WO2014035010A1

WO2014035010A1 - 구강 내 자동 스캐닝 시스템 및 스캐닝 방법

Info

Publication number: WO2014035010A1
Application number: PCT/KR2012/010763
Authority: WO
Inventors: 박강; 강석진; 권하자
Original assignee: 주식회사 오라픽스
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-03-06
Also published as: KR20140028839A; KR101483216B1

Abstract

본 발명의 구강 내 자동 스캐닝 시스템은 치아의 3차원 형상을 측정하는 스캐닝 헤드와, 상기 스캐닝 헤드를 이동 및 회전시켜 스캐닝 헤드가 자동으로 치아를 측정하도록 하는 다축 로봇 유닛을 포함하고, 상기 다축 로봇 유닛은 기기 본체에 수평 회전 가능하게 연결되는 제1아암과, 제1아암에 수평 회전 가능하게 연결되는 제2아암과, 상기 제2아암에 수직방향으로 회전 가능하게 연결되는 수직아암과, 상기 수직아암에 상하방향으로 승강 가능하게 연결되고 스캐닝 헤드가 장착되는 지지부재를 포함하며, 상기 지지부재는 스캐닝 헤드가 치아의 상면, 전면 및 후면을 측정할 수 있도록 상기 수직아암에 수평 회전 가능하게 연결되도록 구성되어, 스캐너 헤드를 자동으로 이동시켜 치아를 측정하므로 작업 시간을 줄이고, 보다 정밀한 3차원 입체 영상을 얻을 수 있으며, 스캐너 헤드가 선회 운동될 수 있도록 하여 치아의 삼면(상면, 앞면, 뒷면)을 순차적으로 한 번의 동작으로 측정할 수 있다.

Description

구강 내 자동 스캐닝 시스템 및 스캐닝 방법

본 발명은 구강 내 치아의 삼차원 형상을 자동으로 스캐닝하는 구강 내 자동 스캐닝 시스템 및 스캐닝 방법에 관한 것이다.

현재, 인레이, 크라운, 브리지 등의 치과용 보철물의 제작 방법으로서는, 로스트 왁스법(lost wax process)에 의해 금속 재료나 세라믹스 재료를 주조해서 제작하는 방법이 채용되고 있다.

그러나, 최근에는 로스트 왁스법을 대신하는 치과용 보철물의 제작 방법으로서, 광학 3차원 카메라를 이용해서 치아 및 잇몸의 구강 내를 측정한 후, CAD/CAM 시스템을 이용해서 치과용 보철물을 설계 및 제작하는 시스템이 주목받고 있다. 이 시스템의 대표적인 예로서, 세렉 시스템(Serec system)이 있다.

세렉 시스템은 치아의 형상을, 광학 3차원 카메라를 이용해서 구강 내에서 직접 판독함으로써, 치아 및 잇몸의 구강 내 측정을 실행한다.

광학 3차원 카메라에는 위상 시프트법이나 공간 코드화법으로 대표되는 비접촉 3차원 측정을 실행하는 카메라가 이용된다. 이와 같이, 종래의 치과용 보철물의 제작 방법으로, 광학 3차원 카메라와 CAD/CAM 시스템을 이용함으로써, 로스트 왁스법에 비해서, 효율 좋게 치과용 보철물을 제작할 수 있는 동시에, 구강 내에의 적합 정밀도에서 우수한 치과용 보철물을 제작할 수 있다.

하지만, 종래의 광학 3차원 카메라에서는 3각 측량법을 이용하고 있다. 그 때문에, 그 측정 정밀도를 향상시키기 위해서는, 투광측의 광축과 촬상측의 광축과의 예상 각을 크게 할 필요가 있다. 예상 각을 크게 하기 위해서는, 광학 3차원 카메라의 크기를 크게 할 필요가 있지만, 광학 3차원 카메라는 구강 내에 삽입하는 것이기 때문에, 그 크기를 크게 하는데 한계가 있다.

종래의 3차원 구강용 스캐너는 공개특허공보 10-2011-0068954(2011년 06월 22일)에 개시된 바와 같이, 출력 광을 출력하는 광출력부와, 상기 광출력부를 제 1 기준축에 따라 회전시키거나 좌우측으로 이동시켜 상기 출력 광의 출사 위치를 제어하는 광출력 제어부와, 상기 광출력 제어부에 의해 출사 위치가 제어된 출력 광을 스캐닝 대상 치아로 반사시키는 광학계와, 상기 광학계를 상기 제 1 기준축과 수직한 제 2 기준축에 따라 회전시켜 상기 출력 광의 반사 각도를 제어하는 광학계 구동부와, 상기 광학계를 상기 광출력부로부터 미리 설정된 거리 내에서 이동되도록 안내하는 가이드와, 상기 스캐닝 대상 치아에서 반사된 후, 상기 광학계에 의하여 반사된 광을 센싱하여 전기 신호로 변환하는 광센싱부와, 상기 전기 신호의 정보, 상기 출사 위치의 정보 및 상기 반사 각도의 정보를 3차원 데이터 생성부로 전송하여 상기 스캐닝 대상 치아의 3차원 스캐닝 모델을 생성하도록 하는 데이터 전송부로 구성된다.

