KR20180010252A

KR20180010252A - 치아 객체의 3차원 측정을 위한 카메라 및 방법

Info

Publication number: KR20180010252A
Application number: KR1020177036933A
Authority: KR
Inventors: 프랑크 틸; 요아킴 파이퍼
Original assignee: 시로나 덴탈 시스템스 게엠베하
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2018-01-30
Also published as: US10588494B2; US20180125337A1; JP6796602B2; CN107624047B; EP3298345A1; CN107624047A; EP3298345B1; DE102015209410B4; JP2018515769A; WO2016188879A1; KR102521476B1; DE102015209410A1

Abstract

치아 객체의 3차원 측정을 위한 카메라 및 방법이 개시된다. 본 발명은 조사빔(4)을 방출하는 적어도 하나의 광 소스(3), 투영 패턴을 생성하는 적어도 하나의 투영 마스크(5), 치아 카메라(1)에 대해 정의된 초점거리(8)에 있는 선명 초점평면(7)에서 투영 패턴을 디스플레이하는 초점 광학(6)을 포함하는, 치아 객체(2)의 3차원 측정을 위한 방법 및 카메라(1)에 관한 것으로, 객체(2) 상으로 투영된 투영 패턴은 객체(2)에 의해 관찰 빔(9)으로 반사되고, 센서(10)에 의해 획득된다. 객체(2)를 측정하는 동안, 초점 광학(6)은 카메라(1)에 대한 선명 초점평면(7)의 초점거리(8)가 다수의 정의된 스캔 위치 사이에서 점진적으로 조절되도록 제어되고, 관찰 마스크(12)가 센서(10) 앞에서 관찰 빔(9)의 빔 경로에 배치되며, 관찰 마스크(12)는 투영 마스크(5)에 대해 고정되어 배열된다. 투영 마스크(5)는 다양한 컬러필터들(13, 20, 21, 22, 23)을 포함하는 복수의 투영 패턴 구성요소들로 구성된다. 관찰 마스크(12)는 유사하게 다양한 컬러필터들(14, 30, 31, 32, 33)을 포함하는 복수의 관찰 마스크 구성요소들로 구성된다.

Description

치아 객체의 3차원 측정을 위한 카메라 및 방법

본 발명은 치아 객체의 3차원 측정을 위한 카메라로서, 조사빔을 방출하는 적어도 하나의 광 소스, 투영 패턴을 생성하는 적어도 하나의 투영 마스크, 치아 카메라에 대해 정의된 초점거리에 있는 선명 초점평면에서 투영 패턴을 디스플레이하는 초점 광학을 포함하되, 객체 상으로 투영된 투영 패턴은 객체에 의해 관찰 빔으로 반사되고, 센서에 의해 획득되는 카메라에 관한 것이다.

치아 객체의 3차원 측정을 위한 다수의 방법 및 카메라들이 최신 기술에서 알려져 있다.

WO 2012/083967 A1는 제1 광 소스에 더하여, 적어도 제2 광 소스가 사용되고, 그 광은 광 가이드를 사용하는 장치의 빔 경로에 결합되는 광학적 공초점(confocal) 측정 방법을 사용하는 객체의 광학적 3D 측정장치를 개시한다. 또한, 컬러 LED들 또는 LED들과 같은 광 소스가 컬러필터들과 함께 사용될 수 있고, 그에 의해 광 소스들이 교번하는 방식으로 절환되어 균질한(homogeneous) 조사를 보장하는 것이 더 개시된다.

WO 2010/145669 A1는 광학적 공초점 측정 방법을 사용한 객체의 광학적 3D 측정 장치를 개시한다. 이 경우, 일시적으로 변하는 패턴이 객체상에 투영된다. 변하는 패턴은 바퀴 형태의 모터로 구동된 기계적 수단의 도움으로 생성된다.

이 방법들의 단점은 일시적으로 변하는 투영 패턴이 조사빔 경로에서 모터로 구동되는 바퀴 모양의 투영 격자와 같은 이동 가능한 투영 수단을 사용하여 생성된다는 것이다. 기계적으로 구동되는 투영 격자들의 부정확한 제어 또는 부정확한 작용은, 객체의 부정확한 3차원 이미지 데이터가 얻어지는 결과로 위치 선정 에러를 야기할 수 있다.

다른 단점은 상기 방법이 객체의 컬러 측정이 아닌 3차원 측정만을 허용한다는 것이다.

따라서, 본 발명의 과제는 컴팩트한 디자인을 갖고, 치아 객체에 대해 에러가 없는 측정과 컬러 측정을 가능하게 하는 카메라를 제공하는 것이다.

