JP5714908B2 - 記録対象物体の画像を記録する方法及び記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、以下の方法ステップ、すなわち記録対象物体にストリップパターンを投影するステップと、投影されたストリップパターンを生画像としてカメラで撮影するステップと、生画像から記録対象物体の画像を算定するステップとを含む、特に歯科治療目的で記録対象物体の画像を作成する方法に関する。その場合、画像は特に加工される歯の高さ画像（Hoehebild）又は濃淡画像又はそのプリントでよい。

本発明は更に、この方法を実施する装置に関する。

例えばコンピュータ制御による加工のためのディジタル構造データを得るために、物体を直に光学的に三次元測定するため、三角法を利用することができ、三角法では投影装置から個々の光跡又は平行なストリップで構成されるパターンが記録対象物体に投影され、投影された画像は視差角を用いてフラットカメラによって再び記録される。物体の表面構造により、記録対象物体はもはや直線的には現れず、直線的な進路に対して歪んだり偏移したりする。光跡の位置と進路から記録対象物体の表面構造を推測することができる。

精度を高めるため、いわゆる位相シフト三角法（フェーズシフト三角法）が使用される。この場合、ストリップ格子の位相位置がそれぞれ異なる同じ記録領域の複数の生画像が順次生成され、これらから位相画像が算定される。次いで位相画像から較正データを用いて記録対象物体の高さ画像、又はコントラスト画像を算定することができる。高さ画像は３Ｄデータセットとして提示されてもよい。画像を正確に算定できるように、一般に正弦波形状の強度分布を有するストリップパターンが使用される。三角法及び位相シフト三角法は例えば米国特許第４、８３７、７３２号明細書により詳細に記載されている。

ストリップ投影法によって特に歯などの半透明物体を三次元測定する場合には、一般的には生データは完全に不透明な物体を測定する場合よりも画質が低下する。それは特に、半透明の物体で得られる生データの信号振幅が小さいので、そこから得られる三次元データの質が低下するということである。半透明の記録対象物体の場合は光が物体内に透過し、分散機構によって後方散乱するため、物体の表面の三次元形状に関する情報をもたらさないか、偽情報をもたらす強い背景ノイズ信号が生じる。

表面が半透明であることが生データに含まれる表面に関する三次元情報に及ぼす悪影響は、ストリップ投影で使用される格子状ストリップパターンの格子周期が大きくなればなるほど軽減される。もちろん、格子定数が大きくなると測定精度が低下する結果になる。

したがって、現在は一般的には造影剤が採用されている。この造影剤は粉末であることが多く、これは測定対象の物体に塗布され、入射光の大部分を物体表面で反射させることによって、より大きい信号振幅が得られるようにするものである。もちろん、造影剤を塗布するとコストが高くなり、その上、不均一に塗布すると測定精度が低下する。全ての半透明物体、又はより一般的には、内部で後方散乱が生ずる全ての物体で背景ノイズ信号は発生する。

ドイツ特許出願公開第１０３ ０４ １１１ Ａ１号明細書には位相シフト三角法によって得られるデータの精度を高めるアプローチが公開されており、これは生データをグループに分割して、各グループから位相画像を作成するものである。それによって得られた位相画像は、格子の周期性に因るノイズを抑制するために平均化される。しかし、このアプローチは記録対象物体内部での後方散乱が増大するという問題には役立たない。

米国特許第４、８３７、７３２号明細書 ドイツ特許出願公開第１０３ ０４ １１１ Ａ１号明細書

クレームに記載の本発明の目的は、造影剤を用いなくても十分な測定精度を達成できる、記録対象物体の画像を記録する前記の種類の方法を提示し、記録対象物体の画像を作成する装置を提供することにある。

上記の目的は、クレーム第１項に記載の方法、及びクレーム第１０項に記載の装置によって達成される。本発明の有利な変形形態は従属クレームに記載されている。
本発明は測定精度を高めるため、デューティサイクルが１未満であるストリップパターンを記録対象物体に投影することによって先行技術を再構成するものである。それによって、高さ画像又は濃淡画像を算定するための生画像を作成することができ、それぞれの方法に応じた生画像で十分である。

