JP4913597B2 - 高速マルチプルライン三次元デジタル化法 - Google Patents

Description

本発明は、概括的には、物理的対象物の三次元画像化に、具体的には、対象物の三次元デジタル化のための高速マルチライン三角測量に関する。

本出願は、米国特許法第１１９（ｅ）条の下で、同時継続中の米国特許仮出願第６０／５０３，６６６号、高速複線三次元デジタル化、の利益を主張し、同出願全体は参照することによりここに組み込まれているものとする。

（関連技術）
画像化技法は、対象物を、ビデオ端末又はモニター上に三次元で視覚化する。三次元視覚化は、対象物の表面特性を図解することができる。表面特性に関係するデータは、プロセッサーによって生成されて処理され、三次元で視覚化される。

表面特性に関係するデータは、様々な視点から対象物の影像を捕捉することによって生成される。各視野は、マッピングされ又は組み合わされて、対象物の様々な表面を示す一組のデータ点が作り出される。各データ点が処理され、対象物の三次元の視覚表示が作り出される。各データ点は、対象物を寸法的に正しく表すようにコンピューター内で処理することもできる。しかしながら、データ点を生成する時間は、デジタルカメラの表示速度より遅い。

三角測量法を使用する画像化システムは、対象物の相対的な表面特性を求めるため、対象物上に１つの点又は１つの線を発する。マルチプルラインシステムは、対象物を画像化するのに同時に使える線の最大本数によって制限され、対象物の最終画像を得るのに多数の画像を必要とする。

モアレ法は、表面特性の相対的な高さマップを計算するのに複数の線を使用する可能性がある。各点は、近隣の線上の近隣の点に対して既知又は所定の相対関係を有している。線の正弦変動は、相対関係を推定するか又は等価的に位相を抽出するための三角法の解を提供する。そのような技法は、三次元画像を提供するのに複数の画像又は相当な処理時間を必要とする。

従って、三次元画像を提供するための画像の数と計算の量を最少限にする高速三次元画像化システムが必要とされている。

単に前置きとして言えば、高速マルチプルライン三次元デジタル化法は、物理的対象物を画像化して、プロセッサーを使用することによって視認し操作することのできる対象物の視覚化又は仮想化を行うことを含んでいてもよい。高速マルチプルライン三次元デジタル化は、１つ又は複数の装置、デバイス、システム、方法及び／又はプロセスによって実現することができる。

或る実施形態では、高速マルチプルラインデジタル化法は、三次元画像を取得又は捕捉するのに用いられるカメラのフレームレートと実質的に同じ程度に、取得される物理的対象物の表面に関するフルフレームの三次元データを生成する。例えば、三次元画像を捕捉するのに用いられるカメラは、フレームレートが毎秒Ｎフレームである。フルフレームの三次元データは、ｍ個の異なるパターンが投影される場合、ｍ／Ｎ秒の時間フレームで取得される。例えば、２つのパターンが投影される場合、フルフレームの三次元データは、２／Ｎ秒の時間フレームで取得される。フルフレームの三次元データは、複数の浮動小数点数によって表される複数のデータ点を含んでいる。

以上の概要は、前置きのみを目的に述べたものである。高速マルチプルライン三次元デジタル化法の特徴及び利点は、特許請求の範囲で具体的に指摘している手段及び組み合わせによって実現され、取得することができる。ここで述べたことは、本発明の範囲を定義する特許請求の範囲に何ら制限を加えるものではない。本発明の更なる特徴及び利点を以下に説明するが、説明で明らかになるものもあろうし、本発明を実施することによって知得されるものもある。

本発明は、以下の図面と説明とを参照すれば、より良く理解頂けるであろう。図面内の各構成要素は、必ずしも縮尺が合ってはおらず、本発明の原理を示すことに重きを置いている。更に、各図面を通して、同じ参照番号は互いに相当する部分を示している。

以後、添付図面を参照しながら代表的な実施形態について論じる。

図１は、デジタル化システム１００を示している。デジタル化システム１００は、カメラ１０６と、線パターン投影器又は照明装置１０４を含んでいる。カメラ１０６は、線パターン投影器１０４に対して固定されている。投影器１０４は、対象物１０２の表面１０８の一部分に、光のパターンを照射する。対象物は、画像化できるものであればどの様な物理的対象物でもよい。或る実施形態では、対象物は、歯列、又はモールド、鋳物、天然歯、調整天然歯などを含む歯科品目である。

