JP2018515759A - オブジェクトの光学的３ｄ測定のためのデバイス - Google Patents

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Abstract

本発明は、光学的深度を走査する測定方法を用いるオブジェクト（２）の光学的３Ｄ測定のためのデバイスであって、少なくとも２つの光源（３、４）と、型押しパターン（３０、３４）を生成するための少なくとも２つの光学的手段（５、６）と、少なくとも１つの記録手段（７）とを備え、第１のパターン（３０）は、第１の光学的手段（５）を用いて生成され、第１の投射ビーム（１３）として記録されるようにオブジェクト（２）上に投射され、第２のパターン（１４）は、第２の光学的手段（６）を用いて生成され、第２の投射ビーム（１４）として記録されるようにオブジェクト（２）上に投射され、撮像オプティクス（８）は、鮮鋭な焦点面（１８）がデバイスの光軸（２４）に沿って漸進的に変化するように制御されおよび調整されるデバイスに関する。デバイスは、第１の光源（３）および第２の光源（４）が、制御装置（２３）によって交互に起動され、第１のパターン（３０）および第２のパターン（３４）が、交互にオブジェクト（２）上に投射され、第１のパターン（３０）の第１の投射ビーム（１３）および第２のパターン（３４）の第２の投射ビーム（１４）が、第１のビームスプリッタ（９）を用いてオブジェクト（２）に向かって１つの共通の照射方向（１５）に偏向するように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも２つの光源と、型押しパターンを生成するための少なくとも２つの光学的手段と、少なくとも１つの記録手段とを備え、第１のパターンは、第１の光学的手段を用いて生成され、第１の投射ビームとして記録されるようにオブジェクト上に投射され、第２のパターンは、第２の光学的手段を用いて生成され、第２の投射ビームとして記録されるようにオブジェクト上に投射され、第１のパターンおよび第２のパターンは、観察ビームとしてオブジェクトから反射され、オブジェクトの３Ｄデータセットを作り出すために記録手段により記録される、光学的深度を走査する測定方法を用いるオブジェクトの光学的３Ｄ測定のためのデバイスに関する。
光学的３Ｄ測定のための多くのデバイスが現状技術から公知である。
ＥＰ２０５１０４２Ｂ１は、平行ストライプの少なくとも２つのパターンを重ね合わせることにより、オブジェクトの表面上に投射されたモアレパターンを作り出す光学的コヒーレンス方法を開示する。三次元形状のオブジェクトは、モアレラインの走査位置に基づいて定められる。
ＷＯ２０１０／１４５６６９Ａ１は、チェッカーボードのような投射パターンがオブジェクト上に投射される共焦点測定方法を開示する。コントラストの経時的推移も、オブジェクトの深度情報を得るために定められる。時間的に変化するパターンは、開口ホイールなどの機械的に駆動するスクリーニング手段を用いて生成される。
この方法の１つの不都合は、時間的に変化するパターンは、機械的に駆動するスクリーニング手段を用いて生成されるため、結果として測定エラーが発生し得る点である。
したがって、本発明の課題は、オブジェクトの信頼性が高く正確な測定を可能にするデバイスを提供することである。
本発明は、少なくとも２つの光源と、型押しパターンを生成するための少なくとも２つの光学的手段と、少なくとも１つの記録手段とを備え、第１のパターンは、第１の光学的手段を用いて生成され、第１の投射ビームとして記録されるようにオブジェクト上に投射され、第２のパターンは、第２の光学的手段を用いて生成され、第２の投射ビームとして記録されるようにオブジェクト上に投射される、光学的深度を走査する測定方法を用いるオブジェクトの光学的３Ｄ測定のためのデバイスに関する。その際、第１のパターンおよび第２のパターンは、観察ビームとしてオブジェクトから反射され、オブジェクトの３Ｄデータセットを作り出すために記録手段によって記録され、デバイスは、オブジェクト上へのパターンの投射のために撮像オプティクスを備え、撮像オプティクスは、鮮鋭な焦点面がデバイスの光軸に沿って漸進的に変化するように制御されおよび調整され、鮮鋭な焦点面の各走査位置に、第１のパターンが、第１の光学イメージを生成するために投射され、ついで少なくとも第２のパターンが、第２の光学イメージを生成するためにオブジェクト上に投射される。デバイスは、第１の光源および第２の光源が、制御装置によって交互に起動され、第１のパターンおよび第２のパターンが、交互にオブジェクト上に投射され、第１のパターンの第１の投射ビームおよび第２のパターンの第２の投射ビームが、第１のビームスプリッタを用いてオブジェクトに向かって１つの共通の照射方向に偏向するように構成される。
光学的３Ｄ測定のためのデバイスは、ハンドピースの形状で従来のハウジングに組み込まれるカメラであることができる。光学的深度を走査する測定方法は、例えば、デプス・フロム・デフォーカス法（ＤＦＤ）を用いた共焦点測定方法であり得る。この目的のために、チェッカーボードのような投射パターンが交互にオブジェクト上に投射される。続いて、オブジェクトの測定ポイントの深度情報は、投射されたチェッカーボードパターンの焦点、すなわち鮮鋭度の値を定めることにより決定される。この値を基準として、オブジェクトの表面に対する鮮鋭な焦点面の距離が定められ得る。
光源は、例えば、カラーＬＥＤ、白色ＬＥＤまたはレーザＬＥＤであり得る。光学的手段は、投射パターンを生成する投射グレーティングまたは投射マスクであることができる。光学的手段はまた、適切に制御されおよび投射パターンを生成する、液体素子（ＬＣＤ）で作られるデジタル投光機であることができる。記録手段は、ＣＣＤセンサなどの従来の光学センサであることができる。第１のパターンおよび第２のパターンは、そのため交互にオブジェクト上に投射される。合焦オプティクスは、調節可能であり、光軸に沿って漸進的に変化する設けられた鮮鋭な焦点面上に投射されるパターンに焦点を合わせるため、すべてのオブジェクトが走査され得る。走査位置は、互いに０．１ミリメートルの距離を有することができるため、例えば、１０ミリメートルの高さにおけるオブジェクトの深度走査が、１００の走査位置で実施され得る。したがって、光軸に沿った解像度が、この距離で定義される。合焦オプティクスの調節は、継続的に実行され得、画像の画像データのみが、定義された走査位置から個別に読み取られる。
