JP3948727B2 - 三次元形状測定装置および方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯牙模型等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方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歯科治療において歯に欠損が生じた場合、欠損部を所定の形状に成形して支台歯とし、その上に金属やセラミックスで製作した補綴物を被せて固定する治療が一般に行われている。
【０００３】
このような歯科用補綴物を製作するために、成形した支台歯やその隣接歯、あるいはこれらと噛み合う対向歯の印象型から歯牙模型を製作し、その三次元形状を正確に測定する必要がある。このため、レーザ光を用いた非接触式の三次元形状測定手段が開示されている。
【０００４】
図６は、かかる非接触式の三次元形状測定手段の原理図である。この図において、Ｍは歯牙模型、５１はレーザ光５１ａを照射するレーザ光源、５２は集光レンズ、５３は光位置検出素子（ＰＳＤ）であり、歯牙模型Ｍの測定点Ｐに向けてレーザ光５１ａを照射し、歯牙模型Ｍからの反射光５１ｂをＰＳＤ５３上に集光してその位置ｙを検出する。
この構成により、ＰＳＤ５３の受光位置ｙとレーザ光５１ａの照射角度θから幾何学的に反射光の入射角度αが定まり、これらから測定点Ｐとセンサ基準点Ｐｓの距離Ｌを繰返し算出することにより、歯牙模型Ｍの三次元形状を特定することができる。
しかし、単一の光位置検出素子のみを備えた図６の三次元形状測定手段の場合には、被測定物（歯牙模型Ｍ）の形状によっては、１次反射光が入射しないため測定を行うことができない場合がある。
【０００５】
これに対して、特許文献１の「三次元形状測定方法および装置」は、図７に示すように、レンズと光位置検出素子との組み合わせを少なくとも２以上備えたものであり、一部の光位置検出素子（例えば５３ｃ、５３ｄ）に反射光が入射しなくても、残りの光位置検出素子（例えば５３ａ、５３ｂ）に反射光が入射するため、被測定物の形状に拘わらず測定を行うことができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−４２９４１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図８は、支台歯の歯牙模型Ｍをレーザ光源を挟んで上下に設けられた２つの光位置検出素子５４ａ、５４ｂで計測する場合を示している。このような支台歯の歯牙模型Ｍ（図で右半分のみを示す）では補綴物との合わせ面となるマージンラインＡが特に重要であり、マージンライン近傍を高精度に計測する必要がある。以下、歯牙模型Ｍの比較的平坦な頂面を頂部平坦部Ｍ１、頂部平坦部を囲むテーパ面を立壁面Ｍ２、マージンライン内側の比較的平坦な上面を肩部平坦部Ｍ３、マージンライン外側の急斜面を下部立壁面Ｍ４と呼ぶ。
【０００８】
上述した特許文献１の手段では、多重反射の影響で計測誤差が大きい問題点があった。
【０００９】
すなわち、図８（Ａ）において、立壁面Ｍ２に斜めに入射したレーザ光５５が、立壁面Ｍ２で一次反射し、さらに肩部平坦部Ｍ３で二次反射する場合、上側の光位置検出素子５４ａは、一次反射光５６ａと二次反射光５７ａの両方を検出する。この場合、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と上側の光位置検出素子５４ａの位置関係から、一次反射光５６ａは比較的弱く、二次反射光５７ａは比較的強くなり、二次反射光５７ａの影響で図に破線Ｂで示すように、測定点Ｐが実際より外側にあるように測定する誤差が生じる。
なお、この場合でも、下側の光位置検出素子５４ｂは、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と下側の光位置検出素子５４ｂの位置関係から、一次反射光５６ｂが非常に強く、二次反射光５７ｂは非常に弱いことから、二次反射光５７ｂの影響はほとんどなく、測定点Ｐをほとんど誤差なく正確に検出できる。
【００１０】
また、図８（Ｂ）において、肩部平坦部Ｍ３に斜めに入射したレーザ光５５が、肩部平坦部Ｍ３で一次反射し、さらに立壁面Ｍ２で二次反射する場合、下側の光位置検出素子５４ｂは、一次反射光５６ｂと二次反射光５７ｂの両方を検出する。この場合、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と下側の光位置検出素子５４ｂの位置関係から、一次反射光５６ｂは比較的弱く、二次反射光５７ｂは比較的強くなり、二次反射光５７ｂの影響で図に破線Ｂで示すように、測定点Ｐが実際より上側にあるように測定する誤差が生じる。
なお、この場合でも、上側の光位置検出素子５４ａは、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と上側の光位置検出素子５４ａの位置関係から、一次反射光５６ａが非常に強く、二次反射光５７ａは非常に弱いことから、二次反射光５７ａの影響はほとんどなく、測定点Ｐをほとんど誤差なく正確に検出できる。
【００１１】
上述した特許文献１の手段では、図７（Ａ）（Ｂ）に示したような多重反射を受ける場合に、２つ以上の光位置検出素子を用いても、受光信号の強さ（大小）だけで上側の光位置検出素子５４ａと下側の光位置検出素子５４ｂのうちから誤差の少ない最適な光位置検出素子を選択できるとは限らず、誤差の多い方を選択してしまう場合もあり、誤差を含む素子の影響で、高精度が要求されるマージンライン近傍の測定精度が低下してしまうという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、不定型な被測定物の三次元形状を非接触で計測でき、多重反射が生じやすいマージンライン近傍においても多重反射の影響を除去して高い測定精度を維持できる三次元形状測定装置および方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、平坦部（Ｍ３）と立壁部（Ｍ２）が交差する多重反射領域を有する被測定物（Ｍ）の表面形状を非接触で測定する三次元形状測定装置であって、
被測定物（Ｍ）の内部を原点とし原点を通る垂直軸を中心に被測定物を回転させ前記多重反射領域を所定の座標領域に位置決めする保持回転装置（１２）と、前記平坦部に対向し平坦部からの反射光を強く受ける第１の光位置検出素子（１４）と、前記立壁部に対向し立壁部からの反射光を強く受ける第２の光位置検出素子（１６）と、前記第１と第２の光位置検出素子の間に位置し被測定物に向けてレーザ光（１）を走査するレーザ装置（１８）と、レーザ光の走査方向と該レーザ光の反射光の前記第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）をそれぞれ演算する演算装置（２０）と、前記所定の座標領域における前記２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）のうち原点に近いものを選択する選択手段（２２）と、を備えたことを特徴とする三次元形状測定装置が提供される。
【００１４】
また本発明によれば、平坦部（Ｍ３）と立壁部（Ｍ２）が交差する多重反射領域を有する被測定物（Ｍ）の表面形状を非接触で測定する三次元形状測定方法であって、
