光學(xué)掃描設(shè)備的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種用于掃描身體孔道或表面的設(shè)備包括光源和廣角鏡頭。來(lái)自光源的光被投射在廣角鏡頭遠(yuǎn)端或近處的圖案中。優(yōu)選地，該圖案是在廣角鏡頭的焦面內(nèi)。圖案與身體孔道（如耳道）的表面相交，并限定沿表面延伸的圖案的局部橫向部分。處理器被配置為接收來(lái)自廣角鏡頭的橫向部分的圖像，并使用廣角鏡頭的已知的焦面確定橫向部分在坐標(biāo)系中的位置。多個(gè)橫向部分由處理器進(jìn)行重新構(gòu)造以建立三維的形狀。該三維形狀可用于如醫(yī)療設(shè)備（如助聽(tīng)器）的診斷、導(dǎo)航或定制吻合的目的。
【專(zhuān)利說(shuō)明】光學(xué)掃描設(shè)備
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本專(zhuān)利申請(qǐng)要求于2011年3月23日提交的且標(biāo)題為“光學(xué)掃描設(shè)備”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第61/466863號(hào)的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)。
[0003]本專(zhuān)利申請(qǐng)要求于2012年3月12日提交的且標(biāo)題為“光學(xué)掃描設(shè)備”的美國(guó)非臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第13/417767號(hào)的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)。
[0004]背景
[0005]本發(fā)明涉及確定軟組織表面的形狀，并且更具體地涉及使用光學(xué)技術(shù)來(lái)確定這些形狀。
[0006]助聽(tīng)器、聽(tīng)力保護(hù)和定制頭戴式耳機(jī)往往需要由患者的耳道制成的硅膠印模。聽(tīng)力學(xué)家把硅膠材料倒入耳朵內(nèi)，等待它變硬，然后制造者使用所形成的硅膠印模來(lái)制造定制適配的耳內(nèi)設(shè)備。這個(gè)過(guò)程緩慢、昂貴、一致性不好，并且對(duì)于患者來(lái)說(shuō)是不舒適的，而且甚至是危險(xiǎn)的。
[0007]此外，還有一系列的其他醫(yī)療需求從確定身體表面的形狀中獲益，這些身體表面包括限定身體孔道如患者的耳道、咽喉、口腔或鼻孔的形狀大小的表面。例如，通過(guò)知道這些形狀或被塑造成具有這些形狀的定制適配的醫(yī)療器械可以對(duì)手術(shù)進(jìn)行指導(dǎo)。
[0008]因此，有必要對(duì)身體表面的形狀(包括與身體孔道有關(guān)的表面的形狀和大小)的確定進(jìn)行改進(jìn)。
[0009]概述
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，一種用于掃描身體的身體孔道的設(shè)備包括光源和廣角鏡頭，其中，來(lái)自光源的光被投射在廣角鏡頭遠(yuǎn)處的圖案中。
[0011]在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式包括一種確定身體孔道的幾何形狀的方法。該方法包括使用光源把光圖案投射到坐標(biāo)系中的位置處。光圖案的至少一個(gè)局部橫向部分照射身體孔道的表面。橫向部分在坐標(biāo)系中的位置是使用帶有焦面的攝像機(jī)進(jìn)行確定的，其中該焦面包括該位置。
[0012]附圖簡(jiǎn)述
[0013]圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的設(shè)備的示意圖；
[0014]圖2是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的探頭的示意圖；
[0015]圖3A-圖3E是圖2的探頭的遠(yuǎn)端的各種視圖；
[0016]圖4是圖2的探頭的分解視圖；
[0017]圖5是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的示意圖，其中，在廣角鏡頭的前向視場(chǎng)中使用了分束器；
