JP2016166765A - 三次元計測装置及び三次元計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な三次元計測を行うことができる三次元計測装置及び三次元計測方法を提供する。
【解決手段】歯牙Ｔに向かって投影パターン光Ｌｐを照射するとともに位相シフト法による画像解析処理を行って歯牙Ｔの三次元形状を計測するハンディスキャナであって、照射光Ｌを歯牙Ｔに向かって照射する空間的にインコヒーレントで、一次元明るさ分布がガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となる光源２０と、照射光Ｌに基づいて正弦波状の投影パターンを有する投影パターン光Ｌｐを生成する、バイナリ型の透過分布となるスリット格子状透過板３０と、歯牙Ｔに投影された投影パターン光Ｌｐを、位相をシフトさせて複数回撮像する撮像部と、複数の撮像画像に基づいて歯牙Ｔの三次元形状を画像解析処理にて算出する制御・演算装置とを備えた。
【選択図】図３

Description

例えば、歯牙などの計測対象に向かって照射された光を撮像するとともに、画像解析処理を行って計測対象の三次元形状を計測する三次元計測装置及び三次元計測方法に関する。

例えば、光切断法、合焦法、空間コード法、位相シフト法などの様々な方法で、計測対象の三次元形状を計測する計測装置や計測方法が提案、実施されている。例えば、特許文献１の形状計測装置は、格子模様プレートを通過させた投影用光が格子形状の光となって計測対象に投影され、計測対象に投影した格子形状の投影用光の反射光を撮像した画像に基づいて計測対象の三次元形状を計測することができる装置である。

しかしながら、例えば、特許文献１のように、所定形状の投影用光を形成するための格子模様プレートを照射光が通過する際に、照射光が回折した回折光が干渉することによって、正確な所望形状の投影用光を計測対象に投影できず、高精度な三次元計測を行うことができないという問題が確認された。

特開２０１１−２４２１７８号公報

そこで、この発明は、高精度な三次元計測を行うことができる三次元計測装置及び三次元計測方法を提供することを目的とする。

この発明は、計測対象に向かって投影パターン光を照射するとともに位相シフト法による画像解析処理を行って前記計測対象の三次元形状を計測する三次元計測装置であって、照射光を前記計測対象に向かって照射する空間的にインコヒーレントな光源と、前記照射光に基づいて正弦波状の投影パターンを有する投影パターン光を生成する投影パターン光生成部と、前記計測対象に投影された前記投影パターン光を、位相をシフトさせて複数回撮像する撮像部と、該撮像部で撮像した複数の投影パターン光画像に基づいて前記計測対象の三次元形状を画像解析処理にて算出する画像解析処理部とを備え、前記投影パターン光生成部を、バイナリ型の透過分布となるように不透過部と透過部とを所定の第１方向に向けるとともに、該第１方向に対して直交する第１直交方向に交互に配列したスリット格子状の透過板で構成し、前記光源を、該光源から照射する照射光の明るさ分布を前記第１方向について積分した一次元明るさ分布がガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となるように構成したことを特徴とする。

またこの発明は、計測対象に向かって投影パターン光を照射するとともに位相シフト法による画像解析処理を行って前記計測対象の三次元形状を計測する三次元計測方法であって、空間的にインコヒーレントな光源から、明るさ分布を前記第１方向について積分した一次元明るさ分布がガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状である照射光を照射するとともに、バイナリ型の透過分布となるように、所定の第１方向に向けた不透過部と透過部とを該第１方向に対して直交する第１直交方向に交互に配列したスリット格子状の透過板を透過させ、正弦波状の投影パターンを有する投影パターン光として前記計測対象に向かって照射し、
前記計測対象に投影された前記投影パターン光を、位相をシフトさせて撮像部で複数回撮像し、該撮像部で撮像した複数の投影パターン光画像に基づいて前記計測対象の三次元形状を画像解析処理にて算出することを特徴とする。

上記光源は、発光部分の形状が面状である面状光源、点状である点状光源、帯状である帯状光源など様々な光源を含み、単一の光源、あるいは複数の光源を配置したアレー状の光源を含む。
上述の空間的にインコヒーレントな光源は、空間コヒーレンスの低い光源であり、例えば、発光ダイオード（Light emitting diode，LED）、スペックルリデューサ等を介して空間コヒーレンスを低下させたレーザーダイオード（Laser diode，LD）、ハロゲンあるいは白熱球などで構成する光源であり、また、これらの光源から照射された照射光を、例えば、光ファイバ・レンズ導波路を導光した光や拡散板・遮光板を通じ整形した光を含むものとする。

上記撮像部は、フォトダイオード（Photodiode）を用いるCCDイメージセンサ（Charge Coupled Device image sensor）やCMOSイメージセンサ（Complementary MOS image sensor）などを含むものとする。
上記投影パターン光は、投影パターン光生成部によって生成され、正弦波状の投影パターンを所望の形状の計測用に投影する光である。

この発明により、精度よく計測対象の三次元形状を計測することができる。
詳述すると、バイナリ型の透過分布となるように不透過部と透過部とを所定の第１方向に向けるとともに、該第１方向に対して直交する第１直交方向に交互に配列したスリット格子状の透過板で構成した投影パターン光生成部に照射光を照射する光源を空間的にインコヒーレントな光源で構成するとともに、該光源から照射する照射光の明るさ分布を前記第１方向について積分した一次元明るさ分布がガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となるように構成したことによって、きれいな正弦波状の投影パターンを有する投影パターン光を生成することができる。したがって、きれいな正弦波状の投影パターンを計測対象に投影するとともに、投影された投影パターン光の位相をシフトさせながら撮像部で少なくとも３回撮像し、位相シフト法による画像解析処理を行うことで計測対象の三次元形状を高精度で計測することができる。

この発明の態様として、前記透過板を、前記第１直交方向における前記各透過部の幅が前記各不透過部より幅狭な幅狭透過板で構成することができる。
この発明により、透過部において透過部より不透過部の占める割合が大きくなり、照射光が前記幅狭透過板を透過することで、投影パターン光のコントラストが向上され、よりきれいで明確な正弦波状の投影パターンを形成することができる。したがって、計測対象の三次元形状をさらに高精度で計測することができる。

またこの発明の態様として、前記光源を、複数の副光源で構成することができる。
上記副光源は、発光部分の形状が面状である面状光源、点状である点状光源、帯状である帯状光源など様々な光源を含み、同種の副光源で光源を構成する、あるいは、光の種類、発光面の形状や大きさ、発光色または発光量などが異なる副光源を組み合わせて光源を構成することを含むものとする。

この発明により、計測対象の大きさや表面反射度などの様々な態様に応じた、あるいは計測内容に応じた光源を構成することができる。したがって、計測対象や計測環境など、計測精度に影響するような様々な要因に対応して、高精度な三次元計測を行うことができる。

またこの発明の態様として、前記光源、あるいは前記副光源のうち少なくとも１つを、前記第１方向に対して斜交する向きで配置することができる。また、前記副光源のうち少なくとも１つを、前記第１方向に対して、前記第１直交方向にシフトして配置する、あるいは、前記副光源のうち少なくとも１つを、前記第１直交方向における発光面の幅が他の副光源とは異なるように構成する、あるいは、前記副光源のうち少なくとも１つを、他の前記副光源と発光量が異なるように構成することができる。

