JP2010069301A - 対象物、特に歯、の３次元座標を決定するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歯または歯列のスキャナによる３次元座標化の改良。
【解決手段】対象物、特に１若しくはそれ以上の歯１３，１４，１５又は歯列、を走査するためにスキャナが使用される。改良されたスキャナは、上記対象物上にパターンを投影するための複数のプロジェクタ４と、上記対象物を記録するためのカメラ５とが、一方が他方に隣接するように交互に配置されたキャリア部２を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、対象物、特に１若しくはそれ以上の歯又は歯列、を走査するためのスキャナに関する。本発明における歯は、形成歯、そして義歯としても解釈される。

従来より、対象物の３次元座標を決定するための装置又は方法が知られている。特許文献１には、義歯を製造するための方法が開示されている。この方法では、削られた歯及びその周辺の等高線や輪郭線が形成される。これらの線は、光電子工学による方法、特にビデオカメラによって検出され、検出された値がコンピュータに入力されて、歯や義歯の空間的な構造が計算される。このように計算された構造を参照して、義歯を製造することができる。

優先権を主張していて且つ非公開の特許文献２には、対象物、特に１若しくはそれ以上の歯又は歯列、の３次元座標を、対象物を走査するためのスキャナで決定するための装置、及び、上記対象物の３次元座標を上記スキャナで記録された画像を用いて決定するための数値化方法が開示されている。上記スキャナは、パターンを対象物に投影するためのプロジェクタと、第１画像光学部品及び第２画像光学部品を有する記録光学部品並びに画像センサーを有するカメラと、を備える。

欧州特許登録第２９９４９０号明細書 独国特許出願第１０２００７０６０２６３号明細書

本発明の目的は、上述のものよりも改良されたスキャナ及び装置を提案することにある。

本発明によれば、上記目的は、第１の発明の特徴を有するスキャナによって達成される。上記スキャナは、対象物、特に１若しくはそれ以上の歯、を走査するために使用される。ここで、１又はそれ以上又は全ての歯には、準備が必要な場合もある。この準備には、歯の準備、例えば折れた歯の根を削ることが含まれる一方、光学測定技術を用いて歯を走査するのに有利又は必要な準備、例えば白いスプレーを走査される領域に吹きかけることが含まれる。

上記スキャナは、上記対象物に対してパターンを投影するための複数のプロジェクタと、上記対象物を記録するための複数のカメラと、が並んで搭載されているキャリア部を備えている。上記プロジェクタ及びカメラは、所定の配列となるように配置されうる。本発明におけるプロジェクタ及びカメラの配列は、例えば歯形を走査しなければならない患者の口腔内などの狭いスペースや届きにくい場所で使用するのに特に適している。複数のカメラによって、評価するために十分な数の様々な画像を確実に撮影することができる。複数のプロジェクタによって、走査される歯の領域に対し、十分な数のパターンを確実に投影することができる。

特に、本発明のスキャナは、小型化されている。該小型化されたスキャナは、特に、患者の口内の歯を走査するのに便利である。他にも、走査される対象物が届きにくい場所にある場合にも非常に便利である。特に、本発明のスキャナは、内視鏡のデジタル化、及び／又は、機械や装置における届きにくい凹み及び／又は溝において便利な場合がある。

各画像センサーは、２次元画像を生成する。この２次元画像から対象物の３次元座標を決定することができる。この３次元座標の決定は、同一の対象点が映し出されている複数の２次元画像評価を基にした測定方法によって達成される。この方法では、様々な２次元画像において適切なアルゴリズムを用いることによって、同一の特徴が見出されて関連づけられる。校正されたシステム、すなわち、カメラの配置及び方向が知られた場合において、様々な２次元画像における各対象点によって、スキャナの座標系の範囲内において、距離の値及び３次元座標を計算することができる。様々な２次元画像において対象物の同一の特徴を見つけるために、パターンが対象物に投影される。パターンを投影することによって、相互に一致する対象点を様々な２次元画像から見つけることができる。このようにして、対象物の表面を表す３次元の点の集まりを、２次元画像から決定することができる。

さらに、いくつかの３次元の点の集まりを結合して、対象物全体を表す１つの完全な３次元の点の集まりを形成することが可能である。このために、複数の３次元の点の集まりが様々な方向から計測される。スキャナは、対象物のうちの一部又は全ての領域をカバーするために、対象物の周りを移動する。