[0018]圖6是被用于校準(zhǔn)的激光光圖案照射的皮膚目標(biāo)的圖像；
[0019]圖7是圖6的激光光圖案的橫向部分的厚度的橫截面圖，示出了在厚度上的強(qiáng)度分布；
[0020]圖8是被用于校準(zhǔn)圖2的探頭的目標(biāo)；
[0021]圖9是使用圖2的探頭的廣角鏡頭拍攝的圖8的目標(biāo)的模擬圖像；[0022]圖10是由處理器使用來(lái)檢測(cè)與所測(cè)表面相交的激光光圖案的橫向部分的徑向距離或位置的數(shù)學(xué)和幾何形狀的示意圖；
[0023]圖11是由示于圖1的計(jì)算機(jī)所重建的耳道的一部分的三維形狀；
[0024]圖12是用于測(cè)量本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的耳朵鞍形部的幾何形狀的方法中所使用的耳朵解剖結(jié)構(gòu)透視圖；以及
[0025]圖13是用于光學(xué)測(cè)定表面幾何形狀的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的示意圖。
[0026]示例實(shí)施方式的詳細(xì)描述
[0027]現(xiàn)在參考圖1-圖4，本發(fā)明的實(shí)施方式包括用于掃描身體孔道或表面的設(shè)備10，設(shè)備10包括光源12和廣角鏡頭14。來(lái)自光源的光被投射在廣角鏡頭14遠(yuǎn)處或近處的圖案16中。優(yōu)選地，圖案16在廣角鏡頭14的焦面18內(nèi)。圖案16與身體孔道(如耳道)的表面相交并限定沿該表面延伸的圖案的局部橫向部分20。處理器26被配置為從廣角鏡頭14接收橫向部分20的圖像，并使用廣角鏡頭14的已知的焦面確定橫向部分在坐標(biāo)系中的位置。
[0028]本文所用的術(shù)語(yǔ)“已知的”是指已知約在適于達(dá)到所需分辨率的正常公差范圍內(nèi)。因此，已知的焦面具有一定的厚度和其對(duì)應(yīng)于正常制造公差的結(jié)果的變化。
[0029]本文使用的術(shù)語(yǔ)是為了描述特定實(shí)施方式的目的，而不是意在限制本發(fā)明。除非上下文清楚地另有指示，否則如本文所用的單數(shù)形式“一(a)”、“一(an)”和“該(the)”旨在也包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解，當(dāng)術(shù)語(yǔ)“包含(comprises)”、“包括(comprising)”等等用于本說(shuō)明書(shū)中時(shí)，其指定所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但并非排除一種或多種其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其組合(group)的存在或加入。
[0030]下面的權(quán)利要求中的所有裝置或步驟加功能元件的相應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)作和等同物被認(rèn)為包括用于實(shí)現(xiàn)與作為特別要求保護(hù)的其他元件相結(jié)合的功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或動(dòng)作。出于示例和說(shuō)明目的給出了對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的描述，并且所述描述并非旨在窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限于所公開(kāi)的形式。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，許多修改和變化對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員而言將是明顯的。選擇和描述這些實(shí)施例是為了最好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，并使得本領(lǐng)域其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明，并考慮各種實(shí)施例的各種修改適用于特定應(yīng)用。
[0031]再次參看圖1和圖2，正在使用設(shè)備10檢查患者的身體30。該設(shè)備還可包括:手持式探頭34、光學(xué)硬件組件66、跟蹤系統(tǒng)28和計(jì)算機(jī)68。
