CN109475394B - 三维扫描仪及利用上述三维扫描仪的人工制品加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种三维扫描仪，包括：图案生成装置，向被摄物体照射光图案；及影像拍摄装置，接收照射上述光图案的上述被摄物体的全方位影像。

Description

三维扫描仪及利用上述三维扫描仪的人工制品加工装置
技术领域
本发明涉及由三维扫描仪和数据变换装置、加工装置/三维打印装置等构成的人工制品加工***，尤其涉及可获得口腔的三维模型的扫描仪和数据变换装置及加工人工制品的加工装置/三维打印装置。
背景技术
利用激光的非接触式三维扫描仪的应用范围很广。应用范围广泛到工程、电影、动画、工业设计、医疗、美术品、装饰品、文物复制及复原、娱乐等几乎没有不被涉及的领域。
尤其在工业方面，在为缩短产品制造时间进行很多投资和研究方面，从产品的开发到量产的多个步骤中，三维扫描仪用于节省费用。能将现实中存在的物品以三维数字数据进行处理有很多的优点。无需每次都在危险的现场进行作业，随时可在电脑中重新打开需要的信息，而准确的实物的三维尺寸及形状信息，可通过模拟及复制的过程能更准确地预测未来。
另外，三维扫描仪在医疗领域用于制作符合患者的情况的定制型器具，以制作矫正器具、牙齿等。对传统的利用石膏的模型制作方法通过三维扫描仪实现数字化。利用经过扫描的三维数据，通过专用软件设计矫正器具、假体、人工器官、人工牙等，并通过CAM软件进行加工。尤其在牙科方面，传统的牙齿矫正及修复作业，在取得作为治疗对象患者牙齿的阴型形状的压痕之后，进行作为修复作业用模具的阳型形状的石膏铸造作业。另外，根据医生的诊断对个别患者的定制型人工牙及种植义齿进行建模及生产的整个过程以手工作业完成。尤其是，人工牙及种植义齿加工作业经过涂布材料沉积、基于模具的铸造成型等各种复杂的生产工艺。上述整个加工过程全部依赖技师的熟练度及心理决定。在人工牙及种植义齿的设计及生产过程中，为提高精密性、适合性借用产业界的生产工艺技术的努力，早在27年前由瑞士的NOBELBIO-CARE及CEREC小组已经开始。但即使采用这样的技术，牙齿形状的自由曲面设计还是很不容易。另外，因CAM/CNC/RP等加工生产材料的限制，人工牙冠生产及成型遇到困难。为克服上述难关，通过不断的技术开发及临窗实验持续进行技术挑战。近来随着数字技术和人工假体材料技术的快速发展，牙科、牙技工技术和CAD/CAM技术的相遇，超越试验技术的范畴变成融合进化的现实技术。目前，各种解决方案和牙科专用扫描仪在市面上展开激烈的竞争。
另一方面，三维扫描仪大致可分为激光方式和摄像头方式，激光方式能通过点投影、光束投影测量方式扫描事物，而摄像头方式能通过投影、区域测量方式扫描事物。
上述三维扫描仪因具有能够高速测量事物，能够精确测量富有弹性的产品，可与各种用途的CAD联动作业，准确再现形状等优点而受到人们的青睐。但是，三维扫描仪在测量精度方面，较之接触式或三维坐标测量仪(Coordinate Measuring Machine)存在很大的差异，因测量区域间重叠的形状需要数据后处理，在结合多个区域获得整体影像时出现大的误差，处理速度迟延。
另外，利用三维扫描仪的事物测量方法中最普遍的方式是从各种角度拍摄事物之后，将各扫描的匹配点以软件方式只用鼠标点击，以此合并(Merge)多个扫描影像。上述方式因根据使用者的熟练度产生合并的影像间的差异，在获得精密的三维影像方面存在局限，而且，合并作业耗费不少的时间。
根据旨在提高三维扫描仪的三维影像处理速的很多研究开发的结果，近来三维影像处理速度缩短至数分钟之内，但如在医疗行为中需要快速给患者反馈诊断结果的情况等需要厚的快速结果的情况下，当前水平的三维影像获得时间未达到满意的水平。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于提供一种可如实、无失真地拍摄每个患者特有的生理学口腔结构物(齿列形状和角度及牙齿的位置和大小等)生成三维模型的三维扫描仪及利用上述三维扫描仪的人工制品加工***。
本发明的另一目的在于，提供一种可解决在现有技术中生成被摄物体的三维影像时，在按不同区域连续拍摄被摄物体并拼接(stitching)其生成三维模型时产生的不同区域三维模型对齐误差和数据处理时间迟延问题等的三维扫描仪及利用上述三维扫描仪的人工制品加工***。
解决问题的方法
本发明的三维扫描仪，包括：影像拍摄装置，包括根据不同的折射率具有特定的视角，具有至少一个以上的折射面和至少一个以上的反射涂布面，接收上述全方位影像的第一透镜；及图案生成装置，向被摄物体照射光图案；而上述影像拍摄装置接收照射上述光图案的上述被摄物体的全方位影像。另外，本发明实施例的三维扫描仪的第一透镜可为全方位透镜、镜子型透镜及鱼眼透镜中的任意一种非球面透镜。
另一方面，本发明的三维扫描仪的上述影像拍摄装置，还可包括：镜子部，变更来自上述第一透镜的光的路径；及图像传感器，感测来自上述镜子部的光。
另一方面，本发明的三维扫描仪可获取用于生成上述被摄物体的二维影像和三维模型的数据。在此，可通过同步影像拍摄装置和图案生成装置提取二维影像的深度信息，由此生成三维模型。