したがって、すべての走査位置で、第１の投射パターンでの第１の画像および第２の投射パターンでの少なくとも１つの第２の画像が生成される。結果として、この方法によれば、輝度および輝度の変化が、センサのあらゆる変化ごとに記録され得る。このようにして、第１の画像および第２の画像の輝度値間の差が定められ得、それから２つの画像のコントラストまたは鮮鋭度が定められ得る。ついで、コントラスト値または鮮鋭度を基準として、鮮鋭な焦点の面に対して測定されるオブジェクトの表面の焦点距離が定められる。オブジェクト表面が、鮮鋭な焦点の面から外れて測定されると、オブジェクトは画像内でぼやけて見える。鮮鋭な焦点の面の焦点距離、すなわち合焦オプティクスの焦点距離がわかると、ついで、カメラに対するオブジェクト表面の距離が算定され得る。デプス・フロム・デフォーカス法（ＤＦＤ）によってオブジェクトの３次元画像データを定めるために、異なる走査位置で記録された画像は、オブジェクトの３次元画像データを定めるように互いに統合される。各ピクセルで、例えば、輝度値はフレーム番号の関数として、およびひいては時間および焦点位置の関数としてプロットされる。オブジェクトが焦点位置にない場合、コントラストは低下する。オブジェクトが焦点位置にある場合、コントラストはその最大となる。最大コントラストをもつ画像がこうしてカメラの焦点位置に記録される。このようにして、カメラに対するオブジェクトの距離が定められる。
デバイスの制御は、高周波で交互に２つの光源を起動するように構成されるため、２つのパターンが交互にオブジェクト上に投射される。ビームスプリッタは、異なる方向から入る第１のパターンの第１の投射ビームおよび第２のパターンの第２の投射ビームを１つの共通の照射方向へ偏向する、従来のプリズムであることができる。
このデバイスの１つの有利な点は、パターンが機械的な手段の使用なしに変化されることである。そのような機械的な手段により生じ得る測定エラーをこのようにして防ぐことができる。
このデバイスのさらなる有利な点は、２つの光源間の電子的なスイッチングの結果として、機械的な手段を用いた場合よりも、はるかに高周波の変化するパターンが生成され得ることである。これにより、測定所要時間の短縮または走査位置数の減少が可能となり、ひいてはオブジェクトのために生成される３Ｄデータセットの解像度の向上を可能にする。
有利には、デバイスは、第２の光源に加えて第３の光源、第３の光学的手段および第２のビームスプリッタを備えることができ、第３のパターンは、第３の光学的手段を用いて生成され、第３の投射ビームは、第２のビームスプリッタを用いて共通の照射方向に偏向される。
第１のパターン、第２のパターンおよび第３のパターンが、このようにして連続的に交互にオブジェクト上に投射される。複数のパターンを用いることにより、横方向の解像度が向上され得る。
有利には、第１のビームスプリッタおよび第２のビームスプリッタが結合してダイクロイックプリズムにされ得、第１、第２および第３の投射ビームがこのダイクロイックプリズムによって共通の照射方向に偏向される。
ダイクロイックプリズムは、光ビームを異なるスペクトルまたは色の２つのビームに分ける光学プリズムである。一般にガラスで作られ、そのある表面は前記光の波長に応じて光を反射または光の透過を可能にするダイクロイックミラーが設けられる。そのようなダイクロイックプリズムの使用は、こうして異なる方向から入る３つの投射ビームを１つの共通の照射方向に偏向させることを可能にする。第１の投射ビームは赤成分を有することができ、第２の投射ビームは緑成分を有することができ、および第３の投射ビームは青成分を有することができる。有色の投射ビームが、例えば、光源のダウンストリームに配置される、有色のＬＥＤを用いることによってまたは色フィルタを用いることによって生成され得る。
有利には、パターンを生成するための光学的手段は、光学格子または液晶素子（ＬＣＤ）であることができる。
光学格子またはＬＣＤはこうして投射パターンを生成する。ＬＣＤは適宜制御される。
有利には、投射パターンは平行ストライプの形状であり得る。
したがって、用いられた深度走査方法に従って、コントラストおよびさらに深度情報が、暗い平行ストライプと明るい平行ストライプとの間の変移領域内で定められる。
２つの光源のみが存在するとき、有利には、平行ストライプの幅は平行ストライプ間の距離に対応することができる。
第１のパターンおよび第２のパターンがこうして平行ストライプに追加されることにより、第２のパターンの暗いストライプが、第１のパターンの明るいストライプの走査位置に配置され、逆もまた同じである。したがって、結果として、コントラストおよび深度情報が、オブジェクトの同じ測定ポイントについて定められ、測定の正確さの改善を可能にする。
有利には、投射パターンは、正方形パターン要素をもつチェッカーボードの形状を有する。
コントラスト値およびさらに深度情報は、こうして投射パターンのチェッカーボード形状によって明るいパターン要素と暗いパターン要素との間の変移領域内で定められ、オブジェクトの３Ｄデータセットの解像度の向上を可能にする。
有利には、第１のパターンは第１のチェッカーボード風パターンであることができ、および第２のパターンは第２のチェッカーボード風パターンであることができ、第２のチェッカーボード風パターンの暗い正方形パターン要素が、第１のチェッカーボード風パターンの明るい正方形パターン要素の走査位置に配置され、逆もまた同じである。そのため、２つのチェッカーボード風パターンの明るいパターン要素および暗いパターン要素が、それぞれ交互にオブジェクト上に投射される。
２つのチェッカーボード風パターンがこのように互いに相補的であることにより、オブジェクト表面上の同じ測定ポイントについてのコントラスト値およびさらに深度情報が定められるが、これにより潜在的な測定エラーの減少が可能となる。
有利には、デバイスは、少なくとも３０００ヘルツの周波数で、交互に光源のオンとオフの切替えをする制御装置を備えることができる。
比較的高周波な変化するパターンを用いて、オブジェクトは、短い測定時間で深度走査方法により測定され得る
有利には、周波数は５０００ヘルツから１００００ヘルツであることができる。
