專利名稱：使用偏振條紋投影的牙齒表面成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及使用結(jié)構(gòu)光的診斷成像領(lǐng)域并且更具體地涉及用于使用條紋投影對牙齒及其他結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行三維成像的方法。
背景技術(shù)：
條紋投影成像使用圖案化的或者結(jié)構(gòu)化的光以獲得對各種類型的結(jié)構(gòu)的表面輪 廓信息。在條紋投影成像中，將干涉條紋或者光柵的線的圖案從指定的方向朝對象的表面 投影。來自所述表面的投影圖案隨后從另一個方向作為輪廓圖像被查看，利用三角測量以 便基于輪廓線的外觀來分析表面信息。典型地將相位偏移用作條紋投影成像的一部分，在 相位偏移時在空間上增量地移動所述投影圖案用于在新的位置獲得另外的測量，其被使用 以便完成所述表面的輪廓映射并且增加所述輪廓圖像中的總的分辨率。條紋投影成像已經(jīng)被有效地用于固態(tài)的、高度不透明的對象的表面輪廓成像并且 已經(jīng)被用于為人體的一些部分成像表面輪廓并且被用于獲得關(guān)于皮膚結(jié)構(gòu)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。然 而，多個技術(shù)障礙已經(jīng)妨礙了牙齒的條紋投影成像的有效使用。一個牙齒表面成像的特定 挑戰(zhàn)涉及牙齒半透明性。半透明的或者不完全半透明(semi-translucent)材料通常被認(rèn) 為對于條紋投影成像而言是特別困難的。半透明的結(jié)構(gòu)中的子表面散射可以減小總的信噪 比(S/N)并且偏移所述光強度，導(dǎo)致不精確的高度數(shù)據(jù)。另一個問題涉及各種牙齒表面的 高度的反射。高度反射的材料，尤其是空心的反射結(jié)構(gòu)可以有效地減小這種類型的成像的 動態(tài)范圍。在條紋投影成像整體中，對比度典型地不足，且噪聲作為顯著的因素。為了提高對 比度，許多條紋投影成像系統(tǒng)采取措施以減小所述輪廓圖像中的噪聲的數(shù)量。一般來說，對 于使用條紋成像技術(shù)的精確的表面幾何測量而言，重要的是獲得直接從在試驗中的結(jié)構(gòu)的 表面反射的光并且拒絕從位于所述表面以下的材料或者結(jié)構(gòu)反射的光。這是通常被推薦用 于半透明對象的3D表面掃描的方法。類似的方法必須被用于口內(nèi)成像。從光學(xué)的角度，牙齒自身的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)對條紋投影成像的多個另外的挑戰(zhàn)。如前所 述，穿過牙齒表面以下的光趨向于在所述半透明的牙齒材料內(nèi)經(jīng)歷顯著的散射。此外，從牙 齒表面以下的不透明結(jié)構(gòu)(feature)的反射也可能發(fā)生，增加了使所感測的信號衰減的噪 聲并且因此使牙齒表面分析的任務(wù)進(jìn)一步復(fù)雜。已被嘗試以使條紋投影可用于牙齒的輪廓成像的一種糾正措施是涂敷改變牙齒 表面自身的反射特性的涂層。此處，為了補償由牙齒的相對半透明性所導(dǎo)致的問題，多個常 規(guī)的牙齒輪廓成像系統(tǒng)在表面輪廓成像之前將涂料或者反射粉末涂敷到牙齒表面。為了條 紋投影成像的目的，該增加的步驟提高了牙齒的不透明度并且消除或者減小了前面所述的 散射光效應(yīng)。然而，這種類型的方法有缺陷。涂敷涂層粉末或者液體的步驟增加了牙齒輪 廓成像過程的成本和時間。因為在整個牙齒表面上所述涂敷層的厚度常常是非一致的，所 以測量誤差易于產(chǎn)生。更重要地，在所涂敷的涂層促進(jìn)輪廓成像的同時，其可能趨向于掩蓋 牙齒的其他問題并且可能因而減小可以獲得的信息的總量。
然而，即使在牙齒的涂層或者其他類型的表面修整被使用的地方，由于牙齒表面 的明顯的輪廓，結(jié)果可能是令人失望的?？赡茈y以提供足量的光到所有的牙齒表面上并且 感測從所有的牙齒表面反射回的光。所述牙齒的不同表面可以被定向在相對于彼此90度 處，使得難以引導(dǎo)足夠的光用于準(zhǔn)確地成像牙齒的所有部分。 已有使結(jié)構(gòu)光表面輪廓成形技術(shù)適合于牙齒結(jié)構(gòu)成像的問題的許多嘗試。舉例 來說，Massen等人的題為“用于牙齒的三維測量的光探測器和方法(Optical Probe and Method for the Three-DimensionalSurveying of Teeth) ” 的美國專利 No. 5，372，502 描 述了使用LCD矩陣以形成用于到牙齒表面上的投影的條形圖案。