[0032]值得注意的是，光學(xué)硬件組件66 (包括用于激光和/或纖維鏡的光源)、跟蹤系統(tǒng)28和計(jì)算機(jī)68這些元件中的一些或全部可以被包含在手持式探頭34的主體內(nèi)。
[0033]患者的身體30限定可由用于醫(yī)療目的的本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行研究的多個(gè)孔道或身體表面中的任何一個(gè)。身體標(biāo)記38或基準(zhǔn)對(duì)限定目標(biāo)的表面或孔道的身體30的部分進(jìn)行裝飾。例如，頭帶72在耳道70附近的頭部周?chē)由觳⒊休d著多個(gè)回復(fù)反射球。
[0034]還應(yīng)當(dāng)注意的是，非醫(yī)療用途也是可能的，如在工業(yè)環(huán)境中測(cè)量彎曲的開(kāi)口或表面。然而，本發(fā)明的實(shí)施方式特別適合于測(cè)量具有小直徑(約6毫米)的耳道70的表面。該耳道可選地具有至少一個(gè)沿其長(zhǎng)度方向的彎部。[0035]探頭34包括手柄74、線纜76、探頭軸40和多個(gè)探頭標(biāo)記38。線纜76包括光導(dǎo)體42和多個(gè)圖像導(dǎo)體44，并將探頭34連接到光學(xué)硬件組件66上。圖像導(dǎo)體例如可通過(guò)光纖線或者通過(guò)傳送含有圖像數(shù)據(jù)的電信號(hào)來(lái)傳導(dǎo)光圖像。因此，在本文中術(shù)語(yǔ)“導(dǎo)體”被用于其最廣泛的意義上以包括傳導(dǎo)任何模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)、電力或信息或數(shù)據(jù)。導(dǎo)體也可代表例如通過(guò)RF信號(hào)進(jìn)行的無(wú)線通信。
[0036]光學(xué)硬件組件包括纖維鏡主體、光源12和攝像機(jī)。纖維鏡主體通過(guò)圖像導(dǎo)體44中的一個(gè)被連接到探頭34。攝像機(jī)被連接到纖維鏡主體并從中接收?qǐng)D像以用于探頭34在身體孔道內(nèi)的導(dǎo)航。同樣，光源(在這種情況下為激光光源)通過(guò)光導(dǎo)體42連接到探頭34。
[0037]跟蹤系統(tǒng)28包括一對(duì)間隔開(kāi)并指向探頭標(biāo)記36和身體標(biāo)記38的攝像機(jī)78。可選地，有至少三個(gè)探頭標(biāo)記。跟蹤系統(tǒng)28可以是集成的系統(tǒng)，該集成的系統(tǒng)被配置為使用板載硬件和軟件跟蹤和報(bào)告對(duì)象在其坐標(biāo)系內(nèi)的位置或一個(gè)標(biāo)記相對(duì)于另一個(gè)標(biāo)記的位置?；蛘?，處理功能可以被分布在例如圖1中所示的實(shí)施方式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)68內(nèi)。
[0038]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)68被連接到光學(xué)硬件組件66和跟蹤系統(tǒng)28上。在計(jì)算機(jī)內(nèi)的是處理器26和在圖13中更詳細(xì)地描述的附加部件。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被配置為接收來(lái)自探頭34的數(shù)據(jù)(包括與身體孔道的表面相交的光圖案16的橫向部分20上的數(shù)據(jù))和來(lái)自跟蹤系統(tǒng)28的數(shù)據(jù)(包括探頭34和穿戴者的身體相對(duì)于坐標(biāo)系的位置數(shù)據(jù))。而且，計(jì)算機(jī)的處理器26被配置為使用該數(shù)據(jù)來(lái)確定身體表面的三維形狀(例如耳道70的形狀)以用于構(gòu)建定制的助聽(tīng)器。
