JP2011504230A - 三角法を用いた物体の光学的測定方法 - Google Patents

三角法を用いた物体の光学的測定方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、三角法を用いて光学記録装置（１）によって物体を測定する方法に関する。第１のシャッター手段（３．１）によって第１のパターン（１１．１）が生成され、記録対象物体（８）に第１の投影ビーム（７．１）として投影される。少なくとも１つの別のシャッター手段（３．１〜３．４）によって別のパターン（１１．２〜１１．４）が生成され、記録対象物体（８）に別の投影ビーム（７．２〜７．４）として投影される。第１のパターン（１１．１）と別のパターン（１１．２〜１１．４）は物体（８）から観察ビーム（１３．１〜１３．４）として反射され、物体の３Ｄデータセット（２１）を得るために少なくとも１つの記録手段（６、６．１、６．２）によって記録される。投影された第１のパｔｓ−ン（１１．１）と別のパターン（１１．２〜１１．４）は少なくとも１回の三角法記録（２０、５３、５４）で少なくとも１つの記録手段（６、６．１、６．２）を用いて同時に記録される。

Description

本発明は、物体の三次元形状を光学的に測定する方法に関し、特に歯科医療目的での測定プロセス中に、カメラと物体とが相対移動する場合の３Ｄ（三次元）測定の課題に取り組むものである。
患者の口腔内の１本又は複数本の歯の光学的３Ｄ測定によって、従来の歯科印象材を使用せずに義歯をコンピュータ制御で加工するためのディジタル構造データが得られる。
この測定には、三角法の原理に基づく測定方法が用いられることが多い。欧州特許第０ １６０ ７９７号明細書から、記録ごとにそれぞれ互い違いに配置されたグリッドを有する複数の記録から３Ｄデータセットが得られる位相シフト三角法（位相シフト法）が公知である。
公知の三角法では、投影装置から個々の直線的な光跡が記録対象物体に投影され、投影された画像は観察装置内にある視差角でカメラによって記録されることで記録が得られる。
物体の表面構造によっては、光跡はもはや直線的には現れず、直線的な進路に対して歪んだり偏移したりする。光跡の位置と進路から記録対象物体の表面構造を推測することができる。
光跡が光跡の延びる方向と垂直な方向に移動することによって、記録対象物体全体を走査することができるので、記録がなされる。記録によって得られた記録対象物体の高さ情報はコンピュータのメモリ内の二次元グリッドに記録されることができ、この高さ情報は、基準面としての基面上の記録対象物体の表面の高さ情報に対応する。測定プロセス後、記録対象物体の三次元ディジタルデータモデルが得られ、これを例えばビデオ静止画像としてモニタに表示することができる。
国際公開第２００４／０８５９５６ Ａ２号パンフレットの文献から、記録Ｐｉ中に記録対象物体の表面構造が完全に測定されるように前述の測定方法を改良した、記録対象物体の三次元画像の作成方法が公知である。
光跡は例えば、記録期間中にレーザー光線が急速に移動することによって発生可能である。すなわち、光跡は本来、光点から構成されている。したがって、記録Ｐｉ中にレーザーの点状の光線が、光ストリップの少なくとも一部が互いにほぼ平行に、すなわち方向Ｒ１に進行する二次元の光ストリップパターンに沿って、記録対象物体を越えて誘導される。その際、光ストリップの間には空隙が設けられる。
記録中には基本的に、複数の離間した平行の光ストリップ片、又は光痕に沿った記録対象物体の高さ情報が収集される。
それによって記録後に既に、作成される３Ｄデータセットの二次元グリッドの離間した第１の群の複数の行内の記録対象物体の高さ情報が得られる。
ＷＯ第２００４／０８５９５６ Ａ２号パンフレットから公知であるような、それぞれの記録中に、記録ごとに１本の光痕、又は記録ごとに複数本の離間した光痕を有する準静止ストリップ投影の前記の両方の方法では、個々の記録で得られた別個の高さ情報は、取得された記録対象物体の３Ｄデータ全体を書き込み、又は格納する全フィールドにまとめられる。
三角法を用いた上記の測定方法には、個々の記録が時間的に連続する順序で記録され、次いで少なくとも２つの記録から全体の記録が合成されるため、個々の記録間の物体に対する記録装置のブレによって画像アーチファクトが生ずることがあるという欠点がある。したがって記録装置は記録セットの記録中に物体に対する位置を不変に保たなければならず、次のセットを記録するための次のステップで初めて位置を変えることができる。したがって、短期間に物体の複数の完全な記録が記録される物体の高速移動測定（オンザフライ測定）は不可能である。
国際公開第２００４／０８５９５６ Ａ２号パンフレット
したがって、そこから生ずる課題は、特に歯科医療の目的で三角法を用いてフライオーバー測定が可能な物体の光学的測定方法を提供することである。
この課題は、以下に記載する本発明の特徴によって解決される。
本発明により、光学記録装置を使用した三角法を用いて物体の三次元形状を光学的に測定する方法が提供される。記録装置は少なくとも１つの光源と、構造化されたパターンを生成するための少なくとも１つのシャッター手段と、少なくとも１つの記録手段とを含んでいる。第１のシャッター手段を使用して第１のパターンが生成され、記録対象物体に第１の投影ビームが投影され、少なくとも１つの別のシャッター手段を使用して別のパターンが生成され、記録対象物体に別の投影ビームとして投影され、物体の第１のパターンと第２のパターンとが観察ビームとして反射され、物体の３Ｄデータセットを取得するための少なくとも１つの記録手段によって記録される。少なくとも１回の三角法による記録で投影された第１のパターン、及び更に別のパターンは、少なくとも１つの記録手段を使用して同時に記録される。
本発明で用いられる三角法は以下の基本原理に基づくものである。
物体の特定の測定点は投影ビームの方向から照明され、別の方向からの観察ビームとしてセンサによって記録される。
