JP2009526216A - クロマティック共焦点三次元計測技術のための迅速かつ強力な方法および装置 - Google Patents

Abstract

多色点光源のアレイと、横方向のスペクトル分離のための手段の前に配置された平面検出器マトリクスと、物体の照射および撮像のための対物レンズとを有する、特に物体形状、特に人間の顎内の歯を迅速に三次元計測するためのクロマティック共焦点技術のための方法および装置である。本発明によって、色較正のために、スペクトル定義された基準光束が点光源のアレイの部品を使用して生成され、その際、この基準光束が基準光路を経て横方向の色分離のために検出器光路内で結合され、引き続き検出器マトリクス上で基準点画像として合焦される。検出器マトリクス上でスペクトル基準点の位置が算出され、この位置を利用してサブマトリクスが物体光のスペクトル分析のために検出器マトリクス上に高いピクセル精度で画定され、これは次いで計測値を取得するために利用されることで、検出器マトリクスは完全に細長いサブマトリクスで塞がれることができ、その際、平面アレイは平面検出器マトリクス上のスペクトル軸に対して鋭角だけ回転されて配置され、この回転は、点光源が検出器マトリクスの平面に投影される際に、点光源の連結線が平面でスペクトル軸、すなわちλ軸と鋭角をなすように装置の光軸（ＯＡ）を中心に行われる。

Description

共焦点顕微鏡はマービン・ミンスキー（Ｍａｒｖｉｎ Ｍｉｎｓｋｉ）によって提案されている。１９６１年１２月１９日付の米国特許第３、０１３、４６７号明細書をも参照されたい。

クロマティック共焦点技術は、機械的に移動する部品を用いずに合焦を実現し、ひいては原則として計測時間を短縮することを可能にする。これは１９８３年、Ｇ．モレシーニ（Ｍｏｌｅｓｉｎｉ）によって提案されている。英国特許第２１４４５３７号明細書、およびドイツ特許第３４８５９３ Ｃ２号明細書をも参照されたい。クロマティック共焦点方式の成功した応用例はＨ．Ｊ．ティツィアーニ（Ｔｉｚｉａｎｉ）およびＨ．Ｍ．ウーデ（Ｕｈｄｅ）による学術論文「クロマティック共焦点顕微鏡による三次元画像検出」（応用光学誌、第３３巻第１号、１９９４年４月、１８３８から１８４３ページ）に記載されている。この場合、スペクトル分析は３つのカラーフィルタによって行われる。しかし、それによって達成可能な奥行き計測範囲および奥行き分解能は限定される。

文献、ドイツ特許第１０３ ２１ ８８５ Ａ１号明細書には屈折力可変部品、例えば回折部品を有するクロマティック共焦点装置が記載されている。この文献の図２に記載されている装置には、照射のための波長にわたる共焦点信号を得るために一連のマイクロレンズが配置され、分析のためにフラットカメラが後置されているので、線形分光計を使用して単一の平面カメラ画像を用いて線形プロファイルを撮像可能である。Ａ．Ｋ．ルプレヒト（Ｒｕｐｒｅｃｈｔ）、Ｋ．ケルナー（Ｋｏｅｒｎｅｒ）、Ｔ．Ｆ．ヴィーゼンダンガー（Ｗｉｅｓｅｎｄａｎｇｅｒ）、Ｈ．Ｊ．ティツィアーニ（Ｔｉｚｉａｎｉ）、Ｗ．オステン（Ｏｓｔｅｎ）の「高速マイクロトポグラフィ計測用のクロマティック共焦点検出」（ＳＰＩＥ（（国際光工学会））議事録第５３０２−６巻、５３〜６０ページ）には、図４に線形トポグラフィ計測用のクロマティック共焦点線形センサが記載されている。この場合はクロマティック共焦点装置の波長にわたる共焦点信号を得るために線形分光計が後置されているので、物体表面の線形プロファイルを単一のフラットカメラと線形分光計とを使用して単一のカメラ画像を用いて撮像可能である。分光計を使用することによって基本的に、３つのカラーフィルタ、またはＲＧＢカラーカメラ、または４チャネル・カラーカメラを有する装置と比較してスペクトル分解能が高く、したがって有利である。

しかし、これらの公知の文献には、３つまたは４つのカラーチャネルを使用するよりも高いスペクトル分解能を達成できるような物体形状または超微細物体の形状を三次元計測するための特徴、すなわちカメラを使用したクロマティック共焦点技術およびスペクトル分析を用いて単一のカメラ画像の撮像期間、すなわちカメラフレームの露光時間内で物体形状の完面像を検出するための特徴は記載されていない。

２００１年６月にポツダム大学に提出されたＪ．シュモール（Ｓｃｈｍｏｌｌ）の学位論文「銀河系外放射線の三次元分光測光法」には、１２〜１３ページにカーテス（Ｃｏｕｒｔｅｓ）らによって１９８８年に初めてＴＩＧＥＲ分光法で使用されたレンズ格子直接結合が記載されている。この場合は、レンズ格子は拡散方向に対して角度φだけ回転される。この技術は隣接するスペクトルの移動により評価が複雑になり、平面センサは平面充填率が高くないのでその平面が経済的に活用されない。この場合、学問的な研究では三次元分光測光法、および結像分光計、ならびに面分光法の概念も用いられる。

物体形状または１つまたは複数の物体の形状および位置を三次元計測するための本明細書に記載の発明は、技術分野における様々な目的、例えば精密工学技術、および広いスケール範囲のマイクロシステム技術で微小物体、特に機械製造において深く、または高く形成された物体の三次元形状を迅速に判定するために使用できる。さらに、複数の微小物体を含む生物物体、および成形された人工物体、ならびにあらゆる種類の先史時代の物体も三次元計測することができる。さらに、生物の眼の角膜の形状計測も本発明による解決方法で極めて迅速に行うことができる。この方法の横方向および奥行き方向の分解能のスケール範囲は複数の大きさを含むことができる。

