KR20240056571A

KR20240056571A - 소형 구강 내 3d-스캐너 및 이를 최적화하는 방법

Info

Publication number: KR20240056571A
Application number: KR1020247011260A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 브룬 크리스티안센; 크리스토프 바나메
Original assignee: 쓰리세이프 에이/에스
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2024-04-30
Also published as: WO2023036876A1; EP4399480A1; CN118019956A

Abstract

본 개시내용은 일반적으로 소형 구강 내 3D-스캐너에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 소형 구강 내 3D-스캐너의 조건을 만족시키는 분야, 특히 구강 내 3D 스캐닝이 최적으로 수행되도록 하는 분야에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한, 소형 구강 내 3D-스캐너를 최적화하는 방법에 관한 것이다.

Description

소형 구강 내 3D-스캐너 및 이를 최적화하는 방법

본 개시내용은 일반적으로 소형 구강 내 3D-스캐너에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 소형 구강 내 3D-스캐너의 조건을 만족시키는 분야, 특히 구강 내 3D-스캐닝이 최적으로 수행되도록 하는 분야에 관한 것이다. 본 개시내용은 추가로 소형 구강 내 3D-스캐너를 최적화하는 방법에 관한 것이다.

3D-스캐닝은 수십 년 동안 다양한 3D 스캐닝 기술들이 적용된 다양한 산업 분야들에서 확고히 자리 잡았다. 일부 3D 스캐닝 기술들은 삼각 측량과 관련이 있고, 다른 기술들은 공초점(confocal), 초점 심도(depth-from-focus) 또는 비초점 심도(depth-from-defocus)와 관련이 있다.

삼각 측량은 광 투사 방향과는 서로 다른 하나, 둘 또는 그 이상의 서로 다른 방향들로부터 장면을 보는 것을 기반으로 한다.

공초점 스캐닝은 기계식 또는 색채식일 수 있다. 기계식 공초점 스캐닝에서는 렌즈와 같은 광학 요소가 기계적으로 앞뒤로 움직이며 체적을 스캔하고, 투사된 광이 검출기 평면에서 공간적으로 필터링된다. 색채식 공초점 스캐닝에서는 색채가 높은 재료를 통해 광을 비추고 스캐닝 파장을 변경하여 체적을 스캔하는 반면, 투사된 광은 검출기 평면에서 공간적으로 필터링된다.

초점 심도 스캐닝에서는 렌즈와 같은 광학 요소를 앞뒤로 움직여 체적을 스캔하고 공간 필터링 없이 초점 측정값으로부터 심도를 추정한다. 비초점 심도 스캐닝에서는 2 개의 이미지들을 캡처하는 것 사이에 조리개와 같은 광학 속성이 변경되며, 2 개의 이미지들 사이의 비초점의 정도를 결정하여 깊이를 추정한다.

기계식 공초점 스캐닝 및 초점 심도 스캐닝 모두는 앞뒤로 움직여 체적을 스캔하는 광학 요소를 갖는다. 이 점에서, 이들은 서로를 연상시키게 하지만, 초점 심도는 기계식 공초점 스캐닝에 비해 많은 이점을 제공한다.

예를 들어, 기계식 공초점 스캐너에서 처럼 초점 심도 스캐너에서 광이 공간적으로 필터링되지 않기 때문에, 초점 심도 스캐너에서는 기계식 공초점 스캐너에서보다 훨씬 더 높은 광 투과율을 제공한다. 따라서, 전형적으로 기계식 공초점 스캐너에 사용되는 것과 같은 고전력 레이저 대신 발광 다이오드(LED)와 같은 저전력 광원을 초점 심도 스캐너에 사용할 수 있다. 이는 기계식 공초점 스캐너에 비해 초점 심도 스캐너는 전형적으로 기계적 구조가 더 간단하고, LED를 사용하여 컬러 이미지들도 제공할 수 있으므로 예를 들어, 추가 광원도 필요하지 않는 등 더 많은 이점들을 의미한다. 이 모든 것은 또한 초점 심도 스캐너가 전형적으로 기계식 공초점 스캐너보다 작다는 것을 의미한다. 또한, 위에서 설명한 바와 같이, 초점 심도 스캐너는 전형적으로 더 낮은 제조 비용과 연관된다.

이러한 장점들 및 사실들 중 일부는 논문 ["Applied multifocus 3D microscopy" by Zamofing et al., SPIE Vol. 5265-19, 2003]에 일반적으로 설명되어 있다. 이 논문에서는 초점 심도(다초점 3d 현미경), 색채식 공초점 스캐닝(색수차), 기계식 공초점 스캐닝(공초점 현미경) 및 백색광 간섭계와 같은 서로 다른 스캐닝 기술들을 비교한다.

치과 분야에서도 3D 스캐닝은 잘 정립되어 있으며, 3D 랩-스캐너들을 사용한 인상채득 스캐닝(impression scanning)과 3D 구강 내 스캐너들을 사용한 구강 내 스캐닝 모두에 스캐너들이 사용된다. 위에서 설명한 바와 같은 다양한 스캐닝 기술들은 적어도 지난 40 년 동안 구강 내 스캐닝 분야에 적용되고 발전해 왔다.

3D 구강 내 스캐너들은 구현된 스캐닝 기술을 포함하여 여러 요인들에 따라 다양한 크기들로 개발되었다. 소형의 가벼운 구강 내 3D-스캐너를 제공하는 것이 바람직하다. 첫째, 소형의 가벼운 스캐너는 작업자가 스캐닝 세션 동안 구강 내 3D-스캐너를 쉽게 다룰 수 있게 해준다. 구강 내 3D-스캐너가 가볍고 소형이면, 구강 내에서 스캐너를 부드럽게 움직이면서 정보를 얻을 수 있고, 일부 경우들에서는 스캐너의 그립을 조정할 필요가 없기 때문에 유리하다. 둘째, 소형 스캐너는 구강 내 3D-스캐너를 입안에 삽입할 때 환자가 편안하게 사용할 수 있다. 소형 스캐너는 공간이 제한된 구강 내 부위들에도 도달할 수 있다는 점을 추가로 보장할 수 있다. 오늘날 대부분의 구강 내 스캐너들은 비교적 크기가 크므로 소형 구강 내 스캐너들을 제공하는 것이 바람직하다.

소형 3D 구강 내 스캐너는 US 2018/0192877에 설명되어 있다.

US 2018/0192877은 소형 구강 내 3D-스캐너를 설명하지만, US 2018/0192877은 최적의 구강 내 3D-스캐너를 제공하는 방법을 개시하지 않는다.

따라서, 소형의 가벼운 구강 내 3D-스캐너를 제공하고, 또한 소형의 가벼운 구강 내 3D-스캐너를 최적화하는 것에 대한 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

본 개시내용은 소형 구강 내 3D-스캐너를 제공한다.

본 개시내용은 소형 구강 내 3D-스캐너를 제공하며, 소형 구강 내 3D-스캐너는,

- 수평 센서 크기(H_sensor)로 정의되는 검출기 ― 여기서, H_sensor는 10 ㎜ 미만이고, 그리고 검출기는 픽셀들의 어레이를 포함하며, 각각의 픽셀은 픽셀 너비(d_pixel)로 정의되고; 하나 이상의 광학 요소(들)가 시야(H_FOV)를 정의하는데, 시야(H_FOV)는 H_FOV = m H_sensor에 의해 센서 크기와 관련되며, 여기서 m은 m=1.5보다 큰 배율임 ―;

- 적어도 일차 파장(λ)으로 정의된 광을 방출하기 위한 광원 ― 광원에 의해 스캐너가 구강 내 물체에 광을 조사하도록 구성됨 ―;

- 광원, 하나 이상의 광학 요소(들) 및 검출기와 광통신을 하는 빔 스플리터(beam splitter) ― 여기서, 하나 이상의 광학 요소(들)는 구강 내 물체에서 광의 초점면을 이동시키도록 구성된 광학 초점 요소이고, 초점면은 하나 이상의 광학 요소(들)의 물체-공간 개구수(NA_object)에 의해 정의됨 ― 를 포함하며,

o 픽셀 너비(d_pixel)는 10 미크론 미만이고; 그리고

o 구강 내 3D-스캐너는 0.20 ≤ ξ ≤ 0.6의 조건을 만족하며, 여기서

ξ= (λ((1+1/m)) / (m d_pixel NA_obj)이다.