有利な開発点を従属請求項に示す。

有利な点として、上記複数のプロジェクタ及びカメラは、上記キャリア部上に２次元的に配列されている。

上記プロジェクタ及びカメラを、上記キャリア部上に交互に配列することができる。カメラをプロジェクタの横に配置して、これを繰り返すことが可能である。これにより、上記プロジェクタ及びカメラは１対１の割合で交互に配置される。この配列は、同様に領域内において拡張することができる。しかし、プロジェクタをカメラよりも多く設けたり、カメラをプロジェクタよりも多く設けたりすることも可能である。上記配列には、規則性があってもなくてもよい。

上記複数のプロジェクタは、それぞれ、光源と、マスクと、投影光学部品と、を備えている。光源は、ＬＥＤであるのが好ましい。上記投影光学部品は、１又はそれ以上のレンズによって構成されうる。上記マスクは、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）によって形成されうる。

有利な点として、上記マスク及び投影光学部品、特に投影光学部品のレンズは、合成ユニットを構成している。特に、上記マスクは、投影光学部品上、とりわけ投影光学部品のレンズ上に蒸着されるのが好ましい。上記マスクは、特に、蒸着されたクロムによって作られる。

他の有利な点によれば、上記複数のプロジェクタは、それぞれ、パターンプロジェクタと、投影光学部品とを備えている。上記パターンプロジェクタは、ＤＬＰ（デジタル・ライト・プロセッシング）やＬＣＯＳ（リキッド・クリスタル・オン・シリコン）にすることができる。

上記複数のカメラは、それぞれ、画像センサー（特にＣＣＤやＣＭＯＳ等）と、撮影光学部品とを備えることができる。上記撮影光学部品は、１又はそれ以上のレンズを備えることができる。

各プロジェクタ及び／又は各カメラは、それぞれ、１つの投影光学部品及び／又はつの撮影光学部品を備えていてもよい。しかし、特定の場合においては、いくつかの又は全ての投影光学部品及び／又はいくつかの又は全ての撮影光学部品を結合して、１つのシステム光学部品を形成するのが好ましい。このシステム光学部品は１つの部品で形成されうる。このシステム光学部品は、いくつかの又は全ての光学部品又はレンズを結合して製造されうる。

上記プロジェクタ及びカメラが搭載されているキャリア部は、平坦面を有している。しかし、特定の適用例の場合、上記キャリア部は、折曲部を有しているのが好ましい。特に、上記キャリア部は、両端側に折曲部を有していてもよい。上記キャリア部は、凹んでいるのが好ましい。

その他の有利な開発点によれば、上記キャリア部は、歯列の円弧状に形成されている。

対象物、特に歯、の３次元座標を決定するための装置において、本発明の目的は、第１１の発明の特徴によって達成される。上記装置は、対象物又は歯を走査するための本発明に係るスキャナと、該スキャナによって記録された画像による対象物の３次元座標を決定するための関連するソフトウェアを有するコンピュータ、特にＰＣ等の評価機構と、を備えている。

上記発明を実行するために、追跡システムは不要である。しかし、特定の場合、本発明に係る装置は、上記スキャナの位置や方向を決定するための追跡システムを有する方が有利である。上記追跡システムは、上記スキャナに、該スキャナの位置や方向を検出するための１又はそれ以上のセンサーを設けることによって形成されうる。特に、上記追跡システムは、上記スキャナに、加速度センサー及び／又は回転計を設けることによって形成されうる。スキャナの位置及び回転位置を検出するためのセンサー、及び／又は加速度センサー、及び／又は回転計の情報を、上記スキャナの位置及び回転位置において時間積分することによって計算することが可能である。その代わり、又はこれに加えて、他の追跡システム、特に赤外線追跡システムを使用することもできる。

図１は、本発明の実施形態に係るスキャナの構成を示す上面図である。 図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図３は、図１及び図２に示すスキャナを、一群の歯とともに示した図である。 図４は、図３に示すスキャナを右側に傾けた図である。 図５は、図３に示すスキャナを左側に傾けた図である。 図６は、図１から図５に示すスキャナの変形例に係る、折曲部を有するスキャナの構成を示す上面図及び側面図である。 図７は、図６に示すスキャナの概略構成を示す２つの斜視図である。 図８は、図６及び図７に示すスキャナの断面図である。 図９は、歯列の円弧状に形成されたキャリアを有する変形例に係るスキャナの概略図である。