被測定物（Ｍ）の内部を原点とし原点を通る垂直軸を中心に被測定物を回転させる保持回転装置（１２）と、前記平坦部に対向し平坦部からの反射光を強く受ける第１の光位置検出素子（１４）と、前記立壁部に対向し立壁部からの反射光を強く受ける第２の光位置検出素子（１６）と、前記第１と第２の光位置検出素子の間に位置するレーザ装置（１８）と、レーザ光の走査方向と該レーザ光の反射光の光位置検出素子による受光位置から被測定物のレーザ光照射位置をそれぞれ演算する演算装置（２０）と、前記２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）のうちいずれかを選択する選択手段（２２）と、を備え、
保持回転装置（１２）により、被測定物の前記多重反射領域を所定の座標領域に位置決めし、レーザ装置（１８）により、被測定物に向けてレーザ光（１）を照射し、演算装置（２０）により、前記第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）をそれぞれ演算し、前記選択手段（２２）により、前記所定の座標領域における前記２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）のうち原点に近いものを選択する、ことを特徴とする三次元形状測定方法が提供される。
【００１５】
上記本発明の装置及び方法によれば、平坦部Ｍ２に対向し平坦部からの反射光を強く受ける第１の光位置検出素子（１４）と、立壁部Ｍ２に対向し立壁部からの反射光を強く受ける第２の光位置検出素子（１６）と、それらの光位置検出素子の間に位置するレーザ装置（１８）とを備え、保持回転装置（１２）により、被測定物の多重反射領域を所定の座標領域に位置決めし、レーザ装置（１８）により、被測定物に向けてレーザ光（１）を照射するので、演算装置（２０）により、前記第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）をそれぞれ演算することができる。
また、多重反射領域において２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）が多重反射の影響で異なる場合には、誤差を強く受ける方が原点から離れることから、選択手段（２２）により、原点に近いものを選択することにより多重反射が生じやすいマージンライン近傍においても多重反射の影響を除去して高い測定精度を維持できる。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記選択手段（２２）により、前記所定の座標領域外において、前記第１と第２の光位置検出素子の各信号出力が所定値を超え、かつその信号出力が大きい方に基づくレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）を選択する。
【００１７】
この構成により、被測定物のレーザ光が照射される位置からの反射光を強く受ける方の光位置検出素子を容易に選択できる。また、この光位置検出素子は、相対的に信号出力が大きいことから反射光の強度が低い条件においても、ノイズの影響が少なくＳＮ比を高く維持し、測定精度を高く維持できる。
【００１８】
前記第１と第２の光位置検出素子（１４、１６）とレーザ光（１）は、被測定物（Ｍ）を通る同一平面内に位置する、ことが好ましい。
この構成により、二次元の計測で三次元形状測定を行うことができ、演算時間を短縮し高速処理を可能にできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明で使用する光位置検出素子の原理図である。この光位置検出素子は、Ｐ層、Ｓｉ基板、Ｎ層が順に積層された半導体位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＳＤ）である。この図において、ＰＮ間に電圧を印加した状態で、Ｐ層の一部にスポット光を受けると、その位置でＰＮ間が導通し、スポット光の強度に比例する電流（Ｉ１＋Ｉ２）が流れる。Ｐ層の両端に出力端子ａ、ｂを設け、同一の抵抗をそれぞれ付加すると、出力端子ａ、ｂにはそれぞれ電流Ｉ１，Ｉ２が流れ、これを電圧Ｖａ、Ｖｂとして検出することができる。
この場合、スポット光の位置は、式（１）（２）で求めることができる。
Ｘ１＝Ｌ×Ｉ２／（Ｉ１＋Ｉ２）・・・（１）
Ｘ２＝Ｌ×Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）・・・（２）
【００２１】
図１において、スポット光を２箇所以上で受けると、それぞれの箇所で各スポット光の強度に比例する電流が流れる。この場合、式（１）（２）をそのまま適用すると、一次反射光が最も強いスポット光であっても、それより弱い二次反射光の影響を受け、検出位置は二次反射光側にずれた位置となる。これが、本発明が問題とする多重反射による誤差である。
【００２２】
図２は、本発明の三次元形状測定装置の全体構成図である。この三次元形状測定装置１０は、平坦部Ｍ３と立壁部Ｍ２が交差する多重反射領域を有する被測定物Ｍの表面形状を非接触で測定する三次元形状測定装置である。なお、この図でＭ１は比較的平坦な頂面である頂部平坦部、Ｍ２は頂部平坦部を囲むテーパ面を立壁面、Ｍ３はマージンライン内側の比較的平坦な肩部平坦部、Ｍ４はマージンライン外側の急斜面である下部立壁面である。
【００２３】
上述したように、平坦部Ｍ３と立壁部Ｍ２が交差する部分で多重反射（この場合、二重反射）が生じやすく、この領域を本発明において「多重反射領域」と呼ぶ。多重反射領域は、マージンラインのＭ３全体とＭ２の下端部分に設定するのがよい。
【００２４】
なお、この図において被測定物Ｍとして支台歯の歯牙模型を想定しているが、本発明はこれに限定されず、平坦部と立壁部が交差する多重反射領域を有する被測定物、例えば、支台歯以外の歯牙模型にも同様に適用することができる。
【００２５】
図２において、本発明の三次元形状測定装置１０は、保持回転装置１２、第１の光位置検出素子１４、第２の光位置検出素子１６、レーザ装置１８、演算装置２０、及び選択手段２２を備える。
【００２６】
保持回転装置１２は、被測定物Ｍの内部を原点Ｏとし、原点Ｏを通る垂直軸ｙを中心に被測定物Ｍを回転させるようになっている。被測定物Ｍを垂直軸ｙを中心に１回転させることにより、被測定物Ｍの外面全周を計測することができる。また、この保持回転装置１２により、上述した多重反射領域を所定の座標領域（例えば、ｙ座標値が−２ｍｍから＋２ｍｍ）に位置決めする。
【００２７】
第１光位置検出素子１４と第２光位置検出素子１６は、上述した半導体位置検出素子（ＰＳＤ）である。その出力特性は同一であるのが好ましい。しかし、例えば第１光位置検出素子１４を主体とし、第２光位置検出素子１６を補助にして、出力特性の異なるＰＳＤを用いてもよい。
【００２８】
第１光位置検出素子１４は、被測定物Ｍの平坦部Ｍ３に対向して位置し、平坦部Ｍ３からの反射光を強く受けるようになっている。この例において、第１光位置検出素子１４の測定面１４ａは、平坦部Ｍ３に対して±３０°以内に設定されている。この場合、立壁部Ｍ２からの反射光は、斜めに受けるため逆に弱くなる。
なお、図中の１３ａ、１３ｂは反射光を測定面１４ａ、１６ａに集光する集光レンズである。
【００２９】
第２光位置検出素子１６は、被測定物Ｍの立壁部Ｍ２に対向して位置し、立壁部Ｍ２からの反射光を強く受けるようになっている。この例において、第２光位置検出素子１６の測定面１６ａは、立壁部Ｍ２に対して±３０°以内に設定されている。この場合、平坦部Ｍ３からの反射光は、斜めに受けるため逆に弱くなる。
