(57)【要約】口腔内イメージングのための装置が、対象物に光を向ける照射源を有する。イメージング装置は対象物からの反射光からイメージをイメージセンサアレイに形成し、このイメージング装置は光軸に沿って光学絞りを有する。位相変調器が光学絞りに又はその近くに配置される。イメージプロセッサは、イメージセンサアレイからのデータをコンディショニングして、対象物からの処理されたイメージデータを提供する。
2019520897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
口腔内イメージングのための装置であって、
ａ）対象物に光を向ける照射源と、
ｂ）前記対象物から反射された光からイメージをイメージセンサアレイに形成し、光軸に沿って光学絞りを有するイメージング装置と、
ｃ）前記光学絞りに又はその近くに配置された位相変調器と、
ｄ）前記イメージセンサアレイからのデータをコンディショニングして、前記対象物の処理されたイメージデータを提供するイメージプロセッサと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記イメージプロセッサが前記イメージデータのぼやけ消去を提供する、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光学絞りが、前記反射された光を前記光学絞りを通って進ませる対物レンズと、前記光学絞りからの光を前記イメージセンサアレイに進ませる第２のレンズとの間にある、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記処理されたイメージデータをレンダリングするためのディスプレーをさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記位相変調器が立方体位相変調器である、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記位相変調器が、前記光軸に沿って見ると、方形又は円形の形状である、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記位相変調器が、直交するｘ及びｙ方向にて異なる位相関数を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記照射源が固体発光体を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記イメージセンサアレイがカラー又は単色デバイスである、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記照射源が前記対象物の表面輪郭のイメージングのためにパターン化された照射を生成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
口腔内イメージングのための装置であって、
ａ）対象物に光を向ける照射源と、
ｂ）前記対象物から反射された光からイメージをイメージセンサアレイに形成し、光軸に沿って光学絞りを、前記反射された光を前記光学絞りを通って進ませる対物レンズと、前記光学絞りからの光を前記イメージセンサアレイに進ませる第２のレンズとの間に有するイメージング装置と、
ｃ）前記光学絞りに又はその近くに配置された位相変調器と、
ｄ）前記イメージセンサアレイからのデータをコンディショニングして、前記位相変調器の位相関数特性に従ってぼやけ消去を行うようにプログラミングされ、前記対象物の処理されたイメージを提供する、イメージプロセッサと、
ｅ）前記イメージプロセッサと信号連通して、前記処理されたイメージデータをレンダリングするためのディスプレーと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記位相変調器が立方体位相変調器であって、口腔内イメージ装置に対する焦点深度を増す、
ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
口腔内イメージング方法であって、
ａ）照射源からの光を対象物に向けるステップと、
ｂ）前記対象物から反射された光を、光軸に沿って、光学絞りを通るように前記光を向ける対物レンズを通るように向けるステップと、
ｃ）前記光学絞りに又はその近くに、前記光軸に沿って位相変調器を配置するステップと、
ｄ）前記対象物からのイメージングされた反射光から、イメージセンサアレイにイメージを形成するステップと、
ｅ）ぼやけ消去のためにイメージデータをコンディショニングするステップと、
ｆ）前記コンディショニングされたイメージデータをディスプレー上にレンダリングするステップと、
を包含することを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記光学絞りが前記対物レンズと第２のレンズとの間に配置されて、前記位相変調器がイメージングシステムに、ある範囲の対象物距離に渡って類似のポイントスプレッド関数を有するようにさせる、
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ぼやけ消去のためにデータをコンディショニングする前記ステップが、ポイントスプレッド関数に基づいて前記データをデジタル的にフィルタリングするステップを包含する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般的に歯科診断用イメージング分野に関しており、より具体的には、口腔内スキャンのための装置及び方法に関する。本開示は一般的に口腔内イメージングのための方法及び装置に関しており、より具体的には、拡張された被写界深度を提供するデフォーカス補正を有する口腔内イメージング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
口腔内カメラは、歯、ならびに支持構造及び組織の形状及び状態の正確な特徴づけのためのある範囲のアプリケーションをサポートする診断ツールとして、ますます使用されている。診断用の使用のために十分な解像度及び正確さを有するイメージコンテンツを提供するために、口腔内カメラは画質に対する要求度の高い要件を満たさなければならない。
