记录颜色的聚焦扫描装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及物体的表面几何形状和表面颜色的三维（3D)扫描。特定应用在牙科 学中，特别是用于口内扫描。
【背景技术】
[0002] 3D扫描器在本领域中是众所周知的，并且口内牙科3D扫描器（例如，Sirona Cerec，CadentItero,3ShapeTRIOS)同样如此。
[0003] 记录表面颜色的能力在许多应用中是有用的。例如在牙科学中，用户可以区分组 织的类型或检测现有的修复物。例如在材料检验中，用户可以检测表面异常，如结晶缺陷或 褪色。以上一般都不可能仅仅从表面几何形状信息获得。
[0004] W02010145669提到记录颜色的能力。特别地，每个针对不同颜色（典型地，蓝、绿 和红）的照明拍摄的若干顺序图像组合以形成合成彩色图像。因此该方法需要改变光源颜 色的装置，如颜色过滤器。此外，在手持使用中，扫描器将在照明序列期间相对于被扫描物 体移动，减小合成彩色图像的质量。
[0005] US7698068和US8102538(CadentInc.)也描述了一种口内扫描器，其用一个或多 个图像传感器记录几何形状数据和纹理数据。然而，在颜色和几何形状记录之间分别有微 小延迟。US7698068需要不同颜色的顺序照明以形成合成图像，而US8102538提到白光作为 一种可能性，然而来自第二照明源或由第二图像传感器记录，第一组用于记录几何形状。
[0006] W02012083967公开了一种扫描器，其用两个独立的照相机记录几何形状数据和纹 理数据。当第一照相机关于基于多个图像提供聚焦扫描具有较浅的景度时，第二照相机关 于从单个图像提供颜色纹理信息具有较大景深。
[0007] 颜色记录扫描共焦显微镜也从现有技术获知（例如，KeyenceVK9700 ;也参见 JP2004029373)。白光照明系统与彩色图像传感器一起用于记录2D纹理，同时激光束形成 点，所述点被扫描，即在表面上移动并且由光电倍增器记录，从多个深度测量提供几何形状 数据，点的每个位置进行一次深度测量。移动点的原理需要被测量物体在测量期间不相对 于显微镜移动，并且因此不适合于手持使用。
【发明内容】
[0008] 本申请的一个方面将提供一种用于记录物体的表面几何形状和表面颜色的扫描 器系统和方法，并且其中表面几何形状和表面颜色从相同的被捕获2D图像导出。
[0009] 本申请的一个方面将提供一种用于记录物体的表面几何形状和表面颜色的扫描 器系统，并且其中所有2D图像使用相同的彩色图像传感器捕获。
[0010] 本申请的一个方面将提供一种用于记录物体的表面几何形状和表面颜色的扫描 器系统和方法，其中与表面几何形状和表面颜色相关的信息同时被采集使得不需要与被记 录表面几何形状相关的数据和与被记录表面颜色相关的数据的对准以便生成表达物体的 颜色和几何形状两者的物体的数字3D表示。
[0011] 公开一种用于记录物体的表面几何形状和表面颜色的扫描器系统，所述扫描器系 统包括：
[0012] -多色光源，所述多色光源配置成提供用于物体的照明的多色探测光，
[0013] -彩色图像传感器，所述彩色图像传感器包括用于捕获从所述物体接收的光的一 个或多个2D图像的图像传感器像素的阵列，以及
[0014] -数据处理系统，所述数据处理系统配置成至少部分地从由所述彩色图像传感器 记录的一个2D图像导出所述图像传感器像素的块的表面几何形状信息和表面颜色信息两 者。
[0015] 公开一种记录物体的表面几何形状和表面颜色的方法，所述方法包括：
[0016] -获得扫描器系统，所述扫描器系统包括多色光源和包括图像传感器像素的阵列 的彩色图像传感器；
[0017] -用来自所述多色光源的多色探测光照明所述物体的表面；
[0018] -使用所述彩色图像传感器捕获所述物体的一系列2D图像；以及
[0019] -至少部分地从一个被捕获2D图像导出所述图像传感器像素的块的表面几何形 状信息和表面颜色信息两者。
[0020] 在本申请的上下文中，短语"表面颜色"可以指的是物体表面的表观颜色，并且因 此在一些情况下，例如对于半透明或部分透明物体（如牙齿），由来自物体表面和/或在物 体表面下方的材料（如在物体表面正下方的材料）的光导致。
[0021] 在本申请的上下文中，短语"至少部分地从一个2D图像导出"指的是图像传感器 像素的指定块的表面几何形状信息至少部分地从一个2D图像导出并且相应表面颜色信息 至少部分地从相同2D图像导出的情形。该短语也涵盖图像传感器像素的指定块的表面几 何形状信息至少部分地从一系列被捕获2D图像的多个2D图像导出并且相应表面颜色信息 至少部分地从该一系列被捕获2D图像的相同2D图像导出的情况。
[0022] 至少部分地从一个2D图像导出所述图像传感器像素的块的表面几何形状信息和 表面颜色信息两者的优点在于可以实现仅仅具有一个图像传感器的扫描器系统。至少部分 地从一个2D图像导出表面几何形状信息和表面颜色信息是有利的，原因是这固有地提供 同时采集两种类型的信息。因此不需要两个彩色图像传感器的操作的准确定时，当一个图 像传感器用于几何形状记录并且另一个用于颜色记录时可能就是这样。尤其不需要解释从 其导出表面几何形状信息的2D图像的捕获的定时和从其导出表面颜色信息的2D图像的捕 获的定时的显著差异的精密计算。
