基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪的制作方法

本发明涉及口腔医疗器械领域，具体来讲是一种基于共聚焦光的三维扫描及重建技术。

背景技术：

取牙模是口腔医疗中诊断和疗效确认的重要方式，牙模是患者口腔环境的重要信息媒介，尤其是在牙形矫正与假牙制作中，医生通常需要为患者制作若干副不同时期的牙模用以诊断和规划或观察治疗效果，提高诊疗方案的针对性。

现今最普遍的牙科取模方法是使用齿科石膏直接在患者口腔中取模，此种方法随着齿科石膏材料的改进已经逐渐克服了定型时间和粘膜致敏的问题，但石膏取模易给患者带来不适、难以很精确还原齿形原貌、不易保存等缺陷是此方法难以解决的问题。

随着技术的发展，三维牙形扫描技术逐渐在口腔医疗领域展现，其扫描方式快捷、存储手段方便多样的特点使其受到了越来越多的重视。三维牙形扫描技术目前分为口外扫描与口内扫描两个类型，其中口外扫描主要用于制作牙模、义齿的数字版模型，是对传统制模的一种补充手段，受限于石膏模型本身的精度，以及扫描过程中本身的误差，会导致最终扫描结果产生较大的积累误差；口内扫描是直接使用小型化的扫描器在患者口腔中进行扫描获得患者口腔的实时模型数据，与传统取模方式及口外扫描方式相比，口内扫描减少了取模过程中对患者造成的不适感，模型实时重建提高了取模的精度和速度，节省了时间并大幅减少了材料损耗和人工消耗，为医生提供了良好的诊疗参考，同时由于数字信息便捷的存储方式，医生可以更好地患者沟通交流或直接将模型发送给其他医生来共同诊疗。

目前国外已经开始出现一些口内扫描设备，采用机械臂或者传感器对扫描器进行定位，并通过带有光学振镜的光栅扫描器进行口内扫描，获取口腔模型。目前该类技术还存在几种缺陷，如机械臂式扫描器体积较大不便医师操作，大部分扫描设备在扫描前需要在口腔内喷涂一层覆盖剂保证扫描精度，光学振镜维护性较差且需要与机械同步。

结构光扫描技术使用经过编码的可见光光栅投影到被摄物表面，通过分析投影图像并根据三角测距原理获取被摄物体表面各点的距离从而获取点云。该技术通常有以下几种局限性：由于编码光的光线是由光源通过一块液晶板产生的光栅后形成的，液晶板的像素密度将直接决定光栅边沿的精确度，而光栅的精确度最高只能精确至液晶光栅的像素级别，同时最终成像效果还会受到摄像模块像素的限制，导致累积误差加大，使最终结果精确度难以满足需求。

结构光扫描技术的基本原理依据三角测距原理，将光栅每一点在图像中的位移换算成距离信息，并结合平面坐标建立空间点最终形成点云，该原理会受到成像质量以及摄像模块像素密度影响，测距所能达到的最大精度即摄像模块中的像素间距，难以满足高精度扫描的要求。

结构光扫描技术从光源到投影，其光路调整主要由透镜组实现，反射光线与投射光线光路不同，需要依靠扫描器内壁的反射镜面将图像传回摄像模块，图像经过多次反射会导致信号衰减，以及镜面内壁对扫描器的加工精度提出了进一步的要求。

由于口内扫描技术需要将扫描器探入患者口腔内部进行实时扫描和模型重建，因此需要一种能够以高精度且不需要辅助材料扫描的三维扫描技术和进行高效率三维重建的模型重建技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于在此提供一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，即一种精确且便捷的口腔牙形三维扫描及重建解决方案，旨在实现无需覆盖剂即可对口腔齿形进行扫描并根据扫描数据实时重建口腔三维模型的扫描及模型重建技术。

本发明是这样实现的，构造一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，其特征在于：包括投影光源、针孔面板、半反半透镜、透镜组、焦距调整结构、反光层或吸光层的枪体内壁、滤镜和反射镜；

所述投影光源设置在枪体的根部并位于枪体中轴线上，投影光源发光处嵌有针孔面板，半反半透镜位于针孔面板与透镜组之间，以一定倾斜角度遮盖在枪体内壁中，透镜组安装于镜组调整机构上，在扫描枪枪头端安装反射镜，镜面倾斜角度由光路中轴角度决定，扫描枪枪口处安装所述滤镜。

