具有弯曲焦面或目标基准元件和场补偿器的共焦成像设备制造技术

一种共焦成像设备，包括产生光束阵列的照明模块。聚焦光学器件将光束阵列共焦聚焦到非平坦焦面上，并且将光束阵列导向待成像的三维对象。平移机构调整至少一个透镜的位置，以使非平坦焦面沿着成像轴移位。检测器测量返回光束阵列的强度，该返回光束从三维对象反射，并且通过聚焦光学器件被导回。对于至少一个透镜的位置测量返回光束阵列的强度，用以确定三维对象的点在成像轴上的位置。调整一个以上的点的检测到的位置以补偿非平坦焦面。

【技术实现步骤摘要】
具有弯曲焦面或目标基准元件和场补偿器的共焦成像设备本申请是基于2015年8月17日提交的专利申请号为201580056255.2(PCT/IB2015/001400)、名为“具有弯曲焦面或目标基准元件和场补偿器的共焦成像设备”的申请(进入中国国家阶段日期：2017年4月17日)的分案申请。相关申请本申请根据美国法典第35条119款要求享有2014年8月15日提交的美国临时申请No.62/037,778的权利和利益。
本专利技术的实施例涉及成像领域，并且特别地，涉及一种用于进行三维表面的共焦成像的系统和方法。
技术介绍
已经开发了各种各样的方法和系统用于牙齿的直接光学测量以及后续的义齿的自动制造。术语“直接光学测量”意味着测量患者口腔中的牙齿。这有助于获得牙齿置换的计算机辅助设计(CAD)或者计算机辅助制造(CAM)所需的数字构造数据，而不必对牙齿进行任何铸型印模。这样的系统通常包括：光学探头，其连接到诸如电荷耦合装置(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器这样的光学拾取器或者接收器；以及处理器，其实现适当的图像处理技术，以设计和实际制造期望的产品。进行口内扫描的一种系统是使用共焦成像来对三维表面成像的系统。使用共焦成像的这样的系统通常包括场透镜，以使成像场平坦化并且能够实现发射光束的平坦的焦平面。这样平坦的焦平面确保了被扫描的三维表面的表面形貌是精确的。然而，场透镜是将光束的光线打开的发散透镜。这导致了共焦成像设备的光学器件被放大。另外，场透镜应当被对齐以确保精度。这样的对齐可能是耗时并且复杂的处理。
技术实现思路
本文描述了具有非平坦焦面的共焦成像设备。可以由缺少场透镜的共焦成像设备的光学器件而产生不平坦的焦面。如下文将进一步详细论述的，共焦成像设备中的场透镜的缺少引起了挑战，但同时也提供了诸多优势效果。例如，不具有场透镜的共焦成像设备比具有场透镜的共焦成像设备更小、更轻并且更易于制造。本文讨论的实施例将示出如何克服设计和使用缺少场透镜的共焦成像设备时的挑战。而且，本文描述的是具有聚焦光学器件的大区域的共焦成像设备，该聚焦光学器件利用聚焦设置的改变而改变焦面的放大率。如下文将更加具体论述的，放大率的改变引起了实施例中被克服的挑战。在一个实施例中，共焦成像设备包括照明模块，该照明模块产生光束阵列。共焦成像设备的聚焦光学器件进行光束阵列到非平坦焦面上的共焦聚焦，并且将光束阵列朝向待成像的三维对象引导。共焦成像设备的平移机构调整至少一个透镜的位置，以使非平坦焦面沿着成像轴移位。共焦成像设备的检测器测量返回光束阵列的强度，该返回光束从三维对象反射，并且通过聚焦光学器件引导回来。针对至少一个透镜的位置测量返回光束阵列的强度，用以确定三维对象的点在成像轴上的位置。调整一个以上的点的检测到的位置以补偿非平坦焦面。从而，可以精确地成像对象，而与共焦成像设备的非平坦焦面无关。附图说明在附图中的图形中通过实例而不受限地图示了本专利技术。图1A图示了根据一个实施例的共焦成像设备的功能框图。图1B图示了连接至根据一个实施例的共焦成像设备的计算装置的框图。图2A图示了根据一个实施例的缺少场透镜的共焦成像设备的光学器件。图2B图示了根据另一个实施例的缺少场透镜的共焦成像设备的光学器件。图2C图示了根据另一个实施例的具有场透镜的共焦成像设备的光学器件，对于该场透镜，聚焦设置的改变导致了放大率的改变。图3A是根据本专利技术的实施例的包括棱镜的共焦成像设备的探测部件的顶视图。图3B是通过图3A中的探测部件的线II-II的纵截面图。