JP3898032B2

JP3898032B2 - 三次元形状測定装置および三次元形状測定方法

Info

Publication number: JP3898032B2
Application number: JP2001349135A
Authority: JP
Inventors: 正晃勝亦; 貴幸加藤
Original assignee: 株式会社アイ・エイチ・アイ・エアロスペース・エンジニアリング
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2021-11-14
Also published as: JP2003148929A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小物体の三次元形状を非接触で測定する三次元形状測定装置および三次元形状測定方法に係わり、とくに、歯科用補綴物を製作する際に用いる歯牙石膏模型などの不定形で表面反射率が一定でない小物体の三次元形状を測定するのに好適な三次元形状測定装置および三次元形状測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、歯科用補綴物を製作する際において、形状の基準として用いる印象歯型の三次元形状を非接触で測定する装置としては、被測定物である歯牙石膏模型にレーザ光を照射するレーザ投光系と歯牙石膏模型からの反射光を受光する受光素子を含むレーザ受光系とを組み合わせて、歯牙石膏模型表面上におけるレーザ光源からのレーザビーム照射点の三次元座標を測定するものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した三次元形状測定装置において、歯牙石膏模型表面に照射されたビームスポットからの第一次反射光が受光センサ視野内にある周辺部で更に反射し、第一次反射光と周辺部での第二次反射光とが重畳して受光センサに入ることによって、多重反射誤差が生じてしまという問題があった。
【０００４】
つまり、図３に示すように、レーザ光Ｌが被測定物である歯牙石膏模型Ａの平坦部Ａ１に当たっている場合には、受光視野内に第二次反射を生じさせるような反射物がないので、強い第一次反射光Ｒ１のみが受光センサ５３に入って多重反射誤差が発生することはないが、レーザ光Ｌが歯牙石膏模型Ａの立壁部Ａ２に当たっている場合には、弱い第一次反射光Ｒ２が受光センサ５３に入ると同時に、図示下方に向かって反射する第一次反射光Ｒ２の一部が近くの平坦部Ａ３に当たって第二次反射光Ｒ２’が生じてしまい、この第二次反射光Ｒ２’が受光センサ５３に入ることで多重反射誤差が発生し、レーザ光Ｌと受光センサ５３へ到達する上記第二次反射光Ｒ２’との交点Ｐに、歯牙石膏模型Ａの反射面が存在するかの如く誤差座標を与えてしまうという問題があった。
【０００５】
詳述すれば、図４に示すように、レーザ光Ｌが歯牙石膏模型Ａの立壁部Ａ２に当たっている場合には、受光センサ５３に向けて直接反射する第一次反射光Ｒ２の光強度は弱く、第一次反射光Ｒ２のうちの近くの平坦部Ａ３に当たって生じる第二次反射光Ｒ２’の光強度が相対的に強くなり、一方、レーザ光Ｌが平坦部Ａ３に当たっている場合には、受光センサ５３に向けて反射する第一次反射光Ｒ３の光強度は強く、第一次反射光Ｒ３のうち立壁部Ａ２に当たって受光センサ５３に向けて反射する誤差分の第二次反射光Ｒ３’は、レーザ光Ｌが歯牙石膏模型Ａの立壁部Ａ２に当たっている場合と比べて小さくなって、この誤差分の第二次反射光Ｒ３’は第一次反射光Ｒ３に対して大幅に小さくなる。
【０００６】
したがって、この誤差が含まれた場合の測定座標は、図４に仮想線で示すようになってしまい、すなわち、歯牙石膏模型Ａの最も測定精度を要する補綴物嵌め合い部（マージンライン）近傍において測定精度が悪化してしまい、本測定座標データに基づいて製作された補綴物は形状精度が悪く、補綴物を取り付ける台歯と適合しないものとなってしまうという問題があった。
【０００７】