[0039]參看圖2，以更大的示意性細(xì)節(jié)示出了探頭34，并且探頭34包括以跟蹤系統(tǒng)28的攝像機(jī)78的視場(chǎng)內(nèi)的多個(gè)回復(fù)反射跟蹤球形式的探頭標(biāo)記36。如上所述，可選地，使用了三個(gè)或更多個(gè)探頭標(biāo)記36并且探頭包括三個(gè)或更多個(gè)這樣的探頭標(biāo)記。一般而言，在不存在其他假設(shè)或信息的情況下，三個(gè)球是鎖定所有6個(gè)自由度所需要的最小數(shù)量。從探頭的遠(yuǎn)端發(fā)射的是光圖案16 (在這種情況下為平坦的表面，但它也可以是光錐或束或一些其他的表面形狀)，該光圖案16延伸穿過(guò)蓋子56的透明側(cè)壁58并在與耳道70的內(nèi)表面相交時(shí)形成一個(gè)或多個(gè)橫向部分20。探頭34具有有利的尺寸以在耳道70內(nèi)移動(dòng)以捕獲幾個(gè)形狀，其被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)68用于組合成三維形狀32。
[0040]圖3A、圖3B、圖3C、圖3D和圖3F是探頭34的遠(yuǎn)端的更詳細(xì)的視圖。探頭能夠可選地包含光導(dǎo)體42、圖像導(dǎo)體44、蓋子56、反射器48、掩模50、錐形反射鏡52和纖維鏡54中的一個(gè)或多個(gè)。
[0041]參看圖3A，探頭34的遠(yuǎn)端以橫截面示出，并且廣角鏡頭14被定位于纖維鏡54和載有激光的光導(dǎo)體42的端部附近。廣角鏡頭限定了如虛線所示的視場(chǎng)46。從鏡頭近側(cè)向后延伸的是被配置為承載(一個(gè)或多個(gè))局部橫向部分20上的圖像或數(shù)據(jù)的圖像導(dǎo)體44中的一個(gè)。值得注意的是，所示的實(shí)施方式的視場(chǎng)是全150度，其中光圖案16可與廣角鏡頭的光軸成直角地橫向延伸出來(lái)。多達(dá)180度的角度是可能的，但是更廣的角度可能越來(lái)越難以最大限度地降低失真。
[0042]延伸在廣角鏡頭14下面并越過(guò)廣角鏡頭14的是光導(dǎo)體42和纖維鏡54的遠(yuǎn)端，纖維鏡54包括用于漫射光的(一個(gè)或多個(gè))導(dǎo)體(如光纖束)和用于返回導(dǎo)航圖像的(一個(gè)或多個(gè))返回導(dǎo)體。定位在光源12的最遠(yuǎn)端的是反射鏡52，反射鏡52具有圓錐形的形狀并被配置為將激光重定向成圖案16。如果該圓錐形狀相對(duì)于激光的軸線大于或小于45度的角度，則圖案16的形狀是圓錐面。在45度處，該形狀是示于圖2中的平坦表面60。
[0043]如圖3D所示，掩模50是具有一對(duì)孔的平面片材，并且優(yōu)選地是由透明的材料進(jìn)行構(gòu)造的，以便阻擋可能不代表所檢測(cè)和測(cè)量的表面的、來(lái)自被重定向返回到廣角鏡頭14的激光的反射。這些孔允許將激光傳輸?shù)藉F形反射鏡52的光導(dǎo)體42和用于纖維鏡54的圖像導(dǎo)體44通過(guò)。
[0044]透明的側(cè)壁58和蓋子56被配置為密封和保護(hù)探頭34的遠(yuǎn)端部分，但同時(shí)允許激光光圖案16、來(lái)自纖維鏡54的漫射導(dǎo)航光和從中產(chǎn)生和從中返回的圖像通過(guò)。對(duì)于纖維鏡而言，蓋子56可以是透明的但并不必需是透明的?？蛇x地，如圖3所示，蓋子56中的開(kāi)口可允許纖維鏡通過(guò)和/或通過(guò)纖維鏡進(jìn)行查看。
[0045]由于光導(dǎo)體42和圖像導(dǎo)體延伸到廣角鏡頭14的遠(yuǎn)端，所以當(dāng)光照射表面時(shí)光的投射圖案16的圖像并沒(méi)有通過(guò)全360度視場(chǎng)被完全檢測(cè)和返回。相反，在大致圓筒形的開(kāi)口(如耳道)中，所返回的局部橫向部分20可能只是“C形”，該“C形”除去了受到光導(dǎo)體42和圖像導(dǎo)體44阻擋而不可見(jiàn)的部分。
[0046]圖4示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的探頭34的分解視圖，其中外軸40被移除以更好地示出這些光學(xué)部件的功能。從遠(yuǎn)端開(kāi)始，蓋子56被組裝到由透明圓柱形管的一短段所形成的透明的側(cè)壁58上。反射鏡52也在遠(yuǎn)端，反射鏡52被安裝在鏡筒內(nèi)并被固定到激光光導(dǎo)體42的端部。激光光導(dǎo)體42還可包括準(zhǔn)直功能以生成用于通過(guò)錐形反射鏡52重定向成圖案16的準(zhǔn)直光束。
[0047]纖維鏡54具有在錐形反射鏡52附近的遠(yuǎn)端，并且在軸40內(nèi)的光導(dǎo)體42鄰近的路徑內(nèi)向近端延伸。纖維鏡54和光導(dǎo)體52都圍繞CCD攝像機(jī)芯片80彎曲并進(jìn)入探頭34的主體內(nèi)以通過(guò)線纜76到達(dá)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)68。
