CN106794052A - 用于光学测量表面形貌的装置和方法 - Google Patents

用于光学测量表面形貌的装置和方法 Download PDF

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Abstract

描述了一种用于确定三维结构的表面形貌的装置。该装置能够包括探头(90)和被配置为输出多个光束(36)的照明单元(28、32、34、38)。在多个实施例中，该装置包括聚光组件(42、44)。聚光组件能够接收多个光束中的各光束并且将光束聚焦于各自的外部焦点。聚光组件能够被构造成使多个光束在变焦组件(224、234)内重叠，以使外部焦点沿着光束的传播方向移动。该装置能够包括：检测器(60)，其具有配置为测量从亮斑返回的多个光束中的各光束的特性的传感元件；和处理器(24)，其连接到检测器，并且被配置为基于测得的特性生成表示结构的形貌的数据。

Description

用于光学测量表面形貌的装置和方法
背景技术
已经开发了各种方法用于光学测量表面形貌。例如，已经开发和采用了能够用于光学测量患者的牙齿的表面形貌的光学系统和方法。例如，测量的牙齿的表面形貌能够用于设计和制造假牙、和/或用于确定矫正咬合不正的正畸治疗方案。
一种用于光学测量表面形貌的技术采用了激光三角法，以测量牙齿的表面与插入到患者的口腔内的光距探头之间的距离。然而，由于例如牙齿的表面的次优(sub-optimal)反射率，导致经由激光三角法测量的表面形貌可能不如期望的精确。
在从西门子公司(Siemens GmbH)或西诺德牙科设备公司(Sirona DentalSystems)市售的CEREC-1和CEREC-2系统中实现的其它用于光学测量表面形貌的技术分别采用了光切法和相移法。两种系统均采用了特别设计的手持探头，以测量拟定的牙齿的三维坐标。然而，这两种方法需要将特定的被覆物(即，分别是测量粉末和白色颜料悬浮液)沉积于牙齿上。被覆层的厚度需要满足特定的、难以控制的要求，这导致测量数据的不精确。
在另外一种技术中，基于探头对牙齿表面的物理扫描、并且例如通过光学或其它遥感设备确定探头的位置来进行牙齿表面的测绘。
美国专利No.5,372,502公开了一种用于三维测量的光学探针。将各种图案投射到要测量的一个或多个牙齿上，并且通过光学探头来捕捉相应的多个变形的图案。各个捕捉的图案提供了形貌的细化。
发明内容
提供了用于光学确定三维结构的表面形貌的装置和方法。在许多实施例中，用于光学确定表面形貌的装置包括聚光组件，能够操作该聚光组件来改变入射到被测量的三维结构(例如，患者的齿系)上的光束的焦点深度。本文公开的聚光组件利用最少的移动部或者不利用移动部提供了焦点深度的改变，这提供了更小、更快和更紧凑的光学器件。
在一个方面中，描述了一种用于确定三维结构的表面形貌的装置。在许多实施例中，该装置包括聚光组件。所述聚光组件能够被构造成使所述多个光束在变焦组件内重叠，以使光束的所述外部焦点沿着光束的传播方向移动。能够测量从被测量的结构反射的光的特性。测量出的特性能够用于产生表示结构的形貌的数据。
在另一个方面中，描述了一种用于确定三维结构的表面形貌的装置。在许多实施例中，该装置包括聚光组件。所述聚光组件能够包括汇聚透镜和发散透镜。能够改变所述汇聚透镜与所述发散透镜之间的间隔，以使光束的外部焦点沿着光束的传播方向移位。能够测量从被测量的结构反射的光的特性。测量出的特性能够用于产生表示结构的形貌的数据。
通过阅读说明书、权利要求和附图，本发明的其它目的和特征将变得明显。
通过引用并入
在本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入本文，其程度如同各个出版物、专利或专利申请被具体和单独地指明为通过引用而并入。
附图说明
在附加的权利要求中特别阐述了本发明的新颖特征。通过参考下面的阐述了采用本发明的原理的说明性实施例的详细描述和附图，将得到本发明的特征和优势效果的更好的理解，并且在附图中：
图1A和1B通过块图的方式示意性地图示出根据许多实施例的装置(图1B是图1A的延续)；
图2A是根据许多实施例的探测部件的顶视图；
图2B是通过图2A中的线II-II的纵向截面图，描绘了从那里通过的示例性的光线；
图3图示出根据许多实施例的伸缩聚光组件；
图4图示出根据许多实施例的具有可变光学功率元件的聚光组件；
图5图示出根据许多实施例的具有变焦透镜组的聚光组件；
图6是根据许多实施例的表示用于确定三维结构的表面形貌的方法的步骤的简化块图；
图7图示出根据许多实施例的伸缩聚光组件；
图8图示出根据许多实施例的紧凑聚光组件；
图9图示出根据许多实施例的紧凑聚光组件和光学探头；以及
图10是表示根据许多实施例的用于确定三维结构的表面形貌的方法的步骤的简化块图。
具体实施方式
在许多实施例中，用于光学确定表面形貌的装置包括聚光组件，该聚光组件被构造成可控地改变朝着被测量的三维结构(例如，患者的齿系)投射的光束的焦点深度。与采用聚光组件的大量移动的传统方法相比，本文公开的聚光组件即便需要也只利用了较少的移动部，从而更小、更快和更紧凑。此外，本文公开的用于光学确定表面形貌的装置和方法能够用于在维持远心度的同时改变光束的焦点深度。远心光学器件在限定的远心范围内产生独立于对象距离的恒定图像放大率，并且因此，能够有利地用于提高光学测量系统的精度。
本文描述的装置和方法能够用于对任意适当的三维结构的表面进行光学测量。在许多实施例中，进行光学测量以产生代表患者的齿系的三维表面形貌的数据。例如，该数据能够用于产生能够被显示和管理的齿系的三维虚拟模型。例如，能够使用该三维虚拟模型来限定用于创建患者的假牙(例如，牙冠或牙桥)的患者的齿系的空间关系。表面形貌数据能够存储和/或传送和/或输出到诸如制造装置，该制造装置例如能够用于制作由牙科医师使用以创建患者的假牙的患者的齿系的物理模型。
