JP6968046B2 - 3D measurement system, 3D measurement device, and control program - Google Patents
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Description
本発明は、手持ち式で利用可能な医療用の三次元計測システム、三次元計測装置および、制御プログラムに関する。 The present invention relates to a handheld and available medical 3D measuring system, a 3D measuring device, and a control program.
医療分野において、三次元計測装置を用いて患部の三次元形状を計測した後、計測結果に基づいて、患部に適合する治療器具を作製することがある。三次元形状を計測する方法は、たとえば、光切断法、合焦法、空間コード法、位相シフト法、ステレオ法、フォトグラメトリ法、SLAM法などが挙げられる。 In the medical field, after measuring the three-dimensional shape of the affected area using a three-dimensional measuring device, a therapeutic instrument suitable for the affected area may be manufactured based on the measurement result. Examples of the method for measuring the three-dimensional shape include an optical cutting method, a focusing method, a spatial code method, a phase shift method, a stereo method, a photogrammetry method, and a SLAM method.
特許文献1(特開2015−083978号公報)は、焦点パターン投影技術を使用して、対象物の表面の少なくとも一部の3D幾何学的形状を取得および/または測定するための手持ち式スキャナを開示する。 Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-083978) provides a handheld scanner for acquiring and / or measuring a 3D geometry of at least a part of the surface of an object by using a focal pattern projection technique. Disclose.
特許文献1に開示された手持ち式のスキャナは、カメラの焦点を周期的に変えることで三次元形状を取得する合焦法を測定原理とした対象物の表面の走査のための装置である。しかし、特許文献1は、三次元形状の計測精度を変更することについて言及していない。
The handheld scanner disclosed in
患者の患部は、平易な形状で計測精度を要しない領域と、複雑な形状をしており計測精度を要する領域とを含む。そのため、患部の形状を測定しているときに、高い計測精度を要する領域の走査中と、高い計測精度を要しない領域の走査中とで計測精度を変更することのできる計測装置の提供が求められる。 The affected area of the patient includes a region having a simple shape and requiring measurement accuracy and a region having a complicated shape and requiring measurement accuracy. Therefore, it is required to provide a measuring device capable of changing the measurement accuracy between scanning an area requiring high measurement accuracy and scanning an area not requiring high measurement accuracy when measuring the shape of the affected area. Be done.
本発明は、この問題点を解決するためになされたものであり、計測精度を変更することのできる三次元計測装置、三次元計測システムおよび、制御プログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve this problem, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional measuring device, a three-dimensional measuring system, and a control program capable of changing the measurement accuracy.
本発明に係る手持ち式で利用可能な医療用の三次元計測装置は、対象物に反射した光を取り込むための採光部と、採光部から取り込まれた光を通すレンズと、予め定められた周期で前記レンズを往復運動させることで、レンズの焦点位置を変化させる変化機構と、レンズを通った光を検出して読み出す検出部と、検出部が検出結果を読み出すフレームレートを変えることなく、1周期当たりの焦点位置の変位量を第1変位量から、前記第1変位量よりも小さい第2変位量に変更することで計測精度を変更し、変更後の第2変位量に従って変化機構を制御する制御部とを含む。 The handheld and usable three-dimensional measuring device for medical use according to the present invention includes a light collecting unit for capturing light reflected on an object, a lens for passing light captured from the light collecting unit, and a predetermined period. 1 Without changing the change mechanism that changes the focal position of the lens by reciprocating the lens, the detection unit that detects and reads the light that has passed through the lens, and the frame rate at which the detection unit reads the detection result. The measurement accuracy is changed by changing the displacement amount of the focal position per period from the first displacement amount to the second displacement amount smaller than the first displacement amount , and the change mechanism is controlled according to the changed second displacement amount. Includes a control unit.
その結果、測定精度を変更することのできる三次元計測装置を提供できる。 As a result, it is possible to provide a three-dimensional measuring device capable of changing the measurement accuracy.
本実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態においては、三次元計測システムの1つの例示的形態として、口腔内の歯の三次元形状を計測するシステムについて説明する。本実施の形態に係る三次元計測システムは、口腔内を計測するシステムに限定されるものではなく、同様の構成を有する他の三次元計測システムにも適用可能であり、たとえば、口腔内以外に人の耳の内部を撮像することで外耳内の三次元形状を取得するため計測システムにも適用可能である。なお、本実施の形態に係る三次元計測システムで例示される計測システムは、歯科に限らず、口腔外科、眼科、耳鼻咽喉科、放射線科、および獣医科など、あらゆる医科の診療にも適用可能である。また、診療には、診断および治療が含まれる。 The present embodiment will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, as one exemplary embodiment of the three-dimensional measurement system, a system for measuring the three-dimensional shape of teeth in the oral cavity will be described. The three-dimensional measurement system according to the present embodiment is not limited to the system for measuring the inside of the oral cavity, and can be applied to other three-dimensional measurement systems having the same configuration, for example, other than the inside of the oral cavity. It can also be applied to measurement systems because it acquires the three-dimensional shape inside the outer ear by imaging the inside of the human ear. The measurement system exemplified by the three-dimensional measurement system according to the present embodiment can be applied not only to dentistry but also to medical treatment of all medical departments such as oral surgery, ophthalmology, otolaryngology, radiology, and veterinary medicine. Is. Also, practice includes diagnosis and treatment.
<第1の実施の形態>
(A.三次元計測システム)
図1は、第1の実施の形態に係る三次元計測システム1の構成を示す模式図である。図2は、三次元スキャナ100のX−Z断面を示す模式図である。三次元計測システム1は、三次元スキャナ100、制御装置200、表示装置300、および電源400を備える。三次元計測システム1は、「三次元計測システム」の一実施形態に対応する。
<First Embodiment>
(A. 3D measurement system)
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the three-
三次元スキャナ100は、「三次元計測装置」の一実施形態に対応する。三次元スキャナ100は、合焦法の原理を用いて歯などの対象物99の三次元形状を取得する。
The three-
図1に示すように、三次元スキャナ100は、対象物99に反射した光を取り込むための採光部12が設けられたプローブ10、ならびに、ハウジング77の内部に設けられたレンズ14、光学センサ16、光源18、第1駆動部20、カウンタウェイト24、第2駆動部26、プリズム72、および制御部30を備える。なお、三次元スキャナ100は、これら以外に、光源18から対象物99への光と、対象物99から光学センサ16への光とを分離するビームスプリッタ、および対象物99に向けて光を反射させる反射板などを含んでもよい。なお、以下で説明する実施の形態においては、説明の便宜上、レンズ14の光軸を仮想直線lで示し、直線lに平行な軸をX軸、直線lに垂直であって図1における紙面の上向きの軸をZ軸、X軸およびZ軸のそれぞれに垂直な軸をY軸と称する。
As shown in FIG. 1, the three-
三次元スキャナ100は、プローブ10およびハウジング77で筺体を構成し、手持ち式の部材である。
The three-
プローブ10は、口腔内に差し込まれ、光源18から照射されるパターンを有する光(以下、単にパターンともいう)を採光部12から歯などの対象物99に向けて投影し、パターンが投影された対象物99からの反射光を採光部12から取り込み、取り込まれた反射光をレンズ14に導く。すなわち、採光部12は、「採光部」の一実施形態に対応する。
The
プローブは、本体部に対して着脱可能である。このため、術者は、感染対策として、生体に接触する可能性のあるプローブのみを本体部から取り外して滅菌処理(たとえば、高温高湿環境での処理)を施すことが可能である。 The probe is removable from the main body. Therefore, as an infection control measure, the surgeon can remove only the probe that may come into contact with the living body from the main body and perform sterilization treatment (for example, treatment in a high temperature and high humidity environment).