作为上述技术方案的改进，

所述的一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，其特征在于：投影光源与针孔面板的光路侧面且在枪体内侧斜向安装半反半透镜。

作为上述技术方案的改进，

所述的一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，其特征在于：半反半透镜倾斜角度为45度。

作为上述技术方案的改进，

所述的一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，其特征在于：反射镜使用全反射透镜或普通反射镜面。

作为上述技术方案的改进，

所述的一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，其特征在于：枪体末端光线出口处安装的滤镜与枪体壁平行。

作为上述技术方案的改进，

所述的一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，其特征在于：在反射光线被半反半透镜反射的光路上安装有一个摄像模块。

作为上述技术方案的改进，

所述的一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，其特征在于：摄像模块与扫描枪中集成的图像处理模块进行有线连接，图像处理模块与光源控制模块集成在扫描枪电路板中。

作为上述技术方案的改进，

所述的一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，其特征在于：投影光源由集成在扫描枪电路板中的光源控制模块控制，并采用有线方式连接，光源控制模块控制投影光源的发光模式并提供电源供应。

作为上述技术方案的改进，

所述的一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，其特征在于：扫描枪枪体外部安装便于握持的手柄，在手柄上有触发扫描抢工作的开关，手柄上应设有防滑纹，并在内部设置配重块，以保持握持稳定性。

所述的一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，其特征在于：实施过程为：

（1）、图像获取阶段：

开始扫描后，由投影光源的控制模块使光源发光，光源光在微孔面板的作用下产生点光，透过半反半透镜并通过镜组调整模块控制透镜组将光源产生的点状光进行光路调整，得到特定焦距的聚焦光线，聚焦光在扫描器镜面内壁处反射并透过滤镜投射到目标表面，形成具有特定焦距的反射图像。

其中，在投影光源的发光处可通过一块菲涅尔透镜使光线均匀分布；出口处的镜面内壁可由一块全反射棱镜替换以减少光在反射中的损耗；

投影在目标上光栅图像光线的一部分通过UV、IR-C滤镜滤除杂波后进入扫描器，通过镜面内壁的反射达到的半反半透镜处并被反射，最终进入摄像头；

（2）、图像处理阶段：

由摄像头返回的图像传入到图像处理模块，通过图像预处理提高图像纹理的对比度锐度，由于反射光线与射出光线具有相同的焦距，摄像头获取的图像及被摄物此焦距上的光学切片，图像处理模块可根据此信息计算图像中包含的结构信息，最终生成一个包含距离和高度信息的矩阵；

将处于不同焦段的切片图像矩阵叠加起来，即可得到图像中的三维点信息，对点云信息作出有效性判断，丢弃无效的点云数据帧，同时对有小部分的云进行简单渲染用于预览显示；

（3）、模型生成阶段：

1）重复进行1-2阶段的步骤，最终可以获得完整模型的点云集合，通过图像处理模块中的三维重建算法将点云数据进行优化和三维重建，得到包含点、线、面的模型信息，甚至在摄像机和投影光源机能的支持下能够获得目标物的表面颜色和材质信息；

2）通过模型优化算法将生成的模型进行体积优化，减少模型文件的大小，在保证模型精确度的前提下提高模型的平滑程度，并在有物体材质存在时将材质贴图添加到模型上，最终生成完整的模型，并输出相应文件同时渲染显示在预览。

本发明的优点在于：本技术提供的基于共聚焦光的口内三维扫描及模型重建技术能够实现不需覆盖剂的口内三维扫描，实时获取三维数据重建口内三维模型，模型具有较高的精度水平，输出模型能够同时结合3D打印技术制作实体模型，能同时满足医师快速获取精确口腔模型和制作实体模型的需求，该技术使用可保持高精度扫描的共聚焦扫描方式进行光学扫描；使用可调的透镜组来保证投影模块的光学适应性，通过机身内的镜组的设计，使得扫描器在较小空间内即可获取到被扫物体的扫描图像，使设备小型化成为可能；同时通过高效的三维重建算法。使模型的重建速度得到提高，实现了模型的实时显示功能。

附图说明

图1是本发明总体流程图

图2扫描器结构范例图

图3扫描器的一个可行改进示例。

其中：投影光源1、针孔面板2、半反半透镜3、透镜组4、及焦距调整结构5、反光层或吸光层的枪体内壁6、滤镜7、反射镜8、摄像模块9、图像处理模块10、光源控制模块11。