その際、光源とセンサとを結ぶ基底長さと、投影ビーム及び観察ビームとの間の両方の角度が得られる。基底長さを知ることで、光源とセンサとを含む記録装置の座標系に対する測定点の座標を特定することができる。
本発明は、好ましくはストリップ投影法を用い、平行のストリップからなるパターンが物体に投影され、それによって複数の測定点を同時に測定することができる。
測定点の座標を特定するには、測定点にセンサ上の画像座標を割り当てる投影座標が判明していなければならない。したがって、測定点をそれぞれのストリップに割り当てられなければならない。
この割り当ては、センサ上の一連の輝度値を評価することによってストリップの数を計数して、それぞれのストリップ数を特定することによって行うことができる。
この割り当ては、各ストリップがストリップの数を表す輝度値の２進数列を含むことで、２進コード法（例えばグレイコード）によっても行うことができる。この２進コードを評価する際に、それぞれのストリップ数を特定することができる。
投影座標を割り当てる際のより高い精度は、いわゆる位相シフト法（フェーズシフト法）によって達成可能であり、位相シフト法の場合、物体の３Ｄデータは互いに位相シフトされた少なくとも４つの個別記録を評価することによって作成可能である。個々のストリップの輝度値は、位相が個々の三角法記録のパターン内で異なる正弦波形状を有している。したがって、各測定点には個々の三角法記録からの少なくとも４つの輝度値が生じ、そこから数学的方法によってこの測定点の位相状態を計算することができ、次いでこの位相状態からストリップに対して垂直な座標軸上の測定点の位置を特定することができる。
したがって、計数及び２進コード法による割り当ての利点は、パターンによって照射される測定領域の３Ｄデータを各々の個々の三角法記録の後に即座に作成できることにある。
位相シフト法の利点は、計数法又は２進コード法とは異なり、測定点が特定のストリップに、ひいては離散座標に割り当てられるのではなく、２つのストリップ間にあってもよい測定点の非離散座標が特定されることにある。したがって、それによってより高い測定精度が達成される。
パターンは個々のストリップから、又は平行な複数のストリップから構成できる。
光学的記録装置は歯科用カメラ又はその他の光学的な構造の装置でよい。
記録装置は、従来の照明手段、カラーＬＥＤ、ホワイトＬＥＤ又はレーザーであってよい少なくとも１つの光源を含むことができる。三角法向けには、単色光も多色光も適している。個々のパターン用の光源は、共通の三角法記録で互いに分離できるように波長が異なっているものでよい。
記録装置は、構造化されたパターンを生成するための複数のシャッター手段を含むことができ、各々のシャッター手段が１つのパターンを生成可能である。シャッター手段は、構造化されたスリットを備える光グリッドであってよい。構造化されたスリットは互いに平行なストリップであってよい。
記録対象の物体は任意の三次元物体であってよく、本発明の方法は特に歯の記録に適している。
光源の光はシャッター手段を照射し、その結果、投影ビームとして物体に投影される構造化されたパターンが生成される。投影されるパターンの光は次いで物体から観察ビームとして反射され、少なくとも１つの記録手段によって少なくとも一回の三角法記録で別のパターンと同時に記録される。記録手段は光センサ、特にＣＣＤセンサであってよい。投影されるパターンは様々な観察方向から複数回の三角法記録で記録可能である。
三角法記録から得られる様々なパターンは互いに別個に分析され、パターンから得られた３Ｄデータが作成され、次いでパターンの個々の３Ｄデータから物体の３Ｄデータセットが構成される。
本発明の利点は、物体に投影された個々のパターンを同時に記録できることにある。従来の方法では、個々のパターンは個別の記録で時間順に順次記録される。そのため、記録装置は記録毎にぶれ、ひいては物体に対する記録装置の位置が変化することがある。その場合、このぶれ誤差は引き続き高価なコンピュータ援用方法によって補正可能である。しかし、本発明の方法では、パターンを同時に記録するためぶれの危険は生じない。
本発明の方法の更なる利点は、高速移動測定（オンザフライ測定）が可能になることにある。従来の方法では、パターンをずらした時間的に前後する一セットの三角法記録で特定の領域を走査可能であり、その際に一セットの記録中の物体に対する記録装置の位置が変化しないように保たなければならない。次のステップで初めて、新たな一セットの三角法記録で新たな測定領域を記録することができる。これに対して本発明の方法では、一セットのパターンが同時に記録され、したがって測定領域が同時に測定される。次のステップで、記録装置が物体に対して移動され、所定の時間間隔を置いて隣接する測定領域が同時に記録される。このようにして、一連の三角法記録がオンザフライ測定で実行され、コンピュータ援用方法を用いてこの三角法記録を物体全体の３Ｄ画像に合成することができる。
有利には、第１のパターンと更に別のパターンとを共通の投影方向で投影ビームとして物体に投影することができる。
パターンは複数のシャッター手段によって生成可能であり、投影ビームは、パターンが共通の投影方向に沿って物体に投影されるように偏光される。それによって、記録装置をよりコンパクトに構成することができ、物体の測定領域を共通の作用方向から隙間なく捉えることができる。
有利には、パターンの観察ビームを少なくとも２つの観察方向から記録することができ、第１の観察方向は別の観察方向に対してある角度だけ変位される。
それによって、投影されたパターンを複数の観察方向から同時に捉えることができる。観察方向の間の角度は有利には２０°から９０°である。三角法記録の機能にとって、パターンのストリップは、投影方向と観察方向との間に拡がる三角法測定平面に対して少なくとも１０°の角度を有する必要があることに留意されたい。
