KR101859836B1 - 삼각측량식 3차원 치아 이미지 획득 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 치과 치료용으로 치아 형상을 스캐닝하여 이미징 함에 있어서, 좀 더 간편한 방식으로 정확한 이미지 데이터를 얻을 수 있는 방법 및 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 크로마틱 렌즈를 사용한 삼각측량식 치아 이미지 획득 방법을 제공하였다.
즉, 본 발명은, LED 광원을 통해 R, G, B 광이 패턴이 장착된 렌즈를 통과하고 다시 크로마틱 렌즈를 통과하여 치아에 도달하도록 하고, 치아에서 반사되는 광을 다시 크로마틱 렌즈를 통과시켜 CCD 카메라에 이미지를 수집함으로써 하나의 패턴으로 수집되는 한 장의 이미지를 통하여 3차원 정보를 얻을 수 있게 하여 신속하고 간편하게 정확한 이미지 데이터를 얻을 수 있게 하였다.

Description

삼각측량식 3차원 치아 이미지 획득 방법 및 시스템{TRIANGULATION 3D DENTAL INTRA-TOOTH IMAGE SCANNING METHOD AND SYSTEM}

본 발명은 치과 치료용 3차원 치아 이미지 획득 방법 및 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 보철치료 시 치아 형상을 3차원 이미지로 획득하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

종래에는 일반적인 보철 치료를 위해 충치로 인한 캐비티에 직접 석고모형을 본뜨기 위해 레진 등을 넣어 캐스팅을 제작하였다. 이러한 방법은 이른바 로스트왁스 캐스팅법이라 불리우며, 감염우려와 더불어 치아에 잘 맞지 않는 경우가 발생하는 문제가 있다. 그에 따라 최근에는 치아형상을 3차원 이미지로 스캔하여 이미지 정보를 얻고 그에 따라 CAD/CAM 기술을 이용하여 보철물을 제작한다.

대한민국 등록특허 10-1628730호는 본 발명자에 의해 발명되고 본 출원인에 의해 출원 및 등록된 것으로, 공초점 방식(confocal system)에 의하여 치아 형상을 스케닝(scanning)하여 이미징 함에 있어서, 색수차(chromatic aberration)를 이용하여 단축된 거리를 스캔할 수 있도록 하고 있다.

상기 공보 기술에 따르면, 색수차를 이용하지 않는 이전 기술에 비해 시스템이 간단하고 이미지 획득을 좀 더 간편하고 정확하게 할 수 있지만, 이미지 스캐닝 작업은 여전히 방대한 양을 이루고 있다.

도 2는 공초점 방식(confocal system)의 치아 이미지 스캔닝 시스템이다. 이러한 공초점 방식에 따르면, 치아의 어느 한 평면에만 초점이 맺히게 된다. 따라서 치아의 3차원 이미지를 얻기 위해서는 초점면(focal plane)을 이동시키기 위하여 상당한 구간 스캐닝을 할 필요가 있다. 스케닝 동안 각 초점면에서 취득된 방대한 양의 이미지 프로세싱을 해야 된다. 또한 광학 시스템의 스캐닝은 구동설비를 요하고 스캔 구동에 대해 높은 정밀도와 안정성을 구비한 상태로 제어할 수 있어야 한다는 점에서 어려움이 따른다.

도 2의 경우, 대물렌즈는 아크로마틱(achromatic) 렌즈와 크로마틱(chromatic)렌즈를 선택할 수 있음을 보여준다. 아크로마틱 렌즈를 사용하는 기존 방법에 비하여 크로마틱 렌즈를 적용하여 스캔 거리를 초점 깊이 방향으로 현저하게 줄일 수 있다 하더라도, 3차원 이미지를 얻기 위해서는 여전히 일정 구간을 스캐닝 하여야 한다는 점에서 같은 문제를 지닌다.

따라서 본 발명의 목적은 치과 치료용으로 치아의 3차원 이미지를 얻는 방식에 있어서, 좀 더 간편한 방식으로 정확한 이미지 데이터를 얻을 수 있는 방법 및 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 삼각측량식 치아 이미지 획득 방법을 제공하였다.

