紧凑型共焦牙科扫描装置

本申请是申请日为2018年1月11日、国家申请号为201880006862.1的PCT国家阶段申请的分案申请。

交叉引用

本申请要求于2017年1月12日提交的美国临时专利申请第62445663号和2017年12月29日提交的标题为“紧凑型共焦牙科扫描装置(COMPACT CONFOCALDENTAL SCANNINGAPPARATUS)”的美国发明专利申请第15895010号，其通过引用整体并入本文。

以下美国专利申请的全部内容以引用方式并入本文，其程度如同每个单独的出版物或专利申请被具体地和单独地指出援引并入：2015年6月16日提交的标题为“用于牙科共焦成像的装置(APPARATUS FOR DENTAL CONFOCAL IMAGING)”的美国专利申请第14/741,172号，以及2015年8月13日提交的标题为“具有弯曲焦面的共焦成像装置(CONFOCALIMAGING APPARATUS WITH CURVED FOCAL SURFACE)”的美国专利申请第14/825,173号。

援引并入

本说明书中提及的所有出版物和专利申请全文以引用方式并入本文，其程度如同每个单独的出版物或专利申请被具体地且单独地指示为援引并入。

技术领域

本发明一般涉及用于物体的三维(3D)扫描的装置和方法。具体地，本发明涉及用于患者的口腔中的牙齿的三维(3D)扫描的装置和方法。

背景技术

物体的三维扫描在许多临床应用中发挥作用。例如，在牙齿矫正和口腔修复学领域，牙齿的三维(3D)扫描可以为诸如牙齿修复和正畸指示的诊断和治疗提供有价值的信息。共焦3D扫描是可以提供这样的信息的成像技术之一。共焦显微镜可以用于通过照射和观察单个近衍射极限光斑来执行三维扫描，例如，通过使用空间针孔来消除离焦光。可以使用共焦3D扫描来获得没有离焦模糊的图像，并且可以允许物体的三维可视化。已经描述了其他表面拓扑扫描仪，但是其通常相对笨重，并且可能不太舒适或者甚至难以使用。美国专利第8878905号描述了一种使用共焦图案投影技术获得物体的3D几何形状的3D扫描仪。其中公开的3D扫描仪使用随时间变化的图案(或分段光源以等效地创建随时间变化的图案)。当图案在时间上针对固定的焦平面变化时，物体上的焦点对准区域将显示光和暗度的振荡图案。然而，离焦区域将在光振荡中显示较小或没有对比度。

因此，需要开发用于共焦扫描的装置和相关方法，以具有比常规共焦扫描装置更紧凑的尺寸、更轻的重量和更低的成本。

发明内容

本文描述了用于物体的共焦3D扫描的装置和方法，例如，患者的口腔中的牙齿的至少一部分。

例如，本文所描述的是用于对受试者牙齿进行共焦3D扫描的装置。上述装置可以包括共焦照射器，上述共焦照射器被配置为生成对物体的共焦照射。共焦照射器可以包括设置在透明基底上的空间图案和配置为向空间图案提供照射的光源。该装置可以包括光学系统，该光学系统包括一个或多个透镜并且具有光轴。上述装置可包括深度扫描模块，上述深度扫描模块配置为沿着上述光轴可移动。上述装置可进一步包括分束器，上述分束器配置为将上述共焦照射器的光束发射到上述物体且反射从上述物体返回的光束。上述装置可包括图像传感器，上述图像传感器配置为接收通过上述分束器从上述物体返回的光束。该装置可以被配置用于对物体的至少一部分进行3D扫描，例如，用于牙科修复和正畸指示的所有衍生物的口内牙科3D扫描。

通常，用于本文公开的共焦扫描的装置可以包括共焦照射器，例如，LED照射的透明件共焦照射器。通常，该装置可以包括光学系统(包括投影/成像光学器件)，该光学系统被配置成照射物体并对物体成像。光学系统可以包括投影和成像系统或子系统以及照射子系统(照射光学器件)。例如，投影/成像光学系统可以包括光学元件(透镜)和相同的光路。该装置可以包括深度扫描模块，该深度扫描模块可以包括紧凑型线性致动器，例如音圈马达(VCM)。该装置可包括前尖端(front tip)，上述前尖端可包括45度的背加热镜(backheated mirror)。

例如，在分束器与前尖端之间的光学系统的部分可以被配置为足够小以完全被设置在深度扫描模块中。因此，共焦扫描装置可以包括用于成像和深度扫描的单个光机械模块。集成了光学系统和深度扫描模块的单个光机械模块可实现宽松的生产和装配公差以及降低的制造成本。该光学设计适用于LED照射透明件，这进一步实现低成本制造。光学系统可以进一步包括减少数量的透镜，例如，光学系统可以包括少于10个透镜、少于9个透镜、少于5个透镜、少于3个透镜等，在本文上述的任何装置中，光学系统(例如，保护/成像光学系统)可以提供在5倍和20倍之间的(例如，11×)轴向放大率。此外，由于更简单的配置，本文所公开的光学系统可以比传统的共焦光学系统对组件误差和热变化更不敏感。该装置可以包括光学系统，该光学系统被配置用于朝向发散主光线从远心的最大偏离，以用于最小的前尖端尺寸。该装置可以在物体空间(object space)中具有非远心配置，例如，在物体空间中发散共焦光束。

一般来说，上述装置可进一步包括用于共焦结合的偏振光束分束器。该装置可以被配置用于使不变的共焦共轭偏移。该装置可以进一步支撑单片共焦共轭组件。通常，共焦扫描装置可以是紧凑的、轻质的和低成本的。例如，该装置可以比具有相同扫描能力的典型的常规共焦扫描仪更紧凑(例如，2×、3×或4×)和更轻(例如2×或3×)。该装置还可以包括紧凑的高速图像传感器。例如，该装置可以是紧凑的并且被轻质以能够手持。扫描速度可为约5、10、20、50扫描/秒或其间的任何值。例如，扫描速度可以是大约10扫描/秒。

