发明内容

鉴于上述内容，本发明面临改善利用可移动透镜的牙科3D扫描仪的图像品质的问题。特别地，本发明旨在减少用于口内应用的手持扫描装置的振动，但仍允许该装置的轻质构造。期望可移动透镜的高振荡频率和快速反应，以允许补偿手持装置相对于扫描对象的手动移动。

为了解决这个问题，本发明的第一方面涉及一种用于改变牙科3D扫描仪中的光学系统的焦点的设备，包括：透镜单元，该透镜单元具有透镜，透镜可在前反转位置与后反转位置之间移动以改变焦点相对于扫描对象的位置；引导单元，用于引导透镜单元沿着平行于透镜光轴的引导轴线在前反转位置与后反转位置之间移动；以及驱动单元，用于驱动透镜单元的移动，所述驱动单元包括线性马达，线性马达具有锚和定子，所述锚可沿着驱动单元的平行于引导轴线的驱动轴线移动，所述定子附接到引导单元。

另一方面，本发明涉及一种用于扫描三维扫描对象的牙科3D扫描仪，包括：如上所定义的设备；检测器，用于检测来自扫描对象的穿过透镜的光信号；和用于围绕扫描对象手动引导3D扫描仪的手持壳体。

本发明的优选实施例在从属权利要求中定义。应当理解，所要求保护的牙科3D扫描仪具有与所要求保护的设备相似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所定义的和本文所公开的。

本发明的设备具有透镜单元，该透镜单元包括透镜和相应固定件，相应固定件可在前反转位置与后反转位置之间移动。这种移动由引导单元在平行于透镜光轴(引导轴线)的方向上引导。通过透镜的这种移动，改变了透镜与牙科3D扫描仪的光电检测器以及投影仪之间的距离。在前反转位置，距离增加。由此，焦点相对于扫描对象的位置被修改。换句话说，扫描对象在不同深度或不同平面被扫描。该移动由具有线性马达的驱动单元驱动。线性马达的定子附接在引导单元上，锚移动传递到透镜单元。通常，当对扫描对象进行扫描时，透镜以振荡频率振荡。透镜的移动因此受到前反转位置与后反转位置之间的距离的限制。然而，透镜也可能以较小的振幅移动。

本发明基于利用线性马达来移动牙科3D扫描仪中的透镜的构思。与先前使用压电致动器(压电声学驱动器)的方案、基于连杆运动将旋转移动变换为线性移动或者对准与音圈致动器相当的致动器的方案相比，本发明的线性马达具有这样的优点，即透镜移动的控制可以非常精确和准确。能够自由选择反转点，以使透镜的移动适应扫描对象的大小和位置。通过相应的传感器可以非常准确地评估透镜的位置。此外，透镜单元的高加速度是可能的，从而可以实现高振荡频率。因此，可以生成高品质的扫描。

在优选实施例中，驱动单元包括耦合装置，用于耦合锚和透镜单元的移动，使得锚在第一方向上的移动被传递到透镜在与第一方向相反的第二方向上的移动。因此，线性马达的锚被用作配重，以补偿由透镜单元的移动引起的振动。与先前需要单独配重的方案相比，这种方案的优点是可以获得轻质的构造。此外，通过利用锚作为配重，确保了透镜单元和配重的移动定时。由于透镜单元由配重驱动，因此不会发生振动。改善了测量准确度，并确保可以生成对象的高品质三维图像。

在一个实施例中，耦合装置包括用于连接锚和透镜单元以将力从锚传递到透镜单元的柔性连接元件。所述柔性连接元件优选包括钢带。钢带也可以称为钢条带。柔性连接元件将锚的移动变换或传输到透镜单元在相反方向上的移动。为此，连接元件优选地在单个方向上是柔性的，使得它可以围绕相应的偏转被引导，并且相对于其长度轴是刚性的，使得压缩力和牵引力都可以从锚转递到透镜单元。钢带或钢带条具有这样的性质，因此可以有利地使用。

在另一个优选实施例中，耦合装置包括用于张紧该连接元件的张力元件。所述张力元件优选包括弹簧。通过使用张力元件，可以确保锚的移动顺利地传递到透镜单元的移动。如果连接元件在力的作用下恒定地保持，则不会发生振动。特别是，当线性移动反转为相反方向时，防止过冲是很重要的。优选地，使用弹簧来提供这种功能。确保振动最小化，从而改善三维扫描的品质。

在一个实施例中，耦合装置包括用于使锚移动反向的反向元件。该反向元件优选包括滚珠轴承。为了将移动从锚传递到透镜单元，有利地使用对应于方向变化的偏转。为了提供这种功能，可以使用最小化摩擦的滚珠轴承，从而可以在低振动下获得高振荡频率。这具有确保透镜单元高速精确移动的效果，以改善生成的3D扫描的品质。

