CN101904773A - 用于牙齿表面形状及色调成像的设备 - Google Patents

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Abstract

一种具有照射场生成器的口内成像设备，该照射场生成器在接收来自第一光源的光时形成具有轮廓条纹投影图案的照射光束并且在接收来自第二光源的光时具有大体上一致的照射场。在该照射光束的路径上的偏振器具有第一偏振透射轴。投影透镜将经偏振的照射光束引向牙齿表面并且成像透镜沿检测路径引导至少一部分来自该牙齿表面的光。沿该检测路径被布置的偏振选择元件具有第二偏振透射轴。至少一个检测器从通过该偏振选择元件被提供的光得到图像数据。控制逻辑处理器响应于被编程的指令以按顺序交替地激励该第一光源和该第二光源并且得到轮廓条纹投影数据以及彩色图像数据两者。

Description

用于牙齿表面形状及色调成像的设备
技术领域
本发明一般涉及诊断成像领域并且更具体地涉及用于牙齿及其它结构的表面的组合的三维形状以及颜色色调(shade)成像的设备和方法。
背景技术
精确地对牙齿的形状以及颜色色调两者建模对于提供修复牙科学及有关服务是重要的功能。常规地，确定牙齿轮廓并且匹配牙齿色调的功能已作为独立的操作被执行。这使得难以将色调信息配准或者关联到形状信息。颜色色调判定特别地易于受到人为误差的影响并且总的精确度常常取决于专业人员的有关经验。
随着数字成像技术的到来，已经使多种工具可用于从牙齿得到表面轮廓数据或者颜色色调信息。已经被适用于得到牙齿轮廓的一种技术是条纹投影成像。条纹投影成像使用图案化的或者结构化的光来得到各种类型的结构的表面轮廓信息。在条纹投影成像中，将干涉条纹或者光栅的线条的图案从给定的方向朝对象的表面投影。来自该表面的被投影的图案接着从另一个方向作为轮廓图像被观察，利用三角测量法以基于轮廓线条的外观来分析表面信息。典型地将相位偏移用作条纹投影成像的一部分，在相位偏移时在空间上递增地移动该投影图案用于在新的位置获得另外的测量，其被使用以便完成表面的轮廓映射并且增加轮廓图像中的总的分辨率。
条纹投影成像已被用于固态的、高度不透明的对象的表面轮廓成像并且已被用于对人体的一些部分的表面轮廓进行成像以及用于得到关于皮肤结构的详细数据。然而，多个技术障碍已经妨碍了牙齿的条纹投影成像的有效使用。关于牙齿表面成像的一个挑战涉及牙齿的半透明性。半透明或者不完全半透明材料(semi-translucent)一般而言被认为是特别难以用于条纹投影成像。半透明结构中的子表面散射可能减小总的信噪比(S/N)并且偏移光强度，产生不精确的高度数据。另一个挑战涉及各种牙齿表面的高的反射水平。高度反射的材料，特别是空心的反射结构，可以有效地减小这种类型的成像的动态范围。
在条纹投影成像整体中，对比度典型地差，其中噪声是显著的因素。为提高对比度，一些条纹投影成像***采取措施来减小轮廓图像中的噪声量。一般而言，对于使用条纹成像技术的精确的表面几何测量，理想的是得到直接从被测结构的表面所反射的光并且拒绝从位于表面以下的材料或者结构所反射的光。这是用于对半透明对象进行3D表面扫描的方法。
从光学角度来看，牙齿结构本身对条纹投影成像提出了多个另外的挑战。如前所述，穿入到牙齿表面以下的光趋向于在半透明的牙齿材料内经历显著的散射。此外，来自牙齿表面以下的不透明结构(feature)的反射也可能发生，增加了使所感测的信号衰减的噪声并且因此使牙齿表面分析的任务进一步复杂化。
已经被尝试以使条纹投影可用于牙齿的轮廓成像的一个纠正措施是改变牙齿表面本身的反射特性的涂层的涂敷。此处，为补偿由牙齿的相对半透明性所引起的问题，多种常规的牙齿轮廓成像***在表面轮廓成像之前将涂料或者反射粉末涂敷于牙齿表面。为了条纹投影成像的目的，该增加的步骤增强牙齿的不透明性并且减小或者消除之前所提到的散射光效应。然而，这类方法有缺陷。涂敷涂层粉末或者流体的步骤对牙齿轮廓成像过程而言增加了成本和时间。因为涂层本身的厚度具有给定的厚度并且在整个牙齿表面上常常是非一致的，所以测量误差容易产生。当涂层被涂敷时，没有可用的关于牙齿的相对半透明性的信息。另外，被涂敷的涂层在促进轮廓成像的同时可能趋向于掩盖关于牙齿的其它问题并且可能因此减小可以得到的信息总量。即使在涂层或者牙齿的其它类型的表面调节被使用的地方，仍然难以提供足够量的光到所有牙齿表面，并且难以感测从所有牙齿表面反射回来的光。牙齿的不同表面可以相对于彼此成90度被定向，使得难以为精确地对牙齿的所有部分进行成像引导足够的光，无论涂层是否被涂敷。
已经有将结构化的光表面轮廓成形技术用于牙齿结构成像的挑战的尝试。举例来说，Massen等人的题为“用于牙齿的三维测量的光探测器及方法(Optical Probe and Method for the Three-DimensionalSurveying of Teeth)”的美国专利No.5,372,502描述了使用LCD矩阵以形成用于到牙齿表面上的投影的条形图案。另一个方法在O′Keefe等人的题为“用于3D成像相机的前端(Front End for 3-D ImagingCamera)”的美国专利申请公开文本2007/0086762中被描述。Trissel的题为“用于口内扫描的偏振复用器及方法(Polarizing Multiplexer andMethods for Intra-Oral Scanning)”的美国专利No.7,312,924描述了用于使用三角测量以及偏振光对牙齿表面进行轮廓成形的方法，但是需要荧光涂层的涂敷以用于操作。另外，Pfeiffer等人的题为“用于记录表面结构的3D相机，特别是用于牙科目的(3-D Camera for RecordingSurface Structures，In Particular for Dental Purposes)”的美国专利No.6,885,464公开了使用三角测量的牙齿成像设备，但是也需要将不透明的粉末涂敷于牙齿表面用于成像。
