共焦平面相對于共焦設備與樣品的相對移動方向傾斜的共焦表面形貌測量的制作方法

已經開發了各種方法用于光學測量表面形貌。例如，已經開發和采用了能夠用于光學測量患者的牙齒的表面形貌的光學系統和方法。例如，測得的牙齒的表面形貌能夠用于設計和制造義齒，以及/或者用于確定正畸治療計劃以矯正咬合不正。

一種用于光學測量表面形貌的技術采用了激光三角法來測量牙齒表面與光學距離探頭之間的距離，該探頭插入到患者的口腔中。然而，由于例如來自牙齒表面的次優的反射率，導致經由激光三角法而測得的表面形貌可能比期望的精度低。

在能夠從西門子公司(Siemens GmbH)或西諾德牙科設備公司(Sirona Dental Systems)市售的CEREC-1和CEREC-2系統中實施的用于光學測量表面形貌的其他技術分別使用光切法和相移法。兩個系統均采用特殊設計的手持探頭測量準備的牙齒的三維坐標。然而，這兩種方法均要求在牙齒上沉積特定的被覆物(即，分別為測量粉末和白色顏料懸浮液)。被覆層的厚度應該滿足特定的并且難以控制的需求，這可能導致測量數據的不準確。

在另一技術中，基于利用探頭對表面的物理掃描和通過例如利用光學器件或其他遙感裝置確定探頭的位置而進行牙齒表面形貌的測繪。

美國專利No.5372502公開了一種用于三維測量的光學探頭。

將各種圖案投射到待測量的牙齒上，并且利用光學探頭捕獲相應的多個扭曲的圖案。每個捕獲的圖案均能夠用于細化形貌測量。

技術實現要素：

提供了用于測量三維結構的表面形貌的設備和方法。在多個實施例中，用于測量表面形貌的設備被配置為針對設備的光學探頭與三維結構之間的多個不同位置和/或朝向而利用光束照亮三維結構(例如，患者的齒列)。公開的設備和方法采用了在不相對于光學探頭而光學地移動光束的焦點位置的情況下的三維結構的共焦掃描，而是使用光學探頭相對于結構的移動，從而實現了更小、更快并且更具成本效益的光學器件。

從而，在一個方面中，描述一種設備用于測量三維結構的表面形貌。設備被配置為測量多個返回光束中的每個返回光束的特性，所述返回光束通過利用多個光束照射三維結構而產生。針對設備與三維結構之間的多個不同位置和/或朝向測量特性。

在另一方面中，描述一種設備用于測量三維結構的表面形貌。在多個實施例中，設備包括光學探頭、光學系統以及處理單元。光學探頭相對于三維結構移動。光學系統將多個入射光束中的每個入射光束聚焦到相對于光學探頭并且遠離光學探頭的各自的焦點位置。通過利用入射光束照射三維結構而產生返回光束。針對光學探頭與三維結構之間的多個不同相對位置和/或朝向，至少部分地基于測量的返回光束的特性，處理單元確定三維結構的表面形貌。

在另一方面中，描述一種用于測量三維結構的表面形貌的方法。方法包括將多個入射光束中的每個入射光束聚焦到相對于光學探頭并且遠離光學探頭的各自的焦點。通過利用入射光束照射三維結構而產生返回光束。針對光學探頭與三維結構之間的多個不同的相對位置和/或朝向測量返回光束的特性，以生成三維結構的表面形貌數據。

通過閱讀說明書、權利要求書和附圖，本發明的其它目的和特征將變得顯而易見。

附圖說明

在所附權利要求中具體闡述本發明的新穎特征。通過參考以下詳細說明將獲得對本發明的特征和優點的更好理解，所述詳細說明闡述了使用本發明的原理的說明性實施例，并且其附圖為：

