用于空间分辨颜色确定的方法和系统以及口腔内扫描仪

技术领域

本发明涉及用于空间分辨颜色确定的方法和用于空间分辨颜色确定的颜色确定系统。

背景技术

如果要利用口腔内扫描仪来在牙齿上实现颜色测量，一方面存在口腔内扫描仪内的安装空间有限并且在壳体内只能布置少量光源(例如用于红色、绿色和蓝色)的问题。即使未来光源变得更强和更小，这一点也不会改变。光源的数量越少，口腔内扫描仪内所需的安装空间就越小。然而，另一方面，最准确的颜色确定需要尽可能多的光源，每个光源具有不同的光波长，以便获得许多波长的颜色测量值。

例如，光谱辐射计是一种测量发射光的不同波长和振幅的光谱仪。然而，这种测量并不是在样品区域上进行空间分辨，而是仅针对进入装置的总光进行分辨。

发明内容

因此，本发明的技术目的是利用尽可能少的光源来执行空间分辨且精确的颜色确定。

该技术目的由根据本文所述的主题解决。

根据第一方面，该技术目的通过一种用于空间分辨颜色确定的方法来解决，该方法包括以下步骤：将具有第一光波长的第一结构光图案投射到牙科物体上；基于反射(reflect)或反光(remit)的第一结构光图案检测第一空间分辨光学参数组；将具有第二光波长的第二结构光图案投射到牙科物体上；基于反射或反光的第二结构光图案检测第二空间分辨光学参数组；以及基于第一和第二空间分辨光学参数组计算在第三光波长处的第三空间分辨光学参数组。该方法还可以基于另外的光波长处的另外的结构光图案来执行，从而进一步提高其在确定第三空间分辨光学参数组方面的准确性。参数组可包括描述牙科物体在表面上的不同位置处的光学特性的一个或多个参数。

该方法实现了可以在任何光波长下获得进一步空间分辨光学参数组的技术优点。通过这种方式，可以计算牙科物体表面上每个位置的完整颜色谱。通过计算空间分辨光学参数组，可以减少光源的数量，因为可以省去在该光波长下的测量。然而，可以高精度地确定空间分辨的颜色值。

在该方法的另一个技术上有利的实施方式中，从第一和第二空间分辨光学参数组外推第三空间分辨光学参数组。这实现了例如可以以简单的方式并且用很少的计算工作来确定第三空间分辨光学参数组的技术优点。如果要在第一和第二光波长的区间之外的小波长间隔处计算第三空间分辨光学参数组，则这是特别有利的。

在该方法的另一个技术上有利的实施方式中，将第三空间分辨光学参数组内插在第一和第二空间分辨光学参数组之间。这实现了例如可以以简单的方式并且用很少的计算工作来确定第三空间分辨光学参数组的技术优点。如果第一和第二光波长之间的间隔较小，则这是特别有利的。

在该方法的另一个技术上有利的实施方式中，基于第一和第二空间分辨光学参数组通过拟合过程来确定第三参数组。通过拟合过程，基于在第一和第二光波长下测量的光学参数来调整取决于光波长的光学参数的一般函数关系，这对于牙科物体是预期的。这实现了例如可以高精度地确定颜色值的技术优点。

在该方法的另一个技术上有利的实施方式中，将预定光谱过程(光谱程序,spectral course)调整至适于第一和/或第二空间分辨光学参数组以获得第三空间分辨光学参数组。例如，可以通过基于第一和/或第二空间分辨光学参数组移动预定光谱过程(spectral course)来获得第三空间分辨光学参数组。这实现了例如可以基于经验测量的过程来确定和调整牙科物体的颜色值的技术优点。

在该方法的另一个技术上有利的实施方式中，预定光谱过程是取决于光的波长的反射率、吸收系数和/或散射系数的过程。这实现了例如使用特别合适的光学参数来进行颜色确定的技术优点。

在该方法的另一个技术上有利的实施方式中，第一和/或第二空间分辨光学参数组分别将一个或多个光学参数分配给牙科物体的表面的位置。表面位置处的光学参数还包括光稍微穿透到牙科物体中的那些参数。这实现了例如了解第一和第二光波长下表面的每个位置的光学参数的技术优点。

在该方法的另一个技术上有利的实施方式中，利用第一光源生成第一结构光图案并且利用第二光源生成第二结构光图案。光源可以由发光二极管或激光二极管形成。光源的带宽越窄，就可以越精确地在各个光波长下确定光学参数。这实现了例如实现光学参数的精确空间分辨确定的技术优点。