【０００３】
持ち運び可能で手持ちの口腔内カメラの設計は、全体的なユーザビリティならびに口腔内環境の制約に関連した数多くの固有の挑戦を克服しなければならない。カメラは、使いやすいサイズ及び形状でなければならず、且つ口の異なる領域へのアクセスを許容するように構成されなければならない。タイトな空間及びサイズの制約の範囲内で、あらゆるタイプの反射イメージングのために十分な照射が提供されなければならない。このことは、パターン化された照射を伴う輪郭のイメージング、または全視野イメージングを伴う２Ｄイメージの獲得のいずれか、あるいは両方を実行するカメラのための照射を含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
口腔内カメラに対する画質を犠牲にすることがある一つのイメージ収差はデフォーカスである。空間及びパッケージングの制約は、上述の照射の制約がある場合であっても、カメラの光学系を低減されたサイズにする。被写界深度（ＤＯＦ）を増して、それによって焦点収差を減らす従来の方法は、特性上から光不足のシステムにおいて、照射を減らすことなく適用されることができない。
【０００５】
これより、イメージングのために利用可能な照射レベルを犠牲にすることなく口腔内カメラのＤＯＦを増す改善された解決策に対するニーズが存在することが分かる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
診断用イメージングの技術を発展させて改良されたイメージング性能に対するニーズに応えることが、本開示の目的である。本開示の目的は、口腔内表面の正確な特徴づけに応えることである。本願における例示的な方法及び／又は装置の実施形態は、イメージングされた歯又はその他の対象物の焦点距離に口腔内イメージング装置を置くための要件を緩和することができる。
【０００７】
これらの目的は描写的な例によってのみ与えられており、それらの目的は、本発明の一つ又はそれ以上の実施形態の例であり得る。本質的に達成される他の所望の目的及び効果は、当業者に生じ得るか又は明らかになり得る。本発明は、添付の特許請求項によって規定される。
【０００８】
本開示の一つの局面によれば、口腔内イメージングのための装置が提供され、この装置は、ａ）対象物に光を向ける照射源と、ｂ）対象物から反射された光からイメージをイメージセンサアレイに形成する、光軸に沿って光学絞りを有するイメージング装置と、ｃ）光学絞りに又はその近くに配置された位相変調器と、ｄ）イメージセンサアレイからのデータをコンディショニングして、対象物の処理されたイメージデータを提供するイメージプロセッサと、を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の前述の及びその他の目的、特徴、及び効果は、添付の図面に描かれているような本発明の実施形態の以下のより具体的な記述から明らかになるであろう。
【００１０】
図面の要素は、必ずしもお互いに同じスケールではない。基本的な構造上の関係又は動作原理を強調するために、いくらかの誇張が必要であり得る。例えばパワーの提供のために、パッケージングのために、及びシステム光学系を実装及び保護するために使用されるサポート構成要素のような、記述された実施形態の具現化のために必要とされるいくつかの従来の構成要素は、記述の単純化のために図面には示されていない。
【００１１】
【図１】口腔内カメラを示す模式図である。
【図２】表面の輪郭を特徴づけるためのパターン化された光の使用を示す模式図である。
【図３】複数の光のラインを有するパターンを使用した表面イメージングを示す図である。
【図４】位相変調器として作用する透明位相板を示す図である。
【図５】絞りを有するイメージングレンズについての模式図である。
【図６Ａ】位相変調なしの図５のイメージングシステムのためのポイントスプレッド関数（ＰＳＦ）を示す図である。
【図６Ｂ】位相変調なしの図５のイメージングシステムのためのポイントスプレッド関数（ＰＳＦ）を示す図である。
【図６Ｃ】位相変調なしの図５のイメージングシステムのためのポイントスプレッド関数（ＰＳＦ）を示す図である。
【図７Ａ】本開示のある実施形態に従って位相マスク変調器を使用している図５のイメージングシステムのためのＰＳＦを示す図である。
【図７Ｂ】本開示のある実施形態に従って位相マスク変調器を使用している図５のイメージングシステムのためのＰＳＦを示す図である。
【図７Ｃ】本開示のある実施形態に従って位相マスク変調器を使用している図５のイメージングシステムのためのＰＳＦを示す図である。
【図８】拡張された被写界深度（ＤＯＦ）を提供するように構成されたイメージング装置のための照射及びイメージング光路を示す模式図である。
【図９Ａ】ここで記述されるようにイメージング経路にて位相変調を使用しているイメージング装置の焦点平面からある距離にて獲得されたイメージの例を示す図である。
【図９Ｂ】ここで記述されるようにデジタル復元の適用後にイメージング経路にて位相変調を使用している図９Ａの同じイメージを示す図である。
【図１０】デジタルフィルタを形成するためのシーケンスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下は例示的な方法及び／又は装置の実施形態の記述であり、図面が参照されて、同じ参照番号がいくつかの図の各々において構造の同じ要素を示している。
【００１３】
本開示の文脈で使用される場合、「第１の」「第２の」などの用語は、そうではないと明示されていない限りは、必ずしも何の順序性、連続性、又は優先性の関係を示さず、単純に一つのステップ、要素、又は要素のセットを他のものからより明確に区別するために使用されている。
【００１４】
ここで使用されるように、「駆動可能な（energizable）」という用語は、パワーを受領すると、且つオプションとしてイネーブル信号を受領すると、示された機能を実行するあるデバイス、又は構成要素のセットに関する。