이러한 종래의 3차원 구강용 스캐너는 광출력 제어부가 스캐닝할 대상 치아의 위치에 따라 광학계를 이동시키는 데, 광학계만을 이동시켜 모든 치아를 스캐닝할 수 없는 문제가 있다.

따라서, 종래의 3차원 구강용 스캐너는 일정 개수의 치아를 스캐닝한 후 본체를 이동시키고, 다시 일정 개수의 치아를 스캐닝해야되므로 본체를 수동으로 이동시켜야 된다.

이와 같이, 스캐너를 수동으로 이동시킬 때 치아와 스캐너 사이의 간격이 달라지게 되므로 스캐너와 치아 사이의 간격을 일치시키는 작업을 다시 진행해야되는 등 측정시간이 오래 걸리고, 측정 정밀도가 떨어지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 다축 구조의 로봇 유닛을 이용하여 스캐닝 헤드를 자동으로 이동시켜 치아를 측정하므로 작업 시간을 줄일 수 있고, 보다 정밀한 3차원 입체 영상을 얻을 수 있는 구강 내 자동 스캐닝 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 스캐닝 헤드가 선회 운동될 수 있도록 하여 치아의 삼면(상면, 앞면, 뒷면)을 순차적으로 한 번의 동작으로 측정할 수 있어 치아 측정 시간을 단축할 수 있고, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 구강 내 자동 스캐닝 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 스캔 영역에 복수의 격자 패턴들이 평행한 광선으로 투영되도록 하여 3차원 영상의 정밀도를 향상시킬 수 있는 구강 내 자동 스캐닝 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 구강 내 자동 스캐닝 시스템은 치아의 3차원 형상을 측정하는 스캐닝 헤드와, 상기 스캐닝 헤드를 이동 및 회전시켜 스캐닝 헤드가 자동으로 치아를 측정하도록 하는 다축 로봇 유닛을 포함하고, 상기 다축 로봇 유닛은 기기 본체에 수평 회전 가능하게 연결되는 제1아암과, 제1아암에 수평 회전 가능하게 연결되는 제2아암과, 상기 제2아암에 수직방향으로 회전 가능하게 연결되는 수직아암과, 상기 수직아암에 상하방향으로 승강 가능하게 연결되고 스캐닝 헤드가 장착되는 지지부재를 포함하며, 상기 지지부재는 스캐닝 헤드가 치아의 상면, 전면 및 후면을 측정할 수 있도록 상기 수직아암에 수평 회전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 스캐닝 헤드는 헤드 본체와, 상기 헤드 본체 내부에 설치되어 레이저 광을 조사하는 레이저 다이오드와, 상기 헤드 본체의 전방에 배치되어 레이저 광을 치아에 조사하는 측정노즐과, 상기 치아에서 반사된 광을 촬영하는 카메라와, 상기 레이저 다이오드에서 조사되는 광을 격자 패턴 형태로 만드는 격자 마스크와, 상기 격자 마스크를 이동시키는 보이스 코일 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다축 로봇 유닛은 기기 본체에 고정되는 고정 브라켓과 제1아암의 일단 사이는 제1힌지축으로 연결되어 1축 회전(θ1)이 이루어지고, 제1아암의 타단과 제2아암의 일단 사이는 제2힌지축으로 연결되어 2축 회전(θ1)이 이루어지고, 제2아암의 타단과 수직 아암 사이는 제3힌지축으로 연결되어 수직방향으로 3축 회전(θ3)이 이루어지도록 구성되어 스캐닝 헤드를 설정 위치로 이동시키고, 상기 수직 아암의 일면에 지지부재가 상하 승강되도록 설치되어 스캐닝 헤드의 높낮이를 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구강 내 자동 스캐닝 방법은 치아의 적어도 3곳 이상을 티칭하여 치아의 위치를 검출하는 단계와, 치아를 티칭하여 치아 구조 파악이 완료되면, 스캐닝 헤드를 치아로 이동시키는 단계와, 상기 스캐닝 헤드를 선회 운동시켜 치아의 삼면(상면, 후면, 전면)을 순차적으로 측정하는 단계와, 상기 스캐닝 헤드를 다음 치아로 이동시키는 단계와, 상기 스캐닝 헤드가 다음 치아에 위치되면 스캐닝 헤드를 선회 운동시켜 치아의 삼면(상면, 후면, 전면)을 순차적으로 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 스캐닝 헤드가 치아를 측정하는 방법은 레이저 광을 격자 패턴 형태의 광으로 만드는 단계와, 상기 레이저 광을 구강 내 피측정물에 조사하는 단계와, 상기 피측정물에서 반사된 레이저 광을 촬영하는 단계와, 격자 마스크를 이동시켜 위상이 서로 다른 4 개의 패턴 이미지를 획득하는 단계와, 상기 4 개의 패턴 이미지로부터 3차원 영상을 계산하여 디스플레이부에 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 구강 내 자동 스캐닝 시스템은 다축 로봇 유닛에 스캐닝 헤드가 설치되고, 다축 로봇 유닛이 스캐닝 헤드를 자동으로 이동시켜 치아를 측정하므로 작업 시간을 줄일 수 있고, 보다 정밀한 3차원 입체 영상을 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 구강 내 자동 스캐닝 시스템은 스캐닝 헤드가 고정된 지지부재가 제4힌지축에 연결되고 제4힌지축이 회전되면 지지부재가 선회 운동되고, 지지부재에 고정된 스캐닝 헤드가 선회 운동되어 치아의 삼면(상면, 앞면, 뒷면)을 순차적으로 한 번의 동작으로 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 구강 내 자동 스캐닝 시스템은 스캔 영역에 복수의 격자 패턴들이 평행한 광선으로 투영되도록 하여 3차원 영상의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구강 내 자동 스캐닝 시스템의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구강 내 자동 스캐닝 시스템의 측면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 헤드의 구성도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 헤드의 광 경로를 나타낸 구성도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 조정유닛의 사시도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 헤드의 구조를 나타낸 블럭도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 시스템의 블럭도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 시스템의 공정 순서도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 헤드의 공정 순서도이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 치아 티칭 위치를 나타낸 치아의 상면도이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 시스템의 이동 패턴을 나타낸 도면이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 헤드의 치아 삼면 측정 과정을 나타낸 도면이다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 4 개의 격자 이미지를 나타낸 도면이다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 치아를 스캔하는 과정을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 스캐닝 시스템의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 스캐닝 시스템의 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 헤드의 내부 구조를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 헤드의 광경로를 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 자동 스캐닝 시스템은 치아를 3차원 영상으로 촬영하는 스캐닝 헤드(200)와, 스캐닝 헤드(200)를 자동으로 이동 및 회전시키는 다축 로봇유닛(100)을 포함한다.