上述の前記光源、あるいは前記副光源のうち少なくとも１つを、前記第１方向に対して斜交する向きで配置するとは、単一光源全体を斜交する向きで配置すること、前記副光源のいずれかのみを斜交する向きで配置すること、複数の副光源とともに、副光源で構成する光源全体も斜交する向きで配置すること、第１方向に向けた副光源で構成する光源が斜交する向きで配置すること、あるいは斜交する向きで配置した副光源で光源全体は第１方向となる向きで配置することを含む。

これらの発明における上述のいずれの構成、あるいはこれらの組み合わせによって、前記光源における照射光の一次元明るさ分布がガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となるとともに、よりきれいな正弦波状の投影パターンを形成し、さらに高精度な三次元計測を行うことができる。

またこの発明の態様として、前記光源を、第２方向の長さが、該第２方向に直交する第２直交方向の長さ以上であるライン光源で構成することができる。
上記第２方向は、上述の第１方向に対して傾斜する向きの方向、あるいは第１方向と同じ向きの方向とすることができる。
上述のライン光源は、正方形状の光源、あるいは縦長形状のいわゆるライン光源などであり、単一光源あるいは副光源の集合で構成するものも含む。

この発明により、例えば点状光源の発光面の大きさを、第２直交方向、すなわち横長に拡張する場合には、前記透過板の不透過部の影となる部分に別の角度からの照射光が重なって投影されることによる投影パターン光のコントラストが低下するという問題に対し、この発明では点状光源を第２方向、すなわち縦長に発光面積を拡大するため、投影パターン光のコントラスト低下を招くことなく、照射光の明るさを向上させることができる。

これにより、計測対象の大きさや表面反射度などの様々な態様に応じた、あるいは計測内容に応じた投影パターン光の明るさや照射範囲を設定することができる。したがって、計測対象や計測環境など、計測精度に影響するような様々な要因に対応して、高精度な三次元計測を行うことができる。

またこの発明の態様として、前記第２方向と前記第１方向とが斜交する向きで前記ライン光源と前記透過板とを相対配置することができる。
この発明により、前記光源における照射光の一次元明るさ分布がガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となるとともに、よりきれいな正弦波状の投影パターンを形成し、さらに高精度な三次元計測を行うことができる。

またこの発明の態様として、前記光源と、前記投影パターン光生成部との間に、透過する前記照射光を拡散させる拡散部を備えること、あるいは前記光源と、前記拡散部との間に、透過する前記照射光を屈折させるレンズ部を備えることができる。

ここで前記拡散部は、前記光源の近傍、あるいは前記レンズ部によって結像された光源の像の近傍に配置されているのがよい。ここで前記レンズ部は、単一のレンズであってもよいし、複数のレンズが光軸方向に直列配置された合成レンズであってもよいし、特定の方向とそれに直交する方向とで光学特性が異なる非対称レンズであってもよいし、複数のレンズが非光軸方向に並列配置されたレンズアレイなどであってもよい。

また、前記レンズ部は、前記拡散部の表面上で光源の像を結像するように配置されていてもよいし、前記光源の像を、前記拡散部の表面上でピントをずらして結像するように配置されていてもよい。また前記光源の像は、等倍で結像されていてもよいし、像の大きさが拡大または縮小されるように倍率変換結像されていてもよい。

これらの発明における上述のいずれの構成、あるいはこれらの組み合わせによって、拡散部での光拡散、及びレンズ部の収差やピントのずれによって光源における照射光の一次元明るさ分布がなだらかに整形され、よりガウシアン形状に近似する形状となるため、よりきれいな正弦波状の投影パターンを形成し、さらに高精度な三次元計測を行うことができる。

また、レンズ部の倍率変換結像によって、等価的に光源の大きさを所望の大きさに拡大または縮小することができるため、光源選択の自由度が向上されるとともに、所望の投影形状である正弦波状の投影パターン光を生成し、さらに高精度な三次元計測を行うことができる。

さらに、前記拡散部を、光源の近傍、あるいは前記レンズ部によって結像された光源の像の近傍に配置した場合、例えば光源から離れた位置にある前記透過板の近傍に拡散部を配置する場合と比べ、近似ガウシアン形状に整形された光源における前記照射光の一次元明るさ分布の前記第１直交方向における幅が過剰に大きくなることを防止できる。したがって、投影パターン光のコントラストが向上するため、より明確な正弦波状の投影パターンが形成され、さらに高精度な三次元計測を行うことができる。

またこの発明の態様として、前記光源と、前記投影パターン光生成部との間に、前記照射光が透過する透過開口を有するとともに、他の部分で前記照射光を遮光する遮光部を備えることができる。
この発明により、照射光が遮光部を通過することによって光源における照射光の一次元明るさ分布を任意の形状に整形することができ、光源選択の自由度が高まるとともに、所望の投影形状である正弦波状の投影パターンを形成し、さらに高精度な三次元計測を行うことができる。

またこの発明の態様として、前記透過開口を、透過する前記照射光の透過分布を前記第１方向について積分した一次元透過分布がガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となる開口形状で形成することができる。

この発明により、光源における照射光の一次元明るさ分布がよりなだらかに整形され、さらにガウシアン形状に近似する形状となるため、よりきれいな正弦波状の投影パターンを形成し、さらに高精度な三次元計測を行うことができる。

さらにまたこの発明は、計測対象に向かって投影パターン光を照射するとともに位相シフト法による画像解析処理を行って前記計測対象の三次元形状を計測する三次元計測装置であって、照射光を前記計測対象に向かって照射する空間的にインコヒーレントな光源と、前記照射光に基づいて正弦波状の投影パターンを有する投影パターン光を生成する投影パターン光生成部と、前記計測対象に投影された前記投影パターン光を、位相をシフトさせて複数回撮像する撮像部と、該撮像部で撮像した複数の投影パターン光画像に基づいて前記計測対象の三次元形状を画像解析処理にて算出する画像解析処理部とを備え、前記投影パターン光生成部を、所定の第１方向に向けた不透過部と透過部とを、該第１方向に対して直交する第１直交方向に交互に配列するとともに、前記第１直交方向における前記各透過部の幅が前記各不透過部より幅狭であり、前記不透過部から前記透過部に向かって透過度が徐々に変化するグラデーション幅狭透過板で構成したことを特徴とする。

さらにまたこの発明は、計測対象に向かって投影パターン光を照射するとともに位相シフト法による画像解析処理を行って前記計測対象の三次元形状を計測する三次元計測方法であって、空間的にインコヒーレントな光源から前記計測対象に向かって照射光を照射するとともに、所定の第１方向に向けた不透過部と透過部とを、該第１方向に対して直交する第１直交方向に交互に配列するとともに、前記第１直交方向における前記各透過部の幅が前記各不透過部より幅狭であり、前記不透過部から前記透過部に向かって透過度が徐々に変化するグラデーション幅狭透過板を透過させ、正弦波状の投影パターンを有する投影パターン光として前記計測対象に向かって照射し、前記計測対象に投影された前記投影パターン光を、位相をシフトさせて撮像部で複数回撮像し、該撮像部で撮像した複数の投影パターン光画像に基づいて前記計測対象の三次元形状を画像解析処理にて算出することを特徴とする。

これらの発明により、照射光がグラデーション幅狭透過板を透過する際の回折光が抑制されるとともに、投影パターン光のコントラストが向上され、よりきれいで明確な正弦波状の投影パターン光を生成し、さらに高精度な三次元計測を行うことができる。

またこの発明の態様として、前記光源、前記投影パターン光生成部、及び前記撮像部を内部に配置し、握持可能な筐体を備えることができる。
この発明により、所望の計測対象の三次元形状を容易に計測することができる。