レンズ14は、「レンズ」の一実施形態に対応する。レンズ14は、採光部12から取り込まれた対象物99からの反射光をプローブ10に備えた反射部66(図2参照)を経由して通す部材である。
The
光学センサ16は、「検出部」の一実施形態に対応する。光学センサ16は、レンズ14を通った光を検出して、検出した光を読み出す。光学センサ16は、典型的には、フォトダイオード(Photodiode)を用いるCCDイメージセンサ(Charge Coupled Device image sensor)やCMOSイメージセンサ(Complementary MOS image sensor)などである。
The
光源18は、光学センサ16が検出可能な光量を確保するために設けられており、三次元スキャナ100とは別に設けられていてもよい。また、本実施の形態においては光源18の前に図示しない投影パターン生成スクリーンを配置して投影パターンを作成しパターン光を対象物99に照射するものとした。パターン光とする理由は、焦点の位置を特定し易くするためである。なお、焦点の位置を特定可能であれば、対象物99に照射する光はパターン光に限られるものではない。
The
光源18からの光は、当該光源18の前方に配置される投影パターンを発生させる投影パーターンスクリーン(図示は省略する)を経由してプリズム72およびレンズ14を通過し、プローブ10に設けられた反射部66(図2参照)を介して対象物99に照射され、当該対象物99で反射される。対象物99で反射された光は、反射部66を介して再びレンズ14を通過してプリズム72内に進入する。プリズム72は、対象物99からの光の進行方向を、光学センサ16が位置する方向(この例では、Z軸方向)に変化させる。プリズム72によって進行方向が変化した光は、光学センサ16によって検出される。なお、図2に示す例においては、光源18からの光と対象物99で反射してプリズム72に導かれる光とが別々に示されているが、これは分かり易く説明するためのものであり、実際には両者の光が同軸上に導かれるように三次元スキャナ100が構成されている。
The light from the
第1駆動部20は、「変化機構」の一実施形態に対応し、レンズ14の位置を移動させることで、焦点位置Fを変化させる。ここで、焦点位置Fは、レンズの焦点が合っている位置をいう。図1に示す例では、焦点位置Fは、レンズ14が位置Laにあるときに焦点位置Faとなり、レンズ14が位置Lbにあるときに焦点位置Fbとなる。
The
レンズ14は、第1駆動部20によって駆動し、往復直線運動する。レンズ14が直線lの方向(X軸方向)に往復直線運動すると、レンズ14の質量分だけ三次元スキャナ100の重心位置が移動することになり当該三次元スキャナ100を保持するユーザの手に振動として伝わる。その振動を打ち消すために、三次元スキャナ100は、ハウジング77の内部において、カウンタウェイト24をさらに設ける。カウンタウェイト24は、第2駆動部26によって駆動し、レンズ14と相対する方向に往復直線運動する。カウンタウェイト24は、「カウンタウェイト」の一実施形態に対応する。
The
図2に示すように、三次元スキャナ100は、ハウジング77内において、当該三次元スキャナ100の前方に位置する第1収容部501と、当該三次元スキャナ100の後方に位置する第2収容部502とが設けられている。第1収容部501には、レンズ14が収容され、第2収容部502には、カウンタウェイト24が収容される。さらに、三次元スキャナ100は、第1収容部501と第2収容部502との間において、第1収容部501によって保持されたレンズ14と第2収容部502によって保持されたカウンタウェイト24とを連結する連結収容部500が設けられている。連結収容部500には、上述した光学センサ16、プリズム72、および光源18が収容されている。
As shown in FIG. 2, the three-
図1に示す制御部30は、「制御部」の一実施形態である。制御部30は、光学センサ16の撮像タイミングの制御、第1駆動部20および第2駆動部26の制御、光源18の制御など、三次元スキャナ100全体の駆動を制御する。制御部30は、典型的には、制御中枢としてのCPU(Central Processing Unit)と、CPUが動作するためのプログラムや制御データなどを記憶するROM(Read Only Memory)と、CPUのワークエリアとして機能するRAM(Random Access Memory)と、周辺機器との間で信号の整合性を保つための入出力インターフェイスとから構成される。なお、制御部30は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)や、FPGA(Field-Programmable Gate Array)などのハードウェア回路によって実装されてもよい。
The
ここで、三次元スキャナ100は、手持ち式であるため、レンズ14および制御部30等を限られた領域内に収容する必要がある。そのため、制御部30の大きさは出来る限り小さいことが好ましい。たとえば、制御部30を一のハードウェア回路によって実現した場合、複数の部品によって実現する場合に比べて、制御部30をコンパクトに実装することができる。
Here, since the three-
図1に示す制御装置200は、三次元スキャナ100から検出結果を受けとり、検出結果に基づいて、対象物99の三次元データを構築する。制御装置200は、典型的には、制御中枢としてのCPUと、CPUが動作するためのプログラムや制御データなどを記憶するROMと、CPUのワークエリアとして機能するRAMと、周辺機器との間で信号の整合性を保つための入出力インターフェイスとから構成される。なお、制御部30の一部または全ての機能を制御装置200が担ってもよい。また、制御装置200の一部または全ての機能を制御部30が担ってもよい。
The
表示装置300は、「表示部」の一実施形態である。表示装置300は、制御装置200により構築された対象物99の三次元データを表示する。なお、制御装置200が表示部の機能を担ってもよい。たとえば、演算部と表示部とは、一の装置により実現されてもよい。
The
電源400は、三次元スキャナ100、制御装置200および表示装置300に電力を供給する。なお、電源400は、三次元スキャナ100の外部に設けられていてもよいが、三次元スキャナ100、制御装置200、または表示装置300の内部に設けられてもよい。また、電源400は、三次元スキャナ100、制御装置200、および表示装置300のそれぞれに個別に給電できるように構成されていてもよい。
The
合焦法の技術を用いて三次元形状を取得する場合、光源18から照射されたパターン光が対象物99に投影される。レンズ14がレンズの光軸に沿って往復直線運動すると、投影パターンの焦点位置が変化する。光学センサ16は、その変化毎で対象物99からの光を検出する。上述した制御装置200は、レンズ14の位置と、そのときの光学センサ16による検出結果とに基づいて、対象物99の形状情報を演算する。
When the three-dimensional shape is acquired by using the technique of the focusing method, the pattern light emitted from the
より具体的には、レンズ14の位置を変えることで、焦点位置Fが変化し、各焦点位置Fにおける二次元画像を取得することができる。焦点位置Fの光学センサ16の検出結果は、焦点位置Fにおける対象物99の二次元形状を示す検出結果に相当する。すなわち、焦点位置Fごとの光学センサ16の検出結果を重ねあわせることで、対象物99の三次元形状は推定される。
More specifically, by changing the position of the
(B.計測精度の変更方法)
三次元スキャナ100のように、合焦法の測定原理を利用して対象物99の形状を計測する場合、測定精度を変更する方法は、種々存在する。たとえば、測定精度を変更する方法は、光学センサ16の感度を変更すること、計測する焦点位置F間の距離を変更することなどが挙げられる。本実施の形態においては、計測する焦点位置F間の距離を変更することで、計測精度を変更する。
(B. How to change the measurement accuracy)
When measuring the shape of the
また、計測する焦点位置F間の距離を変更する方法としては、単位時間あたりに光学センサ16が光を検出して読み出す回数(以下、「フレームレート」ともいう)を変更すること、焦点位置の変更速度を変えることが挙げられる。本実施の形態においては、フレームレートを一定に保ちつつ、焦点位置の変更速度を変えることで、計測精度を変更する。
Further, as a method of changing the distance between the focal positions F to be measured, the number of times that the
より具体的に、図3〜図5を参照して、計測精度の変更方法について説明する。図3は、三次元計測システム1の機能構成の一例を示す図である。図4は、レンズ14の位置Lの経時変化を示す図である。図5は、計測精度と焦点位置の変位量との関係を説明するための図である。なお、図3において、第1駆動部20の構成は、一部省略されている。第1駆動部20の構成は、図6〜図12を参照して後述する。
More specifically, a method of changing the measurement accuracy will be described with reference to FIGS. 3 to 5. FIG. 3 is a diagram showing an example of the functional configuration of the three-
図3に示すように、制御部30は、機構制御部32と、光学センサ制御部34とを含む。機構制御部32は、第1駆動部20を制御する。光学センサ制御部34は、光学センサ16による光の検出タイミングを制御する。制御部30は、光学センサ16が読み出した検出結果と、光を検出したタイミングにおけるレンズの位置Lとを対応付けて制御装置200に送る。
As shown in FIG. 3, the
機構制御部32は、「制御部」の一実施形態に対応する。機構制御部32は、予め定められた期間における焦点位置Fの変位量ΔFを一定に保ちつつ、焦点位置Fが変化し続けるように第1駆動部20を制御する。また、機構制御部32は、変位量ΔFを変更することができ、変更後の変位量ΔFに従って第1駆動部20を制御する。
The
焦点位置Fとレンズの位置Lとは互いに対応関係にあり、第1駆動部20は、レンズの位置Lを変えることで焦点位置Fを変える。そのため、機構制御部32は、予め定められた期間におけるレンズの位置Lの変位量ΔLが一定となるように第1駆動部20を制御するとともに、測定精度の変更に伴って変位量ΔLを変更することで、予め定められた期間における変位量ΔFを一定にしつつ、測定精度の変更に伴って変位量ΔFを変更する。
The focal position F and the lens position L are in a corresponding relationship with each other, and the
本実施の形態においては、機構制御部32は、レンズ14の位置Lの経時変化が、図4に示すような正弦曲線を描くように第1駆動部20を制御する。図4において、横軸は時間を表し、縦軸はレンズ14の位置Lを表す。また、図4において、実線で示したグラフはレンズ14の位置Lの変位量ΔLがLm1に設定されているときの位置Lの経時変化を表す。破線で示したグラフはレンズ14の位置Lの変位量ΔLがLm1よりも小さいLm2に設定されているときの位置Lの経時変化を表す。
In the present embodiment, the
図3に示すように、機構制御部32は、レンズ14が初期位置L0を中心に予め定められた周期(図4においては0.1秒周期)で往復直線運動するように第1駆動部20を制御する。レンズ14が初期位置L0を中心に往復直線運動することで、焦点位置Fについても、初期位置L0に対応する位置F0(図3参照)を中心に前後に直線変動する。
As shown in FIG. 3, the
測定精度を変更した場合、往復直線運動の周期を変えることなく変位量ΔLを変更することで、レンズ14の位置Lの移動速度が変化する。その結果、焦点位置の変更速度が変わる。すなわち、レンズ14の初期位置L0から再度初期位置L0に戻ってくるまでの時間を一定にし、変位量ΔLを変更することで、計測速度は変更する。言い換えると、位置F0から再度位置F0に戻ってくるまでの時間は、測定精度の変更に伴う変位量ΔFの変更に関わらず一定である。
When the measurement accuracy is changed, the moving speed of the position L of the
次に、フレームレートおよび往復直線運動の周期を変えることなく変位量ΔFを変更することで、計測精度が変わる理由について、図5を参照して説明する。 Next, the reason why the measurement accuracy changes by changing the displacement amount ΔF without changing the frame rate and the cycle of the reciprocating linear motion will be described with reference to FIG.