스캐닝 헤드(200)는 다축 로봇유닛(100)에 연결되는 헤드 본체(10)와, 헤드 본체(10)에 하측 내부에 설치되어 레이저 광을 조사하는 레이저 다이오드(20)와, 레이저 다이오드(20)에서 조사되는 레이저 광의 위상을 이동시키는 위상 조정유닛(30)과, 복수의 렌즈가 내장되는 경통부(40)와, 헤드 본체(10)의 전방으로 연장되어 레이저 광이 통과하는 통로 역할을 하는 관부(12)와, 관부(12)의 끝부분에 형성되어 치아로 광을 조사하는 측정노즐(50)과, 측정노즐(50)에서 반사된 레이저 광이 입사되는 카메라(60)를 포함한다.

레이저 다이오드(20)의 전방에는 레이저 광이 통과하는 통로 역할을 하는 경통(22)이 설치되고, 경통(22)의 내부에는 레이저 다이오드(20)에서 조사되는 레이저 광을 스캔 영역에 맞게 확대시키는 복수의 렌즈(24)가 구비된다. 여기에서, 복수의 렌즈(24)는 일 예로, 비구면렌즈(Aspheric Lens)와 대물렌즈(Objectives Lens) 등이 적용될 수 있다.

그리고, 경통(22)의 절곡 부위에는 레이저 다이오드(20)에서 조사되는 레이저 광을 위상 조정유닛(30)으로 안내하는 제1반사경(28)이 설치된다.

위상 조정유닛(30)은 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(20)에서 조사되는 레이저 광을 격자 패턴 형태로 만드는 격자 마스크(52)와, 격자 마스크(52)를 미세 이동시켜서 위상이 서로 다른 4개의 이미지를 만드는 보이스 코일 모터(54) 및 엔코더(56)를 포함한다.

격자 마스크(52)는 세로방향 즉, 수직방향으로 일정 간격을 두고 줄무늬가 형성되어 레이저 광이 통과하면 광을 격자 패턴 형태로 만들어 주는 준다. 그리고, 격자 마스크(52)는 스캔 영역에 투영된 격자 패턴이 균일한 밝기를 가질 수 있도록 한다.

