专利名称：聚焦扫描设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于表面的光学3D扫描的装置和方法。本发明的装置和方法的原理可以在各种环境中应用。本发明的一个具体实施例特别适合于口内扫描，即直接扫描口腔内的牙齿及周围的软组织。本发明的其他关于牙齿的实施例适合于扫描牙印模、石膏模型、蜡咬模、假牙修复和基牙。本发明的另一个实施例适合于扫描人耳或耳道印模的内部和外部部分。本发明可能发现了在皮肤病学或美容/整容应用中的皮肤3D结构的扫描、珠宝或整个珠宝或珠宝的一部分的蜡模的扫描、工业零件的扫描和平均时间分辨的3D扫描(例如运动的工业零件的时间分辨3D扫描)的用途。
背景技术：
本发明涉及物体表面几何形状的三维(3D)扫描。在3个维度上扫描物体表面是
众所周知的研究领域并且用于扫描的方法可分成接触和非接触方法。接触测量方法的实例是坐标测量机(CMM)，其通过让接触探头追踪表面来进行测量。优点包括精确度很高，但过程慢并且CMM大且昂贵。非接触测量方法包括X射线和光学探头。共焦显微镜方法是一种光学成像技术，其用来增大显微照片对比度和/或通过利用空间针孔重建三维图像以消除比焦平面厚的样品中的离焦光或光斑。共焦显微镜利用探测器前面的光学共轭面中的针孔和点照明以消除离焦信息。仅仅焦平面内的光能被检测到。由于在共焦显微术中每次仅仅照亮一个点，所以2D成像需要光栅扫描，3D成像需要在一系列焦平面内的光栅扫描。在WO 00/08415中，通过用多个照明光点照亮表面来应用共焦显微术的原理。通过改变焦平面，能确定表面的准确对焦特定光点的位置。然而，表面构造的确定局限于被光点照亮的表面部分。WO 2003/060587涉及显微术中样本的光学分割，其中用照明图案照亮样本。通过表征图案的振荡分量来确定图像平面的焦点位置。然而，仅仅能通过使样本和光学系统相对于彼此移动，即使得它们彼此靠近或远离，来调节焦平面。因而，焦平面的受控震动要求在样本和光学系统之间有受控的空间关系，该空间关系在显微镜中被满足。然而，这种受控的空间关系不适宜于例如手持式扫描器。US 2007/0109559A1描述了一种聚焦扫描器，其中由聚焦透镜的位置找出距离，在聚焦透镜的所述位置上观察到入射到被扫描物体上的光束的最大反射强度。与本文公开的发明对比，该现有技术没有采用照明图案的预定测量，并且没有采用对比度检测，因此信噪比不是最佳。在W02008/125605中，描述了用于产生时变图案的装置，该图案由交替的双像构成。该文献描述了一种借助两个不同的照明分布，例如相反相位的两个图案获得扫描物体的光学切面的扫描方法。这两个图像用来提取光学切面，而且该方法局限于从仅仅两个不同的照明分布来获得图像。此外，该方法依赖于确定两个照明分布之间的相位偏移的预定校准。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供可以整合到易管理的外壳，例如手持外壳中的扫描器。本发明的又一个目的是区分离焦的信息并且提供快速的扫描时间。这通过用于获得和/或测量物体的至少一部分表面的3D几何形状的一种方法和扫描器而实现，所述扫描器包括-至少一个容纳感测器元件阵列的照相机，-用于产生整合空间图案的探测光的装置，-用于将探测光向物体传输的装置，从而利用一种或多种构形的所述图案照明物体的至少一部分，-用于传输从物体返回到照相机的光的至少一部分的装置，-用于改变物体上的图案的焦平面的位置，同时保持扫描器与物体的固定空间关系的装置，-用于从所述感测器元件阵列获得至少一个图像的装置，-用于在每个焦平面位置估计至少一个图像像素和加权函数之间的相关度的装置，其中加权函数基于空间图案的构形信息而确定，-数据处理装置，用于a)通过相关度的分析确定下列对象的准确对焦位置-对于一系列焦平面位置，多个图像像素中的每一个，-对于一系列焦平面位置，多个图像像素组中的每个组，和b)将准确对焦数据转换成3D真实世界坐标。本发明中描述的方法和设备用光作为非接触性的探测媒介提供物体的3D表面登记。将光提供为一种照明图案的形式从而在物体上提供光振荡。图案的变化/振荡可以是空间的，例如静止的棋盘图案，和/或其可以是时变的，例如通过使图案移动经过被扫描的物体。本发明提供一系列焦平面位置上的图案的焦平面的变化，同时保持扫描器和物体的固定空间关系。这并不表示必须在扫描器和物体具有固定空间关系的情况下提供扫描，而只是表示在扫描器和物体具有固定空间关系的情况下焦平面可以被改变(扫描)。这提供了基于本发明的手持式扫描器方案。在一些实施例中，来自感测器元件阵列的信号是光强度。本发明的一个实施例包括第一光学系统，例如透镜的布置，用于将探测光向物体传输，和第二光学系统，用于使从物体返回到照相机的光成像。在本发明的优选实施例中，仅仅一个光学系统优选地沿着相同的光轴，然而沿着相反的光路，将图案成像到物体上并将物体或物体的至少一部分成像到照相机上。在本发明的优选实施例中，光学系统将图案成像到被探测的物体上并将被探测的物体成像到照相机。优选地，以这样的方式调整焦平面图案在被探测物体上的图像沿着光轴移动，优选以等步幅从扫描区域的一端移动到另一端。包括图案的探测光在物体上提供明与暗的图案。具体来说，对于固定焦平面当图案随时间变化时，物体上的准确对焦区域将显示明与暗的振荡图案。离焦区域在光振荡中将显示较小对比度或没有对比度。通常我们考虑入射到物体上的光从物体的表面发生漫反射和/或镜面反射的情况。但是应当理解扫描装置和方法不限于这种情况。它们还可适用于例如入射光穿透表面并反射和/或散射和/或在物体中引起荧光和/或磷光的情况。在足够半透明的物体中的内表面也可以被照明图案照明并且成像到照相机上。在这种情况下体积扫描是可能的。一些浮游生物是这种物体的实例。当应用时变图案时，可以通过在焦平面的不同位置和以图案的不同实例收集大量2D图像来获得单个子扫描。当焦平面在单个像素位置处与扫描表面相重合时，图案将会被投影到准确对焦并具有高对比度的表面点上，由此引起像素值随时间的大的变化或振幅。