圖1A和1B利用方框圖示意性地示出了根據多個實施例的共焦表面形貌測量設備(圖1B是圖1A的延續)；

圖2A是根據實施例的共焦表面形貌測量設備的探測部件的頂視圖；

圖2B是穿過圖2A的探測部件的縱截面圖，描繪了穿過其中的示例性光線；

圖2C和2D是根據多個實施例的圖2A的探測部件的端視圖；

圖3A示出了根據多個實施例的使用固定焦點位置來掃描結構的光學探頭；

圖3B示出圖3A的光學探頭在使用固定焦點位置掃描結構期間的另一視圖；

圖4A示出根據多個實施例的被配置為將多個光束聚焦到各自的焦點位置的光學組件；

圖4B示出根據多個實施例的被配置為將多個光束聚焦到斜的焦平面的另一光學組件；

圖5示出根據多各實施例的用于將光束陣列聚焦到斜的焦平面的微透鏡陣列；

圖6A示出根據多個實施例的被配置為將多個光束聚焦到斜的焦平面的另一光學組件；

圖6B示出根據多個實施例的通過圖6A的光學組件的返回光束的光學路徑；

圖7A示出根據多個實施例的被配置為將多個光束聚焦到斜的焦平面的另一光學組件；

圖7B示出圖7A的光學組件的展開配置；以及

圖8是簡化的方框圖，描述了根據多個實施例的使用固定焦點位置測量表面形貌的方法的步驟。

具體實施方式

本文描述了采用表面形貌的共焦測量的設備和方法。在一些方法中，諸如其公開內容全部通過參考并入本文的美國專利No.6697164描述的方法中，測量設備產生的入射光束用于確定三維結構的表面形貌。設備包括光學探頭，光束從該光學探頭發出以照亮該結構。光束通過聚焦光學器件聚焦到光學探頭外部的各個交點(還稱為焦點位置)。為了測量三維表面形貌，通過相對于光學探頭的多個位置而光學掃描焦點位置。焦點位置沿著入射光束的傳播方向相對于光學探頭移動(軸向掃描)。焦點位置還能夠與傳播方向正交地移動(橫向掃描)。本文中關于光的方向的任何描述能夠被認為是指光的主射線(主光線)的方向。類似地，本文中關于光的傳播方向的任何描述能夠被認為是光的主射線的傳播方向。通常，通過例如經由諸如電流計鏡、電動機和/或伸縮式掃描機構這樣的適當裝置而機械移動光學元件，來實現相對于光學探頭的軸向掃描和/或橫向掃描。然而，使用這樣的軸向掃描或橫向掃描構件可能增加測量設備的尺寸、重量和成本。

相比之下，本公開的設備和方法在不光學移動焦點位置相對于光學探頭的位置的情況下進行三維表面形貌的共焦測量。與以上描述的光學掃描相對于光學探頭的焦點位置的方法相比，本文描述的方法將各光束聚焦至各自的焦點，所述各自的交點相對于光學探頭具有固定空間布置。光學探頭與三維結構之間的相對移動用于使焦點相對于結構移動。測量光學探頭與三維結構之間的距離用于光學探頭與三維結構之間的多個不同位置和/或朝向。然后結合關于探頭與三維結構之間的相對位置的數據來處理數據，以確定被測量的結構的表面形貌。通過避免使用光學掃描機構，本文公開的設備和方法相對于現有的光學測量系統可以是更小、更快并且更有成本效益的。

在多個實施例中，通過測量用入射光束照明結構所產生的返回光束的一個以上的特性來確定光學探頭與三維結構之間的距離。這樣的特性能夠包括例如返回光束的強度、波長、偏振、相移、干涉和/或色散。本文關于光強的任何描述也能夠適用于光的其他合適的特性，反之亦然。特性的測量能夠用于檢測入射光束是否聚焦在結構的表面上，并且從而確定光學探頭與三維結構之間的距離。

例如，能夠基于測量返回光束的強度而確定結構的表面形貌。在多個實施例中，設備配置為使得當入射光束聚焦在結構的表面時，從結構返回的任意特定光束的強度是最大的。通過相對于結構移動探頭，能夠通過識別相應返回反射光束的強度何時為最大值，確定對于特定光束的探頭與結構之間的距離以及探頭相對于結構的位置和朝向。然后能夠基于測量的返回光束的強度以及光學探頭相對于結構的位置和/或朝向而確定結構的表面形貌。

作為另一實例，能夠通過使用空間頻率分析以識別結構的哪些區域在焦點上，來確定表面形貌。在多個實施例中，聚焦區域將包含比非聚焦區域更高的空間頻率。因此，能夠通過識別區域的空間頻率何時為最大，從而針對探頭相對于結構的特定位置和朝向，確定探頭與結構上的特定區域之間的距離。該方法能夠用于確定具有空間細節的結構的表面形貌。

本文描述的設備和方法能夠用于測量任意合適的三維結構的表面形貌。在多個實施例中，進行光學測量以產生表示患者牙列的三維表面形貌的數據。例如，數據能夠用于產生能夠被顯示和操縱的牙列的三維虛擬模型。三維虛擬模型能夠用于例如定義患者牙列的空間關系，其用于為患者創建牙修復體(例如，齒冠或齒橋)，提供數字模型或物理模型用于記錄保存目的，建立治療計劃，制造正畸矯正器或任何其他牙科目的。表面形貌數據能夠被存儲和/或傳輸或輸出到諸如制造裝置，該制造裝置能夠用于例如制造患者牙列的物理模型，牙科技師使用該物理模型來為患者創建牙修復體。

