CN106796106A - 彩色共焦系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于确定三维结构的表面形貌的系统。该系统能够包括照明单元，该照明单元被配置为输出分别包括多个波长的光束的二维阵列。光学组件能够将各光束的多个波长聚焦到多个焦距，从而遍及二维视野地同时照明该结构。检测器和处理器用于基于测得的从所述结构反射的光的特性而生成表示所述三维结构的表面形貌的数据。

Description

彩色共焦系统
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，已经开发并且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，能够使用测量到的牙齿的表面形貌以设计和制造义齿并且/或者确定正畸治疗方案来矫正咬合不正。
一种用于光学测量表面形貌的技术采用了激光三角测量法，以测量牙齿的表面与插入到患者的口腔中的光程探头之间的距离。然而，经由激光三角测量法所测量的表面形貌可能由于，例如从牙齿表面的次优的反射率而不如期望的精确。
在西门子股份有限公司(Siemens GmbH)或西诺德牙科设备有限公司(SironaDental Systems)市售的CEREC-1和CEREC-2系统中实施的用于光学测量表面形貌的其他技术分别使用了光切法和移相法。这两个系统都采用了专门设计的手持探头，以测量拟定的牙齿的三维坐标。然而这两种方法均要求将特定的被覆物(即，分别为测量粉末和白色颜料悬浊液)沉积在牙齿上。被覆层的厚度应当满足特定的、难以控制的要求，这导致测量数据不精确。
在另一种技术中，基于探头对牙齿表面的物理扫描、并且例如通过光学或其他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.5372502公开了一种用于三维测绘的光学探头。各种图案均被投射到要测量的一个或多个牙齿上，并且利用光学探头捕获到对应的多个扭曲的图案。各被捕获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系统和方法。在多个实施例中，用于光学确定表面形貌的系统包括光学组件，该光学组件被配置为将分别包括多个波长的二维阵列光束相对于光学系统聚焦至多个焦距。本文描述的系统和方法提供了无需使用轴向扫描机构(例如，用于在入射光的主光线的传播方向上扫描的机构)的情况下的三维结构的彩色共焦扫描，从而能够获得更小且更快的扫描光学器件。本文描述的系统和方法还能够用于提供在不使用横向扫描机构的情况下的三维结构的彩色共焦扫描，从而能够进一步获得更小且更快的扫描光学器件。此外，本文描述的实施例允许利用被聚焦到连续频谱的焦距的二维阵列光束进行扫描，从而提供了改进的测量精度、分辨率和深度。
从而，在一个方面中提供了用于确定三维结构的表面形貌的系统。该系统能够包括照明单元、光学组件、检测器和处理器。照明单元能够被配置为输出二维阵列光束，每个光束都包括多个波长。光学组件能够被配置为使得各光束的所述多个波长相对于所述光学组件而聚焦到多个焦距，从而遍及二维视野地同时照明所述结构。检测器能够被配置为对于遍及视野地二维分布的多个位置的各位置测量从所述结构反射的光的特性。处理器能够可操作地与检测器结合，并且被配置为基于测得的从所述结构反射的光的特性，生成表示所述结构的表面形貌的数据。
在另一个方面中，提供了用于确定三维结构的表面形貌的方法。该方法包括生成二维阵列光束，每个所述光束均包括多个波长。使得各光束的所述多个波长能够相对于所述结构而聚焦至多个焦距，从而遍及二维视野地同时照明所述结构。对于遍及视野地二维分布的多个位置的各位置，测量从所述结构反射的光的特性。基于测得的从所述结构反射的光的特性，生成表示所述结构的表面形貌的数据。
通过阅读说明书、权利要求和附图，本发明的其他目的和特征角变得清晰。
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入本文，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指明为通过引用而并入。
附图说明
在所附权利要求中具体阐述本发明的新颖特征。通过参考以下阐述运用了本发明的原理的说明性实施例的详细描述和附图，将获得对本发明的特征和优势效果的更好理解，并且在附图中：
图1A和1B以框图图的方式示意性地图示了根据多个实施例的设备(图1B是图1A的连续)；
图2A是根据多个实施例的探测部件的顶视图；
图2B是通过图2A的线II-II的纵截面图，描绘了由此经过的示例性的光线；
图3图示了根据多个实施例的照明三维结构的光学探头；
图4图示了根据多个实施例的用于确定三维结构的表面形貌的光学系统；
图5图示了根据多个实施例的用于确定三维结构的表面形貌的光学系统的另一个实例；
图6A图示了根据多个实施例的用于测量返回波长的强度的传感器阵列；
图6B图示了根据多个实施例的用于测量返回波长的强度的传感器阵列的另一个实例；并且
