KR20210024469A - 다수의 소형 카메라 및 다수의 소형 패턴 프로젝터를 사용하는 구강 내 3d 스캐너 - Google Patents

다수의 소형 카메라 및 다수의 소형 패턴 프로젝터를 사용하는 구강 내 3d 스캐너 Download PDF

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KR20210024469A
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요세프 아티야
아르카디 루드니츠키
니르 마크멜
세르게이 오제로브
탈 베르케르
에레즈 램퍼트
아비 코펠만
탈 레비
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Abstract

구강 내 스캐닝 장치는 프로브를 갖는 긴 휴대용 완드(elongate hand-held wand)를 포함한다. 하나 이상의 광 프로젝터 및 2개 이상의 카메라가 프로브 내에 배치된다. 광 프로젝터는 각각 광 패턴을 형성하기 위해 회절 또는 굴절을 사용할 수 있는 패턴 생성 광학 요소를 갖는다. 각각의 카메라는 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 1mm 내지 30mm 사이에 포커싱하도록 구성될 수 있다. 다른 적용이 또한 설명된다.

Description

다수의 소형 카메라 및 다수의 소형 패턴 프로젝터를 사용하는 구강 내 3D 스캐너
본 발명은 일반적으로 3차원 이미징에 관한 것으로, 특히 구조화된 광 조명(structured light illumination)을 이용한 구강 내 3차원 이미징에 관한 것이다.
대상의 구강 내 3차원 표면, 예를 들어 치아 및 치은(gingiva)의 치과용 인상(dental impression)은 치과 수술을 계획하기 위해 사용된다. 전통적인 치과용 인상은, 대상이 바이트(bite)하게 되는 인상 재료, 예를 들어, PVS 또는 알기네이트(alginate)로 채워진 치과용 인상 트레이를 사용하여 제조된다. 그 후, 인상 재료는 치아 및 치은의 음의 임프린트(negative imprint)로 고화되는데, 이로부터 치아 및 치은의 3차원 모델이 형성될 수 있다.
디지털 치과용 인상은, 대상의 구강 내 3차원 표면의 3차원 디지털 모델을 생성하기 위해, 구강 내 스캐닝을 이용한다. 디지털 구강 내 스캐너는 종종 구조화된 광 3차원 이미징을 사용한다. 대상의 치아의 표면은 고도로 반사성일 수 있고, 다소 반투명일 수 있으며, 이는 치아에서 반사되는 구조화된 광 패턴에서의 콘트라스트(contrast)를 감소시킬 수 있다. 따라서, 구강 내 스캔의 캡처를 개선하기 위해서는, 구조화된 광 3차원 이미징을 이용하는 디지털 구강 내 스캐너를 사용할 때, 구조화된 광 패턴의 사용 가능한 수준의 콘트라스트를 용이하게 하기 위해, 예를 들어 표면을 산란 표면으로 전환시키기 위해, 대상의 치아는 스캐닝 전에 불투명 분말로 빈번하게 코팅된다. 구조화된 광 3차원 이미징을 이용하는 구강 내 스캐너가 일부 발전하였으나, 추가적인 장점이 있을 수 있다.
구조화된 광 3차원 이미징의 사용은, 구조화된 광 패턴에서의 포인트(point)와, 패턴을 보는 카메라에 의해 보여지는 포인트 사이의 대응이 결정되어야 하는, "대응 문제(correspondence problem)"로 이어질 수 있다. 이 이슈를 다루기 위한 하나의 기술은, "코딩된(coded)" 광 패턴을 투영하고, 하나 이상의 뷰 포인트로부터 조명된 장면을 이미징하는 것에 기초한다. 방출된 광 패턴을 인코딩함으로써, 카메라 시스템에 의해 캡처될 때 광 패턴의 일부를 고유하고 구별 가능하게 만든다. 패턴이 코딩되기 때문에, 이미지 포인트와 투영된 패턴의 포인트 사이의 대응 관계가 더욱 용이하게 발견될 수 있다. 디코딩(decoded)된 포인트는 삼각형화(triangulated)될 수 있고, 3D 정보는 복구될 수 있다.
본 발명의 적용은, 하나 이상의 카메라 및 하나 이상의 패턴 프로젝터를 포함하는 3차원 구강 내 스캐닝 장치와 관련된 시스템 및 방법을 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 특정 적용은, 복수의 카메라 및 복수의 패턴 프로젝터를 갖는 구강 내 스캐닝 장치와 관련될 수 있다.
본 발명의 다른 적용은, 구조화된 광 패턴을 디코딩하기 위한 방법 및 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 적용은, 비-코딩(non-coded)된 구조화된 광 패턴을 이용하는 3차원 구강 내 스캐닝의 시스템 및 방법과 관련될 수 있다. 비-코딩된 구조화된 광 패턴은 예를 들어, 스폿(spot)의 균일한 패턴을 포함할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일부 특정 적용에서, 구강 내 스캐닝을 위해 장치가 제공되며, 상기 장치는, 원위 단부에 프로브를 갖는 긴 휴대용 완드(elongated handheld wand)를 포함한다. 스캔 동안에, 프로브는 대상의 구강 내 공동에 진입하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 광 프로젝터(예를 들어, 소형 구조화된 광 프로젝터)뿐만 아니라, 하나 이상의 카메라(예를 들어, 소형 카메라)는 프로브의 원위 단부 내에 배치된 강성 구조체에 결합된다. 각각의 구조화된 광 프로젝터는 레이저 다이오드와 같은 광원을 사용하여 광을 투과(transmit)시킨다. 각각의 광 프로젝터는, 광원이 활성화될 때 복수의 프로젝터 레이에 의해 형성된 광 패턴을 투영하도록 구성될 수 있다. 각각의 카메라는, 구강 내 표면 상의 투영된 광 패턴의 적어도 일부를 나타내는 복수의 이미지를 캡처하도록 구성될 수 있다. 일부 적용에서, 구조화된 광 프로젝터는 적어도 45도의 조명 필드(field of illumination)를 가질 수 있다. 선택적으로, 조명 필드는 120도 미만일 수 있다. 각각의 구조화된 광 프로젝터는, 패턴 생성 광학 요소를 더 포함할 수 있다. 패턴 생성 광학 요소는, 광 패턴을 생성하기 위해 회절 및/또는 굴절을 이용할 수 있다. 일부 적용에서, 광 패턴은 이산 비연결(discrete unconnected) 광 스폿의 분포일 수 있다. 선택적으로, 광 패턴은, 패턴 생성 광학 요소를 통해 광을 투과하기 위해 광원(예를 들어, 레이저 다이오드)이 활성화될 때, 패턴 생성 광학 요소로부터 1mm 내지 30mm 사이에 위치된 모든 평면에서, 이산 비연결 스폿의 분포를 유지한다. 일부 적용에서, 각각의 구조화된 광 프로젝터의 패턴 생성 광학 요소는, 적어도 80%, 예를 들어, 적어도 90%의 광 처리량 효율(light throughput efficiency), 즉 패턴 생성기 상에 떨어지는, 패턴에 들어가는 광의 비율(fraction)을 가질 수 있다. 각각의 카메라는 카메라 센서 및 하나 이상의 렌즈를 포함하는 대물 렌즈(objective optics)를 포함한다.
레이저 다이오드 광원 및 회절 및/또는 굴절 패턴 생성 광학 요소는 일부 적용에서 특정 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 레이저 다이오드 및 회절 및/또는 굴절 패턴 생성 광학 요소의 사용은, 사용 중에 프로브가 가열되는 것을 방지하도록 에너지 효율적인 구조화된 광 프로젝터를 유지하는 것을 도울 수 있다. 또한, 이러한 구성 요소는, 프로브 내의 능동 냉각이 필요하지 않음으로써, 비용을 감소시키는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 현대의 레이저 다이오드는, (예를 들어, 현대의 발광 다이오드(light emitting diode, LED)에 비해) 고휘도에서 연속적으로 투과하는 동안에 0.6와트 미만의 전력을 사용할 수 있다. 본 발명의 일부 적용에 따라 펄싱될 때, 이러한 현대의 레이저 다이오드는 보다 적은 전력을 사용할 수 있는 것으로, 예를 들어, 10%의 듀티 사이클로 펄싱될 때, 레이저 다이오드는 0.06와트 미만을 사용할 수 있다(그러나, 일부 적용에서, 레이저 다이오드는, 고휘도에서 연속적으로 투과하는 동안에, 적어도 0.2와트를 사용할 수 있고, 펄싱될 때, 보다 더 적은 전력을 사용할 수 있는 것으로, 예를 들어, 10%의 듀티 사이클(duty cycle)로 펄싱될 때, 레이저 다이오드는 적어도 0.02와트를 사용할 수 있다). 또한, 회절 및/또는 굴절 패턴 생성 광학 요소는, (예를 들어, 물체를 타격하는 것으로부터 레이의 일부를 정지시키는 마스크와는 대조적으로) 투과된 광의 대부분, 또는 전부를 이용하도록 구성될 수 있다.
특히, 회절-기반 및/또는 굴절-기반 패턴 생성 광학 요소는, 투명도 또는 투과 마스크(transmission mask)에 의해 행해지는 바와 같이 광의 변조에 의한 것보다는, 광의 회절, 굴절, 또는 간섭, 혹은 이들의 임의의 조합에 의해 패턴을 생성한다. 일부 적용에서, 이는 광 처리량 효율(패턴 생성기 상에 떨어지는 광 중에서 광 패턴에 들어가는 광의 비율)이 패턴 "영역-기반 듀티 사이클(area-based duty cycle)"에 관계없이 거의 100%, 예를 들어 적어도 80%, 예를 들어 적어도 90%이므로, 유리할 수 있다. 대조적으로, 투명도 마스크 또는 투과 마스크 광 패턴 생성 광학 요소의 광 처리량 효율은, "영역-기반 듀티 사이클"과 직접 관련된다. 예를 들어, 100:1인 원하는 "영역-기반 듀티 사이클"에 대해, 마스크-기반 패턴 생성기의 처리량 효율은 1%인 반면, 회절-기반 및/또는 굴절-기반 패턴 생성 광학 요소의 효율은 거의 100%로 남아있다. 더욱이, 레이저의 광 수집 효율은, 본질적으로 더 작은 방출 면적 및 발산 각도를 갖는 레이저로 인해, 동일한 총 광 출력을 갖는 LED보다 적어도 10배 더 높아서, 단위 면적당 더 밝은 출력 조명을 초래한다. 레이저와 회절 및/또는 굴절 패턴 생성기의 높은 효율은, 사용 중에 프로브가 상당히 가열되는 것을 제한하는, 열적으로 효율적인 구성을 가능하게 하는 것을 도울 수 있고, 따라서 프로브 내의 능동 냉각에 대한 필요성을 잠재적으로 제거하거나 제한함으로써 비용을 절감한다. 한편, 레이저 다이오드는 어떤 적용에서는 특히 바람직할 수 있지만, 이들은 필수적으로 개별적이거나 조합되어 있는 것은 아니다. LED를 포함하는 다른 광원과, 투명도 및 투과 마스크를 포함하는 패턴 생성 요소는, 다른 적용에서 사용될 수 있다
일부 적용에서, 본 발명자는, 치아를 불투명 분말로 코팅하는 것과 같은 콘트라스트 향상 수단을 사용하지 않으면서, 구조화된 광 조명 하에서 구강 내 장면의 이미지 캡처를 개선하기 위해서는, (예를 들어, 선(line)과는 대조적으로) 이산 비연결 광 스폿의 분포가 유용한 양의 정보를 유지하면서 패턴 콘트라스트의 증가 사이에 개선된 균형을 제공할 수 있다는 것을 인식하였다. 일부 적용에서, 비연결 광 스폿은 균일한 (예를 들어, 변경되지 않는) 패턴을 갖는다. 일반적으로, 더 조밀한 구조화된 광 패턴은 표면의 더 많은 샘플링을 제공할 수 있고, 더 높은 해상도를 제공할 수 있고, 다수의 이미지 프레임으로부터 획득된 각각의 표면의 더 양호한 스티칭(stitching)을 가능하게 할 수 있다. 그러나, 너무 조밀한 구조화된 광 패턴은, 대응 문제를 해결하는 데에 더 많은 개수의 스폿에 의하여, 보다 복잡한 대응 문제를 야기할 수 있다. 또한, 더 조밀한 구조화된 광 패턴은, (a) 치아의 다소 광택이 있는 표면으로부터 반사되고 카메라에 의해 픽업될 수 있는 미광(stray light)과, (b) 퍼콜레이션(percolation), 즉 치아로 들어가서, 치아 내의 다중 경로를 따라 반사한 후, 다수의 상이한 방향으로 치아에서 나가는, 광의 일부의 조합에 의해 야기될 수 있는, 시스템에서의 더 많은 광으로부터 야기되는 더 낮은 패턴 콘트라스트를 가질 수 있다. 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 이산 비연결 광 스폿의 분포에 의해 제시되는 대응 문제를 해결하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다. 일부 적용에서, 각각의 프로젝터로부터의 이산 비연결 광 스폿은 비-코딩될 수 있다.
일부 적용에서, 카메라 각각의 시야(field of view)는 적어도 45도, 예를 들어, 적어도 80도, 예를 들어, 85도일 수 있다. 선택적으로, 카메라 각각의 시야는 120도 미만, 예를 들어, 90도 미만일 수 있다. 일부 적용에 있어서, 카메라 중 하나 이상은 어안 렌즈(fisheye lens), 또는 180도까지의 뷰잉(viewing)을 제공하는 다른 광학 장치를 갖는다.
임의의 경우에, 다양한 카메라의 시야는 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 유사하게, 다양한 카메라의 초점 길이는 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 카메라 각각의 "시야(field of view)"라는 용어는, 카메라 각각의 대각선 시야를 지칭한다. 또한, 각각의 카메라는 각각의 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 1mm 내지 30mm, 예를 들어, 적어도 5mm 및/또는 11mm 미만, 예를 들어 9mm-10mm에 위치되는 물체 초점면(object focal plane)에 포커싱하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 일부 적용에서, 구조화된 광 프로젝터 각각의 조명 필드는 적어도 45도 및 선택적으로 120도 미만일 수 있다. 본 발명자는, 모든 카메라의 각각의 시야를 조합함으로써 달성되는 큰 시야가, 특히 잇몸 표면이 매끄럽고 분명한 고해상도의 3D 특징부가 더 적을 수 있는 무치악 영역(edentulous region)에서, 이미지 스티칭 에러(stitching error)의 감소된 양으로 인한 정확도를 향상시킬 수 있다는 것을 인지하였다. 더 큰 시야를 갖는 것은, 치아의 전체 곡선과 같은 큰 매끄러운 특징부가 각각의 이미지 프레임에 나타날 수 있게 하며, 이는 다수의 이러한 이미지 프레임으로부터 획득된 각각의 표면의 스티칭의 정확성을 향상시킨다. 일부 적용에서, 다양한 카메라의 (예를 들어, 구강 내 스캐너의) 전체 조합된 시야는, 긴 휴대용 완드의 길이 방향 축을 따라 약 20mm 내지 약 50mm이고, z-축에서 약 20-40mm이며, 여기서 z-축은 깊이에 대응할 수 있다. 다른 적용에서, 시야는 길이 방향 축을 따라 적어도 20mm, 적어도 25mm, 적어도 30mm, 적어도 35mm, 또는 적어도 40mm일 수 있다. 일부 실시예에서, 조합된 시야는 깊이(예를 들어, 스캐닝 거리)에 의해 변경될 수 있다. 예를 들어, 약 4mm의 스캐닝 거리에서, 시야는 길이 방향 축을 따라 약 40mm일 수 있고, 약 14mm의 스캐닝 거리에서, 시야는 길이 방향 축을 따라 약 45mm일 수 있다. 구강 내 스캐너의 운동 대부분이 스캐너의 장축(long axis)(예를 들어, 길이 방향 축)에 대해 이루어진다면, 스캔 사이의 중첩은 상당할 수 있다. 일부 적용에서, 조합된 카메라의 시야는 연속적이지 않다. 예를 들어, 구강 내 스캐너는 고정된 분리에 의해 제2 시야로부터 분리된 제1 시야를 가질 수 있다. 고정된 분리는, 예를 들어, 긴 휴대용 완드의 길이 방향 축을 따라 있을 수 있다.
일부 적용에서, 구강 내 표면의 디지털 3차원 이미지를 생성하기 위한 방법이 제공된다. 본 출원에서 "3차원 이미지"라는 구(phrase)가 사용될 때, 이는 3차원 구강 내 표면의 이미지가 구성되는 3차원 모델, 예를 들어 포인트 클라우드(point cloud)에 기초한다는 것을 알 수 있다. 결과적인 이미지는 일반적으로 2차원 스크린 상에 디스플레이되는 한편, 스캐닝된 물체의 3차원 구조에 관한 데이터를 포함하며, 따라서 상이한 뷰(view) 및 관점으로부터 스캐닝된 물체를 보여주도록 전형적으로 조작될 수 있다. 또한, 스캐닝된 물체의 물리적 3차원 모델은, 3차원 이미지로부터의 데이터를 이용하여 이루어질 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터는 구강 내 표면 상에 이산 비연결 광 스폿의 분포를 투영하기 위해 구동될 수 있고, 하나 이상의 카메라는 투영의 이미지를 캡처하기 위해 구동될 수 있다. 각각의 카메라에 의해 캡처된 이미지는 스폿 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
각각의 카메라는 픽셀 어레이를 갖는 카메라 센서를 포함하며, 각각의 카메라 센서에 대해서는, 이미지화되는 물체를 향하는 방향의 픽셀로부터 비롯되는 3D 공간에 대응하는 레이가 존재하며; 이들 레이 중 특정한 하나의 레이에 따른 각각의 포인트는, 센서 상에 이미징될 때, 센서 상의 대응하는 각각의 픽셀에 떨어질 것이다. 청구항을 포함하여 본 출원 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 이에 사용되는 용어는 "카메라 레이(camera ray)"다. 유사하게, 각각의 프로젝터로부터 각각의 투영된 스폿에 대해, 대응하는 프로젝터 레이가 존재한다. 각각의 프로젝터 레이는 카메라 센서 중 적어도 하나 상의 픽셀의 각각의 경로에 대응하며, 즉, 카메라가 특정 프로젝터 레이에 의해 투영되는 스폿을 보는 경우, 그 스폿은 그 특정 프로젝터 레이에 대응하는 픽셀의 특정 경로 상의 픽셀에 의해 필연적으로 검출될 것이다. (a) 카메라 각각의 카메라 센서 상의 각각의 픽셀에 대응하는 카메라 레이와, (b) 각각의 프로젝터로부터 투영된 광 스폿 각각에 대응하는 프로젝터 레이에 대한 값은, 후술하는 바와 같이 캘리브레이션 프로세스 동안에 저장될 수 있다.
저장된 캘리브레이션 값에 기초하여, 프로세서는 표면 상의 각각의 투영된 스폿에 대한 3차원 위치를 식별하기 위해 대응 알고리즘을 실행하는데 사용될 수 있다. 주어진 프로젝터 레이에 대해, 프로세서는 카메라 중 하나 상에서, 대응하는 카메라 센서 경로를 "바라본다(look)". 그 카메라 센서 경로를 따라 검출된 각각의 스폿은, 주어진 프로젝터 레이와 교차하는 카메라 레이를 가질 것이다. 그 교차점은 공간에서의 3차원 포인트를 형성한다. 그 후, 프로세서는, 다른 카메라 상의 그 주어진 프로젝터 레이에 대응하는 카메라 센서 경로 중에서 탐색하고, 주어진 프로젝터 레이에 대응하는 카메라 각각의 카메라 센서 경로 상에서 얼마나 많은 다른 카메라가 또한 공간에서의 그 3차원 포인트와 카메라 레이가 교차하는 스폿을 검출하는지를 식별한다. 본 출원 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 2개 이상의 카메라가 공간에서의 동일한 3차원 포인트에서, 주어진 프로젝터 레이와 각각의 카메라 레이가 교차하는 스폿을 검출하면, 카메라는 그 3차원 포인트에 위치되는 스폿에 "동의하는" 것으로 간주된다. 따라서, 프로세서는 특정 교차점에서 프로젝터 레이에 의해 투영된 광 패턴이 존재하는 2개 이상의 카메라의 동의에 기초하여, 투영된 광 패턴의 3차원 위치를 식별할 수 있다. 프로세스는 카메라 센서 경로를 따라 추가적인 스폿에 대해 반복되고, 가장 높은 개수의 카메라가 "동의"하는 스폿은, 주어진 프로젝터 레이로부터 표면 상으로 투영되는 스폿으로 식별된다. 따라서, 표면 상의 3차원 위치가 그 스폿에 대해 계산된다.
표면 상의 위치가 특정 스폿에 대해 결정되면, 그 스폿을 투영한 프로젝터 레이뿐만 아니라, 그 스폿에 대응하는 모든 카메라 레이는 고려에서 제외될 수 있고, 대응 알고리즘은 다음 프로젝터 레이에 대하여 다시 실행될 수 있다. 궁극적으로, 식별된 3차원 위치는 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
다른 예에서, 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델을 생성하는 방법은, 구강 내 스캐너의 원위 단부에서 프로브에 배치된 하나 이상의 광 프로젝터를 사용하여 환자의 구강 내 표면 상에 이산 비연결 스폿의 패턴을 투영하는 단계를 포함할 수 있으며, 이산 비연결 스폿의 패턴은 비-코딩된 것이다. 방법은, 프로브에 배치된 2개 이상의 카메라를 사용하여 비연결 스폿의 투영된 패턴의 복수의 이미지를 캡처하는 단계, 구강 내 표면의 3차원 표면 정보를 결정하기 위해 투영된 패턴의 복수의 이미지를 디코딩하는 단계, 및 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델을 생성하기 위해 3차원 표면 정보를 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다. 복수의 이미지를 디코딩하는 단계는, 2개 이상의 카메라 각각의 카메라 센서 상의 픽셀에 대응하는 카메라 레이를 복수의 프로젝터 레이에 연관시키는 캘리브레이션 데이터를 액세스하는 단계를 포함할 수 있으며, 복수의 프로젝터 레이 각각은 이산 비연결 스폿 중 하나와 연관된다. 디코딩하는 단계는, 캘리브레이션 데이터를 사용하여 이산 비연결 스폿의 투영된 패턴에 대응하는 프로젝터 레이와 카메라 레이의 교차점을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 프로젝터 레이와 카메라 레이의 교차점은 공간에서의 3차원 포인트와 연관된다. 디코딩하는 단계는, 특정 교차점에서 프로젝터 레이에 의해 이산 비연결 스폿의 투영된 패턴이 있는 상태에서, 2개 이상의 카메라의 동의에 기초하여 이산 비연결 스폿의 투영된 패턴의 3차원 위치를 식별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일부 적용에 따라, 구강 내 스캐닝을 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는,
원위 단부에 프로브를 포함하는 긴 휴대용 완드;
프로브의 원위 단부 내에 배치된 강성 구조체;
강성 구조체에 결합된 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터; 및
강성 구조체에 결합된 하나 이상의 카메라;를 포함한다.
일부 적용에서, 각각의 구조화된 광 프로젝터는 45-120도의 조명 필드를 가질 수 있다. 선택적으로, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터는 레이저 다이오드 광원을 이용할 수 있다. 또한, 구조 광 프로젝터(들)는 빔 성형 광학 요소를 포함할 수 있다. 더 나아가, 구조화된 광 프로젝터(들)는 패턴 생성 광학 요소를 포함할 수 있다.
패턴 생성 광학 요소는 이산 비연결 광 스폿의 분포를 생성하도록 구성될 수 있다. 광원(예를 들어, 레이저 다이오드)이 패턴 생성 광학 요소를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때, 패턴 생성 광학 요소로부터 1mm 내지 30mm 사이에 위치된 모든 평면에서 이산 비연결 광 스폿의 분포가 생성될 수 있다. 일부 적용에서, 패턴 생성 광학 요소(i)는 회절 및/또는 굴절을 이용하여 분포를 생성한다. 선택적으로, 패턴 생성 광학 요소는 적어도 90%의 광 처리량 효율을 갖는다.
또한, 일부 적용에서, 각각의 카메라는 (a) 45-120도의 시야를 가질 수 있다. 카메라(들)는 카메라 센서 및 하나 이상의 렌즈를 포함하는 대물 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 적용에서, 카메라(들)는 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 1mm 내지 30mm 사이에 위치된 물체 초점면에 포커싱하도록 구성될 수 있다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 카메라 각각은 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 5mm 내지 11mm 사이에 위치된 물체 초점면에 포커싱하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 프로젝터의 각각의 패턴 생성 광학 요소는, 광원(예를 들어, 레이저 다이오드)이 패턴 생성 광학 요소를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때, 패턴 생성 광학 요소로부터 4mm 내지 24mm 사이에 위치된 모든 평면에서 이산 비연결 광 스폿의 분포를 생성하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 카메라 각각은 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 4mm 내지 24mm 사이에 위치된 물체 초점면에 포커싱하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 구조화된 광 프로젝터 각각은 70-100도의 조명 필드를 갖는다.
일부 적용에 있어서, 카메라 각각은 70-100도의 시야를 갖는다.
일부 적용에 있어서, 카메라 각각은 80-90도의 시야를 갖는다.