またこの発明の態様として、前記計測対象が、口腔内における少なくとも一部とすることができる。
上述の口腔内の少なくとも一部とは、１本の歯牙、複数本の歯牙を含む関心領域、歯列弓全体などを指す。
この発明により、狭隘で計測が困難である口腔内における計測対象の三次元形状を計測することができる。

この発明によれば、高精度な三次元計測を行うことができる三次元計測装置及び三次元計測方法を提供することができる。

三次元計測システムの概略構成図。 ハンディスキャナの概略構成図。 投影機構の概略斜視図。 光源における照射光の一次元明るさ分布、スリット格子状透過板及び投影パターンとの相関関係についての説明図。 投影パターンによる三次元計測結果の相関関係についての説明図。 光源についての説明図。 ライン光源についての説明図。 別のライン光源についての説明図。 スリット格子状透過板についての説明図。 光源の傾き角度による、光源における照射光の一次元明るさ分布についての説明図。 別の投影機構についての概略斜視図。 遮光板についての説明図。 さらに別の投影機構についての概略斜視図。

以下において、計測対象の三次元形状を計測する三次元計測装置及び計測方法について、図１乃至図１３とともに説明する。
なお、本実施形態において、計測対象として、口腔内の歯牙Ｔの三次元形状を計測する装置及びシステム、並びに計測方法について説明するが、計測対象が生体における別の部位について計測してもよいし、生体に限らず、例えば工業製品やその他さまざまな立体形状の無機物などを計測対象としてよい。

図１は計測対象である歯牙Ｔの三次元形状を計測する三次元計測システム１の概略構成図を示し、図２は三次元計測装置として機能するハンディスキャナ１００の概略構成図を示し、図３は投影機構１０の概略斜視図を示している。なお、図２では、ハンディスキャナ１００の筐体１１０の手前側半分の図示を省略している。

また、図４は、光源２０における照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄ、スリット格子状透過板３０及び投影パターンＰｐとの相関関係についての説明図を示し、図５は投影パターンＰｐによる三次元計測結果Ｍｒの相関関係についての説明図を示している。

詳しくは、図４（ａ）は光源２０における明るさ分布をＸ１方向について積分した一次元明るさ分布Ｌｄ０が急峻な立ち上がりとなる照射光Ｌを、スリット格子状透過板３０ａを通過させた場合の投影パターンＰｐ２を示し、図４（ｂ）は光源２０における一次元明るさ分布Ｌｄがガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となる照射光Ｌを、スリット格子状透過板３０ａを通過させた場合の投影パターンＰｐ１を示し、図４（ｃ）は光源２０における一次元明るさ分布Ｌｄがガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となる照射光Ｌを、後述する幅狭スリット格子状透過板３０ｂを通過させた場合の投影パターンＰｐ３を示している。

また、図５（ａ）は光源２０における明るさ分布をＸ１方向について積分した一次元明るさ分布Ｌｄがガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となる照射光Ｌを照射した場合の三次元計測結果Ｍｒ１を示し、図５（ｂ）は光源２０における明るさ分布をＸ１方向について積分した一次元明るさ分布Ｌｄ０が急峻な立ち上がりとなる照射光Ｌを照射した場合の三次元計測結果Ｍｒ２を示している。

図６は光源２０についての説明図を示し、図７及び図８はライン光源２１についての説明図を示している。
詳しくは、図６（ａ）は複数の矩形面状発光体２２ａをＸ２方向に配置して構成する縦長のライン光源２１ＡをＹ２方向に複数配列して構成する光源２０ａの正面図を示し、図６（ｂ）は複数の帯状発光体２２ｂをＹ２方向に複数配置して構成する縦長のライン光源２１Ｂをひとつ配列して構成する光源２０ｂの正面図を示している。

また、図６（ｃ）は複数の正方形発光体２２ｃをＸ２方向及びＹ２方向に複数配置して構成する縦長のライン光源２１Ｃをひとつだけ配列して構成する光源２０ｃの正面図を示し、図６（ｄ）は複数の横長の矩形面状発光体２２ｄをＸ２方向及びＹ２方向に配置して構成する横長の光源２０ｄの正面図を示し、図６（ｅ）は複数の矩形面状発光体２２ａをＸ２方向及びＹ２方向に配置して構成する略正方形のライン光源２１Ｅをひとつだけ配列して構成する光源２０ｅの正面図を示している。

図７（ａ）は複数の矩形面状発光体２２ａをＸ２方向に配置して構成するライン光源２１Ａの正面図を示し、図７（ｂ）はＸ２方向に対して傾斜するＸ３方向に複数の矩形面状発光体２２ａを向けるとともに、Ｘ３方向に沿うように配置して構成するライン光源２１Ａｂの正面図を示し、図７（ｃ）はＸ２方向に向けた矩形面状発光体２２ａをＸ３方向に配置して構成するライン光源２１Ａｃの正面図を示し、図７（ｄ）はＸ２方向に向けた矩形面状発光体２２ａをＹ２方向にシフトさせるとともにＸ２方向に配置して構成するライン光源２１Ａｄの正面図を示している。

また、図７（ｅ）はＸ３方向に向けた矩形面状発光体２２ａをＸ２方向に配置して構成するライン光源２１Ａｅの正面図を示し、図７（ｆ）はＸ２方向に対して任意の角度及び向きで傾斜させた矩形面状発光体２２ａをＸ２方向に配置して構成するライン光源２１Ａｆの正面図を示し、図７（ｇ）は矩形面状発光体２２ａと、Ｙ２方向における発光面の幅が前記矩形面状発光体２２ａと異なる矩形面状発光体２２ｅ乃至２２ｈを組み合わせて構成するライン光源２１Ａｇの正面図を示し、図７（ｈ）は複数の円形発光体２２ｉをＸ３方向に沿うように配置して構成するライン光源２１Ａｈの正面図を示している。

図８（ａ）乃至（ｈ）は、図７（ａ）乃至（ｈ）に示すライン光源２１Ａ乃至２１Ａｈを、発光量が異なる低発光面状発光体２２ｋや高発光面状発光体２２ｊで構成する明るさ変調ライン光源２３ａ乃至２３ｈの正面図を示している。

図９はスリット格子状透過板３０についての説明図を示している。詳しくは、図９（ａ）はＸ１方向の不透過部３１と透過部３２とが、同じ幅でＹ１方向に交互に配置されたスリット格子状透過板３０ａの正面図を示し、図９（ｂ）は透過部３２ｂの幅が不透過部３１ｂの幅より狭い幅狭スリット格子状透過板３０ｂの正面図を示し、図９（ｃ）はＹ１方向に濃淡が徐々に変化するグラデーション不透過部３１ｃとグラデーション透過部３２ｃとがＹ１方向に交互に配置され、グラデーション透過部３２ｃの幅がグラデーション不透過３１ｃの幅よりも狭いグラデーションスリット格子状透過板３０ｃの正面図を示している。

図１０は光源２０のＸ１方向に対する傾き角度ｒによる、光源２０における照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄについての説明図を示している。
詳しくは、図１０（ａ）はスリット格子状透過板３０のＸ１方向に対してＸ２方向を傾斜させた光源２０と、光源２０における照射光Ｌの明るさ分布の正面図を示し、図１０（ｂ）はＸ２方向をＸ１方向に合わせた光源２０を配置した場合の光源２０における照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄ０を示し、図１０（ｃ）はＸ１方向に対してＸ２方向を傾斜させて光源２０を配置した場合の光源２０における照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄを示し、図１０（ｄ）はＸ１方向に対してＸ２方向をさらに傾斜させて光源２０を配置した場合の光源２０における照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄ１を示している。