在一个方面中，提供了一种用于确定三维结构的表面形貌的装置。该装置能够包括探头，诸如具有用于插入到口腔内的尺寸的探测部件。该装置能够包括被构造成输出多个光束的照明单元。所述光束能够沿着经过所述探头的光路朝着结构传播，以在所述结构上产生亮斑。所述结构的表面反射入射光束，从而产生多个返回光束。该装置还能够包括检测器，所述检测器被构造成测量从所述亮斑返回的多个所述光束中的各个光束的特性。这样的特性能够包括例如返回光束的强度、波长、偏振、相移、干涉和/或色散。本文中与光强度相关的任意描述还能够应用于光的其它适当特性，并且反之亦然。特性的测量能够用于检测入射光束是否聚焦在结构的表面上，并从而确定光学探头与三维结构之间的距离。
能够将处理器结合到检测器，从而基于测量的从亮斑返回的多个光束中的各个光束的测量到的特性而产生表示结构的形貌的数据。例如，能够基于测量返回光束的强度来确定结构的表面形貌。在许多实施例中，该装置构造成使得：当入射光束聚焦在结构的表面上时，从结构返回的任意特定光束的强度最大化，从而使强度信号的大小与装置的焦点深度相关联。因此，能够通过扫描经过焦点深度的范围的光束并且识别得到峰值强度信号处的焦点深度，来确定结构的表面上的各个点的相对深度。从而，能够通过对结构上的各个点重复该过程来确定结构的表面形貌。
作为另一个实例，能够通过使用空间频率分析来识别结构的哪些区域聚焦而确定表面形貌。在许多实施例中，聚焦区域将具备比聚焦区域之外更高的空间频率。因此，能够通过识别何时区域的空间频率最大化来确定在特定位置处的探头与结构上的特定区域之间的距离以及探头相对于该结构的朝向。该方法能够应用于确定具有空间细节的结构的表面形貌。
为了扫描经过焦点深度的范围的光束的焦点，该装置能够包括聚光组件。聚光组件能够被构造成将多个光束中的各个光束聚焦于各自的外部焦点。可以从位于安置在各个外部焦点与聚光组件之间的位置处的探头发出光束。为了扫描经过焦点深度的范围的光束的焦点，聚光组件还能够被构造成使多个光束在变焦组件内重叠。能够操作变焦组件以使外部焦点沿着光束的传播方向移位。
许多构造能够用于聚光组件和变焦组件。例如，能够使变焦组件的至少一部分位于聚光组件的物镜的后焦距处，以抑制当外部焦点沿着光束的传播方向移动时多个光束的外部焦点之间的间隔的变化。作为替代或者组合，能够使变焦组件沿着多个光束的光路定位，使得多个光束中的大部分光束沿着变焦组件的至少一部分与所述多个光束中的其它光束重叠，以抑制当外部焦点沿着光束的传播方向移动时多个光束的外部焦点之间的间隔的变化。多个光束中的各个光束可以在进入变焦组件时具有大致平行的构造。为了使外部焦点沿着光束的传播方向移动，变焦组件能够将多个光束中的各个光束相似地调整为在从变焦组件出射时具有汇聚构造、平行构造或者发散构造。例如，变焦组件可以使外部焦点至少移动10mm。
在许多实施例中，聚光组件包括一个以上的像空间透镜和一个以上的物空间透镜，使得变焦组件沿着一个以上的像空间透镜与一个以上的物空间透镜之间的光路定位。一个以上的物空间透镜可以包括远心透镜，并且变焦组件的至少一部分可以位于远心透镜的后焦距处。一个以上的像空间透镜可以具有被布置成使经过变焦组件的多个光束重叠并且大致平行的焦距和位置。
在许多实施例中，变焦组件包括可变光学功率元件，能够操作该可变光学功率元件，以在可变光学功率元件不移动的情况下使外部焦点移动。能够以适当频率操作可变光学功率元件，从而使外部焦点与探头之间的间隔以期望的范围振荡。例如，能够以大于10Hz的频率、或者以从大约50Hz至大约100Hz的频率操作可变光学功率元件，从而使外部焦点与探头之间的间隔振荡至少10mm。
作为替代或者组合，变焦组件能够包括变焦透镜组，其中，改变透镜之间的间隔以使外部焦点经过焦点深度的范围而移位。例如，变焦透镜组能够包括发散透镜和汇聚透镜，改变发散透镜与汇聚透镜之间的间隔以使外部焦点移位。在许多实施例中，变焦透镜组中的透镜之间的间隔的变化引起比透镜之间的间隔的变化大的外部焦点与探头之间的间隔的变化。例如，变焦组件能够使外部焦点移动比由于变焦组件的至少一部分而移动的相应距离大至少两倍的距离。变焦透镜组中的透镜之间的间隔的变化可以引起作为变焦透镜组中的透镜之间的间隔的变化的至少5倍或大约7.5倍的外部焦点与探头之间的间隔的变化。另外，在许多实施例中，能够操作可变光学功率元件或变焦透镜组，以使外部焦点与探头之间的间隔以适当距离并且以适当频率振荡。例如，能够操作变焦透镜组，以使外部焦点与探头之间的间隔以大于10Hz的频率振荡至少10mm，或者以从大约10Hz至大约100Hz的频率振荡至少15mm。
在另一个方面中，提供了一种用于确定三维结构的表面形貌的方法。该方法包括：使用聚光组件在结构上产生亮斑，以接收多个光束中的各个光束并且将光束聚焦于具有插入到患者的口腔内的尺寸的探头之外的各自的外部焦点。能够操作聚光组件，以使多个光束中的各个光束在变焦组件内重叠。能够操作变焦组件，以使外部焦点沿着多个光束的传播方向移位。结构的表面能够反射来自亮斑的光，从而产生多个返回光束。能够测量从亮斑返回的多个光束中的各个光束的特性。基于测量的特性，能够产生表示结构的形貌的数据，如在本文之前所描述地。
在另一个方面中，提供了一种用于确定三维结构的表面形貌的装置。该装置能够包括探头，诸如具有用于插入到口腔内的尺寸的探测部件。该装置能够包括被配置为输出光束的阵列的照明单元。所述光束能够沿着经过所述探头的光路朝着所述结构传播，以在所述结构上产生亮斑。所述结构的表面能够反射来自亮斑的光，从而产生多个返回光束。该装置还能够包括检测器，所述检测器被配置为测量从亮斑返回的多个光束中的各个光束的特性。能够将处理器结合到所述检测器，从而基于测量的从亮斑返回的多个光束中的各个光束的特性而产生表示所述结构的形貌的数据，如本文之前所描述地。例如，所述特性可以包括强度。