【００３０】
レーザ装置１８は、レーザ発信器１８ａと走査ミラー１８ｂとからなり、第１と第２の光位置検出素子１４、１６の間に位置する。レーザ発信器１８ａは好ましくは単一波長のレーザ光１を走査ミラー１８ｂに向けて照射する。走査ミラー１８ｂは図示しない駆動装置により揺動し、レーザ光１を反射して被測定物Ｍに向けてレーザ光１を走査するようになっている。
【００３１】
また、この例において、第１と第２の光位置検出素子１４、１６とレーザ装置１８によるレーザ光１は、被測定物Ｍを通る同一平面内（この例でｘ-ｙ座標の第１象限内）に位置する。この構成により、ｘ-ｙ座標の二次元計測と被測定物Ｍのｙ軸まわりの回転により、被測定物Ｍの外表面の三次元形状測定が可能になる。
【００３２】
演算装置２０は、レーザ光１の走査方向と、レーザ光１の反射光２の第１と第２の光位置検出素子１４、１６による受光位置から被測定物Ｍの２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ演算する。この原理は、図６に示したものと実質的に同一である。
【００３３】
選択手段２２は、上述した所定の座標領域における演算で得た２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２のうちいずれかを選択する機能を有する。
なお、演算装置２０と選択手段２２として、同一又は異なるコンピュータ（例えばパーソナルコンピュータ）を用いることができる。
【００３４】
図３は、本発明による測定状態の模式図である。この図において、（Ａ）は図８（Ａ）と同一であり、立壁面Ｍ２に斜めに入射したレーザ光１が、立壁面Ｍ２で一次反射２ａし、さらに肩部平坦部Ｍ３で二次反射３ａするため、第１光位置検出素子１４は、一次反射光２ａと二次反射光３ａの両方を検出する。この場合、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と第１光位置検出素子１４の位置関係から、一次反射光２ａは比較的弱く、二次反射光３ａは比較的強くなり、二次反射光３ａの影響で測定点Ｐが実際より外側Ｐ１にあるように測定する誤差が生じる。
なお、この場合、第２光位置検出素子１６は、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と第２光位置検出素子１６の位置関係から、一次反射光２ｂが非常に強く、二次反射光３ｂは非常に弱いことから、二次反射光３ｂの影響はほとんどなく、測定点Ｐをほとんど誤差なく正確に位置Ｐ２を検出できる。
【００３５】
また、図８（Ｂ）に示したように、肩部平坦部Ｍ３に斜めに入射したレーザ光５５が、肩部平坦部Ｍ３で一次反射し、さらに立壁面Ｍ２で二次反射する場合には、逆に下側の光位置検出素子５４ｂには、一次反射光５６ｂは比較的弱く、二次反射光５７ｂは比較的強くなり、二次反射光５７ｂの影響で図に破線Ｂで示したように、測定点Ｐが実際より上側にあるように測定する誤差が生じる。
この場合でも、上側の光位置検出素子５４ａは、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と上側の光位置検出素子５４ａの位置関係から、一次反射光５６ａが非常に強く、二次反射光５７ａは非常に弱いことから、二次反射光５７ａの影響はほとんどなく、測定点Ｐをほとんど誤差なく正確に検出できる。
【００３６】
従って、図８及び図３（Ａ）に示した多重反射領域の計測では、第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ演算し、所定の座標領域における演算した２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２のうち原点に近いものを選択することにより、多重反射が生じやすいマージンライン近傍においても多重反射の影響を除去して高い測定精度を維持できることがわかる。
【００３７】
図３（Ｂ）は、頂部平坦部Ｍ１にレーザ光１が照射されている状態を示している。この場合、頂部平坦部Ｍ１で反射した一次反射光２ａが第１光位置検出素子１４に入射するが、第２光位置検出素子１６は、反射光をほとんど受けない。
また、図３（Ｃ）は、下部立壁面Ｍ４にレーザ光１が照射されている状態を示している。この場合、下部立壁面Ｍ４で反射した一次反射光２ｂが第２光位置検出素子１６に入射するが、第１光位置検出素子１４は、反射光をほとんど受けない。
従って、図３（Ｂ）（Ｃ）のように、多重反射領域以外の座標領域外においては、第１と第２の光位置検出素子の各信号出力が所定値を超え、かつその信号出力が大きい方に基づきレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２を選択することにより、高い測定精度を維持できることがわかる。
【００３８】
次に、上述した知見に基づく本発明の測定方法を説明する。図４は、本発明の三次元形状測定方法の全体フロー図である。
【００３９】
この図に示すように本発明の三次元形状測定方法は、位置決めステップＳ１、レーザ照射ステップＳ２、照射位置演算ステップＳ３、選択ステップＳ４及び出力ステップＳ５からなる。
【００４０】
位置決めステップＳ１では、保持回転装置１２により、被測定物Ｍの多重反射領域を所定の座標領域（例えば、ｙ座標値が−２ｍｍから＋２ｍｍ）に位置決めする。
レーザ照射ステップＳ２では、レーザ装置１８により、被測定物Ｍに向けてレーザ光１を照射する。
照射位置演算ステップＳ３では、演算装置２０により、第１と第２の光位置検出素子１４、１６による受光位置から被測定物Ｍの２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ演算する。
【００４１】
選択ステップＳ４では、選択手段２２により、所定の座標領域における２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２のうち原点に近いものを選択し、所定の座標領域外において、第１と第２の光位置検出素子の各信号出力が所定値を超え、かつその信号出力が大きい方に基づくレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２を選択する。
【００４２】
なお、図４において、被測定物Ｍを垂直軸ｙを中心に１回転させながら、ステップＳ１〜Ｓ４を繰返し、かつレーザ光１を走査することにより、被測定物Ｍの外面全周を計測することができる。
出力ステップＳ５では、得られた被測定物Ｍの外表面の三次元形状データを表示装置に画像表示し、或いは記憶装置に記憶する。
【００４３】
図５は、図４の照射位置演算ステップと選択ステップのフロー図である。この図を参照して、上述した照射位置演算ステップＳ３と選択ステップＳ４を更に詳しく説明する。
【００４４】
照射位置演算ステップＳ３と選択ステップＳ４は、この図において、ステップＳ１１〜Ｓ２０からなる。
【００４５】
第１光位置検出素子１４の出力信号からステップＳ１１において第１光位置検出素子１４の受光位置ａ１とその信号出力Ｖ１を演算し、ステップＳ１２において信号出力Ｖ１が安定電圧以上かをチェックし、安定電圧未満（ＮＯ）の場合にはステップＳ１３において第２光位置検出素子１６の受光位置ａ２からその照射位置Ｐ２のみを演算し、これを選択する。すなわちこの場合、第１光位置検出素子１４の出力信号は出力電圧が低く、ノイズ信号の影響が大きいことから無視する。
