JP2010507079A - 三次元輪郭の非接触検出のための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、三次元輪郭の非接触検出のための装置に関する。装置は、イメージング素子（１）を有するプロジェクタと、イメージング素子（１）上に生成されたストライプパターンを物体空間（３）内にイメージングする投影レンズ（２）とを備える。本発明は、２つのカメラレンズ（４）を有し、物体区間（３）を２つの異なる方向から監視するカメラ配列もさらに備える。プロジェクタおよびカメラ配列は、手に持てる測定ヘッド内に共に収容される。本発明は、さらに、当該装置を用いてｓ何次元輪郭を検出する方法にも関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクタと、２つのカメラレンズを有するカメラ配列とを備える、三次元輪郭の非接触検出のための装置に関する。また、本発明は、当該装置に対応する、少なくとも１つのストライプパターンが物体に投影される三次元輪郭の非接触検出方法に関する。

従来技術において、本発明に匹敵する方法として知られているのは、いわゆるグレイコードをストライプパターンと共に投影することにより、物体上に記録されたストライプパターンの画像におけるストライプパターンの個別の対のラインを識別し、特定の物点に関連する画像点を識別することで、物体の三次元輪郭を検出する三角測量を実現することである。従来技術におけるこのタイプの方法の欠点は、物体上には比較的広範囲な情報を投影するので、多数の記録を必要とすることである。このことは、特に、ハンドヘルドデバイスにおいてこのような方法を使用する場合に不利に影響する。したがって、本発明の根底にある目的は、上記欠点を克服し、特に、歯の表面、あるいは、義歯または入れ歯の表面の口腔内または口腔外の検出に関し、少なくとも１つの用いられる測定ヘッドの手動操作を可能にする、三次元輪郭の非接触検出のための装置および対応する方法を提案することである。

この目的は、本発明に係る請求項１の特徴を有する装置、および、請求項１０の特徴を有する方法により達成される。本発明の有利な実施形態および改良は、従属項の特徴で明らかにされる。特に、提案される装置、または、当該装置に含まれてよい制御・評価ユニットは、方法の請求項の１つに従い、方法を実装するためのプログラミング技術によってインストールされうる。

輪郭の手動検出は、三次元輪郭の非接触検出のための提案される装置によりなされてよい。装置は、画像生成素子を有するプロジェクタと、画像生成素子上に生成されうるストライプパターンを物体空間内にイメージングする投影レンズと、２つの異なる方向から物体空間を観察する２つのカメラレンズを有するカメラ配列とを備え、プロジェクタおよびカメラ配列は、ハンドヘルドデバイスとして用いられうる１つの測定ヘッド内に共に収容される。

特に機動性のある実施形態は、カメラ配列が両カメラレンズ用の共通のカメラチップを有する場合に実現する。カメラレンズのそれぞれは、カメラチップの半分ずつに画像を生成する。これは、折り曲げられたビーム経路により実現し、例えば、それぞれのカメラレンズに対して２つの傾斜ミラーが設けられる。カメラチップは、例えば、ＣＣＤに関係してよい。これに対応し、２つのカメラチップによる実施形態では、２つのＣＣＤが用いられてよい。

２つのカメラレンズを用いることにより、ストライプパターンの個別の対のラインの投影方向が正確に知られていないアプリオリである場合でも、物体空間内のあるポイントの三角測量が可能である。それどころか、同じ絶対位相の画像点の識別も十分行える。三角測量を十分正確に行うことを可能とする一方で、急なエッジも測定可能とすべく、カメラレンズは、５度から２０度の角度を形成する光軸を有するように配置されているという利点を有してよい。できるだけ小型の構造を有し、三角形ができるだけ測定されるためには、投影レンズの光軸が位置する平面に対して２つのカメラレンズの光軸が鏡面対称に配置されていることが有利である。都合がよいことには、３つの光軸は、すべて、１つの平面内に位置しうる。しかしながら、投影レンズの光軸は、カメラレンズの光軸が横断する平面に対し５度から８度の角度で傾けられてもよい。

装置が都合よく口腔内測定をできる一方で、装置が十分小型でありかつ十分正確に三角測量できるよう、カメラレンズおよび／または投影レンズは、７ｃｍから１３ｃｍの物体側断面幅を有してよい。これによって、例えば、１つの傾斜ミラーまたは２つの傾斜ミラーによって物体とカメラレンズまたはプロジェクタレンズとの間のビーム経路が折り曲げられるようになる。少なくとも１つの有利な点は、測定ヘッドの少なくとも７ｃｍの長さのハウジング端が２．５ｃｍ未満の高さで設計されることにより、口腔内測定が可能になることである。