【００１５】
本開示の文脈では、「光学系（optics）」という用語は一般的に、光ビームを成形し且つ方向付けるために使用されるレンズ又はその他の屈折性、回折性、及び反射性の構成要素又は開口を指すために使用される。このタイプの個別の構成要素は光学素子（optic）と称される。
【００１６】
本開示の文脈では、「ビューワ」「オペレータ」及び「ユーザ」は等価であって、カメラ又はスキャナを動作し得て且つまたディスプレーモニタ上で歯科イメージのようなイメージを見て且つ操作し得る、見ている開業医、技師、又はその他の人物を指すものとみなされる。「オペレータの指令」又は「ビューワの指令」は、カメラ又はスキャナ上のボタンをクリックすることによって、あるいはコンピュータマウスを使用することによって、あるいはタッチスクリーン又はキーボード入力によってのように、ビューワによって入力される明示的なコマンドから得られる。
【００１７】
本開示の文脈では、「信号連通において」という表現は、２つ又はそれ以上のデバイス及び／又は構成要素が、何らかのタイプの信号路を進む信号を介してお互いに通信することができることを示す。信号連通は、有線又は無線であり得る。信号は、通信、パワー、データ、又はエネルギー信号であり得る。信号路は、第１のデバイス及び／又は構成要素と第２のデバイス及び／又は構成要素との間の物理的、電気的、磁気的、電磁的、光学的、有線、及び／又は無線の接続を含み得る。信号路はまた、第１のデバイス及び／又は構成要素と第２のデバイス及び／又は構成要素との間の付加的なデバイス及び／又は構成要素を含み得る。
【００１８】
本開示の文脈では、「カメラ」という用語は、歯及び支持構造の表面から反射した構造化された光のような、反射可視又はＮＩＲ（近赤外）光から反射性の２Ｄデジタルイメージを得ることができるデバイスに関する。加えて、カメラは、単一イメージモード、あるいは連続獲得又はビデオモードで動作することができる。本開示の文脈では、「カメラ」及び「スキャナ」という用語は、同じデバイスを記述するために相互交換可能に使用されることができる。これは、このデバイスが異なるイメージタイプを得ることができるからである。
【００１９】
「被験物（subject）」という用語は、イメージングされる患者の歯又はその他の部分を指し、光学用語では、対応するイメージングシステムの「対象物（object）」と等価であるとみなされることができる。「レンズ」という用語は、単一素子のレンズ、あるいは例えば複数のレンズが隣接して配置されているダブレット又はその他の配置のようなレンズ群を指すために使用されることができる。
【００２０】
光学的構成要素の配置に対する「〜に又はその近くに（at or near）」という語句は、光学的な製造の習慣において受け入れ可能な許容度の範囲内でその所期の機能を実行する光路に沿った構成要素の配置を記述している。光学絞りの近くに位相変調器を配置することは、引き続いてより詳細に記述されるように、適切な位相変調を提供してイメージングのための拡張された被写界深度をもたらすために十分なだけ絞りに接近した位置に、位相変調器を配置することを意味する。手持ち式の光学的イメージング装置については、少なくとも絞りから数ｍｍの範囲内の位置が、光学的位相変調器の配置には十分であることができる。
【００２１】
本開示の文脈において、反射イメージは、被験物を光の場で照射し、被験物からの反射光を得ることによって獲得される被験物の２Ｄイメージである。反射イメージは単色又は多色であることができて、全フィールド照射、又は表面輪郭の特徴づけのためのようなパターン化された光を使用することができる。多色反射イメージは、異なる色の照射フィールドを有する、すなわち異なる波長帯の単色センサを使うことによって、得られることができる。
【００２２】
図１はイメージング装置７０の模式図であって、この装置は、多色反射イメージデータの獲得のために静止イメージ又はビデオカメラ２４として、ならびに構造化された光パターン４６を使用して表面輪郭を特徴づける投射及びイメージング機能のためのスキャナ２８として、動作することができる。手持ち式のイメージング装置７０は、本発明の実施形態に従って、輪郭スキャン及びイメージ獲得の両機能のために、カメラ２４を使用することができる。
【００２３】
図１に示されるように、制御論理プロセッサ８０又はその他のタイプのコンピュータがカメラ２４の一部であり得て、構造化された光を生成してその光を表面位置に向ける照射アレイ１０の動作を制御し、イメージングセンサアレイ３０の動作を制御する。歯２２からのような表面２０からのイメージデータはイメージングセンサアレイ３０から得られて、メモリ７２にイメージデータとして記憶される。イメージングセンサアレイ３０は、イメージコンテンツの獲得のためのレンズアセンブリ３４及び関連する要素を含むセンシング装置４０の一部である。制御論理プロセッサ８０は、イメージを獲得するカメラ２４の構成要素と信号連通していて、受領したイメージデータを処理して、マッピングをメモリ７２に記憶する。結果として得られるメモリ７２からのイメージはそれから、オプションとしてディスプレー７４上にレンダリングされて表示される。このディスプレーは、ここで記述される処理のいくらかの部分のために使用される他のコンピュータ７５の一部であり得る。メモリ７２はまた、ディスプレーバッファも含み得る。動きセンサのような一つ又はそれ以上のセンサ４２がまた、スキャナ２８回路の一部として提供されることもできる。イメージングセンサアレイ３０は、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補型金属・酸化物・半導体（ＣＭＯＳ）アレイであることができる。
【００２４】
構造化された光のイメージングにおいて、ライン又はその他の形状のパターンが、照射アレイ１０から対象物の表面に向かって、所与の角度から投射される。照射された表面位置からの投射されたパターンはそれから、他の角度から輪郭イメージとして見られて、輪郭ラインの見た目に基づいて表面情報を分析するために三角測量法が利用される。新しい位置での付加的な測定結果を得るために投射されたパターンが少しずつ（インクリメント的に）空間的にシフトされる位相シフトが、典型的には構造化された光のイメージングの一部として適用され、表面の輪郭マッピングを完了し且つ輪郭イメージの全体的な解像度を上げるために使用される。