デバイスの一例において、周波数は８０００ヘルツである。この場合、すべてのオブジェクトの全体の深度走査は２０ヘルツで実行され、両方のパターンはそれぞれ２００の各深度位置について投射され、両方の画像が記録される。そのような速い測定を用いる場合、手持ち式カメラの形状のデバイスを自由に持つことができるが、それは２０ヘルツでの全測定の間、患者の歯または歯型模型などのオブジェクトに対する手持ち式カメラの動きがごく僅かであるからである。
光学画像または走査を生成するために、有利には、鮮鋭な焦点面の少なくとも１００の走査位置が位置付けられ、漸進的に測定され得る。
１００の走査位置があると、例えば、測定する歯の典型的な深度走査範囲は２０ミリメートルであるので、走査位置間の距離は０．２ミリメートルであることができる。
有利には、鮮鋭な焦点面の少なくとも２００の走査位置が、画像ごとに位置付けられ得る。
光軸に沿った解像度が、より多数の走査位置により向上される。走査位置間の距離は、例えば、０．１ミリメートルであることができる。
有利には、パターンの明るい要素と暗い要素との間のコントラスト値が各光学画像について定められ、オブジェクトの３Ｄ深度情報がコントラスト値を基準として定められ得る。
用いられた深度走査方法に従って、コントラスト値がパターンの明るい要素と暗い要素との間の変移領域内で定められ、ついで、それらから深度情報が定められる。
有利には、鮮鋭な焦点の面のすべての位置付けられた走査位置でのコントラスト値のプロファイルが、オブジェクトのすべての測定ポイントについて定められ得、続いて、オブジェクトのこの測定ポイントについてのオブジェクト表面の深度情報を示すこのプロファイルの最大値が、定められる。
このようにして、したがって、明るい要素と暗い要素との間の変移領域内におけるオブジェクト表面の測定ポイントについての深度情報が定められる。変化したパターンの個々の光学画像からのオブジェクトの３Ｄデータセットの評価が、コンピュータを用いて実行され得る。
本発明を図表の参照により説明する。図面は以下を示す。
オブジェクトの光学３Ｄ測定のためのデバイスの略図 チェッカーボード風投射パターンの略図 暗いストライプおよび明るいストライプから成る投射パターンの略図 時間の関数としての輝度値の線図 時間の関数としての差分値の線図 焦点距離の関数としての差分値の線図
図１は、オブジェクト２の光学３Ｄ測定のためのデバイス１の略図を示す。デバイス１は、オブジェクト２（例えば、患者の歯または歯型模型）を測定するための手持ち式歯科用カメラである。カメラ１は、型押しパターンを生成するための第１の光源３、第２の光源４、第１の光学的手段５および第２の光学的手段６、記録手段７、撮像オプティクス８、第１のビームスプリッタ９、第２のビームスプリッタ１０、ミラー１１およびハウジング１２を備える。光源３および４は、純粋なＬＥＤ、有色のＬＥＤ、白色ＬＥＤまたはレーザＬＥＤとして実現され得る。光源５および６は、投射パターンを生成するために適宜制御される、光学格子としてまたはＬＣＤとして実現され得る。第１の光学的手段５を用いて、第１のパターンが、第１の投射ビーム１３として、第１のビームスプリッタ９の方向に投射および放射される。第２の光学的手段６を用いて、第２のパターンが、第２の投射ビーム１４として、第１のビームスプリッタ９の方向に放射される。第１のビームスプリッタ９を用いて、投射ビーム１３および１４は、オブジェクト２に向けて１つの共通の照射方向１５に偏向される。記録手段７は、ＣＣＴセンサなどの光学センサである。撮像オプティクス８は、カメラ１に対する鮮鋭な焦点の面１８の焦点距離１７が複数の定義された走査位置１９、２０および２１間に漸進的に調節されるように制御される、複数のレンズ１６を備える。すべての走査位置１８，１９，２０および２１に、第１の投射パターンをもつ第１の画像が生成され、および第２の投射パターンをもつ第２の画像が生成される。投射パターンは、例えば、チェッカーボードのような外形状を有し、またはいくつかのパターンから成ることができる。投射パターンは、こうしてオブジェクト２上に投射され、および観察ビーム２２としてオブジェクト２から反射され、第２のビームスプリッタ１０により偏向され、および記録手段７を用いて記録される。光源３および４は、制御装置２３によって交互に起動されるため、第１のパターンおよび第２のパターンは、交互にオブジェクト２上に投射される。制御装置２３によるスイッチング動作は、例えば、８０００ヘルツの周波数で効果的であり得る。走査位置１８、１９、２０および２１は、例えば、互いに０．１ミリメートルの距離で配置され得る。光軸２４に沿った解像度が、こうして走査位置間の前記距離によって定義される。チェッカーボード風パターンは、複数の明るいおよび暗い正方形パターン要素から成ることができ、記録手段７の投射面における１つのパターン要素の幅は、使用されるセンサの１ピクセルの幅に対応することができる。明るいパターン要素の第１の輝度値および暗いパターン要素の第２の輝度値が、こうしてセンサのすべてのピクセル用に定められ、第１の輝度値と第２の輝度値との間の差分値が、コンピュータなどの演算装置２５を用いて減算により定められ得る。演算装置２５はまた、カメラ１に組み込まれるマイクロコンピュータまたはチップであることができる。演算装置２５はまた、外部コンピュータであることができる。各走査手順の後、異なる走査位置１８、１９、２０および２１について生成された光学画像は統合され、オブジェクト２の３Ｄデータセット２６が、前記画像から生成される。画像はまた、演算装置２５を用いた別の方法によって統合され得る。例えば、複数のコントラスト値が、明るいパターン要素と暗いパターン要素との間の変移領域で定められ、深度情報が前記値から算出され得る。センサ７の画像データは、各光学的な記録の後に読み出され、矢印２７によって示すように演算装置２５に送られる。オブジェクト２の完全な測定の後、オブジェクト表面２８上の測定ポイントの定められた座標が、３Ｄデータセット２６を算出するために用いられる。３Ｄデータセット２６は、モニターなどの表示デバイス２９によって表示される。
