KR101628730B1

KR101628730B1 - 치과용 3차원 이미징 방법 및 그 시스템

Info

Publication number: KR101628730B1
Application number: KR1020150061777A
Authority: KR
Inventors: 김태진; 플루타 미에텍; 이상주
Original assignee: 주식회사 투아이스펙트라
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-06-21

Abstract

본 발명은 치과용 3차원 이미징(Imaging) 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, DMD(Digital Micromirror Device) 칩의 광원과 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration)의 색수차 원리를 이용하여 정밀도가 우수한 치아(tooth)의 3차원 컬러(color) 이미징(Imaging) 영상을 구현하였다. 본 발명에 따르면, 다양하고 미세한 패턴 영상을 획득할 수 있고, 별도의 패턴 마스크를 제조 및 사용할 필요가 없고, 패턴을 원하는 형태에 따라 다양하게 구성할 수 있다.

Description

치과용 3차원 이미징 방법 및 그 시스템{3D IMAGING METHOD IN DENTISTRY AND SYSTEM OF THE SAME}

본 발명은 치과용 3차원 이미징(Imaging) 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 DMD(Digital Micromirror Device) 칩의 광원과 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration)의 색수차 원리를 이용하여, 정밀도가 우수한 치아(tooth)의 3차원 컬러(color) 이미징(Imaging) 영상을 구현할 수 있는 치과용 3차원 이미징(Imaging) 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

치과용 3차원 스캐너(Dental 3-Dimensional scanner)라 함은 구강 내 치아 등의 입체 형상을 가지는 피사체를 촬영하여 얻어지는 2차원 영상으로부터 3차원 영상을 도출하여 피사체의 실제 이미지와 동일한 영상 정보를 획득하기 위한 장치로, 치아의 수복, 보철 등의 치과치료 시 치아 및 구강조직의 형태에 대한 3차원 영상을 획득하기 위하여 사용된다.

종래에는 치아 보철 치료에 있어서 환자의 치아에 대한 석고 모형을 제작하는 인상채득과정을 통해 치아 보철치료가 이루어지는 로스트-왁스 캐스팅법(Lost-wax casting method)을 사용하는 것이 일반적이었다. 그러나 이러한 로스트-왁스 캐스팅법은 캐스팅을 위한 재료에 의한 감염이 발생할 수 있고, 보철물의 제작이 어려우며, 보철물과 종래 치아와의 형상의 차이가 크다는 문제점이 있었다.

따라서 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해 3차원 카메라를 이용하여 구강내 치아 및 잇몸을 측정한 후 CAD/CAM 시스템을 이용하여 치아 보철물을 디자인 및 제조하는 소위 세렉 시스템(Cerec system)의 이용량이 증가하고 있는 추세이다.

그러나 상기 세렉 시스템은 구강내 치아 및 잇몸의 3차원 이미지를 획득하기 위해 3차원 카메라의 렌즈부에 패턴 마스크(Pattern mask)를 사용한다. 상기 패턴 마스크는 소정의 패턴 형상을 가지는 패널(Panel)로, 유리판의 일면에 원하는 패턴을 형성하는 방식으로 제조되고, 상기 패턴 마스크를 좌우로 이동하면서 3D 카메라로 피사체를 촬영하여 다수의 2차원 영상을 얻게 되고, 상기 다수의 2차원 영상으로부터 3차원 이미지를 도출하게 된다.

그러나 종래의 패턴 마스크를 이용하는 경우 유리판에 원하는 패턴을 직접 형성해야 하기 때문에 패턴의 형성이 어려운 문제점이 있었다. 그리고 제조된 패턴 이외에 다른 패턴을 이용하기 위해서는 별도의 패턴 마스크를 제조하여야 하며, 패턴 마스크의 비용이 높고, 제조 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있었다.

또한, 이러한 패턴 마스크를 사용할 경우에는 원하는 치아 및 잇몸에 대한 3차원 영상을 정확히 측정하기가 어렵기 때문에 원래 치아 및 잇몸에 대한 3차원 이미지의 정확도가 낮다는 문제점이 있었다.

따라서 국내외적으로 3차원 영상 정보를 획득하는 장치를 연구 개발하고자 하는 기업들이 많이 늘어나고 있다.

그 중에서, 영국의 Renishaw 사와 스웨덴의 Nobel Biocare 사의 스캐너는 탐침을 사용한 치과 의료용 3차원 정보 획득 장치로서, sub-micrometer의 정밀도로 매우 정밀하게 측정이 가능하나 협곡에 대한 측정이 어려운 문제점이 있다.

또한, 독일 SIRONA 사의 경우는 비접촉식 포인트 레이저를 활용한 레이저 스캐너를 시판해 왔지만, 최근 세렉(CEREC) 시스템을 출시하였다. 세렉(CEREC) 시스템은 3차원 카메라로 치아를 촬영하고, 컴퓨터로 치아에 최적화된 보철물을 디자인한 후에 밀링머신으로 간편하게 보철물을 만드는 시스템이다.

상기 독일 SIRONA 사는 미국, 일본을 비롯한 세계 각국에서 이미 25,000여 치과에서 사용 중이고, 3D CAD/CAM 기술을 적용하여 컴퓨터로 수 만개 치아 패턴을 정형화하여 환자에 맞게 디자인 한 후, 밀링머신으로 0.3mm까지 제어하여 10분 이내에 치아를 만들 수 있고, 본을 떠서 치아를 제작하는 기존의 기공 방식과 달리 3차원 카메라로 치아를 촬영한 즉시 컴퓨터로 치아 디자인과 기공을 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 협곡에 대한 측정이 어려워 3D 정밀도가 현격하게 떨어지는 단점이 있다.