透明基底上的空间图案可以是静态的(例如，不随时间变化)。透明基底可包括透明件。上述分束器可包括偏振敏感分束器，其中上述空间图案和上述透明基底接合到上述分束器的第一侧上，其中上述图像传感器被接合到上述分束器的垂直于上述第一侧的第二侧，以保持上述图像传感器与上述空间图案之间的稳定的相对位置。

例如，共焦照射器可以被配置为使得光源的图像被定位在光学系统的入射光瞳处。上述空间图案可设置在上述图像传感器的共轭平面处，使得对于上述图像传感器而言，上述物体的图像的位置相对于上述空间图案的相对横向偏移是不变的。光学系统的出射光瞳可以被设置用于朝向发散主光线从远心的最大偏离。

光学系统可包括投影子系统和成像子系统，其可组合到投影/成像系统(也称为投影/成像子系统)中，其中投影子系统和成像子系统共享一个或多个透镜以及分束器与物体之间的相同光学路径。

上述装置可进一步包括前尖端。分束器与前尖端之间的光学系统(系统的投影/成像光学器件部分)可以完全集成到深度扫描模块中以作为单个光机械模块。上述前尖端可包括折叠镜，上述折叠镜设置成与上述光轴成45度。深度扫描模块可被配置成作为沿着光轴的单元可移动0.1mm至5mm的范围，并且具有5mm至40mm之间的深度扫描范围(depthscanning range)。前尖端可具有小于20mm的高度。

总体上，本文公开了用于共焦扫描的装置。上述装置可包括照射光学器件，上述照射光学器件包含配置为产生对上述物体的共焦照射的共焦照射器。上述装置还可包括投影/成像光学器件，上述投影/成像光学器件配置为将光(例如，透明图案)投影到物体上且对上述物体成像；投影/成像光学器件可以具有光轴。投影/成像光学器件(光学系统的一部分或子系统)可以包括一个或多个透镜和出射光瞳，该出射光瞳被设置用于朝向发散主光线从远心的最大偏离。上述装置可包括深度扫描模块，上述深度扫描模块配置为沿着上述光轴可移动。上述装置可包括分束器，上述分束器配置为将上述共焦照射器的光束发射到上述物体且反射从上述物体返回的光束。上述装置可进一步包括图像传感器，上述图像传感器配置为接收通过所述分束器从所述物体返回的光束。

本文还描述了用于共焦三维扫描的方法，上述方法可以包括启动被配置为生成对物体进行共焦照射的共焦照射器，上述共焦照射器包括设置在透明基底上的空间图案和配置为向上述空间图案提供照射的光源。该方法可以包括照射空间图案、将图案投影到物体上并且使用包括一个或多个透镜并且具有光轴(例如，投影/成像光学器件)的光学系统来对物体成像。该方法可以包括使用被配置为沿着光轴可移动的深度扫描模块来扫描物体。该方法可以包括通过分束器将来自共焦照射器的光传送到物体(经由投影/成像光学器件)并且使用成像光学器件(例如，再次经由投影/成像光学器件)成像从物体返回的光，并且使用分束器将返回光引导到图像传感器上。

该方法可以包括使用不在时间上变化的透明基底上的一个或多个空间图案。举例来说，上述方法可包括使用空间图案，在该空间图案中将上述透明基底接合到上述分束器的第一侧上的空间图案，其中上述图像传感器被接合到上述分束器的垂直于上述第一侧的第二侧，以保持上述图像传感器与上述空间图案之间的稳定的相对位置。

该方法可以包括在光学系统的入射光瞳处设置光源的图像(在穿过透明图案之后)。举例来说，上述方法可包括在上述图像传感器的共轭平面处设置空间图案，使得对于上述图像传感器而言上述物体的图像的位置相对于上述空间图案的相对横向偏移是不变的。该方法可以包括将光学系统的出射光瞳设置为用于朝向发散主光线从远心的最大偏离。该方法可以包括通过将深度扫描作为单元沿着光轴移动0.1mm至5mm的范围来扫描物体，以具有5mm至40mm之间的深度扫描范围。

如上所述，这里描述的是用于共焦(三维)扫描的手持装置。这些装置(设备、系统等)可以是紧凑的和轻质的，并且可以包括提供减小的斑点噪声的基于LED的发射器。这些装置可以被使用而不需要精确对准(预对准)，其具有约0.5微米或更小的最大对准误差，而不像其中使用点阵列提供共焦成像的其它系统需要精确对准(预对准)，。通过使用连续图案而不是点阵列，可以在不需要这种精确对准的情况下操作本文上述的共焦装置。如本文上述，简单的透明件可替换在其他系统中使用的点阵列。通常，这些装置可能需要比现有技术装置少得多的元件；本文中所描述的装置可消除对以下中一个或多个的需要：激光、颜色捕获辅助照射和光传送热除雾装置。此外，本文上述的装置可具有减小的透镜数量(例如，与现有技术相比需要更少的透镜)。因此，小型投影/成像光学系统可以允许非常紧凑的装置，并且特别地可以与诸如紧凑型音圈马达(VCM)的小型轴向致动器一起使用。

与现有技术装置相比，所得的光学结构可更简单且对组件误差和热变化更加不敏感。另外，这些装置可适用于直接色彩实现，而不需要单独的照射和二向色滤光器。

例如，本文描述的是用于共焦扫描的手持装置，其可以包括：光源(例如，一个或多个LED，包括白光LED和/或光收集器和/或均匀化器)；透明件，上述透明件具有设置在其上并且配置为由上述光源照射的空间图案；分束器(例如，偏振分束器)，其具有第一表面和第二表面以及在上述第二表面上的图像传感器；成像光学系统(其在一些变型中可替代地被称为投影/成像光学子系统)，其包括光学增益和聚焦透镜和出射光瞳，上述成像光学系统具有光轴；尖端前部(例如，中空尖端前部)，上述尖端前部在上述光轴中从上述成像光学系统延伸并且在上述中空尖端前部的远端处包括折叠镜，其中在上述光轴上在上述出射光瞳与上述折叠镜之间不存在光学表面；以及轴向扫描仪，其耦合到上述成像光学系统且配置为相对于上述折叠镜在上述光轴中移动上述成像光学系统。