また、装置は、プロジェクタ用の光源を有してよく、当該光源は、測定ヘッド内に収容されるか、または、光導波路を介して測定ヘッドに接続されてよい。これによって画像生成素子は、光源から発せられる光を反射的または透過的に輝度変調するように形成されてよい。特に、画像生成素子は、ＬＣｏＳチップ、または、通常のＬＣＤ、または、画素のように動作しうる異なる画像生成素子に関係してよい。さらに、装置は、画像生成素子を起動し、カメラ配列によって生成される画像データを評価する制御・評価ユニットも備えてよい。制御・評価ユニットは、プログラミング技術によってインストールされることにより、画像生成素子上に少なくとも１つのストライプパターンを生成し、それらのコースの不変性に関し、両方のカメラレンズの画像平面における相互に対応するエピポーラ線に沿ってカメラ配列により決定される位相値を評価し、エピポーラ線を一定の位相コースの間隔に分割し、相互に対応するエピポーラ線における相互に対応する間隔を識別し、相互に対応する間隔内の同じ位相値の相互に対応する画像点を識別し、さらに、物点に対応しかつ互いに対応する画像点に基づき、当該物点を三角測量する。また、制御・評価ユニットは、好ましくは、複数の相互に位相シフトしたストライプパターンのシーケンス、および／または、異なる方向に配向されるストライプを有する少なくとも１つのストライプパターンが生成されることができるように形成されなければならない。

例えば、上記タイプの装置により実装されうる三次元輪郭の非接触検出のための提案される方法では、少なくとも１つのストライプパターンが物体に投影され、互いに定められた間隔を置いて配置される２つのカメラレンズによって、ストライプパターンが投影された物体の２つの画像が２つの異なる方向から記録され、２つの両画像における画像点についてストライプパターンの位相値が決定され、その後、２つの画像における相互に対応する画像点に基づく三角測量によって、それらの画像点に対応する物点の深さ情報が決定されうる。２つの画像における相互に対応する画像点を決定すべく、２つの画像における相互に対応するエピポーラ線が選択され、これらのエピポーラ線に沿い、決定された位相値が不変性に関して評価され、エピポーラ線は、一定の位相コースの間隔に分割される。これは、例えば、当然知られている不変性アルゴリズムによって行われてよく、例えば、相互に隣接する画素により記録された位相値がそこでチェックされてよく、当該チェックは、位相値が定められた小さい値以下だけ異なるかどうかに関して、必要に応じて位相値モジュロ２Πを観察することによりなされてよい。最後に、相互に対応するエピポーラ線における相互に対応する間隔が識別されるが、それは、例えば、異なる間隔に含まれる期間の数、と、相互に対応する間隔内に含まれる期間の数とを比較することによりなされ、同じ位相値のポイントが相互に割り当てられる。このことは、上記間隔内の位相値が一定にされることにより、簡単に実現できる。したがって、不変性に関して評価される前の位相値は、粗い位相値とも呼ばれ、これは、０から２Πの期間のパラメータ化の間に唯一の情報量モジュロ２Πを有する。その一方で、エピポーラ線を一定の位相コースの間隔に分割した後の位相値、すなわち、一定にされた後の位相値は、細かい位相値と呼ばれてよい。上記の相互に対応する対のエピポーラ線は、両方のカメラレンズの投影の中心を通って延びる１つの平面からのすべてのポイントの画像としてそれぞれ定義されてよい。これらの投影の中心は、三角測量の間の視差の定義としても役立ちうる。上記の投影中心およびエピポーラ線は、使用する装置に合わせて選ばれる配置によって生成されるのは明白である。

方法は本質的に簡単であり、複数の相互に位相シフトしたストライプパターンのシーケンスが物体上に連続して投影され、位相値を決定するために記録される。好ましくは、少なくとも３つ、より好ましくは、少なくとも４つの相互に位相シフトしたストライプパターンが一組の位相値を決定するために物体に投影される。できるだけ良好な解像度を実現する一方で、ラインまたは細密な位相の個別の対の識別を不必要に難しくしないようにすべく、用いられるストライプパターンは、１０から８０の対のライン、すなわち、輝度周期を有しうる。２つのカメラレンズの投影中心の結合に対して垂直に向いたストライプを有するストライプパターンを用いると都合がよい。相互に対応する画像点の識別は、さらに単純化されてよく、異なる向きのストライプによるストライプパターンが時間的にオフセットになる方法で物体に投影され、このさらなるストライプパターンの位相値が評価される。したがって、このさらなるストライプパターンは、最初に説明したストライプパターンのストライプか、または、それに相当する、回転したストライプによるストライプパターンシーケンスを有する。また、この方法で回転し、相互に位相シフトしたさらなるストライプパターンの全体のシーケンスがそれぞれ物体に投影され、記録されてよい。相互に対応する画像点の識別をできるだけ簡単にする一方で、記録時間を全体的にできるだけ短くすることに関しては、ストライプパターンを有する画像を全体で５から１１記録することが有益である。