국제공개번호 WO 2011/133662(국제공개일자: 2011.10.27.) 대한민국 등록특허 제10-1176770호(등록일: 2012.08.17.)

전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 정밀도가 우수한 3차원의 컬러(color) 이미징(Imaging) 영상을 구현할 수 있는 치과용 3차원 이미징(Imaging) 방법 및 그 시스템을 제시하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 패턴을 원하는 형태에 따라 다양하게 구성할 수 있는 치과용 3차원 이미징(Imaging) 방법 및 그 시스템을 제시하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, DMD(Digital Micromirror Device) 칩의 광원과 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration)의 색수차 원리를 이용한 치과용 3차원 이미징(Imaging) 방법 및 그 시스템을 제시하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 치아(tooth)의 고정밀 3차원 컬러 이미지를 구현한 치과용 3차원 이미징(Imaging) 방법 및 그 시스템을 제시하는 데 있다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 의한 치과용 3차원 이미징 시스템은, 3차원 이미징 스캐너(100)의 하우징(101); 상기 하우징(101) 내에 설치되며, 피사체에 조사하기 위한 R,G,B 광을 동시에 발생하는 광원; 상기 하우징(101) 내에서 상기 광원과 하프 미러(30) 사이에 배치되며, 상기 광원에서 발생된 R,G,B 광을 상기 하프 미러(30)로 집광하는 제1아크로매틱 렌즈(20); 상기 하우징(101) 내에서 상기 제1아크로매틱 렌즈(20)와 색수차 렌즈(40) 사이에 배치되며, 상기 제1아크로매틱 렌즈(20)를 통과한 R,G,B 광을 상기 색수차 렌즈(40)로 전달하고, 상기 색수차 렌즈(40)를 통해 입사되는 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 제2아크로매틱 렌즈(60)로 반사시키는 하프 미러(30); 상기 하우징(101) 내에서 상기 하프 미러(30)와 반사경(50) 사이에 배치되며, 상기 하프 미러(30)를 통해 R,G,B 광을 입사하여 빛의 파장에 따른 굴절률의 차이에 의해 상(초점)의 위치 및 크기가 다른 색수차의 R,G,B 광을 분산하여 반사경(50)으로 집광하고, 반사경(50)을 통해 입사되는 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 분산하여 상기 하프 미러(30)로 집광하는 색수차 렌즈(40); 상기 하우징(101) 내에서 상기 색수차 렌즈(40)와 피사체 사이에 배치되며, 상기 색수차 렌즈(40)를 통과한 색수차의 R,G,B 광을 피사체의 방향으로 반사시키고, 상기 피사체에서 반사되는 색수차의 R,G,B 반사광을 상기 색수차 렌즈(40)로 반사시키는 반사경(50); 상기 하우징 내에서 상기 하프 미러(30)와 이미지 센서 사이에 배치되며, 상기 하프 미러(30)를 통해 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 이미지 센서로 집광하는 제2아크로매틱 렌즈(60); 및 상기 하우징 내에서 상기 제2아크로매틱 렌즈(60)의 전방에 설치되며, 상기 제2아크로매틱 렌즈(60)를 통해 집광된 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 전기적 영상신호인 R,G,B 스캔데이터로 변환하여 3차원 영상으로 센싱 및 저장하는 이미지 센서;를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 광원은 DMD(Digital Micromirror Device) 칩(10) 또는 R,G,B LED로 구성될 수 있다. 또한, 상기 광원은 R,G,B LED 대신에 연속파장을 갖는 광원램프를 장착하여 사용될 수도 있다.

상기 이미지 센서는 CCD(Charge-Coupled Device) 컬러(color) 이미지 센서(70) 또는 CCD(Charge-Coupled Device) 그레이(gray) 이미지 센서(80) 또는 CMOS 센서로 구성될 수 있다.

