[发明专利]聚焦扫描设备

说明书

本申请是申请号为201080027248.7、申请日为2010年6月17日、发明名称为“聚焦扫描设备”的PCT国际发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于表面的光学3D扫描的装置和方法。本发明的装置和方法的原理可以在各种环境中应用。本发明的一个具体实施例特别适合于口内扫描，即直接扫描口腔内的牙齿及周围的软组织。本发明的其他关于牙齿的实施例适合于扫描牙印模、石膏模型、蜡咬模、假牙修复和基牙。本发明的另一个实施例适合于扫描人耳或耳道印模的内部和外部部分。本发明可能发现了在皮肤病学或美容/整容应用中的皮肤3D结构的扫描、珠宝或整个珠宝或珠宝的一部分的蜡模的扫描、工业零件的扫描和平均时间分辨的3D扫描(例如运动的工业零件的时间分辨3D扫描)的用途。

背景技术

本发明涉及物体表面几何形状的三维(3D)扫描。在3个维度上扫描物体表面是众所周知的研究领域并且用于扫描的方法可分成接触和非接触方法。接触测量方法的实例是坐标测量机(CMM)，其通过让接触探头追踪表面来进行测量。优点包括精确度很高，但过程慢并且CMM大且昂贵。非接触测量方法包括x射线和光学探头。

共焦显微镜方法是一种光学成像技术，其用来增大显微照片对比度和/或通过利用空间针孔重建三维图像以消除比焦平面厚的样品中的离焦光或光斑。

共焦显微镜利用探测器前面的光学共轭面中的针孔和点照明以消除离焦信息。仅仅焦平面内的光能被检测到。由于在共焦显微术中每次仅仅照亮一个点，所以2D成像需要光栅扫描，3D成像需要在一系列焦平面内的光栅扫描。

在WO 00/08415中，通过用多个照明光点照亮表面来应用共焦显微术的原理。通过改变焦平面，能确定表面的准确对焦特定光点的位置。然而，表面构造的确定局限于被光点照亮的表面部分。

WO 2003/060587涉及显微术中样本的光学分割，其中用照明图案照亮样本。通过表征图案的振荡分量来确定图像平面的焦点位置。然而，仅仅能通过使样本和光学系统相对于彼此移动，即使得它们彼此靠近或远离，来调节焦平面。因而，焦平面的受控震动要求在样本和光学系统之间有受控的空间关系，该空间关系在显微镜中被满足。然而，这种受控的空间关系不适宜于例如手持式扫描器。

US 2007/0109559A1描述了一种聚焦扫描器，其中由聚焦透镜的位置找出距离，在聚焦透镜的所述位置上观察到入射到被扫描物体上的光束的最大反射强度。与本文公开的发明对比，该现有技术没有采用照明图案的预定测量，并且没有采用对比度检测，因此信噪比不是最佳。

在WO2008/125605中，描述了用于产生时变图案的装置，该图案由交替的双像构成。该文献描述了一种借助两个不同的照明分布，例如相反相位的两个图案获得扫描物体的光学切面的扫描方法。这两个图像用来提取光学切面，而且该方法局限于从仅仅两个不同的照明分布来获得图像。此外，该方法依赖于确定两个照明分布之间的相位偏移的预定校准。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供可以整合到易管理的外壳，例如手持外壳中的扫描器。本发明的又一个目的是：区分离焦的信息并且提供快速的扫描时间。

这通过用于获得和/或测量物体的至少一部分表面的3D几何形状的一种方法和扫描器而实现，所述扫描器包括：

-至少一个容纳感测器元件阵列的照相机，

-用于产生整合空间图案的探测光的装置，

-用于将探测光向物体传输的装置，从而利用一种或多种构形的所述图案照明物体的至少一部分，

-用于传输从物体返回到照相机的光的至少一部分的装置，

-用于改变物体上的图案的焦平面的位置，同时保持扫描器与物体的固定空间关系的装置，

-用于从所述感测器元件阵列获得至少一个图像的装置，

-用于在每个焦平面位置估计至少一个图像像素和加权函数之间的相关度的装置，其中加权函数基于空间图案的构形信息而确定，

-数据处理装置，用于：

a)通过相关度的分析确定下列对象的准确对焦位置：

-对于一系列焦平面位置，多个图像像素中的每一个，

-对于一系列焦平面位置，多个图像像素组中的每个组，和

b)将准确对焦数据转换成3D真实世界坐标。