在一個方面中，提供一種設備，用于測量三維結構的表面形貌。該設備能夠被配置為：(a)將多個光束中的每個光束均相對于設備聚焦到各自固定的焦點位置；(b)測量通過用光束照射三維結構而產生的多個返回光束中的每一個返回光束的特性，所述特性是針對設備與三維結構之間的多個不同位置和/或朝向所測量的；并且(c)對于裝置與三維結構之間的多個不同位置和/或朝向，至少部分地基于測量的返回光束的特性來確定三維結構的表面形貌。

在另一方面中，提供一種設備，用于測量三維結構的表面形貌。該設備包括被配置為相對于三維結構移動的光學探頭。設備包括照射單元，該照射單元被配置為產生多個入射光束，每個入射光束均包含第一波長組分。該設備包括光學系統，該光學系統被配置為將多個入射光束的每個入射光束的第一波長組分相對光學探頭聚焦至各自固定的焦點位置。該設備包括檢測器單元，該檢測器單元被配置為測量多個返回光束中的每個返回光束的特性，所述返回光束通過利用入射光束照射三維結構而產生。設備包括與檢測器單元結合的處理單元，該處理單元被配置為針對光學探頭與三維結構之間的多個不同的相對位置和/或朝向，至少部分地基于測量的多個返回光束的特性來確定三維結構的表面形貌。在多個實施例中，特性是強度。

在多個實施例中，檢測器單元包括傳感器元件的二維陣列。每個傳感器元件均能夠被配置為測量多個返回光束的相應返回光束的特性。光學系統能夠被配置為根據由照明單元產生的光形成入射光束的二維圖案，入射光束的二維圖案與由傳感器元件的二維陣列測量的返回光束相對應。光學系統能夠包括光學擴束器單元，光學擴束器單元被配置為擴展由照射單元產生的光，以形成入射光束的二維圖案。照射單元能夠被配置為產生入射光束的二維圖案，該入射光束的二維圖案與由傳感器元件的二維陣列所測量的返回光束相對應。

入射光束能夠相對于光學探頭聚焦到多個相應的焦距。在多個實施例中，入射光束能夠被布置在具有第一行和最后一行的多行中。各行中的入射光束能夠被聚焦到相應的共同焦距。第一行和最后一行的焦距能夠相差預定長度。例如，預定長度能夠是5mm至25mm。傳感器元件能夠布置在一個平面中，該平面被定向為關于入射光束的第一波長組分的焦距對返回光束進行共焦傳感。在一些實施例中，傳感器元件的平面與返回光束是非正交的。

在多個實施例中，光學探頭通過相對于結構的多個不同的位置和/或朝向而移動。從而，能夠至少部分地基于光學探頭相對于三維結構的位置和/或朝向，根據測量的特性重建三維表面形貌。能夠使用任意合適的方法確定光學探頭與結構之間的相對位置和/或朝向。在多個實施例中，處理單元包括一個以上的處理器，以及有形非暫時性存儲裝置。有形非暫時性存儲裝置能夠存儲可以由一個以上的處理器執行的指令，以使得一個以上的處理器處理測量性能的數據，使用檢測單元針對光學探頭與三維結構之間的多個不同的相對位置和/或朝向而產生測量性能的數據。數據能夠由一個以上的處理器處理，以確定光學探頭與三維結構之間的相對位置和/或朝向。

在多個實施例中，設備還包括被配置為收集運動數據的運動跟蹤裝置。處理單元能夠包括一個以上的處理器，以及有形非暫時的存儲裝置。有形非暫時性存儲設備能夠存儲由一個以上的處理器執行的指令，以使得一個以上的處理器處理使運動數據，以確定光學探頭與三維結構之間的相對位置和/或朝向。例如，運動跟蹤裝置能夠包括攝像機，并且運動數據能夠包括圖像數據。在另一實例中，運動跟蹤裝置能夠包括陀螺儀和/或加速度計。作為另一實例，運動跟蹤裝置能夠包括電磁傳感器。

能夠使用多個入射光束的任何合適的配置。例如，光學系統能夠被配置為將光束的第一波長組分聚焦到相對于掃描儀的至少10個不同的焦距，并且焦距能夠具有至少10mm的范圍。