【００４６】
同様に、第２光位置検出素子１６の出力信号からステップＳ１４において第２光位置検出素子１６の受光位置ａ２とその信号出力Ｖ２を演算し、ステップＳ１５において信号出力Ｖ２が安定電圧以上かをチェックし、安定電圧未満（ＮＯ）の場合にはステップＳ１６において第１光位置検出素子１４の受光位置ａ１からその照射位置Ｐ１のみを演算し、これを選択する。すなわちこの場合、第２光位置検出素子１６の出力信号は出力電圧が低く、ノイズ信号の影響が大きいことから無視する。
【００４７】
なお、この図には示されていないが、第１光位置検出素子１４と第２光位置検出素子１６の両方の信号出力Ｖ１、Ｖ２が安定電圧未満（ＮＯ）の場合には、ステップＳ１３、Ｓ１４の両方を省略し、図４のステップＳ２に戻る。
【００４８】
第１光位置検出素子１４と第２光位置検出素子１６の両方の信号出力Ｖ１、Ｖ２が安定電圧以上（ＹＥＳ）の場合には、ステップＳ１７で第１と第２の光位置検出素子１４、１６による受光位置から被測定物Ｍの２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ演算する。この２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２は、本来同一位置であるが、上述したように二次反射光の影響で誤差を強く受ける方が原点から離れる演算結果となる。
【００４９】
ステップＳ１８では、演算した２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２のいずれか一方（例えばＰ２）を基に、この位置が所定の座標領域（例えば、ｙ座標値が−２ｍｍから＋２ｍｍ）に位置するかどうかを判別する。
所定の座標領域内にある（ＹＥＳ）場合には、ステップ１９において、２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）のうち原点に近いものを選択する。また、所定の座標領域外にある（ＮＯ）場合、第１と第２の光位置検出素子の各信号出力が所定値を超え、かつその信号出力が大きい方に基づくレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２を選択する。
【００５０】
上述した本発明の装置及び方法によれば、平坦部Ｍ２に対向し平坦部からの反射光を強く受ける第１の光位置検出素子１４と、立壁部Ｍ２に対向し立壁部からの反射光を強く受ける第２の光位置検出素子１６と、それらの光位置検出素子の間に位置するレーザ装置１８とを備え、保持回転装置１２により、被測定物の多重反射領域を所定の座標領域に位置決めし、レーザ装置１８により、被測定物に向けてレーザ光１を照射するので、演算装置２０により、前記第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ演算することができる。
また、多重反射領域において２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２が多重反射の影響で異なる場合には、誤差を強く受ける方が原点から離れることから、選択手段２２により、原点に近いものを選択することにより多重反射が生じやすいマージンライン近傍においても多重反射の影響を除去して高い測定精度を維持できる。
【００５１】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００５２】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、例えば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模型の三次元形状計測装置に関するものであり、レーザ計測時の測定誤差要因である多重反射の影響を受けずに、歯牙模型の高精度計測要求部を確実かつ正確に計測することを可能にする。
すなわち、本発明では歯科補綴物を製作・製造するための歯牙模型との合わせ面（高精度計測要求部）を計測装置のある一定の範囲内にセットして計測し、それぞれの計測した座標のうちある範囲内の座標は、それぞれの座標値を比較して適切な測定座標値を選択するものである。
【００５３】
従って、本発明の三次元形状測定装置および方法は、不定型な被測定物の三次元形状を非接触で計測でき、多重反射が生じやすいマージンライン近傍においても多重反射の影響を除去して高い測定精度を維持できる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用する光位置検出素子の原理図である。
【図２】本発明の三次元形状測定装置の全体構成図である。
【図３】本発明による測定状態の模式図である。
【図４】本発明の三次元形状測定方法の全体フロー図である。
【図５】図４の照射位置演算ステップと選択ステップのフロー図である。
【図６】非接触式の三次元形状測定手段の原理図である。
【図７】先行出願の三次元形状測定手段の説明図である。
【図８】多重反射による誤差を説明する模式図である。
【符号の説明】
１ レーザ光、２ 反射光、
２ａ、２ｂ 一次反射光、３ａ、３ｂ 二次反射光、
１０ 三次元形状測定装置、１２ 保持回転装置、
１３ａ、１３ｂ 集光レンズ、
１４ 第１光位置検出素子、１４ａ 測定面、
１６ 第２光位置検出素子、１６ａ 測定面、
１８ レーザ装置、１８ａ レーザ発信器、１８ｂ 走査ミラー、
２０ 演算装置、２２ 選択手段
Ｍ 被測定物、Ｍ１ 頂部平坦部、
Ｍ２ 立壁面、Ｍ３ 肩部平坦部、Ｍ４ 下部立壁面、
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２ レーザ光照射位置
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯牙模型等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方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歯科治療において歯に欠損が生じた場合、欠損部を所定の形状に成形して支台歯とし、その上に金属やセラミックスで製作した補綴物を被せて固定する治療が一般に行われている。
【０００３】
このような歯科用補綴物を製作するために、成形した支台歯やその隣接歯、あるいはこれらと噛み合う対向歯の印象型から歯牙模型を製作し、その三次元形状を正確に測定する必要がある。このため、レーザ光を用いた非接触式の三次元形状測定手段が開示されている。
【０００４】
図６は、かかる非接触式の三次元形状測定手段の原理図である。この図において、Ｍは歯牙模型、５１はレーザ光５１ａを照射するレーザ光源、５２は集光レンズ、５３は光位置検出素子（ＰＳＤ）であり、歯牙模型Ｍの測定点Ｐに向けてレーザ光５１ａを照射し、歯牙模型Ｍからの反射光５１ｂをＰＳＤ５３上に集光してその位置ｙを検出する。
この構成により、ＰＳＤ５３の受光位置ｙとレーザ光５１ａの照射角度θから幾何学的に反射光の入射角度αが定まり、これらから測定点Ｐとセンサ基準点Ｐｓの距離Ｌを繰返し算出することにより、歯牙模型Ｍの三次元形状を特定することができる。
しかし、単一の光位置検出素子のみを備えた図６の三次元形状測定手段の場合には、被測定物（歯牙模型Ｍ）の形状によっては、１次反射光が入射しないため測定を行うことができない場合がある。
【０００５】
