已經(jīng)開發(fā)了各種方法用于光學(xué)測量表面形貌。例如，已經(jīng)開發(fā)和采用了能夠用于光學(xué)測量患者的牙齒的表面形貌的光學(xué)系統(tǒng)和方法。例如，測得的牙齒的表面形貌能夠用于設(shè)計和制造義齒，以及/或者用于確定正畸治療計劃以矯正咬合不正。

一種用于光學(xué)測量表面形貌的技術(shù)采用了激光三角法來測量牙齒表面與光學(xué)距離探頭之間的距離，該探頭插入到患者的口腔中。然而，由于例如來自牙齒表面的次優(yōu)的反射率，導(dǎo)致經(jīng)由激光三角法而測得的表面形貌可能比期望的精度低。

在能夠從西門子公司(Siemens GmbH)或西諾德牙科設(shè)備公司(Sirona Dental Systems)市售的CEREC-1和CEREC-2系統(tǒng)中實施的用于光學(xué)測量表面形貌的其他技術(shù)分別使用光切法和相移法。兩個系統(tǒng)均采用特殊設(shè)計的手持探頭測量準備的牙齒的三維坐標。然而，這兩種方法均要求在牙齒上沉積特定的被覆物(即，分別為測量粉末和白色顏料懸浮液)。被覆層的厚度應(yīng)該滿足特定的并且難以控制的需求，這可能導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的不準確。

在另一技術(shù)中，基于利用探頭對表面的物理掃描和通過例如利用光學(xué)器件或其他遙感裝置確定探頭的位置而進行牙齒表面形貌的測繪。

美國專利No.5372502公開了一種用于三維測量的光學(xué)探頭。

將各種圖案投射到待測量的牙齒上，并且利用光學(xué)探頭捕獲相應(yīng)的多個扭曲的圖案。每個捕獲的圖案均能夠用于細化形貌測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

提供了用于測量三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的設(shè)備和方法。在多個實施例中，用于測量表面形貌的設(shè)備被配置為針對設(shè)備的光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的多個不同位置和/或朝向而利用光束照亮三維結(jié)構(gòu)(例如，患者的齒列)。公開的設(shè)備和方法采用了在不相對于光學(xué)探頭而光學(xué)地移動光束的焦點位置的情況下的三維結(jié)構(gòu)的共焦掃描，而是使用光學(xué)探頭相對于結(jié)構(gòu)的移動，從而實現(xiàn)了更小、更快并且更具成本效益的光學(xué)器件。

從而，在一個方面中，描述一種設(shè)備用于測量三維結(jié)構(gòu)的表面形貌。設(shè)備被配置為測量多個返回光束中的每個返回光束的特性，所述返回光束通過利用多個光束照射三維結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生。針對設(shè)備與三維結(jié)構(gòu)之間的多個不同位置和/或朝向測量特性。

在另一方面中，描述一種設(shè)備用于測量三維結(jié)構(gòu)的表面形貌。在多個實施例中，設(shè)備包括光學(xué)探頭、光學(xué)系統(tǒng)以及處理單元。光學(xué)探頭相對于三維結(jié)構(gòu)移動。光學(xué)系統(tǒng)將多個入射光束中的每個入射光束聚焦到相對于光學(xué)探頭并且遠離光學(xué)探頭的各自的焦點位置。通過利用入射光束照射三維結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生返回光束。針對光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的多個不同相對位置和/或朝向，至少部分地基于測量的返回光束的特性，處理單元確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌。

在另一方面中，描述一種用于測量三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的方法。方法包括將多個入射光束中的每個入射光束聚焦到相對于光學(xué)探頭并且遠離光學(xué)探頭的各自的焦點。通過利用入射光束照射三維結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生返回光束。針對光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的多個不同的相對位置和/或朝向測量返回光束的特性，以生成三維結(jié)構(gòu)的表面形貌數(shù)據(jù)。

通過閱讀說明書、權(quán)利要求書和附圖，本發(fā)明的其它目的和特征將變得顯而易見。

附圖說明

在所附權(quán)利要求中具體闡述本發(fā)明的新穎特征。通過參考以下詳細說明將獲得對本發(fā)明的特征和優(yōu)點的更好理解，所述詳細說明闡述了使用本發(fā)明的原理的說明性實施例，并且其附圖為：