그리고 상기 치과용 3차원 이미징 시스템은, 상기 이미지 센서에서 제공되는 R,G,B 스캔데이터들을 비교하여, 빛의 파장에 따라 빛이 제일 강한 초점의 R,G,B 스캔데이터들만을 조합하여 피사체에 대한 3차원의 컬러 이미지 영상을 생성 및 저장하고, 스캐닝 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 사용자 컴퓨터(120); 상기 사용자 컴퓨터(120)에서 생성된 피사체의 3차원 영상을 화면을 통해 출력하는 모니터(130);를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 의한 치과용 3차원 이미징 방법은, (a) 매트릭스 형태로 배열된 초소형 거울이 신호에 따라 반사 각도를 조절하여 픽셀(pixel)의 밝기를 조절하는 DMD 칩(10)을 이용하여 광원을 발생하는 픽셀(pixel)의 패턴을 형성하는 단계; (b) 상기 DMD 칩(10)에 형성된 패턴의 픽셀(pixel) 수만큼 R,G,B 광을 동시에 순차적으로 발생하는 단계; (c) 상기 DMD 칩(10)에서 출사하는 R,G,B 광을 제1아크로매틱 렌즈(20)를 통해 하프 미러(30)로 집광하는 단계; (d) 상기 하프 미러(30)에서 입사하는 광을 색수차 렌즈(40)로 출사하는 단계; (e) 상기 색수차 렌즈(40)에서 입사하는 광을 빛의 파장에 따른 굴절률의 차이에 의해 상의 위치 및 크기가 다른 색수차의 R,G,B 광으로 분산하여 반사경(50)으로 출사하는 단계; (f) 상기 반사경(50)에서 색수차의 R,G,B 광을 피사체로 반사하는 단계; (g) 상기 피사체로 반사된 색수차의 R,G,B 광이 상기 피사체에 부딪히면서 반사되어 상기 반사경(50)으로 입사하는 단계; (h) 상기 반사경(50)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 상기 색수차 렌즈(40)로 반사하는 단계; (i) 상기 색수차 렌즈(40)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 상기 하프 미러(30)로 분사하여 집광하는 단계; (j) 상기 하프 미러(30)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 제2아크로매틱 렌즈(60)로 반사하는 단계; (k) 상기 제2아크로매틱 렌즈(60)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 이미지 센서로 집광하는 단계; (l) 상기 이미지 센서에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 전기적 영상신호인 R,G,B 스캔데이터로 변환하는 단계; (m) 상기 이미징 센서에서 제공되는 R,G,B 스캔데이터들을 비교하여, 빛의 파장에 따라 초점의 빛이 제일 강한 초점의 R,G,B 스캔데이터들만을 조합하여 피사체에 대한 3차원의 컬러 이미지 영상을 생성 및 저장하는 단계; (n) 상기 생성된 3차원의 컬러 이미지 영상을 모니터 화면을 통해 나타내는 단계; 및 (o) 상기 (b)(n) 단계를 패턴의 제일 처음 포인트(화소)부터 시작하여 마지막 포인트(화소)가 될때까지 순차적으로 수행하면서 피사체를 스캐닝하고, 스캐닝 한 3차원 영상 데이터를 센싱 및 저장하고 모니터 화면을 통해 실시간으로 표시하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, DMD(Digital Micromirror Device) 칩의 광원과 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration)의 색수차 원리를 이용하여 정밀도가 우수한 치아(tooth)의 3차원 컬러(color) 이미징(Imaging) 영상을 구현할 수 있다.

그리고 다양하고 미세한 패턴 영상을 획득할 수 있고, 별도의 패턴 마스크를 제조 및 사용할 필요가 없고, 패턴을 원하는 형태에 따라 다양하게 구성할 수 있다.

또한, 구조가 간단하여 콤팩트하게 작은 크기로 제작할 수 있고, 저가 생산이 가능하다. 크기가 작아서 스캐너를 손으로 파지한 상태에서 피사체의 3D 스캐닝 작업을 수행할 수 있고 조작이 간편하다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도1은 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 의한 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너의 구성도
도2는 광(Light)이 아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 20,60)를 통과할 때 하나의 상이 맺힌 모습을 나타낸 도면
도3은 광(Light)이 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration; 40)를 통과할 때 빛의 파장에 따른 굴절률 차이로 인해 색수차 현상이 일어난 모습을 나타낸 도면
도4는 도1에 도시된 DMD(Digital Micromirror Device) 칩(10)의 구성 예를 나타낸 도면
도5는 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너의 3D 이미징 방법을 나타낸 흐름도
도6은 본 발명의 바람직한 제2실시 예에 의한 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너의 구성도
도7은 본 발명에 의한 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너의 디바이스(device) 구성도
도8은 본 발명에 의한 치과용 3D 이미징(Imaging) 시스템의 구성도

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명되는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명하기로 한다.

이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너의 실시 예

도1은 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 의한 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너의 구성도이고, 도2는 광(Light)이 아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 20,60)를 통과할 때 하나의 상이 맺힌 모습을 나타낸 도면이고, 도3은 광(Light)이 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration; 40)를 통과할 때 빛의 파장에 따른 굴절률 차이로 인해 색수차 현상이 일어난 모습을 나타낸 도면이고, 도4는 도1에 도시된 DMD(Digital Micromirror Device) 칩(10)의 구성 예를 나타낸 도면이다.

본 발명의 바람직한 제1실시 예에 의한 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너는 도1에 나타낸 바와 같이, DMD(Digital Micromirror Device) 칩(10), 제1아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 20), 하프 미러(Half mirror; 30), 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration; 40), 반사경(Mirror; 50), 제2아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 60), CCD(Charge-Coupled Device) 컬러(color) 이미지 센서(70)을 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 상기 DMD(Digital Micromirror Device) 칩(10)은 표면에 극소의 거울(mirror; 11)을 무수히 배치한 칩(chip)으로, 거울 하나가 픽셀(pixel; 11) 하나에 대응되는 것으로, 기존의 브라운관 방식이나 액정 방식, 플라스마 방식과 완전히 다른 DLP(Digital Light Processing; 디지털 광학 기술) 방식을 사용하고 있다.

상기 DLP(Digital Light Processing; 디지털 광학 기술) 방식은 상기 DMD 칩(10)을 이용해 이미지의 고정밀 표시를 구현하는 기술이다. 1픽셀(pixel)에 1416(Micromirror: 깨알의 500분의 1 크기)의 초소형 거울이 신호에 따라 반사 각도를 조절하며 이미지를 구현하는 기술이다.