粉末或者其它表面涂层的使用可以帮助促进轮廓成像，但是其同时妨碍得到颜色色调信息。因此，颜色色调信息和表面轮廓信息必须单独地被得到，使得难以将色调和形状信息彼此配准。
用于从使用共焦成像的一个设备得到形状和色调信息两者的方法在Babyoff的题为“用于对三维结构进行彩色成像的方法和设备(Method and Apparatus for Colour Imaging a Three-DimensionalStructure)”的美国专利No.7,319,529中被描述。如最佳理解的那样，以递增的焦点距离拍摄牙齿的数百张图像并且对于牙齿表面上的多个点相对像素强度被用作表面轮廓的测量。由此得到的颜色和深度数据接着被组合以得到和显示牙齿的形状和颜色色调。
虽然共焦成像方法可能具有一些优点，但是使用这种方法也有缺点。取决于所使用的像素分辨率，使用这种方法可能需要相当可观的图像处理资源。当在被连接的主机或者处理器上外部地进行这种处理时，对于共焦装置可能有由被传输到主机者处理器所需要的数据量所引起的相当可观的开销。也有与光部件和设计有关的缺点。光径要求在对于形状测量有效和有利的那些与有效地测量牙齿颜色色调所需要的那些之间有差别。共焦成像需要远心照射及成像路径，因此限制了成像装置的视场。
可以理解的是提供牙齿的精确表面轮廓成像和颜色色调数据两者的设备和方法将有助于促进重构牙科技术并且可以有助于降低常规方法的固有的成本及不便，诸如用于得到用于牙冠、植入物或者其它修复结构的铸型(cast)或者其它表面轮廓的那些方法。
发明内容
本发明的目的是提高诊断成像技术，特别是对于口内成像应用。基于此目的，本发明提供了口内成像设备，其包括：包括空间光调制器的照射场生成器，该空间光调制器可致动地形成照射光束，在该空间光调制器接收来自第一光源的入射光时形成该照射光束具有轮廓条纹投影图案以及在该空间光调制器接收来自第二光源的入射光时该照射光束具有大体上一致的照射场；偏振器，其在从该照射场生成器所发射的照射光束的路径上并且具有第一偏振透射(transmission)轴；投影透镜，其被布置为将经偏振的照射光束作为入射照射引向牙齿表面；成像透镜，其被布置为沿检测路径引导至少一部分从该入射照射在该牙齿表面处被反射和散射的光；偏振选择元件，其沿该检测路径被布置并且具有第二偏振透射轴；至少一个检测器，其被沿该检测路径布置用于从通过该偏振选择元件所提供的光得到图像数据；以及控制逻辑处理器，其响应被编程的指令以按顺序交替地激励该第一光源和第二光源并且从该至少一个检测器得到轮廓条纹投影数据以及彩色图像数据两者。
优选地，本发明的上述成像设备还包括致动器，所述致动器被耦合到所述偏振器或者所述偏振选择元件并且可激励地用于将耦合的偏振器或者偏振选择元件旋转到两个各自正交的位置中的一个。
优选地，在本发明的上述成像设备中，所述偏振选择元件是分析器。
优选地，在本发明的上述成像设备中，所述偏振选择元件是偏振光束分离器并且其中所述至少一个检测器包括被布置为接收被透射通过所述偏振光束分离器的光的第一检测器以及还包括被布置为接收从所述偏振光束分离器反射的光的第二检测器。
优选地，在本发明的上述成像设备中，所述空间光调制器取自从由数字微镜装置和液晶装置构成的组。
优选地，在本发明的上述成像设备中，所述第一光源和所述第二光源中的至少一个包括发光二极管。
优选地，在本发明的上述成像设备中，所述第二光源包括多个固态光源。
优选地，本发明的上述成像设备还包括滤光器，所述滤光器被沿所述检测路径布置并且可透射350-500纳米范围中的光。
本发明还提供一种用于口内成像的方法，其包括：
形成照射光束，在从第一光源发射光时所述照射光束具有轮廓条纹投影图案并且在从第二光源发射光时所述照射光束具有一致的照射场；
沿第一偏振透射轴使所述照射光束偏振；
将经偏振的照射光束作为入射照射引向牙齿表面；
沿检测路径引导至少一部分从所述入射照射在所述牙齿表面处被反射和散射的光；
沿具有第二偏振透射轴的检测路径布置偏振选择元件；以及
按顺序交替地激励所述第一光源和所述第二光源并且从通过所述偏振选择元件所提供的光得到轮廓条纹投影图像数据以及彩色图像数据两者。
优选地，在本发明的上述方法中，所述第一光源发射从350到500纳米范围中的光。
优选地，在本发明的上述方法中，形成所述照射光束包括激励空间光调制器。
优选地，在本发明的上述方法中，还包括将所述轮廓条纹投影数据与所述彩色图像数据配准。
优选地，在本发明的上述方法中，形成具有所述轮廓条纹投影图案的照射光束还包括增加对应于所述牙齿表面的所述条纹投影图案中的一个或者多个部分的强度。