在该方法的另一个技术上有利的实施方式中，该方法通过口腔内扫描仪来执行。这实现了例如可以高精度地确定牙齿的空间分辨颜色值的技术优点。

根据第二方面，该技术目的通过一种用于空间分辨颜色确定的颜色确定系统来解决，该颜色确定系统包括：用于将具有第一光波长的第一结构光图案投射到牙科物体上的第一投射装置；用于基于反射或反光的第一结构光图案检测第一空间分辨光学参数组的第一检测装置；用于将第二光波长的第二结构光图案投射到牙科物体上的第二投射装置；用于基于反射或反光的第二结构光图案检测第二空间分辨光学参数组的第二检测装置；以及用于基于第一和第二空间分辨光学参数组计算在第三光波长处的第三空间分辨光学参数组的计算装置。第一和第二投射装置可以在单个投射系统内实现。第一和第二检测装置可以在单个检测系统内实现。该颜色确定系统实现了与根据第一方面的方法相同的技术优点。

在颜色确定系统的技术上有利的实施方式中，颜色确定系统被配置成从第一和第二空间分辨光学参数组外推第三空间分辨光学参数组和/或将第三空间分辨光学参数组内插在第一和所述第二空间分辨光学参数组之间。这还实现了例如由于线性关系可以以简单且快速的方式确定第三参数组的技术优点。

在颜色确定系统的另一个技术上有利的实施方式中，颜色确定系统被配置为将预定光谱过程调整至适于第一和第二空间分辨光学参数组，以便获得第三空间分辨光学参数组。这还实现了例如可以基于经验测量的过程来确定和调整牙科物体的颜色值的技术优点。

在颜色确定系统的另一个技术上有利的实施方式中，颜色确定系统包括用于生成第一结构光图案的第一光源和用于生成第二结构光图案的第二光源。这还实现了例如实现精确的空间分辨颜色确定的技术优点。

根据第三方面，该技术目的通过具有根据第二方面的颜色确定系统的口腔内扫描仪来解决。这实现了口腔内(例如牙齿的)颜色值可以在空间上分辨并准确地确定的技术优势。

附图说明

本发明的示例性实施方式在附图中示出并且在下面更详细地描述，其中：

图1示出了用于牙科物体的空间分辨颜色确定的颜色确定系统的示意图；

图2示出了用于空间分辨颜色确定的方法的框图；和

图3示出了基于两个测量值来校正吸收系数的一般过程的原理。

具体实施方式

图1示出了用于对牙科物体103进行空间分辨颜色确定的颜色确定系统100的示意图。颜色确定系统100包括作为结构光投射仪的投射装置107，其可以将具有不同空间频率和不同光波长的结构光图案101-1和101-2投射到牙科物体103上。投射装置107包括例如微LCD显示器、数字镜装置(DMD)和合适的光学器件。

例如，投射装置107将第一光波长的具有不同空间频率(即，条纹的距离)的结构光图案101-1投射到牙科物体103上。随后，投射设备107将第二光波长的具有不同空间频率的结构光图案101-2投射到牙科物体103上。在这种情况下，第一和第二光波长是不同的。

例如，为了投射结构光图案101-1和101-2，颜色确定系统100可以包括具有各自的光波长的两个光源105-1和105-2。例如，光源105-1和105-2可以由适合于发射具有期望的光波长的光的发光二极管或激光二极管形成。一般而言，还可以使用具有另外的光波长的另外的结构光图案。

一方面，从这些结构光图案101-1和101-2，可以确定牙科物体103的空间形状。为此目的，由检测装置109检测从牙科物体103反射或反光的结构光图案101-1和101-2，检测装置109可以由具有CCD芯片的电子相机形成。通过合适的算法来评估所检测到的反射或反光的结构光图案101-1和101-2的图像，该算法可以由反射或反光的结构光图案的过程来计算牙科物体103的空间形状。为此，利用入射和反射之间的角度进行三角测量。

该算法在数字处理器111上执行。获得的关于牙科物体103的空间形状的数据可以存储在数字存储器中。

另一方面，还可以在用于相应结构光图案101-1和101-2的光的光波长处确定牙科物体103的表面的每个位置处的光学参数。由此，可以获得空间分辨的光学参数组，其指示牙科物体103的表面的每个位置在该光波长下的光学特性。

通过对反光和反射强度幅度和相移进行定量和空间分辨测量，可以通过求解辐射传输理论来确定与光传播相关的基于模型的量，例如反射率、有效散射系数和吸收系数。

一般来说，利用结构光进行颜色测量的想法基于这样一个事实：材料的光学特性可以在空间分辨上计算，即在被照明的材料的表面上计算。在这种情况下，将条纹图案投射到材料上，并用相机测量反光的光。随后，可以通过基于例如求解辐射传输方程的模型计算来计算材料的光学参数。