즉, 본 발명은, LED 광원을 통해 R, G, B 광이 패턴이 장착된 렌즈를 통과하고 다시 크로마틱 렌즈를 통과하여 치아에 도달하도록 하고, 치아에서 반사되는 광을 다시 크로마틱 렌즈를 통과시켜 CCD 카메라에 이미지를 수집함으로써 하나의 패턴으로 수집되는 한 장의 이미지를 통하여 3차원 정보를 얻을 수 있게 하여 신속하고 간편하게 정확한 이미지 데이터를 얻을 수 있게 하였다.

즉, 본 발명은,

R, G, B를 포함한 광원;

상기 광원으로부터 출사 되는 빔을 집속하는 집속 렌즈;

상기 집속 렌즈에 접하여 설치되는 패턴;

상기 집속 렌즈와 패턴을 통과한 빔을 색 분리하는 제1 크로마틱 렌즈;

상기 제1 크로마틱 렌즈로부터 서로 다른 초점 거리를 가지고 분리되는 R, G, B 빔을 반사시켜 빔의 경로를 치아 쪽으로 향하게 하는 미러;

상기 미러에 의해 치아에 입사된 빔이 치아로부터 반사되어 다시 상기 미러를 통해 반사되어 진행하는 경로에 배치되는 제2 크로마틱 렌즈;및

상기 제2 크로마틱 렌즈를 통과한 빔의 경로 상에 배치되어 치아 이미지 데이터를 수집 및 저장하는 카메라;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각측량식 3차원 치아 이미지 획득 시스템을 제공한다.

상기에 있어서, 상기 광원은, R, G, B를 평면에 모두 배치한 2차원 면광원이고, 집속렌즈를 통과시켜 R, G, B 모두가 중첩된 영역만을 남기고 다른 영역은 차단하는 차단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각측량식 3차원 치아 이미지 획득 시스템을 제공한다.

상기에 있어서, 상기 패턴은 면을 이루며, 다수의 원, 삼각형, 사각형, 다각형을 구비하거나 메쉬로 이루어지는 것을 특징으로 하는 삼각측량식 3차원 치아 이미지 획득 시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면, 패턴을 이용하기 때문에 한 장의 이미지를 통해 치아의 3차원 형상 정보를 얻을 수 있어 공초점 방식에 비해 스캔 구동을 요하지 않아 훨씬 빠르고 간편하고 정밀하게 치아의 3차원 형상 정보를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 크로마틱 렌즈를 이용하기 때문에 아크로마틱 렌즈를 사용하는 경우에 비해 초점 깊이(Depth of focus)가 깊어 굴곡에 따른 치아 이미지를 충분히 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명을 설명하기에 앞서 색지움 렌즈인 아크로마틱 렌즈(achromatic lens)와 색을 분리 도시하는 색 렌즈인 크로마틱 렌즈(chromatic lens)에 따른 빛의 현상을 설명하는 모식도이다.
도 2는 공초점방식의 그림으로 아크로마틱과 크로마틱 대물렌즈를 사용하여 치아 형상을 설명하는 구성도이다.
도 3은 아크로마틱 렌즈와 크로마틱 렌즈에 의한 치아 형상 스캔에 대한 차이점을 설명하는 모식도이다.
도 4는 크로마틱 렌즈들과 RGB를 포함한 LED 광원을 이용하여 색에 따른 초점심도를 설명한 간단한 삼각측량식 원리를 보여주는 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 삼각측량식 치아 이미지 획득 시스템의 구성을 보인 광학시스템 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따라 RGB LED 칩을 광원으로 사용할 경우, 유용한 시야(FOV:Field Of View)를 설명하기 위한 도해도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명을 설명하기에 앞서 색지움 렌즈인 아크로마틱 렌즈(achromatic lens)와 색을 분리 도시하는 색 렌즈인 크로마틱 렌즈(chromatic lens)에 따른 빛의 현상을 설명하는 모식도이다. 아크로마틱 렌즈의 경우, 빛이 입사되면, 파장에 관계없이 모두 동일하게 집속 되어 같은 초점 거리를 갖게 된다(좌측). 그러나 크로마틱 렌즈에 빛이 입사되면 파장 대역별로 촛점 거리가 달라 색 분리현상이 일어난다(우측). 파장 순으로 R, G, B가 초점을 맺으며, 파장이 긴 적색이 초점 거리가 가장 길다. 이와 같이 크로마틱 렌즈에 의해 파장 별로 촛점 거리가 달라 색 분리되는 현상은 빛으로 특정 구간을 스캔해야 할 경우, 스캔 거리를 단축시켜 주는 역할을 할 수 있다. 즉, 도 2와 도 3에 나타낸 바와 같이 크로마틱 렌즈로 구성한 치아 스캔 시스템에서 그러한 역할이 빛을 발하고 있음을 알 수 있다.