表面１０８から反射した光は、カメラ１０６によって捕捉される。反射光のパターンに基づいて、照射された表面１０８を表す三次元データが生成される。三次元データは、照射された表面１０８の三次元画像を生成するために処理することができる。カメラ１０６は、局所座標系ＸＹで規定され、投影器１０４は、局所座標系Ｘ’Ｙ’で規定される。

図２に示すように、パターン投影器２０４は、捕捉又は読み取り期間の間、パターンを投影する。パターンは、複数の点の集合体と考えられる。点の数は、有限でも、実質的に無限でもよい。点の大きさは、有限でも、無限小でもよい。そのようなパターンの例は、複数の線で構成されているパターンである。パターンは、構造化された白色光であってもよい。

或る実施形態では、カメラ２０６は、一般的なパターン又は複数の線のパターンを画像化する高速度カメラである。カメラ２０６は、又、読み取り期間の間、複数の線のパターンを捕捉することができる。図２
に示している関係は、そのような線のパターン中の単一の点について表している。三角測量軸Ｒは、カメラ２０６からの軸光線と投影器２０４の軸光線の交点を通過すると定義することができる。軸Ｒは、カメラ２０６からの軸光線と投影器２０４の軸光線に垂直であってもよい。三角測量軸Ｒは、ＹとＹ’に実質的に平行であってもよい。投影器２０４からの有効光線とカメラ２０６への有効光線の間の最小角度θは、ゼロではない。

投影器２０４が投影する線は、曲線に沿う全ての点の法線ベクトルｎが、下記の式又は法則に従う、関連した一連の点又は曲線線分を表している：

式（１）によれば、曲線の或る点と三角測量軸Ｒの間の角度は、約４５度以上である。線は、式（１）とは無関係の関数で特徴付けられた断面強度を有していてもよい。断面強度は、正弦波変化、ガウス分布、又は何らかの断面強度に関する他の関数を有していてもよい。

カメラ２０６の局所座標系ＸＹは、更に、座標系ＸＹＺで特徴付けられていてもよく、ここで、カメラによって定義されるＸＹ座標系はＺ軸を含んでおり、Ｚ軸はＸ軸とＹ軸の両方に実質的に垂直である。軸Ｚは、光学的制限に基づく範囲のＺに関する値を含んでいる。Ｚの値は、ｄ_１≦ｚ≦ｄ_２ となるように、距離ｄ_１及びｄ_２に基づいていてもよい。Ｚに垂直な面に入射した投影された線からの１つの点は、Ｘ方向にΔＸだけ変位しているように見える。三角測量角度に基づいて、下記の状態が存在する：

複数の線Ｌ_１−Ｌ_ｎを有する投影された線のパターンでは、所与の線Ｌ_１は、固有の関数θ（ｘ）で特徴付けられる。所与の線Ｌ_１に対しては、ｄ_１ ＜ｚ＜ｄ_２の様々なｚ値に対するカメラ２０６の座標系ＸＹＺに関する線Ｌ_１の場所は、較正又は同様の処理を通して決定することができる。

観察された線Ｌ_cに対しては、最も近くにある較正された線の位置が選択され、較正された線のｘ及びｚ座標（ｘ_c，ｚ_c）を割り出すことができる。カメラ２０６は、対象物１０２への投影の間に、複数の線を観察することができる。カメラ２０６によって捕捉又は観察された線上の各観察点に対しては、その表面の点のＸＹ座標は、（ｘ_observed，ｙ_observed）として直接観測してもよい。点ｚ_observedは、変位Δｘ（Δｘ＝ｘ_observed−ｘ_c）を観測し、Δｚを計算することによって求めることができる。ｚ座標は、それから：
ｚ_observed＝ｚ_c＋Δｚ （３）
と計算される。そのボリュームの中のどの線に関しても最大変位は、
Δｘ＝（ｄ_１−ｄ_２）Ｔａｎθ （４）
で求められる。

同時に識別可能な線の最大本数ｎ_maxは：

で求められる。

同時に識別可能な線の最大本数ｎ_maxは、フィールドの深さｄ_１−ｄ_２が減少するにつれて増大する。同時に識別可能な線の最大本数ｎ_max はまた、θ_maxが減少するにつれて増大する。また、測定の精度は、θ_maxの値が小さくなるほど低下する可能性がある。更に、フィールドの深さが減少すると、デジタル化に役に立つボリュームが減少する結果となる可能性がある。