さらに、物体形状の三次元計測のための本発明は特に、人間の顎内の歯、または複数の歯にも応用可能である。さらに本発明は特に、歯科の分野のあらゆる種類の用途のために形状の迅速な三次元計測にも応用される。

本発明の目的は、業務用の迅速な三次元計測のための較正を含む汎用の光学的計測方法および計測システムを提供することにある。

本発明の技術的な目的は、顕微鏡スケールの計測を含むあらゆる種類の物体または複数の物体の形状を迅速に三次元計測する際の強力さを高めることにある。したがって、この目的は幾何形状に関する情報を得ることであり、分光法に関する情報を得ることではない。

本発明の課題は、クロマティック共焦点技術による物体形状または物体または複数の物体の形状および位置を迅速に三次元計測するための物体または複数の物体の平面光走査の際に、較正によって精度を高めるためにスペクトル基準を用いて物体空間の様々な奥行きを同時に計測し、特に単一のカメラ画像を撮像する期間、すなわちカメラフレームの露光時間内で取得することにある。その際に、物体は技術領域および非技術領域のあらゆる種類の物体であってよい。その際に、複数のカラーフィルタまたはＲＧＢカラーカメラ、または多チャネル・カラーカメラを使用して３つまたは４つのカラーチャネルを用いる場合よりも大幅に高いスペクトル分解能を達成可能である必要がある。

本明細書では特に、較正による精度の向上のためにスペクトル基準を用いたクロマティック共焦点技術で人間の顎内の歯の形状を比較的迅速かつ強力に三次元計測することを目的とする。

顕微鏡的なスケールを含む物体形状、または物体または複数の物体、特に人間の顎内の歯、または複数の歯の形状および位置を三次元計測するためのクロマティック共焦点技術用の方法および装置で、以下の部品、すなわち、複数の光束を生成する少なくとも１つの前置された多色光源および少なくとも１つの格子状受動部品を備える多色点光源の平面アレイと、ビームスプリッタと、屈折力が波長に依存するクロマティック奥行き分割用の少なくとも１つの素子と、横方向にスペクトル分離するための手段と検出器マトリクスに合焦させるための手段とが前置された、検出器の光路内の好ましくはピクセル化された少なくとも１つの平面検出器マトリクスと、物体を照射、かつ撮像するための計測対物レンズとが使用される。その際、光線は紫外光範囲から赤外光範囲までの電磁放射線と同義に用いられる。その際、多色点光源は自己発光光源であるか、または多色光源の平面アレイがマイクロ絞りアレイとして、またはマイクロレンズアレイとして、またはマイクロ絞りが後置されたマイクロレンズアレイとして形成され、平面アレイには少なくとも１つの多色計測用光源が前置される。

本発明により、この方法および装置では少なくとも一時的に、少なくとも部分的にスペクトル定義された、すなわちスペクトルが予め定められた基準光束が装置の色較正、すなわちスペクトル較正のために生成され、この光束はアレイの少なくとも１つの格子状受動部品を経て、および好ましくはアクロマティック基準光路を経て拡散され、ビームスプリッタによって装置内で結像される。基準光束は基準光路内で反射され、基準光路用に波面の反転形が生成される。

基準光束を生成するため、計測用光源には好ましくは少なくとも１つの補足的な、少なくとも部分的にスペクトル定義された、すなわちスペクトルが予め定められた基準光束が割り当てられ、または少なくとも部分的にスペクトル定義された基準光が好ましくは計測用光源または多色点光源から好ましくは光フィルタリングによって生成される。

好適には、好ましくは少なくともほぼ単色の、好ましくは電気的に切換え可能な別個の基準光源をマイクロ絞りアレイ、またはマイクロレンズアレイ、またはマイクロ絞りアレイが後置されたマイクロレンズアレイの前に配置することができる。この基準光源は単一のレーザダイオードによって実施可能である。

しかし、好ましくは２つの、好ましくは少なくともほぼ単色の、好ましくは電気的に開閉可能な別個の基準点光源がマイクロ絞りアレイ、またはマイクロレンズアレイ、またはマイクロ絞りアレイが後置されたマイクロレンズアレイが前置され、これがアレイを好ましくは全面的に照射する。しかし、これに対して装置の色較正用の基準光源は計測工程中にスイッチオフされる。したがって、好ましくは色較正の場合だけ、基準光源によって照射されるアレイ、または基準光源によって照射されるアレイの格子状部品だけが光を放出し、この光が基準光路を経て基準光束を用いて結像され、その際、基準光路内で好ましくはアレイの少なくとも１つの格子状部品の中間結像を行うことができる。この基準光源はレーザダイオードによって実施可能である。

さらに、本発明によってアレイの同一の部品、例えば同一のマイクロレンズまたはピンホールが使用されるので、本発明によって計測用光源の位置は少なくともほほ横方向では基準点光源の位置と常に同一になる。したがって、光源が交換されるか、光フィルタが交換されるか、または光源のスペクトル特性が変更されるだけである。さらには本発明によって、点光源の平面アレイがスペクトルを所定の通りに変更することが可能であるので、１つには計測用の多色光を、さらには好ましくは少なくともほぼ単色光であるスペクトル限定された光を色較正用に生成可能であり、これは好ましくは異なる期間に行われる。