また、歯牙石膏模型Ａの形状と受光センサ５３の配置に起因するレーザ光Ｌの第一次反射光の強度が弱い条件下では、受光センサ５３からの信号のＳＮ比が悪化してノイズが増加するのに伴って、形状測定精度の低下を招いてしまうという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、不定形な被測定物の三次元形状を非接触にて測定する際に生じる第二次反射などの影響を取り除いて高精度な測定を行うことが可能であり、歯牙石膏模型のマージンライン近傍の形状測定においても、適合性の高い補綴物製作に必要な測定精度を得ることができる三次元形状測定装置および三次元形状測定方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る三次元形状測定装置は、平坦部（起伏の激しくない凹凸面を含むほか緩やかな斜面や湾曲面を含む）および立壁部（湾曲面を含む）を有する被測定物にレーザ光を照射するレーザ光源と、被測定物により反射される反射光を受光する複数の受光素子と、これらの受光素子の各出力信号により得られる位置情報に基づいて被測定物の三次元形状を演算する三次元形状演算手段を備え、受光素子をレーザ光源の両側に配置し、レーザ光源の一方側に位置して被測定物の平坦部からの第一次反射光を多く受ける受光素子を主受光素子となすと共にレーザ光源の他方側に位置して被測定物の立壁部からの第一次反射光を多く受ける受光素子を副受光素子となし、主受光素子および副受光素子からの各出力信号強度がノイズレベルであるか否かを判定する所定値を越えた段階で出力が大きい方の受光素子のデータを選択して三次元形状演算手段に送る選択手段を設けた構成としたことを特徴としており、この三次元形状測定装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
本発明の請求項２に係る三次元形状測定装置は、レーザ光源および複数の受光素子が同一平面内に位置している構成としている。
【００１１】
一方、本発明の請求項３に係る三次元形状測定方法は、レーザ光源から平坦部および立壁部を有する被測定物にレーザ光を照射し、被測定物により反射される反射光を複数の受光素子で受光して被測定物の三次元形状を測定するに際して、受光素子をレーザ光源の両側に配置し、レーザ光源の一方側に位置して被測定物の平坦部からの第一次反射光を多く受ける主受光素子およびレーザ光源の他方側に位置して被測定物の立壁部からの第一次反射光を多く受ける副受光素子からの各出力信号強度がノイズレベルであるか否かを判定する所定値を越えた段階において、出力が大きい方の受光素子のデータを選択する構成としたことを特徴としており、この三次元形状測定方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１２】
【発明の作用】
請求項１および３に記載した発明では、主受光素子および副受光素子からの各出力信号強度がノイズを排除するための所定値を越えた段階において、すなわち、ノイズレベルであるか否かを判定する所定値を越えた段階において出力が大きい方の受光素子のデータが自動的に選択されるので、すなわち、第二次反射光の入り難い部位に位置する受光素子、あるいは、第二次反射光が入ったとしても第一次反射光の相対的な光強度がより大きい部位に位置する受光素子からの出力信号が自動的に選択処理されるので、例えば、歯牙石膏模型の最も測定精度を要するマージンライン近傍の形状測定において、第二次反射による誤差の少ない適合性の高い測定精度が得られることとなり、加えて、第一次反射光の相対的強度のより大きい位置の受光素子が選択されるため、第一次反射光の強度が弱い条件において、ＳＮ比の悪化に伴うノイズ増加による形状測定精度低下の対策としても有効なものとなる。
【００１３】
また、請求項２に係る三次元形状測定装置では、上記した構成としているので、測定精度がより一層向上することとなる。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１および３に記載した発明によれば、第二次反射による影響を取り除いた高精度な三次元形状の測定を行うことができ、例えば、歯牙石膏模型のマージンライン近傍の形状測定において、適合性の高い補綴物製作に必要な測定精度を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１５】