図２は、第１の投射ビーム１３として第１の光源３により放射され、図１の第１の走査位置１８においてセンサ７によって記録された、第１のチェッカーボード風投射パターン３０の略図を示す。それらの寸法において、第１の投射パターン３０の暗いパターン要素３１および第１の投射パターン３０の明るいパターン要素３２は、センサ７の個々のピクセル３３に対応する。第１の光源３をオフに切り替えるおよび第２の光源４をオンに切り替えることにより、第２の投射ビーム１４として第２の光源３により放射され図１の第１の走査位置１８においてセンサ７によって記録される第２の投射パターン３４が、こうしてオブジェクト２上に投射される。第１の投射パターン３０が第２の投射パターン３４に外形において対応することにより、第２のパターン３４は横方向に位置を変え、変位３５はピクセル３３の幅に対応する。このようにして、センサ７のすべてのピクセルが、明るいパターン要素３２または暗いパターン要素３１を用いて交互に照射される。第１のパターン３０の第１の画像からおよび第２のパターン３４の第２の画像から、こうしてすべてのピクセルに対して１つの個別の明るいおよび暗いパターン要素の輝度値を定めることが可能になる。鮮鋭な層がオブジェクト２のオブジェクト表面２８と一致すると、個々のピクセルの輝度値の差分値が最大であるように、投射パターン３０が鮮鋭な画像としてセンサ７上に再現される。
図３は、暗いストライプ４１および明るいストライプ４２から成る第１の投射パターン３０の略図を示す。第１の投射パターンと比較すると、図２におけるように、第２の投射パターン３４は、センサ７のピクセル幅に対応する変位３５だけ位置を変える。光源３および４が交互に起動する結果として、センサ７のすべてのピクセルは、明るいストライプ４２または暗いストライプ４１によって交互に照射される。
図４は、ｘ軸上の時間５１の関数としてのｙ軸上の輝度値５０の線図を示す。第１のパターン３０を用いたオブジェクトの照射の間、０から１の尺度で、第１の輝度値５２が第１の画像から定められ、第２のパターン３４を用いたオブジェクトの照射の間、第２の輝度値５３が第２の画像から定められる。輝度値は、図１の走査位置１８、１９、２０および２１について定められる。
図５は本方法を図示するための線図を示し、ここにおいて、輝度値５２と５３とを減算することにより、第１の差分値６０が第１の走査位置１９に関して定められ、第２の差分値６１が第２の走査位置２０に関して定められ、第３の差分値６２が第３の走査位置２１に関して定められ、および第４の差分値６３が第４の走査位置１８に関して定められる。差分値は、時間５１の関数としてプロットされる。第４の走査位置１８において、差分値６３は最大であるため、この走査位置１８において、鮮鋭な焦点の面７はオブジェクトの表面２８と一致する。オブジェクトの表面２８上の対応する測定ポイントの深度情報は、こうしてすべてのピクセルについて定められ得る。
図６は、センサ７の１つの個別のピクセルに関する焦点距離１７の関数としての差分値７０を示す。コントラストは、図２の投射パターン３０、３４が鮮鋭な画像を再現するので、差分値の最大７１で最大である。
１ デバイス
２ オブジェクト
３ 第１の光源
４ 第２の光源
５ 第１の光学的手段
６ 第２の光学的手段
７ 記録手段
８ 撮像オプティクス
９ 第１のビームスプリッタ
１０ 第２のビームスプリッタ
１１ ミラー
１２ ハウジング
１３ 第１の投射ビーム
１４ 第２の投射ビーム
１５ 照射方向
１６ レンズ
１７ 焦点距離
１８ 鮮鋭な焦点の面
１８ 走査位置
１９ 走査位置
２０ 走査位置
２１ 走査位置
２２ 観察ビーム
２３ 制御装置
２４ 光軸
２５ 演算装置
２６ ３Ｄデータセット
２７ 矢印
２８ オブジェクト表面
２９ 表示デバイス
３０ 第１の投射パターン
３１ 暗いパターン要素
３２ 明るいパターン要素
３３ ピクセル
３４ 第２の投射パターン
３５ 変位
４１ 暗いストライプ
４２ 明るいストライプ
５０ 輝度値
５１ 時間
５２ 第１の輝度値
５３ 第２の輝度値
６０ 第１の差分値
６１ 第２の差分値
６２ 第３の差分値
６３ 第４の差分値
７０ 差分値
本発明は、少なくとも２つの光源と、型押しパターンを生成するための少なくとも２つの光学的手段と、少なくとも１つの記録手段とを備え、第１のパターンは、第１の光学的手段を用いて生成され、第１の投射ビームとして記録されるようにオブジェクト上に投射され、第２のパターンは、第２の光学的手段を用いて生成され、第２の投射ビームとして記録されるようにオブジェクト上に投射され、第１のパターンおよび第２のパターンは、観察ビームとしてオブジェクトから反射され、オブジェクトの３Ｄデータセットを作り出すために記録手段により記録される、光学的深度を走査する測定方法を用いるオブジェクトの光学的３Ｄ測定のためのデバイスに関する。
光学的３Ｄ測定のための多くのデバイスが現状技術から公知である。
ＷＯ２００８／１２５６０５Ａ２は、第１の照度分布および第２の照度分布がオブジェクト上に投射される、具体的には顕微鏡領域におけるオブジェクトの光学イメージングのための方法と配置を開示する。２つの投射された照度分布はそれらのフェーズに対して１８０度異なり得る。照度構造は同時にオブジェクト上に投射され、および偏光またはスペクトル特性によって特徴付けられる。
ＥＰ２０５１０４２Ｂ１は、平行ストライプの少なくとも２つのパターンを重ね合わせることにより、オブジェクトの表面上に投射されたモアレパターンを作り出す光学的コヒーレンス方法を開示する。三次元形状のオブジェクトは、モアレラインの走査位置に基づいて定められる。
ＷＯ２０１０／１４５６６９Ａ１は、チェッカーボードのような投射パターンがオブジェクト上に投射される共焦点測定方法を開示する。コントラストの経時的推移も、オブジェクトの深度情報を得るために定められる。時間的に変化するパターンは、開口ホイールなどの機械的に駆動するスクリーニング手段を用いて生成される。
この方法の１つの不都合は、時間的に変化するパターンは、機械的に駆動するスクリーニング手段を用いて生成されるため、結果として測定エラーが発生し得る点である。
したがって、本発明の課題は、オブジェクトの信頼性が高く正確な測定を可能にするデバイスを提供することである。