圖1A和1B利用方框圖示意性地示出了根據(jù)多個實施例的共焦表面形貌測量設(shè)備(圖1B是圖1A的延續(xù))；

圖2A是根據(jù)實施例的共焦表面形貌測量設(shè)備的探測部件的頂視圖；

圖2B是穿過圖2A的探測部件的縱截面圖，描繪了穿過其中的示例性光線；

圖2C和2D是根據(jù)多個實施例的圖2A的探測部件的端視圖；

圖3A示出了根據(jù)多個實施例的使用固定焦點位置來掃描結(jié)構(gòu)的光學(xué)探頭；

圖3B示出圖3A的光學(xué)探頭在使用固定焦點位置掃描結(jié)構(gòu)期間的另一視圖；

圖4A示出根據(jù)多個實施例的被配置為將多個光束聚焦到各自的焦點位置的光學(xué)組件；

圖4B示出根據(jù)多個實施例的被配置為將多個光束聚焦到斜的焦平面的另一光學(xué)組件；

圖5示出根據(jù)多各實施例的用于將光束陣列聚焦到斜的焦平面的微透鏡陣列；

圖6A示出根據(jù)多個實施例的被配置為將多個光束聚焦到斜的焦平面的另一光學(xué)組件；

圖6B示出根據(jù)多個實施例的通過圖6A的光學(xué)組件的返回光束的光學(xué)路徑；

圖7A示出根據(jù)多個實施例的被配置為將多個光束聚焦到斜的焦平面的另一光學(xué)組件；

圖7B示出圖7A的光學(xué)組件的展開配置；以及

圖8是簡化的方框圖，描述了根據(jù)多個實施例的使用固定焦點位置測量表面形貌的方法的步驟。

具體實施方式

本文描述了采用表面形貌的共焦測量的設(shè)備和方法。在一些方法中，諸如其公開內(nèi)容全部通過參考并入本文的美國專利No.6697164描述的方法中，測量設(shè)備產(chǎn)生的入射光束用于確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌。設(shè)備包括光學(xué)探頭，光束從該光學(xué)探頭發(fā)出以照亮該結(jié)構(gòu)。光束通過聚焦光學(xué)器件聚焦到光學(xué)探頭外部的各個交點(還稱為焦點位置)。為了測量三維表面形貌，通過相對于光學(xué)探頭的多個位置而光學(xué)掃描焦點位置。焦點位置沿著入射光束的傳播方向相對于光學(xué)探頭移動(軸向掃描)。焦點位置還能夠與傳播方向正交地移動(橫向掃描)。本文中關(guān)于光的方向的任何描述能夠被認為是指光的主射線(主光線)的方向。類似地，本文中關(guān)于光的傳播方向的任何描述能夠被認為是光的主射線的傳播方向。通常，通過例如經(jīng)由諸如電流計鏡、電動機和/或伸縮式掃描機構(gòu)這樣的適當裝置而機械移動光學(xué)元件，來實現(xiàn)相對于光學(xué)探頭的軸向掃描和/或橫向掃描。然而，使用這樣的軸向掃描或橫向掃描構(gòu)件可能增加測量設(shè)備的尺寸、重量和成本。

相比之下，本公開的設(shè)備和方法在不光學(xué)移動焦點位置相對于光學(xué)探頭的位置的情況下進行三維表面形貌的共焦測量。與以上描述的光學(xué)掃描相對于光學(xué)探頭的焦點位置的方法相比，本文描述的方法將各光束聚焦至各自的焦點，所述各自的交點相對于光學(xué)探頭具有固定空間布置。光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的相對移動用于使焦點相對于結(jié)構(gòu)移動。測量光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的距離用于光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的多個不同位置和/或朝向。然后結(jié)合關(guān)于探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的相對位置的數(shù)據(jù)來處理數(shù)據(jù)，以確定被測量的結(jié)構(gòu)的表面形貌。通過避免使用光學(xué)掃描機構(gòu)，本文公開的設(shè)備和方法相對于現(xiàn)有的光學(xué)測量系統(tǒng)可以是更小、更快并且更有成本效益的。

在多個實施例中，通過測量用入射光束照明結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的返回光束的一個以上的特性來確定光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的距離。這樣的特性能夠包括例如返回光束的強度、波長、偏振、相移、干涉和/或色散。本文關(guān)于光強的任何描述也能夠適用于光的其他合適的特性，反之亦然。特性的測量能夠用于檢測入射光束是否聚焦在結(jié)構(gòu)的表面上，并且從而確定光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的距離。

例如，能夠基于測量返回光束的強度而確定結(jié)構(gòu)的表面形貌。在多個實施例中，設(shè)備配置為使得當入射光束聚焦在結(jié)構(gòu)的表面時，從結(jié)構(gòu)返回的任意特定光束的強度是最大的。通過相對于結(jié)構(gòu)移動探頭，能夠通過識別相應(yīng)返回反射光束的強度何時為最大值，確定對于特定光束的探頭與結(jié)構(gòu)之間的距離以及探頭相對于結(jié)構(gòu)的位置和朝向。然后能夠基于測量的返回光束的強度以及光學(xué)探頭相對于結(jié)構(gòu)的位置和/或朝向而確定結(jié)構(gòu)的表面形貌。

作為另一實例，能夠通過使用空間頻率分析以識別結(jié)構(gòu)的哪些區(qū)域在焦點上，來確定表面形貌。在多個實施例中，聚焦區(qū)域?qū)确蔷劢箙^(qū)域更高的空間頻率。因此，能夠通過識別區(qū)域的空間頻率何時為最大，從而針對探頭相對于結(jié)構(gòu)的特定位置和朝向，確定探頭與結(jié)構(gòu)上的特定區(qū)域之間的距離。該方法能夠用于確定具有空間細節(jié)的結(jié)構(gòu)的表面形貌。

本文描述的設(shè)備和方法能夠用于測量任意合適的三維結(jié)構(gòu)的表面形貌。在多個實施例中，進行光學(xué)測量以產(chǎn)生表示患者牙列的三維表面形貌的數(shù)據(jù)。例如，數(shù)據(jù)能夠用于產(chǎn)生能夠被顯示和操縱的牙列的三維虛擬模型。三維虛擬模型能夠用于例如定義患者牙列的空間關(guān)系，其用于為患者創(chuàng)建牙修復(fù)體(例如，齒冠或齒橋)，提供數(shù)字模型或物理模型用于記錄保存目的，建立治療計劃，制造正畸矯正器或任何其他牙科目的。表面形貌數(shù)據(jù)能夠被存儲和/或傳輸或輸出到諸如制造裝置，該制造裝置能夠用于例如制造患者牙列的物理模型，牙科技師使用該物理模型來為患者創(chuàng)建牙修復(fù)體。