图3C是根据一个实施例的包括内部目标件的探测部件的视图。图3D是根据一个实施例的包括内部目标件的探测部件的侧视图。图4是根据一实施例的共焦成像设备的光学器件的示意性图示。图5A是示出用于校准具有假想非平坦焦面的共焦成像设备的方法的一个实施例的流程图。图5B是示出用于校准共焦成像设备的方法的一个实施例的流程图，对于该共焦成像设备，聚焦设置的改变导致放大率的改变。图5C图示了根据一个实施例的一个示例的校准对象。图5D图示了示出由根据一个实施例的共焦成像设备测量的校准对象的点的分布的图。图5E图示了根据一个实施例的在世界坐标系中的点的分布的图。图6是示出用于基于校准到共焦成像设备的场曲率模型的应用而调整被扫描的三维对象的深度测量的方法的一个实施例的流程图。图7图示了根据本专利技术的实施例的示例的计算装置的框图。具体实施方式图1A图示了根据一个实施例的共焦成像设备20的功能框图。图1B图示了连接至共焦成像设备20的计算装置24的框图。共焦成像设备20和计算装置24一起可以形成用于产生被扫描的对象的三维图像的系统。计算装置24可以直接或间接以及经由有线或无线连接而连接到共焦成像设备20。例如，共焦成像设备20可以包括网络接口控制器(NIC)，其能够经由如下方式通信：经由Wi-Fi、经由第三代(3G)或第四代(4G)电信协议(例如，全球移动通讯系统(GSM)、长期演进技术(LTE)、Wi-Max、码分多址(CDMA)等)、经由蓝牙、经由Zigbee或者经由其它无线协议。作为代替或者附加，共焦成像设备可以包括以太网接口控制器(NIC)、通用串行总线(USB)接口或者其它有线端口。NIC或者接口可以将共焦成像设备经由局域网(LAN)而连接到计算装置。或者，共焦成像设备20可以连接到诸如互联网这样的广域网(WAN)，或者可以经由WAN而连接到计算装置24。在代替的实施例中，共焦成像设备20可以直接连接至计算装置(例如，经由直接有线或无线连接)。在一个实施例中，计算装置24是共焦成像设备20的组成部分。现在参考图1A，在一个实施例中，共焦成像设备20包括半导体激光单元28，该半导体激光单元28发射聚焦的光束，如箭头30所示。光束30通过偏光器32。偏光器32使通过该偏光器32的光束偏振。或者，在一些实施例中可以省略偏光器32。光束然后进入到光学扩束器34中，该扩束器34增大了光束30的数值孔径。然后光束30通过照明模块38，该照明模块38将光束30分离为入射光束阵列36，此处为了易于图示而用单线表示。照明模块38可以是例如光栅或者微透镜阵列，其将光束30分离为光束阵列36。在一个实施例中，光束阵列36是远心光束阵列。或者，光束阵列可以不是远心的。共焦成像设备20还包括单向镜或者分束器(例如，偏振分束器)40，该分束器40使光束阵列36通过。单向镜40使得来自半导体激光单元28的光能够传递至下游光学器件，而反射在相反方向上行进的光。偏振分束器能够传递具有特定偏振的光束，并且反射具有不同(例如，相反的)的偏振的光束。在一个实施例中，单向镜或者分束器40具有小的中央孔隙。小的中央孔隙可以提高共焦成像设备20的测量精度。在一个实施例中，由于单向镜或者分束器40的结构，只要被成像的对象的照亮区域没有焦点对准，则光束阵列将在该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种成像设备，包括：/n照明模块，该照明模块产生光束阵列；/n聚焦光学器件，该聚焦光学器件包括沿着所述光束阵列的光路设置的多个透镜，所述聚焦光学器件将所述光束阵列共焦聚焦到非平坦焦面上，并且将所述光束阵列向待成像的三维对象引导；/n平移机构，该平移机构调整所述多个透镜中的至少一个透镜的位置，以使所述非平坦焦面沿着由所述光路定义的成像轴移位；以及/n检测器，该检测器测量返回光束阵列的强度，该返回光束阵列从所述三维对象反射，并且通过所述聚焦光学器件被导回，其中，针对所述至少一个透镜的多个位置测量所述返回光束阵列的强度，以确定所述三维对象的多个点在所述成像轴上的位置，其中，所述多个点中的一个以上点的检测到的位置待被调整，以补偿所述非平坦焦面。/n

