더 높은 주파수를 얻을 수 있다는 것이다. 주파수가 높을수록 스캔 대상에 대한 3D 스캐너의 이동이 보상될 수 있다. 리니어 모터는 렌즈 유닛이 진동하는 전방 진동 위치와 후방 진동 위치를 정밀하게 선택할 수 있게 한다.
치과용 3D 스캐너의 바람직한 실시예에서, 이는 구동 유닛을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 렌즈 유닛의 이동의 파라미터를 제어하기 위해 다양한 센서 신호 및 사용자 입력(선택적)을 사용한다. 특히, 렌즈 유닛의 이동의 진동 주파수 및 진폭을 조정할 수 있게 된다.
여기서, 광학 시스템의 초점은 초점면 위치에 해당한다. 초점면의 초점은 이미지 또는 대상이 포커싱되는 거리를 나타낸다. 스캔 대상은 특히 단일 치아, 복수의 치아 또는 사람의 턱일 수 있다. 3D 스캐너의 조작자에 의한 하우징의 이동을 보상하기 위해 렌즈의 더 높은 진동 주파수가 필요하도록 치과용 3D 스캐너의 이동 가능한 렌즈가 핸드헬드 하우징에 통합되어 있는 다른 영역에도 본 발명의 원리를 적용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 원리는 산업용 3D 스캐너에서도 사용될 수 있다.
본 발명의 이러한 양태 및 다른 양태는 이후에 설명되는 실시예를 참조하여 명백해지고 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 양태에 따른 치과용 3D 스캐너의 개략도를 도시한다.
도 2는 3D 스캐너에서 이동하는 렌즈에 기초한 측정 원리의 개략도를 도시한다.
도 3은 후방 방향 전환 위치에 있는 렌즈 유닛을 갖는 본 발명에 따른 장치의 개략적인 사시도를 도시한다.
도 4는 전방 방향 전환 위치에 있는 렌즈 유닛을 갖는 장치의 개략적인 사시도를 도시한다.
도 5는 장치의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 6은 장치의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 7은 측면도로 질량 중심선의 위치를 개략적으로 도시한다
도 8은 저면도로 질량 중심선의 위치를 개략적으로 도시한다.
도 1에는 본 발명에 따른 3 차원 스캔 대상을 스캔하기 위한 치과용 3D 스캐너(10)가 개략적으로 도시되어 있다. 치과용 3D 스캐너(10)는 핸드헬드 하우징(12)을 포함한다. 예시된 예에서, 핸드헬드 하우징(12)은 조작자의 손에 잡히는 넓어지는 후방 섹션(12a) 및 환자의 구강에 삽입되는 테이퍼진 전방 섹션(12b)을 갖는다. 후방 섹션(12a)에는 케이블이 부착되고, 이 케이블을 통해 핸드헬드 하우징(12)은 예를 들어 개인용 컴퓨터에 대응할 수 있는 제어 장치(14)에 연결된다. 치과용 3D 스캐너(10)는 광 신호가 통과할 수 있고 핸드헬드 하우징(12) 내부의 검출기(16)에 도달할 수 있는 테이퍼진 전방 섹션(12b) 내의 창을 갖는다. 치과용 3D 스캐너(10)는 도시된 예에서 제어 장치(14)에 포함된 제어 유닛(18)에 의해 제어된다.
본 발명의 치과용 3D 스캐너(10)는 특히 치과 의사의 수술 또는 치과 기공소에서 사용되어 환자의 구강 내의 상황에 대한 현장 스캔을 얻을 수 있다. 일반적으로, 환자의 구강 내의 상황은 구강 내에서 스캔된다. 그러나, 환자의 구강 밖에 있는 스캔 대상을 스캔하는 것도 가능하다. 핸드헬드 하우징(12)은 스캔 대상 주위로 3D 스캐너를 이동시키는 치과 의사 또는 치과 기술자에 의해 손으로 안내된다. 이를 통해 현장 스캔을 통해 3D 표현을 얻을 수 있다. 스캔 대상, 특히 환자의 치아 또는 턱의 실시간 시각화가 개략적으로 도시된 바와 같이 데이터 수집 중에 화면에 표시되는 것이 유리하다.