또한, 상기 DMD 칩(10)은 미세한 전기 반발력을 사용하여 극소의 거울(11)을 움직이는 하나의 유닛을 필요한 픽셀수 만큼 배열한 일종의 모듈이다. DMD의 거울(11)은 1개의 픽셀(pixel; 11)을 대표하며, 이러한 거울(11) 수백만 개가 1개의 DMD 칩(10)에 내장되어 있다.

거울과 거울 사이의 간격은 1로 매우 촘촘하여 고선명(HD) 디지털텔레비전과 같은 대용량, 고화질에 고휘도의 동영상 처리에 적합하다. 초소형의 거울이 색과 그러데이션을 표현하면서 색 번짐이나 얼룩짐은 없고, 화면 중앙부와 주변부의 색과 밝기의 균일성이 우수하여 안정적이다.

각 거울은 약 10~12도의 광학 기울기 변화량을 가지며 이를 통해 해당 화소에 대한 밝기를 조절하게 된다. 0 과 1로 나뉘기 때문에 중간밝기를 표현하기 힘들다. 부득이하게 밝기를 조정해야 할 경우, 각 거울의 반응시간은 마지막 신호 입력으로부터 적어도 1/10001/4000S 이므로 펄스 폭 제어 디밍 방식을 통해 중간밝기를 구현한다. 이때문에 선형적이지 않고 어두우면 완전히 어둡거나 밝은 구간에 가까워지면 급격히 밝아지는 현상이 있다. 최근의 DLP 프로젝터는 이를 드라이브 칩셋에서 보정한다.

본 발명에서는 상기 DMD 칩(10)을 이용하여 피사체(예를 들어, 치아)를 조사하기 위한 R,G,B 광을 발생하게 된다.

도4는 7의 패턴 형상을 갖는 DMD(Digital Micromirror Device) 칩(10)의 구성 예를 나타낸 것이다. 여기서, 상기 DMD(Digital Micromirror Device) 칩(10)은 21개의 거울(mirror; 11) 또는 화소(pixel; 11)의 배열을 가지고 있으며, 7의 패턴 형상을 예로 나타낸 것이다. 도4에서, 흰색으로 표시된 거울(mirror; 11) 또는 화소(pixel; 11)는 라이트 온(Loght ON) 상태를 나타내고, 검은색으로 포시된 거울(mirror; 11) 또는 화소(pixel; 11)는 라이트 오프(Loght OFF) 상태를 나타낸다.

상기 DMD 칩(10)은 매트릭스 형태로 배열된 초소형 거울이 신호에 따라 반사 각도를 조절하여 화소의 밝기를 조절하게 되며, 광원을 발생하는 픽셀(pixel)의 패턴을 형성하고, 형성된 패턴의 화소(pixel) 수만큼 RGB의 패턴광을 순차적으로 발생하게 된다. 이때, 상기 DMD 칩(10)의 패턴 모양은 피사체의 크기와 형태 등에 따라 얼마든지 결정될 수 있다.

계속해서 도1을 참조하여 설명하면, 상기 제1아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 20)는 상기 DMD 칩(10)과 상기 하프 미러(30) 사이에 배치되며, 상기 DMD 칩(10)에서 발생하는 R,G,B 광을 전방으로 통과시켜 상기 하프 미러(Half mirror; 30)로 집광시키게 된다.

상기 제1아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 20)는 렌즈의 색수차를 보정한 조합 렌즈로서 색지움 렌즈라고도 하며, 렌즈의 색수차를 없앤 렌즈이다. 성분이 다른 렌즈를 여러 장 조합하여 각각의 렌즈의 색수차가 상쇄되도록 제조된다. 완벽하게 색수차를 없애는 것은 어려우므로, 렌즈의 용도에 따라 렌즈를 통과하는 빛 중 가장 대표적인 색에 대한 수차를 보정한 렌즈를 사용한다. 상기 제1아크로매틱 렌즈(20)는 입사된 광을 빛의 파장에 따라 굴절시켜 하나의 상을 맺히게 한다(도2 참조).

일반적으로 단일렌즈는 모두 색수차가 있으므로, 광학기계에 사용되는 렌즈는 단일렌즈를 몇 개 결합하여 각각의 용도에 따라 색수차를 감소시키고 있다. 이러한 색수차보정(補正)을 색지움이라 하며, 색수차를 줄인 렌즈를 색지움 렌즈라 한다. 한편 프리즘을 통해 흰 물체를 보았을 때도 색이 나타나는데 이것이 프리즘의 분산이며, 렌즈의 색수차와 같은 현상이라 할 수 있다.

한편, 도1에서는 상기 제1아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 20)를 1개로 구성한 예를 나타내고 있으나, 복수로 구성될 수도 있다.

다음으로, 상기 하프 미러(Half mirror; 30)는 상기 제1아크로매틱 렌즈(20)와 상기 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration; 40) 사이에 배치되며, 상기 제1아크로매틱 렌즈(20)에서 집광된 R,G,B 광을 전방으로 통과시켜 상기 색수차 렌즈(40)로 전송하는 역할을 한다. 또한, 상기 하프 미러(Half mirror; 30)는 상기 색수차 렌즈(40)를 통해 입사되는 피사체로부터 반사된 색수차의 R,G,B 광을 상기 제2아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 60)로 반사하여 광의 경로를 변환하는 역할을 한다.