在另一方面中，提供用于測量三維結構的表面形貌的方法。該方法能夠包括產生多個入射光束，每個入射光束包括第一波長組分。每個入射光束的第一波長組分能夠聚焦到相對于光學探頭的各焦點位置。針對光學探頭與三維結構之間的多個不同的相對位置和/或朝向，能夠測量通過用入射光束照射三維結構而產生的多個返回光束中的每一個返回光束的特性。能夠處理針對光學探頭與三維結構之間的多個不同相對位置和/或朝向的測量特性，以生成三維結構的表面形貌數據。能夠使用表面形貌數據生成三維結構的表面形貌。在多個實施例中，測量的特性是強度。在多個實施例中，方法包括跟蹤光學探頭與三維結構之間的相對位置和/或朝向中的變化。

入射光束能夠被布置在具有第一行和最后一行的多行中。例如，各行中的入射光束能夠被聚焦到相應的共同焦距。第一行和最后一行的焦距能夠相差預定長度。例如，預定長度能夠是至少10mm。入射光束能夠相對于探頭聚焦到任意合適的相應固定位置。例如，光束的波長組分能夠相對于掃描儀聚焦到至少10個不同的焦距，并且焦距可以具有至少10mm的范圍。

現在轉到附圖，其中在各個附圖中相同的附圖標記表示相同的元件，圖1A和1B示出用于光學測量表面形貌的設備20。設備20包括結合到處理器24的光學裝置22。示出的實施例對于測量患者牙齒26的表面形貌是特別有益的。例如，設備20能夠被用于測量患者牙齒的至少一個牙齒或者牙齒的一部分缺失這樣的部分的表面形貌，以產生用于隨后在針對患者的假體(例如，齒冠或齒橋)的設計和/或制造中使用的表面形貌數據。然而，應注意，本發明不限于測量牙齒的表面形貌，并且，加以必要的修改，也適用于對象的三維結構的成像的各種其他應用(例如，用于考古學對象的記錄，用于任何合適項目的三維結構的成像，諸如生物組織等)。

在示出的實施例中，光學裝置22包括發射光的光源(例如，半導體激光單元28)，如箭頭30所表示的。光束30能夠包括單一波長組分或者多個波長組分。在一些情況下，具有多個波長組分的光可以由多個光源產生。光通過偏光器32，這使得通過偏光器32的光具有一定的偏振。然后光進入光學擴束器34，這增加了光束30的直徑。然后光束30通過模塊38，該模塊例如可以是將母光束30分成多個光束36的光柵或微透鏡陣列，此處，為了易于圖示，將光束36用單線表示。

光學裝置22還包括部分透明鏡40，其具有小中心孔徑。鏡40允許光從激光單元28傳輸通過下游的光學器件，但是反射在相反方向上行進的光。應注意，原則上，可以使用具有類似功能的其他光學器件(例如，分束器)而不是部分透明鏡。鏡40中的孔徑提高了設備的測量精度。由于該鏡結構，只要區域不對焦，光束就在被成像的對象的照射區域上產生光環。當光束相對于成像對象聚焦時，光環變成強烈聚焦的照明點。因此，在離焦與對焦時的測量強度之間的差較大。該類鏡的另一優點在于，與分束器相反，避免了在分束器中發生的內部反射，因此信噪比更大。

光學裝置22還包括聚焦光學器件42、中繼光學器件44和內窺鏡探頭部件46。聚焦光學器件42能夠包括合適的光學器件，用于將光束36相對于探頭部件46聚焦到固定空間位置處的多個相應的焦點，如下所述。在多個實施例中，聚焦光學器件42是靜態的，使得光學裝置22不采用機構來相對于探頭部件46掃描焦點(例如，軸向或橫向)。在多個實施例中，中繼光學器件44被配置為保持光束的傳播的特定數值孔徑。

內窺鏡探頭部件46能夠包括透光介質，其可以是在其內限定了光透射路徑的中空物體或者由透光材料(例如，玻璃體或管)制成的物體。透光介質可以是剛性的或柔性的(例如，光纖)。在多個實施例中，內窺鏡探頭部件46包括確保全內反射并將入射光束朝向患者的牙齒26引導的這樣類型的鏡。從而內窺鏡46發射照射在患者的牙齒26的表面上的多個入射光束48。

內窺鏡46能夠包括一個以上的運動跟蹤元件47(例如，陀螺儀、加速度計、用于光學跟蹤的目標以及電磁傳感器)。在多個實施例中，運動跟蹤元件47響應于內窺鏡46的移動而生成運動跟蹤信號。在多個實施例中，運動跟蹤信號由處理器24處理，以跟蹤內窺鏡46在六個自由度(即，三個平移自由度和三個旋轉自由度)中的空間布置的變化。