請求項３に係る三次元形状測定装置によれば、上記した構成としたから、より一層精度の高い三次元形状の測定を行うことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１および図２は、本発明に係る三次元形状測定装置の一実施例を示しており、この実施例では、本発明に係る三次元形状測定装置が、歯科治療に用いる歯科補綴物を製作・製造するための歯牙石膏模型および対合歯転写型の三次元形状測定装置である場合を示す。
【００１８】
図１に示すように、この三次元形状測定装置１は、平坦部Ｂ１，Ｂ３および立壁部Ｂ２を有する被測定物である歯牙石膏模型Ｂにレーザ光Ｌａを照射するレーザ投光器（レーザ光源）２と、歯牙石膏模型Ｂの表面からの反射光Ｌａ１を受光系光学レンズ４ａを介して受光して受光位置情報を出力する２個の受光センサ（受光素子）３と、これらの受光センサ３の各出力信号により得られる位置情報に基づいて歯牙石膏模型Ｂの三次元形状を演算する三次元形状演算手段６を備えており、レーザ投光器２および２個の受光センサ３は同一の平面内に位置させてある。
【００１９】
この場合、２個の受光センサ３は、レーザ投光器２を間にして上下に並べて配置（レーザ投光器２を境にして互いに異なる象限に配置）してあって、レーザ投光器２の上側に位置して歯牙石膏模型Ｂの平坦部Ｂ１からの第一次反射光を多く受ける受光センサ３を主受光センサ３Ｕとしている共にレーザ投光器２の下側に位置して歯牙石膏模型Ｂの立壁部Ｂ２からの第一次反射光を多く受ける受光センサ３を副受光センサ３Ｄとしている。
【００２０】
そして、受光センサ３Ｕ，３Ｄと三次元形状演算手段６との間には、主受光センサ３Ｕおよび副受光センサ３Ｄからの各出力信号強度がノイズレベルであるか否かを判定する所定値を越えた段階において、出力が大きい方の受光センサ３Ｕ（あるいは３Ｄ）のデータを選択して三次元形状演算手段６に送る選択手段５が設けてある。
【００２１】
この三次元形状測定装置１において、レーザ光Ｌａが歯牙石膏模型Ｂの平坦部Ｂ１に当たっている場合には、強い第一次反射光Ｒａ１が主受光センサ３Ｕに入ると共に、弱い第一次反射光Ｒａ１’が副受光センサ３Ｄに入る。
【００２２】
このとき、選択手段５では、図２に示すように、両受光センサ３Ｕ，３Ｄで得た各座標値（ステップＳ１）に対して、どちらの座標値を採用するかの判定がステップＳ２およびステップＳ３においてなされる。
【００２３】
すなわち、ステップＳ２では、副受光センサ３Ｄの出力電圧（出力信号強度）が所定値Ｘ（Ｖ）以上であるか否かの判定がなされ、これに続くステップＳ３では、主受光センサ３Ｕの出力電圧が所定値Ｙ（Ｖ）以下でかつ副受光センサ３Ｄの出力電圧が所定値Ｚ（Ｖ）以上であるか否かの判定がなされるようになっており、上記のように、レーザ光Ｌａが歯牙石膏模型Ｂの平坦部Ｂ１に当たっている場合には、副受光センサ３Ｄの出力電圧が弱いので、ステップＳ４に進んで主受光センサ３Ｕの座標値が採用され、三次元形状演算手段６において、この主受光センサ３Ｕからのデータに基づいた演算がなされることとなる。
【００２４】
一方、レーザ光Ｌａが歯牙石膏模型Ｂの立壁部Ｂ２に当たっている場合には、強い第一次反射光Ｒａ２が副受光センサ３Ｄに入ると共に、弱い第一次反射光Ｒａ２’が主受光センサ３Ｕに入り、この際、強い第一次反射光Ｒａ２の一部が近くの平坦部Ｂ３に当たって生じる第二次反射光Ｒｂ２も主受光センサ３Ｕに入る。
【００２５】
このとき、選択手段５では、ステップＳ２において、副受光センサ３Ｄの出力電圧が所定値Ｘ（Ｖ）以上であるか否かの判定がなされ、上記のように、副受光センサ３Ｄに入る第一次反射光Ｒａ２がとくに強い場合には、ステップＳ５に進んで副受光センサ３Ｄの座標値が採用されて、三次元形状演算手段６において、この副受光センサ３Ｄからのデータに基づいた演算がなされ、また、ステップＳ２において、副受光センサ３Ｄの出力電圧が著しく大きくなく所定値Ｘ（Ｖ）に達していない場合には、ステップＳ３において、主受光センサ３Ｕの出力電圧が所定値Ｙ（Ｖ）以下でかつ副受光センサ３Ｄの出力電圧が所定値Ｚ（Ｖ）以上であるか否かの判定がなされ、この条件が満たされている場合には、ステップＳ５に進んで副受光センサ３Ｄの座標値が採用されて、この副受光センサ３Ｄからのデータに基づいた演算がなされることとなる。
