已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種方法用于光學(xué)測(cè)量表面形貌。例如，已經(jīng)開(kāi)發(fā)和采用了能夠用于光學(xué)測(cè)量患者的牙齒的表面形貌的光學(xué)系統(tǒng)和方法。例如，測(cè)量的牙齒的表面形貌能夠用于設(shè)計(jì)和制造假牙、和/或用于確定矯正咬合不正的正畸治療方案。

一種用于光學(xué)測(cè)量表面形貌的技術(shù)采用了激光三角法，以測(cè)量牙齒的表面與插入到患者的口腔內(nèi)的光距探頭之間的距離。然而，由于例如牙齒的表面的次優(yōu)(sub-optimal)反射率，導(dǎo)致經(jīng)由激光三角法測(cè)量的表面形貌可能不如期望的精確。

在從西門(mén)子公司(Siemens GmbH)或西諾德牙科設(shè)備公司(Sirona Dental Systems)市售的CEREC-1和CEREC-2系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的其它用于光學(xué)測(cè)量表面形貌的技術(shù)分別采用了光切法和相移法。兩種系統(tǒng)均采用了特別設(shè)計(jì)的手持探頭，以測(cè)量擬定的牙齒的三維坐標(biāo)。然而，這兩種方法需要將特定的被覆物(即，分別是測(cè)量粉末和白色顏料懸浮液)沉積于牙齒上。被覆層的厚度需要滿足特定的、難以控制的要求，這導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的不精確。

在另外一種技術(shù)中，基于探頭對(duì)牙齒表面的物理掃描、并且例如通過(guò)光學(xué)或其它遙感設(shè)備確定探頭的位置來(lái)進(jìn)行牙齒表面的測(cè)繪。

美國(guó)專(zhuān)利No.5,372,502公開(kāi)了一種用于三維測(cè)量的光學(xué)探針。將各種圖案投射到要測(cè)量的一個(gè)或多個(gè)牙齒上，并且通過(guò)光學(xué)探頭來(lái)捕捉相應(yīng)的多個(gè)變形的圖案。各個(gè)捕捉的圖案提供了形貌的細(xì)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供了用于光學(xué)確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的裝置和方法。在許多實(shí)施例中，用于光學(xué)確定表面形貌的裝置包括聚光組件，能夠操作該聚光組件來(lái)改變?nèi)肷涞奖粶y(cè)量的三維結(jié)構(gòu)(例如，患者的齒系)上的光束的焦點(diǎn)深度。本文公開(kāi)的聚光組件利用最少的移動(dòng)部或者不利用移動(dòng)部提供了焦點(diǎn)深度的改變，這提供了更小、更快和更緊湊的光學(xué)器件。

在一個(gè)方面中，描述了一種用于確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的裝置。在許多實(shí)施例中，該裝置包括聚光組件。所述聚光組件能夠被構(gòu)造成使所述多個(gè)光束在變焦組件內(nèi)重疊，以使光束的所述外部焦點(diǎn)沿著光束的傳播方向移動(dòng)。能夠測(cè)量從被測(cè)量的結(jié)構(gòu)反射的光的特性。測(cè)量出的特性能夠用于產(chǎn)生表示結(jié)構(gòu)的形貌的數(shù)據(jù)。

在另一個(gè)方面中，描述了一種用于確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的裝置。在許多實(shí)施例中，該裝置包括聚光組件。所述聚光組件能夠包括匯聚透鏡和發(fā)散透鏡。能夠改變所述匯聚透鏡與所述發(fā)散透鏡之間的間隔，以使光束的外部焦點(diǎn)沿著光束的傳播方向移位。能夠測(cè)量從被測(cè)量的結(jié)構(gòu)反射的光的特性。測(cè)量出的特性能夠用于產(chǎn)生表示結(jié)構(gòu)的形貌的數(shù)據(jù)。

通過(guò)閱讀說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求和附圖，本發(fā)明的其它目的和特征將變得明顯。

通過(guò)引用并入

在本說(shuō)明書(shū)中提到的所有出版物、專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)通過(guò)引用并入本文，其程度如同各個(gè)出版物、專(zhuān)利或?qū)＠暾?qǐng)被具體和單獨(dú)地指明為通過(guò)引用而并入。

附圖說(shuō)明

在附加的權(quán)利要求中特別闡述了本發(fā)明的新穎特征。通過(guò)參考下面的闡述了采用本發(fā)明的原理的說(shuō)明性實(shí)施例的詳細(xì)描述和附圖，將得到本發(fā)明的特征和優(yōu)勢(shì)效果的更好的理解，并且在附圖中：

圖1A和1B通過(guò)塊圖的方式示意性地圖示出根據(jù)許多實(shí)施例的裝置(圖1B是圖1A的延續(xù))；

圖2A是根據(jù)許多實(shí)施例的探測(cè)部件的頂視圖；

圖2B是通過(guò)圖2A中的線II-II的縱向截面圖，描繪了從那里通過(guò)的示例性的光線；

圖3圖示出根據(jù)許多實(shí)施例的伸縮聚光組件；

圖4圖示出根據(jù)許多實(shí)施例的具有可變光學(xué)功率元件的聚光組件；

圖5圖示出根據(jù)許多實(shí)施例的具有變焦透鏡組的聚光組件；

圖6是根據(jù)許多實(shí)施例的表示用于確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的方法的步驟的簡(jiǎn)化塊圖；

圖7圖示出根據(jù)許多實(shí)施例的伸縮聚光組件；

圖8圖示出根據(jù)許多實(shí)施例的緊湊聚光組件；

圖9圖示出根據(jù)許多實(shí)施例的緊湊聚光組件和光學(xué)探頭；以及

圖10是表示根據(jù)許多實(shí)施例的用于確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的方法的步驟的簡(jiǎn)化塊圖。

具體實(shí)施方式

在許多實(shí)施例中，用于光學(xué)確定表面形貌的裝置包括聚光組件，該聚光組件被構(gòu)造成可控地改變朝著被測(cè)量的三維結(jié)構(gòu)(例如，患者的齒系)投射的光束的焦點(diǎn)深度。與采用聚光組件的大量移動(dòng)的傳統(tǒng)方法相比，本文公開(kāi)的聚光組件即便需要也只利用了較少的移動(dòng)部，從而更小、更快和更緊湊。此外，本文公開(kāi)的用于光學(xué)確定表面形貌的裝置和方法能夠用于在維持遠(yuǎn)心度的同時(shí)改變光束的焦點(diǎn)深度。遠(yuǎn)心光學(xué)器件在限定的遠(yuǎn)心范圍內(nèi)產(chǎn)生獨(dú)立于對(duì)象距離的恒定圖像放大率，并且因此，能夠有利地用于提高光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的精度。

本文描述的裝置和方法能夠用于對(duì)任意適當(dāng)?shù)娜S結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。在許多實(shí)施例中，進(jìn)行光學(xué)測(cè)量以產(chǎn)生代表患者的齒系的三維表面形貌的數(shù)據(jù)。例如，該數(shù)據(jù)能夠用于產(chǎn)生能夠被顯示和管理的齒系的三維虛擬模型。例如，能夠使用該三維虛擬模型來(lái)限定用于創(chuàng)建患者的假牙(例如，牙冠或牙橋)的患者的齒系的空間關(guān)系。表面形貌數(shù)據(jù)能夠存儲(chǔ)和/或傳送和/或輸出到諸如制造裝置，該制造裝置例如能夠用于制作由牙科醫(yī)師使用以創(chuàng)建患者的假牙的患者的齒系的物理模型。