图7是根据多个实施例的用于确定三维结构的表面形貌的方法的以框图的形式的示意性图示。
具体实施方式
在多个实施例中，本文描述的用于确定三维结构的表面形貌的系统和方法将分别包括多个波长的光束的二维阵列相对于光学组件而聚焦到多个焦距。能够通过在二维视野中的各点处确定具有最佳聚焦的波长而确定表面形貌。由于多个波长中的每个波长均被聚焦到各自唯一的焦距，所以能够从而推断到各点的距离。能够遍及二维视野而利用光束阵列同时照明正被测量的结构。在多个实施例中，光束的二维阵列将光斑的二维阵列投射到结构上。遍及二维视野，从结构上的各光斑反射的光能够指向到二维检测器上，该二维检测器被构造为处理反射光，以对遍及二维视野而分布的反射光的各位置确定光的表示到正被测量的结构的各距离的特性。相比于要求横向扫描机构(相对于用于照明结构的光的主光线的传播方向而横向扫描光的机构)的现有的方法，本文公开的实施例提供了无需横向扫描机构的光学测量。相比现有方法，用于照明结构的二维光斑阵列的使用可以提供提高的测量深度、精度和分辨率。在多个实施例中，多个焦距覆盖充分的整体距离，使得不要求轴向扫描机构(用于扫描与光学组件相关的多个焦距的机构)。在多个实施例中，光束的波长被聚焦到焦距的连续频谱，相比于现有方法，这可以提供增大的测量精度。
因此，本文描述的光学系统能够比传统系统更小、更紧凑并且更快。
光束的阵列能够用于遍及二维视野地同时照明结构，从而遍及二维视野地产生从结构反射的返回光。对于视野中的各点，能够测量返回的反射光的一个以上的特性，并且对于各点，能够将该一个以上的特性用于确定到结构的距离。适当的特性能够包括返回光束的强度、波长、偏振、相移、干涉和/或色散。本文的与光强度相关的任意说明还能够应用于光的其他适当的特性，并且反之亦然。
例如，在多个实施例中，当波长被聚焦到结构的表面上时，在二维视野中对于特定点的特定返回波长的强度最大化。因此，通过将各光束相对于光学组件而聚焦到多个焦距，从而遍及二维视野地照明结构，对于视野中的各点，能够基于视野的各点中哪个反射波长具有最高的测量强度，确定从发射光的光学组件到结构的相对距离。在多个实施例中，多个焦距覆盖充分的深度，以消除对波长的轴向扫描的需要，以识别对焦距离，从而能够实现完全静态的成像光学器件。通过减少轴向扫描的需求，能够降低光学测量装置的成本、重量和尺寸，并且可以更快进行光学扫描。
本文描述的系统和方法能够用于进行任意适当的三维结构的表面的光学测量。在多个实施例中，进行光学测量以产生表示患者的齿列的三维表面形貌的数据。数据能够用于例如产生能够被显示且操纵的齿列的三维虚拟模型。三维虚拟模型能够用于例如限定患者的齿列的空间关系，该患者的齿列被用于创建用于患者的义齿(例如，齿冠或者齿桥)。表面形貌数据能够被存储和/或传输和/或输出至例如制造装置，该制造装置能够用于例如制造牙科技师用来创建患者的义齿的患者齿列的物理模型。
在一个方面中，提供了用于确定三维结构的表面形貌的系统。该系统能够包含照明单元、光学组件、检测器和处理器。照明单元被构造为输出光束的二维阵列，每个光束都包括多个波长。光学组件能够可操作地连接到照明单元，并且被构造为将各光束的多个波长相对于光学组件而聚焦到多个焦距，从而遍及二维视野地同时照明结构。检测器能够被配置为，对于遍及视野地二维分布的多个位置的各位置，测量从结构反射的光的特性。处理器能够与检测器结合，并且被构造为基于从结构反射的光的测得的特性，产生表示结构的表面形貌的数据。在多个实施例中，特性包括强度。
能够使用任意合适的多个波长。在多个实施例中，光束的二维阵列包括宽波段光束。多个波长能够包括从400nm至800nm的波长。多个波长可以包括至少三个光谱带，并且该至少三个光谱带包括光的重叠的波长。多个波长可以包含波长连续频谱。
光束的二维阵列可以遍及视野地在结构上形成光斑的二维阵列。光斑的二维阵列的间距与光斑尺寸的比率能够被配置为抑制光斑的二维阵列之间的串扰。
在多个实施例中，光学组件被构造为利用具有纵向色差的至少一个光学构件将二维阵列的光束聚焦到多个焦距。多个焦距可以提供测量深度的足够的范围，而不需要光学组件与焦距之间的距离的轴向扫描。例如，多个焦距能够覆盖至少20mm的深度。在多个实施例中，多个焦距覆盖大约30mm的深度。在多个实施例中，多个焦距能够相对于所述光学组件固定。
在多个实施例中，检测器包括遍及表面区域地分布的多个传感器元件，所述多个传感器元件被配置为遍及所述视野地接收从结构反射的光。各传感器元件能够被配置为测量从结构反射的光的至少一个波长的强度。例如，传感器元件能够包括多个红色传感器元件、多个绿色传感器元件和多个蓝色传感器元件。各红色传感器元件被配置为测量红光波长的强度。各绿色传感器元件被配置为测量绿光波长的强度。并且各蓝色传感器元件被配置为测量蓝光波长的强度。在多个实施例中，传感器元件能够以拜耳模式布置。或者，传感器元件能够以修改的拜耳模式布置，或者以任意其他合适的模式布置。
此外，在一些情况下，传感器元件能够被布置为多层。