与现有技术装置不同，投影/成像光学系统可以被配置为相对于扫描视野尺寸，提供投影/成像光学系统与折叠镜之间的主光线的从远心的偏离，该偏离在3度和10度之间。以前认为(参照例如美国专利第8878905号)扫描仪的光学系统应该在被探测物体(被扫描的物体)的空间中基本上是远心的(例如，具有小于3度，优选地比3度小得多的角度)。相比之下，本文中所描述的装置可为非远心的，例如可以从远心偏离预定量(例如，在3度与10度之间，例如8.5度)。本文中所描述的装置的光学设计可具有光源空间，其包含非远心光圈成像，使得整个投影/成像光学器件足够紧凑且轻量以完全轴向平移(例如，通过线性致动器/轴向扫描仪，例如VCM)以促进深度扫描。

例如，本文描述的装置可以包括集成投影/成像光学系统，其由驱动器(诸如VCM的轴向致动器)整体移动。这再次区别于其他配置，在其他配置中单独的聚焦元件(其可以形成成像光学系统的一部分)与成像光学系统的其余部分分开地移动。通常，分束器与中空前尖端之间的整个成像光学系统完全集成到可由轴向扫描仪移动的单个光机械模块中。

在本文上述的任何装置中，透明件可以附接到分束器的第一表面(例如，附接到外表面)和/或可以整体地形成为分束器中的在光轴中/上的表面。透明件上的空间图案可以是静态的或随时间变化的；在一些变型中，空间图案不是随时间变化的。空间图案可以形成在分束器上或作为分束器的一部分，或者可以接合到分束器的第一表面。上述透明件可接合到上述分束器的上述第一表面上，且上述图像传感器接合到上述分束器的垂直于上述第一表面的上述第二表面，以保持上述图像传感器与上述空间图案之间的稳定的相对位置。例如，分束器可以是偏振敏感分束器，并且透明件可以被接合到分束器的第一表面上，并且图像传感器被接合到分束器的垂直于第一表面的第二表面，以保持图像传感器与空间图案之间的稳定的相对位置。

本文中所描述的装置(设备、系统，特别是手持式扫描仪)及方法可以特别适合与使用结构光技术及/或光场技术的三维扫描一起使用。可与这些装置和方法中的任一个一起使用的图案(静态和/或随时间变化)可被配置成通过投影已知图案(例如，网格、线、条(例如水平条)、阵列等)并且分析图案在撞击目标表面时变形的方式来提供结构光成像。上述装置可计算场景中的(一个或多个)物体的深度和表面信息。因此，这些装置中的任一个可以被配置为结构光3D扫描仪(structured light 3D scanners)。在一些变型中，所使用的光的波长可以是不同的，并且可以应用对应于不同波长的不同的光图案。例如，可以使用可见光和/或红外光。这些装置中的任一个可以被配置为“不可见的”或“不可察觉的”结构光装置，其中在不干扰不同频率下的成像的情况下，结构光被同步地或同时地使用。例如，在两个不同图案之间交替的红外光和可见光可以在高(包括极高)帧速率下被施加和检测。图案可以是互补的或相反的(例如，其中以第一图案中的暗区域在第二图案中被照射)。可替代地或在红外光之外使用不同波长的可见光。

本文中所描述的方法和装置还可以被配置为光场技术，或替代地配置为光场技术。光场成像(例如，光照成像(plentoptic imaging))可以捕获关于从场景发出的光场的信息。例如，场景中的光的强度以及光线在空间中行进的方向。本文中所描述的装置及方法中的任一者可包含微透镜阵列(例如，设置于一或多个图像传感器前方)以感测强度、色彩及方向信息。在这些装置中的任一者中，微透镜阵列可定位在主透镜的焦平面之前或之后。可替换地或附加地，可以使用掩模(例如，印刷膜掩模)。图案化的掩模可以衰减光线而不是使它们弯曲，并且该衰减可以重新编码2D传感器上的光线。因此，该装置可以以全传感器分辨率聚焦和拍摄常规的2D照片，而原始像素值还保持调制的4D光场。可以通过将传感器值的2D傅里叶变换的图块重新设置为4D平面并且计算逆傅立叶变换来恢复光场。可以为场景的对焦部分恢复全分辨率图像信息。可将宽带掩模设置在透镜处，以允许针对包括特定波长(例如近IR)的一些表面(例如，漫反射表面)计算全传感器分辨率下的重对焦图像。一般来说，光场信息可用于估计来自图像的三维(例如，深度)信息。

在本文中所描述的装置中的任一者中，上述装置可配置为使得上述光源的图像定位于上述投影/成像光学系统的入射光瞳处。入射光瞳可以是投影/成像光学系统的一部分，或者可以在投影/成像光学系统和分束器之间，或者其可以与投影/成像光学系统分离。

尖端前部可以被配置为可从装置的其余部分移除，装置的其余部分包括覆盖光源、分束器等的外壳，外壳可以包括具有握把和/或用户界面(控件)的手柄部分，诸如按钮、开关等，尖端前部可以是中空的，特别是沿着投影/成像光学系统的出射光瞳与折叠镜之间的光轴。尖端前部可构造成卡扣和/或旋转、摩擦配合、磁耦合等到装置的其余部分(例如，壳体)。尖端前部可以是单次使用或可重复使用的，包括可消毒的(例如，可高压灭菌，例如由可以暴露于超过100℃，包括121℃或更高温度的材料形成，在连续暴露超过15分钟后不会变形或损坏)。可选地或者附加地，这些装置可被构造成与可安装在尖端前部上的可移除/一次性套管一起使用(包括，在一些变型中但并非全部，在牙齿可通过其被成像的尖端的远端/侧面处的光学出口上方)。