[0048]廣角鏡頭14及其圖像導(dǎo)體44也在探頭34的軸40內(nèi)從圓筒形窗口 58向后延伸，并處于與導(dǎo)體42、44大致平行的關(guān)系中。廣角鏡頭14的光學(xué)部件的相對(duì)定位一部分是通過(guò)使用一對(duì)襯墊82進(jìn)行保持的。廣角鏡頭14是多個(gè)光學(xué)鏡頭元件，該多個(gè)光學(xué)鏡頭元件包括將橫向部分20的圖像返回到如圖4所示安裝在探頭主體內(nèi)的CCD攝像機(jī)芯片80的圖像導(dǎo)體14。
[0049]支撐廣角鏡頭14的是調(diào)焦螺旋84，調(diào)焦螺旋84在被旋轉(zhuǎn)時(shí)調(diào)整廣角鏡頭14的焦點(diǎn)，從而改變其焦面的位置，以用于提高在不同身體孔道內(nèi)的精度和用于補(bǔ)償制造容差以及用于提高多種孔道內(nèi)的精度。在調(diào)焦螺旋84的近處的是CXD攝像機(jī)芯片，CXD攝像機(jī)芯片接收橫向部分20的圖像并將那些圖像轉(zhuǎn)換成像素?cái)?shù)據(jù)以返回計(jì)算機(jī)68用于進(jìn)行處理。
[0050]如本文所用的術(shù)語(yǔ)“廣角鏡頭”是指被配置用于相對(duì)寬的視場(chǎng)的任何鏡頭，相對(duì)寬的視場(chǎng)在彎曲的開(kāi)口如耳道70中起作用。例如，對(duì)于耳道而言，63度的角度產(chǎn)生約等于可以使用居中的探頭34掃描的耳道的最大直徑的鏡頭-焦面偏移。值得注意的是，60度的鏡頭(具有相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸的廣角鏡頭)的焦面與該直徑相等，這產(chǎn)生了約6毫米的向前焦面，該約6毫米的向前焦面足夠短以承受約在6毫米直徑處的耳道中的第二彎曲部。因此，對(duì)于用于耳道的目的而言，廣角鏡頭為60度或更大。甚至更好起作用的其他增量是90度，其具有2:1的比例，允許向前焦面的距離為約3毫米，使得探頭34是相當(dāng)短的。大于90度的鏡頭是有可能的，這種鏡頭包括僅具有側(cè)向視場(chǎng)而沒(méi)有前向視場(chǎng)的復(fù)雜光學(xué)元件。
[0051]在如圖5所示的另一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)備10可能不需要纖維鏡54，并且以廣角鏡頭14被替代用于前向視場(chǎng)。分束器將廣角鏡頭視場(chǎng)的中心轉(zhuǎn)移到第二個(gè)攝像機(jī)，第二個(gè)攝像機(jī)更遠(yuǎn)地聚焦在探頭34的前面并被配置為對(duì)前向(非激光照明的)視場(chǎng)進(jìn)行成像?？商峁┞涔庠匆哉丈涮筋^34的前方。
[0052]參看圖6，顯示了一種皮膚目標(biāo)，并且出于確定激光圖案16將如何投射在皮膚上以及如何標(biāo)記其位置的目的，圖案16的局部橫向部分20被投射在該皮膚目標(biāo)上。如圖7所示，其中一個(gè)橫向部分的垂直截面顯示了光強(qiáng)度(y軸)隨著該截面的厚度(X軸)以鐘形曲線形狀改變。因此，局部橫向部分20可包括光圖案16的邊緣22或光圖案的脊24。這些地標(biāo)可被用于確定橫向部分20在坐標(biāo)系中的位置。例如，可以發(fā)現(xiàn)上述地標(biāo)之一(例如，通過(guò)處理器26的脊檢測(cè)功能)或橫向部分的內(nèi)部邊緣或橫向部分的外部邊緣?；蛘?，可使用內(nèi)部部分和外部部分的平均。
[0053]本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于廣角鏡頭14的焦面與激光的圖案16重疊，所以廣角鏡頭14可以以高精度相對(duì)接近地查看身體表面的橫向部分。本文所用的術(shù)語(yǔ)“焦面”是指在能夠達(dá)到某一基線分辨率(例如能夠辨別50微米的特征或更小的特征)的廣角鏡頭14的聚焦的范圍內(nèi)的厚度。例如，圖案16在焦面內(nèi)的橫向定位允許一個(gè)像素相當(dāng)于約50微米。焦面本身具有鐘形曲線分布的分辨率，允許焦面的重疊或厚度以及橫向部分20的寬度的變化，如上所示，橫向部分20在其厚度上具有其自身的曲線分布。