다음으로, 상기 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration; 40)는 상기 하프 미러(Half mirror; 30)와 상기 반사경(50) 사이에 배치되며, 상기 하프 미러(30)를 통해 R,G,B의 패턴광을 입사하여 빛의 파장에 따른 굴절률의 차이에 의해 상(초점)의 위치 및 크기가 다른 색수차를 갖는 R,G,B의 광을 분산하여 상기 반사경(50)으로 집광하게 된다. 그리고 상기 색수차 렌즈(40)는 상기 반사경(50)을 통해 입사되는 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 분산하여 상기 하프 미러(30)로 집광하게 된다.

상기 색수차 렌즈(40)는 빛의 파장에 따른 굴절률의 차이에 의해 생기는 수차 렌즈이다. 긴 파장의 빛일수록 렌즈를 통과한 뒤에 다른 빛보다 초점이 렌즈에서 먼 쪽으로 맺히기 때문에 일어나는 현상으로, 광학기기에 사용하는 렌즈를 만들 때에는 이를 보정하기 위해 여러 개의 렌즈를 결합하여 제조된다.

여기서, 색수차(chromatic aberration)는 광학계에서 물체의 상(像)을 맺게할 때 빛의 파장이 다르면 상이 생기는 위치 및 상의 크기가 변하는 현상이다. 이것은 광학계를 구성하고 있는 재료의 굴절률이 빛의 파장에 의해 다르기 때문이다. 색광에 의해 상이 생기는 위치의 어긋남을 축상 색수차 또는 종(縱)의 색수차라고 하며 상의 크기가 변하는 것을 배율의 색수차 또는 횡(橫)의 색수차라고 한다.

예를 들어, 유리의 굴절률은 일반 투명물질과 마찬가지로 빛의 파장이 길어짐에 따라 차차 작아지므로, 렌즈를 통해 물체의 상을 맺게 하면 물체의 색(빛의 파장)에 따라 상의 위치나 배율이 달라진다. 이 현상이 색수차인데, 색수차를 가진 렌즈를 통해 백색광을 보면 빨강에 가까운 긴 파장의 빛일수록 초점이 렌즈에서 먼 곳에, 보라에 가까운 짧은 파장의 빛일수록 렌즈와 가까운 곳에 초점이 맺히므로 상이 아롱져 덜 선명해 보인다.

다음으로, 상기 반사경(50)은 상기 색수차 렌즈(40)와 피사체 사이에 배치된다. 상기 반사경(50)은 상기 색수차 렌즈(40)를 통과하면서 생성된 색수차를 갖는 R,G,B 광을 피사체의 방향으로 반사시키는 역할을 한다. 또한, 상기 피사체에서 반사되는 색수차의 R,G,B 반사광을 상기 색수차 렌즈(40)로 반사시키는 역할을 한다.

상기 반사경(50)을 통해 피사체로 반사된 색수차의 R,G,B 광은 여러 가지 모양과 형태를 갖는 피사체에 부딪히면서 반사되게 된다. 이때, 상기 피사체로 입사되는 R,G,B 광은 상(초점)의 위치 및 크기가 다른 색수차를 갖는 광으로서, 상기 피사체의 모양 및 형태에 따라 반사되어 상기 피사체의 높이 즉, 피사체의 Z축 이미징 데이터를 획득함으로써 피사체의 3차원 영상 이미지를 구현할 수가 있다. 이때, 피사체의 X축 및 Y축 이미징 데이터는 상기 DMD 칩(10)의 패턴 형상으로부터 구할 수 있다.

다음으로, 상기 제2아크로매틱 렌즈(60)는 상기 하프 미러(30)와 상기 CCD(Charge-Coupled Device) 컬러(color) 이미지 센서(70) 사이에 배치되며, 상기 하프 미러(30)를 통해 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 상기 CCD 컬러 이미지 센서(70)로 집광하게 된다.

상기 제2아크로매틱 렌즈(60)는 상기 제1아크로매틱 렌즈(20)와 마찬가지로, 렌즈의 색수차를 보정한 조합 렌즈로서 색지움 렌즈라고도 하며, 렌즈의 색수차를 없앤 렌즈이다. 성분이 다른 렌즈를 여러 장 조합하여 각각의 렌즈의 색수차가 상쇄되도록 제조된다.

다음으로, 상기 CCD(Charge-Coupled Device) 컬러(color) 이미지 센서(70)는 상기 제2아크로매틱 렌즈(60)의 전방에 배치되며, 상기 제2아크로매틱 렌즈(60)를 통해 집광된 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 전기적 영상신호인 R,G,B 스캔데이터로 변환하여 3차원 영상으로 센싱 및 저장하게 된다.

상기 CCD 컬러 이미지 센서(70)는 디지털 카메라의 하나로, 전하 결합 소자(CCD)를 사용하여 컬러 영상을 전기 신호로 변환함으로써 디지털 데이터로 플래시 메모리 등의 기억 매체에 저장하는 장치이다.

상기 DMD 칩(10)의 R,G,B의 패턴광은 제1아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 20), 하프 미러(Half mirror; 30), 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration; 40), 반사경(Mirror; 50)을 통해 피사체에 조사된다.