본 발명은 치아 객체의 3차원 측정을 위한 카메라로서, 조사빔을 방출하는 적어도 하나의 광 소스, 투영 패턴을 생성하는 적어도 하나의 투영 마스크, 치아 카메라에 대해 정의된 초점거리에 있는 선명 초점평면에서 투영 패턴을 디스플레이하는 초점 광학을 포함하되, 객체 상으로 투영된 투영 패턴은 객체에 의해 관찰 빔으로 반사되고, 센서에 의해 획득되는 카메라에 관한 것이다. 객체를 측정하는 동안, 초점 광학은, 카메라에 대한 선명한 초점평면의 초점거리가 다수의 정의된 스캔 위치들 사이에서 점진적으로 조정되는 방식으로 제어된다. 관찰 마스크는 센서 앞에서 관찰 빔의 빔 경로에 배치되고, 관찰 마스크는 투영 마스크에 대해 고정되어 정렬된다. 투영 마스크는 다양한 컬러필터를 포함하는 복수의 투영 패턴 구성요소들(elements)로 구성된다. 관찰 마스크는 유사하게 다양한 컬러필터를 포함하는 복수의 관찰 마스크 구성요소들로 구성된다.

초점 광학의 조정은 계속해서 수행될 수 있고, 그에 의해 이미지들의 이미지 데이터만이 정의된 스캔 위치들에서 이산적으로(discretely) 독출된다.

카메라는 핸드피스(handpiece) 형태로 종래의 하우징(housing)에 통합될 수 있다. 광 소스는 광역 스펙트럼을 갖는 조사빔을 방출하는, 예를 들어, 백색 LED, 또는 컬러 LED 그룹일 수 있다. 방출 수단은 복수의 컬러필터로 구성된 격자(grating) 또는 액정 구성요소(LCD)로 만들어진 컬러 디지털 광 프로젝터일 수 있고, 적절하게 제어되어 투영 패턴을 생성한다. 초점 광학은 조정 가능하고, 투영 패턴을 선명한 초점평면에 집중시키며, 여기서 선명한 초점평면은 전체 객체가 스캔될 수 있도록 증가하면서 변한다. 스캔 위치들간 거리는, 예를 들어, 0.1 mm일 수 있다.

본 발명의 카메라는 깊이를 스캐닝하는 공초점 3차원 측정 방법 및 컬러 행렬의 결합을 나타내는 방법에 따라 작동한다. 컬러필터의 배열에 대해, 투영 마스크는 관찰 마스크와 일치할 수 있고, 투영 마스크 구성요소 또는 대응 조사 마스크 구성요소는 센서의 단일 픽셀 또는 예를 들어, 센서의 4개 픽셀의 2x2 그룹 또는 9개 픽셀의 3x3 그룹에 대응할 수 있다. 그런 다음, 투영 패턴이 선명한 초점으로 디스플레이되고, 선명층(sharp layer)의 위치가 객체의 표면과 일치하면, 특정 픽셀의 강도 값(intensity value)은 최대에 도달하고, 그에 의해 주변 관찰 마스크 구성요소들(elements)은 그 픽셀에 대해 다른 컬러를 나타낸다. 투영 패턴이 블러링되고(blurred) 객체 표면 위치가 선명층의 위치와 일치하지 않는다면, 객체는 이미지들에서 블러링되어 나타난다. 그런 다음, 주변 관찰 마스크 구성요소들의 컬러필터들이 다른 컬러를 나타내기 때문에, 강도 값은 모든 관찰 마스크 구성요소에 대해 감소하고, 그에 의해 관찰 마스크 구성요소의 경계를 벗어난 관찰 빔은 차단된다.

이는 객체 위치가 초점 위치에 대응할 때, 공초점 강도 프로파일(confocal intensity profile)과 유사한 단일 픽셀 내 강도 프로파일, 즉, 초점 위치 함수로서 단일 픽셀 내 강도가 최대에 도달하는 결과를 가져온다.

대안적으로, 픽셀의 국부적인 공간 콘트라스트(spatial contrast)가 초점 접근(focal approach)으로부터의 깊이와 유사한 방식으로 결정될 수 있다. 이는 인접 픽셀들의 강도들에 대한 단일 픽셀의 강도를 평가하여 이뤄질 수 있다. 그러므로, 객체가 초점 위치에 배치된다면, 국부적인 콘트라스트는 최대에 도달할 것이다.

그 결과, 초점거리의 함수로서 강도 값 신호 곡선의 국부적인 콘트라스트 및 그에 따른 신호 최대치와 신호 배경 사이의 비율이 개선된다.

이 카메라의 장점은 투영 마스크와 관찰 마스크가 컬러필터들을 구성한다는 사실에 의해 이동부가 없이 객체의 3차원 측정이 가능하다는 것이다.

이 카메라의 다른 장점은 개별 관찰 마스크 구성요소들에 대한 강도 값들을 평가함으로써 객체 표면의 컬러 측정이 가능하다는 것이다.

관찰 마스크 평면에서 투영 패턴의 특정 투영 마스크 구성요소의 이미지 치수(dimensions)는 대응 관찰 마스크 구성요소의 치수에 유리하게 상응할 수 있고, 여기서 투영 마스크 구성요소 내 컬러필터와 대응 관찰 마스크 구성요소 내 컬러필터는 일치하는 스펙트럼 범위가 적어도 부분적으로 통과할 수 있게 한다.