最後に、ストライプパターンの記録、より好ましくはストライプパターンを同時に記録する（ストライプパターンに埋め込む）ことに加え、物体の１つまたは複数の記録は、２つのカメラレンズにより実現でき、前に、同時に、または、後に記録されるストライプパターンに関して定められたやり方で配置される少なくとも１つのマーキングが物体に投影される場合、この方法でマーキングされた物点は、三角測量されることができる。このように位置を特定可能なマーキングのさらなる記録は、２つの対応する画像点の明快な識別として役立ち、方法を支援する。したがって、マーキングは、個別の画像として記録されるか、または、ストライプ画像と結合されて同時に記録される。

あるいはまたは加えて、１つのマーキングまたは複数のマーキングのこのような投影または三角測量は、方法に用いられる装置の較正にも役立ちうる。このような較正は、物体自体の測定の間、または、他の物体（検体）を用いる前に、装置の内部パラメータ、および、２つのカメラレンズの相対的な配向のどちらの決定のためにも実行される。特に、検体を用いる場合に、１つ以上のストライプ画像記録と共に較正が実行されてよいが、較正測定は時間がかかる可能性があるので、グレイコード投影または相当する方法を用いてもよい。

本方法において選択され、位相コースに関して評価されるエピポーラ線は、好ましくは、２つのカメラレンズにより生成される画像内に高密度で存在しなければならない。これは、エピポーラ線の狭い周囲のストライプが２つの画像を覆うことにより、表面をカバーする三次元検出が可能になることを意味する。

本方法の有益な実施形態では、検出された位相値を補間することにより、画像生成器、および／または、１つまたは複数のカメラチップに関し、画像点を位相値にサブ画素単位で正確に割り当てることができる。

手で誘導される測定ヘッドによる測定を手振れによる測定エラーなしに実現すべく、１つの輪郭の検出に用いられうるすべてのストライプパターン、および、追加してまたは同時に投影されうるマーキングは、１００ミリ秒から５００ミリ秒の時間間隔内で記録され、および／または、１５Ｈｚから６０Ｈｚの画像繰返し速度で記録される。

以下、図１から７までを参照して発明の実施形態を説明する。

本発明における装置のビーム経路を示す。

本発明の異なる実施形態における、相当する装置の２つのカメラレンズのビーム経路の対応する表現である。

本発明における装置の第３の実施形態のビーム経路の相等する表現である。

図３の装置のビーム経路の側面図である。

図１の実施形態に相等するビーム経路を有する、本発明に従う装置のハウジングを開放させた状態を示す。

本発明における方法の一実施形態を表すフローチャートである。

図２に対応する表現であり、装置の変形例における２つのカメラレンズのビーム経路が示されている。

三次元の輪郭の非接触検出、特に、歯の輪郭の口腔内または口腔外で非接触検出するための装置の光学部品が図１に示される。図示される装置は、画像生成素子１を有するプロジェクタと、画像生成素子１上で生成されうるストライプパターンを物体空間内３にイメージングする投影レンズ２とを備える。装置は、ほぼ１２度の角度で相互に傾けられた２つの方向から物体空間３を観察することができる、カメラ配列が有する２つのカメラレンズ４をさらに備える。プロジェクタと、カメラレンズ４のそれぞれに対するモノクロＣＣＤチップとして構成されるそれぞれ１つのカメラチップ５をここでは有するカメラ配列とは、ハンドヘルドデバイスとして用いられうる共通の測定ヘッドに収容される。

図示される装置には、カメラレンズ４により定められる２つの光軸間を二分する線と一致する光軸を有するようにプロジェクタが配置される。カメラレンズ４および投影レンズ２はどちらも約１０ｃｍの物体断面幅を有する。内部で投影の焦点が合わされ、カメラ配列の焦点深度範囲内にある物体空間３は、約２５ｍｍ×１５ｍｍの横方向寸法と、プロジェクタの光軸方向における、約１３ｍｍの深さとを有する。

ここで採り上げられる画像生成素子１は、約６ｍｍ×４ｍｍから１６ｍｍ×１２ｍｍまでの横方向寸法を有するＬＣｏＳに関係する。ここで採り上げられる画像生成素子１は、図１には示されていない光源から発せられる光の反射輝度変調のために機能する。あるいは、チップが光源の光を透過して変調する通常のＬＣＤチップが提供されてもよい。

図２には本発明の他の実施形態が示され、ここでは、対応する装置のカメラ配列のみが図示される。以下の図面に繰り返される特徴は、同じ参照番号が付される。上記実施形態とは異なり、当該カメラ配列は、モノクロＣＣＤチップに関連する単一のカメラチップ５のみを有し、カメラレンズ４の両方のビーム経路は、カメラレンズ４のそれぞれがカメラチップ５の半分ずつに画像を生成するように、画像側の２つの傾斜ミラー６のよりそれぞれ折り曲げられる。図２に示される実施形態では、プロジェクタのビーム経路は、カメラレンズ４の光軸により定められる平面からほぼ５度の角度だけ傾けられる。それとは別に、投影ビーム経路ができるだけ非対称に配置されてもよい。