在多個實施例中，入射光束48形成相對于笛卡爾參考系50布置在平面中并沿著Z軸傳播的光束的二維陣列。光束48能夠被聚焦到限定了合適的焦平面的各焦點，所述焦平面例如是與Z軸正交的平面(例如，X-Y平面)或非正交平面。當入射光束48入射到不平坦表面上時，所產生的照明點52的陣列在不同的(X_i，Y_i)位置處沿著Z軸彼此移位。從而，雖然在一個位置處的照明點52可以針對內窺鏡46與牙齒26之間的給定相對空間布置而聚焦，但是在其他位置處的照明點52可能是離焦的。

因此，聚焦點的返回光束的光強度將處于其峰值，而其他點處的光強度將不處于峰值。從而，對于各個照明點，測量光強用于內窺鏡46與牙齒26之間的不同的相對空間布置。通常，將求出強度對時間的導數，并且其中導數等于零的內窺鏡46與牙齒26之間的相對空間布置可以用于產生數據，該數據與內窺鏡26與牙齒26之間的相對空間布置關聯使用，以確定牙齒的表面形貌。如上所述，由于使用具有孔徑的鏡40，入射光在離焦時在表面上形成光盤，并且僅在聚焦時形成強烈聚焦的光斑。結果，當接近對焦位置時，距離導數將表現出較大的數值變化，從而提高了測量的精度。

從每個照明點52反射的光包括在由入射光束行進的光路的相反方向上的、最初在Z軸上行進的光束。每個返回光束54都對應于一個入射光束36。鑒于鏡40的不對稱性質，返回光束54被反射到檢測組件60的方向上。檢測組件60包括偏光器62，偏光器62具有與偏光器32的偏振平面垂直定向的優選偏振平面。返回的偏振光束54通過通常為透鏡或多個透鏡的成像光學器件64，并且然后通過針孔陣列66。每個返回光束54至少部分地穿過針孔陣列66的各個針孔。可以是電荷耦合裝置(CCD)或任何其它合適的圖像傳感器的傳感器陣列68包括傳感元件的矩陣。在多個實施例中，各個傳感元件代表圖像的像素，并且各個感測元件與陣列66中的一個針孔相對應。

傳感器陣列68連接到處理器單元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的各個傳感元件所測量的光強。雖然在圖1A和1B中將光學裝置22描述為測量光強，但是裝置22還能夠被配置為測量其他合適的特性(例如，波長、偏振、相移、干擾和色散)，如本文前面所述。在多個實施例中，傳感器陣列68的平面與返回光束54正交(例如，與返回光束的傳播方向正交)。在一些實施例中，傳感器陣列68的平面不與返回光束54正交，如下文所述。

光學裝置22包括控制半導體激光器28的操作的控制模塊70。在從每個傳感元件獲取代表光強度(或其他特性)的數據期間，控制模塊70使圖像捕獲模塊80的操作與激光器28的操作同步。由處理器24經處理軟件82處理強度數據以及內窺鏡46與牙齒26之間的相對空間布置的數據，以獲得代表牙齒26的外表面的三維形貌的數據。下面描述用于處理特性數據和相對空間布置數據的方法的示例性實施例。測量的結構的所得的三維表示能夠顯示在顯示器84上，并且通過用戶控制模塊85(通常為計算機鍵盤)操作用以觀看(例如，從不同角度觀看，放大或縮小)。另外，代表表面形貌的數據能夠通過諸如調制解調器88或任意合適的通信網絡(例如，電話網絡，互聯網)這樣的適當的數據端口傳輸到接受者(例如，到異地CAD/CAM設備)。

通過捕獲針對內窺鏡46與結構之間的不同的相對空間布置(例如，在牙齒區段的情況下，從頰側方向、舌側方向和/或可選地從牙齒上方)而測量的內窺鏡46與結構之間的相對距離數據，能夠生成結構的精確的三維表示。三維數據和/或所得到的三維表示能夠用于創建在計算機環境中的三維結構的虛擬模型和/或以任何合適的方式(例如，經由計算機控制銑床，諸如立體光刻設備或3D打印設備這樣的快速成型設備)制造的物理模型。

