JP2014531578A - ３次元共焦点測定の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、照明ビーム（３）を発生させるためのレーザ光源（２１）と、測定される対象物（６）の表面上の少なくとも１つの測定点（５、２３）上に照明ビーム（３）を集束させるための焦点調節光学系（４）と、対象物（６）の表面によって反射された観察ビーム（９）を検出するための検出器（１０）と、対象物（６）の表面上に集束される観察ビーム（９）のみを検出器（１０）へと通過させることを可能にする共焦点観察光学系（７）とを備える、共焦点顕微鏡法を使用する、対象物（６）の３次元測定の方法及び装置（２０）に関する。レーザ光源（２１）は、複数のコヒーレントレーザ素子（２２）を備え、これらのレーザ素子（２２）が、対象物（６）の表面上の複数の測定点（５、２３）上に集束される照明ビーム（３）を同時に放射するため、レーザ素子（２２）は、測定によって生成される３Ｄ画像データ内のスペックル効果を低減するように配置構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、共焦点顕微鏡法を使用する、対象物の３次元測定の方法及び装置に関する。この装置は、照明ビームを発生させるためのレーザ光源と、測定される対象物表面上の少なくとも１つの測定点上に照明ビームを集束させるための焦点調節光学系と、対象物表面から反射して戻る照明ビームの検出のための検出器と、対象物表面上に集束される照明ビームのみを検出器へと通過させることを可能にする共焦点観察光学系とを備える。

レーザ光源を使用する、共焦点測定のための幾つかの方法及び装置が従来技術より既知である。レーザ光源の使用は、スペックル効果として知られる光学現象を伴う。このスペックル効果は、非平坦な対象物表面の、十分にコヒーレントな照明で観察される干渉現象である。その結果は、時間及び空間の双方にわたるノイズとして顕在化するスペックルパターンである。スペックル効果を低減するために、通常は、入射角、偏光及び波長などの照明レーザビームの光パラメータが修正される。それゆえ、光学ディフューザー、又は光学素子の機械的移動が殆どの場合に使用される。

欧州特許第１ ５０５ ４２５（Ｂ１）号は、結像レンズが移動可能な光学部品を含むことにより、一定の移動の範囲内及び検出器の積分時間の範囲内で、対象物上の焦点が光学軸に垂直な平面内の幾つかの異なる場所に移動される、共焦点撮像のための装置を開示している。それゆえ、焦点の場所が、共焦点信号を不鮮明化するように、検出器の積分時間の範囲内でモデル化されることによりスペックル効果が低減される。

米国特許第４，１５５，６３０号は、鏡を機械的に揺動運動させることによりレーザビームの入射角を修正する、コヒーレント測定システムを使用して画像生成を改善するための方法及び装置を開示している。

米国特許第６，０８１，３８１号は、ディフューザー及び回転式マイクロレンズアレイを使用して、光学システムのスペックル効果を排除する方法及び装置を開示している。

米国特許第４，５１１，２２０号は、既知のコヒーレンス長を有し、かつ互いにコヒーレントではない、２つの偏光レーザビームを重ね合わせることにより、スペックル効果を最小限に抑える、レーザシステムのスペックル効果を低減するための装置を開示している。

上述の方法の１つの不利点は、スペックル効果を最小限に抑えるためには、様々な移動可能光学手段を使用して、様々な方法でレーザビームを修正しなければならない点である。これらの光学手段の駆動及び統合には実質的な技術的複雑性が伴う。更には、これらの光学手段を調節するための機械的構造は機能障害を起こしやすく、３次元共焦点測定によって生成される３Ｄ画像データの、画質の悪化をもたらす恐れがある。

それゆえ、本発明の課題は、単純な方式でスペックル効果を最小限に抑える、３次元共焦点測定のための装置を提供することである。

本発明の１つの主題は、照明ビームを発生させるためのレーザ光源と、測定される対象物表面上の少なくとも１つの測定点上に照明ビームを集束させるための焦点調節光学系と、対象物表面によって反射された観察ビームを検出するための検出器と、対象物表面上に集束した観察ビームのみを検出器へと通過させることを可能にする共焦点観察光学系とを備える、共焦点顕微鏡法を使用する、対象物の３次元測定の装置である。レーザ光源は、複数のコヒーレントレーザ素子を備え、これらのレーザ素子が、対象物表面上の複数の測定点上に集束される照明ビームを同時に放射し、これらのレーザ素子は、測定の際に生成される３Ｄ画像データ内のスペックル効果が、スポットレーザ光源のみを有する装置を使用する測定のスペックル効果と比較して低減されるように配置構成される。