類似的方法由0’ Keefe 等人在題為“用于3D成像相機的前端(Front End for 3-D ImagingCamera) ”的美國專 利申請公開文本2007/0086762中描述。Trissel的題為“用于口內(nèi)掃描的偏振復(fù)用器及 方^去(Polarizing Multiplexer andMethods for Intra-Oral Scanning)”白勺美 15專禾 No. 7，312，924描述了用于使用三角測量和偏振光對牙齒表面進(jìn)行輪廓成形的方法，但是需 要涂敷熒光涂層用于操作。類似地，PfeifTer等人的題為“尤其為了牙科目的的用于記錄 表面結(jié)構(gòu)的 3D相機(3-D Camera for Recording SurfaceStructures, In Particular for Dental Purposes)，，的美國專利No. 6，885，464公開了使用三角測量的牙齒成像設(shè)備，但是 也需要將不透明的粉末涂敷到牙齒表面用于成像?？梢岳斫獾氖翘峁┭例X的精確表面輪廓成像而不需要為此目的涂敷附加的涂層 或者牙齒表面的其他修整的設(shè)備和方法將有助于加速重建牙科學(xué)并且可以有助于降低常 規(guī)方法的固有成本及不便，諸如用于獲得牙冠、植入式或者其他修復(fù)結(jié)構(gòu)的鑄件或者其他 表面輪廓的那些方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提高診斷成像技術(shù)，尤其對于口內(nèi)成像應(yīng)用。為了該目的，本發(fā)明 提供了口內(nèi)成像設(shè)備，所述設(shè)備包括條紋圖案生成器，所述條紋圖案生成器是可激勵的， 以用大約350-500納米范圍中的光發(fā)出具有預(yù)先確定的空間頻率的條紋圖案照射；偏振 器，所述偏振器在從條紋圖案生成器發(fā)出的所述條紋圖案照射的路徑內(nèi)并且具有第一偏振 透射軸(transmission axis)；投影透鏡，所述投影透鏡被布置為將所述偏振條紋圖案照射 作為入射照射朝牙齒表面引導(dǎo)；成像透鏡，所述成像透鏡被布置為沿檢測路徑引導(dǎo)從所述 牙齒表面處的所述入射照射反射的和散射的光中的至少一部分；分析器，所述分析器沿所 述檢測路徑被布置并且具有第二偏振透射軸；檢測器，所述檢測器沿所述檢測路徑被布置， 用于從經(jīng)過所述分析器提供的光獲得圖像數(shù)據(jù)；以及控制邏輯處理器，所述控制邏輯處理 器響應(yīng)被編程的指令并且是可致動的，以從所述檢測器獲得圖像數(shù)據(jù)以及根據(jù)所述獲得的 圖像數(shù)據(jù)調(diào)整從所述條紋圖案生成器發(fā)出的所述條紋圖案照射的一個或者多個部分上的 強度。本發(fā)明的特征在于其將合適的偏振及波長的光與變化亮度的條紋投影圖案一起 應(yīng)用于牙齒輪廓成像的任務(wù)。本發(fā)明的設(shè)備和方法所提供的優(yōu)點涉及優(yōu)于常規(guī)的輪廓成像方法的牙齒表面的 改進(jìn)的成像及較低的成本。不同于常規(guī)的方法，沒有粉末或者其他不透明物質(zhì)必須被涂敷 于牙齒，作為用于輪廓成像的預(yù)備步驟。
僅通過示意性舉例的方法來給出這些目的，并且這類目的可以是本發(fā)明的一個或 者多個實施例的示范。通過所公開的發(fā)明自然地實現(xiàn)的其他期望的目標(biāo)和優(yōu)點可能被本領(lǐng) 域的技術(shù)人員想到或者對于他們變得顯而易見。通過隨附的權(quán)利要求定義了本發(fā)明。


如附圖中所示的，從下列對本發(fā)明的實施例更具體的描述中，本發(fā)明的前述及其 他目的、特征和優(yōu)點將是顯而易見的。所述附圖的元件不必要相對于彼此成比例。
圖1是一個實施例中使用偏振條紋投影成像的成像設(shè)備的示意圖。圖2A是示出分析器的使用的框圖，其中所述分析器的偏振軸平行于偏振條紋投 影成像設(shè)備的偏振器。圖2B是示出分析器的使用的框圖，其中所述分析器的偏振軸垂直于偏振條紋投 影成像設(shè)備的偏振器。圖3A示出入射在牙齒上的照射的取決于偏振的反射和散射。圖3B是示出來自入射照射的反射光和散射光的相對強度的圖。圖4A、4B和4C是用條紋投影成像所成像的牙齒的立體圖，分別使用非偏振光、交 叉偏振光和共偏振光(co-polarized)。圖5A是示出入射在牙齒上的照射的取決于波長的穿透的圖。圖5B是示出具有不同波長的反射和散射光的相對強度的示意圖。圖6是示出用于獲得條紋投影成像中的共偏振光及交叉偏振光兩者的成像設(shè)備 的示意圖。圖7是示出根據(jù)一個實施例的口內(nèi)成像系統(tǒng)的部件的框圖。圖8是示出如何將增加的亮度應(yīng)用于在具有輪廓的表面的一部分成像場上改進(jìn) 成像的示意圖。圖9A和9B示出一個實施例中為輪廓成像所生成的示范性的投影光圖案。圖10是示出用于獲得輪廓補償圖像的順序的邏輯流程圖。圖11是示出一個實施例中圖案生成器的部件的示意性框圖。圖12是一個實施例中使用偏振條紋投影成像的成像設(shè)備的示意圖。