【００２５】
光の単一のラインＬを有する図２の模式図は、手持ち式のカメラ又はその他の持ち運び可能なイメージングデバイスを使用するスキャナによって、表面輪郭情報を得るためにパターン化された光がどのように使用されるかを示している。照射アレイ１０が光のパターンを表面２０上に向けて、ラインＬ’の対応するイメージがイメージングセンサアレイ３０上に形成されると、マッピングが得られる。イメージングセンサアレイ３０上の各画素３２は、表面２０による変調にしたがって、照射アレイ１０上の対応する画素１２にマッピングされる。図２に表されているように、画素位置におけるシフトは、表面２０の輪郭についての有用な情報を生み出す。図２に示される基本的なパターンが、光パターンの生成のための様々な照射源及びシーケンスを使用し且つ１つ又はそれ以上の異なるタイプのセンサアレイ３０を使用して、数多くの方法で具現化されることができることが理解できる。照射アレイ１０は、液晶アレイや、テキサス州ダラスのテキサス・インストゥルメンツ社からのデジタルライトプロセッサ又はＤＬＰを使用して提供されるもののようなデジタルマイクロミラーアレイのような、光変調のために使用される数多くのタイプのアレイを利用することができる。このタイプの空間光変調器は照射路で使用されて、マッピングシーケンスで必要とされるように光パターンを変化させる。
【００２６】
図２に示される配列を複数回にわたって複製する構造化された光パターンを示すイメージを投射且つ獲得することによって、カメラ上の輪郭線のイメージは、イメージングされた対象物の多くの表面点を同時に位置決めする。これは、多くのサンプル点を集めるプロセスを速くする一方で、光の平面（及び通常は受信側のカメラも）が、対象物の外表面のいくらか又は全てをその光の平面で「ペイントする」ために、横方向に動かされる。
【００２７】
同期して連続する複数の構造化された光パターンは、付加的な復元された点に対する線密度を増すこと、ならびに非互換の線間隔を検出及び／又は訂正することを含む数多くの理由のために、投射され且つ一緒に分析されることができる。複数の構造化された光パターンの使用は、いずれも「光学的な複数線を使用した３Ｄ口腔内測定の方法」というタイトルであって、共通して譲渡された米国特許出願公開第US2013/0120532号及び第US2013/0120533号に記述されており、それらの全体がここに援用される。
【００２８】
図３は、複数の光のラインを有するパターンを使用した表面イメージングを示す。ラインパターンの少しずつの（インクリメント的な）シフト及びその他の技法が、表面に沿った突然の移行の結果としてもたらされることがある不正確さや混乱を補償するために使用されることができ、これによって、各投射されたラインに対応するセグメントをポジティブに識別することは困難であることがある。例えば図３において、表面上のある部分に対して、ラインセグメント１６が、ラインセグメント１８としての同じ照射ラインから来ているのか、あるいは隣接するラインセグメント１９から来ているのかを決定することは、困難であることがある。ライン形状がぼやけたりデフォーカスされたりすると、ラインセグメントを識別し且つ追跡することは、ますますはるかに困難になる。
【００２９】
薄いレンズの等式は、焦点距離ｆに対する対象物距離（Ｏ）及びイメージ距離（Ｉ）の理想化された近似を与える：
【数１】
2019520897.tif 000003
（１）に示される関係を適用すると、対象物距離Ｏが変化するとイメージ距離Ｉがシフトすることが理解される。そのようなイメージのシフトによって生じるデフォーカス波面収差は、以下に対応する：
【数２】
2019520897.tif 000004
（２）に示される関係が与えられると、デフォーカス収差Ｗを減らすための一つの解決策が、より小さな開口を使用することによってのように、F/#値を増すことであることが理解される。しかし、より小さな開口の使用は、光が欠乏しているシステムにおける照射をさらに減らし、カメラの解像度もまた減らし得る。
【００３０】
本願のある例示的な方法及び／又は装置の実施形態は、位相操作又は波面コーディングを使用して光路におけるデフォーカス収差を減らすための一つの解決策を記述している。波面コーディングは、波面の形態を変調して、ある範囲の焦点距離に渡ってイメージのデフォーカスを効果的に補正するために、位相マスク変調器、位相板変調器、又は単純に位相変調器を、イメージングシステムの開口又は絞りの位置に挿入する。
【００３１】
図４の模式図は、以下の透過率を有する一つのタイプの透明位相板を示す：
【数３】
2019520897.tif 000005
この例示的な位相板は、ｒにおける平面波の位置を以下の角度だけ曲げる：
【数４】
2019520897.tif 000006
この振舞いにより、位相板５０は、焦点距離ｆを有する球面レンズのように振舞うことができる。位相板５０は、例えば異なる光学的指数又は厚さを有するエリアの配列を有することができる。
【００３２】
位相板５０としての位相変調器の一つの例示的な簡単な変調関数は、以下のように表現されることができる：
【数５】
2019520897.tif 000007
係数αは、光学設計技術における当業者には知られた技法を使用して、最適化によって決定される。位相変調器は、形状が方形又は円形であるような様々な形状を有することができる。位相変調器は、直交するｘ及びｙ方向のような一つ又は複数の次元において、異なる位相関数を有することができる。位相変調器は、対称の又は非対称の位相関数を有することができる。本願に従ったある例示的な方法及び／又は装置の実施形態は、口腔内イメージング装置の光軸に沿った複数の焦点距離及び異なるフィールド位置で非常に同様であるぼやけたイメージ又はＰＳＦ（ポイントスプレッド関数）を提供することができる。例示的な実施形態では、異なる（例えば増えた）焦点距離におけるそのようなぼやけたイメージを記憶するために、デジタルフィルタが使用されることができる。