これに対して、特許文献１の「三次元形状測定方法および装置」は、図７に示すように、レンズと光位置検出素子との組み合わせを少なくとも２以上備えたものであり、一部の光位置検出素子（例えば５３ｃ、５３ｄ）に反射光が入射しなくても、残りの光位置検出素子（例えば５３ａ、５３ｂ）に反射光が入射するため、被測定物の形状に拘わらず測定を行うことができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−４２９４１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図８は、支台歯の歯牙模型Ｍをレーザ光源を挟んで上下に設けられた２つの光位置検出素子５４ａ、５４ｂで計測する場合を示している。このような支台歯の歯牙模型Ｍ（図で右半分のみを示す）では補綴物との合わせ面となるマージンラインＡが特に重要であり、マージンライン近傍を高精度に計測する必要がある。以下、歯牙模型Ｍの比較的平坦な頂面を頂部平坦部Ｍ１、頂部平坦部を囲むテーパ面を立壁面Ｍ２、マージンライン内側の比較的平坦な上面を肩部平坦部Ｍ３、マージンライン外側の急斜面を下部立壁面Ｍ４と呼ぶ。
【０００８】
上述した特許文献１の手段では、多重反射の影響で計測誤差が大きい問題点があった。
【０００９】
すなわち、図８（Ａ）において、立壁面Ｍ２に斜めに入射したレーザ光５５が、立壁面Ｍ２で一次反射し、さらに肩部平坦部Ｍ３で二次反射する場合、上側の光位置検出素子５４ａは、一次反射光５６ａと二次反射光５７ａの両方を検出する。この場合、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と上側の光位置検出素子５４ａの位置関係から、一次反射光５６ａは比較的弱く、二次反射光５７ａは比較的強くなり、二次反射光５７ａの影響で図に破線Ｂで示すように、測定点Ｐが実際より外側にあるように測定する誤差が生じる。
なお、この場合でも、下側の光位置検出素子５４ｂは、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と下側の光位置検出素子５４ｂの位置関係から、一次反射光５６ｂが非常に強く、二次反射光５７ｂは非常に弱いことから、二次反射光５７ｂの影響はほとんどなく、測定点Ｐをほとんど誤差なく正確に検出できる。
【００１０】
また、図８（Ｂ）において、肩部平坦部Ｍ３に斜めに入射したレーザ光５５が、肩部平坦部Ｍ３で一次反射し、さらに立壁面Ｍ２で二次反射する場合、下側の光位置検出素子５４ｂは、一次反射光５６ｂと二次反射光５７ｂの両方を検出する。この場合、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と下側の光位置検出素子５４ｂの位置関係から、一次反射光５６ｂは比較的弱く、二次反射光５７ｂは比較的強くなり、二次反射光５７ｂの影響で図に破線Ｂで示すように、測定点Ｐが実際より上側にあるように測定する誤差が生じる。
なお、この場合でも、上側の光位置検出素子５４ａは、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と上側の光位置検出素子５４ａの位置関係から、一次反射光５６ａが非常に強く、二次反射光５７ａは非常に弱いことから、二次反射光５７ａの影響はほとんどなく、測定点Ｐをほとんど誤差なく正確に検出できる。
【００１１】
上述した特許文献１の手段では、図７（Ａ）（Ｂ）に示したような多重反射を受ける場合に、２つ以上の光位置検出素子を用いても、受光信号の強さ（大小）だけで上側の光位置検出素子５４ａと下側の光位置検出素子５４ｂのうちから誤差の少ない最適な光位置検出素子を選択できるとは限らず、誤差の多い方を選択してしまう場合もあり、誤差を含む素子の影響で、高精度が要求されるマージンライン近傍の測定精度が低下してしまうという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、不定型な被測定物の三次元形状を非接触で計測でき、多重反射が生じやすいマージンライン近傍においても多重反射の影響を除去して高い測定精度を維持できる三次元形状測定装置および方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、平坦部（Ｍ３）と立壁部（Ｍ２）が交差する多重反射領域を有する被測定物（Ｍ）の表面形状を非接触で測定する三次元形状測定装置であって、
被測定物（Ｍ）の内部を原点とし原点を通る垂直軸を中心に被測定物を回転させ前記多重反射領域を所定の座標領域に位置決めする保持回転装置（１２）と、前記平坦部に対向し平坦部からの反射光を強く受ける第１の光位置検出素子（１４）と、前記立壁部に対向し立壁部からの反射光を強く受ける第２の光位置検出素子（１６）と、前記第１と第２の光位置検出素子の間に位置し被測定物に向けてレーザ光（１）を走査するレーザ装置（１８）と、レーザ光の走査方向と該レーザ光の反射光の前記第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）をそれぞれ演算する演算装置（２０）と、前記所定の座標領域における前記２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）のうち原点に近いものを選択する選択手段（２２）と、を備えたことを特徴とする三次元形状測定装置が提供される。
【００１４】
また本発明によれば、平坦部（Ｍ３）と立壁部（Ｍ２）が交差する多重反射領域を有する被測定物（Ｍ）の表面形状を非接触で測定する三次元形状測定方法であって、
被測定物（Ｍ）の内部を原点とし原点を通る垂直軸を中心に被測定物を回転させる保持回転装置（１２）と、前記平坦部に対向し平坦部からの反射光を強く受ける第１の光位置検出素子（１４）と、前記立壁部に対向し立壁部からの反射光を強く受ける第２の光位置検出素子（１６）と、前記第１と第２の光位置検出素子の間に位置するレーザ装置（１８）と、レーザ光の走査方向と該レーザ光の反射光の光位置検出素子による受光位置から被測定物のレーザ光照射位置をそれぞれ演算する演算装置（２０）と、前記２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）のうちいずれかを選択する選択手段（２２）と、を備え、
保持回転装置（１２）により、被測定物の前記多重反射領域を所定の座標領域に位置決めし、レーザ装置（１８）により、被測定物に向けてレーザ光（１）を照射し、演算装置（２０）により、前記第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）をそれぞれ演算し、前記選択手段（２２）により、前記所定の座標領域における前記２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）のうち原点に近いものを選択する、ことを特徴とする三次元形状測定方法が提供される。
【００１５】
上記本発明の装置及び方法によれば、平坦部Ｍ２に対向し平坦部からの反射光を強く受ける第１の光位置検出素子（１４）と、立壁部Ｍ２に対向し立壁部からの反射光を強く受ける第２の光位置検出素子（１６）と、それらの光位置検出素子の間に位置するレーザ装置（１８）とを備え、保持回転装置（１２）により、被測定物の多重反射領域を所定の座標領域に位置決めし、レーザ装置（１８）により、被測定物に向けてレーザ光（１）を照射するので、演算装置（２０）により、前記第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）をそれぞれ演算することができる。