优选地，在本发明的上述方法中，增加所述强度维持所述条纹投影图案的空间频率。
优选地，在本发明的上述方法中，从所述第二光源发射光包括连续地从两个或者更多个固态光源中的每一个固体光源发射光，其中所述固态光源发射不同波段的光
本发明的特征在于其将具有合适的偏振和波长的光与具有变化的亮度的条纹投影图案化一起应用于牙齿轮廓成像的任务。
由本发明的设备和方法所提供的优点涉及改进的牙齿表面成像以及与常规的轮廓成像方法相比以较低的成本得到牙齿色调信息。不同于常规的方法，没有粉末或者其它不透明物质必须被涂敷于牙齿作为轮廓成像的准备步骤。
这些目的仅通过示意性举例的方式来给出，并且这种目的可能是本发明的一个或者多个实施例的示范。通过被公开的本发明所实现的固有的其它理想的目的和优点可以被本领域的技术人员想到或者对于他们变得显而易见。本发明由随附的权利要求来定义。
附图说明
如附图所示，根据下面对本发明的实施例更具体的描述本发明的前述以及其它目的、特征以及优点将是显而易见的。附图的元件不一定相对彼此成比例。
图1是示出本发明的成像设备和方法在用于提供牙齿假体装置(prosthetic appliance)的顺序中的功能的工作流程图。
图2A是示出入射在牙齿上的照射的取决于波长的穿入的图示。
图2B是示出具有不同波长的被反射和散射的光的相对强度的示意图。
图3是示出根据一个实施例的口内成像***的部件的框图。
图4是用于得到牙齿或者其它结构的组合的形状和颜色色调信息的逻辑流程图。
图5是一个实施例中用于得到合成的形状和颜色色调信息的成像设备的示意图。
图6A是示出分析器的使用的框图，其中该分析器的偏振轴平行于偏振条纹投影成像设备的偏振器。
图6B是示出分析器的使用的框图，其中该分析器的偏振轴与偏振条纹投影成像设备的偏振器正交。
图7A是示出入射在牙齿上的照射的取决于偏振的反射和散射的图示。
图7B是示出来自入射照射的被反射的和散射的光的相对强度的图示。
图8A示出在检测共偏振光时所得到的光的成分。
图8B示出在检测交叉偏振光时所得到的光的成分。
图9是在使用多个检测器的实施例中用于得到组合的形状和颜色色调信息的成像设备的示意图。
图10是示出本发明的一个实施例中的照射场生成器的示意图。
图11A-11C是示出增加的亮度可以怎样被应用于具有轮廓表面(contoured surface)的一部分成像场上的改进的成像的示意图。
图12A和12B示出一个实施例中为轮廓成像所生成的示范性投影光图案。
图13是示出用于得到轮廓被补偿的图像的顺序的逻辑流程图。
具体实施方式
参考2009年4月16日提交并且共同受让的题为“使用偏振条纹投影的牙齿表面成像(Dental Surface Imaging Using Polarized FringeProjection)(Liang)”的美国序列号为12/424,562的美国专利申请。
在本文中所提供的附图被给出以示出根据本发明的操作原理以及部件沿它们各自的光路径的关系并且不是意图要显示实际的大小或者比例而被画出。一些放大可能是必要的以强调基本的结构关系或者操作原理。对于所描述的实施例的实现所需要的一些常规部件，举例来说诸如被用于提供动力、用于包装以及用于装配及保护***光学器件的支持部件，没有在附图中被示出以简化对发明本身的描述。在附图以及下面的文本中，相同的部件用相同的参考编号标明，并且已经描述地与部件以及部件的布置或者相互作用有关的类似描述被省略。
在本公开内容的上下文中，术语“条纹图案照射”被用于描述被用于条纹投影成像或者“轮廓”成像的结构化的照射的类型。作为图案特征，条纹图案本身可以包括以给定的周期重复出现的多个线条、圆周、曲线或者分布在被照射的区域上并且具有预先确定的空间频率的的其它几何形状。
结构化的照射的图案中的光的线条或者其它特征的两个部分在它们的投影线条宽度在该线条的长度上是相同地在不大于+/-15％以内时，可以被认为是大体上“尺寸上一致”。如随后将更详细地描述的那样，结构化的照射的图案的尺寸一致性是需要的，以保持一致的空间频率。
在本公开内容的上下文中，“大体上一致的”光束在其场不显现视觉上可感知的强度变化。
工作流程
为了更充分地理解本发明所解决的问题，考虑本发明的设备和方法如何在用于设计、制作以及安装牙冠或者其它颜色匹配的牙齿假体的整个工作流程中起作用是有指导意义的。参考图1的工作流程图，该过程从图像捕获步骤S160开始，该图像捕获步骤S160得到用于确定已有的牙齿结构的恰当的形状和色调的图像。条纹投影图像被用于在形状构建步骤S164中生成3D形状信息。具有不同照射波长的单色图像或者彩色图像被用于提供在色调提取步骤S168中所需要的颜色信息。彩色3D图像生成步骤S170接着使用组合的色调以及形状数据来形成彩色图像。假体规定步骤S174则使用该信息以及其它信息用于规定牙冠或者其它牙齿假体的材料以及其它特征。原型构造步骤S178允许假体装置的可视化，举例来说诸如在彩色显示器上。随后是顾客核准步骤S180，其中牙科专业人员核准原型。一旦被核准，制作步骤S184开始进行，使用色调和形状数据以及根据其所生成的原型构造信息。随后是安装步骤S188，其中牙冠或者其它牙齿装置被装入病人并且做出任何必要的微小调整。最后，执行检查步骤S190。
对于图1所略述的工作流程，本发明本身主要与图像捕获步骤S160、形状构建步骤S164、色调提取步骤S168以及随后的彩色3D图像生成步骤S170有关。