为了扫描经过焦点深度的范围的光束的焦点，所述装置能够包括聚光组件，该聚光组件包括汇聚透镜和发散透镜。聚光组件能够被配置为使多个光束中的各个光束重叠到系统孔，该系统孔被安置在聚光组件与光束从探头发出的位置之间。能够操作聚光组件以改变汇聚透镜与发散透镜之间的间隔，从而改变探头与多个光束中的各个光束的外部焦点之间的间隔。在许多实施例中，汇聚透镜与发散透镜之间的间隔的变化引起比汇聚透镜与发散透镜之间的间隔的变化大(例如，至少大2倍或至少大4倍)的外部焦点与探头之间的间隔的变化。在许多实施例中，发散透镜安置在汇聚透镜与系统孔之间。装置还能够包括安置在系统孔与外部焦点之间的光路上的远心透镜。
在另一个方面中，提供了一种用于确定三维结构的表面形貌的方法。该方法包括产生沿着光路传播以在结构上形成亮斑的光束的阵列。光路通过汇聚透镜、发散透镜和具有插入到患者的口腔内的尺寸的探头。发散透镜能够安置在汇聚透镜与光束从探头发出的位置之间。结构的表面反射来自亮斑的光，从而产生多个返回光束。测量从结构返回的多个光束中的各个光束的特性。基于测量出的特性，产生表示结构的形貌的数据，如本文之前所描述地。为了扫描经过焦点深度的范围的光束的焦点，改变汇聚透镜与发散透镜之间的间隔，以改变探头与多个光束中的各个光束的各自的外部焦点之间的间隔。
现在转到附图，其中，在各个附图中，相同的标号表示相同的元件，图1A和1B图示出用于光学测量表面形貌的装置20。装置20包括结合到处理器24的光学装置22。图示出的实施例特别适用于测量患者的牙齿26的表面形貌。例如，装置20能够用于测量患者的牙齿的至少一个牙齿或牙齿的一部分缺失的这样的部分的表面形貌，从而产生随后在患者的假牙(例如，牙冠或牙桥)的设计和/或制造中使用的表面形貌数据。然而，需要注意的是，本发明不限于测量牙齿的表面形貌，并且还准用于物体的三维结构的成像的各种其它应用(例如，用于考古对象的记录，用于诸如生物组织这样的任意适当物品的三维结构的成像等)。
在图示出的实施例中，光学装置22包括发出光的光源28(例如，半导体激光单元)，如箭头30所示。光通过偏光器32，偏光器32使得通过偏光器32的光具有特定的偏振。然后，光进入增大光束30的直径的光学扩束器34。然后，光束30通过模块38，该模块38能够是例如将母光束30分成多个光束36的光栅或微透镜阵列，为了易于图示，在这里由单线表示多个光束36。
光学装置22还包括具有小中央孔的半透明的反射镜40。镜子40使得光能够从光源28通过下游的光学器件而传播，但是反射在相反方向上行进的光。需要注意的是，原则上，可以使用具有相似功能的其它光学部件(例如，分束器)而不是半透明的反射镜。反射镜40中的孔提高了装置的测量精度。由于该反射镜结构，只要区域不处于焦点处，则光束在成像物体的被照明的该区域上产生光环。当光束相对于成像物体聚焦时，光环变为锐聚的亮斑。因此，测量的强度在不聚焦时与聚焦时之间的差异较大。相比于分束器，这种类型的反射镜的另一个优点在于：避免了在分束器中发生的内反射，并且因此信噪比较大。
光学装置22还包括：通常以远心模式运行的共焦光学器件42、中继光学器件44和内窥镜探头部件46。在许多实施例中，共焦光学器件42构造成避免距离带来的放大率的变化，并且在Z方向上(Z方向是光束传播的方向)的宽范围的距离上维持图像的相同的放大率。在许多实施例中，共焦光学器件42是远心的，并且甚至能够是双远心的。与非远心光学器件或仅在像空间或物空间是远心的光学器件相比，双远心共焦光学器件(在像空间和物空间二者中均是远心的)能够提供提高的光学测量精度。下面描述能够包括在共焦光学器件42中的聚光组件的示例性实施例。在许多实施例中，中继光学器件44构造成维持光束的传播的特定数值孔径。
内窥镜探头部件46能够包括光传输介质，光传输介质能够是在其内限定了光传输路径的中空物体或者由透光材料制成的物体(例如，玻璃体或管)。光传输介质可以是刚性的或柔性的(例如，光纤)。在许多实施例中，内窥镜探头部件46包括这种反射镜：其确保全内反射，并且使入射光束指向患者的牙齿26。从而，内窥镜46发出照射(impinging)到患者的牙齿26的表面上的多个入射光束48。
入射光束48形成相对于笛卡儿坐标系50布置在X-Y平面中、并且沿着Z轴传播的光束的阵列。当入射光束48入射到粗糙表面上时，产生的亮斑52在不同的(Xi、Yi)位置处沿着Z轴彼此移位。从而，虽然一个位置处的亮斑52可能对于由共焦光学器件42产生的给定焦距聚焦，但是其它位置处的亮斑52可能不聚焦。因此，聚焦光斑的返回光束的光强度将处于其峰值，而其它位置处的光强度将不处于峰值。从而，对于各个亮斑，在沿着Z轴的不同位置处进行光强度的多次测量，并且对于各个这样的(Xi、Yi)位置，通常将求出强度对距离(Z)的导数，并且产生最大导数Z0的距离Zi将为聚焦距离。如以上所指出地，作为使用打孔后的反射镜40的结果，当不聚焦时，入射光在表面上形成盘状光，并且仅当聚焦时，形成锐聚焦光斑，当接近聚焦位置时，距离导数将变大，从而提高了测量精度。
从各个亮斑52反射的光包括起先在Z轴上的在与入射光束行进的光路的相反方向上行进的光束。各个返回光束54对应于入射光束36中的一个入射光束。考虑到反射镜40的非对称性，返回光束54在检测组件60的方向上被反射。检测组件60包括偏光器62，偏光器62具有与偏光器32的偏振面正交的优选偏振朝向的平面。返回的被偏振的光束54通过通常是一个透镜或多个透镜的成像光学器件64，并且该返回的被偏振的光束54然后通过针孔阵列66。各个返回光束54至少部分通过针孔阵列66的各个针孔。能够是电荷耦合装置(CCD)或任意其它适当的图像传感器的传感器阵列68包括传感元件的矩阵。在许多实施例中，各个传感元件呈现图像的像素，并且各个传感元件对应于针孔阵列66中的一个针孔。
传感器阵列68连接于处理器单元24的图像捕捉模块80。利用处理器24以下面描述的方式分析由传感器阵列68中的各个传感元件所测量的光强度。虽然在图1A和1B中将光学装置22描绘为测量光强度，但是装置22还能够构造成测量其它适当的特性(例如，波长、偏振、相移、干涉、色散)，如在本文之前所描述的。