보이스 코일(54) 및 엔코더(56)는 격자 마스크(52)를 정밀하게 이동시키기 위한 것으로, 격자 마스크(52)를 4번 이동시켜 4개의 이미지를 얻고, 4 개의 이미지를 이용하여 위상을 계산하고, 이를 이용하여 치아의 형상을 계산한다.

경통부(40)는 격자 마스크(52)의 후방에 배치되고 격자 마스크(52)를 통과하면서 레이저 광을 격자 패턴을 갖는 평행광으로 만드는 복수의 렌즈(42)가 구비된다. 일 예로, 복수의 렌즈는 색수차를 보정해주는 색수차 보정렌즈(Achromatic Doublets Lens)가 적용될 수 있다.

헤드 본체(10)의 상측 내면에는 격자 마스크(52)를 통과한 레이저 광을 경통부(40)로 안내하는 제2반사경(14)이 설치된다.

관부(12)의 끝부분에는 경통부(40)를 통과한 레이저 광을 측정 노즐(50)을 통해 치아로 안내하고 치아에서 반사되는 레이저 광을 카메라(60)로 안내하는 제3반사경(16)이 설치된다.

헤드 본체(10) 내부에는 프리즘(62)이 설치되고, 프리즘(62)은 치아에서 반사된 광을 카메라(60)를 향해서 굴절시킨다. 그리고, 프리즘(62)의 후방에는 제4반사경(64) 및 제5반사경(66)이 구비되어 프리즘(62)에서 굴절된 광을 카메라(60)로 안내한다.

카메라(60)의 전방에 설치되는 카메라 렌즈(68)는 프리즘(62)에 의해 굴절된 광을 카메라(60)가 촬영할 수 있도록 초점을 맞춰 결상시킨다.

카메라(60)는 CCD 카메라가 사용될 수 있고, 프리즘(62)을 통과하여 반사된 광을 촬영하여 영상을 획득하고, 획득된 영상은 제어유닛(60)에서 삼차원 형상으로 계산되고 최종 3차원 영상은 디스플레이부(70)에 표시된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 헤드의 구조를 나타낸 블럭도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 시스템의 제어구조를 나타낸 블럭도이다.

*스캐닝 헤드(200)는 제어유닛(90)에서 인가되는 제어신호에 따라 치아의 3차원 영상을 스캔하여 디스플레이부(70)에 표시하고, 다축 로봇유닛(100)은 제어유닛(90)에서 인가되는 제어신호에 따라 작동되어 스캐닝 헤드(200)를 이동 및 회전시킨다.

제어유닛(90)은 구체적으로, 레이저 다이오드를 제어하는 레이저 제어부(92)와, 카메라(60)를 제어하는 카메라 제어부(94)와, 보이스 코일 모터(54) 및 엔코더(56)를 제어하는 모터 제어부(96)와, 다축 로봇유닛(100)을 제어하는 로봇 제어부(98)를 포함한다.

다축 로봇유닛(100)은 기기 본체에 장착되는 고정 브라켓(102)과, 고정 브라켓(102)에 수평 회전 가능하게 연결되는 제1아암(104)과, 제1아암(104)에 수평 회전 가능하게 연결되는 제2아암(106)과, 제2아암(106)의 끝부분에 수직 방향으로 설치되어 수직 회전 가능하게 연결되는 수직 아암(108)와, 수직 아암(108)에 상하방향으로 승강됨과 아울러 수평 회전 가능하게 연결되고 스캐닝 헤드(200)가 설치되는 지지부재(110)를 포함한다.

고정 브라켓(102)과 제1아암(104)의 일단 사이는 제1힌지축(122)으로 연결되어 수평 방향으로 1축 회전(θ1)이 이루어지고, 제1아암(104)의 타단과 제2아암(106)의 일단 사이는 제2힌지축(124)으로 연결되어 수평방향으로 2축 회전(θ1)이 이루어진다.

그리고, 제2아암(106)의 타단 상면에는 수직방향으로 수직 아암(108)이 설치되고 수직 아암(108)과 제2아암(106) 사이는 제3힌지축(126)으로 연결되어 수직방향으로 3축 회전(θ3)이 이루어진다.

그리고, 지지부재(110)는 수직아암(108)에 제4힌지축(128)으로 연결되어 지지부재가 수평방향으로 4축 회전(θ4)이 이루어진다.

그리고, 지지부재(110)는 수직 아암(108)에 상하방향으로 화살표 D와 같이, 승강하여 스캐닝 헤드의 높낮이를 조절한다.

지지부재(110)는 스캐닝 헤드(200)의 측정노즐(50)이 일정 각도로 경사지게 배치될 수 있도록 스캐닝 헤드(200)가 설치되는 지지판(112)이 일정 각도로 경사지게 형성된다.