以下ではデューティサイクルとは、投影されるストリップパターンにより照射された領域すなわち明領域と、未照射の領域すなわち暗領域との比率であると理解されたい。デューティサイクルが１未満である場合は、投影されるストリップパターンでは明領域よりも暗領域の表面積のほうが広い。

本発明は、デューティサイクルが１未満であるストリップパターンを使用すると、原パターンの広がりが少なく、又は消滅が少なくなることに基づいている。格子定数が同じである場合は、デューティサイクルが１未満のストリップパターンを使用すると、従来から使用されているデューティサイクルが１又は１超の正弦波形状のストリップパターンよりも信号振幅が大きくなる。したがって背景ノイズ信号は、特に半透明の表面ではほとんどの領域で減少する。

デューティサイクルが小さいほど、確認できるプラス効果が大きくなる。記録対象物体に当たり、そこから反射する光強度が極めて小さいデューティサイクルまで低下することは、それに対応して画像作成時の記録時間も延びることで補償可能である。

この方法の好ましい実施形態では、ストリップパターンの投影と、投影されたストリップパターンの記録は、記録対象物体に同じ向きでカメラを配置して、ストリップパターンの複数の異なる位相位置で行うことができ、画像は互いに位相シフトされた複数のカメラ生画像から算定することができる。

したがって、精度を高めるため、格子の位相位置が異なる複数の生画像が順次作成され、これをもとに位相画像の算定が行われる。次いで位相画像から、場合によっては較正データを用いて記録対象物体の高さ画像を算定することができる。生画像からコントラスト画像も算定できる。

特に位相シフト三角法の場合は、周期的なストリップパターンが特に適している。周期的なストリップパターンに関しては、特に周期内で最大ビーム強度の５０％以上の強度で照射される領域の幅が、最大ビーム強度の５０％未満の強度で照射される領域の幅よりも狭ければ、１未満のデューティサイクルを達成できる。その際、前者の領域は光ストリップに対応し、後者の領域は暗ストリップに対応する。

周期的なストリップパターンの場合、最大ビーム強度の３０％未満の強度で照射される周期内の領域が、最大ビーム強度の５０％以上の強度で照射される領域よりも大きいことが好ましい。

高い測定精度のためには、最大ビーム強度の２０％未満の強度で照射される周期内の領域が、最大ビーム強度の５０％以上の強度で照射される領域よりも大きいことが特に好ましい。

ストリップパターンの明ストリップ及び暗ストリップの配分は例えば、二乗分布に対応するものでよい。この方法の特定の実施形態では、その強度分布がガウス分布に対応し、又は少なくとも１つの別の調波周期（Oberwellenterm）を有する正弦波分布に対応するストリップパターンが投影される。このような分布は、ストリップパターンの位相位置が異なる複数の生画像が順次作成される位相シフト三角法を使用した場合、生データの評価のために従来の正弦波分布用に用いられた公式を高さ画像又はコントラスト画像に利用できる点で、例えば二乗分布よりも有利である。

特に位相シフト三角法に関しては、それぞれの生画像での画像の評価及び算定のために、投影面での特定の位置の全ての生画像に対応する少なくとも１つの測定点を定め、そこで測定された強度を補償計算の枠内で入射強度分布と比較して、強度分布の位相位置を少なくとも１つの測定点で判定し、そこから投影面でのこの位置での記録対象物体に高さを推定することが有利であることが明らかになっている。データをこのような数値評価することによって、特に評価のために閉論理式（geschlossene Formeln）を見出せないストリップ分布の場合でも、測定データのできるだけ正確な評価が可能になる。

記載の方法を実施するのに適した本発明による記録装置は、ストリップパターンを記録対象物体に投影するための投影装置と、投影されたストリップパターンを生画像として記録するためのカメラと、少なくとも１つの生画像から記録対象物体の画像を算定する手段とを含み、投影装置は、デューティサイクルが１未満のストリップパターンを投影するように構成されている。

これは例えば、記録対象物体の投影面では明領域が暗領域よりも狭くなるように、光透過区間の幅が光不透過区間の幅よりも狭くなるように、対応する格子、又は対応する投影パターンを有する投影装置を準備することによって行うことができる。