그러므로, 주변 관찰 마스크 구성요소들은 다른 컬러를 나타내고, 따라서 다른 스펙트럼 범위만 통과할 수 있게 하므로, 대응 관찰 구성요소 내에 배치된 투영 패턴의 관찰 빔들만이 센서에 도달하고, 그에 의해 관찰 마스크 구성요소의 경계를 벗어난 관찰 빔들은 차단된다.

광 소스는 광역 컬러 스펙트럼을 방출하는 백색 LED 또는 다수의 컬러 LED들의 조합일 수 있다.

그 결과, 광 소스는 광대역 스펙트럼, 예를 들어, 햇빛과 유사한 스펙트럼을 갖는 조사빔을 방출할 수 있다.

투영 마스크 및/또는 관찰 마스크는 복수의 광학 컬러필터 또는 투영 패턴의 개별 컬러 투영 마스크 구성요소들을 생성하는 액정 구성요소(LCD)를 포함하는 컬러 디지털 광 프로젝터로 형성될 수 있다.

따라서 원하는 컬러 패턴 구성요소 배열을 갖는 임의의 형상의 투영 패턴이 투영 마스크 및/또는 관찰 마스크에 의해 생성될 수 있다.

투영 마스크 및/또는 관찰 마스크는 체커보드와 같은(checkerboard-like) 패턴을 포함할 수 있고, 사각 투영 마스크 구성요소 및/또는 사각 관찰 마스크 구성요소는 갭(gap)이 없이 서로 이웃하여 배치된다.

그 결과, 센서의 이미징 평면 내 모든 투영 마스크 구성요소 또는 모든 관찰 마스크 구성요소는 단일 픽셀 치수 또는 4개 혹은 9개 픽셀의 사각 픽셀 그룹의 치수에 대응한다. 결과적으로, 특정 관찰 마스크 구성요소와 조합된 강도 값이 매 픽셀마다 독출될 수 있다.

투영 마스크 및/ 또는 관찰 마스크는 청색, 녹색, 황색 및 적색 컬러필터들로 구성될 수 있고, 그에 의해 사각 그룹의 4개 요소는 청색 컬러필터, 녹색 컬러필터, 황색 컬러필터 및 적색 컬러필터를 포함하고, 따라서 모든 컬러필터는 동일한 컬러의 인접 컬러필터를 갖지 않는다.

그 결과, 개별 컬러필터의 컬러 스펙트럼은 중첩되지 않고, 따라서 4개의 컬러 채널들은 분리되어 평가될 수 있다. 원색(primary colors)의 개별 관찰 마스크 구성요소들의 강도 값들을 기반으로, 객체 표면의 각 영역 컬러도 결정될 수 있다.

투영 마스크 및/또는 관찰 마스크는 투영 패턴의 모든 투영 마스크 구성요소 및/또는 모든 대응 관찰 마스크 구성요소가 센서의 하나의 픽셀로 투영되게 하는 치수를 갖도록 정렬되고, 따라서 센서의 평면 내 패턴 구성요소의 투영 이미지는 그 픽셀의 치수에 해당한다.

그 결과, 강도 값들의 평가 및 결정이 단순해진다. 그 이유는 이 설계에서 모든 픽셀이 관찰 마스크 구성요소에 할당되기 때문이다.

투영 마스크 및/또는 관찰 마스크는 투영 패턴의 모든 투영 마스크 구성요소 및/또는 모든 대응 관찰 마스크 구성요소가 센서의 4개의 픽셀을 구성하는 사각 픽셀 그룹으로 투영되게 하는 치수를 갖도록 정렬되고, 따라서 투영 마스크 구성요소 및/또는 관찰 마스크 구성요소의 투영 이미지는 그 픽셀 그룹의 치수에 해당한다.

이는 상술한 대안(alternative)에 비해 해상도를 감소시킨다. 그러나 광 감도가 개선되고, 그 결과 노광 시간이 감소한다.

객체를 측정하는 동안, 이미지는 매 스캔 위치에서 촬영되며, 강도 값은 이 이미지에 의해 매 투영 마스크 구성요소 및/또는 매 대응 관찰 마스크마다 결정된다.

따라서 강도 값은 개별 픽셀을 독출하여 직접 결정된다. 센서는 CCD 센서 혹은 CMOS 센서일 수 있다.

산술 유닛(arithmetic unit)에 의해 그리고 초점거리 함수로서의 강도 값을 사용하여, 객체의 객체 표면의 깊이 정보가 매 투영 마스크 구성요소 및/또는 매 대응 관찰 마스크 구성요소마다 유리하게 결정될 수 있고, 따라서 그 객체의 3차원 표면 데이터가 측정될 수 있다.