因此可以对于每个像素识别聚焦平面的单独设置，对于聚焦平面每个像素都是准确对焦的。通过利用所使用的光学系统的了解，可以在单个像素的基础上将对比度信息-焦平面位置转换成3D表面信息。因此在本发明的一个实施例中，通过对一系列焦平面确定多个感测器元件中的每一个的光振荡幅度来计算焦点位置。对于静止图案，可以通过在焦平面的不同位置收集大量2D图像而获得单个子扫描。当焦平面与扫描表面重合时，图案将会被投影到准确对焦并具有高对比度的表面点上。高对比度在物体的表面上引起静止图案的大空间变化，由此在一组相邻的像素上提供像素值的大的变化或振幅。因此可以对每一组像素识别聚焦平面的单独设置，对于聚焦平面每组像素都是准确对焦的。通过利用所使用的光学系统的了解，可以在单个像素组的基础上将对比度信息-焦平面位置转换成3D表面信息。因此在本发明的一个实施例中，通过对一系列焦平面确定多组感测器元件中的每一组的光振荡幅度来计算焦点位置。图像数据的2D到3D的转换可以通过本领域中已知的大量方式进行。即，被探测物体的3D表面结构可以通过当记录一系列不同焦平面的光振幅时，找到对应于照相机感测器阵列中的每个感测器元件或每组感测器元件的最大光振荡幅度的平面而确定。优选地，以等步幅从扫描区域的一端到另一端调节焦平面。优选地，焦平面可以在足够大的范围中移动从而至少与被扫描物体的表面重合。本发明本身区别于WO 2008/125605，因为在本发明的使用时变图案的实施例中，输入图像不限于两种照明分布，而是可以由图案的任何照明分布获得。这是因为参考图像的定向不完全依赖于预定校准，而是依赖于输入图像获得的具体时间。因此WO 2008/125605具体应用了正好两种图案，其通过从任一侧照明的镀铬玻璃遮盖件而在物理上实现，其中背面是反光的。因此W02008/125605具有不使用移动部件的优点，但缺点是信噪比较差。在本发明中具有使用任何数量的图案构形的可能性，这使光振荡幅度或相关度的计算更加精确。定义图案包括嵌入在侧平面中的空间结构的光信号。也可以称为“照明图案”。时变图案随时间变化的图案，S卩，嵌入的空间结构随时间变化。也可以称为“时变的照明图案”。以下也称为“条纹(fringe)”。静止图案不随时间变化的图案，例如，静止的棋盘图案或静止的线图案。图案构形图案的状态。在某一时间对图案构形的了解等于知道在该时间的照明的空间结构。对于周期性图案而言，图案构形将包括图案相位的信息。如果被扫描物体的表面元素被成像到照相机上，那么对图案构形的了解等于知道图案的哪个部分照明该表面元素。焦平面从图案发射的光线会聚到其上以在被扫描的物体上形成图像的表面。焦平面不必是平面,其可以为曲面。光学系统光学组件的布置，例如传输、校准和/或使光成像的透镜，例如将探测光朝物体传输，将图案成像在物体上或物体内，和将物体或物体的至少一部分成像在照相机上。光轴由光束的传播确定的轴。光轴优选为直线。在本发明的优选实施例中，光轴由多个光学组件的构形确定，例如光学系统中透镜的构形。光轴可以多于一个，例如如果一个光学系统将探测光传输到物体上，而另一个光学系统将物体成像到照相机上。但优选地，光轴由将图案传输到物体上和将物体成像到照相机上的光学系统中的光传播来确定。光轴通常与扫描器的纵轴重合。光路由光源到照相机的光传播所确定的路径。因此，优选一部分光路与光轴重合。然而优选光轴为直线，光路可以是非直线的，例如当例如借助分束器、镜子、光导纤维等等使光被反射、散射、弯曲、拆分等等时。焦阑系统一种光学系统，其以主光线平行于所述光学系统的光轴的方式提供成像。在焦阑系统中，离焦点具有与准确对焦点基本上相同的放大率。这可以在数据处理中提供优势。完美的焦阑光学系统是难以达到的，然而基本上或接近焦阑的光学系统可以通过细致的光学设计而提供。因此，当指出焦阑光学系统时，应当理解为其可能仅仅是接近焦阑的。扫描长度视域的横向尺寸。如果探头顶端(即扫描头)包括折光光学器件(folding optics)，以沿不同方向例如垂直于光轴的方向引导探测光，那么扫描长度是平行于光轴的横向尺寸。扫描物体被扫描的物体，并且扫描器在其表面上提供信息。“扫描物体”可以只是被称为“物体”。照相机成像感测器，包括对应于输入到成像感测器上的光的多个感测器。优选感测器以行和列的2D阵列排序。输入信号来自照相机中感测器的光输入信号或感测器输入信号。这可以是在感测器的积分或者曝光时间内入射到感测器上的光积分强度。一般而言，其转换为图像中的像素值。也可被称为“感测器信号”。参考信号源自于图案的信号。参考信号也可以表示为加权函数或加权向量或参
考向量。相关度参考信号和输入信号之间相关程度的量度。相关度优选地如此定义如果参考信号和输入信号是彼此线性相关的，那么与两者非线性相关相比，相关度获得更大的量值。在某些情况下，相关度是光振荡幅度。图像图像可被视为值的2D阵列(当用数码相机获得图像时)，或者在光学器件中，图像表示在成像表面和图像表面之间存在关联，其中由所述成像表面上的一点发出的光线基本上会聚到所述图像表面上的一点上。
强度在光学器件中，强度是对每单位面积的光能的量度。在用包括多个单独感测元件的照相机记录的图像中，强度可以用于表示在单独感测元件上记录的光信号。在这种情况下，强度反映了在图像记录所涉及的曝光时间中在感测元件上每单位面积的光能对时间的积分。数学符号A在加权函数和记录的光信号之间的相关度。这可以是光振荡幅度。I光输入信号或感测器输入信号。这可以是在感测器的积分或曝光时间内入射到感测器上的光积分强度。一般而言，其转化为图像中的像素值。f参考信号。也可以被称为加权值。η用一个和/或几个照相机感测器进行的、用于计算相关度的测量数量。H用像素数量表示的图像高度。W用像素数量表示的图像宽度。在正文中也根据需要对符号进行了解释。本发明的详细描述扫描器优选地包括位于光路上的至少一个分束器。例如可以借助分束器将物体的图像形成在照相机中。分束器的示例性使用在附图