具体实施方式

下面将结合附图1-3对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，可以按照如下方式实施：

如图1-图3所示：包括内侧具有投影光源1、针孔面板2、半反半透镜3、透镜组4、焦距调整结构5、反光层或吸光层的枪体内壁6、滤镜7和反射镜8；扫描枪的投影光源1设置在枪体的根部并位于枪体中轴线上，投影光源1发光处嵌有针孔面板2，且保证光源1与针孔面板2间没有产生漏光；半反半透镜3位于针孔面板2与透镜组4之间，以一定倾斜角度遮盖在枪体内壁中，其角度由摄像模块9所在位置决定；透镜组4安装于镜组调整机构5上，使其调整机构5安装在光路发散至透镜4处，扫描枪枪头端安装一块全反射镜或镜面8，镜面倾斜角度由光路中轴角度决定，扫描枪枪口安装所述滤镜7。

本发明所述基于共聚焦原理的手持式腔体内三维扫描枪，投影光源1上嵌有一块液晶或针孔面板2，使得通过面板的输出光线为点光线。

投影光源1与针孔面板2的光路侧，在枪体内侧斜向安装一块半反半透镜3，镜片倾斜角度与反射光路进入摄像模块9的角度决定，通常为45度。

在光线通过半反半透镜3的扫描枪枪体内安装有一组透镜4及镜组调整机构5，透镜组可以由若干透镜片组成，用于控制光线焦距，镜组调整机构5用于调整透镜组4的状态，改变通过镜组光线的焦距。

扫描枪枪体末端安装有一块反射镜8，镜面倾斜角度由射出光光轴角度决定，反射镜材质使用全反射透镜或普通反射镜面。

在枪体末端光线出口处安装所述滤镜7，使其滤镜7与枪体壁平行，用于防止灰尘进入扫描枪内部及过滤外部杂光。

在反射光线被半反半透镜3反射的光路上安装有一个摄像模块9；摄像模块9与扫描枪中集成的图像处理模块10进行有线连接，图像处理模块10与光源控制模块11集成在扫描枪电路板中。投影光源1由集成在扫描枪电路板中的光源控制模块11控制，并采用有线方式连接，光源控制模块控制光源发光模式并提供电源供应。

扫描枪枪体外部安装便于握持的手柄，在手柄上有触发扫描抢工作的开关，如扳机或按钮，手柄上应设有防滑纹，并在内部设置配重块，以保持握持稳定性。

本发明扫描设备的一种可行结构如附图2所示，扫描器由以下部分组成，在这里再进行说明：

投影光源1，由集成在扫描枪电路板中的光源控制模块11控制；

针孔面板2，投影光源1通过微孔面板2产生点状光源；

半反半透镜3，聚光透镜3用于透过投射出的点状光源以及反射传回扫描器的光线；

聚焦透镜4，经过聚焦透镜4的发散点状光被整合至需要的焦距；

镜组调整模块5，通过镜组调整模块5可以改变透镜4距离，调整光源和反射光焦距；

具有吸光图层的内壁6，扫描器内壁中涂有能够吸收漫反射光线的涂层，用于减少反射光在扫描器内的漫反射对最终成像产生干扰；

滤镜7为UV、IR-C滤镜，在扫描器前段装有UV、IR-C滤镜7，可以滤除紫外、红外光，由于红外紫外光的折射率与可见光不同，会在经过透镜组4时产生偏移，使用滤镜可以减少；

反射镜面8，扫描器内部的反射镜面7，用以反射聚焦光到被扫描物表面以及将传回的图像反射至扫描器内。

摄像模块9（摄像头），安装在反射光线被半反半透镜3反射的光路上，摄像模块9与扫描枪中集成的图像处理模块10进行有线连接；

图像处理模块10、光源控制模块11，图像处理模块10与光源控制模块11集成在扫描枪电路板中。

由于口腔内部环境复杂， 牙形高低不一，加之口腔诊疗对模型的高精度要求，为了实现口腔内实时扫描的功能，本技术采用的解决方法是：由投影模块投射共聚焦光到目标表面，经过透镜组的焦距调整，将电光精确投射到目标物表面，再通过摄像设备目标物表面的共焦反射光传送到图像处理模块；经过图像处理和分析计算出图像中包含的距离、高度信息，再由这些数据通过三维重建算法生成模型；通过稳定地移动扫描器连续获取口腔不同部位的三维信息，由图像学习和拼接算法，同时参考扫描器的姿态信息（未在附图2中标注）将各个模型片拼接为完整的模型，最后通过模型优化达到平滑和精度的最佳平衡。