在一個(gè)方面中，提供了一種用于確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的裝置。該裝置能夠包括探頭，諸如具有用于插入到口腔內(nèi)的尺寸的探測(cè)部件。該裝置能夠包括被構(gòu)造成輸出多個(gè)光束的照明單元。所述光束能夠沿著經(jīng)過(guò)所述探頭的光路朝著結(jié)構(gòu)傳播，以在所述結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生亮斑。所述結(jié)構(gòu)的表面反射入射光束，從而產(chǎn)生多個(gè)返回光束。該裝置還能夠包括檢測(cè)器，所述檢測(cè)器被構(gòu)造成測(cè)量從所述亮斑返回的多個(gè)所述光束中的各個(gè)光束的特性。這樣的特性能夠包括例如返回光束的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、偏振、相移、干涉和/或色散。本文中與光強(qiáng)度相關(guān)的任意描述還能夠應(yīng)用于光的其它適當(dāng)特性，并且反之亦然。特性的測(cè)量能夠用于檢測(cè)入射光束是否聚焦在結(jié)構(gòu)的表面上，并從而確定光學(xué)探頭與三維結(jié)構(gòu)之間的距離。

能夠?qū)⑻幚砥鹘Y(jié)合到檢測(cè)器，從而基于測(cè)量的從亮斑返回的多個(gè)光束中的各個(gè)光束的測(cè)量到的特性而產(chǎn)生表示結(jié)構(gòu)的形貌的數(shù)據(jù)。例如，能夠基于測(cè)量返回光束的強(qiáng)度來(lái)確定結(jié)構(gòu)的表面形貌。在許多實(shí)施例中，該裝置構(gòu)造成使得：當(dāng)入射光束聚焦在結(jié)構(gòu)的表面上時(shí)，從結(jié)構(gòu)返回的任意特定光束的強(qiáng)度最大化，從而使強(qiáng)度信號(hào)的大小與裝置的焦點(diǎn)深度相關(guān)聯(lián)。因此，能夠通過(guò)掃描經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)深度的范圍的光束并且識(shí)別得到峰值強(qiáng)度信號(hào)處的焦點(diǎn)深度，來(lái)確定結(jié)構(gòu)的表面上的各個(gè)點(diǎn)的相對(duì)深度。從而，能夠通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)上的各個(gè)點(diǎn)重復(fù)該過(guò)程來(lái)確定結(jié)構(gòu)的表面形貌。

作為另一個(gè)實(shí)例，能夠通過(guò)使用空間頻率分析來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)的哪些區(qū)域聚焦而確定表面形貌。在許多實(shí)施例中，聚焦區(qū)域?qū)⒕邆浔染劢箙^(qū)域之外更高的空間頻率。因此，能夠通過(guò)識(shí)別何時(shí)區(qū)域的空間頻率最大化來(lái)確定在特定位置處的探頭與結(jié)構(gòu)上的特定區(qū)域之間的距離以及探頭相對(duì)于該結(jié)構(gòu)的朝向。該方法能夠應(yīng)用于確定具有空間細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)的表面形貌。

為了掃描經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)深度的范圍的光束的焦點(diǎn)，該裝置能夠包括聚光組件。聚光組件能夠被構(gòu)造成將多個(gè)光束中的各個(gè)光束聚焦于各自的外部焦點(diǎn)。可以從位于安置在各個(gè)外部焦點(diǎn)與聚光組件之間的位置處的探頭發(fā)出光束。為了掃描經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)深度的范圍的光束的焦點(diǎn)，聚光組件還能夠被構(gòu)造成使多個(gè)光束在變焦組件內(nèi)重疊。能夠操作變焦組件以使外部焦點(diǎn)沿著光束的傳播方向移位。

許多構(gòu)造能夠用于聚光組件和變焦組件。例如，能夠使變焦組件的至少一部分位于聚光組件的物鏡的后焦距處，以抑制當(dāng)外部焦點(diǎn)沿著光束的傳播方向移動(dòng)時(shí)多個(gè)光束的外部焦點(diǎn)之間的間隔的變化。作為替代或者組合，能夠使變焦組件沿著多個(gè)光束的光路定位，使得多個(gè)光束中的大部分光束沿著變焦組件的至少一部分與所述多個(gè)光束中的其它光束重疊，以抑制當(dāng)外部焦點(diǎn)沿著光束的傳播方向移動(dòng)時(shí)多個(gè)光束的外部焦點(diǎn)之間的間隔的變化。多個(gè)光束中的各個(gè)光束可以在進(jìn)入變焦組件時(shí)具有大致平行的構(gòu)造。為了使外部焦點(diǎn)沿著光束的傳播方向移動(dòng)，變焦組件能夠?qū)⒍鄠€(gè)光束中的各個(gè)光束相似地調(diào)整為在從變焦組件出射時(shí)具有匯聚構(gòu)造、平行構(gòu)造或者發(fā)散構(gòu)造。例如，變焦組件可以使外部焦點(diǎn)至少移動(dòng)10mm。

在許多實(shí)施例中，聚光組件包括一個(gè)以上的像空間透鏡和一個(gè)以上的物空間透鏡，使得變焦組件沿著一個(gè)以上的像空間透鏡與一個(gè)以上的物空間透鏡之間的光路定位。一個(gè)以上的物空間透鏡可以包括遠(yuǎn)心透鏡，并且變焦組件的至少一部分可以位于遠(yuǎn)心透鏡的后焦距處。一個(gè)以上的像空間透鏡可以具有被布置成使經(jīng)過(guò)變焦組件的多個(gè)光束重疊并且大致平行的焦距和位置。

在許多實(shí)施例中，變焦組件包括可變光學(xué)功率元件，能夠操作該可變光學(xué)功率元件，以在可變光學(xué)功率元件不移動(dòng)的情況下使外部焦點(diǎn)移動(dòng)。能夠以適當(dāng)頻率操作可變光學(xué)功率元件，從而使外部焦點(diǎn)與探頭之間的間隔以期望的范圍振蕩。例如，能夠以大于10Hz的頻率、或者以從大約50Hz至大約100Hz的頻率操作可變光學(xué)功率元件，從而使外部焦點(diǎn)與探頭之間的間隔振蕩至少10mm。

作為替代或者組合，變焦組件能夠包括變焦透鏡組，其中，改變透鏡之間的間隔以使外部焦點(diǎn)經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)深度的范圍而移位。例如，變焦透鏡組能夠包括發(fā)散透鏡和匯聚透鏡，改變發(fā)散透鏡與匯聚透鏡之間的間隔以使外部焦點(diǎn)移位。在許多實(shí)施例中，變焦透鏡組中的透鏡之間的間隔的變化引起比透鏡之間的間隔的變化大的外部焦點(diǎn)與探頭之間的間隔的變化。例如，變焦組件能夠使外部焦點(diǎn)移動(dòng)比由于變焦組件的至少一部分而移動(dòng)的相應(yīng)距離大至少兩倍的距離。變焦透鏡組中的透鏡之間的間隔的變化可以引起作為變焦透鏡組中的透鏡之間的間隔的變化的至少5倍或大約7.5倍的外部焦點(diǎn)與探頭之間的間隔的變化。另外，在許多實(shí)施例中，能夠操作可變光學(xué)功率元件或變焦透鏡組，以使外部焦點(diǎn)與探頭之間的間隔以適當(dāng)距離并且以適當(dāng)頻率振蕩。例如，能夠操作變焦透鏡組，以使外部焦點(diǎn)與探頭之間的間隔以大于10Hz的頻率振蕩至少10mm，或者以從大約10Hz至大約100Hz的頻率振蕩至少15mm。