有利には、同じ領域の異なる位相位置の複数の生画像を作成するために、記録対象物体に投影されるストリップパターンの位相位置を変更できる。

例えば、適宜の速度分布によってデューティサイクルが１未満の投影ストリップ画像が得られるようにする、本発明により作製される格子用の駆動装置を備えることができる。両方の手段を互いに組み合わせることもできる

最後に、照射ポイントを迅速に記録対象物体上に誘導し、生画像上に投影パターンが結像されるだけの十分な期間だけ生画像の作成が継続されれば、記録対象物体をポイント状に照射することによって所望の投影パターンを作成することもできる。このような投影装置は先行技術から公知である。

次に図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。各図は本発明を理解するために重要な要素だけを示す。

図１ａ及び図１ｂは、位相シフト三角法の原理による記録装置の概略図である。 図２ａ〜図２ｃは、それぞれが測定された強度分布を示す投影された様々な強度分布の対比図である。 図３ａ〜図３ｃは、ガウス強度分布を有し、デューティサイクルが１未満である本発明によるストリップパターンを示す図である。 図４ａ〜図４ｃは、第１の調波周期に対応し、デューティサイクルが１未満である正弦関数を有する分布の本発明によるストリップパターンを示す図である。 位相シフト三角法を用いた本発明による記録方法のフローチャートである。

図１ａは位相シフト三角法により動作する、全体として１０で示された記録装置の概略図である。この場合、投影装置１２はこの実施例では義歯２０である記録対象物体に投影される、平行な光跡を有する光格子を生成する。歯２０が三次元表面構造であるため、光格子線は湾曲し、不均一な間隔で歯の上に生ずる。投影ビーム１３を介して投影された画像２２は平行角をもって観察ビーム１５内に配置されたフラットカメラ１４で撮像され、評価のために評価ユニット１６に転送される。投影装置１２及びカメラ１４を構造ユニット１１として統合してもよい。

図１ｂは投影装置１２の概略的な構造をより詳細に示している。光源３０は、光格子３２を通過する光ビームを発生する。格子３２は、ストリップパターンが義歯２０上に投影されるように構成され、暗面は明面よりも大きい。そのために、格子３２はこの実施例では、義歯２０の投影面にデューティサイクルが１未満の所望の強度分布が生ずるように構成されている。位相シフト三角法の枠内で投影されるストリップパターンの異なる位相位置を調整するために駆動機構３１を使用することができる。

記録された画像はケーブル１７を介して評価ユニット１６での読出し、記憶が可能である。評価ユニット１６によって少なくとも１つの生画像から義歯２０の高さ画像が算定され、これは次いで例えば３Ｄデータセットとして保存可能である。そのために評価ユニット１６は通常のコンピュータの構成部品を備えることができる。測定プロセスの後、カメラ１４と連結された評価ユニット１６のメモリに義歯２０のディジタル三次元データモデルが格納され、これは画像、特にコントラスト画像として表示可能であり、又はコンピュータ制御による義歯の構成と製造、又は品質管理の基礎として利用できる。

図２ａ〜２ｃには、記録対象物体に投影されるような様々な強度分布が示されている。これは図２ａでは従来の正弦波分布（破線）であり、図２ｂでは方形分布（点線）であり、図２ｃではガウス分布を有するストリップパターン（破線）である。３つのストリップパターンは全て同じ格子周期と同じ最大強度を有している。もちろんそのデューティサイクルは異なっている。正弦波分布の場合、照射されない領域、すなわち暗領域と同じ数の領域が、照射される領域すなわち明領域であるが（図２ａ、デューティサイクル＝１）、方形分布及びガウスの場合は、明領域すなわち照射領域の幅は本発明により、照射されない領域、すなわち暗領域よりも狭くなるように選択される（図２ｂ、２ｃ、デューティサイクルは１未満）。

