[发明专利]用于在相机中生成动态投影图案的设备、方法和系统

说明书

一种用于利用光学阵列生成器在牙科相机中生成动态图案以投影到物体的表面上，同时减少噪声并增加用于三维(3D)测量的数据密度的设备、方法和系统。投影的光图案被用于在要测量的物体的表面上生成光学特征，并且根据三角测量原理操作的光学3D测量方法被用于测量物体。

技术领域

本申请一般而言涉及一种用于在相机中生成动态投影图案的设备，并且更具体地涉及一种利用光学阵列生成器在相机中生成用于投影到物体的表面上的动态图案以用于三维(3D)测量的设备、方法和系统。

背景技术

在诸如条纹投影之类的结构化光扫描方法中，物体可以被诸如正弦条纹图案之类的光的结构化图案照亮。结构化的图案可以被物体几何变形或相位调制，然后用相机以相对于投影的已知角度记录为图像。通过分析记录的图像，可以使用诸如傅立叶变换之类的技术来计算变形、位移或相位调制。例如，使用合适的相位展开算法、图案识别或边缘检测方法，可以将记录的图像中的深度线索转换成3D坐标以进行重构。例如，可以获得与物体高度变化成比例的连续相位分布，并且可以校准系统以将展开的相位分布映射到现实世界3D坐标。

具体而言，3D信息可以通过以与投影的图案的投影方向成一定角度倾斜的观察角拍摄物体的图像来获得。然后，投影的图案将根据物体的表面形状而变形。可以借助于图像处理算法将投影的图案的特征与变形的图像中的对应特征匹配。如果被测量的物体是半透明的，那么会出现问题。投影的光穿透半透明物体并在其深度中漫射。这种材料的示例包括蜡、皮肤或牙齿。因此，物体表面上的图案的对比度显著减小，因为来自物体的深度的漫射、无结构的散射光叠加在由物体的表面反射的期望光上。降低的对比度会导致无法检测投影的特征，因为噪声会变得大于信号振幅。类似地，在投影仪辅助的立体图像的情况下，在投影的图像与记录的图像之间可能找不到相关性。这种情况下的可能改进是增加传感器上的光量，以减少相对于信号的传感器的散粒噪声。但是，这在技术上受到图像传感器像素的全阱(full-well)容量的限制。此外，不能通过增加光量来减少“物体噪声”(物体本身造成的干扰，例如，由于粗糙表面或颜色不均匀)。

发明内容

与上述相关联的现有限制以及其它限制可以通过用于利用光学阵列生成器在相机/扫描仪中生成动态图案从而用于投影到物体的表面上，同时减少噪声并提高三维(3D)测量的数据密度的设备、方法和系统来克服。在本文中，可以使用投影的光图案在要测量的物体的表面上生成光学特征，并且可以使用根据三角测量原理进行操作的光学3D测量方法来测量物体。可以将光图案投影到由相机成像的物体上。如果物体的表面是平面的，没有任何3D表面变化，那么在对应的反射图像中示出的图案可以与投影的光图案相同(或相似)。但是，如果物体的表面是非平面的，那么对应图像中的投影的结构化光图案可以因表面几何形状而变形。来自投影的结构化光图案的变形的信息可以被用于提取被测量物体的3D表面几何形状。通过使用各种结构化照明图案以及降噪和数据密度提高设置/技术，可以测量物体的3D表面剖面(profiles)。

在一方面，本发明提供了一种3D相机，包括：光学阵列生成器，用于生成多个动态图案以用于投影；第一成像光学器件，布置在相机内以将多个动态图案聚焦到要测量的物体的表面上；成像传感器，布置在相机内以记录由多个动态图案经由要测量的物体的表面的反射而形成的多个反射图像；以及第二成像光学器件，布置在相机内以将多个反射图像成像到成像传感器上，其中光学阵列生成器还包括：(i)包括多个离散区域的光源，其中多个离散区域中的每个离散区域的发光强度被独立地控制；(ii)包括多个透镜的透镜阵列，被构造为将来自光源的光成像到像平面上以形成多个动态图案；以及(iii)准直器，被构造为将光源的光指引到透镜阵列上，以及其中以电子方式控制光源的多个区域的发光强度以便以时变方式生成多个动态图案。