図5において、光学センサ16が光を検出して読み出す読出しタイミングTnにおける焦点位置Fは、焦点位置F(n)と表す。また、所定期間におけるレンズの位置Lの変位量ΔLがLmに設定されている場合の焦点位置Fは、焦点位置Fmと表す。また、所定期間におけるレンズの位置Lの変位量ΔLがLmに設定されている場合の読出しタイミングTnにおけるレンズの位置Lは、位置Lm(n)と表す。
5, the focal position F of the read timing T n of the
図5に示すように、Lm1がLm2より大きい場合に、タイミングTnにおける焦点位置F(n)と、読出しタイミングTnの次の読出しタイミングTn+1における焦点位置F(n+1)との差分について、変位量ΔLがLm1のときと、変位量ΔLがLm2のときとを比較すると、式(1)の関係が成り立つ。
As shown in FIG. 5, when L m1 is larger than L m @ 2, the difference between the focus position F (n) at the timing T n, the readout timing T n for the next read timing T n + 1 focal position in F (n + 1) When the displacement amount ΔL is L m1 and the displacement amount ΔL is L m2 , the relationship of the equation (1) is established.
焦点位置F(n)と焦点位置F(n+1)との差分は、対象物99をスライスする幅に相当し、小さいほど高精度で計測されていることを意味する。
The difference between the focal position F (n) and the focal position F (n + 1) corresponds to the width at which the
すなわち、制御部30は、フレームレートを変えることなく、焦点位置Fの単位時間当たりの変位量ΔLを変更するように第1駆動部20を制御することで、計測精度を変えることができる。
That is, the
ここで、本実施の形態においては、焦点位置の変更速度を変える方法として、往復直線運動の周期を変えずに焦点位置の変位量を変える方法が選択されている。より具体的には、焦点位置の変更速度を下げて計測精度を上げる方法としては、往復直線運動の周期を長くし、一の箇所を計測するのに要する時間を延ばすことでも実現することができる。 Here, in the present embodiment, as a method of changing the change speed of the focal position, a method of changing the displacement amount of the focal position without changing the cycle of the reciprocating linear motion is selected. More specifically, as a method of reducing the change speed of the focal position and improving the measurement accuracy, it can be realized by lengthening the cycle of the reciprocating linear motion and extending the time required to measure one point. ..
しかし、合焦法を計測原理とした、本実施の形態に係る三次元スキャナ100は、一の箇所を計測している間、対象物99と、光学センサ16との位置関係が変化しないことが前提とされている。そのため、本実施の形態の三次元スキャナ100のように、計測装置を手で持って計測を行なう場合に一の箇所を計測するのに要する時間が長くなると、手ブレの影響により、計測結果の精度が下がる虞がある。
However, in the three-
本実施の形態においては、図4に示すように、測定精度を変更する前後で、往復直線運動の周期を変えないようにすることで、一の箇所を計測するのに要する時間を変えずに計測精度を変更することができる。その結果、計測精度を変更する前後で手ブレの影響を変えることなく、計測精度を変更することができる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 4, by not changing the cycle of the reciprocating linear motion before and after changing the measurement accuracy, the time required to measure one point is not changed. The measurement accuracy can be changed. As a result, the measurement accuracy can be changed without changing the influence of camera shake before and after changing the measurement accuracy.
なお、フレームレートを変更することで計測精度を変更することも可能であるが、高スペックの光学センサ16を三次元スキャナ100に搭載する必要があるため、焦点位置の変更速度を変える方法を採用した方が、三次元スキャナ100を安価に作成することができる。
Although it is possible to change the measurement accuracy by changing the frame rate, since it is necessary to mount the high-spec
(C.測定精度の変更契機)
対象物99の計測は、たとえば歯に詰める補綴物を作成するときや、作成した補綴物を歯に詰めたときの嵌り具合を確認するときに行われる。このときに、精度の高い補綴物の作成や、補綴物の正確な検査のために高精度の計測が要求される部分がある。具体的に、補綴物と歯との境目となる部分であり、支台歯上のフィニッシュラインと呼ばれる部分である。それ以外の部分に対しては、高精度の計測は要求されないこともある。
(C. Opportunity to change measurement accuracy)
The measurement of the
本実施の形態において、測定精度は、ユーザによる操作によって変更可能である。具体的に、図3に示すように、三次元スキャナ100は、調整部40をさらに備える。調整部40は、図示しないものの、ハウジング77内に設けられており、ユーザの操作を受け付ける。たとえば、調整部40は、ボタン、ロータリースイッチ、スライド式のスイッチなどを三次元スキャナ100に設けたり、制御装置200に設けたりすることにより実現される。
In the present embodiment, the measurement accuracy can be changed by an operation by the user. Specifically, as shown in FIG. 3, the three-
なお、調整部40は、三次元スキャナ100と通信可能な別の装置が備えてもよい。たとえば、調整部40は、制御装置200に接続された入力装置によって実現されてもよい。また、表示装置300がタッチパネルとして機能する場合、調整部40は、タッチパネルによって実現されてもよい。また、調整部40は、三次元スキャナ100に設けるとともに、三次元スキャナ100と通信可能な別の装置にも設けてもよい。
The adjusting
本実施の形態において、測定精度は、ユーザによる操作によって変更されるとした。なお、測定精度は、対象物99を計測して得られる情報に基づいて変更されるものであってもよい。たとえば、測定精度は、光学センサ16からの検出結果に基づいて変更されてもよい。具体的には、対象物99である歯は、複雑な形状をしている箇所と、凹凸が少なく比較的単純な形状をしている箇所とがある。制御部30は、光学センサ16からの検出結果から、計測箇所の形状の複雑度合いを示す特徴量を抽出し、抽出した特徴量に基づいて測定精度を変更してもよい。
In the present embodiment, the measurement accuracy is changed by the operation by the user. The measurement accuracy may be changed based on the information obtained by measuring the
また、前述のように、歯の形状を計測する場合、特に精度よく計測したい箇所が存在する。制御部30は、光学センサ16からの検出結果から、特に精度よく計測したい箇所(たとえば、フィニッシュラインである補綴物と歯との境目となる部分)であるか否かを示す特徴量を抽出し、抽出した特徴量に基づいて測定精度を変更してもよい。なお、制御部30が光学センサ16からの検出結果に基づいて測定精度を変更する例を説明したが、制御装置200などの三次元スキャナ100と通信可能に接続される別装置によって変更できるようにしてもよい。
Further, as described above, when measuring the shape of a tooth, there is a place where the measurement is particularly accurate. The
また、三次元計測システム1は、調整部40のようにユーザの操作を契機に測定精度を変更する機能と、光学センサ16からの検出結果に基づいて測定精度を変更する機能と、両方を備えてもよい。
Further, the three-
(D.制御装置の機能構成)
制御装置200は、図3に示すように、演算部220と、判定部240とを備える。演算部220は、「演算部」の一実施形態に対応する。判定部240は、「判定部」の一実施形態に対応する。
(D. Functional configuration of control device)
As shown in FIG. 3, the
演算部220は、三次元スキャナ100から検出結果を受けとり、検出結果に基づいて、対象物99の三次元データを構築する。判定部240は、計測精度が上がることに伴い、必要なユーザの技量が上がることに鑑みて設けられた機能である。
The
本実施の形態において、ユーザは、三次元スキャナ100を歯列に沿って動かすことで、口腔内の歯の三次元形状を取得する。具体的に、ユーザが三次元スキャナ100を歯列に沿って図1のX−Y平面内およびY−Z平面内を動かすことで、演算部220は、互いに隣り合う複数個所の計測結果を取得し、互いに隣り合う箇所の計測結果同士を合成することで、広範囲の計測結果を取得し、計測結果を表示装置300に出力する。
In the present embodiment, the user moves the three-
複数の計測結果を合成する場合、演算部220は、互いに隣り合う箇所の計測結果のうち、重複する部分の計測結果に基づいて合成する。すなわち、本実施の形態において、ユーザは、重複する部分を設けながら、三次元スキャナ100を徐々に動かすことで、広範囲の計測結果を得ることができる。
When synthesizing a plurality of measurement results, the
