JP3602632B2

JP3602632B2 - ３次元計測装置

Info

Publication number: JP3602632B2
Application number: JP35052295A
Authority: JP
Inventors: 睦司村本
Original assignee: 株式会社ユニスン
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2015-12-21
Also published as: JPH09178437A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、患者の歯と顎堤の印象を採った歯模型のようなオーバーハング部分を有する被計測物の３次元形状を非接触で計測する３次元計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、患者から採った歯と顎堤の印象石膏模型である歯模型は、患者の口腔内情報を具体的に３次元的に示すものであるので、患者の現状が容易に認識でき、歯科治療に役立つ場合が多い。
【０００３】
このような歯模型の３次元形状を数値データ化すべく計測する手段として、例えば、三角測量に基づくレーザスリット光切断法により、非接触で計測する３次元計測装置が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
歯模型は上顎模型と下顎模型からなるものであり、歯科治療においては、両模型を咬み合わせた状態を確認して、良好な咬合状態での歯模型のデータを取得する必要がある。しかしながら、従来装置では、この咬合状態を再現、維持しつつデータを取得するのが困難であるという問題があった。
【０００５】
また、歯模型には歯またはその顎堤に水平方向に凹んだオーバーハング部分があり、この部分がレーザ光計測での不可視領域となる。従来装置においては、こうした歯模型のように不可視領域となるオーバーハング部分を有する被計測物について、その完全な３次元形状データを精度よく取得するのが著しく困難であった。
【０００６】
この発明は、上記の問題点を解決して、オーバーハング部分を有する３次元形状の被計測物を非接触で不可視領域なく計測することができる３次元計測装置を提供することを目的としている。
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明は、患者の３次元形状の上顎模型および下顎模型からなる歯模型を支持して一定の回動軸まわりの複数の回動位置に設定する支持台と、上顎模型および下顎模型に光を前記回動軸と直交する方向に照射して、その形状を計測する計測手段とを備え、前記支持台は、上顎模型および下顎模型を、上顎模型と下顎模型の咬合状態と、その咬合状態から一方の模型を取り外した状態と、他方の模型を取り外した状態とについて、それぞれ相異なる２つの姿勢で取り付ける取付部を有している。
上記構成によれば、前記上顎模型および下顎模型は相異なる２つの姿勢で取り付けられ、それぞれ回動軸まわりの複数の回動位置に支持台により設定されるので、光の不可視領域をなくして、上顎模型および下顎模型の３次元形状を正確に計測することができる。
【０００８】
また、好ましくは、前記上顎模型および下顎模型は同一平面上で９０度回転した相異なる２つの姿勢で取り付けられる。これにより、種々の形状のオーバーハング部分を有する上顎模型および下顎模型について、効果的に光の不可視領域をなくすことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、この発明の一実施形態に係る歯模型の３次元計測装置の斜視図を示す。この装置は、患者から採った上下顎の歯と顎堤の印象石膏模型である歯模型１の３次元形状を光照射により非接触で計測する計測手段２と、歯模型１を支持する支持台４とを備えている。支持台４は、歯模型１を支持して回動軸であるＸ軸まわりの複数の回動位置に設定するものであり、相異なる２方向の歯模型１の前後（ＸＸ）方向と左右（ＹＹ）方向のそれぞれを回動軸のＸ軸方向にほぼ合致させた２つの姿勢で歯模型１が取り付けられる取付部６を有している。