상기 피사체에 조사된 R,G,B의 패턴광은 빛의 파장에 따라 상기 피사체에 반사되어 반사경(50), 색수차 렌즈(40), 하프 미러(30) 및 제2아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 60)를 통과하여 CCD(Charge-Coupled Device) 컬러(color) 이미지 센서(70)에 들어오게 된다. 상기 CCD 컬러 이미지 센서(70)에서는 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 전기적 영상신호인 R,G,B 스캔데이터로 변환하여 3차원 영상으로 센싱 및 저장하게 된다.

치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너의 3D 이미징 방법

도5는 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너의 3D 이미징 방법을 나타낸 흐름도이다.

상기 DMD 칩(10)에서는 형성된 패턴의 픽셀(pixel) 수만큼 R,G,B 광을 동시에 발생하여 피사체에 조사하게 된다. 이때, DMD 칩(10)에서 발생되는 R,G,B 광은 패턴의 제일 처음 포인트(화소)부터 시작하여 마지막 포인트(화소)가 될 때까지 순차적으로 수행하면서 피사체를 스캐닝하고 스캐닝 된 이미지 데이터를 저장하게 된다. 이때, 사용자 컴퓨터(도8의 120 참조)에서는 R,G,B 스캔데이터들을 비교하여, 빛의 파장에 따라 초점의 빛이 제일 강한 초점의 R,G,B 스캔데이터들만을 조합하여 피사체에 대한 3차원의 컬러 이미지 영상을 생성 및 저장하게 된다. 그리고 모니터 화면(도8의 130 참조)을 통해 생성된 3차원의 컬러 이미지 영상을 실시간으로 나타내게 된다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 상기 DMD 칩(10)에 형성된 패턴에 따라 R,G,B 광을 동시에 발생하도록 구현하였으나, 다른 실시 예로서 R,G,B 광을 순차적으로 발생하여 피사체를 스캐닝 할 수도 있다. 즉, 예를 들어, 패턴의 제일 처음 포인트(화소)부터 시작하여 마지막 포인트(화소)가 될 때까지 R 광을 순차적으로 조사하여 피사체에서 반사된 R광의 스캔데이터를 센싱 및 저장한 다음, G 광 및 B 광을 순차적으로 조사하여 센싱 및 저장하도록 구현할 수도 있다.

치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너의 제2실시 예

도6은 본 발명의 바람직한 제2실시 예에 의한 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너의 구성도이다.

본 발명의 제2실시 예에 의한 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너는 도6에 나타낸 바와 같이, DMD(Digital Micromirror Device) 칩(10), 제1아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 20), 하프 미러(Half mirror; 30), 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration; 40), 반사경(Mirror; 50), 제2아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 60), CCD(Charge-Coupled Device) 그레이(gray) 이미지 센서(80)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 제2실시 예는 도1에 도시된 제1실시 예와 비교해 볼 때, 제1실시 예의 CCD 컬러(color) 이미지 센서(70) 대신에 CCD 그레이(gray) 이미지 센서(80)가 구성된 점이 다르고 나머지 구성은 제1실시 예와 동일하다.

치과용 3D 이미징(Imaging) 시스템

도7은 본 발명에 의한 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너의 디바이스(device) 구성도이고, 도8은 본 발명에 의한 치과용 3D 이미징(Imaging) 시스템의 구성도이다.

본 발명에 의한 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너(100)는 도7에 도시된 바와 같이, 3D 이미징(Imaging) 스캐너(100)의 하우징(101) 내부에 DMD 칩(10), 제1아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 20), 하프 미러(30), 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration; 40), 반사경(Mirror; 50), 제2아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens; 60), CCD 컬러(color) 이미지 센서(70) 또는 CCD 그레이(gray) 이미지 센서(80)가 구성되고, 케이블(110)을 통해 사용자 컴퓨터(120)와 모니터(130)에 연결되어 있다.

즉, 본 발명의 치과용 3D 이미징(Imaging) 시스템은 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너(100)와 사용자 컴퓨터(120) 및 모니터(130)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 사용자 컴퓨터(120)는 상기 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너(100)에서 제공되는 R,G,B 스캔데이터들을 비교하여, 빛의 파장에 따라 빛이 제일 강한 초점의 R,G,B 스캔데이터들만을 조합하여 피사체에 대한 3차원의 컬러 이미지 영상을 생성 및 저장하고, 스캐닝 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성한다. 그리고 상기 모니터(130)는 상기 사용자 컴퓨터(120)에서 생성된 피사체의 3차원 영상을 화면을 통해 실시간으로 출력한다.

상기 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너(100)의 하우징(101)에는 촬영 명령을 인가하기 위한 스위치(미도시)가 구성될 수 있다. 그리고 상기 하우징(101)의 후면 또는 측면에는 상기 사용자 컴퓨터(120)와 케이블(110)을 통해 연결되어 있다.

상기 사용자 컴퓨터(120)는 사용자로 하여금 상기 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너(100)의 조작 및 캘리브레이션(calibration)을 위한 안내메시지를 제공하고, 상기 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너(100)의 동작을 제어하며, 상기 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너(100)로부터 수신되는 영상신호를 분석하여 3차원 영상을 생성하고, 복수의 3차원 단위영상을 결합하여 온전한 3차원 영상을 생성한다. 이와 같은 동작은 컴퓨터 프로그램을 기반으로 수행될 수 있다.