在本文上述的任何装置中，折叠镜可包括背加热除雾镜。折叠镜可将装置的光轴重新引导出用于对牙齿成像的侧窗/出口。折叠镜可设置成在中空前尖端的远端处与光轴成45度(或在30度与60度之间、35度与55度之间、40度与50度之间等的角度)。

整个装置和/或中空前尖端可以是紧凑的；通常，尺寸小于140mm×20mm×20mm(例如，长度、宽度、厚度)。例如，中空的前尖端部分可以是80mm×16mm×16mm或更小(长度、宽度、厚度)。

通常，投影/成像光学系统可以被轴向移动以扫描物体。例如，投影/成像光学系统可以被作为单元而被配置为作为沿着光轴在0.1mm至5mm的范围可移动，并且具有5mm至40mm之间的深度扫描范围。

如上所述，中空前尖端可具有20mm或更小的高度(例如，20mm或更小、17mm或更小、16mm或更小、15mm或更小、14mm或更小、13mm或更小等)。视野可以在20×20mm和12×12mm之间(例如，18×14mm或14×14mm之间等)。

由于本文上述的特征，包括结合了在分束器上的透明件的空间图案，使用集成投影/成像光学系统和/或具有朝向发散主光线从远心的最大偏离(例如，3～10度之间)，该装置可以是相对轻质的。例如，该装置可以具有300克或更小的总重量，(例如250g或更小、200g或更小、180g或更小等)。此外，投影/成像光学器件的直径可以是15mm或更小。

例如，本文描述的用于共焦扫描的手持装置包括：光源；透明件，上述透明件具有设置在其上并且配置为由上述光源照射的空间图案；分束器，上述分束器具有第一外表面和第二外表面，上述透明件附接到上述第一外表面，图像传感器位于上述第二外表面上；集成投影/成像光学系统，包括光学增益、聚焦透镜和出射光瞳，上述投影/成像光学系统具有光轴；中空尖端前部，上述中空尖端前部在上述光轴上从上述投影/成像光学系统延伸并且在上述中空尖端前部的远端处包括折叠镜，其中在上述光轴上在上述出射光瞳与上述折叠镜之间不存在光学表面；及轴向扫描仪，其耦合到上述投影/成像光学系统且配置为相对于上述折叠镜在上述光轴上移动上述整个投影/成像光学系统；其中上述投影/成像光学系统被配置为相对于扫描视野尺寸，提供上述投影/成像光学系统与上述折叠镜之间的主光线的从远心的偏离，该偏离在3度和10度之间。

本文还描述了用于共焦三维扫描的方法。这些方法中的任一者可包含使用本文中所描述的用于扫描的装置中的任一者。例如，本文描述了用于共焦3D扫描的方法，其包括：照射位于分束器的第一侧上的空间图案(静止的或移动的)，沿着光轴向下投射上述空间图案，穿过分束器，并且穿过投影/成像光学系统(例如，穿过投影/成像光学子系统，诸如包括光学增益、聚焦透镜和出射光瞳在内的集成投影/成像光学系统)，从投影/成像光学系统的出射光瞳出来，并且穿过从上述投影/成像光学系统延伸的尖端前部，到达上述中空尖端前部的远端处的折叠镜，而不穿过上述光轴上的上述出射光瞳与上述折叠镜之间的光学表面；将空间图案投影到目标(例如牙齿或其他牙科目标)上；将来自于目标的光(例如，反射光、荧光等)传送回并且穿过上述中空尖端，进入投影/成像光学系统，并穿过分束器，进入在上述分束器的第二侧上的图像传感器；以及通过相对于上述折叠镜在上述光轴上轴向移动上述整个投影/成像光学系统来扫描上述目标；其中上述投影/成像光学系统被配置为相对于扫描视野尺寸，提供上述投影/成像光学系统与上述折叠镜之间的主光线的从远心的偏离，该偏离在3度和10度之间。

扫描可以通过将整个投影/成像光学系统作为单元来沿着光轴例如在0.1mm到5mm之间的范围移动来执行，，以在5mm到40mm之间的扫描范围的深度处进行扫描。可以使用任何适当的扫描速率，包括以10Hz或更高(例如，15Hz、20Hz等)的速度进行扫描。

通常，空间图案可以是任何适当的图案，包括随时间变化或不随时间变化的图案。

照射上述空间图案可包括照射接合到上述分束器的第一侧上的透明件。图像传感器可接合到分束器的垂直于第一侧的第二侧，以保持图像传感器与空间图案之间的稳定的相对位置。这些方法中的任一者还可包含将上述空间图案设置在上述图像传感器的共轭平面处，使得对于上述图像传感器而言，上述物体的图像的位置相对于上述空间图案相对横向偏移是不变的。

本文中所描述的方法还可包含将光源的图像设置在光学系统的入射光瞳处。

这些方法中的任何方法还可以包括将光学系统的出射光瞳设置为朝向发散主光线从远心的最大偏离。

通常，本文上述的方法可以包括通过最大相关来确定共焦位置。

附图说明

本发明的新颖特征在所附权利要求中具体阐述。通过参考阐述了说明性实施方式的以下详细描述将获得对本发明的特征和优点的更好的理解，在这些实施方式中利用了本发明的原理，附图中：