有利には、パターンの観察ビームを、複数の個々の三角法記録で複数の記録手段を用いて異なる観察方向から記録することができる。
したがって、同時に投影されるパターンは、互いに離れた少なくとも２つの記録手段によって少なくとも２回の三角法記録で捉えることができる。異なる観察方向からのこれらの三角法記録を合成することによって、より高い測定精度を達成でき、特に物体の凹面と凸面に測定領域を完全に捉えることができる。
有利には、パターンの投影ビームは少なくとも２つの異なる投影方向から物体に投影されることができる。その際、パターンの投影ビームは単一の観察方向から記録され、第１の投影方向は別の投影方向に対して角度をなして変位されている。
それによって、パターンは異なる投影方向から同時に物体に投影されるので、物体のパターンは異なる方向から捉えられ、したがって物体の完全な画像が生成される。その上、異なるパターンの投影ビームを共通の投影方向に偏光させなくてもよい。
有利には、個々のパターンを互いに区別し、識別するために少なくとも１回の三角法記録でコード化することができる。
それによって、１つの観察方向からの記録手段、又は異なる観察方向からの複数の記録手段による三角法記録での個々のパターンを識別することができ、互いに別個に分析することができる。
有利には、第１のパターンが第１の波長を有し、別のパターンがそれとは異なる波長を有することで個々のパターンをカラーコード化することができ、記録手段として、その測定領域がパターンの波長をカバーする少なくとも１つのカラーセンサが存在し、カラーが異なるパターンを別個に分析することが可能になる。
それによって、異なるパターンを少なくとも１つのカラーセンサで同時に記録することができ、その波長を用いて別個に分析するために互いに区別することができる。パターンの光は波長が異なる光源から照射することができる。その際、パターンの光は異なる波長を有する単色光と、異なるスペクトルを有する多色光であることができる。
有利には、個々のパターンは２進グレイコードを備えることができ、このグレイコードを用いて少なくとも１回の三角法記録の個々のパターンを識別することができる。
それによって、共通の三角法記録で異なるパターンを識別し、互いに別個に分析することができる。２進グレイコードは２進輝度値を含み、そらからパターン数をデコードすることができる。
有利には、パターンの投影ビームを少なくとも２つの投影方向から物体に投影することができ、パターンの観察ビームを少なくとも２つの異なる観察方向から記録することができる。
それによって、複数の投影方向からのパターンが物体に投影され、物体の測定領域は複数の観察方向から記録される。それによって、様々な観察方向から複数の三角法記録が作成され、完全な３Ｄモデルを得るために重複されることができる。
有利には、第１のパターンの第１の投影方向は別のパターンの別の投影方向に対して１０°以上の角度をなすことができる。
それによって、投影方向は少なくとも１０°異なるので、パターンを生成するために光源とシャッター手段とを並置することができる。
有利には、第１の観察方向は別の観察方向に対して１０°以上の角度を有することができる。
それによって、ＣＣＤセンサなどの記録手段を観察方向で並置することができる。
少なくとも１回の三角法記録の評価は、おそらくは三角法に基づくストリップ投影法によって行うことができる。
ストリップ投影法では、パターンは平行な複数のストリップから形成され、ストリップは好ましくは三角法の測定平面に対した垂直に向いている。測定点の座標は上記の方法を用いてストリップの計数、２進コード法、又は位相シフト法によって確定することができる。
有利には、三角法を補足して、物体の写真測定法の原理に基づいて異なる観察方向から別の補助記録を記録し、三角法記録の評価時に考慮に入れることができる。
写真測定法とは、異なる方向からの物体の写真撮影からその空間位置とその三次元形状とを特定するための一群の測定方法のことである。通常は、写真撮影用の高解像度のディジタルカメラが使用される。写真測定法はコンピュータを援用した方法であり、個々の写真撮影からパターン認識によって、又、中心投影によって物点の３Ｄ座標が確定される。したがって補助記録は、異なる方向から記録され、写真測定法を用いて補足的な物体の写真測定法による３Ｄデータセットが作成される。写真測定法による３Ｄデータセットは、測定精度を高めるために、三角法により作成された第１の３Ｄデータセットと重複される。
有利には、ストリップ投影の原理による三角法記録の評価も、写真測定の原理による評価も評価ユニットによって行うことができる。
ストリップ投影の原理による三角法記録の評価、並びに写真測定の原理による補助記録はコンピュータなどの評価手段によって行うことができる。
有利には、記録手段はＣＣＤセンサであってよい。
有利には、評価ユニットはここの三角法記録でそれぞれ捉えられた物体領域の３Ｄデータを作成し、この３Ｄデータを物体全体の３Ｄデータセットに合成することができる。
評価ユニットはコンピュータであってよい。光学的記録装置の測定構造が知られており、特に投影方向及び観察方向、並びに記録手段と光源との間の空間的な基底長さが判明しているので、三角法を用いてパターンの投影から得られる３Ｄデータを評価ユニットを用いて算出することができる。個々のパターンの投影方向と観察方向との間の角度を利用して、３Ｄデータを共通の３Ｄデータセットに合成することができる。
有利には、物体全体の３Ｄデータセットを３Ｄモデルとして図形表示する表示ユニットを備えることができる。
表示ユニットは、３Ｄデータセット全体を三次元モデルとして表示できるコンピュータモニタであってよい。
有利には、ストリップ投影法を用いると複数の平行なストリップから個々のパターンを形成することができる。
有利には、異なる観察方向からの少なくとも２つの三角法記録を分析することができ、一致する領域を利用して三角法記録が重複される。一致する領域を発見するための分析方法として、ＩＣＰ法又はトポロジー適合法が用いられる。