본 개시내용은 추가로 구강 내 3D-스캐너를 최적화하기 위한 방법을 제공한다.

방법은 이하의 단계들:

- 구강 내 3D-스캐너용 광학 시스템을 제공하는 단계 ― 구강 내 3D 스캐너는,

o 수평 센서 크기(H_sensor)로 정의되는 검출기 ― 여기서, H_sensor는 10 ㎜ 미만이고, 그리고 검출기는 픽셀들의 어레이를 포함하며, 각각의 픽셀은 픽셀 너비(d_pixel)로 정의되고; 하나 이상의 광학 요소들이 시야(H_FOV)를 정의하는데, 시야(H_FOV)는 H_FOV = m H_sensor에 의해 센서 크기와 관련되며, 여기서 m은 m=1.5보다 큰 배율임 ―;

o 적어도 일차 파장(λ)으로 정의된 광을 방출하기 위한 광원 ― 구강 내 3D-스캐너가 구강 내 물체에 광을 조사하도록 구성됨 ―;

o 광원, 하나 이상의 광학 요소(들) 및 검출기와 광통신을 하는 빔 스플리터 ― 여기서, 하나 이상의 광학 요소(들)는 구강 내 물체에서 광의 초점면을 이동시키도록 구성되고, 초점면은 하나 이상의 광학 요소(들)의 물체-공간 개구수(NA_object)에 의해 정의됨 ―

를 포함함 ―;

- 피사계 심도(DOF_object)와 관련하여 NA_obj ² = λ / DOF_object로 정의되는 구강 내 3D-스캐너의 물체-공간 개구수를 선택하는 단계; 및

- 픽셀 너비(d_pixel)가 10 미크론 미만이도록, 이미징 센서의 픽셀 너비(d_pixel)를 d_pixel = λ((1+1/m)) / (m ξ NA_obj)(여기서, ξ는 0.20 ≤ ξ ≤ 0.6임)이 되도록 선택하여 소형 구강 내 3D-스캐너를 최적화하는 단계를 포함한다.

현재 개시된 소형 구강 내 3D-스캐너 및 소형 구강 내 3D-스캐너를 최적화하기 위한 방법을 보다 상세하게 이해하기 위해, 본 발명에 이르게 된 발명자의 통찰과 함께 방정식들의 도출을 설명한다.

발명에 이르게 된 이론과 통찰

횡배율은 이미지의 높이를 물체의 높이로 나눈 값이다:

m_T = h_image/h_object. (1)

횡배율은 측면 배율 또는 선형 배율 또는 포물선 배율이라고도 한다.

머신 비전에서, 소위 기본 배율(primary magnification)인 M은 다음과 같이 정의된다.

M = H_sensor/H_FOV, (2)

여기서, H_sensor는 수평 센서 크기이고, H_FOV는 수평 시야(FOV)이다.

이는 아래 관계에 의해 횡배율에 대응한다:

M = |m_T|. (3)

기본 배율의 역수를 간단히 배율(m)이라고 하므로 다음과 같다:

m = |1/M|. (4)

종배율이라고도 하는 축배율(m_z)은 아래 관계에 의해 횡배율과 관련이 있다:

m_z = n₀/n₁ m_T ², (5)

여기서, n₀은 공기의 굴절률이고, n₁은 렌즈의 굴절률이다. 스캐너와 같은 광학 시스템의 경우, 일반적으로 n₀은 물체 측 매체의 굴절률이고, n₁은 물체 측 매체에 대한 굴절률이다. 근사치 또는 인 특수한 경우들의 근사치는 다음과 같다:

(6)

횡배율 및 종배율 외에도 각도 배율(m_A)이라고 하는 배율 계수도 있다. 각도 배율과 횡배율 사이에는 다음과 같은 관계가 존재한다:

(7)

또한, 축배율과 각도 배율 사이에는 다음과 같은 관계가 존재한다:

(8)

따라서, 다음과 같다:

(9)

따라서, 광학 시스템의 축배율이 증가하면, 횡배율도 증가하고, 그리고/또는 각도 배율은 감소한다.

피사계 심도(DOF)는 다음 관계로 구할 수 있다:

DOF_object = n₀λ / NA_obj ², (10)

여기서, 물체-공간 개구수는 다음과 같이 정의된다:

NA_object = n₀ sinθ_object, (11)

여기서, θ_object는 렌즈에 들어오고 나갈 수 있는 광추면의 최대 반각이다.

이미지-공간 개구수도 비슷하게 정의된다:

NA_image = n₀ sinθ_image (12)

여기서, θ_image는 렌즈로 들어오고 나갈 수 있는 광추면의 최대 반각이고, N_W는 작동 f-수이다.

배율인 m도 다음과 같은 관계로 구할 수 있는 것을 알 수 있다:

m = NA_image/NA_object = 1/M (13)

따라서, 방정식 (10), 방정식 (12) 및 방정식 (13)을 기반으로 피사계 심도는 다음과 같이 근사화할 수 있다:

DOF_object = n₀ λ / NA_obj ² (14)

근사치로, 작동 f-수는 다음과 같이 근사화할 수 있다:

(15)

여기서, m_T는 음수이고, P는 동공 배율로, 출구동의 직경 대 입구동의 직경의 비율, 즉, d_Enp/d_Enp이다.

따라서, 작동 f-수는 다음과 같이 표기될 수 있다:

(16)

여기서, β는 동공 배율(P)과 배율(m)에 따라 달라지는 상수이다. 상수(β)는 β =(1+1/m 1/P)/(1+1/m)으로 표기되며, 대칭 및 텔레센트릭 렌즈들의 경우, P=1에 대해 β=1로 줄어든다. 비대칭 및 비텔레센트릭 렌즈들의 경우 β≠1이 된다. 따라서, β는 비텔센트릭성의 정도에 따라 달라지는 상수이다.

피사계 심도(DOF_object) 다음과 같이 배율에 따른 피사계 심도(DOF_image)와 관련이 있다:

DOF_object = 1/m² DOF_image = M² DOF_image. (17)

이는 배율과 피사계 심도의 정의에서 바로 이어진다. 따라서, 주어진 피사계 심도와 큰 배율(m)의 경우에는, 해당 피사계 심도가 감소한다.

초점 심도는 애플리케이션과 시각적 인식 또는 대비에 따라 달라지는 상수인 소위 허용 가능한 착란원(CoC)-직경인 d_CoC와 관련이 있는 것으로 알려져 있다.

초점 심도는 CoC와 관련하여 다음과 같이 정의된다:

DOF_image = 2 d_CoC N (18)

이미지 센서를 사용하는 디지털 이미징에서 d_CoC는 전형적으로 픽셀 크기와 동일하게 설정된다, 즉, d_CoC = d_pixel이다. 그러나 이는 다소 엄격한 기준이며, 보다 완화된 기준은 허용 가능한 착란원이 2 픽셀들로 설정된 경우, 즉 d_CoC = 2d_pixel로 정의된다.

이를 염두에 두고, 초점 심도는 다음과 같이 표기될 수 있다:

DOF_image = 2 α d_pixel N, (19)

여기서, α = d_CoC/d_pixel은 샘플링 정도에 따라 달라지는 상수이다. 전형적인 비전 시스템들에서 α는 1 내지 2로 설정된다. 설명한 바와 같이, 이는 애플리케이션에 따라 다르다. 정의에 따라, α는 허용 가능한 착란원이 어떻게 정의되는지에 따라 달라지므로, α는 명확한 상수가 아니다.