【技术特征摘要】
20140815 US 62/037,778;20150813 US 14/825,1731.一种成像设备，包括：
照明模块，该照明模块产生光束阵列；
聚焦光学器件，该聚焦光学器件包括沿着所述光束阵列的光路设置的多个透镜，所述聚焦光学器件将所述光束阵列共焦聚焦到非平坦焦面上，并且将所述光束阵列向待成像的三维对象引导；
平移机构，该平移机构调整所述多个透镜中的至少一个透镜的位置，以使所述非平坦焦面沿着由所述光路定义的成像轴移位；以及
检测器，该检测器测量返回光束阵列的强度，该返回光束阵列从所述三维对象反射，并且通过所述聚焦光学器件被导回，其中，针对所述至少一个透镜的多个位置测量所述返回光束阵列的强度，以确定所述三维对象的多个点在所述成像轴上的位置，其中，所述多个点中的一个以上点的检测到的位置待被调整，以补偿所述非平坦焦面。


2.一种系统，包括：
计算装置，该计算装置包括存储器和处理器，该存储器存储针对成像设备而被校准的场曲率模型，该处理器连接到所述存储器，并且所述处理器用于：
接收由所述成像设备的检测器的多个像素所产生的测量强度，其中，所述多个像素中的每个像素均提供已经从成像的三维表面反射的返回光束阵列中的相关返回光束的测量强度，并且其中，所述返回光束阵列的每个返回光束均与所述三维对象的点相关联；
对于所述多个像素中的每个像素，确定提供最大测量强度的所述成像设备的聚焦设置；
对于所述多个像素中的每个像素，确定与对应于被确定的所述聚焦设置的像素相关联的所述三维对象的点的深度；
基于将与至少一点相关联的像素的所述被确定的聚焦设置应用到所述场曲率模型，调整所述三维对象的所述至少一点的深度，以补偿所述成像设备的非平坦焦面；并且
至少部分地基于被调整的所述深度，确定所述三维对象的形状。


3.一种方法，包括：
通过处理器接收由成像设备的检测器的多个像素所产生的测量强度，其中，所述多个像素中的每个像素均提供已经从成像的三维表面反射的返回光束阵列中的相关返回光束的测量强度，并且其中，所述返回光束阵列的每个返回光束均与所述三维对象的点相关联；
对于所述多个像素中的每个像素，确定提供最大测量强度的所述成像设备的聚焦设置；
对于所述多个像素中的每个像素，确定与对应于被确定的所述聚焦设置的像素相关联的所述三维对象的点的深度；
通过所述处理器基于将与至少一点相关联的像素的所述被确定的聚焦设置应用到场曲率模型，调整所述三维对象的所述至少一点的深度，以补偿所述成像设备的非平坦焦面；以及
通过所述处理器至少部分地基于被调整的所述深度，确定所述三维对象的形状。


