JP4256654B2

JP4256654B2 - 歯科対象物の光学的計測装置

Info

Publication number: JP4256654B2
Application number: JP2002281750A
Authority: JP
Inventors: ボーデンミラーアントン; ブロイクマンベルント; シュテッカーミヒャエル; ミュンスターマンペーター; ルンゲミヒャエル
Original assignee: カルテンバッハウントホイクトゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツングウントカンパニーカーゲー
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: US6646749B2; US20030058456A1; JP2003185422A; EP1298411A2; DE20115933U1; EP1298411A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯科対象物の光学的計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療技術における、たとえば、歯冠のような歯科医学上あるいは歯科技術上の補綴部材は、コンピュータ援用システムの助けによってさかんに製作されている。この目的のために、製作の基礎として、患者の条件および計画された補綴物から設定されたバイナリーフォーマットの三次元データを製作することが最初に必要である。この三次元データは、たとえば、歯の根の石膏、模型の断片、あるいは模型の全部等のモデル化された条件と、歯科技工士によってろう（ｗａｘ）で模された補綴物とが計測されることによって生成される。
【０００３】
一方で、いわゆるフレームワーク（骨組）の製作においては、ろうによるモデル化は行われず、代わりに、三次元ＣＡＤ(Computer Aided Design) システムを用いて特別に訓練された歯科技工士によりワークピースが構築されることもある。ここでもまた、最初の条件からコンピュータ援用処理に適用されるバイナリーデータを生成する必要がある。
【０００４】
対象物の三次元計測のために、機械的な走査と光学的な計測のプロセスおよび装置の双方が用いられる。光学的な計測システムの場合には、走査プロセスと投射システムとの間で交互に区別される。走査プロセスは、被計測対象物をポイント毎に計測し、投射システムは、被計測対象物の複数の全体画像を基礎として、この被計測対象物の三次元構造を決定する。投射プロセスにおいては、被計測対象物は組立られた照明パターンおよび照明光の方向に対してある角度で配置された観察システムによって映される投射パターンによって照明される。三角測量法にしたがって、撮像された照明構造は、評価され、処理される。対象物は様々の方向から照明および観察され、画像の全体から三次元構造が計算される。さらに、被計測対象物は、特定の配置をもつ複数の照明パターンで照明され、この複数の照明パターンは、たとえば、位相において変位し、あるいは、異なる構造をもち、光学的計測の精度が非常に増す。
【０００５】
この種のプロセスは、いわゆる位相シフトプロセスとして知られている（例えば特許文献１参照）。このプロセスのさらなる改良はさらに開示されている（例えば特許文献２参照）。そこでは、異なる照明構造を生成するために採用された投射グリッドが、予め規定された位相関係をもつ共通のキャリア上に設けられており、このキャリアは正しい位相の投射ビームの中に押し出される。この投射グリッドの特別な配置により、被計測対象物の構造は、非常に高い精度で決定される。
【０００６】
さらに、コンピュータ制御の義歯製造装置が知られており、計測すべき上顎あるいは下顎の模型が楔形状の対象物リセプタクルの上に設けられ、計測のあいだ回転される（例えば特許文献３参照）。
【０００７】