本実施の形態において、三次元スキャナ100を対象物99に対して図1のX軸方向およびY軸方向の計測範囲(計測の面内方向)に動かすことなく計測した場合の三次元スキャナ100の図1のZ軸方向の計測範囲(計測の深さ方向)は、焦点位置Fを変更可能な範囲に相当する。計測精度を上げると焦点位置Fの変位量ΔFは小さくなる。そのため、計測精度を上げると計測の深さ方向の計測範囲が狭くなる。三次元スキャナ100で対象物99を計測する場合、ユーザは、Z軸方向の計測範囲(計測の深さ方向)を計測するのに要する計測期間の間、対象物99と三次元スキャナ100との相対距離を計測の深さ方向の計測範囲内に保つ必要がある。そのため、計測の深さ方向の計測範囲が狭くなると、対象物99と三次元スキャナ100との相対距離を、より正確に一定の範囲内に保持しなければならなくなる。そのため、計測精度が上がることに伴い、必要となるユーザの技量が高くなる。
In the present embodiment, the three-
判定部240は、計測精度が上がることに伴い、必要となるユーザの技量が高くなることに鑑みて設けられた機能であって、一の箇所を計測した後、次の箇所を計測するときに、計測済みの箇所の含み具合に基づいて、計測方法が正しいか否かを判定する。判定部240は、判定結果を表示装置300に出力する。
The
判定部240は、たとえば、演算部220の計測結果に基づいて、一の箇所を計測した後、次の箇所を計測するときに、演算部220によって演算された次の箇所の計測結果に基づいて、計測済みの結果との一致度合いを算出し、一致度合いが予め定められた閾値を超えているか否かを判定する。一致度合いが予め定められた閾値以下であるということは、対象物99と三次元スキャナ100との相対距離が一定の範囲内になく不安定であり、計測の失敗確率が上がることを意味する。
For example, the
なお、判定部240は三次元スキャナ100が備えていてもよい。たとえば、三次元スキャナ100に三次元スキャナ100と対象物99との間の相対的な位置関係の変化を計測可能なセンサを設け、判定部は、センサからの計測結果に基づいて相対的な位置関係の変化速度を算出し、変化速度に基づいて計測済みの箇所の含み具合を判定してもよい。判定部は、計測精度ごとに予め規定されている閾値を変化速度が超えたか否かに基づいて、計測済みの箇所が予め定められた閾値以上含まれているか否かが判定される。
The
表示装置300は、演算部220からの計測結果に基づいて、対象物99の三次元データを表示する。また、表示装置300は、計測済みの箇所の一部が含まれていない場合に、計測済みの箇所を含むように三次元スキャナ100を動かすことをユーザに対して指示する。たとえば、表示装置300は、計測済みの箇所の一部が含まれていないまま、ある箇所の計測を行った場合に、その箇所の計測結果を表す三次元データを、他の三次元データとは異なる態様で表示する。これにより、ユーザは、三次元スキャナ100の位置を少し戻し、計測済みの箇所の一部を含むように再度計測を行う。
The
なお、判定部240は、判定結果を表示装置300に出力することで計測済みの箇所を含むように三次元スキャナ100を動かすことをユーザに対して指示するものとしたが、三次元スキャナ100のハウジング77にインジケータを設け、インジケータの表示を変えることで計測済みの箇所を含むように三次元スキャナ100を動かすことをユーザに対して指示してもよい。
The
また、判定部240の結果に基づいて、計測精度を変更するようにしてもよい。たとえば、計測済みの箇所の含み具合が少なく、対象物99と三次元スキャナ100との相対距離が一定の範囲内になく不安定である場合には、計測精度を下げるようにし、対象物99と三次元スキャナ100との相対距離が一定の範囲内にあり安定している場合には計測精度を上げるようにしてもよい。また、対象物99と三次元スキャナ100との相対距離が一定の範囲内になく不安定である場合には計測精度を下げた上で、計測精度を下げた旨をユーザに通知するようにしてもよい。
Further, the measurement accuracy may be changed based on the result of the
なお、制御部30が備える各種構成は、図示しないものの、制御部30が備える記憶部に相当するROMに保存されたプログラムをCPUが実行することで実現される。たとえば、機構制御部32にかかる機能は、ROMに保存されたプログラムをCPUが実行することで実現される。具体的に機構制御部32にかかる機能を実現するためのプログラムは、三次元スキャナ100に、焦点位置Fの変位量ΔFの変更を受け付ける第1ステップと、第1ステップにおいて受け付けた変更後の変位量に従って第1駆動部20を制御する第2ステップとを実行させる。
Although not shown, various configurations included in the
なお、プログラムは、ROMに保存されている必要はなく、制御装置200や、三次元スキャナ100と直接または間接的に通信可能なサーバや、三次元スキャナ100と直接接続可能な外部メモリに保存されていてもよい。また、プログラムは、記憶媒体に格納された状態で流通する。
The program does not need to be stored in the ROM, but is stored in the
(E.変化機構の構成)
図6を参照して、図1で示した第1駆動部20を含む変化機構の構成について説明する。第1駆動部20は、レンズ14の光軸方向(図6中の直線l方向)にレンズ14を往復直線運動させる。図6は、変化機構の構成を示す図である。
(E. Configuration of change mechanism)
With reference to FIG. 6, the configuration of the change mechanism including the
本実施の形態においては、変化機構は、レンズ14を往復直線運動させる第1駆動部20に加えて、カウンタウェイト24と、カウンタウェイト24を往復直線運動させる第2駆動部26と、レンズ14を往復直線運動するように支持する支持部14aと、カウンタウェイト24を往復直線運動するように支持する支持部24aとによって実現される。
In the present embodiment, the change mechanism includes a
レンズ14は、直線lに平行な支持部14aによって、直線lの方向に往復直線運動するように支持されている。図示は省略するが、支持部14aは、ハウジング77によって固定されている。さらに、レンズ14は、第1駆動部20の磁気回路構成23に接続されている。第1駆動部20は、磁気回路構成23によって、レンズ14を直線lの方向に往復直線運動させるリニアモータを構成する。
The
レンズ14が直線lの方向(X軸方向)に往復直線運動すると、レンズ14の質量分だけ三次元スキャナ100の重心位置が移動することになり三次元スキャナ100を保持するユーザの手に振動として伝わる。カウンタウェイト24は、この振動を打ち消すために、ハウジング77の内部に設けられたレンズ14と同じ質量を有する錘である。
When the
カウンタウェイト24は、レンズ14の直線運動方向の直線l上に設けられており、図示は省略するが、対象物99とレンズ14との間の光路、およびレンズ14と光学センサ16との間の光路を遮らないように、X軸方向における光学センサ16の背面側に設けられている。
The
カウンタウェイト24は、直線lに平行な支持部24aによって、直線lの方向に直線運動するように支持されている。本実施の形態においては、支持部24aは、支持部14aと別の部材である。さらに、カウンタウェイト24は、第2駆動部26の磁気回路構成27に接続されている。第2駆動部26は、磁気回路構成27によって、カウンタウェイト24を直線lの方向に往復直線運動させるリニアモータを構成する。なお、以下では、第1駆動部20および第2駆動部26をまとめて単に「駆動部」ともいう。
The
機構制御部32は、第1駆動部20および第2駆動部26のそれぞれを制御する。なお、本実施の形態においては、第1駆動部20および第2駆動部26が共通の機構制御部32によってそれぞれ制御されるが、第1駆動部20および第2駆動部26が互いに異なる制御部によってそれぞれ制御されてもよい。
The
第1駆動部20によって、レンズ14が直線lの方向に往復直線運動すると、第2駆動部26によって、カウンタウェイト24は、レンズ14と相対する方向にレンズ14と同じ距離だけ往復直線運動する。たとえば、レンズ14が対象物99に近づく方向に直線l上を10mm移動すると、カウンタウェイト24は、対象物99から遠ざかる方向に直線l上を10mm移動する。また、レンズ14が対象物99から遠ざかる方向に直線l上を15mm移動すると、カウンタウェイト24は、対象物99に近づく方向に直線l上を15mm移動する。
When the
このように、本実施の形態にかかる変化機構においては、レンズ14と相対する方向に当該レンズ14と同じ距離だけカウンタウェイト24が往復直線運動することで、レンズ14の往復直線運動に起因する三次元スキャナ100の重心の偏りを相殺することができる。これにより、カウンタウェイト24によって、レンズ14の往復直線運動による振動を打ち消すことができる。
As described above, in the change mechanism according to the present embodiment, the
(F.駆動部の構成)
図7〜図10を参照して、駆動部の構成について説明する。図7は、駆動部のY−Z断面を示す模式図である。図8は、駆動部のX−Z断面を示す模式図である。図9は、レンズが往復直線運動するときの駆動部の動きを説明するための図である。図9(A)では、駆動部においてレンズ14が一方向に直線運動した場合の駆動部のX−Z断面の模式図を示している。図9(B)では、駆動部においてレンズ14が他方向に直線運動した場合の駆動部のX−Z断面の模式図を示している。なお、図7〜図9に示す例では、駆動部のうち、第1駆動部20の構成を説明するが、第2駆動部26の構成も第1駆動部20と同様である。すなわち、第2駆動部26の場合、図7〜図9に示す例において、レンズ14がカウンタウェイト24に置き換えられるが、その他の構成は第1駆動部20と同様である。
(F. Configuration of drive unit)
The configuration of the drive unit will be described with reference to FIGS. 7 to 10. FIG. 7 is a schematic view showing a YZ cross section of the drive unit. FIG. 8 is a schematic view showing an XZ cross section of the drive unit. FIG. 9 is a diagram for explaining the movement of the drive unit when the lens reciprocates linearly. FIG. 9A shows a schematic view of an XZ cross section of the drive unit when the
図7〜図9に示すように、第1駆動部20は、中央部に略円形のレンズ14を設けることができるように、レンズ14の周辺に当該レンズ14を往復直線運動させるための各部材が配置されており、直線運動方向である直線lに沿って長尺状の中空形状を有する。このように、第1駆動部20の中央部に略円形のレンズ14を設けるような構成であるため、第1駆動部20の中央部に光を通すことができる。
As shown in FIGS. 7 to 9, the