控制模块22包括控制模块70，控制模块70控制光源28和/或电机72的运行。在许多实施例中，电机72与共焦光学器件42驱动耦合，以沿着Z轴扫描经过焦点深度的范围的光束的焦点。在单序列的操作中，控制单元70使电机72重新配置共焦光学器件42以改变焦平面的位置，并且然后，在收到位置已经改变的反馈信号之后，控制模块70促使光源28产生光脉冲。在从各个传感元件获取表示光强度(或其它特性)的数据期间，控制模块70使图像捕捉模块80的操作与共焦光学器件42及光源28的操作同步。然后，在随后的序列中，共焦光学器件42以相同的方式使焦平面改变，并且在焦距的范围内继续强度数据的获取。
由处理器24通过处理软件82处理强度数据，以确定在共焦光学器件42的焦平面的整个范围内的各个像素中的相对强度。如以上所说明地，一旦特定的光斑聚焦在被测量的三维结构上，则测量的返回光束的强度将最大。从而，对于各个像素，通过确定与最大光强度相对应的Zi，或者通过确定光强度的最小导数，能够确定各个光束的沿着Z轴相对聚焦的焦距。从而，得到表示牙齿的外表面的三维形貌的数据。利用用户控制模块85(例如，采用计算机键盘、鼠标、控制杆或触摸屏幕)，得到的三维表示能够被显示在显示器84上，并且被操纵以供观看(例如，从不同的角度观看，放大或缩小)。另外，能够将表示表面形貌的数据通过例如诸如调制解调器88这样的适当的数据端口或任意适当的通信网络(例如，电话网络)传送到接收器(例如，传送到装置之外的CAD/CAM装置)。
通过以这种方式从结构周围的两个以上的角度位置(例如，在牙齿区段的情况下，从颊方向、舌方向和/或可选择地从牙齿上方)捕捉探头与被测量的结构之间的距离数据，能够产生结构的精确三维表示。三维数据和/或得到的三维表示能够用于在计算机环境中创建三维结构的虚拟模型、和/或以任意适当的方式(例如，经由计算机控制的铣床、诸如立体光刻装置这样的快速成型装置)制造物理模型。
如已经在上面指出地，特别的并且优选的应用是至少具有一个缺失的牙齿或牙齿的一部分缺失的牙齿区段的成像。例如，得到的三维表面形貌数据能够用于要配合到该区段的牙冠或任意其它假体(prosthesis)的设计和随后的制造。
现在参考图2A和2B，图示出根据许多实施例的探测部件90。在许多实施例中，探测部件90形成内窥镜46的至少一部分。探测部件90可以具有至少部分地插入到患者的口腔内的尺寸。探测部件90能够由透光材料(例如，玻璃、水晶、塑料等)制成，并且包括在93处以透光方式紧密粘合在一起的远端区段91和近端区段92。倾斜面94由反射镜层95覆盖。限定传感面97的透明盘96(例如，由玻璃、水晶、塑料或任意其它适当的透明材料制成)沿着光路安置在反射镜层95的远端，从而在透明盘96与远端区段91之间留下空气间隙98。透明盘96通过保持结构(未示出)固定在适当位置处。示意性地表示三条光线99。如能够看到地，光线99以探测部件90的壁是全反射的角度从探测部件90的壁反射，从反射镜层95反射，并且然后透过传感面97传播。光线99聚焦在焦平面100上，能够通过共焦光学器件42改变焦平面100的位置。
在许多实施例中，共焦光学器件42包括伸缩聚光组件。伸缩聚光组件被构造为并且能够被操作为扫描经过焦点深度的范围的光束的焦点。为了确定各个光束相对于被测量的表面的聚焦距离，完成经过焦点深度的范围的焦点的扫描，如在这里之前所描述地。
图3图示出能够包括在共焦光学器件42中的根据许多实施例的伸缩聚光组件200。聚光组件200构造成为并且能够被操作为扫描经过焦点深度的范围的多个光束(例如，光束的二维阵列)的焦点。聚光组件200能够包括像空间透镜组202和物空间透镜组204。聚光组件200能够构造为并且被操作为将光束聚焦到外部焦平面206(例如，内窥镜探头部件46的外部)上，并且可控制地扫描外部焦平面206相对于内窥镜探头部件46的位置。在位于像空间透镜组202与物空间透镜组204之间的物空间透镜组204的后焦平面处，光束主光线可能与光轴交叉。系统孔208可以位于后焦平面处或后焦平面附近。孔径光阑(APS)210可以位于系统孔208处或系统孔208附近。在许多实施例中，孔径光阑210在物理遮光面中包括圆形开口，并且用于限定光束宽度，并且因此，限定光学系统的数值孔径(NA)。
像空间透镜组202和物空间透镜组204均能够分别包括一个以上的透镜。例如，在许多实施例中，像空间透镜组202和物空间透镜组204均具有单个汇聚透镜(例如，双凸透镜)。在这里可以使用“透镜”来表示具有单个透镜或多个透镜(例如，双透镜或三透镜)的元件。
为了改变内窥镜探头部件46与外部焦平面206之间的相对距离，例如，能够通过由电机72驱动的机构来改变物空间透镜组204与像空间透镜组202之间的距离。该机构可以使物空间透镜组204或像空间透镜组202中的一个以上的透镜组沿着光束沿光学系统的也被称为对称轴的光轴而传播的方向移位。通过改变物空间透镜组204与像空间透镜组202之间的距离，外部焦平面206沿着光束的传播方向移位。通过使物空间透镜组204沿着对称轴移动，能够使外部焦平面206移位到任意适当位置，诸如移位到近焦点位置212、中间焦点位置214或远焦点位置216。
在伸缩聚光组件中，当外部焦平面206由于物空间透镜组204相对于APS 210的移位而移位时，远心度可能受到影响(compromised)。物空间透镜组204相对于APS 210的移位导致光线通过物空间透镜组204的不同部分折射。
图4图示出能够包括在共焦光学器件42中的根据许多实施例的聚光组件220。聚光组件220能够包括：像空间透镜组202；物空间透镜组204；和变焦组件222，其沿着像空间透镜组与物空间透镜组之间的光路安置在系统孔208处或系统孔208附近。像空间透镜组202或物空间透镜组204中的至少一个透镜元件可以是远心透镜。聚光组件220中的一个以上的光学器件能够被构造成使多个光束在变焦组件222内重叠。例如，像空间透镜组202中的至少一个透镜元件可以具有被布置成使通过变焦组件222的光束重叠并且大致平行的焦距和位置。