三次元の対象物の光学的計測に関して、特に難しいのは、対象物の表面におけるアンダーカット（空洞）や突き出しである。このことは、投射ユニットと受光ユニットがこの目的に適した角度に配置されている場合にのみこの領域の計測が確実に行われるという問題に導くことができる。独国特許２９８１２９０７Ｕでは、三次元モデルの計測のための配置、特に顎のモデルが知られており、計測されるモデルは、対象物キャリアプレート上に配置され、このキャリアプレートは３６０度回転することができる。回転中には、計測されるモデルは、ストライプ状のパターンとカメラによって撮られた画像をもつ投射ユニットによって照明される。アンダーカットの計測を可能にするため、対象物キャリアプレートは、この対象物キャリアプレートの回転軸に直交して配置された軸の回りを追加的に旋回可能となっている。これにより、これら問題のある領域の計測される方向が適切に設定される。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第４，６４１，９７２号明細書
【特許文献２】
独国特許第１９５４３３４７Ａ１
【特許文献３】
独国特許第１９８３８２３８Ａ１
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
公知の光学的計測システムは全て相対的に複雑な構造を有し、機械的に敏感で、歯科技工士にとって操作が難しいという不利益が存在した。
【００１０】
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、歯科医療に関係する人によって容易に操作され、あらゆる形状の個々の歯科部材を計測することができる光学的三次元計測装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、請求項１に記載の歯科対象物の光学的計測装置によって達成される。
この光学的計測装置は、互いに結合された旋回軸と前記旋回軸に直交する回転軸とを有するユニットと、被計測対象物を保持し、前記ユニットに回転可能に装着された対象物リセプタクルと、前記被計測対象物へ構成された照明パターンを投射するプロジェクタと、前記被計測対象物へ投射された照明パターンの構成を検出する検出ユニットと、前記被計測対象物の空間的な構造を評価する評価ユニットと、を有する歯科対象物の光学的計測装置であって、前記対象物リセプタクルは、前記被計測対象物を保持する保持手段を装着するための所定パターンに配列された複数の穴を有し、前記ユニットは、前記対象物リセプタクルに保持された前記被計測対象物を前記旋回軸の高さに設け、計測処理において、回転可能に装着された前記対象物リセプタクルを、前記旋回軸周りに旋回させ、かつ、前記回転軸周りに回転させ、前記プロジェクタと前記検出ユニットの光軸は、前記対象物リセプタクルの中央において交差するように配置されている、ことを特徴とする。
ユニットによって、被計測対象物のアンダーカットが信頼性高く測定されることが保証される。被計測対象物のアンダーカットは、たとえば、歯冠が大円の下方に生成される場合や、歯冠の縁あるいはインレーが生成される場合（たとえば、良好な摩擦噛合および良好な固定部を提供する対向または並行する壁面をもつ場合）にみられる。
【００１２】
簡単な取り扱いを可能にするために、対象物リセプタクルは、被計測対象物を信頼性をもって保持する保持手段を装着する穴パターンを有している。この穴パターンは、計測装置に非常に多様な対象物をしっかりと正確に設けることを可能にする。正確な位置決めが簡易に行われ、特別に訓練された技術者による取り扱いを要しない。
【００１３】
また、対象物リセプタクルの回転／旋回ユニットは、計測中の被計測対象物の動作を自由にプログラミングすることを可能にし、あるいは、被計測対象物の構造に対応する予めプログラミングされた動作シーケンンスを用いることを可能する。このシーケンスは、ユーザによって簡易に呼び出すことができる。これにより、計測装置の利用が平易になる。
【００１４】
回転／旋回ユニットから対象物リセプタクルが取り外し可能である場合には、本システムの利便性はさらに改善され、被計測対象物は、あらゆる作業ステーションにおいて計測チャンバの外側に設けることができる。好適には、板状の対象物リセプタクルはハニカム状にパターンに配列された穴をもち、これらの穴は被計測対象物の自在な位置決めを可能にする。
【００１５】