[0054]一般而言，廣角鏡頭14應(yīng)當(dāng)具有適當(dāng)?shù)偷氖д骈撝狄詽M足分辨率的目標(biāo)。大部分廣角鏡頭可以是高達(dá)-80%或-60%的失真，這將需要通過(guò)提高其他方面(如焦面和橫向部分20的位置)的精度來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。因此，雖然優(yōu)選地各個(gè)部件被總體地調(diào)整以允許用于廣角鏡頭14的光軸的橫向距離的50微米或更高的分辨率，但是不存在設(shè)定的閾值。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)優(yōu)于-40%的失真對(duì)于本文提及的用于耳道應(yīng)用的優(yōu)選視場(chǎng)而言運(yùn)作良好。
[0055]跟蹤器或跟蹤系統(tǒng)28被配置為確定探頭34在坐標(biāo)系中的位置和患者的身體30在坐標(biāo)系中的位置。處理器26被配置為使用此信息來(lái)確定探頭34的位置及其相對(duì)于身體30的測(cè)量值。跟蹤系統(tǒng)28可包括商業(yè)上可獲得的跟蹤系統(tǒng)(如來(lái)自加拿大安大略省的滑鐵盧的NDI的POLARIS SPECTRA)的元件。該系統(tǒng)是一種兩個(gè)攝像機(jī)的系統(tǒng)，以允許通過(guò)探頭標(biāo)記36和身體標(biāo)記38在其包括患者和探頭34的視場(chǎng)中確定對(duì)象的三維位置。
[0056]一旦視場(chǎng)被校準(zhǔn)以建立坐標(biāo)系，就使用位于視場(chǎng)中的目標(biāo)來(lái)校準(zhǔn)探頭34及其激光圖案16。對(duì)于這樣的校準(zhǔn)，假設(shè)激光圖案16和光學(xué)器件(包括廣角鏡頭14)是完美的，并且探頭34是剛性的。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)被定向到坐標(biāo)系中的激光圖案16的定位。
[0057]如圖8所示，例如，該目標(biāo)包括被連接到一對(duì)光學(xué)標(biāo)記88的方格圖案86，該對(duì)光學(xué)標(biāo)記88仔細(xì)地與探頭34的z軸對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)在校準(zhǔn)對(duì)象上進(jìn)行攝影測(cè)量，發(fā)現(xiàn)86相對(duì)于88的相對(duì)位置。特別地，探頭34被放置成使得被投射的激光圖案16與校準(zhǔn)網(wǎng)格(在容差范圍內(nèi))是共面的(在容差范圍內(nèi))。這可以借助于位于目標(biāo)中的孔，該孔允許探頭34的通過(guò)。當(dāng)激光光圖案16散布在目標(biāo)86的表面上時(shí)就建立了定位。
[0058]隨著方格圖案86就位，使用跟蹤器28執(zhí)行跟蹤會(huì)話以便使用標(biāo)記88建立網(wǎng)格圖案的位置和使用探頭標(biāo)記36建立探頭的位置。然后，當(dāng)保持探頭34和方格圖案86的相對(duì)關(guān)系時(shí)，燈或光照射在方格圖案86上并且通過(guò)廣角鏡頭14收集到它的圖像。優(yōu)選地，還要注意I軸和z軸相對(duì)于跟蹤器28的方向以避免軸向方向錯(cuò)誤。
[0059]校準(zhǔn)還可包括非平面的光圖案，其中網(wǎng)格圖案在幾個(gè)不同的方位中暴露于光圖案下。光圖案橫向部分與網(wǎng)格線的相交允許非平面光圖案的形狀相對(duì)于廣角鏡頭重構(gòu)。使用類(lèi)似于圖8中所示出的目標(biāo)，有可能將圖案的重構(gòu)后的形狀關(guān)聯(lián)到手柄的坐標(biāo)系中。
[0060]圖9示出了校準(zhǔn)圖像的模擬。從光學(xué)標(biāo)記88到方格圖案86的每個(gè)角部和激光圖案16的距離與棋盤(pán)上的網(wǎng)格點(diǎn)的角部是重合的。因此，激光擊中表面的三維位置可被內(nèi)插以確定方格圖案86的最近的網(wǎng)格點(diǎn)。然后，此信息被用于在坐標(biāo)系內(nèi)固定激光圖案。