在多个实施例中，光学组件被配置为在不使用轴向扫描机构的情况下将多个波长聚焦到多个焦距。光学组件能够被配置为，在没有光学组件的部件与所述照明单元的部件的相对移动的情况下，将多个波长相对于光学组件聚焦到多个焦距。光学组件能够将多个波长聚焦到从10mm到30mm的范围内的深度的多个焦距。
在另一个方面中，提供了用于确定三维结构的表面形貌的方法。该方法能够包括产生光束的二维阵列，所述光束包括多个波长。使得各光束的多个波长能够相对于结构而聚焦至多个焦距，从而遍及二维视野地同时照明结构。对于遍及视野地二维分布的多个位置的各位置，能够测量从结构反射的光的特性。基于从结构反射的光的测得的特性，能够生成表示结构的表面形貌的数据。在多个实施例中，测得的特征包括强度。
能够使用任意适当的多个波长。在多个实施例中，光束的二维阵列包括宽频带光束。多个波长能够包括从400nm至800nm的波长。所述多个波长可以包括至少三个光谱带，并且该至少三个光谱带可以包括光的重叠的波长。多个波长可以包含波长连续频谱。
光束的二维阵列可以遍及二维视野地在结构上形成光斑的二维阵列。光斑的二维阵列的间距与光斑尺寸的比率能够被配置为抑制光斑的二维阵列之间的串扰。
在多个实施例中，光学组件被构造为利用具有纵向色差的至少一个光学构件将二维阵列的光束聚焦到多个焦距。多个焦距可以提供测量深度的足够的范围，而不需要光学组件与焦距之间的距离的轴向扫描。例如，多个焦距能够覆盖至少20mm的深度。在多个实施例中，多个焦距覆盖大约30mm的深度。在多个实施例中，多个焦距能够相对于光学组件固定。
在多个实施例中，检测器包括遍及表面区域地分布的多个传感器元件，所述多个传感器元件被配置为遍及视野地接收从结构反射的光。各传感器元件能够被配置为测量从结构反射的光的至少一个波长的强度。例如，传感器元件能够包括多个红色传感器元件、多个绿色传感器元件和多个蓝色传感器元件。各红色传感器元件被配置为测量红光波长的强度。各绿色传感器元件被配置为测量绿光波长的强度。并且各蓝色传感器元件被配置为测量蓝光波长的强度。在多个实施例中，传感器元件能够以拜耳模式布置。或者，传感器元件能够以修改的拜耳模式布置，或者以任意其他适当的模式布置。
此外，在一些情况下，传感器元件能够被布置为多层。
在多个实施例中，在不使用轴向扫描机构的情况下，进行多个波长到多个焦距的聚焦。能够在不存在光学组件的部件与照明单元的部件之间的相对移动的情况下，形成多个波长到多个焦距的聚焦。光学组件能够将多个波长聚焦到从10mm到30mm的范围内的深度的多个焦距。
现在转向附图，其中，在各附图中，相同的标号表示相同的元件，图1A和1B图示了用于光学测量表面形貌的设备20。设备20包括连接到处理器24的光学装置22。图1所示的实施例特别适用于测量患者的牙齿26的表面形貌。例如，设备20能够用于测量患者的牙齿的至少一个牙齿或者牙齿的一部分缺失的这部分的表面形貌，以产生随后在患者的义齿(例如，齿冠或齿桥)的设计和/或制造中使用的表面形貌数据。然而，应当注意的是，本发明不限于测量牙齿的表面形貌，并且加以必要的修改，也适用于物体的三维结构的成像的各种其他应用(例如，用于考古对象的记录，又或者诸如生物组织这样的任意适当的物体的三维结构的成像等)。
在图示的实施例中，光学装置22包括发出光的光源28，如箭头30所表示。在多个实施例中，光源被构造为发出具有多种波长的光，例如宽波段光。例如，光源能够是宽波段光源，例如白光源。光通过偏光器32，该偏光器32使得通过偏光器32的光具有特定的偏振。而后光进入增大光束30的直径的光学扩束器34。而后光束30通过模块38，该模块38能够为，例如将母光束30分为多个光束36的光栅或者微透镜阵列，此处为了易于图示，以单线表示多个光束36。
光学装置22还包括具有小的中心孔径的部分透明镜40。镜40允许来自光源28的光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。应当注意的是，原则上，可以使用具有相似功能的其他光学构件(例如，分束器)而不是部分透明镜。镜40中的孔径提高了设备的测量精度。由于该镜的结构，只要被成像的物体的照明区域不处于相对于特定波长的焦点处，则光束就在该照明区域处产生关于该特定波长的光环。当该特定波长相对于被成像的物体聚焦时，则光环变为关于该特定波长的锐聚照明光斑。因此，在聚焦与不聚焦时测得的特定波长的强度之间的差异较大。与分束器相反，这种镜的另一种优势在于：避免了分束器内产生的内反射，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，以及中继光学器件44，和内窥镜探头部件46。在多个实施例中，共焦光学器件42被构造为避免距离引起的放大率改变，并且在Z方向上(Z方向是光束传播的方向)的宽范围的距离内维持图像的相同的放大率。共焦光学器件42能够包括光学组件，该光学组件被配置为沿着Z方向将光聚焦至多个焦距，如下文将详细描述的。在多个实施例中，中继光学器件44被构造为维持光束的传播的特定的数值孔径。