일부 적용에 있어서, 상기 장치는, 스캐닝되는 물체 상에 백색광을 투영하도록 구성된 적어도 하나의 균일한 광 프로젝터를 더 포함하고, 카메라 중 적어도 하나는 균일한 광 프로젝터로부터의 조명을 사용하여 물체의 2차원 컬러 이미지를 캡처하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 빔 성형 광학 요소는 시준 렌즈(collimating lens)를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 구조화된 광 프로젝터 및 카메라는, 각각의 구조화된 광 프로젝터가 그의 조명 필드에 배치된 완드 외부에 있는 물체를 대면하도록 위치된다. 선택적으로, 각각의 카메라는 그의 시야에 배치된 완드 외부에 있는 물체를 대면할 수 있다. 또한, 일부 적용에서, 이산 비연결 광 스폿의 적어도 20%는 카메라 중 적어도 하나의 시야에 있다.
일부 적용에 있어서, 프로브의 높이는 10-15mm이며, 광은 프로브의 하부 표면(또는 감지 표면)을 통해 프로브에 진입하고, 프로브의 높이는, 프로브의 하부 표면에서 하부 표면에 대향하는 프로브의 상부 표면까지 측정된다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터는 정확하게 하나의 구조화된 광 프로젝터이고, 하나 이상의 카메라는 정확하게 하나의 카메라다.
일부 적용에 있어서, 패턴 생성 광학 요소는 회절 광학 요소(diffractive optical element, DOE)를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 각각의 DOE는, 광원이 DOE를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때, 조명 필드에서 각각의 직교 평면에 대한, 조명된 영역 대 비-조명된 영역의 비율이 1:150-1:16이 되도록, 이산 비연결 광 스폿의 분포를 생성하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 각각의 DOE는, 광원이 DOE를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때, 조명 필드에서 각각의 직교 평면에 대한, 조명된 영역 대 비-조명된 영역의 비율이 1:64-1:36이 되도록, 이산 비연결 광 스폿의 분포를 생성하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터는 복수의 구조화된 광 프로젝터이다. 일부 적용에서, 특정 DOE에 의해 생성된 모든 스폿은 동일한 형상을 갖는다. 선택적으로, 적어도 하나의 DOE에 의해 생성된 스폿의 형상은 적어도 하나의 다른 DOE로부터 생성된 스폿의 형상과 상이하다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 프로젝터 각각은, 빔 성형 광학 요소와 DOE 사이에 배치된 광학 요소를 포함하고, 광학 요소는, DOE에 중심을 두고 1mm 내지 30mm의 반경을 갖는 구의 각각의 내부 표면을 통해 이산 비연결 광 스폿이 0.06mm 미만의 직경을 유지하도록, 레이저 다이오드가 광학 요소를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때, 베셀 빔을 생성하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 광학 요소는, DOE에 중심을 두고 1mm 내지 30mm의 반경을 갖는 기하학적 구의 각각의 내부 표면을 통해 이산 비연결 광 스폿이 0.02mm 미만의 직경을 유지하도록, 레이저 다이오드가 광학 요소를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때, 베셀 빔을 생성하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 프로젝터 각각은 빔 성형 광학 요소와 DOE의 사이에 배치된 광학 요소를 포함한다. 광학 요소는, 이산 비연결 광 스폿이 깊이 범위(depth range)를 통해 작은 직경을 유지하도록, 광원이 광학 요소를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때, 베셀 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 적용에서, 이산 비연결 광 스폿은 DOE로부터 1mm 내지 30mm 사이에 위치된 각각의 직교 평면을 통해 0.06mm 미만의 직경을 유지할 수 있다.
일부 적용에 있어서, 광학 요소는, 이산 비연결 광 스폿이 DOE로부터 1mm 내지 30mm 사이에 위치된 각각의 직교 평면을 통해 0.02mm 미만의 직경을 유지하도록, 레이저 다이오드가 광학 요소를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때, 베셀 빔을 생성하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 광학 요소는, 이산 비연결 광 스폿이 DOE로부터 4mm 내지 24mm 사이에 위치된 각각의 직교 평면을 통해 0.04mm 미만의 직경을 유지하도록, 광원이 광학 요소를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때, 베셀 빔을 생성하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 광학 요소는 액시콘 렌즈(axicon lens)이다.
일부 적용에 있어서, 액시콘 렌즈는 회절 액시콘 렌즈이다.
일부 적용에 있어서, 광학 요소는 환형 개구(annular aperture)이다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터는 복수의 구조화된 광 프로젝터이고, 구조화된 광 프로젝터 중 적어도 2개의 광원은 2개의 별개의 파장에서 광을 각각 투과하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 구조화된 광 프로젝터 중 적어도 3개의 광원은 3개의 별개의 파장에서 광을 각각 투과하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 구조화된 광 프로젝터 중 적어도 3개의 광원은 적색, 청색 및 녹색 광을 각각 투과하도록 구성된다.
일부 적용에서, 광원은 레이저 다이오드를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 카메라는, 적어도 2개의 카메라의 각각의 2개의 광학 축 사이의 각도가 0-90도가 되도록, 강성 구조체에 결합되는 복수의 카메라다.
일부 적용에 있어서, 적어도 2개의 카메라의 각각의 2개의 광학 축 사이의 각도는 0-35도이다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터는 복수의 구조화된 광 프로젝터이고, 복수의 구조화된 광 프로젝터는, 적어도 2개의 구조화된 광 프로젝터 각각의 2개의 광학 축 사이의 각도가 0-90도가 되도록, 강성 구조체에 결합된다.
일부 적용에 있어서, 구조화된 광 프로젝터 중 적어도 2개의 각각의 광학 축 사이의 각도는 0-35도이다.
일부 적용에 있어서, 각각의 카메라는 복수의 이산 프리셋 초점 위치를 가지며, 각각의 초점 위치에서 카메라는 각각의 물체 초점면에 포커싱하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 각각의 카메라는 이산 프리셋 초점 위치로부터 초점 위치를 선택하도록 구성된 오토포커스 액추에이터를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 카메라 각각은, 각각의 카메라에 의해 형성된 이미지가 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 1mm 내지 30mm 사이에 위치된 모든 물체 거리에 걸쳐 포커싱된 상태가 유지되도록, 카메라의 초점 심도(depth of focus)를 연장하도록 구성된 광학 개구 위상 마스크(optical aperture phase mask)를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 광학 개구 위상 마스크는, 각각의 카메라에 의해 형성된 이미지가 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 4mm 내지 24mm 사이에 위치된 모든 물체 거리에 걸쳐 포커싱된 상태로 유지되도록 카메라의 초점 심도를 연장하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 카메라 각각은 초당 30-200프레임의 프레임 속도(frame rate)로 이미지를 캡처하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 카메라 각각은 적어도 초당 75프레임의 프레임 속도로 이미지를 캡처하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 카메라 각각은 적어도 초당 100프레임의 프레임 속도로 이미지를 캡처하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 프로젝터 각각의 레이저 다이오드는 타원형 광 빔을 투과하도록 구성된다. 하나 이상의 프로젝터의 각각의 빔 성형 광학 요소는 시준 렌즈를 포함할 수 있다. 선택적으로, 패턴 생성 광학 요소는 어레이 내에 배열된 복수의 서브-DOE 패치로 분할된 회절 광학 요소(DOE)를 포함한다. 각각의 서브-DOE 패치는, 광원이 분할된 DOE를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때 이산 비연결 광 스폿의 분포가 생성되도록, 조명 필드의 상이한 영역에서 이산 비연결 광 스폿의 각각의 분포를 생성할 수 있다.
일부 적용에 있어서, 시준 렌즈는 500-700마이크론의 장축 및 100-200마이크론의 단축(short axis)을 갖는 타원형 광 빔을 생성하도록 구성될 수 있다.
일부 적용에 있어서, 서브-DOE 패치의 어레이는, 레이저 다이오드가 분할된 DOE를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때 타원형 광 빔 내에 포함되도록 위치될 수 있다.
일부 적용에 있어서, 각각의 서브-DOE 패치의 단면은 일측의 길이가 30-75마이크론인 정사각형이며, 단면은 DOE의 광학 축에 수직으로 취해진다.
일부 적용에 있어서, 복수의 서브-DOE 패치는 16-72개의 서브-DOE 패치를 포함하는 직사각형 어레이로 배열되고, 500-800마이크론의 가장 긴 치수를 갖는다.
일부 적용에 있어서, 시준 렌즈 및 분할된 DOE는 단일 광학 요소로서, 광학 요소의 제1 측은 시준 렌즈를 포함하고, 제1 측에 대향하는 광학 요소의 제2 측은 분할된 DOE를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 프로젝터 각각의 적어도 하나의 광원은 복수의 레이저 다이오드이다. 일부 적용에서, 복수의 레이저 다이오드는 동일한 파장에서 광을 투과하도록 구성될 수 있다.
일부 적용에 있어서, 복수의 레이저 다이오드는 상이한 파장에서 광을 투과하도록 구성될 수 있다.
일부 적용에 있어서, 복수의 레이저 다이오드는 2개의 레이저 다이오드이며, 2개의 레이저 다이오드는 2개의 별개의 파장에서 광을 각각 투과하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 복수의 레이저 다이오드는 3개의 레이저 다이오드이며, 3개의 레이저 다이오드는 3개의 별개의 파장에서 광을 각각 투과하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 3개의 레이저 다이오드는 적색, 청색 및 녹색 광을 각각 투과하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서,
하나 이상의 프로젝터 각각의 빔 성형 광학 요소는 시준 렌즈를 포함하고,
패턴 생성 광학 요소는 100-400nm의 주기적 구조체 특징부(periodic structure feature) 크기를 갖는 복합(compound) 회절 주기적 구조체를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 시준 렌즈 및 복합 회절 주기적 구조체는 단일 광학 요소로서, 광학 요소의 제1 측은 시준 렌즈를 포함하고, 제1 측에 대향하는 광학 요소의 제2 측은 복합 회절 주기적 구조체를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 상기 장치는 시준 렌즈와 복합 회절 주기적 구조체 사이에 배치된 액시콘 렌즈를 더 포함하며, 액시콘 렌즈는 0.2-2도의 액시콘 헤드 각도를 갖는다.
일부 적용에 있어서, 시준 렌즈는 1.2-2mm의 초점 길이를 갖는다.
일부 적용에 있어서,
하나 이상의 프로젝터 각각의 빔 성형 광학 요소는 시준 렌즈를 포함하고,
패턴 생성 광학 요소는 0.2-0.7의 개구수(numerical aperture)를 갖는 마이크로-렌즈 어레이를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 마이크로-렌즈 어레이는 6각형 마이크로-렌즈 어레이다.
일부 적용에 있어서, 마이크로-렌즈 어레이는 직사각형 마이크로-렌즈 어레이다.
일부 적용에 있어서, 시준 렌즈 및 마이크로-렌즈 어레이는 단일 광학 요소로서, 광학 요소의 제1 측은 시준 렌즈를 포함하고, 제1 측에 대향하는 광학 요소의 제2 측은 마이크로-렌즈 어레이를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 상기 장치는 시준 렌즈와 마이크로-렌즈 어레이 사이에 배치된 액시콘 렌즈를 더 포함하며, 액시콘 렌즈는 0.2-2도의 액시콘 헤드 각도를 갖는다.
일부 적용에 있어서, 시준 렌즈는 1.2-2mm의 초점 길이를 갖는다.
일부 적용에 있어서,
하나 이상의 프로젝터 각각의 빔 성형 광학 요소는 시준 렌즈를 포함하고, 시준 렌즈는 1.2-2mm의 초점 길이를 가지며,
하나 이상의 프로젝터 각각은 시준 렌즈와 패턴 생성 광학 요소 사이에 배치된 개구 링을 포함하고,
패턴 생성 광학 요소는 100-400nm의 주기적 구조체 특징부 크기를 갖는 복합 회절 주기적 구조체를 포함한다.
일부 적용에 있어서,
하나 이상의 프로젝터 각각의 빔 성형 광학 요소는 렌즈를 포함하며, 렌즈는, (a) 레이저 다이오드와 패턴 생성 광학 요소 사이에 배치되고, (b) 렌즈의 제1 측 상에는 평면 표면을 가지며, 제1 측에 대향하는 렌즈의 제2 측은 비구면 표면(aspherical surface)을 가지며, 비구면 표면은, 이산 비연결 광 스폿이 패턴 생성 광학 요소로부터 1mm 내지 30mm 사이에 위치된 임의의 직교 평면에서 실질적으로 균일한 크기를 갖도록, 레이저 다이오드가 렌즈 및 패턴 생성 광학 요소를 통해 발산(diverging) 광 빔을 투과하기 위해 활성화될 때, 발산 광 빔으로부터 직접 베셀 빔을 생성하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 렌즈의 비구면 표면은, 이산 비연결 광 스폿이 패턴 생성 광학 요소로부터 4mm 내지 24mm 사이에 위치된 임의의 직교 평면에서 실질적으로 균일한 크기를 갖도록, 레이저 다이오드가 렌즈 및 패턴 생성 광학 요소를 통해 발산 광 빔을 투과하기 위해 활성화될 때, 발산 광 빔으로부터 직접 베셀 빔을 생성하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 패턴 생성 광학 요소는 100-400nm의 주기적 구조체 특징부 크기를 갖는 복합 회절 주기적 구조체를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 패턴 생성 광학 요소는 0.2-0.7의 개구수를 갖는 마이크로-렌즈 어레이를 포함한다.
일부 적용에 있어서,
(a) 빔 성형 광학 요소는 렌즈의 제1 측 상에 비구면 표면을 포함하고, (b) 제1 측에 대향하는 렌즈의 제2 측 상에 평면 표면은 패턴 생성 광학 요소를 형성하도록 형상화되고,
비구면 표면은, 이산 비연결 광 스폿이 렌즈로부터 1mm 내지 30mm 사이에 위치된 모든 평면에서 실질적으로 균일한 크기를 갖도록, 레이저 다이오드가 렌즈를 통해 발산 광 빔을 투과하기 위해 활성화될 때 베셀 빔이 이산 베셀 빔의 어레이로 분할되도록, 레이저 다이오드가 렌즈를 통해 발산 광 빔을 투과하도록 활성화될 때, 발산 광 빔으로부터 직접 베셀 빔을 생성하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 이산 비연결 광 스폿이 패턴 생성 광학 요소로부터 4mm 내지 24mm 사이에 위치된 모든 평면에서 실질적으로 균일한 크기를 갖도록, 레이저 다이오드가 렌즈를 통해 발산 광 빔을 투과하기 위해 활성화될 때 베셀 빔이 이산 베셀 빔의 어레이로 분할되도록, 렌즈의 평면 표면은 패턴 생성 광학 요소를 형성하도록 형상화된다.
일부 적용에 있어서, 장치 및 방법은,
강성 구조체에 결합되고 강성 구조체의 온도를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 온도 센서; 및
온도 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.
온도 제어 회로는 (a) 강성 구조체의 온도를 나타내는 온도 센서로부터 데이터를 수신하고, (b) 수신된 데이터에 기초하여 온도 제어 유닛을 활성화하도록 구성될 수 있다. 온도 제어 유닛 및 회로는 35 내지 43℃ 사이의 온도에서 프로브 및/또는 강성 구조체를 유지하도록 구성될 수 있다.
일부 적용에 있어서, 온도 제어 유닛은 37 내지 41℃ 사이의 온도에서 프로브를 유지하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 온도 제어 유닛은 프로브의 온도가 임계 온도 변화를 초과하여 변하는 것을 방지하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 상기 장치는,
프로브 내에 배치된 복수의 영역을 포함하는 확산 반사기(diffuse reflector)와 같은 타겟을 더 포함하되,
(a) 각각의 프로젝터는 조명 필드에서 확산 반사기의 적어도 하나의 영역을 가지며,
(b) 각각의 카메라는 시야에서 확산 반사기의 적어도 하나의 영역을 가지며, 그리고
(c) 확산 반사기의 복수의 영역은 카메라 중 하나의 시야에 있고, 프로젝터 중 하나의 조명 필드에 있도록 포함한다.
일부 적용에서, 온도 제어 회로는, (a) 이산 비연결 광 스폿의 분포에 대한 확산 반사기의 위치를 나타내는 카메라로부터 데이터를 수신하고, (b) 수신된 데이터를 확산 반사기의 저장된 캘리브레이션 위치와 비교하고 - (i) 확산 반사기의 위치를 나타내는 수신된 데이터, 및 (ii) 확산 반사기의 저장된 캘리브레이션 위치 사이의 불일치(discrepancy)는, 프로브의 온도 변화를 나타냄 - , 그리고 (c) 수신된 데이터와 확산 반사기의 저장된 캘리브레이션 위치의 비교에 기초하여 프로브의 온도를 조절하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 적용에 따르면, 디지털 3차원 이미지를 생성하기 위한 방법이 더 제공되며, 상기 방법은,
구강 내 3차원 표면 상에 이산 비연결 광 스폿의 분포를 투영하기 위해, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 각각을 구동하는 단계;
이미지를 캡처하기 위해 하나 이상의 카메라 각각을 구동하는 단계 - 이미지는 적어도 하나의 스폿을 포함하고, 하나 이상의 카메라 각각은 픽셀의 어레이를 포함하는 카메라 센서를 포함함 - ;
저장된 캘리브레이션 값에 기초하여, (a) 하나 이상의 카메라 각각의 카메라 센서 상의 각각의 픽셀에 대응하는 카메라 레이, 및 (b) 하나 이상의 프로젝터 각각으로부터 투영된 광 스폿 각각에 대응하는 프로젝터 레이를 나타내는 단계 - 이에 의해 각각의 프로젝터 레이는 적어도 하나의 카메라 센서 상의 픽셀의 각각의 경로에 대응함 - ;
프로세서를 사용하여 대응 알고리즘을 실행하는 단계;를 포함하고,
대응 알고리즘은,
(1) 각각의 프로젝터 레이(i)에 대해, 레이(i)에 대응하는 카메라 센서 경로 상에서 각각의 검출된 스폿(j)에 대하여, 레이(i)에 대응하는 각각의 카메라 센서 경로 상에서, 레이(i)와, 검출된 스폿(j)에 대응하는 카메라 레이에 교차하는, 각각의 카메라 레이에 대응하는 각각의 스폿(k)을 검출한 다른 카메라의 개수를 식별하고,
이에 의해 레이(i)는, 가장 높은 개수의 다른 카메라가 각각의 스폿(k)을 검출한, 검출된 스폿(j)을 생성한 특정 프로젝터 레이로 식별되고,
(2) 검출된 스폿(j) 및 각각의 검출된 스폿(k)에 대응하는 프로젝터 레이(i)와 각각의 카메라 레이의 교차점에서, 구강 내 3차원 표면 상의 각각의 3차원 위치를 계산한다.
일부 적용에 있어서, 프로세서를 사용하여 대응 알고리즘을 실행하는 단계는, 단계 (1)에 이어서,
검출된 스폿(j) 및 각각의 검출된 스폿(k)에 대응하는 프로젝터 레이(i) 및 각각의 카메라 레이를 고려에서 제외하고; 그리고
다음 프로젝터 레이(i)에 대하여 대응 알고리즘을 다시 실행하기 위해 프로세서를 사용하는 단계를 더 포함한다.
일부 적용에 있어서, 이산 비연결 광 스폿의 분포를 투영하기 위해 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 각각을 구동하는 단계는, 구강 내 3차원 표면 상으로 400 내지 3000개의 이산 비연결 광 스폿을 투영하기 위해 구조화된 광 프로젝터 각각을 구동하는 단계를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 이산 비연결 광 스폿의 분포를 투영하기 위해 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 각각을 구동하는 단계는, 각각이 이산 비연결 광 스폿의 분포를 투영하기 위해 복수의 구조화된 광 프로젝터를 구동하는 단계를 포함하며,
(a) 적어도 2개의 구조화된 광 프로젝터는 상이한 파장에서 광을 투과하도록 구성되고,
(b) 저장된 캘리브레이션 값은 각각의 파장에 대한 카메라 센서 상의 각각의 픽셀에 대응하는 카메라 레이를 나타낸다.
일부 적용에 있어서, 이산 비연결 광 스폿의 분포를 투영하기 위해 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 각각을 구동하는 단계는, 복수의 구조화된 광 프로젝터 각각이 이산 비연결 광 스폿의 분포를 투영하기 위해 복수의 구조화된 광 프로젝터를 구동하는 단계를 포함하며, 특정 구조화된 광 프로젝터로부터 투영된 모든 스폿은 동일한 형상을 가지며, 적어도 하나의 구조화된 광 프로젝터로부터 투영된 스폿의 형상은 적어도 다른 하나의 구조화된 광 프로젝터로부터 투영된 스폿의 형상과 상이하다.
일부 적용에 있어서, 상기 방법은,
구강 내 3차원 표면 상에 백색광을 투영하기 위해, 적어도 하나의 균일한 광 프로젝터를 구동하는 단계; 및
균일한 광 프로젝터로부터의 조명을 사용하여 구강 내 3차원 표면의 2차원 컬러 이미지를 캡처하기 위해, 적어도 하나의 카메라를 구동하는 단계;를 더 포함한다.
일부 적용에 있어서, 상기 방법은, 구강 내 3차원 표면의 3차원 이미지를 생성하기 위해, 구조화된 광 프로젝터로부터의 조명을 사용하여 캡처된 적어도 하나의 이미지를 균일한 광 프로젝터로부터의 조명을 사용하여 캡처된 복수의 이미지와 결합하는 표면 재구성 알고리즘을 실행하도록 프로세서를 사용하는 단계를 더 포함한다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 각각을 구동하는 단계는, 구강 내 3차원 표면 상에 이산 비연결 광 스폿의 각각의 분포를 동시에 투영하도록 복수의 구조화된 광 프로젝터를 구동하는 단계를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 각각을 구동하는 단계는, 구강 내 3차원 표면 상에 각각의 이산 비연결 광 스폿을 상이한 각각의 시점에 투영하도록 복수의 구조화된 광 프로젝터를 구동하는 단계를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 구강 내 3차원 표면 상에 각각의 이산 비연결 광 스폿을 상이한 각각의 시점에 투영하도록 복수의 구조화된 광 프로젝터 각각을 구동하는 단계는, 미리 결정된 순서로 구강 내 3차원 표면 상에 각각의 이산 비연결 광 스폿을 투영하도록 복수의 구조화된 광 프로젝터를 구동하는 단계를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 구강 내 3차원 표면 상에 각각의 이산 비연결 광 스폿을 상이한 각각의 시점에 투영하도록 복수의 구조화된 광 프로젝터를 구동하는 단계는,
구강 내 3차원 표면 상에 이산 비연결 광 스폿의 분포를 투영하기 위해 적어도 하나의 구조화된 광 프로젝터를 구동하는 단계; 및
이산 비연결 스폿의 분포를 투영하기 위해 복수의 구조화된 광 프로젝터 중 어느 것을 다음으로 구동할지를 스캔 동안에 결정하는 단계를 포함한다.
일부 적용에 있어서,
하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 각각을 구동하는 단계는, 구강 내 3차원 표면 상에 이산 비연결 광 스폿의 분포를 투영하기 위해, 정확하게 하나의 구조화된 광 프로젝터를 구동하는 단계를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 카메라 각각을 구동하는 단계는, 각각이 초당 30-200프레임의 프레임 속도로 이미지를 캡처하도록 하나 이상의 카메라를 구동하는 단계를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 카메라를 구동하는 단계는, 각각이 적어도 초당 75프레임의 프레임 속도로 이미지를 캡처하도록 하나 이상의 카메라를 구동하는 단계를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 카메라를 구동하는 단계는, 각각이 적어도 초당 100프레임의 프레임 속도로 이미지를 캡처하도록 하나 이상의 카메라를 구동하는 단계를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 프로세서를 사용하는 단계는, 구조화된 광 프로젝터 및 카메라의 온도를 나타내는 온도 센서로부터 수신된 데이터에 기초하여, 구조화된 광 프로젝터 및 카메라의 복수의 각각의 온도에 대응하는 복수 세트의 저장된 캘리브레이션 데이터 사이에서 선택하는 단계를 포함하고, 저장된 캘리브레이션 데이터의 각각의 세트는, 각각의 온도에 대해, (a) 하나 이상의 프로젝터 각각으로부터 투영된 광 스폿 각각에 대응하는 프로젝터 레이 및 (b) 하나 이상의 카메라 각각의 카메라 센서 상의 각각의 픽셀에 대응하는 카메라 레이를 나타낸다.
일부 적용에 있어서, 프로세서를 사용하는 단계는, 구조화된 광 프로젝터 및 카메라의 온도를 나타내는 온도 센서로부터 수신된 데이터에 기초하여, 캘리브레이션 데이터의 각각의 세트에 대응하는 각각의 온도 사이의 온도에 대한 캘리브레이션 데이터를 획득하기 위해, 복수 세트의 저장된 캘리브레이션 데이터 사이를 보간(interpolating)하는 단계를 포함한다.
일부 적용에 있어서,
하나 이상의 카메라 각각을 구동하는 단계는, 복수의 영역을 갖는 확산 반사기의 적어도 하나의 영역을 더 포함하는 이미지를 캡처하기 위해 하나 이상의 카메라 각각을 구동하는 단계를 포함하되,
(a) 각각의 프로젝터는 조명 필드에서 확산 반사기의 적어도 하나의 영역을 가지며,
(b) 각각의 카메라는 시야에서 확산 반사기의 적어도 하나의 영역을 가지며, 그리고
(c) 확산 반사기의 복수의 영역은 카메라 중 하나의 시야에 있고, 프로젝터 중 하나의 조명 필드에 있도록 한다.