共焦点顕微鏡法によれば、照明ビームは、コリメーターレンズを備え得る焦点調節光学系によって、対象物表面上の焦平面内の測定点上に集束される。観察ビームが、対象物によって反射され、焦点調節光学系を通過して、開口を備える観察光学系に至る。この観察ビームは、ビームスプリッターによって、観察光学系へと偏向させることができる。開口は、焦平面と共焦点の配置構成にあることにより、その焦平面からの光のみが検出器に到達する。対象物を点ごとに走査して、次いで、コンピュータによって、それらの測定データから３次元画像を組み立てることができる。焦点は、装置の光学軸の方向で、その装置と直交するように移行させることができる。

反射観察ビームとは、対象物表面での反射及び散乱の双方を意味する。

測定時間を短縮するために、本装置は、複数の共焦点チャネルを有し得、各共焦点チャネルは、それ自体のコリメーターレンズを備える焦点調節光学系、及びそれ自体の開口を備える観察光学系を有する。各共焦点チャネルに関して、別個のレーザ光源を使用することができ、又は共用のレーザ光源を、全てのチャネルに関して使用することができる。レーザ光源は、回路基板上の平面内に配置構成することができる。コリメーターレンズは、レンズアレイ内に配置構成することができる。開口もまた、開口アレイ内の平面内に配置構成することができる。このことにより、対象物上に複数の焦点を同時に投影して、対象物の平面を測定することができる。次いで、装置の光学軸の方向で、それらの焦点を層ごとに移行させることにより、対象物を完全に測定することができる。深さ走査は、それゆえ共焦点チャネルのそれぞれを使用して同時に実行される。

個別のレーザ光源、及び／又はレーザ光源アレイ内の各レーザ光源は同様に、複数のコヒーレントレーザ素子を備える。レーザ光源のそれらのレーザ素子の照明ビームは、対象物表面上の、一束の測定点上に集束される。レーザ光源アレイの場合には、それらの照明ビームは、複数の束の測定点上に集束される。束の内部の測定点は、互いに極めて近接して配置構成されることにより、それらの測定点は、観察光学系によって解像することができないため、レーザ素子のそれぞれの諸部分が不鮮明化される。それゆえ、これらのレーザ素子の観察ビームの割合が平均化されることにより、平均強度を有する１つの測定点のみが検出器上に記録される。このことにより、スペックル効果が低減する。

観察光学系の解像度の低減は、例えば、観察光学系全体の開口上でのレーザビームの回折によって引き起こされる場合があり、その開口の形状に応じて、いわゆるディスクを生じさせる。それゆえ、観察光学系の光学設計は、解像度に関する制限因子としての役割を果たす。開口が、正確に共焦点に位置決めされない場合、又は共焦平面内の開口のサイズが正しくない場合にも、光学システム全体の解像度の低減がもたらされる可能性がある。

本装置の１つの有利点は、レーザ光源のレーザ素子が、一束の測定点上に集束されることにより、スペックル効果が低減されるため、既知の方法と比較して、レーザビームの修正のために、機械的手段が必要とされない点である。

本装置の別の有利点は、機械的手段及びその制御が必要とされないため、本装置は、従来装置よりもコンパクトに設計することができる点である。

レーザ素子は有利なことに、一定の波長範囲内で、それらの波長が変調され、かつ互いに異なる波長を有する、照明ビームを放射することができる。

この方式では、個別のレーザ素子の波長が互いに異なるため、スペックル効果は、その波長の変調によって更に減少する。この波長範囲は、必要な程度までスペックル効果が低減されるように、十分に大きく選択される。