能够操作聚光组件220，从而在不使物空间透镜组204相对于像空间透镜组202移动的情况下使外部焦平面206移位。能够通过改变变焦组件222的光学功率而使外部焦平面206沿着对称轴移位(例如，移位到近焦点位置、中间焦点位置和远焦点位置)。因此，即使当外部焦平面206的位置移动时，聚光组件220也能够维持远心度和放大率。在许多实施例中，当外部焦点沿着光束的传播方向移动时，变焦组件的定位和构造抑制外部光束的外部焦点之间的间隔的变化。例如，变焦组件222能够定位在聚光组件220的物镜(例如，物空间透镜组204)的后焦距处或后焦距附近。作为替代或者组合，变焦组件222能够沿着多个光束的光路定位，使得多个光束中的大部分光束沿着变焦组件222的至少一部分与多个光束中的其它光束重叠。在进入变焦组件222时，多个光束中的各个光束可以包括大致平行的构造。在从变焦组件222出射时，变焦组件222可以相似地将多个光束中的各个光束调整为汇聚构造、大致平行的构造或者发散构造。
在图4中图示的实施例中，变焦组件220包括可变光学功率元件224。可变光学功率元件224能够是具有可控制的可变光学功率的任意适当光学器件。例如，可变光学功率元件224能够包括可变功率透镜元件或液体透镜元件，诸如提供微距对焦能力(close focusability)和低功率消耗的液体透镜。能够通过诸如施加适当电流(例如，0mA至300mA的范围内)来电调谐液体透镜，以改变光学功率。在许多实施例中，可变光学功率元件224包括高折射率材料和低折射率材料，并且可以改变材料之间的界面(例如，弯月面)来调整光学功率。可变光学功率元件224的光学功率能够以任意适当量来改变，诸如以大约2屈光度、5屈光度、10屈光度、15屈光度、20屈光度或30屈光度改变。可变光学功率元件224的光学功率能够在任意适当范围内变化，诸如下面任意二者之间的范围：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。能够操作可变光学功率元件224，从而在可变光学功率元件224不移动(例如，不沿着对称轴移动和/或不相对于聚光组件220的其它部件移动)的情况下移动外部焦平面206。因此，聚光组件220能够在不任何移动光学部件的情况下提供外部焦平面206的扫描。
图5图示出能够包括在共焦光学器件42中的根据许多实施例的另一个聚光组件230。与图4所示的聚光组件220相似地，聚光组件230包括：像空间透镜组202、物空间透镜组204以及可以被设置在系统孔208处的变焦组件232。聚光组件230可以接收多个光束，并且使多个光束在变焦组件232内重叠，如上所述。然而，在聚光组件230中，变焦组件232包括变焦透镜组234，而不是可变光学功率元件。能够通过变焦透镜组234中的透镜元件之间的相对移动来改变变焦透镜组234的光学功率。变焦透镜组234中的透镜元件之间的相对移动能够包括使得变焦透镜组的任意适当部件移位，诸如单个透镜元件、多个透镜元件、一个透镜元件的一个以上的部分，多个透镜元件的一个以上的部分或任意适当组合。例如，变焦透镜组能够是一对透镜，并且移动能够是透镜之间的间隔(例如，沿着对称轴)的变化。通过改变变焦透镜组234的光学功率，外部焦平面206沿着对称轴移位(例如，移位到近焦点位置、中间焦点位置、远焦点位置)。
在图5所示的实施例中，变焦透镜组234包括汇聚透镜236(例如，双凸透镜)和发散透镜238(例如，双凹透镜)。能够通过改变汇聚透镜236与发散透镜238之间的间隔来改变变焦透镜组234的光学功率。虽然将变焦透镜组234图示成具有一个汇聚透镜和一个发散透镜，但是适当的变焦透镜组能够包括透镜元件的任意适当组合，其中，透镜元件之间的相对移动影响光学功率的变化。
在许多实施例中，变焦透镜组234中的透镜元件的移动相对于引起的外部焦平面206的移位是小的。例如，变焦透镜组234的大约0mm至大约2mm的移动可以引起外部焦平面206的大约15mm的移动。聚光组件230能够被构造成使得变焦透镜组234中的透镜元件之间的间隔的变化引起至少2、3、4、5、7.5或10倍(fold)大的外部焦平面206与内窥镜探头部件46之间的间隔的变化。在许多实施例中，外部焦平面206的移位比变焦透镜组234中的透镜元件之间的间隔的相应变化大了大约2、3、4、5、7.5或10倍。本文中，可以将外部焦平面的移动距离与变焦组件的元件的相应移动距离的比率称为“移动增益系数”。由变焦组件提供的移动增益系数可以是大约1、1.1、2、3、4、5、7.5、10或15。
图6是用于确定三维结构的表面形貌的方法300的步骤的简化块图。任意适当的光学组件、设备、装置和/或系统，诸如在本文中描述的适当实施例，能够用于实施方法300。
在步骤310中，产生多个光束。任意适当设备能够用于产生光束。例如，参考图1A，装置20能够用于产生光束。装置20能够包括将由光源28发出的激光束30分成光束阵列36的光栅或微透镜阵列38。
在步骤320中，使光束在变焦组件内重叠。例如，如利用聚光组件220和利用聚光组件230，像空间透镜组202能够将光束分别重叠在变焦组件222和232上。变焦组件可以安置在系统孔处或系统孔附近。作为替代或者组合，变焦组件可以位于物镜或物空间透镜组(例如，远心透镜)的后焦距处。
在步骤330中，操作变焦组件以使光束的各外部焦点移动。在许多实施例中，变焦组件包括安置在系统孔处的变焦透镜组或可变光学功率元件，如分别在聚光组件220或聚光组件230中一样。在许多实施例中，外部焦点形成外部焦平面，能够通过改变变焦组件的光学功率而使该外部焦平面移位。参考图2B所示的内窥镜探头部件46，在许多实施例中，光束沿着经过内窥镜探头部件46的光路传播，使得外部焦平面位于探头的外部(例如，焦平面100)。光束从内窥镜探头部件46的安置在外部焦平面与聚光组件之间的位置处(例如，传感面97)发出。光路能够构造成在被测量的结构上产生亮斑的阵列，如图1A中的患者的牙齿26上的亮斑52所示。