本発明は、少なくとも２つの光源と、型押しパターンを生成するための少なくとも２つの光学的手段と、少なくとも１つの記録手段とを備え、第１のパターンは、第１の光学的手段を用いて生成され、第１の投射ビームとして記録されるようにオブジェクト上に投射され、第２のパターンは、第２の光学的手段を用いて生成され、第２の投射ビームとして記録されるようにオブジェクト上に投射される、光学的深度を走査する測定方法を用いるオブジェクトの光学的３Ｄ測定のためのデバイスに関する。その際、第１のパターンおよび第２のパターンは、観察ビームとしてオブジェクトから反射され、オブジェクトの３Ｄデータセットを作り出すために記録手段によって記録され、デバイスは、オブジェクト上へのパターンの投射のために撮像オプティクスを備え、撮像オプティクスは、鮮鋭な焦点面がデバイスの光軸に沿って漸進的に変化するように制御されおよび調整され、鮮鋭な焦点面の各走査位置に、第１のパターンが、第１の光学イメージを生成するために投射され、ついで少なくとも第２のパターンが、第２の光学イメージを生成するためにオブジェクト上に投射される。デバイスは、第１の光源および第２の光源が、制御装置によって交互に起動され、第１のパターンおよび第２のパターンが、交互にオブジェクト上に投射され、第１のパターンの第１の投射ビームおよび第２のパターンの第２の投射ビームが、第１のビームスプリッタを用いてオブジェクトに向かって１つの共通の照射方向に偏向するように構成される。
光学的３Ｄ測定のためのデバイスは、ハンドピースの形状で従来のハウジングに組み込まれるカメラであることができる。
光学的深度を走査する測定方法は、デプス・フロム・デフォーカス法（ＤＦＤ）を用いた共焦点測定方法であり得る。この目的のために、チェッカーボードのような投射パターンが交互にオブジェクト上に投射される。続いて、オブジェクトの測定ポイントの深度情報は、投射されたチェッカーボードパターンの焦点、すなわち鮮鋭度の値を定めることにより決定される。この値を基準として、オブジェクトの表面に対する鮮鋭な焦点面の距離が定められ得る
光源は、例えば、カラーＬＥＤ、白色ＬＥＤまたはレーザＬＥＤであり得る。光学的手段は、投射パターンを生成する投射グレーティングまたは投射マスクであることができる。光学的手段はまた、適切に制御されおよび投射パターンを生成する、液体素子（ＬＣＤ）で作られるデジタル投光機であることができる。記録手段は、ＣＣＤセンサなどの従来の光学センサであることができる。第１のパターンおよび第２のパターンは、そのため交互にオブジェクト上に投射される。合焦オプティクスは調節可能であり、光軸に沿って漸進的に変化する設けられた鮮鋭な焦点面上に投射されるパターンに焦点を合わせるため、すべてのオブジェクトが走査され得る。走査位置は、互いに０．１ミリメートルの距離を有することができるため、例えば、１０ミリメートルの高さにおけるオブジェクトの深度走査が、１００の走査位置で実施され得る。したがって、光軸に沿った解像度が、この距離で定義される。合焦オプティクスの調節は、継続的に実行され得、画像の画像データのみが、定義された走査位置から個別に読み取られる。
したがって、すべての走査位置で、第１の投射パターンでの第１の画像および第２の投射パターンでの少なくとも１つの第２の画像が生成される。結果として、この方法によれば、輝度および輝度の変化が、センサのあらゆる変化ごとに記録され得る。このようにして、第１の画像および第２の画像の輝度値間の差が定められ得、それから２つの画像のコントラストまたは鮮鋭度が定められ得る。ついで、コントラスト値または鮮鋭度を基準として、鮮鋭な焦点の面に対して測定されるオブジェクトの表面の焦点距離が定められる。オブジェクト表面が、鮮鋭な焦点の面から外れて測定されると、オブジェクトは画像内でぼやけて見える。鮮鋭な焦点の面の焦点距離、すなわち合焦オプティクスの焦点距離がわかると、ついで、カメラに対するオブジェクト表面の距離が算定され得る。デプス・フロム・デフォーカス法（ＤＦＤ）によってオブジェクトの３次元画像データを定めるために、異なる走査位置で記録された画像は、オブジェクトの３次元画像データを定めるように互いに統合される。各ピクセルで、例えば、輝度値はフレーム番号の関数として、およびひいては時間および焦点位置の関数としてプロットされる。オブジェクトが焦点位置にない場合、コントラストは低下する。オブジェクトが焦点位置にある場合、コントラストはその最大となる。最大コントラストをもつ画像がこうしてカメラの焦点位置に記録される。このようにして、カメラに対するオブジェクトの距離が定められる。
デバイスの制御は、高周波で交互に２つの光源を起動するように構成されるため、２つのパターンが交互にオブジェクト上に投射される。ビームスプリッタは、異なる方向から入る第１のパターンの第１の投射ビームおよび第２のパターンの第２の投射ビームを１つの共通の照射方向へ偏向する、従来のプリズムであることができる。
このデバイスの１つの有利な点は、パターンが機械的な手段の使用なしに変化されることである。そのような機械的な手段により生じ得る測定エラーをこのようにして防ぐことができる。
このデバイスのさらなる有利な点は、２つの光源間の電子的なスイッチングの結果として、機械的な手段を用いた場合よりも、はるかに高周波の変化するパターンが生成され得ることである。これにより、測定所要時間の短縮または走査位置数の減少が可能となり、ひいてはオブジェクトのために生成される３Ｄデータセットの解像度の向上を可能にする。
有利には、デバイスは、第２の光源に加えて第３の光源、第３の光学的手段および第２のビームスプリッタを備えることができ、第３のパターンは、第３の光学的手段を用いて生成され、第３の投射ビームは、第２のビームスプリッタを用いて共通の照射方向に偏向される。
第１のパターン、第２のパターンおよび第３のパターンが、このようにして連続的に交互にオブジェクト上に投射される。複数のパターンを用いることにより、横方向の解像度が向上され得る。
有利には、第１のビームスプリッタおよび第２のビームスプリッタが結合してダイクロイックプリズムにされ得、第１、第２および第３の投射ビームがこのダイクロイックプリズムによって共通の照射方向に偏向される。
ダイクロイックプリズムは、光ビームを異なるスペクトルまたは色の２つのビームに分ける光学プリズムである。一般にガラスで作られ、そのある表面は前記光の波長に応じて光を反射または光の透過を可能にするダイクロイックミラーが設けられる。そのようなダイクロイックプリズムの使用は、こうして異なる方向から入る３つの投射ビームを１つの共通の照射方向に偏向させることを可能にする。第１の投射ビームは赤成分を有することができ、第２の投射ビームは緑成分を有することができ、および第３の投射ビームは青成分を有することができる。有色の投射ビームが、例えば、光源のダウンストリームに配置される、有色のＬＥＤを用いることによってまたは色フィルタを用いることによって生成され得る。