프로세서는, (a) 이산 비연결 광 스폿의 분포에 대한 확산 반사기의 위치를 나타내는 카메라로부터 데이터를 수신하고, (b) 수신된 데이터를 확산 반사기의 저장된 캘리브레이션 위치와 비교하고 - (i) 확산 반사기의 위치를 나타내는 수신된 데이터, 및 (ii) 확산 반사기의 저장된 캘리브레이션 위치 사이의 불일치는, 프로젝터 레이 및 카메라 레이 각각의 저장된 캘리브레이션 값으로부터 프로젝터 레이 및 카메라 레이의 시프트(shift)를 나타냄 - , 그리고 (c) 프로젝터 레이 및 카메라 레이 각각의 저장된 캘리브레이션 값으로부터 프로젝터 레이 및 카메라 레이의 시프트에 기초하여 대응 알고리즘을 실행하기 위해 사용될 수 있다.
상기 또는 명세서 전반에 걸쳐 설명된 임의의 것과 같은 일부 실시예에서, 높은 동적 범위 3D 이미징은 구조화된 조명과 조합하여 광 필드 이미징을 사용하여 제공될 수 있다. 프린지 패턴(fringe pattern)은 장면 상에 투영되고 장면 깊이에 의해 변조될 수 있다. 다음으로, 구조화된 광 필드가 광 필드 기록 디바이스를 사용하여 검출될 수 있다. 구조화된 광 필드는 장면 깊이가 상이한 방향으로부터 추정될 수 있는, 레이 방향 및 위상-인코딩된 깊이에 관한 정보를 포함한다. 다방향 깊이 추정은 높은 동적 3D 이미징을 효과적으로 달성할 수 있다.
본 발명의 적용은 또한, 하나 이상의 광 필드 카메라 및 하나 이상의 패턴 프로젝터를 포함하는 3차원 구강 내 스캐닝 장치와 관련된 시스템 및 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 구강 내 스캐닝 장치가 제공된다. 상기 장치는, 원위 단부에 프로브를 포함하는 긴 휴대용 완드를 포함할 수 있다. 프로브는 근위 단부 및 원위 단부를 가질 수 있다. 구강 내 스캔 동안에, 프로브는 대상의 구강 공동에 배치될 수 있다. 본 발명의 일부 적용에 따르면, 구조화된 광 프로젝터 및 광 필드 카메라는 프로브의 근위 단부에 배치될 수 있고, 미러는 프로브의 원위 단부에 배치된다. 구조화된 광 프로젝터 및 광 필드 카메라는 미러를 대면하도록 위치될 수 있고, 미러는 (a) 구조화된 광 프로젝터로부터의 광이, 스캐닝되는 물체 상에 직접 반사되도록 위치되고, (b) 스캐닝되는 물체로부터 광이, 광 필드 카메라 내로 반사되도록 위치된다.
프로브의 근위 단부에 있는 구조화된 광 프로젝터는 광원을 포함한다. 일부 적용에서, 광원은 적어도 6도 및/또는 30도 미만의 조명 필드를 가질 수 있다. 구조화된 광 프로젝터는 광원으로부터 적어도 30mm 및/또는 140mm 미만으로 위치된 프로젝터 초점면에서 광원으로부터의 광을 포커싱할 수 있다. 구조화된 광 프로젝터는, 광원과 프로젝터 초점면 사이의 광학 경로에 배치된 패턴 생성기를 더 포함할 수 있고, 패턴 생성기는, 광원이 패턴 생성기를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때 프로젝터 초점면에서 구조화된 광 패턴을 생성한다.
일부 적용에서, 프로브의 근위 단부에서의 광 필드 카메라는 적어도 6도 및/또는 30도 미만의 시야를 가질 수 있다. 광 필드 카메라는, 광 필드 카메라로부터 적어도 30mm 및/또는 140mm 미만에 위치된 카메라 초점면에 포커싱할 수 있다. 광 필드 카메라는, 광 필드 카메라 센서를 더 포함할 수 있으며, 광 필드 카메라 센서는, (i) 센서 픽셀의 어레이를 포함하는 이미지 센서, 및 (ii) 각각의 마이크로-렌즈가 센서 픽셀의 서브-어레이 위에 배치되도록 이미지 센서의 전방에 배치된 마이크로-렌즈의 어레이를 포함한다. 광 필드 카메라 센서의 전방에 배치된 대물 렌즈는, 광 필드 카메라 센서 상으로 스캐닝되는 물체의 이미지를 형성한다.
본 발명의 일부 적용에 따르면, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 및 하나 이상의 광 필드 카메라가 프로브의 원위 단부에 배치된다. 구조화된 광 프로젝터 및 광 필드 카메라는, 각각의 구조화된 광 프로젝터가 그의 조명 필드에 배치된 완드 외부의 물체에 직접 대면하도록 위치되고, 각각의 카메라는 그의 시야에 배치된 완드 외부의 물체에 직접 대면하도록 위치된다. 각각의 프로젝터로부터 투영된 구조화된 광 패턴의 적어도 40%는 카메라 중 적어도 하나의 시야에 있다.
프로브의 원위 단부에 있는 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터는 각각 광원을 포함한다. 일부 적용에서, 각각의 구조화된 광 프로젝터는 각각 적어도 60도 및/또는 120도 미만의 조명 필드를 가질 수 있다. 각각의 구조화된 광 프로젝터는 광원으로부터 적어도 30mm 및/또는 140mm 미만에 위치된 프로젝터 초점면에서 광원으로부터의 광을 포커싱할 수 있다. 각각의 구조화된 광 프로젝터는 광원 및 프로젝터 초점면 사이의 광학 경로에 배치된 패턴 생성기를 더 포함할 수 있고, 패턴 생성기는, 광원이 패턴 생성기를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때 프로젝터 초점면에 구조화된 광 패턴을 생성한다.
일부 적용에서, 프로브의 원위 단부에서의 하나 이상의 광 필드 카메라는 각각 적어도 60도 및/또는 120도 미만의 시야를 가질 수 있다. 각각의 광 필드 카메라는, 광 필드 카메라로부터 적어도 3mm 및/또는 40mm 미만에 위치된 카메라 초점면에 포커싱할 수 있다. 각각의 광 필드 카메라는, 광 필드 카메라 센서를 더 포함할 수 있으며, 광 필드 카메라 센서는, (i) 센서 픽셀의 어레이를 포함하는 이미지 센서, 및 (ii) 각각의 마이크로-렌즈가 센서 픽셀의 서브-어레이 위에 배치되도록 이미지 센서의 전방에 배치된 마이크로-렌즈의 어레이를 포함한다. 각각의 광 필드 카메라 센서의 전방에 배치된 대물 렌즈는, 광 필드 카메라 센서 상으로 스캐닝되는 물체의 이미지를 형성한다.
따라서, 본 발명의 일부 적용에 따라, 구강 내 스캐닝을 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는,
(A) 원위 단부에 프로브를 포함하는 긴 휴대용 완드 - 프로브는 근위 단부 및 원위 단부를 가짐 - ;
(B) 프로브의 근위 단부에 배치된 구조화된 광 프로젝터 - 구조화된 광 프로젝터는,
(a) 6-30도의 조명 필드를 가지며,
(b) 광원을 포함하며,
(c) 광원으로부터의 30mm 내지 140mm 사이에 위치된 프로젝터 초점면에서 광원으로부터의 광을 포커싱하도록 구성되며, 그리고
(d) 광원과 프로젝터 초점면 사이의 광학 경로에 배치되고, 광원이 패턴 생성기를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때 프로젝터 초점면에서 구조화된 광 패턴을 생성하도록 구성된 패턴 생성기를 포함함 - ;
(C) 프로브의 근위 단부에 배치된 광 필드 카메라 - 광 필드 카메라는,
(a) 6-30도의 시야를 가지며,
(b) 광 필드 카메라로부터 30mm 내지 140mm 사이에 위치된 카메라 초점면에 포커싱하도록 구성되며,
(c) 광 필드 카메라 센서를 포함하며, 광 필드 카메라 센서는 (i) 센서 픽셀의 어레이를 포함하는 이미지 센서, 및 (ii) 각각의 마이크로-렌즈가 센서 픽셀의 서브-어레이 위에 배치되도록 이미지 센서의 전방에 배치된 마이크로-렌즈의 어레이를 포함하며, 그리고
(d) 광 필드 카메라 센서의 전방에 배치되고, 광 필드 카메라 센서 상으로 스캐닝되는 물체의 이미지를 형성하도록 구성된 대물 렌즈를 포함함 - ; 및
(D) 휴대용 완드의 원위 단부에 배치된 미러;를 포함하고,
구조화된 광 프로젝터 및 광 필드 카메라는 미러를 대면하도록 위치되고, 미러는 (a) 구조화된 광 프로젝터로부터의 광이, 스캐닝되는 물체 상에 직접 반사되도록 위치되고, (b) 스캐닝되는 물체로부터 광이, 광 필드 카메라 내로 반사되도록 위치된다.
일부 적용에 있어서, 광원은 발광 다이오드(LED)를 포함하고, 패턴 생성기는 마스크를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 광원은 레이저 다이오드를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 패턴 생성기는 구조화된 광 패턴을 이산 비연결 광 스폿의 분포로 생성하도록 구성된 회절 광학 요소(DOE)를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 패턴 생성기는 굴절 마이크로-렌즈 어레이를 포함한다.
일부 적용에 있어서, 프로브의 높이는 14-17mm이고, 프로브의 폭은 18-22mm이며, 높이 및 폭은 완드의 길이 방향 축에 수직인 평면을 형성하고, 광은 프로브의 하부 표면을 통해 프로브에 진입하고, 프로브의 높이는, 프로브의 하부 표면에서 하부 표면에 대향하는 프로브의 상부 표면까지 측정된다.
일부 적용에 있어서, 상기 장치는 출력 디바이스와 함께 사용하도록 구성되고, 상기 장치는,
제어 회로를 더 포함하고 - 제어 회로는,
(a) 구조화된 광 패턴을 완드 외부의 물체 상에 투영하기 위해, 구조화된 광 프로젝터를 구동하며,
(b) 물체로부터 반사되는 구조화된 광 패턴으로부터 발생한 광 필드를 캡처하기 위해, 광 필드 카메라를 구동하도록 구성되며, 광 필드는 (i) 물체로부터 반사되는 구조화된 광 패턴의 강도, 및 (ii) 광 레이의 방향을 포함함 - ; 및
캡처된 광 필드에 기초하여, 스캐닝되는 물체의 표면의 3차원 이미지를 재구성하고, 이미지를 출력 디바이스에 출력하도록 구성된 적어도 하나의 컴퓨터 프로세서;를 더 포함한다.
일부 적용에 있어서,
(a) 완드 외부의 물체는 대상의 입 내부에 있는 치아이며,
(b) 제어 회로는, 치아 상에 분말이 존재하지 않는 상태에서 치아에서 반사되는 구조화된 광 패턴으로부터 발생한 광 필드를 캡처하기 위해 광 필드 카메라를 구동하도록 구성되며, 그리고
(c) 컴퓨터 프로세서는, 치아 상에 분말이 존재하지 않는 상태에서 캡처된 광 필드에 기초하여, 치아의 3차원 이미지를 재구성하고, 이미지를 출력 디바이스에 출력하도록 구성된다.
일부 적용에 있어서, 이미지 센서의 중심 영역에서의 센서 픽셀의 서브-어레이 각각은 이미지 센서의 주변 영역에서의 센서 픽셀의 서브-어레이 각각보다 10-40% 더 적은 픽셀을 포함하고, 이미지 센서의 중심 영역은 센서 픽셀의 총 개수의 적어도 50%를 포함한다.
일부 적용에 있어서, (a) 이미지 센서의 주변 영역에서의 센서 픽셀의 서브-어레이 위에 배치된 각각의 마이크로-렌즈가 포커싱하도록 구성된 깊이는 (b) 이미지 센서의 중심 영역에서의 센서 픽셀의 서브-어레이 위에 배치된 각각의 마이크로-렌즈가 포커스하도록 구성되는 깊이보다 1.1-1.4배 더 크다.
또한, 본 발명의 일부 적용에 따르면, 장치가 더 제공되며, 상기 장치는,
(A) 원위 단부에 프로브를 포함하는 긴 휴대용 완드 - 프로브는 근위 단부 및 원위 단부를 가짐 - ;
(B) 프로브의 원위 단부에 배치된 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 - 각각의 구조화된 광 프로젝터는,
(a) 60-120도의 조명 필드를 가지며,
(b) 광원을 포함하며,
(c) 광원으로부터의 3mm 내지 40mm 사이에 위치된 프로젝터 초점면에서 광원으로부터의 광을 포커스하도록 구성되며, 그리고
(d) 광원과 프로젝터 초점면 사이의 광학 경로에 배치되고, 광원이 패턴 생성기를 통해 광을 투과하도록 활성화 될 때 프로젝터 초점면에서 구조화된 광 패턴을 생성하도록 구성된 패턴 생성기를 포함함 - ; 및
(C) 프로브의 원위 단부에 배치된 하나 이상의 광 필드 카메라;를 포함하고 - 각각의 광 필드 카메라는,
(a) 60-120도의 시야를 가지며,
(b) 광 필드 카메라로부터 3mm 내지 40mm 사이에 위치된 카메라 초점면에 포커싱하도록 구성되며,
(c) 광 필드 카메라 센서를 포함하며, 광 필드 카메라 센서는 (i) 센서 픽셀의 어레이를 포함하는 이미지 센서, 및 (ii) 각각의 마이크로-렌즈가 센서 픽셀의 서브-어레이 위에 배치되도록 이미지 센서의 전방에 배치된 마이크로-렌즈의 어레이를 포함하며, 그리고
(d) 광 필드 카메라 센서의 전방에 배치되고, 광 필드 카메라 센서 상으로 스캐닝되는 물체의 이미지를 형성하도록 구성된 대물 렌즈를 포함함 - ;
구조화된 광 프로젝터 및 광 필드 카메라는, (a) 각각의 구조화된 광 프로젝터가 그의 조명 필드에 배치된 완드 외부의 물체에 직접 대면하도록 위치되고, (b) 각각의 카메라가 그의 시야 내에 배치된 완드 외부의 물체에 직접 대면하도록 위치되고, (c) 각각의 프로젝터로부터의 구조화된 광 패턴의 적어도 40%가 카메라 중 적어도 하나의 시야에 있도록 위치된다.
일부 적용에 있어서, 프로브의 높이는 10-14mm이고, 프로브의 폭은 18-22mm이며, 높이 및 폭은 완드의 길이 방향 축에 수직인 평면을 형성하고, 광은 프로브의 하부 표면을 통해 프로브에 진입하고, 프로브의 높이는, 프로브의 하부 표면에서 하부 표면에 대향하는 프로브의 상부 표면까지 측정된다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터는 정확하게 하나의 구조화된 광 프로젝터이고, 하나 이상의 구조화된 광 필드 카메라는 정확히 하나의 광 필드 카메라다.
일부 적용에 있어서, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터는 복수의 구조화된 광 프로젝터이고, 하나 이상의 광 필드 카메라는 복수의 광 필드 카메라다.
일부 적용에 있어서, 상기 장치는 출력 디바이스와 함께 사용하도록 구성되고, 상기 장치는,
제어 회로를 더 포함하고 - 제어 회로는,
(a) 구조화된 광 패턴을 완드 외부의 물체 상에 투영하기 위해, 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 각각을 구동하며,
(b) 물체로부터 반사되는 구조화된 광 패턴으로부터 발생한 광 필드를 캡처하기 위해 하나 이상의 광 필드 카메라를 구동하도록 구성되며, 광 필드는 (i) 물체로부터 반사되는 구조화된 광 패턴의 강도, 및 (ii) 광 레이의 방향을 포함함 - ; 및
캡처된 광 필드에 기초하여, 스캐닝되는 물체의 표면의 3차원 이미지를 재구성하고, 이미지를 출력 디바이스에 출력하도록 구성된 적어도 하나의 컴퓨터 프로세서;를 더 포함한다.
일부 적용에 있어서,
하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 중 적어도 하나는, 스캐닝되는 물체 상에 단색(monochrome) 구조화된 광 패턴을 투영하도록 구성된 단색 구조화된 광 프로젝터이며,
하나 이상의 광 필드 카메라 중 적어도 하나는 스캐닝되는 물체로부터 반사되는 단색 구조화된 광 패턴으로부터 발생한 광 필드를 캡처하도록 구성된 단색 광 필드 카메라이며, 그리고
상기 장치는 (a) 스캐닝되는 물체 상에 백색광을 투과하도록 구성된 광원, 및 (b) 스캐닝되는 물체의 2차원 컬러 이미지를 캡처하도록 구성된 카메라를 더 포함한다.
일부 적용에 있어서, 단색 구조화된 광 프로젝터는 420-470nm의 파장에서 구조화된 광 패턴을 투영하도록 구성된다.
또한, 본 발명의 일부 적용에 따르면, 장치가 더 제공되며, 상기 장치는,
(A) 원위 단부에 프로브를 포함하는 긴 휴대용 완드 - 프로브는 근위 단부 및 원위 단부를 가짐 - ;
(B) 프로브의 근위 단부에 배치된 구조화된 광 프로젝터 - 구조화된 광 프로젝터는,
(a) 조명 필드를 가지며,
(b) 광원을 포함하며,
(c) 광원으로부터의 광을 프로젝터 초점면에 포커싱하도록 구성되며, 그리고
(d) 광원과 프로젝터 초점면 사이의 광학 경로에 배치되고, 광원이 패턴 생성기를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때 프로젝터 초점면에서 구조화된 광 패턴을 생성하도록 구성된 패턴 생성기를 포함함 - ;
(C) 프로브의 근위 단부에 배치된 광 필드 카메라 - 광 필드 카메라는,
(a) 시야를 가지며,
(b) 카메라 초점면에 포커싱하도록 구성되며,
(c) 광 필드 카메라 센서를 포함하며, 광 필드 카메라 센서는 (i) 센서 픽셀의 어레이를 포함하는 이미지 센서, 및 (ii) 각각의 마이크로-렌즈가 센서 픽셀의 서브-어레이 위에 배치되도록 이미지 센서의 전방에 배치된 마이크로-렌즈의 어레이를 포함하며, 그리고
(d) 광 필드 카메라 센서의 전방에 배치되고, 광 필드 카메라 센서 상으로 스캐닝되는 물체의 이미지를 형성하도록 구성된 대물 렌즈를 포함함 - ; 및
(D) 휴대용 완드의 원위 단부에 배치된 미러;를 포함하고,
구조화된 광 프로젝터 및 광 필드 카메라는 미러를 대면하도록 위치되고, 미러는 (a) 구조화된 광 프로젝터로부터의 광이, 스캐닝되는 물체 상에 직접 반사되도록 위치되고, (b) 스캐닝되는 물체로부터 광이, 광 필드 카메라 내로 반사되도록 위치된다.
또한, 본 발명의 일부 적용에 따르면, 장치가 더 제공되며, 상기 장치는,
(A) 원위 단부에 프로브를 포함하는 긴 휴대용 완드 - 프로브는 근위 단부 및 원위 단부를 가짐 - ;
(B) 프로브의 원위 단부에 배치된 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 - 각각의 구조화된 광 프로젝터는,
(a) 조명 필드를 가지며,
(b) 광원을 포함하며,
(c) 광원으로부터의 광을 프로젝터 초점면에 포커싱하도록 구성되며, 그리고
(d) 광원과 프로젝터 초점면 사이의 광학 경로에 배치되고, 광원이 패턴 생성기를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때 프로젝터 초점면에서 구조화된 광 패턴을 생성하도록 구성된 패턴 생성기를 포함함 - ; 및
(C) 프로브의 원위 단부에 배치된 하나 이상의 광 필드 카메라;를 포함하고, - 각각의 광 필드 카메라는,
(a) 시야를 가지며,
(b) 카메라 초점면에 포커싱하도록 구성되며,
(c) 광 필드 카메라 센서를 포함하며, 광 필드 카메라 센서는 (i) 센서 픽셀의 어레이를 포함하는 이미지 센서, 및 (ii) 각각의 마이크로-렌즈가 센서 픽셀의 서브-어레이 위에 배치되도록 이미지 센서의 전방에 배치된 마이크로-렌즈의 어레이를 포함하며, 그리고
(d) 광 필드 카메라 센서의 전방에 배치되고, 광 필드 카메라 센서 상으로 스캐닝되는 물체의 이미지를 형성하도록 구성된 대물 렌즈를 포함함 - ;
구조화된 광 프로젝터 및 광 필드 카메라는, (a) 각각의 구조화된 광 프로젝터가 그의 조명 필드에 배치된 완드 외부의 물체에 직접 대면하도록 위치되고, (b) 각각의 카메라가 그의 시야 내에 배치된 완드 외부의 물체에 직접 대면하도록 위치되고, (c) 각각의 프로젝터로부터의 구조화된 광 패턴의 적어도 40%가 카메라 중 적어도 하나의 시야에 있도록 위치된다.
본 발명은 도면과 함께 다음과 같은 적용에 대한 상세한 설명으로부터 보다 완전하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 적용에 따른, 휴대용 완드의 원위 단부에서 프로브 내에 배치된 복수의 구조화된 광 프로젝터 및 카메라를 갖는 휴대용 완드의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일부 적용에 따른, 각각의 카메라 및 구조화된 광 프로젝터에 대한 포지셔닝(positioning) 구성의 개략도이다.
도 2c는 본 발명의 일부 적용에 따른, 프로브에서의 구조화된 광 프로젝터 및 카메라의 위치에 대한 복수의 상이한 구성을 도시하는 차트다.
도 3은 본 발명의 일부 적용에 따른, 구조화된 광 프로젝터의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일부 적용에 따른, 복수의 물체 초점면 상으로 이산 비연결 광 스폿의 분포를 투영하는 구조화된 광 프로젝터의 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일부 적용에 따른, 빔 성형 광학 요소, 및 빔 성형 광학 요소와 패턴 생성 광학 요소 사이에 배치된 추가 광학 요소를 포함하는 구조화된 광 프로젝터의 개략도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일부 적용에 따른, 이산 비연결 스폿 및 카메라 센서 검출 스폿을 투영하는 구조화된 광 프로젝터의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일부 적용에 따른, 디지털 3차원 이미지를 생성하기 위한 방법을 요약(outlining)하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일부 적용에 따른, 도 7의 방법에서 특정 단계를 수행하기 위한 방법을 요약하는 흐름도이다.
도 9, 도 10, 도 11 및 도 12는 본 발명의 일부 적용에 따른, 도 8의 단계의 단순화된 예를 도시하는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일부 적용에 따른, 디지털 3차원 이미지를 생성하기 위한 방법에서의 추가적인 단계를 요약하는 흐름도이다.
도 14, 도 15, 도 16 및 도 17은 본 발명의 일부 적용에 따른, 도 13의 단계의 단순화된 예를 도시하는 개략도이다.
도 18은 본 발명의 일부 적용에 따른, 확산 반사기를 포함하는 프로브의 개략도이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 일부 적용에 따른, 구조화된 광 프로젝터 및 레이저 다이오드에 의해 투과된 광의 빔의 단면의 개략도이고, 패턴 생성 광학 요소는 빔의 광 경로에 배치되어 있는 것으로 도시되어 있다.
도 20a 내지 도 20e는 본 발명의 일부 적용에 따른, 구조화된 광 프로젝터에서 패턴 생성 광학 요소로서 사용되는 마이크로-렌즈 어레이의 개략도이다.
도 21a 내지 도 21c는 본 발명의 일부 적용에 따른, 구조화된 광 프로젝터에서 패턴 생성 광학 요소로서 사용되는 복합 2D 회절 주기적 구조체의 개략도이다.
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 일부 적용에 따른, 비구면인 제1 측 및 제1 측에 대향하는 평면인 제2 측을 갖는 단일 광학 요소, 및 광학 요소를 포함하는 구조화된 광 프로젝터를 도시하는 개략도이다.
도 23a 및 도 23b는 본 발명의 일부 적용에 따른, 액시콘 렌즈, 및 액시콘 렌즈를 포함하는 구조화된 광 프로젝터의 개략도이다.
도 24a 및 도 24b는 본 발명의 일부 적용에 따른, 제1 측 상의 비구면 표면 및 제1 측에 대향하는 제2 측 상의 평면 표면을 갖는 광학 요소, 및 광학 요소를 포함하는 구조화된 광 프로젝터를 도시하는 개략도이다.
도 25는 본 발명의 일부 적용에 따른, 구조화된 광 프로젝터에서 단일 광학 요소의 개략도이다.
도 26a 및 도 26b는 본 발명의 일부 적용에 따른, 하나 이상의 레이저 다이오드를 갖는 구조화된 광 프로젝터의 개략도이다.
도 27a 및 도 27b는 본 발명의 일부 적용에 따른, 상이한 파장의 레이저 다이오드를 결합하는 상이한 방식의 개략도이다.
도 28a는 본 발명의 일부 적용에 따른, 휴대용 완드의 근위 단부에 배치된 구조화된 광 프로젝터 및 광 필드 카메라를 갖는 휴대용 완드, 및 휴대용 완드의 원위 단부에서 프로브 내에 배치된 미러의 개략도이다.
