JP2009078133A - 特に歯のような物体の３ｄ座標を決定する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体（３、４、５）、特に歯、または複数の歯、または歯列模型をスキャンするのに用いられるスキャナを提供する。
【解決手段】スキャナ（１）は、パターン（７）を物体（３、４、５）上に投影するプロジェクタ（２）、および記録光学系および画像センサ（１８）を備える。記録光学系は、第１画像化光学系（９）および第２画像化光学系（１０）を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体、特に１本の歯または複数の歯や歯列模型（dental cast）をスキャンするスキャナ、および物体、特に１本の歯または複数の歯や歯列模型の３Ｄ（３次元）座標を決定する装置に関する。

物体の３Ｄ座標を決定する装置および方法は、既に知られている。EP 299 490 B2は、歯科用補綴物を作る方法を記載し、ここで削られた歯（ground tooth）の輪郭線およびその周囲が作られ、その線は光電手段、特にビデオカメラで検出され、検出された値はコンピュータに入力され、歯および歯科用補綴物（dental prosthesis）の３次元構造が計算される。このように計算された構造によって、歯科用補綴物が製造されえる。

しかし届きにくい場所に位置する物体、特に患者の口腔内の歯の３Ｄ座標の検出は、ある種の困難さを伴う。

そこから発展して本発明の基礎となる目的は、物体、特に歯をスキャンする改良されたスキャナ、および物体、特に歯の３Ｄ座標を決定する改良された装置を提案することである。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を持つスキャナによって達成される。このスキャナは、物体、特に１つ以上の歯をスキャンするのに用いられ、ここで１つ以上の、または全ての歯が用意されえる。用意するという語は、一方では、歯科プレパレーション（dental preparation）、すなわち、例えば歯の残根を削ることを含み、他方では、光学的測定法で歯をスキャンするのに必要な準備（preparation）、例えばスキャンされるべき領域上に白いスプレーをスプレーすることを含む。

このスキャナは、物体上にパターンを投影するプロジェクタ、および記録光学系および画像センサ、特にＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサを備えるカメラを備える。本発明によれば、記録光学系は、第１画像化光学系および第２画像化光学系を備える。このようにして、ステレオ画像対がスキャナによって作られる。画像化光学系は、互いに離れたところに位置しえる。画像化光学系の光軸は、互いにある角をなすように構成されえる。好ましくは画像化光学系の光軸は、それら光軸が物体または歯の対応する領域に向かって導かれるように、互いに対してある角度をなすように配置されえる。その結果、物体または歯の領域は、よって２つのカメラで観測される。

本発明のスキャナは特に、小型化されたスキャナを構成しえる。本発明のスキャナは、患者の口の中の歯をスキャンするのに特に便利である。しかしスキャンされるべき物体に届きにくい他の応用例にも特に便利である。特に、本発明のスキャナは、耳内（intra-ear）スキャン、内視鏡的デジタイズ、および／または届きにくい場所にある体腔および／または機械および／または装置の通路内のために用いられえる。

有利な発展形は下位の請求項で規定される。

好ましくは、記録光学系はビームスプリッタを備える。画像化光学系からの画像は、ビームスプリッタへ供給されえる。ビームスプリッタは、これら画像を画像センサ上に投影しえる。そうすることにおいて、画像化光学系からの画像は、画像センサの異なる領域上にそれぞれ投影されえる。

さらなる画像化光学系を備えることが可能である。特に、全部で４つの画像化光学系が存在するよう、さらに２つの画像化光学系が提供されえる。それぞれの画像は、画像センサの別個の四半分上に投影されえる。

さらなる画像センサを備えることもさらに可能である。特に、１つの画像センサがそれぞれの画像化光学系について存在しえる。

写真を撮ることによって、物体または歯の特定の領域がカバーされえる。物体全体または歯全体またはいくつかの歯群または全ての歯群、およびおそらくはそれらの周辺部をカバーすることができるように、複数の写真が順次撮られえる。個別のショットは、全体の物体表現になるよう結合されえる。