物体から投影されたパターンは、異なる観察方向からＣＣＤセンサなどの離間した記録手段で記録される。記録手段の相互の、及びその観察方向との相対位置は判明しているので、そこから三角法記録間の位置関係が計算され、これらの三角法記録を物体全体の３Ｄデータセットに合成することができる。
その代替として、様々な三角法記録でパターンの一致領域を特定し、この一致領域に基づいて三角法記録を重複させることができる。分析方法としてＩＣＰ法又はトポロジー適合法がある。
いわゆるＩＣＰ法（反復最近傍点）が３Ｄデータを少なくとも部分領域で類似する形状と位置合わせするために用いられる。
トポロジー適合法は、様々なトポロジーを比較するためにＭＲＧ（多重解像度レーブグラフ）が使用される画像処理方法である。ＭＲＧは、類似した３Ｄデータセット用の探索基準として特に適している。この方法によれば位置の変化及び回転を算定しなくてもよいので、類似性の算定が迅速かつ効率的に行われる。
有利には、３Ｄデータはもっぱらそれぞれの三角法記録のパターン分析によって作成することができ、その際、個々のストリップはストリップの計数によって、又は２進コード法によって識別される。
ストリップ投影法では、三角法記録での測定点の座標が特定されなければならない。そのため、測定点にはこの測定点を捉えたそれぞれのストリップが割り当てられる。この割り当ては、一連の輝度値がセンサで評価され、それによってそれぞれのストリップの数が特定されることにより、上記のストリップの計数によって行うことができる。
この割り当ては、各ストリップがストリップ数を表す輝度値の２進数列を含むことにより、上記の２進コード法（例えばグレイコード）によっても行うことができる。この２進コードを評価する際に、次いでそれぞれのストリップ数を特定することができる。
有利には、個々の三角法記録の３Ｄデータを少なくとも１回の三角法記録で位相が異なる少なくとも４つのパターンの分析によって作成することができ、その際に、測定点の座標を確定するために位相シフト法が用いられる。
上記の位相シフト法（Ｐｈａｓｅ−Ｓｈｉｆｔ−Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ）は、投影座標を割り当てる際に高い精度を達成する。位相シフト法では、物体の３Ｄデータは、位相シフトされた個々のパターンの少なくとも４つの個々の記録を評価した後で初めて作成される。位相シフトされたパターンは同時に物体に投影され、少なくとも１回の三角法記録で記録される。引き続き、個々のパターンが別個に分析される。評価ユニットによって測定点の
位相状態が、次いでその座標が特定される。
有利には、物体に投影される少なくとも２つのパターンを同時に投影するための投影手段を利用できる。
この投影手段は、パターンを生成するためのシャッター手段、及び投影方向を変更するための偏光手段であってよい。
有利には、第１のステップで少なくとも１回の三角法記録で少なくとも１つの記録手段を使用して第１群のパターンを同時に記録し、次のステップで所定の時間間隔の後、少なくとも１回の別の三角法記録で別の記録手段を使用して別のパターン群を同時に記録することができ、その際、前記時間間隔の間に記録装置の位置が記録対象物体に対して変更される。
したがって、高速移動測定（オンザフライ測定）が実施される。第１群のパターンは第１の三角法記録で同時に記録され、記録装置は物体に対して移動され、別の群のパターンが別の三角法記録で同時に記録される。したがって、所定の時間間隔を置いた時間順の三角法記録が異なる方向から記録される。
有利には、第１のパターン群から第１の三角法記録で物体の第１の３Ｄデータセットを得ることができ、別のパターン群から別の三角法記録で物体の別の３Ｄデータセットを得ることができる。引き続き、第１の３Ｄデータセットと別の３Ｄデータセットとが物体の共通の３Ｄ画像として合成される。
本発明の実施例を図面で説明する。
投影装置と観察装置を有する測定用記録装置としての歯科口腔内カメラを含む本発明の方法を示す図である。 ２つのパターンの共通の投影装置と観察装置とを有する図１の記録装置の概略側面図である。 ２つのパターンの共通の投影装置と観察装置とを有する図１の記録装置の概略平面図である。 異なる２つの投影装置と観察装置とを有する概略平面図である。 投影装置と異なる２つの観察装置とを有する概略平面図である。 ２つの投影装置と２つの観察装置とを有する概略平面図である。 一致する領域を利用して三角法記録の重複を示すための、異なる２つの観察装置を使用した場合の物体に投影されたパターンの概略図である。 異なる方向から見た三角法記録によるオンザフライ測定を示す図である。
図１は本発明の方法を示している。記録装置１として、４つの光源２．１、２．２、２．３、２．４と、４つのシャッター手段３．１、３．２、３．３、３．４と、４つの偏光手段４．１、４．２、４．３、４．４と、ミラー５と、記録手段としてのＣＣＤセンサ６とを備える口腔内歯科カメラが使用される。光源２．１、２．２、２．３、２．４は投影ビーム７．１、７．２、７．３、７．４を放射し、これらの投影ビームはグリッド３．１、３．２、３．３、３．４として形成されたシャッター手段を通過して照射し、偏光手段４．１、４．２、４．３、４．４でミラー５へと偏光され、ミラー５から記録対象物体８、すなわち歯の表面に偏光される。その際、偏光手段４．２、４．３、４．４は投影ビーム７．２、７．３、７．４を完全に偏光し、その際、偏光手段４．１は半透明であり、投影ビーム７．１を透過し、偏光された投影ビーム７．２、７．３、７．４を部分的にミラー５に偏光する。光グリッド３．１、３．２、３．３、３．４として形成されたシャッター手段は三角法測定面９に対して垂直に配置されたスリット１０．１、１０．２、１０．３、１０．４を具備しているので、グリッド３．１、３．２、３．３、３．４を通過する際に構造化されたパターン１１．１、１１．２、１１．