在一個方面中，提供一種設(shè)備，用于測量三維結(jié)構(gòu)的表面形貌。該設(shè)備能夠被配置為：(a)將多個光束中的每個光束均相對于設(shè)備聚焦到各自固定的焦點位置；(b)測量通過用光束照射三維結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的多個返回光束中的每一個返回光束的特性，所述特性是針對設(shè)備與三維結(jié)構(gòu)之間的多個不同位置和/或朝向所測量的；并且(c)對于裝置與三維結(jié)構(gòu)之間的多個不同位置和/或朝向，至少部分地基于測量的返回光束的特性來確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌。

在另一方面中，提供一種設(shè)備，用于測量三維結(jié)構(gòu)的表面形貌。該設(shè)備包括被配置為相對于三維結(jié)構(gòu)移動的光學(xué)探頭。設(shè)備包括照射單元，該照射單元被配置為產(chǎn)生多個入射光束，每個入射光束均包含第一波長組分。該設(shè)備包括光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)被配置為將多個入射光束的每個入射光束的第一波長組分相對光學(xué)探頭聚焦至各自固定的焦點位置。該設(shè)備包括檢測器單元，該檢測器單元被配置為測量多個返回光束中的每個返回光束的特性，所述返回光束通過利用入射光束照射三維結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生。設(shè)備包括與檢測器單元結(jié)合的處理單元，該處理單元被配置為針對光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的多個不同的相對位置和/或朝向，至少部分地基于測量的多個返回光束的特性來確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌。在多個實施例中，特性是強度。

在多個實施例中，檢測器單元包括傳感器元件的二維陣列。每個傳感器元件均能夠被配置為測量多個返回光束的相應(yīng)返回光束的特性。光學(xué)系統(tǒng)能夠被配置為根據(jù)由照明單元產(chǎn)生的光形成入射光束的二維圖案，入射光束的二維圖案與由傳感器元件的二維陣列測量的返回光束相對應(yīng)。光學(xué)系統(tǒng)能夠包括光學(xué)擴束器單元，光學(xué)擴束器單元被配置為擴展由照射單元產(chǎn)生的光，以形成入射光束的二維圖案。照射單元能夠被配置為產(chǎn)生入射光束的二維圖案，該入射光束的二維圖案與由傳感器元件的二維陣列所測量的返回光束相對應(yīng)。

入射光束能夠相對于光學(xué)探頭聚焦到多個相應(yīng)的焦距。在多個實施例中，入射光束能夠被布置在具有第一行和最后一行的多行中。各行中的入射光束能夠被聚焦到相應(yīng)的共同焦距。第一行和最后一行的焦距能夠相差預(yù)定長度。例如，預(yù)定長度能夠是5mm至25mm。傳感器元件能夠布置在一個平面中，該平面被定向為關(guān)于入射光束的第一波長組分的焦距對返回光束進行共焦傳感。在一些實施例中，傳感器元件的平面與返回光束是非正交的。

在多個實施例中，光學(xué)探頭通過相對于結(jié)構(gòu)的多個不同的位置和/或朝向而移動。從而，能夠至少部分地基于光學(xué)探頭相對于三維結(jié)構(gòu)的位置和/或朝向，根據(jù)測量的特性重建三維表面形貌。能夠使用任意合適的方法確定光學(xué)探頭與結(jié)構(gòu)之間的相對位置和/或朝向。在多個實施例中，處理單元包括一個以上的處理器，以及有形非暫時性存儲裝置。有形非暫時性存儲裝置能夠存儲可以由一個以上的處理器執(zhí)行的指令，以使得一個以上的處理器處理測量性能的數(shù)據(jù)，使用檢測單元針對光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的多個不同的相對位置和/或朝向而產(chǎn)生測量性能的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)能夠由一個以上的處理器處理，以確定光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的相對位置和/或朝向。

在多個實施例中，設(shè)備還包括被配置為收集運動數(shù)據(jù)的運動跟蹤裝置。處理單元能夠包括一個以上的處理器，以及有形非暫時的存儲裝置。有形非暫時性存儲設(shè)備能夠存儲由一個以上的處理器執(zhí)行的指令，以使得一個以上的處理器處理使運動數(shù)據(jù)，以確定光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的相對位置和/或朝向。例如，運動跟蹤裝置能夠包括攝像機，并且運動數(shù)據(jù)能夠包括圖像數(shù)據(jù)。在另一實例中，運動跟蹤裝置能夠包括陀螺儀和/或加速度計。作為另一實例，運動跟蹤裝置能夠包括電磁傳感器。

能夠使用多個入射光束的任何合適的配置。例如，光學(xué)系統(tǒng)能夠被配置為將光束的第一波長組分聚焦到相對于掃描儀的至少10個不同的焦距，并且焦距能夠具有至少10mm的范圍。