この目的のために、物体のいくつかの領域または全ての領域をカバーするために、スキャナは物体の周りを動かされる。スキャナは、その座標系においてそれぞれの個別のショットを作るので、個別のショット群をなるべく詳細かつ正確に結合できるようにするために、スキャナの動きは有利には検出されるべきである。このプロシージャは、「位置合わせ（registering）」または「整合（matching）」と呼ばれる。

有利な発展形によれば、スキャナは、スキャナの位置および向きを検出する１つ以上のセンサを含む。このようにしてスキャナのための追跡システムが形成されえる。

スキャナの位置および向きを検出するために、６Ｄデータが好ましくはセンサ（群）によって供給される。６Ｄデータは、３つの並進データおよび３つの回転データからなる。その結果、スキャナの並進および回転の両方が完全に検出される。このようにして、追跡システムは、スキャナのために形成される。

他の有利な発展形によれば、スキャナは、１つ以上の加速度センサを含む。スキャナの動きは、加速度センサによって検出されえ、スキャナの位置は、それによって決定されえる。加速度センサによってスキャナの位置を検出することが可能である。

他の有利な発展形によれば、スキャナは、１つ以上の回転計（gyrometer）を含む。スキャナの回転、すなわち向きは、回転計によって検出されえる。

６Ｄ情報は６自由度に対応し、これはボディ、すなわちスキャナをその場所（位置）および向き（回転）についての空間内で一義的に定義するために規定されなければならない。スキャナの６Ｄ情報は、３つの並進成分および３つの回転成分によって定義される。

加速度センサの時間積分は速度を与える。そのさらなる時間積分は、軌跡成分を与える。そこから発展して、３つの加速度センサが用いられえる。しかし３つの並進成分全てを同時に決定するセンサも利用可能である。

回転加速度を検出する回転計にも同じことがあてはまり、回転加速度の時間積分を２回すれば回転の角が求められる。スキャナの回転の３つの空間的角度を得るために、３つの回転計を用いることができる。しかし３つの回転の空間的角度全てを与える回転計も存在する。

さらに３つの並進成分全ておよび３つの回転成分全てを与えるセンサも存在する。

その代わりにまたはそれに加えて、追跡システムのためのマーカがスキャナ上に設けられえる。追跡システムのためのマーカは、１つ以上のアクティブマーカでありえる。特に、赤外線マーカが用いられえ、これらは時間的に順次、トリガされる。しかし追跡システムのためのマーカは、１つ以上のパッシブマーカであってもよい。特に、パッシブマーカは、符号化された、および／または符号化されていない、反射する、および／または反射しないマーカでありえる。これらマーカは異なるパターンを有しえる。

スキャナ上にあるマーカは、最初に調べられる。したがってスキャナ上のマーカの位置は、既知である。それからマーカは、追跡カメラによって追跡される。追跡システムによって、スキャナの位置および回転姿勢が異なるショット群内でカバーされえる。このようにして、スキャナの異なる個別のショット群が結合される可能性が改善され、または新たに作られる。

物体、特に歯の３Ｄ座標を決定する装置において、本発明の基礎となる目的は、請求項１２の特徴によって達成される。本装置は、物体または歯をスキャンする本発明のスキャナ、およびスキャナによって撮られた写真から物体の３Ｄ座標を決定する評価手段、特にコンピュータ、とりわけ関連付けられたソフトウェアを含むＰＣ（パーソナルコンピュータ）を備える。

好ましくは、本発明による装置は、スキャナの位置および向きを決定する追跡システムを備える。追跡システムは、スキャナが、スキャナの位置および向きを検出する１つ以上のセンサを含むよう形成される。特に、追跡システムは、スキャナが加速度センサおよび／または回転計を含むよう形成されえる。スキャナの位置および向きを検出するセンサ（群）の、および／または加速度センサの、および／または回転計（群）のデータ、特にスキャナの６Ｄデータは、時間積分によってスキャナの位置および回転姿勢へ計算されて戻される。しかしその代わりまたはそれに加えて、他の追跡システム、特に赤外線追跡システムも用いられえる。