이와 같은 상기 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너(100)는 다음과 같이 동작한다. 상기 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너(100)를 상기 사용자 컴퓨터(120)에 연결한 다음 프로그램을 구동한 상태에서, 사용자는 캘리브레이션(calibration) 작업을 수행한다. 캘리브레이션(calibration)이 완료된 상태에서, 사용자는 상기 치과용 3D 이미징(Imaging) 스캐너(100)의 전단부를 피사체에 근접시킨 상태에서 스위치를 누르게 되면 촬영 및 영상신호 전송이 이루어지도록 한다. 그리고 방향을 바꾸어가면서 촬영 및 영상신호 전송을 반복하면서 피사체의 3차원 영상 이미지를 구현한다.

치과용 3차원 이미징 방법의 실시 예

다음은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 치과용 3차원 이미징 방법에 대해 도1 내지 도8을 참조하여 설명하기로 한다.

먼저, 매트릭스 형태로 배열된 초소형 거울이 신호에 따라 반사 각도를 조절하여 픽셀(pixel)의 밝기를 조절하는 DMD 칩(10)을 이용하여 광원을 발생하는 픽셀(pixel)의 패턴을 형성한다.

그 다음, 상기 DMD 칩(10)에 형성된 패턴의 픽셀(pixel) 수만큼 R,G,B 광을 동시에 순차적으로 발생한다.

그 다음, 상기 DMD 칩(10)에서 출사하는 R,G,B 광을 제1아크로매틱 렌즈(20)를 통해 하프 미러(30)로 집광하고, 상기 하프 미러(30)에서 입사하는 광을 색수차 렌즈(40)로 출사한다.

그 다음, 상기 색수차 렌즈(40)에서 입사하는 광을 빛의 파장에 따른 굴절률의 차이에 의해 상의 위치 및 크기가 다른 색수차의 R,G,B 광으로 분산하여 반사경(50)으로 출사한다.

그 다음, 상기 반사경(50)에서 색수차의 R,G,B 광을 피사체로 반사한다. 이때, 상기 피사체로 반사된 색수차의 R,G,B 광이 상기 피사체에 부딪히면서 반사되어 상기 반사경(50)으로 입사된다.

그 다음, 상기 반사경(50)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 상기 색수차 렌즈(40)로 반사하고, 상기 색수차 렌즈(40)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 상기 하프 미러(30)로 분사하여 집광한다.

그 다음, 상기 하프 미러(30)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 제2아크로매틱 렌즈(60)로 반사하고, 상기 제2아크로매틱 렌즈(60)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 이미지 센서로 집광한다.

그 다음, 상기 이미지 센서에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 전기적 영상신호인 R,G,B 스캔데이터로 변환한다.

그 다음, 상기 사용자 컴퓨터(120)에서 상기 이미징 센서로부터 제공되는 R,G,B 스캔데이터들을 비교하여, 빛의 파장에 따라 초점의 빛이 제일 강한 초점의 R,G,B 스캔데이터들만을 조합하여 피사체에 대한 3차원의 컬러 이미지 영상을 생성 및 저장하고, 생성된 3차원의 컬러 이미지 영상을 모니터 화면을 통해 실시간으로 나타낸다.

그 다음, 상기 DMD 칩(10)에 형성된 패턴의 제일 처음 포인트(화소)부터 시작하여 마지막 포인트(화소)가 될 때까지 상기의 과정들을 순차적으로 수행하면서 피사체를 스캐닝하고 스캐닝 한 3차원 영상 데이터를 센싱 및 저장하고 모니터 화면을 통해 실시간으로 표시한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 치과용 3차원 이미징 방법 및 그 시스템은 DMD(Digital Micromirror Device) 칩의 광원과 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration)의 색수차 원리를 이용하여 정밀도가 우수한 치아(tooth)의 3차원 컬러(color) 이미징(Imaging) 영상을 구현함으로써, 본 발명의 기술적 과제를 해결할 수가 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시 예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1 : 광(Light)
2 : 치아(tooth), 피사체
10 : DMD(Digital Micromirror Device) 칩 또는 광원
11 : 거울(mirror) 또는 화소(pixel)
20 : 제1아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens)
30 : 하프 미러(Half mirror)
40 : 색수차 렌즈(Lens in chromatic aberration)
50 : 반사경(Mirror)
60 : 제2아크로매틱 렌즈(Achromatic Lens)
70 : CCD(Charge-Coupled Device) 컬러(color) 이미지 센서
80 : CCD(Charge-Coupled Device) 그레이(gray) 이미지 센서
90 : 창(Window)
100 : 치과용 3차원 이미징 스캐너
110 : 케이블
120 : 사용자 컴퓨터(PC)
130 : 모니터