스캐닝 헤드(200)의 헤드 본체(10) 하면이 지지판(112)의 상면에 체결부재(130)에 의해 고정된다. 여기에서, 헤드 본체 하면(10)이 지지판(112)의 상면에 장착되면, 측정노즐(50)은 지지판(112)의 상면에서 간격(H1)만큼의 높이에 위치하게 된다.

그리고, 지지부재(110)는 스캐닝 헤드(200)가 설치되는 지지판(112)의 후면이 상측방향으로 절곡되어 제4힌지축(128)이 연결되는 장착판(114)이 형성되어 지지판(112)의 상면과 제4힌지축(128) 사이는 간격(H2)만큼 높이를 갖도록 설치된다.

따라서, 제4힌지축(128)이 회전되면 지지판(112)이 간격(H2)를 반지름으로 하여 선회 운동되고, 지지판(112)이 선회 운동하면 이 지지판(112)에 설치된 스캐닝 헤드(200)가 선회 운동되면서 치아(300)의 삼면(상면, 후면 전면)을 순차적으로 한 번의 동작으로 측정한다.

*상기와 같이 구성된 일 실시예에 따른 스캐닝 시스템의 스캐닝 방법을 다음에서 설명한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 시스템의 스캐닝 방법을 나타낸 순서도이다.

먼저, 치아(300) 위치를 검출한다.(S10) 즉, 치아의 구조는 환자마다 다르기 때문에 치아를 측정하기 위해서는 치아의 위치를 검출하여 그 위치값을 제어유닛(90)에 입력한다. 치아 위치 검출방법으로는 도 9에 도시된 바와 같이, 치아(300)의 3곳 또는 4곳을 티칭 위치(A,B,C)로 정하고 티칭(teaching)한다. 즉, 스캐닝 헤드(200)의 측정노즐(50)을 치아(300)의 3곳 또는 4곳을 티칭하여 주면 로봇 제어부(98)가 티칭 위치(A,B,C)에 따라 치아의 위치를 검출하여 치아의 구조를 파악한다.

여기에서, 치아 티칭 위치(A,B,C)는 치아 양쪽 어금니 부분(A,C), 제일 앞쪽에 위치되는 앞니 부분(B)으로 설정될 수 있고, 어금니와 앞니의 중간부분을 포함하여 티칭 위치를 설정할 수 있다.

이와 같이, 치아의 여러 위치를 티칭하게 되면 치아는 일정한 패턴을 가지기 때문에 치아의 구조가 로봇 제어부(98)로 입력되고 로봇 제어부(98)는 치팅 위치에 따라 패턴을 크게 또는 작게 조절하여 스캐닝 헤드(200)가 치아와 일정 간격을 유지하면서 이동될 수 있도록 한다.

로봇 제어부(98)에서 치아 티칭 위치를 입력받아 다축 로봇유닛(100)이 티칭 높이에 따라 항상 동일한 높이로 측정할 수 있고 치아의 형태나 크기에 상관없이 모든 치아와 균일한 간격을 유지하면서 측정할 수 있어 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이와 같은 과정을 거치면서 치아의 구조 검출이 완료되면, 로봇 제어부(98)는 다축 로봇유닛(100)을 작동시켜 스캐닝 헤드(200)를 이동시킨다.(S20)

즉, 제1힌지축(122)을 중심으로 제1아암(104)을 수평 회전시켜 1축 회전(θ1)을 하고, 제2힌지축(124)을 중심으로 제2아암(106)을 수평 회전시켜 2축 회전(θ2)을 하고, 제3힌지축(126)을 중심으로 수직아암(108)을 수직 회전시켜 3축 회전(θ3)을 하고, 지지부재(110)를 상하방향으로 승강시켜 스캐닝 헤드()의 측정높이를 조절하도록 하여 4 자유도로 스캐닝 헤드를 이동시킨다. 그러면 스캐닝 헤드(200)가 도 10에 도시된 바와 같은 패턴으로 이동된다.

따라서, 치아의 모양에 따라 스캐닝 헤드(200)가 자유롭게 움직일 수 있게 된다.

그리고, 스캐닝 헤드(200)가 하나의 치아(300)에 위치되면, 스캐닝 헤드(200)를 선회 운동시켜 치아의 삼면 즉, 상면, 앞면, 뒷면을 한 번의 동작으로 순차적으로 측정한다.(S30)

즉, 지지부재(110)가 제4힌지축(128)을 중심으로 회전되면 지지부재(112)에 장착된 스캐닝 헤드(200)가 도 11에 도시된 바와 같이, 화살표 P 방향으로 선회 운동되면서 치아(300)의 앞면, 치아의 상면, 및 치아의 뒷면을 순차적으로 측정한다.