具體實施例本文中所提供的圖是為了示出根據(jù)本發(fā)明的操作的關(guān)鍵原理及部件沿它們各自 的光路徑的關(guān)系而給出的，而不是為了示出實際的大小或者比例的意圖而畫的。為了強調(diào) 基本的結(jié)構(gòu)關(guān)系或者操作的原理，一些放大可能是必需的。為了簡化對發(fā)明本身的描述，將 被需要用于實現(xiàn)所描述的實施例的一些常規(guī)的部件沒有在附圖中示出，舉例來說，諸如被 用于提供電源、用于組裝、以及用于安裝和保護(hù)系統(tǒng)光學(xué)器件的支持部件。在附圖及下文 中，用相同的參考標(biāo)號標(biāo)記相同的部件，并且已經(jīng)被描述的、涉及部件及部件的布置或者相 互作用的類似描述被省略。在本公開內(nèi)容的上下文中，術(shù)語“條紋圖案照射”被用于描述結(jié)構(gòu)照射的類型，該 結(jié)構(gòu)照射被用于條紋投影成像或者“輪廓”成像。作為圖案特征，所述條紋圖案本身可以包 括以給定的周期重復(fù)出現(xiàn)的多個線條、圓周、曲線或者分布在被照射并且具有預(yù)先確定的空間頻率的區(qū)域上的其他幾何形狀。結(jié)構(gòu)照射的圖案中的光的線條或者其他特征的兩個部分當(dāng)它們的線條寬度在所 述線條的長度上是相同地在不大于+/-15%以內(nèi)時，可以被認(rèn)為是大體上“尺寸上一致”。如 隨后將更詳細(xì)地描述的那樣，結(jié)構(gòu)照射的圖案的尺寸一致性 是需要的，以保持一致的空間頻率。如在前面的背景技術(shù)部分中所描述的那樣，用于條紋投影成像的常規(guī)方法由于多 個原因而無法為牙齒組織提供良好的結(jié)果。當(dāng)通過選擇有利的光特性以及通過改進(jìn)到高度 輪廓(highly contoured)的牙齒表面的光傳遞的技術(shù)以條紋圖案照射使用條紋投影成像 時，本發(fā)明的設(shè)備和方法解決了(address)獲得牙齒的圖像的問題。參考圖1的示意性框圖，用于使用結(jié)構(gòu)光從牙齒20獲得表面輪廓信息的口內(nèi)成像 設(shè)備10的實施例被示出。條紋圖案生成器12是可激勵的，以將所述結(jié)構(gòu)光形成為條形圖 案照射并且將由此所形成的結(jié)構(gòu)光作為入射光通過偏振器14和投影透鏡16朝牙齒20投 影。從牙齒20反射和散射的光通過成像透鏡22和分析器28被提供給檢測器30。在成像 透鏡22的成像平面處，檢測器30沿檢測路徑88被布置。控制邏輯處理器34從檢測器30 接受反饋信息并且響應(yīng)于此信息及其他數(shù)據(jù)而是可致動的，以實現(xiàn)圖案生成器12的操作， 如隨后將更詳細(xì)地描述的那樣。用于條紋投影成像的控制邏輯處理器34的一個功能是增量地偏移所述條紋的位 置并且觸發(fā)所述檢測器以取得隨后被用于計算牙齒表面的三維信息的圖像。對于所述相位 偏移條紋投影方法，典型地至少需要三個圖像以便為計算所述對象的三維信息提供足夠的 信息。用于這三個投影圖像的所述條紋的相對位置典型地被偏移三分之一條紋周期?？刂?邏輯處理器34可以是計算機、微處理器或者執(zhí)行被編程的指令的其他專用邏輯處理設(shè)備。圖1的口內(nèi)成像設(shè)備10將偏振光用于牙齒20的表面成像。偏振器14將來自條 紋圖案生成器12的條紋圖案照射提供為線性偏振光。在一個實施例中，分析器28的透射 軸平行于偏振器14的透射軸。使用這種布置，只有具有與所述條紋圖案相同的偏振的光被 提供給檢測器30。在另一個實施例中，在到檢測器30的反射光的路徑中，分析器28根據(jù)需 要被致動器18旋轉(zhuǎn)至下列兩個方位之一(a)與偏振器14相同的偏振透射軸。在該“共面偏振”位置上，檢測器30獲得從 牙齒20的表面反射的鏡面光，和從牙齒的琺瑯質(zhì)表面的表面層散射和反射的大部分光以 及從牙齒的子表面部分散射回的一些光。分析器28的軸的共面偏振方位在圖2A中示出。 平行或者共面偏振提供優(yōu)于其他配置的改進(jìn)的對比度。(b)相對于偏振器14垂直的偏振透射軸。