図３は、対象物３０２に向けて投影された複数の線Ｌ_１−Ｌ_ｎを有する線のパターンを示している。各線Ｌ_１−Ｌ_ｎは、曲線に沿う全ての点の法線ベクトルｎが上記式（１）に従う、関連した一連の点又は曲線線分を表している。複数の線Ｌ_１−Ｌ_ｎは、対象物３０２の表面３０８に向かって投影され、入射する。

複数のパターンの線群Ｌ_１−Ｌ_ｎを、捕捉期間の間に対象物３０２に向かって投影することができる。光のパターンは、Ａ_ｉと呼ぶことができて、ここにｉ＝１，２，・・・ｘであり、Ｌ_１−Ｌ_ｎ線を有する第１の光パターンはＡ_１と呼ばれ、後続の線のパターンはＡ_２からＡ_ｘと呼ばれる。パターンＡ_ｉの線の本数ｎは、ｎ＜ｎ_maxとなるように選択される。

式（４）によって、表面３０８に入射するパターンＡ_１の各線は、一意的に標示付け又は識別することができる。パターンＡ_１ の各線毎に、上記式を使って、線上の各点のｘ、ｙ、ｚ座標が求められる。各線Ｌ_ｉ毎に、線Ｌ_ｉに沿う表面の特徴を表すデータ点が作られる。このデータ点から、線Ｌ_ｉに沿う表面３０２の三次元表示が生成される。パターンＡ_１の全ての線から、デジタル化されている対象物の表面の近似値が求められる。

後続のパターンＡ_ｉ（ｉ＝２，・・・ｘ）では、ｎ_ｉは、パターンＡ_ｉの線の本数を表しているとする。ｉ＜ｊに対し、ｎ_ｉ ＜ｎ_ｊの条件が保持される。又、各ｉに対してｎ_ｉ＞ｎ_maxである。式（４）はもはや有効ではないので、Ａ_ｉの線の標示付け又は識別は、事前の較正段階の間に決定してもよい。

較正の段階で、Ａ_ｉの各線は、平面上で異なるＺ値に対して特徴付けられる。その特徴及び近似表面に基づいて、各標示された線に対応する既知の光の面を、近似表面３０８と交差させることによって、Ａ_ｉの各標示付きの線の近似位置が見積もられる。見積もりは、表面３０２に入射するＡ_ｉに対する観察された線のパターンと比較され、観察された線は、それに応じて標示付けされる。

図４は、第１パターンフレームの走査４１０から見積もられた近似の線のパターンが、後続のフレームの実際の線のパターン４１２と比較されている状態を、カメラ２０６によって観察されたように示している。最も近い曲線を選定することによって、複数の線Ｌ_１−Ｌ_ｎがそれぞれ一意的に標示付けされる。このように、新しい近似表面は、各標示付けされた線に式（４）を繰り返し適用することによって取得される。これは、表面の新しい、強調された近似表面と、より高密度の線のパターンを使って繰り返すことができる。

図５は、識別可能な非矩形領域を示している。或る実施形態では、識別可能な非矩形領域は、隣接する投影線Ｌ_１−Ｌ_ｎの間のエリアであると定義される。例えば、識別可能な非矩形領域は、複数の線のパターンの中の第１の線Ｌ_１と、光パターンの第２の線Ｌ_２の間の領域であると定義される。ｄ_１とｄ_２の間のｚ値に置かれた平面上に投影することのできる各線毎に、識別可能な領域は、画像化システムによって画像化されるように、各線を常に含んでいる最小の包絡線を画定する。別の線Ｌ_ｉは、個々の識別可能な領域を有する。従って、代表的な実施形態では、各線は、隣接するエリアの間に実質的に重なりが無い、個別的なエリアに投影される。

図５は、３本の線が投影されているパターンの例を、重なりのない識別可能な領域とともに示している。識別可能な非矩形領域を許容することによって、式（４）の制限は、各線毎に非矩形領域を許容することにより、全体的に最小化又は除去することができ、この非矩形領域は、実質的な重なりも曖昧さも無く圧縮することができる。同時に投影される線の本数は、各線の回りの識別できる領域を、決められた矩形のエリアではなく線の形状に従うようにすることによって増加させることができる。従って、同時に存在する線の最大数を増やすことができる。