現在參考圖2A和2B，示出了根據多個實施例的探測部件90。在多個實施例中，探測部件90形成內窺鏡46的至少一部分。探測部件90能夠由透光材料(例如，玻璃、水晶、塑料等)制成，并且包括遠端段91和近端段92，該遠端段91和近端段92在93處以透光的方式緊密粘合在一起。傾斜面94被反射鏡層95覆蓋。限定了傳感表面97的透明盤96(例如，由玻璃、水晶、塑料或任何其它合適的透明材料制成)沿著光路遠離反射鏡層95安置，以在透明盤96與遠端段91之間留出空氣間隙98。透明盤96利用保持結構(未示出)固定在適當位置。示意性地呈現了三條光線99。可以看出，光線99以探測部件90的壁全反射的角度從探測部件90的壁反射，從反射鏡層95反射，然后通過傳感表面97傳播。雖然光線99能夠以各焦距的任意合適的組合聚焦到探測部件90外部，但是在多個實施例中，光線99聚焦在探測部件90外部的焦平面100上。例如，如圖2C所示，其示出了探測部件90的端視圖III-III，光線99聚焦至共同的焦距，從而被聚焦在探測部件90外部的焦平面100上，該焦平面100與光線99的傳播方向(本文中還稱為Z軸)垂直。作為另一實例，如圖2D所示，其示出了探測部件90的端視圖III-III，光線99聚焦到不同的焦距，從而被聚焦在不與Z軸垂直的焦平面100上。雖然示出并描述了焦點位置的兩種配置，但是能夠采用焦點位置的任意合適的配置。

圖3A和3B示出根據多個實施例的在全局笛卡爾坐標系204中掃描結構202的光學探頭200。(圖3B示出圖3A中定義的截面I-I)。光學探頭200能夠與本文描述的任意合適的掃描裝置或系統一起使用，諸如光學裝置22。從光學探頭200發出的入射光束206的二維陣列被布置于在X方向上延伸的多行中，包括第一行208和最后一行210。光束206的陣列的各行都沿著Z軸聚焦到各個共同的焦距，從而形成了斜的焦平面212。第一行208與最后一行210的焦距在Z方向上相差預定長度214。光學探頭200能夠相對結構202移動，以利用光束206掃描結構202。例如，如圖3B所描述的，光學探頭200能夠在Y方向上從第一位置216平移到第二位置218。

在多個實施例中，光束206陣列中的各行均沿著Z方向聚焦到不同的深度，從而產生不與Z軸正交的焦平面212。因此，隨著光學探頭200相對于結構202移動，光束206的焦平面212掃過結構202的三維體積。例如，隨著光學探頭200從位置216平移到位置218，焦平面212掃過具有Z深度214的三維體積。因此，通過光學探頭200相對于結構202的連續移動，光學探頭200能夠在Z方向上掃描結構202，同時保持了光束206的各個焦距恒定。雖然圖3B描述了光學探頭200在Y方向上的移動，但是在多個實施例中，光學探頭200可以在六個自由度上移動(例如，三個平移自由度和三個旋轉自由度)到光學探頭200與結構202之間的多個不同的相對位置和/或朝向。

能夠以任意合適的配置設置光束206的陣列。例如，光束206的陣列能夠被聚焦到相對于光學探頭200的任意合適的數量的不同焦距，諸如3、5、10、50或100個或者更多個不同的焦距。光束206的陣列的焦距能夠被配置為具有任意合適的范圍，諸如至少5mm、7.5mm或10mm以上。光束206的陣列中的第一行208與最后一行210的焦距可以相差任意合適的長度，諸如5mm以下、10mm、15mm或25mm以上。例如，焦距的差可以在5mm至25mm的范圍的長度內。

能夠由適用于將各個光束的波長組分聚焦到各自的焦點位置(例如，斜的焦平面212)的任意系統或裝置產生光束206的陣列。在多個實施例中，光學裝置22的一個以上的光學器件能夠用于將光束的陣列聚焦到相對探頭的多個固定的焦點位置。例如，本文描述的光學器件的合適的實施例能夠包括在光柵或微透鏡陣列38、聚焦光學器件42、中繼光學器件44、內窺鏡46內的光學器件或者它們的合適的組合中。光學器件能夠被配置為與遠心和/或非遠心共焦聚焦光學器件一起使用。

圖4A示出根據多個實施例的用于將多個光束聚焦到各自的焦點位置的光學組件300。在光學組件300中，從光源陣列304(例如，微透鏡陣列)發出的光束302的陣列由聚焦光學器件306聚焦，并且從鏡308(例如，設置在內窺鏡探測部件內的鏡)反射以形成焦平面310。鏡308能夠被定位為相對于光軸的45°角，以產生正交的焦平面310。