在另一個(gè)方面中，提供了一種用于確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的方法。該方法包括：使用聚光組件在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生亮斑，以接收多個(gè)光束中的各個(gè)光束并且將光束聚焦于具有插入到患者的口腔內(nèi)的尺寸的探頭之外的各自的外部焦點(diǎn)。能夠操作聚光組件，以使多個(gè)光束中的各個(gè)光束在變焦組件內(nèi)重疊。能夠操作變焦組件，以使外部焦點(diǎn)沿著多個(gè)光束的傳播方向移位。結(jié)構(gòu)的表面能夠反射來(lái)自亮斑的光，從而產(chǎn)生多個(gè)返回光束。能夠測(cè)量從亮斑返回的多個(gè)光束中的各個(gè)光束的特性?；跍y(cè)量的特性，能夠產(chǎn)生表示結(jié)構(gòu)的形貌的數(shù)據(jù)，如在本文之前所描述地。

在另一個(gè)方面中，提供了一種用于確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的裝置。該裝置能夠包括探頭，諸如具有用于插入到口腔內(nèi)的尺寸的探測(cè)部件。該裝置能夠包括被配置為輸出光束的陣列的照明單元。所述光束能夠沿著經(jīng)過(guò)所述探頭的光路朝著所述結(jié)構(gòu)傳播，以在所述結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生亮斑。所述結(jié)構(gòu)的表面能夠反射來(lái)自亮斑的光，從而產(chǎn)生多個(gè)返回光束。該裝置還能夠包括檢測(cè)器，所述檢測(cè)器被配置為測(cè)量從亮斑返回的多個(gè)光束中的各個(gè)光束的特性。能夠?qū)⑻幚砥鹘Y(jié)合到所述檢測(cè)器，從而基于測(cè)量的從亮斑返回的多個(gè)光束中的各個(gè)光束的特性而產(chǎn)生表示所述結(jié)構(gòu)的形貌的數(shù)據(jù)，如本文之前所描述地。例如，所述特性可以包括強(qiáng)度。

為了掃描經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)深度的范圍的光束的焦點(diǎn)，所述裝置能夠包括聚光組件，該聚光組件包括匯聚透鏡和發(fā)散透鏡。聚光組件能夠被配置為使多個(gè)光束中的各個(gè)光束重疊到系統(tǒng)孔，該系統(tǒng)孔被安置在聚光組件與光束從探頭發(fā)出的位置之間。能夠操作聚光組件以改變匯聚透鏡與發(fā)散透鏡之間的間隔，從而改變探頭與多個(gè)光束中的各個(gè)光束的外部焦點(diǎn)之間的間隔。在許多實(shí)施例中，匯聚透鏡與發(fā)散透鏡之間的間隔的變化引起比匯聚透鏡與發(fā)散透鏡之間的間隔的變化大(例如，至少大2倍或至少大4倍)的外部焦點(diǎn)與探頭之間的間隔的變化。在許多實(shí)施例中，發(fā)散透鏡安置在匯聚透鏡與系統(tǒng)孔之間。裝置還能夠包括安置在系統(tǒng)孔與外部焦點(diǎn)之間的光路上的遠(yuǎn)心透鏡。

在另一個(gè)方面中，提供了一種用于確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的方法。該方法包括產(chǎn)生沿著光路傳播以在結(jié)構(gòu)上形成亮斑的光束的陣列。光路通過(guò)匯聚透鏡、發(fā)散透鏡和具有插入到患者的口腔內(nèi)的尺寸的探頭。發(fā)散透鏡能夠安置在匯聚透鏡與光束從探頭發(fā)出的位置之間。結(jié)構(gòu)的表面反射來(lái)自亮斑的光，從而產(chǎn)生多個(gè)返回光束。測(cè)量從結(jié)構(gòu)返回的多個(gè)光束中的各個(gè)光束的特性。基于測(cè)量出的特性，產(chǎn)生表示結(jié)構(gòu)的形貌的數(shù)據(jù)，如本文之前所描述地。為了掃描經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)深度的范圍的光束的焦點(diǎn)，改變匯聚透鏡與發(fā)散透鏡之間的間隔，以改變探頭與多個(gè)光束中的各個(gè)光束的各自的外部焦點(diǎn)之間的間隔。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，其中，在各個(gè)附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元件，圖1A和1B圖示出用于光學(xué)測(cè)量表面形貌的裝置20。裝置20包括結(jié)合到處理器24的光學(xué)裝置22。圖示出的實(shí)施例特別適用于測(cè)量患者的牙齒26的表面形貌。例如，裝置20能夠用于測(cè)量患者的牙齒的至少一個(gè)牙齒或牙齒的一部分缺失的這樣的部分的表面形貌，從而產(chǎn)生隨后在患者的假牙(例如，牙冠或牙橋)的設(shè)計(jì)和/或制造中使用的表面形貌數(shù)據(jù)。然而，需要注意的是，本發(fā)明不限于測(cè)量牙齒的表面形貌，并且還準(zhǔn)用于物體的三維結(jié)構(gòu)的成像的各種其它應(yīng)用(例如，用于考古對(duì)象的記錄，用于諸如生物組織這樣的任意適當(dāng)物品的三維結(jié)構(gòu)的成像等)。

在圖示出的實(shí)施例中，光學(xué)裝置22包括發(fā)出光的光源28(例如，半導(dǎo)體激光單元)，如箭頭30所示。光通過(guò)偏光器32，偏光器32使得通過(guò)偏光器32的光具有特定的偏振。然后，光進(jìn)入增大光束30的直徑的光學(xué)擴(kuò)束器34。然后，光束30通過(guò)模塊38，該模塊38能夠是例如將母光束30分成多個(gè)光束36的光柵或微透鏡陣列，為了易于圖示，在這里由單線表示多個(gè)光束36。

光學(xué)裝置22還包括具有小中央孔的半透明的反射鏡40。鏡子40使得光能夠從光源28通過(guò)下游的光學(xué)器件而傳播，但是反射在相反方向上行進(jìn)的光。需要注意的是，原則上，可以使用具有相似功能的其它光學(xué)部件(例如，分束器)而不是半透明的反射鏡。反射鏡40中的孔提高了裝置的測(cè)量精度。由于該反射鏡結(jié)構(gòu)，只要區(qū)域不處于焦點(diǎn)處，則光束在成像物體的被照明的該區(qū)域上產(chǎn)生光環(huán)。當(dāng)光束相對(duì)于成像物體聚焦時(shí)，光環(huán)變?yōu)殇J聚的亮斑。因此，測(cè)量的強(qiáng)度在不聚焦時(shí)與聚焦時(shí)之間的差異較大。相比于分束器，這種類(lèi)型的反射鏡的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：避免了在分束器中發(fā)生的內(nèi)反射，并且因此信噪比較大。