4.一种非易失性计算机可读存储介质，具有当被处理器执行时使得所述处理器执行操作的指令，所述操作包括：
接收由成像设备的检测器的多个像素所产生的测量强度，其中，所述多个像素中的每个像素均提供已经从成像的三维表面反射的返回光束阵列中的相关返回光束的测量强度，并且其中，所述返回光束阵列的每个返回光束均与所述三维对象的点相关联；
对于所述多个像素中的每个像素，确定提供最大测量强度的所述成像设备的聚焦设置；
对于所述多个像素中的每个像素，确定与对应于被确定的所述聚焦设置的像素相关联的所述三维对象的点的深度；
通过所述处理器基于将与至少一点相关联的像素的所述被确定的聚焦设置应用到场曲率模型，调整所述三维对象的所述至少一点的深度，以补偿所述成像设备的弯曲焦面；以及
至少部分地基于被调整的所述深度，确定所述三维对象的表面形貌。


5.一种用于执行口内扫描的成像设备，包括：
光源，该光源提供光；
光学系统，该光学系统包括沿着所述光的光路设置的多个透镜，其中，所述光学系统包括非平坦焦面，并且其中，所述光学系统包括聚焦光学器件，该聚焦光学器件将所述光聚焦到非平坦焦面，并且将所述光朝着在口腔内待成像的三维对象引导；
平移机构，该平移机构调整所述多个透镜中的至少一个透镜的位置，从而调整所述光学系统的聚焦设置，并使所述非平坦焦面沿着由所述光路定义的成像轴移位，其中，所述至少一个透镜是所述聚焦光学器件的透镜，并且其中，所述非平坦焦面的形状或放大率中的至少一者根据所述聚焦设置的改变而改变；以及
检测器，该检测器测量返回光的强度，该返回光从所述三维对象反射，并且通过所述聚焦光学器件被导回，其中，针对所述至少一个透镜的多个位置测量所述返回光的强度，以确定所述三维对象的多个点在所述成像轴上的位置，其中，所述多个点中的一个以上点的检测到的位置待被调整，以利用一个以上补偿模型补偿所述非平坦焦面，所述一个以上补偿模型针对所述光学系统的不同聚焦设置提供不同调整。


6.一种用于执行口内扫描的成像设备，包括：
光源，该光源提供包括多个光束的光；
光学器件，该光学器件包括沿着所述光的光路设置的多个透镜，其中，所述光学器件包括聚焦光学器件，该聚焦光学器件将所述光聚焦到聚焦表面，并且将所述光朝着在口腔内待成像的三维对象引导，并且其中，所述光学器件的特征在于场透镜的缺少，其中所述场透镜是将所述多个光束的光线打开的发散透镜；
平移机构，该平移机构调整所述多个透镜中的至少一个透镜的位置，从而使所述聚焦表面沿着由所述光路定义的成像轴移位，其中，所述至少一个透镜是所述聚焦光学器件的透镜；以及
检测器，该检测器测量返回光的强度，该返回光从所述三维对象反射，并且通过所述聚焦光学器件被导回，其中，针对所述至少一个透镜的多个位置测量所述返回光的强度，以确定所述三维对象的多个点在所述成像轴上的位置，其中，所述多个点中的一个以上点的检测到的位置待被调整，以补偿所述场透镜的缺少。


7.一种用于执行口内扫描的成像设备，包括：
光源，该光源提供光；
非远心光学系统，该非远心光学系统包括沿着所述光的光路设置的多个透镜，其中，所述非远心光学系统包括聚焦光学器件，该聚焦光学器件将所述光聚焦到聚焦表面，并且将所述光朝着在口腔内待成像的三维对象引导，所述聚焦光学器件包括所述多个透镜的至少一个透镜；
平移机构，该平移机构调整所述至少一个透镜的位置，从而使所述聚焦表面沿着由所述光路定义的成像轴移位，其中，对于所述至少一个透镜的位置的调整引起所述聚焦表面的放大率的改变；以及
检测器，该检测器测量返回光的强度，该返回光从所述三维对象反射，并且通过所述聚焦光学器件被导回，其中，针对所述至少一个透镜的多个位置测量所述返回光的强度，以确定所述三维对象的多个点在所述成像轴上的位置，其中，所述多个点中的一个以上点的检测到的位置待被调整，以补偿与所述至少一个透镜的多个位置中的各位置相关的所述聚焦表面的相应的放大率。