따라서 강도 값은 매 관찰 마스크 구성요소에 대한 초점거리의 함수로 결정된다. 개별 관찰 마스크 구성요소에 대한 객체 표면의 초점거리에 대응하는 최대 강도 값에서의 초점거리는 추후 산술 유닛에 의해 얻어질 수 있다. 이와 같이, 완전한 3차원 표면 데이터가 생성될 수 있다.

최소한 4개의 인접 투영 마스크 구성요소들의 강도 값들을 사용하여, 컬러 값이 산술 유닛에 의해 획득될 수 있고, 따라서 치아 객체의 컬러 측정이 얻어진다.

따라서 그 객체의 컬러 측정은 다른 컬러필터들의 개별 강도 값들을 사용하여 이뤄질 수 있다. 따라서 상술한 카메라에 의한 3차원 측정이 이 방법에 따라 수행될 수 있다.

이 방법의 장점은 3차원 측정이 기계적으로 이동 가능한 콤포넌트가 필요 없이, 서로에 대해 정렬된 투영 마스크 및 관찰 마스크에 의해 수행된다는 것이다.

다른 장점은 3차원 측정에 더하여 객체의 컬러 측정도 가능하다는 것이다.

본 발명은 또한, 조사빔을 방출하는 적어도 하나의 광 소스, 투영 패턴을 생성하는 적어도 하나의 투영 마스크, 및 치아 카메라에 대해 정의된 초점거리에서 선명한 초점평면 내 투영 패턴을 디스플레이하는 초점 광학을 포함한 카메라에 의한 치아 객체의 3차원 측정 방법으로서, 객체로 투영된 투영 패턴은 객체에 의해 관찰 빔으로 반사되고 센서에 의해 획득되는, 방법에 관한 것이다. 객체를 측정하는 동안, 초점 광학은 카메라에 대한 선명한 초점평면의 초점거리가 다수의 정의된 스캔 위치들 사이에서 점진적으로 조정되는 방식으로 제어된다. 관찰 마스크는 센서 앞에서 관찰 빔의 빔 경로에 배치되고, 관찰 마스크는 투영 마스크에 대해 고정되어 정렬된다. 투영 마스크는 다양한 컬러필터를 포함하는 복수의 투영 패턴 구성요소들로 구성된다. 관찰 마스크는 유사하게 다양한 컬러필터를 포함하는 복수의 관찰 마스크 구성요소들로 구성된다. 따라서 객체에 의해 반사된 투영 패턴은 센서에 의해 획득되기 전 관찰 마스크의 컬러필터들을 통과한다.

따라서 이 방법은 상술한 카메라에 의한 치아 객체의 측정을 가능하게 한다.

따라서 이 방법의 장점은 이동 부분이 없이도 객체의 3차원 측정이 가능하다는 것이다. 이는 시스템의 에러 민감성(error susceptibility)을 개선한다.

이 방법의 다른 장점은 3차원 측정에 더하여 객체의 컬러 측정도 가능하다는 것이다.

관찰 마스크의 평면 내 투영 패턴의 특정 투영 마스크 구성요소의 이미지 치수는 대응 관찰 마스크 구성요소의 치수에 대응한다. 그에 의해 투영 마스크 구성요소 내 및 대응 관찰 마스크 구성요소 내 컬러필터들은 일치하는 스펙트럼 범위가 적어도 부분적으로 통과할 수 있게 한다.

그러므로, 주변 컬러필터들이 다른 컬러를 나타내기 때문에, 관찰 마스크 구성요소 내 관찰 빔들은 센서의 각 픽셀을 통과할 수 있고, 그에 의해 흐릿한 촬영(blurry imaging) 결과로 관찰 마스크 구성요소의 경계를 벗어난 이 관찰 마스크 구성요소에 대한 관찰 빔들이 차단된다.

그 결과 광 소스는 광대역 스펙트럼, 즉, 햇빛과 유사한 스펙트럼을 방출할 수 있다.

투영 마스크 및/또는 관찰 마스크는 체커보드와 같은 패턴을 포함할 수 있고, 사각 투영 마스크 구성요소 및/또는 사각 관찰 마스크 구성요소는 갭이 없이 서로 이웃하여 배치된다.

투영 마스크 및/또는 관찰 마스크의 격자와 같은(grating-like) 배열은 센서상의 픽셀들의 배열과 일치한다.

그러므로 원색의 컬러 채널들은 서로 독립적으로 평가되고, 그에 의해 모든 컬러필터는 동일한 컬러의 인접 컬러필터를 갖지 않는다. 그 결과, 상기 컬러필터 밖의 관찰 빔들은 차단된다.

그러므로 독출된 픽셀 강도 값은 단일 관찰 마스크 구성요소에 해당한다. 따라서 객체의 깊이 정보에 대한 평가와 판단이 단순해진다.

산술 유닛에 의해 그리고 초점거리 함수로서 강도 값을 사용하여, 객체의 객체 표면의 깊이 정보가 매 투영 마스크 구성요소 및/또는 매 대응 관찰 마스크 구성요소마다 유리하게 얻어질 수 있고, 따라서 그 객체의 3차원 표면 데이터가 측정될 수 있다.