対象物によって反射された観察ビームは有利なことに、観察光学系の開口での回折によって不鮮明化され得るため、観察ビームの割合が平均化され、検出器は平均強度を有する共有投影点を検出する。観察光学系の開口上での観察ビームの回折は、観察光学系内で共焦点に配置構成された開口の形状及びサイズに従って形成される、回折ディスクを生じさせる場合がある。

レーザ素子の波長が変調される波長範囲は有利なことに、最大で６０ｎｍとすることができる。

この方式では、個別のレーザ素子の観察ビーム間の干渉が、更に大きく低減されるため、より弱いスペックル効果がもたらされる。

この波長範囲内での個別のレーザ素子の波長は有利なことに、不規則に分散させることができる。

この方式では、波長が波長範囲内で特定のパターンに従って分散されないことにより、レーザ素子の観察ビーム間の干渉は低いものとなる。

レーザ素子は有利なことに、同じ波長の照明ビームを放射することができる。

本装置のこの代替バージョンでは、全てのレーザ素子が同じ波長のレーザ光を放射するため、レーザ素子の観察ビーム間の干渉、またそれゆえスペックル効果は、対象物上の束の範囲内部での測定点の分散によってのみ最小限に抑えられる。

レーザ素子は有利なことに、共用の回路基板上で並列に配置構成されるレーザダイオードとすることができる。

この方式では、レーザ光源は極めてコンパクトな設計を有することにより、特に歯科分野での使用に関して、本装置の寸法を小さく抑えることができる。

レーザ素子は有利なことに、ＶＣＳＥＬチップ上で並列に配置構成されるＶＣＳＥＬ素子とすることができる。

このＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）素子は、光が半導体チップの平面に対して直角に放射される、半導体レーザである。従来の端面エミッターでは、対照的に、光は、半導体チップの１つ又は２つの側部で放射される。ＶＣＳＥＬ素子を使用する有利点は、低い製造コスト、低い電力消費、端面エミッターと比較して改善されたビームプロファイル、波長の同調性、及び高い固有変調帯域幅からなる。更には、ＶＣＳＥＬ素子は、平面内に格子状の配置構成で製造することができる。

レーザ素子は有利なことに、２次元直交行列の行及び列に沿って互いに等距離に、螺旋パターンに、又は同心円の形態に配置構成することができる。

この方式では、レーザ素子アレイ内のレーザ素子は、容易かつ完全に自動的に作り出すことができる、直交行列の形態に配置構成される。

レーザ素子は有利なことに、不規則な分散に従って、レーザ素子アレイ内に配置構成することができる。

繰り返しパターンにより発生し得る干渉が、これにより低減される。

レーザ素子が配置構成される平面は有利なことに、照明ビームの放射方向と垂直に位置合わせすることができる。

このことにより、レーザ素子は、本装置の光学軸に垂直な平面内に配置構成されるため、対象物上の測定点の分散が、干渉の低減を、またそれゆえスペックル効果の低減をもたらす。

レーザ光源は有利なことに、少なくとも５０個のレーザ素子を備え得る。

それゆえ、このレーザ素子の数は、必要な程度までスペックル効果を低減するために十分である。

本装置は有利なことに、従来の歯科用ハンドピース内に統合することを可能とし、かつ対象物としての歯を測定するために好適となるように寸法決めすることができる。

本装置はそれゆえ、歯科分野で歯及び他の歯科対象物を測定するために使用することができる。

本発明の別の主題は、共焦点顕微鏡法を使用する、対象物の３次元測定の方法であり、レーザ光源が照明ビームを放射し、この照明ビームは、測定される対象物表面上の少なくとも１つの測定点上に集束され、対象物表面によって反射された観察ビームは、検出器によって検出され、観察光学系が、対象物表面上に集束した観察ビームのみを検出器へと通過させることを可能にする開口を有する。レーザ光源は、複数のコヒーレントレーザ素子を備え、それらのレーザ素子は、測定の間に照明ビームを同時に放射し、これらのビームは、対象物表面上の複数の測定点上に集束され、レーザ素子は、測定の際に生成される３Ｄ画像データ内のスペックル効果が低減されるように配置構成される。