３、１１．４が生成され、物体８に投影される。パターン１１．１、１１．２、１１．３、１１．４は互いに平行に配置されたストリップ１２．１、１２．２、１２．３、１２．４から構成される。明解にするため、第１のパターン１１．１の平行なストリップ１２．１は細線なしで示され、第２のパターン１１．２の平行なストリップ１２．２は単純な細線を付して示され、第３のパターン１１．３の平行なストリップ１２．３は交差する細線を付して示され、第４のパターン１１．４の平行なストリップ１２．４は点を付して示されている。構造化された４つのパターン１１．１、１１．２、１１．３、１１．４は概略的に示され、そのため記録対象物体８への光ストリップ１２．１、１２．２、１２．３、１２．４のリアルな投影ではなく、単にパターン１１．１、１１．２、１１．３、１１．４の相互の配置と、投影方向のみを示している。投影ビーム７．１、７．２、７．３、７．４は記録対象物体８の表面から反射され、観察ビーム１３．１、１３．２、１３．３、１３．４としては共通のビーム経路内に反射され、ＣＣＤセンサ６の方向に迂回され、このセンサによって検知される。三角法測定面９は投影ビーム７．１、７．２、７．３、７．４と観察ビーム１３．１、１３．２、１３．３、１３．４との間に広がっている。投影ビーム７．１、７．２、７．３、７．４は反射した観察ビーム１３．１、１３．２、１３．３、１３．４に対していわゆる三角法角度１４をなしている。ＣＣＤセンサ６によって記録された画像データは、表示ユニット１６としてのモニタと、キーボードと、操作ユニット１７としてのコンピュータマウスとを備える評価ユニット１５としてのコンピュータに転送される。
本発明の方法では、ミラー５は調整不能であり、パターン１１．１、１１．２、１１．３、１１．４は同時に物体８に投影され、その際、個々のパターン１１．１、１１．２、１１．３、１１．４はストリップ幅だけ互いにずらされ、正方形の測定領域１９の内部の測定対象物体８の表面が隙間なく捉えられる。個々のパターン１１．１、１１．２、１１．３、１１・４の観察ビーム１３．１、１３．２、１３．３、１３．４はＣＣＤセンサによって第１の共通の三角法記録２０内に同時に記録される。個々のパターン１１．１、１１．２、１１．３、１１．４は区別するために、第１のパターン１１．１は第１の波長を、第２のパターン１．２は第２の波長を、第３のパターン１１．３は第３の波長を、第４のパターン１１．４は第４の波長を有することで互いにコード化されている。その際、ＣＣＤセンサは、その測定領域がパターン１１．１、１１．２、１１．３、１１．４の波長をカバーし、別個の分析が可能になるように配置されている。第１の三角法記録２０の画像データは評価ユニット１５に転送され、そこで個々のパターン１１．１、１１．２、１１．３、１１．４の投影が互いに別個に分析され、捉えられた領域の３Ｄデータが三角法によって計算される。三角法による３Ｄデータの計算では、記録装置の座標系に対する測定点の座標が既知の基底長さと、基底長さに対する投影ビームの既知の角度、及び基底長さに対する観察ビームの既知の角度から計算され、基底長さとは投影ビームと観察ビームとが直線的に進行する場合の光源２．１、２．２、２．３、２．４とＣＣＤセンサ６との間の接続区間である。
評価ユニット１５によって確定された個々のパターン１１．１、１１．２、１１．３、１１．４の３Ｄデータは、３Ｄデータセット全体に合成され、これが測定領域１９内で記録される物体８の表面の３Ｄモデル２１として表示装置１６に表示される。
従来の三角測定法では、異なるパターンの投影は時間的に前後して複数の記録で記録される。そのため、記録ごとに記録装置がぶれるとアーチファクトが生ずる。しかし、本発明の方法では、パターン１１．１、１１．２、１１．３、１１．４は共通の三角法記録で同時に記録されるので、このようなアーチファクトはなくなる。それによって、高速移動測定（オンザフライ測定）が可能になり、第１の三角法記録２０の後、記録装置１は第２の位置１．１へと方向２２に移動され、方向２２に移動された測定領域１９．１内の物体８の表面の近傍領域が第２の三角法記録２０．１で記録される。第１の三角法記録から第１の３Ｄデータセットが作成され、第２の三角法記録１０．１から第２の３Ｄデータセットが作成される。第２の３Ｄデータセットも表示装置１６によって点線で示した３Ｄモデル２１．１として記録装置に表示される。
第１の３Ｄデータ２１は第２の３Ｄデータセット２１．１と共に共通の３Ｄ画像２３に合成され、表示装置１６によって表示される。オンザフライ測定では、所定の時間間隔を置いて記録対象の物体８の全体が隙間なく捉えられるまで三角法記録が実行される。
図２Ａは図１と同様の記録装置１の概略図であり、パターン１１．１及び１１．２の投影ビーム７．１、７．２は共通の投影装置３０に沿って物体に投影され、観察ビーム１３．１及び１３．２は共通の観察装置３１内でＣＣＤセンサ６によって記録される。パターン１１．１、１１．２はシャッター手段１０．１及び１０．２によって生成され、偏光手段４．１、４．２によって、パターンが共通の投影装置３０に沿って物体８に投影されるように偏光される。それには、捕捉装置１をよりコンパクトに形成し、測定領域１９を隙間なくパターン１１．１、１１．２から共通の投影装置によって捉えることができるという利点がある。図を簡略化するため、２つのパターンのみを示しているが、パターンの数は所望の解像度に応じて任意に増加することができる。
図２Ｂは図２Ａの概略的構造の平面図である。パターン１１．１、１１．２は物体８に投影され、互いに平行なストリップ１２．１、１２．２の形態の投影を形成する。次いで、パターンは図１の共通の三角法記録２０でＣＣＤセンサ６によって共通の観察方向３１で記録される。