8.一种用于执行口内扫描的方法，包括：
提供光；
经由包括非平坦焦面的光学系统，将所述光朝着在口腔内待成像的三维对象引导；
利用包括沿着所述光的光路设置的多个透镜的聚焦光学器件，将所述光聚焦到所述非平坦焦面；
利用平移机构调整所述多个透镜中的至少一个透镜的位置，从而使所述非平坦焦面沿着由所述光路定义的成像轴移位；
测量返回光的强度，该返回光从所述三维对象反射，并且通过所述聚焦光学器件被导回，其中，针对所述至少一个透镜的多个位置测量所述返回光的强度，以确定所述三维对象的多个点在所述成像轴上的位置；以及
调整所述多个点中的一个以上点的检测到的位置，以利用一个以上补偿模型补偿所述非平坦焦面，所述一个以上补偿模型针对所述聚焦光学器件的不同聚焦设置提供不同调整。


9.一种用于生成口内对象的三维虚拟模型的方法，包括：
通过执行口内扫描的成像设备，在改变所述成像设备的聚焦光学器件的至少一个透镜的位置的同时，获取所述口内对象的表面扫描数据，其中，所述表面扫描数据包括所述口内对象的多个点的深度数据；
利用一个以上补偿模型，至少部分地基于与所述多个点的一个以上点的所述深度数据相关联的所述至少一个透镜的位置，调整所述多个点的一个以上点的所述深度数据，其中，所述一个以上补偿模型补偿与所述至少一个透镜的不同位置相关联的放大率的改变，并且其中，所述一个以上补偿模型针对所述至少一个透镜的不同位置提供对于所述多个点的一个以上点的所述深度数据的不同调整；以及
利用调整的所述深度数据生成所述口内对象的所述三维虚拟模型。


10.一种用于执行口内扫描的成像设备，包括：
光源，该光源提供光；
光学系统，该光学系统包括沿着所述光的光路设置的多个透镜，其中，所述光学系统包括聚焦光学器件，该聚焦光学器件将所述光聚焦到焦面，并且将所述光朝着在口腔内待成像的三维对象引导；
平移机构，该平移机构调整所述多个透镜中的至少一个透镜的位置，从而使所述焦面沿着由所述光路定义的成像轴移位，其中，所述至少一个透镜是所述聚焦光学器件的透镜，并且其中，所述焦面的形状或放大率中的至少一者根据所述至少一个透镜的位置的改变而改变；以及
检测器，该检测器通过测量返回光而生成表面扫描数据，该返回光从所述三维对象反射，并且通过所述聚焦光学器件被导回，其中，针对所述至少一个透镜的多个位置测量所述返回光，以确定所述三维对象的多个点的深度数据，所述表面扫描数据包括所述深度数据；以及
一个以上的处理器，该一个以上的处理器：
利用一个以上补偿模型，至少部分地基于与所述深度数据相关联的所述至少一个透镜的位置，调整所述多个点的一个以上点的所述深度数据，其中，所述一个以上补偿模型补偿与所述至少一个透镜的不同位置相关联的放大率的改变，并且其中，所述一个以上补偿模型针对所述至少一个透镜的不同位置提供对于所述多个点的一个以上点的所述深度数据的不同调整；以及
利用调整的所述深度数据生成三维虚拟模型。