[0061]在另一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)備10包括處理器26，處理器26被連接成與廣角鏡頭14通信并被配置為執(zhí)行多種功能，這些功能包括:確定橫向部分20在坐標(biāo)系中的位置；使用已知的焦面確定橫向部分20的位置；確定多個(gè)橫向部分20在坐標(biāo)系中的位置和相對(duì)于身體30的坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)位置；使用這些位置和對(duì)應(yīng)位置將橫向部分20結(jié)合在一起成為身體孔道(如耳道)的三維形狀32。
[0062]圖10示意性地示出了用于由處理器26實(shí)施的橫向部分20從探頭34的光軸的徑向距離的計(jì)算的實(shí)施方式?？赏ㄟ^(guò)三角測(cè)量確定該位置，如在式(1-7)中所示。
【權(quán)利要求】
1.一種用于掃描三維3D對(duì)象的裝置，該裝置包括: 掃描儀主體，在其上安裝有掃描探頭，所述掃描探頭包括激光光源、激光光學(xué)元件、非激光視頻照明源、廣角鏡頭和圖像傳感器，所述廣角鏡頭光耦合到所述圖像傳感器，所述圖像傳感器被安裝在所述掃描儀主體內(nèi)并被耦合到數(shù)據(jù)處理器用于進(jìn)行數(shù)據(jù)通信； 多個(gè)跟蹤照明傳感器，所述跟蹤照明傳感器感測(cè)從跟蹤照明發(fā)射器發(fā)射的和從安裝在相對(duì)于被掃描對(duì)象固定的位置處的跟蹤基準(zhǔn)標(biāo)記反射的跟蹤照明的反射，所述跟蹤照明傳感器也感測(cè)從所述跟蹤照明發(fā)射器發(fā)射的和從安裝在所述掃描儀主體上的固定位置處的跟蹤目標(biāo)反射的跟蹤照明的反射；和 所述數(shù)據(jù)處理器，其被配置成使得其通過(guò)構(gòu)造被掃描對(duì)象的3D圖像起作用，所述構(gòu)造依賴于當(dāng)所述被掃描對(duì)象被激光照射時(shí)所捕獲到的圖像序列和從所述跟蹤照明傳感器感測(cè)的跟蹤照明的反射推斷出的所述掃描儀探頭的被跟蹤位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括顯示屏，所述顯示屏被耦合到所述圖像傳感器用于進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，所述顯示屏顯示所述被掃描對(duì)象的圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，顯示所述被掃描對(duì)象的圖像的所述顯示屏還包括顯示來(lái)自所述被掃描對(duì)象的所述圖像傳感器的、僅由非激光視頻照明進(jìn)行照明而產(chǎn)生的視頻圖像的顯示屏。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，顯示所述被掃描對(duì)象的圖像的所述顯示屏還包括顯示所述被掃描對(duì)象的所述3D圖像的顯示屏。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括被耦合到所述圖像傳感器用于進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的顯示屏，所述顯示屏顯示所述被掃描對(duì)象的圖像，所述顯示屏被安裝在所述掃描儀主體上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的 裝置，其中，在所述掃描探頭中的所述激光光源包括光纖，所述光纖從所述探頭以外的激光器將激光引導(dǎo)至所述掃描探頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中: 所述激光光學(xué)元件包括錐形的激光-反射光學(xué)元件；并且 所述激光光源和所述錐形的激光-反射光學(xué)元件被配置成使得當(dāng)耳朵探頭位于耳朵內(nèi)時(shí)，當(dāng)所述錐形的激光-反射光學(xué)元件受到所述激光光源的照射時(shí)，所述錐形的激光-反射光學(xué)元件在耳朵的內(nèi)表面上投射激光的斷環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中: 所述激光光學(xué)元件包括激光光學(xué)鏡頭；并且 