本発明の実施形態は、添付の図面を参照して以下に詳細に説明される。

図１は、パターンを歯３、４、５に投影するためのプロジェクタ２を含むスキャナ（scanner）を示す。歯４は削られた歯（ground tooth）であり、隣接する歯（３、５）は削られておらず、削られた歯４の周囲を形成する。プロジェクタ２は、光源６、パターントランスペアレンシー（pattern transparency）７、および投影光学系８を備える。光源６は、電球またはＬＥＤでありえる。パターントランスペアレンシー７の代わりに、透過光型ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）も用いられえ、このＬＣＤはパターンを形成するために駆動されえる。しかしこのパターンは、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）またはＬＣＯＳ（シリコン基板上の反射型液晶）法によっても投影されえる。

スキャナ１において、第１画像化光学系９および第２画像化光学系１０がさらに設けられ、これら光学系は互いに距離が置かれ、その光軸１１、１２は互いに対してある角度をなす。光軸１１、１２が削られた歯４の共通領域に向かって導かれるように、画像化光学系９、１０の距離、および光軸１１、１２の向きが選ばれる。

スキャナ１はビームスプリッタ１３をさらに備える。画像化光学系９からビームスプリッタ１３に至る光路において、第１ミラー１４が提供され、これは第１歯４から来る光を反射し、第１画像化光学系９によってビームスプリッタ１３の第１ミラー表面１５上に投影される。これに対応して、第２画像化光学系１０の光路中には第２ミラー１６が設けられ、このミラーは、削られた歯４から来る光を反射し、第２画像化光学系１０によってビームスプリッタ１３の第２ミラー表面１７に投影される。ビームスプリッタ１３のミラー表面１５、１７から、光はＣＣＤセンサ１８へ反射される。第１画像化光学系９からの画像は、ＣＣＤセンサ１８の左半分上に投影され、第２画像化光学系１０からの画像はＣＣＤセンサ１８の右半分上に投影される。画像化光学系９、１０からの画像は、ビームスプリッタ１３に供給され、ビームスプリッタ１３は、これら画像をＣＣＤセンサ１８の異なる領域上に投影する。このようにして、ステレオ画像対がＣＣＤセンサ１８上に作られ、この画像対は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）上に存在するソフトウェアによって評価されえる。ＣＣＤセンサ１８は、分割されたＣＣＤチップを構成しえる。

図２に示されるスキャナ１は、図１に示されるスキャナ１に対応するので、上述の要素は繰り返し説明はされない。図２に示されるスキャナは、スキャナ３の位置および向きを検出するセンサをさらに含む。これらセンサは、３つの加速度センサ１９、２０、２１であり、これらセンサのそれぞれは、ｘ、ｙ、およびｚ方向のデータを供給し、これらデータから６Ｄ（６次元）データが導出されえる。これらの加速度データから、スキャナ１の空間内での位置および回転位置が決定されるように、これらの加速度データは時間積分されえる。加速度センサ１９、２０はスキャナ１のハンドル２７内に配置されえる。

図３は、カンチレバー２２、２３、２４を持つ図１または２のスキャナを示し、これらカンチレバーの端部において赤外線マーカ２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、具体的には赤外線ダイオードが設けられ、これらマーカが赤外線追跡カメラ２５のためのデータを供給する。赤外線マーカ２７〜３３は赤外線ビームを照射し、これらビームは赤外線追跡カメラ２５によって受け取られる。追跡システム２６は、マーカ２７〜３３およびカメラ２５からなり、手持ちスキャナ１の位置および向きをそれらから決定しえる。

本方法は、赤外線ダイオード２７〜３３が１つずつ順番に点灯するよう実行されえる。これは追跡カメラ２５（３ラインカメラでありえる）によって時間的に逐次に検出され、この結果、距離が決定されえる。赤外線マーカ２７〜３３の相互接続は、その較正によって明確に規定される。その結果、空間内での位置および向きが計算されえる。評価されるマーカが多いほど、位置および向きは、より正確に決定されえる（例えばマーカのうちいくつかは測定のあいだに隠れる）。