在另一方面中，提供用于測量三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的方法。該方法能夠包括產(chǎn)生多個入射光束，每個入射光束包括第一波長組分。每個入射光束的第一波長組分能夠聚焦到相對于光學(xué)探頭的各焦點位置。針對光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的多個不同的相對位置和/或朝向，能夠測量通過用入射光束照射三維結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的多個返回光束中的每一個返回光束的特性。能夠處理針對光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的多個不同相對位置和/或朝向的測量特性，以生成三維結(jié)構(gòu)的表面形貌數(shù)據(jù)。能夠使用表面形貌數(shù)據(jù)生成三維結(jié)構(gòu)的表面形貌。在多個實施例中，測量的特性是強度。在多個實施例中，方法包括跟蹤光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的相對位置和/或朝向中的變化。

入射光束能夠被布置在具有第一行和最后一行的多行中。例如，各行中的入射光束能夠被聚焦到相應(yīng)的共同焦距。第一行和最后一行的焦距能夠相差預(yù)定長度。例如，預(yù)定長度能夠是至少10mm。入射光束能夠相對于探頭聚焦到任意合適的相應(yīng)固定位置。例如，光束的波長組分能夠相對于掃描儀聚焦到至少10個不同的焦距，并且焦距可以具有至少10mm的范圍。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，其中在各個附圖中相同的附圖標記表示相同的元件，圖1A和1B示出用于光學(xué)測量表面形貌的設(shè)備20。設(shè)備20包括結(jié)合到處理器24的光學(xué)裝置22。示出的實施例對于測量患者牙齒26的表面形貌是特別有益的。例如，設(shè)備20能夠被用于測量患者牙齒的至少一個牙齒或者牙齒的一部分缺失這樣的部分的表面形貌，以產(chǎn)生用于隨后在針對患者的假體(例如，齒冠或齒橋)的設(shè)計和/或制造中使用的表面形貌數(shù)據(jù)。然而，應(yīng)注意，本發(fā)明不限于測量牙齒的表面形貌，并且，加以必要的修改，也適用于對象的三維結(jié)構(gòu)的成像的各種其他應(yīng)用(例如，用于考古學(xué)對象的記錄，用于任何合適項目的三維結(jié)構(gòu)的成像，諸如生物組織等)。

在示出的實施例中，光學(xué)裝置22包括發(fā)射光的光源(例如，半導(dǎo)體激光單元28)，如箭頭30所表示的。光束30能夠包括單一波長組分或者多個波長組分。在一些情況下，具有多個波長組分的光可以由多個光源產(chǎn)生。光通過偏光器32，這使得通過偏光器32的光具有一定的偏振。然后光進入光學(xué)擴束器34，這增加了光束30的直徑。然后光束30通過模塊38，該模塊例如可以是將母光束30分成多個光束36的光柵或微透鏡陣列，此處，為了易于圖示，將光束36用單線表示。

光學(xué)裝置22還包括部分透明鏡40，其具有小中心孔徑。鏡40允許光從激光單元28傳輸通過下游的光學(xué)器件，但是反射在相反方向上行進的光。應(yīng)注意，原則上，可以使用具有類似功能的其他光學(xué)器件(例如，分束器)而不是部分透明鏡。鏡40中的孔徑提高了設(shè)備的測量精度。由于該鏡結(jié)構(gòu)，只要區(qū)域不對焦，光束就在被成像的對象的照射區(qū)域上產(chǎn)生光環(huán)。當光束相對于成像對象聚焦時，光環(huán)變成強烈聚焦的照明點。因此，在離焦與對焦時的測量強度之間的差較大。該類鏡的另一優(yōu)點在于，與分束器相反，避免了在分束器中發(fā)生的內(nèi)部反射，因此信噪比更大。

光學(xué)裝置22還包括聚焦光學(xué)器件42、中繼光學(xué)器件44和內(nèi)窺鏡探頭部件46。聚焦光學(xué)器件42能夠包括合適的光學(xué)器件，用于將光束36相對于探頭部件46聚焦到固定空間位置處的多個相應(yīng)的焦點，如下所述。在多個實施例中，聚焦光學(xué)器件42是靜態(tài)的，使得光學(xué)裝置22不采用機構(gòu)來相對于探頭部件46掃描焦點(例如，軸向或橫向)。在多個實施例中，中繼光學(xué)器件44被配置為保持光束的傳播的特定數(shù)值孔徑。

內(nèi)窺鏡探頭部件46能夠包括透光介質(zhì)，其可以是在其內(nèi)限定了光透射路徑的中空物體或者由透光材料(例如，玻璃體或管)制成的物體。透光介質(zhì)可以是剛性的或柔性的(例如，光纖)。在多個實施例中，內(nèi)窺鏡探頭部件46包括確保全內(nèi)反射并將入射光束朝向患者的牙齒26引導(dǎo)的這樣類型的鏡。從而內(nèi)窺鏡46發(fā)射照射在患者的牙齒26的表面上的多個入射光束48。

內(nèi)窺鏡46能夠包括一個以上的運動跟蹤元件47(例如，陀螺儀、加速度計、用于光學(xué)跟蹤的目標以及電磁傳感器)。在多個實施例中，運動跟蹤元件47響應(yīng)于內(nèi)窺鏡46的移動而生成運動跟蹤信號。在多個實施例中，運動跟蹤信號由處理器24處理，以跟蹤內(nèi)窺鏡46在六個自由度(即，三個平移自由度和三個旋轉(zhuǎn)自由度)中的空間布置的變化。