所述激光光源和所述激光光學(xué)鏡頭被配置成使得當(dāng)所述激光光學(xué)鏡頭受到所述激光光源照射時(shí)，所述激光光學(xué)鏡頭將激光從所述激光光學(xué)鏡頭的前表面投射在所述對(duì)象上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述廣角鏡頭具有足夠的景深，使得受到激光照射的所述被掃描對(duì)象的表面的整個(gè)部分在所述圖像傳感器處焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，對(duì)于當(dāng)所述被掃描對(duì)象受到來(lái)自所述掃描探頭的激光的照射時(shí)從所述圖像傳感器捕獲的所述被掃描對(duì)象的2D圖像序列而言，構(gòu)造所述被掃描對(duì)象的3D圖像還包括: 檢測(cè)每個(gè)2D圖像的脊點(diǎn)，所述檢測(cè)還包括為每個(gè)2D圖像識(shí)別一組最亮的像素，每一組描繪從所述被掃描對(duì)象的表面反射的激光的圖案； 根據(jù)所述圖像傳感器中的每個(gè)像素與掃描儀空間中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的預(yù)定關(guān)聯(lián)，將所述脊點(diǎn)轉(zhuǎn)換為掃描儀空間中的點(diǎn)；以及 根據(jù)限定掃描儀空間的坐標(biāo)系的原點(diǎn)與限定對(duì)象空間的另一個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)之間的關(guān)系，將掃描儀空間中的點(diǎn)轉(zhuǎn)換為對(duì)象空間中的點(diǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，構(gòu)建所述3D圖像還包括根據(jù)在所述探頭相對(duì)于所述被掃描對(duì)象移動(dòng)時(shí)由所述圖像傳感器捕獲的圖像的序列構(gòu)造所述3D圖像。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述被掃描對(duì)象是耳朵。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述被掃描對(duì)象是耳朵的內(nèi)部部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括被配置成延伸進(jìn)入人體的孔道的所述掃描探頭。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述激光光源包括光纖，所述光纖比所述廣角鏡頭延伸得更遠(yuǎn)并延伸到所述廣角鏡頭的視場(chǎng)中。
16.一種確定三維掃描對(duì)象的幾何形狀的方法，所述方法包括: 使用光源將光圖案投射到坐標(biāo)系中的地點(diǎn)，其中，所述光圖案的至少局部的橫向部分照射所述被掃描對(duì)象的表面；以及 使用帶有焦面的圖像 傳感器確定所述橫向部分在所述坐標(biāo)系中的位置，所述焦面包括所述地點(diǎn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括: 移動(dòng)所述光源以照射所述被掃描對(duì)象的不同表面；以及 為每一個(gè)所述不同表面重復(fù)所述投射和確定的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括: 確定被掃描對(duì)象在所述坐標(biāo)系中的位置；以及 將所述被掃描對(duì)象的不同表面的橫向部分的位置與所述被掃描對(duì)象在所述坐標(biāo)系中的所述位置相關(guān)聯(lián)；以及
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括: 確定被掃描對(duì)象在所述坐標(biāo)系中的位置； 將所述被掃描對(duì)象的不同表面的橫向部分的位置與所述被掃描對(duì)象在所述坐標(biāo)系中的所述位置相關(guān)聯(lián)；以及 使用所述橫向部分的被相關(guān)聯(lián)的位置組合三維形狀。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述被掃描對(duì)象是耳朵。
【文檔編號(hào)】H04N13/02GK103828360SQ201280024217
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月23日
【發(fā)明者】哈里斯·伯格曼, 斯科特·卡哈爾, 吉奧格斯·海茲利爾, 卡羅爾·海茲利爾, 大衛(wèi)·G·斯蒂茨 申請(qǐng)人:聯(lián)合科學(xué)有限責(zé)任公司