그리고, 하나의 치아의 삼면 측정이 완료되면 다축 로봇유닛(100)이 작동되어 스캐닝 헤드(200)의 측정 노즐(50)이 이웃하여 배치되는 다음 치아로 이동된다.(S40)

그리고, 다음 치아의 삼면을 측정하는 과정을 반복하여 모든 치아의 3면을 측정한다.(S50)

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝 헤드의 스캐닝 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

위에서 설명한 바와 같이, 다축 로봇유닛(100)이 작동되어 스캐닝 헤드(200)가 이동 및 회전되어 치아 위치에 측정노즐(50)이 위치되면, 제어유닛(90)에서 인가되는 신호에 따라 치아(300)를 스캐닝하여 디스플레이부(70)에 치아(300)의 3차원 영상을 디스플레이한다.

구체적으로 살펴보면, 레이저 제어부(92)에서 인가되는 신호에 따라 레이저 다이오드(20)가 작동되어 레이저 다이오드(20)에서 레이저 광이 조사된다.(S100)

그리고, 레이저 다이오드(20)에서 조사된 레이저 광은 렌즈(24)를 통과하면서 확장되고 제1반사경(28)에 의해 위상 조정유닛(50)의 격자 마스크(52)를 통과하면서 격자 패턴 형태로 광으로 만들어진다.(S200)

즉, 모터 제어부(96)에서 보이스 코일 모터(54)를 제어하여 격자 마스크(52)의 위치를 미세하게 이동시켜 레이저 광의 위상을 이동시키고 엔코더(56)에서 보이스 코일 모터(54)의 회전각도를 측정하여 모터 제어부(96)로 전달한다.

그리고, 제2반사경(14)에 반사되어 복수의 렌즈(42)를 통과하면서 평행광으로 만들어지고, 제3반사경(34)에 의해 반사되어 측정노즐(50)을 통해 치아(300)에 투광된다.(S300)

그리고, 치아(300)의 표면에서 반사된 광은 제3반사경(16)에 재반사된 후 프리즘(62)에 의해 카메라(60)로 전달되고, 카메라(60)는 프리즘(62)에 의해 반사된 광을 촬영하여 격자 패턴 이미지를 획득하다.(S400)

그러면, 제어유닛(90)은 카메라(60)에서 촬영된 이미지와 미리 저장된 변화가 없는 격자 패턴 이미지를 서로 합성한다. 동일한 파장을 갖는 두 패턴 이미지를 결합하면 패턴 간 간섭현상이 일어나게 되어 원래 패턴보다 더 빛의 밝기 차가 심해지고 일정한 간격의 다른 무늬가 생성되는데, 이 무늬를 모아레 무늬라 한다.

이 모아레 무늬에 의해 피측정물의 높이 정보를 구해내 삼차원 데이터를 구할 수 있게 된다.

하지만, 하나의 패턴만으로는 완벽한 물체의 높이를 구할 수 없기 때문에 정확도를 높이기 위해서 격자 패턴을 3번 정도 이동시켜 4개의 서로 다른 이미지를 얻어 높이 값을 계산한다.

즉, 최초에 격자 마스크(52)가 제1위치에 배치되면 도 13에 도시된 바와 같은 제1패턴 이미지(80)를 획득하고, 보이스 코일 모터(54)가 구동되어 격자 마스크(52)가 제2위치로 이동되면 π/2 만큼 이동된 제2패턴 이미지(82)를 획득하고, 보이스 코일 모터(54)가 구동되어 격자 마스크(52)가 제3위치로 이동되면, π 만큼 이동된 제3패턴 이미지(84)를 획득하고, 보이스 코일 모터(54)가 구동되어 격자 마스크(52)가 제4위치로 이동되면 3π/2만큼 이동된 제4패턴 이미지(86)를 획득한다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 구강 내 자동 스캐닝 시스템에 의해 3차원 영상을 얻는 과정을 나타낸 도면이다.

이와 같이 획득된 4개의 이미지를 이용하여 3차원 형상의 계산은 1)패턴 투명, 2)위상 감싸기(Phase wraping), 3)위상 풀기(Unwraped Phase), 4)위상-높이 변환(phase-to-height conversion)으로 구성된다.

1) 패턴 투영

아래 식 (1)은 제1패턴 이미지(90), 제2패턴 이미지(92), 제3패턴 이미지(94) 및 제4패턴 이미지(96)에서 빛의 강도를 나타내는 식이다.