接下来将按照技术的实施过程，结合流程图（附图1）和扫描器结构示例（附图2）讲解技术实施过程：

（1）、图像获取阶段：

开始扫描后，由投影光源的控制模块11使光源发光，光源光在微孔面板2的作用下产生点光，透过半反半透镜3并通过镜组调整模块5控制透镜组4将光源产生的点状光进行光路调整，得到特定焦距的聚焦光线，聚焦光在扫描器镜面内壁处反射并透过滤镜投射到目标表面，形成具有特定焦距的反射图像。

其中，在投影光源1的发光处可通过一块菲涅尔透镜使光线均匀分布；出口处的镜面内壁可由一块全反射棱镜替换以减少光在反射中的损耗，如附图2、附图3所示。

投影在目标上光栅图像光线的一部分通过UV、IR-C滤镜7滤除杂波后进入扫描器，通过镜面内壁的反射达到的半反半透镜处并被反射，最终进入摄像头9。

（2）、图像处理阶段：

由摄像头9返回的图像传入到图像处理模块10，通过图像预处理提高图像纹理的对比度锐度，由于反射光线与射出光线具有相同的焦距，摄像头获取的图像及被摄物此焦距上的光学切片，图像处理模块可根据此信息计算图像中包含的结构信息，最终生成一个包含距离和高度信息的矩阵。

将处于不同焦段的切片图像矩阵叠加起来，即可得到图像中的三维点信息（点云），对点云信息作出有效性判断，丢弃无效的点云数据帧，同时对有小部分的云进行简单渲染用于预览显示。

（3）、模型生成阶段：

1）重复进行1-2阶段的步骤，最终可以获得完整模型的点云集合，通过图像处理模块中的三维重建算法将点云数据进行优化和三维重建，得到包含点、线、面的模型信息，甚至在摄像机和投影光源机能的支持下能够获得目标物的表面颜色和材质信息。

2）通过模型优化算法将生成的模型进行体积优化，减少模型文件的大小，在保证模型精确度的前提下提高模型的平滑程度，并在有物体材质存在时将材质贴图添加到模型上，最终生成完整的模型，并输出相应文件同时渲染显示在预览。

基于光栅式扫描技术的三维扫描设备大多使用编码结构光或相移结构光，该技术与本技术所采用的共聚焦式三维扫描有本质差别。

其一，成像方式不同。结构光扫描技术使用经过编码的可见光光栅投影到被摄物表面，通过分析投影图像并根据三角测距原理获取被摄物体表面各点的距离从而获取点云。该技术通常有以下几种局限性：由于编码光的光线是由光源通过一块液晶板产生的光栅后形成的，液晶板的像素密度将直接决定光栅边沿的精确度，而光栅的精确度最高只能精确至液晶光栅的像素级别，同时最终成像效果还会受到摄像模块像素的限制，导致累积误差加大，使最终结果精确度难以满足需求。

其二，点云获取原理不同。结构光扫描技术的基本原理依据三角测距原理，将光栅每一点在图像中的位移换算成距离信息，并结合平面坐标建立空间点最终形成点云，该原理会受到成像质量以及摄像模块像素密度影响，测距所能达到的最大精度即摄像模块中的像素间距，难以满足高精度扫描的要求。

共聚焦扫描技术最终成像为被摄物的光学切片，反应的是特定景深下物体的边沿，通过变换景深获取不同深度的物体光学切片，最后叠加为物体表面，其原理更接近医学CT，由于光学切片的无限可分特性，点云的精度可以达到很高的水平。

其三，扫描器结构不同。结构光扫描技术从光源到投影，其光路调整主要由透镜组实现，反射光线与投射光线光路不同，需要依靠扫描器内壁的反射镜面将图像传回摄像模块，图像经过多次反射会导致信号衰减，以及镜面内壁对扫描器的加工精度提出了进一步的要求。

共聚焦扫描技术的投射光与反射光沿用同一套光路，在光路末端用半反半透镜分离光路，节约了扫描器内部空间并避免了频繁反射造成的图像画质损失，有助于保持高水准的最终成像精确度。

通过本技术，可以实现便捷的实时口内三维扫描及模型重建，满足了牙科诊断对口腔建模精确、快速、保存方便的要求，同时为模型的复制交流提供了良好的媒介。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。