オペレータによって実行される手続きは、投射パターンを生成するためのプロジェクタと、たとえば、ＣＣＤカメラのような検出ユニットを共通のストランド上に固定的に対向して設けることにより、さらに簡素化することができる。プロジェクタおよび検出ユニットの配置は、予め決められており、各場合にオペレータによって設定する必要がない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明に係る光学的計測装置は、図１に図解された箱状のハウジング１の中に設けられており、このハウジンング１は、上方に向かって開放可能なドア２で前側が閉じられている。このドアはグリップ４で操作され、艶消しのプレキシガラス製の観察窓３を有し、この観察窓３を通じて計測処理を観察することができる。ドア２の下方には、ハウジング１の前面側にＬＥＤ(Light Emitting Diode)５が設けられている。このＬＥＤ５は、計測装置の現在の作動状態を示す。たとえば、ＬＥＤ５が変わらずに点灯されている場合には、作動の準備ができていることを示し、点滅する場合には、計測処理が現在行われていることを示す。ＬＥＤ５がさらに明るく点灯（フラッシング）した場合には、故障を示す。
【００１７】
ハウジング１の上側の後部領域には、複数の換気用溝６が配列されている。この換気用溝６を通じて、ハウジング１の内部に設けられた電子機器によって加熱された空気が外部に放出される。
【００１８】
図２および図３から理解されるように、図解しないドアを通じて、ハウジング１内の計測チャンバ７にアクセスが行われる。この計測チャンバ７内に、被計測対象物が設置される。対象物リセプタクルの保持は、以下により詳細に説明されるように、ベース部材８において行われる。このベース部材８は、前部領域に半球体形状の凹部９を有している。この凹部９の中へ対象物リセプタクルを保持する回転／旋回ユニットが配置される。
【００１９】
保護隔壁１０は、その後方領域がドーム形状に形成されており、この保護隔壁１０によって計測チャンバ７はハウジング１の後方領域から分離されている。このハウジング１の後方領域には、とりわけ、プロジェクタ１１とカメラ１２が設けられている。これら２つの機器と被計測対象物の間の光学的な接触は、保護隔壁１０に配置された２つの開口１３，１４のみを介して存在する。プロジェクタ１１とカメラ１２の配置および２つの開口１３，１４によって、照明側円錐１５と観察側円錐１６が規定される。これら照明側円錐１５と観察側円錐１６は、被計測対象物が配置される領域で重なり合う。これらの手段によって、外部の影響を可能な限り受けにくいと同時に被計測対象物の最適な計測が達成される。
【００２０】
図４は、計測装置全体の概略構造を示している。計測システムの主要素は、プロジェクションユニット１７、ＣＣＤ(Charge Coupled Device) カメラ１２および回転／旋回ユニット１７であり、回転／旋回ユニット１７の上には、被計測対象物を保持する対象物リセプタクル１８が設けられている。対象物リセプタクル１８は、互いに結合された２つの回転軸ＡおよびＢから形成されている。対象物リセプタクル１８に設けられた被計測対象物の計測における２つの軸ＡおよびＢの駆動は、たとえば、ステッピングモータによって行われる。この構成により、対象物リセプタクル１８を同時に回転および傾斜させることができ、その結果、アンダーカット（空洞）をもつ形状であっても確実に検出することができる。調整能力を充分に発揮させるために、回転／旋回ユニット１７および対象物リセプタクル１８は、被計測対象物の中央点が傾斜軸の高さに概ね位置するように構成される。
【００２１】
被計測対象物の計測は、たとえば、米国特許第４，６４１，９７２号に記載されている方法によって行われる。そこでは、プロジェクタ１１の助けによって、照明パターン、たとえば、ストライプ状のパターンが投射される。被計測対象物の表面で変形した照明パターンは、カメラ１２によって撮像され、評価される。このプロジェクタ１１およびカメラ１２の被計測対象物に対する既知の配置から、米国特許第４，６４１，９７２号に詳細に説明されている計算によって、被計測対象物の表面の座標が計算される。このような画像生成三角測量方法は、すでに周知であり、ここではこれ以上詳細には説明しない。
【００２２】
被計測対象物の回転および傾斜によって、異なる方向から画像が撮られ、その結果、最終的に三次元の全体構造に結合することができるデータが得られる。独国特許第１９５４３３４７Ａ１に記載された方法と同様に、変更されないままの被計測対象物の配置により、明確な位相関係をもつ、異なる照明パターンが被計測対象物に次々と投射される。プロジェクタ１１、カメラ１２および回転／旋回ユニット１７の制御は、適切な制御ユニット１９を介して行われる。この制御ユニット１９は、カメラ１２によって検出された画像を画像およびデータ処理システムのコンピュータ２０へ向けて通過させる。