【００３３】
図５を参照すると、開口絞り６２を有するイメージングレンズシステム６０が２つのレンズ又はレンズ群、すなわち、先行する対物レンズＬ１、及び光軸ＯＡに沿って絞りに続く第２のレンズＬ２を、含むことができる。図５のイメージングレンズシステムは、従来の4-f（４つの焦点長）イメージングシステムの全体的な配置を有することができる。しかし、本開示のアプローチが使用されるときには、配置的な焦点距離は堅固に画質を制約しない。位相変調器５０（ここでは位相板又は位相マスクのような透明物）が、絞り６２にて又はその近くで、波面形態を変調するために追加されることができる。このことは、イメージングシステムが、ある範囲の（例えば、より大きな）焦点距離に渡って、改良されたフォーカス又は明瞭なイメージを得ることを効果的に可能にする。
【００３４】
実際には、完全なフォーカスのための透過率関数f(r)は非常に複雑であって製造が困難になることがあり、理想的な透過率関数の解が全く見つけられないことさえあり得る。しかし、位相板又は位相変調器５０（図４）は、どの位置においても完全なフォーカスを提供する必要はない。その代わりに、位相変調器５０は、光軸ＯＡに沿った複数の距離で非常に類似している、よく規定された一様なＰＳＦ（ポイントスプレッド関数）を得るために、絞り６２（図５）において又はその近くに配置されることができる。そのときは、ＰＳＦがよく規定され、ある範囲の距離に渡って非常に類似のＰＳＦ特性が適用されるので、一つの例示的な実施形態では、ミスフォーカスを補正するために同じデジタル復元フィルタリングが使用されることができる。
【００３５】
本願のいくつかの例示的な実施形態によれば、位相マスク又はその他の位相変調器５０は、非対称の自由形態を有する方形の位相板、対称的な自由形態を有する円形の位相板などであることができる。位相変調器５０が追加されたイメージングシステムは、異なる対物距離及びフィールド位置にてＰＳＦを提供するように設計又は最適化されて、異なるＰＳＦは好ましくは、高い類似度を示し且つ一般的に小さいサイズである。位相マスク又はその他のタイプの位相変調器の自由形態表面の係数は、この設計又は最適化にしたがって規定されることができる。最適化では様々な収差が考慮され、デジタルフィルタを使用して明瞭なイメージが復元されることができる。
【００３６】
図５の例示的な構成における絞り６２に示されるように、絞りは２つのレンズ又はレンズ群の間にある必要は無い。いくつかのイメージング光学系では、絞りは、光軸ＯＡに沿ったいくつかの異なる位置にあることができる。
【００３７】
ここで、以下の文献が参照される：
エドワード・Ｒ・ドウスキ、グレゴリー・Ｅ・ジョンソン、「波面コーディング：高性能かつ／または低コストのイメージングシステムを達成する現代的な方法」、ＣＤＭオプティクス社、コロラド州ボウルダー、第1〜9頁。
マンジュナス・ソマヤジ、ヴィクラント・Ｒ・バークタ、及びマーク・Ｐ・クリステンセン、「立方体位相マスク波面コーディングイメージングシステムの理論的な空間周波数応答の実験的証拠」、オプティクス・エクスプレス、第20巻第2号、2012年1月16日、第1878〜1895頁。
シン・ユエ・スング、シドニー・Ｓ・ヤング、ホーング・チャング、「ポイントスプレッド関数のフォーカス不変性に基づく拡張された被写界深度を有する携帯電話レンズの設計」、SPIE予稿集、第7061巻、第706107-1〜706107-11頁。
ティングユ・ザオ、トーマス・マウガー、及びグオチャング・リー、「拡張された被写界深度を有する波面コーディングされた無限補正顕微鏡システムの最適化」、バイオメディカル・オプティクス・エクスプレス、2013年7月31日、第1464〜1471頁。
サラ・ブラッドバーン、ウェード・トーマス・キャシー、及びエドワード・Ｒ・ドウスキJr.、「波面コーディングを有する光学／デジタルシステムにおけるフォーカス不変性の実現」、イメージングシステム研究所、オプトエレクトロニクス計算システムセンター、電気及びコンピュータ工学科、コロラド大学ボウルダー校、第1〜22頁。
エドワード・Ｒ・ドウスキJr.、及びウェード・トーマス・キャシー、「波面コーディングを通した拡張された被写界深度」、アプライド・オプティクス、第34巻第11号、1995年4月10日、第1859〜1866頁。
【００３８】
例として、図６Ａ、６Ｂ、及び６Ｃは、絞り６２における位相変調がない図５のイメージングシステムに対するＰＳＦを示す。図６Ａは、イメージングレンズシステムの焦点平面における点源に対するＰＳＦを示す。図６Ｂは、焦点位置から+12mmだけ前進した点源対象物に対するＰＳＦを示し、焦点外れ状態を明らかに示している。図６Ｃは、焦点位置から-12mmの位置に点源対象物があるＰＳＦを示し、より顕著なミスフォーカスが生じている。図６Ａ〜６ＣのＰＳＦ例から、位相変調器５０が無いと、対象物が対象物焦点平面に又はその近くに位置しているときのみ、イメージングシステムは許容可能なイメージを提供する可能性が高いことが明らかである。
【００３９】
図７Ａ、７Ｂ、及び７Ｃは、位相変調器５０を使用している図５のイメージングシステムに対するＰＳＦを示す。図７Ａ〜７Ｃにおける焦点距離は図６Ａ〜６Ｃにおける焦点距離に対応している。すなわち、点源対象物は焦点からそれぞれ０、+12mm、及び-12mmの位置にある。明らかなように、この範囲に対して示されるＰＳＦの分布は図６Ａにおけるような理想的なＰＳＦではない。しかし、ＰＳＦ特性と称されることができるＰＳＦエネルギー分布は、焦点距離が認識可能な距離に渡って変化するときにほぼ全く同じである。このことは、同じデジタルフィルタリングがイメージ補正に対して使用されることができることを意味する。すなわち、同じデジタルフィルタリングが、対象物が+12mmの焦点外れ、焦点位置、又は-12mmの焦点外れのいずれであっても、イメージのぼやけを無くすために適用されることができる。一つの例示的な実施形態では、異なるデジタルフィルタリングが、異なるデフォーカス距離に対して適用されることができる。