この方法の１つの有利点は、従来の方法でのように機械的手段を使用することなく、スペックル効果が容易に最小限に抑えられる点である。

それゆえ、観察光学系は、レーザ素子の個別の測定点を解像することができないため、平均強度を有する共有投影点のみが検出器上に検出される。

対象物によって反射された観察ビームは有利なことに、観察光学系の開口上での回折によって不鮮明化され得るため、観察ビームの諸部分は平均化され、検出器は、平均強度を有する共有投影点を検出する。観察光学系の開口上での観察ビームの回折は、観察光学系内で共焦点に配置構成された開口の形状及びサイズに従って形成される、回折ディスクを生じさせる場合がある。

レーザ素子は有利なことに、一定の波長範囲内で、それらの波長が変調され、かつ互いに異なる波長を有する、照明ビームを放射することができる。

この方式では、観察ビーム間の干渉が低減され、それゆえ、レーザビームの分散による局所変調もまた、個別のレーザ素子の波長の変調によって低減されることに加えて、スペックル効果もまた低減される。

この波長範囲内での個別のレーザ素子の波長は有利なことに、不規則に分散させることができる。

この波長範囲内での、波長の不規則な分散により、観察ビーム間の干渉が、特に有効に低減される。

本発明の例示的実施形態を、以下の図面に示す。
３次元測定のための従来装置である。 本発明による３次元測定のための装置である。 複数の共焦点チャネルを有する、本装置の別の実施形態である。 ＶＣＳＥＬ素子を有するレーザ光源の図である。 同心円の形態の、レーザ素子の配置構成である。 螺旋の形態の、レーザ素子の配置構成である。

図１は、共焦点顕微鏡法を使用する、対象物の３次元測定のための先行技術で既知の従来装置１を示す。装置１は、照明ビーム３を発生させるための単純なレーザ光源２と、測定される対象物６の表面上の測定点５上に照明ビーム３を集束させるコリメーターレンズを有する、焦点調節光学系４とを備える。この装置は、開口８を備える観察光学系７を更に有し、この開口８は、焦点調節光学系４の焦平面に対して共焦点に配置構成されることにより、対象物６の表面によって反射されて検出器１０へと戻された観察ビーム９のみを通過させることを可能にする。焦点１１は、対象物６の表面に焦点１１が当り、検出器１０によって測定点５を検出することができるまで、装置１の光学軸１３に沿って、矢印１２によって表されるように、焦点調節光学系４を調節することによって移行される。この深さ走査によって、光学軸の方向でｚ座標を決定することができる。ｘ軸及びｙ軸に沿って焦点１１を移行させることによって、対象物６は点ごとに完全に測定される。それらの測定データから、対象物６についての３次元画像データがコンピュータによって算出される。従来装置１を使用して、不規則表面を有する対象物６の共焦点測定を実行することにより、スペックル効果として知られる干渉現象が生じる。各測定点５に関する深さ走査では、深さプロファイル１４がｚ座標の関数として生成される。測定点のｚ座標はこの場合、深さプロファイルの最大値１５に基づいて、対象物６の表面上に決定することができる。スペックル効果により、強度と共に増大し、またそれゆえ共焦点測定を歪ませる信号ノイズ１６がもたらされる。

図２は、本発明による装置２０を示す。図１による従来装置１とは対照的に、装置２０は、複数のレーザ素子２２で構成されるレーザ光源２１を有する。この図に示される実施形態では、レーザ素子２２は、直交行列の形態で回路基板上に配置構成される。レーザ素子２２は照明ビーム３を同時に放射し、これらのビームは、対象物６の表面上の複数の測定点２３上に集束される。その結果、測定点２３も直交行列の形態に配置構成される。反射観察ビーム９は、ビームスプリッター２４によって開口８を備える観察光学系へと偏向され、次いで検出器１０に当る。観察光学系全体の開口上での観察ビーム９の回折が、各観察ビームに関して、いわゆる回折ディスク２５を引き起こす。それゆえ観察光学系７は、測定点２３の個別の観察ビーム９を解像することができないため、観察ビーム９の諸部分が不鮮明化され、その平均化効果により、検出器は平均強度を有する単一の測定点のみを検出する。このことにより、観察手段間の干渉、またそれゆえスペックル効果も、低減される。深さプロファイル１４は、この場合、図１による深さプロファイルと比較して滑らかに進行するため、最大点１５、またそれゆえ対象物表面のｚ座標は、より正確に決定することができる。