能够使外部焦点移位，以扫描经过多个焦点深度的外部焦平面。在许多实施例中，能够操作变焦组件以改变外部焦点与内窥镜探头部件46之间的间隔距离，诸如通过使间隔距离在规定的范围内振荡。例如，能够使外部焦点与内窥镜探头部件46之间的间隔距离振荡至少5mm、至少10mm、至少15mm、或至少20mm。在许多实施例中，间隔距离的振荡能够处于大约10mm至大约15mm的范围内。能够使用任意适当的振荡频率，诸如大于或等于大约1Hz、10Hz、20Hz、50Hz、75Hz或100Hz的频率。振荡频率可以处于从大约10Hz至大约100Hz、或者从大约50Hz至大约100Hz的范围内。在采用变焦组件的实施例中，诸如在聚光组件220和在聚光组件230中，作为减少或消除使外部焦平面206移位期望距离所需的聚光组件的移动的结果，能够实现相对于聚光组件200的提高的振荡速率。
在步骤340中，测量从结构返回的多个光束的特性。例如，如图1A所示，返回光束54由结构的表面反射，并且均与由光学装置22产生的入射光束36中的一个入射光束相对应。任意适当设备能够用于测量返回光束的特性，诸如传感器阵列68。在许多实施例中，被测量的特性是强度。
在步骤350中，基于被测量的特性产生表示结构的形貌的数据，如本文之前所描述地。任意适当的结构能够用于接收和产生数据，诸如在图1B中描绘出的处理器24。
表格1提供了图3所示的聚光组件200(在下文中称为“伸缩组件”)、图4所示的聚光组件220(在下文中称为“可变元件组件”)、和图5所示的聚光组件230(在下文中称为“移动透镜组件”)的示例构造和操作参数。
表格1：聚光组件的示例构造和操作参数。
对于表格1中的三个系统，外部焦平面移位15mm。在伸缩组件中，重量50g的物空间透镜组的15mm的移动能够用于产生移动增益系数为1的外部焦平面的15mm的移动。物空间透镜组能够以大约1Hz的最大频率振荡。在可变元件组件中，在任意光学元件不移动的情况下的可变光学功率透镜元件的光学功率的5屈光度的变化能够用于产生外部焦平面的15mm的移位。可变光学功率元件的光学功率能够以大约100Hz的最大频率振荡。在移动透镜组件中，重量5g的变焦透镜组移动透镜的2mm的移动能够用于产生移动增益系数为7.5的外部焦平面的15mm的移位。变焦透镜组能够以大约20Hz的最大频率振荡。
显而易见，可变元件组件和移动透镜组件提供了一些优点。当与伸缩组件相比时，利用可变元件组件和移动透镜组件，外部焦平面能够分别在光学聚焦元件的移动非常小或不移动的情况下移位。对于移动透镜组件，移动光学元件的重量与伸缩组件的重量相比可以大幅度减小，从而减小移动该元件所需的电量。此外，与伸缩组件相比，可变元件组件和移动透镜组件的焦点深度振荡的最大频率可以非常高，从而适用于具有提高的扫描速率的系统。
图7图示出与图3所示的伸缩聚光组件200相似的伸缩聚光组件400的实施例。然而，在许多实施例中，伸缩聚光组件400可能具有比较小的展开量(unfold reach)402(例如，80mm)，该展开量是物空间透镜组404的前方与外部焦平面406之间的最小距离。可以将展开量402相加到光栅或微透镜阵列38与被测量的结构之间的光路的整个长度。然而，减小光栅或微透镜阵列38与被测量的结构之间的光路的长度以提供更紧凑的光学装置22可能是有益的。
图8图示出根据许多实施例的紧凑的聚光组件410的实施例。紧凑的聚光组件410能够包括Z1透镜组412和Z2透镜组414。前端透镜组416能够沿着光路安置于紧凑的聚光组件410的远端。Z1透镜组412与Z2透镜组414能够相邻地安置。Z2透镜组414能够安置在Z1透镜组412与系统孔418之间。系统孔418能够安置在Z2透镜组414与前端透镜组416之间，诸如安置在前端透镜组416的后焦距处。Z1透镜组412和Z2透镜组414可以构造成使多个光束朝着系统孔418重叠。Z1透镜组412和Z2透镜组414可以调整通过系统孔418的光束的构造，诸如通过使光束汇聚、发散或大致平行。
Z1透镜组412和Z2透镜组414能够包括任意适当透镜或透镜的组合。例如，Z1透镜组412能够包括汇聚透镜(例如，双凸透镜)，并且Z2透镜组414能够包括发散透镜(例如，双凸透镜)。前端透镜组416能够包括任意适当透镜或透镜的组合，诸如汇聚透镜(例如，具有朝着外部焦平面406安置的平面的平凸透镜)。Z1透镜组412、Z2透镜组414、或前端透镜组416中的一个以上的透镜组可以包括远心透镜。例如，在许多实施例中，前端透镜组416是远心透镜。在图示出的实施例中，Z2透镜组414的远端面与外部焦平面416之间的展开量420(例如，在中间焦点位置处是110mm)导致光栅或微透镜阵列38与被测量的结构之间的减小的光路长度。在伸缩聚光组件400和紧凑的聚光组件410二者中，能够根据移动从而使外部焦平面406的位置移位的透镜组的远端面来测量展开量。
在紧凑的聚光组件410中，能够通过改变Z1透镜组412与Z2透镜组414之间的间隔使得外部焦平面406沿着对称轴移位。能够通过移动Z1透镜组412、移动Z2透镜组414、或者移动Z1透镜组412和Z2透镜组414二者来完成改变Z1透镜组412与Z2透镜组414之间的间隔。例如，能够增大汇聚透镜与发散透镜之间的间隔，以在远焦点位置、中间焦点位置和近焦点位置之间改变外部焦平面。
图9图示出根据许多实施例的包括紧凑的聚光组件410和探头432的光学组件430。通过紧凑的聚光组件410聚焦的光束能够通过朝着系统孔418安置的面434而进入探头432，在探头的壁上反射，并且从朝着外部焦平面406安置的面436发出。探头432能够由任意适当材料制造，诸如透光材料(例如，玻璃)。在许多实施例中，探头的壁是全反射的，使得随着光束通过探头传播，光束从探头的内壁反射。探头能够是探测部件90，如图2A和2B所示。在许多实施例中，薄透镜定位在探头退出孔436处。
外部焦平面406能够沿着从探头发出的光束的方向相对于探头432移位。能够通过改变Z1透镜组412与Z2透镜组414之间的间隔而使外部焦平面406移位，如上所述。