中示出。在本发明的优选实施例中，光在包括透镜系统的光学系统中传输。该透镜系统可以将图案向物体传输，并且使从物体反射的光成像到照相机。在焦阑光学系统中，离焦点具有与准确对焦点相同的放大率。焦阑投影因此可以显著地简化所获得的2D图像向3D图像的数据映射。因此，在本发明的优选实施例中，光学系统在被探测物体的空间中是基本上焦阑的。光学系统在图案和照相机的空间中也可以是焦阑的。变焦本发明的关键点是在扫描器相对于被扫描物体不发生移动的情况下的焦平面的变化，即扫描。优选地，焦平面可以变化，例如以周期的方式连续变化，而图案产生装置、照相机、光学系统和被扫描的物体相对于彼此固定。此外，3D表面获得时间应当足够小以降低探头和齿之间的相对运动的影响，例如减小震动的影响。在本发明的优选实施例中，借助至少一个聚焦元件改变焦平面。优选地，焦平面以预定频率周期性地变化。所述频率可以是至少1Hz，例如至少2Ηζ、3、4、5、6、7、8、9或至少10Hz，例如至少20、40、60、80或至少IOOHz0优选地，聚焦元件是光学系统的一部分。即，聚焦元件可以是透镜系统中的透镜。优选的实施例包括装置，例如平移台，用于调节和控制聚焦元件的位置。由此焦平面可被改变，例如通过使聚焦元件沿着光轴前后平移。如果聚焦元件以几Hz的频率前后平移，则这可能导致扫描器的不稳定。因此本发明的优选实施例包括用于减小和/或消除来自聚焦元件调节系统的震动和/或晃动的装置，由此提高扫描器的稳定性。这可至少部分地通过用于固定和/或保持聚焦元件调节系统的质量中心的装置来提供；例如基本上配衡聚焦元件的移动的配重，举例来说，通过与聚焦元件的移动相反地平移配重。如果配重和聚焦元件相连并且借助相同的平移装置驱动，则可以容易地实现操作。然而这仅仅基本上可以将震动降低到一阶。如果配重平衡装置围绕配重平衡轴旋转，则可能有关于配重产生转矩的问题。因此，本发明的又一个实施例包括用于减小和/或消除来自聚焦元件调节系统的一阶、二阶、三阶和/或更高阶振动和/或晃动的装置，由此提高扫描器的稳定性。在本发明的另一个实施例中，移动多于一个的光学元件以使焦平面移动。在这个实施例中，希望这些元件一起移动并且希望这些元件是物理上相邻的。在本发明的优选实施例中，光学系统对于所有的焦平面位置是焦阑的或接近焦阑的。因此，即使光学系统中的一个或多个透镜可以前后移动以改变焦平面位置，但是光学系统的焦阑度得到维持。本发明的优选实施例包括焦传动(focus gearing)。焦传动是透镜移动和焦平面位置的移动之间的相关性。例如，焦传动为2表示聚焦元件平移Imm对应于焦平面位置平移2_。可以通过对光学系统的合适设计提供焦传动。焦传动的优势在于聚焦元件的少量移动可对应于焦平面位置的大的改变。在本发明的具体实施例中，焦传动在O. I和100之
间，例如在O. I和I之间，例如在I和10之间，例如在2和8之间，例如在3和6之间，例如至少10,例如至少20。在本发明的另一实施例中，聚焦元件是液体透镜。液体透镜可以控制焦平面而不使用任何移动部件。照相机照相机可以是配备标准CCD或CMOS芯片的标准数码相机，每排感测器元件(像素)具有一个Α/D转换器。然而，为了提高帧频，根据本发明的扫描器可以包括每排像素配备多个Α/D转换器的高速照相机，例如每排像素配备至少2、4、8或16个Α/D转换器。图案本发明的另一个核心元素是具有投影到被扫描物体上的嵌入图案的探测光。该图案可以是静止的或是时变的。时变图案可以在物体上和/或物体内提供明与暗的变化。具体来讲，当对于固定焦平面图案随时间变化时，物体上的准确对焦区域将显示明与暗的振荡图案。离焦区域将在光振荡中显示较小对比度或没有对比度。静止图案可以在物体上和/或物体内提供明与暗的空间变化。具体来说，准确对焦区域将显示在空间中明与暗的振荡图案。离焦区域将在空间光振荡中显示较小对比度或没有对比度。可以由外部光源提供光，然而优选地，扫描器包括至少一个光源和图案产生装置以产生图案。设计光源以使得图案的未遮盖部分的强度在空间上尽可能地接近均匀，这在信噪比方面是有利的。在另一个实施例中，光源和图案产生装置整合在单个组件中，例如分段LED。分段LED可以提供静止图案和/或它本身可以通过顺次打开和关闭不同的段来提供时变图案。在本发明的一个实施例中，时变图案随时间周期性地变化。在本发明的另一个实施例中，静止图案在空间上周期性地变化。来自光源(内部或外部的)的光可以通过图案产生装置传输，由此产生图案。例如图案产生装置包括至少一个半透明和/或透明的图案元件。为了产生时变图案，可以使用具有不透明遮盖件的轮。例如遮盖件包括优选地以对称的顺序布置的多个径向辐条。扫描器也可以包括用于使图案元件旋转和/或平移的装置。为了产生静止图案，可以使用具有不透明遮盖件的玻璃板。例如遮盖件包括线图案或棋盘图案。一般来说，所述遮盖件优选地拥有旋转和/或平移的周期性。图案元件位于光路中。因此，来自光源的光可以通过图案元件传输，例如，通过图案元件横向传输。从而可以通过旋转和/或平移图案元件产生时变图案。产生静止图案的图案元件在扫描过程中不必移动。相关性本发明的一个目的是提供短的扫描时间和实时处理，例如为扫描器操作者提供现场反馈以对整个齿弧进行快速扫描。然而，实时高分辨率3D扫描产生庞大的数据量。因此应当在扫描器外壳中，即靠近光学组件，提供数据处理，以降低向例如车、工作站或显示器的数据传输速率。为了加快数据处理时间和为了提取具有最佳信噪比的准确对焦信息，可以嵌入/执行各种相关技术。这例如可以在照相机电子设备中执行以区分离焦信息。应用图案以在被扫描的物体上提供具有嵌入的空间结构的照明。确定准确对焦信息与计算在这种空间结构的光信号(我们称为输入信号)和图案本身的变化(我们称为参考信号)之间的相关度有关。通常，如果输入信号与参考信号相符，相关度的量值高。如果输入信号显示小的变化或无变化，那么相关度的量值低。如果输入信号显示大的空间变化但是这种变化不同于参考信号的变化，那么相关度的量值也低。在本发明的又一个实施例中，扫描器和/或扫描头可以是无线的，由此简化扫描器的处理和操作并且在困难的扫描情况下提高可接