一般而言，对于形状构建步骤S164从牙齿得到轮廓信息的问题需要运行与用于在色调提取步骤S168中得到彩色图像的要求相反的技术和方法。举例来说，因为轮廓成像使用灰度级输出，其用单色光源最好而不是多色源效果；举例来说，将窄波段用于结构化的光图案简化了条纹图案检测并且固有地减小了例如杂散的环境光的影响。特别地对于牙齿成像，已经发现对于牙齿的轮廓成像而言较短波长的光优于其它光，原因在于牙齿半透明性以及因其而来的散射，散射随波长变化。条纹投影成像和颜色色调成像之间的另外的差别涉及光强度的一致性，这对于每种类型都是有利的，如随后将更详细地描述的那样。
对于牙齿波长对光散射的影响在图2A的图以及图2B的对应的曲线图中被表示。图2A示出被引向牙齿的三个不同波长λ1、λ2以及λ3。以λ1的最短波长穿入牙齿最短距离。以λ2的第二长的波长穿入牙齿额外的距离。最后，以λ3的最长的波长穿入牙齿最远的距离。图2B的曲线图示出散射如何影响来自每个波长的在牙齿表面上的光的轨迹(footprint)。波长越长，轨迹越大，导致更大的测量误差。波长λ1可以是例如在350到500纳米范围中的近UV或者蓝色光。波长λ2可以是例如在500到700纳米范围中的绿色光。波长λ3可以是例如在700纳米或者更高的范围中的红色或者IR光。因此，由于在350-500纳米范围中的蓝色或者近UV光提供到牙齿表面中的最少的穿入，其证明是在一个实施例中对于条纹投影成像合适的光源，。
图3的示意图示出具有成像设备100的口内成像***42，该成像设备100具有用于为一个或者多个牙齿20形成表面轮廓以及颜色色调的图像的探测器120。主处理器134典型地是计算机工作站或者其它专用逻辑处理器，其收集并且处理来自成像设备100的数据并且典型地在显示器38上提供这个信息。手持探测器120可以容易地被放置在病人的口腔内，只有很少或者没有不适感。探测器120通过有线的或者无线的数据通信信道与主处理器134通信。
图4的逻辑流程图示出在一个实施例中被用于获取表面轮廓和颜色色调的组合图像的步骤。在放置步骤S200中，操作员将探测器120(图3)放置在病人的口腔中。形状成像步骤S210以及色调成像步骤S220接着迅速连续地被执行以得到可以彼此配准的颜色和轮廓信息。两种类型的图像的彼此配准可以使用熟悉成像领域的技术人员所熟知的多种技术中的任何一种并且可能包括例如在该两种类型的图像的每一种中被清楚地断定的或者容易地可标识的特征的检测。
仍然参考图4，可以任一次序来执行步骤S210和S220。在一个实施例中，色调成像步骤S220首先被执行并且其结果被用于调节紧跟在后的形状成像步骤S210的性能。这种特定类型的顺序的使用随后将更详细地被描述。在组合步骤S230中，来自先前步骤的色调和形状信息被组合使得可以在显示及存储步骤S240中得到、显示并且存储具有轮廓和颜色色调数据两者的单个图像。
图5的示意性框图示出成像设备100的实施例，其被配置用于得到条纹投影和颜色色调图像两者。照射场生成器112可激励用于形成对于条纹投影和彩色成像两者所需要的照射。对于条纹投影成像，照射场生成器112生成特征图案，该特征图案也可以具有可变的强度。对于彩色成像，照射场生成器112生成具有宽带频谱的大体上一致的场，或者可替换地，生成具有不同波长的两个或者更多个顺序的并且一致的场。照射场生成器112的内部部件及操作随后将更详细地被描述。
仍然参考图5，来自照射场生成器112的照射被引导通过偏振器14并且作为入射照射通过投影透镜16被引导到牙齿20。从牙齿20被反射和散射的光通过成像透镜22以及诸如分析器28的偏振选择元件，被提供给检测器30。检测器30沿检测路径88被布置，处于成像透镜22的像平面中。控制逻辑处理器34接受并且处理来自检测器30的图像数据并且将该图像数据传递到主处理器134(图3)并且可以使用该图像数据以控制其本身的操作，如随后将更详细地描述的那样。
条纹投影成像
成像设备100被用于在步骤S210(图4)中执行条纹投影成像，紧跟在彩色成像之前或者之后。控制逻辑处理器34(图5)将成像设备100的部件配置用于该功能并且在检测器30处得到来自牙齿的轮廓图像数据。在一个实施例中，被用于条纹投影成像的照射是蓝色光，在350-450纳米的范围中。
控制逻辑处理器34在条纹投影成像期间的一个功能是渐增地偏移条纹的位置并且触发检测器来捕获接着被用于计算关于牙齿表面的三维信息的图像。对于相位偏移条纹投影方法，典型地需要至少三个图像以便为计算对象的三维信息提供足够的信息。这三个投影图像的条纹的相对位置典型地被偏移三分之一条纹周期。控制逻辑处理器34可以是计算机、微处理器或者执行被编程的指令的其它专用逻辑处理设备。
图5的口内成像设备100将偏振光用于牙齿20的表面成像。偏振器14将来自照射场生成器112的条纹图案照射提供为线偏振光。在一个实施例中，分析器28的透射轴平行于偏振器14的透射轴。使用这种布置，只有具有与条纹图案相同的偏振的光被提供给检测器30。在另一个实施例中，在到检测器30的反射光的路径中，分析器28根据需要被致动器18旋转到两个方位中的任意一个：