図３は概略的な構造の平面図である。パターン１１．１、１１．２は投影ビーム７．１及び７．２に沿って異なる投影方向４０と４１とに沿って、測定領域１９内の物体８に平行なストリップ１２．１及び１２．２として投影される。投影された平行なストリップ１２．１及び１２．２の観察ビーム１３．１及び１３．２は共通の観察方向３１に沿ってＣＣＤセンサ６によって記録される。第１の投影方向４０は第２の投影方向４１に対して角度４２をなしている。それによって、物体８は異なる投影方向４０と４１とから同時に捉えられ、したがって物体のより完全な画像が生成される。したがって、図１、図２及び図２Ｂのように高価なコストをかけて投影ビーム７．１、７．２を共通の投影方向３０に偏光させなくてもよい。
図４は別の実施形態の概略平面図であり、パターン１１．１、１１．２の投影ビーム７．１、７．２は共通の投影方向３０に沿って測定領域１９内の物体８に平行なストリップ１２．１、１２．２として投影され、次いで第１のＣＣＤセンサ６．１によって第１の観察方向５０で、又、第２のＣＣＤセンサ６．２によって第２の観察方向５１で記録される。第１の観察方向５０は第２の観察方向５１に対して角度５２をなしている。ＣＣＤセンサ６．１と６．２とを並置することができるように、角度５２は１０°以上であってよい。この実施形態の利点は、平行なストリップ１２．１及び１２．２を異なる２つの観察方向５０と５１とから同時に記録でき、特に物体８の表面が平坦でない場合、第１のＣＣＤセンサ６．１によって記録された三角法記録５３と、第２のＣＣＤセンサ６．２によって記録された三角法記録５４とを重複させることによって、平行なストリップ１２．１及び１２．２を生成できることにある。
三角法記録５３と５４を補足して、２つの観察方向５５、５６から、写真測定法に基づく別の補助記録５７と５８とが記録される。その際、三角法記録用のストリップパターンの他に、物体８の写真記録をも登録できる同じＣＣＤセンサ６．１と６．２とが使用される。ＣＣＤセンサ６．１及び６．２の解像度は写真記録に適したものでなければならない。２つの観察方向５５、５６からの物体の写真補助記録５７、５８は図１の評価ユニット１５によってパターン識別及び中心投影等のコンピュータ援用方法を用いて評価され、物体８の写真３Ｄデータセットが確定される。補助記録５７及び５８から作成された写真測定による３Ｄデータセットは三角法によって作成された３Ｄデータセットに重複され、それによって測定精度が高まる。
図５は別の実施形態の概略的な構成の概略図であり、パターン１１．１、１１．２の投影ビーム７．１、７．２は異なる投影方向に４０、４１に沿って測定領域１９内の物体８に投影され、次いで、投影された平行なストリップ１２．１及び１２．２が第１の観察方向５０と第２の観察方向５１とに沿ってＣＣＤセンサ６．１及び６．２によって記録される。第１の投影方向４０は第２の投影方向４１に対して角度４２をなし、第１の観察方向５０は第２の観察方向５１に対して角度５２をなしている。
図１、図２Ａ、図２Ｂ及び図４の実施形態では、投影ビーム７．１、７．２は共通の投影方向に沿って物体８に投影される。これに対して、図３及び図５の実施形態では、投影ビーム７．１、７．２は異なる投影方向４０、４１に沿って物体８に投影されるので、物体８の表面と記録装置１との、ひいてはシャッター手段３．１、３．２との間隔は平行なストリップ１２．１及び１２．２の構成に影響を及ぼす。シャッター手段３．１、３．２並びに記録装置１のその他の光学的構造は、記録用に決められた記録装置と物体８の表面との所定の間隔で、ストリップ１２．１、１２．２が重複するのではなく、測定領域１９内の物体８の表面を図示のように隙間なく走査するように構成されなければならない。単一の投影方向３０を有する図１、図２Ａ、図２Ｂ及び図４の実施形態では、平行なストリップ１２．２に対する平行なストリップ１２．１の相対位置が記録装置１と物体８の表面との間隔に依存して変化することがないので、上記の技術的問題はない。
両方の三角法記録５３及び５４を補足して写真補助記録５７、５８が記録され、それらから図４のように写真測定法による３Ｄデータセットが作成され、測定精度を高めるために図１の第１の３Ｄデータセット２１に重複される。
図６は、測定領域１９内の物体８の平坦ではない表面に投影されたパターン１１．１、１１．２を図示している。明解にするため、第１のパターンの平行なストリップ１２．１だけが示されている。第１のパターン１１．１のストリップ１２．１は、図４及び図５の実施形態と同様に第１の観察方向５０から第１のＣＣＤセンサ６．１によって、又、第２の観察方向５１から第２のＣＣＤセンサ６．２によって記録される。センサ６．１の画像データから第１の三角法記録５３が、又、第２のＣＣＤセンサ６．２の画像データから第２の三角法記録５４が生成される。図１の評価ユニット１５によって両方の三角法記録５３と５４とが重複され、図１の共通の３Ｄ画像２３に合成される。第２の三角法記録５４に対する第１の三角法記録５３の位置関係は、記録手段６．１、６．２の相互の、及びそれらの観察方向５０、５１相対位置によって計算される。
代替として、三角法記録５３と５４とを投影されたパターン１１．１及び１１．２の一致する領域を用いて重複させることもできる。第１の観察方向５０では、位置６０と６１との間の平行なストリップ１２．１の領域は、物体８の形状表面のために目視できない。第２の観察方向５１では、位置６２と６３との間の平行なストリップ１２．１の領域は目視できない。したがって、物体８の表面の完全な画像を得るには、両方の三角法記録５３と５４とを重複させ、合成しなければならない。第１の三角法記録５３と第２の三角法記録５４とは、細線で示された一致する領域６４を有している。この一致領域５４は三角法記録５３及び５４でコンピュータ援用の分析方法によって確定することができ、この一致領域６４を用いて三角法記録５３と５４とを重複させることができる。コンピュータ援助分析方法として、いわゆるＩＰＣ法、又はトポロジー適合法が可能である。