例如，牙科物体103的一个位置处的光学参数高于牙科物体103的另一位置处的光学参数。该光学参数可以以空间分辨的方式确定，例如根据结构光图案101-1和101-2的反射或反光的条纹的强度。光学参数组则包括例如空间分辨的反射率、吸收和/或散射系数。

如果在第一光波长处的第一空间分辨光学参数组和在第二光波长处的第二空间分辨光学参数组已知，则可以根据这些计算第三光波长处的第三空间分辨参数组。在这种情况下，可以省去利用另一光源105的测量。这减少了颜色确定系统100内的光源105的数量。

此外，为了限制光源105的数量，如果待测量的材料是已知的，即例如天然牙齿，则可以巧妙地选择所使用的光的波长。例如，具有450nm和600nm的光波长的两个结构光图案101-1和101-2可以首先用于确定450nm和600nm处的空间分辨参数组的相应点之间的第一斜率。然后，使用另外两个光波长为520nm和650nm的结构光图案，可以测量反射率曲线中的特征最小值。在这种情况下，四个光源105用于投射相应的结构光图案101。

可以以各种方式精确选择具有合适的光波长的光源105。例如，可以对多种修复材料或牙科材料的光学特性进行检查，以找到可以预期波长谱差异的光的特征波长。然后用所找到的光波长的光来投射结构光图案101-1和101-2。对于所检查的每种修复材料或牙科材料，光的特征波长可以存储在数据库中。然后可以基于数据库和合理的支持点波长来执行要使用的光源105的选择。

此外，可以对尽可能多的体内作为反射光谱测量的光学数据进行评估，以找到特征光波长。根据人们居住的区域，反射光谱具有不同的特征光波长，即不同的平均牙齿颜色。在这种情况下，可以将光源105的光波长调整到相应的区域。

通过这种方式，可以实现空间分辨和精确的颜色测量，因为光谱分辨率(即针对用于结构光投射的颜色的光谱点的数量)足以由空间分辨光学参数组计算牙科物体103表面上的每个位置的尽可能连续的光谱。然后可以将表面上每个位置的连续光谱转换为L*a*b*值。L*a*b*颜色空间(也：CIELAB、CIEL*a*b*、Lab颜色)描述所有可感知的颜色。这使用了其中亮度值L*垂直于颜色平面(a*,b*)的三维颜色空间。

首先，由反射光谱计算X、Y和Z值，然后由其计算L*a*b*：

如果条纹图案101-1和101-2均与特定光学光波长一起使用，则精确地针对该光波长获得空间分辨光学参数组。对其他光波长进行足够多的计算可以在整个可见光谱上产生进一步的空间分辨光学参数组。因此，对于每个位置，可以获得特定的连续光学参数过程。

通过这种方式，在测量反射光谱时获得L*a*b*颜色值，还通过与白色(理想散射体)和黑色(最小反射率)参考直接比较来进行校正。如果吸收和散射系数已知，则绝对不必首先计算反射光谱，然后从中生成L*a*b*颜色值。

图2示出了用于空间分辨颜色确定的方法的框图。在步骤S101中，将具有第一光波长的一个或多个第一结构光图案101-1投射到牙科物体103上。这里，可以使用结构光图案101-1的不同且变化的空间频率，只要结构光图案101-1的光波长保持不变即可。根据被牙科物体103反射的第一结构光图案101-1，可以确定牙科物体103的空间形状。为此目的，算法评估反射或反光的结构光图案101-1中的条纹的过程(course)。

然而，3D几何形状也可以在尽可能短的波长(蓝光)下确定，以将穿透深度保持在最低限度。此外，例如，非周期性图案可用于更好地执行条纹映射。

在步骤S102中，基于从牙科物体103反射或反光的第一结构光图案101-1另外确定第一空间分辨光学参数组。第一空间分辨光学参数组包括例如第一光波长处的反射率、吸收系数和/或散射系数的空间分辨值。因此，结构光方法不仅可以确定牙科物体103的空间形状，还可以确定牙科物体103的表面在第一光波长下的光学参数的分布。至少一个光学参数可以被分配给牙科物体103的表面上的每个位置。各个位置的这些光学参数的总体被包括在第一空间分辨光学参数组中。

在步骤S103中，还使用第二光波长将一个或多个第二结构光图案101-2投射到牙科物体103上。这里，可以使用结构光图案101-2的不同且变化的空间频率，只要条纹图案101-2的光波长保持不变即可。在这种情况下，在与第一光波长不同的光波长下执行测量。根据从牙科物体103反射或反光的第二结构光图案101-2，还可以确定牙科物体103的空间形状。