방정식 (14) 및 방정식 (16)에서, 피사계 심도는 다음과 같이 근사화할 수 있다:

DOF_image (20)

방정식 (19) 및 방정식 (20)으로부터 다음 식을 구할 수 있다:

2 n₀ λ (β(1+1/m) N)² = α d_pixel N (21)

따라서, 공기의 경우처럼 n₀ =1로 설정하면, f-수는 다음과 같이 구할 수 있다:

N = α d_pixel/(2 λ (β²(1+1/m)²) (22)

방정식 (19) 및 방정식 (22)를 사용하면, 피사계 심도는 다음과 같다:

DOF_image = α² d_pixel ²/(2 λ (β²(1+1/m)²) (23)

따라서, 초점 심도는 다음과 같이 계산할 수 있다:

DOF_object = m²α²/ β² d_pixel ²/(2 λ ((1+1/m)²) = m² ξ² d_pixel ²/(2 λ ((1+1/m)²), (24)

여기서, ξ = α/ β는 상수이며, α 및 β와 마찬가지로 본 개시에서 정의되었다. 정의에 따르면, ξ는 샘플링의 정도와 비-텔레센트릭성에 대한 정도에 따라 달라진다. 정의에 따르면, ξ는 다음과 같다:

ξ = α/ β = d_CoC (1+1/m)/ ((1+1/m 1/P)d_pixel) (25)

전형적으로 잘 샘플링된 시스템의 경우, α는 1 내지 2이고, 텔레센트릭 시스템의 경우 β =1이므로, ξ는 전형적으로 1 내지 2이다. 특히, 허용 가능한 착란원이 잘 정의되어 있지 않고 애플리케이션에 따라 달라지기 때문에, 구강 내 3D-스캐너의 최적 ξ-값이 무엇인지 명확하지 않다. 그러나 방정식 (24)에서 다음과 같이 계산할 수 있다:

ξ = DOF_object ^1/2 (λ^1/2((1+1/m)) / (m d_pixel) (26)

또는, 간단히

ξ = λ((1+1/m)) / (m d_pixel NA_obj) (27)

본 개시내용의 발명자들은 설계된 대로 최적화된 여러 구강 내 3D-스캐너들의 경우, 구강 내 물체에서 광의 초점면을 이동시키는 광학 초점 요소를 포함하는 모든 3D-스캐너들은 ξ이 ξ = 0.4 주위에 놓인다는 것을 발견했다.

그러나, 예를 들어, ξ가 0.2 내지 0.6으로 변화하는 것, 바람직하게는 ξ가 0.30 내지 0.55로 변화하는 것, 더 바람직하게는 ξ가 0.30 내지 0.50으로 변화하는 것, 더 바람직하게는 ξ가 0.3 내지 0.45로 변화하는 것과 같은 변형들도 허용되는 것으로 밝혀진다.

설명한 바와 같이, ξ는 애플리케이션에 따라 달라지며, 샘플링 정도 및 비-텔레센트릭성의 정도에 따라 달라지도록 정의된다. 사실상 ξ는 최적의 해상도를 정의한다. 따라서, ξ가 너무 작으면, 신호 대 잡음비가 너무 작아져 정확한 깊이 추정이 불가능하고, ξ가 너무 크면, 해상도가 너무 부정확해져 정확한 깊이 추정을 제공할 수 없게 된다. 구강 내 3D 스캐닝을 위한 최적의 조건들이 무엇인지 명확하지 않다.

본 개시내용의 발명자들은 본 명세서에 개시된 바와 같이, 초점면을 이동하도록 구성된 광학 초점 요소를 포함하는 최적의 구강 내 3D-스캐너는 광학 설계가 0.20 ≤ ξ ≤ 0.6, 더 바람직하게는 0.30 ≤ ξ ≤ 0.55, 더욱 바람직하게는 0.30 ≤ ξ ≤ 0.50, 가장 바람직하게는 0.3 ≤ ξ ≤ 0.45가 되도록 최적화될 때 제공된다는 것을 발견했다.

따라서, 이 특정 범위는 최적의 구강 내 3D-스캐너를 제공하기 위해 다양한 광학 파라미터들을 설정해야 하는 방법을 정의한다. 또한, 이 ξ 범위는 최적화된 구강 내 3D-스캐너를 위해 착란원이 정의되는 방식을 반영한다. ξ의 특정 범위는 광학 구강 내 3D-스캐너가 달성되었는지 여부를 정의한다.

본 발명을 설명하는 예

일 예로서, 발명자들은 다음과 같은 센서 파라미터를 가진 소형 구강 내 3D-스캐너를 설계했다:

- H_sensor = 7.86 ㎜;

- d_pixel = 7.8 ㎛;

소형 구강 내 3D-스캐너를 설계할 때, 시야가 구강 내 3D 스캐닝에 적용 가능한, 즉 약 15 내지 20 ㎜가 되어야 한다는 것이 요구되었다. 이 FOV를 확보하면, 스캐닝이 쉬워지고 스티칭 오류들이 최소화된다. FOV가 20 ㎜에 매우 근접해야 한다는 결정에 따라, 배율이 아래와 같아야 한다는 정의가 뒤따랐다:

- m = 2.46

또한, 구강 내 스캐너는 다색광으로 작동해야 하므로 일차 파장(primary wavelength)을 다음과 같이 설정해야 했다:

- λ = 530 ㎚ = 0.53 ㎛.

소형 구강 내 3D-스캐너를 설계할 때, 최종적으로 최적화된 설계는 NA_obj = 0.109로 끝났으며, 44 ㎛의 피사계 심도(DOF_image)를 제공하였다.

이 수치를 방정식 (27)에 대입하면, ξ-값은 ξ = 0.35가 되며, 이를 통해 본 명세서에 개시된 구강 내 3D-스캐너에 따라 설계된 구강 내 3D-스캐너가 구강 내 3D-스캐닝에 최적으로 설계되었음을 확인할 수 있다.

0.53 ㎛ 미만의 일차 파장을 사용하면, ξ가 더 낮은 값으로 분명히 변경되므로, ξ=0.35 미만의 낮은 값들도 구강 내 3D-스캐닝에 최적이라는 것을 알 수 있다.

위의 예는 네 가지 파라미터들인 m, λ, d_pixel, NA_obj가 설정되면, 광학 설계가 구강 내 3D-스캐닝에 최적화되었는지, 그리고 이에 따라, 본 개시내용에 따라 최적화되었는지 확인할 수 있음을 보여준다.

배율 계수는 센서 크기와 시야 사이의 관계를 측정하여 설정할 수 있다. 파장, 픽셀 크기 및 개구수도 측정할 수 있다. 네 가지 파라미터들은 추가로, 모두 Zemax, OSLO 또는 Code V와 같은 광학 설계 프로그램으로부터 직접 찾을 수 있다.

네 가지 파라미터인 m, λ, d_pixel, NA_obj 중 세 가지 파라미터들만 설정할 수 있는 경우, 본 개시내용에 따라 제4 파라미터는 ξ가 0.2 내지 0.6여야 함을 요구함으로써 최적화될 수 있다.

본 개시내용은 ξ가 0.2 내지 0.6여야 한다는 것을 요구함으로써, d_pixel을 정확하게 선택하여 광학 설계를 최적화하는 방법을 제공한다.

설계를 최적화할 수 없는 경우, 적어도 구강 내 3D-스캐닝에 최적화하기 위해 제4 파라미터가 무엇이어야 하는지 명시할 수 있다.