近性，例如在口内或耳中的扫描。然而，无线操作可进一步增加对本地数据处理的需要以避免原始3D数据的无线传输。参考信号由图案产生装置提供并且可以是周期性的。输入信号的变化可以是周期性的，并且其可以被限制成一个或几个周期。参考信号可以与输入信号无关地确定。具体而言，在周期性变化的情况下，可与输入信号无关地知悉振荡输入和参考信号之间的相位。在周期性变化的情况下，相关性典型地与变化幅度相关。如果振荡输入和参考信号之间的相位不是已知的，则需要在输入信号的变化幅度可被确定之前，确定输入信号的余弦和正弦部分。当相位已知时，这不是必需的。以数学方式用一套不连续的测量值确定相关度的一种方式是作为由以下向量计算的点积信号向量，I = (I1,……，In)，其中η > I元素代表感测器信号，和参考向量，f=(f1；……，fn)，具有与参考加权的所述信号向量相同的长度。因而由下式给出相关度A :A = f -I = ^flIl
i=\信号向量中元素的下标表示在不同时间和/或在不同感测器记录的感测器信号。在连续测量的情况下，上述表达式被容易地概括为涉及积分而不是求和。在这种情况下积分参数是时间和/或一个或多个空间坐标。优选的实施例是当参考向量元素和为零()时，除去相关信号或相关度
的DC部分。焦点位置可以作为在所有聚焦元件位置上计算的相关度的极值而被找出。我们注意到，在这种情况下，相关度与两个变量之间的样本皮尔森相关系数成比例。如果没有除去DC部分，在所有聚焦元件位置上可存在DC信号的趋势，并且这种趋势在数值上可以是主导性的。在这种情况下，仍然可以通过分析相关度和/或其导数中的一个或多个找到焦点位置，优选地在除去趋势以后。优选地，应当找到总极值。然而，人为因素例如在光学系统上的污物可导致错误的全局最大值。因此，在某些情况下，找出局部极值可能是明智的。如果被扫描的物体足够半透明，可能可以识别内表面或表面部分，否则内表面或表面部分会被遮蔽。在这种情况下，可能有几个对应于表面的局部极值，并且处理几个或所有极值可能是有利的。
相关度典型地可以基于输入信号进行计算，输入信号可作为数码图像(即具有有限数量的不连续像素的图像)而被获得。因此，便利地，可以对图像像素或其像素组进行用于获得相关度的计算。因此相关度可以被形象化为伪图像。在本发明中应用的相关度受锁定放大器的原理启发，其中输入信号与参考信号相乘并且在特定时间上积分。在本发明中，参考信号由图案提供。时间相关性时间相关性涉及时变图案。当图案构形变化时，照相机中的单独光感测元件中的光信号被记录了几次。因而，至少用以不同次数记录的感测器信号计算相关度。在WO 98/45745中教导了估计在周期性变化光信号中的光振荡幅度的原理，其中通过首先估计光强度振荡的余弦和正弦部分来计算幅度。然而，由统计学的观点来说，这不
是最佳方法，因为为了能够计算幅度估计了两个参数。在本发明的这个实施例中，独立地了解在每个光信号记录的图案构形使得能够计算在每个光感测元件的相关度。在本发明的某些实施例中，扫描器包括用于获得图案构形的了解的装置。为了提供这种了解，扫描器优选地进一步包括用于登记和/或监测时变图案的装置。在照相机中每个单独的光感测元件，即感测器元件，都感测到光信号的变化，该变化对应于用于照明物体的光的变化。本发明的一个实施例通过平移和/或旋转图案元件获得图案的时间变化性。在这种情况下，可以借助图案元件上的位置编码器结合对图案几何形状的预先了解获得图案构形，该图案几何形状引起横跨单独感测元件的图案变化。因此对图案构形的了解作为以下两者的结合而产生对导致横跨不同感测元件的变化的图案几何形状的了解，和在3D扫描过程中的图案登记和/或监测。因而在旋转作为图案元件的轮的情况下，可以通过例如安装在轮圈上的编码器获得轮的角位置。本发明的一个实施例涉及具有平移和/或旋转周期性的图案。在这个实施例中，如果图案基本上以恒定速度平移和/或旋转，则有明确的图案振荡周期。本发明的一个实施例包括在一个图案振荡周期过程中对多个感测器元件中的每一个进行多次取样的装置，优选地在每个图案振荡周期过程中取样整数次，例如取样2、3、4、5、6、7或8次，由此确定在周期内的光变化。在光变化和图案之间的时间相关度可以通过在一个振荡周期(或至少一个振荡周期)过程中在照相机上记录几个图像获得。在一个振荡周期过程中记录的图像数量被表示为η。与在所有感测元件上独立了解的图案变化(即获得对图案构形的了解)以及记录的图像相结合的对于每个单独图像的图案位置登记使得能够有效提取照相机中的每个单独感测元件中的相关度。对于具有标识j的光感测元件，该元件的η个被记录的光信号表示为Illj,......，In,」。该元件的相关度Aj可以表达为
ηΛ=ΣΛΛ；
ζ'=1在这里，参考信号或加权函数f由对图案构形的了解获得。f具有两个下标i，j。f随着第一个下标的变化来源于在每个图像记录过程中对图案位置的了解。f随着第二个下标的变化来源于对图案几何形状的了解，图案几何形状可以在3D扫描之前确定。
优选地，但并不一定，参考信号f在时间上平均为零，即对于所有的j我们具有
权利要求
1.一种用于获得和/或测量物体的至少一部分表面的3D几何形状的扫描器，所述扫描器包括 -至少一个容纳感测器元件阵列的照相机， -用于产生整合空间图案的探测光的装置， -用于将探测光向物体传输的装置，由此利用一种或多种构形的所述图案照明物体的至少一部分， -用于传输从物体返回到照相机的光的至少一部分的装置， -用于改变物体上的图案的焦平面的位置，同时保持扫描器与物体之间的固定空间关系的装置， -用于从所述感测器元件阵列获得至少一个图像的装置， -用于在每个焦平面位置估计至少一个图像像素和加权函数之间的相关度的装置，其中加权函数基于空间图案的构形信息而确定， -数据处理装置，用于 a)通过相关度的分析确定下列对象的准确对焦位置 -对于一系列焦平面位置，多个图像像素中的每一个，或者 -对于一系列焦平面位置，多个图像像素组中的每个组，和 b)将准确对焦数据转换成3D真实世界坐标。
2.根据权利要求I的扫描器，其中从物体返回到照相机的光是反射光和/或散射光和/或荧光和/或磷光。
3.根据权利要求I或2的扫描器，其中用于估计相关度的装置是数据处理装置。