[0023] 本申请对现有技术的显著改进在于仅仅需要单个图像传感器和单个多色光源，并 且物体的至少一部分的表面颜色和表面几何形状可以从相同的一个2D图像或多个2D图 像导出，这也意味着颜色和表面几何形状的对准固有地是完美的。在根据本申请的扫描器 系统中，不需要考虑在获得表面几何形状和表面颜色之间补偿物体和扫描器系统的相对运 动。由于在精确相同时间获得表面几何形状和表面颜色，因此扫描器系统在获得表面几何 形状和表面颜色时自动地保持其相对于物体表面的空间布置。这使本申请的扫描器系统适 合于手持使用，例如作为口内扫描器，或者适合于扫描移动物体。
[0024] 在一些实施例中，数据处理系统配置成从一系列2D图像，例如从一系列被捕获2D 图像中的多个2D图像导出图像传感器像素的所述块的表面几何形状信息和表面颜色信 息。即，数据处理系统能够分析一系列被捕获2D图像中的多个2D图像以便导出图像传感 器像素的块的表面几何形状信息并且也从从其导出表面几何形状信息的2D图像中的至少 一个导出表面颜色信息。
[0025] 在一些实施例中，数据处理系统配置成从一系列被捕获2D图像的多个2D图像导 出表面颜色信息并且从从其导出表面颜色信息的2D图像中的至少一个导出表面几何形状 信息。
[0026] 在一些实施例中，数据处理系统配置成从一系列被捕获2D图像的多个2D图像导 出表面几何形状信息并且从从其导出表面几何形状信息的2D图像中的至少一个导出表面 颜色信息。
[0027] 在一些实施例中，从其导出表面颜色信息的一组2D图像与从其导出表面几何形 状信息的一组2D图像相同。
[0028] 在一些实施例中，数据处理系统配置成基于从图像传感器像素的多个块导出的表 面几何形状信息和表面颜色信息生成物体表面的一部分的子扫描。子扫描至少表达物体的 一部分的几何形状并且典型地一个子扫描从被捕获2D图像的一个栈导出。
[0029] 在一些实施例中，分析被捕获图像的系列的所有2D图像以导出彩色图像传感器 上的图像传感器像素的每个块的表面几何形状信息。
[0030] 对于图像传感器像素的指定块，可以分析栈中的被捕获2D图像的相应部分以导 出该块的表面几何形状信息和表面颜色信息。
[0031] 在一些实施例中，对于图像传感器像素的该特定块，表面几何形状信息与物体表 面相对于扫描器系统坐标系所处的位置相关。
[0032] 本申请的扫描器系统和方法的一个优点在于同时获得用于生成表达物体的几何 形状和颜色两者的子扫描的信息（从一个视图看）。
[0033] 针对物体的多个不同视图生成子扫描使得它们一起覆盖表面的一部分。
[0034] 在一些实施例中，数据处理系统配置成组合多个子扫描以生成物体的数字3D表 示。物体的数字3D表示然后优选地表达物体的被记录几何形状和颜色两者。
[0035] 物体的数字3D表示可以呈数据文件的形式。当物体是患者的牙齿组时该牙齿组 的数字3D表示例如可以用于患者的牙齿组的物理模型的CAD/CAM制造。
[0036] 表面几何形状和表面颜色都从由彩色图像传感器记录的光确定。
[0037] 在一些实施例中，从物体接收的光源自多色光源，S卩，它是从物体的表面反射或散 射的探测光。
[0038] 在一些实施例中，从物体接收的光包括由来自多色光源的探测光激发的荧光，即， 由物体表面中的荧光材料发射的荧光。
[0039] 在一些实施例中，第二光源用于荧光的激发，而多色光源提供用于获得物体的几 何形状和颜色的光。
[0040] 扫描器系统优选地包括光学系统，所述光学系统配置成朝着待扫描的物体引导由 多色光源发射的光并且将从物体接收的光引导到彩色图像传感器使得所述物体的2D图像 可以由所述彩色图像传感器捕获。
[0041 ] 在一些实施例中，扫描器系统包括用于朝着物体传输来自多色光源的探测光的第 一光学系统，如透镜装置，和用于在彩色图像传感器处成像从物体接收的光的第二光学系 统。
[0042] 在一些实施例中，单个光学系统优选地沿着相同光轴，但是在沿着光轴的相反方 向上将探测光成像到物体上并且将物体或物体的至少一部分成像到彩色图像传感器上。扫 描器可以包括位于光路中的至少一个分束器，其中分束器布置成使得它朝着物体引导来自 多色光源的探测光，同时它朝着彩色图像传感器引导从物体接收的光。
[0043] 若干扫描原理是合适的，如三角测量和聚集扫描。
[0044] 在一些实施例中，扫描器系统是通过沿着扫描器系统的光轴平移焦平面并且在不 同焦平面位置处捕获2D图像使得被捕获2D图像的每个系列形成2D图像的栈而操作的聚 集扫描器系统。焦平面位置优选地沿着扫描器系统的光轴移动，使得在沿着光轴的多个焦 平面位置处捕获的2D图像形成物体的指定视图（即，扫描器系统相对于物体的指定布置） 的2D图像的所述栈。在改变扫描器系统相对于物体的布置之后可以捕获该视图的2D图像 的新栈。可以借助于至少一个聚焦元件（例如，移动聚焦透镜）改变焦平面位置。
[0045] 在一些聚焦扫描器实施例中，扫描器系统包括配置成包含所述探测光中的空间图 案的图案生成元件。
[0046] 在一些实施例中，图案生成元件配置成提供由扫描器系统投射到物体上的探测光 包括由暗部分和具有光的部分组成的图案，所述光具有根据多色光源的波长分布的波长分 布。
[0047] 在一些实施例中，多色光源包括宽带光源，如白光源。
[0048] 在一些实施例中，彩色图像传