图1示意性地示出了如本文所述的用于物体的3D共焦扫描的紧凑型装置的一个示例。

图2示意性地示出了用于物体的3D共焦扫描的紧凑型装置的示例(在该示例中，光源被配置成在柯勒照射模式中照射透明件上的图案)。

图3A示意性地示出了处于近焦点位置的用于共焦扫描的装置，诸如图1所示的装置的深度扫描模块。

图3B示意性地示出了处于中焦点位置的用于共焦扫描的装置，诸如图1所示的装置的深度扫描模块。

图3C示意性地示出了处于远焦点位置的用于共焦扫描的装置，诸如图1所示的装置的的深度扫描模块。

图4A示出了用于共焦扫描的紧凑装置的示例，如本文所述该装置包括具有18×14mm视场(FOV)的中空前尖端。需要注意的是，所提供的尺寸仅用于说明的目的。

图4B示出了用于共焦扫描的紧凑装置的示例，如本文所述该装置包括具有14×14mm视场(FOV)的中空前尖端。需要注意的是，所提供的尺寸仅用于说明的目的。

图5示意性地示出了如本文所述的用于共焦3D扫描的紧凑型装置的光学系统的非远心度。

图6示意性地示出了用于共焦扫描的装置的共焦焦平面模块的示例，其中透明件和图像传感器直接接合到分束器或相对于分束器安装在固定装置上。

图7A示出了可以用作如本文所述的用于3D共焦扫描的紧凑型装置的一部分的无序空间图案的示例。

图7B示出了可以用作如本文所述的用于3D共焦扫描的紧凑型装置的一部分的有序空间图案的实例。

图8示出了如本文所述的用于共焦三维扫描的方法的示例。

具体实施方式

以下参照附图详细地描述本发明。本发明可以以各种形式来体现，并且不应当被解释为限于本文所述的示例实施方式。

本文描述了用于共焦3D扫描的紧凑型装置。这些装置可以包括共焦照射器，其被配置为生成对物体的共焦照射。共焦照射器可以包括设置在透明基底(透明件)上的空间图案和配置为对空间图案提供照射的光源，使得其可以被投射到物体上。该装置可以包括光学系统(包括投影/成像光学器件)，该光学系统包括一个或多个透镜并且具有光轴。装置还可包括用于对图案/形成空间图案的透明件进行照射的照射光学器件。该装置可以包括轴向扫描仪(例如，深度扫描模块)，该轴向扫描仪被配置为沿着光轴移动投影/成像光学系统。装置可包含分束器，分束器配置为将来自光源的光(在穿过图案之后)传送到物体且将从物体返回的光反射到成像传感器上。因此，装置可包含图像传感器，图像传感器配置为经由分束器接收从物体(经由投影/成像光学器件)返回的光。该装置可以被配置用于对物体的至少一部分进行3D扫描，例如，用于牙科修复和正畸指示的所有衍生物的口内牙科3D扫描。

这里公开的用于共焦扫描的装置可以包括共焦照射器，例如，LED照射的透明共焦照射器。该装置可以包括光学系统，该光学系统被配置为将穿过透明件(例如，图案)的光投射到物体上并且对物体成像。光学系统可以包括投影/成像系统或子系统，其包括投影光学器件和成像光学器件。例如，投影光学器件和成像光学器件可以被配置为共享相同的光学元件(透镜)和相同的光学路径。该装置可以包括深度扫描模块，该深度扫描模块包括紧凑的线性致动器，例如音圈马达(VCM)。该装置可包括前尖端，前尖端可包括45度的背加热除雾折叠镜。分束器与前尖端之间的光学系统可以被配置为足够小以完全地布置到深度扫描模块中。因此，共焦扫描装置可以包括用于投射、成像和深度扫描的单个光机械模块。集成了光学系统和深度扫描模块的单个光机械模块可以实现宽松的生产和装配公差以及降低的制造成本。光学设计可适用于LED照射透明件，其进一步实现低成本制造。因此，与其他共焦扫描系统相比，光学系统可以进一步减小的透镜数，例如，光学系统可以包括少于10个透镜、少于9个透镜、少于5个透镜、少于3个透镜等。此外，由于更简单的配置，本文所公开的光学系统可以比传统的共焦光学系统对组件误差和热变化更不敏感。该装置可以包括光学系统，该光学系统被配置用于朝向发散主光线从远心的期望偏离，以用于最小的前尖端尺寸。该装置在图像和源空间中可以具有非远心配置。

该装置还可以包括偏振分束器作为共焦结合的一部分。该装置可以被配置用于偏移不变的共焦共轭。该装置可以进一步支持单片共焦共轭组件。

通常，这些装置可以包括集成投影/成像光学系统，其中整个投影/成像光学系统(例如，投影/成像光学子系统)轴向移动以进行扫描(而不仅仅是聚焦透镜)。尽管移动整个复合投影/成像光学系统以便扫描有点违反直觉，但是它可以有益于减小装置的整体尺寸，特别是与投影的空间图案和如下配置相结合：在该配置中，该系统中相对于扫描视野尺寸，投影/成像光学系统和折叠镜之间的主光线从远心的偏离在3到10度之间。由于本文所述的特征，这些装置可以比具有相同扫描能力的典型的常规共焦扫描仪更紧凑(例如，2×、3×或4×)和更轻(例如2×或3×)。例如，该装置可以是紧凑的并且重量轻以便手持。该装置还可包括紧凑的高速图像传感器。扫描速度可为约5、10、20、50扫描/秒或其间的任何值。例如，扫描速度可以是大约10扫描/秒。

图1示意性地示出了用于物体的共焦扫描的紧凑型装置100的一个示例。该装置可以包括共焦照射器101(光源和/或照射光学器件)，其被配置为产生可以投射到物体上的共焦照射。该装置可包括设置在透明基底上的空间图案，例如透明件105或透明玻璃板。光源和任何照射光学器件可以被配置为提供穿过空间图案的照射并且可以包括光收集器/反射器。例如，光源可以是LED光源(例如，具有在其后面的反射器以引导光穿过图案)。传统的共焦点阵列光源例如激光二极管，可以被LED光源代替。例如，该装置可以包括基于LED的发射器，其可以减少斑点噪声。空间图案可包括用于实现点照射的片段的阵列。该装置可进一步包括光收集器或光均匀化器以在图案上产生均匀照射。该装置还可以包括聚光透镜，以汇聚光源的光束。该装置可以包括随时可用于颜色模型捕获和渲染白光LED光源，其这可以实现简单的颜色实现。

该装置可以包括分束器109和图像传感器111。分束器可被配置为将共焦照射器的光束传送到物体且将从物体返回的光束反射到图像传感器。图像传感器111可被配置为接收从物体返回的光束。例如，分束器可以是偏振分束器(PBS)。