第３の実施形態が図３および４に示される。ここでは、ビーム経路の両方に対し、カメラ配列は単一のカメラチップ５のみを有し、その半分ずつがカメラレンズ４のそれぞれによって露光されうる。カメラチップ５は、カメラレンズ４の光軸により定められる平面と平行に配置される。図４に示されるように、本実施形態におけるプロジェクタは、２つの傾斜ミラー６'によって折り曲げられたビーム経路を有する。

図５では、図１に示される実施形態とは異なる本発明の実施形態が示される。ここでは、特に口腔内測定を容易にすべく、傾斜ミラーを物体側に設ける点だけが図１とは異なる。傾斜ミラー７を担持する比較的狭いハウジング端９を有する装置の測定ヘッドのハウジングも図５に示される。図５に示された数値は、ミリメートル単位でのハウジング８のサイズを示す。図示される装置は、図５には示されていない、ハウジング８の外側に配置された光源を有し、当該光源は、直径約５ｍｍの光導波路１０を介し測定ヘッドに接続される。本発明の変形例では、光源は、測定ヘッド内に収容されてもよい。

図１から５では、それぞれの装置に含まれる制御・評価ユニットは示されていないが、当該制御・評価ユニットがプログラミング技術によってインストールされることにより、装置は、次に図６を参照して説明される方法を実装するのに適するようになる。

本方法は、三次元輪郭、特に、口腔内または口腔外からスキャンされる歯、義歯、または、入れ歯の表面の非接触検出に役立つ。本方法では、一連のストライプパターンは、まず、プロジェクタにより物体に投影され、当該物体の三次元輪郭を検出することを目的とし、それぞれ投影されたストライプパターンを有する当該物体の２つの画像がカメラレンズ４により記録される。まず、例えば、局所的空間においてシフトされた位相分だけそれぞれ異なる４つのストライプパターンが投影され記録されることにより、いわゆる４−位相アルゴリズムを用い（もちろん本方法の他の実施形態では、他の適切な位相アルゴリズムを用いてもよい）、２つの画像それぞれに対し、ストライプパターンまたはストライプパターンシーケンスの位相値が決定され、その結果、例えば、粗い位相画像が生成される。これは、シーケンスのそれぞれのストライプパターンを記録すべく、それぞれのカメラチップ５の各画素の輝度が測定されることで簡単に実現できる。０から２Πの輝度周期のパラメータ化により、モジュロ２Πのみが許容範囲なので、粗い位相の輝度位相と呼ばれる。

図６に菱形で示されているさらなるステップでは、２つの画像における相互に対応するエピポーラ線が選択されることにより、カメラレンズ４により記録される２つの画像における相互に対応する画像点が決定される。エピポーラ線に沿って決定された位相値は、不変性に関して検査され、それからエピポーラ線は、一定の位相コースの間隔に分割され、その後、相互に対応するエピポーラ線における相互に対応する間隔が識別され、相互に対応する間隔内では、同じ位相値のポイントが相互に割り当てられる。上記間隔内の位相値は、細かい位相値と呼ばれ、位相不変性が保証されていることにより、当該間隔における各ポイントを明確に識別するに十分な情報量が送信される。位相不変性、すなわち、エピポーラ線に沿った位相値の不変性に関して評価することと、エピポーラ線を一定の位相コースの間隔に分割すること、とは、周知である不変性アルゴリズムを用いて行われてよい。好ましくは、対のエピポーラ線は、両方の画像をできるだけ高密度にカバーするよう選択される。相互に対応するエピポーラ線は、それぞれの画像における各画像点に対して明確に生成されるので、簡単に決定できる。

最後に、２つのカメラレンズ４により生成される２つの画像内の相互に対応する画像点に基づき、それらの画像点に対応する物点の深さ情報が三角測量により決定される。図６では、技術的または計算プロセスは、対応してラベル付けされた矩形によって示され、それに対応してラベル付けされた卵形線により入力および出力データが示されている。

用いられるストライプパターンは、約５０の等間隔の周期が図１に示された物体空間３をカバーするような大きさである。一連のストライプパターンは、図１から３における図平面に対し垂直なストライプにより生成される。さらに、異なる向きを有する１から７までのさらなるストライプパターンが物体に投影され、方法を支援すべく同様に評価される。加えてまたは同時に、明確に見つけられるマーキングが物体に投影される少なくとも１つの記録が行われてよく、これによって、相互に対応する画像点の識別をサポートする形で方法を支援しうる。