使用所述正交偏振或者交叉偏振有助于 減小來自所述牙齒表面的鏡面成分并且獲得更多來自牙齒的內(nèi)部部分的散射光。所述分析 器28的軸的交叉偏振方位在圖2B中示出。當(dāng)用成像系統(tǒng)和傳感器對牙齒進(jìn)行成像時，對傳感器可用的光可以是(i)從牙齒 頂面反射的光；(ii)從牙齒的近表面體積或者部分散射或者反射的光；以及(iii)在牙齒 內(nèi)部散射的光。在本公開內(nèi)容的上下文中，牙齒的“近表面體積”是位于離所述表面不超過 幾百微米內(nèi)的牙齒結(jié)構(gòu)的部分。已知的是從牙齒表面(i)反射的光，即鏡面光，保持入射光的偏振狀態(tài)。隨著所 述入射光進(jìn)一步向所述牙齒內(nèi)傳播，所述光逐漸地被消偏振。
不利地，用于輪廓圖案的鏡面光(i)的一些部分可以入射在牙齒表面的更高度反射的部分上，甚至導(dǎo)致使光檢測衰減的一定量的飽和度。不同于使用所有來自牙齒的光的 常規(guī)方法，本發(fā)明的方法使用所述鏡面光(i)和所述近表面反射光(ii)兩者的至少一部 分，并且避免在牙齒內(nèi)深處散射的光(iii)。申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所述近表面光(ii)，尤其對 于藍(lán)色光和較短波長，仍然是大體上偏振的。因此，例如，從牙齒琺瑯的表面層散射和反射 的大部分光也具有與所述入射光和與所述鏡面光(i)相同的偏振狀態(tài)。圖3A示出為何本發(fā)明的設(shè)備和方法使用來自剛好在牙齒表面以下的散射的近表 面光。當(dāng)具有小尺寸的偏振光PO照射牙齒時，光Pl中的一些以鏡面方式從牙齒的表面被 反射并且具有與照射光PO相同的偏振狀態(tài)。照射光PO的其他部分進(jìn)入牙齒，經(jīng)受散射和 消偏振。散射光P2中的一些離開接近照射區(qū)域的牙齒表面并且可以到達(dá)檢測器30(圖1)。尤其重要的是，涉及結(jié)構(gòu)光的圖案特征的尺寸(諸如線條粗度)的散射光P2的空 間“足跡”示出反射光Pl的對應(yīng)空間足跡上的增長。舉例來說，在結(jié)構(gòu)光圖案由給定粗度 的光的平行線條構(gòu)成的地方，來自這些圖案特征的反射光Pl具有與所述投影的圖案大體 相同的粗度的線條。然而，所述散射光P2被檢測為稍微增加的粗度的線條。就是說，由于 光P2已經(jīng)在牙齒內(nèi)被散射，牙齒表面上的投影的足跡比與照射光束大小相同的鏡面反射 光的投影的足跡更寬。圖3B的圖形示出來自牙齒表面的光(Pl)的足跡與來自牙齒內(nèi)的光 (P2)的足跡之間的差別。為了減小可能產(chǎn)生的測量誤差，從牙齒內(nèi)部被檢測的光應(yīng)當(dāng)被最 小化。申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)偏振提供了用于將來自牙齒表面的鏡面光(Pl)與來自牙齒內(nèi)部的 散射光分開而同時仍然利用部分散射光(P2)的有效的鑒別器。圖4A-4C中所示的輪廓圖像組給出了用于使用條紋投影獲得和使用從牙齒返回 的光的方法的比較。圖4A示出使用非偏振光獲得的牙齒20的輪廓圖像。圖4B示出了使 用交叉偏振光的在一定程度上更差的圖像，但是沒有顯現(xiàn)鏡面反射。圖4C示出當(dāng)使用共偏 振光時圖像對比度的改進(jìn)。該圖像中的高亮度的區(qū)域是由于鏡面反射。如這些圖像所示， 當(dāng)從圖像檢測器阻隔交叉偏振光時，條紋對比度提高。除了利用偏振光的有利特性，本發(fā)明的實施例也利用對應(yīng)于朝牙齒引導(dǎo)的光的波 長的不同量的反射。圖5A示出如朝牙齒20引導(dǎo)的三個不同波長λ 1，λ 2，λ 3。在λ 處 的最短波長穿透牙齒最短距離。在λ 2處的第二長的波長穿透牙齒更多的距離。最后，在 λ 3處的最長的波長穿透牙齒最遠(yuǎn)的距離。圖5Β的圖形示出散射如何影響從每個波長在牙 齒表面上的光的足跡。波長越長，足跡越大，導(dǎo)致更大的測量誤差。舉例來說，波長λ 可 以是350到500納米范圍中的近UV或者藍(lán)色光。舉例來說，波長λ 2可以是500到700納 米范圍中的綠色光。舉例來說，波長λ 3可以是700納米或者更高范圍中的紅色光或者IR 光。因此，由于大約350-500納米范圍中的藍(lán)色光或者近UV光提供到牙齒結(jié)構(gòu)中的最少穿 透，故在一個實施例中其證明是用于條紋投影成像的適合的光源。對于圖1的實施例，空間光調(diào)制器可以被用作條紋圖案生成器12的一部分以為偏 振的條紋投影成像提供所需要的偏移動作，如隨后將更詳細(xì)地描述的那樣。條紋圖案本身 在成像期間被偏移到至少一個替代的位置，更優(yōu)選地為兩個或者更多替代的位置。