후자의 일 예로서, US 2018/0192877에 개시된 설계에 주목할 수 있다. 이 개시내용에서, 도 4a는 소형 구강 내 3D-스캐너를 보여준다. 시야가 예시되고, 수평 FOV가 18 ㎜인 것으로 도시된다. 빔 스플리터가 예시되고, 10 ㎜로 도시되어 있으며, 이로부터 빔 스플리터의 대략 절반 크기인 센서의 수평 크기가 대략 5 ㎜라는 것을 추론할 수 있다. 이로부터, 배율(m)은 대략 이라는 것을 추론할 수 있다.

US 2018/0192877은 광학 시스템들의 NA_object 또는 픽셀 크기를 공개하지 않으므로, US 2018/0192877의 도 4a에 도시된 것처럼 시스템에 대한 이러한 파라미터들은 공개되어 있지 않다.

그러나 US 2018/0192877은 스캐너가 공초점 스캐너이며 핀홀의 크기가 광학 시스템의 개구수 및 광원의 파장에 맞게 구성될 수 있음을 개시한다. 더 자세한 내용들은 제공되지 않는다.

그러나 공초점 스캐닝에서, 핀홀이 필요한 경우 최적의 핀홀은 다음과 같은 관계에 의해 주어진다는 것은 잘 알려져 있다:

d_pinhole = 0.5 M_obj λ /NA_object (28)

여기서, M_obj는 현미경의 대물 배율이다.

현미경의 대물 배율인 M_obj는 본 명세서에 개시된 배율인 m의 역수이다. 또한, 공초점 스캐너에서 핀홀은 픽셀 크기(d_pixel)와 일치해야 한다는 것도 잘 알려져 있다. 따라서, US 2018/0192877에 공개된 것과 같은 공초점 스캐너의 경우, 최적의 개구수는 다음과 같아야 한다는 것을 확인할 수 있다:

NA_{object, confocal} = (0.5 1/3.6 λ)/ d_pixel = 0.139 λ/ d_pixel. (29)

이는 공초점 현미경에서 해상도, 즉 해상 가능한 두 점들 사이의 거리가 다음과 같이 주어진다는 잘 정립된 사실에서도 알 수 있다:

r_confocal = 0.8 λ / NA_{object, confocal}. (30)

또한, 잘 샘플링된 공초점 스캐너에서, 이미지 샘플링을 위한 최적의 픽셀 크기는 공간 해상도의 적어도 절반이며, 이를 나이퀘스트(Nyquest) 샘플링 정리라고 한다. 따라서, 공초점 스캐너에서는,

d_pixel = r_confocal/2 = 0.4 λ / NA_{object, confocal} = 0.4 λ / NA_{object, confocal} (31)

공초점 스캐너의 경우 배율(m)을 고려하면 다음과 같이 구할 수 있다:

d_pixel = 0.4 λ M / NA_{object, confocal} = 0.4 λ / (m NA_{object, confocal}), (32)

따라서, 방정식 (28)에 설명된 공초점 핀홀과 일치한다. 따라서, 공초점 스캐너의 개구수는 다음과 같다:

NA_{object, confocal} = 0.4 λ m / d_pixel, (33)

m = 3.6의 경우, 다음과 같은 관계를 얻을 수 있다:

NA_{object, confocal} = 0.111 λ/d_pixel, (34)

방정식 (29)에 주어진 바와 같이 최적의 개구수에 매우 가깝다.

비초점 스캐너의 경우, 해상도는 r_non-confocal = 1.22 λ / NA_object로 알려져 있다는 점에 유의하며, 따라서, 다음과 같다:

NA_{object, non-confocal} = 0.66 λ / (m d_pixel) (35)

이는 개구수가 동일하다면 공초점 스캐너가 비공초점 스캐너에 비해 실제로 √2배만큼 해상도가 향상된다는 것을 보여준다. √2배는 공초점 스캐너의 해상도에 대한 유도에서 직접 나온 것으로, 공초점 스캐너의 장점, 즉 더 정확한 해상도를 명확하게 보여준다.

위의 이해를 바탕으로, US 2018/0192877에 공개된 바와 같이, m=3.6인 공초점 스캐너의 개구수는 전형적으로 방정식 (29)에 따라 설정되므로, NA_{object, confocal} = 0.139 λ/ d_pixel이라는 것을 알 수 있다.

이 개구수는 본 명세서에 개시된 소형 구강 내 3D-스캐너에 의해 정의된 바와 같이 최적의 개구수와 비교할 수 있다. 서로 다른 두 스캐너들의 개구수들을 비교하기 위해, m도 m=3.6으로 동일하게 설정하여, 방정식 (27)을 통해 본 명세서에 개시된 소형 구강 내 3D-스캐너의 최적 개구수는 다음과 같다는 것을 알 수 있다:

NA_{object, intraoral 3D-scanner}= 0.355 λ / (d_pixel ξ). (36)

본 개시내용에 따른 최적 및 최소 최적 개구수는 ξ = 0.6일 때, 즉 다음과 같은 경우이다.

NA_{object, intraoral 3D-scanner} = 0.59 λ / d_pixel. (37)

방정식 (37)을 US 2018/0192877에 개시되고 도 4a와 관련하여 설명된 공초점 소형 스캐너의 최적 개구수, 즉 m=3.6인 경우 NA_{object, confocal} = 0.139 λ/ d_pixel인 잘 알려진 방정식 (29)와 비교함으로써, 공초점 스캐너의 최적 물체-공간 개구수는 본 명세서에 개시된 소형 구강 내 3D-스캐너의 최소 최적 개구수보다 약 4 배 작은 것으로 나타남을 알 수 있다.

방정식 (27)을 m = 3.6인 경우 NA_{object, non-confocal} = 0.183 λ/ d_pixel인 잘 알려진 방정식 (35)에 의해 정의된 비초점 스캐너의 최적 개구수와 비교하더라도, 전형적인 비초점 스캐너의 물체-공간 개구수는 본 명세서에 개시된 소형 구강 내 3D-스캐너의 개구수보다 3 배 이상 작다.

상기는 서두에서 설명한 바와 같이 전형적인 이미징 시스템의 경우, ξ는 전형적으로 1 내지 2인 반면, 본 개시내용에 따르면 구강 내 3D-스캐너의 경우 최적의 ξ는 ξ = 0.2 내지 ξ = 0.6임을 보여준다. 따라서, 일반 이미징 시스템의 ξ와 구강 내 3D 스캐너의 ξ 사이에는 적어도 1/0.6=1.66 배가 존재하며, 이는 최대 2/0.2=10 배가 될 수 있다.

위의 내용은 최적의 구강 내 3D-스캐너를 최적화하는 방법과 광학 설계가 최적인지 검증하는 방법을 보여준다.

또한, 위의 내용은 소형 구강 내 3D 스캐너의 최적 개구수가 비초점 및 공초점 스캐너들 모두에 대해 당업자에게 알려진 것과 매우 다르다는 것을 보여준다.

본 개시내용의 상기 및/또는 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 첨부 도면(들)을 참조하여 본 개시내용의 실시예들에 대한 이하의 예시적이고 비제한적인 상세한 설명에 의해 추가로 설명될 것이며, 여기서,
도 1은 본 개시내용에 따른 소형 구강 내 3D 스캐너의 일 예를 도시한다.

ξ의 바람직한 실시예들

"발명에 이르게 된 이론과 통찰" 섹션에서 설명한 바와 같이, 바람직한 실시예는 0.30 ≤ ξ ≤ 0.55에 대해 얻어진다. 이 범위는 주로 중간-가시광선 영역의 일차 파장을 가진 광에 최적인 것으로 밝혀졌다.

또한, 설명된 바와 같이, 보다 바람직한 실시예는 0.30 ≤ ξ ≤ 0.50에 대해 얻어진다. 이 범위는 대부분 피사계 심도를 제한하여 깊이 결정이 보다 최적으로 이루어지도록 함으로써 최적의 것으로 밝혀졌다.