また、図１１は別の投影機構１０ａについての概略斜視図を示している。詳しくは、光源２０とスリット格子状透過板３０との間に、遮光板７０や拡散板８０を配置する、さらには、拡散板８０に加えてレンズ９０を配置する投影機構１０ａについての概略斜視図を示している。

図１２は遮光板７０についての説明図を示している。詳しくは、図１２（ａ）はＸ１方向に対して傾斜させた透過開口７１ａを有する遮光板７０ａの概略正面図を示し、図１２（ｂ）はＹ１方向の両縁部の濃淡が徐々に変化するグラデーション透過開口７１ｂを有する遮光板７０ｂの概略正面図を示し、図１２（ｃ）はＸ１方向に対して傾斜するとともに、両端部が互いに反対方向にわずかに屈曲した透過開口７１ｃを有する遮光板７０ｃの概略正面図を示している。

また、図１２（ｄ）はＸ１方向に長く、Ｘ１方向の両頂部が円弧状で、Ｙ１方向の頂部が外向きに尖って突出する略菱形状の透過開口７１ｄを有する遮光板７０ｄの概略正面図を示し、図１２（ｅ）はＸ１方向の両頂部が円弧状で、Ｙ１方向の頂部が外向きに尖って突出する略菱形状の透過開口７１ｅを複数Ｘ１方向に並べた遮光板７０ｅの概略正面図を示し、図１２（ｆ）は階段状の辺で形成する略三角形を、交互に向きを反転させてＸ１方向に複数配置するとともに、Ｘ１方向に連続する透過開口７１ｆを有する遮光板７０ｆの概略正面図を示している。

図１３はさらに別の投影機構１０ｂについての概略斜視図を示している。詳しくは、Ｘ２方向をＸ１方向に合わせた光源２０と歯牙Ｔとの間にグラデーションスリット格子状透過板３０ｃを配置する投影機構１０ｂについての概略斜視図を示している。

歯牙Ｔの三次元形状を計測する三次元計測システム１は、図１に示すように、投影側光学経路Ｒｔを介してきれいな正弦波状の投影パターンＰｐ（図４（ｂ）参照）となるように計測対象である歯牙Ｔに投影パターン光Ｌｐを投影する投影機構１０と、受光側光学経路Ｒｒを介して受光した反射光Ｌｒを撮像する撮像部４０と、投影機構１０及び撮像部４０と接続され、投影機構１０を構成する光源２０での発光や位相のシフト、あるいは撮像部４０の撮像を制御するとともに、撮像部４０で撮像した結果に基づいて三次元形状を演算する制御・演算装置５０、及び制御・演算装置５０に接続された記憶部６０とで構成している。

投影機構１０は、投影側光学経路Ｒｔを介して正弦波状の投影パターンＰｐとなるように歯牙Ｔに照射光Ｌを照射する構成であり、光源２０とスリット格子状透過板３０とで構成している。

投影機構１０を構成する光源２０は、図３に示すように、照射光Ｌを照射する空間的にインコヒーレントな光源であり、面状発光体２２を光源２０における高さ方向であるＸ２方向に複数配置して構成したライン光源２１をＹ２方向に複数配置して構成している。詳しくは、光源２０ａ（２０）として、図６（ａ）に示すように複数の矩形面状発光体２２ａをＸ２方向に配置して構成するライン光源２１ＡをＹ２方向に複数配列して構成している。

光源２０とともに投影機構１０を構成するスリット格子状透過板３０は、図３に示すように、Ｘ１方向の不透過部３１と透過部３２とがＹ１方向に交互に配置され、通過する光がバイナリ型の透過分布となるようなスリット格子状の透過板である。

より具体的には、図９（ａ）に示すように、不透過部３１と透過部３２とが、Ｙ１方向の幅が同じ幅で形成されるとともに、不透過部３１と透過部３２とがＹ１方向に交互に配置され、通過する光がバイナリ型の透過分布となるようなスリット格子状のスリット格子状透過板３０ａを用いている。

撮像部４０は、フォトダイオードを用いるＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどで構成され、制御・演算装置５０の制御によって、照射光Ｌが歯牙Ｔで反射した反射光Ｌｒを、受光側光学経路Ｒｒを介して受光し、撮像する構成である。

制御・演算装置５０は、いわゆるＣＰＵやＭＰＵで構成された演算部であり、記憶部６０に記憶した各種制御プログラムを実行して、電気的に接続された光源２０、撮像部４０及び記憶部６０を制御するとともに、撮像部４０で撮像した画像に基づいて歯牙Ｔの三次元形状を演算するように構成している。

記憶部６０は、制御・演算装置５０に電気的に接続された各種装置の制御プログラム、撮像画像に基づいて三次元形状を演算する演算プログラム、さらには、撮像部４０で撮像した撮像画像などを記憶する記憶媒体である。

このように構成する三次元計測システム１に用いる三次元計測装置の一例であるハンディスキャナ１００について、図２とともに説明する。
ハンディスキャナ１００は、図２に示すように、筐体１１０の後端部１００ａ（図２において左側）の接続ケーブル１０１を介して制御・演算装置５０に接続された略筒状体であり、後方の内部に投影機構１０を配置するとともに、前方に向かって光学経路Ｒ（Ｒｔ，Ｒｒ）を配置し、口腔内に挿入可能な先端部１００ｂ（図２において右側）の下方を歯牙Ｔに対向させて、歯牙Ｔの三次元形状をスキャニングするように構成している。

より詳しくは、ハンディスキャナ１００の内部における上段側に、後方から前方に向かって順に、光源２０、スリット格子状透過板３０、ビームスプリッタ１０２、光学経路Ｒを構成するリレーレンズ１０３、及びミラー１０４を配置し、光源２０及びスリット格子状透過板３０の下側に、撮像部４０及び受光レンズ１０５を配置している。

なお、ミラー１０４は、先端部１００ｂに下向きに形成した先端スキャニング部１０６の上方に配置している。また、光学経路Ｒを構成するリレーレンズ１０３は、投影側光学経路Ｒｔと受光側光学経路Ｒｒとの両経路を兼ねているが、投影側光学経路Ｒｔと受光側光学経路Ｒｒとを別々に構成してもよい。また、上述のビームスプリッタ１０２やリレーレンズ１０３を用いずとも構成することもできる。

また、図２では図面の簡単化のため、投影側光学経路Ｒｔと受光側光学経路Ｒｒとが平行であるように描かれているが、実際には投影側光学経路Ｒｔと受光側光学経路Ｒｒは、三角測量の原理に基づき５度から５０度程度で斜交する角度で配置されている。

このように各要素を構成したハンディスキャナ１００は、制御・演算装置５０の制御によって光源２０のライン光源２１から発光した照射光Ｌがスリット格子状透過板３０を通過することで投影パターン光Ｌｐとなり、さらに、ビームスプリッタ１０２、投影側光学経路Ｒｔとして機能するリレーレンズ１０３、及びミラー１０４を通り、先端スキャニング部１０６から歯牙Ｔに向かって投影される。

歯牙Ｔに照射された投影パターン光Ｌｐは、歯牙Ｔの表面で反射し、反射光Ｌｒとして、先端スキャニング部１０６からハンディスキャナ１００の内部に入射し、ミラー１０４、受光側光学経路Ｒｒとして機能するリレーレンズ１０３を通り、ビームスプリッタ１０２で導光方向を変え、受光レンズ１０５を通過して、撮像部４０は受光した反射光Ｌｒを画像として撮像する。