光圖案 的這種偏移可以由獨立致動器(未在圖1中示出)導(dǎo)致，諸如壓電的或者其他類型的致動 器，該獨立致動器是條紋圖案生成器12的一部分，用于實現(xiàn)精準(zhǔn)的增量移動。可替代地，在 條紋圖案生成器12使用空間光調(diào)制器的地方，這種偏移可以被電子地執(zhí)行，不用條紋圖案生成器12內(nèi)的部件的機械運動。另外，另一個致動器18可以被放置用于向偏振器14或者 分析器28(諸如圖1中所示的那樣)提供90度旋轉(zhuǎn)以便獲得共面偏振和交叉偏振圖像。當(dāng) 使用LCD空間光調(diào)制器時，偏振也可以被旋轉(zhuǎn)。圖6示出口內(nèi)成像設(shè)備40的實施例，所述口內(nèi)成像設(shè)備40使用平行和交叉偏振 兩者獲得圖像而不需要在圖像捕獲之間旋轉(zhuǎn)偏振器14或者分析器28。偏振分光器36將反 射光和散射光分開，將交叉偏振的光反射到檢測器30b并且將共面偏振的光透射到檢測器 30ao由于所述共面偏振的光和所述交叉偏振的光提供關(guān)于牙齒的表面和近表面的不 同類型的信息，圖6的成像設(shè)備40提供如下優(yōu)點使用兩種偏振而不需要分析器28或者偏 振器14的機械運動，結(jié)合來自正交偏振的結(jié)果以便獲得改進(jìn)的表面輪廓數(shù)據(jù)。本文所描述的實施例中的檢測器30、30a或30b可以是任何多種類型的圖像感測 陣列，舉例來說諸如CCD器件。偏振器和分析器可以是線柵或者其他偏振類型。 在本發(fā)明的一個實施例中，所述成像設(shè)備以手持探測器的形式被組裝，所述手持 探測器可以容易地被放置在病人的口內(nèi)而只有一點或者沒有不適感。參考圖7，包括以探測 器形式的成像設(shè)備10的口內(nèi)成像系統(tǒng)42被示出。所述探測器在有線或者無線數(shù)據(jù)通信信 道上與控制邏輯處理器34通信，所述控制邏輯處理器34從共面偏振的和交叉偏振的投影 條紋中任何一個或者兩者獲得圖像?？刂七壿嬏幚砥?4提供輸出圖像數(shù)據(jù)，所述輸出圖像 數(shù)據(jù)可以作為數(shù)據(jù)文件被存儲并且在顯示器38上被顯示。如在背景技術(shù)部分中所述的那樣，牙齒的明顯的輪廓包括相對于彼此陡直地傾斜 的表面，使得將足夠的光引導(dǎo)到每個表面上的任務(wù)變得復(fù)雜。作為結(jié)果，牙齒的一些表面可 能不提供足夠的3D信息。參考圖8，該問題相對于牙齒20的背面26被表示。來自成像設(shè) 備10的圖案化的光在牙齒20上生成輪廓檢測條紋圖案44，如盒體B中所示的那樣。條紋 圖案44對于獲得頂面區(qū)域上的3D圖像內(nèi)容足夠亮，如在區(qū)域52上所描繪的那樣；然而，對 應(yīng)于牙齒20的背面26并且被描繪成較暗區(qū)域54的背部表面區(qū)域被非常模糊地照射。這 最多僅允許背面26的輪廓的粗略估計。為了補償使用常規(guī)條紋投影圖案技術(shù)的這種亮度的不足，本發(fā)明的實施例在給定 區(qū)域上選擇性地提高條紋圖案照射的光強度。在圖8中，條紋圖案50被示出具有兩個不同 的區(qū)域，通過它們的相對光強度而被區(qū)分。在條紋圖案50中，第一強度56被提供用于諸如 輪廓成像更容易地可接近的頂面區(qū)域的表面的條紋投影成像。為了示例所示出的高于第一 強度56并且如在圖8中用較深的線條指示的第二強度58被提供用于牙齒的背部表面區(qū) 域。應(yīng)當(dāng)被觀察到的是在該示例中作為圖案特征的投影輪廓線條的實際圖案特征間隔和 粗度在該實施例中沒有被改變。條紋圖案50的相同空間頻率被保持。這意味著所述輪廓 圖案、即條紋圖案50，保持尺寸上的一致，且各個線條或者其他圖案特征僅在強度上而不是 在尺寸或者間隔(周期)上變化。只有一個或者多個區(qū)域上的條紋圖案照射的相對強度在 需要的地方被提高。舉例來說，沿結(jié)構(gòu)光條紋圖案50內(nèi)的任何一條線，可能存在任何數(shù)量 的強度，諸如在圖8中示出為第一和第二強度56和58的兩個強度。條紋圖案內(nèi)的線條粗 度不改變，所述條紋圖案的空間頻率被保持。保持所述條紋圖案的尺寸一致性及空間頻率對于輪廓成像是有利的，因為其在全 部像場上提供了一致的分辨率。其他技術(shù)被提議用于改變圖案尺寸本身，諸如加粗特定區(qū)域上的圖案線條；然而，因為當(dāng)使用這類技術(shù)時所述條紋圖案的空間頻率改變，所獲得的輪 廓圖像的結(jié)果的分辨率是非一致的。就圖8中給出的示例條紋圖案50而言，如下是有啟發(fā) 性的觀察到如果被指示為第二強度58的區(qū)域?qū)嶋H上使用更粗的線條，則結(jié)果的輪廓圖像 將在該區(qū)域上遭受減小的分辨率。