【００２６】
上記したように、この三次元形状測定装置１では、レーザ光Ｌａが歯牙石膏模型Ｂの平坦部Ｂ１に当たっている場合、および、レーザ光Ｌａが歯牙石膏模型Ｂの立壁部Ｂ２に当たっている場合のいずれの場合においても、選択手段５によって出力が大きい方の受光センサ３Ｕ（あるいは３Ｄ）のデータが自動的に選択されるので、すなわち、第二次反射光の入り難い部位に位置する受光センサ３、あるいは、第二次反射光が入ったとしても第一次反射光の相対的な光強度がより大きい部位に位置する受光センサ３からの出力信号が自動的に選択処理されるので、歯牙石膏模型Ｂの最も測定精度を要するマージンライン（立壁部Ｂ２と平坦部Ｂ３との間の部分）近傍の形状測定において、第二次反射による誤差の少ない適合性の高い測定精度が得られることとなり、この際、レーザ投光器２および２個の受光センサ３を同一の平面内に位置させているので、測定精度がより一層向上することとなる。
【００２７】
また、この三次元形状測定装置１では、選択手段５によって第一次反射光の相対的強度のより大きい位置の受光センサ３が選択されるため、第一次反射光の強度が弱い条件において、ＳＮ比の悪化に伴う座標ノイズの増加を阻止し得ることとなり、したがって、これによっても、形状測定精度の向上が図られることとなる。
【００２８】
上記した実施例では、本発明に係る三次元形状測定装置が、歯科治療に用いる歯科補綴物を製作・製造するための歯牙石膏模型および対合歯転写型の三次元形状測定装置である場合を示したが、これに限定されるものではない。
【００２９】
また、本発明に係る三次元形状測定装置の詳細な構成は上記した実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる三次元形状測定装置の一実施例を簡略的に示す被測定物にレーザ光を照射した状態の動作説明図である。
【図２】図１の三次元形状測定装置により被測定物の三次元形状を測定する際の受光センサの選択フローチャートである。
【図３】従来の三次元形状測定装置により被測定物の三次元形状を測定する際に生じる第二次反射の発生状態を示す説明図である。
【図４】従来の三次元形状測定装置により被測定物の三次元形状を測定した際に生じる誤差を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１三次元形状測定装置
２レーザ投光器（レーザ光源）
３Ｄ（３）副受光センサ（受光素子）
３Ｕ（３）主受光センサ（受光素子）
５選択手段
６三次元形状演算手段
Ｂ歯牙石膏模型（被測定物）
Ｂ１，Ｂ３平坦部
Ｂ２立壁部
Ｌａレーザ光
Ｒａ１，Ｒａ１’，Ｒａ２，Ｒａ２’ 第一次反射光
Ｒｂ２第二次反射光

Claims

平坦部および立壁部を有する被測定物にレーザ光を照射するレーザ光源と、被測定物により反射される反射光を受光する複数の受光素子と、これらの受光素子の各出力信号により得られる位置情報に基づいて被測定物の三次元形状を演算する三次元形状演算手段を備え、受光素子をレーザ光源の両側に配置し、レーザ光源の一方側に位置して被測定物の平坦部からの第一次反射光を多く受ける受光素子を主受光素子となすと共にレーザ光源の他方側に位置して被測定物の立壁部からの第一次反射光を多く受ける受光素子を副受光素子となし、主受光素子および副受光素子からの各出力信号強度がノイズレベルであるか否かを判定する所定値を越えた段階で出力が大きい方の受光素子のデータを選択して三次元形状演算手段に送る選択手段を設けたことを特徴とする三次元形状測定装置。
レーザ光源および複数の受光素子が同一平面内に位置している請求項１記載の三次元形状測定装置。
レーザ光源から平坦部および立壁部を有する被測定物にレーザ光を照射し、被測定物により反射される反射光を複数の受光素子で受光して被測定物の三次元形状を測定するに際して、受光素子をレーザ光源の両側に配置し、レーザ光源の一方側に位置して被測定物の平坦部からの第一次反射光を多く受ける主受光素子およびレーザ光源の他方側に位置して被測定物の立壁部からの第一次反射光を多く受ける副受光素子からの各出力信号強度がノイズレベルであるか否かを判定する所定値を越えた段階において、出力が大きい方の受光素子のデータを選択することを特徴とする三次元形状測定方法。