本発明によれば、ステレオ画像対の評価に基づく計量方法が実行されえる。この方法においては、物体が２つのカメラで観測される。適切なアルゴリズムによって、両方の画像内に同じ特徴が見いだされ、相関付けられる。較正されたシステムにおいて、すなわち両方のカメラの位置および向きが既知であるとき、両方のカメラに観測されえるそれぞれの物点について、距離値、したがって３Ｄ（３次元）座標（スキャナの座標系において）が計算されえる。記録光学系は、ビームスプリッタを備える。このようにして、スキャナは小型化されえる。スキャンされるべき物体、特に機械または装置の届きにくい領域にある歯科プレパレーション（dental preparation）または物体は、２つの向きから観測されえる。同じシーンが、ただ１つの画像センサまたはＣＣＤチップ上に、２つの向きから投影される。２つよりも多い向き、特に４方向への拡張が可能である。全ての画像は１つのＣＣＤチップ上に投影されえる。しかし複数の画像センサを用いることも可能である。

異なる画像中にある物体の同じ特徴を見つけるために、物体上にパターンが投影される。投影されたパターンによって、関連付けられた画像領域は、両方の画像中に見いだされえる。

投影されるべきパターンは、確率的な、または順序付けられたパターンでありえる。このパターンは、線群または交差した格子群からなりえる。このパターンは、時間一定、または時間可変、または時間逐次のパターンでありえる。このパターンは、任意の図形パターン（点、線、格子など）でありえる。このパターンは、グレースケールパターンまたはカラーパターンでありえる。このパターンは、例えばクロムマスク（トランスペアレンシー）投影として、またはＬＥＤ（発光ダイオード）投影として、照射された光で投影されえる。しかしこのパターンは、例えばＬＣＯＳまたはＤＬＰ投影として、反射によっても投影されえる。

１つの画像記録はそれぞれ、点群の３Ｄ集合体の形をとるデータ記録を作りえる。しかしこの画像記録は、真の物体の表現物全体の一部だけを表しえる。この理由のため、物体の複数の個別ショットが連続的に作られえ、１つの物体表現全体を形成するために、これら個別ショット群が結合されえる。これを達成するためにスキャナは、物体の全ての領域をカバーするよう、物体の周りで動かされえる。その代わり、またはこれに加えて、スキャナは、例えば外部に取り付けられた追跡システムによって追跡されえる。

本発明は、物体の表面を動的にカバーする、特に歯科プレパレーションの表面を動的に口腔内でカバーする方法および装置を作る。パターンが表面上に投影され、デジタル３Ｄ（３次元）データを生成するために、このパターンは２つ以上の向きから観測され、対応する数の２Ｄ（２次元）画像に含まれる。２Ｄ画像の測量的評価が加えられ、２Ｄ画像で計算された時間逐次の個別３Ｄ画像が、スキャナの空間内での位置および向きを決定することによって、追跡システムによって組み合わせられえる。

測量的評価は、ステレオ画像対の評価でありえ、これは２つの異なる向きから調べられるべき物体を表す。しかし測量的評価は、いくつかの眺めからのいくつかの画像の評価であってもよく、特に４つの眺めからの４つの画像の評価でありえる。ステレオ画像対は、個別の画像でありえ、この画像は２つの視方向から撮られた画像の半分、２つからなる。４つの個別のショットは、４つの「画像四半分」として結合されえる。

追跡システムは、光学的または干渉型追跡システムでありえる。しかしスキャナの位置および向きを検出する、スキャナに取り付けられたセンサによって、追跡システムを実現することも可能であり、および／またはスキャナの速度および位置が時間積分を介して計算されえる加速度センサおよび／または回転計（gyrometers）によって追跡システムを実現することも可能である。加速度センサは、３つの並進データを供給しえる。回転計は、３つの回転データ、すなわちスキャナの向きに関するデータを供給しえる。６Ｄデータを得るよう加速度センサおよび回転計の両方を備えることが特に有利である。