通過將條紋圖案50的線條保持為尺寸上一致并且僅增 加該實例中提供第二強度58的光的強度，本發(fā)明的實施例在較暗的區(qū)域上提供增加的照 射而沒有分辨率的損失。圖8的示意圖示出簡化的情況，其中條紋圖案50通過使用兩個不同的強度56和 58補償表面陡度。圖9A和9B示出使用多于兩個光強度的其他可能的布置的示例。例如， 在圖9A中，用于條紋圖案照射的光可以具有第一強度56，第二強度58或者在該示例中表示 為最高強度的第三強度66。在圖9B中，光可以分別具有第一、第二或者第三強度56、58或 者66，或者具有甚至更高的第四強度68，如所示出的那樣。所述光強度可以沿任何單個圖 案特征變化，諸如沿投影的條紋圖案50中的單個線條。除了相對于成像設(shè)備10的位置增加牙齒表面的較暗區(qū)域上的光強度以外，也有 可能減 小可能存在高度鏡面反射的區(qū)域上的光強度，該高度鏡面反射否則會引起所述檢測 器的飽和度。此外，必須被強調(diào)的是改變的是所述投影的光圖案的一個或者多個位置上的 光強度；與空間頻率相關(guān)的線條粗度及間隔兩者對于不同強度保持相同。再次參考圖1和/或者圖6，所述投影的圖案上的光強度可以通過響應(yīng)于被編程的 指令而借助于來自控制邏輯處理器34的命令來控制條紋圖案生成器12，以及借助于從控 制邏輯處理器34提供到相關(guān)的控制部件的信號而被改變。在一個實施例中，條紋圖案生成 器12是數(shù)字微鏡裝置(DMD)。隨后，可以通過使用脈寬調(diào)制(PWM)提高DMD的可旋轉(zhuǎn)鏡的 有效占空比而在投影條紋圖案50的任何部分上增加強度，以便源照射在條紋圖案的特定 部分上被提供適量的時間。照射強度調(diào)整的其他方法將請求LCD以及其他透射和發(fā)射空間 光調(diào)制器，使用成像領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的光調(diào)制技術(shù)。再次參考圖7，控制邏輯處理器34被以指令編程，該指令根據(jù)成像條件自動地調(diào) 整條紋圖案50中的線條或者其他特征的局部強度。圖10的邏輯流程圖示出一個實施例中被用于自適應(yīng)條紋投影成像的步驟的順 序。在初始步驟60中，第一參考圖像被獲得。所述參考圖像可以是輪廓圖像，通過將結(jié)構(gòu)光 投影到牙齒表面上而形成?？商娲?，所述參考圖像可以是從光的均勻場到所述牙齒表面 的投影所獲得的常規(guī)二維圖像。所獲得的參考圖像可以處于全分辨率；可替代地，由于所述 參考圖像沒有被直接用于成像而代替地被用于確定在每個表面區(qū)域上所返回的光的總量， 故所述參考圖像可以處于較低分辨率。仍然參考圖10，接著是分析步驟64，其中來自所述感測的參考圖像的不足夠亮的 區(qū)域被標(biāo)識。對于牙齒成像應(yīng)用，分析步驟64可以利用關(guān)于牙齒結(jié)構(gòu)的已知數(shù)據(jù)。例如， 操作者可以用標(biāo)號來標(biāo)識所述牙齒或者提供在分析步驟64中被使用的其他信息。映射生 成步驟70隨后被執(zhí)行，其中較高或者較小強度的區(qū)域根據(jù)所述第一參考圖像而被定義。就 圖9A和9B而言，步驟70隨后設(shè)置可變強度條紋圖案50。圖像捕獲步驟74隨后將生成的 條紋圖案50用于獲得具有如關(guān)于圖8所描述的具有增加的亮度的輪廓圖像。圖像捕獲步 驟74之后可以是可選的循環(huán)步驟76，所述循環(huán)步驟76重復(fù)映射生成步驟70的分析以便 生成第二或者其他附加的映射，以便可以用強度的適當(dāng)改變來偏移所述投影的結(jié)構(gòu)照射圖案，一次或者多次。這種偏移被完成以便使用條紋投影技術(shù)獲得牙齒輪廓的更精確的評估。 單獨獲得的輪廓圖像被結(jié)合以獲得表面結(jié)構(gòu)信息，使用成像領(lǐng)域中眾所周知的技術(shù)。在一 個實施例中，圖像捕獲步驟74也包括激勵致動器18(圖1)以便使用共面偏振(如在圖2A 中那樣)及交叉偏振(圖2B)兩者獲得圖像。
