JP2000074635A - 三角測量法によって所定の物体の表面構造を記録するための３次元カメラおよび方法 - Google Patents

三角測量法によって所定の物体の表面構造を記録するための３次元カメラおよび方法

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ヨアヒム・プファイファー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に歯科用の、三角測量法によって所定の物
体の表面構造を記録するための３次元カメラおよび方法
を提供する。 【解決手段】 カメラは、投影光経路（１、１′）を通
じて所定の物体（８）を照らすための一群の光ビーム生
成手段（３）と、所定の物体（８）により後ろ向きに散
乱された光を観察光経路（９）を通じ受取るためのイメ
ージセンサと、投影光経路（１、１′）内の、所定の物
体に投影されるパターンの生成手段とを含む。カメラ
は、投影光経路（１、１′）および／または観察光経路
（９）内に三角測量法角度変更手段（４、１０）を含
み、三角測量法角度は、投影光経路（１、１′）の中心
ビームと観察光経路（９）の中心ビームとの角度により
規定される。同一の所定の物体（８）について異なった
三角測量法角度（α、α′）で少なくとも２回３次元測
定を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】この発明は、三角測量法によって所定の
物体の表面構造を記録するための３次元（３−Ｄ）カメ
ラに関し、特に歯科用の３次元カメラに関する。この３
次元カメラは、一群の光ビームを生成するための手段を
含み、一群の光ビームは、第１の方向から所定の物体へ
向けて投影光経路を通じて案内され得、所定の物体を照
らすことができ、３次元カメラはさらに、所定の物体に
より後ろ向きに散乱された光を受取るためのイメージセ
ンサを備える観察光経路を含む。投影光経路と観察光経
路との間には角度が付けられており、これによって三次
元的測定が可能である。さらに、所定の物体に投影され
る基準パターンを生成するための手段が、投影光経路内
に配置される。
【０００２】このような３次元カメラ（すなわち三次元
構造を記録するためのカメラ）は、雑誌「計測学：セン
サ、装置、システム」（“Technisches Messen：Sensor
en,Gerate, Systeme”,1996年6月 254〜261頁、Oldenbo
urg-Verlag B3020）に開示される。その技術的内容は本
出願においてその全体として援用される。
【０００３】米国特許第４，５７５，８０５号は、所定
の物体の表面構造を、高低差または奥行きの差として記
録できる３次元カメラを開示している。この既知の３次
元カメラは、３次元カメラの光軸に対して角度をなす、
投影光経路および観察光経路を有する。所定の物体の方
向に一群の光ビームを発するための光源が、投影光経路
内に配置される。所定の物体により反射された光は、観
察光経路を通って３次元カメラのイメージセンサへと案
内される。イメージセンサからの信号は評価ユニットへ
与えることができ、それによって表面構造のイメージを
表示装置上に作り出すことができる。この３次元カメラ
は特に、歯にできた穴を記録するのに適している。
【０００４】ＥＰ−Ａ−０ ２５０ ９９３はまた、以
下のような３次元カメラを開示する。表面構造の高低差
または奥行き差を判定するため、基準パターンを表面構
造上に投影できるような態様で、基準パターンを生成す
るための手段が設けられる。位相偏移三角測量法と呼ば
れ、上記文献にさらに詳細に説明される方法を実行する
ための評価エレクトロニクスと関連付けて、表面構造に
よって反射されイメージセンサに入射する光を利用し
て、表面構造を、高低差および奥行き差として評定する
ことができ、モニタ上に擬似三次元イメージとして表わ
すことができる。
【０００５】上記文献から、表面構造に投影される基準
パターンは、ＬＣＤ配置または機械的格子により生成で
きる線形基準パターンであることが好ましいことは明ら