【００１０】
計測手段２は、例えば、三角測量に基づくレーザスリット光切断法により、歯模型１を非接触で計測するパターン投影方式（光切断方式）計測装置である。半導体レーザのようなレーザ光源１１からレーザ光を発生させ、ポリゴンミラー１４を回転することにより、スリット光を歯模型１に照射する。歯模型１は、支持台４上の取付部６に固定され、例えばステッピングモータを有する駆動手段１９により、所定位置に移動される。そして、例えば２台のＣＣＤカメラ１２Ａ，１２Ｂを有する撮像部１２により、歯模型１に照射されたスリット光像が撮影される。計測手段２として、この他にマルチスリットレーザとＣＣＤカメラとによる多重露光高速計測装置やレーザスポットによるポイント計測装置などを用いてもよい。なお、この図では、上下顎の歯模型１が表されているが、これは上下顎の咬合状態を確認するためのものであり、実際には、歯模型１を形成する上顎模型１ａまたは下顎模型１ｂが単独で計測される（図３参照）。
【００１１】
支持台４は、ＸＹテーブル１４と、その上部に設けられて歯模型１を固定する取付部６を支持するＲ（回転）テーブル１６とを備えており、それぞれ駆動手段１９により駆動される。ＸＹテーブル１４は、例えばリニアガイドとボールねじからなり、基台Ｋ上をＸＸ方向およびＹＹ方向に移動する。Ｒテーブル１６は、取付部６をＸ軸まわりの複数の回動位置に設定する。なお、ＸＹテーブル１４と同様にリニアガイドとボールねじからなるＺテーブル１５も設けられているが、光測定座標の空間を設定するキャリブレーション用であり計測には直接用いられない。
【００１２】
図２に、取付部６の斜視図を示す。Ｒテーブル１６に支持される取付部６は、上側取付部６ａと下側取付部６ｂからなる。両取付部６ａ，６ｂは、それぞれ左右スライド部２２、突出部２４、上下スライド部２６および上下顎の歯模型１を固定する模型取付台２８を備えている。左右スライド部２２は、クランプ３５を回して緩めて突出部２４を左右に移動させ、適切な左右位置で停止させてクランプ３５を締めて固定する。
【００１３】
上下スライド部２６は、図３の取付部６の側面図に示すように、クランプ３７を緩めた状態でノブ３６を回して、このノブ３６に固定されたねじ棒に螺合させた模型取付台２８を上下に移動させ、適切な上下位置で停止させてクランプ３７を締めて固定する。上下顎の歯模型１を咬合させた状態で両取付部６ａ，６ｂに取り付ける場合には、両取付部の模型取付台２８，２８間で挟み込み、両取付部のクランプ３７を緩めノブ３６を回して、咬合状態の上下顎の歯模型１の中心を、Ｒテーブル１６のほぼ中心軸に位置させてクランプ３７を締めて固定する。なお、計測の際には、歯模型１を形成する上顎模型１ａと下顎模型１ｂの一方とその取付部６が左右スライド部２２から取り外され、他方のみが取付部６に取り付けられて単独で計測される。また、歯模型１はＲテーブル１６によりＸ軸まわりに回動されるので、模型取付台２８上で位置ずれを生じないように、両面テープのような固定手段で固定される。
【００１４】
ここで、この取付部６は、模型取付台２８上に、歯模型１の前後（ＸＸ）方向と左右（ＹＹ）方向のそれぞれを回動軸のＸ軸方向にほぼ合致させた２つの姿勢で歯模型１が取り付けられるようにしている。すなわち、図２および図３のように、模型取付台２８に、そのほぼ中心位置Ｏに円孔３２と、その外周に径方向のＸ軸方向とＹ軸方向に延びる２つの長孔３４とからなる係止キー溝３０が設けられており、また、歯模型１と取付台２８間に固定用のプレートＰＬが設けられて、この固定用のプレートＰＬに、その底面方向に突出した円柱ピン３１と、その外周にＸＸ方向に延びるノブ３３からなる係止キー３８が設けられている。歯模型１の底面とプレートＰの上面とは、両面テープのような接着手段により接着される。