圖4B示出根據多個實施例的用于將多個光束聚焦到斜的焦平面的光學組件320。與光學組件300相似，系統320包括產生光束陣列322的光源陣列324、聚焦光學器件326、以及鏡328。鏡328以相對于光軸的合適的角度傾斜，諸如30°角，以產生相對于掃描儀332傾斜的焦平面330。焦平面330能夠用于使用本文描述的固定焦點位置掃描三維結構，諸如牙齒334。

圖5示出根據多個各實施例的用于將光束陣列聚焦到斜的焦平面的微透鏡陣列400。微透鏡陣列400的微透鏡(例如，微透鏡元件402)被布置在包括第一行406和最后一行408的多行404中。每行微透鏡均配置為將光束聚焦到不同的焦距，從而產生斜的焦平面。

圖6A示出根據多個實施例的用于將多個光束聚焦到斜的焦平面的光學組件500。光學組件500包括傾斜的光源陣列502，光源陣列502可以是以相對于光軸的合適的角度傾斜的微透鏡陣列。傾斜的光源陣列502所產生的光束504的陣列通過聚焦光學器件506，并且從鏡508反射以形成斜的焦平面501，如本文所述地適用于以固定的焦點位置掃描結構512。圖6B示出返回光束514通過光學組件500的光路。從結構512反射的返回光束514通過聚焦光學器件506返回，并且被擴束器516引導在傳感器陣列518上。如前所述，傳感器陣列518能夠包括布置在平面中的多個傳感器元件。在多個實施例中，傳感器陣列518相對于返回光束514是非正交的，使得傳感器元件的平面相對于返回光束514的傳播方向是傾斜的。平面能夠以與光源陣列502相同的量傾斜，以便允許返回光束502的共焦傳感。

圖7A示出根據多個實施例的用于將多個光束聚焦到斜的焦平面的光學組件600。圖7B示出光學組件600的展開配置。在光學組件600中，從光源陣列602發出的光束604的陣列通過聚焦光學器件606。非對稱光學器件608被安置在聚焦光學器件606與鏡610之間，并且被配置為將光束聚焦到斜的焦平面612，該斜的焦平面612適于用如本文描述的固定焦點位置掃描結構614。任何合適的光學元件或光學元件的組合均能夠用作為非對稱光學器件608。例如，非對稱光學器件608能夠包括以相對于光軸的合適的角度傾斜的離軸透鏡。作為代替或者組合，非對稱光學器件608能夠包括菲涅耳透鏡，菲涅耳透鏡包括多個區段，該多個區段被配置為將多個光束中的每一個光束折射到各自的焦點位置，以便產生合適的斜的焦平面。

能夠通過將局部強度數據在空間上彼此匹配來重建結構的全局表面形貌。在多個實施例中，在掃描過程期間的光學探頭與結構之間的相對位置和/或朝向用于確定強度數據之間的空間關系，并且從而匹配數據。任意合適的方法或者方法的組合能夠用于跟蹤光學探頭或者光學探頭的合適部分(例如，內窺鏡46的掃描尖端或探測部件90)相對于結構的位置和/或朝向，諸如合適的運動估計或運動跟蹤方法。例如，一個以上的運動跟蹤裝置能夠用于產生適用于確定光學探頭相對于三維結構的位置和/或朝向的運動數據。

在多個實施例中，光學跟蹤方法用于確定探頭相對于結構的關于六個自由度的空間布置。例如，運動跟蹤裝置能夠包括外置攝像機(或任意其它合適的圖像傳感器)，以隨著其在掃描過程期間在多個不同的位置和/或朝向之間移動而產生探頭的圖像數據。攝像機能夠捕獲探頭的任意合適部分的圖像，諸如位于患者口腔外部的部分。作為代替或組合，攝像機能夠捕獲放置于探頭的一個以上的合適部分上的一個以上的合適的標記(例如，包括在運動跟蹤元件47中)的圖像。能夠使用任何合適的機器視覺方法(例如，運動算法的結構，攝影測量方法，圖像配準/對準方法和/或光流估計方法，例如Lucas-Kanade方法)來處理圖像以估計探頭相對于結構的位置和/或朝向。可選地，攝像機能夠集成到探頭中或與探頭結合，使得能夠使用諸如本文所述的機器視覺方法這樣的合適的自我運動估計方法，來分析由攝像機捕獲的圖像數據，以確定探頭相對于結構的位置和/或朝向。