另一方面，本发明的三维扫描仪可利用第二透镜全方位照射各种光图案。第二透镜可由全方位透镜、镜子型透镜及鱼眼透镜中的任意一种构成。在本发明的三维扫描仪中，上述图案生成装置可由通过调节光源和光源的照射时间生成各种图案的光源调制器和照射所生成的各种图案的微镜构成。光源可由单个的发光二极管或激光构成，或由各种颜色的多个上述元件构成以生成彩色图案。微镜可由MEMS镜、数字微镜器件(DMD，digitalmirror device)等构成。
另一方面，上述图案生成装置，还可包括可将来自上述光源的点光变换为线光的柱面透镜(cylindrical lens)或可变换为各种格子形状的特殊透镜和用于调节以微镜大小生成的图案的大小的准直透镜(collimator lens)。
另一方面，本发明的三维扫描仪包括可设置于由通过有线及/或无线通信显示拍摄被摄物体的二维影像、按不同区域分割的二维影像或所生成的三维模型数据的显示装置、便携式显示装置及三维扫描仪的预览显示装置。本发明的被摄物体可以是具有一般结构物、对象体、动植物、人体、口腔等形状的对象体，尤其是指口腔内的牙齿及口腔结构。
另一方面，本发明的数据变化装置利用从上述三位扫描仪接收的二维影像数据和深度信息生成三维模型。可从所生成的三维模型设计假体、种植体、矫正器或外科导板，并将其变换为加工装置或三维打印机用CAM(Computer Aided Manufacturing)数据。
另一方面，本发明的加工装置可利用从上述数据变换装置接收的CAM数据，加工人工牙、桥、种植体、外科导板(Surgical guide)、矫正器、义齿(Denture)中的至少一种。另外，三维打印机可利用从上述数据变换装置接收的CAM数据，输出人工牙、人工牙龈、由颚连接的多个牙齿、种植体、外科导板、矫正器、义齿中的至少一种。
发明效果
实施例的三维扫描仪减少现有技术的口腔三维扫描仪因影像的结合出现的误差和精度及分辨率的降低，从而可生成高品质及精度高的优秀的三维模型。
另外，实施例无需涂布用于防止光反射的粉末即可快速拍摄生成三维模型。
另外，实施例因可缩短拍摄时间，从而可大幅缩短桥(Bridge)到义齿(denture)、校正、种植体等的诊断和手术计划及手术时间。
另外，实施例通过减少对拍摄物体的拍摄次数，快捷的扫描速度及利用旋转角信息的三维模型修改作业，不向作业者要求精密的扫描作业，从而可提高作业者的作业效率，可解决因手的抖动等人为振动或机械振动导致的多个拍摄影像之间的偏差降低三维影像的精度的问题。
另外，实施例通过减少诊疗及诊断时间，可大幅提高作为医疗服务的被拍摄对象的患者和手术者的满意度。
附图说明
图1为本发明的实施例的三维扫描仪和显示接收自三维扫描仪的影像的显示装置示意图。
图2为本发明实施例的第一透镜截面图。
图3及图4为本发明另一实施例的第一透镜截面图。
图5为用于说明三维扫描仪和数据变化装置的影像处理关系的各装置的结构图。
图6为三维扫描仪和数据变换装置的影像处理的流程图。
图7为可适用于本发明的三维扫描仪的图案生成部的结构例示意图。
图8及图9为用于说明从微镜反射的线图案照射至被摄物体的形状的示意图。
图10为用于说明通过将微镜旋转90度改变线图案的方向的示意图。
图11为图7中的图案生成部的另一结构例的示意图。
图12为本发明的另一实施例的三维扫描仪概略图。
图13为影像拍摄装置的第一透镜和图案生成装置的第二透镜的位置关系概略图。
图14为线光图案的生成示例图。
图15为本发明的另一实施例的具备投影仪部的三维扫描仪概略图。
图16为利用本发明实施例的三维扫描仪的人工制品加工***的框图。
图17为关于下颚牙弓的示意图。
图18为表示下颚牙弓的角的示意图。
图19为利用三维扫描仪拍摄的上颚的影像示意图。
图20为利用三维扫描仪拍摄的下颚的影像示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明实施例的三维扫描仪及利用上述三维扫描仪的人工制品加工装置进行详细说明。下面介绍的实施例帮助本领域技术人员充分理解本发明。但是，本发明不受在此进行说明的实施例的限制，可以其他方式实现。另外，为了便于说明附图中的装置的大小及厚度等有可能夸张表示。在说明书中，相同附图标记的表示相同的结构。
本发明的优点及特征和事先方法，将结合附图和将要详细描述的实施例变得明了。但是，本发明不受下述实施例的限制而可通过各种形式实现，本实施例的目的旨在更好地说明本发明，为本发明所属技术领域的技术人员理解提供帮助，而本发明只受权利要求书的限制。在本说明书中，相同的附图标记指相同的要素。在附图中，为了便于说明附图中的层及区域的大小及相对的大小有可能夸张表示。
用于本说明书的术语用于说明实施例，而非限制本发明。在本说明书中，在没有特别说明的情况下，单数也可以指复数。用于说明书的“包括(comprises)”及/或“包括(comprising)”不排除所涉及的结构、步骤、动作及/或元件中包括或添加一个以上的其他结构、步骤、动作及/或元件。
<三维扫描仪和显示装置>
图1为本发明的实施例的三维扫描仪和显示接收自三维扫描仪的影像的显示装置示意图。