【００２３】
本発明に係る装置の重要な特徴は、プロジェクタ１１とカメラ１２が共通のストランドに配置され、これらの光軸が対象物リセプタクル１８の中央点において交差するように対向して配列されている。測定システムの種々の要素のこの固定的な所定の配置は、一方で取り扱いを容易にし、他方で被計測対象物の最適な計測を保証する。被計測対象物の計測の間に回転／旋回ユニット１７によって行われる動作は、自由にプログラムすることができ、各計測が実行される前に新たに設定することができる。好適には、特定の予め設定された動作シーケンスが、被計測対象物の種類に応じて、マクロの形態で決定される。このマクロは、簡単な方法で呼び出すことができる。これはまた、システム全体の取り扱いの簡素化に寄与する。
【００２４】
図５は、ベース部材８を示しており、このベース部材８は鋳造されたアルミニウム部材で形成されており、計測装置の回転／旋回ユニットのための半球状の取り付け凹部９を有する。ベース部材８の後側には、図示しない電流供給のための接続部および画像およびデータ処理システムのコンピュータのインターフェースがある。回転／旋回ユニットのための取り付け用凹部９の後側には、回転／旋回ユニットのステッピングモータの制御および電流ラインのためのケーブルチャンネル２１がある。
【００２５】
ベース部材８の上側には、リブ２２は計測領域の前方への境界を形成している。このリブ２２から図３に図解した保護隔壁が上側に向かって延びており、計測チャンバをその背後にある電子ゾーンから分離している。
【００２６】
電子ゾーンの後部に配置された機器を冷却するために、図示しない電気ファンが採用されており、この電気ファンは、ベース部材８の取り付け穴２３に据え付けられている。この取り付け穴２３から後方に向かって配送路２４が延びている。この配送路２４を通じてファンによって生成された冷却用空気流が送り出され、冷却用空気の一部は電子機器を通過し、とりわけプロジェクタを冷却する。残りの冷却用空気は、計測チャンバに流れる。加熱された空気は、ハウジング１の後部領域に設けられた換気溝６を通じて外部に放出される。エアーフィルタを上記のファンの吸気側の前に設けてもよい。これにより、ダストの計測装置内への進入が防止される。
【００２７】
ストランドは、支持面２５上に設けられ、このストランドの上端において、ストライプ照明のプロジェクタ１１とカメラ１２が傾斜した調整面上に配置されている。カメラ１２は、好適には、高いデータ転送レートを可能にするインターフェースを介して光学評価システムに接続されている。ベース部材８における回転／旋回ユニットの取り付けは、支持リング２７によって行われる。支持リング２７は、図６に図解されている。ベース部材８の前部領域に位置する支持リング２７の下側面に、軸配置および対象物リセプタクル１８の動作シーケンスの制御のためのステッピングモータが位置する。支持リング２７の中央には、計測プレート２８が設けられており、この計測プレート２８はステッピングモータを介した上記の方法で回転および旋回される。
【００２８】
計測プレート２８は、板状の凹部２９を有しており、この凹部２９に対象物リセプタクル１８が計測挿入物の形で配置される。対象物リセプタクル１８は、ハニカム状のパターンに配列された穴３１を有し、この穴３１は保持ピン３２の挿入を任意に許容するとともに、被計測対象物を保持するための締結装置３３の挿入を許容する。このようにすることで、あらゆる形態の歯科技術的な模型や対象物を確実に固定することすることができる。特に、あらゆる所望の場所や部屋において、対象物リセプタクル１８上に被計測対象物を固定することができる。
【００２９】
さらに、計測プレート２８と対象物リセプタクル１８とを分離しているため、複数の対象物リセプタクル１８をロードすることができる。これら複数の対象物リセプタクル１８を、計測装置において、丁度良い適切なポイントに置き、測定することができる。さらに、穴３１のパターンは、個々の歯あるいは模型の計測のための特定の保持装置がねじ込まれるのを許容する。
【００３０】