在多個實施例中，入射光束48形成相對于笛卡爾參考系50布置在平面中并沿著Z軸傳播的光束的二維陣列。光束48能夠被聚焦到限定了合適的焦平面的各焦點，所述焦平面例如是與Z軸正交的平面(例如，X-Y平面)或非正交平面。當入射光束48入射到不平坦表面上時，所產(chǎn)生的照明點52的陣列在不同的(X_i，Y_i)位置處沿著Z軸彼此移位。從而，雖然在一個位置處的照明點52可以針對內(nèi)窺鏡46與牙齒26之間的給定相對空間布置而聚焦，但是在其他位置處的照明點52可能是離焦的。

因此，聚焦點的返回光束的光強度將處于其峰值，而其他點處的光強度將不處于峰值。從而，對于各個照明點，測量光強用于內(nèi)窺鏡46與牙齒26之間的不同的相對空間布置。通常，將求出強度對時間的導(dǎo)數(shù)，并且其中導(dǎo)數(shù)等于零的內(nèi)窺鏡46與牙齒26之間的相對空間布置可以用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)與內(nèi)窺鏡26與牙齒26之間的相對空間布置關(guān)聯(lián)使用，以確定牙齒的表面形貌。如上所述，由于使用具有孔徑的鏡40，入射光在離焦時在表面上形成光盤，并且僅在聚焦時形成強烈聚焦的光斑。結(jié)果，當接近對焦位置時，距離導(dǎo)數(shù)將表現(xiàn)出較大的數(shù)值變化，從而提高了測量的精度。

從每個照明點52反射的光包括在由入射光束行進的光路的相反方向上的、最初在Z軸上行進的光束。每個返回光束54都對應(yīng)于一個入射光束36。鑒于鏡40的不對稱性質(zhì)，返回光束54被反射到檢測組件60的方向上。檢測組件60包括偏光器62，偏光器62具有與偏光器32的偏振平面垂直定向的優(yōu)選偏振平面。返回的偏振光束54通過通常為透鏡或多個透鏡的成像光學(xué)器件64，并且然后通過針孔陣列66。每個返回光束54至少部分地穿過針孔陣列66的各個針孔。可以是電荷耦合裝置(CCD)或任何其它合適的圖像傳感器的傳感器陣列68包括傳感元件的矩陣。在多個實施例中，各個傳感元件代表圖像的像素，并且各個感測元件與陣列66中的一個針孔相對應(yīng)。

傳感器陣列68連接到處理器單元24的圖像捕捉模塊80。利用處理器24以下面描述的方式分析由傳感器陣列68的各個傳感元件所測量的光強。雖然在圖1A和1B中將光學(xué)裝置22描述為測量光強，但是裝置22還能夠被配置為測量其他合適的特性(例如，波長、偏振、相移、干擾和色散)，如本文前面所述。在多個實施例中，傳感器陣列68的平面與返回光束54正交(例如，與返回光束的傳播方向正交)。在一些實施例中，傳感器陣列68的平面不與返回光束54正交，如下文所述。

光學(xué)裝置22包括控制半導(dǎo)體激光器28的操作的控制模塊70。在從每個傳感元件獲取代表光強度(或其他特性)的數(shù)據(jù)期間，控制模塊70使圖像捕獲模塊80的操作與激光器28的操作同步。由處理器24經(jīng)處理軟件82處理強度數(shù)據(jù)以及內(nèi)窺鏡46與牙齒26之間的相對空間布置的數(shù)據(jù)，以獲得代表牙齒26的外表面的三維形貌的數(shù)據(jù)。下面描述用于處理特性數(shù)據(jù)和相對空間布置數(shù)據(jù)的方法的示例性實施例。測量的結(jié)構(gòu)的所得的三維表示能夠顯示在顯示器84上，并且通過用戶控制模塊85(通常為計算機鍵盤)操作用以觀看(例如，從不同角度觀看，放大或縮小)。另外，代表表面形貌的數(shù)據(jù)能夠通過諸如調(diào)制解調(diào)器88或任意合適的通信網(wǎng)絡(luò)(例如，電話網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng))這樣的適當?shù)臄?shù)據(jù)端口傳輸?shù)浇邮苷?例如，到異地CAD/CAM設(shè)備)。

通過捕獲針對內(nèi)窺鏡46與結(jié)構(gòu)之間的不同的相對空間布置(例如，在牙齒區(qū)段的情況下，從頰側(cè)方向、舌側(cè)方向和/或可選地從牙齒上方)而測量的內(nèi)窺鏡46與結(jié)構(gòu)之間的相對距離數(shù)據(jù)，能夠生成結(jié)構(gòu)的精確的三維表示。三維數(shù)據(jù)和/或所得到的三維表示能夠用于創(chuàng)建在計算機環(huán)境中的三維結(jié)構(gòu)的虛擬模型和/或以任何合適的方式(例如，經(jīng)由計算機控制銑床，諸如立體光刻設(shè)備或3D打印設(shè)備這樣的快速成型設(shè)備)制造的物理模型。