また、多重反射領域において２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）が多重反射の影響で異なる場合には、誤差を強く受ける方が原点から離れることから、選択手段（２２）により、原点に近いものを選択することにより多重反射が生じやすいマージンライン近傍においても多重反射の影響を除去して高い測定精度を維持できる。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記選択手段（２２）により、前記所定の座標領域外において、前記第１と第２の光位置検出素子の各信号出力が所定値を超え、かつその信号出力が大きい方に基づくレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）を選択する。
【００１７】
この構成により、被測定物のレーザ光が照射される位置からの反射光を強く受ける方の光位置検出素子を容易に選択できる。また、この光位置検出素子は、相対的に信号出力が大きいことから反射光の強度が低い条件においても、ノイズの影響が少なくＳＮ比を高く維持し、測定精度を高く維持できる。
【００１８】
前記第１と第２の光位置検出素子（１４、１６）とレーザ光（１）は、被測定物（Ｍ）を通る同一平面内に位置する、ことが好ましい。
この構成により、二次元の計測で三次元形状測定を行うことができ、演算時間を短縮し高速処理を可能にできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明で使用する光位置検出素子の原理図である。この光位置検出素子は、Ｐ層、Ｓｉ基板、Ｎ層が順に積層された半導体位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＳＤ）である。この図において、ＰＮ間に電圧を印加した状態で、Ｐ層の一部にスポット光を受けると、その位置でＰＮ間が導通し、スポット光の強度に比例する電流（Ｉ１＋Ｉ２）が流れる。Ｐ層の両端に出力端子ａ、ｂを設け、同一の抵抗をそれぞれ付加すると、出力端子ａ、ｂにはそれぞれ電流Ｉ１，Ｉ２が流れ、これを電圧Ｖａ、Ｖｂとして検出することができる。
この場合、スポット光の位置は、式（１）（２）で求めることができる。
Ｘ１＝Ｌ×Ｉ２／（Ｉ１＋Ｉ２）・・・（１）
Ｘ２＝Ｌ×Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）・・・（２）
【００２１】
図１において、スポット光を２箇所以上で受けると、それぞれの箇所で各スポット光の強度に比例する電流が流れる。この場合、式（１）（２）をそのまま適用すると、一次反射光が最も強いスポット光であっても、それより弱い二次反射光の影響を受け、検出位置は二次反射光側にずれた位置となる。これが、本発明が問題とする多重反射による誤差である。
【００２２】
図２は、本発明の三次元形状測定装置の全体構成図である。この三次元形状測定装置１０は、平坦部Ｍ３と立壁部Ｍ２が交差する多重反射領域を有する被測定物Ｍの表面形状を非接触で測定する三次元形状測定装置である。なお、この図でＭ１は比較的平坦な頂面である頂部平坦部、Ｍ２は頂部平坦部を囲むテーパ面を立壁面、Ｍ３はマージンライン内側の比較的平坦な肩部平坦部、Ｍ４はマージンライン外側の急斜面である下部立壁面である。
【００２３】
上述したように、平坦部Ｍ３と立壁部Ｍ２が交差する部分で多重反射（この場合、二重反射）が生じやすく、この領域を本発明において「多重反射領域」と呼ぶ。多重反射領域は、マージンラインのＭ３全体とＭ２の下端部分に設定するのがよい。
【００２４】
なお、この図において被測定物Ｍとして支台歯の歯牙模型を想定しているが、本発明はこれに限定されず、平坦部と立壁部が交差する多重反射領域を有する被測定物、例えば、支台歯以外の歯牙模型にも同様に適用することができる。
【００２５】
図２において、本発明の三次元形状測定装置１０は、保持回転装置１２、第１の光位置検出素子１４、第２の光位置検出素子１６、レーザ装置１８、演算装置２０、及び選択手段２２を備える。
【００２６】
保持回転装置１２は、被測定物Ｍの内部を原点Ｏとし、原点Ｏを通る垂直軸ｙを中心に被測定物Ｍを回転させるようになっている。被測定物Ｍを垂直軸ｙを中心に１回転させることにより、被測定物Ｍの外面全周を計測することができる。また、この保持回転装置１２により、上述した多重反射領域を所定の座標領域（例えば、ｙ座標値が−２ｍｍから＋２ｍｍ）に位置決めする。
【００２７】
第１光位置検出素子１４と第２光位置検出素子１６は、上述した半導体位置検出素子（ＰＳＤ）である。その出力特性は同一であるのが好ましい。しかし、例えば第１光位置検出素子１４を主体とし、第２光位置検出素子１６を補助にして、出力特性の異なるＰＳＤを用いてもよい。
【００２８】
第１光位置検出素子１４は、被測定物Ｍの平坦部Ｍ３に対向して位置し、平坦部Ｍ３からの反射光を強く受けるようになっている。この例において、第１光位置検出素子１４の測定面１４ａは、平坦部Ｍ３に対して±３０°以内に設定されている。この場合、立壁部Ｍ２からの反射光は、斜めに受けるため逆に弱くなる。
なお、図中の１３ａ、１３ｂは反射光を測定面１４ａ、１６ａに集光する集光レンズである。
【００２９】
第２光位置検出素子１６は、被測定物Ｍの立壁部Ｍ２に対向して位置し、立壁部Ｍ２からの反射光を強く受けるようになっている。この例において、第２光位置検出素子１６の測定面１６ａは、立壁部Ｍ２に対して±３０°以内に設定されている。この場合、平坦部Ｍ３からの反射光は、斜めに受けるため逆に弱くなる。
【００３０】
レーザ装置１８は、レーザ発信器１８ａと走査ミラー１８ｂとからなり、第１と第２の光位置検出素子１４、１６の間に位置する。レーザ発信器１８ａは好ましくは単一波長のレーザ光１を走査ミラー１８ｂに向けて照射する。走査ミラー１８ｂは図示しない駆動装置により揺動し、レーザ光１を反射して被測定物Ｍに向けてレーザ光１を走査するようになっている。
【００３１】
また、この例において、第１と第２の光位置検出素子１４、１６とレーザ装置１８によるレーザ光１は、被測定物Ｍを通る同一平面内（この例でｘ-ｙ座標の第１象限内）に位置する。この構成により、ｘ-ｙ座標の二次元計測と被測定物Ｍのｙ軸まわりの回転により、被測定物Ｍの外表面の三次元形状測定が可能になる。
【００３２】
演算装置２０は、レーザ光１の走査方向と、レーザ光１の反射光２の第１と第２の光位置検出素子１４、１６による受光位置から被測定物Ｍの２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ演算する。この原理は、図６に示したものと実質的に同一である。
【００３３】
選択手段２２は、上述した所定の座標領域における演算で得た２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２のうちいずれかを選択する機能を有する。
なお、演算装置２０と選択手段２２として、同一又は異なるコンピュータ（例えばパーソナルコンピュータ）を用いることができる。
【００３４】