図３は、図２による装置と比較して複数の共焦点チャネルが存在する、装置２０の別の実施形態を示す。第１共焦点チャネルは、第１コリメーターレンズ３０及び第１開口３１を有する。第２共焦点チャネルは、第２コリメーターレンズ３２及び第２開口３３を有する。第３共焦点チャネルは、第３コリメーター３４及び第３開口３５を有する。これら３つの共焦点チャネルは、共用のレーザ光源２１の照明ビーム３を使用する。あるいは、各共焦点チャネルは、それ自体のレーザ光源を有し得る。コリメーターレンズは、平面内のレンズアレイ３６内に配置構成される。開口３１、３３、及び開口３５は、平面内の開口アレイ３７内に配置構成される。この図に示される光学構造により、第１共焦点チャネルの測定点２３の第１束３８、第２束３９、及び第３束４０が対象物６の表面上に投影される。この方式では、３つの深さ走査を同時に実行して、対象物６の３つのｚ座標を確定することができる。複数の共焦点チャネルが存在する場合、例えば１００×１００のチャネルの行列の場合には、対象物６は、層ごとに完全に測定することができる。このことにより、ｘ軸及びｙ軸に沿った対象物６の走査が省略されるため、測定の継続時間が短縮される。第１チャネルを使用する深さ走査により、第１深さプロファイル４１が得られる。第２チャネルを使用する深さ走査により、第２深さプロファイル４２が得られる。第３チャネルを使用する深さ走査により、第３深さプロファイル４３が得られる。

図４は、レーザ素子２２が、チップ上で並列に配置構成されるＶＣＳＥＬ素子である、図２及び図３によるレーザ光源２１の図を示す。各ＶＣＳＥＬ素子は、レーザ光が平面５０に垂直に放射される半導体レーザである。発光素子５１は、円の形態で図示される。ＶＣＳＥＬ素子は、直交行列の形態で配置構成される。ＶＣＳＥＬ素子は、複数の半導体層５２から構築され、底面上に電気接点５３を有することにより直接接触を容易にする。

図５は、同心円の形態のレーザ素子２２の配置構成の図を示す。この代替案として、図６は、螺旋の形態のレーザ素子２２の配置構成の図を示す。

１ 従来装置
２ レーザ光源
３ 照明ビーム
４ 焦点調節光学系
５ 測定点
６ 対象物
７ 観察光学系
８ 開口
９ 観察ビーム
１０ 検出器
１１ 焦点
１２ 矢印
１３ 光学軸
１４ 深さプロファイル
１５ 最大値
１６ 信号ノイズ
２０ 本発明による装置
２１ レーザ光源
２２ レーザ素子
２３ 測定点
２４ ビームスプリッター
２５ 回折ディスク
３０ 第１コリメーターレンズ
３１ 第１開口
３２ 第２コリメーターレンズ
３３ 第２開口
３４ 第３コリメーターレンズ
３５ 第３開口
３６ レンズアレイ
３７ 開口アレイ
３８ 第１束
３９ 第２束
４０ 第３束
４１ 第１深さプロファイル
４２ 第２深さプロファイル
４３ 第３深さプロファイル
５０ 平面
５１ 発光素子
５２ 半導体層
５３ 電気接点

Claims (14)