如图1所示，本发明实施例的三维扫描仪10可具备全方位透镜部。全方位透镜部可获得360度全方位影像。全方位透镜部可具备可根据折射率在与全方位拍摄面垂直的方向具备特定视角的全方位透镜。全方位透镜可以是镜子型透镜、鱼眼透镜或非球面透镜中的一种，但非限制，可以是获得360度全方位影像的透镜，具体而言，可以是只通过一次的拍摄即可获得对存在于下颚S1或上颚S2的牙齿的结构的影像信息的透明。
三维扫描仪10可由镜筒部11、握持部12及连接两者的连接部13构成。连接部13与镜筒部以一体型或结合型构成，可在握持部12上旋转镜筒部11。
镜筒部11中可内置包含全方位透镜的影像拍摄装置(图12的610)和图案生成装置(图12的620)的全部或一部分。
握持部12可由负责与外部设备进行通信的有线或无线通信模块、处理来自影像拍摄装置的影像信号的影像处理部320、控制微镜的驱动器、用于生成图案的光源及光源调制器512、保存处理前/后的影像数据的存储器、旋转角信息检测部、控制镜筒部的照明的照明控制部及控制上述构成要素的控制部等电子装置构成。
握持部12的结构可以是具有把手的枪型(Gun type)、Power grip型/清洁刷(Grooming brush type)的把手型(Handle type)、笔型(Pen type)等形状，只要具有能够使使用者握住握持部12的大小和形状，可采用任意形状。
连接部13可通过由马达等致动器构成的镜筒驱动部14以特性转角自动旋转或手动旋转。镜筒驱动部14可通过外部电源或内部电池驱动。
当拍摄被摄物体时，镜筒部11的至少一个区域可接近被摄物体。当被摄物体为口腔时，镜筒部11的至少一个区域可***口腔。
另外，随着三维扫描仪10的镜筒部11的旋转，当镜筒部11的部分区域***作为被摄物体S的一例的口腔时，可拍摄口腔的全部区域。不管光接收区域15朝向是哪个方向，可同时拍摄上颚及下颚并生成三维模型。具体而言，当***口腔的三维扫描仪10的光接收区域15与上颚及下颚中的一个相对时，拍摄上颚及下颚中的一个并拍摄至少一个牙齿和齿列、牙龈及位于口腔的上颚及下颚区域的各种口腔结构生成三维模型。此时，即使光接收区域15与上颚及下颚中的一个相对，与全方位拍摄面垂直方向的光接收区域15的视角，可通过全方位透镜根据设定同时拍摄上颚和下颚中的另一个并生成三维模型。
本发明的综合控制装置20控制三维扫描仪10和数据变换装置30间的各种功能，由三维扫描仪的电源供应部及负责双方间的通信的有线/无线通信模块构成。综合控制装置20的有线/无线通信模块可由Wibro、Wi-Fi等无线通信方式、USB、Serial等有线通信方式、Bluetooth、RFID等近距离通信方式等商业化的现有装置构成。因此，综合控制装置20可负责将经三维扫描仪拍摄的二维影像及/或被摄物体上照射光图案的影像(深度信息)信息传送至数据变换装置30的功能。
数据变换装置30用全方位透镜的曲率值修改根据三维扫描仪的全方位透镜(图12的110a)的曲率失真的影像，以变换为平面影像。另外，为监视被摄物体的影像，平面影像可传送至显示装置(图5的31)及/或预览显示装置16。
本发明的数据变换装置的显示装置可利用LCD(liquid crystal displaydevice)、FED(field emission display device)、可输入/输出的Touch screen等商业化了的现有技术的显示装置。
三维扫描仪10不受被摄物体种类的影响，可无失真地提取二维监视及深度信息，在牙科领域可提供生成能够检测包括上颚或下颚整体的龋齿、牙渍、牙石等缺陷的齿列结构、牙齿形状及大小、要吃位置等信息的二维影像及三维影像的深度信息。另外，不是个别拍摄牙齿，而是能够获得齿列全部的影像，因此可从整个影像中提取个别牙齿信息进行显示。
作为现有技术的口腔3D扫描仪扫描各牙齿之后拼接(stitching)生成全颚的方式，在从各牙齿生成全颚时，在merge/registration方面产生很大的误差。因此，现有技术难以将最终生成的假体应用于患者。
因此，本发明的三维扫描仪可克服现有技术的问题及局限，提供高精度/高分辨率的二维影像及三维模型。
<全方位透镜>
图2为本发明的接收全方位影像的第一透镜截面图，而图3及图4为本发明另一实施例的第一透镜截面图。
第一透镜110a可包括多个折射面和多个反射涂布面，但非限制。
第一透镜110a的结构由将被摄物体的影像折射成所希望的视角的外侧折射部111c、具备反射来自外侧折射部111c的被摄物体影像的内侧反射涂布层117的内侧折射部116、具备反射内侧折射部116反射的影像的外侧反射涂布层114的水平部111、使从水平部113反射的被摄物体的影像通过的内侧凹陷部115。在此，外侧折射部111c可具备折射角和失真度以具备视角范围，而外侧折射部111c的曲率可以第一透镜110a的虚拟中央轴CL为准小于内侧折射部116的曲率。另外，为将全方位影像有效传递至图像传感器，内侧凹陷部115可形成于内侧折射部116的中央区域。
第一透镜110a的反射涂布层114可被反射板代替，而在第一透镜110a的外侧折射部111c可替代外侧反射涂布层114设置反射板。