さらに、多色光源が好ましくは１つまたは複数の特徴的な所定の特性、例えば局部的な最小点、または最大点、ならびに急勾配の辺をスペクトル内に有することも可能であり、これらの特性は１つまたは複数の別個の基準光源の代わりに装置の較正に利用される。しかし、数量的に手間がかかる手順をやめた場合に、通常は評価の精度が高まるので。評価にはむしろ平坦な計測光スペクトルが有利である。

基準光束は基準光路を通過した後、検出器に通じる光路内で再度結合され、回折素子または拡散素子、すなわち回折格子または拡散楔プリズムによるスペクトル分離の後、好ましくは合焦されて、好ましくはピクセル化された検出器マトリクスに到達し、その際に好ましくは、基準光束も、物体光束も検出器の対物レンズのひとみを少なくともほぼ同じ平坦さで通過する。検出器マトリクスによって、基準光束を用いて好ましくは鮮鋭に結像された点光源の像、すなわち基準点像も検出される。その際、本発明によってこの基準点像のデータを用いて、横方向にずれている多数のサブマトリクスが物体光をスペクトル分析するため検出器マトリクス上で数値的に画定され、これらのサブマトリクスは次いで共通のサブマトリクス・アレイを形成し、物体形状の三次元計測に利用される。その際、各々のサブマトリクスは正確な物点の奥行き情報を得るために役立つ。各サブマトリクス内では、横方向の色分割による計測の際に物体光のスペクトル分析が行われる。

その際、基準点像を利用して好ましくは検出器マトリクスでのスペクトル分析のためのサブマトリクスの始端と終端とが検出器マトリクスを用いて得られた計測データによって定められる。これは、例えば基準点像の輝度の重心位置、または最大値位置を検出器マトリクス上の基準位置として、すなわちスペクトル基準点として数値によって判定することによって可能である。このスペクトル基準点は装置の色較正のために役立つ。すなわち、そこで少なくとも２つのスペクトル基準点の連結線が数値ベースでのスペクトル分析のための各サブマトリクスのスペクトル軸を形成する。この基準データを用いてサポートされるスペクトル基準点を利用した判定によって、検出器マトリクス上のスペクトル軸の角配向の情報がより高い精度で得られる。それによって、少なくとも検出器マトリクスの領域でスペクトル軸の位置を単一のサブマトリクスを利用して判定した場合よりも正確に判定できるようにするため、判定された基準点をベースにして各サブマトリクス内で定められたスペクトル軸の角配向を検出器マトリクス上のそれぞれより大きい範囲で平均化することも可能になる。例えばスペクトル分離の手段、例えば光軸を中心に拡散プリズム楔、または回折格子、または検出器マトリクスを回転させることによって事後調整することによる、基準データによってサポートされた装置の事後調整によって、少なくとも検出器マトリクスの中央部で、検出器マトリクス上のスペクトル軸を検出器マトリクスの行と正確に平行に、場合によっては列とも平行に位置合わせすることができる。それによって、特にピクセル密度がそれほど高くない検出器マトリクスの場合は奥行き計測精度が大幅に向上する。何故ならば、好ましくは正方形のサブマトリクスの外部境界区間は少なくともフィールド領域内では常に検出器マトリクスの行および列と同一であり、したがってサブマトリクスの境界区間は行または列を変えず、またはこれらと交差せず、それによってデータ評価の数量的な手間が大幅に軽減されるからである。その際に、例えば合焦対物レンズの歪みにより検出器マトリクス上のスペクトル軸の角配向がやや変化することがある。フィールドの別の領域では、歪みが比較的大きい場合は、検出器マトリクス上のスペクトル軸が変化して、サブマトリクスの境界区間が不都合にも検出器マトリクスの行または列と交差することがある。したがって、例えば計測フィールドの外部領域でのスペクトル軸の角配向の情報を意図的に計測結果の数値修正のために、ひいては精度を高めるために利用できる。

さらに、好ましくは、スペクトル基準点がそこから算出される少なくとも２つの基準点像の位置を利用して、例えばそれぞれのサブマトリクスごとの合焦対物レンズの歪みによる、場合によっては位置に幾分左右される、すなわちスペクトル軸に沿った検出器マトリクス上のスペクトル分離の程度が数値で判定される。それによって、スペクトル分析の際にスペクトル軸に沿ったサブピクセル補間を実行することができ、これは計測技術的にも有用である。このように、光路内に歪みがあり、かつ／または検出器マトリクスに横方向の調整ずれがあり、または例えば装置内の温度変化、または部品の老化のため検出器マトリクス上で生ずる光束の移動が少ない場合でも、計測時に発生する共焦点信号の最大値または重心での計測波長を極めて正確に判定できる。

計測可能な物体空間の様々な奥行きで成形された基準物体または平坦な基準物体によって、奥行き較正手順の期間内に、すなわち本発明による計測器の製造後に、物体点の奥行き位置が高い精度で特定の計測波長に割り当てられ、較正ファイルに長期間記憶される。その際、検出器マトリクス上のスペクトル基準点の位置も個々の各サブマトリクス用に長期間保存され、これはスペクトル基準点の調整位置を示す。計測用光源のスペクトルの特徴を利用した、または１つまたは複数の基準光源を利用した色較正、すなわち内部較正は、装置の使用前にスペクトル基準点の位置が常に選択可能な時間間隔で判定され、較正ファイル内に記憶されたスペクトル基準点の調整位置と比較されることによって、本発明による計測器の使用時に調整位置と比較したスペクトル基準点の位置の変化を検知する目的で行われる。その場合、不完全な計器部品、部品の老化、または調整ずれによる、不正確であると見なされる精度よりも大幅に正確な、例えば安定化されたレーザダイオードに基づいて、常に極めて正確なスペクトル基準が出発点になる。