作為代替或組合，運動跟蹤裝置能夠使用基于慣性的估計方法來確定探頭的相對位置和/或朝向。例如，運動傳感器能夠包括慣性測量單元，諸如慣性傳感器。慣性傳感器能夠是微機電系統(MEMS)裝置。在多個實施例中，慣性傳感器包括多個加速度計和/或多個陀螺儀，其被配置為檢測探頭關于三個平移度和/或三個旋轉度的運動。

在另一實施例中，能夠使用電磁跟蹤(EMT)系統來跟蹤探頭相對于結構的位置和/或朝向。例如，EMT場能夠由合適的發生器或發射器提供，并且能夠基于由傳感器檢測的電磁信號來確定EMT傳感器在場內的位置和/或朝向(例如，相對于最多三個旋轉自由度和三個平移自由度)。能夠使用任何合適數量和配置的EMT場發生器和EMT傳感器。例如，EMT場發生器能夠位于掃描過程的場地處的固定位置(例如，結合到手術臺或患者座椅)，并且EMT傳感器能夠被安置在探頭上(例如，包括在運動跟蹤元件47中)，以跟蹤探頭的運動。在多個實施例中，EMT傳感器還被放置在三維結構上或三位結構附近(例如，在患者的頭、臉、頜和/或牙齒上)，以在測量過程期間考慮結構的任何運動。作為代替或組合，EMT場發生器能夠被放置在結構上，并且用于跟蹤具有結合的EMT傳感器的探頭的相對運動。相反，EMT場發生器能夠位于探頭上，并且EMT傳感器能夠位于結構上。

能夠使用任意合適的方法處理運動數據，以確定探頭相對于結構的位置和/或朝向。例如，能夠與卡爾曼濾波器組合使用運動跟蹤算法來處理數據。可選地，處理可以使用從本文描述的多個不同類型的運動跟蹤系統和設備接收的運動數據。

圖8是簡化的方框圖，描述了根據多個實施例的用于測量三維結構的表面形貌的方法700的步驟。諸如本文描述的實施例這樣的任意合適的光學裝置或系統能夠用于實踐方法700。

在步驟710中，產生了多個入射光束。在多個實施例中，本文所述的光學裝置22能夠用于形成光束的二維圖案。

在步驟720中，多個入射光束中的每個入射光束均聚焦到相對于光學探頭的各自的焦點位置。能夠使用任意合適的聚焦機構，諸如本文描述的實施例。在多個實施例中，光束被聚焦以形成斜的焦平面，以利用探頭的運動提供Z掃描，如前文所述。

在步驟730中，對于探頭與結構之間的多個相對位置和/或朝向，用入射光束照射三維結構。在多個實施例中，光束被聚焦到斜的焦平面，使得探頭通過相對于結構的多個位置和/或朝向的移動能夠實現結構的三維掃描，如本文所述。通過利用入射光束照射結構產生了多個返回光束，每個返回光束均與入射光束相對應。

在步驟740中，測量了從三維結構返回的多個光束的每個光束的特性。如前文所述，特性可以是光束的任何合適的可測量參數，例如強度、波長、偏振、相移、干涉或色散。能夠使用被配置為測量各個光束的特性的任意合適的裝置。例如，能夠使用諸如包括傳感器元件的二維陣列的傳感器(例如，傳感器陣列68)這樣的合適的檢測器單元，如前文所述。基于聚焦光學器件和光源陣列的配置，傳感器陣列可以與返回光束正交或者非正交。

在步驟750中，處理(例如，利用處理器24)測量的特性以及相應的光學探頭與結構之間的相對位置和/或朝向，以對于結構生成表面形貌數據。能夠使用用于處理測量的特性的數據的任意合適的方法，諸如本文描述的實施例。在多個實施例中，基于通過如本文所述跟蹤光學探頭的相對位置和/或朝向而獲得的數據(例如，運動數據和/或圖像數據)，來匹配測量的特性的數據。

在步驟760中，例如使用本文描述的處理器24產生用于三維結構的表面形貌。得到的結構的三維表示能夠用于任意合適的應用，諸如本文描述的牙齒和正畸過程。

雖然本文已經示出和描述了本發明的優選實施例，但是對于本領域技術人員來說明顯的是，這樣的實施例僅以示例的方式提供。在不脫離本發明的情況下，本領域技術人員將會想到多種變化、改變和替換。應當理解，在實施本發明時可以采用本文所述的本發明實施例的各種替代方案。意圖是以下權利要求限定本發明的范圍，并且由此涵蓋這些權利要求的范圍內的方法和結構及其等同物。