另外，第一透镜110a自身以不是非球面的球面形成，从而提高加工的容易性，节省制造成本。另外，在解决因外侧折射部111c和内侧凹陷部115及内侧折射部116以曲面形成，从而难以加工成非球面的问题的同时，实现全方位拍摄。
另外，作为一例，视角可以是透镜的外面的至少一部分区域，具体而言，从形成反射涂布层114的区域和除该区域的区域之间的边界到边缘末端为止的区域。
如图3及图4所示，第一透镜110a在一面形成突起的第一入射面111d，在另一面形成第一出射面111e，可包括在第一入射面1111d中央形成第一反射面111f的第一子透镜111x，及在一面形成第二入射面111g，在另一面形成突起的第二反射面111h，且在第二反射面111h中央形成第二出射面111i的第二子透镜111y，但非限制。
第一出射面111e和第二入射面111g的接合面形成为相对但不平整的形式之后，相互贴紧接合。
通过第一入射面111d入射的被摄物体影像，经第一出射面111e及第二入射面111g的接合面在第二反射面111h反射，而在第二反射面111h反射的被摄物体影像，经第一出射面111e及第二入射面111g的接合面在第一反射面111f反射之后，经第一出射面111e及第二入射面111g的接合面通过第二出射面111i出射。
外部的光源入射的第一子透镜111x及与第一子透镜111x接合的第二子透镜111y是利用光源的反射和折射的反射折射式透镜，可通过上述两个透镜获得360度全方位影像。
第一反射面111f及第二反射面111h可以平整的形状、突起的形状或凹陷的形状等各种形状形成，可被可反射光源(被摄物体的影像)的铝、银等物质涂布。
可通过使第二子透镜111y的直径小于第二子透镜111x的直径且使第一入射面111d突起，使从外部入射的光源(被摄物体的影像)按一定角度折射聚集。
虽然在图2至图4中说明了示例性的第一透镜110a，但非限制。
第一透镜110a的外面及内面各区域的折射角及失真度，可综合考虑人颚拱的平均测量值、上下颚拱及牙齿大小测量值、儿童犬齿及小臼齿的宽度值决定。
<三维扫描仪和数据变换装置>
图5为用于说明本发明实施例的三维扫描仪的详细构成和数据变化装置的示意图，而图6为三维扫描仪和数据变换装置的影像处理的流程图。
如图5所示，三维扫描仪10可包括全方位透镜部100和可从全方位透镜部100感测被摄物体的影像的图像传感器18。
全方位透镜部100可包括可检测全方位及特性视角的影像的全方位透镜。为修改全方位透镜的曲率导致的失真影像，图像传感器18需要高分辨率的性能，可由RGB、RGB-IR、IR、TOF(time of flight)、COMS、STACK等构成。
三维扫描仪10可为变换光路径包含镜子部10，可由经特殊涂布的平面镜、棱镜等构成。在此，特殊涂布是指用于消除雾气、湿气、异物污染等问题的普通的涂布。
三维扫描仪10为将影像从全方位透镜部100有效传递至图像传感器18，可在两个材料之间包括具备至少一个以上的透镜的透镜阵列部200。
三维扫描仪10还可包括影像处理部320、通信部(未图示)、控制部310。
影像处理部320可由ADC(analog to digital convertor)、放大器(amplifier)和图像处理器等元件构成，以对图像传感器18输出的影像信号进行信号处理，而图像传感器的输出可以是模拟或数字信号。影像处理部320在图5中可具备于数据变化装置30内或单独具备，但非限制。另外，影像处理部320将生成的二维影像信息和深度信息通过通信部传送至数据变换装置30，而数据变换装置30可利用二维影像信息和深度信息生成三维模型。
通信部可由将在三维扫描仪10取得的影像和信息传送至显示装置31及/或数据变换装置30的有线/无线通信模块构成。显示装置31如图5的实施例所示可独立具备或具备于数据变换装置30内，但非限制。
另外，三维扫描仪10还可包括可由陀螺仪传感器331或加速度传感器332等能够提供位置信息的传感器构成的旋转角信息检测部330。
旋转角信息检测部330在三维的基准坐标上检测从三维扫描仪10取得的影像的位置、倾斜度及旋转角等信息，提供有效生成三维模型的信息。
控制部310观察并控制三维扫描仪10运行所需的各种功能，其一例为可控制图像传感器18和影像处理部320、图案生成装置17、照射被摄物体的光源(未图示)、可与数据变换装置等进行有线/无线通信的通信部(未图示)及旋转角信息检测部330等的驱动及相互之间的联动。
本发明的数据变换装置30可以是安装有CAD、CAM或CAD/CAM程序中的一个的计算装置。因此，数据变换装置30可利用三维扫描仪10提供的影像及深度信息生成、设计被摄物体的三维模型，并将其变换为CAM数据。上述信息是指旋转角信息检测部330的位置、倾斜度、旋转角等信息。
具体而言，在利用三维扫描仪10多次拍摄被摄物体时，若各拍摄时间的三维扫描仪10的位置不同，则多个三维影像数据的各坐标信息将不一致。因此，较佳地，需要以基准坐标为准统一多个二维影像数据的各坐标信息。