本発明ではスペクトル情報の取得が目的ではなく、幾何形状の情報の取得が目的であるので、部品の色特性は情報取得のために内部的な役割を果たすに過ぎないため、スペクトル情報を明確に示すことは三次元計測の場合は全く不要である。

そこで、好ましくは、奥行き較正手順で各々の奥行きでサブマトリクス内の奥行きの色分割および横方向の色分割によって装置内に生ずる、基準物体の各々の計測可能な物体点の重心または最大点の横方向位置を、「物体の奥行きに関する横方向位置」を示す較正曲線としてサブマトリクスごとに長期間記憶することが可能である。この場合、補足的に、好ましくは検出器マトリクス上のスペクトル基準点の横方向位置も長期メモリにファイルされる。すなわち、各々の個々のサブマトリクスごとの調整位置が長期間記憶される。未知の物体を計測する場合は、色較正の結果としてサブマトリクスの実際の位置が幾分変化した場合でも、各々の個々のサブマトリクスごとにこの較正曲線「物体の奥行きに関する横方向位置」が用いられる。次いで、計測用光源のスペクトルの特徴を利用した、または１つまたは複数の基準光源を利用した色較正、すなわち内部較正は、スペクトル基準点の実際の横方向位置が制御されることによって、本発明による計測器を使用した場合の内部変化の趨勢を把握するために行われ、判定された偏差は場合によっては補正のために用いられる。これは計測または一連の計測の前に行われる。スペクトル基準点の実際の横方向位置が記憶されている目標横方向位置と極端に異なっている場合は、エラー報知がなされる。この場合は、外部からの奥行き較正が行われるか、または計器が新たに調整され、または修理される。装置の電磁放射源は広帯域で、例えば紫外線、可視光線、または赤外線内で形成可能であり、かつ短パルス化可能である。例えば、パルス周波数が例えば１００Ｈｚの範囲にある短パルスレーザを使用可能であり、そのパルスを検出器マトリクスと同期化させることが可能である。それによって急激に移動する場面の三次元計測が可能になる。

さらに、基準光束を好ましくは０次回折によって生成することも可能である。そのために、計測対物レンズのひとみ内に好ましくは回折光学素子、例えばゾーンレンズが配置される。

物体光束は好ましくは１次回折で生成され、それによって物体空間内に必要な奥行き方向の色分割が生ずる。

さらに基準光束は好ましくはアクロマティックに結像される。したがってその際、基準光束は好ましくは０次回折で回折され、合焦され、測定対物レンズに後置された部分反射を伴う基準面で反射される。それによって必要な波面の反転がなされ、それによって基準点光源アレイが適正に配向されて検出器マトリクス上に結像されることが可能になる。

他方では、基準光束はビームスプリッタでの分光の後にトリプルリフレクタによって後方反射されることもできる。この場合も波面の必要な反転がなされる。トリプルレフレクタは基準光を先ずほぼアクロマティックに反射する役割を果たす。この場合も波面の必要な反転がなされる。その際に、トリプルリフレクタには好ましくは計測光を大幅に抑制するための帯域消去フィルタが前置される。他方では、トリプルリフレクタは計測工程中、好ましくは、このリフレクタから計測光が反射されず、ひいては不都合に検出器に到達し得ないように側方に移動または傾倒されることができる。

他方では、物体の計測時に場合によっては不都合に基準光路を経て拡散されることがある計測余光を、好ましくは制御可能な光電的、または電気機械的手段によって検出器マトリクスから所定の減光または屈折によって遠ざけることが可能である。さらに基準光を計測信号内で数値補償することも可能である。

さらに、好ましくは計測工程中ではなく較正工程中だけ基準光路を経て計測光の一部が検出器マトリクスに達することによって、公知の方法でピクセルごとにサブマトリクスを光度較正するために、好ましくは多色計測光の一部を利用できる。計測光のこの部分が大幅に検出器マトリクスのピクセルの最大レベル以下である場合は、検出器マトリクスの多数の画像を撮像することによって多くの個別計測を累積することができる。これは通常は計測前に、背景ルーチンとしての２回の計測の間に実施されるが、それ以後のサブマトリクスのピクセルごとの光度較正も可能である。計測光の一部を制御可能な光学手段によって遮断可能ではなく、永久的に、すなわち光学的な物体走査の場合も常に検出器マトリクスに到達する場合は、計測光のこの部分はサブマトリクスによって得られた物体形状の三次元計測から常に差し引かれる必要があろう。

物体形状、または物体または複数の物体の形状または一を三次元計測するための強力なクロマティック共焦点技術のための装置は、装置内の以下の部品によって形成される。

すなわち、複数の光束を生成する少なくとも１つの前置された多色光源および少なくとも１つの格子状受動部品を備える好ましくは正方形の多色点光源の平面アレイ、ビームスプリッタ、屈折力が波長に依存する少なくとも１つの素子、横方向にスペクトル分離するための手段と検出器マトリクスに合焦させるための手段とが前置されることによって検出器マトリクス上にλ軸とも呼ばれるスペクトル軸が存在する、検出器の光路内の少なくとも１つの平面検出器マトリクス、および物体を照射、かつ撮像するための計測対物レンズである。

本発明によって、装置内には少なくとも１つの一時的に、少なくとも部分的にスペクトル定義する所定の基準光束を有し、しかし好ましくは２つ以上の基準光束を有する、装置を較正するための基準光路が配置され、その際、多色点光源の平坦アレイは本発明によって、平面検出器マトリクス（２１）のスペクトル軸に対して鋭角に相対回転された配置され、その場合、回転は装置の光軸（ＯＡ）を中心になされるので、点光源の連結線が検出器マトリクスの平面に投影される際には、この連結線はスペクトル軸、すなわちλ軸と鋭角をなす。