高速マルチプルライン三次元デジタル化システム用の投影器の或る実施形態は、２軸直交ミラースキャナーを有する変調レーザー源を含んでいてもよい。スキャナーは、単一の２軸ミラーか、２つの直交方向に搭載された単軸ミラーか、又は等価なものを有していてもよい。スキャナーは、複数の線Ｌ_１−Ｌ_ｎを有する二次元の光のパターンを、光学系を通し対象物の表面に向けて投影することができる。光のパターンは、表面を照射する。表面から反射した光は、カメラによって捕捉することができる。対象物に入射するパターンは、追加の光学系、ＣＣＤ、ＣＭＯＳデジタルカメラ、又は同様の装置を通して見ることができる。線のパターンは、分析され、照射された表面を表す三次元座標に変換される。

図６は、２つのレーザー源６２０、６２２を有する或る実施形態を示している。２つのレーザー源６２０、６２２は、それぞれレーザービームを発射する。レーザービームは、集束レンズ６２４と、各レーザー源６２０、６２２からの一つの点を線に変換するラインレンズ６２６を通過する。その後、各線は、線を複数の実質的に平行な線に分割する２つの異なる回折格子６２８を通過する。実質的な可動部品無しに、複数の極小のパターンを形成することができる。

図７は、単一のレーザー源７２０を有する或る実施形態を示している。レーザー源７２０は、液晶（ＬＣ）セル７３４を使って切り替えることができる。単一のレーザー源７２０からのレーザ光ビームは、光を偏光するために波長板７３２を通過する。波長板７３２は、１／２波長板でもよい。レーザー光は、ＬＣセル７３４に基づいて、特定の方向及び／又は配向性に偏光され、その方向は、ＬＣセル７３４を切り換えることによって切り換えることができる。光の２つの可能な経路は、単一のレーザービームが２つの経路に分割されるように、ビームスプリッター７３６を通過することができる。レーザーの光点は、説明されているように処理することができる。

高速マルチプルライン三次元デジタル化システムの或る実施形態では、スキャナーとカメラは、２００３年１２月３０日出願で同時係属中の米国特許出願第１０／７４９，５７９号「歯科用のレーザーデジタイザーシステム」に記載しているように構成されていてもよく、その記述を参照することにより、ここに組み込まれているものとする。スキャナーは、２軸直交ミラースキャナーに連結されている変調レーザー源であってもよい。高速マルチライン三次元デジタル化システムの或る実施形態は、２軸直交ミラースキャナーに連結されている変調レーザー源を含んでいてもよい。スキャナーは、単一の２軸ミラーか、２つの直交方向に搭載された単軸ミラーか、又は等価なものを有していてもよい。ミラーの回転を変え、レーザービームを変調することによって、２次元のパターンを掃引することができる。パターンは、光学系を通して物理的対象物に投影され、対象物に入射しているパターンは、追加の光学系、ＣＣＤ、ＣＭＯＳデジタルカメラ、又は同様の装置を通して見ることができる。線のパターンは、分析され、表面の三次元座標に変換される。

添付した特許請求の範囲には、本発明の真の精神及び範囲に入る全ての変更及び修正が含まれるように意図している。従って、本発明は、特定の細部、代表的な実施形態、及びこの説明書において説明した例に限定されるものではない。従って、本発明は、特許請求項の範囲とそれらの等価物によって必要とされる以外には制限されない。

ラインプロジェクターに対して固定されているカメラを有する高速マルチライン三次元デジタル化システムを示している。 図１のシステムの座標の図である。 対象物の表面へ入射する線パターンを示している。 後続のフレームに関する実際の線のパターンと比較するために、第１パターンフレーム走査から見積もられた近似の線パターンを図１のカメラで観察されたように示している。 識別可能な非矩形領域を示している。 複数の光源が、液晶セルによって切り換えられる単一のレーザー源から出ている実施形態を示している。 複数のレーザー源の実施形態を示している。

Claims (18)