따라서 최대 강도 값에서 초점거리가 결정되고, 그에 의해 초점거리는 관찰 마스크 구성요소 영역 내 객체 표면의 깊이 정보에 대응한다.

그러므로 3차원 측정에 더하여 컬러 측정은 빠르고 쉬운 방법으로 이뤄질 수 있다. 따라서 개별 객체 표면 영역 내 컬러 값에 대응하는 컬러 값은 인접 컬러필터들의 원색 비율을 기반으로 계산될 수 있다.

본 발명은 도면을 참조하여 설명된다. 도면들은 다음을 나타낸다:
도 1은 치아 객체의 3차원 측정 카메라의 스케치이다.
도 2는 복수의 컬러필터들을 갖는 투영 마스크의 스케치이다.
도 3은 복수의 컬러필터들로 만들어진 관찰 마스크의 구조를 도시한 스케치이다.
도 4는 투영 마스크의 측면도 스케치이다.
도 5는 특정 관찰 마스크 구성요소의 강도 값이다.
도 6은 관찰 마스크의 4개의 컬러필터들 그룹의 강도 값들에 대한 스케치이다.

설계 예

도 1은 치아 등과 같은 치아 객체(2)의 3차원 측정을 위한 카메라(1)의 스케치를 보여주는 것으로, 여기에서 카메라는 조사빔(4)을 방출하는 적어도 하나의 광 소스(3)를 포함한다. 광 소스(3)는 예를 들어 광역 컬러 스펙트럼을 방출하는 백색 LED 또는 다수의 컬러 LED들의 조합일 수 있다.

카메라는 투영 패턴을 생성하는 투영 마스크(5)를 더 포함할 수 있다. 초점 광학(6)은 치아 카메라(1)에 대해 정의된 초점거리(8)에 있는 선명한 초점(7) 평면 내에서 선명한 초점을 갖는 조사빔(4)을 디스플레이한다. 투영된 투영 패턴은 객체(2)에 의해 관찰 빔(9)으로 반사되고, 그에 의해 관찰 빔(9)은 CCD 센서 또는 CMOS 센서와 같은 센서(10)에 의해 획득된다. 객체를 측정하는 동안, 즉, 스캐닝 과정 동안, 초점 광학(6)은 카메라(1)에 대한 선명한 초점(7) 평면의 초점거리(8)가 평행선들로 표현된 다수의 정의된 스캔 위치들(11) 사이에서 점진적으로 조정되는 방식으로 제어된다. 관찰 마스크(12)는 센서(10) 앞에서 관찰 빔(9)의 빔 경로에 배치되고, 관찰 마스크(12)는 투영 마스크(5)에 대해 고정되어 정렬된다. 투영 마스크(5)는 서로 다른 컬러의 복수의 컬러필터들(13)로 구성된다. 관찰 마스크는 유사하게 서로 다른 컬러의 복수의 컬러필터들(14)로 구성된다. 조사빔(4)은 빔 스플리터(15)에 의해 객체(2)를 향해 편향된다. 관찰 마스크(12)의 주변 컬러필터들(14)이 다른 컬러를 나타내기 때문에, 컬러필터들(13) 및 투영 마스크(5)의 배열은, 투영 패턴이 선명한 초점으로 디스플레이되고, 선명층(sharp layer)(7)의 위치가 객체(2)의 표면(16)과 일치한다면, 센서(10)상의 대응 픽셀 또는 픽셀 그룹의 강도 값이 최대에 도달하도록, 관찰 마스크 내 컬러필터들(14)의 배열에 대응한다. 투영 패턴이 블러링되고, 객체(2)의 표면(16)의 위치가 선명층(7)의 위치와 일치하지 않는다면, 객체는 강도 값이 감소된 결과로서 이미지에서 블러링되어 나타난다.

이는 관찰 마스크 구성요소의 경계를 벗어난 관찰 빔들이 다른 컬러의 인접 컬러필터들(14)에 의해 차단되는 사실에 의한 것이다. 따라서 매 픽셀에 대한 강도 값은 초점거리의 함수로 측정되고, 따라서 객체 표면(16)의 깊이 정보가 매 픽셀마다 얻어질 수 있다. 따라서 컴퓨터와 같은 산술 유닛(17)에 의해 전체 객체(2)의 3차원 모델(18)이 센서(10)의 이미지 데이터를 기반으로 계산된다. 3차원 측정에 더하여, 개별 컬러필터들의 강도 값들에 대한 평가는 객체(2)의 표면(16)에 대한 컬러 측정도 가능케 한다.

도 2는 복수의 컬러필터(13)로 구성된 기본 구조의 투영 마스크(5)에 대한 스케치를 보여준다. 컬러필터들은 G로 표시된 녹색 컬러필터(20), B로 표시된 청색 컬러필터(21), Y로 표시된 황색 컬러필터(22) 및 R로 표시된 적색 컬러필터(23)로 구성된 4개의 사각 그룹으로 배열된다.