平行角をもって記録対象物体で反射した後に測定された信号が、それぞれ実線で概略的に示されている。その他の点で同じ条件ならば、デューティサイクルが１未満の場合には、測定された強度の測定された信号はデューティサイクルが１である場合の強度よりも大きく、デューティサイクルが１未満の場合は精度がより高くなることが分かる。両方とも同じ半値幅を有する方形分布とガウス分布とを比較すると、ガウス分布では暗領域のために強く照射される領域を更に縮小すれば、方形分布と比較してデューティサイクルが更に縮小され、ひいては測定された強度での更に高い信号振幅が達成されることが示されている。

方形分布の場合は、通常は信号曲線から位相又は高さ情報を評価するために正弦波分布に適用される公式は利用できないか、又は大きい体系的偏差が生ずるが、ガウス強度分布を有する格子の場合にはそれは該当しない。ガウス強度分布の場合は、体系的偏差は例えば歯又はその他の物体の写真プリントを作成する場合に、必要な測定精度の枠内で無視することができる。

ガウス強度分布の場合、デューティサイクルが１：３であることが特に好ましく、これは半値幅がストリップパターンの周期の四分の一である場合に達成される。

デューティサイクルが１：３である周期的ガウス強度分布は図３ａ〜３ｃに示されている。デューティサイクルの概念を説明するため、デューティサイクルを定量的に定める可能性が示されている。そのために、周期内で最大強度の５０％以上の強度で照射される領域の幅Ｈが定められる。更に、最大強度の５０％未満（図３ａ）、３０％未満（図３ｂ）、又は２０％未満（図３ｃ）で照射される領域の幅Ｄが定められる。正弦波分布と、デューティサイクル１を有する従来のストリップパターンと比較して測定精度を改善するため、暗領域野幅は常に明領域の幅よりも広い必要がある。強度が５０％未満の領域が明領域よりも広いだけではなく、強度が最大強度の３０％未満、又は２０％未満の領域でさえも明領域よりも広ければ、特に良好に測定精度を高めることができる。

デューティサイクルが極めて小さい場合は、測定される信号の十分な全体強度を得るために、場合によっては露光時間を延長しなければならないことに留意されたい。したがって、記録対象物体が固定記録装置を用いて測定される用途では特に小さいデューティサイクルを用いることが好ましい。固定記録装置では義歯の製造中又は製造後に管理のために義歯を測定することができる。

例えば口腔内カメラを使用して歯を撮影する場合などで可動記録装置が使用される用途では、記録装置を支える手ぶれによる生画像のぶれを避けるためにむしろ高いデューティサイクルの方が好ましい。

図３ａ〜３ｃに示したガウス強度分布を有するストリップパターンの代わりに、別の格子パターンを使用することもできる。ストリップパターンがゼロではない強度値の領域で明確な特性を有する強度分布が特に好ましい。

本発明による別のストリップパターンが図４ａ〜４ｃに示されている。これは第１の調波周期を有する正弦波分布、すなわち関数ｓｉｎ（ｘ）＋ｓｉｎ（２ｘ）に対応する強度分布である。このストリップパターンは位相シフト三角法の枠内で使用するのに特に適している。この強度分布用には、文献から知られている一般的な正接公式のピクセルごとの評価を利用して位相情報又は三次元情報を正確に算定することができる。図３ａ〜３ｃと同様に、図４ａ〜４ｃでも１周期の明領域又は暗領域の特徴が示されている。半透明の記録対象物体で造影剤を用いずに十分な測定精度に達するには、別の調波周期又は複数の調波周期を有する分布も適している。

上記のストリップパターンの有利な強度分布を使用することで、半透明の表面を有する記録対象物体の評価にとって重要な生画像内の信号振幅が増大する。

用途に応じた精度の要求基準に応じて、記録された１つ又は複数の生画像から位相情報又は三次元情報を生成可能な様々な評価が可能である。評価は、生画像が記録される受動三角法によって実行可能である。位相シフト三角法を用いることもでき、強度分布が適切ならば正弦波分布向けとして知られている標準式を使用することもできる。

更に、位相シフト三角法の場合は評価のために数値アプローチを選択することもできる。例示的な実施形態は図５に示されている。先ず、記録対象物体の少なくとも２つの生画像が、１未満のデューティサイクルを有するストリップパターンの異なる移動位置で記録対象物体の投影面で二次元検出器を用いて記録され、両方の生画像を生成する際の記録対象物体上の検出器又はカメラの配向は同一である（ステップ１０１）。