上記のやり方では、多くのエピポーラ線が検査されることにより、画素間隔の４倍までの幅を有するこれらのエピポーラ線の周囲のストライプが画像を完全にカバーするようになるはずである。測定された輝度を補間することにより、位相値が画像点に割り当てられる。この割り当ては、画素単位より精密であり、同様に、輪郭の三角測量も非常に精密に行われてよい。位相計算に高速演算の４−位相アルゴリズムを用いることにより、ストライプパターンを有する画像シーケンスの記録時間は、短時間に維持される。例えば、１画像につき２０ミリ秒から４０ミリ秒の持続時間での８から１０画像の記録シーケンスでは、測定位置ごとに１６０ミリ秒から４００ミリ秒の記録時間を作ることができる。口腔内の用途に関しては、使用される装置が取り外し可能なマウスピース付きのモジュラー測定ヘッドまたはセンサヘッドを有すれば有益であろう。

本願明細書中に記載される本発明の本質的な特徴は、特に、２つの異なる方向から２つのカメラによって記録される輝度画像から粗い位相を決定すること、エピポーラ配置、および、粗い位相の不変性に基づき三次元データを計算すること、位相相関によって対応する画素を決定すること、および、対応する画素に基づき、三角測量によって深さ値を計算すること、である。

再び、提案される発明の好適な実施形態を以下に概略的に説明する。

ハンドスキャナと呼ばれる装置は、口の中で歯をスキャンする装置である。装置は、口の中に導入される部分と、光学、電子、および、磁気部品を有する手に持つ部分とを備え、光学、電子、および、磁気部品は、照明源からの照明ビームを、照明光学系を介して歯に伝送し、歯から発せられた観察ビームをセンサ（ＣＣＤ）に至るまで観察光学系に伝送する。

装置は、一連のストライプパターンを測定の対象（歯）に投影する投影チップを画像生成素子１として有する。このストライプパターンシーケンスは、２つの観察方向から観察されて記録される。記録された輝度画像から位相値が計算される。三次元測定データは、２つの観察チャネルの間において三角測量を用い、位相相関による位相測量法によって得られる（例えば図１を参照）。

２つの観察方向と、１つの照明方向とを同時に形成する原理は、観察のための２つの別々の光チャネルを含み、当該チャネルの軸は、照明方向に対し通常略対照的に左右に配置される。

場合によっては存在しうる、投影の光軸と、カメラの２つの光軸により定められる平面との間の予定外の角度は、５度未満であることが望ましい。

照明および観察により、横に約２５ｍｍ×１５ｍｍの測定範囲が形成される。物体空間３、または、光軸方向（焦点範囲の深さ）における測定体積の増減範囲は、約＋−６．５ｍｍから１３ｍｍである。

オフセット冷光源は、照明源として機能する。（オフセット）光源の光は、直径約５ｍｍの液体光導波路を介して口腔内で動作するセンサヘッドまたは測定ヘッドに結合される。

照明光学系は、あまり歪まずに動作するよう設計されている。観察に際しては、ＣＣＤカメラ技術、および、ほぼ歪まないレンズが用いられる。１つのカメラチップ５のみが観察用に用いられるように２つの観察方向を結合させることができる（図２から４を参照）。あるいは、カメラチップ５を２つ用いてもよい（図１を参照）。

測定値を得るべく、基本的な測定原理としての位相測量法が方法として用いられる。位相測量法は、写真測量法と、アクティブなパターン投影との数学的融合を表す。

異なる向きのパターンシーケンスが測定されるべき物体に投影され、観察しているカメラによって記録される。細かい位相値は、対応するアルゴリズムによって決定される。２つの観察方向の細かい位相値を相関させることにより、装置の内部の向きのパラメータ、観察方向間の相対的な向きのパラメータが三次元測定値として生成される。

観察方向間の内部の向きおよび相対的な向きのパラメータは、較正測定の範囲内で決定される。これは、測定自体のデータから、または、より正確な個別の較正測定によるアプリオリに基づき決定されてよい。このために、較正用本体の１つ以上の口腔外測定が最も高い精度で実装される。較正の間に粗い位相画像（＝位相モジュロ２Π）を生成すべく、例えば、４−または１６−位相アルゴリズムが用いられる。カメラ、そしておそらくはプロジェクタの内部配向の決定は、写真測量法によって実行される。さらに、２つの観察方向の間の相対的な向きは、較正測定から決定されてよい。

三次元測定データを計算すべく、観察方向により定められるビーム束が用いられ、カメラ画像における位相相関が実装される。画像シーケンスの記録は、第１のステップで実施される。

合計５から１１のストライプパターンの画像の２つの交差するシーケンスは、投影ユニットにより投影され、両方の観察方向から記録される。３０Ｈｚの画像繰り返し速度での画像の記録には、１６０ミリ秒から３７０ミリ秒を要する。

位相アルゴリズムを用い、各観察方向に対して粗い位相画像が計算される。画像の１つ以上において、１つ以上の画像点がマーキングまたはマーカとして用いられてよい。マーカは、画像における明確に識別可能なポイントであり、その起点は、投影チップ上でわかる。マーカは、絶対的な位相を決定するのに役立つ。