4.根据权利要求I或2的扫描器，其中用于估计相关度的装置是光学装置。
5.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中相关度被以数学方式找出，基本上作为可选平滑的点积系列的至少局部的极值位置，所述点积针对多个所述焦平面位置计算。
6.根据前一项权利要求的扫描器，其中每个点积由具有超过一个兀素的信号向量和与加权的所述信号向量具有相同长度的加权向量来计算，所述元素代表感测器信号。
7.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中图案是随时间变化的。
8.根据前一项权利要求的扫描器，其中时变图案是随时间周期性的变化的。
9.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中图案是静止的。
10.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中用于传输从物体返回到照相机的光的装置包括用于将具有所述图案的物体的所述照明部分成像到照相机上的装置。
11.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中用于传输从物体返回到照相机的光的装置包括用于将图案本身成像到照相机上并且将从物体返回的光叠加到照相机的装置，从而使照相机上的图像基本上是具有所述图案的物体的所述照明部分与图案本身的乘积。
12.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中所述图案的嵌入空间结构是随时间变化的。
13.根据前述任何一项权利要求的扫描器，包括至少一个光源和图案产生装置。
14.根据前一项权利要求的扫描器，其中来自所述探测光产生装置的光通过所述图案产生装置传输，由此产生图案。
15.根据权利要求13或14中任何一项的扫描器，其中所述图案产生装置包括透明和不透明部件的遮盖件。
16.根据前一项权利要求的扫描器，其中所述不透明部件吸收入射光。
17.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中所述图案具有平移和/或旋转周期。
18.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中通过平移和/或旋转所述图案使照明物体的所述图案随时间变化。
19.根据权利要求13-18中任何一项的扫描器，其中从物体返回的光在成像到所述照相机上之前通过所述图案产生装置再次传输，优选地以与探测光相反的方向再次传输。
20.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中照明物体的图案的图像与图案本身的图像重合。
21.根据前述任何一项权利要求的扫描器，进一步包括用于使所述感测器元件的曝光时间与图案振荡时间同步的装置。
22.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中所述感测器元件的曝光时间是光振荡周期的整数倍。
23.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中所述感测器元件的曝光时间是光振荡周期的许多倍，例如光振荡周期的至少10倍，例如光振荡周期的至少100倍。
24.根据权利要求13-23中任何一项的扫描器，其中来自光源的光通过图案产生装置传输，由此产生图案。
25.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中照相机的焦平面适合于与图案的焦平面同步移动。
26.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中物体是解剖学物体，例如耳道或诸如牙齿的牙科物体。
27.根据前述任何一项权利要求的扫描器，包括用于将探测光向物体传输和/或将从物体返回到照相机的光成像的光学系统。
28.根据前述任何一项权利要求的扫描器，进一步包括位于光路中的至少一个分束器。
29.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中借助至少一个分束器将物体的图像形成在照相机中。
30.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中沿着与从物体向照相机传输的反射光相同的光轴将图案向物体传输。
31.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中光学系统包括透镜系统。
32.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中一个透镜系统将图案向物体传输并且使从物体返回到照相机的光成像。
33.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中一个透镜系统将图案向物体传输并且使从物体返回到图案产生装置的光成像。
34.根据权利要求31-33中的扫描器，其中透镜系统是焦阑的或接近焦阑的。
35.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中沿从物体到照相机成像的光的相反方向传输图案。
36.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中沿从物体到图案产生装置成像的光的相反方向传输图案。
37.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中感测器信号是基本上从物体表面反射的积分光强度。
38.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中焦平面位置以预定频率周期性地变化。