この歯模型１の係止キー３８を模型取付台２８のＸ軸方向またはＹ軸方向の長孔３４の係止キー溝３０に挿入することにより、歯模型１は、歯模型１のＸＸ方向を回動軸のＸ軸方向にほぼ合致させた図４（ａ）の第１の取付位置と、その位置から同一平面上で９０度回転させて歯模型１のＹＹ方向を回動軸のＸ軸方向にほぼ合致させた図４（ｂ）の第２の取付位置とにそれぞれ設定される。これは、歯模型１の前歯部および臼歯部それぞれが特有の形状を有しており、歯模型１を１つの取付位置だけで計測したのでは、各部のスリット光像が明確に現れないからである。
【００１５】
なお、この実施形態では、この装置の原点位置Ｏ（０，０，０）を、歯模型１および模型取付台２８の中心位置ではなく、歯模型１のエリア外の任意の所定位置に設けている。これは、回動軸のＸ軸に歯模型１の中心位置を目視で合致させるのは困難であり煩雑なためである。このようにしても、同一原点の下でエリア全体が回転移動されると考えることにより、後述する座標変換を、回転角度やＸＹＺオフセット量等のパラメータを用いて自動的に行うことができる。
【００１６】
さらに、この装置は、図５に示すように、第１の取付位置または第２の取付位置にある歯模型１を、Ｒテーブル１６を回転させることにより、それぞれの位置で水平方向からＸ軸まわりに複数（例えば、反時計回りの４５度，９０度，１３５度、時計回りの−４５度，−９０度，−１３５度の６回動角度）の回動位置に回転させるようにしている。図５（ａ）は上顎模型１ａの回動位置を、図５（ｂ）は下顎模型１ｂの回動位置を示す。これは、歯模型１の前歯の裏側の凹部や顎堤上のへこみ部分のような水平に凹入したオーバーハング部分は、各模型１ａ，１ｂを水平に設定した状態では、レーザ光線が当たらず不可視領域となるので、回動させることによって該部分にレーザ光線が当たるようにするためである。
【００１７】
図６に、この歯模型の３次元計測装置の計測手段２の構成図を示す。まず、患者の上下顎の印象が公知の印象材により採られて作成された歯模型１が、模型取付台２８上に固定される。駆動手段１６は、この模型取付台２８を、図１のＸＹテーブル１４によりＸ軸方向に移動することにより、スリット光を歯模型１に対しスキャン（走査）するように駆動する。この状態で、光源検出部１７は、撮像部１２から送られてくるビデオ信号の各走査線上における、スリット光像の画面座標（ラスタ座標）と輝度データをＡ／Ｄ変換して検出する。こうして、歯模型１の３次元形状を計測する。データ生成部１８は、この計測データに基づいて、歯模型１の３次元形状を示すディジタルデータを生成する。
【００１８】
この装置の計測動作を図８および図９のフローチャートに基づいて説明する。この実施形態では、上顎模型１ａと下顎模型１ｂとを第１の取付位置で計測し、次いで上顎模型１ａと下顎模型１ｂとを第２の取付位置で計測するものとする。まず、上顎模型１ａと下顎模型１ｂとを第１の取付位置で計測する。この場合、歯模型１の臼歯部と前歯部のそれぞれ特有の形状および配列から、第１の取付位置での計測によって、臼歯部の形状が明確に現れるので臼歯部主体のデータが得られ、第２の取付位置での計測によって、前歯部の形状が明確に現れるので前歯部主体のデータが得られる。
【００１９】
図８のフローチャートにおいて、まず、図３の上顎模型１ａを第１の取付位置で下側取付部６ｂに置き、下顎模型１ｂを咬合させて咬合状態を確認した後に、両取付部６の模型取付台２８間で上下顎の歯模型１を挟み込み、両取付部６のクランプ３７を緩めノブ３６を回して、咬合状態の上下顎の歯模型１の中心が、Ｒテーブル１６のほぼ中心軸上にくるように調整される（ステップＳ１）。そして、下顎模型１ｂおよび上側取付部６ａが取り外される（ステップＳ２）。
【００２０】