예시된 실시예는 일 예이며 상이한 구성 요소가 상이한 방식으로 배열되는 것도 가능하다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 핸드헬드 하우징(12)이 제어 유닛(18)을 포함하고 및/또는 핸드헬드 하우징(12)이 무선 연결을 통해 제어 장치(14)와 연결되는 것이 가능하다. 또한, 핸드헬드 하우징(12)은 치과용 3D 스캐너의 모든 구성 요소를 포함하고 스캔 대상의 이미지만이 별도의 외부 스크린으로 전송될 수 있다.
도 2에는 치과용 3D 스캐너(10)의 측정 원리가 개략적으로 도시되어 있다. 치과용 3D 스캐너(10)는 검출기(16)에 도달하기 전에 스캔 대상(22)으로부터의 광 신호가 통과하는 렌즈(20)를 갖는다. 따라서 스캔 프로세스는 가변 초점(24)을 기초로 한다. 초점(24)은 초점면에 상응한다. 초점(24)은 스캔 대상(22)의 전체 공간 치수가 샘플링되도록 변경된다. 즉, 검출기(16)에 의해 획득된 이미지는 각각 3D 스캐너(10) 또는 그의 검출기(16)로부터 가변 거리에 초점이 맞춰진다. 따라서 측정 원리는 공초점 현미경에 상응한다. 일반적으로, 렌즈는 주기적으로 초점을 변경하도록 진동한다.
예시된 실시예에서, 렌즈(20)는 전방 진동 위치(20a)와 후방 진동 위치(20b) 사이에서 이동된다. 렌즈(20)를 이동함으로써, 초점(24)은 스캔 대상(22) 위의 제 1 위치(24a)로부터 스캔 대상(22) 또는 스캔 대상(22)의 관심 영역 아래의 제 2 위치(24b)로 이동된다. 일반적으로, 렌즈(20)는 일정한 진동 주파수로 2 개의 위치 사이에서 진동하여, 스캔 대상(22)의 일정한 샘플링이 획득된다. 치과용 3D 스캐너(10)는 스캔 대상(22)에 대한 위치에 고정되지 않고, 수동으로 구강 내 적용을 허용하기 위해 스캔 대상(22) 주위를 수동으로 이동하기 때문에, 이에 따라 진동 주파수는 10 Hz 정도이다. 이러한 비교적 높은 진동 주파수를 사용함으로써, 스캔 대상(22)에 대한 스캐너의 이동으로 인한 획득된 스캔의 블러링이 방지된다. 예시된 실시예에서, 거울(26)은 렌즈(20)와 스캔 대상(22) 사이에 배열된다. 이에 의해 렌즈(20)의 이동은 본 발명에 따른 광학 시스템의 초점을 변경하기 위한 장치(28)에 의해 획득된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 치과용 3D 스캐너에서 광학 시스템의 초점을 변경하기 위한 장치(28)는 사시도로 개략적으로 도시되어 있다. 장치(28)는 렌즈(20) 및 렌즈(20)를 유지하기 위한 대응하는 유지 장치(32)를 갖는 렌즈 유닛(30), 렌즈 유닛(30)의 이동을 안내하기 위한 가이드 유닛(34) 및 이동을 구동하기 위한 구동 유닛(36)을 포함한다.
이에 의해 렌즈 유닛(30)은 모든 이동 가능한 부분을 포함한다. 렌즈 유닛(30)은 도 4에 도시된 전방 방향 전환 위치와 도 3에 도시된 후방 방향 전환 위치 사이에서 이동 가능하다. 전방 방향 전환 위치에서, 검출기(도면에 도시되지 않음)까지의 거리가 증가하여, 렌즈(20) 및 검출기에 의해 형성된 광학 시스템의 초점이 렌즈로부터 더 멀리 이동된다.