Ⅰ₁ = a(x,y) + b(x,y)cos[Φ(x,y)]

Ⅰ₂= a(x,y) + b(x,y)cos[Φ(x,y)+Π/2]

Ⅰ₃= a(x,y) + b(x,y)cos[Φ(x,y)+Π]

Ⅰ₄= a(x,y) + b(x,y)cos[Φ(x,y)+3Π/2] ..........식(1)

여기에서, Ⅰ_n= n번째 패턴 이미지의 빛의 강도 함수, a = 빛의 평균 강도, b = 빛의 강도의 변화폭

위의 식(1)에 의해 4 개의 패턴 이미지를 통해 얻어낸 빛의 강도를 아래의 식(2)에 넣으면 위상각 Φ(x,y)을 얻을 수 있고 피측정물의 높이를 계산할 수 있다.

Φ(x,y) = tan^-1 [Ⅰ₄(x,y)-Ⅰ₂(x,y)/Ⅰ₁(x,y)-Ⅰ₃(x,y)]........식(2)

2) 위상 감싸기(Phase wraping)

식(2)에 의해 구해진 위상각은 크기가 0 ~ 2π에서 주기적으로 반복된다.

도 14에 도시된 위상 감싸기 도면은 평면에 프린지 패턴을 투영하여 계산된 위상을 패턴 이미지로 나타낸 것이다.

3) 위상 풀기(Phase unwraping)

앞에서 계산된 감싸진 위상 정보(wrapped phase)는 0 ~ 2π의 값은 주기적으로 반복하기 때문에 위상 풀기(phase unwraping)을 실시한다. 즉, 위상 풀기는 연속된 감싸진 위상이 반복적으로 주어졌을 때, 이전 위상의 값이 2π를 넘어서 다음 위상 Φ 으로 넘어갈 때 2π + Φ 로 변환해주는 역할을 한다. 위상 풀기 이후는 위상이 반복됨이 없이 0에서 2πn + Φ 까지 연속적으로 표현된다. 이 때 풀어진 위상값은 물체의 높이와 비례하게 된다.

4) 위상-높이 변환(Phase-to-height conversion)

각 픽셀마다 계산된 피측정물의 위상지도와 미리 저장된 기준평면 위상지도 차를 계산하여 위상차를 획득하고, 위상차는 피측정물의 Z방향 높이 값과 비례하므로 Z 좌표가 계산되고, 거기에 해당하는 x, y 값도 계산된다.

이와 같은 과정을 통해 3차원 영상이 얻어지고, 이 3차원 영상은 디스플레이부(68)에 디스플레이된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 구강 내 치아의 삼차원 형상을 자동으로 스캐닝할 수 있는 구강 내 자동 스캐닝 시스템에 적용할 수 있다.

Claims

치아의 3차원 형상을 측정하는 스캐닝 헤드; 및

상기 스캐닝 헤드를 이동 및 회전시켜 스캐닝 헤드가 자동으로 치아를 측정하도록 하는 다축 로봇 유닛을 포함하고,

상기 다축 로봇 유닛은 기기 본체에 수평 회전 가능하게 연결되는 제1아암과,

제1아암에 수평 회전 가능하게 연결되는 제2아암과,

상기 제2아암에 수직방향으로 회전 가능하게 연결되는 수직아암과,

상기 수직아암에 상하방향으로 승강 가능하게 연결되고 스캐닝 헤드가 장착되는 지지부재를 포함하며,

상기 지지부재는 스캐닝 헤드가 치아의 상면, 전면 및 후면을 측정할 수 있도록 상기 수직아암에 수평 회전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 구강 내 자동 스캐닝 시스템.
제1항에 있어서,

상기 스캐닝 헤드는 헤드 본체;

상기 헤드 본체 내부에 설치되어 레이저 광을 조사하는 레이저 다이오드;

상기 헤드 본체의 전방에 배치되어 레이저 광을 치아에 조사하는 측정노즐;

상기 치아에서 반사된 광을 촬영하는 카메라;

상기 레이저 다이오드에서 조사되는 광을 격자 패턴 형태로 만드는 격자 마스크; 및

상기 격자 마스크를 이동시키는 보이스 코일 모터를 포함하는 구강 내 자동 스캐닝 시스템.
제2항에 있어서,

상기 보이스 코일 모터는 상기 격자 마스크를 단계적으로 이동시켜 0, π/2, π, 3π/2만큼 이동된 4 개의 패턴 이미지를 만드는 것을 특징으로 하는 구강 내 자동 스캐닝 시스템.
제2항에 있어서,

상기 보이스 코일 모터는 엔코더를 더 포함하여 모터의 회전각도를 검출하여 그 신호를 모터 제어부로 인가하는 것을 특징으로 하는 구강 내 자동 스캐닝 시스템.
제1항에 있어서,