(a)与偏振器14相同的偏振透射轴。在该“共偏振”位置，检测器30得到从牙齿20表面被反射的镜面(specular)光，和从牙齿的珐琅质表面的表面层被散射和反射的大部分光以及从牙齿的表面下的部分(sub-surface portion)散射回来的一些光。分析器28的轴的共偏振方位在图6A中被示出。平行偏振或者共偏振与其它配置相比提供改进的对比度。
(b)相对于偏振器14的正交偏振透射轴。使用正交偏振或者交叉偏振有助于减小来自牙齿表面的镜面成分并且得到更多来自牙齿的内部部分的散射光。分析器28的轴的交叉偏振方位在图6B中被示出。
当用成像***和传感器对牙齿进行成像时，供传感器可用的光可以是(i)从牙齿顶面反射的光；(ii)从牙齿的近表面块或者部分散射或者反射的光；以及(iii)在牙齿内部散射的光。在本公开内容的上下文中，牙齿的“近表面块”是位于距表面不大于数百微米以内的牙齿结构的部分。
已知的是从牙齿表面反射的光(i)，即镜面光，保持入射光的偏振状态。随着入射光进一步传播到牙齿中，光逐渐地被去偏振。
不利地，用于轮廓图案的某部分光(i)可能入射在牙齿表面的更高度反射的部分上，甚至引起削弱光检测的一定量的饱和。与使用来自牙齿的所有光的常规方法相比，本发明的方法使用镜面光(i)和近表面反射光(ii)两者的至少部分，并且避免在牙齿内部深处被散射的光(iii)。已经发现是近表面光(ii)，特别地对于蓝色光及更短的波长，仍然大体上是偏振的。因此，举例来说，从牙齿珐琅质的表面层被散射和反射的大部分光也具有与入射光以及与镜面光(i)相同的偏振状态。
图7A和图8A示出本发明的设备和方法为何使用来自恰好在牙齿表面以下的散射近表面光。图8A和8B示出使用平行偏振和交叉偏振之间的差别。当具有小尺寸的偏振光P0照射牙齿时，一些光P1以镜面形式从牙齿表面被反射并且具有与照射光P0相同的偏振状态。照射光P0的其它部分进入牙齿，经受散射并且去偏振。一些散射光P2离开接近照射区域的牙齿表面并且可以到达检测器30(图5)。
显著地，涉及诸如线条粗度的结构化的光的图案特征的尺寸的散射光P2的空间“轨迹”示出在反射光P1的对应的空间轨迹上的增加。举例来说，在结构化的光图案由给定粗度的光的平行线条构成的情况下，来自这些图案特征的反射光P1具有与被投影的图案大体上相同的粗度的线条。然而，散射光P2被检测为具有稍微增加的粗度的线条。就是说，由于光P2已经在牙齿内部被散射，在牙齿表面上的被投影的轨迹比镜面反射光的轨迹更宽，该镜面反射光与作为入射光被投影的照射光束大小相同。图7B的曲线图示出来自牙齿表面的光(P1)以及来自牙齿内部的光(P2)的轨迹之间的差别。为减小可能产生的测量误差，从牙齿内部检测到的光应当被最小化。发明人已经发现了偏振提供了有效的鉴别器用于将来自牙齿表面的镜面光(P1)与来自牙齿内部的散射光分开，同时仍然利用一部分散射光(P2)。
对于图5的实施例，一个或者多个空间光调制器可以被用作照射场发生器112的部件用于为偏振条纹投影成像提供所需要的偏移运动，如随后将更详细地描述的那样。条纹图案本身在成像期间被偏移到至少一个另外的可替代的位置，更优选地为被偏移到两个或者更多个可替代的位置。光图案的这种偏移可以由独立的致动器(未在图5中示出)引起，诸如压电的或者其它类型的致动器，该致动器为照射场生成器112的部件用于实现精确增量移动。可替换地，在照射场生成器112使用空间光调制器的情况下，这种偏移可以电子地被执行，而不用照射场生成器112内的部件的机械移动。另外，另一个致动器18可以被放置用于为偏振器14或者分析器28(诸如图5所示)提供90度旋转以得到共偏振和交叉偏振图像两者。在使用LCD空间光调制器时偏振也可以被旋转到各自正交的位置。
颜色色调成像
紧跟在条纹投影成像之前或者之后，成像设备100也得到彩色图像或者具有不同照射波长的多个单色图像以形成彩色图像，使用参考图5所描述的的相同的光路径部件。照射场生成器112形成大体上一致的照射场而不是轮廓特征的图案。光是多色的，由红色(从大约630到700纳米)、蓝色(从大约440到480纳米)以及绿色(从大约500到540纳米)光源形成。这种照射再次地被偏振器14偏振并且被投影到牙齿20上。从牙齿20返回的光被引导通过分析器28，该分析器28可以被放置在交叉偏振方位上，就是说，使其偏振透射轴与偏振器14的偏振透射轴正交，如参考图6B和8B所描述的那样。这种方位是有利的，因为其有助于减小可能引起检测器饱和的镜面光。可替换地，分析器28可以被放置在共偏振方位上，就是说，使其偏振透射轴平行于偏振器14的偏振透射轴，如参考图6A和8A所描述的那样。
如在图5的实施例中所示出的单个检测器30的使用是有利的，因为其低的部件数(low parts count)以及对于条纹投影和颜色色调成像两者使用相同的图像路径和部件。然而，在一些情况下这个实施例可能在一定程度上对环境光敏感。
图9的示意性框图示出口内成像设备140的实施例，其得到条纹投影和彩色图像两者并且得到两种偏振状态的光而不需要在图像捕获之间旋转偏振器14或者分析器28。不需要单独的分析器。偏振光束分离器36在检测路径88中起偏振选择元件的作用并且将反射光和散射光分开，将交叉偏振的光反射到检测器30b并且将共偏振光透射到检测器30a。因为其可以使用两种偏振状态的光，口内成像设备140可以为形状和色调测量两者得到更多信息。透射蓝光的滤光器90是可选的并且在环境光照没有另外地从检测路径88被阻挡时可能被需要。在一个实施例中，滤光器90可透射350-500纳米范围中的光。