作为统一多个二维影像数据的各坐标信息的示例性的方法，预先安装于数据变换装置30的软件基于旋转角信息检测部330的信息，旋转及移动二维数据的位置进行对齐。因此，由于数据变换装置30利用基准坐标系的原点信息和旋转角信息，从二维影像数据生成三维数据，因快速的位置对齐和计算量的减少，可提高整体数据处理速度。另外，数据变换装置30可生成消除三维扫描仪10的使用者拍摄时因手的抖动等因素产生的晃动的三维数据，从而可大幅提高影像的质量。
图6为表示二维监视影像及三维模型生成过程的流程图。上述流程图由利用三维扫描仪拍摄被摄物体的步骤；从拍摄的影像创建二维监视影像的步骤；所拍摄的二维影像的晃动检测及修改步骤；从所拍摄的影像提取深度信息、位置及旋转角信息的步骤；从所拍摄的二维影像、深度、位置及旋转角信息生成经过位置对齐的三维数据的步骤；从经过位置对齐的三维数据生成被摄物体的最终三维模型的步骤构成。但是，三维模型的生成不限于上述流程图的顺序。
<具备图案生成部的三维扫描仪>
图7为可适用于本发明的三维扫描仪的图案生成部的结构例示意图。另外，图8及图9为用于说明从微镜反射的线光在被摄物体上形成的图案的示意图。另外，图10为用于说明通过将微镜旋转90度改变线光的方向的示意图。
如图5及图7至图10所示，本发明实施例的三维扫描仪10还可包括图案生成部500。
图案生成部500可包括光生成部510、透镜部520、微镜部530。
光生成部510可由光源调制器512或驱动器和光源511构成。上述光源511可以是具有可见光线或红外线灯频带的发光二极管、激光二极管(laserdiode)等各种光源中的任意一种。例如，可由可照射激光的红色(red)、绿色(green)及蓝色(blue)光源元件的组合或单独构成。因此，能够生成和输出光的任意光源都可适用于本发明的三维扫描仪10。
光源调制器512可利用二进制信号即脉冲调制信号控制光源511的驱动与否及驱动时间，但非限制。其一例为，光源调制器512在脉冲调制信号维持高电平(High level)期间使光源511接通(on)，而在脉冲信号维持低电平(Lowlevel)期间使光源511断开(off)。
透镜部520可包括如柱面透镜等可输出线光的纵轴和横轴的半径不同的透镜521或准直透镜522等。柱面透镜521可以为半圆柱体(Semi-Cylinder)形状，接收光的入射面为非曲面，而出射所接收的光的出射面为曲面。
准直透镜522可将线光的长度调节成符合微镜531的大小之后照射至微镜531。即准直透镜522匹配微镜531的大小，将所接收的光聚焦(Focusing)照射至微镜531。
作为本发明的另一实施例，来自光生成部510的光可直接照射至微镜531，可向被摄物体照射图案。
此时，为实质性地反射从微镜531输出的光，根据从光生成部510的光路径的角度及光生成部510和微镜531的距离的比例，微镜531的比较尺寸可变大。
另外，透镜部520不限于上述结构，而可以本领域技术人员能够创作的各种形式构成。
微镜部530反射从透镜部520输出的线光向被摄物体S照射图案光，并可包括微镜531和控制微镜531的驱动的镜子控制部532。但不限于此，镜子控制部532可独立于微镜部530单独构成或与控制部310一同构成。
微镜部530可同时或相互独立地控制横轴及/或纵轴方向的旋转轴，以调节微镜531的上下左右旋转运动。
微镜531可通过MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技术制作，但非限制。
通过从光生成部510的光路径上的准直透镜522的光聚集在微镜531的表面被反射，并根据微镜531的旋转角度变换为光图案照射至被摄物体S。
具体而言，微镜控制部532可以微镜531的纵轴及/或横轴支撑杆为中心确定旋转角。在所确定的纵轴及/或横轴支撑杆的旋转角范围内，每秒上下左右各旋转N或M次时，可向被摄物体S照射2N个的线/2M个的帧率。
在本发明的三维扫描仪的图案生成部500受光源调制器512控制的光源输出点光(point light)，而入射的点光经透镜部520的柱面透镜521变换为线光(line light)输出。此时生成的线光的厚度，其一例为可根据光源调制器512的脉冲调制信号的高电平维持期间变化。从柱面透镜521输出的线光，经透镜部520的准直透镜522变化为微镜530的镜子大小。因此，图案生成部500可通过调节各种厚度的线光和线光之间的间距，向被摄物体照射各种形状的图案。
另外，虽然上述透镜部520以包括柱面透镜521及准直透镜522为例进行了说明，但非限制。即透镜部520可由可将点光变换为线光照射至微镜部530的至少一个透镜构成。
图像传感器18可接收依次照射至被摄物体S的图案影像。
另外，图案照射至被摄物体S的时间和图像传感器18的图案影像接收时间可相互同步，而上述同步可由控制部310完成。
此时，从图案生成部500生成并照射至被摄物体S的图案，有可能因被摄物体S表面的凹凸失真，而从图像传感器18接收包含图案的失真信息的图案影像的数据变换装置30，可利用图案的是真信息生成被摄物体S的准确的三维模型。
另外，数据变换装置30或三维扫描仪10可具备存储器，当依次的图案照射至被摄物体S，影像处理部320将图案影像依次接收并保存于存储器。另外，影像处理部320基于保存在存储器的影响信息提取对三维坐标的数据，利用所提取的三维坐标数据构成线框并形成三维模型。但不限于此，保存于存储器的影像信息传递至外部装置，并通过外部装置形成被摄物体S的三维模型。