该装置可以包括光学系统(包括投影/成像光学系统/子系统115、或由投影/成像光学系统/子系统115组成)，该光学系统包括一个或多个透镜(例如，聚焦光学器件119)和出射光瞳121。光学系统可配置为将穿过透明件105的光投射到物体上且将物体成像到图像传感器。例如，如图2所示，LED光源可以被配置为以柯勒照射模式照射透明件，使得LED的图像落在光学系统的入射光瞳上。离开成像光学系统115(包括出射光瞳)的光可以穿过中空的前尖端123，直到到达在前尖端123的远端附近的折叠镜125，并且被引导出尖端到达物体(例如，牙齿)；从物体返回的光传播相同的路径。通常，前尖端是中空的，并且整个成像光学系统相对于前尖端移动(例如，在前尖端中在可轴向移动的成像光学系统和折叠镜之间不存在额外的光学表面)。

与图1类似地，参考图2，示出了光学系统，其包括光源201(并且还可以包括诸如在该示例中的聚光透镜203的成像光学器件)和光学系统207(例如，其可以包括投影/成像系统)。举例来说，照射子系统可配置为照射图案(例如，透明件209)且此空间图案209可被投影到物体上。被照射的物体可以返回并通过成像子系统207而被成像。成像子系统可以与分束器和折叠镜之间的投影/成像子系统相同。如图1所示，成像路径和投影路径可以共享相同的光路和相同的光学元件，诸如一个或多个透镜。因此，物体可以通过相同的光学系统被成像回去，并且从物体反射的光可以通过分束器被引导到图像传感器上。在传统的共焦系统中成像子系统和投影子系统可能不同，而与传统的共焦光学系统不同，本文公开的用于共焦扫描的装置可以比传统的共焦光学系统更小、更轻以及成本更低。

如图1所示，成像光学系统可以安装在深度扫描模块(轴向扫描仪135)上。例如，分束器与前尖端之间的光学系统可以完全集成并且耦合到深度扫描模块，用于相对于前尖端的轴向移动。光学系统(以及在一些变型中，深度扫描模块)可集成到如图1所示的单个光机械模块中，这可实现宽松的生产和装配公差。轴向扫描仪可以包括线性轴向致动器，该线性轴向致动器可以以受控方式，例如超过0.5mm至3mm，轴向平移光学系统以促进深度扫描。该装置可以被配置为具有高轴向放大率以实现简单的深度扫描线性致动器。从透明件到正被扫描的物体空间的轴向放大率可以在4×到30×之间，例如，在5×到12×之间。在上述平移范围和放大范围的情况下，光学周期平移可产生在10mm至36mm范围内的物体空间深度扫描覆盖范围。图3A～3C示意性地示出了分别在近焦点位置(图3A)、中焦点位置(图3B)和远焦点部分(图3C)中用于共焦扫描的装置的轴向扫描，示出了整个成像光学系统307的平移，其包括投影/成像光学器件305。投射的空间图案301被传送到物体上/传送到物体中，并且反射光被传感器303接收用于分析以确定物体的3D表面。

包括组合的投影/成像子系统的光学系统可以产生简单的投影光学器件(聚焦光学器件)和投影/成像光学器件设计，并且减少了诸如光学透镜的光学元件的数量。投影光学器件可以指除了在投影方向上(例如，从光源到物体上)，与成像光学器件相同的光学器件。例如，光学系统可包括少于10个、9个、5个或3个光学元件。例如，光学系统中的光学透镜的直径可以是约5mm、8mm、10mm、14mm、15mm或其间的任何值，而常规共焦光学系统中的光学透镜可具有约25mm的直径。例如，本文公开的光学系统进一步减少了典型的常规共焦扫描装置中的以下元件：例如二向色滤光器、微透镜等。用于本文公开的共焦扫描的装置比传统的共焦扫描装置更紧凑、重量更轻并且成本更低。例如，在一些实施方案中，装置可具有约100、200或300克的重量。举例来说，在一些实施方式中，装置可具有小于150mm×25mm×25mm、140mm×20mm×20mm或130mm×14mm×14mm的尺寸。

图4A示意性地示出了用于紧凑型共焦扫描的装置，其包括具有18×14mm视场(FOV)的中空前尖端。图4B示出了用于紧凑型共焦扫描的装置，其包括具有18×14mm视场(FOV)的中空前尖端。如图4A和图4B所示，用于紧凑型共焦扫描的装置可以具有比传统共焦扫描装置更小的前尖端尺寸。该装置可具有约14mm的前尖端高度，其中FOV为14×14mm。中空前尖端可包括背加热除雾折叠镜。例如，在一些实施方式中，中空尖端可具有约90mm×20mm×20mm、80mm×16mm×16mm或60mm×14mm×14mm的尺寸。这些尺寸仅用于说明，还可以使用其他尺寸。

通常，本文描述的任何装置可以是非远心的。具体地，投影/成像光学系统可以被配置为提供，相对于扫描视野尺寸，投影/成像光学系统与折叠镜之间的主光线的从远心的偏离，该偏离在3度和10度之间。图5示意性地示出了在本发明的一个实施方式中用于共焦扫描的装置的非远心光学系统的示例。光学系统可以配置有光源空间非远心孔径成像，使得光学系统足够紧凑和重量轻以便例如通过诸如音圈马达(VCM)的线性致动器轴向平移以促进深度扫描。光学系统的出射光瞳可以被定位成用于朝向发散主光线从远心的最大偏离，这可以实现装置的前尖端的最小尺寸。对于距尖端的特定距离，所扫描的视野尺寸对于所有设计选项可以是相同的例，例如扫描深度的中等范围。从远心的偏离角度可以由从物体焦点的出射光瞳距离和视野尺寸来确定。尖端高度可由折叠镜上的光源的光束的轨迹导出。当出射光瞳变得更靠近物体焦点(出射光瞳向前)时，该高度可以更小。从远心的偏离角度的可能范围可以从大约3度到大约10度。例如，在一些实施方式中，从远心的偏离角度可以是大约8.5度。从远心的偏离角度是反射镜折叠平面中的领域范围，其对尖端高度有影响。