本文中所描述的实施例中的检测器30、30a或者30b可以是多种类型的图像感测阵列的任一个，举例来说诸如CCD装置。偏振器和分析器可以是线栅(wire-grid)偏振器，或者其它偏振器类型。
照射场生成器112
图10示出照射场生成器112的实施例，该照射场生成器112用于形成被用于轮廓成像的条纹投影图案以及被用于颜色色调成像的一致的照射场两者。在图10的实施例中，光源80被用作条纹投影成像的光源。单色光源80可以是固态光源，诸如发光二极管(LED)或者激光器、或者可以是灯或者其它光源。350-400纳米范围中的蓝色或者近UV光被用于提供来自牙齿的近表面部分的可用的图像内容，如前所述。二向分色表面92将来自光源80的350-400纳米的光透射到透镜或者其它光元件82。多色光源78，在图10的实施例中被示出为包括光源81r、81g以及81b，为颜色色调成像提供了所需要的多色照射。在一个实施例中，光源81r、81g以及81b分别是红色、蓝色以及绿色LED，同时或者按顺序被激励用于得到彩色图像。可替换的颜色或者不同数量的彩色光源，诸如具有不同波段的固态光源，可以被用在其它实施例中。可替换地，诸如白光LED、灯、有机LED(OLED)的单个白色光源，或者一个或者多个激光器或者其它固态光发射器或者其它光源可以被用于提供来自光源78的多色照射。二向分色表面92将来自光源78的多色光反射向光元件82。
应当注意到光源80可以可替换地是宽带光源，具有提供在照射路径中或者沿检测路径88或者沿照射和检测路径两者的滤光器用于得到条纹投影图像。在可替换的实施例中，单个宽带光源被用于条纹投影和彩色成像两者，可移动的滤光器在条纹投影成像期间通过发动机或者其它致动器被放置就位并且在彩色成像期间被从照射路径上移除。
仍然参考图10，空间光调制器84被提供用于形成照射光束。在一个实施例中，空间光调制器84是数字微镜装置(digital micromirrordevice，DMD)，举例来说诸如来自德州达拉斯的德州仪器(TexasInstrument，Dallas TX)的数字光处理器(DLPTM)。可替换地，可以使用液晶装置(LCD)或者其它电子控制光调制器。对于条纹投影成像，空间光调制器84使用来自单色光源80的照射形成结构化的光的特征条纹投影图案。对于彩色成像，空间光调制器84形成光的大体上一致的场，该光接着被引向牙齿。
空间光调制器(SLM)提供了用于使照射光束成形以及形成轮廓条纹图案的多个优点。作为一个优点，SLM对光强度基于像素的控制允许对被投影的光束或者图案的非一致性的纠正。这种能力允许SLM补偿光源的非一致性，举例来说诸如由于老化所引起的。SLM可以针对轮廓成像或者色调成像动态地改变被投影的照射图案。举例来说，使用与被用于得到轮廓数据的图案相同或者不同的图案，形成用于色调测量的图案化的照射光束可能是有利的。SLM也可以被用于提供光的一个或多个线条或者一个或多个点光源，其对于半透明性测量可能是有利的。
自适应条纹投影成像
如在之前所给出的背景材料中所提到的那样，牙齿的显著轮廓包括相对于彼此陡峭地倾斜的表面，这使将足够的光引导到每个表面上的任务复杂化。结果，牙齿的一些表面可能不提供足够的3D信息。参考图11A-11C，相对于牙齿20的背面26表示该问题。来自成像设备10的图案化的光生成轮廓检测条纹图案44到牙齿20上，如图11B所示。条纹图案44对于在顶面46上得到3D图像内容是足够亮的，该顶面46如在区域52上所画出的那样；然而，对应于牙齿20的背面26并且被画出为较深的区域54的后表面区域非常模糊地被照亮。这最多仅允许对背面26的轮廓的粗估计。
为了补偿使用常规的条纹投影图案化技术的这种亮度不足，本发明的实施例选择性地增加在给定区域上的被投影的条纹图案照射的光强度。在图11C中，条纹图案50被示出为具有两个不同区域，由它们的相对光强度来区分。在条纹图案50中，第一强度56被提供用于诸如顶面46的对于轮廓成像更容易地可达到的表面的条纹投影成像。第二强度58，对于所示出的示例高于第一强度56并且在图11C中由较深的线条指示，被提供用于牙齿的后表面区域。应当观察到在该示例中作为图案特征的投影轮廓线条的实际图案特征间隔和粗度在该实施例中没有被改变。条纹图案50的相同的空间频率被维持。这意味着轮廓图案，即条纹图案50，在尺寸上保持一致，单个线条或者其它图案特征仅在强度上而不是在尺寸或者间隔(周期)上变化。只有在一个或者多个区域上的条纹图案照射的相对强度在需要的情况下被增加。举例来说，沿结构化的光条纹图案50内的任何一个线条可能有多个强度，诸如图11C所示的作为第一强度和第二强度56和58的两个。条纹图案内的线条粗度不改变；条纹图案的空间频率被维持。
保持条纹图案的尺寸一致性以及空间频率对于轮廓成像是有利的，因为其在整个图像场上提供了一致的分辨率。其它技术已经被建议用于改变图案尺寸本身，诸如加粗特定区域上的图案线条；然而，因为在使用这样的技术时条纹图案的空间频率改变，所得到的轮廓图像的结果的分辨率是非一致的。相对于图11C所给出的示例条纹图案50，观察到如果被指示为第二强度58的区域实际上使用更粗的线条，则结果的轮廓图像将在该区域上遭受减小的分辨率是有指导意义的。在该示例中通过将条纹图案50的线条保持为尺寸上一致并且仅增加光的强度来提供第二强度58，本发明的实施例提供增加的照射而在较暗的区域上没有分辨率的损失。