本発明によって、物体の３Ｄ座標を決定することができる。これは、いくつかの画像、特に２つの画像における同一の特徴を相関付けることによって、３Ｄ座標が計算されることから達成されえる。この方法により、異なる向きから撮られたステレオ画像対の両方の画像において、関連付けられた同一の画像点が見いだされる。したがって画像化光学系を較正することによって、および三角法によって、物点の３Ｄ座標が計算されえる。画像中において同じ特徴を明確に割り当てることができるように、パターンが投影される。投影されたパターンは、特徴認識と呼ばれるこのプロセスのために用いられる。この方法においては、プロジェクタは、較正のうちの一部ではなく、ステレオカメラシステムとは独立している。

しかし物体の３Ｄ座標を決定する他の方法を実行することもできる。具体的には、「単一画像測定法」による方法、すなわち単一の画像記録から物体の３Ｄ座標が計算されえる方法も実行されえる。この方法が実行できるようにし、かつ同じ領域の複数の順次画像記録を避けるために、撮られた画像は、３Ｄ座標を計算するのに必要な全てのデータを含まなければならない。これを確かにするために、ふつうパターンが物体に投影される。このパターンを投影することができるように、光の異なる特性が利用されえる。例えば、DE 102 12 364 A1に記載されるように、このパターンは、異なる色の交差した格子でありえる。この方法において、プロジェクタはカメラと共に較正されなければならない。ある画像化光学系からの画像を用いて、かつ投影されたパターンを用いて、３Ｄ座標が計算され、これら３Ｄ座標が、もう一方の画像化光学系の画像および投影パターンから計算される座標と相関付けられ、最適化されるように、本方法は実行されえる。

一群の歯をスキャンするスキャナを示す概略図である。 加速度センサをさらに含む図１のスキャナの図である。 赤外線追跡システムのための赤外線マーカを持つ図１のスキャナの図である。

Claims (13)

1. 物体（３、４、５）上にパターンを投影するプロジェクタ（２）、および記録光学系および画像センサ（１８）を持つ、物体（３、４、５）、特に歯または複数の歯または歯列模型をスキャンするスキャナであって、
   前記記録光学系は、第１画像化光学系（９）および第２画像化光学系（１０）を備えることを特徴とするスキャナ。
2. 前記記録光学系はビームスプリッタ（１３）を備えることを特徴とする請求項１に記載のスキャナ。
3. さらなる画像化光学系を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のスキャナ。
4. さらなる画像センサを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスキャナ。
5. 前記スキャナ（１）の位置および向きを検出する１つ以上のセンサを、前記スキャナ（１）が含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスキャナ。
6. 前記１つ以上のセンサは６Ｄデータを供給することを特徴とする請求項５に記載のスキャナ。
7. 前記スキャナ（１）は、１つ以上の加速度センサ（１９、２０、２１）を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のスキャナ。
8. 前記スキャナ（１）は、１つ以上の回転計を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のスキャナ。
9. 追跡システム（２６）のためのマーカ（２７、２８、２９；３０、３１、３２；３３）が前記スキャナ（１）上に設けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のスキャナ。
10. 前記マーカは、アクティブマーカであることを特徴とする請求項９に記載のスキャナ。
11. 前記マーカは、パッシブマーカであることを特徴とする請求項９または１０に記載のスキャナ。
12. 物体（３、４、５）をスキャンするスキャナ（１）、および前記スキャナ（１）によって撮られた画像から前記物体（３、４、５）の３Ｄ座標を決定する評価手段を持つ、物体（３、４、５）、特に歯または複数の歯または歯列模型の３Ｄ座標を決定する装置であって、
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載のスキャナ（１）を備えることを特徴とする装置。
13. 前記スキャナ（１）の位置および向きを決定する追跡システム（２６）を備えることを特徴とする請求項１２に記載の装置。

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