図７は高速移動測定（オンザフライ測定）を説明するための概略図である。図示したような場合は、測定対象の物体８は３本の歯からなる歯列であり、第１の三角法記録２０は第１の投影方向３０から記録され、記録装置１は方向２２で図１に示す第２の位置１．１に旋回され、その際、方向２２はアーチ状の進路を有し、所定の時間間隔を置いて、記録装置の第２の位置１．１から第２の投影方向３０．１から第２の三角法記録２０．１が記録され、記録装置が第３の位置１．２に旋回され、第３の投影方向３０．２で第３の三角法記録２０．２が記録され、記録装置が方向２２．２に第４の位置１．３へと旋回され、第４の三角法記録２０．３が物体８からの第４の投影方向３０．３で記録され、最後に、記録装置が第５の位置１．４に旋回され、第５の三角法記録２０．４が物体８からの第５の投影方向３０．４で記録される。図１に関連して前述したように、三角法記録２０、２０．１、２０．２、２０．３、２０．４から作成された３Ｄデータセットは、記録対象の物体８の全体を隙間なく含む共通の３Ｄ画像２３に合成される。オンザフライ測定は、記録対象の物体８の全体が隙間なく捉えられるまで継続される。
三角法記録２０、２０．１、２０．２、２０．３、２０．４は一致する領域に基づきコンピュータ援助分析法を用いて合成される。分析方法として、上記のＩＣＰ法及びトポロジー適合法を用いることができる。
１ 記録装置
１．１〜１．３ 位置
２．１〜２．４ 光源
３．１〜３．４ シャッター手段
４．１〜４．４ 偏光手段
５ ミラー
６ ＣＣＤセンサ
６．１ ＣＣＤセンサ
６．２ ＣＣＤセンサ
７．１〜７．４ 投影ビーム
８ 物体
９ 三角法測定面
１０．１〜１０．４ スリット
１１．１〜１１．４ パターン
１２．１〜１２．４ ストリップ
１３．１〜１３．４ 観察ビーム
１４ 三角法角度
１５ 評価ユニット
１６ 表示装置
１７ 操作装置
１９ 測定領域
２０ 三角法記録
２０．１〜２０．４ 三角法記録
２１ ３Ｄモデル、３Ｄデータセット
２１．１ ３Ｄモデル、３Ｄデータセット
２２ 方向
２２．２ 方向
２３ 共通の３Ｄ画像
３０ 投影方向
３０．１〜３０．４ 投影方向
３１ 観察方向
４０ 投影方向
４１ 投影方向
４２ 投影方向間の角度
５０ 観察方向
５１ 観察方向
５２ 観察方向間の角度
５３ 三角法記録
５４ 三角法記録
６０ ストリップの位置
６１ ストリップの位置
６２ ストリップの位置
６３ ストリップの位置

Claims (24)

  1. 少なくとも１つの光源（２．１〜２．４）と、構造化されたパターン（１１．１〜１１．４）を生成するための少なくとも１つのシャッター手段（３．１〜３．４）と、少なくとも１つの記録手段（３．１）とを含み、前記第１のシャッター手段（３．１）によって第１のパターン（１１．１）が生成され。記録対象の物体（８）に第１の投影ビーム（７．１）として投影され、少なくとも１つの別のシャッター手段（３．１〜３．４）によって別のパターン（１１．２〜１１．４）が生成され、前記記録対象の物体（８）に別の投影ビーム（７．２〜７．４）として投影され、前記第１のパターン（１１．１）と前記別のパターン（１１．２〜１１．４）が前記物体（８）から観察ビーム（１３．１〜１３．４）として反射され、前記物体の３Ｄデータセット（２１）を得るために少なくとも１つの記録手段（６、６．１、６．２）によって記録される構成の、三角法を用いて光学記録装置（１）によって前記物体の三次元形状を光学的に測定する方法であって、前記投影された第１のパターン（１１．１）と前記別のパターン（１１．２〜１１．４）が少なくとも１回の三角法記録（２０、５３、５４）で少なくとも１つの前記記録手段（６、６．１、６．２）を用いて同時に記録されることを特徴とする方法。
  2. 前記第１のパターン（１１．１）と前記別のパターン（１１．２〜１１．４）とが共通の投影方向（３０）で投影ビーム（７．１〜７．４）として前記物体（８）に投影されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記パターン（１１．１〜１１．４）の前記観察ビーム（１３．１〜１３．４）が少なくとも２つの観察方向（５０、５１）から記録され、前記第１の観察方向（５０）は前記別の観察方向（５１）に対して角度（５２）だけ変位されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記パターン（１１．１〜１１．４）の前記観察ビーム（５０、５１）が、複数の記録手段（６．１、６．２）によって異なる観察方向（５０、５１）から複数回の単一の三角法記録（５３、５４）で記録されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. 前記パターン（１１．１〜１１．４）の前記投影ビーム（７．１〜７．４）が、少なくとも２つの異なる投影方向（４１、４２）から前記物体（８）に投影され、前記パターン（１１．１〜１１．４）の前記観察ビーム（１３．１〜１３．４）が単一の観察方向（３１）から記録され、前記第１の観察方向（４１）は前記別の投影方向（４２）に対して角度（４２）だけ変位されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記個々のパターン（１１．１〜１１．４）は互いに区別するために、且つ識別するための前記少なくとも１回の三角法記録（２０、５３、５４）でコード化されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記個々のパターン（１１．１〜１１．４）は、前記第１のパターン（１１．１）が第１の波長を有し、前記第２のパターン（１１．２〜１１．４）がそれとは異なる波長を有することによってカラーコード化され、少なくとも１つのカラーセンサ（６、６．１、６．２）が記録手段として備えられ、その測定領域は前記パターン（１１．１〜１１．４）の波長をカバーし、前記カラーが異なるターン（１１．１〜１１．４）の別個の分析を可能にすることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 前記個々のパターン（１１．