圖11是示出一個實施例中的條紋圖案生成器12的部件的示意性框圖?？臻g光調(diào) 制器84，諸如數(shù)字微鏡裝置(DMD)、液晶裝置(LCD)或者其他類型的光調(diào)制器陣列或者光 柵，根據(jù)來自控制邏輯處理器34的控制信號形成圖案。通過一個或者多個光元件82調(diào)節(jié)， 諸如光均勻器(imiformizer)和透鏡元件，光源80向空間光調(diào)制器84提供入射光。在該 實施例中的空間光調(diào)制器84可以是如圖11所示的透射裝置或者諸如DMD的反射裝置?？?制邏輯處理器34響應(yīng)如前面參考圖8所描述的在初始的參考圖像中被返回的光亮度的圖 案44來控制形成在空間光調(diào)制器84上的條紋圖案中的圖案特征的強度。在圖11所示的實施例中，光源80可以是的固態(tài)光源，諸如發(fā)光二極管(LED)或者 激光器，或者可以是燈或者其他光源。在350-500納米范圍中的藍(lán)色光或者近UV光被用于 提供來自牙齒的近表面部分的可用的圖像內(nèi)容，如前面所描述的那樣。在備選的實施例中， 光源80沒有被使用并且發(fā)射陣列，諸如有機LED(OLED)，被用于來自單個部件的圖案生成。圖12的示意圖示出本發(fā)明的另一個實施例，其中濾波器90，諸如透射350-500納 米范圍中的藍(lán)色光或者近UV光并且使其他光衰減的帶通濾波器，被放置在成像路徑中。該 實施例可能對環(huán)境中的因素不很敏感，諸如來自空間中其他裝置的雜散光。在該實施例中， 條紋圖案生成器12內(nèi)的光源80(圖11)可以是寬帶的，即延伸遠(yuǎn)超過350-500納米范圍， 或者是窄帶的，即主要發(fā)射藍(lán)色光及近UV光。本發(fā)明的實施例通過利用光的特性及空間光調(diào)制器的能力來為牙齒提供改進(jìn)的 輪廓成像，所述光的特性及空間光調(diào)制器的能力用于形成具有響應(yīng)于牙齒表面特性中的變 化性的合適光強度的自適應(yīng)條紋投影圖案。本發(fā)明的設(shè)備和方法通過使用短波長光及通過 采用偏振光的原理來補償與牙齒的半透明性相關(guān)的問題。當(dāng)合適波長及偏振狀態(tài)的光被提 供以適合的強度布置時，可以實現(xiàn)高度輪廓的牙齒表面的更準(zhǔn)確的指示器(indicator)。使用本發(fā)明的設(shè)備和方法獲得的表面輪廓圖像可以以多種方式被使用。輪廓數(shù) 據(jù)可以被輸入用于處理和生成修復(fù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中或者可以被用于驗證實驗室技術(shù)員或者 牙科器具的其他制作者的工作。該方法可以被用作減小或者消除在一些情況下獲得壓痕 (impression)的需要的系統(tǒng)或者過程的一部分，降低牙科護(hù)理的整體花費。因此，使用該 方法和設(shè)備所執(zhí)行的成像可以有助于實現(xiàn)需要較少或者不需要由牙醫(yī)進(jìn)行的調(diào)整或者裝 配(fitting)的高級裝配修補裝置(superiorfitting prosthetic device)。從另一方面， 本發(fā)明的設(shè)備和方法可以被用于牙齒、支持結(jié)構(gòu)以及咬合情況(bite condition)的長期跟 蹤，有助于診斷和防止更嚴(yán)重的健康問題。整體而言，使用該系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)可以被用于幫 助改進(jìn)病人和牙醫(yī)之間以及牙醫(yī)、工作人員和實驗室裝備之間的溝通。有利地，本發(fā)明的設(shè)備和方法提供用于牙齒及其他牙齒特征的3D成像而不需要 為牙齒表面使用專門的粉末或者涂敷一些其他臨時涂層的口內(nèi)成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供高的 分辨率，在一個實施例中在25-50微米范圍內(nèi)。已經(jīng)具體地參考當(dāng)前優(yōu)選的實施例詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是將理解的是變化 和修改可以在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)實現(xiàn)。舉例來說，任何多種不同類型的空間光調(diào)制器可以被用作條紋圖案生成器的一部分。因此,當(dāng)前所公開的實施例在所有方面而言都是示 意性的而不是限制性的。本發(fā)明的范圍由隨附的權(quán)利要求指出，并且落在其等同物的含義 和范圍中的所有改變都是意在被包含在本文中。部件列表 10成像設(shè)備12條紋圖案生成器14偏振器16透鏡18致動器20牙齒22透鏡26背面28分析器30，30a，30b檢測器34控制邏輯處理器36偏振分光器38顯示器40成像設(shè)備42口內(nèi)成像系統(tǒng)44圖案50條紋圖案52，54區(qū)域56第一強度58第二強度60初始步驟64分析步驟66第三強度68第四強度70映射生成步驟74圖像捕獲步驟76循環(huán)步驟80光源82光元件84空間光調(diào)制器88檢測路徑90濾波器B盒體P0, PI, P2偏振光λ 1，λ 2，λ 3 波長。