在步骤S104中，基于从牙科物体103反射或反光的第二结构光图案101-2来确定第二空间分辨光学参数组。从该空间分辨光学参数组，获得牙科物体103的表面在第二波长光下的光学特性的另外分布。第二空间分辨光学参数组包括例如以与第一空间分辨光学参数组相对应的方式在第二光波长下的反射率、吸收系数和/或散射系数的空间分辨值。各个位置的这些光学参数的总体包含在第二空间分辨光学参数组中。

在步骤S105中，基于第一和第二空间分辨光学参数组计算在第三光波长处的第三空间分辨光学参数组。第三空间分辨光学参数组指示光学参数，就好像它是在第三光波长下测量的一样。然而，由于这是计算出来的，因此可以省略用于此目的的光源105的使用。用于计算第三空间分辨光学参数组的方法由计算装置111执行。

这可以以简单的方式完成，例如通过在波长范围内在第一空间分辨光学参数组和第二空间分辨光学参数组之间内插或外推第三光波长。例如，通过内插或外推，可以计算每个波长值的相应光学特性。可以对牙科物体103的表面上的任何位置执行内插或外推。因此，可以获得牙科物体103的表面上的每个位置的连续谱。

例如，从光波长λ1处位置x1、y1和z1处的吸收系数α

在最简单的情况下，这涉及在两个测量的吸收系数α

如果对牙科物体103的表面上的所有位置x、y、z执行该过程，则从第一和第二空间分辨光学参数组获得每个期望的第三光波长处的第三空间分辨光学参数组。于是可以省去该光波长的光源105，从而相应地减少了安装空间。

图3示出了基于两个测量值，即光波长λ1处位置x1、y1和z1处的吸收系数α

为此，可以为例如牙齿指定吸收系数α

例如，预定过程还可以基于先前测量的类似牙科物体103的经验谱或基于在牙科物体103表面上的所有位置处以类似形式针对牙科物体103的类型观察到的主要功能过程。

从吸收系数α

因此，从第一和第二空间分辨光学参数组，可以在任何光波长λ3处计算任何数量的第三空间分辨光学参数组。以这种方式，得到了牙齿表面每个点x、y和z的吸收系数α的完整准连续光谱过程，并且可以获得表面每个点的完整光谱信息。该方法不仅适用于吸收系数α，还适用于其他光学参数。原则上，该方法允许对预先已知光学参数的近似过程的任何物体进行精确的颜色测量。

此外，当使用结构光图案的不同空间频率时，可以获得来自牙科物体103的不同深度的光学信息。利用该信息，可以进一步改进反射率、吸收系数和/或散射系数的确定。

通过这种方法，不仅可以进行颜色特性的点测量，还可以进行二维颜色测量，例如对10x 10mm区域内的多个点进行测量。这意味着可以在任何光波长下计算这些点中每个点的光学参数。因此，对于表面的每个点都可以获得完整且连续的色谱，并且可以以任意小的光谱分辨率获得光学参数。可以省去不完全反射光谱的使用。

在牙齿作为牙科物体103的情况下，牙釉质的半透明度被自动共同确定，因为它只是吸收和散射的固有光学特性的一种表现。牙釉质的吸收和散射特性隐藏在不同空间频率的深度分辨测量中。因此，透明度，也称为半透明度，本质上是共同获知的。除了L*a*b*值之外，半透明度还可用于实现看起来自然的牙科假体。

另一个技术优点是该方法允许与角度相关的测量。由于不同的环境，角度会改变人类牙齿和牙龈的颜色测量。通过将其与牙科物体103的三维数据相结合，可以确定每对空间和颜色数据的角度。由此，结合颜色测量可以获得牙齿的精确数字空间图像。通过测量牙科物体103的三维形貌可以进一步改进计算。

利用空间分辨颜色确定方法，不仅可以在口腔内确定牙齿的光学参数，还可以在口腔外测定牙科修复体诸如贴面、牙冠、牙桥、嵌体或高嵌体的光学参数。还可以通过与数据库中的值进行比较来进行修复体和材料识别。

空间分辨颜色确定方法可以在口腔内扫描仪的可互换附件中执行。光和条纹图案的生成也可以在口腔内扫描仪的可互换附件中进行。可以使用微型LCD显示器在口腔内扫描仪的附件中生成条纹图案。捕获反射或反光的结构光图案的图像可以通过口腔内扫描仪主壳体中的相机芯片来执行。

结合本发明的各个实施方式解释和示出的所有特征可以在本发明的主题中以不同的组合提供，以同时实现它们的有益效果。

所有方法步骤都可以通过适合于执行相应方法步骤的装置来实现。由主题的特征执行的所有功能都可以是方法的方法步骤。

本发明的保护范围由权利要求书给出，而不受说明书中解释的或附图中所示的特征的限制。

附图标记列表

100 颜色确定系统

101 结构光图案

103 牙科物体

105 光源

107 投射装置

109 检测装置

111 计算装置。