かである。基準パターンの所定の周期ごとに、明瞭範
囲、すなわち、物体の２つの点の間の高低差が明瞭に記
録され得る範囲が存在し、これは次の式によって表わさ
れる。
【０００６】明瞭範囲＝基準パターンの周期／投影光経
路と観察光経路との間の角度の正接。
【０００７】達成可能な測定精度は、電気的雑音および
他の影響によって限定されるため、常に明瞭範囲の何分
のいくつか（典型的には１００分の１）である。したが
って、周期が長いと明瞭範囲も大きいが、物体の２点間
の高低差はあまり精密には記録できない。短い周期だと
明瞭範囲も小さくなるが、物体の２点間の高低差は極め
て精密に記録できる。
【０００８】物体の２点間の大きな高低差も明瞭かつ精
密に記録できることが望ましいので、ＤＥ ９０ １３
４５４ Ｕ１では、所定の物体に第１の基準パターン
および第２の基準パターンを生成するための手段が投影
光経路内に設けられる３次元カメラが提案されている。
優先的に異なった周期の基準パターンを所定の物体に投
影することで、１つの基準パターンしか使用しなかった
場合と比べて、物体の２点間の実質的により大きな高低
差を明瞭に記録できる。
【０００９】この装置の不利な点は、第１の格子を第２
の格子に重ね合わせることが必要であり、全体として達
成される測定精度が落ちるか、または長い記録時間が必
要となることである。全体として、設計に掛かる経費が
極めて高くなる。
【００１０】ここでさらに、好ましくない表面構造の場
合でも、表面構造の測定を可能にするため、第１の方向
とは異なる第２の方向からさらなる投影光経路を通じて
所定の物体へと案内され得るさらなる一群の光ビームを
生成するためのさらなる手段が提案される。これによっ
て、表面構造を異なった方向から照らすことができ、基
準パターンを生成するための手段を各投影光経路内に配
置することが提案される。
【００１１】この装置の不利な点は、３次元カメラの手
動操作そのもののために装置の経費が掛かり、したがっ
て扱いの容易な装置は製造が困難なことである。
【００１２】この不利点は、ＷＯ９８／１１ ４０３
Ａ１にも存在する。ＷＯ ９８／１１ ４０３ Ａ１
は、パターン用の投影ユニットと記録ユニットとが別個
に構築され、測定プロセスの過程で互いに独立して位置
付けまたは導入できる、光記録、パターン投影および三
角測量法計算による物体の三次元測定のための方法およ
び装置を開示する。
【００１３】
【発明の概要】したがって、この発明の目的は、測定精
度を落すことなくしかしまた装置の経費を低く抑えつ
つ、大きな高低差があるときに明瞭な測定を達成するこ
とである。
【００１４】この目的は、投影光経路を通じて所定の物
体を照らすために一群の光ビームを生成するための手段
と、観察光経路を通じて所定の物体により後ろ向きに散
乱された光を受取るためのイメージセンサと、所定の物
体に投影されるパターンを生成するための投影光経路内
の手段とを有する、三角測量法によって所定の物体の表
面構造を記録するための、特に歯科用の、３次元カメラ
によって達成される。
【００１５】この発明により、３次元カメラは、投影光
経路の中心ビームと観察光経路の中心ビームとの間の角
度によって規定される三角測量法角度を変えるための手
段を、投影光経路および／または観察光経路内に含む。
【００１６】三角測量法角度を変えるための手段は、投
影光経路および／または観察光経路の中心ビームを変化
させる。これらの手段を設けることにより、大きな高低
差があるときに簡潔な構造を維持しつつ、明瞭な測定値
を得ることができる。
【００１７】一改良案により、三角測量法角度を変える
ための手段は、その形および／または位置を変えること
ができる絞り（diaphragm）である。絞りを開閉するこ
とで、中心ビームをずらすことができるが、その目的の
ためには非対称な絞りが必要である。
【００１８】他改良案によれば、三角測量法角度を変え
るための手段は、特にソレノイドにより駆動されるフラ
グの形の、投影光経路および／または観察光経路に挿入
されるシャドウプレートである。
【００１９】他の構成においては、その光伝送を変える