具体的には、図7に示すように、第1駆動部20においては、レンズ14の外周部に、レール57aおよびブロック56aで構成される支持部14aと、レール57bおよびブロック56bで構成される支持部14aとが設けられている。このように、複数の支持部14aが、レンズ14の外周側で互いに異なる位置に配置されている。
Specifically, as shown in FIG. 7, in the
より具体的には、複数の支持部14aは、レンズ14の直線運動方向と平行でかつレンズ14の中心を通る光軸(直線l)を回転軸として、それぞれが回転対称となる位置で互いに平行に配置されている。たとえば、図7において、直線lを回転軸として、複数の支持部14aのそれぞれを180度回転させた場合、支持部14aが支持部14aの位置に、支持部14aが支持部14aの位置に配置されることになる。なお、図示は省略するが、複数の支持部24aについても同様の位置に配置されている。つまり、複数の支持部24aは、カウンタウェイト24の直線運動方向と平行でかつカウンタウェイト24の中心を通る軸(直線l)を回転軸として、それぞれが回転対称となる位置で互いに平行に配置されている。
More specifically, the plurality of
支持部14aのブロック56aは、レンズ14を支持するとともにレール57aに嵌合しており、レール57aに沿って直線方向に移動することで、レンズ14を往復直線運動させる。支持部14aのブロック56bは、ブロック56aとは異なる位置でレンズ14を支持するとともにレール57bに嵌合しており、レール57bに沿って直線方向に移動することで、レンズ14を往復直線運動させる。なお、支持部14aは、図6を参照しながら説明した支持部14aに対応する。
The
ブロック56aおよびブロック56bには、それぞれレール57aおよびレール57bの接続面との間において、グリスなどの粘性を有する潤滑剤が塗布されてもよいし、ボールやローラなどの転がり軸受が設けられてもよい。この場合、グリスなどの粘性を有する潤滑剤は、「ダンパ」の一実施形態に対応する。
The
さらに、図8に示すように、レンズ14の中心部における光路を遮らないように当該レンズ14の外周を取り囲むようにして、レンズ14の外周に沿ってバネ55aおよびバネ55bが設けられている。バネ55aおよびバネ55bは、「弾性部材」の一実施形態に対応する。バネ55aおよびバネ55bには、コイルバネなどが適用される。なお、弾性部材には、バネに限らず、ゴムなど、力を加えたときに変形する一方で力を除いたときには元に戻るものであればいずれの部材が適用されてもよい。
Further, as shown in FIG. 8, a
バネ55aおよびバネ55bは、それぞれ、その一端が当該レンズ14に当接し、その他端はハウジング77内で固定されている。さらに、バネ55aおよびバネ55bは、X方向の変形が許容され、Y−Z方向に変形し難くなるようにハウジング77内で保持されている。このように配置されたバネ55aおよびバネ55bによって、レンズ14に対して直線運動方向に弾性力が与えられる。バネ55aおよびバネ55bのそれぞれの直径は、レンズ14を2つのバネによって挟み込んで固定できるように、レンズ14の直径と略同じであってもよい。
One end of each of the
バネ55aおよびバネ55bの外側(レンズ14の中心からZ方向に離れる側)には、レンズ14を直線lの方向に往復直線運動させるための磁気回路構成23aが設けられている。磁気回路構成23aは、N極およびS極からなる磁石53aと、磁石53aの外側(レンズ14の中心からZ方向に離れる側)に配置されたコイル52aとを含む。
On the outside of the
磁石53aは、直線lの方向に運動可能な可動子であり、磁石53aが直線lに沿ってX方向に往復直線運動することで、レンズ14も直線lに沿ってX方向に往復直線運動可能である。コイル52aは、固定子である。
The
コイル52aのさらに外側(レンズ14の中心からZ方向に離れる側)には、ヨーク51aが設けられている。ヨーク51aは、コイル52aと同様に固定子である。
A
レンズ14を介して磁気回路構成23aの反対側には、レンズ14を直線lの方向に往復直線運動させるための磁気回路構成23bが設けられている。磁気回路構成23bは、N極およびS極からなる磁石53bと、磁石53bの外側(レンズ14の中心からZ方向に離れる側)に配置されたコイル52bとを含む。
On the opposite side of the
磁石53bは、直線lの方向に運動可能な可動子であり、磁石53bが直線lに沿ってX方向に往復直線運動することで、レンズ14も直線lに沿ってX方向に往復直線運動可能である。コイル52bは、固定子である。
The
コイル52bのさらに外側には、ヨーク51bが設けられている。ヨーク51bは、コイル52bと同様に固定子である。さらに、固定子であるヨーク51aおよびヨーク51bは、三次元スキャナ100のハウジング77に適宜固定されている。
A
このような構成を有する第1駆動部20においては、磁気回路構成23aおよび磁気回路構成23bによってレンズ14に直線lの方向に力が与えられることで、レンズ14が往復直線運動する。
In the
たとえば、磁気回路構成23aおよび磁気回路構成23bにおいて、図8に示すような位置関係でN極およびS極からなる磁石53aおよび磁石53bを配置すると、点線で示すような矢印方向の磁界が生じる。この場合において、図8に示すような電流(Y軸に沿って紙面の手前から奥に向かう方向の電流を「×」、Y軸に沿って紙面の奥から手前に向かう方向の電流を「・」で示す)をコイル52aおよびコイル52bのそれぞれに流すと、フレミングの左手の法則に従って、実線の矢印で示すようにX軸方向に電磁力(F)が生じる。このようにして生じた電磁力(F)が可動子である磁石53aおよび磁石53bに作用されると、磁石53aおよび磁石53bが電磁力(F)と反対の方向に動く。以下、バネ55a,55b、磁石53a,53b、レンズ14、コイル52a,52b、およびグリスなどの粘性を有する潤滑剤を含むダンパなど、装置内での物体の運動に関わる構成を、「運動系」と称する。
For example, in the
レンズ14は、レンズ14の慣性力、電磁力(F)、バネ55a,55bの弾性力、およびダンパの粘性力といった運動系の応答により直線lの方向に振動することになる。図9(A)は、本実施の形態に係る駆動部においてレンズが一方向に直線運動した場合の駆動部のX−Z断面を示す模式図である。図9(B)は、本実施の形態に係る駆動部においてレンズが他方向に直線運動した場合の駆動部のX−Z断面を示す模式図である。図9(A),(B)に示すように、機構制御部32は、この振動を利用してレンズ14を直線lの方向に往復直線運動させる。つまり、機構制御部32は、運動系の固有振動数に合わせて一定周期で第1駆動部20を制御して磁気回路構成23aおよび磁気回路構成23bに電流を流すことで、運動系による共振現象を利用してレンズ14を直線lの方向に往復直線運動させることができる。
The
このように、第1駆動部20は、運動系の固有振動数に合わせてコイル52aおよびコイル52bに電流を流すことで、レンズ14を直線lの方向に往復駆動させる共振駆動モータとして機能させることができる。ここで、モータにカムなどの機構部品を接続した機械的構成によってレンズ14を往復直線運動させるような場合、レンズ14を移動させている間、常にモータを駆動し続けなければならない。一方、本実施の形態のように運動系の共振現象を利用すれば、一定周期に磁気回路構成23aおよび磁気回路構成23bに電流を流すだけでレンズ14を往復直線運動させることができる。したがって、本実施の形態のような磁気回路構成を用いると、消費電力を抑えることができ、効率がよい。さらに、カム機構の場合、カム機構による接触音が発生したり、カム機構部の劣化によりカム面から接触粉が発生したりすることもあるが、本実施の形態のように運動系の共振現象を利用すれば、これらも解消することができる。
In this way, the
前述したように、第1駆動部20によって、レンズ14が直線lの方向に往復直線運動すると、第2駆動部26によって、カウンタウェイト24は、レンズ14と相対する方向にレンズ14と同じ距離だけ往復直線運動する。レンズ14は、直線l上を往復直線運動するのに対して、カウンタウェイト24は重心の偏りを相殺するためにレンズ14の直線運動方向と相対する方向に直線l上を往復直線運動する。これにより、ユーザが三次元スキャナ100を手に持って使用しても振動を感じない。
As described above, when the
たとえば、図10は、レンズが直線運動するときの駆動部の動きを説明するための図である。図10(A)は、レンズおよびカウンタウェイトが互いに遠ざかる方向に直線運動した場合の両者の位置関係を示している。図10(B)は、レンズおよびカウンタウェイトが互いに近づく方向に直線運動した場合の両者の位置関係を示している。図10(B)に示すように、機構制御部32は、レンズ14を対象物99から遠ざかる方向に移動させた場合、カウンタウェイト24を対象物99に近づく方向に移動させる。
For example, FIG. 10 is a diagram for explaining the movement of the drive unit when the lens moves linearly. FIG. 10A shows the positional relationship between the lens and the counterweight when they linearly move in a direction away from each other. FIG. 10B shows the positional relationship between the lens and the counterweight when they linearly move in a direction approaching each other. As shown in FIG. 10B, when the
このように、三次元スキャナ100においては、レンズ14を往復直線運動させる第1駆動部20と、カウンタウェイト24を往復直線運動させる第2駆動部26とを、機構制御部32がそれぞれ独立して制御することによって、レンズ14によって対象物99に対する投影パターンの焦点位置を変化させつつ、カウンタウェイト24によってレンズ14の往復直線運動による振動を打ち消すことができる。
As described above, in the three-
また、図7および図8に示すように、第1駆動部20においては、略円形のレンズ14を中心として、直線lの方向と垂直な方向から、磁気回路構成23aの各部材と磁気回路構成23bの各部材とが対称的な位置に設けられている。さらに、略円形のレンズ14を中心として、直線lの方向と垂直な方向から、支持部14aが対称的な位置でレンズ14を挟み込むように配置されている。
Further, as shown in FIGS. 7 and 8, in the
このように、三次元スキャナ100においては、運動対象であるレンズ14を挟み込むようにして、第1駆動部20の各構成が対称的に配置されるとともに、支持部14aも対称的に配置されている。
As described above, in the three-
上述したように、本実施の形態に係る三次元スキャナ100は、レンズ14を往復直線運動させる複数の支持部14aを、レンズ14の外周側で互いに異なる位置に配置することによって、残留振動を極力抑えるように構成されている。残留振動をより抑えるためには、複数の支持部14aを極力平行に保ちながらレンズ14を支持することが要求されるが、複数の支持部14aを極力平行に保ちながら三次元スキャナ100を組み立てる際には、どうしても部品の製造上のバラツキなどにより組立上の誤差が生じ得る。組立上の誤差が生じてしまうと、物体を正確に往復直線運動させることが難しくなる。なお、上述したことは、レンズ14と支持部14aとの間の組立に限らず、カウンタウェイト24と支持部24aとの間の組立においても同様のことが言える。