图11为图7中的图案生成部的另一结构例的示意图。
如图11所示，图案生成部500的透镜部520接收从光生成部510输出的光并可利用结构光(structured illumination)图案透镜523输出十字或放射形等各种结构的形状的光。
透镜部520从结构光图案透镜523输出具备各种结构的光，并使相应形状的光照射至微镜部530。
透镜部520由柱面透镜521构成或由结构光图案透镜523构成，可包括柱面透镜521和额外的光学***，而且，还可包括结构光图案透镜523和额外的光学***。另外，从透镜部520输出的光的结构可根据依被摄物体S的种类的深度测量水平、分辨率和焦点等变化。
另外，为本发明的三维扫描仪10的数据变换装置30获得被摄物体三维数据，可利用三角测量技术(triangulation technique)算法。三角测量技术算法可利用照射各种图案的被摄物体的影像、图案生成部500和图像传感器18之间的距离信息及相互之间的角度信息生成三维数据。具体而言，基于由照射图案光的被摄物体的特定位置、图像传感器18及图案生成部500构成的三角形，获得可生成被摄物体的三维模型的深度信息。
图12为本发明的另一实施例的三维扫描仪概略图。另外，图13为影像拍摄装置的第一透镜和图案生成装置的第二透镜的位置关系概略图。另外，图14为线光图案的生成示例图。
如图12所示，另一实施例的三维扫描仪600可包括位于附图标记11a的影像拍摄装置610和位于附图比较11b的图案生成装置620，而上述影像拍摄装置和图案生成装置不限于上述位置，可位于镜筒部11的任意位置。
三维扫描仪的影像拍摄装置610可包括具有根据折射率具备特定视角并可接收360度全方位影像的，至少一个以上的折射面和反射面的第一透镜110a和图像传感器18。另外，这里的第一透镜110a可以是全方位透镜、镜子型透镜及鱼眼透镜中的任意一种非球面透镜。在此，视角可以是从透镜的外面的边缘末端到反射涂布面和其外的区域之间的边界区域为止。另外，影像拍摄部610可具备影像处理部320和控制部310。另外，虽然图示控制部310包含于图案生成装置520上的示例，但这只是为便于理解，控制部31可控制影像拍摄装置610和图案生成装置620两个装置的驱动。另外，为将通过第一透镜110a的光有效传递至图像传感器18，影像拍摄装置610还可包括透镜阵列部200。影像拍摄装置610还包括镜子部19以改变光的路径。另外，因上述结构已在上面的内容中详细说明，在此不再赘述。
本发明另一实施例的三维扫描仪600包括图案生成装置620，而图案生成装置620可包括向被摄物体提供图案光的光源511、包括用于反射来自光源511的光的微镜531的微镜部530，及全方位输出来自微镜部530和微镜531的光的第二透镜110b。微镜部530可控制微镜531在特定角度内进行倾斜或旋转。此时，微镜531因具有高频，从而可非常快地运行。第二透镜110b可以是全方位透镜、镜子型透镜及鱼眼透镜中的任意一种非球面透镜。另外，控制部310可直接控制光源或控制微镜531，并可相互同步图案生成装置620的光图案照射时间和图像传感器18的感测时间。
微镜531可以是MEMS扫描镜、单轴镜、双周MEMS扫描镜、数字微镜装置(DigitalMicro mirror Device，DMD)中的任意一种。
在此，DMD可以是根据镜子元件的反射的On/Off状态投射影像的装置，而上述DMD为集成微驱动镜的半导体光开关，可由作为对应于SRAM(StaticRandom Access Memory)的存储器单元形成的数十至数μm大小的各铝合金微镜的反射镜单元和单元驱动部及驱动电路部构成。另外，为了实现彩色图案，可包括色轮(Color Wheel)或SCR Color Wheel(Sequential Color Recapture Color Wheel)等结构要素。
上述DMD方式的微镜531根据数字方式颜色再现性高，因对比度(Contras ratio)高而鲜明，无需数字模拟变换，抗干扰性强，无需或减少追加的信号修改，光效率高，作为完全的硅装置耐久性好，运行速度快。
激光线(LL)根据倾斜或旋转角度，通过具有折射率的第二透镜110b可向全方位区域内的被摄物体以激光图案形式照射，而照射上述图案的被摄物体的影像可通过影像拍摄装置610的图像传感器18感测到。另外，数据变换装置30利用图像传感器18拍摄的照射各种激光图案的被摄物体影像信息重新生成三维模型。
此时，穿过第一透镜110a的中心轴的虚拟的直线可与平面(Plane)垂直，而穿过第二透镜110b的中心轴的虚拟的直线可与和平面(Plane)垂直的直线形成任意角(theta)。在此，角(theta)的角度(0～90°)可基于三维扫描仪600的结构、形状及第一透镜110a和第二透镜110b之间的一定距离d、焦点距离等决定。
图案生成装置620还可以包括透镜部520。为有效传递激光，透镜部可由柱面透镜521和准直透镜522构成，还可包括特殊目的的透镜。另外，因上述结构已在上面的内容中详细说明，在此不再赘述。