次に、上顎模型１ａの底面が模型取付台２８面に両面接着テープのような固定手段で固定される（ステップＳ３）。そして、上顎模型１ａのＸ，Ｙ軸方向における測定範囲やＸ軸方向の計測ピッチなどの測定条件が設定される（ステップＳ４）。次に、歯模型１の先端部が検出された（ステップＳ５）後で、上顎模型１ａの計測が計測手段２により自動的に開始され、光源検出部１７により第１の取付位置でのスリット光像が検出される（ステップＳ６）。
【００２１】
次に、上顎模型１ａが、第１の取付位置でＲテーブル１６によりそれぞれＸ軸まわりに回動されて、図５（ａ）の４５度，９０度，１３５度，−４５度，−９０度，−１３５度の回動位置で、同様にステップＳ１〜Ｓ６により、それぞれのスリット光像が検出される。こうして、上顎の臼歯部主体データが、各方向からの周分割された計測データとして計測される。
【００２２】
次に、下顎模型１ｂを第１の取付位置で計測する。
まず、図９のフローチャートにおいて、図３の水平状態の下側取付部６ｂに固定された上顎模型１ａの上に下顎模型１ｂを置き、咬合状態が確認される（ステップＳ１１）。そして、上側取付部６ａをそのノブ３６を回して下げて、模型取付台２８の下面に下顎模型１ｂの底面が固定手段によって固定される（ステップＳ１２）。その後、上顎模型１ａおよび下側取付部６ｂが取り外される（ステップＳ１３）。次に、下顎模型１ｂのＸ，Ｙ軸方向における測定範囲やＸ軸方向の計測ピッチなどの測定条件が設定されて（ステップＳ１４）、計測手段２により計測される（ステップＳ１５）。
【００２３】
そして、下顎模型１ｂが、第１の取付位置でＲテーブル１６によりそれぞれＸ軸まわりに回動されて、図５（ｂ）の４５度，９０度，１３５度，−４５度，−９０度，−１３５度の回動位置で、同様にステップＳ１１〜Ｓ１５により、それぞれのスリット光像が検出される。こうして、上下顎の臼歯部主体データが、Ｘ軸回りの各方向からの周分割された計測データとして取得される。
【００２４】
次に、上顎模型１ａと下顎模型１ｂとをそれぞれ第２の取付位置で計測する。上記と同様に、上顎模型１ａに次いで下顎模型１ｂが計測される。この場合、上下顎模型は、図４（ｂ）のように、図４（ａ）の第１の取付位置から同一平面上で９０度回転された第２の取付位置で模型取付台２８面に固定されて、第１の取付位置の場合と同様に計測され、図８および図９のフローチャートにしたがって計測動作が行われる。こうして、上下顎の前歯部主体データが、各方向からの周分割された計測データとして計測される。
【００２５】
こうして、上顎模型１ａおよび下顎模型１ｂのそれぞれについて、第１および第２の取付位置とそれらのＸ軸回りの回動位置でのレーザスリット光切断による計測が行われ、Ｘ軸回りで周分割された計測データとして臼歯部主体データおよび前歯部主体データが取得される。これにより、例えば、図１０（ａ）に示す第１の取付位置の計測だけでは光の不可視領域となっていた前歯の顎堤上のへこみ部分のようなオーバーハング部分（図示７０）が、図１０（ｂ）に示す第２の取付位置の計測により、光の可視領域となって正確なデータが得られることになる。
【００２６】
次に、この装置のデータ生成の動作を図１１のフローチャートに基づいて説明する。
まず、上記の第１の取付位置において、Ｘ軸回りで周分割された計測データとして取得された上顎（下顎）の臼歯部主体データが（ステップＳ２１）、各データ間でオーバーラップする部分についてオーバーラップ処理がされて、３次元形状が明確に表れるように全周合成される（ステップＳ２２）。これにより、臼歯部主体データが１本ずつのループ（輪郭）データの集合としてループデータ化される。なお、全周合成上、それぞれのＸ軸回りの回動位置の座標変換は、三角関数演算により容易に変換される。
【００２７】
一方、第２の取付位置において、周分割された計測データとして取得された上顎（下顎）の前歯部主体データが（ステップＳ２３）、同様に、各データ間でオーバーラップする部分のオーバーラップ処理がされて全周合成される（ステップＳ２４）。これにより、前歯部主体データが、ループデータ化される。
【００２８】