これを、ライン光源２１の発光をＹ２方向に順次切り替えながら投影パターン光Ｌｐの位相をシフトさせて三回以上繰り返し、三回以上撮像した画像に基づいて制御・演算装置５０で歯牙Ｔの三次元形状を計測するように構成している。

しかしながら、図４（ａ）に示すように、光源２０から照射された照射光Ｌがスリット格子状透過板３０を通過した際の透過分布がバイナリ型であり、且つ光源２０の明るさをＸ１方向について積分して得られる一次元明るさ分布Ｌｄ０が急峻な立ち上がりを有していると、歯牙Ｔに投影される投影パターン光Ｌｐの投影パターンＰｐ２は、透過部３２を通過する照射光Ｌの回折によって、非正弦波状に歪むことになる。

このように、非正弦波状に歪んだ投影パターンＰｐ２を有する投影パターン光Ｌｐを用いて計測された歯牙Ｔの三次元計測結果Ｍｒ２（図５（ｂ））には、誤差が生じ、正確な三次元形状を計測することができない。特に、面状発光体２２が、矩形の外縁が枠状に光る発光体である場合や、発光面の直上にワイヤボンディング配線などの遮蔽物があり、発光面の中心部がその周囲よりも暗くなるような場合には、投影パターンＰｐ２の歪みは大きくなり、三次元計測結果Ｍｒ２における誤差はより大きくなる。

これに対し、光源２０における照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄが概ねガウシアン形状である、つまりガウシアン形状に近似する近似ガウシアン形状であると、歯牙Ｔに投影される投影パターン光Ｌｐの投影パターンＰｐ１は、図４（ｂ）に示すように、きれいな正弦波状になる。

このように、きれいな正弦波状の投影パターンＰｐ１を有する投影パターン光Ｌｐを用いて計測された歯牙Ｔの三次元計測結果Ｍｒ１（図５（ａ））は誤差の生じない正確な三次元形状の計測結果となる。

そのため、投影機構１０では、図３に示すように、スリット格子状透過板３０のＸ１方向に対してライン光源２１のＸ２方向を傾斜させて光源２０を配置している。このように、スリット格子状透過板３０に対して光源２０を傾斜させて配置することよって、光源２０における照射光Ｌの明るさをＸ１方向について積分して得られる一次元明るさ分布Ｌｄが概ねガウシアン形状となる。

詳述すると、図１０（ｂ）に示すように、Ｘ２方向をＸ１方向に合わせて光源２０を配置した場合、光源２０における照射光Ｌの明るさ分布をＸ１方向について積分した一次元明るさ分布Ｌｄ０は急峻な立ち上がりを有するが、図１０（ｃ）に示すように、Ｘ１方向に対してＸ２方向を傾斜させて光源２０を配置した場合、光源２０における照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄは近似ガウシアン形状になる。

逆に、図１０（ｄ）に示すように、Ｘ１方向に対してＸ２方向をさらに傾斜させて光源２０を配置した場合、光源２０における照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄは三角形状となって近似ガウシアン形状ではなくなるため、図４（ｂ）に示すようなきれいな正弦波状の投影パターンＰｐを形成できない場合がある。

投影パターンＰｐにおける非正弦波状の歪みが最小化される最適な光源２０の傾き角度ｒは、光源の形状や、装置の構成により異なるが、例えばライン光源２１が、高さが約０．６ｍｍであり幅が０．２５ｍｍの単一の矩形面状発光体であった場合、角度ｒが約１５度となるよう光源２０を傾斜させて配置するのがよい。

これにより、光源２０における照射光Ｌの明るさをＸ１方向について積分して得られる一次元明るさ分布Ｌｄがガウシアン形状に近似され、きれいな正弦波状の投影パターンＰｐが形成され、誤差の生じない、正確な三次元形状の三次元計測結果Ｍｒを得ることができる。

このように構成したハンディスキャナ１００、及びハンディスキャナ１００を用いた三次元計測方法は、きれいな正弦波状の投影パターンＰｐを有する投影パターン光Ｌｐを生成するとともに、歯牙Ｔに投影された投影パターン光Ｌｐを、位相をシフトさせて撮像部４０で複数回撮像し、撮像部４０で撮像した複数の撮像画像に基づいて歯牙Ｔの三次元形状を画像解析処理にて算出するため、精度よく歯牙Ｔの三次元形状を計測することができる。

詳述すると、バイナリ型の透過分布となるように不透過部３１と透過部３２とを所定のＸ１方向に向けるとともに、Ｘ１方向に対して直交するＹ１方向に交互に配列したスリット格子状のスリット格子状透過板３０に照射光Ｌを照射する光源２０が空間的にインコヒーレントな光源であるとともに、光源２０における照射光Ｌの明るさ分布をＸ１方向について積分した一次元明るさ分布Ｌｄが近似ガウシアン形状となるように光源２０をスリット格子状透過板３０に対して傾斜させて配置しているため、きれいな正弦波状の投影パターンＰｐを形成することができる。

したがって、正弦波状の投影パターンＰｐを有する投影パターン光Ｌｐを歯牙Ｔに投影するとともに、投影された投影パターン光Ｌｐの位相をシフトさせながら撮像部４０で少なくとも３回撮像し、位相シフト法による画像解析処理を行うことで歯牙Ｔの三次元形状を高精度で計測することができる。

また、光源２０を、Ｘ２方向の長さが、Ｘ２方向に直交するＹ２方向の長さ以上であるライン光源２１で構成しているため、例えば点状の光源を用いた場合と比べ、投影パターン光Ｌｐのコントラストを損なうことなく光源２０の明るさを増加することができ、所望の投影範囲に対して投影できる正弦波状の投影パターンＰｐを形成することができる。したがって、様々な形状の歯牙Ｔの三次元形状をさらに高精度で計測することができる。

また、ライン光源２１を、複数の面状発光体２２で構成することにより、歯牙Ｔの大きさや表面反射度などの様々な態様に応じた、あるいは計測内容に応じた光源２０を構成することができる。したがって、歯牙Ｔや計測環境など、計測精度に影響するような様々な要因に対応して、高精度な三次元計測を行うことができる。

また、ハンディスキャナ１００の筐体１１０を、光源２０、スリット格子状透過板３０、及び撮像部４０を内部に配置し、握持可能に構成しているため、狭隘な空間である口腔内において所望の歯牙Ｔの三次元形状を容易に計測することができる。

なお、上述の説明では、Ｙ１方向の幅が同じ透過部３２ａと不透過部３１ａとで構成するスリット格子状透過板３０ａを用いたが、投影パターン光Ｌｐのコントラストが十分でない場合にも、三次元計測結果Ｍｒには誤差が発生するおそれがある。すなわち、きれいでない投影パターンＰｐ２に起因する誤差とは種類の異なる第２の誤差を有する三次元計測結果Ｍｒとなるため、前記第２の誤差を低減するために、Ｙ１方向の幅が狭い透過部３２ｂと、Ｙ１方向の幅が広い不透過部３１ｂとがＹ１方向に交互に配置された幅狭スリット格子状透過板３０ｂ（図９（ｂ）参照）を用いてもよい。