도 28b는 본 발명의 일부 적용에 따른, 도 28a의 휴대용 완드의 개략도로, 프로브는 대상의 입의 내부에 있는 것으로 도시된다.
도 29a 및 도 29b는 본 발명의 일부 적용에 따른, 구조화된 광 프로젝터의 개략도이다.
도 30은 본 발명의 일부 적용에 따른, 광 필드 카메라 및 캡처되는 3차원 물체의 개략도이다.
도 31은 본 발명의 일부 적용에 따른, 휴대용 완드의 원위 단부에서 프로브 내에 배치된 구조화된 광 프로젝터 및 광 필드 카메라를 갖는 휴대용 완드의 개략도이다.
도 32는 본 발명의 일부 적용에 따라, 휴대용 완드의 원위 단부에서 프로브 내에 배치된 복수의 구조화된 광 프로젝터 및 광 필드 카메라를 갖는 휴대용 완드의 개략도이다.
본 발명의 일부 적용에 따른, 구강 내 스캐닝을 위한 긴 휴대용 완드(20)의 개략도가 도시되어 있는 도 1을 참조한다. 복수의 구조화된 광 프로젝터(22) 및 복수의 카메라(24)는 휴대용 완드의 원위 단부(30)에서 프로브(28) 내에 배치된 강성 구조체(26)에 결합된다. 일부 적용에서, 구강 내 스캔 동안에, 프로브(28)는 대상의 구강 공동 내로 진입한다.
일부 적용에 있어서, 구조화된 광 프로젝터(22)는, 휴대용 완드의 근위 단부에 구조화된 광 프로젝터를 위치시키고 미러로부터 광의 반사에 의해 후속적으로 물체 상으로 반사시킴으로써 물체를 조명하는 것과는 대조적으로, 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)가 그의 조명 필드에 배치된 휴대용 완드(20) 외부의 물체(32)와 대면하도록 프로브(28) 내에 위치된다. 유사하게, 일부 적용에 있어서, 카메라(24)는, 휴대용 완드의 근위 단부에 카메라를 위치시키고 미러로부터 카메라로의 광의 반사에 의해 물체를 뷰잉하는 것과는 대조적으로, 각각의 카메라(24)가 그의 시야에 배치된 휴대용 완드(20) 외부의 물체(32)와 대면하도록 프로브(28) 내에 위치된다. 프로브(28) 내의 프로젝터 및 카메라의 이러한 포지셔닝은, 스캐너가 낮은 프로파일 프로브(low profile probe)를 유지하면서 전체적으로 큰 시야를 가질 수 있게 한다.
일부 적용에서, 프로브(28)의 높이(H1)는 15mm 미만이고, 프로브(28)의 높이(H1)는 스캐닝되는 물체(32)로부터 반사된 광이 프로브(28)에 진입하는 하부 표면(176)(감지 표면)에서, 하부 표면(176)에 대향하는 상부 표면(178)까지 측정된다. 일부 적용에서, 높이(H1)는 10-15mm 사이이다.
일부 적용에서, 카메라(24) 각각은 적어도 45도, 예를 들어, 적어도 70도, 예를 들어, 적어도 80도, 예를 들어, 85도의 큰 시야(β, beta)를 갖는다. 일부 적용에서, 시야는 120도 미만, 예를 들어, 100도 미만, 예를 들어, 90도 미만일 수 있다. 본 발명자에 의해 수행된 실험에서, 80 내지 90도 사이의 각 카메라에 대한 시야(β, beta)는 픽셀 크기, 시야 및 카메라 중첩, 광학 품질, 및 비용 사이의 양호한 균형을 제공하기 때문에 특히 유용한 것으로 밝혀졌다. 카메라(24)는 카메라 센서(58) 및 하나 이상의 렌즈를 포함하는 대물 렌즈(60)를 포함할 수 있다. 근접 초점 이미징을 가능하게 하기 위해서, 카메라(24)는, 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 1mm 내지 30mm, 예를 들어, 4mm 내지 24mm, 예를 들어, 5mm 내지 11mm, 예를 들어, 9mm-10mm 사이에 위치된 물체 초점면(50)에 포커싱할 수 있다. 본 발명자에 의해 수행된 실험에서, 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 5mm 내지 11mm 사이에 물체 초점면(50)이 위치되는 것이, 이 거리에서 치아를 스캔하기 쉬웠기 때문에, 그리고 대부분의 치아 표면이 양호하게 포커싱되었기 때문에, 특히 유용한 것으로 밝혀졌다. 일부 적용에서, 카메라(24)는 적어도 초당 30프레임의 프레임 속도로, 예를 들어, 적어도 초당 75프레임의 프레임 속도, 예를 들어, 적어도 초당 100프레임 속도로 이미지를 캡처할 수 있다. 일부 적용에서, 프레임 속도는 초당 200프레임 미만일 수 있다.
전술한 바와 같이, 모든 카메라의 각각의 시야를 조합함으로써 달성되는 큰 시야가, 특히 잇몸 표면이 매끄럽고 분명한 고해상도의 3D 특징부가 더 적은 무치악 영역에서, 이미지 스티칭 에러의 감소된 양으로 인한 정확도를 향상시킬 수 있다. 더 큰 시야를 갖는 것은, 치아의 전체 곡선과 같은 큰 매끄러운 특징부가 각각의 이미지 프레임에 나타날 수 있게 하며, 이는 다수의 이러한 이미지 프레임으로부터 획득된 각각의 표면의 스티칭의 정확성을 향상시킨다.
유사하게, 구조화된 광 프로젝터(22)는 각각 적어도 45도, 예를 들어 적어도 70도의 큰 조명 필드(α, alpha)를 가질 수 있다. 일부 적용에서, 조명 필드(α, alpha)는 120도 미만, 예를 들어, 100도 미만일 수 있다. 구조화된 광 프로젝터(22)의 추가적인 특징은 이하에서 설명된다.
일부 적용에 있어서, 이미지 캡처를 개선하기 위해, 각각의 카메라(24)는 복수의 이산 프리셋 초점 위치를 가지며, 각각의 초점 위치에서 카메라는 각각의 물체 초점면(50)에 포커싱한다. 각각의 카메라(24)는 주어진 이미지 캡처를 개선하기 위해 이산 프리셋 초점 위치로부터 초점 위치를 선택하는 오토포커스 액추에이터(autofocus actuator)를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 각각의 카메라(24)는, 각각의 카메라에 의해 형성된 이미지가 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 1mm 내지 30mm, 예를 들어, 4mm 내지 24mm, 예를 들어, 5mm 내지 11mm, 예를 들어 9mm-10mm 사이에 위치된 모든 물체 거리에 걸쳐 포커싱된 상태가 유지되도록, 카메라의 초점 심도를 연장하는 광학 개구 위상 마스크를 포함한다.
일부 적용에서, 구조화된 광 프로젝터(22) 및 카메라(24)는, (a) 각각의 카메라의 시야의 상당 부분이 이웃하는 카메라의 시야와 중첩하고, (b) 각각의 카메라의 시야의 상당 부분이 이웃하는 프로젝터의 조명 필드와 중첩하도록, 밀접하게 패킹된 및/또는 교대하는(alternating) 방식으로 강성 구조체(26)에 결합된다. 선택적으로, 적어도 20%, 예를 들어, 적어도 50%, 예를 들어, 적어도 75%의 투영된 광 패턴은, 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 적어도 4mm에 위치된 물체 초점면(50)에서 카메라 중 적어도 하나의 시야에 있다. 프로젝터 및 카메라의 상이한 가능한 구성으로 인해, 투영된 패턴의 일부는 임의의 카메라의 시야에서 결코 보이지 않을 수 있고, 투영된 패턴 중 일부는 스캐너가 스캔 동안에 이동될 때 물체(32)에 의해 뷰로부터 차단될 수 있다.
강성 구조체(26)는 프로브(28) 내의 광학계(optics)에 구조적 안정성을 제공하기 위해, 구조화된 광 프로젝터(22) 및 카메라(24)가 결합되는 비-가요성 구조체일 수 있다. 모든 프로젝터 및 모든 카메라를 공통의 강성 구조체에 결합시키는 것은, 예를 들어, 대상의 입에 의해 유도될 수 있는 기계적 응력 하에서, 다양한 주변 조건 하에서 각각의 구조화된 광 프로젝터(22) 및 각각의 카메라(24)의 광학계의 기하학적 무결성(geometric integrity)을 유지하는 것을 돕는다. 또한, 강성 구조체(26)는 구조화된 광 프로젝터(22) 및 카메라(24)의 서로에 대한 안정적인 구조적 무결성 및 위치를 유지하는 것을 돕는다. 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 강성 구조체(26)의 온도를 제어하는 것은, 프로브(28)가 대상의 구강 공동을 출입할 때 또는 스캔 동안에 대상자가 호흡함에 따라, 넓은 범위의 주변 온도를 통해서도 광학계의 기하학적 무결성을 유지하는 것을 가능하게 하는 것을 도울 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 카메라(24) 및 구조화된 광 프로젝터(22) 각각에 대한 포지셔닝 구성의 개략도가 도시되어 있는 도 2a 및 도 2b를 참조한다. 일부 적용에 있어서, 구강 내 스캐너의 전체 시야 및 조명 필드를 개선하기 위해, 카메라(24) 및 구조화된 광 프로젝터(22)는 이들이 모두 동일한 방향을 향하지 않도록 위치된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 일부 적용에 있어서, 복수의 카메라(24)는, 적어도 2개의 카메라(24)의 2개의 각각의 광학 축(46) 사이의 각도(θ, theta)가 90도 이하, 예를 들어 35도 이하가 되도록, 강성 구조체(26)에 결합된다. 유사하게, 도 2b에 도시된 바와 같은 일부 적용에서는, 복수의 구조화된 광 프로젝터(22)는, 적어도 2개의 구조화된 광 프로젝터(22)의 2개의 각각의 광학 축(48) 사이의 각도(φ, phi)가 90도 이하, 예를 들어 35도 이하가 되도록, 강성 구조체(26)에 결합된다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 프로브(28)에서의 구조화된 광 프로젝터(22) 및 카메라(24)의 위치에 대한 복수의 상이한 구성을 도시하는 차트인 도 2c를 참조한다. 구조화된 광 프로젝터(22)는 도 2c에 원으로 표시되어 있으며, 카메라(24)는 도 2c에 직사각형으로 표시되어 있다. 전형적으로, 각 카메라 센서(58) 및 각 카메라(24)의 시야(β, beta)는 1:2의 종횡비를 갖기 때문에, 카메라를 나타내기 위해 직사각형이 사용된다. 도 2c의 열(a)은 구조화된 광 프로젝터(22) 및 카메라(24)의 다양한 구성의 버드 아이 뷰(bird's eye view)를 도시한다. 열(a)의 제1 행에 표시된 바와 같은 x-축은 프로브(28)의 중심 길이 방향 축에 대응한다. 열(b)은 프로브(28)의 중심 길이 방향 축과 동축인 시선(line of sight)으로부터 보았을 때 다양한 구성으로부터 카메라(24)의 측면도를 나타낸다. 도 2a에 도시된 바와 유사하게, 도 2c의 열(b)은, 서로에 대해 90도 이하, 예를 들어 35도 이하의 각도로 광축(46)을 갖도록 위치된 카메라(24)를 도시한다. 열(c)은 프로브(28)의 중심 길이 방향 축에 수직인 시선으로부터 보았을 때 다양한 구성의 카메라(24)의 측면도를 도시한다.
전형적으로, (도 2c에서 양의 x-방향을 향해) 최원위(distal-most) 및 (도 2c에서 음의 x-방향을 향해) 최근위(proximal-most) 카메라(24)는 그 광축(46)이 예를 들어, 다음의 가장 가까운 카메라(24)에 대해 90도 이하, 예를 들어 35도 이하의 각도로 내측으로 약간 회전하도록 위치된다. 더 중심에 위치된, 즉 최원위 카메라(24) 또는 최근위 카메라(24)가 아닌, 카메라(들)(24)는, 프로브(28) 외측으로 직접 향하도록 위치되어, 그들의 광축(46)이 프로브(28)의 중심 길이 방향 축에 실질적으로 수직이다. 행(xi)에서 프로젝터(22)는 프로브(28)의 최원위 위치에 위치되고, 이와 같이 그 프로젝터(22)의 광축(48)은 내측으로 포인팅하여, 그 특정 프로젝터(22)로부터 투영된 보다 많은 수의 스폿(33)이 더 많은 카메라(24)에 의해 보여질 수 있게 한다는 것이 주목된다.
전형적으로, 프로브(28)에서의 구조화된 광 프로젝터(22)의 개수는 예를 들어, 도 2c의 행(iv)에 도시된 바와 같이, 2개에서, 예를 들어, 행(xii)에 도시된 바와 같이, 6개까지의 범위일 수 있다. 전형적으로, 프로브(28)에서의 카메라(24)의 개수는, 예를 들어, 행(iv) 및 (v)에 도시된 바와 같이, 4개에서, 예를 들어, 행(ix)에 도시된 바와 같이, 7개까지의 범위일 수 있다. 도 2c에 도시된 다양한 구성은 제한이 아닌 예시적인 것이며, 본 발명의 범위는 도시되지 않은 추가적인 구성을 포함한다는 것에 유의한다. 예를 들어, 본 발명의 범위는 프로브(28)에 위치된 5개 이상의 프로젝터(22) 및 프로브(28)에 위치된 7개 이상의 카메라를 포함한다.
예시적인 적용에서, 구강 내 스캐닝 장치(예를 들어, 구강 내 스캐너)는 원위 단부에 프로브를 포함하는 긴 휴대용 완드, 프로브 내에 배치된 적어도 2개의 광 프로젝터, 및 프로브 내에 배치된 적어도 4개의 카메라를 포함한다. 각각의 광 프로젝터는 활성화될 때 광을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 광원, 및 광이 패턴 생성 광학 요소를 통해 투과될 때 광 패턴을 생성하도록 구성된 패턴 생성 광학 요소를 포함할 수 있다. 적어도 4개의 카메라 각각은 카메라 센서 및 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있으며, 적어도 4개의 카메라 각각은 구강 내 표면 상의 투영된 광 패턴의 적어도 일부를 도시하는 복수의 이미지를 캡처하도록 구성된다. 적어도 2개의 광 프로젝터 및 적어도 4개의 카메라의 대부분은 프로브의 길이 방향 축에 각각 대략 평행한 적어도 2개의 행으로 배열될 수 있고, 적어도 2개의 행은 적어도 제1 행 및 제2 행을 포함한다.
또 다른 적용에서, 적어도 4개의 카메라의 길이 방향 축을 따른 최원위 카메라 및 길이 방향 축을 따른 최근위 카메라는, 그 광학 축이 길이 방향 축에 수직인 시선으로부터 서로에 대해 90도 이하의 각도로 있도록 위치된다. 제1 행에서의 카메라 및 제2 행에서의 카메라는, 프로브의 길이 방향 축과 동축인 시선으로부터 제2 행에서의 카메라의 광축에 대해 90도 이하의 각도에 제1 행에서의 카메라의 광축이 있도록 위치될 수 있다. 적어도 4개의 카메라 중 최원위 카메라 및 최근위 카메라 이외의 나머지는, 프로브의 길이 방향 축에 실질적으로 평행한 광축을 갖는다. 적어도 2개의 행 각각은 광 프로젝터 및 카메라의 교대하는 결과를(alternating sequence) 포함할 수 있다.
다른 적용에서, 적어도 4개의 카메라는 적어도 5개의 카메라를 포함하고, 적어도 2개의 광 프로젝터는 적어도 5개의 광 프로젝터를 포함하고, 제1행의 최근위 구성 요소는 광 프로젝터이고, 제2 행의 최근위 구성 요소는 카메라다.
또 다른 적용에서, 길이 방향 축을 따른 최원위 카메라 및 길이 방향 축을 따라 최근위 카메라는, 그들의 광축이 길이 방향 축에 수직인 시선으로부터 서로에 대해 35도 이하의 각도에 있도록 위치된다. 제1 행에서의 카메라와 제2 행에서의 카메라는, 제1 행에서의 카메라의 광축이 프로브의 길이 방향 축과 동축인 시선으로부터 제2 행에서의 카메라의 광축에 대해 35도 이하의 각도에 있도록 위치될 수 있다.
또 다른 적용에서, 적어도 4개의 카메라는 길이 방향 축을 따라 25-45mm의 시야 및 프로브로부터의 거리에 대응하는 z-축을 따라 20-40mm의 시야의 결합된 시야를 가질 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 구조화된 광 프로젝터(22)의 개략도인 도 3을 참조한다. 일부 적용에서, 구조화된 광 프로젝터(22)는 레이저 다이오드(36), 빔 성형 광학 요소(40), 및 (도 4를 참조하여 이하에서 추가로 설명되는) 이산 비연결 광 스폿의 분포(34)를 생성하는 패턴 생성 광학 요소(38)를 포함한다. 일부 적용에서, 구조화된 광 프로젝터(22)는, 레이저 다이오드(36)가 패턴 생성 광학 요소(38)를 통해 광을 투과할 때 패턴 생성 광학 요소(38)로부터 1mm 내지 30mm, 예를 들어, 4mm 내지 24mm 사이에 위치된 모든 평면에서 이산 비연결 광 스폿의 분포(34)를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 적용에 있어서, 이산 비연결 광 스폿의 분포(34)는 1mm 내지 30mm, 예를 들어, 4mm 내지 24mm 사이에 위치된 하나의 평면에 포커싱되어 있으나, 1mm 내지 30mm, 예를 들어, 4mm 내지 24mm 사이에 있는 모든 다른 평면은 여전히 이산 비연결 광 스폿을 포함한다. 레이저 다이오드를 사용하는 것으로 위에서 설명되었지만, 이는 예시적이고 비제한적인 적용이라는 것이 이해되어야 한다. 다른 적용에서는 다른 광원이 사용될 수 있다. 또한, 이산 비연결 광 스폿의 패턴을 투영하는 것으로 설명되었지만, 이는 예시적이고 비제한적인 적용이라는 것이 이해되어야 한다. 다른 적용에서는, 라인(line), 그리드(grid), 체커보드(checkerboard), 및 다른 어레이를 포함하지만, 이에 한정되지 않는 광의 다른 패턴 또는 어레이가 사용될 수 있다.
패턴 생성 광학 요소(38)는 적어도 80%, 예를 들어, 적어도 90%의 광 처리량 효율(즉, 패턴 생성 광학 요소(38) 상에 떨어지는 전체 광 패턴 중에서 패턴에 들어가는 광의 비율)을 갖도록 구성될 수 있다.
일부 적용에 있어서, 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)의 각각의 레이저 다이오드(36)는 상이한 파장에서 광을 투과하며, 즉, 적어도 2개의 구조화된 광 프로젝터(22)의 각각의 레이저 다이오드(36)는 2개의 별개의 파장에서 광을 각각 투과한다. 일부 적용에 있어서, 적어도 3개의 구조화된 광 프로젝터(22)의 각각의 레이저 다이오드(36)는 3개의 별개의 파장에서 광을 각각 투과한다. 예를 들어, 적색, 청색 및 녹색 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 일부 적용에 있어서, 적어도 2개의 구조화된 광 프로젝터(22)의 각각의 레이저 다이오드(36)는 2개의 별개의 파장에서 광을 각각 투과한다. 예를 들어, 일부 적용에서, 프로브(28) 내에 6개의 구조화된 광 프로젝터(22)가 배치되며, 이들 중 3개는 청색 레이저 다이오드를 포함하고, 3개는 녹색 레이저 다이오드를 포함한다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 복수의 물체 초점면 상으로 이산 비연결 광 스폿의 분포를 투영하는 구조화된 광 프로젝터(22)의 개략도인 도 4를 참조한다. 스캐닝되는 물체(32)는 대상의 입 내부의 하나 이상의 치아 또는 다른 구강 내 물체/조직일 수 있다. 치아의 다소 반투명 및 광택 특성은 투영되는 구조화된 광 패턴의 콘트라스트에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, (a) 치아를 타격하는 광의 일부는 구강 내 장면 내의 다른 영역으로 산란되어, 상당한 미광을 야기할 수 있고, (b) 광의 일부는 치아를 관통할 수 있고, 이어서 임의의 다른 포인트에서 치아로부터 나올 수 있다. 따라서, 불투명 분말로 치아를 코팅하는 것과 같은 콘트라스트 향상 수단을 사용하지 않고, 구조화된 광 조명 하에서 구강 내 장면의 이미지 캡처를 개선하기 위해, 본 발명자는 이산 비연결 광 스폿의 희소(sparse) 분포(34)가 유용한 양의 정보를 유지하면서 투영된 광의 양을 감소시키는 것 사이에 개선된 균형을 제공할 수 있다는 것을 인식하였다. 분포(34)의 희소성(sparseness)은,
(a) 조명(α, alpha)의 직교 평면(44) 상의 조명 영역, 즉 조명(α, alpha)의 직교 평면(44) 상의 모든 투영된 스폿(33)의 면적의 합, 대
(b) 조명(α, alpha)의 필드의 직교 평면(44) 상의 비조명 영역의 비율에 의해 특징지어질 수 있다. 일부 적용에서, 희소성 비는 적어도 1:150 및/또는 1:16 미만(예를 들어, 적어도 1:64 및/또는 1:36 미만)일 수 있다.
일부 적용에서, 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)는 스캔 중에 적어도 400개의 이산 비연결 스폿(33)을 구강 내 3차원 표면 상에 투영한다. 일부 적용에서, 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)는 스캔 중에 구강 내 표면 상에 3000개 미만의 이산 비연결 스폿(33)을 투영한다. 투영된 희소 분포(34)로부터 3차원 표면을 재구성하기 위해, 각각의 투영된 스폿(33)과 카메라(24)에 의해 검출된 스폿 사이의 대응은 도 7 내지 도 19를 참조하여 이하에서 더 설명되는 바와 같이 결정되어야 한다.
일부 적용에 있어서, 패턴 생성 광학 요소(38)는 레이저 다이오드(36)가 DOE(39)를 통해 물체(32) 상으로 광을 투과할 때 이산 비연결 광 스폿(33)의 분포(34)를 생성하는 회절 광학 요소(DOE)(39)(도 3)이다. 청구항을 포함하여 본 출원 전반에 걸쳐 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 광 스폿은 임의의 형상을 갖는 작은 광 영역으로 정의된다. 일부 적용에 있어서, 상이한 구조화된 광 프로젝터(22)의 각각의 DOE(39)는 상이한 각각의 형상을 갖는 스폿을 생성하는 것으로, 즉, 특정 DOE(39)에 의해 생성된 스폿(33) 마다 동일한 형상을 갖고, 적어도 하나의 DOE(39)에 의해 생성된 스폿(33)의 형상은 적어도 하나의 다른 DOE(39)에 의해 생성된 스폿(33)의 형상과 상이하다. 예를 들어, DOE(39)의 일부는 (도 4에 도시된 바와 같이) 원형 스폿(33)을 생성할 수 있으며, DOE(39)의 일부는 정사각형 스폿을 생성할 수 있고, DOE(39)의 일부는 타원형 스폿을 생성할 수 있다. 선택적으로, 일부 DOE(39)는 연결되거나 또는 연결되지 않은 라인 패턴을 생성할 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 빔 성형 광학 요소(40), 및 빔 성형 광학 요소(40)와 패턴 생성 광학 요소(38) 사이에 배치된 추가의 광학 요소, 예를 들어 DOE(39)를 포함하는 구조화된 광 프로젝터(22)의 개략도인 도 5a 및 도 5b를 참조한다. 선택적으로, 빔 성형 광학 요소(40)는 시준 렌즈(130)이다. 시준 렌즈(130)는 2mm 미만의 초점 길이를 갖도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 초점 길이는 적어도 1.2mm일 수 있다. 일부 적용에 있어서, 빔 성형 광학 요소(40)와 패턴 생성 광학 요소(38) 사이에 배치된 추가의 광학 요소(42), 예를 들어 DOE(39)는, 레이저 다이오드(36)가 광학 요소(42)를 통해 광을 투과할 때 베셀 빔을 생성한다. 일부 적용에서, 베셀 빔은, 모든 이산 비연결 광 스폿(33)이 직교 평면(44)의 범위(예를 들어, 각각의 직교 평면은 DOE(39)로부터 1mm 내지 30mm, 예를 들어, DOE(39)로부터 4mm 내지 24mm, 등 사이에 위치됨)를 통해, 작은 직경(예를 들어, 0.06mm 미만, 예를 들어, 0.04mm 미만, 예를 들어, 0.02mm 미만)을 유지하도록, DOE(39)를 통해 투과된다. 스폿(33)의 직경은, 본 특허 출원의 문맥에서, 스폿(33)의 강도의 최대의 절반에서의 전체 폭(FWHM, full width at half maximum)에 의해 정의된다.