内窥镜探头部件46能够包括透光介质，该透光介质能够是其内界定了光传输路径的中空的物体，或者是由透光材料制成的物体(例如，玻璃体或者管)。透光介质可以是刚性的或者柔性的(例如，纤维光学器件)。在多个实施例中，内窥镜探头部件46包括这种镜：其确保全内反射，并且使入射光束指向患者的牙齿26。内窥镜46从而发出撞击在患者的牙齿26的表面上的多个入射光束48。
入射光束48形成了在关于笛卡尔坐标系50布置在X-Y平面上并且沿着Z轴传播的光束阵列。在多个实施例中，各入射光束48包括相对于内窥镜探头部件46而聚焦到多个焦距的多个波长。当入射光束48入射在不平坦表面上时，得到的照明点52沿着Z轴在不同的位置(Xi,Yi)处彼此移位。从而，虽然在一个位置处的照明点52的特定波长可以聚焦，但是在其他位置处的照明点52的相同波长可能不聚焦。另外，虽然照明点52的一个波长可以聚焦，但是相同的照明点52的其他波长可能不聚焦。因此，与聚焦的入射波长相对应的返回波长将具有最高的光强，而与不聚焦的入射波长相对应的返回波长将具有较低的光强。从而，对于各照明点，能够对跨越不同的固定焦距的多个不同的波长进行光强的测量。能够通过确认与具有最大测量光强的返回波长相对应的焦距，来确定内窥镜46与照明点52之间的相对Z距离。
从各照明点52反射的光包括最初在Z轴上在与入射光束行进的光路的相反方向上行进的光束。各返回光束54对应于入射光束36中的一个光束。考虑到镜40的不对称性，返回光束54被反射到检测组件60的方向上。检测组件60包括偏光器62，该偏光器62具有与偏光器32的偏振面垂直定向的优选的偏振面。返回的偏振光束54通过成像光学器件64，该成像光学器件64通常为一个透镜或多个透镜，并且该返回的偏振光束54而后通过针孔阵列66。各返回光束54至少部分地通过针孔阵列66的各针孔。传感器阵列68(例如，电荷耦合器件(CCD)传感器阵列)包括感测元件的矩阵。在多个实施例中，每个感测元件分别表征图像的像素，并且每个感测元件分别对应于针孔阵列66中的一个针孔。传感器阵列68能够被构造为检测返回光束54的多个波长中的每个波长的强度，如下文进一步描述的。
传感器阵列68连接到处理器单元24的图像捕获模块80。利用处理器24以下面描述的方式分析由传感器阵列68的各感测元件所测量的光强度。虽然图1A和1B将光学装置22描述为测量光强度，但是装置22还能够配置为测量其他适当的特征(例如，波长、偏振、相移、干涉、色散)，如本文之前所描述的。
光学装置22包括控制模块70，该控制模块70控制光源28的操作。在从各感测元件获取表示光强度的数据期间，控制模块70使图像捕获模块80的操作与光源28的操作同步。
利用处理器24经处理软件82处理强度数据，以确定在光的波长的全部范围内每个像素的相对强度(例如，使用适当的颜色分析算法)。如上所述，当光斑的波长聚焦在被测量的三维结构上时，测得的相应的返回光束的波长的强度将是最大的。从而，通过对每个像素都确定与最大的光强度相对应的波长，则能够确定每个光束的沿着Z轴的相对聚焦焦距。从而，得到代表牙齿的外表面的三维形貌的数据。得到的三维表示能够被显示在显示器84上，并且利用用户控制模块85(例如，利用计算机键盘、鼠标、控制杆或者触摸屏)操纵用以观看(例如，从不同的角度观看，放大或缩小)。另外，表示表面形貌的数据能够通过诸如调制解调器88这样的适当的数据端口或者任意适当的通信网络(例如，电话网络)，被传输到接收器(例如，到异地的CAD/CAM设备)。
通过以这种方式捕获从结构周围的两个或多个角度位置(例如，在从颊侧方向、舌侧方向和/或牙齿上方的任意角度测量牙齿区段)测量的探头与该结构之间的相对距离数据，能够生成结构的精确的三维表示。三维数据和/或得到的三维表示能够用于在计算机环境下创建三维结构的虚拟模型，并且/或者以任意适当的方式(例如，经由计算机控制的铣床、诸如立体光刻设备这样的快速成型设备)制造物理模型。
如上文已经指出的，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。得到的三维表面形貌数据能够例如用于要配合到该区段的齿冠或者任意其他假体的设计以及后续的制造。
现在参考图2A和2B，图示了根据多个实施例的探测部件90。探测部件90能够由透光材料(例如，玻璃、水晶、塑料等)制成，并且包括以光学投射的方式在93处紧密地粘合在一起的远端段91和近端段92。倾斜面94由反射镜层95覆盖。定义感测表面97的透明盘部96(例如，由玻璃、水晶、塑料或者任意其他适当的透明材料制成)沿着光路远离反射镜层95设置，从而在透明盘部96与远端段91之间留存空气间隙98。透明盘部96被保持结构(未示出)适当地固定。示意性地呈现了三条光线99。如能够见到的，光线99以探测部件90的壁部全反射的角度从该壁部反射，从反射镜层95反射，而后透过感测表面97传播。光线99的第一波长在焦平面100上聚焦。