光學(xué)裝置22還包括：通常以遠(yuǎn)心模式運(yùn)行的共焦光學(xué)器件42、中繼光學(xué)器件44和內(nèi)窺鏡探頭部件46。在許多實(shí)施例中，共焦光學(xué)器件42構(gòu)造成避免距離帶來(lái)的放大率的變化，并且在Z方向上(Z方向是光束傳播的方向)的寬范圍的距離上維持圖像的相同的放大率。在許多實(shí)施例中，共焦光學(xué)器件42是遠(yuǎn)心的，并且甚至能夠是雙遠(yuǎn)心的。與非遠(yuǎn)心光學(xué)器件或僅在像空間或物空間是遠(yuǎn)心的光學(xué)器件相比，雙遠(yuǎn)心共焦光學(xué)器件(在像空間和物空間二者中均是遠(yuǎn)心的)能夠提供提高的光學(xué)測(cè)量精度。下面描述能夠包括在共焦光學(xué)器件42中的聚光組件的示例性實(shí)施例。在許多實(shí)施例中，中繼光學(xué)器件44構(gòu)造成維持光束的傳播的特定數(shù)值孔徑。

內(nèi)窺鏡探頭部件46能夠包括光傳輸介質(zhì)，光傳輸介質(zhì)能夠是在其內(nèi)限定了光傳輸路徑的中空物體或者由透光材料制成的物體(例如，玻璃體或管)。光傳輸介質(zhì)可以是剛性的或柔性的(例如，光纖)。在許多實(shí)施例中，內(nèi)窺鏡探頭部件46包括這種反射鏡：其確保全內(nèi)反射，并且使入射光束指向患者的牙齒26。從而，內(nèi)窺鏡46發(fā)出照射(impinging)到患者的牙齒26的表面上的多個(gè)入射光束48。

入射光束48形成相對(duì)于笛卡兒坐標(biāo)系50布置在X-Y平面中、并且沿著Z軸傳播的光束的陣列。當(dāng)入射光束48入射到粗糙表面上時(shí)，產(chǎn)生的亮斑52在不同的(X_i、Y_i)位置處沿著Z軸彼此移位。從而，雖然一個(gè)位置處的亮斑52可能對(duì)于由共焦光學(xué)器件42產(chǎn)生的給定焦距聚焦，但是其它位置處的亮斑52可能不聚焦。因此，聚焦光斑的返回光束的光強(qiáng)度將處于其峰值，而其它位置處的光強(qiáng)度將不處于峰值。從而，對(duì)于各個(gè)亮斑，在沿著Z軸的不同位置處進(jìn)行光強(qiáng)度的多次測(cè)量，并且對(duì)于各個(gè)這樣的(X_i、Y_i)位置，通常將求出強(qiáng)度對(duì)距離(Z)的導(dǎo)數(shù)，并且產(chǎn)生最大導(dǎo)數(shù)Z0的距離Z_i將為聚焦距離。如以上所指出地，作為使用打孔后的反射鏡40的結(jié)果，當(dāng)不聚焦時(shí)，入射光在表面上形成盤(pán)狀光，并且僅當(dāng)聚焦時(shí)，形成銳聚焦光斑，當(dāng)接近聚焦位置時(shí)，距離導(dǎo)數(shù)將變大，從而提高了測(cè)量精度。

從各個(gè)亮斑52反射的光包括起先在Z軸上的在與入射光束行進(jìn)的光路的相反方向上行進(jìn)的光束。各個(gè)返回光束54對(duì)應(yīng)于入射光束36中的一個(gè)入射光束?？紤]到反射鏡40的非對(duì)稱(chēng)性，返回光束54在檢測(cè)組件60的方向上被反射。檢測(cè)組件60包括偏光器62，偏光器62具有與偏光器32的偏振面正交的優(yōu)選偏振朝向的平面。返回的被偏振的光束54通過(guò)通常是一個(gè)透鏡或多個(gè)透鏡的成像光學(xué)器件64，并且該返回的被偏振的光束54然后通過(guò)針孔陣列66。各個(gè)返回光束54至少部分通過(guò)針孔陣列66的各個(gè)針孔。能夠是電荷耦合裝置(CCD)或任意其它適當(dāng)?shù)膱D像傳感器的傳感器陣列68包括傳感元件的矩陣。在許多實(shí)施例中，各個(gè)傳感元件呈現(xiàn)圖像的像素，并且各個(gè)傳感元件對(duì)應(yīng)于針孔陣列66中的一個(gè)針孔。

傳感器陣列68連接于處理器單元24的圖像捕捉模塊80。利用處理器24以下面描述的方式分析由傳感器陣列68中的各個(gè)傳感元件所測(cè)量的光強(qiáng)度。雖然在圖1A和1B中將光學(xué)裝置22描繪為測(cè)量光強(qiáng)度，但是裝置22還能夠構(gòu)造成測(cè)量其它適當(dāng)?shù)奶匦?例如，波長(zhǎng)、偏振、相移、干涉、色散)，如在本文之前所描述的。

控制模塊22包括控制模塊70，控制模塊70控制光源28和/或電機(jī)72的運(yùn)行。在許多實(shí)施例中，電機(jī)72與共焦光學(xué)器件42驅(qū)動(dòng)耦合，以沿著Z軸掃描經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)深度的范圍的光束的焦點(diǎn)。在單序列的操作中，控制單元70使電機(jī)72重新配置共焦光學(xué)器件42以改變焦平面的位置，并且然后，在收到位置已經(jīng)改變的反饋信號(hào)之后，控制模塊70促使光源28產(chǎn)生光脈沖。在從各個(gè)傳感元件獲取表示光強(qiáng)度(或其它特性)的數(shù)據(jù)期間，控制模塊70使圖像捕捉模塊80的操作與共焦光學(xué)器件42及光源28的操作同步。然后，在隨后的序列中，共焦光學(xué)器件42以相同的方式使焦平面改變，并且在焦距的范圍內(nèi)繼續(xù)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的獲取。

由處理器24通過(guò)處理軟件82處理強(qiáng)度數(shù)據(jù)，以確定在共焦光學(xué)器件42的焦平面的整個(gè)范圍內(nèi)的各個(gè)像素中的相對(duì)強(qiáng)度。如以上所說(shuō)明地，一旦特定的光斑聚焦在被測(cè)量的三維結(jié)構(gòu)上，則測(cè)量的返回光束的強(qiáng)度將最大。從而，對(duì)于各個(gè)像素，通過(guò)確定與最大光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的Zi，或者通過(guò)確定光強(qiáng)度的最小導(dǎo)數(shù)，能夠確定各個(gè)光束的沿著Z軸相對(duì)聚焦的焦距。從而，得到表示牙齒的外表面的三維形貌的數(shù)據(jù)。利用用戶控制模塊85(例如，采用計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、控制桿或觸摸屏幕)，得到的三維表示能夠被顯示在顯示器84上，并且被操縱以供觀看(例如，從不同的角度觀看，放大或縮小)。另外，能夠?qū)⒈硎颈砻嫘蚊驳臄?shù)據(jù)通過(guò)例如諸如調(diào)制解調(diào)器88這樣的適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)端口或任意適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)(例如，電話網(wǎng)絡(luò))傳送到接收器(例如，傳送到裝置之外的CAD/CAM裝置)。