도 2는 크로마틱 렌즈를 사용하여 치아 형상을 스캔하는 것을 설명하는 구성도이다. 충치 보철을 위해 몰딩을 직접적으로 캐비티에 넣어 만들지 않고 캐비티 내부를 빛으로 스캔하여 이미지 정보를 획득한 다음 이를 기반으로 정교한 보철물을 만들 때 이와 같은 광학 시스템을 사용할 수 있다. 여기서 광원으로 RGB를 모두 구비한 2차원 평면 광원을 사용한다. 집속렌즈, 하프 미러, 크로마틱 렌즈, 미러, 또 다른 집속렌즈 및 CCD 카메라가 구성 성분이다. 빛은 집속렌즈를 통과한 다음 하프 미러를 통과하고 직진 광선은 크로마틱 렌즈를 거쳐 RGB가 서로 다른 초점 거리로 분리된 상태에서 미러를 통해 치아 쪽으로 빛의 경로가 변경되어 치아 캐비티를 스캔한다. 반사된 빛이 다시 크로마틱 렌즈를 거쳐 하프 미러에서 반사되어 집속렌즈로 집속되고 CCD 카메라에 이미지가 수집된다. 이때, 치아의 형상 또는 치아 캐비티가 갖는 깊이에 해당하는 길이만큼 빛을 스캔하여야 필요한 치아 형상에 대한 이미지 데이터를 얻을 수 있다. 따라서 일정한 초점 거리를 갖는 빛에 대해 필요한 만큼의 거리를 스캔 이동시켜야 한다. 정밀한 데이터를 요하기 때문에 스캔 구동 또한 매우 정밀하게 실시되어야 한다. 이러한 점에서 스캔 구동은 기계적인 구성에 대한 부담이 크다고 할 수 있다.

도 3은 아크로마틱 렌즈와 크로마틱 렌즈에 의한 치아 형상 스캔에 대한 차이점을 설명하는 모식도이다. 아크로마틱 렌즈에 의한 경우, 하나의 초점 거리를 갖기 때문에 치아 형상을 스캔하기 위해 스캔해야 하는 이동 거리 전체를 스캔하도록 기계적인 구동을 실시해야 할 것이다. 그러나 크로마틱 렌즈를 사용하면, RGB 각각 분리되어 서로 다른 초점 거리를 갖기 때문에 그 초점 거리의 간격만큼 이미 스캔된 효과를 얻게 된다. 즉, 만일 원하는 치아 이미지가 RGB 각각의 초점 거리 간격 이내라면 스캔 구동을 하지 않고도 원하는 모든 이미지를 얻을 수 있다. 도 3의 우측은 그러한 예에 해당한다. 원하는 치아 이미지가 R과 B의 초점 거리 사이의 간격보다 길다면 추가적인 스캔 구동을 해야 할 것이다. 그러나 이러한 경우에도 아크로마틱 렌즈에 의한 경우에 비해 스캔 구동의 길이는 훨씬 더 단축된다.