As described above, the three-
そこで、本実施の形態に係る三次元スキャナ100では、レンズ14と支持部14aとの間の組立、およびカウンタウェイト24と支持部24aとの間の組立について、工夫がなされている。このような工夫について、以下、図11〜図12を参照しながら、レンズ14と支持部14aとの間の組立を例示しながら説明する。なお、図11〜図12においては、上述した例と同様に、レンズ14およびカウンタウェイト24の直線運動方向である直線lに平行な軸をX軸、直線lに垂直であって紙面の上向きの軸をZ軸、X軸およびZ軸のそれぞれに垂直な軸をY軸と称する。また、図11〜図12に示す例では、レンズ14と支持部14aとの間の組立について説明するが、カウンタウェイト24と支持部24aとの間の組立についても同様である。
Therefore, in the three-
図11は、三次元スキャナ100の内部構造を示す模式図である。図11に示すように、三次元スキャナ100は、三次元スキャナ100の前方に位置する第1ブロック801と、当該三次元スキャナ100の後方に位置する第2ブロック802と、第1ブロック801と第2ブロック802との間に位置する連結部800とを備える。
FIG. 11 is a schematic diagram showing the internal structure of the three-
三次元スキャナ100の内部においては、レンズ14が内周側に配置され、当該レンズ14の外周側に第1駆動部20が円筒状に配置されており、これらレンズ14と第1駆動部20とをひとまとめにして第1ブロック801が構成される。つまり、第1ブロック801は、円筒状の形状を有し、その内部に設けられた第1駆動部20における各構成のさらに内部の空間でレンズ14を保持する。第1ブロック801は、三次元スキャナ100のハウジング77の前方に位置する第1収容部501に収容される。
Inside the three-
三次元スキャナ100の内部においては、カウンタウェイト24が内周側に配置され、当該カウンタウェイト24の外周側に第2駆動部26が円筒状に配置されており、これらカウンタウェイト24と第2駆動部26とをひとまとめにして第2ブロック802が構成される。つまり、第2ブロック802は、円筒状の形状を有し、その内部に設けられた第2駆動部26における各構成のさらに内部の空間でカウンタウェイト24を保持する。第2ブロック802は、三次元スキャナ100のハウジング77の後方に位置する第2収容部502に収容される。
Inside the three-
連結部800は、第1ブロック801と第2ブロック802とを連結する。連結部800は、往復直線運動するための各構成が運動可能な状態で一体として三次元スキャナ100の内部に固定保持されている。具体的には、連結部800は、第1収容部501によって保持されたレンズ14と第2収容部502によって保持されたカウンタウェイト24とを、往復直線運動するための各構成が運動可能な状態で一体に連結している。さらに、連結部800は、その内部に設けられた空間において、前述した光源18、レンズ14、光学センサ71、およびプリズム72などを保持する。連結部800は、第1収容部501と第2収容部502との間に位置する連結収容部500に収容される。
The connecting
図12は、三次元スキャナ100が備える第1ブロック801の内部構造を示す模式図である。図12に示すように、第1ブロック801は、ヨーク51a、コイル52a、および磁石53aを含む磁気回路構成23aを収容して保持する。また、第1ブロック801は、レンズ14の外周を取り囲むようにして、レンズ14を固定する固定部190が収容されている。固定部190によって固定されたレンズ14の一端には、バネ55aが当接し、レンズ14の他端には、バネ55bが当接している。
FIG. 12 is a schematic diagram showing the internal structure of the
レンズ14は、固定部190とともに、支持部180および保持部160を介して支持部14aによって往復直線運動可能に支持されている。具体的には、レンズ14を固定する固定部190の一部には、支持部180がネジ止めされている。レール57b上を移動するブロック56bの一部には、保持部160がネジ止めされている。支持部180と、保持部160とは嵌合している。
The
(G.作用・効果)
以上のように、本実施の形態にかかる三次元計測システム1は、採光部12を有する把持可能な筐体(プローブ10およびハウジング77)と、レンズ14と、第1駆動部20と、光学センサ16と、機構制御部32とを含む。また、機構制御部32は、フレームレートを変えることなく、所定の期間における焦点位置Fの変化量ΔFを変えることで計測精度を変更する。
(G. Action / Effect)
As described above, the three-
そのため、光学センサ16のスペックを上げることなく計測精度を上げることができるとともに、計測精度を変更した前後で手ブレの影響を変えることなく計測精度を上げることができる。
Therefore, the measurement accuracy can be improved without increasing the specifications of the
また、本実施の形態にかかる第1駆動部20は、レンズ14の位置を移動させることで焦点位置Fを変更する。そのため、液体レンズのような可変焦点レンズを利用せずに焦点位置Fを変更することができ、三次元計測システム1を安価に作成することができる。また、可変焦点レンズに比べて安定して焦点位置を変更することができ、制御がし易い。
Further, the
また、本実施の形態にかかる第1駆動部20は、レンズ14の光軸方向に往復直線運動させることで焦点位置Fを変える。そのため、レンズ14の位置と焦点位置Fとの関係を計算しやすく、制御部30または制御装置200の処理負担を軽減することができる。
Further, the
また、本実施の形態にかかる変化機構は、レンズ14を直線運動させる第1駆動部20に加えて、カウンタウェイト24と、カウンタウェイト24を直線運動させる第2駆動部26と、レンズ14およびカウンタウェイト24が直線運動するように支持する支持部14a,24aとを含む。また、機構制御部32は、レンズ13とカウンタウェイト24とが相対する方向にそれぞれ同じ距離だけ直線運動するように第1駆動部20および第2駆動部26を制御する。
Further, the change mechanism according to the present embodiment includes a
これにより、カウンタウェイト24によって、レンズ14の直線運動による振動を打ち消すことができる。また、本実施の形態に係る三次元スキャナ100においては、レンズ14およびカウンタウェイト24をそれぞれの駆動部で独立して直線運動させることができる。そのため、同一のモータで並進ステージによってレンズ14およびカウンタウェイト24をともに直線運動させるような構成に比べて、長時間駆動し続けたとしても機械的な摩耗が生じにくい。したがって、レンズ14およびカウンタウェイト24の直線運動を実現する装置の長寿命化を実現することができる。
As a result, the
また、本実施の形態において、レンズ14およびカウンタウェイト24をそれぞれの駆動部で独立して直線運動させるような構成を採用したことで、磁気回路構成をレンズ14およびカウンタウェイト24のそれぞれの駆動部に採用することができる。すなわち、本実施の形態において、第1駆動部20は、磁石53a,53b、およびコイル52a,52bを含む磁気回路構成23を有し、レンズ14は、磁気回路構成23によって直線運動方向の力(電磁力(F))が与えられることで直線運動する。同様に、第2駆動部26は、磁石およびコイル(いずれも図示は省略する)を含む磁気回路構成27を有し、カウンタウェイト24は、磁気回路構成27によって直線運動方向の力(電磁力(F))が与えられることで直線運動する。
Further, in the present embodiment, by adopting a configuration in which the
これにより、カムなどの機構部品を用いてレンズ14またはカウンタウェイト24の直線運動方向へと力の向きを変えるような構成に比べて、機械的摩耗の影響を少なくすることができ、さらに、三次元スキャナ100全体の小型化および軽量化を図ることができる。また、機構部品を採用するよりも、磁気回路のみによる装置構成を採用した方が、耐久性に優れ、メンテナンスも容易である。
As a result, the influence of mechanical wear can be reduced as compared with a configuration in which the direction of the force is changed in the linear motion direction of the
また、本実施の形態において、第1駆動部20は、レンズ14の直線運動方向に弾性力を与えるバネ55a〜55dを含む。同様に、第2駆動部26は、カウンタウェイト24の直線運動方向に弾性力を与えるバネ(図示は省略する)を含む。これにより、レンズ14の慣性力、バネ55a〜55dの弾性力、およびダンパの粘性力からなる運動系の応答による共振現象を利用して、レンズ14またはカウンタウェイト24を振動させるため、消費電力を抑えることができ、効率がよい。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施の形態において、第1駆動部20は、ブロック56aおよびブロック56bのそれぞれとレール57aおよびレール57bのそれぞれとの接続面において、グリスなどの粘性を有する潤滑剤からなるダンパを含む。同様に、第2駆動部26は、前述のダンパ(図示は省略する)を含む。これにより、第1駆動部20を含む運動系と第2駆動部26を含む運動系に対して外部から加わる重力や、操作者による振動などを減衰させることができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施の形態において、第1駆動部20は、レール57aとブロック56aとの嵌合部およびレール57bとブロック56bとの嵌合部に掛かる各モーメントを打ち消し合う位置に部材が配置されている。同様に、第2駆動部26は、レールとブロックとの嵌合部(図示は省略する)に掛かる各モーメントを打ち消し合う位置に部材が配置されている。これにより、レンズ14の支持部14aまたはカウンタウェイト24の支持部24aに力のモーメントが極力掛からないため、残留振動を極力抑えることができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施の形態において、第1駆動部20は、直線lの方向と垂直な方向からレンズ14を挟み込む位置に部材が配置されている。同様に、第2駆動部26は、直線lの方向と垂直な方向からカウンタウェイト24を挟み込む位置に部材が配置されている。これにより、三次元スキャナ100全体の小型化を図ることができ、さらに、レンズ14の中心部にパターンを有する光を通すことができる。
Further, in the present embodiment, the member of the