第２のステップでは、カメラ画像間へのポイントの割り当てが実行される。

三次元ポイント計算では、２つのカメラの画像間における明確なポイント割り当てを実現すべく、粗い位相画像は、細かい位相画像に変換されなければならない。両観察方向の画像点の割り当ては、粗い位相情報と、エピポーラ配置とを利用して実行される。

この目的のために、両観察方向の画像における対応するエピポーラ線に位置する画像点のみが観察される。これらのエピポーラ線は、画像内の特定のポイントと、内部および相対的な向きのデータとを選択することにより明確に決定される。

測定ポイントを適切に選択すべく、対応する高密度なエピポーラ線系統が画像を覆う。エピポーラ線は、２つの観察方向の投影中心を通って延びる空間内の平面の画像であり、この空間平面は、物体空間におけるポイントにより特徴付けられる。それゆえ、エピポーラ線は、対応する直線として画像内に示される。

第１の画像のエピポーラ線におけるすべてのポイントは、第２の画像における対応するエピポーラ線におけるそれらの対応するポイントを有する。それゆえ、ポイントの対応を見つけることの目的は、一次元の場合に限定される。

対応を見つけることは、エピポーラ線における位相値の相関によってなされうる。この目的のためには、エピポーラ線における粗い位相値の他の不変性が要求される。これは、周期遷移の分析、非不変性ポイントの検出、隣接する画像点の観察、および、画像における周期遷移の追跡によって実現する。検出されたマーカは、画像内における追跡の出発点、および、制御点として機能する。

三次元測定データの計算は、第３のステップで実行される。

この目的のために、相対的な向きおよび内部の向きのパラメータと共に、サブ画素単位で精密に決定された対応する画像点の座標が三角測量を用いて計算され、スキャンプロセスの結果を表す三次元の点雲を形成する。

したがって、図示される方法には、粗い位相の不変性が必要である。この粗い位相の不変性は、対応する直線が両方の画像で観察されるという点から、エピポーラ配置を用いる場合は二次元表面で実現される必要はなく、一次元の問題に限定される。

対応する出発点が両画像における直線の２つの部分で見つかり、直線部分における位相値の関数が一定である限り、どんな場合でも明確な粗い位相割り当てが実現しうる。非不変性のポイントが新たな直線部分を定める。したがって、対応するエピポーラ線における対の対応する直線部分のそれぞれについて、対応するポイントが見つかるはずである（それによって、隣接するエピポーラ線間の位相値の不変性分析に再び頼ることになる場合もある）。ポイント割り当てのためのアルゴリズム（粗い位相の不変性）は、対応するエピポーラ線を不変の部分に分解し、それぞれの対応する部分において対応する出発点を見つける。

カメラ配列に対して１つのチップを用いる場合（図２から４を参照）、エピポーラ配置は、それに対応してカメラの２つの部分的なチャネル間で計算される。このようにして、小型の構造が得られるばかりでなく、より単純な電子評価システムを用いることができる。

最後に、三次元輪郭の非接触検出のための装置の一部が図７における本発明のさらなる実施形態で示されている。当該表現は、広く言えば図２に対応する。上述の対応する特徴には同じ参照符号が付されている。図２の実施形態と異なる点のみここで扱うこととする。

物体空間から見た場合、両カメラレンズ４のビーム経路には、図２における合計４つの傾斜ミラー６'に対応する第１の傾斜ミラー６および第２の傾斜ミラー６がそれぞれ１つずつ傾斜部材として配置される。図２の実施形態と異なる点は、カメラレンズ４のすべてのレンズが、それぞれのビーム経路に配置された両傾斜ミラー６および６'の物体側に配置されていることであり、それによって、すべての傾斜部材の物体側は、カメラレンズ４のビーム経路の外側に位置するようになり、物体空間から見て第１の傾斜ミラー６と第２の傾斜ミラー６'との間には回析要素は存在しなくなる。これによって、図２に示される二重矢印の方向に移動可能なスライドにそれぞれ装着可能であり、所望の位置にネジ止めすることで固定されうる第１の傾斜ミラー６を移動させるおよび／または回転させることにより、カメラ用光学部品の調整が容易になる。このスライドでは、２つの第１の傾斜ミラー６のそれぞれが図２の図平面に対して垂直な軸の回りを回転可能であり、所望の位置で固定可能なように配置される。

この設計により、カメラレンズ４の調整は、カメラレンズ４、すなわち、ここでは、それぞれの５つの検出可能なレンズの画像生成素子の内部配置を変更せずに、第１の傾斜ミラー６を調整することによって可能となる重要な利点をもたらす。したがって、調整によってカメラレンズ４のイメージング品質を損なうことはない。さらに、２つの第２の傾斜ミラー６'から形成されたプリズムブロックは、線形スライドに配置されることもありえ、また、調整の目的で、カメラチップ５の対称な軸または光軸の方向に移動されてもよい。カメラレンズ４のすべてのレンズが傾斜ミラー６の物体側に配置され、傾斜ミラー６は、上記方法で調整されるよう、図３および４の実施形態も相応に修正されてよいことは言うまでもない。