有利には、パターンを生成するための光学的手段は、光学格子または液晶素子（ＬＣＤ）であることができる。
光学格子またはＬＣＤはこうして投射パターンを生成する。ＬＣＤは適宜制御される。
有利には、投射パターンは平行ストライプの形状であり得る。
したがって、用いられた深度走査方法に従って、コントラストおよびさらに深度情報が、暗い平行ストライプと明るい平行ストライプとの間の変移領域内で定められる。
２つの光源のみが存在するとき、有利には、平行ストライプの幅は平行ストライプ間の距離に対応することができる。
第１のパターンおよび第２のパターンがこうして平行ストライプに追加されることにより、第２のパターンの暗いストライプが、第１のパターンの明るいストライプの走査位置に配置され、逆もまた同じである。したがって、結果として、コントラストおよび深度情報が、オブジェクトの同じ測定ポイントについて定められ、測定の正確さの改善を可能にする。
有利には、投射パターンは、正方形パターン要素をもつチェッカーボードの形状を有する。
コントラスト値およびさらに深度情報は、こうして投射パターンのチェッカーボード形状によって明るいパターン要素と暗いパターン要素との間の変移領域内で定められ、オブジェクトの３Ｄデータセットの解像度の向上を可能にする。
有利には、第１のパターンは第１のチェッカーボード風パターンであることができ、および第２のパターンは第２のチェッカーボード風パターンであることができ、第２のチェッカーボード風パターンの暗い正方形パターン要素が、第１のチェッカーボード風パターンの明るい正方形パターン要素の走査位置に配置され、逆もまた同じである。そのため、２つのチェッカーボード風パターンの明るいパターン要素および暗いパターン要素が、それぞれ交互にオブジェクト上に投射される。
２つのチェッカーボード風パターンがこのように互いに相補的であることにより、オブジェクト表面上の同じ測定ポイントについてのコントラスト値およびさらに深度情報が定められるが、これにより潜在的な測定エラーの減少が可能となる。
有利には、デバイスは、少なくとも３０００ヘルツの周波数で、交互に光源のオンとオフの切替えをする制御装置を備えることができる。
比較的高周波な変化するパターンを用いて、オブジェクトは、短い測定時間で深度走査方法により測定され得る
有利には、周波数は５０００ヘルツから１００００ヘルツであることができる。
デバイスの一例において、周波数は８０００ヘルツである。この場合、すべてのオブジェクトの全体の深度走査は２０ヘルツで実行され、両方のパターンはそれぞれ２００の各深度位置について投射され、両方の画像が記録される。そのような速い測定を用いる場合、手持ち式カメラの形状のデバイスを自由に持つことができるが、それは２０ヘルツでの全測定の間、患者の歯または歯型模型などのオブジェクトに対する手持ち式カメラの動きがごく僅かであるからである。
光学画像または走査を生成するために、有利には、鮮鋭な焦点面の少なくとも１００の走査位置が位置付けられ、漸進的に測定され得る。
１００の走査位置があると、例えば、測定する歯の典型的な深度走査範囲は２０ミリメートルであるので、走査位置間の距離は０．２ミリメートルであることができる。
有利には、鮮鋭な焦点面の少なくとも２００の走査位置が、画像ごとに位置付けられ得る。
光軸に沿った解像度が、より多数の走査位置により向上される。走査位置間の距離は、例えば、０．１ミリメートルであることができる。
有利には、パターンの明るい要素と暗い要素との間のコントラスト値が各光学画像について定められ、オブジェクトの３Ｄ深度情報がコントラスト値を基準として定められ得る。
用いられた深度走査方法に従って、コントラスト値がパターンの明るい要素と暗い要素との間の変移領域内で定められ、ついで、それらから深度情報が定められる。
有利には、鮮鋭な焦点の面のすべての位置付けられた走査位置でのコントラスト値のプロファイルが、オブジェクトのすべての測定ポイントについて定められ得、続いて、オブジェクトのこの測定ポイントについてのオブジェクト表面の深度情報を示すこのプロファイルの最大値が、定められる。
このようにして、したがって、明るい要素と暗い要素との間の変移領域内におけるオブジェクト表面の測定ポイントについての深度情報が定められる。変化したパターンの個々の光学画像からのオブジェクトの３Ｄデータセットの評価が、コンピュータを用いて実行され得る。
本発明を図表の参照により説明する。図面は以下を示す。
オブジェクトの光学３Ｄ測定のためのデバイスの略図 チェッカーボード風投射パターンの略図 暗いストライプおよび明るいストライプから成る投射パターンの略図 時間の関数としての輝度値の線図 時間の関数としての差分値の線図 焦点距離の関数としての差分値の線図
図１は、オブジェクト２の光学３Ｄ測定のためのデバイス１の略図を示す。デバイス１は、オブジェクト２（例えば、患者の歯または歯型模型）を測定するための手持ち式歯科用カメラである。カメラ１は、型押しパターンを生成するための第１の光源３、第２の光源４、第１の光学的手段５および第２の光学的手段６、記録手段７、撮像オプティクス８、第１のビームスプリッタ９、第２のビームスプリッタ１０、ミラー１１およびハウジング１２を備える。光源３および４は、純粋なＬＥＤ、有色のＬＥＤ、白色ＬＥＤまたはレーザＬＥＤとして実現され得る。光源５および６は、投射パターンを生成するために適宜制御される、光学格子としてまたはＬＣＤとして実現され得る。第１の光学的手段５を用いて、第１のパターンが、第１の投射ビーム１３として、第１のビームスプリッタ９の方向に投射および放射される。第２の光学的手段６を用いて、第２のパターンが、第２の投射ビーム１４として、第１のビームスプリッタ９の方向に放射される。第１のビームスプリッタ９を用いて、投射ビーム１３および１４は、オブジェクト２に向けて１つの共通の照射方向１５に偏向される。記録手段７は、ＣＣＴセンサなどの光学センサである。撮像オプティクス８は、カメラ１に対する鮮鋭な焦点の面１８の焦点距離１７が複数の定義された走査位置１９、２０および２１間に漸進的に調節されるように制御される、複数のレンズ１６を備える。すべての走査位置１８，１９，２０および２１に、第１の投射パターンをもつ第１の画像が生成され、および第２の投射パターンをもつ第２の画像が生成される。投射パターンは、例えば、チェッカーボードのような外形状を有し、またはいくつかのパターンから成ることができる。