그 결과, 매 컬러필터(13)는 동일한 컬러의 인접 컬러필터를 갖지 않는다.

관찰 빔(9)은 초점 광학(6)을 통과하고 빔 스플리터(19)에 의해 센서(10)를 향해 편향된다.

도 3은 복수의 컬러필터들(14)로 구성된 도 1의 관찰 마스크(12)의 구조를 설명하기 위한 스케치를 도시한 것으로, 녹색 컬러필터들(30), 청색 컬러필터들(31), 황색 컬러필터들(32) 및 적색 컬러필터들(33)의 배열은 도 2의 투영 마스크(5)의 배열과 일치한다.

도 4는 컬러필터들(13)을 구비한 투영 마스크(5) 및 컬러필터들(14)을 구비한 관찰 마스크(12)의 측면도 스케치로 본 방법의 기능 원리를 설명하기 위한 것이다. 광대역 스펙트럼을 갖는 조사빔(4)이 투영 마스크에 부딪힌 경우, 그에 의한 청색 스펙트럼의 강도 분포(40)를 개략적으로 도시한 것이다. 이 경우, 선명층은 도 1의 객체(2)의 표면(16)과 일치하지 않기 때문에, 투영 패턴은 블러링된 형태로 디스플레이되고, 점선으로 나타낸 제1 부분(41)만이 관찰 마스크(12)의 청색 필터(31)에 도달한다. 청색광 강도의 제2 부분(42)은 인접 녹색 컬러필터(30)에 의해 차단되고, 따라서 투영 패턴이 선명하게 초점이 맞춰져 디스플레이되면 청색 채널 강도가 최대가 되고, 이미지가 블러링되면 청색 채널 강도는 감소된다. 따라서 강도 값은 각 채널, 즉, 녹색, 청색, 황색 및 적색 컬러필터별로 초점거리(8)의 함수로 결정된다.

도 5는 관찰 마스크(12)의 녹색, 청색, 황색, 또는 적색 컬러필터와 같은 특정 관찰 마스크 구성요소의 강도 값(50)을 초점거리(8)의 함수로 보여주고, 여기에서, 강도 값 프로파일은 최대(51)를 나타내며 선명층 내에 놓여 객체(2)의 표면(16)상의 개별 측정 포인트에 대한 깊이 정보를 나타낸다. 객체(2)의 모든 측정 포인트들에 대한 개별 깊이 정보는 이 방식으로 얻어지고, 도 1의 3차원 모델(18)이 계산된다.

도 6은 도 3의 관찰 마스크(12)의 4개 컬러필터 그룹들(30, 31, 32 및 33)의 강도 값들의 스케치를 보여준다. 그런 다음, 특정 측정 포인트에서 객체(2)의 표면(16)의 컬러는 녹색 컬러필터(30)의 제1 강도 값(60), 청색 컬러필터(31)의 제2 강도 값(61), 황색 컬러필터(32)의 제3 강도 값(62), 및 적색 컬러필터(33)의 제4 강도 값(63)으로부터 결정될 수 있다. 따라서 객체(2)의 완전한 컬러 측정이 수행될 수 있다.

1 카메라
2 객체
3 광 소스
4 조사빔
5 투영 마스크
6 초점 광학
7 선명 초점평면
8 초점거리
9 관찰 빔
10 센서
11 클램핑 위치
12 관찰 마스크
13 컬러필터
14 컬러필터
15 빔 스플리터
16 표면
17 산술 유닛
18 빔 스플리터
20 녹색 컬러필터
21 청색 컬러필터
22 황색 컬러필터
23 적색 컬러필터
30 녹색 컬러필터
31 청색 컬러필터
32 황색 컬러필터
33 적색 컬러필터
40 강도 분포
41 제1 부분
42 제2 부분
50 강도 값
51 최대 강도 값
60 제1 강도 값
61 제2 강도 값
62 제3 강도 값
63 제4 강도 값