現(xiàn)在參考圖2A和2B，示出了根據(jù)多個實施例的探測部件90。在多個實施例中，探測部件90形成內(nèi)窺鏡46的至少一部分。探測部件90能夠由透光材料(例如，玻璃、水晶、塑料等)制成，并且包括遠端段91和近端段92，該遠端段91和近端段92在93處以透光的方式緊密粘合在一起。傾斜面94被反射鏡層95覆蓋。限定了傳感表面97的透明盤96(例如，由玻璃、水晶、塑料或任何其它合適的透明材料制成)沿著光路遠離反射鏡層95安置，以在透明盤96與遠端段91之間留出空氣間隙98。透明盤96利用保持結(jié)構(gòu)(未示出)固定在適當位置。示意性地呈現(xiàn)了三條光線99?？梢钥闯觯饩€99以探測部件90的壁全反射的角度從探測部件90的壁反射，從反射鏡層95反射，然后通過傳感表面97傳播。雖然光線99能夠以各焦距的任意合適的組合聚焦到探測部件90外部，但是在多個實施例中，光線99聚焦在探測部件90外部的焦平面100上。例如，如圖2C所示，其示出了探測部件90的端視圖III-III，光線99聚焦至共同的焦距，從而被聚焦在探測部件90外部的焦平面100上，該焦平面100與光線99的傳播方向(本文中還稱為Z軸)垂直。作為另一實例，如圖2D所示，其示出了探測部件90的端視圖III-III，光線99聚焦到不同的焦距，從而被聚焦在不與Z軸垂直的焦平面100上。雖然示出并描述了焦點位置的兩種配置，但是能夠采用焦點位置的任意合適的配置。

圖3A和3B示出根據(jù)多個實施例的在全局笛卡爾坐標系204中掃描結(jié)構(gòu)202的光學(xué)探頭200。(圖3B示出圖3A中定義的截面I-I)。光學(xué)探頭200能夠與本文描述的任意合適的掃描裝置或系統(tǒng)一起使用，諸如光學(xué)裝置22。從光學(xué)探頭200發(fā)出的入射光束206的二維陣列被布置于在X方向上延伸的多行中，包括第一行208和最后一行210。光束206的陣列的各行都沿著Z軸聚焦到各個共同的焦距，從而形成了斜的焦平面212。第一行208與最后一行210的焦距在Z方向上相差預(yù)定長度214。光學(xué)探頭200能夠相對結(jié)構(gòu)202移動，以利用光束206掃描結(jié)構(gòu)202。例如，如圖3B所描述的，光學(xué)探頭200能夠在Y方向上從第一位置216平移到第二位置218。

在多個實施例中，光束206陣列中的各行均沿著Z方向聚焦到不同的深度，從而產(chǎn)生不與Z軸正交的焦平面212。因此，隨著光學(xué)探頭200相對于結(jié)構(gòu)202移動，光束206的焦平面212掃過結(jié)構(gòu)202的三維體積。例如，隨著光學(xué)探頭200從位置216平移到位置218，焦平面212掃過具有Z深度214的三維體積。因此，通過光學(xué)探頭200相對于結(jié)構(gòu)202的連續(xù)移動，光學(xué)探頭200能夠在Z方向上掃描結(jié)構(gòu)202，同時保持了光束206的各個焦距恒定。雖然圖3B描述了光學(xué)探頭200在Y方向上的移動，但是在多個實施例中，光學(xué)探頭200可以在六個自由度上移動(例如，三個平移自由度和三個旋轉(zhuǎn)自由度)到光學(xué)探頭200與結(jié)構(gòu)202之間的多個不同的相對位置和/或朝向。

能夠以任意合適的配置設(shè)置光束206的陣列。例如，光束206的陣列能夠被聚焦到相對于光學(xué)探頭200的任意合適的數(shù)量的不同焦距，諸如3、5、10、50或100個或者更多個不同的焦距。光束206的陣列的焦距能夠被配置為具有任意合適的范圍，諸如至少5mm、7.5mm或10mm以上。光束206的陣列中的第一行208與最后一行210的焦距可以相差任意合適的長度，諸如5mm以下、10mm、15mm或25mm以上。例如，焦距的差可以在5mm至25mm的范圍的長度內(nèi)。

能夠由適用于將各個光束的波長組分聚焦到各自的焦點位置(例如，斜的焦平面212)的任意系統(tǒng)或裝置產(chǎn)生光束206的陣列。在多個實施例中，光學(xué)裝置22的一個以上的光學(xué)器件能夠用于將光束的陣列聚焦到相對探頭的多個固定的焦點位置。例如，本文描述的光學(xué)器件的合適的實施例能夠包括在光柵或微透鏡陣列38、聚焦光學(xué)器件42、中繼光學(xué)器件44、內(nèi)窺鏡46內(nèi)的光學(xué)器件或者它們的合適的組合中。光學(xué)器件能夠被配置為與遠心和/或非遠心共焦聚焦光學(xué)器件一起使用。

圖4A示出根據(jù)多個實施例的用于將多個光束聚焦到各自的焦點位置的光學(xué)組件300。在光學(xué)組件300中，從光源陣列304(例如，微透鏡陣列)發(fā)出的光束302的陣列由聚焦光學(xué)器件306聚焦，并且從鏡308(例如，設(shè)置在內(nèi)窺鏡探測部件內(nèi)的鏡)反射以形成焦平面310。鏡308能夠被定位為相對于光軸的45°角，以產(chǎn)生正交的焦平面310。