0.06mm보다 작은 모든 스폿에 대한 상기 설명에도 불구하고, 프로젝터(22)의 조명 필드의 에지 근처에 있는 이러한 범위의 상단부 근처의 직경(예를 들어, 0.06mm보다 다소 작은 또는 0.02mm)을 갖는 일부 스폿은, 그들이 DOE(39)에 직교하는 기하학적 평면을 교차할 때 신장될 수 있다. 이러한 경우에, DOE(39)에 중심을 두고 DOE(39)로부터 1mm 내지 30mm 사이에 위치된 각각의 직교 평면의 거리에 대응하는 1mm 내지 30mm 사이의 반경을 갖는 기하학적 구의 내부 표면과 교차할 때 그들의 직경을 측정하는 것이 유용하다. 청구항을 포함하여 본 출원 전반에 걸쳐 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단어 "기하학적(geometric)"은 이론적인 기하학적 구조(예컨대, 평면 또는 구(sphere))에 관한 것이며, 임의의 물리적 장치의 일부가 아니다.
일부 적용에 있어서, 베셀 빔이 DOE(39)를 통해 투과될 때, 0.06mm보다 큰 직경을 갖는 스폿(33)이 0.06mm보다 작은 직경을 갖는 스폿에 부가하여 생성된다.
일부 적용에 있어서, 광학 요소(42)는 도 5a에 도시된 바와 같이 액시콘 렌즈(45)이고, 도 23a 및 도 23b를 참조하여 이하에서 추가로 설명된다. 대안적으로, 광학 요소(42)는 도 5b에 도시된 바와 같은 환형 개구 링(47)일 수 있다. 스폿의 작은 직경을 유지하는 것은 초점 심도에 걸쳐 3D 해상도 및 정밀도를 개선한다. 예를 들어, 액시콘 렌즈(45) 또는 환상 개구 링(47)과 같은 광학 요소(42) 없이, 스폿(33) 중에서 스폿의 크기는 변할 수 있으며, 예를 들어, 회절 및 디포커싱(defocus)으로 인해 최상의 초점면으로부터 더 멀리 이동할 때 커질 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 이산 비연결 스폿(33)을 투영하는 구조화된 광 프로젝터(22) 및 스폿(33')을 검출하는 카메라 센서(58)의 개략도인 도 6a 및 도 6b를 참조한다. 일부 적용에 있어서, 구강 내 표면 상의 투영된 스폿(33)과 각각의 카메라 센서(58) 상의 검출된 스폿(33') 사이의 대응을 결정하기 위한 방법이 제공된다. 대응이 결정되면, 표면의 3차원 이미지가 재구성된다. 각각의 카메라 센서(58)는 픽셀의 어레이를 가지며, 이에 각각 대응하는 카메라 레이(86)가 존재한다. 유사하게, 각각의 프로젝터(22)로부터의 각각의 투영된 스폿(33)에 대해, 대응하는 프로젝터 레이(88)가 존재한다. 각각의 프로젝터 레이(88)는 카메라 센서(58) 중 적어도 하나 상의 픽셀의 각각의 경로(92)에 대응한다. 따라서, 카메라가 특정 프로젝터 레이(88)에 의해 투영된 스폿(33')을 보는 경우, 그 스폿(33')은 그 특정 프로젝터 레이(88)에 대응하는 픽셀의 특정 경로(92) 상의 픽셀에 의해 반드시 검출될 것이다. 도 6b를 특히 참조하면, 각각의 프로젝터 레이(88)와 각각의 카메라 센서 경로(92) 사이의 대응이 도시되어 있다. 프로젝터 레이(88')는 카메라 센서 경로(92')에 대응하고, 프로젝터 레이(88'')는 카메라 센서 경로(92'')에 대응하고, 프로젝터 레이(88''')는 카메라 센서 경로(92''')에 대응한다. 예를 들어, 특정 프로젝터 레이(88)가 스폿을 먼지가 가득한 공간 내로 투영하면, 공기 중에서 먼지 라인(line of dust)이 조명될 것이다. 카메라 센서(58)에 의해 검출된 먼지 라인은 카메라 센서(58) 상에서, 특정 프로젝터 레이(88)에 대응하는 카메라 센서 경로(92)와 동일한 경로를 따를 것이다.
캘리브레이션 프로세스 동안, 캘리브레이션 값은 각각의 카메라(24)의 카메라 센서(58) 상의 픽셀에 대응하는 카메라 레이(86), 및 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)로부터의 투영된 광 스폿(33)에 대응하는 프로젝터 레이(88)에 기초하여 저장된다. 예를 들어, 캘리브레이션 값은, (a) 각각의 카메라(24)의 카메라 센서(58) 상의 각각의 복수의 픽셀에 대응하는 복수의 카메라 레이(86), 및 (b) 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)로부터의 각각의 복수의 투영된 광 스폿(33)에 대응하는 복수의 프로젝터 레이(88)에 대해 저장될 수 있다.
예로서, 다음의 캘리브레이션 프로세스가 사용될 수 있다. 고정밀 도트 타겟, 예를 들어, 백색 배경 상의 흑색 도트가 아래로부터 조명되고, 타겟의 이미지는 모든 카메라를 이용하여 취해진다. 그 후, 도트 타겟은 카메라를 향해, 즉 z-축을 따라 타겟 평면으로 수직으로 이동된다. 도트-중심(dot-center)은, 공간에서의 도트의 3차원 그리드를 생성하기 위해 모든 각각의 z-축 위치에서 모든 도트에 대해 계산된다. 그 후, 왜곡 및 카메라 핀홀 모델이 각각의 도트-중심의 각각의 3차원 위치에 대한 픽셀 좌표를 찾기 위해 사용되며, 이에 따라 카메라 레이는, 카메라 레이의 방향이 3차원 그리드의 대응하는 도트-중심을 향하는 픽셀로부터 비롯되는 레이로서, 각각의 픽셀에 대해 형성된다. 그리드 포인트 사이의 픽셀에 대응하는 카메라 레이가 보간될 수 있다. 전술한 카메라 캘리브레이션 프로세스는, 각각의 파장에 대한 각각의 카메라 센서(58) 상의 각각의 픽셀에 대응하는 카메라 레이(86)가 저장된 캘리브레이션 값에 포함되도록, 각각의 레이저 다이오드(36)의 모든 각각의 파장에 대해 반복된다.
카메라(24)가 캘리브레이션되고 모든 카메라 레이(86) 값이 저장된 후에, 구조화된 광 프로젝터(22)는 다음과 같이 캘리브레이션될 수 있다. 평평한 무특징(featureless) 타겟이 사용되고, 구조화된 광 프로젝터(22)는 한번에 하나씩 켜진다(on). 각각의 스폿은 적어도 하나의 카메라 센서(58) 상에 위치된다. 카메라(24)가 캘리브레이션되었기 때문에, 각각의 스폿의 3차원 스폿 위치는 다수의 상이한 카메라에서의 스폿의 이미지에 기초하여 삼각 측량(triangulation)에 의해 계산된다. 상기 설명된 프로세스는 다수의 상이한 z-축 위치에 위치된 무특징 타겟으로 반복된다. 무특징 타겟 상의 각각의 투영된 스폿은, 프로젝터로부터 비롯되는, 공간에서의 프로젝터 레이를 형성할 것이다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 디지털 3차원 이미지를 생성하기 위한 방법을 나타내는 흐름도인 도 7을 참조한다. 도 7에 의해 요약된 방법의 단계 62 및 단계 64 각각에서, 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)는 구강 내 3차원 표면 상에 이산 비연결 광 스폿(33)의 분포(34)를 투영하도록 구동되고, 각각의 카메라(24)는 스폿(33) 중 적어도 하나를 포함하는 이미지를 캡처하도록 구동된다. (a) 각각의 카메라(24)의 카메라 센서(58) 상의 각각의 픽셀에 대응하는 카메라 레이(86), 및 (b) 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)로부터의 광의 각각의 투영된 스폿(33)에 대응하는 프로젝터 레이(88)를 나타내는 저장된 캘리브레이션 값에 기초하여, 단계 66에서, 프로세서(96)를 사용하여 대응 알고리즘이 실행되며(도 1), 이는 이하에서 도 8 내지 도 12를 참조하여 추가로 설명된다. 대응이 해결되면, 구강 내 표면 상의 3차원 위치가 단계 68에서 계산되고, 구강 내 표면의 디지털 3차원 이미지를 생성하는데 사용된다. 또한, 다수의 카메라(24)를 사용하여 구강 내 장면을 캡처하는 것은, 카메라의 수의 제곱근(square root)의 인수(factor)만큼의 캡처에서 노이즈 개선을 위한 신호를 제공한다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 도 7의 단계 66의 대응 알고리즘을 나타내는 흐름도인 도 8을 참조한다. 저장된 캘리브레이션 값에 기초하여, 모든 검출된 스폿(33')에 대응하는 모든 프로젝터 레이(88) 및 모든 카메라 레이(86)가 맵핑되고(단계 70), 적어도 하나의 카메라 레이(86) 및 적어도 하나의 프로젝터 레이(88)의 모든 교차점(98)(도 10)이 식별된다(단계 72). 도 9 및 도 10은 각각 도 8의 단계 70 및 단계 72의 단순화된 예의 개략도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 3개의 프로젝터 레이(88)는 카메라(24)의 카메라 센서(58) 상의 총 8개의 검출된 스폿(33')에 대응하는 8개의 카메라 레이(86)와 함께 맵핑된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 16개의 교차점(98)이 식별된다.
도 7의 단계 74 및 단계 76에서, 프로세서(96)는 투영된 스폿(33)과 검출된 스폿(33') 사이의 대응을 결정하여, 표면 상의 각각의 투영된 스폿(33)에 대한 3차원 위치를 식별한다. 도 11은 바로 선행하는 단락에서 전술한 단순화된 예를 사용하는 도 8의 단계 74 및 단계 76을 도시하는 개략도이다. 주어진 프로젝터 레이(i)에 대해, 프로세서(96)는 카메라(24) 중 하나의 카메라 센서(58) 상의 대응하는 카메라 센서 경로(90)를 "바라본다". 카메라 센서 경로(90)를 따른 각각의 검출된 스폿(j)은, 교차점(98)에서 주어진 프로젝터 레이(i)와 교차하는 카메라 레이(86)를 가질 것이다. 교차점(98)은 공간에서의 3차원 포인트를 형성한다. 그 다음으로, 프로세서(96)는 다른 카메라(24)의 각각의 카메라 센서(58') 상의 주어진 프로젝터 레이(i)에 대응하는 카메라 센서 경로(90')를 "바라보고", 주어진 프로젝터 레이(i)에 대응하는 각각의 카메라 센서 경로(90') 상에서, 카메라 레이(86')가 교차점(98)에 의해 형성된 공간에서의 그 동일한 3차원 포인트와 교차하는 각각의 스폿(k)을 또한 검출한 다른 카메라(24)의 개수를 식별한다. 카메라 센서 경로(90)를 따라 모든 검출된 스폿(j)에 대해 프로세스가 반복되고, 가장 높은 개수의 카메라(24)가 "동의"하는 스폿(j)은, 주어진 프로젝터 레이(i)로부터 표면 상으로 투영되는 스폿(33)으로서 식별된다(도 12). 즉, 프로젝터 레이(i)는, 가장 높은 개수의 다른 카메라가 각각의 스폿(k)을 검출한, 검출된 스폿(j)을 생성한 특정 프로젝터 레이(88)로서 식별된다. 이에 따라, 그 스폿(33)에 대해 표면 상의 3차원 위치가 계산된다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 모든 4개의 카메라는, 각각의 카메라 레이가 교차점(98)에서 프로젝터 레이(i)와 교차하는 프로젝터 레이(i)에 대응하는 각각의 카메라 센서 경로 상에서, 각각의 스폿을 검출하고, 교차점(98)은, 검출된 스폿(j) 및 프로젝터 레이(i)에 대응하는 카메라 레이(86)의 교차점으로서 형성된다. 따라서 모든 4개의 카메라는 교차점(98)에서 프로젝터 레이(i)에 의해 투영되는 스폿(33)이 있다는 점에서 "동의한다"고 한다. 그러나, 다음 스폿(j')에 대해 프로세스가 반복될 때, 다른 카메라 중 어느 것도, 각각의 카메라 레이가 교차점(98')에서 프로젝터 레이(i)와 교차하는 프로젝터 레이(i)에 대응하는 각각의 카메라 센서 경로 상에서 각각의 스폿을 검출하지 않으며, 교차점(98')은 (검출된 스폿(j')에 대응하는) 카메라 레이(86'')와 프로젝터 레이(i)의 교차점으로서 형성된다. 따라서, 교차점(98')에서는 프로젝터 레이(i)에 의해 투영되는 스폿(33)이 있다는 점에 대해 하나의 카메라만이 "동의한다"는 반면, 교차점(98)에서는 프로젝터 레이(i)에 의해 투영되는 스폿(33)이 있다는 점에 대해 4개의 카메라가 "동의한다"고 한다. 그러므로, 프로젝터 레이(i)는 교차점(98)(도 12)에서 표면 상에 스폿(33)을 투영함으로써, 검출된 스폿(j)을 생성한 특정 프로젝터 레이(88)인 것으로 식별된다. 도 8의 단계 78에서와 같이, 그리고 도 12에 도시된 바와 같이, 구강 내 표면 상의 3차원 위치(35)는 교차점(98)에서 계산된다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 대응 알고리즘에서의 추가 단계를 나타내는 흐름도인 도 13을 참조한다. 표면 상의 위치(35)가 결정되면, 스폿(j)을 투영한 프로젝터 레이(i)뿐만 아니라, 스폿(j) 및 각각의 스폿(k)에 대응하는 모든 카메라 레이(86 및 86')는 고려에서 제외되고(단계 80), 대응 알고리즘은 다음 프로젝터 레이(i)에 대해 다시 실행된다(단계 82). 도 14는 위치(35)에서 스폿(33)을 투영한 특정 프로젝터 레이(i)의 제외 후의 전술한 단순화된 예를 도시한다. 도 13의 흐름도에서 단계 82에 따라, 대응 알고리즘은 다음 프로젝터 레이(i)에 대해 다시 실행된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 나머지 데이터는, 교차점(98)에 스폿(33)이 있는 것에 대해 카메라 중 3개가 "동의한다"는 것을 보여주며, 교차점(98)은 검출된 스폿(j) 및 프로젝터 레이(i)에 대응하는 카메라 레이(86)의 교차점에 의해 형성된다. 따라서, 도 15에 도시된 바와 같이, 3차원 위치(37)는 교차점(98)에서 계산된다.
도 16에 도시된 바와 같이, 표면 상의 3차원 위치(37)가 결정되면, 다시, 투영된 스폿(j)을 투영한 프로젝터 레이(i)뿐만 아니라, 스폿(j) 및 각각의 스폿(k)에 대응하는 모든 카메라 레이(86 및 86')는 고려에서 제외된다. 나머지 데이터는 교차점(98)에서 프로젝터 레이(i)에 의해 투영된 스폿(33)을 나타내고, 표면 상의 3차원 위치(41)는 교차점(98)에서 계산된다. 도 17에 도시된 바와 같이, 단순화된 예에 따르면, 구조화된 광 프로젝터(22)의 3개의 프로젝터 레이(88)의 3개의 투영된 스폿(33)은 3차원 위치(35, 37, 및 41)에서 표면 상에 위치되었다. 일부 적용에서, 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)는 400-3000개의 스폿(33)을 투영한다. 모든 프로젝터 레이(88)에 대해 대응이 해결되면, 재구성 알고리즘은 투영된 스폿(33)의 계산된 3차원 위치를 사용하여 표면의 디지털 이미지를 재구성하는데 사용될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 일부 적용에 있어서, 강성 구조체(26)에 결합된 적어도 하나의 균일한 광 프로젝터(118)가 있다. 균일한 광 프로젝터(118)는 스캐닝되는 물체(32) 상으로 백색광을 투과시킨다. 적어도 하나의 카메라, 예를 들어, 카메라(24) 중 하나는, 균일한 광 프로젝터(118)로부터의 조명을 사용하여 물체(32)의 2차원 컬러 이미지를 캡처한다. 프로세서(96)는, 구강 내 3차원 표면의 디지털 3차원 이미지를 생성하기 위해, 구조화된 광 프로젝터(22)로부터의 조명을 이용하여 캡처된 적어도 하나의 이미지를, 균일한 광 프로젝터(118)로부터의 조명을 사용하여 캡처된 복수의 이미지와 결합하는, 표면 재구성 알고리즘을 실행할 수 있다. 구조화된 광 및 균일한 조명의 조합을 사용하는 것은, 구강 내 스캐너의 전체 캡처를 향상시키고, 대응 알고리즘을 실행할 때 프로세서(96)가 고려해야 하는 옵션의 수를 감소시키는 것을 도울 수 있다.
일부 적용에 있어서, 구조화된 광 프로젝터(22)는, 구강 내 3-표면 상의 이산 비연결 광 스폿(33)의 각각의 분포(34)를 투영하기 위해 동시에 구동된다. 대안적으로, 구조화된 광 프로젝터(22)는, 구강 내 3-표면 상의 이산 비연결 광 스폿(33)의 그들 각각의 분포(34)를 상이한 각각의 시점에서, 예를 들어, 미리 결정된 순서로, 또는 스캔 동안에 동적으로 결정된 순서로 투영하도록 구동될 수 있다. 대안적으로, 일부 적용에 있어서, 분포(34)를 투영하기 위해 단일 구조화된 광 프로젝터(22)가 구동될 수 있다.
스캔 동안에 어느 구조화된 광 프로젝터(22)를 활성화할지를 동적으로 결정하는 것은, 구조화된 광 프로젝터의 일부가 다른 영역에 비해 구강 내 공동의 일부 영역에서 더 양호한 신호 품질을 가질 수 있기 때문에, 스캔의 전체 신호 품질을 개선할 수 있다. 예를 들어, 대상의 구개(palate)(상부 턱(jaw) 영역)를 스캐닝할 때, 적색 프로젝터는 청색 프로젝터보다 더 양호한 신호 품질을 갖는 경향이 있다. 추가적으로, 스캔 동안에, 구강 내 공동 내에서 잘 안 보이는(hard-to-see) 영역, 예를 들어 치아가 빠진(missing teeth) 영역 또는 큰 치아 사이의 좁은 크랙(crack)을 갖는 영역을 마주칠 수 있다. 이러한 유형의 경우에, 스캔 동안에 어느 구조화된 광 프로젝터(22)를 활성화할지를 동적으로 결정하는 것은, 의문 영역에 대한 더 양호한 시선을 가질 수 있는 특정 프로젝터가 활성될 수 있게 한다.
일부 적용에 있어서, 상이한 구조화된 광 프로젝터(22)는 상이한 물체 초점면에 포커싱하도록 구성될 수 있다. 스캔 동안에 어느 구조화된 광 프로젝터(22)를 활성화할지를 동적으로 결정하는 것은, 현재 스캐닝되고 있는 영역으로부터의 거리에 따라 그들 각각의 물체 초점면에 따라 특정 구조화된 광 프로젝터(22)를 활성화할 수 있게 한다.
일부 적용에 있어서, 특정 시점에 취해진 모든 데이터 포인트는 강성 포인트 클라우드(rigid point cloud)로서 사용되고, 다수의 이러한 포인트 클라우드는 초당 10개의 캡처의 프레임 속도로 캡처된다. 그 후, 조밀 포인트 클라우드를 생성하기 위해, 복수의 포인트 클라우드는 등록(registration) 알고리즘, 예를 들어, 반복적 최근접 포인트(iterative closest point, ICP)를 사용하여 함께 스티칭된다. 그 후, 표면 재구성 알고리즘은 물체(32)의 표면의 표현을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
일부 적용에 있어서, 적어도 하나의 온도 센서(52)는 강성 구조체(26)에 결합되고 강성 구조체(26)의 온도를 측정한다. 휴대용 완드(20) 내에 배치된 온도 제어 회로(54)는, (a) 강성 구조체(26)의 온도를 나타내는 온도 센서(52)로부터 데이터를 수신하고, (b) 수신된 데이터에 응답하여 온도 제어 유닛(56)을 활성화시킨다. 온도 제어 유닛(56), 예를 들어 PID 제어기는 프로브(28)를 원하는 온도(예를 들어, 35 내지 43℃, 37 내지 41℃ 등)로 유지한다. 프로브(28)를 35℃ 이상, 예를 들어 37℃ 이상으로 유지하는 것은, 전형적으로 37℃ 정도이거나 그 이상인 구강 내 공동에 프로브(28)가 진입할 때, 구조화된 광 프로젝터(22)가 투영하고 카메라(24)가 뷰잉하는 휴대용 완드(20)의 유리 표면의 안개낌(fogging)을 감소시킨다. 프로브(28)를 43도 미만, 예를 들어 41℃ 미만으로 유지하는 것은 불편 또는 통증을 방지한다.
또한, 카메라 레이 및 프로젝터 레이의 저장된 캘리브레이션 값이 스캔 동안에 사용되도록 하기 위해, 카메라(24) 및 구조화된 광 프로젝터(22)의 온도는 광학계의 기하학적 무결성을 유지하도록 변하는 것이 방지될 수 있다. 온도의 변화는 프로브(28)의 길이를 열 팽창으로 인해 변하게 할 수 있어, 이는 각각의 카메라 및 프로젝터 위치가 시프팅되게 할 수 있다. 이러한 열 팽창 동안에 프로브(28) 내에 축적될 수 있는 상이한 유형의 스트레스로 인해, 비틀림(twisting)이 또한 발생할 수 있으며, 이는 각각의 카메라 레이와 프로젝터 레이의 각도가 또한 시프팅되게 한다. 카메라 및 프로젝터 내에서, 온도 변화로 인해 기하학적 변화가 또한 발생할 수 있다. 예를 들어, DOE(39)는 투영된 패턴을 확장시키고 변경할 수 있으며, 온도 변화는 카메라 렌즈의 굴절률(refractive index)에 영향을 미칠 수 있거나, 또는 온도 변화는 레이저 다이오드(36)에 의해 투과된 파장을 변화시킬 수 있다. 따라서, 전술한 범위 내의 온도에서 프로브(28)를 유지하는 것에 부가하여, 온도 제어 유닛(56)은, 프로브(28) 내에 배치된 광학계의 기하학적 무결성을 유지하도록, 휴대용 완드(20)가 사용 중일 때, 프로브(28)의 온도가 1도를 초과하여 변화하는 것을 더 방지할 수 있다. 예를 들어, 온도 제어 유닛(56)이 39℃의 온도에서 프로브(28)를 유지하는 경우, 온도 제어 유닛(56)은, 사용 중에 프로브(28)의 온도가 38℃ 미만으로 내려가거나 또는 40℃를 초과하지 않는 것을 더 보장할 수 있다.
일부 적용에 있어서, 프로브(28)는 가열 및 냉각의 조합을 사용하여 그 제어된 온도로 유지된다. 예를 들어, 온도 제어 유닛(56)은 히터, 예를 들어, 복수의 히터, 및 냉각기, 예를 들어, 열전 냉각기(thermoelectric cooler)를 포함할 수 있다. 프로브(28)의 온도가 38℃ 미만으로 떨어지면, 히터(들)는 프로브(28)의 온도를 상승시키는데 사용될 수 있고, 프로브(28)의 온도가 40℃를 초과하면, 열전 냉각기는 프로브(28)의 온도를 낮추기 위해 사용될 수 있다.
대안적으로, 일부 적용에 있어서, 프로브(28)는 냉각 없이 단지 가열의 사용을 통해 제어된 온도로 유지된다. 레이저 다이오드(36) 및 회절 및/또는 굴절 패턴 생성 광학 요소의 사용은, 사용 중에 프로브(28)가 가열되는 것을 제한하도록 에너지 효율적인 구조화된 광 프로젝터를 유지하는 것을 도우며; 레이저 다이오드(36)는 높은 휘도로 투과하는 동안에 0.2와트 미만의 전력을 사용할 수 있고, 회절 및/또는 굴절 패턴 생성 광학 요소는 모든 투과된 광을 이용한다(예를 들어, 물체를 타격하는 것으로부터 레이의 일부를 막는 마스크에 대조적임). 그러나, 대상의 구강 내 공동 내에서 마주하게 되는 것과 같은 외부 환경 온도는, 프로브(28)의 가열을 야기할 수 있다. 이를 극복하기 위해, 열은 열전도 요소(94), 예를 들어, 히트 파이프를 통해 프로브(28)로부터 인출될 수 있고, 열전도 요소(94)의 원위 단부(95)가 강성 구조체(26)와 접촉하고 열전도 요소의 근위 단부(99)가 휴대용 완드(20)의 근위 단부(100)와 접촉하도록, 열전도 요소는 휴대용 완드(20) 내에 배치된다. 이에 의해 열은 강성 구조체(26)로부터 휴대용 완드(20)의 근위 단부(100)로 전달된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 프로브(28)로부터 열을 인출하기 위해 휴대용 완드(20)의 핸들 영역(174)에 배치된 팬이 사용될 수 있다.