【００４０】
図８の模式図は、拡張された被写界深度（ＤＯＦ）を提供するように構成された図１のイメージング装置７０に対する例示的な照射及びイメージング光路を示す。照射源６６は照射路を通って光を歯２２に向ける。位相変調器５０が、レンズ（又はレンズ群）Ｌ１及びＬ２の間のイメージング路の絞り６２に配置される。センサアレイ３０は、受領された光からイメージデータを形成する。イメージプロセッサ６８は、センサアレイ３０と信号連通している。イメージプロセッサ６８はイメージセンサアレイからのデータをコンディショニングして、受領されたイメージにおけるぼやけを補正し、プロセッサ６８と信号連通しているディスプレー５２上にレンダリングされることができるコンディショニングされたイメージデータを提供するという指令を有するようにプログラミングされている。プロセッサ６８によるデジタル処理はリアルタイムで、すなわちイメージデータが獲得されると直ぐに発生することができて、プロセッサ６８のスピードが十分である限りは、イメージング処理のための認知できる遅れ無しに、開業医又はその他のオペレータが処理されたイメージングの結果を、データが得られるにつれてみることを可能にする。照射源６６は、例えば発光ダイオードのような固体発光素子を含むことができる。
【００４１】
図９Ａは、先に記述されたように位相変調器５０を使用して、イメージング装置の焦点平面からいくらかの距離で獲得されたイメージの一例を示す。図９Ａのわずかにぼやけたイメージは、理想的な対象物平面の各側の任意の数の距離で獲得されることができて、各々の場合に、拡張されたＤＯＦに渡って、獲得されたイメージは図示されているように実質的に同様に見えて、いくらかの量のぼやけ消去を必要とする。図９Ｂは、図９Ａについて記述されたものと同じ生成されたイメージを示すが、例示的な実施形態によるデジタルフィルタの適用に従っている。イメージは、デジタルイメージ処理の後に著しく改善されたコントラスト、解像度、及び／又はダイナミックレンジを有している。意味深いことには、ある例示的な実施形態では、同じデジタルフィルタリングアルゴリズムが、ある範囲の焦点距離に渡って獲得されたイメージに適用されることができる。
【００４２】
位相変調が無い３Ｄ口腔内カメラのイメージングシステムでは、ＰＳＦは異なる対象物距離（図６Ａ、６Ｂ、及び６Ｃ）で変化する。位相変調が付加された３Ｄ口腔内カメラのイメージングシステムでは、ＰＳＦは異なる対象物距離（図７Ａ、７Ｂ、及び７Ｃ）で同様であって、コンパクトなサイズを保つ。明瞭なイメージが、デジタル処理フィルタによって復元されることができる。
【００４３】
位相変調器としての立方体位相板
位相板の一つの非対称な自由形態は、立方体位相マスク（ＣＰＭ）である。ＣＰＭは簡単な設計及び安価な製造を提供し、且つロバストである。ＣＰＭの変調関数は、上記の式（４）で与えられたように表現されることができる。
【００４４】
図１の３Ｄ口腔内カメラ２４のイメージングシステムでは、図６Ａ〜６Ｃの例にて示されたように、ＰＳＦは異なる対象物距離で変化する。位相変調を加えることによって、出願人はイメージングシステムの性能を改変し、図７Ａ〜７Ｃの例にて示されたように、ある範囲の対象物距離に渡って同様のＰＳＦを許容し、明瞭なイメージングが、図９Ａ及び９Ｂを参照して記述されるデジタルフィルタリングを使用して復元されることを可能にした。
【００４５】
ぼやけたイメージの復元
本開示の拡張されたＤＯＦを使用して得られるイメージに対して、ぼやけ消去（de-blurring）とも称されるぼやけ補正を提供するために、数多くの方法が使用されることができる。以下には、ぼやけたイメージの復元のための理論的背景及び基礎の要約が与えられる。
【００４６】
インコヒーレントな源を有するイメージングシステムに対しては、観察されたイメージUi(xi,yi)は標準的なイメージ形成式によって与えられる：
【数６】
2019520897.tif 000008
ここで、Uo(xo,yo)は対象物の明るさの分布であり、h(xi,yi;xo,yo)はイメージングシステムのポイントスプレッド関数であり、n(xo,yo)はノイズ項である。
【００４７】
周波数領域へのフーリエ変換により、以下が得られる：
【数７】
2019520897.tif 000009
ここで、ノイズ項n(u,v)は主に高周波数からのものであり、ノイズ成分が圧倒していて信号成分は少しである。いくつかのアプリケーションでは、明瞭なイメージは図１の３Ｄ口腔内カメラを使用した輪郭イメージングに対する複数パターンのような低周波信号からのものである。ノイズ項n(u,v)を除去する一つの方法は、高周波カットオフフィルタを適用することである。高周波フィルタの適用は以下をもたらす：
【数８】
2019520897.tif 000010
空間領域における対象物フィールドは、以下のように計算されることができる：
【数９】
2019520897.tif 000011
このデジタルフィルタ処理の結果として、ぼやけが補正されて明瞭なイメージは復元される。
【００４８】
非鮮明なマスキング又は他のタイプのぼやけ消去フィルタが、イメージ復元のために代替的に使用されることができる。
【００４９】
具現化シーケンス
口腔内イメージング装置の具現化は、以下のシーケンスを使用して形成されることができる。
(i)開口絞りを有する標準的なイメージングレンズシステムで開始する。
(ii)立方体位相板のような自由形態位相変調器を開口絞りに追加する。自由形態位相変調器は、立方体位相α(x3+y3)のような多項式で表現されることができる。
(iii)異なる対象物距離及びフィールド位置におけるＰＳＦの相関オペランドが（ユーザ規定のオペランドを使用して）規定され、最適化を通じて、これらの対象物距離及びフィールド位置における類似度が高いＰＳＦが得られる。
(iv)ＰＳＦサイズの最小化が規定されて、最適化を通じて、これらの対象物距離及びフィールド位置におけるコンパクトなサイズのＰＳＦが得られる。参照ＰＳＦは、フィールド(0,0)で且つ標準的なイメージングレンズシステムのベストの焦点距離におけるＰＳＦである。