图6示意性地示出了用于共焦扫描的装置的共焦照射器的示例，其中在一个实施方式中，透明件(包括空间图案)直接接合到分束器或安装在相对于分束器的固定装置上。如图6所示，透明件可以直接接合到分束器的一个面(例如，偏振分束器，PBS)上，而图像传感器可以被接合到垂直于透明件的分束器的另一个面(例如，第二表面)上，因此保持图像传感器和透明件之间的稳定的相对位置(“共焦条件”)。该装置可以被配置用于使不变的共焦共轭偏移。透明件和图像传感器可以设置在物体的共轭平面上。该装置还可以支持单片共焦共轭组件。基于照射的图案使得能够在图像传感器上共轭成像，这对于相对横向偏移是不变的。用于共焦扫描的装置可以被配置为具有位置不变相关性，其对组装偏移较不敏感。

图7A和图7B示出了可以用作本文所述的3D共焦扫描的任何紧凑型装置的一部分的空间图案的示例。图7A示出了用于共焦扫描的装置的无序图案的示例。图7B示出了用于共焦扫描的装置的有序图案的示例。用于共焦扫描的装置可以包括被照射的图案，以取代传统共焦扫描装置中的光束阵列。例如，白光LED背照式图案可以用于实现共焦成像。可以在共焦照射器中使用各种图案，这使得设计灵活性和更低的信号要求成为可能。例如，图案可以包括片段的阵列以实现等同的点照射。穿过图案的照射点可以是近衍射极限。例如，图案可包括具有类似于常规共焦显微镜中的针孔的尺寸的片段的阵列。例如，图案可包括直径为约1μm、10μm、25μm、50μm、1mm或2mm或其间的任何值的片段的阵列。

例如，用于共焦扫描的装置还可以包括检测针孔阵列。例如，检测针孔可以设置在分束器和图像传感器之间的固定装置中。例如，检测针孔可结合或集成在图像传感器中。例如，针孔的尺寸可以被配置成适于光学系统的数值孔径(NA)和光源的波长。例如，检测针孔的尺寸可以进一步适于光学系统的放大倍数。

共焦位置可以通过最大相关来确定。例如，参考图案位置可以是不变的。举例来说，可指定对应于在深度扫描之后在像素或像素组上获得的最大信号的、图像传感器的每像素或像素组的深度位置。不需要损害横向分辨率，因为可以使用感兴趣区域(ROI)内的所有像素。例如，可以通过子像素处理来改善分辨率。

本文还描述了用于共焦3D共焦三维扫描尺寸扫描的方法。通常，该方法可以包括启动被配置为生成对物体进行共焦照射的共焦照射器。该方法可以包括使用共焦照射器，其包括设置在透明基底上的空间图案、被配置为向空间图案提供照射的光源、和/或任何附加的照射光学器件(例如透镜)。

该方法可以包括照射图案、将图案投影到物体上、以及通过包括投影/成像光学器件的光学系统对物体成像，该投影/成像光学器件包括一个或多个透镜并且具有光轴。方法可包括通过深度扫描模块扫描物体，深度扫描模块配置为沿着光轴可移动。该方法可以包括通过分束器将来自共焦照射器的光束投射到物体上，并且使用分束器将从物体返回的光引导到成像传感器上。

例如，该方法可以包括使用透明基底上的不随时间变化的空间图案。举例来说，该方法可包括使用空间图案和透明基底，其中图案(例如透明件)接合到分束器的第一侧上，进一步其中图像传感器接合到分束器的垂直于第一侧的第二侧，以保持图像传感器与空间图案之间的稳定的相对位置。

一种方法可以包括在光学系统的入射光瞳处设置光源的图像。举例来说，方法可包括将空间图案设置在图像传感器的共轭平面处，使得对于图像传感器而言，物体的图像的位置相对于空间图案的相对横向偏移是不变的。例如，该方法可以包括将光学系统的出射光瞳布置成朝向发散主光线从远心的最大偏离。

一种方法可以包括布置扫描物体，其包括将深度扫描模块作为单元沿着光轴移动0.1mm至5mm的范围，以得到5mm至40mm之间的深度扫描范围。例如，该方法可以包括通过最大相关来确定共焦位置。

如上文简要讨论的，本文描述的装置和方法还可以被配置为结构光扫描系统和/或光场3D重构系统。例如，在一些变型中，可以捕获光场数据，例如通过将成像系统配置为全光装置(plenotoptic apparatus)，例如通过在主透镜子系统(例如，紧凑型聚焦光学器件)的焦平面之前或之后包括多个微透镜。因此，在一些变型中，光可穿过出射光瞳与光轴中的折叠镜之间的光学表面(微透镜)，或者微透镜可来自紧凑型聚焦光学器件的一部分。可从光场数据创建深度图，且此深度图可用于创建表面。传统立体成像方法可用于深度图提取，或可通过组合两个或两个以上深度估计方法来从光场相机提取深度数据。

图8说明如本文中所描述的方法的另一实例。在图8中，用于共焦三维扫描的方法包括：首先照射分束器的第一侧上的空间图案，并且将空间图案沿光轴向下投射，使其穿过分束器，穿过包括光学增益和聚焦透镜和出射光瞳的集成投影/成像光学系统，离开出射光瞳并且穿过从投影/成像光学系统延伸的中空尖端前部，到达中空尖端前部的远端处的折叠镜，而不穿过在光轴801中的出射光瞳与折叠镜之间的光学表面。该方法然后包括将空间图案投影到目标803上，并且将来自目标的反射光传送回并穿过空心尖端，到投影/成像光学系统中、穿过分束器并进入分束器805的第二侧上的图像传感器中。该方法还可以包括通过相对于折叠镜807在光轴上轴向移动整个投影/成像光学系统来扫描目标，其中投影/成像光学系统被配置为相对于扫描视野尺寸，提供投影/成像光学系统与折叠镜之间的主光线的从远心的偏离，该偏离在3度和10度之间。

