基于结构光的口腔牙齿3D扫描重建系统设计方案

基于结构光的口腔牙齿3D扫描重建系统
方案设计报告
目录
1：前言 (3)
2：系统基本组成及整体初步设计 (4)
3：系统组件初步设计 (5)
3.1 照明投影系统设计 (5)
3.1.1 偏振光的产生 (6)
3.1.2 光的匀化 (7)
3.1.3 投影系统设计 (8)
3.2 成像系统设计 (11)
4：建议及总结 (13)
1：前言
编码结构光法是一种典型的主动式光学三维重构方法，基本思想是利用结构光投影的几何信息来求得物体表面的三维信息。

为了区分出投影在物体表面上的每一条纹的序数，对条纹进行编码，依次将编码条纹投射到物体表面，在物体上形成图案并由摄像机摄取，然后根据三角法和设备结构参数进行计算，得到物体表面的三维坐标值。

如图1 所示，物点、投影仪、摄像机在空间成三角关系，若投影仪、摄像机位置和方向都已知，则将同一编码条纹在投影光线中的位置和在图像中的位置代入空间三角关系，即可解算出物点的深度。

图1 编码结构光三维测量原理图
本方案的牙齿三维扫描便采用结构光探测技术，基本原理采用LCOS产生结构光，通过投影系统类似投影仪的原理，将经过编码的照明信息投射到牙齿表面，采用双目相机对该结构光信息进行采集、识别和解算。

2：系统基本组成及整体初步设计
图2 整体设计方案三维立体图
如上图所示，西安深度智能科技有限公司的系统主要有照明系统、投影系统、测量系统组成，为了实现系统的紧凑化设计，系统光路中增加了多路反射镜进行光路折转以压缩系统结构尺寸。

目前该外形为简略设计，后期还需要匹配电路，探测器进行整体结构设计优化。

3：系统组件初步设计
西安深度智能科技有限公司的方案主要有照明系统、投影系统、测量系统组成，本方案对几部分分别进行设计论述。

3.1 照明投影系统设计
图3 投影照明系统结构设计图
照明投影系统由照明系统和投影系统组成，其中照明系统为LCOS 提供照度均匀的偏振光，投影系统负责将LCOS产生的结构光投射到被测物体上面。

照明系统由光源与聚光器组成，对照明系统存在几个简单要求1：保证足够的光能。

2：有足够的照明范围，照明均匀。

3：照明光束应该充满物镜的入瞳。

4：尽量减少杂光进入物镜，以保证像面的对比度。

5：合理安排布局，避免光源高温的有害影响。

6：提供照度均匀的偏振光。

光源采用455nm的LED光源，针对牙齿表面来讲，455nm光具有更好的反射率，可以很好提供观测系统的信噪比和分辨率。

照明系统采用临界照明方式，将光源的像直接成像在LCOS附近，其由聚光系统、匀光系统（保证光强均匀）、偏振光产生系统组成。

图4 聚光系统设计图
微型投影机照明系统,采用LED作为投影光源,利用微透镜阵列的方式实现匀光;由于系统采用LCOS作为微显示面板,所以系统中需要通过偏振片将非偏振光转化为偏振光,满足LCOS的正常工作,将含有信息的光经反射后射入投影物镜后,进行放大成像在屏幕上。

3.1.1 偏振光的产生
由于LCOS照明需要偏振光，偏振光的产生通常采用PBS分光棱镜产生或者偏振片产生，如下图所示，
图5 PBS偏振分光棱镜
图6 偏振片
考虑到成本和体积的要求，该处采用偏振片产生偏振照明光。

偏振片可以直接批量采购。

3.1.2 光的匀化
光的均化常规采用积分棒或者微透镜阵列板，考虑到体积和结构简单的要求，此处采用微透镜阵列板进行光的匀化。

该器件为成品器件，可以直接采购。

具体原理图如下图所示。

图7 匀光系统3.1.3 投影系统设计
投影系统的详细设计结果如下：
图8 投影系统外观设计图
投影系统.zmx Configuration 1 of 1
Layout 1
2017/9/6
Total Axial Length: 299.83194 mm
图 9 投影系统全视场MTF 分布曲线
图 9 投影系统全视场相对畸变分布曲线
020406080100120140160180200
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.80.9
1.0
Spatial Frequency in cycles per mm
TS Diff. Limit TS 0.00 mm TS 5.50 mm
TS 12.50 mm
投影系统.zmx
Configuration 1 of 1M o d u l u s o f t h e O T F
Polychromatic Diffraction MTF
U.S.Patent 5666228; Example 1 of 72017/9/6Data for 0.4500 to 0.4600 µm.Surface: Image
-5.00E-003-0.050.00E+0000.00 5.00E-003
0.05Millimeters
Percent +Y +Y
Field Curvature
Distortion T S T S T S 投影系统.zmx
Configuration 1 of 1Field Curvature / F-Tan(Theta) Distortion
12017/9/6Maximum Field is 12.500 Millimeters.Wavelengths: 0.455 0.450 0.460
图 10 投影系统全视场弥散斑分布图
表1 投影系统主要设计指标
项目
文章设计指标 本方案设计指标 备注 MTF （150lp/mm ）
＞30% ＞30%衍射极限 NA
0.06 0.06 放大率
-2.1 -2.1 相对畸变
＜0.005% ＜0.004% 还有提高空间
由以上设计结果可以看出，该系统设计已经达到衍射极限，是一
个非常完美的系统。