(v)最適化後に位相板を有するイメージングレンズシステムを設計し、位相板における適切な多項式係数を決定する。
(vi)最適化の結果として得られたＰＳＦ及び参照ＰＳＦにしたがって、デジタルフィルタを設計して、ぼやけたイメージを復元する。図１０のステップは、イメージ処理ロジックに一体化されることができる適切なデジタルフィルタを形成する。
【００５０】
図１０のステップは、イメージ処理の分野の当業者には既知の技法を適用して、適切なデジタルフィルタを形成するためのシーケンスを示す。測定ステップＳ１００は、所望の焦点距離及びフィールドにおけるＰＳＦを測定する。ＰＳＦはそれから平均されることができて、そうでなければ合成されることができる。反転ステップＳ１１０はそれから、平均されたＰＳＦを反転して、周波数領域へのフーリエ変換を実行する。乗算ステップＳ１２０はそれから、ＰＳＦ関数に高周波カットオフフィルタを乗算する。第２の乗算ステップＳ１３０はそれから、空間領域へ戻す逆フーリエ変換を実行し、これが明瞭なイメージを形成する。フィルタ形成ステップＳ１４０はそれから、この処理の結果から、単一のデジタルフィルタを形成する。
【００５１】
デジタルフィルタリングは、デフォーカスによるイメージのぼやけを補正できるだけではなく、例えば球面収差及びコマのような他の収差も補正又は救済することができる。
【００５２】
本発明の実施形態に一致するように、コンピュータプログラムが、記憶された指令を利用して、電子メモリからアクセスされるイメージデータについて実行する。イメージ処理の分野の当業者には理解されるように、本開示の実施形態におけるイメージングシステムを操作するためのコンピュータプログラムは、パーソナルコンピュータ又はワークステーションのような適切な汎用コンピュータシステムによって利用されることができる。しかし、多くの他のタイプのコンピュータシステムが本発明のコンピュータプログラムを実行するために利用されることができて、これは例えばネットワーク化されたプロセッサ配列を含む。本発明の方法を実行するためのコンピュータプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶され得る。この媒体は例えば、ハードドライブ又は取り外し可能デバイス又は磁気テープのような磁気記憶媒体、光学ディスク、光学テープ、又は機械読み取り可能な光学エンコーディングのような光学記憶媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）又はリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）のような固体電子記憶デバイス、あるいは任意のその他のコンピュータプログラムを記憶するために使用される物理的デバイス又は媒体を備え得る。本開示の方法を実行するためのコンピュータプログラムはまた、インターネット又は他のネットワーク又は通信媒体によってイメージプロセッサに接続されているコンピュータ読み取り可能な記憶媒体上に記憶され得る。当業者はさらに、そのようなコンピュータプログラムの等価物がハードウエアでも実現され得ることを容易に理解するであろう。
【００５３】
本開示の文脈では「コンピュータアクセス可能なメモリ」と等価である「メモリ」という用語が、イメージデータを記憶し且つそれを処理するために使用されて、例えばデータベースを含むコンピュータシステムにアクセス可能である任意のタイプの一時的又はより永続的なデータ記憶ワークスペースを指すことができることに留意されたい。メモリは、例えば磁気又は光学ストレジのような長期記憶媒体を使用する不揮発性であることができて、あるいはメモリは、マイクロプロセッサ又はその他の制御論理プロセッサデバイスによって一時的なバッファ又はワークプレースとして使用されるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のような電子回路を使用して、より揮発性の性質を有することができる。例えばディスプレーデータは、典型的には一時記憶バッファに記憶され、これはディスプレーデバイスに直接的に関連付けられて、表示されるデータを提供するために必要とされるように定期的にリフレッシュされる。この一時記憶バッファはまた、メモリの一つのタイプとみなされ、この用語が本開示で使用される。メモリはまた、計算及びその他の処理の中間及び最終結果を実行し且つ記憶するためのデータワークスペースとしても使用される。コンピュータアクセス可能メモリは、揮発性、不揮発性、又は揮発タイプ及び不揮発タイプのハイブリッド組み合わせであることができる。
【００５４】
本開示のコンピュータプログラム製品が、よく知られている様々なイメージ操作アルゴリズム及びプロセスを利用し得ることが理解されるであろう。さらに、本開示のコンピュータプログラム製品の実施形態が、具現化に有用であるがここでは具体的に示されたり又は記述されたりしていないアルゴリズム及びプロセスを具現化し得ることも理解されるであろう。そのようなアルゴリズム及びプロセスは、イメージ処理の分野の当業者の範囲内である従来のユーティリティを含み得る。そのようなアルゴリズム及びプロセス、ならびにイメージを作り出すか又はそうでなければ処理して、又は本開示のコンピュータプログラム製品と協働するハードウエア及び／又はソフトウエアの付加的な局面は、ここでは具体的に示されたり又は記述されたりしておらず、当該技術で既知のそのようなアルゴリズム、システム、ハードウエア、構成部品及び要素から選択され得る。
【００５５】
本願に従ったある例示的な方法及び／又は装置の実施形態は、口腔内イメージング装置に対する焦点深さを増すことができる。さらに、蛍光イメージングが、本願の例示的な実施形態とともに使用されることができる。本願に従ったある例示的な実施形態は、ここで記述された様々な特徴を（個別に又は組み合わせで）含むことができる。
【００５６】