Claims

3차원 이미징 스캐너(100)의 하우징(101);
상기 하우징(101) 내에 설치되며, 피사체에 조사하기 위한 R,G,B 광을 동시에 발생하는 광원;
상기 하우징(101) 내에서 상기 광원과 하프 미러(30) 사이에 배치되며, 상기 광원에서 발생된 R,G,B 광을 상기 하프 미러(30)로 집광하는 제1아크로매틱 렌즈(20);
상기 하우징(101) 내에서 상기 제1아크로매틱 렌즈(20)와 색수차 렌즈(40) 사이에 배치되며, 상기 제1아크로매틱 렌즈(20)를 통과한 R,G,B 광을 상기 색수차 렌즈(40)로 전달하고, 상기 색수차 렌즈(40)를 통해 입사되는 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 제2아크로매틱 렌즈(60)로 반사시키는 하프 미러(30);
상기 하우징(101) 내에서 상기 하프 미러(30)와 반사경(50) 사이에 배치되며, 상기 하프 미러(30)를 통해 R,G,B 광을 입사하여 빛의 파장에 따른 굴절률의 차이에 의해 상(초점)의 위치 및 크기가 다른 색수차의 R,G,B 광을 분산하여 반사경(50)으로 집광하고, 반사경(50)을 통해 입사되는 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 분산하여 상기 하프 미러(30)로 집광하는 색수차 렌즈(40);
상기 하우징(101) 내에서 상기 색수차 렌즈(40)와 피사체 사이에 배치되며, 상기 색수차 렌즈(40)를 통과한 색수차의 R,G,B 광을 피사체의 방향으로 반사시키고, 상기 피사체에서 반사되는 색수차의 R,G,B 반사광을 상기 색수차 렌즈(40)로 반사시키는 반사경(50);
상기 하우징 내에서 상기 하프 미러(30)와 이미지 센서 사이에 배치되며, 상기 하프 미러(30)를 통해 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 이미지 센서로 집광하는 제2아크로매틱 렌즈(60); 및
상기 하우징 내에서 상기 제2아크로매틱 렌즈(60)의 전방에 설치되며, 상기 제2아크로매틱 렌즈(60)를 통해 집광된 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 전기적 영상신호인 R,G,B 스캔데이터로 변환하여 3차원 영상으로 센싱 및 저장하는 이미지 센서;를 포함하는,
치과용 3차원 이미징 시스템.
제1항에 있어서,
상기 광원은 DMD(Digital Micromirror Device) 칩(10) 또는 R,G,B LED로 구성되고,
상기 이미지 센서는 CCD(Charge-Coupled Device) 컬러(color) 이미지 센서(70) 또는 CCD(Charge-Coupled Device) 그레이(gray) 이미지 센서(80) 또는 CMOS 센서로 구성된,
치과용 3차원 이미징 시스템.
제1항에 있어서,
상기 치과용 3차원 이미징 시스템은,
상기 이미지 센서에서 제공되는 R,G,B 스캔데이터들을 비교하여, 빛의 파장에 따라 빛이 제일 강한 초점의 R,G,B 스캔데이터들만을 조합하여 피사체에 대한 3차원의 컬러 이미지 영상을 생성 및 저장하고, 스캐닝 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 사용자 컴퓨터(120);
상기 사용자 컴퓨터(120)에서 생성된 피사체의 3차원 영상을 화면을 통해 출력하는 모니터(130);를 더 포함하는,
치과용 3차원 이미징 시스템.
(a) 매트릭스 형태로 배열된 초소형 거울이 신호에 따라 반사 각도를 조절하여 픽셀(pixel)의 밝기를 조절하는 DMD 칩(10)을 이용하여 광원을 발생하는 픽셀(pixel)의 패턴을 형성하는 단계;
(b) 상기 DMD 칩(10)에 형성된 패턴의 픽셀(pixel) 수만큼 R,G,B 광을 동시에 순차적으로 발생하는 단계;
(c) 상기 DMD 칩(10)에서 출사하는 R,G,B 광을 제1아크로매틱 렌즈(20)를 통해 하프 미러(30)로 집광하는 단계;
(d) 상기 하프 미러(30)에서 입사하는 광을 색수차 렌즈(40)로 출사하는 단계;
(e) 상기 색수차 렌즈(40)에서 입사하는 광을 빛의 파장에 따른 굴절률의 차이에 의해 상의 위치 및 크기가 다른 색수차의 R,G,B 광으로 분산하여 반사경(50)으로 출사하는 단계;
(f) 상기 반사경(50)에서 색수차의 R,G,B 광을 피사체로 반사하는 단계;
(g) 상기 피사체로 반사된 색수차의 R,G,B 광이 상기 피사체에 부딪히면서 반사되어 상기 반사경(50)으로 입사하는 단계;
(h) 상기 반사경(50)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 상기 색수차 렌즈(40)로 반사하는 단계;
(i) 상기 색수차 렌즈(40)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 상기 하프 미러(30)로 분사하여 집광하는 단계;
(j) 상기 하프 미러(30)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 제2아크로매틱 렌즈(60)로 반사하는 단계;
(k) 상기 제2아크로매틱 렌즈(60)에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 이미지 센서로 집광하는 단계;
(l) 상기 이미지 센서에서 피사체에서 반사된 색수차의 R,G,B 반사광을 전기적 영상신호인 R,G,B 스캔데이터로 변환하는 단계;
(m) 상기 이미지 센서에서 제공되는 R,G,B 스캔데이터들을 비교하여, 빛의 파장에 따라 초점의 빛이 제일 강한 초점의 R,G,B 스캔데이터들만을 조합하여 피사체에 대한 3차원의 컬러 이미지 영상을 생성 및 저장하는 단계;
(n) 상기 생성된 3차원의 컬러 이미지 영상을 모니터 화면을 통해 나타내는 단계; 및
(o) 상기 (b)∼(n) 단계를 패턴의 제일 처음 포인트(화소)부터 시작하여 마지막 포인트(화소)가 될때까지 순차적으로 수행하면서 피사체를 스캐닝하고, 스캐닝 한 3차원 영상 데이터를 센싱 및 저장하고 모니터 화면을 통해 실시간으로 표시하는 단계;를 포함하는,
치과용 3차원 이미징 방법.