图3图示了根据多个实施例的照明三维结构202的光学探头200。探头200能够利用多个光束204遍及二维视野地照明结构202，该多个光束204分别相对于探头200聚焦到多个焦距。光束204可以分别包括多个波长。例如，分别经由代表波长(第一波长206、第二波长208和第三波长210)而图示光束204。代表波长可以分别相对于探头200具有各自固定的焦距，并且因此聚焦到各自的固定焦距212、214和216。因此，在结构202上的点218处，第三波长210聚焦，而第一波长206和第二波长208不聚焦。相似地，在点220处，第一波长206聚焦，而在点222处，第二波长208聚焦。从而能够分别基于第三波长、第一波长和第二波长的固定焦距，来确定光学探头200与点218、220和222之间的相对距离。
光学探头200能够与产生光的多个波长的任意适当的装置协同，如本文描述的实施例。例如，光学装置22的光源28能够用于生成包括具有波长206、208和210的多个波长的光。为了提供光束的二维阵列，光可以通过光栅或者微透镜阵列38或者其他适当的光学器件。光束的二维阵列能够被投射到结构202上，从而形成光斑的二维阵列，如下文所述。
各光束的多个波长可以包括多个离散的波长、连续频谱的波长或者它们的适当组合。在多个实施例中，多个波长可以包括从400nm至800nm的波长。波长可以包括诸如至少三个光谱带的多个光谱带。光谱带可以包括光的重叠的波长。作为代替或者组合，光谱带可以包括不互相重叠的光的波长。例如，波长能够包括红光波长(例如，大约640nm与大约660nm之间的波长)、绿光波长(例如大约500nm与520nm之间的波长)以及蓝光波长(例如，大约465nm与485nm之间的波长)。在多个实施例中，多个波长可以包括具有连续分布的波长的光谱，诸如横跨可见光谱的至少一部分的波长分布。光的多个波长能够相对于光学探头200而被聚焦到覆盖适当的深度或者深度范围的多个焦距，诸如至少大约5mm、10mm、20mm、30mm、40mm、50mm或以上的深度。深度能够处于以下的任意两者之间的范围内：5mm、10mm、20mm、30mm、40mm、50mm。在多个实施例中，波长能够沿着固定的焦距的连续范围而被聚焦，使得焦距差异无穷小。波长能够被聚焦到相应的焦距，而不要求任意光学构件的移动，如下面将更详细描述的。
图4图示了根据多个实施例的用于确定三维结构的表面形貌的光学系统300。光学系统300能够与任意适当的光学测量系统或装置组合，诸如本文描述的实施例。在光学系统300中，从光源304发出光束302(例如，宽频带光束)的二维阵列。光束302的每个光束能够包括多个波长，并且能够利用成像光学器件306而被聚焦到相应的多个焦距。光束302的阵列能够同时照明三维结构308。从结构308所反射的光束能够通过成像光学器件306传回，并且能够利用分束器(未示出)而被转向至用于测量不同的波长的强度(或其他特性)的传感器阵列310。强度数据被传输到控制及处理单元312，用以基于返回波长的测得的强度而确定表面形貌。
在多个实施例中，光源304产生多个光束302。能够利用微透镜阵列、光栅或者能够产生二维阵列的其他装置来产生多个光束。光源304能够是多色的或者宽波段光源，使得多个光束的每个光束都包括多个不同的波长，诸如在可见波长光谱上的连续分布的波长。例如，光源304能够包括白光源。作为替代或者组合，光源304能够包括多个不同的单色光源，诸如红光源、绿光源以及蓝光源。
成像光学器件306能够包括光学组件，该光学组件被配置为使各光束302均相对于光学系统300或者光学系统300的部件(例如，诸如探测部件90这样的手持探头)而被聚焦到多个焦距。例如，在图4所描绘的实施例中，光束302的代表波长被聚焦到各自的代表焦平面314、316和318。在多个实施例中，光束302包括遍及连续频谱或者固定焦距范围而聚焦的连续频谱的波长。在多个实施例中，光的多个波长被聚焦到多个焦距，而不使用可移动的光学构件(例如，使用静态聚焦光学器件)。能够使用任意适当的光学器件或者光学器件的组合来聚焦波长。例如，光学组件能够包括具有适当量的纵向色差的光学构件(例如，透镜)。
在多个实施例中，光学系统300能够用于利用光束的二维阵列照明结构308，从而遍及二维视野地在结构上形成光斑的二维阵列，各光斑具有聚焦到对应的多个焦距的多个波长。光斑的二维阵列的几何结构和排列(例如，光斑尺寸或者直径、相邻的光斑之间的间距或距离、光斑强度等)能够被配置为减弱光学系统300的噪声并且提高光学系统300的测量精度。例如，二维光斑阵列的间距与光斑尺寸的比率能够被选择为使二维阵列的光斑之间的串扰最小化，或者抑制串扰。使用光斑的二维阵列能够在横向于波长的传播方向的区域内提供对结构308的覆盖，与此同时，多个波长聚焦到多个焦距能够提供遍及沿着波长的传播方向的距离的覆盖。因此，能够独立于分别用于沿着轴向或者横向扫描波长的任意轴向扫描机构或者横向扫描机构之外地确定结构的三维表面形貌数据。例如，波长能够被聚焦到适当的焦距，而不相对于光源304的任意构件移动成像光学器件306的任何构件。因此，成像光学器件306能够是整体静态的，而不包含任何可移动的构件。