圖4B示出根據(jù)多個實施例的用于將多個光束聚焦到斜的焦平面的光學(xué)組件320。與光學(xué)組件300相似，系統(tǒng)320包括產(chǎn)生光束陣列322的光源陣列324、聚焦光學(xué)器件326、以及鏡328。鏡328以相對于光軸的合適的角度傾斜，諸如30°角，以產(chǎn)生相對于掃描儀332傾斜的焦平面330。焦平面330能夠用于使用本文描述的固定焦點位置掃描三維結(jié)構(gòu)，諸如牙齒334。

圖5示出根據(jù)多個各實施例的用于將光束陣列聚焦到斜的焦平面的微透鏡陣列400。微透鏡陣列400的微透鏡(例如，微透鏡元件402)被布置在包括第一行406和最后一行408的多行404中。每行微透鏡均配置為將光束聚焦到不同的焦距，從而產(chǎn)生斜的焦平面。

圖6A示出根據(jù)多個實施例的用于將多個光束聚焦到斜的焦平面的光學(xué)組件500。光學(xué)組件500包括傾斜的光源陣列502，光源陣列502可以是以相對于光軸的合適的角度傾斜的微透鏡陣列。傾斜的光源陣列502所產(chǎn)生的光束504的陣列通過聚焦光學(xué)器件506，并且從鏡508反射以形成斜的焦平面501，如本文所述地適用于以固定的焦點位置掃描結(jié)構(gòu)512。圖6B示出返回光束514通過光學(xué)組件500的光路。從結(jié)構(gòu)512反射的返回光束514通過聚焦光學(xué)器件506返回，并且被擴束器516引導(dǎo)在傳感器陣列518上。如前所述，傳感器陣列518能夠包括布置在平面中的多個傳感器元件。在多個實施例中，傳感器陣列518相對于返回光束514是非正交的，使得傳感器元件的平面相對于返回光束514的傳播方向是傾斜的。平面能夠以與光源陣列502相同的量傾斜，以便允許返回光束502的共焦傳感。

圖7A示出根據(jù)多個實施例的用于將多個光束聚焦到斜的焦平面的光學(xué)組件600。圖7B示出光學(xué)組件600的展開配置。在光學(xué)組件600中，從光源陣列602發(fā)出的光束604的陣列通過聚焦光學(xué)器件606。非對稱光學(xué)器件608被安置在聚焦光學(xué)器件606與鏡610之間，并且被配置為將光束聚焦到斜的焦平面612，該斜的焦平面612適于用如本文描述的固定焦點位置掃描結(jié)構(gòu)614。任何合適的光學(xué)元件或光學(xué)元件的組合均能夠用作為非對稱光學(xué)器件608。例如，非對稱光學(xué)器件608能夠包括以相對于光軸的合適的角度傾斜的離軸透鏡。作為代替或者組合，非對稱光學(xué)器件608能夠包括菲涅耳透鏡，菲涅耳透鏡包括多個區(qū)段，該多個區(qū)段被配置為將多個光束中的每一個光束折射到各自的焦點位置，以便產(chǎn)生合適的斜的焦平面。

能夠通過將局部強度數(shù)據(jù)在空間上彼此匹配來重建結(jié)構(gòu)的全局表面形貌。在多個實施例中，在掃描過程期間的光學(xué)探頭與結(jié)構(gòu)之間的相對位置和/或朝向用于確定強度數(shù)據(jù)之間的空間關(guān)系，并且從而匹配數(shù)據(jù)。任意合適的方法或者方法的組合能夠用于跟蹤光學(xué)探頭或者光學(xué)探頭的合適部分(例如，內(nèi)窺鏡46的掃描尖端或探測部件90)相對于結(jié)構(gòu)的位置和/或朝向，諸如合適的運動估計或運動跟蹤方法。例如，一個以上的運動跟蹤裝置能夠用于產(chǎn)生適用于確定光學(xué)探頭相對于三維結(jié)構(gòu)的位置和/或朝向的運動數(shù)據(jù)。

在多個實施例中，光學(xué)跟蹤方法用于確定探頭相對于結(jié)構(gòu)的關(guān)于六個自由度的空間布置。例如，運動跟蹤裝置能夠包括外置攝像機(或任意其它合適的圖像傳感器)，以隨著其在掃描過程期間在多個不同的位置和/或朝向之間移動而產(chǎn)生探頭的圖像數(shù)據(jù)。攝像機能夠捕獲探頭的任意合適部分的圖像，諸如位于患者口腔外部的部分。作為代替或組合，攝像機能夠捕獲放置于探頭的一個以上的合適部分上的一個以上的合適的標記(例如，包括在運動跟蹤元件47中)的圖像。能夠使用任何合適的機器視覺方法(例如，運動算法的結(jié)構(gòu)，攝影測量方法，圖像配準/對準方法和/或光流估計方法，例如Lucas-Kanade方法)來處理圖像以估計探頭相對于結(jié)構(gòu)的位置和/或朝向?？蛇x地，攝像機能夠集成到探頭中或與探頭結(jié)合，使得能夠使用諸如本文所述的機器視覺方法這樣的合適的自我運動估計方法，來分析由攝像機捕獲的圖像數(shù)據(jù)，以確定探頭相對于結(jié)構(gòu)的位置和/或朝向。