本発明が一つ又はそれ以上の具現化に関して描かれてきたが、添付の特許請求項の思想及び範囲から逸脱することなく、描かれた例に対して変更及び／又は改変がなされることができる。加えて、本発明の特定の特徴が様々な具現化／実施形態の一つのみに関連して開示されてきているが、そのような特徴は、任意の所与の又は特定の関数に対して所望され且つ有益であることができるので、他の具現化／実施形態の一つ又はそれ以上のその他の特徴と組み合わされることができる。「〜のうちの少なくとも一つ」という用語は、リストされた項目の一つ又はそれ以上が選択されることができることを意味するように使用されている。「約」という用語は、変更が描写された実施形態のプロセス又は構造の不適合をもたらす結果とならない限りは、いくらか変更されることができることを示す。最後に、「例示的な」は、それが理想的であることを示唆するというよりも、その記述が一例として使用されていることを示す。本発明の他の実施形態は、ここに開示された本発明の仕様及び実施例を考慮することで、当業者に明らかになるであろう。本明細書及び例は例示のみであって、本発明の真の範囲及び思想は、少なくとも以下の特許請求項によって示される。
【図１】
2019520897.tif 000012
【図２】
2019520897.tif 000013
【図３】
2019520897.tif 000014
【図４】
2019520897.tif 000015
【図５】
2019520897.tif 000016
【図６Ａ−６Ｂ】
2019520897.tif 000017
【図６Ｃ．７Ａ】
2019520897.tif 000018
【図７Ｂ−７Ｃ】
2019520897.tif 000019
【図８】
2019520897.tif 000020
【図９Ａ】
2019520897.tif 000021
【図９Ｂ】
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【図１０】
2019520897.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】令和1年6月12日(2019.6.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
口腔内イメージングのための装置であって、
ａ）対象物に光を向ける照射源と、
ｂ）前記対象物から反射された光からイメージをイメージセンサアレイに形成し、光軸に沿って光学絞りを有するイメージング装置と、
ｃ）前記光学絞りに又はその近くに配置された位相変調器と、
ｄ）前記イメージセンサアレイからのデータをコンディショニングして、前記対象物の処理されたイメージデータを提供するイメージプロセッサと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記イメージプロセッサが前記イメージデータのぼやけ消去を提供する、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光学絞りが、前記反射された光を前記光学絞りを通って進ませる対物レンズと、前記光学絞りからの光を前記イメージセンサアレイに進ませる第２のレンズとの間にある、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記位相変調器が立方体位相変調器である、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記位相変調器が、直交するｘ及びｙ方向にて異なる位相関数を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
口腔内イメージングのための装置であって、
ａ）対象物に光を向ける照射源と、
ｂ）前記対象物から反射された光からイメージをイメージセンサアレイに形成し、光軸に沿って光学絞りを、前記反射された光を前記光学絞りを通って進ませる対物レンズと、前記光学絞りからの光を前記イメージセンサアレイに進ませる第２のレンズとの間に有するイメージング装置と、
ｃ）前記光学絞りに又はその近くに配置された位相変調器と、
ｄ）前記イメージセンサアレイからのデータをコンディショニングして、前記位相変調器の位相関数特性に従ってぼやけ消去を行うようにプログラミングされ、前記対象物の処理されたイメージを提供する、イメージプロセッサと、
ｅ）前記イメージプロセッサと信号連通して、前記処理されたイメージデータをレンダリングするためのディスプレーと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項７】
前記位相変調器が立方体位相変調器であって、口腔内イメージ装置に対する焦点深度を増す、
ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
口腔内イメージング方法であって、
ａ）照射源からの光を対象物に向けるステップと、
ｂ）前記対象物から反射された光を、光軸に沿って、光学絞りを通るように前記光を向ける対物レンズを通るように向けるステップと、
ｃ）前記光学絞りに又はその近くに、前記光軸に沿って位相変調器を配置するステップと、
ｄ）前記対象物からのイメージングされた反射光から、イメージセンサアレイにイメージを形成するステップと、
ｅ）ぼやけ消去のためにイメージデータをコンディショニングするステップと、
ｆ）前記コンディショニングされたイメージデータをディスプレー上にレンダリングするステップと、
を包含することを特徴とする方法。
【請求項９】
前記光学絞りが前記対物レンズと第２のレンズとの間に配置されて、前記位相変調器がイメージングシステムに、ある範囲の対象物距離に渡って類似のポイントスプレッド関数を有するようにさせる、
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ぼやけ消去のためにデータをコンディショニングする前記ステップが、ポイントスプレッド関数に基づいて前記データをデジタル的にフィルタリングするステップを包含する、
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【国際調査報告】
2019520897.tif 000024
2019520897.tif 000025
2019520897.tif 000026