1. 物理的対象物をデジタル化するための方法において、
   （ａ）複数のシーケンシャルな光のパターンであって、それぞれ、複数の識別可能な同時に投影される曲線を含んでおり、第１のパターンは、第１の本数の識別可能な曲線を含んでおり、後に続くパターンは、該第１の本数の識別可能な曲線と少なくとも同じ本数の曲線を含んでいる複数のシーケンシャルな光のパターンを、対象物の表面に投影する段階であって、前記複数のシーケンシャルなパターンそれぞれの中の該複数の識別可能な曲線は、矩形ではない領域を画定し、かつ、当該矩形ではない領域に隣接する領域は、相互に重なり合わないようにする、段階と、
   （ｂ）該表面から反射した光を捕捉する段階と、
   （ｃ）該捕捉した光に従って、該表面の点の座標ｘ、ｙ、ｚを求める段階と、
   （ｄ）前記座標を使って前記物理的対象物を表現する段階と、から成る方法。
2. 該複数のシーケンシャルな光のパターンは白色光から成っている、請求項１に記載の方法。
3. 該複数の識別可能な曲線は、それぞれ、経時的には実質的に一定の強度プロフィールで特徴付けられている、請求項１に記載の方法。
4. 該複数の識別可能な曲線は、それぞれ、変調された強度パターンで特徴付けられている、請求項１に記載の方法。
5. 該複数の識別可能な曲線を光学的に生成する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
6. 複数の静的パターンの照射された線を生成するために、複数のレーザー光点を複数の光学要素を通して光学的に投影する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
7. 該複数の識別可能な曲線を生成するため、単一のレーザー源を更に備えている、請求項６に記載の方法。
8. 機械的なスイッチを使って、該複数の識別可能な曲線を生成する段階を更に含んでいる、請求項７に記載の方法。
9. 該機械的なスイッチはミラーを備えている、請求項８に記載の方法。
10. 該複数の識別可能な曲線は、電気光学スイッチを使って作られる、請求項９に記載の方法。
11. 該電気光学スイッチは液晶（ＬＣ）スイッチを備えている、請求項１０に記載の方法。
12. 該座標をコンピューターシステムで処理する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
13. 該後に続くパターンは、該第１の本数の識別可能な曲線を上回る本数の曲線を含んでいる、請求項１に記載の方法。
14. 該表面の視覚的表示として該座標を表示する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
15. 歯科用画像化システムにおいて、
    （ａ）複数のシーケンシャルなパターンであって、それぞれ、複数の識別可能な同時に投影される曲線を含んでおり、第１のパターンは第１の本数の識別可能な曲線を含んでおり、後に続くパターンは、第２の本数の識別可能な曲線を含んでいる、複数のシーケンシャルなパターンを歯科品目に向けて投影するための手段であって、パターンの中で、各曲線は、矩形ではない領域に付随しており、当該矩形ではない領域に隣接する複数の領域は相互に重なり合わないようにする、手段と、
    （ｂ）該歯科品目の表面から反射した光を捕捉するための手段と、
    （ｃ）該表面から反射して捕捉された該光に従って、該表面の特徴に関係付けられたデータ点を求めるための手段と、
    （ｄ）該データ点に従って、該歯科品目の該表面の三次元表示を表示するための手段と、
    を備えているシステム。
16. 歯科用デジタル化システムにおいて、
    （ａ）一連の照射期間のそれぞれにおいて、歯科対象物を、複数の識別可能な同時に投影される曲線を含む光のパターンで照射するように構成されている投影器であって、第１の光のパターンは第１の本数の識別可能な曲線を含んでおり、後に続くパターンは、第２の本数の識別可能な曲線を含むようにして歯科対象物を照射する投影器であって、パターンの中で、各曲線は、矩形ではない領域に付随しており、当該矩形ではない領域に隣接する複数の領域は相互に重なり合わないようにする、投影器と、
    （ｂ）各照射期間の間に反射した光に従って画像を捕捉するように構成されているカメラと、
    （ｃ）各画像に従って該対象物の表面の特徴に関係付けられた点集合を求め、該捕捉された各画像をコンパイルして該対象物の画像を形成するように構成されている制御器と、
    （ｄ）該対象物の画像を表示するためのディスプレイと、を備えているシステム。
17. 該投影器は、シングルポイントレーザー源から該複数の識別可能な曲線を光学的に生成するように構成されているレーザー源を備えている、請求項１６に記載の歯科用デジタル化システム。
18. 該投影器は、該複数の識別可能な曲線を生成するように構成されている複数のレーザー源を備えている、請求項１６に記載の歯科用デジタル化システム。

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