１〜１１．４）が２進グレイコードを備え、このグレイコードを用いて前記個々のパターン（１１．１〜１１．４）が前記少なくとも１回の三角法記録（２０、５３、５４）で識別されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  9. 前記パターン（１１．１〜１１．４）の前記投影ビーム（７．１〜７．４）が少なくとも２つの異なる投影方向（４０、４１）から前記物体（８）に投影され、前記パターン（１１．１〜１１．４）野前記観察ビーム（１３．１〜１３．４）が少なくとも２つの異なる投影方向（５０、５１）から記録されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記第１のパターン（１１．１）の前記第１の投影方向（４０）が前記別のパターン（１１．２〜１１．４）の前記別の投影方向（４１）に対して１０°以上の角度をなすことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記第１の観察方向（５０）が前記別の観察方向（５１）に対して１０°以上の角度をなすことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記少なくとも１回の三角法記録（２０、５３、５４）の評価が、前記三角法に基づくストリップ投影法によって行われることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記三角法記録（２０、５３、５４）を補足して、前記物体（８）の写真測定法の原理に基づいて異なる観察方向（５６、５７）から別の補助記録（５７、５８）が記録され、前記三角法記録（５３、５４）の評価の際に考慮されることを特徴とする請求項３から１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記ストリップ投影の原理による前記三角法記録（５３、５４）の評価も、前記写真測定法の原理に拠る前記補助記録（５７、５８）の評価も評価ユニット（１５）によって行われることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. 前記記録手段（６、６．１、６．２）がＣＣＤセンサであることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記評価ユニット（１５）が、個々の三角法記録（５３、５４）から前記物体（８）の捉えられた個々の領域のそれぞれの３Ｄデータを作成し、該３Ｄデータを前記物体（８）の前記３Ｄデータセット（２１）に合成することを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の装置。
  17. 前記物体の前記３Ｄデータセット（２１）を図形３Ｄモデル（２１）として図形表示する評価ユニット（１６）を備えることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
  18. 前記ストリップ投影法を用いる場合は、個々のパターン（１１．１〜１１．４）が複数の平行なストリップ（１２．１〜１２．４）から構成されることを特徴とする請求項１２から１７のいずれか一項に記載の装置。
  19. 異なる方向（５０、５１）からの前記少なくとも２回の三角法記録（５３、５４）が分析され、その際、一致する領域（６４）を用いて前記三角法記録（５３、５４）が重複され、前記一致する領域（６４）を探索するために分析方法として前記ＩＣＰ法又は前記トポロジー適合法が用いられることを特徴とする請求項３から１８のいずれか一項に記載の装置。
  20. 前記３Ｄデータが前記それぞれの三角法記録（２０、５３、５４）の前記パターン（１１．１〜１１．４）の分析によってのみ作成され、前記個々のストリップ（１２．１〜１２．４）が前記ストリップ（１２．１〜１２．４）の計数によって、又は２進コード法によって識別されることを特徴とする請求項１２から１９のいずれか一項に記載の装置。
  21. 個々の三角法記録（２０、５３、５４）の前記３Ｄデータが、少なくとも１回の三角法記録（２０、５３、５４）で位相の異なる少なくとも４つのパターン（１２．１〜１２．４）の分析によって作成され、測定点の座標を確定するために位相シフト法が用いられることを特徴とする請求項１２から２０のいずれか一項に記載の装置。
  22. 前記物体（８）に投影される少なくとも２つのパターン（１１．１〜１１．４）を同時に投影するための投影手段（４．１〜４．４、５）が備えられる請求項１から２１のいずれか一項に記載の装置。
  23. 第１のステップで第１のパターン群（１１．１〜１１．４）が少なくとも１回の第１の三角法記録（２０、５３、５４）で少なくとも１つの記録手段（６、６．１、６．２）を用いて記録され、別のステップで所定の時間間隔を置いて少なくとも１回の別の三角法記録（２０．１〜２０．４）で別のパターン群（１１．１〜１１．４）が同時に記録され、前記時間間隔中の前記記録装置（１）の位置が前記記録対象物体（８）に対して変更されることを特徴とする請求項１から２２のいずれか一項に記載の装置。
  24. 前記第１の三角法記録（２０、５３、５４）での前記第１のパターン群（１１．１〜１１．４）から前記物体の第１の３Ｄデータセット（２１）が得られ、別の三角法記録（２０．１〜２０．４）での前記別のパターン群（１１．１〜１１．４）から前記物体の別の３Ｄデータセット（２１．１）が得られ、次いで前記第１の３Ｄデータセット（２１）と前記別の３Ｄデータセット（２１．１）とが前記物体の共通の３Ｄ画像（２３）に合成されることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
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