通過(guò)以這種方式從結(jié)構(gòu)周?chē)膬蓚€(gè)以上的角度位置(例如，在牙齒區(qū)段的情況下，從頰方向、舌方向和/或可選擇地從牙齒上方)捕捉探頭與被測(cè)量的結(jié)構(gòu)之間的距離數(shù)據(jù)，能夠產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的精確三維表示。三維數(shù)據(jù)和/或得到的三維表示能夠用于在計(jì)算機(jī)環(huán)境中創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)的虛擬模型、和/或以任意適當(dāng)?shù)姆绞?例如，經(jīng)由計(jì)算機(jī)控制的銑床、諸如立體光刻裝置這樣的快速成型裝置)制造物理模型。

如已經(jīng)在上面指出地，特別的并且優(yōu)選的應(yīng)用是至少具有一個(gè)缺失的牙齒或牙齒的一部分缺失的牙齒區(qū)段的成像。例如，得到的三維表面形貌數(shù)據(jù)能夠用于要配合到該區(qū)段的牙冠或任意其它假體(prosthesis)的設(shè)計(jì)和隨后的制造。

現(xiàn)在參考圖2A和2B，圖示出根據(jù)許多實(shí)施例的探測(cè)部件90。在許多實(shí)施例中，探測(cè)部件90形成內(nèi)窺鏡46的至少一部分。探測(cè)部件90可以具有至少部分地插入到患者的口腔內(nèi)的尺寸。探測(cè)部件90能夠由透光材料(例如，玻璃、水晶、塑料等)制成，并且包括在93處以透光方式緊密粘合在一起的遠(yuǎn)端區(qū)段91和近端區(qū)段92。傾斜面94由反射鏡層95覆蓋。限定傳感面97的透明盤(pán)96(例如，由玻璃、水晶、塑料或任意其它適當(dāng)?shù)耐该鞑牧现瞥?沿著光路安置在反射鏡層95的遠(yuǎn)端，從而在透明盤(pán)96與遠(yuǎn)端區(qū)段91之間留下空氣間隙98。透明盤(pán)96通過(guò)保持結(jié)構(gòu)(未示出)固定在適當(dāng)位置處。示意性地表示三條光線99。如能夠看到地，光線99以探測(cè)部件90的壁是全反射的角度從探測(cè)部件90的壁反射，從反射鏡層95反射，并且然后透過(guò)傳感面97傳播。光線99聚焦在焦平面100上，能夠通過(guò)共焦光學(xué)器件42改變焦平面100的位置。

在許多實(shí)施例中，共焦光學(xué)器件42包括伸縮聚光組件。伸縮聚光組件被構(gòu)造為并且能夠被操作為掃描經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)深度的范圍的光束的焦點(diǎn)。為了確定各個(gè)光束相對(duì)于被測(cè)量的表面的聚焦距離，完成經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)深度的范圍的焦點(diǎn)的掃描，如在這里之前所描述地。

圖3圖示出能夠包括在共焦光學(xué)器件42中的根據(jù)許多實(shí)施例的伸縮聚光組件200。聚光組件200構(gòu)造成為并且能夠被操作為掃描經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)深度的范圍的多個(gè)光束(例如，光束的二維陣列)的焦點(diǎn)。聚光組件200能夠包括像空間透鏡組202和物空間透鏡組204。聚光組件200能夠構(gòu)造為并且被操作為將光束聚焦到外部焦平面206(例如，內(nèi)窺鏡探頭部件46的外部)上，并且可控制地掃描外部焦平面206相對(duì)于內(nèi)窺鏡探頭部件46的位置。在位于像空間透鏡組202與物空間透鏡組204之間的物空間透鏡組204的后焦平面處，光束主光線可能與光軸交叉。系統(tǒng)孔208可以位于后焦平面處或后焦平面附近?？讖焦怅@(APS)210可以位于系統(tǒng)孔208處或系統(tǒng)孔208附近。在許多實(shí)施例中，孔徑光闌210在物理遮光面中包括圓形開(kāi)口，并且用于限定光束寬度，并且因此，限定光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(NA)。

像空間透鏡組202和物空間透鏡組204均能夠分別包括一個(gè)以上的透鏡。例如，在許多實(shí)施例中，像空間透鏡組202和物空間透鏡組204均具有單個(gè)匯聚透鏡(例如，雙凸透鏡)。在這里可以使用“透鏡”來(lái)表示具有單個(gè)透鏡或多個(gè)透鏡(例如，雙透鏡或三透鏡)的元件。

為了改變內(nèi)窺鏡探頭部件46與外部焦平面206之間的相對(duì)距離，例如，能夠通過(guò)由電機(jī)72驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)來(lái)改變物空間透鏡組204與像空間透鏡組202之間的距離。該機(jī)構(gòu)可以使物空間透鏡組204或像空間透鏡組202中的一個(gè)以上的透鏡組沿著光束沿光學(xué)系統(tǒng)的也被稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)軸的光軸而傳播的方向移位。通過(guò)改變物空間透鏡組204與像空間透鏡組202之間的距離，外部焦平面206沿著光束的傳播方向移位。通過(guò)使物空間透鏡組204沿著對(duì)稱(chēng)軸移動(dòng)，能夠使外部焦平面206移位到任意適當(dāng)位置，諸如移位到近焦點(diǎn)位置212、中間焦點(diǎn)位置214或遠(yuǎn)焦點(diǎn)位置216。

在伸縮聚光組件中，當(dāng)外部焦平面206由于物空間透鏡組204相對(duì)于APS 210的移位而移位時(shí)，遠(yuǎn)心度可能受到影響(compromised)。物空間透鏡組204相對(duì)于APS 210的移位導(dǎo)致光線通過(guò)物空間透鏡組204的不同部分折射。

圖4圖示出能夠包括在共焦光學(xué)器件42中的根據(jù)許多實(shí)施例的聚光組件220。聚光組件220能夠包括：像空間透鏡組202；物空間透鏡組204；和變焦組件222，其沿著像空間透鏡組與物空間透鏡組之間的光路安置在系統(tǒng)孔208處或系統(tǒng)孔208附近。像空間透鏡組202或物空間透鏡組204中的至少一個(gè)透鏡元件可以是遠(yuǎn)心透鏡。聚光組件220中的一個(gè)以上的光學(xué)器件能夠被構(gòu)造成使多個(gè)光束在變焦組件222內(nèi)重疊。例如，像空間透鏡組202中的至少一個(gè)透鏡元件可以具有被布置成使通過(guò)變焦組件222的光束重疊并且大致平行的焦距和位置。

能夠操作聚光組件220，從而在不使物空間透鏡組204相對(duì)于像空間透鏡組202移動(dòng)的情況下使外部焦平面206移位。能夠通過(guò)改變變焦組件222的光學(xué)功率而使外部焦平面206沿著對(duì)稱(chēng)軸移位(例如，移位到近焦點(diǎn)位置、中間焦點(diǎn)位置和遠(yuǎn)焦點(diǎn)位置)。因此，即使當(dāng)外部焦平面206的位置移動(dòng)時(shí)，聚光組件220也能夠維持遠(yuǎn)心度和放大率。在許多實(shí)施例中，當(dāng)外部焦點(diǎn)沿著光束的傳播方向移動(dòng)時(shí)，變焦組件的定位和構(gòu)造抑制外部光束的外部焦點(diǎn)之間的間隔的變化。例如，變焦組件222能夠定位在聚光組件220的物鏡(例如，物空間透鏡組204)的后焦距處或后焦距附近。作為替代或者組合，變焦組件222能夠沿著多個(gè)光束的光路定位，使得多個(gè)光束中的大部分光束沿著變焦組件222的至少一部分與多個(gè)光束中的其它光束重疊。在進(jìn)入變焦組件222時(shí)，多個(gè)光束中的各個(gè)光束可以包括大致平行的構(gòu)造。在從變焦組件222出射時(shí)，變焦組件222可以相似地將多個(gè)光束中的各個(gè)光束調(diào)整為匯聚構(gòu)造、大致平行的構(gòu)造或者發(fā)散構(gòu)造。