次に、ループデータ化された前歯部主体データと臼歯部主体データについて、座標変換処理（フィッティング）される（ステップＳ２５）。第１の取付位置と第２の取付位置との座標変換は、例えば、図４において、９０度の回転角度やＸＹＺオフセット量等のパラメータを用いて，第２の取付位置における位置Ｑ（ｘ２，ｙ２，ｚ２）が第１の取付位置における位置Ｐ（ｘ１，ｙ１，ｚ１）に容易に変換される。なお、第１の取付位置と第２の取付位置でスリット光切断方向が異なるので両データのループデータ方向は異なっている。
【００２９】
そして、両データについて、合成（マージ）するための採用データの選択が行われて、データ合成位置が決定される（ステップＳ２６）。すなわち、前述の座標変換処理（フィッティング）されたそれぞれの主体データを基に歯模型１の臼歯部と前歯部の所定のＸ座標上の位置が決定されて、その位置のＸ軸に垂直な平面で切り分けられて、臼歯部主体データと前歯部主体データとが合成される。なお、所定のＸ座標は歯模型１の特徴形状に応じて変更される。
【００３０】
次に、前歯部主体データの補間演算が行われる（ステップＳ２７）。すなわち、臼歯部主体データと前歯部主体データのループデータ方向が異なっているので、前歯部主体データのループデータ方向を臼歯部主体データのループデータ方向に合わせる必要があるからである。図７（ｃ）のように、臼歯部については、Ｘ軸に垂直な平面をピッチＰ（例えば、０．２５ｍｍ）の間隔で、各平面ごとに点列からなるループ直線で形状を表現できるが、前歯部については垂直面に近いアーチ状なので、臼歯部と同じピッチでは形状を表現することができない。従って、座標変換処理した前歯部主体データを用いて、上記ピッチＰ間を例えば５等分にピッチを細かくして、この細分化した仮想平面と前歯部ループデータの交点を補間演算することで形状を求める。
【００３１】
次に、データ編集が行われる（ステップＳ２８）。このデータ編集において、ループデータのクロスチェックおよびデータの順序方向の逆転チェックを行う。本来、スリット光の投射であるので表面でクロスすることはあり得ず、ステップＳ２２，２４の全周合成時に接続ミスで発生する。例えば、図１２（ａ）のような場合にはデータの並び方向が明確で編集の必要はないが、図１２（ｂ）のように、点がクロスしている場合には、データの並び方向が不明となって編集を行う必要がある。修正方法として点列間の接続線を分断してクロスしない点に接続方向を変更する。垂直面の形状を表現するために補間演算をした場合にデータの格納される順序が一定に制限できないので、点列の順序が逆転する場合があり、変更はデータの逆転している始点と終点を指示して、その間のデータの順序を入れ替える。こうして、歯模型１の３次元形状を示すディジタルデータが生成される。
【００３２】
なお、この実施形態では、３次元計測データをループデータ化して持っているが、ステップＳ２６のデータマ−ジ位置決定の後に、それぞれ、以下に示すような三角形面素による演算方法により取得された３次元形状データを持つようにしてもよい。この場合、ステップＳ２７の前歯部主体データの補間演算が不要になる。
【００３３】
すなわち、三角形面素による演算方法においては、歯模型１は、図７（ａ）のように、レーザスリット光で照射されて、図７（ｃ）のように指定ピッチＰ間隔で計測される。そのスリット光像は、図７（ｂ）の拡大図に示すように、各スリット光像の切断面のループ直線Ｓが線分列Ｐ０Ｐ１，Ｐ１Ｐ２，…、Ｑ０Ｑ１，Ｑ１Ｑ２，…で与えられている。最初にＳ上の任意の箇所において、前後の交点のペアで最も近い距離にあるものを１つ求める（Ｐ０，Ｑ０）。このペアの一方、例えばＰ０から前後の輪郭線を一定の方向、例えば右方向に交互に検出して、三角形でデータをつないで、三角形面素をつくっていく。この操作をすべての断面間について行えば、表面が三角形面素の集合の形でつくられる。
【００３４】
第２実施形態の説明に移る。