在许多实施例中，Z1透镜组与Z2透镜组之间的距离的变化引起探头432与外部焦平面406之间的距离的较大变化。例如，紧凑的聚光组件410能够构造成使得Z1透镜组412与Z2透镜组414之间的距离的变化引起至少2倍大的探头432与外部焦平面406之间的间隔的变化。在许多实施例中，紧凑的聚光组件410构造成使得Z1透镜组412与Z2透镜组414之间的距离的变化引起至少4倍大的探头432与外部焦平面406之间的间隔的变化。图8和9图示出相似的概念，并且图9具有增加以展示对细长探头的适用性的探头。图8图示出在不使用前孔概念的情况下要求的光学程度。
紧凑的聚光组件410的使用可以引起整个光路长度的显著减小。紧凑的聚光组件410可以提供减小的光路长度(与现有的方法相比)，而不影响视场(FOV)。
图10图示出根据许多实施例的用于确定三维结构的表面形貌的方法500的步骤。任意适当的光学组件、设备、装置和/或系统，诸如在本文中描述的适当实施例，能够用于实施方法500。
在步骤510中，产生多个光束。任意适当设备能够用于产生光束。例如，参考图1A，装置20能够用于产生光束。装置20包括将由光源28发出的激光束30分成光束阵列36的光栅或微透镜阵列38。
在步骤520中，光束通过汇聚透镜、发散透镜和探头传播。任意适当的光学器件能够用于完成步骤520。例如，图8和图9所示的实施例能够用于完成步骤520。
在步骤530中，改变汇聚透镜与发散透镜之间的间隔，以改变探头与光束的各个外部焦点之间的间隔。
例如，参考图9所示的实施例，外部焦点能够形成位于探头之外的外部焦平面。能够通过减小汇聚透镜与发散透镜之间的间隔而增大探头与外部焦平面之间的间隔。在一些情况下，能够改变探头与外部焦点之间的间隔，以扫描经过多个焦点深度的外部焦平面。能够以适当距离并且以适当频率振荡间隔，诸如关于方法300而在本文中预先提供的值。例如，汇聚透镜与发散透镜之间的距离能够对称地改变1mm，引起外部焦平面的10mm的移动。
在步骤540中，测量从各个光斑返回的各个光束的特性。例如，如图1A所示，返回光束54由结构的表面反射，并且均与由光学装置22产生的入射光束36中的一个入射光束相对应。任意适当设备能够用于测量返回光束的特性，诸如传感器阵列68。
在步骤550中，基于被测量的特性产生表示结构的形貌的数据，如本文之前所描述地。任意适当的装置能够用于接收和产生数据，诸如在图1B中描绘的处理器24。
在这里描述的组件、系统、方法和装置的任意实施例的任意适当特性能够组合或者由在本文中描述的其它实施例的适当特性替代。例如，光学装置22的共焦光学器件42能够仅包括本文描述的聚光组件中的任意一者，诸如聚光组件220、230、410中的任意一者。在许多情况下，本文中描述的示例性的光学系统能够与诸如探测部件90这样的探头组合，以有助于口腔的光学测量。本领域技术人员将理解为：能够根据本文描述的系统、方法和装置进行许多适当的组合和替代。
虽然已经本文中示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说明显的是，仅通过示例的方式提供了这样的实施例。对于本领域技术人员来说，能够在不背离本发明的情况下做出各种变化、改进和替代。需要理解的是：可以采用本文描述的本发明的实施例的各种替代来实施本发明。期望的是：下面的权利要求限定本发明的范围，并且从而涵盖了处于这些权利要求和它们的等同物的范围内的方法和结构。

Claims (26)

1.一种用于确定三维结构的表面形貌的装置，该装置包括：
探头，该探头具有插入到患者的口腔内的尺寸；
照明单元，该照明单元被配置为输出多个光束；
聚光组件，该聚光组件接收所述多个光束中的每个光束，并且将所述光束聚焦于所述探头的外部的各外部焦点，以在所述结构上产生亮斑，该聚光组件被配置为使所述多个光束在变焦组件内重叠，以使所述外部焦点沿着所述多个光束的传播方向移动；
检测器，该检测器具有传感元件阵列，所述传感元件阵列被配置为测量从所述亮斑返回的多个光束中的每个光束的特性；以及
处理器，该处理器连接到所述检测器，并且被配置为基于从所述亮斑返回的所述多个光束中的每个光束的测得的特性，生成表示所述结构的形貌的数据。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述变焦组件的至少一部分位于所述聚光组件中的物镜的后焦距处，以抑制当所述外部焦点沿着所述光束的所述传播方向移动时所述多个光束的外部焦点之间的间隔变化。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述变焦组件沿着所述多个光束的光路定位，使得所述多个光束中的大部分光束沿着所述变焦组件的至少一部分与所述多个光束中的其他光束重叠，以抑制当所述外部焦点沿着所述光束的所述传播方向移动时所述多个光束的外部焦点之间的间隔变化。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个光束中的每个光束在进入所述变焦组件时具有大致平行的构造，并且其中，所述变焦组件将所述多个光束中的每个光束相似地调整为在从所述变焦组件出射时具有汇聚构造、平行构造或发散构造，以使所述外部焦点沿着所述光束的所述传播方向移动。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述特性包括强度。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述变焦组件使所述外部焦点移动至少10mm。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述聚光组件包括一个以上的像空间透镜和一个以上的物空间透镜；并且