在圖4中圖示的實(shí)施例中，變焦組件220包括可變光學(xué)功率元件224?？勺児鈱W(xué)功率元件224能夠是具有可控制的可變光學(xué)功率的任意適當(dāng)光學(xué)器件。例如，可變光學(xué)功率元件224能夠包括可變功率透鏡元件或液體透鏡元件，諸如提供微距對(duì)焦能力(close focus ability)和低功率消耗的液體透鏡。能夠通過(guò)諸如施加適當(dāng)電流(例如，0mA至300mA的范圍內(nèi))來(lái)電調(diào)諧液體透鏡，以改變光學(xué)功率。在許多實(shí)施例中，可變光學(xué)功率元件224包括高折射率材料和低折射率材料，并且可以改變材料之間的界面(例如，彎月面)來(lái)調(diào)整光學(xué)功率?？勺児鈱W(xué)功率元件224的光學(xué)功率能夠以任意適當(dāng)量來(lái)改變，諸如以大約2屈光度、5屈光度、10屈光度、15屈光度、20屈光度或30屈光度改變?？勺児鈱W(xué)功率元件224的光學(xué)功率能夠在任意適當(dāng)范圍內(nèi)變化，諸如下面任意二者之間的范圍：5屈光度、8屈光度、10屈光度、15屈光度、16.5屈光度、20屈光度、22屈光度、25屈光度或50屈光度。能夠操作可變光學(xué)功率元件224，從而在可變光學(xué)功率元件224不移動(dòng)(例如，不沿著對(duì)稱(chēng)軸移動(dòng)和/或不相對(duì)于聚光組件220的其它部件移動(dòng))的情況下移動(dòng)外部焦平面206。因此，聚光組件220能夠在不任何移動(dòng)光學(xué)部件的情況下提供外部焦平面206的掃描。

圖5圖示出能夠包括在共焦光學(xué)器件42中的根據(jù)許多實(shí)施例的另一個(gè)聚光組件230。與圖4所示的聚光組件220相似地，聚光組件230包括：像空間透鏡組202、物空間透鏡組204以及可以被設(shè)置在系統(tǒng)孔208處的變焦組件232。聚光組件230可以接收多個(gè)光束，并且使多個(gè)光束在變焦組件232內(nèi)重疊，如上所述。然而，在聚光組件230中，變焦組件232包括變焦透鏡組234，而不是可變光學(xué)功率元件。能夠通過(guò)變焦透鏡組234中的透鏡元件之間的相對(duì)移動(dòng)來(lái)改變變焦透鏡組234的光學(xué)功率。變焦透鏡組234中的透鏡元件之間的相對(duì)移動(dòng)能夠包括使得變焦透鏡組的任意適當(dāng)部件移位，諸如單個(gè)透鏡元件、多個(gè)透鏡元件、一個(gè)透鏡元件的一個(gè)以上的部分，多個(gè)透鏡元件的一個(gè)以上的部分或任意適當(dāng)組合。例如，變焦透鏡組能夠是一對(duì)透鏡，并且移動(dòng)能夠是透鏡之間的間隔(例如，沿著對(duì)稱(chēng)軸)的變化。通過(guò)改變變焦透鏡組234的光學(xué)功率，外部焦平面206沿著對(duì)稱(chēng)軸移位(例如，移位到近焦點(diǎn)位置、中間焦點(diǎn)位置、遠(yuǎn)焦點(diǎn)位置)。

在圖5所示的實(shí)施例中，變焦透鏡組234包括匯聚透鏡236(例如，雙凸透鏡)和發(fā)散透鏡238(例如，雙凹透鏡)。能夠通過(guò)改變匯聚透鏡236與發(fā)散透鏡238之間的間隔來(lái)改變變焦透鏡組234的光學(xué)功率。雖然將變焦透鏡組234圖示成具有一個(gè)匯聚透鏡和一個(gè)發(fā)散透鏡，但是適當(dāng)?shù)淖兘雇哥R組能夠包括透鏡元件的任意適當(dāng)組合，其中，透鏡元件之間的相對(duì)移動(dòng)影響光學(xué)功率的變化。

在許多實(shí)施例中，變焦透鏡組234中的透鏡元件的移動(dòng)相對(duì)于引起的外部焦平面206的移位是小的。例如，變焦透鏡組234的大約0mm至大約2mm的移動(dòng)可以引起外部焦平面206的大約15mm的移動(dòng)。聚光組件230能夠被構(gòu)造成使得變焦透鏡組234中的透鏡元件之間的間隔的變化引起至少2、3、4、5、7.5或10倍(fold)大的外部焦平面206與內(nèi)窺鏡探頭部件46之間的間隔的變化。在許多實(shí)施例中，外部焦平面206的移位比變焦透鏡組234中的透鏡元件之間的間隔的相應(yīng)變化大了大約2、3、4、5、7.5或10倍。本文中，可以將外部焦平面的移動(dòng)距離與變焦組件的元件的相應(yīng)移動(dòng)距離的比率稱(chēng)為“移動(dòng)增益系數(shù)”。由變焦組件提供的移動(dòng)增益系數(shù)可以是大約1、1.1、2、3、4、5、7.5、10或15。

圖6是用于確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的方法300的步驟的簡(jiǎn)化塊圖。任意適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)組件、設(shè)備、裝置和/或系統(tǒng)，諸如在本文中描述的適當(dāng)實(shí)施例，能夠用于實(shí)施方法300。

在步驟310中，產(chǎn)生多個(gè)光束。任意適當(dāng)設(shè)備能夠用于產(chǎn)生光束。例如，參考圖1A，裝置20能夠用于產(chǎn)生光束。裝置20能夠包括將由光源28發(fā)出的激光束30分成光束陣列36的光柵或微透鏡陣列38。

在步驟320中，使光束在變焦組件內(nèi)重疊。例如，如利用聚光組件220和利用聚光組件230，像空間透鏡組202能夠?qū)⒐馐謩e重疊在變焦組件222和232上。變焦組件可以安置在系統(tǒng)孔處或系統(tǒng)孔附近。作為替代或者組合，變焦組件可以位于物鏡或物空間透鏡組(例如，遠(yuǎn)心透鏡)的后焦距處。