마지막으로 설명한 바와 같이, 가장 바람직한 실시예는 0.30 ≤ ξ ≤ 0.45에서 얻어진다. 이 범위는 대부분 피사계 심도를 제한하여 깊이 결정이 가장 최적으로 이루어지도록 함으로써 가장 최적인 것으로 밝혀졌다.

ξ의 값은 피사계 심도(DOF)에 직접 연계되므로, 해당 DOF를 제공하는 것도 가능하다.

그러나, 본 개시내용의 가장 바람직한 실시예들에서, 피사계 심도(DOF)는 10 내지 100 미크론, 더 바람직하게는 20 내지 90 미크론, 가장 바람직하게는 약 35 내지 55 미크론 범위 내에 있다.

ξ 값과 마찬가지로 작은 DOF는 포인트 클라우드의 정확한 계산에 중요한 정확한 초점면을 더 정확하게 결정할 수 있는 이점이 있다. 현미경 검사에서는 전형적으로 10 미크론 미만의 DOF가 사용되지만, 구강 내 스캐닝에서는 필요하지 않다. 또한, 10 미크론 미만은 광학 초점 요소를 이동시키거나 평행이동시키기 위한 렌즈 인코더가 있는 모터와 같이 광의 초점면을 이동시키도록 구성된 디바이스의 해상도에 비해 너무 작을 수 있기 때문에 실용적이지 않을 수 있다. 반면에, DOF가 너무 크면 정확도에 심각한 영향을 미친다. 본 개시내용의 발명자들은 본 명세서에 개시된 바와 같이 스캐너의 구강 내 스캐닝에 대해 전술한 DOF 범위가 최적이라는 것을 발견했다.

확대 계수들

본 개시내용의 일 실시예에서, 배율 계수는 2.0 초과 2.9 미만이다. 이는 시야에 비해 상대적으로 작은 센서 크기를 제공한다.

본 개시내용의 다른 실시예에서, 배율 계수는 2.3 초과 2.5 미만이다. 이는 시야에 비해 상대적으로 작은 센서 크기를 제공하며, 광 수집 측면에서 최적이다.

하나 이상의 광학 요소(들) 및 광학 초점 요소

본 개시내용의 일 실시예에서, 구강 내 스캐너는 초점면이 10 내지 20 ㎜, 바람직하게는 12 내지 18 ㎜, 더 바람직하게는 약 15 ㎜ 이동하도록 구성된다. 이러한 초점면 이동은 크기가 약 10 ㎜인 치아들을 스캔하는 데 최적이다.

본 개시내용의 일 실시예에서, 초점면은 초점 거리만큼 평행이동하도록 광학 초점 요소를 구성함으로써 이동된다. 예를 들어, 광학 초점 요소는 평행이동 스테이지에서 초점 거리를 평행이동하는 광학 렌즈 요소일 수 있다.

바람직한 실시예에서, 초점 거리는 5 ㎜ 미만이다. 예를 들어, 초점 거리는 4 ㎜, 또는 3 ㎜, 또는 심지어 2 ㎜, 또는 1 ㎜일 수 있다.

본 개시내용의 가장 바람직한 실시예에서, 구강 내 스캐너는 초점면 이동과 초점 거리 사이의 비율인 초점 기어링이 2 초과, 더 바람직하게는 3 초과, 가장 바람직하게는 4 초과, 예를 들어 약 5가 되도록 구성된다. 약 5와 같이 초점 기어링이 높으면 스캐너가 매우 소형화된다. 예를 들어, 초점 이동이 약 15 ㎜이고 초점 기어링이 약 5인 경우, 초점 거리는 약 3 ㎜가 된다. 즉, 광학 초점 요소는 3 ㎜만 평행이동하면 된다.

본 개시내용의 보다 바람직한 실시예에서, 광학 초점 요소는 질량이 5 그램 미만인 광학 렌즈이다. 광학 렌즈가 5 그램 미만인 경우, 스캐너는 빠르게 스캔할 수 있으며, 즉 앞뒤로 움직일 수 있으며, 이러한 낮은 질량은 최적의 스캔 속도를 위한 솔루션을 제공한다.

보다 바람직한 실시예에서, 광학 렌즈는 싱글릿이다. 이는 소형 구강 내 스캐너를 간단하고 쉽게 제조할 수 있도록 한다.

가장 바람직한 실시예에서, 광학 초점 요소는 평행이동 스테이지에 의해 스캐닝 주파수에서 앞뒤로 평행이동되며, 여기서 평행이동 스테이지는 초당 약 20 스윕 이상, 바람직하게는 예를 들어, 초당 22 스윕 또는 바람직하게는 예를 들어, 초당 23 스윕, 바람직하게는 예를 들어, 초당 24 스윕, 또는 더 바람직하게는 예를 들어, 초당 25 스윕의 스캐닝 주파수에서 스캔하도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 평행이동 스테이지는 10 내지 12.5 ㎐의 주파수에서의 스캔하도록 구성될 수 있다. 10 내지 12.5 ㎐의 주파수에서 스캔을 달성하기 위한 한 가지 해결책은 광학 초점 요소를 5 그램 미만의 질량을 갖는 광학 렌즈 형태로 제공하거나, 그리고/또는 약 5인 초점-기어링을 제공하는 것이다. 질량이 5 그램 미만인 광학 렌즈와 약 5인 포커스 기어링을 모두 제공함으로써, 짧은 초점 거리와 낮은 질량이 모두 10 내지 12.5 ㎐의 스캐닝 주파수를 달성하는 데 기여하는 기술적 해결책이 제공되었다.

본 개시내용의 일 실시예에서, 하나 이상의 광학 요소(들)는 적어도 3 개의 렌즈 그룹들, 즉 빔 스플리터에 근접한 제1 렌즈 그룹, 빔 스플리터로부터 원거리의 제2 렌즈 그룹 및 제1 렌즈 그룹과 제2 렌즈 그룹 사이의 제3 렌즈 그룹이며, 광학 초점 요소는 제1 렌즈 그룹의 일부이다.

본 개시내용의 다른 실시예에서, 상기 렌즈 그룹들 각각은 구면 렌즈들만을 포함한다. 이러한 실시예는 구면 렌즈들이 예를 들어 비구면 렌즈들보다 제조가 더 간단할 수 있기 때문에 저비용 시스템을 제공할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 상기 렌즈 그룹들은 싱글릿들 또는 더블릿들만을 포함한다. 이러한 실시예는 또한 싱글릿들 또는 더블릿들이 예를 들어 트리플릿들보다 제조가 더 간단할 수 있기 때문에 저비용 시스템을 제공할 수도 있다.

관련 실시예에서, 제2 렌즈 그룹 및 제3 렌즈 그룹은 각각 더블릿들을 포함한다.

검출기 및 빔 스플리터

본 개시내용에 따르면, 구강 내 물체에서 광의 초점면을 이동시키도록 구성된 광학 초점 요소를 사용한 구강 내 3D 스캐닝은 전형적으로 휴대용 구강 내 3D-스캐너를 사용하여 수행된다.

따라서, 대부분의 실시예들에서, 본 명세서에 개시된 소형 구강 내 3D-스캐너는 휴대용이다.

휴대용 구강 내 3D 스캐닝에서, 데이터 수집을 위한 짧은 시간은 전형적으로 치아와 휴대용 디바이스의 상대적인 움직임을 제거하기 위한 전제 조건이다.

또한, 본 개시내용에서 언급된 바와 같이 3D-스캐닝 동안 광학 초점 요소가 구강 내 물체에서 광의 초점면을 이동시키는 것을 의미한다. 초점면이 이동하는 동안 스캐너는 소위 서브-스캔을 기록한다. 앞서 설명한 바와 같이, 초점면의 이동은 초점 렌즈와 같은 렌즈 요소를 초점 거리에 따라 평행이동시킴으로써 제공될 수 있다. 따라서, 초점 렌즈가 예를 들어 15 ㎜의 초점 거리만큼 평행이동하는 동안 전체 서브-스캔이 기록될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 서브-스캔은 1/10 초 미만, 더 바람직하게는 약 1/15 초 또는 가장 바람직하게는 약 1/20 초 내에 기록하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 바람직한 실시예에서, 검출기 또는 이미지 센서는 매우 빠른 연속으로 이미지들을 획득하도록 구성될 수 있다.