このように、Ｙ１方向における各透過部３２ｂの幅が各不透過部３１ｂより幅狭である幅狭スリット格子状透過板３０ｂを用いることにより、幅狭スリット格子状透過板３０ｂにおいて透過部３２ｂより不透過部３１ｂの占める割合が大きくなり、幅狭スリット格子状透過板３０ｂを透過する投影パターン光Ｌｐのコントラストが向上される。つまり、図４（ｂ），（ｃ）に示すように、不透過部３１と透過部３２とが同じ幅で形成されたスリット格子状透過板３０ａを用いた場合と比べて、投影パターン光Ｌｐの投影パターンＰｐ３の明暗の比が大きくなるため、より明確な正弦波状の投影パターンＰｐを形成することができ、高精度な三次元形状を計測することができる。

また、上述の説明では、光源２０をスリット格子状透過板３０のＸ１方向に対して傾斜させて配置したが、光源２０のＸ２方向をハンディスキャナ１００の高さ方向に合わせて配置するとともに、Ｘ１方向がＸ２方向に対して傾斜するようにスリット格子状透過板３０を配置してもよいし、光源２０及びスリット格子状透過板３０が相互に傾斜するように相対配置していれば、光源２０及びスリット格子状透過板３０をハンディスキャナ１００の高さ方向に対して傾斜させて配置しても、同様に高精度な三次元計測結果Ｍｒを得ることができる。

また、同様に、Ｘ２方向もＸ１方向もハンディスキャナ１００の高さ方向として、光源２０及びスリット格子状透過板３０を配置するとともに、光源２０を構成するライン光源２１として、図７（ｂ）に示すようにＸ２方向に対して傾斜するＸ３方向に複数の矩形面状発光体２２ａを向けるとともに、Ｘ３方向に沿うように配置して構成したライン光源２１Ａｂを用いてもよい。

さらに、図７（ｃ）に示すようにＸ２方向に向けた矩形面状発光体２２ａをＸ３方向に配置して構成したライン光源２１Ａｃ、図７（ｄ）に示すようにＸ２方向に向けた矩形面状発光体２２ａをＹ２方向にシフトさせるとともにＸ２方向に配置して構成したライン光源２１Ａｄ、図７（ｅ）に示すようにＸ３方向に向けた矩形面状発光体２２ａをＸ２方向に配置して構成したライン光源２１Ａｅを用いてもよい。

さらにまた、図７（ｆ）に示すようにＸ２方向に対して任意の角度及び向きで傾斜させた矩形面状発光体２２ａをＸ２方向に配置して構成したライン光源２１Ａｆ、図７（ｇ）に示すように、矩形面状発光体２２ａと、横一文字面状発光体２２ｅ、大正方形面状発光体２２ｆ、正方形面状発光体２２ｇ、及び縦一文字面状発光体２２ｈなど、Ｙ２方向における発光面の幅が一様でない複数の面状発光体を組み合わせ、Ｘ２方向に配置して構成したライン光源２１Ａｇ、あるいは図７（ｈ）に示すように複数の円形発光体２２ｉをＸ３方向に沿うように配置して構成したライン光源２１Ａｈを用いてもよい。

このように、図７（ｂ）乃至図７（ｈ）で図示するライン光源２１Ａｂ乃至２１Ａｈにおける照射された照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄはよりガウシアン形状に近似するため、一次元明るさ分布Ｌｄが近似ガウシアン形状である照射光Ｌがスリット格子状透過板３０を通過することで、投影パターン光Ｌｐの投影パターンＰｐはきれいな正弦波状となり、誤差の生じない、正確な三次元形状の三次元計測結果Ｍｒを得ることができる。

さらに、図８に示すように、スリット格子状透過板３０のＸ１方向に対してＸ２方向を傾斜させて配置したライン光源２１Ａや、スリット格子状透過板３０のＸ１方向と光源２０のＸ２方向とを一致させて配置した際のライン光源２１Ａｂ乃至２１Ａｈを、発光量が異なる低発光面状発光体２２ｋや高発光面状発光体２２ｊを組み合わせて配置した明るさ変調ライン光源２３ａ乃至２３ｈで構成してもよい。

このように、上述のライン光源２１Ａ乃至ライン光源２１Ａｈを、低発光面状発光体２２ｋや高発光面状発光体２２ｊを用いて構成することにより、Ｙ１方向における明るさ変調ライン光源２３から照射される照射光Ｌの明るさが変調されるため、光源２０における照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄはさらにガウシアン形状に近似し、投影パターンＰｐがさらにきれいな正弦波状となり、さらに高精度な三次元形状の三次元計測結果Ｍｒを得ることができる。

なお、図８に示すように、明るさ変調ライン光源２３ａ乃至明るさ変調ライン光源２３ｈにおいて、Ｙ１方向の中心に近い面状発光体２２ほど発光量が明るくなるように低発光面状発光体２２ｋや高発光面状発光体２２ｊを配置することが望ましい。

また、図１１に示すように、投影機構１０は、光源２０とスリット格子状透過板３０との間に遮光板７０を設けた投影機構１０ａであってもよい。
投影機構１０ａに備えた遮光板７０は、透過開口７１を有する遮光板であり、光源２０から照射された照射光Ｌが遮光板７０の透過開口７１を通過することで、照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄを任意の形状に整形できるため、光源２０の選択自由度が向上されるとともに、所望の投影形状である正弦波状の投影パターンＰｐを形成し、さらに高精度な三次元計測を行うことができる。

なお、図１１では図面の簡単化のため透過開口７１は遮光板７０においてひとつのみ設けられているように描かれているが、実際には光源２０内に複数設けられたライン光源２１それぞれに対して、対応する位置に透過開口がひとつ以上ずつ設けてあってもよい。

また、遮光板７０として、図１２（ａ）に示すように縦長の透過開口７１がＸ１方向に対して傾斜した透過開口７１ａを有する遮光板７０ａ、図１２（ｂ）に示すようにＹ１方向の両縁部の濃淡が徐々に変化するグラデーション透過開口７１ｂを有する遮光板７０ｂ、あるいは図１２（ｃ）に示すようにＸ１方向に対して傾斜するとともに、両端部が互いに反対方向にわずかに屈曲した透過開口７１ｃを有する遮光板７０ｃを用いてもよい。

これにより、光源２０における照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄが整形され、滑らかな近似ガウシアン形状となるため、きれいな正弦波状の投影パターンＰｐが形成され、誤差の生じない、正確な三次元形状の三次元計測結果Ｍｒを得ることができる。

同様に、図１２（ｄ）に示すようにＸ１方向に長く、Ｘ１方向の両頂部が円弧状で、Ｙ１方向の頂部が外向きに尖って突出する略菱形状の透過開口７１ｄを有する遮光板７０ｄ、図１２（ｅ）に示すようにＸ１方向の両頂部が円弧状で、Ｙ１方向の頂部が外向きに尖って突出する略菱形状の透過開口７１ｅを複数Ｘ１方向に並べた遮光板７０ｅ、あるいは図１２（ｆ）に示すように、階段状の辺で形成する略三角形を、交互に向きを反転させてＸ１方向に複数配置するとともに、Ｘ１方向に連続する透過開口７１ｆを有する遮光板７０ｆを用いてもよい。

なお、これら透過開口７１（７１ａ乃至７１ｆ）は、透過する照射光Ｌの第１方向について積分した一次元透過分布がガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となる開口形状であり、近似ガウシアン形状であれば、上述の形状に限定されず、いずれの形状であってもよい。

さらには、図１１に示すように、遮光板７０の代わりに、すりガラスのような拡散板８０を光源２０とスリット格子状透過板３０との間に配置してもよく、この場合も、遮光板７０を設けた投影機構１０ａと同様に、照射光Ｌが拡散板８０を通過することで、照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄがなだらかになって滑らかな近似ガウシアン形状に整形されるため、きれいな正弦波状の投影パターンＰｐが形成され、誤差の生じない、正確な三次元形状の三次元計測結果Ｍｒを得ることができる。