39.根据前一项权利要求的扫描器，其中所述频率为至少1Hz，例如至少2Hz、3、4、5、6、7、8、9或至少10Hz，例如至少20、40、60、80或至少IOOHz0
40.根据前述任何一项权利要求的扫描器，进一步包括至少一个聚焦元件。
41.根据前一项权利要求的扫描器，其中聚焦元件是透镜系统的一部分。
42.根据权利要求40-41中任何一项的扫描器，进一步包括用于调节和控制聚焦元件的装置。
43.根据权利要求40-42中任何一项的扫描器，其中聚焦元件是单个透镜。
44.根据权利要求40-43中任何一项的扫描器，进一步包括用于调节聚焦元件的位置的平移台。
45.根据权利要求40-44中任何一项的扫描器，其中聚焦元件沿光轴前后平移。
46.根据权利要求31-45中任何一项的扫描器，其中透镜系统对于所有的焦平面位置是焦阑的或接近焦阑的。
47.根据权利要求40-46中任何一项的扫描器,进一步包括焦传动。
48.根据前一项权利要求的扫描器，其中焦传动在O.I和100之间，例如在O. I和I之间，例如在I和10之间，例如在2和8之间，例如在3和6之间，例如至少10，例如至少20。
49.根据权利要求40-48中任何一项的扫描器，进一步包括用于减小和/或消除来自聚焦元件调节系统的震动和/或晃动的装置，由此增加扫描器的稳定性。
50.根据权利要求40-49中任何一项的扫描器，进一步包括用于固定和/或保持聚焦元件调节系统的质量中心的装置。
51.根据权利要求40-50中任何一项的扫描器，进一步包括用于减小和/或消除来自聚焦元件调节系统的一阶、二阶、三阶和/或更高阶震动和/或晃动的装置，由此增加扫描器的稳定性。
52.根据前述任何一项权利要求的扫描器，进一步包括基本上配衡聚焦元件的移动的配重。
53.根据前一项权利要求的扫描器，进一步包括用于与聚焦元件的移动相反地平移配重的装置。
54.根据权利要求52或53的扫描器，其中配重和聚焦元件相连并且通过相同的平移装置驱动。
55.根据权利要求40-54中任何一项的扫描器，其中聚焦元件是液体透镜。
56.根据权利要求13-55中任何一项的扫描器，其中图案产生装置包括具有不透明遮盖件的至少一个半透明和/或透明图案元件。
57.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中图案是静止线图案或静止棋盘图案。
58.根据权利要求56或57的扫描器，进一步包括用于旋转和/或平移图案元件的装置。
59.根据权利要求56-58中任何一项的扫描器,其中所述图案兀件是轮。
60.根据权利要求56-59中任何一项的扫描器，其中所述遮盖件具有旋转和/或平移周期。
61.根据权利要求56-60中任何一项的扫描器,其中所述遮盖件包括多个径向福条,优选地以对称顺序布置。
62.根据权利要求56-61中任何一项的扫描器,其中图案兀件位于光路中。
63.根据权利要求56-62中任何一项的扫描器,其中通过图案兀件传输光,优选地通过图案兀件横向传输。
64.根据权利要求56-63中任何一项的扫描器，其中通过旋转和/或平移图案元件产生时变图案。
65.根据前述任何一项权利要求的扫描器,包括至少一个分段光源,例如分段LED。
66.根据前一项权利要求的扫描器，其中借助所述分段光源产生图案。
67.根据权利要求65或66中任何一项的扫描器,其中通过打开和关闭分段光源的多个单独的段而产生时变图案。
68.根据权利要求7到67中任何一项的扫描器，进一步包括用于使时变图案振荡与感测器元件的积分时间同步的装置。
69.根据权利要求13到68中任何一项的扫描器，进一步包括登记和/或监测图案产生装置和/或时变图案的相位和/或位置和/或角位置的装置。
70.根据权利要求56到69中任何一项的扫描器，其中借助图案元件上的位置编码器登记图案元件和/或时变图案的相位和/或位置和/或角位置。
71.根据权利要求7到70中任何一项的扫描器，进一步包括用于在一个图案振荡周期中对多个感测器元件中的每一个取样多次的装置，优选地取样整数次，例如在每个图案振荡周期中取样2、3、4、5、6、7或8次，由此用下列公式确定相关度 A =T f I z'=l 其中η是取样次数，是感测元件j的估计的相关度，f^.,. . .，fn,j是基于每次取样的空间图案构形信息的加权函数值，而Iu，. . .，In,j是在每次取样记录的感测器信号。
72.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中物体表面的至少一部分成像在照相机中。
73.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中图案与物体表面的至少一部分的叠加成像在照相机中。
74.根据权利要求13到73中任何一项的扫描器，其中从物体反射的光在进入照相机之前再次传输通过图案产生装置，优选地沿相反的方向再次传输。
75.根据权利要求7到74中任何一项的扫描器，进一步包括用于在多个图案振荡周期上，例如在多达2、5、10、20、50、100、250、500、1000、5000或多达10000个图案振荡周期上，记录多个感测器元件中的每一个的装置。
76.根据前一项权利要求的扫描器，进一步包括用于在一系列焦平面位置上确定多个感测器元件中的每一个的最大信号值的装置。
77.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中测量的3D几何形状的分辨率等于照相机的分辨率。
78.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中测量的3D几何形状的分辨率低于照相机的分辨率,例如低至少2倍，例如低至少3倍，例如低至少4倍，例如低至少5倍。
79.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中感测器元件阵列被分为感测器元件组，优选地矩形组，例如感测器元件的正方形组，优选地相邻的感测器元件的正方形组。