초점면의 이동은 구강 내 3D-스캐닝 동안 복수의 초점면들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 전체 서브-스캔은 200 개 이하의 초점면들과 같은 약 200 개의 초점면들 또는 50 개 미만의 초점면들과 같은 100 개 미만의 초점면들을 포함할 수 있다.

200 개의 초점면들을 갖는 실시예가 요구되는 경우, 초점 렌즈의 15 ㎜ 평행이동을 사용하면 이는 15 ㎜/200 ㎜ = 75 미크론의 깊이-해상도에 대응한다. 따라서, 이러한 실시예에서, 검출기 또는 이미지 센서는 15 x 200 fps = 3000 fps의 프레임-속도를 갖도록 구성될 수 있다.

다른 실시예들에서, 검출기는 약 3000 fps의 프레임-속도를 갖도록 구성되는 반면, 바람직한 실시예들에서, 검출기는 3000 fps 초과의 프레임-속도, 예를 들어 6000 fps 또는 훨씬 더 높은 프레임-속도, 예를 들어 12000 fps를 갖도록 구성된다.

더 낮은 깊이-해상도가 가능할 수 있는 대안적인 실시예들에서, 검출기는 3000 fps 미만, 예를 들어 약 2000 fps, 더 바람직하게는 약 1000 fps의 프레임-속도를 갖도록 구성된다.

매우 특수한 실시예들에서, 프레임-속도는 100 fps 미만, 예를 들어 약 30 fps일 수 있다.

바람직한 실시예에서, 검출기는 구강 내 3D-스캐닝의 목적에 적합한 프레임-속도로 구성된 CCD 센서일 수 있다. 전형적으로, 예를 들어 약 3000 fps 이상의 매우 높은 프레임-속도들은 CCD 센서로는 달성할 수 없다. 따라서, 가장 바람직한 실시예들에서 검출기는 CMOS 센서이다. CMOS 센서는 글로벌 셔터를 포함하기 때문에 CCD 센서에 비해 더욱 유리하다.

본 개시내용에 따르면, 검출기는 수평 센서 크기(H_sensor)가 10 ㎜ 미만이다. 따라서, 일부 실시예들에서, 수평 센서 크기(H_sensor)는 7.86 ㎜일 수 있다. 관련 실시예들에서, 수직 센서 크기는 6.74 ㎜일 수 있다. 즉, 센서의 활성 영역은 7.86 ㎜ x 6.74 ㎜일 수 있다. 이러한 예는 대각선을 따라 15 ㎜ 미만인 센서의 일 예이다.

또한, 본 개시내용에 따르면, 픽셀 너비(d_pixel)는 10 미크론 미만이다. 따라서, 일부 실시예들에서, 픽셀 너비(d_pixel)는 7.8 미크론일 수 있다.

일부 실시예들에서, 수평 센서 크기(H_sensor)는 7.86 ㎜이고, 픽셀 너비(d_pixel)는 7.8 미크론일 수 있다. 이러한 구성은 소형 스캐너를 제공한다.

본 개시내용과 관련하여 설명된 바와 같이, 더 큰 센서에 비해 더 작은 센서 또는 검출기는 전체 광학 시스템에 영향을 미친다. 예를 들어, 설명된 바와 같이, 광학 시스템의 측면 배율은 시야 및 센서 크기에 따라 달라진다. 따라서, 큰 센서가 있는 광학 시스템과 작은 센서가 있는 광학 시스템의 시야를 일정하게 유지하려는 경우 센서가 작을수록 측면 배율이 증가한다.

작은 센서(즉, 이 사례에서와 같이, 수평 센서 크기(H_sensor)가 10 ㎜ 미만인 센서)와 높은 프레임-속도(예를 들어, 초당 약 3000 프레임들 이상)를 모두 갖는 것은 최근까지 이러한 센서들이 존재하지 않았기 때문에 이전에는 가능하지 않았다. 그러나 소형 고속 센서들의 개발로 이제 이것이 가능해졌다. 따라서, 본 개시내용은 작은 센서 크기와 높은 프레임-속도를 정확히 조합하여 구강 내 스캐너를 설계하고 최적화할 수 있는 해결책을 제공한다.

즉, 측면 배율이 높으면 물체 개구수가 일정하게 유지되는 경우, 이미지 공간의 개구수가 추가로 변경된다. 따라서, 본 개시내용에 따른 작은 센서를 갖는 구강 내 스캐너를 설계하는 것은 센서 크기들이 큰 구강 내 스캐너를 설계하는 것과 비교하여 센서에 대한 광선들의 광선 각도에도 영향을 미친다. 단순하게 센서들이 작을수록 광선 각도들은 더 커진다.

입사각들이 큰 광선들은 코팅들과 센서 양자 효율에 문제가 될 수 있다.

일 실시예에서, 빔 스플리터는 특히 587.5618 ㎚의 파장에서 1.6 초과, 더 최적으로는 1.8 초과, 가장 최적으로 약 1.84666과 같은 높은 굴절률을 갖는다. 이러한 높은 굴절률로 인해 빔 스플리터 큐브와 같은 빔 스플리터 내부로의 입사 광선들이 감소한다. 따라서, 본 실시예는 전술한 과제에 대한 해결책을 제공한다. 특히, 본 명세서에 설명된 바와 같이 굴절률이 높으면, 센서에 대한 광선들의 입사각이 감소하는 효과가 있다. 그 결과 즉, 빔 스플리터로부터 센서까지의 거리가 짧아지기 때문에, 스캐너가 더 작아진다. 설명된 굴절률을 통해 제공되는 바와 같이 큐브 내부의 광범위한 광선 각도들의 감소는 즉, 코팅이 더 많은 광선들을 수용할 수 있기 때문에 빔 스플리터에 대한 광학 코팅의 효과에도 유리할 수 있다. 일 실시예에서, 빔 스플리터는 편광 코팅과 같은 코팅으로 코팅된다. 바람직한 실시예에서, 빔 스플리터는 위에서 설명한 바와 같이 높은 굴절률과 위에서 설명한 것과 같은 코팅을 모두 갖는다.

전술한 바와 같이 높은 굴절률을 갖는 빔 스플리터를 갖는 해결책(들)은 수평 센서 크기(H_sensor)가 10 ㎜ 미만인 작은 센서를 사용하는 해결책(들)을 제공하며, 적절한 검출이 제공되도록 보장할 수 있다.

광원

본 발명의 일 실시예에서, 스캐너는 광원과 빔 스플리터 사이에 위치한 조명 패턴을 더 포함하고, 이에 따라 조명 패턴이 물체에 이미지로 투사된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 구강 내 스캐너는 광원과 빔 스플리터 사이에 렌즈 모듈을 더 포함하며, 여기서 렌즈 모듈은 구강 내 스캐너의 광학 축을 따라 배치된 2 개의 렌즈들을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 광원은 LED 모듈이다.

예 1 - 소형 구강 내 3D-스캐너의 바람직한 실시예

도 1은 본 개시내용에 따른 소형 구강 내 3D-스캐너(1)의 바람직한 실시예를 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같은 바람직한 실시예에서, 검출기(2)는 대각선을 따라 15 ㎜ 미만이다. 검출기의 활성 영역은 구체적으로 7.86 ㎜ x 6.74 ㎜이다.

빔 스플리터(3)는 물체(도시되지 않음)로부터의 광을 검출기(2)로 향하게 한다. 또한, 빔 스플리터 큐브인 빔 스플리터(3)는 광원(4)(도시되지 않음)으로부터의 광을 물체(2)로 향하게 한다.