일부 적용에 있어서, 프로브(28)의 온도가 온도의 임계 변화보다 더 많이 변화하는 것을 방지함으로써 광학계의 기하학적 무결성을 유지하는 것에 대안적으로 또는 부가적으로, 프로세서(96)는 상이한 온도에 각각 대응하는 복수 세트의 캘리브레이션 데이터 사이에서 선택할 수 있다. 예를 들어, 임계 변화는 1℃일 수 있다. 구조화된 광 프로젝터(22) 및 카메라(24)의 온도를 나타내는 온도 센서(52)로부터 수신된 데이터에 기초하여, 프로세서(96)는 구조화된 광 프로젝터(22) 및 카메라(24)의 복수의 각각의 온도에 대응하는 복수 세트의 저장된 캘리브레이션 데이터 사이에서 선택할 수 있고, 저장된 캘리브레이션 데이터의 각각의 세트는, 각각의 온도에 대해, (a) 하나 이상의 프로젝터 각각으로부터 투영된 광 스폿 각각에 대응하는 프로젝터 레이 및 (b) 하나 이상의 카메라의 각각의 카메라 센서 상의 각각의 픽셀에 대응하는 카메라 레이를 나타낸다. 프로세서(96)가 특정 복수의 온도에 대해 저장된 캘리브레이션 데이터에 대해서만 액세스할 수 있다면, 프로세서(96)는, 캘리브레이션 데이터의 각각의 세트에 대응하는 각각의 온도 사이의 온도에 대한 캘리브레이션 데이터를 획득하기 위해, 온도 센서(52)로부터 수신된 데이터에 기초하여 복수 세트의 저장된 캘리브레이션 데이터 사이에서 보간할 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 프로브(28)의 개략도인 도 18을 참조한다. 일부 적용에 있어서, 프로브(28)는, 프로브(28) 내에 배치된 (또는 도 18에 도시된 바와 같이, 프로브(28)에 인접한) 복수의 영역(172)을 갖는 확산 반사기(170)와 같은 타겟을 더 포함한다. 일부 적용에서는, (a) 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)는 조명 필드에서 확산 반사기(170)의 적어도 하나의 영역(172)을 가질 수 있고, (b) 각각의 카메라(24)는 시야에서 확산 반사기(170)의 적어도 하나의 영역(172)을 가지며, (c) 확산 반사기(170)의 복수의 영역(172)은 카메라(24)의 시야에 있고, 구조화된 광 프로젝터(22)의 조명 필드에 있다. 프로브(28)의 온도가 임계 온도 변화 이상으로 변하는 것을 방지함으로써 광학계의 기하학적 무결성을 유지하는 것에 대안적으로 또는 부가적으로, 프로세서(96)는, (a) 이산 비연결 광 스폿(33)의 분포(34)에 대한 확산 반사기의 위치를 나타내는 카메라(24)로부터 데이터를 수신하고, (b) 수신된 데이터를 확산 반사기(170)의 저장된 캘리브레이션 위치와 비교하고, - (i) 확산 반사기(170)의 위치를 나타내는 수신된 데이터, 및 (ii) 확산 반사기(170)의 저장된 캘리브레이션 위치 사이의 불일치는, 프로젝터 레이(88) 및 카메라 레이(86)의 각각의 저장된 캘리브레이션 값으로부터 프로젝터 레이(88) 및 카메라 레이(86)의 시프트를 나타냄 - , 그리고 (c) 프로젝터 레이(88) 및 카메라 레이(86)의 시프트에 기초하여 대응 알고리즘을 실행할 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, (i) 확산 반사기(170)의 위치를 나타내는 수신된 데이터와 (ii) 확산 반사기(170)의 저장된 캘리브레이션 위치는 프로브(28)의 온도의 변화를 나타낼 수 있다. 이 경우, 프로브(28)의 온도는 수신된 데이터의 비교 및 확산 반사기(170)의 저장된 캘리브레이션 위치에 기초하여 조절될 수 있다.
이하, 구조화된 광 프로젝터(22)에 대한 복수의 적용을 설명한다.
본 발명의 일부 적용에 따른, 빔의 광 경로에 배치된 것으로 도시된 패턴 생성 광학 요소(38)와, 구조화된 광 프로젝터(22) 및 레이저 다이오드(36)에 의해 투과된 광의 빔(120)의 단면의 개략도인 도 19a 및 도 19b를 참조한다. 일부 적용에서, 각각의 레이저 다이오드(36)는, 타원형 횡단면이 (a) 적어도 500마이크론 및/또는 700마이크론 미만의 장축 및 (b) 적어도 100마이크론 및/또는 200마이크론 미만의 단축을 갖는 타원형 빔(120)을 투과한다. 일부 적용에 있어서, 작은 영역 빔 스플리터(beam splitter)가 타이트하게 포커싱된 스폿 어레이를 생성하기 위해 사용될 수 있으며, 예를 들어, 100마이크론 미만의 측면 길이를 갖는 DOE가 전체 초점 관심 범위에 걸쳐 타이트하게 포커싱된 상태로 투영된 스폿(33)을 유지하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 작은 DOE는 타원형 레이저 빔(120)을 통해 투과된 광의 일부만을 이용할 것이다.
따라서, 일부 적용에 있어서, 패턴 생성 광학 요소(38)는 어레이 내에 배열된 복수의 서브-DOE 패치(124)로 분할되는, 분할된 DOE(122)이다. 서브-DOE 패치(124)의 어레이는 (a) 광의 타원형 빔(120) 내에 포함되도록 위치되고, (b) 높은 퍼센티지, 예를 들어, 타원형 레이저 빔(120)을 통해 투과된 광의 적어도 50%를 이용하도록 위치된다. 일부 적용에서, 어레이는 적어도 16개 및/또는 72개 미만의 서브-DOE 패치(124)를 포함하는 직사각형 어레이이며, 적어도 500마이크론 및/또는 800마이크론 미만의 가장 긴 치수를 갖는다. 각각의 서브-DOE 패치(124)는 적어도 30마이크론 및/또는 75마이크론 미만의 일측의 길이를 갖는 정사각형 단면을 가질 수 있고, 단면은 DOE의 광축에 수직으로 취해진다.
각각의 서브-DOE 패치(124)는 조명 필드의 상이한 영역(128)에서 이산 비연결 광 스폿(33)의 각각의 분포(126)를 생성한다. 구조화된 광 프로젝터(22)의 이러한 적용을 위해, 도 4를 참조하여 전술한 바와 같이, 이산 비연결 광 스폿(33)의 분포(34)는 각각의 서브-DOE 패치(124)에 의해 생성된 각각의 분포(126)의 조합이다. 도 19b는 이산 비연결 광 스폿(33)의 각각의 분포(126)가 도시된 직교 평면(44)을 도시하며, 각각의 분포(126)는 조명 필드의 상이한 영역(128)에 있다. 각각의 서브-DOE 패치(124)는 조명 필드의 상이한 영역(128)을 담당하기 때문에, 각각의 서브-DOE 패치(124)는, 각각의 분포(126)를 상이한 방향으로 지향(direct)시키고 투영된 스폿(33) 사이의 중첩을 피하기 위해 빔 교차(beam crossing)를 회피하도록, 상이한 설계를 가진다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 패턴 생성 광학 요소(38)로서 마이크로-렌즈 어레이(132)의 개략도인 도 20a 내지 도 20e를 참조한다. 마이크로-렌즈 어레이는 주기적이고, 어레이 내의 각 렌즈의 프로파일 변화가 파장 스케일에 있기 때문에, 마이크로-렌즈 어레이는 스폿 생성기로서 사용될 수 있다. 마이크로-렌즈 어레이(132)의 피치(pitch)는 스폿 사이의 원하는 각도 피치를 위해 튜닝(tuned)된다. 마이크로-렌즈 어레이(132)의 개구수(numerical aperture, NA)는, 전술한 바와 같이, 원하는 각도의 조명을 제공하도록 튜닝된다. 일부 적용에서, 마이크로-렌즈 어레이(132)의 NA는 적어도 0.2 및/또는 0.7 미만이다. 마이크로-렌즈 어레이(132)는 예를 들어, 도 20c에 도시된 바와 같은 육각형 마이크로-렌즈 어레이, 또는 도 20e에 도시된 바와 같은 직사각형 마이크로-렌즈 어레이일 수 있다.
패턴 생성 광학 요소(38)로서 마이크로-렌즈 어레이(132)를 갖는 구조화된 광 프로젝터(22)는 레이저 다이오드(36), 시준 렌즈(130), 개구, 및 마이크로-렌즈 어레이(132)를 포함할 수 있다. 개구는, 가까운 초점 거리에서, 예를 들어, 마이크로-렌즈 어레이(132)로부터 적어도 1mm 및/또는 30mm 미만, 예를 들어, 적어도 4mm 및/또는 24mm 미만에서, 타이트하게 포커싱된 스폿을 유지하기 위해 더 작은 입력 빔 직경을 형성한다. 도 20b는 마이크로-렌즈 어레이(132)를 조명하는 시준 레이저 빔, 및 그 후에 마이크로-렌즈 어레이가 발산 광 빔(134)을 생성하는 것을 도시하고, 이들 발산 빔의 간섭은 스폿(33)의 어레이, 예를 들어, 분포(34)(도 20d)를 생성한다. 일부 적용에 있어서, 개구는 시준 렌즈(130)의 레이저 다이오드 측에 적용되는 크롬 필름(chrome film)이다. 대안적으로, 일부 적용에 있어서, 개구는 마이크로-렌즈 어레이(132)의 시준 렌즈 측 상에 배치된 크롬 필름이다. 일부 적용에서, 개구는 마이크로-렌즈 어레이(132)의 피치의 적어도 10배의 거리에 걸쳐 있을 수 있고, 적어도 50마이크론 및/또는 200마이크론 미만의 직경을 가질 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 패턴 생성 광학 요소(38)로서, 복합 2D 회절 주기적 구조체(136), 예를 들어, 댐만 격자(Dammann grating)와 같은 회절 격자의 개략도인 도 21a 내지 도 21c를 참조한다. 복합 회절 주기적 구조체(136)는 적어도 100nm 및/또는 400nm 미만의 주기적 구조 특징부 크기(137)를 가질 수 있다. 전술한 바와 같은 큰 조명 필드는 약 300nm인 작은 서브-특징부에 의해 획득될 수 있다. 복합 회절 주기적 구조체(136)의 주기는 광의 투영된 빔의 원하는 각도 피치를 제공하도록 튜닝될 수 있다.
패턴 생성 광학 요소(38)로서 복합 회절 주기적 구조체(136)를 갖는 구조화된 광 프로젝터(22)는, 레이저 다이오드(36), 시준 렌즈(130), 개구, 및 복합 회절 주기적 구조체(136)를 포함할 수 있다. 개구는 가까운 초점 거리에서, 예를 들어, 복합 회절 주기적 구조체(136)로부터 적어도 1mm 및/또는 30mm 미만, 예를 들어, 적어도 4mm 및/또는 24mm 미만의 거리에서 타이트하게 포커싱된 스폿을 유지하기 위해 더 작은 입력 빔 직경을 형성한다. 일부 적용에 있어서, 개구는 화합물 회절 주기적 구조체(136)의 주기적 구조 특징부 위에 있는 크롬 필름이다. 일부 적용에서, 개구는 화합물 회절 주기적 구조체(136)의 적어도 10주기의 거리에 걸쳐 있을 수 있고, 적어도 50마이크론 및/또는 200마이크론 미만의 직경을 가질 수 있다.
일부 적용에 있어서, (도 3에 도시된 바와 같은) 빔 성형 광학 요소(40)는 레이저 다이오드(36)와 패턴 생성 광학 요소(38) 사이에 배치된 시준 렌즈(130)이다. 도 19a 및 도 19b, 도 20a 내지 도 20e, 및 도 21a 내지 도 21c를 참조하여 전술한 적용에 대하여, 시준 렌즈(130)는 레이저 다이오드(36)와 분할된 DOE(122) 사이(도 19a) 사이, 레이저 다이오드(36)와 마이크로-렌즈 어레이(132) 사이(도 20a), 및 레이저 다이오드(36)와 복합 회절 주기적 구조체(136) 사이(도 21a)에 배치될 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 비구면인 제1 측 및 제1 측에 대향하는 평면인 제2 측을 갖는 단일 광학 요소(138), 및 광학 요소(138)를 포함하는 구조화된 광 프로젝터(22)를 도시하는 개략도인 도 22a 및 도 22b를 참조한다. 일부 적용에 있어서, 시준 렌즈(130) 및 패턴 생성 광학 요소(38)는 단일 광학 요소(138)로서 제조될 수 있고, 비구면인 제1 측(140)은 레이저 다이오드(36)로부터 투과된 광을 시준하며, 평면인 제2 측(142)은 이산 비연결 광 스폿(33)의 분포(34)를 생성한다. 단일 광학 요소(138)의 평면 측(142)은 DOE(39), 분할된 DOE(122), 마이크로-렌즈 어레이(132), 또는 복합 회절 주기적 구조체(136)를 형성하도록 형상화될 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 액시콘 렌즈(144), 및 액시콘 렌즈(144)를 포함하는 구조화된 광 프로젝터(22)의 개략도인 도 23a 및 도 23b를 참조한다. 액시콘 렌즈는 입력 빔 직경 및 액시콘 헤드 각도에 따라 원하는 깊이 범위에 걸쳐 포커싱되는 광의 빔인 베셀 빔을 생성하는 것으로 알려졌다. 일부 적용에 있어서, 적어도 0.2도 및/또는 2도 미만의 헤드 각도(γ, gamma)를 갖는 액시콘 렌즈(144)는, 시준 렌즈(130) 및 패턴 생성 광학 요소(38) 사이에 배치된다. 액시콘 렌즈(144)는, 액시콘 렌즈(144)를 통해 레이저 다이오드(36)가 광을 투과할 때 포커싱된 베셀 빔(146)을 생성한다. 포커싱된 베셀 빔(146)은 패턴 생성 광 요소(38)에 의해 다수의 빔(148)으로 스플릿되고, 각각의 빔(148)은 액시콘 렌즈(144)에 의해 생성된 베셀 빔(146)의 정확한 카피이다. 패턴 생성 광학 요소(38)는 DOE(39), 마이크로-렌즈 어레이(132), 또는 복합 회절 주기적 구조체(136)일 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 제1 측 상에 비구면 표면(152) 및 제1 측에 대향하는 제2 측 상에 평면 표면을 갖는 광학 요소(150), 및 광학 요소(150)를 포함하는 구조화된 광 프로젝터(22)를 도시하는 개략도인 도 24a 및 도 24b를 참조한다. 일부 적용에 있어서, 시준 렌즈(130) 및 액시콘 렌즈(144)는 단일 광학 요소(150)로서 제조될 수 있다. 단일 광학 요소(150)의 비구면 표면(152)은, 레이저 다이오드(36)가 광학 요소(150)를 통해 광을 투과할 때 발산 광 빔으로부터 직접 베셀 빔을 생성한다. 그 후 광이 패턴 생성 광 요소(38)를 통해 이동할 때, 이산 비연결 광 스폿(33)의 분포(34)는, 이산 비연결 광 스폿(33)이 패턴 생성 광학 요소(38)로부터 1mm 내지 30mm, 예를 들어 4mm 내지 24mm 사이에 위치된 임의의 직교 평면에서 실질적으로 균일한 크기를 갖도록 생성된다. 패턴 생성 광학 요소(38)는 DOE(39), 마이크로-렌즈 어레이(132), 또는 복합 회절 주기적 구조체(136)일 수 있다. 청구항을 포함하여 본 출원 전반에 걸쳐 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "실질적으로 균일한 크기"를 갖는 스폿은, 스폿의 크기가 40% 이상 변화하지 않는다는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 구조화된 광 프로젝터(22)에서의 단일 광학 요소(154)의 개략도인 도 25를 참조한다. 일부 적용에 있어서, 단일 광학 요소(154)는 시준 렌즈, 액시콘 렌즈, 및 패턴 생성 광학 요소의 기능을 수행할 수 있다. 단일 광학 요소(154)는 제1 측 상의 비구면 표면(156) 및 제1 측에 대향하는 제2 측 상의 평면 표면(158)을 포함한다. 비구면 표면(156)은, 레이저 다이오드(36)가 단일 광학 요소(154)를 통해 발산 광 빔을 투과할 때 발산 광 빔으로부터 직접 베셀 빔을 생성한다. 평면 표면(158)은 패턴 생성 광학 요소(38)를 형성하도록 형상화되고, 이에 따라 이산 비연결 광 스폿(33)이 패턴 단일 광학 요소(154)로부터 1mm 내지 30mm, 예를 들어, 4mm 내지 24mm 사이에 위치된 임의의 직교 평면에서 실질적으로 균일한 크기를 갖도록 이산 비연결 광 스폿(33)의 분포(34)를 생성하기 위해, 베셀 빔을 이산 베셀 빔(160)의 어레이로 스플릿한다. 평면 표면(158)은 DOE(39), 마이크로-렌즈 어레이(132), 또는 복합 회절 주기적 구조체(136)를 형성하도록 형상화될 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 하나 이상의 광원(예를 들어, 레이저 다이오드(36))을 갖는 구조화된 광 프로젝터(22)의 개략도인 도 26a 및 도 26b를 참조한다. 레이저 다이오드를 사용할 때, 레이저 스펙클(laser speckles)은 공간 노이즈(spatial noise)를 발생시킬 수 있다. 스페클 효과는, 동일한 주파수, 그러나 상이한 위상 및 진폭(amplitudes)을 갖는 다수의 파(wave)의 간섭에 의한 결과물이다. 모두 합산될 때, 결과적인 파는 그 진폭이 빔 프로파일에 걸쳐 랜덤하게 변화하는 파이다. 일부 적용에 있어서, 스펙클 효과는 동일한 파장의 복수의 레이저 다이오드(36)를 조합함으로써 감소될 수 있다. 동일한 파장을 갖는 상이한 레이저는 서로 일관(coherent)되지 않아서, 이들을 동일한 공간적 공간 내로, 또는 동일한 회절 빔 스플리터(162)로 조합하는 것은, 적어도 상이한 레이저 다이오드(36)의 개수의 제곱근의 인수만큼 스펙클을 낮출 것이다.
빔 스플리터(162)는 표준 50/50 스플리터일 수 있어, 두개의 빔의 효율을 50% 이하로 낮추거나, 또는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter, PBS)일 수 있어, 90% 이상의 효율을 유지할 수 있다. 일부 적용에 있어서, 도 26a에 도시된 바와 같이, 각각의 레이저 다이오드(36)는 각자의 시준 렌즈(130)를 가질 수 있다. 대안적으로, 도 26b에 도시된 바와 같이, 복수의 레이저 다이오드(36)는 시준 렌즈(130)를 공유할 수 있고, 시준 렌즈는 빔 스플리터(162)와 패턴 생성 광학 요소(38) 사이에 배치된다. 패턴 생성 광학 요소(38)는 DOE(39), 분할된 DOE(122), 마이크로-렌즈 어레이(132), 또는 복합 회절 주기적 구조체(136)일 수 있다.
전술한 바와 같이, 희소 분포(34)는 유용한 양의 정보를 유지하면서 투영된 광의 양을 감소시키는 것 사이에 개선된 균형을 제공함으로써 캡처를 개선한다. 일부 적용에 있어서, 캡처를 감소시키지 않으면서 더욱 높은 밀도 패턴을 제공하기 위해, 상이한 파장을 갖는 복수의 레이저 다이오드(36)가 조합될 수 있다. 예를 들어, 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)는 별개의 각각의 파장에서 광을 투과시키는 적어도 2개의, 예를 들어 적어도 3개의 레이저 다이오드(36)를 포함할 수 있다. 투영된 스폿(33)이 일부 경우에 거의 중첩될 수 있지만, 상이한 컬러 스폿은 카메라 센서의 컬러 식별 능력을 이용하여 공간에서 해결될 수 있다. 선택적으로, 적색, 청색 및 녹색 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 전술한 모든 구조화된 광 프로젝터 구성은 각각의 구조화된 광 프로젝터(22)에서의 복수의 레이저 다이오드(36)를 사용하여 구현될 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 상이한 파장의 레이저 다이오드를 조합하는 상이한 방식의 개략도인 도 27a 및 도 27b를 참조한다. 상이한 파장의 2개 이상의 레이저를 동일한 회절 요소에 조합하는 것은, 섬유 커플러(fiber coupler)(164)(도 27a) 또는 레이저 결합기(laser combiner)(166)(도 27b)를 사용하여 수행될 수 있다. 레이저 결합기(166)에 대해, 결합 요소는 다이크로익 2-방향 또는 3-방향 다이크로익 결합기일 수 있다. 각각의 구조화된 광 프로젝터(22) 내에서, 모든 레이저 다이오드(36)는 동시에 또는 상이한 시점에 공통 패턴 생성 광학 요소(38)를 통해 광을 투과한다. 각각의 레이저 빔은 패턴 생성 광학 요소(38)에서 약간 상이한 위치에 부딪힐 수 있고, 상이한 패턴을 생성할 수 있다. 이러한 패턴은 상이한 컬러, 상이한 펄스 시간, 또는 상이한 각도로 인해 서로 간섭하지 않을 것이다. 섬유 커플러(164) 또는 레이저 결합기(166)를 사용하는 것은, 레이저 다이오드(36)가 원격 인클로저(168) 내에 배치될 수 있게 한다. 원격 인클로저(168)는 휴대용 완드(20)의 근위 단부에 배치될 수 있고, 이에 따라 프로브(28)가 더 작을 수 있게 한다.
일부 적용에 있어서, 구조화된 광 프로젝터(22) 및 카메라(24)는 프로브(28)의 근위 단부(100)에 배치될 수 있다.
다음의 설명은 주로 광 필드 카메라를 포함하는 본 발명의 적용에 관한 것이다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 구강 내 스캐너(1020)의 개략도인 도 28a를 참조한다. 구강 내 스캐너(1020)는 휴대용 완드(1022)의 원위 단부(1026)에 프로브(1028)를 갖는 긴 휴대용 완드(1022)를 포함한다. 프로브(1028)는 원위 단부(1027) 및 근위 단부(1024)를 갖는다. 청구항을 포함하여, 본 출원 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 휴대용 완드의 근위 단부는 사용자가 사용 준비 위치에서 휴대용 완드를 잡고 있을 때 사용자의 손에 가장 가까운 휴대용 완드의 단부로서 정의되고, 휴대용 완드의 원위 단부는 사용자가 사용 준비 위치에서 휴대용 완드를 잡고 있을 때 사용자의 손으로부터 가장 먼 휴대용 완드의 단부로서 정의된다.
일부 적용에 있어서, 단일 구조화된 광 프로젝터(1030)는 프로브(1028)의 근위 단부(1024)에 배치되고, 단일 광 필드 카메라(1032)는 프로브(1028)의 근위 단부(1024)에 배치되고, 미러(1034)는 프로브(1028)의 원위 단부(1027)에 배치된다. 구조화된 광 프로젝터(1030) 및 광 필드 카메라(1032)는 미러(1034)를 대면하도록 위치되고, 미러(1034)는 구조화된 광 프로젝터(1030)로부터의 광이, 스캐닝되는 물체(1036) 상에 직접 반사되도록 위치되고, 스캐닝되는 물체(1036)로부터 광이, 광 필드 카메라(1032) 내로 반사되도록 위치된다.
구조화된 광 프로젝터(1030)는 광원(1040)을 포함한다. 일부 적용에서, 구조화된 광 프로젝터(1030)는 적어도 6도 및/또는 30도 미만의 조명(Ψ, psi)의 필드를 가질 수 있다. 일부 적용에서, 구조화 광 프로젝터(1030)는 광원(1040)으로부터 적어도 30mm 및/또는 140mm에 위치될 수 있는 (도 29a 및 도 29b에 도시된 바와 같은) 프로젝터 초점면(1038)에서 광원(1040)으로부터 광을 포커싱한다. 구조화된 광 프로젝터(1030)는 광원(1040)과 프로젝터 초점면(1038) 사이의 광학 경로에 배치된 패턴 생성기(1042)를 가질 수 있다. 패턴 생성기(1042)는 광원(1040)이 패턴 생성기(1042)를 통해 광을 투과하도록 활성화될 때 프로젝터 초점면(1038)에서 구조화된 광 패턴을 생성한다.
광 필드 카메라(1032)는 적어도 6도 및/또는 30도 미만의 시야(ω, omega)를 가질 수 있다. 광 필드 카메라(1032)는, 광 필드 카메라(1032)로부터 적어도 30mm 및/또는 140mm 미만에 위치될 수 있는 (도 30에 도시된 바와 같은) 카메라 초점면(1039)에 포커싱할 수 있다. 광 필드 카메라(1032)는, 픽셀의 어레이, 예를 들어, CMOS 이미지 센서, 및 각각의 마이크로-렌즈(1050)가 센서 픽셀의 서브-어레이(1052) 위에 배치되도록 이미지 센서(1048)의 전방에 배치된 마이크로-렌즈(1050)의 어레이를 포함하는 이미지 센서(1048)를 포함하는 광 필드 카메라 센서(1046)를 갖는다. 광 필드 카메라(1032)는, 광 필드 카메라 센서(1046) 상에 스캐닝되는 물체(1036)의 이미지를 형성하는 광 필드 카메라 센서(1048)의 전방에 배치된 대물 렌즈(1054)를 추가적으로 갖는다.