优选实施例及其变型的系统、设备和方法可以至少部分地体现和/或实现为被配置为接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器。指令优选地由优选地与包括配置有软件的计算设备的系统集成的计算机可执行组件来执行。计算机可读介质可以存储在任何合适的计算机可读介质上，诸如RAM、ROM、闪存、EEPROM、光学设备(例如CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何合适的设备。计算机可执行组件优选地是通用或专用处理器，但是任何合适的专用硬件或硬件/固件组合可替代地或附加地执行指令。

当一个特征或元素在这里被称为“在”另一个特征或元素上时，其可以直接在另一特征或元件上，或者还可以存在中间特征和/或元件。相反，当特征或元件被称为“直接在”另一特征或元件上时，不存在中间特征或元件。还将理解的是，当特征或元件被称为“连接”、“附接”或“耦合”到另一特征或元件时，其可以直接连接、附接或耦合到另一特征或元件，或者可以存在中间特征或元件。相反，当特征或元件被称为“直接连接”、“直接附接”或“直接联接”到另一特征或元件时，不存在中间特征或元件。尽管关于一个实施例进行了描述或示出，但是如此描述或示出的特征和元件可以应用于其他实施例。本领域技术人员还应当理解，对与另一特征“相邻”设置的结构或特征的引用可具有与相邻特征重叠或位于相邻特征之下的部分。

本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，且并不旨在限制本发明。例如，除非上下文另外清楚地指示,如本文所使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”也包括复数形式。还应当理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，指定所述特征、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或追加。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合，并且可以被缩写为“/”。

本文中为了易于描述，可以使用空间相对术语，例如“下方”、“在...之下”、“向下”、“在...之上”、“向上”等，以描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系，如附图中所示。应当理解，除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括设备在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的设备被倒置，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“在...之下”的元件将被定向为在其他元件或特“之上”。因此，示例性术语“上下”可以包括“上方”和“下方”的方向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在本文中使用的空间相对描述符被相应地解释。类似地，术语“向上”、“向下”、“竖直”、“水平”等在本文中仅用于解释的目的，除非另外特别指出。

尽管本文中可使用术语“第一”和“第二”来描述各种特征/元件(包含步骤)，但这些特征/元件不应受这些术语限制，除非上下文另外指示。这些术语可用于将一个特征/元件与另一特征/元件区分开。因此，下面讨论的第一特征/元件可以被称为第二特征/元件，并且类似地，下面讨论的第二特征/元件可以被称为第一特征/元件，而不脱离本发明的教导。

在整个说明书和所附的权利要求中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和诸如“包含”和“具备”的变体意味着可以在方法和物品中共同使用各种组件(例如，包括装置和方法的组合物和装置)中共同使用各种部件。例如，术语“包括”将被理解为暗示包括任何所述的元件或步骤，而不排除任何其它元件或步骤。

一般来说，本文中所描述的设备和方法中的任一者应理解为包含性的，但所述组件和/或步骤的全部或子集可替代地为排他性的，且可表达为“由”各种组件、步骤、子组件或子“组成”或替代地“基本上由”各种组件、步骤、子组件或子步骤“组成”。

如本文在说明书和权利要求中所使用的，包括如在示例中使用的并且除非另外明确地指定，所有数字可以被解读为以词语“大约”或“近似”为前缀，即使该术语没有明确出现。当描述大小和/或位置以指示所描述的值和/或位置在值和/或位置的合理预期范围内时，可以使用短语“大约”或“近似”。例如，数值可以具有所述值(或值的范围)的+/-0.1％、所述值(或值的范围)的+/-1％、所述值(或值的范围)的+/-2％、所述值(或值的范围)的+/-5％、所述值(或值的范围)的+/-10％等，除非上下文另有说明，否则本文给出的任何数值还应理解为包括大约或大约该值。例如，如果公开了值“10”，则还公开了“约10”。本文引用的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围。还应理解，当该值被公开，则“小于或等于”该值、“大于或等于”该值以及两者之间的值的可能范围也被公开，这是本领域技术人员应当理解的。例如，如果公开值“X”，则还公开了“小于或等于X”以及“大于或等于X”(例如，其中X是数值)。还应当理解，在整个申请中，数据以多种不同的格式提供，并且该数据代表端点和起始点，以及数据点的任意组合的范围。举例来说，如果揭示特定数据点“约10”及特定数据点“约15”，则应理解为大于、大于或等于、小于、小于或等于10和15并且介于10和15之间。还应当理解，还公开了两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了10和15，则还公开了11、12、13和14。

虽然上面描述了各种说明性实施例，但是在不脱离如权利要求所描述的本发明的范围的情况下，可以对各种实施例进行多种改变中的任何一种。例如，在替代实施例中，通常可以改变执行各种所描述的方法步骤的顺序，并且在其他替代实施例中，可以完全跳过一个或多个方法步骤。各种设备和系统实施例的可选特征可以包括在一些实施例中而不包括在其它实施例中。因此，前面的描述主要是出于示例性的目的而提供的，并且不应被解释为限制如在权利要求中阐述的本发明的范围。作为说明而非限制，本文中所包含的实例和说明展示可实践标的物的特定实施例。如所提及的，可以利用其他实施例和从中得到其他实施例，使得可以在不脱离本公开的范围的情况下进行结构和逻辑替换和改变。本发明主题的这样的实施例可以在本文中单独地或共同地由术语“本发明”来指代，其仅仅是为了方便，并且如果实际上公开了多于一个，则无意将本申请的范围主动地限制于任何单个发明或发明构思。因此，虽然在本文中已经示出和描述了特定实施例，但是为了实现相同目的而计算的任何布置可以替代所示出的特定实施例。本公开旨在涵盖各种实施例的任何和所有适配或变化。在阅读以上描述后，以上实施例的组合以及本文中未具体描述的其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。