図には示されていないプロジェクタの照明光学系により、光は、画像生成素子１に向けられる。画像生成素子は、例えば、できる限り放射出力を高めるよう好ましくはテレセントリックに構成されたＬＣｏＳチップとして構成される。

上記のようなタイプの装置により、代替方法、特に、グレイコードによるストライプパターンの投影によっても三次元輪郭が非接触に検出できる。この目的のために、制御・評価装置がプログラミング技術によってインストールされてよい。制御・評価装置は、画像生成素子１を起動し、カメラ配列によって生成されるそれぞれの装置の画像データを評価し、グレイコードを含むストライプパターンを画像生成素子１上に生成し、グレイコードを評価することによって、２つのカメラレンズで生成される画像における相互に対応する画像点を識別し、物点に対応しかつ相関していると識別される画像点に基づき、当該物点を三角測量する。

三次元輪郭を非接触に検出する対応する方法においては、例えば、グレイコードを含むストライプパターンが物体に投影され、互いに定められた間隔を置いて配置された２つのカメラレンズを用いて、ストライプパターンが投影される物体の２つの画像が２つの異なる方向から記録され、ストライプパターンの位相値が両画像における画像点に対して決定され、その後、２つの画像におけるそれぞれ相互に対応する画像点に基づく三角測量により、これらの画像点に対応する物点の深さ情報が決定され、グレイコードの評価によって、２つの画像における相互に対応する画像点が決定される。

これによって、少なくとも制御・評価ユニットの対応するプログラミングにより、測定を行う目的で、それぞれ平行なストライプを有するストライプパターンの少なくとも第１のセットおよび第２のセットが投影され、第１のセットのストライプと、第２のセットのストライプとは、ゼロでない角度、好ましくは、少なくとも約９０°の角度で重なる。ストライプの各セットは、少なくとも３つ、正確には４つが好ましい正弦波輝度コースを有する相互に位相シフトしたストライプを含み、それらは、実際に単独で位相モジュロ２Πを決定することができ、また、各ストライプセットは、絶対位相を決定するためのグレイコーディングされたさらなるストライプパターンを含む。

このように、全体として比較的多数のストライプパターンが投影されて記録される。それに伴い、特にストライプパターンを投影して記録するハンドへルドデバイスを用いたときに、比較的測定時間が長くなることによる振れを防止すべく、本発明の特に好適な実施形態は、第１のセットのストライプパターンからの正弦波輝度コースを有する多数のストライプパターンと、第２のセットのストライプパターンからの正弦波輝度コースを有する多数のストライプパターンとが時を移さず連続して投影されることを実現する。一方で、正弦波輝度コースを有する上記２つの多数のストライプパターンの前および／または後にグレイコーディングされたストライプパターンが投影される。ただし、当該グレイコードストライプパターンは、正弦波輝度コースを有するストライプパターンの個々の間には投影されないものとする。第１のセットのストライプパターンからの正弦波輝度コースを有するストライプパターンと、第２のセットのストライプパターンからの正弦波輝度コースを有するストライプパターンとは、いかなる順序で投影されてもよく、例えば、最初に第１のセットからのストライプパターンがすべて投影され、その後に、第２のセットからのストライプパターンが正弦的に延びてよい。この測定により、正弦波輝度コースを有するストライプパターンが非常に短い耐振期間内に投影されて記録されることができる。その場合、２つのストライプ方向に通常合計で８つのストライプパターンが存在し、これらのストライプパターンのうちの十分なものは６つであってよい。実際、グレイコーディングされたストライプパターンは、この非常に短い期間には収まらないが、既知のモジュロ２Π位相の絶対位相を決定する目的のためにだけにまだ機能し、それらの記録は、振れにほとんど影響されないので、実害はない。都合が良いことには、グレイコードの投影による２つのカメラレンズの画像平面における画像点の明確な割り当ては、ハンドヘルドデバイスのような相当する装置の耐振動作と組み合わせることもできる。

Claims (18)