여기에 도시된 바람직한 실시예에서, 물체 측 개구수는 NA_object = 0.10이다.

또한, 여기에 도시된 바와 같이 바람직한 실시예에서, 스캐너(1)의 광원(4)으로부터 방출되는 광은 가시 영역에 있으며, 중심 또는 일차 파장은 약 500 내지 550 ㎚, 예를 들어 약 λ = 530 ㎚ = 0.53 ㎛라고 할 수 있다.

도 1은 구강 내 물체에서 광의 초점면을 이동시키도록 구성된 광학 초점 요소(6)인 광학 요소(5)를 더 보여준다.

스캐너는 총 3 개의 광학 요소(5)들을 포함한다. 이 실시예에서, 4 개의 광학 요소들은 렌즈 요소들이다.

초점면은 3 개의 광학 요소들(5)의 물체-공간 개구수(NA_object)에 의해 정의된다.

따라서, 방정식 (7)로부터 NA_object = 0.1에 해당하는 DOF_object는 다음과 같이 구할 수 있다:

DOF_object = 0.53 /0.1² = 53 미크론.

여기에 도시된 실시예에서 광학 요소들을 따른 광축은 거울과 같은 반사 표면(7)에 의해 구부러진다. 이를 통해 광이 구강으로 들어가 치아들 및 치은과 같은 구강 내부의 물체들을 향해 향할 수 있다.

이를 통해 구강 내부 물체들의 3D 모델을 제대로 얻을 수 있다. 그러나 거울이 없는 것과 같은 다른 설계들의 구강 내 스캐너도 가능하다.

본 실시예에서, 물체(들)는 도시되지 않았지만, 본 스캐너에 의해 제공되는 것과 같은 초점면(8)은 곡면이다.

본 명세서에 개시된 스캐너에 따르면, 광학 초점 요소(6)는 구강 내 물체에서 광의 초점면(8)을 이동시키도록 구성된다. 도 1에 표시된 바와 같이, 광학 초점 요소는 2 개의 수직선들(9 및 10) 사이에서 앞뒤로 평행이동하도록 구성된다. 전면 유리 요소(11)는 반사 표면(7) 앞에 위치한다. 초점면은 물체-공간 개구수에 의해 정의되므로, 물체 공간 개구수는 광학 초점 요소의 포지션에 따라 달라진다.

구강 내 3D-스캐너는 0.20 ≤ ξ ≤ 0.6이라는 조건을 만족한다는 것이 상기되며, 여기서 ξ는 다음과 같다:

ξ= (λ((1+1/m)) / (m d_pixel NA_obj).

따라서, 이는 ξ가 모든 초점면들에 대한 조건을 만족해야 한다는 의미이기도 한다. 따라서, 단일 ξ 값을 얻기가 매우 어렵고, 따라서, 위에서 설명한 범위도 이러한 변화를 반영한다.

본 개시내용에 대한 자세한 내용들은 이하의 항목들에서 제공된다.

항목들:

1. 소형 구강 내 3D-스캐너로서,

- 광원, 하나 이상의 광학 요소(들) 및 검출기와 광통신을 하는 빔 스플리터 ― 여기서, 하나 이상의 광학 요소(들)는 구강 내 물체에서 광의 초점면을 이동시키도록 구성된 광학 초점 요소이고, 초점면은 하나 이상의 광학 요소(들)의 물체-공간 개구수(NA_object)에 의해 정의됨 ―

를 포함하며,

o 픽셀 너비(d_pixel)는 10 미크론 미만이고; 그리고

ξ= (λ((1+1/m)) / (m d_pixel NA_obj)인, 구강 내 3D-스캐너.

2. 제1 항목에 있어서, 0.30 ≤ ξ ≤ 0.55인, 구강 내 3D-스캐너.

3. 제1 항목에 있어서, 0.30 ≤ ξ ≤ 0.50인, 구강 내 3D-스캐너.

4. 제1 항목에 있어서, 0.30 ≤ ξ ≤ 0.45인, 구강 내 3D-스캐너.

5. 제1 항목에 있어서, 배율 계수는 2.0 초과 3.0 미만인, 구강 내 3D-스캐너.

6. 제1 항목에 있어서, 배율 계수는 2.3 초과 2.9 미만인, 구강 내 3D-스캐너.

7. 제1 항목에 있어서, 구강 내 스캐너는 초점면이 10 내지 20 ㎜, 바람직하게는 12 내지 18 ㎜, 더 바람직하게는 약 15 ㎜ 이동하도록 구성되는, 구강 내 3D-스캐너.

8. 제7 항목에 있어서, 상기 초점면은 광학 초점 요소를 초점 거리만큼 평행이동하도록 구성함으로써 이동되며, 초점 거리는 5 ㎜ 미만, 예를 들어, 약 4 ㎜, 예를 들어 약 3 ㎜, 예를 들어 약 2 ㎜ 또는 예를 들어 약 1 ㎜인, 구강 내 3D-스캐너.

9. 제7 항목 또는 제8 항목에 있어서, 구강 내 스캐너는 초점면 이동과 초점 거리 사이의 비율이 2 초과, 보다 바람직하게는 3 초과, 가장 바람직하게는 4 초과, 예를 들어 약 5인 초점-기어링을 갖도록 구성되는, 구강 내 3D-스캐너.

10. 제1 항목 내지 제9 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 광학 초점 요소는 질량이 5 그램 미만인 광학 렌즈인, 구강 내 3D-스캐너.

11. 제1 항목 내지 제10 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 광학 초점 요소는 싱글릿인, 구강 내 3D-스캐너.

12. 제1 항목 내지 제11 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 광학 초점 요소는 평행이동(translation) 스테이지에 의해 스캐닝 주파수에서 앞뒤로 평행이동되도록 구성되고, 평행이동 스테이지는 10 ㎐ 내지 12.5 ㎐의 스캐닝 주파수에서 스캔하도록 구성되는, 구강 내 3D-스캐너.

13. 제1 항목 내지 제12 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 하나 이상의 광학 요소(들)는 적어도 3 개의 렌즈 그룹들, 즉 빔 스플리터에 근접한 제1 렌즈 그룹, 빔 스플리터로부터 원거리의 제2 렌즈 그룹 및 제1 렌즈 그룹과 제2 렌즈 그룹 사이의 제3 렌즈 그룹이며, 광학 초점 요소는 제1 렌즈 그룹의 일부인, 구강 내 3D-스캐너.

14. 제13 항목에 있어서, 상기 렌즈 그룹들 각각은 구면 렌즈들만을 포함하는, 구강 내 3D-스캐너.

15. 제13 항목 또는 제14 항목에 있어서, 상기 렌즈 그룹들 각각은 싱글릿(singlet)들 또는 더블릿(doublet)들만을 포함하는, 구강 내 3D-스캐너.

16. 제13 항목 내지 제15 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 제2 렌즈 그룹 및 제3 렌즈 그룹은 각각 더블릿을 포함하는, 구강 내 3D-스캐너.

17. 제1 항목 내지 제16 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 스캐너는 광원과 빔 스플리터 사이에 위치한 조명 패턴을 더 포함하며, 조명 패턴은 물체에 이미지로서 투사되는, 구강 내 3D-스캐너.

18. 제1 항목 내지 제17 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 구강 내 스캐너는 광원과 빔 스플리터 사이에 렌즈 모듈을 더 포함하고, 렌즈 모듈은 구강 내 스캐너의 광학 축을 따라 배치된 2 개의 렌즈들을 포함하는, 구강 내 3D-스캐너.

19. 제1 항목 내지 제18 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 광원은 LED 모듈인, 구강 내 3D-스캐너.