ことができる液晶を有する絞りが用いられる。
【００２０】さらに、三角測量法角度の差に、より大き
な影響を与えるために、投影光経路の中心ビームの進路
と観察光経路の中心ビームの進路との両方を変えること
が有利である。
【００２１】三角測量法角度として特に適切な角度は３
°から１５°であり、三角測量法角度は３％から５０％
変えることができる。
【００２２】この目的を達成するための他の方策は、特
に歯科用に、三角測量法によって所定の物体の表面構造
を記録するための方法にある。この発明による方法にお
いては、時間的に密な間隔で連続して同一の所定の物体
の３次元測定が少なくとも二度行なわれ、投影光経路の
中心ビームと観察光経路の中心ビームとの間の三角測量
法角度は二度の測定の間でわずかに変えられる。この三
角測量法角度の変更によって、測定される物体の記録が
変わり、そこから物体の三次元形態が計算できる。
【００２３】有利には、三角測量法角度は、０．７以上
１未満の値をとる係数によって、または１より大きく
１．３以下の係数によって変えられる。つまり、三角測
量法角度は、最小でその初期値の０．７倍に減じられ、
または、最大でその初期値の１．３倍に増加される。こ
の範囲において、信号が良質であることを前提とすれ
ば、明瞭範囲の良好な増加が達成できる。三角測量法角
度変更の係数が１に近いほど、信号は良質でなければな
らない。
【００２４】有利には、第１の測定後の三角測量法角度
の変更は、形および／または位置を変えることのできる
絞りにより、投影光経路および／または観察光経路に影
をつけるかまたは開くことで、中心ビームの位置をずら
すことによって、行なわれる。
【００２５】
【詳細な説明】図１中、投影光経路１は、手段３により
生成され得る第１の一群の光ビーム２により規定され
る。手段３はたとえばＬＥＤおよびレンズを有してよ
い。投影光経路１は、中央ビームにより代表される。中
央ビームという語は、一群の光ビーム２の強度および断
面区域に関し平均となるビームを意味するよう意図され
る。より正確には、これは、一群の光ビームの断面表面
における中心ビームの位置は、断面の点におけるそれぞ
れの光の強度で断面における点座標に重み付けしたもの
を平均することで得られる、ということを意味する。均
一な強度を備える円形の一群の光ビームにおいては、中
心ビームはその円の中央を通る。
【００２６】投影光経路１の一群の光ビーム２は、絞り
４を通ってプリズムチューブ５へと入り、プリズムチュ
ーブ５の長手方向軸に関して予め定められた角度で、プ
リズム６によって偏向された後、プリズムチューブから
一群の光ビームが出現する。プリズム６を通ってプリズ
ムチューブ５から出現する一群の光ビームは、中心ビー
ムで代表されているが、測定されるべき物体８の表面７
に当たりそこから後ろ向きに散乱される。
【００２７】後ろ向きに散乱された光は、観察光経路９
に沿って通過する。観察光経路９の中心ビームは表面７
を横切り、三角測量法角度と呼ばれる角度αが投影光経
路と観察光経路との間に含まれる。所定の物体８によっ
て後ろ向きに散乱された光は、再び、プリズム６を通じ
て観察光経路９に沿って偏向され、プリズムチューブ５
および第２の絞り１０を通ってイメージセンサ１１へと
送られる。イメージセンサ１１は、受取った光信号を電
気信号へと変換し、電気信号は、所定の物体８の表面構
造のイメージをそれから作り出すことができるデータを
得るよう、冒頭に引用した文献から既知の信号処理装置
へと送られる。
【００２８】イメージセンサ上に物体のイメージを形成
するため必要な光素子は、簡単にするため表わされてお
らず、同様に、物体上に格子のイメージを、そして格子
自身を形成するために必要とされる光素子も表わされて
いない。この構造はまた、上記雑誌「計測学：センサ、
装置、システム」２５７頁図６にも表わされ説明されて
いる。
【００２９】この発明の主題において不可欠なのは、そ
れぞれ投影光経路１および観察光経路９内の中心ビーム
をずらすための手段の配置である。図中、このために絞
り４は、破線１′で表わされるように中心ビーム１が上