구동 유닛(36)은 앵커(40) 및 고정자(42)를 갖는 리니어 모터(38)를 포함한다. 앵커(40)는 구동축(44)을 따라 고정자(42)에 대해 이동된다. 일반적으로 3 상 리니어 서보 모터가 리니어 모터(38)로서 사용된다. 리니어 모터(38)는, 리니어 모터 하우징과 통합되고 리니어 모터(38)의 전원 공급을 제어하기 위해 사용되는 센서 신호를 제공하는 홀 센서(39)(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 구동 유닛(36)에 의해 유도된 이동은 구동 축(44)에 평행하다. 이에 의해, 구동축(44)은 렌즈(20)의 광축(46) 및 렌즈 유닛(30)의 이동이 가이드 유닛(34)에 의해 안내되는 가이드 축(48)에 평행하다. 렌즈(20)의 광축(46)은 렌즈(20)의 중심을 관통한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이의 렌즈 유닛(30)의 선형 이동은 앵커(40)의 이동 방향과 반대 방향이다. 렌즈 유닛(30)이 전방으로 이동되면, 도 4에 도시된 바와 같이 앵커(40)가 후방으로 이동된다. 이러한 역 이동을 이용함으로써, 렌즈 유닛(30)이 진동할 때의 질량에 의해 야기되는 진동을 보상하는 것이 가능하게 된다. 바람직하게는, 렌즈 유닛(30)의 질량은 이에 따라 최적의 진동 제거가 얻어지도록 앵커(40)의 질량과 동일하다. 앵커(40) 및 렌즈 유닛(30) 중 하나에 중량을 추가할 수 있다.
한편, 렌즈 유닛(30)은 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이에서 이동될 수 있다. 따라서, 전방 및 후방 방향 전환 위치들 사이의 거리는 최대 변위를 나타낸다. 그러나, 렌즈 유닛(30)의 이동이 더 작은 변위를 수행하도록 리니어 모터(38)가 제어되는 것도 가능하다. 리니어 모터(38)의 사용은 렌즈 유닛(30)의 이동이 전방 및 후방 방향 전환 위치 사이의 임의의 원하는 위치에서 반전될 수 있다는 이점을 갖는다. 이러한 점에서, 전방 및 후방 진동 위치는 렌즈 유닛(30)의 이동이 반전되는 위치에 해당한다. 전방 및 후방 진동 위치 사이의 거리는 전방 및 후방 방향 전환 위치 사이의 거리보다 작다.
도 5에서, 장치(28)는 렌즈 유닛(30) 및 구동 유닛(36)의 이동을 더 설명하기 위해 개략적인 측면도로 도시되어 있다. 앵커(40)의 후방 방향(도 5의 도시에서 우측)으로의 이동을 렌즈 유닛(30)의 전방 방향(좌측)으로의 이동으로 변환하기 위해서는, 이동을 반전시킬 필요가 있다. 이를 위해, 구동 유닛(36)의 커플링 장치(50)가 리니어 모터(38)와 렌즈 유닛(30) 사이에 배열된다.
커플링 장치(50)는 특히 앵커(40)로부터 렌즈 유닛(30)으로 힘을 전달하는 가요성 연결 요소(52)를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 가요성 연결 요소(52)는, 더 높은 진동 주파수에서 반복 힘을 전달하기에 충분히 강하고 견인력 및 압축력 모두를 전달할 수 있는 강철 스트립이다. 커플링 장치(50)는 바람직하게는 예시된 실시예에서 스프링을 포함하는 긴장 요소(54)를 포함한다. 긴장 요소(54)는 이러한 가요성 연결 요소(52)가 긴장 상태에서 흔들림 없이 힘을 전달할 수 있도록 가요성 연결 요소(52)에 힘을 가하는데 사용된다. 이는 렌즈 유닛(30)의 이동이 전방 또는 후방 방향 전환 위치 또는 전방 또는 후방 진동 위치에서 반전될 때 특히 중요하다.
커플링 장치(50)는 예시된 실시예에서 볼 베어링을 포함하는 반전 요소(56)를 더 포함한다. 이러한 반전 요소(56)는 180° 방향 변화를 통해 가요성 연결 요소(52)를 안내함으로써 앵커(40)의 이동을 반전시킨다. 예시된 실시예에서, 2 개의 볼 베어링이 사용된다.