作為代替或組合，運動跟蹤裝置能夠使用基于慣性的估計方法來確定探頭的相對位置和/或朝向。例如，運動傳感器能夠包括慣性測量單元，諸如慣性傳感器。慣性傳感器能夠是微機電系統(tǒng)(MEMS)裝置。在多個實施例中，慣性傳感器包括多個加速度計和/或多個陀螺儀，其被配置為檢測探頭關(guān)于三個平移度和/或三個旋轉(zhuǎn)度的運動。

在另一實施例中，能夠使用電磁跟蹤(EMT)系統(tǒng)來跟蹤探頭相對于結(jié)構(gòu)的位置和/或朝向。例如，EMT場能夠由合適的發(fā)生器或發(fā)射器提供，并且能夠基于由傳感器檢測的電磁信號來確定EMT傳感器在場內(nèi)的位置和/或朝向(例如，相對于最多三個旋轉(zhuǎn)自由度和三個平移自由度)。能夠使用任何合適數(shù)量和配置的EMT場發(fā)生器和EMT傳感器。例如，EMT場發(fā)生器能夠位于掃描過程的場地處的固定位置(例如，結(jié)合到手術(shù)臺或患者座椅)，并且EMT傳感器能夠被安置在探頭上(例如，包括在運動跟蹤元件47中)，以跟蹤探頭的運動。在多個實施例中，EMT傳感器還被放置在三維結(jié)構(gòu)上或三位結(jié)構(gòu)附近(例如，在患者的頭、臉、頜和/或牙齒上)，以在測量過程期間考慮結(jié)構(gòu)的任何運動。作為代替或組合，EMT場發(fā)生器能夠被放置在結(jié)構(gòu)上，并且用于跟蹤具有結(jié)合的EMT傳感器的探頭的相對運動。相反，EMT場發(fā)生器能夠位于探頭上，并且EMT傳感器能夠位于結(jié)構(gòu)上。

能夠使用任意合適的方法處理運動數(shù)據(jù)，以確定探頭相對于結(jié)構(gòu)的位置和/或朝向。例如，能夠與卡爾曼濾波器組合使用運動跟蹤算法來處理數(shù)據(jù)。可選地，處理可以使用從本文描述的多個不同類型的運動跟蹤系統(tǒng)和設(shè)備接收的運動數(shù)據(jù)。

圖8是簡化的方框圖，描述了根據(jù)多個實施例的用于測量三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的方法700的步驟。諸如本文描述的實施例這樣的任意合適的光學(xué)裝置或系統(tǒng)能夠用于實踐方法700。

在步驟710中，產(chǎn)生了多個入射光束。在多個實施例中，本文所述的光學(xué)裝置22能夠用于形成光束的二維圖案。

在步驟720中，多個入射光束中的每個入射光束均聚焦到相對于光學(xué)探頭的各自的焦點位置。能夠使用任意合適的聚焦機構(gòu)，諸如本文描述的實施例。在多個實施例中，光束被聚焦以形成斜的焦平面，以利用探頭的運動提供Z掃描，如前文所述。

在步驟730中，對于探頭與結(jié)構(gòu)之間的多個相對位置和/或朝向，用入射光束照射三維結(jié)構(gòu)。在多個實施例中，光束被聚焦到斜的焦平面，使得探頭通過相對于結(jié)構(gòu)的多個位置和/或朝向的移動能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的三維掃描，如本文所述。通過利用入射光束照射結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了多個返回光束，每個返回光束均與入射光束相對應(yīng)。

在步驟740中，測量了從三維結(jié)構(gòu)返回的多個光束的每個光束的特性。如前文所述，特性可以是光束的任何合適的可測量參數(shù)，例如強度、波長、偏振、相移、干涉或色散。能夠使用被配置為測量各個光束的特性的任意合適的裝置。例如，能夠使用諸如包括傳感器元件的二維陣列的傳感器(例如，傳感器陣列68)這樣的合適的檢測器單元，如前文所述?；诰劢构鈱W(xué)器件和光源陣列的配置，傳感器陣列可以與返回光束正交或者非正交。

在步驟750中，處理(例如，利用處理器24)測量的特性以及相應(yīng)的光學(xué)探頭與結(jié)構(gòu)之間的相對位置和/或朝向，以對于結(jié)構(gòu)生成表面形貌數(shù)據(jù)。能夠使用用于處理測量的特性的數(shù)據(jù)的任意合適的方法，諸如本文描述的實施例。在多個實施例中，基于通過如本文所述跟蹤光學(xué)探頭的相對位置和/或朝向而獲得的數(shù)據(jù)(例如，運動數(shù)據(jù)和/或圖像數(shù)據(jù))，來匹配測量的特性的數(shù)據(jù)。

在步驟760中，例如使用本文描述的處理器24產(chǎn)生用于三維結(jié)構(gòu)的表面形貌。得到的結(jié)構(gòu)的三維表示能夠用于任意合適的應(yīng)用，諸如本文描述的牙齒和正畸過程。

雖然本文已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是，這樣的實施例僅以示例的方式提供。在不脫離本發(fā)明的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會想到多種變化、改變和替換。應(yīng)當理解，在實施本發(fā)明時可以采用本文所述的本發(fā)明實施例的各種替代方案。意圖是以下權(quán)利要求限定本發(fā)明的范圍，并且由此涵蓋這些權(quán)利要求的范圍內(nèi)的方法和結(jié)構(gòu)及其等同物。