方へずらされるよう、その下方領域で影を作ることがで
きるように設計されている。部分的に陰になった絞り４
を備える投影光経路１′を辿っていくと、三角測量法角
度αが減少していることが明らかにわかり、この減少し
た角度をしたがってα′で示す。
【００３０】絞りに影を付けると、中心ビームがずれ、
したがってイメージセンサ１１により受取られる光信号
は、絞りを開いて測定した光信号と比べ減衰される。中
心ビームがずらされる正確な態様は、この発明の基本原
理において直接重要なものではない。しかし、絞りは、
たとえば、再現性を高めるために止め具に対して移動す
るソレノイドにより駆動されるスライドなどによって影
を付けられるであろう。想起される代替例は、その形お
よび／または位置を変えることのできる絞り、または代
替的に、ＬＣＤアレイにより制御されるピンホール絞り
（pin hole diaphragm）である。中心ビームを変えるた
めに使用される手段を選択する際には、利用可能な空間
の最適利用が必要不可欠な要素である。
【００３１】わずかに異なった三角測量法角度での２つ
の記録から、個別の記録の元々の明瞭範囲をも超える明
瞭な測定結果がどのようにして計算できるかを以下に説
明する。
【００３２】図２中、この発明による２つの測定記録か
ら得られる高さ測定値ｘα、ｘα′を、測定された物体
の実際の高さプロファイルｚに対し図中にプロットす
る。
【００３３】個別の測定記録が不明瞭であるため、この
場合、図は「のこぎり歯」型となっている。この「のこ
ぎり歯」の周期が個別の記録の明瞭範囲（Ｅ）である。
ｚの値が大きいと測定値ｘαとｘα′との差が大きくな
っていることがわかる。したがってこの差から、物体の
点がどの明瞭範囲（順番）に位置しているかの結論を引
き出すことができる。もし順番がわかっていれば、図２
中高さＺ１、Ｚ２およびＺ３について示すようにｘαお
よびｘα′から絶対高さ値ｚを計算できる。この目的
で、値ｘαにはＥの正しい倍数のみを加算する。個別の
記録からの値ｘαおよびｘα′についてのこのような計
算を通じて、個別の記録の不明瞭性が取除かれる。二重
記録は倍数範囲において明瞭であり、より正確にいう
と、少し考えるとわかるように、二重記録の結果として
の明瞭範囲は個別記録の明瞭範囲よりも係数α／（α−
α′）だけ大きい。この発明による考えが基礎を置く典
型的な値においては、係数１０での改良が得られる。
【００３４】三角測量法値αでの第１の測定によって与
えられる測定精度（雑音）は、測定値には固定値Ｅしか
繰返し加算されないため、この場合変化しない。たとえ
ばより光の強度が弱いために第２の記録の質が落ちたと
してもこれは真である。
【００３５】２つの測定記録の間における物体に対する
カメラの運動は、同じ理由から同様に測定精度に影響は
与えず、最悪でも、誤ったＥの倍数が加算された効果を
及ぼし得る程度である。
【００３６】不明瞭性のない二重三角測量法によって、
カメラに対しての測定される物体の位置の絶対的測定が
可能となる。
【００３７】これらは、たとえば、光イメージ形成にお
ける誤差またはユーザによる位置付け誤差の微妙な補正
のために使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ３次元カメラの基本光経路を示す図である。
【図２】 測定高さプロファイルを示す図である。
【符号の説明】
１ 投影光経路、２ 一群の光ビーム、３ 手段、４
絞り、５ プリズムチューブ、６ プリズム、７ 表
面、８ 物体、９ 観察光経路、１０ 第２の絞り、１
１ イメージセンサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アクセル・シュボーツァー ドイツ連邦共和国、64521 グロス−ゲラ ウ、アウフ・デル・カルブスベウヌ、21

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 投影光経路（１、１′）を通じて所定の
    物体（８）を照らすために一群の光ビームを生成するた
    めの手段（３）と、 観察光経路（９）を通じて所定の物体（８）により後ろ