图5图示了根据多个实施例的光学系统400的另一个实例。与光学系统300相似，光学系统400包括光源402、成像光学器件404、传感器阵列406以及控制与处理单元408。然而，光学系统400提供了结构412的均匀照明或者泛光照明。泛光照明可以具有多个波长，诸如宽波段的波长。例如，光源402能够是同于提供均匀的宽波段照明的区域光源。作为替代或者组合，光学系统400能够包括前端光源410，该前端光源410提供具有多个波长的照明。前端光源410能够定位在光学系统400的前端处，在位于成像光学器件404的远端位置处、结构412附近。虽然前端光源410在图5中被描绘为设置在成像光学器件404附近的两个分离的光源，但是能够使用前端光源410的任意适当的构造。例如，前端光源410能够是单个光源或者多个光源。前端光源410能够以任意适当的几何结构布置，诸如被设置在成像光学器件404的周围的光源的环。在多个实施例中，一个以上的光源402和前端光源410提供具有多个不同波长的光(如本文所述，例如，经由多色光源或者多个单色光源)，从而提供结构412的宽波段的泛光照明。不同波长的每个波长均能够相对于光学系统400被聚焦到的各自不同的固定焦距。因此，返回的反射光能够被成像光学器件404引导为入射到传感器阵列406上，该传感器阵列406测量多波长的光的相对强度。作为替代或者组合，当前端光源410是宽波段或者多色光源时，由前端光源410提供的照明能够不被聚焦，使得以相对于光学系统400在所有位置处利用所有波长等同地照明结构412。在这样的实施例中，适当的会聚光学器件(例如，包括在成像光学器件404中的彩色会聚光学器件)能够用于将返回光束聚焦至入射在传感器阵列406上的不同的固定焦距，该传感器阵列406测量返回光束强度。传感器阵列406能够可操作地连接到处理单元408，该处理单元408处理测得的强度，以确定结构412的表面形貌，如本文所述。有利地，系统400的均匀照明光学器件相比于其他类型的照明光学器件能够更简单。此外，与本文描述的其他光学系统相似，系统400能够独立于轴向扫描机构或者横向扫描机构地提供结构412的轴向或者横向覆盖，从而使得成像光学器件404能够在不使用用于聚焦和扫描光的波长的任意可移动光学器件的情况下运行。
图6A图示了根据多个实施例的传感器阵列500。传感器阵列500(例如，颜色检测器)能够与本文描述的任意光学测量系统和装置组合。传感器阵列500包括布置在二维平面中的多个传感器元件502(例如，像素传感器)。在多个实施例中，传感器阵列500包括多个不同类型的传感器元件502，并且每种类型都被配置为测量光的波长组分的强度。例如，传感器阵列500能够包括：红色传感器元件，其被配置为测量红光波长的强度；绿色传感器元件，其被配置为测量绿光波长的强度；以及蓝色传感器，其被配置为测量蓝光波长的强度。还能够使用被配置为测量除了红色、绿色或蓝色之外的波长的其他类型的传感器元件。传感器阵列500能够包括用于测量任意适当数量的不同波长的任意适当数量的不同类型的传感器元件。在多个实施例中，由传感器元件502所检测到的波长与利用适当的光学组件而被聚焦到不同的固定焦距的波长相对应，如本文所述。
传感器阵列500能够包括任意适当数量的传感器元件502。例如，在传感器阵列500中存在的红色传感器元件、绿色传感器元件和蓝色传感器元件的数量可以是相等的。相反，一个以上类型的传感器元件可以比一个以上其他类型的传感器元件多。不同类型的传感器元件能够以任意合适的模式布置，例如拜耳模式或者修改的拜耳模式。适用于本文描述的传感器阵列的其他传感器阵列模式包括RGBE模式、CYYM模式、CYGM模式、RGBW拜耳模式、RGBW#1模式、RGBW#2模式、RGBW#3模式等。传感器阵列500的最小图像元素能够包括任意适当数量的传感器元件。例如，如图6A所示，最小图像元素能够包括九个传感器元件或者十六个传感器元件。在多个实施例中，最小图像元素包括各传感器元件类型的至少一个，使得来自最小图像元素的强度数据包括来自所有的波长的强度数据。在多个实施例中，光学组件被配置为使得各返回的反射光束被引导为入射在传感器阵列500的最小图像元素的各图像元素上。
图6B图示了根据多个实施例的传感器阵列510的另一个实例。传感器阵列510能够与本文描述的任意光学测量系统和装置组合。传感器阵列包括以多层布置的多个传感器元件512，所述多层诸如第一层514、第二层516和第三层518。能够从至少透过一些波长的光的任意适当的材料(例如，硅)制造层514、516和518。光在层514、516和518中的透过深度能够取决于光的波长。例如，红色波长能够具有比绿色波长大的透过深度，而绿色波长能够具有比蓝色波长大的透过深度。