評価のために、全ての生画像内で投影面内の特定位置に対応する少なくとも１つの測定点が選択される（ステップ１０３）。この少なくとも１つの測定点について、評価算定が実施され、そこで個々の生画像内の測定点で投影された強度分布とそれぞれ比較される（ステップ１０５）。評価算定の結果から、少なくとも１つの測定点に対応する投影面内の位置での強度分布の位相位置を判定することができる（ステップ１０７）。デューティサイクルが１未満である、投影された既知の強度分布の投影面の位置での位相位置から、この位置での記録対象物体の高さを判定することができる（ステップ１０９）。その際、高さとは投影面に対して垂直な、すなわちほぼ投影面の方向の座標のことである。これは記録対象物体の表面と投影面との距離の尺度である。

ストリップの明度の連続曲線を有するストリップパターンの代わりに、不連続の、すなわち、例えばストリップ幅調整された格子として先行技術から公知である分解された、又は離散したストリップを有するストリップパターンを使用することもできる。

Claims (8)

1. 記録対象物体の画像を作成する方法であって、前記方法は、
   ａ）前記記録対象物体上に平面積のデューティサイクルが１未満であるストリップパターンを投影するステップと、
   ｂ）前記記録対象物体上に投影された前記ストリップパターンを生画像としてカメラで記録するステップと、
   ｃ）前記記録対象物体の画像を前記生画像から算定するステップと、を含み、
   強度分布がガウス分布に対応するストリップパターンが、前記記録対象物体上に投影され、前記ストリップパターンが、前記ガウス強度分布を有する格子により作成され、周期内の最大ビーム強度の５０％以上の強度で照射される領域の幅が、前記最大ビーム強度の５０％未満の強度で照射される領域の幅よりも狭い、周期的なストリップパターンが投影されることを特徴とする方法。
2. 前記ステップａ）及びｂ）は前記記録対象物体に対して同じ前記カメラの向きで、且つ前記ストリップパターンの複数の異なる位相位置で実施され、前記画像が複数の互いに位相シフトされた生画像から算定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 周期内の最大ビーム強度の５０％以上の強度で照射される領域の幅が、前記最大ビーム強度の３０％未満の強度で照射される領域の幅よりも狭い周期的なストリップパターンが投影されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 周期内の最大ビーム強度の５０％以上の強度で照射される領域の幅が、前記最大ビーム強度の２０％未満の強度で照射される領域の幅よりも狭い周期的なストリップパターンが投影されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 前記デューティサイクルが１：３であり、したがって半値幅が前記ストリップパターンの周期の四分の一であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記画像を算定するため、全ての生画像内で投影面内の特定位置に対応する少なくとも１つの測定点が各生画像から定められ、そこで測定された強度が補償計算の枠内で入射強度分布と比較されて、前記位相位置が少なくとも１つの測定点で判定され、そこから前記記録対象物体の高さが前記投影面での位置にて推定されることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 記録対象物体の画像を作成する記録装置であって、前記装置は、
   平面積のデューティサイクルが１未満であるストリップパターンを前記記録対象物体上に投影するための投影装置（１２）と、
   前記記録対象物体上に投影された前記ストリップパターンを生画像として記録するためのカメラ（１４）と、
   少なくとも１つの前記生画像から前記記録対象物体の高さ画像を算定するための評価ユニット（１６）と、を含み、
   前記投影装置（１２）は、強度分布がガウス分布に対応するストリップパターンを前記記録対象物体上に投影するように構成され、前記投影装置（１２）は、前記ストリップパターンを作成するための、前記ガウス分布を有する格子を備え、周期内の最大ビーム強度の５０％以上の強度で照射される領域の幅が、前記最大ビーム強度の５０％未満の強度で照射される領域の幅よりも狭い周期的なストリップパターンが投影されることを特徴とする記録装置。
8. 前記記録対象物体上に投影されるストリップパターンの位相位置が変更可能であることを特徴とする請求項７に記載の記録装置。

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