在步驟330中，操作變焦組件以使光束的各外部焦點(diǎn)移動(dòng)。在許多實(shí)施例中，變焦組件包括安置在系統(tǒng)孔處的變焦透鏡組或可變光學(xué)功率元件，如分別在聚光組件220或聚光組件230中一樣。在許多實(shí)施例中，外部焦點(diǎn)形成外部焦平面，能夠通過(guò)改變變焦組件的光學(xué)功率而使該外部焦平面移位。參考圖2B所示的內(nèi)窺鏡探頭部件46，在許多實(shí)施例中，光束沿著經(jīng)過(guò)內(nèi)窺鏡探頭部件46的光路傳播，使得外部焦平面位于探頭的外部(例如，焦平面100)。光束從內(nèi)窺鏡探頭部件46的安置在外部焦平面與聚光組件之間的位置處(例如，傳感面97)發(fā)出。光路能夠構(gòu)造成在被測(cè)量的結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生亮斑的陣列，如圖1A中的患者的牙齒26上的亮斑52所示。

能夠使外部焦點(diǎn)移位，以掃描經(jīng)過(guò)多個(gè)焦點(diǎn)深度的外部焦平面。在許多實(shí)施例中，能夠操作變焦組件以改變外部焦點(diǎn)與內(nèi)窺鏡探頭部件46之間的間隔距離，諸如通過(guò)使間隔距離在規(guī)定的范圍內(nèi)振蕩。例如，能夠使外部焦點(diǎn)與內(nèi)窺鏡探頭部件46之間的間隔距離振蕩至少5mm、至少10mm、至少15mm、或至少20mm。在許多實(shí)施例中，間隔距離的振蕩能夠處于大約10mm至大約15mm的范圍內(nèi)。能夠使用任意適當(dāng)?shù)恼袷庮l率，諸如大于或等于大約1Hz、10Hz、20Hz、50Hz、75Hz或100Hz的頻率。振蕩頻率可以處于從大約10Hz至大約100Hz、或者從大約50Hz至大約100Hz的范圍內(nèi)。在采用變焦組件的實(shí)施例中，諸如在聚光組件220和在聚光組件230中，作為減少或消除使外部焦平面206移位期望距離所需的聚光組件的移動(dòng)的結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)于聚光組件200的提高的振蕩速率。

在步驟340中，測(cè)量從結(jié)構(gòu)返回的多個(gè)光束的特性。例如，如圖1A所示，返回光束54由結(jié)構(gòu)的表面反射，并且均與由光學(xué)裝置22產(chǎn)生的入射光束36中的一個(gè)入射光束相對(duì)應(yīng)。任意適當(dāng)設(shè)備能夠用于測(cè)量返回光束的特性，諸如傳感器陣列68。在許多實(shí)施例中，被測(cè)量的特性是強(qiáng)度。

在步驟350中，基于被測(cè)量的特性產(chǎn)生表示結(jié)構(gòu)的形貌的數(shù)據(jù)，如本文之前所描述地。任意適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)能夠用于接收和產(chǎn)生數(shù)據(jù)，諸如在圖1B中描繪出的處理器24。

表格1提供了圖3所示的聚光組件200(在下文中稱(chēng)為“伸縮組件”)、圖4所示的聚光組件220(在下文中稱(chēng)為“可變?cè)M件”)、和圖5所示的聚光組件230(在下文中稱(chēng)為“移動(dòng)透鏡組件”)的示例構(gòu)造和操作參數(shù)。

表格1：聚光組件的示例構(gòu)造和操作參數(shù)。

對(duì)于表格1中的三個(gè)系統(tǒng)，外部焦平面移位15mm。在伸縮組件中，重量50g的物空間透鏡組的15mm的移動(dòng)能夠用于產(chǎn)生移動(dòng)增益系數(shù)為1的外部焦平面的15mm的移動(dòng)。物空間透鏡組能夠以大約1Hz的最大頻率振蕩。在可變?cè)M件中，在任意光學(xué)元件不移動(dòng)的情況下的可變光學(xué)功率透鏡元件的光學(xué)功率的5屈光度的變化能夠用于產(chǎn)生外部焦平面的15mm的移位?？勺児鈱W(xué)功率元件的光學(xué)功率能夠以大約100Hz的最大頻率振蕩。在移動(dòng)透鏡組件中，重量5g的變焦透鏡組移動(dòng)透鏡的2mm的移動(dòng)能夠用于產(chǎn)生移動(dòng)增益系數(shù)為7.5的外部焦平面的15mm的移位。變焦透鏡組能夠以大約20Hz的最大頻率振蕩。

顯而易見(jiàn)，可變?cè)M件和移動(dòng)透鏡組件提供了一些優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)與伸縮組件相比時(shí)，利用可變?cè)M件和移動(dòng)透鏡組件，外部焦平面能夠分別在光學(xué)聚焦元件的移動(dòng)非常小或不移動(dòng)的情況下移位。對(duì)于移動(dòng)透鏡組件，移動(dòng)光學(xué)元件的重量與伸縮組件的重量相比可以大幅度減小，從而減小移動(dòng)該元件所需的電量。此外，與伸縮組件相比，可變?cè)M件和移動(dòng)透鏡組件的焦點(diǎn)深度振蕩的最大頻率可以非常高，從而適用于具有提高的掃描速率的系統(tǒng)。

圖7圖示出與圖3所示的伸縮聚光組件200相似的伸縮聚光組件400的實(shí)施例。然而，在許多實(shí)施例中，伸縮聚光組件400可能具有比較小的展開(kāi)量(unfold reach)402(例如，80mm)，該展開(kāi)量是物空間透鏡組404的前方與外部焦平面406之間的最小距離?？梢詫⒄归_(kāi)量402相加到光柵或微透鏡陣列38與被測(cè)量的結(jié)構(gòu)之間的光路的整個(gè)長(zhǎng)度。然而，減小光柵或微透鏡陣列38與被測(cè)量的結(jié)構(gòu)之間的光路的長(zhǎng)度以提供更緊湊的光學(xué)裝置22可能是有益的。

圖8圖示出根據(jù)許多實(shí)施例的緊湊的聚光組件410的實(shí)施例。緊湊的聚光組件410能夠包括Z1透鏡組412和Z2透鏡組414。前端透鏡組416能夠沿著光路安置于緊湊的聚光組件410的遠(yuǎn)端。Z1透鏡組412與Z2透鏡組414能夠相鄰地安置。Z2透鏡組414能夠安置在Z1透鏡組412與系統(tǒng)孔418之間。系統(tǒng)孔418能夠安置在Z2透鏡組414與前端透鏡組416之間，諸如安置在前端透鏡組416的后焦距處。Z1透鏡組412和Z2透鏡組414可以構(gòu)造成使多個(gè)光束朝著系統(tǒng)孔418重疊。Z1透鏡組412和Z2透鏡組414可以調(diào)整通過(guò)系統(tǒng)孔418的光束的構(gòu)造，諸如通過(guò)使光束匯聚、發(fā)散或大致平行。

Z1透鏡組412和Z2透鏡組414能夠包括任意適當(dāng)透鏡或透鏡的組合。例如，Z1透鏡組412能夠包括匯聚透鏡(例如，雙凸透鏡)，并且Z2透鏡組414能夠包括發(fā)散透鏡(例如，雙凸透鏡)。前端透鏡組416能夠包括任意適當(dāng)透鏡或透鏡的組合，諸如匯聚透鏡(例如，具有朝著外部焦平面406安置的平面的平凸透鏡)。Z1透鏡組412、Z2透鏡組414、或前端透鏡組416中的一個(gè)以上的透鏡組可以包括遠(yuǎn)心透鏡。例如，在許多實(shí)施例中，前端透鏡組416是遠(yuǎn)心透鏡。在圖示出的實(shí)施例中，Z2透鏡組414的遠(yuǎn)端面與外部焦平面416之間的展開(kāi)量420(例如，在中間焦點(diǎn)位置處是110mm)導(dǎo)致光柵或微透鏡陣列38與被測(cè)量的結(jié)構(gòu)之間的減小的光路長(zhǎng)度。在伸縮聚光組件400和緊湊的聚光組件410二者中，能夠根據(jù)移動(dòng)從而使外部焦平面406的位置移位的透鏡組的遠(yuǎn)端面來(lái)測(cè)量展開(kāi)量。