상기에서 스캔 동작은 광학계에 대해서 실시될 수도 있지만 대상체인 치아가 스캔 구동될 수도 있다.

크로마틱 렌즈를 이용한 스캔용 광학 시스템을 도 4에 도시하였다. RGB를 포함한 광원을 크로마틱 렌즈로 색 분리하여 초점 깊이가 길어진 효과를 얻으며, 미러나 다른 물체에 반사시킨 후 다시 크로마틱 렌즈로 집속하여 CCD 카메라로 수집하면 초점 깊이에 해당하는 만큼의 이미지 데이터를 얻을 수 있다.

이러한 크로마틱 렌즈의 특성과 함께 패턴을 활용하여 구성한 삼각측량식 치아 이미지 획득 시스템을 도 5에 나타내었다.

삼각측량식 치아 이미지 획득 시스템은, RGB를 포함한 LED 광원(100), 패턴을 구비한 렌즈(200), 제1 크로마틱 렌즈(300), 미러(400), 제2 크로마틱 렌즈(500) 및 CCD 카메라(600)로 구성된다. 도 2와 달리 도 5에서는 패턴을 포함하고 있으며, 크로마틱 렌즈를 두 개 포함한다. 도 5에 따른 삼각측량식 치아 이미지 획득 시스템은 다음과 같이 치아 이미지를 획득한다.

광원(100)에서 출사된 빛은 패턴을 구비한 렌즈(200)를 통과한다. 패턴은 면을 이루며, 다양한 형상일 수 있다. 즉, 다수의 원, 삼각형, 사각형, 다각형 등을 구비하거나 메쉬로 이루어질 수 있다. 이러한 패턴을 집속 렌즈(200)의 전방(빛이 진행하는 방향 기준)에 배치한다. 패턴의 배치는 패턴 필름의 부착 등으로 실시될 수 있다. 패턴을 구성하는 개별 도형의 크기 내지 메쉬의 개구부 크기는 직경 100 내지 200um 수준으로 구성될 수 있다.

이러한 패턴을 배치함으로써 치아 형상에 대해 한 번의 빛의 조사(助射)로 많은 이미지 데이터를 얻을 수 있기 때문에 필요로 하는 치아 이미지를 스캔 없이 얻을 수 있다. 패턴을 거친 빛은 제1 크로마틱 렌즈(300)를 거치면서 색 분리에 의해 초점깊이가 확대된다. 크로마틱 렌즈에 의하여 초점 깊이는 15mm 정도(10~20mm)가 되어 스캔 구동 없이 치아에 대해 초점 방향으로 충분한 이미지 획득을 가능케 한다. 그 원리에 대해서는 도 3 내지 도 4에서 충분히 설명하였다.

색 분리에 의해 초점 깊이가 확대된 빛은 미러(400)에 의해 경로를 바꾸어 치아에 입사된다. 치아 캐비티 형상 이미지를 얻고자 하는 것이므로, 그에 맞추어 미러(400)를 조정하여 빛을 캐비티 내로 입사시킨다. 이때, 상술한 바와 같이 RGB 각각의 빛이 초점 깊이 방향으로 분리된 상태에서 패턴에 의해 2차원적으로도 분산된 빛이 치아 캐비티에 입사하므로 광학계를 스캔 구동하지 않고도 단번에 매우 많은 이미지 데이터를 획득할 수 있다.

즉, 본 발명의 삼각측량방식에 따르면, 패턴의 적용과 크로마틱 렌즈의 적용에 의해 광학 시스템의 스캔 구동 없이 단지 빛을 조사하는 한 번의 촬영으로 원하는 이미지 데이터 전부를 획득할 수 있기 때문에 구성이 간소화될 수 있으며 정확한 이미지를 얻을 수 있다. 따라서 공초점 방식에 의하는 경우와 달리 광학 시스템의 스캔 구동 장치를 구성할 필요가 없다.