スペクトル分析のために検出器マトリクス上で物体光のスペクトル分離するための本発明によるサブマトリクスの配置は、検出器マトリクスが、互いに境界を接し、したがって重ならず、好ましくは検出器マトリクスの列と平行に配置された、横にずらされた細長いサブマトリクスによって少なくともほぼ全面的に塞がれるように行われる。さらにそれを達成するため、本発明によって、好ましくは少なくともほぼ正方形の格子状の多色点厚顔の平面アレイがスペクトル軸に対して鋭角だけ相対回転されて平面検出器マトリクス上に配置され、この回転は装置の光軸を中心になされるので、点光源の連結線が検出器マトリクスの平面に投影される際には、この連結線はスペクトル軸、すなわちλ軸と鋭角をなす。

その際に好ましくは、スペクトル軸はスペクトル分離のための前置された手段を検出器マトリクスの行と平行に配向することができる。それによって検出器マトリクスの面積を完全に利用した場合でも、長方形の細長いサブマトリクスを形成できる。その際の回転角αは好ましくは２．８°から２６．６°の範囲であり、この角度値は極めて低いスペクトル分解能を、ひいては極めて低い奥行き分解能をもたらすであろう。

その際に本発明によって、横方向のスペクトル分離のための前置された手段の、検出器マトリクス上に存在するスペクトル軸、すなわちλ軸も少なくともほぼ平行かつ少なくとも部分的に平行な基準直線ｇ’_ｋと鋭角αをなす。その際に、基準直線ｇ’_ｋは、好ましくはアレイの直に隣接する点光源、例えばｊ_ｋおよびＪ＋１_ｋから光学的な結像によって生成されるスペクトル基準点Ｒλ_ｊｋによって規定される。この基準点Ｒλ_ｊｋによって、基準点または複数の基準点の周囲のサブマトリクスの特定数のピクセルに数値が割り当てられることにより、検出器マトリクス上で好ましくは方形のサブマトリクスが数値的に画定される。その際、２つのスペクトル基準点を利用してサブマトリクスの幾何的な中点Ｍを特に正確に定めることもできる。

本発明による装置の設計に際して、サブマトリクスの最大幅ｂｍａｘに対する最大長さｌｍａｘの比Ｖが規定されると、（ただし長さｌｍａｘは所望の奥行き分解能を達成するために、また最大幅ｂｍａｘはサブマトリクスの輝度分布間のクロストークの低減または回避のために役立つ）点光源のアレイが正方形の格子である場合は、下記の方程式（１）、

を用いて反復法によって所望の比率Ｖにできるだけ近似した整数値ｎを算定可能であり、ただし、ｎは常に整数であり、常に１以上であるか１に等しい。このようにして得られた整数値ｎは以下の方程式（２）、

を用いて鋭角のｎに属する角度αｎを算定可能であり、ただしｎは常に整数であり、常に１以上であるか、１に等しい。

本発明に関して技術的に極めて重要なｎの値は２から８の範囲にあり、ｎ＝４の値は技術的な利用のために特に重要であり、角度α_４＝１４．０４°、および比率Ｖ_４＝１７となる。したがって、ｎ＝４の値の場合、例えば６８ｘ４のピクセルを有するサブマトリクスが検出器マトリクス上に形成され、重複せずに配置可能であり、検出器マトリクスがサブマトリクスで塞がれる度合いは中心にある検出器マトリクスの少なくとも中央部では１００％になる。約３０メガピクセルのチップをベースにした検出器マトリクスでは、ｎ＝４の場合、本発明を利用すると単一のカメラフレームを用いて約１００．０００の物体点を検出可能である。それには検出器マトリクスの直前に配置された合焦対物レンズの開口数が比較的高く、補正状態が良好であることが前提になる。

そこで、サブマトリクスが重複せずに検出器マトリクスを完全にサブマトリクスで覆うことができるように、好ましくは本発明により、点光源の好ましくは正方形の格子状平面アレイはスペクトル軸に対してこの角度α_ｎだけ光軸を中心に回転され、サブマトリクスの対応する長さ−幅比が実現されなければならない。

さらに、特に隣接ずるサブマトリクスの横方向でのクロストークを最小限にするため、点光源の有効直径ＤＰ間の比率ＶＴと、アレイ内の点光源の間隔ｄとは以下の関係式を満たす必要があろう。

点光源のアレイの方形の格子については、対応する角度がα_{ｎ_Ｒ}の場合、ｎに依存して鋭角は、高さの格子定数ｈ、および幅の格子定数ｂを有する以下の方程式、

に従い、ただしｎは常に整数であり、常に１以上であるか１に等しい。角度α_ｎまたは角度α_{ｎ_Ｒ}を保てば、検出器マトリクスは少なくともほぼ全面的に細長いサブマトリクスで塞がれることができる。

本発明によって、点光源のアレイの好ましくは正方形ではない格子を使用することもできるが、計測技術的な用途ではほとんどの場合、それほど重要ではない。

その際、横方向のスペクトル分離の手段は回折格子として、または実際の、または仮想の楔エッジを有する分散プリズムとして形成可能である。その際、スペクトル軸、すなわちλ軸は常に回折格子の線または線形構造に対して垂直であるか、または分散楔プリズムの実際の、または仮想のエッジに対して垂直に配向される。

さらに、サブマトリクスの間に、特に長手方向で横方向のクロストークが生じないように、多色光源のスペクトルがカットされるようにするため、装置内に光学帯域通過フィルタを配置可能である。