畸变已经设计的非常小，后期软件算法不需要在进行图像畸变校正。

提高了系统速度和简化了系统算法。

在这里需要提醒的是投影图案水平方向上的分辨率不可能无限
制扩大,必须受到投影仪分辨率的影响，比如投影仪分辨率为800x600,当投影图案分辨率为800X600时,投影仪达到最佳投影，而当投影图案分辨率为1024X768时，投影仪必须依靠插值来投影,所以在扫描时,投影仪的分辨率应该和摄像头的分辨率尽量保持一定的比例关系，单纯提高投影仪或者摄像头的分辨率只能提高扫描仪的某一个方向上
Surface: IMA 20.00
OBJ: 0.00 mm IMA: 0.000 mm OBJ: 5.50 mm IMA: -0.714 mm
OBJ: 12.50 mm
IMA: -1.623 mm OBJ: -5.50 mm
IMA: 0.714 mm
OBJ: -12.50 mm
IMA: 1.623 mm
0.4550 0.4500 0.4600
成像系统.zmx
Configuration 1 of 1Spot Diagram
2017/9/6 Units are µm.Airy Radius: 5.22 µm Field : 1 2 3 4 5RMS radius : 0.487 0.341 0.489 0.341 0.489GEO radius : 0.630 0.610 1.267 0.610 1.267Scale bar : 20Reference : Chief Ray
的采集密度"。

3.2 成像系统设计
图11 成像系统外观设计图
成像系统.zmx Configuration 1 of 1
Layout 2017/9/6
Total Axial Length: 253.50895 mm
图 12 成像系统相对畸变分图
图 13 成像系统MTF 设计曲线
-2.00E-003-20.000.00E+0000.00 2.00E-003
20.00µm Percent
+Y
+Y
Field Curvature
Distortion
S T S T S
成像系统.zmx
Configuration 1 of 1
Field Curvature / F-Tan(Theta) Distortion
2017/9/6
Maximum Field is 12.500 Millimeters.
Wavelengths:
0.455 0.450 0.460020406080100120140160180200
0.0
0.10.20.30.40.50.60.70.8
0.91.0Spatial Frequency in cycles per mm
TS Diff. Limit TS 0.00 mm TS 5.50 mm
TS 12.50 mm TS -5.50 mm TS -12.50 mm
成像系统.zmx
Configuration 1 of 1
M o d u l u s o f t h e O T F
Polychromatic Diffraction MTF
U.S.Patent 5666228; Example 1 of 72017/9/6
Data for 0.4500 to 0.4600 µm.Surface: Image
图 14 成像系统弥散斑分布图 表2 成像系统主要设计指标
项目
文章设计指标
本方案设计指标 备注 MTF （150lp/mm ）
＞30% ＞25%衍射极限
NA
0.053 0.053
放大率 -7.7 -7.7
相对畸变 ＜0.01%
＜0.001%
低于文章系统指标
10倍
由以上设计结果可以看出，该系统设计已经达到衍射极限，是一个非常完美的系统。

畸变已经设计的非常小，后期软件算法不需要在进行图像畸变校正。

提高了系统速度和简化了系统算法。

4：建议和总结
重建算法可以参考我们发表的文献，里面有非常详细的算法可以借鉴参考，就本项目来说，算法不是很难的问题，主要是光学系统的
Surface: IMA
20.00
OBJ: 0.00 mm IMA: 0.000 mm
OBJ: 5.50 mm
IMA: -0.714 mm
OBJ: 12.50 mm
IMA: -1.623 mm
OBJ: -5.50 mm
IMA: 0.714 mm
OBJ: -12.50 mm
IMA: 1.623 mm
0.4550 0.4500 0.4600
成像系统.zmx
Configuration 1 of 1
Spot Diagram
2017/9/6 Units are µm.Airy Radius: 5.22 µm Field : 1 2 3 4 5RMS radius : 0.487 0.341 0.489 0.341 0.489GEO radius : 0.630 0.610 1.267 0.610 1.267Scale bar : 20Reference : Chief Ray
优化和结构的优化。

需要说明的是，以上设计为初步设计，但是基本设计指标和外观尺寸均可以满足使用要求，但是需要进行后期详细的空间设计和工艺美观设计。