상기 다축 로봇 유닛은 기기 본체에 고정되는 고정 브라켓과 제1아암의 일단 사이는 제1힌지축으로 연결되어 1축 회전(θ1)이 이루어지고, 제1아암의 타단과 제2아암의 일단 사이는 제2힌지축으로 연결되어 2축 회전(θ1)이 이루어지고, 제2아암의 타단과 수직 아암 사이는 제3힌지축으로 연결되어 수직방향으로 3축 회전(θ3)이 이루어지도록 구성되어 스캐닝 헤드를 설정 위치로 이동시키고,

상기 수직 아암의 일면에 지지부재가 상하 승강되도록 설치되어 스캐닝 헤드의 높낮이를 조절하는 것을 특징으로 하는 구강 내 자동 스캐닝 시스템.
제1항에 있어서,

상기 지지부재는 수직 아암에 연결되도록 수직으로 배치되는 장착판과, 장착판의 하면에 연결되어 스캐닝 헤드가 장착되는 지지판을 포함하고,

상기 장착판은 제4힌지축에 의해 수직 아암에 수평 회전 가능하게 연결되며, 상기 제4힌지축의 축 중심과 지지판 사이는 간격(H2)만큼 이격되어, 상기 제4힌지축이 회전되면 상기 지지판은 간격(H2)을 반지름으로 하여 선회 운동되는 것을 특징으로 하는 구강 내 자동 스캐닝 시스템.
제6항에 있어서,

상기 지지판은 장착판에 연결된 부분에서 전방으로 갈수록 하측방향으로 경사진 경사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 구강 내 자동 스캐닝 시스템.
치아의 적어도 3곳 이상을 티칭하여 치아의 위치를 검출하는 단계;

치아를 티칭하여 치아 구조 파악이 완료되면, 스캐닝 헤드를 치아로 이동시키는 단계;

상기 스캐닝 헤드를 선회 운동시켜 치아의 삼면(상면, 후면, 전면)을 순차적으로 측정하는 단계;

상기 스캐닝 헤드를 다음 치아로 이동시키는 단계; 및

상기 스캐닝 헤드가 다음 치아에 위치되면 스캐닝 헤드를 선회 운동시켜 치아의 삼면(상면, 후면, 전면)을 순차적으로 측정하는 단계를 포함하는 구강 내 자동 스캐닝 방법.
제8항에 있어서,

상기 치아 위치 검출단계는 치아의 적어도 3곳 이상을 티칭하면 치아 구조가 로봇 제어부로 입력되고, 로봇 제어부는 치팅 위치에 따라 다축 로봇유닛을 제어하여 스캐닝 헤드의 이동 패턴을 결정하는 것은 특징으로 하는 구강 내 자동 스캐닝 방법.
제8항에 있어서,

상기 치아의 삼면을 순차적으로 측정하는 단계는 스캐닝 헤드가 장착된 지지부재가 수직로드에 제4힌지축을 중심으로 회전시키면 스캐닝 헤드가 반원을 그리며 선회 운동되면서 치아의 앞면, 치아의 상면, 및 치아의 뒷면을 순차적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 구강 내 자동 스캐닝 방법.
제8항에 있어서,

상기 스캐닝 헤드가 치아를 측정하는 방법은 레이저 광을 격자 패턴 형태의 광으로 만드는 단계;

상기 레이저 광을 구강 내 피측정물에 조사하는 단계;

상기 피측정물에서 반사된 레이저 광을 촬영하는 단계;

격자 마스크를 이동시켜 위상이 서로 다른 4 개의 패턴 이미지를 획득하는 단계; 및

상기 4 개의 패턴 이미지로부터 3차원 영상을 계산하여 디스플레이부에 디스플레이하는 단계를 포함하는 구강 내 자동 스캐닝 방법.
제11항에 있어서,

상기 4 개의 패턴 이미지를 획득하는 단계는 격자 마스크를 제1위치에 배치하여 제1패턴 이미지를 획득하고, 상기 격자 마스크를 제2위치로 이동하여 π/2 만큼 이동된 제2패턴 이미지를 획득하고, 상기 격자 마스크를 제3위치로 이동하여 π 만큼 이동된 제3패턴 이미지를 획득하고, 격자 마스크를 제4위치로 이동하여 3π/2만큼 이동된 제4패턴 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 구강 내 자동 스캐닝 방법.
제11항에 있어서,

상기 3차원 영상을 계산하는 단계는 서로 다른 위상을 갖는 4 개의 패턴 이미지의 위상을 계산하여 위상 지도를 완성하는 단계;

상기 계산된 위상이 반복됨이 없이 0에서 2πn + Φ까지 연속적으로 진행되도록 변환해주는 단계;

상기 위상 지도와 미리 저장된 기준 위상 지도를 비교하여 위상차를 계산하는 단계; 및

측정좌표 (x, y, z)를 계산하여 3차원 입체영상을 획득하는 단계를 포함하는 구강 내 자동 스캐닝 방법.