投射パターンは、こうしてオブジェクト２上に投射され、および観察ビーム２２としてオブジェクト２から反射され、第２のビームスプリッタ１０により偏向され、および記録手段７を用いて記録される。光源３および４は、制御装置２３によって交互に起動されるため、第１のパターンおよび第２のパターンは、交互にオブジェクト２上に投射される。制御装置２３によるスイッチング動作は、例えば、８０００ヘルツの周波数で効果的であり得る。走査位置１８、１９、２０および２１は、例えば、互いに０．１ミリメートルの距離で配置され得る。光軸２４に沿った解像度が、こうして走査位置間の前記距離によって定義される。チェッカーボード風パターンは、複数の明るいおよび暗い正方形パターン要素から成ることができ、記録手段７の投射面における１つのパターン要素の幅は、使用されるセンサの１ピクセルの幅に対応することができる。明るいパターン要素の第１の輝度値および暗いパターン要素の第２の輝度値が、こうしてセンサのすべてのピクセル用に定められ、第１の輝度値と第２の輝度値との間の差分値が、コンピュータなどの演算装置２５を用いて減算により定められ得る。演算装置２５はまた、カメラ１に組み込まれるマイクロコンピュータまたはチップであることができる。演算装置２５はまた、外部コンピュータであることができる。各走査手順の後、異なる走査位置１８、１９、２０および２１について生成された光学画像は統合され、オブジェクト２の３Ｄデータセット２６が、前記画像から生成される。画像はまた、演算装置２５を用いた別の方法によって統合され得る。例えば、複数のコントラスト値が、明るいパターン要素と暗いパターン要素との間の変移領域で定められ、深度情報が前記値から算出され得る。センサ７の画像データは、各光学的な記録の後に読み出され、矢印２７によって示すように演算装置２５に送られる。オブジェクト２の完全な測定の後、オブジェクト表面２８上の測定ポイントの定められた座標が、３Ｄデータセット２６を算出するために用いられる。３Ｄデータセット２６は、モニターなどの表示デバイス２９によって表示される。
図２は、第１の投射ビーム１３として第１の光源３により放射され、図１の第１の走査位置１８においてセンサ７によって記録された、第１のチェッカーボード風投射パターン３０の略図を示す。それらの寸法において、第１の投射パターン３０の暗いパターン要素３１および第１の投射パターン３０の明るいパターン要素３２は、センサ７の個々のピクセル３３に対応する。第１の光源３をオフに切り替えるおよび第２の光源４をオンに切り替えることにより、第２の投射ビーム１４として第２の光源３により放射され図１の第１の走査位置１８においてセンサ７によって記録される第２の投射パターン３４が、こうしてオブジェクト２上に投射される。第１の投射パターン３０が第２の投射パターン３４に外形において対応することにより、第２のパターン３４は横方向に位置を変え、変位３５はピクセル３３の幅に対応する。このようにして、センサ７のすべてのピクセルが、明るいパターン要素３２または暗いパターン要素３１を用いて交互に照射される。第１のパターン３０の第１の画像からおよび第２のパターン３４の第２の画像から、こうしてすべてのピクセルに対して１つの個別の明るいおよび暗いパターン要素の輝度値を定めることが可能になる。鮮鋭な層がオブジェクト２のオブジェクト表面２８と一致すると、個々のピクセルの輝度値の差分値が最大であるように、投射パターン３０が鮮鋭な画像としてセンサ７上に再現される。
図３は、暗いストライプ４１および明るいストライプ４２から成る第１の投射パターン３０の略図を示す。第１の投射パターンと比較すると、図２におけるように、第２の投射パターン３４は、センサ７のピクセル幅に対応する変位３５だけ位置を変える。光源３および４が交互に起動する結果として、センサ７のすべてのピクセルは、明るいストライプ４２または暗いストライプ４１によって交互に照射される。
図４は、ｘ軸上の時間５１の関数としてのｙ軸上の輝度値５０の線図を示す。第１のパターン３０を用いたオブジェクトの照射の間、０から１の尺度で、第１の輝度値５２が第１の画像から定められ、第２のパターン３４を用いたオブジェクトの照射の間、第２の輝度値５３が第２の画像から定められる。輝度値は、図１の走査位置１８、１９、２０および２１について定められる。
図５は本方法を図示するための線図を示し、ここにおいて、輝度値５２と５３とを減算することにより、第１の差分値６０が第１の走査位置１９に関して定められ、第２の差分値６１が第２の走査位置２０に関して定められ、第３の差分値６２が第３の走査位置２１に関して定められ、および第４の差分値６３が第４の走査位置１８に関して定められる。差分値は、時間５１の関数としてプロットされる。第４の走査位置１８において、差分値６３は最大であるため、この走査位置１８において、鮮鋭な焦点の面７はオブジェクトの表面２８と一致する。オブジェクトの表面２８上の対応する測定ポイントの深度情報は、こうしてすべてのピクセルについて定められ得る。
図６は、センサ７の１つの個別のピクセルに関する焦点距離１７の関数としての差分値７０を示す。コントラストは、図２の投射パターン３０、３４が鮮鋭な画像を再現するので、差分値の最大７１で最大である。
１ デバイス
２ オブジェクト
３ 第１の光源
４ 第２の光源
５ 第１の光学的手段
６ 第２の光学的手段
７ 記録手段
８ 撮像オプティクス
９ 第１のビームスプリッタ
１０ 第２のビームスプリッタ
１１ ミラー
１２ ハウジング
１３ 第１の投射ビーム
１４ 第２の投射ビーム
１５ 照射方向
１６ レンズ
１７ 焦点距離
１８ 鮮鋭な焦点の面
１８ 走査位置
１９ 走査位置
２０ 走査位置
２１ 走査位置
２２ 観察ビーム
２３ 制御装置
２４ 光軸
２５ 演算装置
２６ ３Ｄデータセット
２７ 矢印
２８ オブジェクト表面
２９ 表示デバイス
３０ 第１の投射パターン
３１ 暗いパターン要素
３２ 明るいパターン要素
３３ ピクセル
３４ 第２の投射パターン
３５ 変位
４１ 暗いストライプ
４２ 明るいストライプ
５０ 輝度値
５１ 時間
５２ 第１の輝度値
５３ 第２の輝度値
６０ 第１の差分値
６１ 第２の差分値
６２ 第３の差分値
６３ 第４の差分値
７０ 差分値

Claims (14)