添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を、以下で詳細に説明する。

図１から図５に、平面状のキャリア部２と、把持部３と、を備えるスキャナ１を示す。上記キャリア部２上には、１０個のプロジェクタ４及びカメラ５が互いに隣接するように、２次元的に配列されている。上記プロジェクタ４及びカメラ５は、キャリア部２上に交互に配置されている。最上列では、左側から右側に向かって、カメラ５、プロジェクタ４、カメラ５、プロジェクタ４、カメラ５、が並べられている。第２列では、左側から右側に向かって、プロジェクタ４、カメラ５、プロジェクタ４、カメラ５、プロジェクタ４、が並べられている。第３列及び第４列の配列は、第１列及び第２列の配列と同様である。２方向において、プロジェクタ４及びカメラ５は、１対１の割合で交互に並んでいる。

図２に示すように、各プロジェクタ４は、光源６と、マスク７と、投影光学部品８と、を備えている。上記光源６は、ＬＥＤによって構成されている。上記マスク７は、スライド又はＬＣＤによって形成されている。上記投影光学部品８は、レンズで構成されている。

各カメラ５は、画像センサー９と、撮影光学部品１０と、を備えている。上記画像センサー９は、ＣＣＤセンサー又はＣＭＯＳセンサーである。上記撮影光学部品１０は、レンズで構成されている。

図１から図５に示す実施形態において、全ての投影光学部品８及び撮影光学部品１０が結合されて、１つのシステム光学部品１１が形成されている。このシステム光学部品１１は、１つの部品で形成されている。該システム光学部品１１には、隣接したプロジェクタ４同士及びカメラ５同士を結ぶ直線の交点付近に、それぞれ、隙間部１２が形成されている。

図３から図５に、スキャナ１とともに描かれた３つの歯１３，１４，１５を示す。歯１４はすり減っている一方、歯１４に隣接する歯１３，１５はすり減っておらず、上記すり減った歯１４の周りに形成されている。さらに、図３から図５には、画像センサー９の円錐状視野１６が描かれている。少なくとも２つの画像センサー９によって検出される領域１７、すなわち「見える」領域は、斜線部で示されている。

図３から図５に、歯１３，１４，１５を走査する際の、ある一連の走査の様子を示す。上記スキャナ１は歯１３，１４，１５の周りを移動するため、対象物全体の形状を表すために十分なデータを取得することができる。

図６から図８に示す変形例のスキャナにおいて、既に説明した構成要素については、同じ符号を付して繰り返し説明しない。ここで、スキャナ１’のキャリア部２’は、折れ曲がっている部分、すなわち、該キャリア部２’の両端側が折曲されて構成される折曲部１８を有している。上記キャリア部２’は、凹んだ形状に形成されている。上記折曲部１８は、歯の側面について、より多くの精度が高いデータを記録するのに役立つ。

図９に、更に異なる変形例であって、歯列の円弧状のキャリア部２”を有するスキャナを示す。上記プロジェクタ４及びカメラ５は、歯列の円弧状に配列されている。

対象物又は歯の３次元座標を決定するための計測方法は、複数の個々の写真による写真測量評価、すなわち、複数のカメラを用いて対象物を観測し、適切なアルゴリズムを用いて個々の写真における同じ特徴を見出して関連付ける方法に基づく。対象物又は歯における特定の領域を、個々の画像でカバーすることができる。対象物全体又は１本の歯の全体、又はいくつかの若しくは全ての歯、そして可能であればそれらの周辺をもカバーするために、複数のカメラによって記録された個々の画像が結合されて１つの全体画像が形成される。この手順は、「レジスタリング」、又は、「マッチング」と呼ばれる。上記スキャナは、対象物の一部又は全ての領域をカバーするために、該対象物の周りで動かされる。このようにして、複数の全体画像から、対象物の全体形状を生成することができる。

投影パターンは、確率的なもの、又は整列されたものにできる。このパターンは、ライン形状又は格子形状にできる。上記パターンは、時間的に一定、又は時間によって変化する、又は連続的なものにできる。上記パターンは、どのような形状のパターン（点、線、格子等）であってもよい。上記パターンは、グレースケールパターン、又はカラーパターンにできる。上記パターンは透過光によって投影することができ、例えばクロムマスク（スライド）やＬＥＤによって投影してもよい。他にも、上記パターンは反射光によって投影することもでき、例えばＬＣＯＳやＤＬＰ等のパターンプロジェクタによって投影してもよい。

本発明は、対象物の３次元座標を決定するためのものである。これは、３次元座標が、多数、少なくとも２つの２次元画像において、関連する個々の特徴を用いて計算されることによって達成される。この方法によれば、対応する個々の対象点を、様々な方向から撮影された２又はそれ以上の２次元画像によって見つけることができる。カメラ、及び三角測量又は束三角測量（Bundeltriangulation）の校正によって、対象点の３次元座標を計算することができる。２次元画像において同じ特徴を確実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。この方法において、プロジェクタは上述のように校正されない。該プロジェクタは写真測量撮影システムとは独立している。