    向きに散乱された光を受取るためのイメージセンサと、 所定の物体に投影されるパターンを生成するための、投
    影光経路（１、１′）内の手段とを含む、特に歯科用
    の、三角測量法によって所定の物体の表面構造を記録す
    るための３次元カメラであって、 投影光経路（１、１′）の中心ビームと観察光経路
    （９）の中心ビームとの間の角度により規定される三角
    測量法角度を変えるための、投影光経路（１、１′）お
    よび／または観察光経路（９）内の手段（４、１０）を
    特徴とする、三角測量法によって所定の物体の表面構造
    を記録するための３次元カメラ。
  2. 【請求項２】 三角測量法角度を変えるための前記手段
    は、その形および／または位置を変えることができそれ
    を通じて中心ビームの進路を変えることができる絞り
    （４、１０）であることを特徴とする、請求項１に記載
    の三角測量法によって所定の物体の表面構造を記録する
    ための３次元カメラ。
  3. 【請求項３】 三角測量法角度を変えるための前記手段
    は、特にソレノイドにより駆動されるフラグの形の、投
    影光経路（１、１′）および／または観察光経路（９）
    に挿入されるシャドウプレートを含むことを特徴とす
    る、請求項１または請求項２に記載の三角測量法によっ
    て所定の物体の表面構造を記録するための３次元カメ
    ラ。
  4. 【請求項４】 前記絞りは、その光伝送を変えることが
    できる液晶を有することを特徴とする、請求項２に記載
    の三角測量法によって所定の物体の表面構造を記録する
    ための３次元カメラ。
  5. 【請求項５】 投影光経路（１、１′）の中心ビームの
    進路および観察光経路（９）の中心ビームの進路は両方
    とも、三角測量法角度を変えるための適切な手段によっ
    て変えることができることを特徴とする、請求項１から
    ４のいずれか１項に記載の三角測量法によって所定の物
    体の表面構造を記録するための３次元カメラ。
  6. 【請求項６】 前記三角測量法角度は３°から１５°の
    範囲内にあることを特徴とする、請求項１から請求項５
    のいずれか１項に記載の三角測量法によって所定の物体
    の表面構造を記録するための３次元カメラ。
  7. 【請求項７】 前記三角測量法角度は３％から５０％変
    えることができることを特徴とする、請求項１から請求
    項６のいずれか１項に記載の三角測量法によって所定の
    物体の表面構造を記録するための３次元カメラ。
  8. 【請求項８】 特に歯科用の、三角測量法によって所定
    の物体の表面構造を記録するための方法であって、時間
    的に密な間隔で連続して同一の所定の物体（８）の少な
    くとも２回の３次元測定が行なわれ、投影光経路（１、
    １′）の中心ビームと観察光経路（９）の中心ビームと
    の間の三角測量法角度（α、α′）は二度の測定の間に
    若干変えられることを特徴とする、三角測量法によって
    所定の物体の表面構造を記録するための方法。
  9. 【請求項９】 三角測量法角度は、最小でその初期値の
    ０．７倍に減じられ、最大でその初期値の１．３倍に増
    加されることを特徴とする、請求項８に記載の三角測量
    法によって所定の物体の表面構造を記録するための方
    法。
  10. 【請求項１０】 形および／または位置を変えることが
    できる絞り（４、１０）によって、投影光経路および／
    または観察光経路に影を付けるかまたは開くことによっ
    て、中心ビームの位置がずらされ、第１の測定後に前記
    三角測量法角度の変更が行なわれることを特徴とする、
    請求項８および９のいずれか１項に記載の三角測量法に
    よって所定の物体の表面構造を記録するための方法。
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