權(quán)利要求
一種口內(nèi)成像設(shè)備，所述設(shè)備包括條紋圖案生成器，所述條紋圖案生成器是可激勵的，以用大約350-500納米范圍中的光發(fā)出具有預(yù)先確定的空間頻率的條紋圖案照射；偏振器，所述偏振器被布置在從所述條紋圖案生成器發(fā)出的所述條紋圖案照射的路徑中并且具有第一偏振透射軸；投影透鏡，所述投影透鏡被布置以將所述偏振的條紋圖案照射作為入射照射朝牙齒表面引導(dǎo)；成像透鏡，所述成像透鏡被布置為沿檢測路徑引導(dǎo)從所述牙齒表面處的所述入射照射反射和散射的光的至少一部分；分析器，所述分析器沿所述檢測路徑被布置并且具有第二偏振透射軸；檢測器，所述檢測器沿所述檢測路徑被布置，用于從經(jīng)過所述分析器而被提供的光獲得圖像數(shù)據(jù)；以及控制邏輯處理器，所述控制邏輯處理器響應(yīng)被編程的指令并且是可致動的，以從所述檢測器獲得圖像數(shù)據(jù)并且根據(jù)所述獲得的圖像數(shù)據(jù)調(diào)整從所述條紋圖案生成器發(fā)出的所述條紋圖案照射的一個或者多個部分上的強度。
2.如權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其特征在于，其中所述第二偏振透射軸平行于所述 第一偏振透射軸。
3.如權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其特征在于，其中所述第二偏振透射軸垂直于所述 第一偏振透射軸。
4.如權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其特征在于，所述成像設(shè)備還包括致動器，所述致動 器被耦合到所述偏振器或者所述分析器并且是可激勵的，以將所述耦合的偏振器或者分析 器旋轉(zhuǎn)至兩個位置中的一個，大體上分開90度。
5.如權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其特征在于，其中所述分析器是偏振分光器，并且其 中所述檢測器是被布置以接收經(jīng)過所述偏振分光器所透射的光的第一檢測器，以及所述成 像設(shè)備還包括被布置以接收從所述偏振分光器反射的光的第二檢測器。
6.如權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其特征在于，其中所述條紋圖案生成器包括光柵。
7.如權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其特征在于，其中所述條紋圖案生成器包括空間光 調(diào)制器。
8.如權(quán)利要求7所述的成像設(shè)備，其特征在于，其中所述空間光調(diào)制器取自由數(shù)字微 鏡裝置和液晶裝置構(gòu)成的組。
9.如權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其特征在于，其中所述條紋圖案生成器包括形成和 發(fā)出所述條紋圖案的發(fā)射裝置。
10.如權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其特征在于，所述成像設(shè)備還包括濾波器，所述濾 波器沿所述檢測路徑被布置，用于透射在350-500納米范圍中的光。
全文摘要
一種具有條紋圖案生成器的口內(nèi)成像設(shè)備，所述條紋圖案生成器是可激勵的，以用大約350-500納米范圍中的光發(fā)出具有預(yù)先確定的空間頻率的條紋圖案照射。在所述條紋圖案照射的路徑中的偏振器具有第一偏振透射軸。投影透鏡被布置為將偏振的條紋圖案照射作為入射照射朝牙齒表面引導(dǎo)。成像透鏡被布置為沿檢測路徑引導(dǎo)在牙齒表面處反射和散射的光。分析器沿所述檢測路徑被布置，其具有第二偏振透射軸。沿所述檢測路徑被布置的檢測器從經(jīng)過所述分析器而被提供的光獲得圖像數(shù)據(jù)?？刂七壿嬏幚砥黜憫?yīng)被編程的指令并且是可致動的，以根據(jù)從所述檢測器獲得的圖像數(shù)據(jù)而調(diào)整所述條紋圖案照射的一個或者多個部分上的強度。
文檔編號A61B5/00GK101862182SQ20101016798
公開日2010年10月20日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者R·梁 申請人:卡爾斯特里姆保健公司