激光通过透镜部520变换为激光线(LL)，而经过变换的激光线(LL)入射/反射至微镜531形成各种形状的激光图案。
图14为本发明的图案生成装置62、630的实施例示意图。
光源511可由红色(Red)、绿色(Green)及蓝色(Blue)发光二极管至少一个光源构成，可通过R、G、B颜色各自的光或它们的组合提供各种颜色的光。
通过透镜部520从激光光源输出的激光变换为线光，而线光通过微镜531的倾斜或旋转变换为各种厚度的线光图案(LLP)照射至被摄物体上。
透镜部520可具备结构光透镜，此时，可输出具有各种结构的光图案。
图15为本发明的另一实施例的具备投影仪部的三维扫描仪概略图。
位于三维扫描仪600的附图标记11b的区域的图案生成装置620可以是由投影仪镜子632、投影仪631及控制这些的控制部310构成的投影仪部630。
投影仪部630可包括第二透镜110b，而投影仪镜子632可变更从投影仪631照射的光的路径。
投影仪631可以是LCD(Liquid crystal display)方式、LCOS(Liquid crystal onsilicon)方式、DLP(Digital light processing)方式中的一种，但非限制，只要是能够向被摄物体照射影像的装置多可以使用。
投影仪631可根据控制部310的控制通过第二透镜110b向被摄物体照射由灰色(Grey)图案或彩色(Color)图案等构成的图案影像。图像传感器18可利用第一透镜110a检测照射图案影像的被摄物体的影像。另外，图像传感器18检测的二维图像，可通过数据变换装置30利用三角测量技术算法变换为三维模型。
用于在数据变换装置30中生成三维模型的三角测量技术算法，给各图案形成的线赋予固有识别标记并利用预定的相应识别标记的平面方程和与形成于被摄物体的实际位置的交点生成三维坐标以此生成三维模型。另外，作为获得更准确的三维坐标的方案，可利用逆向图案获得强化图案的效果。
三维扫描仪600能够具备保存各种图案的存储器。控制部310可控制将保存于存储器的图案照射为投影仪631的图案光或从外部装置获得各种图案保存于存储器中。
<人工制品加工***>
图16为一种人工制品加工***1的框图，其包括本发明实施例的可扫描全方位影像的三维扫描仪、将扫描的被摄物体生成为精密的三维模型，将其设计成各种形状，并将设计得到的三维模型变换为可用加工装置/三维打印机40加工的CAM数据的数据变换装置30，及加工装置/三维打印机40。人工制品加工***1的***设备可以有线/无线方式收发数据。
数据变换装置30可利用从三维扫描仪10接收的影像数据和深度信息生成三维模型。另外，将所生成的三维模型设计成各种形状，并将其变换为CAM数据提供给加工装置/三维打印机40。因此，数据变换装置30可拍摄被摄物体的二维图像进行图像处理，可以是基于CAD及/或CAM的数据变换装置，但非限制，只要是能够利用三维扫描仪拍摄的影像数据生成被摄物体的三维模型，并将其变换为CAM数据的装置，可以使用任意装置。
加工装置/三维打印机40可利用接收到的CAM数据假体、种植体、矫正器或外科导板等用于牙齿美容、诊断、治疗及预防的人工制品。
图17为关于下颚牙弓的示意图，而图18为表示下颚牙弓的角的示意图。
如图17及图18所示，本发明的三维扫描仪10的影像处理部320或数据变换装置30，可基于所生成的三维模型提供上颚及下颚的牙弓形状、大小及牙弓的角和个别牙齿形状和大小、牙齿间的距离等口腔内的各种精密信息，可显示于显示装置31或预览显示装置。
<上颚/下颚拍摄影像>
图19为利用三维扫描仪拍摄的上颚的影像的示例图，而图20为下颚的影像示例图。
图19及图20为利用全方位透镜拍摄的影像，可表示为在数据变换装置30或影像处理部320进行图像处理并分割为任意区域表示的二维图像或全景图像，而影像中间的黑色区域为上颚、舌头，可以图像处理或去除掉。
现有技术的口腔3D扫描仪的测量区域(FOV，field of view)是有限的。因此，现有技术的口腔3D扫描仪不能同时拍摄全部上颚或下颚，而为了拍摄全部上颚或下颚，需按测量区域进行多次拍摄。但是，本发明的三维扫描仪可利用全方位透镜一次性拍摄对被摄物体全部区域的影像。因此，本发明的三维扫描仪减少现有技术的口腔三维扫描仪因影像的结合出现的误差和精度及分辨率的降低，从而可生成高品质及精度高的优秀的三维模型。与此同时，无需涂布用于防止光反射的粉末即可快速拍摄生成三维模型。因可缩短拍摄时间，从而可大幅缩短桥(Bridge)到义齿(denture)、校正、种植体等的诊断和手术计划及手术时间。
本发明的三维扫描仪还可适用于牙科领域之外的领域。例如，半导体设备及PCB大量生产等进行检查的设备检查领域、整形或假肢、脸部识别、利用内窥镜的三维模型等医疗领域、精密扫描用肉眼难以确认的任意空间内的结构或文物复原等工业领域等。
本发明的三维扫描仪可采用立体声/动画方式或静态影像方式等可生成三维模型的各种扫描方式，而这可在数据变换装置中可通过上述说明的方式中的一种实现。