さらに、好ましくは物体形状、または検出器マトリクスの物体または複数の物体の形状および位置を三次元計測するための強力なクロマティック共焦点技術用の装置では、検出器マトリクスと少なくともほぼ共役の平面内に、点光源の鮮鋭に結像された画像の光を透過させるアパーチャアレイが前置される。そのために好ましくは、検出器マトリクスのさらなる結像段を前置することができ、そこで点光源の鮮鋭に結像された画像を有する物体空間からの中間画像が生ずる。アパーチャアレイでは、アパーチャの数は好ましくは点光源の数と同数である。その際に、アパーチャの直径を点光源の鮮鋭に結像された画像よりも大きく形成可能である。その際、好ましくは、アパーチャアレイは光路内で分光された後、検出器光路内で分離されるために配置されるので、正面反射が検出器の光路内に達することはあり得ない。アパーチャアレイによって鮮鋭に合焦されない光は物体空間から少なくとも部分的に遮蔽され、したがって信号の評価も改善される。その際、アパーチャアレイの代わりに、鮮鋭に結像された画像の光がスリットを透過するスリットアパーチャアレイを使用することも可能である。スリットアパーチャアレイによってアパーチャアレイと比較して簡単な光路内での調整が可能になる。

さらに、好ましくは、正方形の格子状平面アレイは、例えばＬＣデイスプレー、ＬＣＯＳデイスプレー、またはディジタルマイクロミラーアレイをベースにしたピンホールアレイとして、その格子定数を電子的に制御可能に形成される。

そこで要約すると、以下の発明的アプローチが生ずる。すなわち、少なくとも１つの格子状受動部品を備える多色点光源の平面アレイと、横方向のスペクトル分離のための手段が前置された平面検出器マトリクスと、物体を照射、かつ撮像するための計測対物レンズとを有する、物体形状、または物体または複数の物体、特に人間の顎内の歯、または複数の歯の形状および位置を三次元計測するためのクロマティック共焦点技術用の方法および装置である。本発明によって、色較正のために少なくとも一時的に、少なくとも部分的にスペクトル定義された基準光束が点光源のアレイのこの場合も少なくとも１つの格子状受動部品を使用して生成される。しかし、複数の基準光束が生成されることが好ましい。その際、この基準光束または複数の基準光束が基準光路を経て横方向のスペクトル分離のために検出器光路内で結合され、引き続き検出器マトリクス上で基準点画像として合焦される。そこで検出器マトリクス上でスペクトル基準点の位置または座標が算出され、この位置を利用して好ましくは方形のサブマトリクスが物体光のスペクトル分析のために検出器マトリクス上に高いピクセル精度で画定され、これは次いで計測値を取得するために利用され、本発明により、直に隣接するサブマトリクスのスペクトル基準点、または算出された点、例えば中点が存在する直線は（この場合、常に横並びに隣接するサブマトリクスだけが考慮される）、前置されたスペクトル分離手段のスペクトル軸と鋭角をなす。検出器マトリクス上のスペクトル軸の局部的に角度をなす配向は、サブマトリクスごとに好ましくは少なくとも２つの基準点から規定されるので、検出器マトリクスは少なくともほぼ全面的に、細長く、好ましくは方形のサブマトリクスで塞がれることができる。この方形のサブマトリクスは好ましくは検出器マトリクスの行または列と平行に配向される。

図１から４を参照して本発明を説明する。図１は歯の形態を光学的に三次元計測するための口腔内カメラの使用を図示している。物体計測用の多色光源は、約１００ｎｍのサイズの半価幅を有するファイバ結合スーパールミネセンス・ダイオードとして形成されている。その光はファイバ２内で結合される。さらに、第１の切換え可能レーザダイオード３と、第２の切換え可能レーザダイオード４とが配置され、これらの光は基準光として装置の較正のために使用され、Ｙ分岐５またはＹ分岐６を経てファイバ２内で結合される。ファイバ２の終端から出射した計測光および基準光は光束をコリメートする役割を果たすコリメータ対物レンズ７に到達する。このコリメータ対物レンズによって少なくともほぼ平面の光波が生成され、この光波は適応化され位置合わせされたピンホールアレイ９に当たるフォキ（Ｆｏｋｉ）を形成する、約１００ｘ１５０のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ８に達する。マイクロレンズアレイ８とピンホールアレイ９とは共同で正方形の格子を有する点光源アレイを形成する。点光源を構成する個々のピンホールは少なくともほぼ球面の光、すなわち拡散光束Ｂ１からＢｉを伝搬し、この拡散光束から別のコリメータ対物レンズ１０によってそれぞれ少なくともほぼ平面の光波、すなわちコリメートされた光束が形成され、これがビームスプリッタ１１を通過し、負の屈折力を有する位相ゾーンプレートのレンズ１２に当たる。計測光は主として１次回折してこのレンズを透過する。これに対して、波長が第１のレーザダイオード３の場合は計測光のスペクトル分布のやや上方にあり、あるいは第２のレーザダイオード４の場合はやや下方にある基準光は位相ゾーンプレート・レンズ１２を０次回折して通過する。この位相ゾーンプレート・レンズ１２は、この場合は物体１８の結像系を構成する計測用対物レンズ１４のひとみ面内に存在する。計測用対物レンズ１４の焦点距離の長さは１００ｍｍから２００ｍｍである。ひとみは絞り１３によって規定される。計測用および基準光は計測用対物レンズ１４によってミラー１７を介して物体空間内で合焦される。この場合の計測用対物レンズ１４の開口数（ＮＡ）はＮＡ＝０．１５である。したがって、大きい勾配を有する歯１８の細部も計測可能である。波長に依存するゾーンレンズ１２の屈折力によって、計測光束用の物体空間内で△ｚ_ｃの範囲の軸方向の色分割がなされ、長波光のフォキは計測対物レンズ１４から最も遠くに離隔される。位相ゾーンプレート・レンズ１２の焦点距離の長さはスーパールミネセンス・ダイオード１の中間的な波長で３００ｍｍから５００ｍｍである。したがって、歯１８の奥行き走査は約１０ｍｍの深さで行うことができる。歯１８の点Ｐで反射する光は計測用対物レンズ１４に到達する。その際、ゾーンレンズ１２での計測光の透過はこの場合も１次回折して行われる。反射光は光源の鮮鋭な結像が存在するプレート１５、面１６で反射され、再び０次および１次回折して計測用対物レンズ１４および絞り１３、ゾーンレンズ１２を再び通過する。０次回折で透過された光はさらに、検出器マトリクス２１上に基準画像を形成する役割を果たす。基準光および計測光はビームスプリッタ１１で少なくとも部分的に回折し、分散楔プリズム１９および合焦対物レンズ２０を経て検出器マトリクス２１に到達する。この検出器マトリクス２１上で、計測されるそれぞれの物体点の奥行き位置に関する情報を含む輝度スペクトルが波長を介して生ずる。