対象物の３次元座標を決定するための方法は他にもある。特に、「一画像測定技術（Ein-bild-Mestechnic）」による方法、すなわち、１つの２次元画像から対象物の３次元座標を計算する方法、を使用することができる。この方法を実行するために、そして多くの連続する同じ領域の２次元画像を避けるために、記録された２次元画像には、３次元座標を計算するための全ての情報が含まれていなければならない。これを確実にするために、通常、パターンが対象物上に投影される。このパターンを投影するために、様々な光の特性を利用することができる。例えば上記パターンを、独国特許出願公開第１０２１２３６４号明細書に記載されているように、様々な色の格子状にすることができる。この方法では、プロジェクタは、カメラとともに校正されなければならない。この方法は、あるカメラ及び投影パターンから形成される２次元画像を用いることによって３次元座標が計算され、これらの３次元座標が、他のカメラ及び投影パターンにより形成される２次元画像から計算される座標を用いることによって関連付けられて最適化されるように、実行される。

選択的に使用される追跡システムは、光学的な、又は、干渉的な追跡システムとすることができる。他にも、スキャナの位置及び方向を検出するために該スキャナに取り付けられるセンサ、及び／又は、加速度センサ、及び／又は、回転計を設けることにより、上記追跡システムを実現することができる。これらのセンサによって、時間積分でスキャナの速度や位置を推測することができる。上記加速度センサによって、３つの並進成分を得ることができる。上記回転計によって、３つの回転成分、すなわち、スキャナの方向についての情報を得ることができる。特に有利な点として、加速度センサ及び回転計の両方を備えると、６次元の情報を得ることができる。

Claims (12)

1. 対象物、特に１若しくはそれ以上の歯（13,14,15）又は歯列、に対してパターンを投影するための複数のプロジェクタ（4）と、該対象物を記録するための複数のカメラ（5）とが所定の配列で配置されるキャリア部（2）を備えた、上記対象物を走査するためのスキャナ。
2. 請求項１に記載のスキャナにおいて、
   上記プロジェクタ（4）及びカメラ（5）は、上記キャリア部（2）上に２次元的に配置されていることを特徴とするスキャナ。
3. 請求項１又は２に記載のスキャナにおいて、
   上記プロジェクタ（4）及びカメラ（5）は、上記キャリア部（2）上に交互に配置されていることを特徴とするスキャナ。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載のスキャナにおいて、
   上記プロジェクタ（4）は、それぞれ、光源（6）と、マスク（7）と、投影光学部品（8）と、を備えていることを特徴とするスキャナ。
5. 請求項４に記載のスキャナにおいて、
   上記マスク（7）及び投影光学部品（8）は、合成ユニットを構成していることを特徴とするスキャナ。
6. 請求項１から３のいずれか１つに記載のスキャナにおいて、
   上記プロジェクタ（4）は、それぞれ、パターンプロジェクタと、投影光学部品と、を備えていることを特徴とするスキャナ。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載のスキャナにおいて、
   上記カメラ（5）は、それぞれ、画像センサーと、撮影光学部品と、を備えていることを特徴とするスキャナ。
8. 請求項１から７のいずれか１つに記載のスキャナにおいて、
   複数又は全ての投影光学部品（8）、及び／又は、複数又は全ての撮影光学部品（9）は、１つのシステム光学部品（11）として結合されていることを特徴とするスキャナ。
9. 請求項１から８のいずれか１つに記載のスキャナにおいて、
   上記キャリア部（2'）は、折曲部（18）を有することを特徴とするスキャナ。
10. 請求項１から９のいずれか１つに記載のスキャナにおいて、
    上記キャリア部（2,2'）は、歯列の円弧状に形成されていることを特徴とするスキャナ。
11. 対象物、特に１若しくはそれ以上の歯（13,14,15）又は歯列、を走査するためのスキャナ（1）と、該スキャナによって記録された画像から上記対象物の３次元座標を決定するための評価手段と、を備えていて、上記対象物の３次元座標を決定するための装置であって、
    請求項１から１０のいずれか１つに記載のスキャナを備えることを特徴とする装置。
12. 請求項１１に記載の装置において、
    上記スキャナ（1）の位置及び方向を計測するための追跡システムを備えることを特徴とする装置。

Images