ここで、拡散板８０は光源２０の近傍に配置されているのがよい。これにより、例えば光源２０から離れた位置にあるスリット格子状透過板３０の近傍に拡散板８０を配置する場合と比べ、近似ガウシアン形状に整形された照射光Ｌの一次元明るさ分布ＬｄのＹ１方向における幅が過剰に大きくなることを防止できる。したがって、投影パターン光Ｌｐのコントラストが向上するため、より明確な正弦波状の投影パターンＰｐが形成され、さらに高精度な三次元計測結果Ｍｒを得ることができる。

さらにまた、光源２０と拡散板８０との間にレンズ９０を設け、光源２０の像を拡散板８０の表面上に概ね結像するように配置してもよい。ここで、拡散板８０は、レンズ９０により結像された光源２０の像の近傍に配置されているのがよい。また、レンズ９０は、前記光源２０の像が、等倍結像となるように配置されていてもよいし、像の大きさが拡大または縮小されるように倍率変換結像となるように配置されていてもよい。

この場合は、レンズ９０を併用せずに拡散板８０だけを設けた投影機構１０ａに比べ、レンズ９０の収差やピントのズレによって、拡散板８０の表面上で照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄをなだらかに整形することができ、等価的に光源２０における照射光Ｌの一次元明るさ分布Ｌｄが近似ガウシアン形状に整形されるため、滑らかでよりきれいな正弦波状の投影パターンＰｐが形成され、誤差の生じない、正確な三次元形状の三次元計測結果Ｍｒを得ることができる。

さらに、レンズ９０の倍率変換結像によって、等価的に光源２０の大きさを所望の大きさに拡大または縮小することができるため、光源選択の自由度が向上されるとともに、所望の投影形状である正弦波状の投影パターンＰｐが形成され、さらに高精度な三次元計測を行うことができる。

また、拡散板８０を、レンズ９０により結像された光源２０の像の近傍に配置したことにより、例えば光源２０の像から離れた位置にあるスリット格子状透過板３０の近傍に拡散板８０を配置する場合と比べ、近似ガウシアン形状に整形された照射光Ｌの一次元明るさ分布ＬｄのＹ１方向における幅が過剰に大きくなることが防がれる。したがって、投影パターン光Ｌｐのコントラストが向上するため、より明確な正弦波状の投影パターンＰｐが形成され、さらに高精度な三次元計測結果Ｍｒを得ることができる。

なお、図１１では図面の簡単化のため、レンズ９０は単一の軸対称なレンズとして描かれているが、複数のレンズを接続した合成レンズであってもよいし、特定の方向とそれに直交する方向とで光学特性が異なる非対称レンズであってもよいし、ライン光源２１それぞれに対して、対応する位置にひとつ以上ずつ設けられたレンズアレイなどであってもよい。

さらにまた、図１３に示すように、Ｘ２方向もＸ１方向もハンディスキャナ１００の高さ方向として、光源２０及びスリット格子状透過板３０を配置するとともに、図９（ｃ）に示すように、透過部と不透過部の境界部濃淡が徐々に変化するとともに幅広であるグラデーション不透過部３１ｃと、前記グラデーション不透過部３１ｃよりも幅狭であるグラデーション透過部３２ｃとがＹ１方向に交互に配置されたグラデーションスリット格子状透過板３０ｃを用いてもよい。

これにより、ライン光源２１から照射された照射光Ｌが、濃淡が徐々に変化するグラデーション透過部３２ｃを通過することで、透過部３２と不透過部３１の幅が等しくバイナリ型の透過分布を有する通常のスリット格子状透過板３０ａを用いた場合と比べ、照射光Ｌがグラデーションスリット格子状透過板３０ｃを通過する際の回折光が抑圧されるとともに、投影パターン光Ｌｐのコントラストが向上され、きれいで明確な正弦波状の投影パターンＰｐが形成され、誤差の生じない、正確な三次元形状の三次元計測結果Ｍｒを得ることができる。

この発明の構成と、上述の実施例との対応において、この発明の計測対象は歯牙Ｔに対応し、
以下同様に、
三次元計測装置はハンディスキャナ１００に対応し、
投影パターン光生成部及び透過板はスリット格子状透過板３０に対応し、
画像解析処理部は制御・演算装置５０に対応し、
幅狭透過板は幅狭スリット格子状透過板３０ｂに対応し、
副光源は面状発光体２２に対応し、
第１方向はＸ１方向に対応し、
第１方向に対して斜交する向きはＸ３方向に対応し、
第１直交方向はＹ１方向に対応し、
第２方向はＸ２方向に対応し、
第２直交方向はＹ２方向に対応し、
拡散部は拡散板８０に対応し、
レンズ部はレンズ９０に対応し、
遮光部は遮光板７０に対応するも、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

上述の説明では、図６（ａ）に示すように、光源２０において複数備えたライン光源２１Ａの発光を順次切り替えて投影パターン光Ｌｐの位相をシフトさせたが、光源２０とスリット格子状透過板３０との少なくとも一方を、ピエゾ駆動などによって、Ｙ１方向またはＹ２方向に相対移動させて、投影パターン光Ｌｐの位相をシフトさせるように構成してもよい。
この場合、図６（ｂ）（ｃ）（ｅ）に示すように、ひとつのライン光源２１（２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｅ）で光源２０を構成することができる。

具体的には、光源２０は、図６（ｂ）に示すように複数の帯状発光体２２ｂをＹ２方向に複数配置して構成する縦長のライン光源２１Ｂをひとつだけ配列して構成する光源２０ｂとしてもよい。あるいは、図６（ｃ）に示すように、複数の正方形発光体２２ｃをＸ２方向及びＹ２方向に複数配置して構成する縦長のライン光源２１Ｃをひとつだけ配列して構成する光源２０ｃであってもよい。あるいは、図６（ｅ）に示すように複数の矩形面状発光体２２ａをＸ２方向およびＹ２方向に配置して構成する略正方形状のライン光源２１Ｅを、ひとつだけ配列して構成する光源２０ｅであってもよい。

また、光源２０は、図６（ｄ）に示すように横長の光源２０ｄであってもよい。具体的には、複数の横長の矩形面状発光体２２ｄをＸ２方向及びＹ２方向に配置して構成した横長の光源２０ｄであってもよい。通常、光源２０のＹ１方向の幅を過剰に増加させた場合、すなわち横長の形状とした場合、投影パターン光Ｌｐのコントラストの低下が問題となるが、スリット格子透過板３０の格子周期、すなわち透過部３２の幅と不透過部３１のＹ１方向の幅を一周期分合計したものが、光源２０のＹ１方向の幅よりも十分に大きい場合には、投影パターン光Ｌｐのコントラスト低下が問題とならないため、横長光源２０ｄを用いた構成の場合でも、高精度な三次元計測結果Ｍｒを得ることができる。

また、上述の説明において、近似ガウシアン形状という表現を用いているが、ここでの近似ガウシアン形状とは、ガウシアン関数に厳密に一致している必要はなく、概ねガウシアン関数に近似できる関数を意味する。すなわち、台形関数、ハニング窓関数、高次のガウシアン関数や、前記各種関数の近似関数など、概ね滑らかな立ち上がりと、中心付近での概ね滑らかな極大値を有する形状全般を含んでいる。