対象物リセプタクル１８は、この上に被計測対象物３０が設けられた状態で、計測プレート２８の中へ置かれ、その結果、図７に図解した配置が提供される。計測プレート２８の凹部２９の寸法を合致させることによって、明確な支持面が提供され、その結果、操作ミスが事実上排除される。図７に図解するように、保持手段（締結装置３３）を自由に配置することによって、あらゆる被計測対象物３０を固定し計測することができる。被計測対象物３０が実質的に旋回軸の高さに設けられるように、対象物リセプタクル１８は回転／旋回ユニット内に配置される。これらによって、回転／旋回ユニットを充分に調整することができ、その結果、被計測対象通３０の光学的計測が可能となる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の計測装置は、たとえば、医療技術、歯科医学あるいは歯科技術等の他の専門分野からの人でも簡易に操作することができる。また、被計測対象物を回転させることに加えて、旋回させることができるため、非常に複雑な構造を信頼性高くかつ正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学的計測装置の前面ドアが閉じた状態の外観図である。
【図２】本発明に係る光学的計測装置の前面ドアが取り外された状態の外観図である。
【図３】本発明に係る光学的計測装置の計測チャンバ内部を示す図である。
【図４】本発明に係る光学的計測システムの概略構成を示す図である。
【図５】本発明に係る光学的計測装置の基本要素を示す斜視図である。
【図６】取り外された状態の対象物リセプタクルを示す斜視図である。
【図７】取り付けられた状態の対象物リセプタクルを示す斜視図である。
【符号の説明】
１…ハウジング、２…ドア、３…観察窓、４…グリップ、５…ＬＥＤ、６…換気溝、７…計測チャンバ、８…ベース部材、９…凹部、１０…保護隔壁、１１…プロジェクタ、１２…カメラ、１３，１４…開口、１５…照明側円錐、１６…観察側円錐、１７…回転／旋回ユニット、１８…対象物リセプタクル、２２…リブ、２３…取り付け穴、２４…配送路、２５…支持面、２７…支持リング、２８…計測プレート、２９…凹部、３０…対象物、３２…保持ピン、３３…締結装置。

Claims

互いに結合された旋回軸と前記旋回軸に直交する回転軸とを有するユニットと、
被計測対象物を保持し、前記ユニットに回転可能に装着された対象物リセプタクルと、
前記被計測対象物へ構成された照明パターンを投射するプロジェクタと、
前記被計測対象物へ投射された照明パターンの構成を検出する検出ユニットと、
前記被計測対象物の空間的な構造を評価する評価ユニットと、
を有する歯科対象物の光学的計測装置であって、
前記対象物リセプタクルは、前記被計測対象物を保持する保持手段を装着するための所定パターンに配列された複数の穴を有し、
前記ユニットは、前記対象物リセプタクルに保持された前記被計測対象物を前記旋回軸の高さに設け、計測処理において、回転可能に装着された前記対象物リセプタクルを、前記旋回軸周りに旋回させ、かつ、前記回転軸周りに回転させ、
前記プロジェクタと前記検出ユニットの光軸は、前記対象物リセプタクルの中央において交差するように配置されている、
ことを特徴とする歯科対象物の光学的計測装置。
前記対象物リセプタクルは、前記ユニットから取り外し可能となっている
請求項１に記載の歯科対象物の光学的計測装置。
前記対象物リセプタクルは、プレート形状を有する
請求項１または２に記載の歯科対象物の光学的計測装置。
前記所定パターンに配列された複数の穴は、ハニカム状である
請求項１〜３のいずれかに記載の歯科対象物の光学的計測装置。
前記プロジェクタおよび前記検出ユニットは、共通のストランドに設けられている
請求項１〜４のいずれかに記載の歯科対象物の光学的計測装置。
前記プロジェクタおよび前記検出ユニットは、対向して配置されている
請求項５に記載の歯科対象物の光学的計測装置。
前記計測処理における前記対象物リセプタクルの動作シーケンスは、自由にプログラム可能となっている
請求項１〜６のいずれかに記載の歯科対象物の光学的計測装置。
前記計測処理において、前記対象物リセプタクルの予めプログラムされた動作シーケンスは、制御装置によって呼び出すことができる
請求項７に記載の歯科対象物の光学的計測装置。