图11A-11C的示意图示出其中条纹图案50通过使用两个不同的强度56和58来补偿表面陡峭的简单情况。图12A和12B示出使用多于两个的光强度的其它可能的布置的示例。举例来说，在图12A中，用于条纹图案照射的光可以具有第一强度56、第二强度58或者第三强度66，在这个示例中该第三强度66被表示为最高强度。在图9B中，光可以分别具有第一、第二或者第三强度56、58或者66，或者如所示出的那样具有还要更高的第四强度68。光强度可以沿任何单个的图案特征变化，诸如沿被投影的条纹图案50中的单个线条。
除了增加牙齿表面相对于成型设备10的位置较暗的区域上的光强度，也有可能减小其中可能有高度镜面反射的区域上的光强度，否则该高度镜面反射将引起检测器的饱和。再次，必须强调的是改变的是被投影的光图案的一个或者多个部分上的光强度；线条粗度和间隔两者都与空间频率有关，它们对于不同的强度都保持相同。
返回参考图5或者9的框图，在被投影的图案上的光强度可以通过借助于响应于被编程的指令来自控制逻辑处理器34的命令以及借助于从控制逻辑处理器34提供给有关的控制部件的信号来控制照射场生成器112而被改变。然后，可以通过使用脉宽调制(PWM)增加DMD的可旋转镜的有效占空比来增加被投影的条纹图案50的任何部分上的强度，使得源照射在条纹图案的特定部分上被提供合适的时间量。对于LCD以及其它透射及发射空间光调制器照射强度调整的其它方法将适用，使用成像领域的技术人员所熟悉的光调制技术。
返回参考图5和9，以指令对控制逻辑处理器34进行编程，该指令根据成像条件自动地调整条纹图案50中的线条或者其它特征的局部强度。在一个实施例中，首先执行牙齿的彩色成像，并且分析该彩色图像以确定照射的哪些部分要增强。在另一个实施例中，捕获并且检查初始的条纹投影图像来确定要增加或者减小强度的区域以得到轮廓图像。接着，使用该信息捕获实际的轮廓图像。
图13的逻辑流程图示出在一个实施例中被用于自适应条纹投影成像的步骤的顺序。在初始步骤S60中，得到第一参考图像。参考图像可以是轮廓图像，通过将结构化的光投影到牙齿表面上来形成。可替换地，参考图像可以是从光的一致的场到牙齿表面的投影所得到的常规的二维图像。所得到的参考图像可以处于全分辨率；可替换地，因为该参考图像没有直接被用于成像而代替地被用于确定在每个表面区域上所返回的光的总量，所以该参考图像可以是处于较低的分辨率。
仍然参考图13，随后是分析步骤S64，其中来自被感测的参考图像的不是足够亮的区域被标识。对于牙齿成像应用，分析步骤S64可以利用关于牙齿结构的已知数据。举例来说，操作员可以用数字来标识牙齿或者提供被用在分析步骤S64中的其它信息。映射生成步骤S70接着被执行，其中更大或者更小强度的区域根据第一参考图像被定义。就图12A和12B而言，步骤S70接着建立(set up)可变强度的条纹图案50。图像获取步骤S74接着将所生成的条纹图案50用于得到具有增加的亮度的轮廓图像，如参考图11A-11C所描述的那样。图像获取步骤S74之后可以是可选的循环步骤S76，其重复映射生成步骤S70的分析以生成第二或者其它额外的映射使得被投影的结构化的照射图案可以通过强度的适当的变化被偏移一次或者多次。这种偏移被进行以使用条纹图案投影技术得到牙齿轮廓的更精确的评估。使用在成像领域中众所周知的技术组合单独地被得到的轮廓图像以得到表面结构信息。在一个实施例中，图像获取步骤S74也包括激励致动器18(图5)以使用共偏振(如图6A所示)以及交叉偏振(图6B)两者得到图像。
应当注意到在可替换的实施例中，轮廓条纹图案线条的粗度或者其它图案元素的相对大小可以被改变以在牙齿的部分上提供额外的光或者减少光。然而，轮廓成像数据将以减小的分辨率并且形状(shape)计算处理更复杂。
本发明的实施例通过利用光的性质以及空间光调制器的能力来为牙齿提供彩色成像以及改进的轮廓成像，其中该光的性质以及空间光调制器用于形成自适应条纹投影图案。空间光调制器的使用使得可变强度的条纹图案以及用于彩色成像的一致的照射场得以形成。单独的条纹投影以及彩色图像可以迅速连续地被拍摄，使关于配准形状和色调内容的问题最小化以提供牙齿或者其它结构的精确的彩色3D图像。本发明的设备和方法通过将短波长的光用于条纹投影成像并且通过将偏振光的原理用于条纹投影和彩色成像两者来补偿与牙齿的半透明性相关的问题。
如之前相对于图1所描述的那样，使用本发明的设备和方法得到图像数据可以被用于改进牙冠以及其它牙齿假体的制作的精确度和及时性。这可以有助于减小或者消除在一些情况下用于得到印模(impression)的需要，减小牙齿护理的整体花费。因此，使用该方法和设备所执行的成像可以有助于实现高级装配假体装置(superior fittingprosthetic device)，由牙医很少调整或者不用调整地来进行安装。从另一方面来看，本发明的设备和方法可以被用于对牙齿、支持结构以及咬合情况(bite condition)的长期跟踪，有助于诊断和预防更严重的健康问题。整体而言，使用该***所生成的数据可以被用于帮助改进病人和牙医之间以及牙医、工作人员以及实验室设施之间的沟通。