ピンホールアレイ９によって生成される、基準光を利用して結像された点光源の画像によって、サブマトリクスを検出器マトリクス２１上に数値的に画定可能であり、次いでそこで歯１８の計測時の計測光のそれぞれのスペクトルの評価が行われる。その際、最高輝度を有するスペクトル領域、または輝度分布の重心がそれぞれ判定され、その際にサブピクセル技術を使用することも可能である。本明細書では例えばサブマトリクスｊ_ｋ、またはサブマトリクス２１ａ、およびサブマトリクス２１ｂおよび２１ｃの配置が示されている。マイクロレンズアレイ８ならびにピンホールアレイ９を光軸ＡＯを中心に、すなわち検出器マトリクス２１に対して方程式（１）に基づいて鋭角α_ｎだけ回転させると、検出器マトリクス２１をほぼ完全に利用した場合、方形のサブマトリクスを形成可能である。既知の波長の基準光によって生成された点画像、すなわちこの場合はスペクトル基準光ＰλｍａｘおよびＰλｍｉｎがそこから算出されるフォキを発見することによって、検出器マトリクス上のフォキの位置が高いピクセル精度で特定されるだけではなく、波長の変化、ひいてはサブマトリクスの正確なスペクトル感度、ひいては検出器マトリクス２１のピクセル上の横方向のスペクトル感度も特定される。スペクトル基準点の間隔は、合焦対物レンズ２０の歪みによって特に計測フィールドの周縁領域でやや変化することがある。

歯１８の計測時には、歯１８から反射する各サブマトリクス２１ａ、２１ｂ、２１ｃ．．．、またはサブマトリクスｊ_ｋ内の光の輝度分布の評価によって、各物体点ａ、ｂ、ｃの奥行き位置が公知の方法でクロマティック共焦点信号から数学的に特定できるので、歯１８の形状を検出器マトリクス２１のカメラフレームの撮像期間に対応する計測時間で特定可能であり、それによってブレによる計測誤差を大幅に低減できる。その際、信号評価の期間は撮像の期間よりもかなり長くなることがある。

スーパールミネセンス・ダイオード１によって物体を計測する場合、切換え可能なレーザダイオード２および４はスイッチオフされる。

歯１８およびその他の物体が計測装置の領域にない場合に基準光による、すなわちレーザダイオード３および４による色較正が最良に行われるが、それはそのような場合、このレーザダイオード３および４からの不要な光が歯１８または物体を越えて検出器マトリクス２１に到達し得ないからである。

図２に示すさらなる実施例では、ビームスプリッタ１１に帯域消去フィルタ２２を有するトリプルリフレクタ２３が直に取り付けられ、これが基準光路内の計測光を大幅に遮断する。これに対して、ビームスプリッタ１１で反射するレーザダイオード３およびレーザダイオード４の光は少なくとも一部が帯域消去フィルタ２２を通過し、トリプルリフレクタ２３で反射し、帯域消去フィルタ２２を２度目に通過し、ビームスプリッタ１１を透過して通過し、次いで分散楔プリズム１９を通過し、合焦対物レンズ２０のよって検出器マトリクス２１上に合焦されるので、そこで色較正のためにレーザダイオード３および４からの基準光によって鮮鋭に結像された画像が生ずる。この場合はスペクトル基準点Ｐλｍａｘおよびλｍｉｎがそこから算出される点光源の２つの画像、すなわちフォキがそれぞれのサブマトリクス２１ａ（ｊ_ｋ）、２１ｂ、２１ｃ．．．を検出器マトリクス２１上に数値的に画定する。したがって、スペクトル軸の配向を高精度で特定できる。レーザダイオード３および４をスイッチオフした後、サブマトリクス２１ａ、２１ｂ、２１ｃ．．．によって計測光、すなわちスーパールミネセンス・ダイオード１がスイッチオンされ、歯１８の計測工程が開始される。