また、本実施の形態において、レンズ14を支持する支持部14aは、カウンタウェイト24を支持する支持部24aとは別の部材である。これにより、設計の自由度が向上するため、三次元スキャナ100のような限られたスペースの中であっても適切に部材を配置することができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施の形態において、三次元計測システム1は、測定精度を調整するための調整部40であって、換言すると、焦点位置Fの変位量ΔFを調整する調整部40をさらに備える。これにより、測定部位に応じて測定精度を調整することができる。前述のように測定精度を上げると計測の深さ方向の計測範囲が狭くなり、測定時間が長くなるという問題がある。そのため、調整部40を備えることで、測定時間を短くすることができる。
Further, in the present embodiment, the three-
また、本実施の形態において、三次元計測システム1は、演算部220を有する制御装置200と、表示装置300とをさらに備える。これにより、ユーザは、表示装置300に表示された計測結果を確認しながら計測をすることができる。
Further, in the present embodiment, the three-
また、本実施の形態において、三次元計測システム1は、一の箇所を計測した後、次の箇所を計測するときに、計測済みの箇所の含み具合に基づいて、計測方法が正しいか否かを判定する判定部240さらに備える。換言すると、判定部240は、第1領域を計測した後、第2領域を計測する場合に、第1領域と第2領域との重畳度合いに基づいて計測方法が正しいか否かを判定する。前述のように、計測精度が上がることに伴い、必要なユーザの技量が上がるものの、判定部240を備えることで、ユーザに必要な技量が補填されることとなる。
Further, in the present embodiment, when the three-
<第2の実施の形態>
第1の実施の形態においては、レンズ14の位置Lとカウンタウェイト24とを対応付けて動かすとともに、変位量ΔLを容易に変更できるという観点からレンズ14とカウンタウェイト24とは各々異なる支持部14a,24aに支持され、各々異なる駆動部に制御される例を開示した。なお、レンズ14とカウンタウェイト24とは一の支持部に支持され、一の駆動部によって制御されるような構成であってもよい。また、装置の寿命の観点から、駆動部は磁気回路構成であるとしたが、機械式のモータであってもよい。第2の実施の形態においては、支持部が1つであり、機械式のモータにより、レンズおよびカウンタウェイトが動く。
<Second embodiment>
In the first embodiment, the
図13は、第2の実施の形態にかかる三次元スキャナ100aが備える焦点可変部50の概略構成図を示す図である。三次元スキャナ100aは、第1の実施の形態にかかる三次元スキャナ100と比較して、第1駆動部20を含む変化機構の代わりに焦点可変部50を備える。なお、焦点可変部50は、「変化機構」の一実施形態に対応する。
FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration diagram of a
焦点可変部50は、カウンタウェイト52と、支持部54と、駆動部56とを備える。カウンタウェイト52は、第1の実施の形態にかかる三次元スキャナ100が備えるカウンタウェイト24と同様の機能を果たす。より具体的には、カウンタウェイト52は、レンズ14の往復直線運動に起因する三次元スキャナ100の重心の偏りを相殺するために設けられており、レンズ14と相対する方向にレンズ14と同じ距離だけ往復直線運動する。
The
カウンタウェイト52とレンズ14とは、一の支持部54によってハウジング77内に支持されているとともに、直線lに平行な支持部54によって、直線lの方向に往復直線運動するように支持されている。すなわち、第1の実施の形態においては、カウンタウェイト24とレンズ14とは、互いに異なる支持部14a,24aによって直線lの方向に往復直線運動するように支持されているものの、第2の実施の形態においては、カウンタウェイト52とレンズ14とは、互いに共通の支持部54によって直線lの方向に往復直線運動するように支持されている。
The
駆動部56は、カウンタウェイト52およびレンズ14を直線lの方向に往復直線運動させる駆動モータであって、駆動を変えることで、変位量ΔLを変えることができる。
The drive unit 56 is a drive motor that reciprocates and linearly moves the
以上のように、三次元スキャナ100aは、支持部が1つであり、機械式のモータにより、レンズおよびカウンタウェイトが動くため、部品点数を少なくすることができる。なお、レンズの駆動による三次元スキャナの振動を軽減することができるのであれば、カウンタウェイトを設けなくともよく、たとえば、変化機構は、第1の実施の形態に示す第1駆動部20および支持部14aにより構成されるものであってもよい。
As described above, the three-
<第3の実施の形態>
図14は、第3の実施の形態にかかる三次元スキャナ100bが備える焦点可変部60の概略構成図を示す図である。三次元スキャナ100bは、第1の実施の形態にかかる三次元スキャナ100と比較して、第1駆動部20を含む変化機構の代わりに焦点可変部60を備え、レンズ14の代わりに液体レンズ70を備える。焦点可変部60は、「変化機構」の一実施形態に対応する。液体レンズ70は、「液体レンズ」の一実施形態に対応する。
<Third embodiment>
FIG. 14 is a diagram showing a schematic configuration diagram of a
第1の実施の形態において、機械的にレンズの位置を移動させることで焦点位置を変化させるものとしたが、第3の実施の形態においては、機械的にレンズの位置を移動させない可変焦点レンズである液体レンズ70を使用することで焦点位置を変化させる。
In the first embodiment, the focal position is changed by mechanically moving the lens position, but in the third embodiment, the variable focus lens does not mechanically move the lens position. The focal position is changed by using the
液体レンズ70は、たとえば、水溶液と油とを封入した容器の側面に電極を設け、当該電極に電圧を印加することで水溶液とオイルとの界面の形状を変化させて、焦点位置を変化させる方式を採用する。なお、図14においては、液体レンズ70を、1枚の両凸レンズとして模式的に示しており、水溶液やオイルなどの詳細構造は省略している。液体レンズ70は、印加する電圧値を大きくして行った時と、小さくしていった時とで焦点位置が異なるヒステリシス特性を有する。
The
焦点可変部60は、液体レンズ70に電圧を印加する装置であって、印加させる電圧を変化させることが可能な機構を備える。焦点可変部60は、液体レンズ70に加える電圧を変化させることで、液体レンズ70の焦点位置を変化させる。
The
以上のように、第3の実施の形態に係る三次元スキャナ100bのレンズは液体レンズ70であって、焦点位置Fを変化させる変化機構は液体レンズ70に印加する電圧を変化させる機構を有する焦点可変部60である。そのため、レンズの位置を変えることで焦点位置Fを変える機構と比べて、三次元スキャナ内に機械的な機構(駆動モータなど)を設ける必要がなく、焦点位置を変更するための構造をコンパクトにすることができる。
As described above, the lens of the three-
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be considered that the embodiments disclosed this time are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the scope of claims, not the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
1 三次元計測システム、10 プローブ、12 採光部、14 レンズ、14a,24a,54 支持部、16 光学センサ、18 光源、50,60 焦点可変部、20 第1駆動部、23,23a,23b,27 磁気回路構成、24,52 カウンタウェイト、26 第2駆動部、30 制御部、32 機構制御部、34 光学センサ制御部、40 調整部、51a,51b ヨーク、52a,52b コイル、53a,53b 磁石、55a,55b,55c,55d バネ、56 駆動部、56a,56b ブロック、57a,57b レール、70 液体レンズ、99 対象物、100,100a,100b 三次元スキャナ、200 制御装置、220 演算部、240 判定部、300 表示装置、400 電源、500 連結収容部、501 第1収容部、502 第2収容部、800 連結部、801 第1ブロック、802 第2ブロック。 1 Three-dimensional measurement system, 10 probes, 12 light collectors, 14 lenses, 14a, 24a, 54 supports, 16 optical sensors, 18 light sources, 50, 60 focus variable parts, 20 first drive parts, 23, 23a, 23b, 27 Magnetic circuit configuration, 24, 52 counter weight, 26 2nd drive unit, 30 control unit, 32 mechanism control unit, 34 optical sensor control unit, 40 adjustment unit, 51a, 51b yoke, 52a, 52b coil, 53a, 53b magnet , 55a, 55b, 55c, 55d spring, 56 drive unit, 56a, 56b block, 57a, 57b rail, 70 liquid lens, 99 object, 100, 100a, 100b three-dimensional scanner, 200 controller, 220 arithmetic unit, 240 Judgment unit, 300 display device, 400 power supply, 500 connected housing unit, 501 first housing unit, 502 second housing unit, 800 connecting unit, 801 first block, 802 second block.
Claims (13)
対象物に反射した光を取り込むための採光部を有する把持可能な筐体と、
前記採光部から取り込まれた光を通すレンズと、
予め定められた周期で前記レンズを往復運動させることで、前記レンズの焦点位置を変化させる変化機構と、
前記レンズを通った光を検出して読み出す検出部と、
前記レンズを通った光を前記検出部が検出する単位時間当たりの検出回数を変えることなく、1周期当たりの前記焦点位置の変位量を第1変位量から、前記第1変位量よりも小さい第2変位量に変更することで計測精度を変更し、当該変更後の前記第2変位量に従って前記変化機構を制御する制御部とを備える三次元計測システム。 It is a three-dimensional measurement system for medical use.