1. 照明ビーム（３）を発生させるためのレーザ光源（２１）と、測定される対象物（６）の表面上の少なくとも１つの測定点（５、２３）上に前記照明ビーム（３）を集束させるための焦点調節光学系（４）と、前記対象物（６）の前記表面によって反射された観察ビーム（９）を検出するための検出器（１０）と、前記対象物（６）の前記表面上に集束される前記観察ビーム（９）のみを前記検出器（１０）へと通過させることを可能にする共焦点観察光学系（７）とを備える、共焦点顕微鏡法を使用する、対象物（６）の３次元測定の装置（２０）において、前記レーザ光源（２１）が、複数のコヒーレントレーザ素子（２２）を備え、前記レーザ素子（２２）が、前記対象物（６）の前記表面上の複数の測定点（５、２３）上に集束される照明ビーム（３）を同時に放射するため、前記レーザ素子（２２）が、前記測定によって生成される３Ｄ画像データ内のスペックル効果を低減するように配置構成されることを特徴とする、装置（２０）。
2. 前記対象物（６）によって反射された前記観察ビーム（９）が、前記観察光学系（７）の開口上での回折によって不鮮明化されることにより、前記観察ビーム（９）の割合が平均化され、前記検出器（１０）が、平均強度を有する共有投影点を検出し、前記観察光学系（７）の前記開口での前記観察ビーム（９）の前記回折が、前記観察光学系（７）内で共焦点に配置構成された開口（８）の形状及びサイズとは無関係に設計される、回折ディスク（２５）を生じさせることを特徴とする、請求項１に記載の装置（２０）。
3. 前記レーザ素子（２２）が、一定の波長範囲内で、それらの波長が変調され、かつ互いに異なる波長を有する照明ビーム（３）を放射することを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置（２０）。
4. 前記レーザ素子（２２）の前記波長が変調される前記波長範囲が、最大で６０ｎｍであることを特徴とする、請求項３に記載の装置（２０）。
5. 前記個別のレーザ素子（２２）の前記波長が、不規則な分散に従って、前記波長範囲内で分散されることを特徴とする、請求項３又は４に記載の装置（２０）。
6. 前記レーザ素子（２２）が、同じ波長の照明ビーム（３）を放射することを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置（２０）。
7. 前記レーザ素子（２２）が、２次元直交行列の行及び列に沿って互いに等距離に配置構成されるか、又は螺旋に、若しくは同心円の形態に配置構成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置（２０）。
8. 前記レーザ素子（２２）が配置構成される平面が、前記照明ビーム（３）の放射方向と垂直に位置合わせされることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置（２０）。
9. 前記レーザ光源（２１）が、少なくとも５０個のレーザ素子（２２）を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置（２０）。
10. 前記装置（２０）が、従来の歯科用ハンドピース内に前記装置（２０）を統合することができ、かつ対象物（６）としての歯を測定するために好適であるように、その寸法を設計されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置（２０）。
11. 共焦点顕微鏡法を使用する、対象物（６）の３次元測定の方法であって、レーザ光源（２１）が照明ビーム（３）を放射し、前記照明ビーム（３）が、測定される前記対象物（６）の表面上の少なくとも１つの測定点（５、２３）上に集束され、前記対象物（６）の前記表面によって反射された観察ビーム（９）が、検出器（１０）によって検出され、観察光学系（７）が、前記対象物（６）の前記表面上に集束した前記観察ビーム（９）のみを前記検出器（１０）へと通過させることを可能にする開口を有する、方法において、前記レーザ光源（２１）が、複数個のコヒーレントレーザ素子（２２）を備え、前記レーザ素子（２２）が、前記対象物（６）の前記表面上の複数の測定点（５、２３）上に集束される照明ビーム（３）を同時に放射し、前記レーザ素子（２２）が、前記測定の際に生成される３Ｄ画像データ内のスペックル効果を低減するように配置構成されることを特徴とする、方法。
12. 前記対象物（６）によって反射された前記観察ビーム（９）が、前記観察光学系（７）の開口上での回折によって不鮮明化されることにより、前記観察ビーム（９）の割合が平均化され、前記検出器（１０）が、平均強度を有する共有点を検出し、前記観察光学系（７）の前記開口上での前記観察ビーム（９）の前記回折が、前記観察光学系（７）内で共焦点に配置構成された開口（８）の形状及びサイズとは無関係に設計される、回折ディスク（２５）を生じさせることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記レーザ素子（２２）が、一定の波長範囲内で、それらの波長が変調され、かつ互いに異なる波長を有する、照明ビーム（３）を放射することを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の装置（２０）。
14. 前記波長範囲内での、前記個別のレーザ素子（２２）の前記波長が、不規則な分散に従って分散されることを特徴とする、請求項１３に記載の装置（２０）。

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