80.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中图案例如线图案或棋盘图案的图像与感测器元件阵列的行和/或列对齐。
81.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中至少一个空间周期的图案对应于感测器元件组。
82.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中图案的一个或多个边与感测器元件阵列的一个或多个边对齐和/或重合。
83.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中一组感测器元件中的相关度借助于下列公式确定，其中、是具有下标j的感测器元件组的相关度，η是组内的感测器元件数量，f^·,. . .，fn,j是基于空间图案构形信息的加权函数值，和I1,」，...，In,j是在组内的每个感测器元件的记录的感测器信号。
84.根据前一项权利要求的扫描器，其中加权函数在一组感测器元件上的积分为零，即O = ZtJu，该组具有下标·]_，由此除去相关度的DC部分。
85.根据前述任何一项权利要求的扫描器，进一步包括用于将镜面反射光和/或漫反射光选择地成像的装置。
86.根据前述任何一项权利要求的扫描器，进一步包括用于使探测光偏振的装置，例如偏振元件。
87.根据前述任何一项权利要求的扫描器,进一步包括至少一个偏振光束分光器。
88.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中借助至少一个偏振光束分光器将物体的图像形成在照相机中。
89.根据前述任何一项权利要求的扫描器，进一步包括用于改变探测光和/或从物体反射的光的偏振状态的装置。
90.根据前述任何一项权利要求的扫描器，进一步包括位于光路中的线偏振元件和延迟板，延迟板例如是四分之一波长延迟板。
91.根据前述任何一项权利要求的扫描器，进一步包括至少一个光反射元件，其优选地沿光轴放置，用于沿不同于光轴的方向引导探测光和/或将物体成像，光反射元件例如是镜子。
92.根据前一项权利要求的扫描器,进一步包括用于沿光轴的方向增加被扫描表面的延长的装置。
93.根据前述任何一项权利要求的扫描器，包括至少两个光源，例如具有不同波长和/或不同偏振的光源。
94.根据前一项权利要求的扫描器，进一步包括用于控制所述至少两个光源的控制装置。
95.根据权利要求93或94中任何一项的扫描器，进一步包括用于合成和/或归并来自至少两个光源的光的装置，所述光源例如是具有不同波长和/或不同偏振状态的光源。
96.根据权利要求93到95中任何一项的扫描器，进一步包括用于将来自至少两个光源例如具有不同波长和/或不同偏振状态的光源的光分开的装置。
97.根据前述任何一项权利要求的扫描器,进一步包括部分光传输和部分光反射的至少一个光学设备，所述光学设备优选地沿光轴放置，光学设备例如是有涂层的镜子或有涂层的板。
98.根据前一项权利要求的扫描器，包括至少两个所述光学设备，所述光学设备优选地沿光轴移动。
99.根据权利要求97或98的扫描器，其中所述光学设备中的至少一个传输具有一定波长和/或偏振的光并且反射具有其它波长和/或偏振的光。
100.根据权利要求97到99中任何一项的扫描器，包括至少第一和第二光源，所述光源具有不同的波长和/或偏振，和其中 沿光路放置的第一光学设备以不同于光轴的方向反射来自所述第一光源的光并且传输来自所述第二光源的光，和 位于光路更后方的第二光学设备以不同于光轴的方向反射来自所述第二光源的光。
101.根据前一项权利要求的扫描器，其中所述第一和第二光学设备沿平行方向反射探测光，优选地沿垂直于光轴的方向，由此使物体表面的不同部分成像。
102.根据前一项权利要求的扫描器，其中所述物体表面的不同部分是至少部分重叠的。
103.根据权利要求93到102中任何一项的扫描器，包括用于提供光源和聚焦元件的配合的控制装置。
104.根据前述任何一项权利要求的扫描器，进一步包括至少一个弯曲的折光镜，用于以不同于光轴的方向，例如沿垂直于光轴的方向，引导探测光和/或使物体成像。
105.根据前一项权利要求的扫描器，进一步包括一个或多个光学元件，例如透镜，其具有可为非球面的表面以提供修正的光学成像。
106.根据前述任何一项权利要求的扫描器，进一步包括至少一个光栅，用于沿不同于光轴的方向，例如沿垂直于光轴的方向，引导探测光和/或使物体成像。
107.根据前一项权利要求的扫描器，其中光栅提供失真的放大，由此在被扫描物体上的图案的图像被拉伸。
108.根据权利要求106或107的扫描器,其中光栅是闪耀光栅。
109.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其中探测光的发射点和反射光的收集点位于探头上，所述探头适合于进入腔内，例如体腔中。
110.根据前一项权利要求的扫描器，其中探头适合于扫描腔中的一个或多个物体，例如口中的牙齿。
111.根据权利要求109的扫描器,其中探头适合于扫描腔例如耳道的至少一部分表面。
112.根据前述任何一项权利要求的扫描器,包括 a)容纳照相机、图案产生装置、焦点变化装置和数据处理装置的外壳，和 b)容纳第一光学系统的至少一个探头。
113.根据前一项权利要求的扫描器，其中外壳包括第二光学系统。
114.根据权利要求112或113中任何一项的扫描器，其中探头是内窥的。
115.根据权利要求112到114中任何一项的扫描器，其中探头包括至少一个光学纤维和/或纤维束，用于传输探测光和/或来自物体表面的反射光。
116.根据权利要求112到115中任何一项的扫描器,其中探头能够从外壳上分离。
117.根据权利要求112到116中任何一项的扫描器，其中探头是刚性的或柔性的。
118.根据权利要求112到117中任何一项的扫描器,其中探测光的发射点和反射光的收集点位于探头上。
119.根据权利要求112到118中任何一项的扫描器，其中 探测光的第一发射点和反射光的第一收集点位于探头上，并且 探测光的第二发射点和反射光的第二收集点位于外壳上。