구강 내 스캐너(1020)는 제어 회로(1056)를 포함할 수 있으며, 제어 회로는 (a) 구조화된 광 패턴을 휴대용 완드(1022) 외부의 물체(1036) 상에 투영하기 위해, 구조화된 광 프로젝터(1030)를 구동하며, 그리고 (b) 물체(1036)로부터 반사되는 구조화된 광 패턴으로부터 발생한 광 필드를 캡처하기 위해, 광 필드 카메라(1032)를 구동한다. 구조화된 광 필드는 물체(1036)에 반사되는 구조화된 광 패턴의 강도 및 광 레이의 방향에 대한 정보를 포함한다. 또한, 광 필드는, 장면 깊이가 상이한 방향으로부터 추정될 수 있는 위상-인코딩된(phase-encoded) 깊이에 대한 정보를 포함한다. 캡처된 광 필드로부터 정보를 사용하여, 컴퓨터 프로세서(1058)는 물체(1036)의 표면의 3차원 이미지를 재구성할 수 있고, 이미지를 출력 디바이스(1060), 예를 들어, 모니터로 출력할 수 있다. 컴퓨터 프로세서(1058)는 도 28a, 도 31, 및 도 32에 예시로서 휴대용 완드(1022)의 외부에 있는 것으로 도시되어 있으며, 이에 제한되지 않는다. 다른 적용에 있어서, 컴퓨터 프로세서(1058)는 휴대용 완드(1022) 내에 배치될 수 있다.
일부 적용에서, 스캐닝되는 물체(1036)는 대상의 입 내부에 있는 적어도 하나의 치아이다. 전술한 바와 같이, 치과 의사는 디지털 구강 내 스캐너를 사용할 때 이미지 캡처를 개선하기 위해 대상의 치아를 불투명 분말로 빈번하게 코팅한다. 구강 내 스캐너(1020)에서의 광 필드 카메라(1032)는 치아 상의 이러한 분말이 존재하지 않는 상태에서 치아에서 반사되는 구조화된 광 패턴으로부터 광 필드를 캡처할 수 있어서, 더 간단한 디지털 구강 내 스캐닝 경험을 가능하게 한다.
구조화된 광 프로젝터(1030) 및 광 필드 카메라(1032)가 프로브(1028)의 근위 단부(1024)에 배치될 때, 프로브(1028)의 크기는 미러(1034)가 배치되는 각도에 의해 제한된다. 일부 적용에서, 프로브(1028)의 높이(H2)는 17mm 미만이고, 프로브(1028)의 폭(W1)은 22mm 미만이고, 높이(H2) 및 폭(W1)은 휴대용 완드(1022)의 길이 방향 축(1067)에 수직인 평면을 형성한다. 또한, 프로브(1028)의 높이(H2)는 스캐닝되는 물체(1036)로부터 반사된 광이 프로브(1028)에 진입하는 하부 표면(1070)(스캐닝 표면)에서, 하부 표면(1070)에 대향하는 상부 표면(1072)까지 측정된다. 일부 적용에서, 높이(H2)는 14-17mm 사이이다. 일부 적용에서, 폭(W1)은 18-22mm 사이이다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 광원(1040)으로서 레이저 다이오드(1041)를 갖는 구조화된 광 프로젝터(1030)의 개략도인 도 29a를 참조한다. 일부 적용에 있어서, 패턴 생성기(1042)는 회절 광학 요소(DOE)(1043)일 수 있다. 레이저 다이오드(1041)는 시준기(collimator)(1062)를 통해 광을 투과할 수 있고, 그 후, 이산 비연결 광 스폿의 분포로서 구조화된 광 패턴을 생성하기 위해, 시준된 광은 DOE(1043)를 통해 투과된다. DOE(1043)에 대안적으로, 패턴 생성기(1042)는 레이저 다이오드(1041)와 프로젝터 초점면 사이의 광학 경로에 배치된 굴절 마이크로-렌즈 어레이일 수 있다(구성은 미도시).
이제 광원(1040)으로서 발광 다이오드(LED)(1064)를 갖는 구조화된 광 프로젝터(1030) 및 패턴 생성기(1042)로서의 마스크(1066)의 개략도인 도 29b를 참조한다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 광 필드 카메라 센서(1046) 및 캡처되는 3차원 물체(1036)를 도시하는, 광 필드 카메라(1032)의 개략도인 도 30을 참조한다. 일부 적용에 있어서, 광 필드 카메라(1032)의 광학 파라미터는, (a) 물체(1036)의 전경(foreground)(1075)에서 반사된 광이 광 필드 카메라 센서의 중심 영역(1074) 상에 포커싱되고, (b) 물체(1036)의 배경(1077)에서 반사된 광이 광 필드 카메라 센서(1046)의 주변 영역(1076) 상에 포커싱되도록 선택될 수 있다. 일부 적용에서, 구강 내 장면을 스캐닝할 때, 주변 영역(1076)은, 치아와 같이 더 가까운 물체보다, 치은과 같이 더 멀리 있는 물체를 향해 더 빈번하게 지향될 수 있다.
광 필드 카메라 센서(1046)의 중심 영역(1074)은 광 필드 카메라 센서(1046)의 주변 영역(1076)보다 더 높은 공간 해상도를 가질 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(1048)의 중심 영역(1074)에서의 서브-어레이(1052) 각각은 주변 영역(1076)에서의 각각의 서브-어레이(1052)보다 10-40% 더 적은 픽셀을 가질 수 있으며, 즉, 중심 영역(1074)에서의 마이크로-렌즈는 주변 영역(1076)에서의 마이크로-렌즈보다 작을 수 있다. 더 작은 마이크로-렌즈는 중심 영역(1074)에서 단위 면적당 더 많은 마이크로-렌즈가 있을 수 있게 한다. 따라서, 광 필드 카메라 센서(1046)의 중심 영역(1074)은 단위 면적당 마이크로-렌즈의 증가된 비율로 인하여 더 높은 공간 해상도를 가질 수 있다. 일부 적용에서, 중심 영역(1074)은 센서 픽셀의 총 개수의 적어도 50%를 포함할 수 있다.
중심 영역(1074)은 주변 영역(1076)보다 더 높은 공간 해상도를 갖는 한편, 주변 영역(1076)은 중심 영역(1074)보다 더 높은 깊이 해상도를 가질 수 있으며, 중심 영역(1074)에서보다 더 먼 물체 거리에 포커싱하도록 설정될 수 있다. 광 필드 카메라 센서(1046)의 주변 영역(1076)에서의 더 큰 마이크로-렌즈는, 중심 영역(1074)에서의 더 작은 마이크로-렌즈보다 더 높은 깊이에 포커싱하도록 구성된다. 예를 들어, 이미지 센서(1048)의 주변 영역(1076)에서의 센서 픽셀의 서브-어레이(1052) 위에 배치된 각각의 마이크로-렌즈(1050)는 이미지 센서(1048)의 중심 영역(1074)에서의 센서 픽셀의 서브-어레이(1052) 위에 배치된 각각의 마이크로-렌즈(1050)가 포커싱하도록 구성되는 깊이보다 1.1-1.4배 더 큰 깊이에 포커싱하도록 구성될 수 있다.
따라서, 중심 영역(1074)의 더 높은 공간 해상도는 물체(1036)의 전경(1075) 이 물체(1036)의 배경(1077)보다 더 높은 공간 해상도로 캡처될 수 있게 할 수 있으며, 예를 들어, 대상의 구강 내 장면을 스캐닝할 때, 치아를 둘러싸는 영역보다, 치아가 더 높은 공간 해상도로 캡처될 수 있는 한편, 주변 영역(1076)의 더 먼 초점과 더 높은 깊이 해상도는, 배경(1077)의 캡처, 예를 들어, 전경(1075)에서 치아를 둘러싸는 무치악 영역 및 치은이 캡처될 수 있게 할 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 구조화된 광 프로젝터(1030) 및 프로브(1028)의 원위 단부(1027)에 배치된 광 필드 카메라(1032)를 갖는 구강 내 스캐너(1020)의 개략도인 도 31을 참조한다. 일부 적용에 있어서, 정확히 하나의 구조화된 광 프로젝터(1030) 및 정확하게 하나의 광 필드 카메라(1032)가 프로브(1028)의 원위 단부(1027)에 배치된다. 구조화된 광 프로젝터(1030)는 조명 시야 내에 배치된 휴대용 완드(1022) 외부의 물체(1036)에 직접 대면하도록 위치될 수 있다. 따라서, 구조화된 광 프로젝터(1030)로부터 투영된 광은 어떠한 광학적인 재-지향 없이, 예를 들어, 도 28a를 참조하여 전술한 바와 같이, 광을 재-지향시키기 위해 미러에서 반사되지 않고, 물체(1036) 상에 떨어질 것이다. 유사하게, 광 필드 카메라(1032)는 시야에 배치된 휴대용 완드(1022) 외부의 물체(1036)에 직접 대면하도록 위치될 수 있다. 따라서, 물체(1036)에서 반사되는 광은, 어떠한 광학적인 재-지향 없이, 예를 들어, 도 28a를 참조하여 전술한 바와 같이 광을 재-지향시키기 위해 미러에서 반사되지 않고, 광 필드 카메라(1032)에 진입할 것이다.
프로브(1028)의 원위 단부(1027)에 구조화된 광 프로젝터(1030)를 위치시키는 것은, 구조화된 광 프로젝터(1030)의 조명(Ψ, psi)의 필드가 더 넓을 수 있게, 예를 들어, 적어도 60도 및/또는 120도 미만일 수 있게 할 수 있다. 프로브(1028)의 원위 단부(1027)에 구조화된 광 프로젝터(1030)를 위치시키는 것은 또한, 구조화된 광 프로젝터(1030)가 광원(1040)으로부터 적어도 3mm 및/또는 40mm 미만에 위치될 수 있는 프로젝터 초점면에서 광원(1040)으로부터의 광을 포커싱하게 할 수 있다.
프로브(1028)의 원위 단부(1027)에 광 필드 카메라(1032)를 위치시키는 것은, 광 필드 카메라(1032)의 시야(ω, omega)가 더 넓을 수 있게, 예를 들어, 적어도 60도 및/또는 120도 미만일 수 있게 할 수 있다. 프로브(1028)의 원위 단부(1027)에 광 필드 카메라(1032)를 위치시키는 것은 또한, 광 필드 카메라(1032)가 광원(1040)으로부터 적어도 3mm 및/또는 40mm 미만에 위치될 수 있는 카메라 초점면에 포커싱하게 할 수 있다. 일부 적용에서, 구조화된 광 프로젝터(1030)의 조명 필드(Ψ, psi) 및 광 필드 카메라(1032)의 시야(ω, omega)가, 구조화된 광 프로젝터(1030)로부터 투영된 구조화된 광 패턴의 적어도 40%가 광 필드 카메라(1032)의 시야(ω, omega)에 있도록 중첩된다. 도 30을 참조하여 전술한 바와 유사하게, 구강 내 스캐너(1020)가 프로브(1028)의 원위 단부(1027)에 배치된 단일 광 필드 카메라(1032)를 가질 때, 광 필드 카메라 센서(1046)의 광학 파라미터는, 광 필드 카메라 센서(1090)의 중심 영역이 광 필드 카메라 센서(1046)의 주변 영역보다 더 높은 해상도를 갖도록 선택될 수 있다.
프로브(1028)의 원위 단부(1027)에서 구조화된 광 프로젝터(1030) 및 광 필드 카메라(1032)를 위치시키는 것은, 미러(1034)가 이 구성에서 사용되지 않기 때문에 프로브(1028)가 더 작아질 수 있게 할 수 있다. 일부 적용에서, 프로브(1028)의 높이(H3)는 14mm 미만이고, 프로브(1028)의 폭(W2)은 22mm 미만이고, 높이(H3) 및 폭(W2)은 휴대용 완드(1022)의 길이 방향 축(1067)에 수직인 평면을 형성한다. 일부 적용에서, 높이(H3)는 일부 적용에서 10-14mm 이다. 일부 적용에서, 폭(W2)은 18-22mm이다. 전술한 바와 같이, 프로브(1028)의 높이(H3)는, (a) 스캐닝되는 물체(1036)로부터 반사된 광이 프로브(1028)에 진입하는 하부 표면(1070)(스캐닝 표면)에서, (b) 하부 표면(1070)에 대향하는 상부 표면(1072)까지 측정된다. 제어 회로(1056)는, (a) 구조화된 광 패턴을 휴대용 완드(1022) 외부의 물체(1036) 상에 투영하기 위해, 구조화된 광 프로젝터(1030)를 구동할 수 있고, (b) 물체(1036)로부터 반사되는 구조화된 광 패턴으로부터 발생한 광 필드를 캡처하기 위해, 광 필드 카메라(1032)를 구동할 수 있다. 캡처된 광 필드로부터의 정보를 사용하여, 컴퓨터 프로세서(1058)는 물체(1036)의 표면의 3차원 이미지를 재구성할 수 있고, 이미지를 출력 디바이스(1060), 예를 들어, 모니터로 출력할 수 있다.
이제 본 발명의 일부 적용에 따른, 프로브(1028)의 원위 단부(1027)에 배치된 복수의 구조화된 광 프로젝터(1030) 및 복수의 광 필드 카메라(1032)를 갖는 구강 내 스캐너(1020)의 개략도인 도 32를 참조한다. 복수의 구조화된 광 프로젝터 및 복수의 광 필드 카메라를 갖는 것은, 구강 내 스캐너(1020)의 일반적인 시야를 증가시킬 수 있고, 이는 복수의 물체(1036)를 캡처하는 것, 예를 들어, 복수의 치아뿐만 아니라 치아 주위의 영역, 예를 들어, 대상의 입 내부의 무치악 영역을 캡처하는 것을 가능하게 할 수 있다. 일부 적용에서, 각각의 구조화된 광 프로젝터(1030)로부터의 투영된 구조화된 광 패턴의 적어도 40%가 적어도 하나의 광 필드 카메라(1032)의 시야(ω, omega)에 있도록, 복수의 조명 필드(Ψ, psi)가 각각의 복수의 시야(ω, omega)와 중첩한다. 제어 회로(1056)는, (a) 구조화된 광 패턴을 휴대용 완드(1022) 외부의 물체(1036) 상에 각각 투영하기 위해, 복수의 구조화된 광 프로젝터(1030)를 구동할 수 있고, (b) 물체(1036)로부터 반사되는 복수의 구조화된 광 패턴으로부터 발생한 광 필드를 캡처하기 위해, 복수의 광 필드 카메라(1032)를 구동할 수 있다. 캡처된 광 필드로부터 정보를 사용하여, 컴퓨터 프로세서(1058)는 물체(1036)의 표면의 3차원 이미지를 재구성할 수 있고, 이미지를 출력 디바이스(1060), 예를 들어, 모니터로 출력할 수 있다.
일부 적용에 있어서, 구조화된 광 프로젝터(1030) 중 적어도 하나는, 스캐닝되는 물체(1036) 상에 단색 구조화된 광 패턴을 투영하는 단색 구조화된 광 프로젝터일 수 있다. 예를 들어, 단색 구조화된 광 프로젝터는 420-470nm의 파장에서 청색 구조화된 광 패턴을 투영할 수 있다. 광 필드 카메라(1032) 중 적어도 하나는 스캐닝되는 물체(1036)로부터 반사되는 단색 구조화된 광 패턴으로부터 발생한 광 필드를 캡처하는 단색 광 필드 카메라일 수 있다. 구강 내 스캐너(1020)는 백색광을 물체(1036) 상으로 투과하는 광원 및 백색광 조명 하에서 물체(1036)의 2차원 컬러 이미지를 캡처하는 카메라를 더 포함할 수 있다. 컴퓨터 프로세서(1058)는 물체(1036)의 표면의 3차원 이미지를 재구성하기 위해, (a) 단색 광 필드로부터 캡처된 정보를 (b) 물체(1036)의 적어도 하나의 2차원 컬러 이미지와 조합할 수 있다. 컴퓨터 프로세서(1058)는 그 후, 이미지를 출력 디바이스(1060), 예를 들어, 모니터로 출력할 수 있다.
전술한 장치 중 임의의 장치는 (예를 들어, 구강 내 표면의) 이미지 데이터를 생성하는 방법을 수행하는데 사용될 수 있다. 일 예시적인 구현에서, 방법은 구강 내 스캐너의 프로브에 배치된 하나 이상의 광 프로젝터에 의해, 각각의 광 패턴을 생성하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 광 프로젝터 중 하나의 광 프로젝터에 의해 광 패턴을 생성하는 단계는, 광 프로젝터에 의해 광을 생성하는 단계, 프로젝터 초점면에서 광을 포커싱하는 단계, 및 패턴 생성기에 의해, 프로젝터 초점면에서의 광으로부터 광 패턴을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 하나 이상의 광 프로젝터의 각각의 광 패턴을 하나 이상의 광 프로젝터의 조명 필드에 배치된 구강 내 표면을 향해 투영하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은, 프로브에 배치된 하나 이상의 광 필드 카메라에 의해, 구강 내 표면으로부터 반사되는 각각의 광 패턴의 적어도 일부로부터 발생한 광 필드를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은, 광 필드를 도시하는 하나 이상의 광 필드 카메라에 의해 복수의 이미지를 생성하는 단계, 및 복수의 이미지를 데이터 처리 시스템에 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 구현에서, 하나 이상의 광 프로젝터 및 하나 이상의 광 필드 카메라는 프로브의 원위 단부에 배치되고, 하나 이상의 광 프로젝터 및 하나 이상의 광 필드 카메라는, (a) 각각의 광 프로젝터가 구강 내 표면에 직접 대면하도록 위치되고, (b) 각각의 광 필드 카메라가 구강 내 표면에 직접 대면하도록 위치되고, (c) 각각의 광 프로젝터로부터 광 패턴의 적어도 40%가 광 필드 카메라 중 적어도 하나의 시야에 있도록 위치된다.
일부 구현에서, 하나 이상의 광 프로젝터 및 광 필드 카메라는 프로브의 근위 단부에 배치된다. 이러한 구현에서 상기 방법은, 구강 내 표면 상으로 각각의 광 패턴을 반사하기 위해 미러를 사용하는 단계, 및 구강 내 표면으로부터 반사된 광 필드를 하나 이상의 광 필드 카메라로 반사하기 위해 미러를 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 적용에서, 방법은 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델을 생성하기 위해, 구강 내 스캐닝을 위한 임의의 설명된 장치(예를 들어, 구강 내 스캐너 및/또는 컴퓨터 프로세서(1058)와 같은 데이터 처리 시스템)에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 방법은, 구강 내 표면 상에 광 패턴을 투영하기 위해 구강 내 스캐너의 하나 이상의 광 프로젝터를 구동하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 구강 내 표면으로부터 반사되는 투영된 광 패턴의 적어도 일부로부터 발생한 광 필드를 도시하는 복수의 이미지를 캡처하기 위해, 구강 내 스캐너의 하나 이상의 광 필드 카메라를 구동하는 단계를 더 포함하고, 광 필드는 구강 내 표면으로부터 반사되는 광 패턴의 강도 및 광 레이의 방향에 관한 정보를 포함한다. 상기 방법은, 구강 내 표면 상의 투영된 광 패턴의 적어도 일부를 도시하는 복수의 이미지를 수신하는 단계, 및 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델을 생성하기 위해 복수의 이미지에 도시된 캡처된 광 필드로부터 정보를 사용하는 단계를 더 포함한다.
일 적용에서, 각각의 광 프로젝터로부터의 광 패턴의 적어도 40%는 하나 이상의 광 필드 카메라 중 적어도 하나의 시야에 있다. 일 적용에서, 각각의 광 프로젝터는 60-120도의 조명 필드를 갖는 구조화된 광 프로젝터이고, 프로젝터 초점면은 광원으로부터 3mm 내지 40mm 사이에 위치된다. 일 적용에서, 각각의 광 필드 카메라는 60-120도의 시야를 가지며, 광 필드 카메라로부터 3mm 내지 40mm 사이에 위치된 카메라 초점면에 포커싱하도록 구성된다. 일 적용에서, 복수의 이미지는 복수의 광 필드 카메라로부터의 이미지를 포함한다. 일 적용에서, 광 필드는 상이한 방향으로부터 깊이가 추정될 수 있는 위상-인코딩된 깊이에 대한 정보를 더 포함한다. 일 적용에서, 상기 방법은 구강 내 표면의 복수의 2차원 컬러 이미지를 수신하는 단계, 및 복수의 2차원 컬러 이미지에 기초하여 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델에 대한 컬러 데이터를 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 명세서에 설명된 본 발명의 적용은, 프로세서(96) 또는 프로세서(들)(1058)와 같은 임의의 명령 실행 시스템, 또는 컴퓨터에 의해 사용되거나 이와 관련하여 사용하기 위한 프로그램 코드를 제공하는, 컴퓨터-사용가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체(예를 들어, 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체)로부터 액세스 가능한 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. 본 설명의 목적을 위해, 컴퓨터-사용가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체는, 명령 실행 시스템, 장치 또는 디바이스에 의해 또는 이와 관련하여 사용하기 위한 프로그램을 포함, 저장, 통신, 전파, 또는 전송할 수 있는 임의의 장치일 수 있다. 매체는 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선, 또는 반도체 시스템(또는 장치 또는 디바이스) 또는 전파 매체일 수 있다. 일부 적용에서, 컴퓨터-사용가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체는 비-일시적인 컴퓨터-사용가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체이다.
컴퓨터-판독가능 매체의 예는, 반도체 또는 고체-상태 메모리, 자기 테이프(magnetic tape), 제거 가능한 컴퓨터 디스켓, 랜덤-액세스 메모리(RAM), 판독-전용 메모리(ROM), 강성 자기 디스크 및 광학 디스크를 포함한다. 광 디스크의 현재 예는 컴팩트 디스크-판독 전용 메모리(CD-ROM), 컴팩트 디스크-판독/기록(CD-R/W) 및 DVD를 포함한다. 일부 적용에 있어서, 클라우드 스토리지(storage), 및/또는 원격 서버에서의 스토리지 사용된다.
프로그램 코드를 저장 및/또는 실행하기에 적합한 데이터 처리 시스템은, 시스템 버스를 통해 메모리 요소에 직접 또는 간접적으로 결합된 적어도 하나의 프로세서(예를 들어, 프로세서(96) 또는 프로세서(1058))를 포함할 것이다. 메모리 요소는, 프로그램 코드의 실제 실행 동안에 가용되는 로컬 메모리, 벌크 스토리지, 및 실행 동안에 벌크 스토리지로부터 코드가 검색되어야 하는 횟수를 감소시키기 위해, 적어도 일부 프로그램 코드의 임시 저장을 제공하는 캐시 메모리를 포함할 수 있다. 시스템은 본 발명의 명령을 프로그램 스토리지 디바이스 상에서 판독할 수 있고, 본 발명의 적용의 방법론을 실행하기 위해, 이러한 명령을 따를 수 있다.
네트워크 어댑터는, 개입하는 개인 또는 공용 네트워크를 통해 다른 프로세서 또는 원격 프린터 또는 저장 디바이스에 프로세서가 연결될 수 있도록 프로세서에 연결될 수 있다. 모뎀, 케이블 모뎀 및 이더넷 카드는 현재 이용 가능한 유형의 네트워크 어댑터 중 단지 몇 가지이다.
본 발명의 동작을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드는 자바, 스몰 토크(Smalltalk), C++ 등과 같은 객체-지향(object-oriented) 프로그래밍 언어, 및 C 프로그래밍 언어와 또는 유사한 프로그래밍 언어와 같은 종래의 절차적 프로그래밍 언어를 포함하는 하나 이상의 프로그래밍 언어의 임의의 조합으로 기록될 수 있다.
본 명세서에 기술된 방법은, 컴퓨터 프로그램 명령에 의해 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 명령은, 컴퓨터의 프로세서(예를 들어, 프로세서(96) 또는 프로세서(1058)) 또는 다른 프로그램가능 데이터 처리 장치를 통해 실행되는 명령이, 본 출원에서 설명된 방법에서 특정된 기능/동작을 구현하기 위한 수단을 생성하도록, 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터, 또는 기계를 생산하기 위한 다른 프로그램가능 데이터 처리 장치의 프로세서에 제공될 수 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 명령은 또한, 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령이 본 출원에서 설명된 방법에 특정된 기능/동작을 구현하는 명령 수단을 포함하는 제조 물품을 생성하도록, 컴퓨터 또는 다른 프로그램가능 데이터 처리 장치가 특정 방식으로 기능하도록 지시할 수 있는 컴퓨터-판독가능 매체(예를 들어, 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체)에 저장될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한, 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 장치 상에서 실행되는 명령이 본 출원에서 설명된 방법에서 특정된 기능/동작을 구현하기 위한 프로세스를 제공하도록 컴퓨터 구현 프로세스를 생성하기 위해 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 장치 상에서 일련의 동작 단계가 수행되도록, 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치 상에 로딩될 수 있다.
프로세서(96) 및 프로세서(1058)는 전형적으로 각각의 특수 목적 컴퓨터를 생산하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령으로 프로그래밍된 하드웨어 디바이스이다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 방법을 수행하도록 프로그래밍될 때, 컴퓨터 프로세서는 전형적으로 특수 목적 3D 표면 재구성 컴퓨터 프로세서로서 동작한다. 전형적으로, 컴퓨터 프로세서에 의해 수행되는 본 명세서에 설명된 동작은, 사용되는 메모리의 기술에 따라, 실제 물리적 물품인 메모리의 물리적 상태가 상이한 자기 극성, 전기 전하 등을 갖도록 변환한다.
대안적으로, 프로세서(96)는 FPGA(field programmable gate array), ASIC(application-specific integrated circuit), 또는 특수 칩 상에 구현된 신경망의 형태를 취할 수 있다.