図３はｎ＝２の場合の（方程式（１）、（２）および関係式（３）も参照）装置、および高ピクセルの検出器マトリクスの検出器マトリクス２１上に幾何的な中点Ｍを有するスペクトルセルとしてのサブマトリクスの構成を断面図で示している。 その際、サブマトリクスの１００％の充填率を達成すべき場合は、角度α_２はα_２＝２６．５７°であり、サブマトリクスの長さ−幅比はＶ_２＝５である。この場合、スペクトル軸、すなわちλ軸は描画面内にあり、それぞれ水平方向にある。このことは、この場合、長く描かれたスペクトルセル、すなわちサブマトリクス２１ａ、２１ｂ、２１ｃ．．．が描画面内で実際の、または仮想の平行に投影された分散楔プリズム１９の楔エッジＫ’に対して、またはスペクトル分析のための回折格子の線に対して垂直に配向されることを意味している。したがって直接隣接するサブマトリクスのスペクトル中点Ｍ_ｊ_ｋ、Ｍ_ｊ_ｋ＋１、Ｍ_ｊ_ｋ＋２．．．を結ぶ平行な直線ｇ’_ｋ、ｇ’_ｋ＋１、ｇ’_ｋ＋２は（その際、サブマトリクスの中点Ｍ_ｊ_ｋ、Ｍ_ｊ_ｋ＋１、Ｍ_ｊ_ｋ＋２．．．はそれぞれ対応するスペクトル基準点Ｐλｍｉｎ_ｊ_ｋ、Ｐλｍｉｎ_ｊ_ｋ＋１、Ｐλｍｉｎ_ｊ_ｋ＋２．．．から算出される）、互いに平行なサブマトリクスの縦軸とα_２＝２６．５７°の角度をなす。さらに、図３にはサブマトリクスｊ_ｋに対して中間の行に最大輝度を有する可能な輝度分布が示されており、その横方向位置は、装置の幾何的、光学的なデータが判明している場合に、物体点の奥行き、すなわちそのｚ座標を算出するために利用され、一方、この物体点の横座標はサブマトリクスの位置および装置の幾何的、光学的なデータから明らかになる。

図４はｎ＝４の場合の（方程式（１）、（２）および関係式（３）も参照）装置、および高ピクセルの検出器マトリクスの検出器マトリクス２１上に幾何的な中点Ｍを有するスペクトルセルとしてのサブマトリクスｊ_ｋの構成を断面図で示している。 その際、サブマトリクスの１００％の充填率を達成すべき場合は、角度α_４はα_４＝１４．０４°であり、サブマトリクスの長さ−幅比はＶ_４＝１７である。

角度α_ｎが小さいほどサブマトリクスは長く描かれ、通常はスペクトル分解能は高くなり、ひいては奥行き分解能も高くなる。しかし物体点の奥行き計測精度は、利用可能な光エネルギが検出器マトリクス２１の制御にとってなお十分である場合だけしか、より高いスペクトル分解能によって向上しない。

図１から４では、検出器マトリクス２１の図示した部分内で装置の精密な調整によってスペクトル軸がそれぞれ検出器マトリクス２１の行方向と正確に平行に配向されることを前提としている。

歯の形態を光学的に三次元計測するための口腔内カメラの使用を示す図である。 図１に示した装置のさらなる実施形態の図である。 ｎ＝２の場合のサブマトリクスの構成の断面図である。 ｎ＝４の場合のサブマトリクスの構成の断面図である。

Claims (2)

1. 複数の光束（Ｂ１〜Ｂｉ）を生成する少なくとも１つの前置された多色光源（１）、および少なくとも１つの格子状受動部品（８、９）を備える多色点光源の平面アレイと、ビームスプリッタ（１１）と、屈折力が波長に依存する少なくとも１つの素子（１２）と、横方向にスペクトル分離するための手段（１９）と検出器マトリクスに合焦させるための手段（２０）とが前置された、検出器の光路内の少なくとも１つの平面検出器マトリクス（２１）と、物体を照射、かつ撮像するための計測対物レンズ（１４）とを装置内に有する、物体形状または１つまたは複数の物体の形状および位置を三次元計測するための強力なクロマティック共焦点技術の方法であって、色較正のために少なくとも部分的にスペクトル定義された基準光束が生成され、前記基準光束は前記平面アレイの少なくとも１つの格子状受動部品（８、９）を経て、ならびに基準光路を経て拡散し、前記検出器に通じる前記光路内で再び結合され、スペクトル分離後に基準点像として少なくともほぼ合焦されて前記検出器マトリクス（２１）に到達し、横方向にずれているサブマトリクス（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）が物体光をスペクトル分析するために前記基準点像を利用して前記検出器マトリクス（２１）上で数値的に画定され、これらのサブマトリクスが前記物体形状の三次元計測に利用されることを特徴とする方法。
2. 複数の光束（Ｂ１〜Ｂｉ）を生成する少なくとも１つの前置された多色光源（１）、および少なくとも１つの格子状受動部品（８、９）を備える多色点光源の平面アレイと、ビームスプリッタ（１１）と、屈折力が波長に依存する少なくとも１つの素子（１２）と、横方向にスペクトル分離するための手段（１９）と検出器マトリクスに合焦させるための手段（２０）とが前置された、検出器の光路内の少なくとも１つの平面検出器マトリクス（２１）と、物体を照射、かつ撮像するための計測対物レンズ（１４）とを装置内に有する、物体形状または１つまたは複数の物体の形状および位置を三次元計測するための頑丈なクロマティック共焦点技術の前記装置であって、前記装置を較正するために少なくとも一時的に、少なくとも部分的にスペクトル定義された少なくとも１つの所定の基準光束を有する基準光路が配置され、前記平面アレイがスペクトル軸に対して鋭角に相対回転されて前記平面検出器マトリクス（２１）上に配置され、点光源が前記検出器マトリクスの平面に投影される際に、前記点光源の連結線が前記平面でスペクトル軸、すなわちλ軸と鋭角をなすように前記回転が前記装置の光軸（ＯＡ）を中心に行われることを特徴とする装置。

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