传感器元件512能够包括多个不同类型的传感器元件，各类型的传感器元件均被配置为测量光的不同波长的强度，如前文所描述的。在多个实施例中，层514、516和518分别包括单一类型的传感器元件。例如，第一层514能够仅包括蓝色传感器元件，第二层516能够仅包括绿色传感器元件，并且第三层518能够仅包括红色传感器元件。或者，一些层能够包括多于一种类型的传感器元件。传感器元件类型在不同层中的定位能够基于对应的测量的波长的透入深度。在多个实施例中，与具有较大的透入深度的波长相对应的传感器元件被定位为离入射光更远，并且与具有较小的透入深度的波长相对应的传感器元件被定位为更靠近入射光。在多个实施例中，传感器阵列510的最小图像元素包括来自各层的单个传感器，传感器被定位为竖向地彼此相邻。因此，传感器阵列510的最小图像元素的尺寸(例如，水平表面面积)能够与单个传感器元件的尺寸(例如，水平表面面积)相同。
图7是根据多个实施例的用于确定三维结构的表面形貌的方法600的方框图的形式的示意性图示。任意适当的装置或系统能够用于实施方法600，诸如本文描述的实施例。
在步骤610中，产生光束的二维阵列。能够利用适当的照明单元和光学器件(例如，微透镜阵列)生成阵列，如本文中之前所描述的。各光束能够包括多个波长。多个波长能够是离散波长或者连续频谱的波长。
在步骤620中，各光束的多个波长相对于结构被聚焦到多个焦距，从而遍及二维视野地照明该结构。光束的二维阵列可以被投射到结构上，从而形成光斑的二维阵列。能够利用适当的光学组件或者其他成像光学器件而聚焦各光束的多个波长，如本文他处所描述的。多个焦距可以是多个离散的焦距或者连续频谱的焦距。在多个实施例中，在不使用可移动光学构件的情况下进行聚焦，从而不需要轴向扫描机构或者聚焦光学器件相对于照明源的移动，如本文之前所述。此外，能够利用区域照明或者光束的阵列来照明结构，使得不需要可移动光学构件来轴向或横向扫描波长。
在步骤630中，对于视野之内的二维分布的多个位置的每个位置，均测量从结构反射的光的特性。反射光可以包括与入射光的波长相对应的多个波长。在多个实施例中，特性为强度，然而还能够使用其他特性，如本文他处所述。能够使用适当的传感器阵列或者颜色检测器来测量强度，如本文之前所述。在多个实施例中，传感器是二维传感器或者区域传感器。例如，传感器能够是拜耳模式的颜色检测器、多层颜色检测器(例如，FOVEON X3@传感器)，或者具有适当的传感器阵列模式的任意其他的颜色检测器，如本文之前所述。
在步骤640中，基于从结构反射的光的测得的特性，产生表示三维结构的表面形貌的数据。例如，在多个实施例中，具有最高的测得强度的返回波长与聚焦在结构的表面上的入射波长相对应。因此，入射波长的固定焦距能够用于确定结构上的点的相对高度。通过确定从结构上的多个位置返回的光的强度，能够重建整体的三维表面形貌。
虽然以上步骤示出了根据多个实施例的确定表面形貌的方法600，但是本领域的普通技术人员将基于本文描述的启示而发现多种变形。一些步骤可以包括子步骤。可以适当地重复多个步骤。可以利用任意适当的系统，诸如本文描述的实施例，来进行方法600的一个以上的步骤。一些步骤可以是选择性的。例如，步骤620可以是选择性的，使得可以在照明结构之前不聚焦光，如前文关于提供前端均匀照明的实施例所描述的。
虽然已经在本文示出并且描述了本发明的优选实施例，但是对本领域的技术人员明显的是仅以实例的方式提供这样的实施例。在不背离本发明的情况下，本领域的技术人员将发现多种变形、改变和替代。应当理解为在实施本发明时可以采用对本文描述的发明的实施例的各种替代。以下权利要求意在限定本发明的范围，并且由此涵盖这些权利要求和它们的等同物的范围内的方法和结构。

Claims (28)

1.一种用于确定三维结构的表面形貌的系统，该系统包括：
照明单元，该照明单元被配置为输出二维阵列光束，每个光束均包括多个波长；
光学组件，该光学组件操作性地连接到所述照明单元，并且被配置为使得各所述光束的所述多个波长相对于所述光学组件而聚焦到多个焦距，从而遍及二维视野地同时照明所述结构；
检测器，该检测器被配置为对于遍及视野地二维分布的多个位置的各位置测量从所述结构反射的光的特性；以及
处理器，该处理器与检测器连接，并且被配置为基于测得的从所述结构反射的光的特性，生成表示所述结构的表面形貌的数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述特性包括强度。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个波长包括从400nm至800nm的波长。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个波长包括至少三个光谱带，并且其中，所述至少三个光谱带包括光的重叠的波长。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个波长包括连续频谱的波长。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述二维阵列光束遍及视野地在所述结构上形成二维阵列光斑，并且其中，所述二维阵列光斑的间距与光斑尺寸的比率被配置为抑制所述二维阵列光斑之间的串扰。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个焦距相对于所述光学组件是固定的。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学组件被配置为利用具有纵向色差的至少一个光学构件将所述二维阵列光束聚焦到所述多个焦距。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个焦距覆盖至少20mm的深度。