また、上述したように、ハンディスキャナ１００では、狭隘な空間である口腔内における歯牙Ｔの三次元形状を正確に計測することができるが、複数本の歯牙を含む関心領域、歯列弓全体の三次元形状を計測してもよい。

また、ハンディスキャナ１００として、投影機構１０と撮像部４０と光学経路Ｒとがあれば、制御・演算装置５０や記憶部６０を内蔵してもよい。さらに、三次元計測システム１で計測対象の三次元形状を計測するのであれば、ハンディスキャナ１００のようにハンディタイプでなくてもよく、設置式であってもよい。

２０…光源
２１…ライン光源
２２…面状発光体
２３…明るさ変調ライン光源
３０…スリット格子状透過板
３０ｂ…幅狭スリット格子状透過板
３０ｃ…グラデーションスリット格子状透過板
３１…不透過部
３２…透過部
４０…撮像部
５０…制御・演算装置
７０…遮光板
７１…透過開口
８０…拡散板
９０…レンズ
１００…ハンディスキャナ
１１０…筐体
Ｌ…照射光
Ｌｐ…投影パターン光
Ｔ…歯牙

Claims (19)

1. 計測対象に向かって投影パターン光を照射するとともに位相シフト法による画像解析処理を行って前記計測対象の三次元形状を計測する三次元計測装置であって、
   照射光を前記計測対象に向かって照射する空間的にインコヒーレントな光源と、
   前記照射光に基づいて正弦波状の投影パターンを有する投影パターン光を生成する投影パターン光生成部と、
   前記計測対象に投影された前記投影パターン光を、位相をシフトさせて複数回撮像する撮像部と、
   該撮像部で撮像した複数の投影パターン光画像に基づいて前記計測対象の三次元形状を画像解析処理にて算出する画像解析処理部とを備え、
   前記投影パターン光生成部を、
   バイナリ型の透過分布となるように不透過部と透過部とを所定の第１方向に向けるとともに、該第１方向に対して直交する第１直交方向に交互に配列したスリット格子状の透過板で構成し、
   前記光源を、該光源から照射する照射光の明るさ分布を前記第１方向について積分した一次元明るさ分布がガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となるように構成した
   
   三次元計測装置。
2. 前記透過板を、
   前記第１直交方向における前記各透過部の幅が前記各不透過部より幅狭な幅狭透過板で構成した
   請求項１に記載の三次元計測装置。
3. 前記光源を、複数の副光源で構成した
   請求項１または２に記載の三次元計測装置。
4. 前記光源、あるいは前記副光源のうち少なくとも１つを、
   前記第１方向に対して斜交する向きで配置した
   請求項３に記載の三次元計測装置。
5. 前記副光源のうち少なくとも１つを、
   前記第１方向に対して、前記第１直交方向にシフトして配置した
   請求項３または４に記載の三次元計測装置。
6. 前記副光源のうち少なくとも１つを、前記第１直交方向における発光面の幅が他の副光源とは異なるように構成した
   請求項３乃至５のうちいずれかに記載の三次元計測装置。
7. 前記副光源のうち少なくとも１つを、
   他の前記副光源と発光量が異なるように構成した
   請求項３乃至６のうちいずれかに記載の三次元計測装置。
8. 前記光源を、
   第２方向の長さが、該第２方向に直交する第２直交方向の長さ以上であるライン光源で構成した
   請求項１乃至７のうちいずれかに記載の三次元計測装置。
9. 前記第２方向と前記第１方向とが斜交する向きで前記ライン光源と前記透過板とを相対配置した
   請求項８に記載の三次元計測装置。
10. 前記光源と、前記投影パターン光生成部との間に、透過する前記照射光を拡散させる拡散部を備えた
    請求項１乃至９のうちいずれかに記載の三次元計測装置。
11. 前記光源と、前記拡散部との間に、透過する前記照射光を屈折させるレンズ部を備えた
    請求項１０に記載の三次元計測装置。
12. 前記光源と、前記投影パターン光生成部との間に、前記照射光が透過する透過開口を有するとともに、他の部分で前記照射光を遮光する遮光部を備えた
    請求項１乃至１１のうちいずれかに記載の三次元計測装置。
13. 前記透過開口を、
    透過する前記照射光の透過分布を前記第１方向について積分した一次元透過分布がガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状となる開口形状で形成した
    請求項１２に記載の三次元計測装置。
14. 計測対象に向かって投影パターン光を照射するとともに位相シフト法による画像解析処理を行って前記計測対象の三次元形状を計測する三次元計測装置であって、
    照射光を前記計測対象に向かって照射する空間的にインコヒーレントな光源と、
    前記照射光に基づいて正弦波状の投影パターンを有する投影パターン光を生成する投影パターン光生成部と、
    前記計測対象に投影された前記投影パターン光を、位相をシフトさせて複数回撮像する撮像部と、
    該撮像部で撮像した複数の投影パターン光画像に基づいて前記計測対象の三次元形状を画像解析処理にて算出する画像解析処理部とを備え、
    前記投影パターン光生成部を、
    所定の第１方向に向けた不透過部と透過部とを、該第１方向に対して直交する第１直交方向に交互に配列するとともに、前記第１直交方向における前記各透過部の幅が前記各不透過部より幅狭であり、前記不透過部から前記透過部に向かって透過度が徐々に変化するグラデーション幅狭透過板で構成した
    三次元計測装置。
15. 前記光源を、複数の副光源で構成した
    請求項１４に記載の三次元計測装置。
16. 前記光源、前記投影パターン光生成部、及び前記撮像部を内部に配置し、握持可能な筐体を備えた
    請求項１乃至１５のうちいずれかに記載の三次元計測装置。
17. 前記計測対象が、口腔内における少なくとも一部である
    請求項１乃至１６のうちいずれかに記載の三次元計測装置。
18. 計測対象に向かって投影パターン光を照射するとともに位相シフト法による画像解析処理を行って前記計測対象の三次元形状を計測する三次元計測方法であって、
    空間的にインコヒーレントな光源から、明るさ分布を前記第１方向について積分した一次元明るさ分布がガウシアン関数に近似する近似ガウシアン形状である照射光を照射するとともに、バイナリ型の透過分布となるように、所定の第１方向に向けた不透過部と透過部とを該第１方向に対して直交する第１直交方向に交互に配列したスリット格子状の透過板を透過させ、正弦波状の投影パターンを有する投影パターン光として前記計測対象に向かって照射し、
    前記計測対象に投影された前記投影パターン光を、位相をシフトさせて撮像部で複数回撮像し、
    該撮像部で撮像した複数の投影パターン光画像に基づいて前記計測対象の三次元形状を画像解析処理にて算出する
    三次元計測方法。
19. 計測対象に向かって投影パターン光を照射するとともに位相シフト法による画像解析処理を行って前記計測対象の三次元形状を計測する三次元計測方法であって、
    空間的にインコヒーレントな光源から前記計測対象に向かって照射光を照射するとともに、所定の第１方向に向けた不透過部と透過部とを、該第１方向に対して直交する第１直交方向に交互に配列するとともに、前記第１直交方向における前記各透過部の幅が前記各不透過部より幅狭であり、前記不透過部から前記透過部に向かって透過度が徐々に変化するグラデーション幅狭透過板を透過させ、正弦波状の投影パターンを有する投影パターン光として前記計測対象に向かって照射し、
    前記計測対象に投影された前記投影パターン光を、位相をシフトさせて撮像部で複数回撮像し、
    該撮像部で撮像した複数の投影パターン光画像に基づいて前記計測対象の三次元形状を画像解析処理にて算出する
    三次元計測方法。

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