在緊湊的聚光組件410中，能夠通過(guò)改變Z1透鏡組412與Z2透鏡組414之間的間隔使得外部焦平面406沿著對(duì)稱(chēng)軸移位。能夠通過(guò)移動(dòng)Z1透鏡組412、移動(dòng)Z2透鏡組414、或者移動(dòng)Z1透鏡組412和Z2透鏡組414二者來(lái)完成改變Z1透鏡組412與Z2透鏡組414之間的間隔。例如，能夠增大匯聚透鏡與發(fā)散透鏡之間的間隔，以在遠(yuǎn)焦點(diǎn)位置、中間焦點(diǎn)位置和近焦點(diǎn)位置之間改變外部焦平面。

圖9圖示出根據(jù)許多實(shí)施例的包括緊湊的聚光組件410和探頭432的光學(xué)組件430。通過(guò)緊湊的聚光組件410聚焦的光束能夠通過(guò)朝著系統(tǒng)孔418安置的面434而進(jìn)入探頭432，在探頭的壁上反射，并且從朝著外部焦平面406安置的面436發(fā)出。探頭432能夠由任意適當(dāng)材料制造，諸如透光材料(例如，玻璃)。在許多實(shí)施例中，探頭的壁是全反射的，使得隨著光束通過(guò)探頭傳播，光束從探頭的內(nèi)壁反射。探頭能夠是探測(cè)部件90，如圖2A和2B所示。在許多實(shí)施例中，薄透鏡定位在探頭退出孔436處。

外部焦平面406能夠沿著從探頭發(fā)出的光束的方向相對(duì)于探頭432移位。能夠通過(guò)改變Z1透鏡組412與Z2透鏡組414之間的間隔而使外部焦平面406移位，如上所述。

在許多實(shí)施例中，Z1透鏡組與Z2透鏡組之間的距離的變化引起探頭432與外部焦平面406之間的距離的較大變化。例如，緊湊的聚光組件410能夠構(gòu)造成使得Z1透鏡組412與Z2透鏡組414之間的距離的變化引起至少2倍大的探頭432與外部焦平面406之間的間隔的變化。在許多實(shí)施例中，緊湊的聚光組件410構(gòu)造成使得Z1透鏡組412與Z2透鏡組414之間的距離的變化引起至少4倍大的探頭432與外部焦平面406之間的間隔的變化。圖8和9圖示出相似的概念，并且圖9具有增加以展示對(duì)細(xì)長(zhǎng)探頭的適用性的探頭。圖8圖示出在不使用前孔概念的情況下要求的光學(xué)程度。

緊湊的聚光組件410的使用可以引起整個(gè)光路長(zhǎng)度的顯著減小。緊湊的聚光組件410可以提供減小的光路長(zhǎng)度(與現(xiàn)有的方法相比)，而不影響視場(chǎng)(FOV)。

圖10圖示出根據(jù)許多實(shí)施例的用于確定三維結(jié)構(gòu)的表面形貌的方法500的步驟。任意適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)組件、設(shè)備、裝置和/或系統(tǒng)，諸如在本文中描述的適當(dāng)實(shí)施例，能夠用于實(shí)施方法500。

在步驟510中，產(chǎn)生多個(gè)光束。任意適當(dāng)設(shè)備能夠用于產(chǎn)生光束。例如，參考圖1A，裝置20能夠用于產(chǎn)生光束。裝置20包括將由光源28發(fā)出的激光束30分成光束陣列36的光柵或微透鏡陣列38。

在步驟520中，光束通過(guò)匯聚透鏡、發(fā)散透鏡和探頭傳播。任意適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)器件能夠用于完成步驟520。例如，圖8和圖9所示的實(shí)施例能夠用于完成步驟520。

在步驟530中，改變匯聚透鏡與發(fā)散透鏡之間的間隔，以改變探頭與光束的各個(gè)外部焦點(diǎn)之間的間隔。

例如，參考圖9所示的實(shí)施例，外部焦點(diǎn)能夠形成位于探頭之外的外部焦平面。能夠通過(guò)減小匯聚透鏡與發(fā)散透鏡之間的間隔而增大探頭與外部焦平面之間的間隔。在一些情況下，能夠改變探頭與外部焦點(diǎn)之間的間隔，以掃描經(jīng)過(guò)多個(gè)焦點(diǎn)深度的外部焦平面。能夠以適當(dāng)距離并且以適當(dāng)頻率振蕩間隔，諸如關(guān)于方法300而在本文中預(yù)先提供的值。例如，匯聚透鏡與發(fā)散透鏡之間的距離能夠?qū)ΨQ(chēng)地改變1mm，引起外部焦平面的10mm的移動(dòng)。

在步驟540中，測(cè)量從各個(gè)光斑返回的各個(gè)光束的特性。例如，如圖1A所示，返回光束54由結(jié)構(gòu)的表面反射，并且均與由光學(xué)裝置22產(chǎn)生的入射光束36中的一個(gè)入射光束相對(duì)應(yīng)。任意適當(dāng)設(shè)備能夠用于測(cè)量返回光束的特性，諸如傳感器陣列68。

在步驟550中，基于被測(cè)量的特性產(chǎn)生表示結(jié)構(gòu)的形貌的數(shù)據(jù)，如本文之前所描述地。任意適當(dāng)?shù)难b置能夠用于接收和產(chǎn)生數(shù)據(jù)，諸如在圖1B中描繪的處理器24。

在這里描述的組件、系統(tǒng)、方法和裝置的任意實(shí)施例的任意適當(dāng)特性能夠組合或者由在本文中描述的其它實(shí)施例的適當(dāng)特性替代。例如，光學(xué)裝置22的共焦光學(xué)器件42能夠僅包括本文描述的聚光組件中的任意一者，諸如聚光組件220、230、410中的任意一者。在許多情況下，本文中描述的示例性的光學(xué)系統(tǒng)能夠與諸如探測(cè)部件90這樣的探頭組合，以有助于口腔的光學(xué)測(cè)量。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解為：能夠根據(jù)本文描述的系統(tǒng)、方法和裝置進(jìn)行許多適當(dāng)?shù)慕M合和替代。

雖然已經(jīng)本文中示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)明顯的是，僅通過(guò)示例的方式提供了這樣的實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，能夠在不背離本發(fā)明的情況下做出各種變化、改進(jìn)和替代。需要理解的是：可以采用本文描述的本發(fā)明的實(shí)施例的各種替代來(lái)實(shí)施本發(fā)明。期望的是：下面的權(quán)利要求限定本發(fā)明的范圍，并且從而涵蓋了處于這些權(quán)利要求和它們的等同物的范圍內(nèi)的方法和結(jié)構(gòu)。