10.根据权利要求2所述的系统，其中，所述检测器包括遍及表面区域地分布的多个传感器元件，所述多个传感器元件被配置为遍及所述视野地接收从所述结构反射的光。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，各传感器元件被配置为测量从所述结构反射的光的至少一个波长的强度。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述传感器元件包括多个红色传感器元件、多个绿色传感器元件和多个蓝色传感器元件，每个所述红色传感器元件均被配置为测量红光波长的强度，每个所述绿色传感器均被配置为测量绿光波长的强度，并且每个蓝色传感器元件均被配置为测量蓝光波长的强度。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述传感器元件以拜耳模式布置或者布置为多层。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学组件被配置为使所述多个波长相对于所述光学组件被聚焦至从10mm到30mm的范围内的深度的多个焦距，而不需要所述光学组件的构件与所述照明单元的构件的相对移动。
15.一种确定三维结构的表面形貌的方法，所述方法包括：
生成二维阵列光束，每个光束均包括多个波长；
使得各光束的所述多个波长相对于所述结构聚焦至多个焦距，从而遍及二维视野地同时照明所述结构；
对于遍及视野地二维分布的多个位置的各位置，测量从所述结构反射的光的特性；以及
基于测得的从所述结构反射的光的特性，生成表示所述结构的表面形貌的数据。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述特性包括强度。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个波长包括从400nm至800nm的波长。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个波长包括至少三个光谱带，并且其中，所述至少三个光谱带包括光的重叠的波长。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个波长包括连续频谱的波长。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述二维阵列光束遍及视野地在所述结构上形成二维阵列光斑，并且其中，所述二维阵列光斑的间距与光斑尺寸的比率被选择为抑制所述二维阵列光斑之间的串扰。
21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个焦距相对于发射所述光的光学组件是固定的。
22.根据权利要求15所述的方法，其中，利用具有纵向色差的至少一个光学构件而将所述二维阵列光束聚焦到所述多个焦距。
23.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个焦距覆盖至少20mm的深度。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，利用检测器测量从所述结构反射的光的所述强度，所述检测器包括遍及表面区域地分布的多个传感器元件，所述多个传感器元件被配置为遍及所述视野地接收从所述结构反射的光。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，各传感器元件被配置为测量从所述结构反射的光的至少一个波长的强度。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述传感器元件包括多个红色传感器元件、多个绿色传感器元件和多个蓝色传感器元件，每个所述红色传感器元件均被配置为测量红光波长的强度，每个所述绿色传感器均被配置为测量绿光波长的强度，并且每个蓝色传感器元件均被配置为测量蓝光波长的强度。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述传感器元件以拜耳模式布置或者布置为多层。
28.根据权利要求15所述的方法，其中，进行将所述多个波长聚焦至从10mm至30mm的范围内的深度的所述多个焦距，而不需要光学组件的构件与照明单元的构件的相对移动。
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