20. 소형 구강 내 3D-스캐너를 최적화하기 위한 방법으로서,

를 포함함 ―;

- 픽셀 너비(d_pixel)가 10 미크론 미만이도록, 이미징 센서의 픽셀 너비(d_pixel)를 d_pixel = λ((1+1/m)) / (m ξ NA_obj)(여기서, ξ는 0.20 ≤ ξ ≤ 0.6임)이 되도록 선택하여 소형 구강 내 3D-스캐너를 최적화하는 단계

를 포함하는, 구강 내 3D-스캐너 최적화 방법.

21. 제20 항목에 있어서, 피사계 심도(DOF_object)는 약 X 내지 Y이도록 선택되는, 구강 내 3D-스캐너 최적화 방법.

22. 제20 항목 또는 제21 항목에 있어서, 0.30 ≤ ξ ≤ 0.55인, 구강 내 3D-스캐너 최적화 방법.

23. 제20 항목 내지 제22 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 0.30 ≤ ξ ≤ 0.50인, 구강 내 3D-스캐너 최적화 방법.

24. 제20 항목 내지 제23 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 0.30 ≤ ξ ≤ 0.45인, 구강 내 3D-스캐너 최적화 방법.

25. 제20 항목 내지 제24 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 배율 계수는 2.0 초과 3.0 미만인, 구강 내 3D-스캐너 최적화 방법.

26. 제20 항목 내지 제25 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 배율 계수는 2.3 초과 2.5 미만인, 구강 내 3D-스캐너 최적화 방법.

27. 제20 항목 내지 제26 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 구강 내 3D-스캐너는 추가로 제7 항목 내지 제16 항목 중 어느 한 항목에 따라 구성되고, 그리고/또는 제17 항목 내지 제19 항목 중 어느 한 항목에 따른 특징들 중 임의의 특징을 더 포함하는, 구강 내 3D-스캐너 최적화 방법.

Claims

소형 구강 내 3D-스캐너로서,
- 수평 센서 크기(H_sensor)로 정의되는 검출기 ― H_sensor는 10 ㎜ 미만이고, 그리고 상기 검출기는 픽셀들의 어레이를 포함하며, 각각의 픽셀은 픽셀 너비(d_pixel)로 정의되고; 하나 이상의 광학 요소(들)가 시야(H_FOV)를 정의하는데, 시야(H_FOV)는 H_FOV = m H_sensor에 의해 상기 센서 크기와 관련되며, m은 m=1.5보다 큰 배율임 ―;
- 적어도 일차 파장(λ)으로 정의된 광을 방출하기 위한 광원 ― 상기 광원에 의해 상기 스캐너가 구강 내 물체에 광을 조사하도록 구성됨 ―;
- 상기 광원, 상기 하나 이상의 광학 요소(들) 및 상기 검출기와 광통신을 하는 빔 스플리터 ― 상기 하나 이상의 광학 요소(들)는 상기 구강 내 물체에서 광의 초점면을 이동시키도록 구성된 광학 초점 요소이고, 상기 초점면은 상기 하나 이상의 광학 요소(들)의 물체-공간 개구수(NA_object)에 의해 정의됨 ―
를 포함하며,
o 상기 픽셀 너비(d_pixel)는 10 미크론 미만이고; 그리고
o 상기 구강 내 3D-스캐너는 0.20 ≤ ξ ≤ 0.6의 조건을 만족하며,
ξ= (λ((1+1/m)) / (m d_pixel NA_obj)인, 구강 내 3D-스캐너.
제1 항에 있어서,
0.30 ≤ ξ ≤ 0.55인, 구강 내 3D-스캐너.
제1 항에 있어서,
0.30 ≤ ξ ≤ 0.50인, 구강 내 3D-스캐너.
제1 항에 있어서,
0.30 ≤ ξ ≤ 0.45인, 구강 내 3D-스캐너.
제1 항에 있어서,
배율 계수는 2.0 초과 3.0 미만인, 구강 내 3D-스캐너.
제1 항에 있어서,
배율 계수는 2.3 초과 2.5 미만인, 구강 내 3D-스캐너.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 초점 요소는 질량이 5 그램 미만인 광학 렌즈인, 구강 내 3D-스캐너.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 초점 요소는 평행이동(translation) 스테이지에 의해 스캐닝 주파수에서 앞뒤로 평행이동되도록 구성되고, 상기 평행이동 스테이지는 10 ㎐ 내지 12.5 ㎐의 스캐닝 주파수에서 스캔하도록 구성되는, 구강 내 3D-스캐너.
제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 스플리터는 상기 센서에 대한 광선들의 광선 각도를 감소시키기 위해 1.8 초과의 굴절률을 가지며, 이에 따라 상기 소형 구강 내 스캐너가 더욱 감소되는, 구강 내 3D-스캐너.
제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 요소(들)는 적어도 3 개의 렌즈 그룹들, 즉 상기 빔 스플리터에 근접한 제1 렌즈 그룹, 상기 빔 스플리터로부터 원거리의 제2 렌즈 그룹 및 상기 제1 렌즈 그룹과 상기 제2 렌즈 그룹 사이의 제3 렌즈 그룹이며, 상기 광학 초점 요소는 상기 제1 렌즈 그룹의 일부인, 구강 내 3D-스캐너.
제10 항에 있어서,
상기 렌즈 그룹들 각각은 구면 렌즈들만을 포함하는, 구강 내 3D-스캐너.
제10 항 또는 제11 항에 있어서,
상기 렌즈 그룹들 각각은 싱글릿(singlet)들 또는 더블릿(doublet)들만을 포함하는, 구강 내 3D-스캐너.
제10 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 렌즈 그룹 및 상기 제3 렌즈 그룹은 각각 더블릿을 포함하는, 구강 내 3D-스캐너.
소형 구강 내 3D-스캐너를 최적화하기 위한 방법으로서,
- 상기 구강 내 3D-스캐너용 광학 시스템을 제공하는 단계 ― 상기 구강 내 3D 스캐너는,
o 수평 센서 크기(H_sensor)로 정의되는 검출기 ― H_sensor는 10 ㎜ 미만이고, 그리고 상기 검출기는 픽셀들의 어레이를 포함하며, 각각의 픽셀은 픽셀 너비(d_pixel)로 정의되고; 하나 이상의 광학 요소들이 시야(H_FOV)를 정의하며, 상기 시야(H_FOV)는 H_FOV = m H_sensor에 의해 상기 센서 크기와 관련되며, m은 m=1.5보다 큰 배율임 ―;
o 적어도 일차 파장(λ)으로 정의된 광을 방출하기 위한 광원 ― 상기 광원에 의해 상기 구강 내 3D-스캐너가 구강 내 물체에 광을 조사하도록 구성됨 ―;
o 상기 광원, 상기 하나 이상의 광학 요소(들) 및 상기 검출기와 광통신을 하는 빔 스플리터 ― 상기 하나 이상의 광학 요소(들)는 상기 구강 내 물체에서 광의 초점면을 이동시키도록 구성되고, 상기 초점면은 상기 하나 이상의 광학 요소(들)의 물체-공간 개구수(NA_object)에 의해 정의됨 ―
를 포함함 ―;
- 피사계 심도(DOF_object)와 관련하여 NA_obj ² = λ / DOF_object로 정의되는 상기 구강 내 3D-스캐너의 물체-공간 개구수를 선택하는 단계; 및
- 상기 픽셀 너비(d_pixel)가 10 미크론 미만이도록, 이미징 센서의 픽셀 너비(d_pixel)를 d_pixel = λ((1+1/m)) / (m ξ NA_obj)(ξ는 0.20 ≤ ξ ≤ 0.6임)이 되도록 선택하여 상기 소형 구강 내 3D-스캐너를 최적화하는 단계를 포함하는, 구강 내 3D-스캐너 최적화 방법.
제13 항에 있어서,
상기 피사계 심도(DOF_object)는 약 35 내지 55 미크론이도록 선택되는, 구강 내 3D-스캐너 최적화 방법.