有利地，本发明的设备和方法提供口内成像***用于牙齿及其它牙齿特征的3D成像而不需要针对牙齿表面使用特殊的粉末或者涂敷一些其它临时涂层。该***提供高分辨率，在一个实施例中在25-50微米的范围中。
已经具体地参考当前优选的实施例详细地描述了本发明，但是将被理解的是变化和改动可以在本发明的精神和范围内得以实现。举例来说，任何多种不同类型的空间光调制器可以被用作照射场发生器的一部分。在各个示意图中被示为单个部件的透镜16和22可以是具有一个或者多个折射或者反射元件的更复杂的布置。
部件列表
  10   成像设备
  14   偏振器
  16   透镜
  18   致动器
  20   牙齿
  22   透镜
  26   背面
  28   分析器
  30，30a，30b   检测器
  34   控制逻辑处理器
  36   偏振光束分离器
  38   显示器
  42   口内成像***
  44   图案
  46   顶面
  50   条纹图案
  52，54   区域
  56   第一强度
  58   第二强度
  S60   初始步骤
  S64   分析步骤
  66   第三强度
  68   第四强度
  S70   映射生成步骤
  S74   图像获取步骤
  S76   循环步骤
  78，80   光源
  81r，81g，81b   光源
  82   光元件
  84   空间光调制器
  88   检测路径
  90   滤光器
  92   二向分色表面
  100   成像设备
  112   照射场生成器
  120   探测器
  134   主处理器
  140   成像设备
  S160   图像捕获步骤
  S164   形状构造步骤
  S168   色调提取步骤
  S170   彩色3D图像生成步骤
  S174   假体规定步骤
  S178   原型构造步骤
  S180   核准步骤
  S184   制作步骤
  S188   安装步骤
  S190   检查步骤
  S200   放置步骤
  S210   形状成像步骤
  S220   色调成像步骤
  S230   组合步骤
  S240   显示及存储步骤
  B   盒体
  P0，P1，P2   偏振光
  λ1，λ2，λ3   波长

Claims (10)

1.一种口内成像设备，其包括：
照射场生成器，其包括可致动地形成照射光束的空间光调制器，在所述空间光调制器接收来自第一光源的入射光时所述照射光束具有轮廓条纹投影图案以及在所述空间光调制器接收来自第二光源的入射光时所述照射光束具有大体上一致的照射场；
偏振器，其在从所述照射场生成器所发射的照射光束的路径并且具有第一偏振透射轴；
投影透镜，其被布置为将经偏振的照射光束作为入射照射引向牙齿表面；
成像透镜，其被布置为沿检测路径引导至少一部分从所述入射照射在所述牙齿表面处被反射和散射的光；
偏振选择元件，其被沿所述检测路径布置并且具有第二偏振透射轴；
至少一个检测器，其被沿所述检测路径布置用于从通过所述偏振选择元件所提供的光得到图像数据；以及
控制逻辑处理器，其响应被编程的指令以按顺序交替地激励所述第一光源和所述第二光源并且从所述至少一个检测器得到轮廓条纹投影数据以及彩色图像数据两者。
2.如权利要求1所述的成像设备，其还包括致动器，所述致动器被耦合到所述偏振器或者所述偏振选择元件并且可激励地用于将耦合的偏振器或者偏振选择元件旋转到两个各自正交的位置中的一个。
3.如权利要求1所述的成像设备，其中所述偏振选择元件是偏振光束分离器并且其中所述至少一个检测器包括被布置为接收被透射通过所述偏振光束分离器的光的第一检测器以及还包括被布置为接收从所述偏振光束分离器反射的光的第二检测器。
4.如权利要求1所述的成像设备，其中所述空间光调制器取自从由数字微镜装置和液晶装置构成的组。
5.如权利要求1所述的成像设备，其中所述第一光源和所述第二光源中的至少一个包括发光二极管。
6.如权利要求1所述的成像设备，其中所述第二光源包括多个固态光源。
7.如权利要求1所述的成像设备，其还包括滤光器，所述滤光器被沿所述检测路径布置并且可透射350-500纳米范围中的光。
8.一种用于口内成像的方法，其包括：
形成照射光束，在从第一光源发射光时所述照射光束具有轮廓条纹投影图案并且在从第二光源发射光时所述照射光束具有一致的照射场；
沿第一偏振透射轴使所述照射光束偏振；
将经偏振的照射光束作为入射照射引向牙齿表面；
沿检测路径引导至少一部分从所述入射照射在所述牙齿表面处被反射和散射的光；
沿具有第二偏振透射轴的检测路径布置偏振选择元件；以及
按顺序交替地激励所述第一光源和所述第二光源并且从通过所述偏振选择元件所提供的光得到轮廓条纹投影图像数据以及彩色图像数据两者。
9.如权利要求8所述的方法，其中形成具有所述轮廓条纹投影图案的照射光束还包括增加对应于所述牙齿表面的所述条纹投影图案中的一个或者多个部分的强度。
10.如权利要求8所述的方法，其中从所述第二光源发射光包括连续地从两个或者更多个固态光源中的每一个固体光源发射光，其中所述固态光源发射不同波段的光。
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