11.一种用于执行口内扫描的成像设备，包括：
光源，该光源提供光；
光学系统，该光学系统包括沿着所述光的光路设置的多个透镜，其中，所述光学系统包括聚焦光学器件，该聚焦光学器件将所述光聚焦到焦面，并且将所述光朝着在口腔内待成像的三维对象引导，所述聚焦光学器件包括所述多个透镜的至少一个透镜；
平移机构，该平移机构调整所述多个透镜中的至少一个透镜的位置，从而使所述焦面沿着由所述光路定义的成像轴移位，其中，对于所述至少一个透镜的位置的调整引起所述焦面的放大率的改变；
检测器，该检测器测量返回光，该返回光从所述三维对象反射，并且通过所述聚焦光学器件被导回；以及
一个以上的处理器，该一个以上的处理器：
基于测量的所述返回光，确定所述三维对象的多个点的位置；以及
调整所述多个点的一个以上点的确定的位置，以补偿与所述至少一个透镜的各位置相关联的所述焦面的相应的放大率。


12.一种用于生成口内对象的三维虚拟模型的方法，包括：
通过执行口内扫描的成像设备，在改变所述成像设备的聚焦光学器件的至少一个透镜的位置的同时，获取所述口内对象的表面扫描数据，其中，所述表面扫描数据包括所述口内对象的多个点的深度数据；
利用一个以上补偿模型，至少部分地基于与所述多个点的一个以上点的所述深度数据相关联的所述至少一个透镜的位置，调整所述多个点的一个以上点的所述深度数据，其中，所述一个以上补偿模型补偿所述聚焦光学器件的焦面的曲率，并且其中，所述一个以上补偿模型针对所述至少一个透镜的不同位置提供对于所述多个点的一个以上点的所述深度数据的不同调整；以及
利用调整的所述深度数据生成所述口内对象的所述三维虚拟模型。


13.一种用于生成口内对象的三维虚拟模型的方法，包括：
通过执行口内扫描的成像设备，在改变所述成像设备的聚焦光学器件的至少一个透镜的位置的同时，获取所述口内对象的表面扫描数据，其中，所述表面扫描数据包括所述口内对象的多个点的深度数据；
利用一个以上补偿模型，至少部分地基于与所述多个点的一个以上点的所述深度数据相关联的所述至少一个透镜的位置，调整所述多个点的一个以上点的所述深度数据，其中，所述一个以上补偿模型补偿由所述成像设备内的温度的改变而引起的焦面的位置改变，并且其中，所述一个以上补偿模型针对所述至少一个透镜的不同位置提供对于所述多个点的一个以上点的所述深度数据的不同调整；以及
利用调整的所述深度数据生成所述口内对象的所述三维虚拟模型。


14.一种用于执行口内扫描的成像设备，包括：
光源，该光源提供光；
光学系统，该光学系统包括沿着所述光的光路设置的多个透镜，其中，所述光学系统包括聚焦光学器件，该聚焦光学器件将所述光聚焦到焦面，并且将所述光朝着在口腔内待成像的三维对象引导；
平移机构，该平移机构调整所述多个透镜中的至少一个透镜的位置，从而使所述焦面沿着由所述光路定义的成像轴移位，其中，所述至少一个透镜是所述聚焦光学器件的透镜，其中，所述焦面的形状或放大率中的至少一者根据所述至少一个透镜的位置的改变而改变；
检测器，该检测器通过测量返回光而生成表面扫描数据，该返回光从所述三维对象反射，并且通过所述聚焦光学器件被导回，其中，针对所述至少一个透镜的多个位置测量所述返回光，以确定所述三维对象的多个点的深度数据，所述表面扫描数据包括所述深度数据；以及
一个以上的处理器，该处理器：
利用一个以上补偿模型，至少部分地基于与所述深度数据相关联的所述至少一个透镜的位置，调整所述多个点的一个以上点的所述深度数据，其中，所述一个以上补偿模型补偿所述焦面的曲率，并且其中，所述一个以上补偿模型针对所述至少一个透镜的不同位置提供对于所述多个点的一个以上点的所述深度数据的不同调整；以及
利用调整的所述深度数据生成三维虚拟模型。

【专利技术属性】
技术研发人员：塔勒·维科尔，阿迪·莱文，奥弗·萨菲尔，马妍·摩西，
申请(专利权)人：阿莱恩技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US