도 6에서, 가이드 유닛(34)의 기능은 장치(28)의 평면도에 기초하여 예시된다. 가이드 유닛(34)은 렌즈 유닛(30)과 구동 유닛(36)을 연결한다. 가이드 유닛(34)은 리니어 모터(38)의 고정자(42)에 부착된다. 리니어 모터(38)의 렌즈 유닛(30) 및 앵커(40)는 가이드 유닛(34) 및 고정자(42)에 대해 이동된다.
예시된 실시예에서, 가이드 유닛(34)은 렌즈 유닛(30)의 맞물림 요소(60)가 안내되는 리서큘레이팅 볼 베어링 가이드(58)를 포함한다. 선형 리서큘레이팅 볼 베어링 가이드(58)는 이에 의해 레일링과 유사한 기능을 한다. 볼 베어링을 사용함으로써, 마찰을 최소화하여 높은 진동 주파수가 가능하다.
또한, 가이드 유닛(34)은 가이드 유닛(34)에 대한 렌즈 유닛(30)의 위치, 특히 측면 위치에 대한 정보를 획득할 수 있게 하는 위치 센서(62)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 위치 센서(62)는 거리를 측정하는 광학 센서이다. 렌즈 유닛(30)의 이러한 위치는 리니어 모터(38)의 앵커(40)의 현재 위치뿐만 아니라 렌즈의 현재 위치 및 초점의 직접적인 측정이다. 위치 센서(62)의 센서 신호는 직접 피드백 및 제어 루프가 가능해지도록 구동 유닛(36)을 제어하는데 사용될 수 있다. 특히, 특정 전방 및 후방 진동 위치를 지정하고 현재 위치를 제어하여 위치 센서의 센서 신호를 기반으로 다른 방향으로 이동하는지 여부를 결정할 수 있다. 이에 따라, 해당 제어는 치과용 3D 스캐너에도 포함될 수 있거나 또는 별도의 처리 장치에 외부적으로 배열될 수 있는 제어 유닛에서 실행될 수 있다.
도 7 및 도 8에서, 장치(28)는 측면도(도 7) 및 저면도(도 8)로 개략적으로 도시되어 있다. 치과용 3D 스캐너의 진동을 유발할 수 있는 토크 모멘트 및 회전력을 최소화하기 위해, 앵커(40)의 질량 중심선(64)이 렌즈 유닛(30)의 질량 중심선(66)과 동일한 것이 유리하다. 따라서 질량 중심선(64, 66)은 가이드 축에 평행한다. 도 7 및 도 8의 2 개의 다른 도면에 도시된 바와 같이, 앵커의 질량 중심선(64) 및 렌즈 유닛의 질량 중심선(66)은 측면도 및 저면도 모두에서 동일하다. 이러한 구조는 토크 힘이 발생하는 것을 방지한다.
위에서 설명한 논의는 단지 본 개시의 예시적인 실시예를 개시하고 설명한다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 본 개시 내용은 그 사상 또는 본질적인 특성을 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 본 설명은 예시적인 것으로 의도될 뿐, 다른 청구항 및 본 개시의 범위를 제한하지 않는다. 본 명세서의 교시의 임의의 용이하게 식별할 수 있는 변형을 포함하는 본 개시는 발명의 주제가 대중에게 전용되지 않도록 위에서 설명한 청구항 용어의 범위를 부분적으로 정의한다.
청구 범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정 관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 단일 요소 또는 다른 유닛은 청구항에 인용된 여러 개의 항목의 기능을 수행할 수 있다. 특정 조치가 서로 다른 종속 청구항에 언급되어 있다는 단순한 사실은 이러한 조치의 조합이 이점을 얻기 위해 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다.