  1. 光学的深度を走査する測定方法を用いるオブジェクト（２）の光学的３Ｄ測定のためのデバイスであって、少なくとも２つの光源（３、４）と、型押しパターン（３０、３４）を生成するための少なくとも２つの光学的手段（５、６）と、少なくとも１つの記録手段（７）とを備え、第１のパターン（３０）が、第１の光学的手段（５）を用いて生成され、第１の投射ビーム（１３）として記録されるように前記オブジェクト（２）上に投射され、第２のパターン（１４）が、第２の光学的手段（６）を用いて生成され、第２の投射ビーム（１４）として記録されるように前記オブジェクト（２）上に投射され、前記第１のパターン（３０）および前記第２のパターン（３４）が、観察ビーム（２２）として前記オブジェクト（２）から反射され、前記オブジェクトの３Ｄデータセットを作り出すために前記記録手段（７）によって記録され、前記デバイス（１）が、前記オブジェクト（２）上への前記パターン（３０、３４）の投射のために撮像オプティクス（８）を備え、前記撮像オプティクス（８）が、鮮鋭な焦点面（１８）が前記デバイスの光軸（２４）に沿って漸進的に変化するように制御されおよび調整され、前記鮮鋭な焦点面の各走査位置（１８、１９、２０、２１）に、前記第１のパターン（３０）が、第１の光学イメージを生成するために投射され、ついで少なくとも前記第２のパターン（３４）が、第２の光学イメージを生成するために前記オブジェクト（２）上に投射され、前記デバイスが、前記第１の光源（３）および前記第２の光源（４）が、制御装置（２３）によって交互に起動され、前記第１のパターン（３０）および前記第２のパターン（３４）が、交互に前記オブジェクト（２）上に投射され、前記第１のパターン（３０）の前記第１の投射ビーム（１３）および前記第２のパターン（３４）の前記第２の投射ビーム（１４）が、第１のビームスプリッタ（９）を用いて前記オブジェクト（２）に向かって１つの共通の照射方向（１５）に偏向するように構成されることを特徴とするデバイス。
  2. 前記デバイス（1）が、前記第２の光源（４）に加えて第３の光源、第３の光学的手段および第２のビームスプリッタを備え、第３のパターンが、前記第３の光学的手段を用いて生成され、第３の投射ビームが、前記第２のビームスプリッタを用いて前記共通の照射方向（１５）に偏向されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記第１のビームスプリッタ（９）および前記第２のビームスプリッタが、結合してダイクロイックプリズムにされ、前記第１、第２および第３の投射ビームが、このダイクロイックプリズムによって前記共通の照射方向に偏向されることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
  4. 前記パターンを生成するための前記光学的手段（５、６）が、光学格子または液晶素子（ＬＣＤ）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイス。
  5. 前記投射パターン（３０、３４）が、平行ストライプ（４１、４２）の形状で表されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
  6. ２つの光源（３、４）のみが存在するとき、前記平行ストライプの幅が、前記平行ストライプ間の距離に対応することを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
  7. 前記投射パターン（３０、３４）が、正方形パターン要素（３１、３２）をもつチェッカーボードの形状で表されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
  8. 前記第１のパターン（３０）が第１のチェッカーボード風パターンであり、および前記第２のパターン（３４）が第２のチェッカーボード風パターンであり、前記第２のチェッカーボード風パターン（３４）の暗い正方形パターン（３１）が、前記第１のチェッカーボード風パターン（３０）の明るい正方形パターン要素（３２）の前記走査位置に配置され、逆もまた同じである、したがって、前記２つのチェッカーボード風パターン（３０、３４）の前記明るいパターン要素（３２）および前記暗いパターン要素（３１）が、それぞれ交互に前記オブジェクト（２）上に投射されることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
  9. 前記デバイスが、少なくとも３０００ヘルツの周波数で、交互に前記光源のオンとオフの切替えをする制御装置を備えることを特徴とする１〜８のいずれか一項に記載のデバイス。
  10. 前記周波数が、有利には５０００ヘルツから１００００ヘルツであることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
  11. 前記鮮鋭な焦点面の少なくとも１００の走査位置（１８、１９、２０、２１）が、漸進的に位置付けられ、および光学画像または走査を生成するために測定されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のデバイス。
  12. 前記鮮鋭な焦点面の少なくとも２００の走査位置（１８、１９、２０、２１）が、画像ごとに位置付けられることを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
  13. 前記パターン（３０、３４）の前記明るい要素と前記暗い要素（３１、３２）との間のコントラスト値が、各光学画像について定められ、前記オブジェクト（２）の３Ｄ深度情報が、前記コントラスト値（５２、５３、６０、６１、６２、６３）によって定められることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のデバイス。
  14. 前記コントラスト値（５２、５３、６０、６１、６２、６３）のプロファイルが、前記鮮鋭な焦点の面のすべての前記位置付けられた走査位置（１８、１９、２０、２１）での前記オブジェクトの各測定ポイントについて定められ、続いて、前記オブジェクトのこの測定ポイントについてのオブジェクト表面の前記深度情報を示す、このプロファイルの最大値が定められることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
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