Claims

치아 객체(2)의 3차원 측정을 위한 카메라로서, 조사빔(4)을 방출하는 적어도 하나의 광 소스(3), 투영 패턴을 생성하는 적어도 하나의 투영 마스크(5), 치아 카메라(1)에 대해 정의된 초점거리(8)에 있는 선명 초점평면(7)에서 상기 투영 패턴을 디스플레이하는 초점 광학(6)을 포함하고, 상기 객체(2) 상으로 투영된 상기 투영 패턴은 상기 객체(2)에 의해 관찰 빔(9)으로 반사되고, 센서(10)에 의해 획득되며, 상기 객체(2)를 측정하는 동안, 상기 초점 광학(6)은 상기 카메라(1)에 대한 상기 선명 초점평면(7)의 초점거리(8)가 다수의 정의된 스캔 위치들 사이에서 점진적으로 조절되도록 제어되고, 관찰 마스크(12)는 상기 센서(10) 앞에서 상기 관찰 빔(9)의 빔 경로에 배치되고, 상기 관찰 마스크(12)는 상기 투영 마스크(5)에 대해 고정되어 배열되도록 제어되며, 상기 투영 마스크(5)는 다양한 컬러필터들(13, 20, 21, 22, 23)을 포함하는 복수의 투영 패턴 구성요소들로 구성되고, 상기 관찰 마스크(12)는 유사하게 다양한 컬러필터들(14, 30, 31, 32, 33)을 포함하는 복수의 관찰 마스크 구성요소들로 구성됨을 특징으로 하는 카메라(1).
제1항에 있어서, 상기 관찰 마스크(12)의 평면(7) 내 투영 패턴의 특정 투영 마스크 구성요소 이미지의 치수는 대응하는 관찰 마스크 구성요소의 치수에 대응하고, 상기 투영 마스크 구성요소 내 컬러필터(13, 20, 21, 22, 23) 및 대응 관찰 마스크 구성요소 내 컬러필터(14, 30, 31, 32, 33)는 일치하는 스펙트럼 범위가 적어도 부분적으로 통과할 수 있게 하는 카메라(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광 소스(3)는 광역 컬러 스펙트럼을 방출하는 백색 LED 또는 다수의 컬러 LED들의 조합임을 특징으로 하는 카메라(1).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투영 마스크(5) 및/또는 관찰 마스크(12)는 복수의 광학 컬러필터들(13, 14, 20, 21, 22, 23, 30, 31, 32, 33)로 구성되거나, 액정 구성요소들(LCD)로 구성되고, 상기 투영 패턴에 개별 컬러 투영 마스크 구성요소를 생성하는 컬러 디지털 프로젝터인 것을 특징으로 하는 카메라(1).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투영 마스크(5) 및/또는 상기 관찰 마스크(12)는 체커보드와 같은 패턴을 포함하고, 사각 투영 마스크 구성요소들 및/또는 사각 관찰 마스크 구성요소들은 갭(gap)이 없이 서로 이웃하여 배치되는 것을 특징으로 하는 카메라(1).
제5항에 있어서, 상기 투영 마스크(5) 및/또는 관찰 마스크(12)는 청색, 녹색, 황색, 및 적색 컬러필터들(13, 14, 20, 21, 22, 23, 30, 31, 32, 33)로 구성되고, 사각그룹은 4개 요소의 사각그룹은 매 컬러필터(20, 21, 22, 23, 30, 31, 32, 33)가 동일한 컬러의 인접 컬러필터를 갖지 않도록, 청색 컬러필터(21), 녹색 컬러필터(20), 황색 컬러필터(22) 및 적색 컬러필터(23)를 포함함을 특징으로 하는 카메라(1).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투영 마스크(5) 및/또는 상기 관찰 마스크(12)는 상기 투영 패턴의 매 투영 마스크 구성요소 및/또는 매 대응 관찰 마스크 구성요소가 상기 센서(10)의 하나의 픽셀로 투영되고, 따라서 상기 센서(10)의 상기 평면(7) 내 상기 패턴 구성요소의 투영 이미지가 상기 픽셀의 치수에 대응하도록 치수를 갖고 정렬되는 것을 특징으로 하는 카메라(1).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투영 마스크(5) 및/또는 상기 관찰 마스크(12)는 상기 투영 패턴의 매 투영 마스크 구성요소 및/또는 매 대응 관찰 마스크 구성요소가 상기 센서(10)의 4개의 픽셀들로 구성된 하나의 사각 픽셀 그룹으로 투영되고, 따라서 상기 투영 마스크 구성요소 및/또는 상기 관찰 마스크 구성요소의 투영 이미지가 상기 픽셀 그룹의 치수에 대응하도록 치수를 갖고 정렬되는 것을 특징으로 하는 카메라(1).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 객체(2)를 측정하는 동안, 이미지가 매 스캔 위치(11)에서 촬영되고, 강도 값(50, 60, 61, 62, 63)은 매 투영 마스크 구성요소 및/또는 매 대응 관찰 마스크 구성요소마다 이 이미지에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 카메라(1).
제9항에 있어서, 산술 유닛(17)에 의해 그리고 상기 강도 값(50, 60, 61, 62, 63)을 상기 초점거리(8)의 함수로 사용하여, 상기 객체(2)의 객체 표면(16)의 깊이 정보가 매 투영 마스크 구성요소 및/또는 매 대응 관찰 마스크 구성요소마다 결정되고, 따라서 상기 객체(2)의 3차원 표면 데이터(18)의 측정을 가능하게 함을 특징으로 하는 카메라(1).