在又一实施例中，引导单元包括位置传感器，用于确定透镜单元在前反转位置与后反转位置之间的位置。位置传感器优选包括光学距离测量传感器。可以包括位置传感器来确定透镜的位置，从而确定引导单元内焦点的位置。光学距离测量传感器可以特别地对应于激光传感器等，其允许精确确定距离。例如，位置传感器可以附连到静止部件，并且光束可以被导向到引导单元的移动部件。通过利用位置传感器，可以控制透镜单元的移动，并使透镜单元的移动适应当前扫描对象的位置和形状。精确的测量带来扫描对象的高品质3D扫描。

在优选实施例中，驱动单元被构造成基于位置传感器的传感器信号来控制透镜单元的移动。特别是，如果利用位置传感器的传感器信号来控制透镜单元的移动会是有利的。因此，所测量的变量直接指示了想要控制的变量，即焦点或焦平面的位置。相反，测量锚位置和基于锚位置进行控制的替代方案不对应于直接控制，因为锚移动需要被传递到透镜移动。透镜单元刚性地连接到透镜，使得通过利用位置传感器的传感器信号获得焦点或焦平面位置的直接测量。保证了精确的控制，从而可以进一步改善扫描品质。

在又一优选实施例中，引导单元包括线性循环滚珠轴承引导件。透镜单元包括接合元件，用于接合到所述线性循环滚珠轴承引导件中。线性循环滚珠轴承引导件对应于栏杆件，在该栏杆件中透镜单元的相应部件沿着引导轴线被引导。摩擦被最小化或减少，使得透镜单元的精确和快速移动成为可能。这再次具有改善扫描品质的效果。

在又一优选实施例中，透镜单元的质量等于锚的质量，以补偿由透镜和锚的加速产生的反作用力。优选地，选择透镜单元的质量等于锚的质量。如果两个质量相同，则相反方向的移动得到完全补偿，从而使产生的振动最小化或完全避免。因此，可选地，可以利用透镜单元或锚上的附加质量(平衡质量)，以确保在相反方向上移动的两个部件的总质量相等。手持扫描仪的振动降至最低，可实现高品质的3D扫描。

在另一个优选实施例中，透镜单元的平行于引导轴线的质量中心线对应于锚的平行于引导轴线的质量中心线。通过确保移动部件的质量中心线彼此对准，可以补偿铰链力矩或扭矩。当锚和透镜单元在相反方向相对彼此移动或加速时，确保不会产生扭矩。扫描品质得到进一步改善。

在另一个优选实施例中，线性马达是无刷三相线性伺服马达。线性马达优选包括霍尔传感器，用于测量锚相对于定子的位置。作为附加传感器，可以在三相线性伺服马达中使用霍尔传感器。该霍尔传感器尤其可用于控制伺服马达的功率输入，以实现精确的可控性。

在另一个实施例中，锚的最大位移等于前反转位置与后反转位置之间的距离。如果锚的最大位移对应于前反转位置与后反转位置之间的距离，则所需的构造或空间最小。由于两个移动部件的移动是相互关联的，因此不要求一个移动比另一个移动具有更高的位移。所需的构造空间和总重量被最小化并且制造成本被降低。

在另一个优选实施例中，驱动单元被构造成驱动透镜单元的移动，以2至20Hz，优选5至10Hz，特别是7.5Hz的振荡频率在可选前振荡位置与可选后振荡位置之间振荡。不要求振荡以最大位移进行。对于较小的扫描对象，如果改变焦点以使扫描对象的尺寸被完全覆盖就足够了。利用较小振幅的优点是可以获得较高的频率。较高的频率使得可以补偿3D扫描仪相对于扫描对象的移动。线性马达允许精确选择前振荡位置和后振荡位置，透镜单元在前振荡位置与后振荡位置之间振荡。

在牙科3D扫描仪的优选实施例中，它包括用于控制驱动单元的控制单元。控制单元利用不同的传感器信号和用户输入(可选)来控制透镜单元的移动参数。特别是，可以调节透镜单元的振荡频率和移动振幅。

这里，光学系统的焦点对应于焦平面位置。焦平面的焦点表示图像或对象聚焦的距离。扫描对象尤其可以是单颗牙齿、多颗牙齿或人的颌。可以将本发明的原理应用于其它领域，在这些领域中，牙科3D扫描仪的可移动透镜被集成在手持壳体中，从而需要透镜更高的振荡频率来补偿由3D扫描仪的操作者引起的壳体移动。例如，本发明的原理也可以用于工业3D扫描仪。