Claims (15)

  1. 치과용 3D 스캐너(10)에서 광학 시스템의 초점(24)을 변경하기 위한 장치(28)로서,
    스캔 대상(22)에 대한 초점의 위치를 변경하도록 전방 방향 전환 위치와 후방 방향 전환 위치 사이에서 이동 가능한, 렌즈(20)를 구비한 렌즈 유닛(30);
    상기 렌즈의 광축(46)에 평행한 가이드 축(48)을 따라 상기 전방 방향 전환 위치와 상기 후방 방향 전환 위치 사이에서 상기 렌즈 유닛의 이동을 안내하는 가이드 유닛(34); 및
    상기 렌즈 유닛의 이동을 구동하는 구동 유닛(36) - 상기 구동 유닛은 앵커(anchor)(40) 및 고정자(42)를 갖는 리니어 모터(38)를 포함하고, 상기 앵커는 상기 가이드 축에 평행한 상기 구동 유닛의 구동 축(44)을 따라 이동 가능하고, 상기 고정자는 상기 가이드 유닛에 부착됨 -
    을 포함하고,
    상기 구동 유닛(36)은, 제 1 방향으로의 상기 앵커의 이동이 상기 제 1 방향과 반대되는 제 2 방향으로의 상기 렌즈(20)의 이동으로 전달되도록 상기 앵커(40)와 상기 렌즈 유닛(30)의 이동을 커플링하기 위한 커플링 장치(50)를 포함하는 것인, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링 장치(50)는 상기 앵커(40)와 상기 렌즈 유닛(30)을 연결하여 상기 앵커로부터 상기 렌즈 유닛으로 힘을 전달하기 위한 가요성 연결 요소(52)를 포함하는 것인, 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 커플링 장치(50)는 상기 가요성 연결 요소(52)를 긴장시키기 위한 긴장 요소(tension element)(54)를 포함하는 것인, 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링 장치(50)는 상기 앵커(40)의 이동을 반전시키기 위한 반전 요소(56)를 포함하는 것인, 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가이드 유닛(34)은 상기 전방 방향 전환 위치와 상기 후방 방향 전환 위치 사이의 상기 렌즈 유닛(30)의 위치를 결정하기 위한 위치 센서(62)를 포함하는 것인, 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구동 유닛(36)은 상기 위치 센서(62)의 센서 신호에 기초하여 상기 렌즈 유닛(30)의 이동을 제어하도록 구성되는 것인, 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가이드 유닛(34)은 선형 리서큘레이팅 볼 베어링 가이드(linear recirculating ball bearing guide)(58)를 포함하고,
    상기 렌즈 유닛(30)은 상기 선형 리서큘레이팅 볼 베어링 가이드에 맞물리는 맞물림 요소(60)를 포함하는 것인, 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈 유닛(30)의 질량은 상기 렌즈(20) 및 상기 앵커의 가속으로 인한 반력을 보상하기 위해 상기 앵커(40)의 질량과 동일한 것인, 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가이드 축(48)에 평행한 상기 렌즈 유닛(30)의 질량 중심선(66)은 상기 가이드 축에 평행한 상기 앵커(40)의 질량 중심선(64)에 상응하는 것인, 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리니어 모터(38)는 브러시리스 3 상 리니어 서보 모터(brushless 3-phase linear servomotor)인 것인, 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 앵커(40)의 최대 변위는 상기 전방 방향 전환 위치와 상기 후방 방향 전환 위치 사이의 거리와 동일한 것인, 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 유닛(36)은, 상기 렌즈 유닛(30)의 이동을 2 내지 20 Hz, 또는 5 내지 10 Hz, 또는 7.5 Hz의 진동 주파수로 선택 가능한 전방 진동 위치(20a)와 선택 가능한 후방 진동 위치(20b) 사이에서 진동하게 구동하도록 구성되는 것인, 장치.
  13. 3 차원 스캔 대상(22)을 스캔하기 위한 치과용 3D 스캐너(10)로서,
    제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 장치(28);
    상기 렌즈(20)를 통과하는 상기 스캔 대상으로부터의 광 신호를 검출하는 검출기(16); 및
    상기 3D 스캐너를 상기 스캔 대상 주위로 수동으로 안내하기 위한 핸드헬드(handheld) 하우징(12)
    을 포함하는, 치과용 3D 스캐너.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 구동 유닛(36)을 제어하기 위한 제어 유닛(18)을 포함하는 것인, 치과용 3D 스캐너.
  15. 삭제
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