図３は、本発明による測定状態の模式図である。この図において、（Ａ）は図８（Ａ）と同一であり、立壁面Ｍ２に斜めに入射したレーザ光１が、立壁面Ｍ２で一次反射２ａし、さらに肩部平坦部Ｍ３で二次反射３ａするため、第１光位置検出素子１４は、一次反射光２ａと二次反射光３ａの両方を検出する。この場合、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と第１光位置検出素子１４の位置関係から、一次反射光２ａは比較的弱く、二次反射光３ａは比較的強くなり、二次反射光３ａの影響で測定点Ｐが実際より外側Ｐ１にあるように測定する誤差が生じる。
なお、この場合、第２光位置検出素子１６は、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と第２光位置検出素子１６の位置関係から、一次反射光２ｂが非常に強く、二次反射光３ｂは非常に弱いことから、二次反射光３ｂの影響はほとんどなく、測定点Ｐをほとんど誤差なく正確に位置Ｐ２を検出できる。
【００３５】
また、図８（Ｂ）に示したように、肩部平坦部Ｍ３に斜めに入射したレーザ光５５が、肩部平坦部Ｍ３で一次反射し、さらに立壁面Ｍ２で二次反射する場合には、逆に下側の光位置検出素子５４ｂには、一次反射光５６ｂは比較的弱く、二次反射光５７ｂは比較的強くなり、二次反射光５７ｂの影響で図に破線Ｂで示したように、測定点Ｐが実際より上側にあるように測定する誤差が生じる。
この場合でも、上側の光位置検出素子５４ａは、立壁面Ｍ２と肩部平坦部Ｍ３の傾斜角度と上側の光位置検出素子５４ａの位置関係から、一次反射光５６ａが非常に強く、二次反射光５７ａは非常に弱いことから、二次反射光５７ａの影響はほとんどなく、測定点Ｐをほとんど誤差なく正確に検出できる。
【００３６】
従って、図８及び図３（Ａ）に示した多重反射領域の計測では、第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ演算し、所定の座標領域における演算した２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２のうち原点に近いものを選択することにより、多重反射が生じやすいマージンライン近傍においても多重反射の影響を除去して高い測定精度を維持できることがわかる。
【００３７】
図３（Ｂ）は、頂部平坦部Ｍ１にレーザ光１が照射されている状態を示している。この場合、頂部平坦部Ｍ１で反射した一次反射光２ａが第１光位置検出素子１４に入射するが、第２光位置検出素子１６は、反射光をほとんど受けない。
また、図３（Ｃ）は、下部立壁面Ｍ４にレーザ光１が照射されている状態を示している。この場合、下部立壁面Ｍ４で反射した一次反射光２ｂが第２光位置検出素子１６に入射するが、第１光位置検出素子１４は、反射光をほとんど受けない。
従って、図３（Ｂ）（Ｃ）のように、多重反射領域以外の座標領域外においては、第１と第２の光位置検出素子の各信号出力が所定値を超え、かつその信号出力が大きい方に基づきレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２を選択することにより、高い測定精度を維持できることがわかる。
【００３８】
次に、上述した知見に基づく本発明の測定方法を説明する。図４は、本発明の三次元形状測定方法の全体フロー図である。
【００３９】
この図に示すように本発明の三次元形状測定方法は、位置決めステップＳ１、レーザ照射ステップＳ２、照射位置演算ステップＳ３、選択ステップＳ４及び出力ステップＳ５からなる。
【００４０】
位置決めステップＳ１では、保持回転装置１２により、被測定物Ｍの多重反射領域を所定の座標領域（例えば、ｙ座標値が−２ｍｍから＋２ｍｍ）に位置決めする。
レーザ照射ステップＳ２では、レーザ装置１８により、被測定物Ｍに向けてレーザ光１を照射する。
照射位置演算ステップＳ３では、演算装置２０により、第１と第２の光位置検出素子１４、１６による受光位置から被測定物Ｍの２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ演算する。
【００４１】
選択ステップＳ４では、選択手段２２により、所定の座標領域における２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２のうち原点に近いものを選択し、所定の座標領域外において、第１と第２の光位置検出素子の各信号出力が所定値を超え、かつその信号出力が大きい方に基づくレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２を選択する。
【００４２】
なお、図４において、被測定物Ｍを垂直軸ｙを中心に１回転させながら、ステップＳ１〜Ｓ４を繰返し、かつレーザ光１を走査することにより、被測定物Ｍの外面全周を計測することができる。
出力ステップＳ５では、得られた被測定物Ｍの外表面の三次元形状データを表示装置に画像表示し、或いは記憶装置に記憶する。
【００４３】
図５は、図４の照射位置演算ステップと選択ステップのフロー図である。この図を参照して、上述した照射位置演算ステップＳ３と選択ステップＳ４を更に詳しく説明する。
【００４４】
照射位置演算ステップＳ３と選択ステップＳ４は、この図において、ステップＳ１１〜Ｓ２０からなる。
【００４５】
第１光位置検出素子１４の出力信号からステップＳ１１において第１光位置検出素子１４の受光位置ａ１とその信号出力Ｖ１を演算し、ステップＳ１２において信号出力Ｖ１が安定電圧以上かをチェックし、安定電圧未満（ＮＯ）の場合にはステップＳ１３において第２光位置検出素子１６の受光位置ａ２からその照射位置Ｐ２のみを演算し、これを選択する。すなわちこの場合、第１光位置検出素子１４の出力信号は出力電圧が低く、ノイズ信号の影響が大きいことから無視する。
【００４６】
同様に、第２光位置検出素子１６の出力信号からステップＳ１４において第２光位置検出素子１６の受光位置ａ２とその信号出力Ｖ２を演算し、ステップＳ１５において信号出力Ｖ２が安定電圧以上かをチェックし、安定電圧未満（ＮＯ）の場合にはステップＳ１６において第１光位置検出素子１４の受光位置ａ１からその照射位置Ｐ１のみを演算し、これを選択する。すなわちこの場合、第２光位置検出素子１６の出力信号は出力電圧が低く、ノイズ信号の影響が大きいことから無視する。
【００４７】
なお、この図には示されていないが、第１光位置検出素子１４と第２光位置検出素子１６の両方の信号出力Ｖ１、Ｖ２が安定電圧未満（ＮＯ）の場合には、ステップＳ１３、Ｓ１４の両方を省略し、図４のステップＳ２に戻る。
【００４８】
第１光位置検出素子１４と第２光位置検出素子１６の両方の信号出力Ｖ１、Ｖ２が安定電圧以上（ＹＥＳ）の場合には、ステップＳ１７で第１と第２の光位置検出素子１４、１６による受光位置から被測定物Ｍの２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ演算する。この２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２は、本来同一位置であるが、上述したように二次反射光の影響で誤差を強く受ける方が原点から離れる演算結果となる。
【００４９】
ステップＳ１８では、演算した２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２のいずれか一方（例えばＰ２）を基に、この位置が所定の座標領域（例えば、ｙ座標値が−２ｍｍから＋２ｍｍ）に位置するかどうかを判別する。