치아로부터 다시 반사된 빛은 미러(400)로 향하고 미러(400)에서 반사되어 제2 크로마틱 렌즈(500)를 통과한다. 도 5에서 설명한 바와 같이, 제2 크로마틱 렌즈(500)를 통해 색 분리된 빔들이 CCD 카메라(600)에 이미지 데이터를 제공하여 저장된다. 즉, 본 발명에 따르면, 패턴 사용과 더불어 크로마틱 렌즈의 배치를 통해 광학계 또는 대상체인 치아의 스캔 구동 없이 필요한 치아 부분에 대한 광범위한 영역에 대해 많은 양의 이미지 데이터를 획득할 수 있다.

또한, 상기에서 카메라는 고기능성 CMOS 이미지 센서로 대체될 수도 있다.

본 발명에서는 RGB가 모두 하나의 칩에 평면적으로 배열된 LED 광원을 사용한다.

도 6은 본 발명에 따라 RGB LED 칩을 광원으로 사용할 경우, 유용한 시야(FOV:Field Of View)를 설명하기 위한 도해도 이다. 2차원 평면으로 RGB가 모두 배열된 LED 광원에 의해 3색이 모두 혼합된 부분을 FOV로 표시하였다. 즉, RGB가 모두 배열된 2차원 평면 LED 광원을 제1 집속 렌스와 제2 집속 렌즈를 통과시킨 후, 3색이 모두 혼합된 구간만을 남기고 나머지는 차단하는 차단부를 제2 집속 렌즈로부터 일정 거리 떨어진 위치에 배치하여 광원을 구성한다. 도 6의 좌측 하단에는 R, G, B 각각의 광원의 위치를 보였다.

상기에서 광원은 LED로 구성하였으나 다른 것으로 대체될 수도 있다.

또한, 상기 시스템은 치아 캐비티 뿐 아니라 치아 외측면의 형상을 촬영하는 데에도 사용될 수 있다.

이와 같이 하여 치아 형상에 대한 정밀한 이미지 데이터를 얻을 수 있는 삼각 측량식 광학 시스템을 구현할 수 있다.

한편, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 광원
200: 렌즈
300: 제1 크로마틱 렌즈
400: 미러
500: 제2 크로마틱 렌즈
600: 카메라

Claims (3)

1. R, G, B를 포함한 광원;
   상기 광원으로부터 출사 되는 빔을 집속하는 집속 렌즈;
   상기 집속 렌즈에 접하여 설치되는 패턴;
   상기 집속 렌즈와 패턴을 통과한 빔을 색 분리하는 제1 크로마틱 렌즈;
   상기 제1 크로마틱 렌즈로부터 서로 다른 초점 거리를 가지고 분리되는 R, G, B 빔을 반사시켜 빔의 경로를 치아 쪽으로 향하게 하는 미러;
   상기 미러에 의해 치아에 입사된 빔이 치아로부터 반사되어 다시 상기 미러를 통해 반사되어 진행하는 경로에 배치되는 제2 크로마틱 렌즈;및
   상기 제2 크로마틱 렌즈를 통과한 빔의 경로 상에 배치되어 치아 이미지 데이터를 수집 및 저장하는 카메라;를 포함하고,
   상기 패턴은 다수의 개별 도형을 포함하며, 다수의 원형, 삼각형, 사각형, 다각형 또는 메쉬를 포함하여 면을 이루는 패턴인 것을 특징으로 하는 삼각측량식 3차원 치아 이미지 획득 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 광원은, R, G, B를 평면에 모두 배치한 2차원 면광원이고, 집속렌즈를 통과시켜 R, G, B 모두가 중첩된 영역만을 남기고 다른 영역은 차단하는 차단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각측량식 3차원 치아 이미지 획득 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 패턴을 구성하는 개별 도형의 크기 또는 메쉬의 개구부 크기는 직경 100 내지 200um이고, 상기 제1 크로마틱 렌즈에 의하여 형성되는 초점 깊이는 10 내지 20mm로 하여 광학계 또는 대상체인 치아의 스캔 구동없이 3차원 치아 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 삼각측량식 3차원 치아 이미지 획득 시스템.
   
   
   
   

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