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 산술 유닛(17)을 사용하여, 그리고 적어도 4개의 인접 투영 마스크 구성요소들의 상기 강도 값(60, 61, 62, 63)을 사용하여 컬러 값이 생성되고, 따라서 상기 치아 객체(2)의 컬러 측정이 얻어짐을 특징으로 하는 카메라(1).
조사빔(4)을 방출하는 적어도 하나의 광 소스(3), 투영 패턴을 생성하는 적어도 하나의 투영 마스크(5), 치아 카메라(1)에 대해 정의된 초점거리(8)에 있는 선명 초점평면(7)에서 상기 투영 패턴을 디스플레이하는 초점 광학을 포함하는 카메라(1)에 의한 치아 객체(2)의 3차원 측정 방법으로서, 상기 객체(2)상으로 투영된 상기 투영 패턴이 관찰 빔(9)으로 상기 객체(2)에 의해 반사되고, 센서(10)에 의해 획득되며, 상기 3차원 측정 방법은 상기 객체(2)를 측정하는 동안, 상기 초점 광학(6)은 상기 카메라(1)에 대한 상기 선명 초점평면(7)의 초점거리(8)가 다수의 정의된 스캔 위치(11) 사이에서 점진적으로 조절되도록 제어되고, 관찰 마스크(12)는 상기 센서(10) 앞의 상기 관찰 빔(9)의 광 경로에 배치되며, 상기 관찰 마스크(12)는 상기 투영 마스크(5)에 대해 고정되어 정렬되고, 상기 투영 마스크(5)는 다양한 컬러필터들(13, 20, 21, 22, 23)을 포함하는 복수의 투영 패턴 구성요소들로 구성되고, 상기 관찰 마스크(12)는 유사하게 다양한 컬러필터들(14, 30, 31, 32, 33)을 포함하는 복수의 관찰 마스크 구성요소들로 구성되며, 상기 객체(2)에 의해 반사된 상기 투영 패턴은 상기 관찰 마스크(12)의 상기 컬러필터들(14, 30, 31, 32, 33)을 통과함을 특징으로 하는 3차원 측정 방법.
제12항에 있어서, 상기 관찰 마스크(12)의 상기 평면(7) 내 투영 패턴의 특정 투영 마스크 구성요소의 이미지 치수는 대응 관찰 마스크 구성요소의 치수에 대응하고, 상기 투영 마스크 구성요소 내 및 상기 대응 관찰 마스크 구성요소 내 상기 컬러필터들(13, 14, 20, 21, 22, 23, 30, 31, 32, 33)은 일치하는 스펙트럼 범위가 적어도 부분적으로 통과할 수 있게 함을 특징으로 하는 3차원 측정 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 광 소스(3)는 광대역 컬러 스펙트럼을 방출하는 백색 LED, 또는 다수의 컬러 LED들의 조합임을 특징으로 하는 3차원 측정 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투영 마스크(5) 및/또는 상기 관찰 마스크(12)는 체커보드와 같은 패턴을 포함하고, 상기 투영 마스크 구성요소 및/또는 상기 사각 관찰 마스크 구성요소들은 갭이 없이 서로 인접하여 배치됨을 특징으로 하는 3차원 측정 방법.
제15항에 있어서, 상기 투영 마스크(5) 및/또는 상기 관찰 마스크(12)는 청색, 녹색, 황색, 및 적색 컬러필터들(20, 21, 22, 23, 30, 31, 32, 33)로 구성되고, 상기 4개의 사각 그룹은 매 컬러필터가 동일한 컬러의 인접 컬러필터를 갖지 않도록 청색 컬러필터(21), 녹색 컬러필터(20), 황색 컬러필터(22) 및 적색 컬러필터(23)를 포함함을 특징으로 하는 3차원 측정 방법.
제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투영 마스크(5) 및/또는 상기 관찰 마스크(12)는 상기 투영 패턴의 매 투영 마스크 구성요소 및/또는 매 대응 관찰 마스크 구성요소가 상기 센서(10)의 하나의 픽셀로 투영되고, 따라서 상기 센서(10)의 평면(7) 내 상기 패턴 구성요소의 투영 이미지는 상기 픽셀 치수에 대응함을 특징으로 하는 3차원 측정 방법.
제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 객체(2)를 측정하는 동안, 이미지가 매 스캔 위치(11)에서 촬영되고, 강도 값(60, 61, 62, 63)은 매 투영 마스크 구성요소 및/또는 매 대응 관찰 마스크 구성요소마다 이 이미지에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 3차원 측정 방법.
제18항에 있어서, 산술 유닛(17)에 의해 그리고 상기 강도 값(60, 61, 62, 63)을 상기 초점거리(8)의 함수로 사용하여, 상기 객체(2)의 객체 표면의 깊이 정보가 매 투영 마스크 구성요소 및/또는 매 대응 관찰 마스크 구성요소마다 얻어지고, 따라서 상기 객체(2)의 3차원 표면 데이터의 측정이 가능하게 함을 특징으로 하는 3차원 측정 방법.
제12항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산술 유닛(17)을 사용하여, 그리고 적어도 4개의 인접 투영 마스크 구성요소들의 상기 강도 값(60, 61, 62, 63)을 사용하여 컬러 값이 생성되고, 따라서 상기 치아 객체(2)의 컬러 측정이 얻어짐을 특징으로 하는 3차원 측정 방법.