所定の座標領域内にある（ＹＥＳ）場合には、ステップ１９において、２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）のうち原点に近いものを選択する。また、所定の座標領域外にある（ＮＯ）場合、第１と第２の光位置検出素子の各信号出力が所定値を超え、かつその信号出力が大きい方に基づくレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２を選択する。
【００５０】
上述した本発明の装置及び方法によれば、平坦部Ｍ２に対向し平坦部からの反射光を強く受ける第１の光位置検出素子１４と、立壁部Ｍ２に対向し立壁部からの反射光を強く受ける第２の光位置検出素子１６と、それらの光位置検出素子の間に位置するレーザ装置１８とを備え、保持回転装置１２により、被測定物の多重反射領域を所定の座標領域に位置決めし、レーザ装置１８により、被測定物に向けてレーザ光１を照射するので、演算装置２０により、前記第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ演算することができる。
また、多重反射領域において２つのレーザ光照射位置Ｐ１、Ｐ２が多重反射の影響で異なる場合には、誤差を強く受ける方が原点から離れることから、選択手段２２により、原点に近いものを選択することにより多重反射が生じやすいマージンライン近傍においても多重反射の影響を除去して高い測定精度を維持できる。
【００５１】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００５２】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、例えば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模型の三次元形状計測装置に関するものであり、レーザ計測時の測定誤差要因である多重反射の影響を受けずに、歯牙模型の高精度計測要求部を確実かつ正確に計測することを可能にする。
すなわち、本発明では歯科補綴物を製作・製造するための歯牙模型との合わせ面（高精度計測要求部）を計測装置のある一定の範囲内にセットして計測し、それぞれの計測した座標のうちある範囲内の座標は、それぞれの座標値を比較して適切な測定座標値を選択するものである。
【００５３】
従って、本発明の三次元形状測定装置および方法は、不定型な被測定物の三次元形状を非接触で計測でき、多重反射が生じやすいマージンライン近傍においても多重反射の影響を除去して高い測定精度を維持できる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用する光位置検出素子の原理図である。
【図２】本発明の三次元形状測定装置の全体構成図である。
【図３】本発明による測定状態の模式図である。
【図４】本発明の三次元形状測定方法の全体フロー図である。
【図５】図４の照射位置演算ステップと選択ステップのフロー図である。
【図６】非接触式の三次元形状測定手段の原理図である。
【図７】先行出願の三次元形状測定手段の説明図である。
【図８】多重反射による誤差を説明する模式図である。
【符号の説明】
１ レーザ光、２ 反射光、
２ａ、２ｂ 一次反射光、３ａ、３ｂ 二次反射光、
１０ 三次元形状測定装置、１２ 保持回転装置、
１３ａ、１３ｂ 集光レンズ、
１４ 第１光位置検出素子、１４ａ 測定面、
１６ 第２光位置検出素子、１６ａ 測定面、
１８ レーザ装置、１８ａ レーザ発信器、１８ｂ 走査ミラー、
２０ 演算装置、２２ 選択手段
Ｍ 被測定物、Ｍ１ 頂部平坦部、
Ｍ２ 立壁面、Ｍ３ 肩部平坦部、Ｍ４ 下部立壁面、
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２ レーザ光照射位置
Claims (5)
- 平坦部（Ｍ３）と立壁部（Ｍ２）が交差する多重反射領域を有する被測定物（Ｍ）の表面形状を非接触で測定する三次元形状測定装置であって、
被測定物（Ｍ）の内部を原点とし原点を通る垂直軸を中心に被測定物を回転させ前記多重反射領域を所定の座標領域に位置決めする保持回転装置（１２）と、前記平坦部に対向し平坦部からの反射光を強く受ける第１の光位置検出素子（１４）と、前記立壁部に対向し立壁部からの反射光を強く受ける第２の光位置検出素子（１６）と、前記第１と第２の光位置検出素子の間に位置し被測定物に向けてレーザ光（１）を走査するレーザ装置（１８）と、レーザ光の走査方向と該レーザ光の反射光の前記第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）をそれぞれ演算する演算装置（２０）と、前記所定の座標領域における前記２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）のうち原点に近いものを選択する選択手段（２２）と、を備えたことを特徴とする三次元形状測定装置。 - 前記選択手段（２２）は、前記所定の座標領域外において、前記第１と第２の光位置検出素子の各信号出力が所定値を超え、かつその信号出力が大きい方に基づくレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）を選択する、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
- 前記第１と第２の光位置検出素子（１４、１６）とレーザ光（１）は、被測定物（Ｍ）を通る同一平面内に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
- 平坦部（Ｍ３）と立壁部（Ｍ２）が交差する多重反射領域を有する被測定物（Ｍ）の表面形状を非接触で測定する三次元形状測定方法であって、
被測定物（Ｍ）の内部を原点とし原点を通る垂直軸を中心に被測定物を回転させる保持回転装置（１２）と、前記平坦部に対向し平坦部からの反射光を強く受ける第１の光位置検出素子（１４）と、前記立壁部に対向し立壁部からの反射光を強く受ける第２の光位置検出素子（１６）と、前記第１と第２の光位置検出素子の間に位置するレーザ装置（１８）と、レーザ光の走査方向と該レーザ光の反射光の光位置検出素子による受光位置から被測定物のレーザ光照射位置をそれぞれ演算する演算装置（２０）と、前記２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）のうちいずれかを選択する選択手段（２２）と、を備え、
保持回転装置（１２）により、被測定物の前記多重反射領域を所定の座標領域に位置決めし、
レーザ装置（１８）により、被測定物に向けてレーザ光（１）を照射し、
演算装置（２０）により、前記第１と第２の光位置検出素子による受光位置から被測定物の２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）をそれぞれ演算し、
前記選択手段（２２）により、前記所定の座標領域における前記２つのレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）のうち原点に近いものを選択する、ことを特徴とする三次元形状測定方法。 - 前記選択手段（２２）により、前記所定の座標領域外において、前記第１と第２の光位置検出素子の各信号出力が所定値を超え、かつその信号出力が大きい方に基づくレーザ光照射位置（Ｐ１、Ｐ２）を選択する、ことを特徴とする請求項４に記載の三次元形状測定方法。
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