본 발명이 특별히 도시되고 설명된 것에 한정되지 않는다는 것을 통상의 기술자는 이해할 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는, 전술한 다양한 특징의 조합 및 서브조합뿐만 아니라, 종래 기술에 존재하지 않지만 전술한 설명을 읽을 때 통상의 기술자에게 떠오르는 그 변형 및 수정을 모두 포함한다.

Claims (46)

  1. 구강 내 스캐닝을 위한 구강 내 스캐닝 장치로서, 상기 구강 내 스캐닝 장치는,
    원위 단부에 프로브를 포함하는 긴 휴대용 완드(elongate hand-held wand);
    하나 이상의 광 프로젝터 - 각각의 상기 광 프로젝터는 적어도 하나의 광원 및 패턴 생성 광학 요소를 포함하고, 각각의 상기 광 프로젝터는, 상기 광원이 활성화될 때 복수의 프로젝터 레이(projector ray)에 의해 형성되는 광 패턴을 투영하도록 구성됨 - ;
    2개 이상의 카메라 - 상기 2개 이상의 카메라 각각은 픽셀 어레이를 갖는 카메라 센서를 포함하고, 상기 2개 이상의 카메라 각각은, 구강 내 표면 상의 투영된 광 패턴의 적어도 일부를 나타내는 복수의 이미지를 캡처하도록 구성됨 - ; 및
    하나 이상의 프로세서를 포함하고,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 2개 이상의 카메라 각각의 상기 카메라 센서 상의 픽셀에 대응하는 카메라 레이(camera ray)를 상기 복수의 프로젝터 레이 중에서의 프로젝터 레이에 연관시키는 캘리브레이션 데이터(calibration data)에 액세스하고;
    상기 캘리브레이션 데이터를 이용하여, 상기 투영된 광 패턴의 적어도 일부에 대응하는 프로젝터 레이와 카메라 레이의 교차점(intersection)을 결정하고 - 상기 프로젝터 레이와 상기 카메라 레이의 교차점은 공간에서의 3차원 포인트와 연관됨 - ;
    특정 교차점에서 프로젝터 레이에 의한 상기 투영된 광 패턴이 있는 상태에서, 상기 2개 이상의 카메라의 동의(agreement)에 기초하여 상기 투영된 광 패턴의 3차원 위치를 식별하고; 그리고
    상기 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델을 생성하기 위해 식별된 3차원 위치를 이용하도록 구성되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 패턴은 복수의 스폿(spot)을 포함하고, 상기 복수의 프로젝터 레이 각각은 상기 복수의 스폿 중에서의 일 스폿에 대응하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    각각의 프로젝터 레이는, 상기 2개 이상의 카메라 중 각각의 카메라의 상기 카메라 센서 상의 픽셀의 각각의 경로에 대응하고, 상기 3차원 위치를 식별하기 위해, 상기 하나 이상의 프로세서는 대응 알고리즘을 실행하고,
    상기 대응 알고리즘은,
    각각의 프로젝터 레이(i)에 대해, 프로젝터 레이(i)에 대응하는 카메라 센서 경로 상에서 각각의 검출된 스폿(j)에 대하여, 프로젝터 레이(i)에 대응하는 각각의 카메라 센서 경로 상에서, 프로젝터 레이(i)와, 검출된 스폿(j)에 대응하는 카메라 레이에 교차하는, 각각의 카메라 레이에 대응하는 각각의 스폿(k)을 검출한 다른 카메라의 개수를 식별하기 위해 실행되고, - 프로젝터 레이(i)는, 가장 높은 개수의 다른 카메라가 각각의 스폿(k)을 검출한, 검출된 스폿(j)을 생성한 특정 프로젝터 레이로 식별됨 - ; 그리고
    검출된 스폿(j) 및 각각의 검출된 스폿(k)에 대응하는 프로젝터 레이(i)와 각각의 카메라 레이의 교차점에서, 상기 구강 내 표면 상의 각각의 3차원 위치를 계산하기 위해 실행되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 3차원 위치를 식별하기 위해, 상기 하나 이상의 프로세서는 추가로,
    상기 검출된 스폿(j) 및 상기 각각의 검출된 스폿(k)에 대응하는 각각의 카메라 레이와, 프로젝터 레이(i)를 고려에서 제외하고; 그리고
    다음 프로젝터 레이(i)에 대하여 상기 대응 알고리즘을 다시 실행하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    온도 센서를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 온도 센서로부터의 온도 데이터를 수신하고 - 상기 온도 데이터는, 상기 하나 이상의 광 프로젝터 또는 상기 2개 이상의 카메라 중 적어도 하나의 온도를 나타냄 - ; 그리고
    상기 온도 데이터에 기초하여, 복수의 각각의 온도에 대응하는 복수 세트의 저장된 캘리브레이션 데이터 사이에서 선택하도록 더 구성되고,
    상기 저장된 캘리브레이션 데이터의 각각의 세트는, 각각의 온도에 대해, (a) 상기 하나 이상의 프로젝터 각각으로부터 투영된 광 스폿 각각에 대응하는 프로젝터 레이 및 (b) 상기 하나 이상의 카메라의 각각의 카메라 센서 상의 각각의 픽셀에 대응하는 카메라 레이를 나타내는, 구강 내 스캐닝 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 광 패턴은 비-코딩된(non-coded) 구조화된 광 패턴을 포함하고, 상기 복수의 스폿은 이산 비연결(discrete unconnected) 광 스폿의 대략 균일한 분포를 포함하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 스폿은 제1 파장을 갖는 제1 서브 세트 스폿 및 제2 파장을 갖는 제2 서브 세트 스폿을 포함하고, 상기 캘리브레이션 데이터는 상기 제1 파장에 대한 제1 캘리브레이션 데이터 및 상기 제2 파장에 대한 제2 캘리브레이션 데이터를 포함하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    복수의 영역을 갖는 타겟을 더 포함하고,
    각각의 광 프로젝터는, 상기 각각의 광 프로젝터의 조명 필드(field of illumination)에 상기 타겟의 적어도 하나의 영역을 가지고;
    각각의 카메라는, 상기 각각의 카메라의 시야(field of view)에 상기 타겟의 적어도 하나의 영역을 가지고;
    상기 타겟의 복수의 영역은, 상기 카메라 중 하나의 시야에 있고, 상기 광 프로젝터 중 하나의 조명 필드에 있고; 그리고
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 광 패턴에 대한 상기 타겟의 위치를 나타내는 데이터를 상기 2개 이상의 카메라로부터 수신하고;
    수신된 데이터를 상기 타겟의 저장된 캘리브레이션 위치와 비교하고 - (i) 상기 타겟의 위치를 나타내는 상기 수신된 데이터, 및 (ii) 상기 타겟의 상기 저장된 캘리브레이션 위치 사이의 불일치(discrepancy)는, 상기 프로젝터 레이 및 상기 카메라 레이 각각의 캘리브레이션 값으로부터 상기 프로젝터 레이 및 상기 카메라 레이의 시프트(shift)를 나타냄 - ; 그리고
    상기 3차원 위치의 식별에서 상기 프로젝터 레이 및 상기 카메라 레이의 상기 시프트를 고려(accounting for)하도록 더 구성되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 구강 내 표면 상에 상기 광 패턴을 투영하기 위해, 상기 하나 이상의 광 프로젝터 각각을 구동하고; 그리고
    상기 복수의 이미지를 캡처하기 위해, 상기 2개 이상의 카메라 각각을 구동하도록 더 구성되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 광 프로젝터는, 복수의 구조화된 광 프로젝터를 포함하고, 복수의 구조화된 광 프로젝터 각각은, 상기 구강 내 표면 상의 이산 비연결 광 스폿의 각각의 분포를 동시에 또는 상이한 시점에 투영하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴 생성 광학 요소는, 회절(diffractive) 광학 요소 또는 굴절(refractive) 광학 요소를 포함하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 2개 이상의 카메라는, 상기 카메라 센서로부터 가장 먼 카메라 렌즈로부터 약 1mm 내지 약 30mm 사이에 위치된 물체 초점면(object focal plane)에 포커싱하도록 구성되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  13. 구강 내 스캐닝을 위한 구강 내 스캐닝 장치로서, 상기 구강 내 스캐닝 장치는,
    원위 단부에 프로브를 포함하는 긴 휴대용 완드;
    하나 이상의 광 프로젝터 - 각각의 광 프로젝터는,
    활성화될 때 광을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 광원; 및
    패턴 생성 광학 요소;를 포함하고, 상기 패턴 생성 광학 요소는, 상기 광이 상기 패턴 생성 광학 요소를 통해 투과(transmitted)될 때 광 패턴을 생성하도록 구성됨 - ; 및
    2개 이상의 카메라 - 상기 2개 이상의 카메라 각각은 카메라 센서 및 하나 이상의 렌즈를 포함하고, 상기 2개 이상의 카메라 각각은 구강 내 표면 상의 투영된 광 패턴의 적어도 일부를 도시하는 복수의 이미지를 캡처하도록 구성되고, 각각의 카메라는 상기 하나 이상의 렌즈 중 상기 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 약 1mm 내지 약 30mm 사이에 위치된 물체 초점면에 포커싱하도록 구성되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 하나 이상의 광 프로젝터는 상기 프로브 내에 배치되고, 상기 2개 이상의 카메라는 상기 프로브 내에 배치되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 하나 이상의 광 프로젝터는 적어도 2개의 광 프로젝터를 포함하고, 상기 2개 이상의 카메라는 적어도 4개의 카메라를 포함하고;
    상기 적어도 2개의 광 프로젝터 및 상기 적어도 4개의 카메라의 대부분은, 상기 프로브의 길이 방향 축에 각각 대략 평행한 적어도 2개의 행으로 배열되고, 상기 적어도 2개의 행은 적어도 제1 행 및 제2 행을 포함하고;
    상기 적어도 4개의 카메라의 길이 방향 축을 따른 최원위(distal-most) 카메라 및 상기 길이 방향 축을 따른 최근위(proximal-most) 카메라는, 그들의 광축이 상기 길이 방향 축에 수직인 시선(line of sight)으로부터 서로에 대해 90도 이하의 각도에 있도록 위치되고; 그리고
    상기 제1 행에서의 카메라 및 상기 제2 행에서의 카메라는, 상기 제1 행에서의 카메라의 광축이 상기 프로브의 상기 길이 방향 축과 동축인 시선으로부터 상기 제2 행에서의 카메라의 광축에 대해 90도 이하의 각도에 있도록 위치되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 최원위 카메라 및 상기 최근위 카메라 이외의 상기 적어도 4개의 카메라 중 나머지 카메라는 상기 프로브의 상기 길이 방향 축에 실질적으로 평행한 광축을 가지고;
    상기 적어도 2개의 행 각각은 광 프로젝터 및 카메라의 교대하는 시퀀스(alternating sequence)를 포함하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 적어도 4개의 카메라는 적어도 5개의 카메라를 포함하고, 상기 적어도 2개의 광 프로젝터는 적어도 5개의 광 프로젝터를 포함하고, 상기 제1 행의 최근위 구성 요소는 광 프로젝터이고, 상기 제2 행의 최근위 구성 요소는 카메라인, 구강 내 스캐닝 장치.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 길이 방향 축을 따른 상기 최원위 카메라 및 상기 길이 방향 축을 따른 상기 최근위 카메라는, 그들의 광축이 상기 길이 방향 축에 수직인 시선으로부터 서로에 대해 35도 이하의 각도에 있도록 위치되고; 그리고
    상기 제1 행에서의 카메라 및 상기 제2 행에서의 카메라는, 상기 제1 행에서의 카메라의 광축이 상기 프로브의 길이 방향 축과 동축인 시선으로부터 상기 제2 행에서의 카메라의 광축에 대해 35도 이하의 각도에 있도록 위치되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  19. 청구항 13에 있어서,
    상기 광 패턴은 복수의 프로젝터 레이에 의해 형성되고, 상기 구강 내 스캐닝 장치는 하나 이상의 프로세서를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 2개 이상의 카메라 각각의 상기 카메라 센서 상의 픽셀에 대응하는 카메라 레이를 상기 복수의 프로젝터 레이 중에서의 프로젝터 레이에 연관시키는 캘리브레이션 데이터에 액세스하고;
    상기 캘리브레이션 데이터를 이용하여, 상기 투영된 광 패턴의 상기 일부에 대응하는 프로젝터 레이와 카메라 레이의 교차점을 결정하고 - 상기 카메라 레이와 상기 프로젝터 레이의 교차점은 공간에서의 3차원 포인트와 연관됨 - ;
    특정 교차점에서 프로젝터 레이에 의한 상기 투영된 광 패턴이 있는 상태에서, 상기 2개 이상의 카메라의 동의에 기초하여 상기 투영된 광 패턴의 3차원 위치를 식별하고; 그리고
    상기 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델을 생성하기 위해 식별된 3차원 위치를 이용하도록 구성되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  20. 청구항 13에 있어서,
    상기 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 각각은, 상기 패턴 생성 광학 요소로부터 1mm 내지 30mm 사이에 위치된 모든 평면에서 이산 비연결 광 스폿의 분포를 생성하도록 구성되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  21. 청구항 13에 있어서,
    상기 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 각각은 약 45도 내지 약 120도의 조명 필드를 가지며, 상기 2개 이상의 카메라 각각은 약 45도 내지 약 120도의 시야를 갖는, 구강 내 스캐닝 장치.
  22. 청구항 13에 있어서,
    상기 패턴 생성 광학 요소는 상기 광 패턴을 생성하기 위해 회절 또는 굴절 중 적어도 하나를 이용하도록 구성되고, 상기 패턴 생성 광학 요소는 적어도 90%의 광 처리량 효율을 갖는, 구강 내 스캐닝 장치.
  23. 청구항 13에 있어서,
    상기 구강 내 표면 상에 백색광을 투영하도록 구성된 적어도 하나의 균일한 광 프로젝터를 더 포함하며, 상기 2개 이상의 카메라 중 적어도 하나는 상기 균일한 광 프로젝터로부터의 조명을 사용하여 상기 구강 내 표면의 2차원 컬러 이미지를 캡처하도록 구성되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  24. 청구항 13에 있어서,
    상기 패턴 생성 광학 요소는 회절 광학 요소(diffractive optical element, DOE)를 포함하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 DOE는 어레이로 배열된 복수의 서브-DOE 패치로 분할되고, 각각의 서브-DOE 패치는, 상기 광원이 활성화될 때 이산 비연결 광 스폿의 분포가 생성되도록, 조명 필드의 상이한 영역에서 이산 비연결 광 스폿의 각각의 분포를 생성하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  26. 청구항 13에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로젝터 각각은, 상기 광원과 상기 패턴 생성 광학 요소 사이에 배치된 추가적인 광학 요소를 포함하고, 상기 추가 광학 요소는, 상기 추가적인 광학 요소를 통해 투과되는 광으로부터 베셀 빔(Bessel beam)을 생성하도록 구성되고, 상기 광 패턴은, 상기 패턴 생성 광학 요소에 중심을 두고 1mm 내지 30mm의 반경을 갖는 기하학적 구의 모든 내부 표면을 통해 0.06mm 미만의 직경을 유지하는 이산 비연결 광 스폿의 패턴을 포함하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 추가적인 광학 요소는 액시콘 렌즈(axicon lens)를 포함하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  28. 청구항 13에 있어서,
    상기 광 패턴은 이산 비연결 광 스폿의 분포를 포함하고, 조명 필드에서 각각의 직교 평면에 대한, 조명된 영역 대 비-조명된 영역의 비는 1:150~1:16인, 구강 내 스캐닝 장치.
  29. 구강 내 스캐닝을 위한 구강 내 스캐닝 장치로서, 상기 구강 내 스캐닝 장치는,
    원위 단부에 프로브를 포함하는 긴 휴대용 완드;
    상기 프로브 내에 배치된 하나 이상의 광 프로젝터 - 각각의 광 프로젝터는,
    활성화될 때 광을 생성하도록 구성된 광원;
    제1 광학 요소를 통해 투과되는 상기 광으로부터 베셀 빔을 생성하도록 구성된, 제1 광학 요소;
    패턴 생성 광학 요소 - 상기 패턴 생성 광학 요소는, 상기 베셀 빔이 상기 패턴 생성 광학 요소를 통해 투과될 때 광 패턴을 생성하도록 구성됨 - ;를 포함하고; 및
    2개 이상의 카메라;를 포함하고, 각각의 카메라는 카메라 센서 및 하나 이상의 렌즈를 포함하는 대물 렌즈(objective optics)를 포함하며, 각각의 카메라는 구강 내 표면 상의 투영된 광 패턴의 적어도 일부를 도시하는 복수의 이미지를 캡처하도록 구성되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  30. 청구항 29에 있어서,
    상기 광 패턴은 상기 패턴 생성 광학 요소로부터 약 1mm 내지 약 30mm 사이에 위치된 임의의 직교 평면에서 실질적으로 균일한 크기를 유지하는 이산 비연결 광 스폿의 패턴을 포함하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  31. 청구항 30에 있어서,
    상기 스폿은 상기 패턴 생성 광학 요소에 중심을 두고 1mm 내지 30mm의 반경을 갖는 기하학적 구의 모든 내부 표면을 통해 0.06mm 미만의 직경을 갖는, 구강 내 스캐닝 장치.
  32. 청구항 29에 있어서,
    상기 제1 광학 요소는 액시콘 렌즈를 포함하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  33. 청구항 32에 있어서,
    상기 액시콘 렌즈는 0.2-2도의 액시콘 헤드 각도를 갖는, 구강 내 스캐닝 장치.
  34. 청구항 29에 있어서,
    상기 제1 광학 요소와 상기 광원 사이에 빔 성형 광학 요소를 더 포함하며, 상기 빔 성형 광학 요소는 시준 렌즈(collimating lens)를 포함하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  35. 청구항 29에 있어서,
    각각의 카메라는, 상기 하나 이상의 렌즈 중에서 상기 카메라 센서로부터 가장 먼 렌즈로부터 약 1mm 내지 약 30mm 사이에 위치된 물체 초점면에 포커싱하도록 구성되는, 구강 내 스캐닝 장치.
  36. 청구항 29에 있어서,
    상기 하나 이상의 구조화된 광 프로젝터 각각은 약 45도 내지 약 120도의 조명 필드를 가지며, 상기 2개 이상의 카메라 각각은 약 45도 내지 약 120도의 시야를 가지며, 상기 광원은 적어도 하나의 레이저 다이오드를 포함하는, 구강 내 스캐닝 장치.
  37. 청구항 29에 있어서,
    상기 2개 이상의 카메라 중 적어도 하나는 광 필드 카메라인, 구강 내 스캐닝 장치.
  38. 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델을 생성하는 방법으로서, 상기 방법은,
    구강 내 표면 상에 투영된 광 패턴의 적어도 일부를 도시하는 복수의 이미지를 수신하는 단계 - 상기 투영된 광 패턴은 구강 내 스캐너의 하나 이상의 광 프로젝터에 의해 투영되었고, 상기 광 패턴은 복수의 프로젝터 레이에 의해 형성되고, 상기 복수의 이미지는 상기 구강 내 스캐너의 2개 이상의 카메라에 의해 생성되었음 - ;
    상기 2개 이상의 카메라 각각의 카메라 센서 상의 픽셀에 대응하는 카메라 레이를 상기 복수의 프로젝터 레이 중에서의 프로젝터 레이에 연관시키는 캘리브레이션 데이터에 액세스하는 단계;
    상기 캘리브레이션 데이터를 이용하여, 상기 투영된 광 패턴의 적어도 일부에 대응하는 프로젝터 레이와 카메라 레이의 교차점을 결정하는 단계 - 상기 프로젝터 레이와 상기 카메라 레이의 교차점은 공간에서의 3차원 포인트와 연관됨 - ;
    특정 교차점에서 프로젝터 레이에 의해 상기 투영된 광 패턴이 있는 상태에서, 상기 2개 이상의 카메라의 동의에 기초하여 상기 투영된 광 패턴의 3차원 위치를 식별하는 단계; 및
    상기 구강 내 표면의 상기 디지털 3차원 모델을 생성하기 위해 식별된 3차원 위치를 사용하는 단계;를 포함하는, 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델 생성 방법.
  39. 청구항 38에 있어서,
    상기 광 패턴은 복수의 스폿을 포함하고, 상기 복수의 프로젝터 레이 각각은 상기 복수의 스폿 중에서의 일 스폿에 대응하는, 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델 생성 방법.
  40. 청구항 39에 있어서,
    각각의 프로젝터 레이는, 상기 2개 이상의 카메라 중 각각의 카메라의 상기 카메라 센서 상의 픽셀의 각각의 경로에 대응하고, 상기 3차원 위치를 식별하는 단계는 대응 알고리즘을 실행하는 단계를 포함하고, 상기 대응 알고리즘은,
    각각의 프로젝터 레이(i)에 대해, 프로젝터 레이(i)에 대응하는 카메라 센서 경로 상에서 각각의 검출된 스폿(j)에 대하여, 프로젝터 레이(i)에 대응하는 각각의 카메라 센서 경로 상에서, 프로젝터 레이(i)와, 검출된 스폿(j)에 대응하는 카메라 레이에 교차하는, 각각의 카메라 레이에 대응하는 각각의 스폿(k)을 검출한 다른 카메라의 개수를 식별하기 위해 실행되고 - 프로젝터 레이(i)는, 가장 높은 개수의 다른 카메라가 각각의 스폿(k)을 검출한, 검출된 스폿(j)을 생성한 특정 프로젝터 레이로 식별됨 - ; 그리고
    검출된 스폿(j) 및 각각의 검출된 스폿(k)에 대응하는 프로젝터 레이(i)와 각각의 카메라 레이의 교차점에서, 상기 구강 내 표면 상의 각각의 3차원 위치를 계산하기 위해 실행되는, 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델 생성 방법.
  41. 청구항 40에 있어서,
    상기 3차원 위치를 식별하는 단계는,
    상기 검출된 스폿(j) 및 상기 각각의 검출된 스폿(k)에 대응하는 각각의 카메라 레이와, 프로젝터 레이(i)를 고려에서 제외하는 단계; 및
    다음 프로젝터 레이(i)에 대하여 상기 대응 알고리즘을 다시 실행하는 단계를 더 포함하는, 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델 생성 방법.
  42. 청구항 39에 있어서,
    상기 구강 내 스캐너의 온도 센서에 의해 생성된 온도 데이터를 수신하는 단계 - 상기 온도 데이터는 상기 하나 이상의 광 프로젝터 또는 상기 2개 이상의 카메라 중 적어도 하나의 온도를 나타냄 - ; 및
    상기 온도 데이터에 기초하여, 복수의 각각의 온도에 대응하는 복수 세트의 저장된 캘리브레이션 데이터의 사이에서 선택하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 저장된 캘리브레이션 데이터의 각각의 세트는 각각의 온도에 대해, (a) 상기 하나 이상의 프로젝터 각각으로부터 투영된 광 스폿 각각에 대응하는 프로젝터 레이 및 (b) 상기 하나 이상의 카메라의 각각의 카메라 센서 상의 각각의 픽셀에 대응하는 카메라 레이를 나타내는, 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델 생성 방법.
  43. 청구항 39에 있어서,
    상기 광 패턴은 비-코딩된 구조화된 광 패턴을 포함하고, 상기 복수의 스폿은 이산 비연결 광 스폿의 대략 균일한 분포를 포함하는, 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델 생성 방법.
  44. 청구항 39에 있어서,
    상기 복수의 스폿은 제1 파장을 갖는 제1 서브 세트 스폿 및 제2 파장을 갖는 제2 서브 세트 스폿을 포함하고, 상기 캘리브레이션 데이터는 상기 제1 파장에 대한 제1 캘리브레이션 데이터 및 상기 제2 파장에 대한 제2 캘리브레이션 데이터를 포함하는, 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델 생성 방법.
  45. 청구항 38에 있어서,
    상기 광 패턴에 대한 상기 구강 내 스캐너의 타겟의 위치를 나타내는 데이터를 상기 2개 이상의 카메라로부터 수신하는 단계 - 상기 타겟은 복수의 영역을 가지며, 각각의 광 프로젝터는, 상기 각각의 광 프로젝터의 조명 필드에 상기 타겟의 적어도 하나의 영역을 가지며, 각각의 카메라는, 상기 각각의 카메라의 시야에 상기 타겟의 적어도 하나의 영역을 가짐 - ;
    수신된 데이터를 상기 타겟의 저장된 캘리브레이션 위치와 비교하는 단계 - (i) 상기 타겟의 위치를 나타내는 상기 수신된 데이터, 및 (ii) 상기 타겟의 상기 저장된 캘리브레이션 위치 사이의 불일치는, 상기 프로젝터 레이 및 상기 카메라 레이 각각의 캘리브레이션 값으로부터 상기 프로젝터 레이 및 상기 카메라 레이의 시프트를 나타냄 - ; 및
    상기 3차원 위치의 식별에서 상기 프로젝터 레이 및 상기 카메라 레이의 상기 시프트를 고려하는 단계;를 더 포함하는, 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델 생성 방법.
  46. 청구항 38에 있어서,
    상기 구강 내 표면 상에 상기 광 패턴을 투영하기 위해, 상기 하나 이상의 광 프로젝터 각각을 구동하는 단계; 및
    상기 복수의 이미지를 캡처하기 위해, 상기 2개 이상의 카메라 각각을 구동하는 단계;를 더 포함하는, 구강 내 표면의 디지털 3차원 모델 생성 방법.
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