如上所述，本发明的三维扫描仪及利用上述三维扫描仪的人工制品加工装置，利用360度全方位输出光图案及/或360度全方位获得影像的透镜构成，从而可一次性拍摄被摄物体的全部区域生成三维模型。从而解决被摄物体的部分结合带来的误差问题和随着部分影像数量的增加积累误差的问题，减少整个被摄物体的三维模型生成所需的时间。
另外，本发明的三维扫描仪及利用上述三维扫描仪的人工制品加工装置，具备取得全方位影像的非球面透镜和向被摄物体照射光的图案生成装置，从而消除未在影像处理部测得的被摄物体的表面区域的存在可能性。因此，在利用三角测量技术生成三维影像时，可最大限度地增加三角测量技术的角度，从而可大幅提高三维影像的准确度和质量及三维影像的分辨率。
另外，本发明通过减少对拍摄物体的拍摄次数，快捷的扫描速度及利用旋转角信息的三维模型修改作业，不向作业者要求精密的扫描作业，从而可提高作业者的作业效率，可解决因手的抖动等人为振动或机械振动导致的多个拍摄影像之间的偏差降低三维影像的精度的问题。
当本发明的实施例用于医疗用途时，通过减少诊疗及诊断时间，可大幅提高作为医疗服务的被拍摄对象的患者和手术者的满意度。
上述实施例仅用以说明本发明而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改、变形或者等同替换。而在不脱离本发明的精神和范围之内，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
工业实用性
本发明可适用于三维扫描被摄物体并利用其加工对被摄物体的人工制品的领域。

Claims (18)

1.一种三维扫描仪，包括：
图案生成装置，向被摄物体照射光图案；及
影像拍摄装置，接收照射上述光图案的上述被摄物体的全方位影像；
上述影像拍摄装置，包括：根据不同的折射率具有特定的视角，具有至少一个以上的折射面和至少一个以上的反射涂布面，接收上述全方位影像的第一透镜，
上述图案生成装置向上述被摄物体全方位照射上述光图案。
2.根据权利要求1所述的三维扫描仪，其特征在于：
上述影像拍摄装置，还包括：
镜子部，变更来自上述第一透镜的光的路径；及
图像传感器，感测来自上述镜子部的光。
3.根据权利要求1所述的三维扫描仪，其特征在于：在上述影像拍摄装置中，上述第一透镜为全方位透镜、镜子型透镜及鱼眼透镜中的任意一种非球面透镜。
4.根据权利要求2所述的三维扫描仪，其特征在于：基于上述图像传感器的解读，生成用于生成上述被摄物体的二维影像或上述被摄物体的三维模型的数据。
5.根据权利要求2所述的三维扫描仪，其特征在于：上述影像拍摄装置相互同步上述图案生成装置的上述光图案的照射时间和上述图像传感器的感测时间。
6.根据权利要求1所述的三维扫描仪，其特征在于：上述图案生成装置包括向上述被摄物体全方位照射上述光图案的第二透镜。
7.根据权利要求6所述的三维扫描仪，其特征在于：上述第二透镜为全方位透镜、镜子型透镜及鱼眼透镜中的任意一种。
8.根据权利要求6所述的三维扫描仪，其特征在于：还包括检测用于上述被摄物体的三维模型生成或修改的三维扫描仪的旋转角信息的旋转角信息检测部。
9.根据权利要求8所述的三维扫描仪，其特征在于：上述旋转角信息检测部包括陀螺仪传感器及加速度传感器。
10.根据权利要求8所述的三维扫描仪，其特征在于：
上述图案生成装置，还包括：
微镜，向上述被摄物体形成上述光图案；及
光源，向上述微镜照射光。
11.根据权利要求10所述的三维扫描仪，其特征在于：上述光源包括至少一个发光二极管或激光。
12.根据权利要求10所述的三维扫描仪，其特征在于：
上述图案生成装置，还包括：
纵轴和横轴的半径不同的透镜，将来自上述光源的光变换为线光照射至上述微镜；或
结构光图案透镜，将来自上述光源的光变换为预定结构的光图案照射至上述微镜；及
准直透镜，可将上述线光或上述结构的光图案聚焦照射至上述微镜。
13.根据权利要求10所述的三维扫描仪，其特征在于：上述图案生成装置包括控制上述光源的驱动时间及驱动周期中的至少一个的光源调制器；
调节照射至上述被摄物体的光线之间的间距及各自的粗细，可以多个彩色或单色生成各种形状的图案。
14.根据权利要求10所述的三维扫描仪，其特征在于：上述被摄物体为口腔。
15.根据权利要求1所述的三维扫描仪，其特征在于：通过有线及/或无线通信，将拍摄上述被摄物体的二维影像、将上述二维影像分割为任意区域的影像或上述被摄物体的三维模型，传送至设置于显示装置、便携式显示装置及三维扫描仪的预览显示装置中的至少一个。
16.一种数据变换装置，将从根据权利要求1所述的三维扫描仪接收的影像数据变换为三维模型生成设计数据，并将其变换为可通过加工装置或三维打印机加工的CAM数据中的任意一种。
17.一种加工装置，基于从根据权利要求16所述的数据变换装置接收的上述CAM数据，生成至少一个人工牙和人工制品的牙龈、由颚连接的多个牙齿、种植体、外科导板、矫正器、义齿中的至少一种。
18.一种三维打印机，基于从根据权利要求16所述的数据变换装置接收的上述CAM数据，生成至少一个人工牙和人工制品的牙龈、由颚连接的多个牙齿、种植体、外科导板、矫正器、义齿中的至少一种。
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