A grippable housing with a daylighting section to capture the light reflected by the object,
A lens that allows light taken in from the daylighting unit to pass through,
A change mechanism that changes the focal position of the lens by reciprocating the lens at a predetermined cycle.
A detector that detects and reads out the light that has passed through the lens,
The displacement amount of the focal position per cycle is smaller than the first displacement amount from the first displacement amount without changing the number of detections per unit time for the light passing through the lens to be detected by the detection unit. A three-dimensional measurement system including a control unit that changes the measurement accuracy by changing to a two- displacement amount and controls the change mechanism according to the changed second displacement amount.
前記レンズを直線運動させる第1駆動部と、
前記レンズの直線運動方向の直線上に設けられかつ前記レンズと同じ質量を有するカウンタウェイトと、
前記カウンタウェイトを直線運動させる第2駆動部と、
前記レンズおよび前記カウンタウェイトが直線運動するように支持する支持部とを含み、
前記制御部は、前記レンズと前記カウンタウェイトとが相対する方向にそれぞれ同じ距離だけ直線運動するように前記第1駆動部および前記第2駆動部を制御する、請求項3に記載の三次元計測システム。 The change mechanism is
The first drive unit that causes the lens to move linearly,
A counterweight provided on a straight line in the linear motion direction of the lens and having the same mass as the lens,
A second drive unit that linearly moves the counterweight,
Includes a support that supports the lens and the counterweight so that they move linearly.
The three-dimensional measurement according to claim 3, wherein the control unit controls the first drive unit and the second drive unit so that the lens and the counterweight move linearly by the same distance in opposite directions. system.
前記レンズまたは前記カウンタウェイトは、前記磁気回路構成によって直線運動方向の力が与えられることで直線運動する、請求項4に記載の三次元計測システム。 At least one of the first drive unit and the second drive unit has a magnetic circuit configuration including a magnet, a coil, and a yoke.
The three-dimensional measurement system according to claim 4, wherein the lens or the counter weight moves linearly when a force in a linear motion direction is applied by the magnetic circuit configuration.
前記変化機構は、前記液体レンズに印加する電圧を変化する機構である、請求項1に記載の三次元計測システム。 The lens is a liquid lens
The three-dimensional measurement system according to claim 1, wherein the change mechanism is a mechanism for changing the voltage applied to the liquid lens.
前記演算部により構築された前記三次元データを表示する表示部とをさらに備える、請求項1〜請求項9のうちいずれか1項に記載の三次元計測システム。 An arithmetic unit that constructs three-dimensional data based on a plurality of detection results read by the detection unit, and
The three-dimensional measurement system according to any one of claims 1 to 9, further comprising a display unit for displaying the three-dimensional data constructed by the calculation unit.
対象物に反射した光を取り込むための採光部と、
前記採光部から取り込まれた光を通すレンズと、
予め定められた周期で前記レンズを往復運動させることで、前記レンズの焦点位置を変化させる変化機構と、
前記レンズを通った光を検出して読み出す検出部と、
前記レンズを通った光を前記検出部が検出する単位時間当たりの検出回数を変えることなく、1周期当たりの前記焦点位置の変位量を第1変位量から、前記第1変位量よりも小さい第2変位量に変更することで計測精度を変更し、変更後の前記第2変位量に従って前記変化機構を制御する制御部とを備える、三次元計測装置。 It is a handheld and usable 3D measuring device for medical use.
A daylighting unit for capturing the light reflected by the object,
A lens that allows light taken in from the daylighting unit to pass through,
A change mechanism that changes the focal position of the lens by reciprocating the lens at a predetermined cycle.
A detector that detects and reads out the light that has passed through the lens,
The displacement amount of the focal position per cycle is smaller than the first displacement amount from the first displacement amount without changing the number of detections per unit time for the light passing through the lens to be detected by the detection unit. A three-dimensional measuring device including a control unit that changes the measurement accuracy by changing to a two-displacement amount and controls the change mechanism according to the changed second displacement amount.
前記レンズを通った光を前記検出部が検出する単位時間当たりの検出回数を変えることなく、1周期当たりの前記焦点位置の変位量の第1変位量から、前記第1変位量よりも小さい第2変位量への変更を受け付ける第1ステップと、
前記第1ステップにおいて受け付けた変更後の前記第2変位量に従って前記変化機構を制御する第2ステップとを備える、制御プログラム。 The focal position of the lens is changed by reciprocating the lens with a lighting unit for capturing the light reflected by the object, a lens passing the light captured from the lighting unit, and the lens at a predetermined cycle. A control program executed by a handheld and available medical three-dimensional measuring device including a change mechanism and a detection unit that detects and reads out light that has passed through the lens.
The first displacement amount of the displacement amount of the focal position per cycle is smaller than the first displacement amount without changing the number of detections of the light passing through the lens per unit time detected by the detection unit. 2 The first step to accept the change to the displacement amount and
A control program including a second step of controlling the change mechanism according to the second displacement amount after the change received in the first step.
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