1. 三次元輪郭を非接触検出する装置であって、
   画像生成素子（１）を有するプロジェクタと、
   前記画像生成素子（１）上に生成されうるストライプパターンを物体空間（３）内にイメージングする投影レンズ（２）と、
   前記物体空間（３）を２つの異なる方向から観察する２つのカメラレンズ（４）を有するカメラ配列と、
   を備え、
   前記プロジェクタおよび前記カメラ配列は、ハンドヘルドデバイスとして用いられることができる１つの測定ヘッド内に共に収容される、装置。
2. 前記カメラ配列は、前記カメラレンズ（４）の両方のための共通のカメラチップ（５）を有し、前記カメラレンズ（４）のそれぞれは、前記カメラチップ（５）の半分ずつに対して画像を生成する、請求項１に記載の装置。
3. それぞれ少なくとも２つの傾斜部材（６、６'）が前記２つのカメラレンズ（４）のそれぞれのビーム経路に配置され、前記カメラレンズ（４）のすべてのレンズは、前記傾斜部材（６、６'）の物体側に配置され、前記傾斜部材（６、６'）の少なくとも１つの第１の傾斜部材（６）は、調整用の移動可能スライドにおいて前記２つのカメラレンズ（４）のそれぞれの前記ビーム経路の外側に配置される、請求項２に記載の装置。
4. 前記２つのカメラレンズ（４）は、５度から２０度の角度を形成する光軸を有する、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記２つのカメラレンズ（４）は、前記投影レンズ（２）の前記光軸が位置する平面に対し鏡面対称に配置される光軸を有する、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 前記カメラレンズ（４）および／または前記投影レンズ（２）は、７ｃｍから１３ｃｍの物体側断面幅に合わせて設計されている、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 前記プロジェクタには光源が設けられ、前記光源から発せられる光は、透過型または反射型の前記画像生成素子（１）により輝度変調されることができる、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 前記光源は、前記測定ヘッド内に収容されるか、または、光導波路（１０）を介し前記測定ヘッドに接続される、請求項７に記載の装置。
9. 前記装置は、前記画像生成素子（１）を起動し、前記カメラ配列により生成された画像データを評価する制御・評価ユニットをさらに備え、前記制御・評価ユニットは、プログラミング技術を用いてインストールされ、
   前記画像生成素子（１）上に少なくとも１つのストライプパターンを生成し、
   前記カメラレンズ（４）の両方の、画像平面内の相互に対応するエピポーラ線に沿って、前記カメラ配列により決定された位相値のコースの不変性に関して評価し、
   前記エピポーラ線を一定の位相コースの間隔に分割し、
   前記相互に対応するエピポーラ線における相互に対応する間隔を識別し、
   相関するものと識別された前記間隔内の同じ位相値を有する相互に対応する画像点を識別し、
   物点に対応しかつ相関する前記識別された画像点に基づき、前記物点を三角測量する、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
10. 三次元輪郭を非接触検出する方法であって、
    少なくとも１つのストライプパターンが物体に投影され、
    互いに定められた間隔を置いて配置された２つのカメラレンズ（４）を用いて、前記ストライプパターンが投影された前記物体の２つの画像が２つの異なる方向から記録され、
    前記２つの画像の両方における画像点に対して前記ストライプパターンの位相値が決定され、
    前記２つの画像における相互に対応する画像点に基づく三角測量により、前記画像点に対応する物点の深さ情報が決定され、
    前記２つの画像における前記相互に対応する画像点を決定すべく、
    前記２つの画像における相互に対応する対のエピポーラ線が選択され、
    前記エピポーラ線に沿い前記決定された位相値の不変性が評価され、
    前記エピポーラ線が、一定の位相コースの間隔に分割され、
    前記相互に対応するエピポーラ線における相互に対応する間隔が識別され、
    前記相互に対応する間隔内で、同じ位相値のポイントが相互に割り当てられる、
    方法。
11. 前記位相値を決定すべく、一連の複数の相互に位相シフトしたストライプパターンが前記物体に連続して投影され、記録される、請求項１０に記載の方法。
12. 異なる向きのストライプを有する少なくとも１つのさらなるストライプパターンが、時間的にオフセットになるよう前記物体に投影され、前記２つの画像における前記相互に対応する画像点を識別すべく、前記さらなるストライプパターンの位相値も評価される、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記物体の少なくとも１つの記録は、前記２つのカメラレンズを用いて行われ、その場合、同時に、前に、または、後に記録されたストライプパターンに関して定められたやり方で配置された少なくとも１つのマーキングが２つの対応する画像点を識別すべく前記物体に投影されることにより、前記方法を支援し、および／または、前記方法に用いられる装置の較正に役立つ、請求項１０から１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記評価されたエピポーラ線は、前記２つの画像内に高密度に存在する、請求項１０から１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記位相値のサブ画素単位での前記画像点への精密な割り当てが、補間により実行される、請求項１０から１４のいずれかに記載の方法。
16. １つの輪郭の検出に対してすべての前記ストライプパターンが用いられ、さらに投影されたマーキングが１００ミリ秒から５００ミリ秒、および／または、１５Ｈｚから６０Ｈｚの画像繰り返し速度で記録される、請求項１０から１５のいずれか記載の方法。
17. 前記物体は、歯、義歯、または、入れ歯に関係する、請求項１０から１６のいずれかに記載の方法。
18. 請求項１０から１７のいずれかに記載の方法を実装するための請求項１から９のいずれかに記載の装置の使用。

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