所述变焦组件沿着所述一个以上的像空间透镜与所述一个以上的物空间透镜之间的光路定位。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述一个以上的物空间透镜包括远心透镜，并且所述变焦组件的至少一部分位于所述远心透镜的后焦距处。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述一个以上的像空间透镜包括布置为使得通过所述变焦组件的所述多个光束重叠且大致平行的焦距和位置。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述变焦组件包括可变光学功率元件，所述可变光学功率元件能够操作为在不移动所述可变光学功率元件的情况下使所述外部焦点移动。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述可变光学功率元件能够操作为使所述外部焦点与所述探头之间的间隔以大于10Hz的频率振荡至少10mm。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述可变光学功率元件能够操作为使所述外部焦点与所述探头之间的间隔以从大约50Hz至大约100Hz的频率振荡至少10mm。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述变焦组件使所述外部焦点移动比所述变焦组件的至少一部分移动的相应距离大至少2倍的距离，并且其中，所述变焦组件包括变焦透镜组，在该变焦透镜组中，所述变焦透镜组中的透镜之间的间隔被改变，以使所述外部焦点移动。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述变焦透镜组中的透镜之间的间隔变化引起所述外部焦点与所述探头之间的间隔变化，所述外部焦点与所述探头之间的所述间隔变化为所述变焦透镜组中的透镜之间的所述间隔变化的至少5倍的间隔变化。
15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述变焦透镜组中的透镜之间的间隔变化引起所述外部焦点与所述探头之间的间隔变化，所述外部焦点与所述探头之间的所述间隔变化为所述变焦透镜组中的所述透镜之间的所述间隔变化的大约7.5倍的间隔变化。
16.根据权利要求13所述的装置，其中，
所述变焦透镜组包括发散透镜和汇聚透镜；并且
所述发散透镜与所述汇聚透镜之间的间隔被改变，以使所述外部焦点移位。
17.根据权利要求13所述的装置，其中，
所述变焦透镜组能够操作为使所述外部焦点与所述探头之间的间隔以大于10Hz的频率振荡至少10mm。
18.根据权利要求13所述的装置，其中，所述变焦透镜组能够操作为使所述外部焦点与所述探头之间的间隔以从大约10Hz至大约100Hz的频率振荡至少15mm。
19.一种确定三维结构的表面形貌的方法，该方法包括：
利用聚光组件在所述结构上产生亮斑，该聚光组件用于接收多个光束中的每个光束并且将所述光束聚焦于探头外部的各外部焦点，所述探头具有插入到患者的口腔内的尺寸；
操作所述聚光组件，以使所述多个光束中的每个光束在变焦组件内重叠；
操作所述变焦组件，以使所述外部焦点沿着所述多个光束的传播方向移位；
测量从所述亮斑返回的多个光束中的每个光束的特性；以及
基于测得的所述特性生成表示所述结构的形貌的数据。
20.一种用于确定三维结构的表面形貌的装置，该装置包括：
探头，该探头具有插入到患者的口腔内的尺寸；
照明单元，该照明单元被配置为输出多个光束，所述多个光束沿着经过所述探头的光路朝着所述结构传播，以在所述结构上产生亮斑；
聚光组件，该聚光组件包括汇聚透镜和发散透镜，并且该聚光组件能够操作为改变所述汇聚透镜与所述发散透镜之间的间隔，从而改变所述探头与所述多个光束中的每个光束的外部焦点之间的间隔，所述聚光组件被配置为使所述多个光束中的每个所述光束朝着系统孔重叠，该系统孔被设置在所述聚光组件与所述多个光束从所述探头出射的位置之间；
检测器，该检测器具有传感元件阵列，所述传感元件阵列被配置为测量从所述亮斑返回的多个光束中的每个光束的特性；以及
处理器，该处理器结合到所述检测器，并且被配置为基于从所述亮斑返回的所述多个光束中的每个所述光束的测得的特性，生成表示所述结构的形貌的数据。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述特性包括强度。
22.根据权利要求20所述的装置，还包括设置在所述系统孔与所述外部焦点之间的光路上的远心透镜。
23.根据权利要求20所述的装置，其中，所述发散透镜被设置在所述汇聚透镜与所述系统孔之间。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述汇聚透镜与所述发散透镜之间的间隔变化引起所述外部焦点与所述探头之间的间隔变化，所述外部焦点与所述探头之间的所述间隔变化为所述汇聚透镜与所述发散透镜之间的所述间隔变化的至少2倍的间隔变化。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述汇聚透镜与所述发散透镜之间的间隔变化引起所述外部焦点与所述探头之间的间隔变化，所述外部焦点与所述探头之间的所述间隔变化为所述汇聚透镜与所述发散透镜之间的所述间隔变化的至少4倍的间隔变化。
26.一种确定三维结构的表面形貌的方法，该方法包括：
产生沿着光路传播的多个光束，以在所述结构上形成亮斑，所述光路经过汇聚透镜、发散透镜和具有插入到患者的口腔内的尺寸的探头，所述发散透镜设置在所述汇聚透镜与所述多个光束从所述探头出射的位置之间；
改变所述汇聚透镜与所述发散透镜之间的间隔，以改变所述探头与所述多个光束中的每个光束的各自的外部焦点之间的间隔；
测量从所述亮斑返回的多个光束中的每个光束的特性；以及
基于测得的所述特性生成表示所述结构的形貌的数据。
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