120.根据权利要求112到119中任何一项的扫描器,其中以基本上平行于光轴和/或探头纵轴的方向将探测光导向物体。
121.根据权利要求112到120中任何一项的扫描器，其中探头包括后部的反射元件，例如镜子，或棱镜，用于沿不同于光轴的方向，优选地沿垂直于探测轴的方向引导探测光。
122.根据前一项权利要求的扫描器，进一步包括用于使反射元件优选地围绕基本上平行于光轴的轴线旋转的装置。
123.根据权利要求112到122中任何一项的扫描器,其中探头适合于提供围绕光轴和/或探头纵轴的360°扫描，优选地不旋转探头和/或扫描器。
124.根据权利要求112到123中任何一项的扫描器，其中多个不同的探头与外壳匹配。
125.根据权利要求112到124中任何一项的扫描器，包括适合于扫描人耳内部的第一探头和适合于扫描所述人耳外部的第二探头。
126.根据权利要求112到125中任何一项的扫描器,其中外壳适合于进行3D表面扫描。
127.根据权利要求112到126中任何一项的扫描器，其中具有装配有探头的外壳适合于扫描人耳内部，并且具有分离探头的外壳适合于扫描所述人耳的外部。
128.根据权利要求112到127中任何一项的扫描器，进一步包括用于归并和/或合成耳内部和外部的3D数据的装置，由此提供完整的人耳3D模型。
129.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其适合于印模扫描，例如牙印模和/或耳道印模扫描。
130.根据前述任何一项权利要求的扫描器,其适合于口内扫描，即直接扫描口腔内的牙齿和周围软组织。
131.根据前述任何一项权利要求的扫描器，适合于牙科应用，例如扫描牙印模、石膏模型、蜡咬模、假牙修复和基牙。
132.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其适合于皮肤学或化妆应用领域中皮肤的3D结构的扫描。
133.根据前述任何一项权利要求的扫描器，其适合于扫描珠宝或整个珠宝或部分珠宝的蜡模型。
134.根据前述任何一项权利要求的扫描器,其适合于工业部件的扫描和/或质量控制。
135.根据前述任何一项权利要求的扫描器,其适合于提供时间分辨的3D扫描,例如运动工业部件的时间分辨3D扫描。
136.根据前述任何一项权利要求的扫描器,其中扫描器适合于手持,并且其中扫描器包括一个或多个内置的运动感测器，该运动感测器产生将至少两个局部扫描合成为物体表面的3D模型的数据，其中运动感测器的数据潜在地用作通过软件找出的最佳合成的第一推测。
137.根据前述任何一项权利要求的扫描器,其中扫描器适合于手持,并且其中扫描器包括一个或多个内置的运动感测器，该运动感测器产生与关于扫描方法的某些软件的使用者界面相互作用的数据。
138.—种用于获得和/或测量物体的至少一部分表面的3D几何形状的方法，所述方法包括下列步骤 -产生整合空间图案的探测光， -沿着光学系统的光轴将探测光向物体传输，由此用所述图案照明物体的至少一部分， -传输从物体返回到照相机的光的至少一部分， -改变图案在物体上的焦平面的位置，同时保持扫描器和物体的固定空间关系， -获得来自所述感测器元件阵列的至少一个图像， -在每个焦平面位置估计至少一个图像像素和加权函数之间的相关度，其中加权函数基于空间图案构形的信息确定； -通过分析相关度确定下列对象的准确对焦位置 -对于所述系列焦平面位置，在照相机中的多个图像像素的每个像素，或 -对于所述系列焦平面，在照相机中的多个图像像素组的每个像素组，和 -将准确对焦数据转换成3D真实世界坐标。
139.—种包括程序编码装置的计算机编程产品，用于当所述程序编码装置在数据处理系统上执行时，使数据处理系统执行前述权利要求的方法。
140.根据前一项权利要求的计算机编程产品，包括计算机可读介质，所述计算机可读介质具有储存在其上的程序编码装置。
141.一种用于获得和/或测量物体的至少一部分表面的3D几何形状的扫描器，所述扫描器包括 -容纳感测器元件阵列的至少一个照相机， -用于产生探测光的装置， -用于将探测光向物体传输的装置，由此照明物体的至少一部分， -用于传输从物体返回到照相机的光的装置， -用于改变物体上的焦平面的位置的装置， -用于从所述感测器元件阵列获得至少一个图像的装置， -用于以下方面的装置 a)确定下列对象的准确对焦位置 -对于一系列焦平面位置，多个感测器元件中的每一个，或 -对于一系列焦平面位置，多个感测器元件组中的每个组，和 b)将准确对焦数据转换成3D真实世界坐标； 其中扫描器进一步包括配重装置以配衡改变焦平面位置的装置。
142.—种用于获得和/或测量物体的至少一部分表面的3D几何形状的方法，所述方法包括下列步骤-容纳感测器元件阵列， -产生探测光， -将探测光向物体传输，由此照明物体的至少一部分， -传输从物体返回到照相机的光， -改变物体上的焦平面的位置， -从所述感测器元件阵列获得至少一个图像， -确定下列对象的准确对焦位置 -对于一系列焦平面位置，多个感测器元件中的每一个，或 -对于一系列焦平面位置，多个感测器元件组中的每个组，和 -将准确对焦数据转换成3D真实世界坐标； 其中该方法进一步包括配衡改变焦平面位置的装置。
143.—种手持式3D扫描器,其手柄与扫描器的主光轴呈大于30度的角，以用于口内或耳内扫描。
全文摘要
披露了一种手持式扫描器，用于利用共焦图案投影技术获得和/或测量物体的至少一部分表面的3D几何形状。针对口内扫描和人耳内部部分的扫描给出了具体实施例。
文档编号A61B5/107GK102802520SQ201080027248
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月17日 优先权日2009年6月17日
发明者R·费斯克, 亨里克·奥杰伦德, 拉斯马斯·克耶尔, 迈克·范德普尔, 阿瑞什·A·卡齐, 卡尔-约瑟夫·霍伦贝克 申请人:3形状股份有限公司