この第２実施形態の装置は、図１３に示すように、歯模型１の取付部６に代えて取付部４６を用いている。その他の構成は、第１実施形態と同一であるので、その詳しい説明を省略する。図１３は、取付部４６に上顎模型１ａが取り付けられた状態を示す側面図である。下顎模型１ｂも同様に、取付部４６の台座５７の上部に取り付けられるが、この図では省略されている。この装置の取付部４６は、模型取付台２８面に横断面形状がＵ字形のガイド溝を有するガイド部５１とストッパ５２とを備えている。一方、上顎模型１ａは、図１３（ａ）において、歯模型１を保持する保持部４９と、保持部４９の底面側に設けられた第１レール部４７と、側面側に設けられた第２レール部４８とを有している。２つのレール部４７，４８は、それぞれ対角が９０度に設定され、スライド方向がＸ軸方向にほぼ合致して同一面上に位置するように調整されている。図１３（ａ）のように、取付部４６のガイド部５１に上顎模型１ａの第１レール部４７を差し込んでストッパ５２に当て付け、ネジ５３を挿入して固定することにより、上顎模型１ａは、上顎模型１ａの前後ＸＸ方向をＸ軸方向にほぼ合致させる第１の取付位置に設定される。また、図１３（ｂ）のように、取付部４６のガイド部５１に歯模型１の第２レール部４８を差し込んでストッパ５２に当て付け、ネジ５３を挿入して固定することにより、上顎模型１ａは、その前後ＸＸ方向をＸ軸方向にほぼ合致させ、かつ、垂直方向に立てた第２の取付位置に設定される。
【００３５】
上顎模型１ａおよび下顎模型１ｂは、上記の両取付位置でそれぞれ、第１実施形態と同様に、Ｘ軸まわりに回動され、歯模型１の３次元形状を示すディジタルデータが生成される。この場合、図１３（ｂ）に示した第２の取付位置でＸ軸まわりに回動させることにより、前歯部における唇側の顎堤上のへこみ部分５５の計測が容易になる。
【００３６】
なお、この発明では、歯模型１の相異なる２方向のＸＸ方向およびＹＹ方向のそれぞれを、回動軸のＸ軸方向にほぼ合致させているが、Ｘ軸方向と多少ずれていてもよい。
【００３７】
また、この発明では、歯模型１の２つの姿勢を同一平面上で９０度回転させているが、９０度でなくともよい。
【００３９】
【効果】
この発明によれば、上顎模型および下顎模型は相異なる２つの姿勢で取り付けられ、それぞれ回動軸まわりの複数の回動位置に支持台により設定されるので、光の不可視領域をなくして、上顎模型および下顎模型の３次元形状を正確に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る歯模型の３次元計測装置を示す斜視図である。
【図２】上記装置の取付部を示す斜視図である。
【図３】上記装置の取付部を示す側面図である。
【図４】第１および第２の取付位置を示す図である。
【図５】歯模型の回動位置を示す図である。
【図６】計測手段の一例を示す構成図である。
【図７】歯模型およびスリット光を示す図である。
【図８】上記装置の計測動作を示すフローチャート図である。
【図９】上記装置の計測動作を示すフローチャート図である。
【図１０】合成された前歯部を示す側面図である。
【図１１】上記装置のデータ生成動作を示すフローチャート図である。
【図１２】ループデータを示す図である。
【図１３】第２実施形態を示す側面図である。
【符号の説明】
１…被計測物、２…計測手段、４…支持台、６…取付部、Ｘ軸…回動軸。

Claims

患者の３次元形状の上顎模型および下顎模型からなる歯模型を支持して一定の回動軸まわりの複数の回動位置に設定する支持台と、
上顎模型および下顎模型に光を前記回動軸と直交する方向に照射して、その形状を計測する計測手段とを備え、
前記支持台は、上顎模型および下顎模型を、上顎模型と下顎模型の咬合状態と、その咬合状態から一方の模型を取り外した状態と、他方の模型を取り外した状態とについて、それぞれ相異なる２つの姿勢で取り付ける取付部を有している歯模型の３次元計測装置。
請求項１において、
前記上顎模型および下顎模型は同一平面上で９０度回転した相異なる２つの姿勢で取り付けられる歯模型の３次元計測装置。