JP5881960B2 - テレセントリック焦点ぼかしを使用した３ｄイメージング - Google Patents

Description

本発明は、一般的には診断イメージングの領域に、特に口腔内表面の３Ｄイメージングに関する。より具体的には、本発明は、焦点変更シーケンスにおいてテレセントリック光学系を使用した３Ｄイメージングのための装置及び方法に関する。

歯及び口腔内構造の３Ｄイメージングの能力は、一般的に、歯科治療及び診断を改善し且つ歯科装置及び代替物の準備のためにより正確なデータを提供するための手助けとなることができる。この問題に対して数多くの提案された解決策があるが、これらのアプローチの各々に伴う本質的な困難さが、それらの使用可能性、精度、及びコスト有効性を制限する。

提案されてきている一つの従来のタイプのアプローチは、輪郭又は縞投影イメージングである。縞投影イメージングは、パターン化又は構造化された光を使用して、様々なタイプの複雑な構造の表面輪郭情報を得る。縞投影イメージングにおいては、干渉縞又は回折格子のラインのパターンが、所与の方向から物体の表面に向かって投影される。表面からの投影されたパターンはそれから、輪郭線の見た目に基づいて表面情報を分析するために三角測量を利用して、他の方向から輪郭イメージとして観察される。投影されたパターンがインクリメント的に空間的にシフトされて新しい位置で付加的な測定値を得る位相シフトは、典型的には縞投影イメージングの一部として適用され、表面の輪郭マッピングを完了して輪郭イメージの全体的な解像度を増すために使用される。

米国特許第５，４４０，３９３号明細書 米国特許第６，６９７，１６４号明細書

"Telecentric Optics for Focus Analysis", Nasahiro Watanabe and Shree K. Nayer, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol 19 no.12,1997 p.1360-5

縞投影イメージングは、堅く非常に不透明な物体の表面輪郭イメージングに対しては効果的に使用され、人体のいくつかの部分に対する表面輪郭のイメージング及び皮膚構造についての詳細なデータを得るために、使用されてきている。しかし、歯の透過度、光散乱、及び高い反射レベルのような技術的な障害が、表面の再構築問題を複雑化し、歯の縞投影イメージングの効果的な使用を制限する。例えば、歯の表面をコンディショニングして歯の不透明度を高める一時的なコーティングのような、これらの問題を補償する技法は、イメージングプロセスに時間及びコストを付加し、他の問題をマスクする傾向にあることがある。

口腔内３Ｄイメージングのための他の方法は、ウェンツに対する「空間、特に頬面窩洞の寸法の測定のためのプロセス及び装置」という名称の上記の特許文献１に記述されているもののような携帯形光学プローブを使用する深さ測定を含む。しかし、そのような装置は、非常に特定の測定を行うことに限定され、一つ又はそれ以上の歯の歯表面の３Ｄイメージングのためには設計されていない。例えばバベイオフらに対する「光ビームアレイを共焦点合わせすることによる３次元構造のイメージング」という名称の上記の特許文献２に教示されているような共焦点イメージング方法は、歯の表面に離散的な数多くのスポットを照明して、このサンプリングを使用して表面輪郭をマッピングする。しかし、このタイプの共焦点アプローチは、照明及びセンシング素子の比較的複雑な配置を要求する。さらに、結果として得られた表面輪郭情報は、ひとたび得られたら、それから別個のプロセス操作において歯のイメージそれ自身に対して相関付け又は登録されなければならない。

歯科用３Ｄイメージングシステムが直面しているチャレンジの中には、歯の表面の非常に明白な輪郭がある。歯の表面の全ての上に十分な光量を提供し、且つそこから反射された光を検知することは、困難であることがある。歯の異なる表面は、お互いに対して９０度の方向を向いていることがあり、歯の全ての部分の正確なイメージングのために十分な光を当てることを困難にする。

この目的のために歯の表面に付加的なコーティング又は他のコンディショニングを適用する必要なしに、歯の正確な表面輪郭イメージングを提供する装置及び方法が、再構築的な歯科治療をスピードアップし、歯冠、インプラント、又はその他の治療構造のための鋳型又はその他の表面プロファイルを得るためのもののような、表面輪郭情報を得るための従来の方法に本質的なコスト及び不便さを低減する手助けとなることが、理解できるであろう。

本発明の目的は、歯又はその他の口腔内構造の表面から３Ｄイメージデータを得ることである。関連する目的は、このイメージデータを二重テレセントリック光学システムを使用して得ることである。

これらの物体は描写的な例のみによって与えられ、そのような物体は、本発明の一つ又はそれ以上の実施形態の例示的なものであり得る。開示された発明によって本質的に達成される他の望ましい目的及び効果が生じ得て、当業者に明らかになり得る。本発明は、添付の特許請求項によって規定される。

本発明の一つの局面によれば、歯の３Ｄ表面輪郭イメージデータを得るための装置が提供され、この装置は、二重テレセントリック光学システム及び検出器アレイの一方又は両方の位置を、光軸に沿って、焦点位置列の各々まで調整するように駆動可能な焦点調整機構と、焦点調整機構と制御信号通信状態にあり、且つ検出器アレイとイメージデータ通信状態にあって、検出器アレイによって得られたイメージデータを受領し、焦点位置列の各々に対応する受領されたイメージデータを記憶するメモリを有する制御ロジックプロセッサと、を備えており、制御ロジックプロセッサがさらに、記憶された命令に応答して、記憶されたイメージデータから３Ｄ表面輪郭イメージデータを計算する。

本発明の他の局面によれば、歯の３Ｄ表面輪郭イメージデータを得るための方法が提供され、この方法は、二重テレセントリック光学システムのイメージ平面に、イメージを形成するように励起可能な検出器アレイを配置するステップと、二重テレセントリック光学システム及び検出器アレイの一方又は両方の位置を、光軸に沿って、焦点位置列の各々まで調整するステップと、列内の各焦点位置で検出器アレイからイメージデータを得て、そのイメージデータを電子メモリに記憶するステップと、得られたイメージデータにおける複数の画素の各々の焦点を計算し、画素の各々に対して、画素コントラストに従って対応する深さ値を決定するステップと、複数の決定された深さ値を組み合わせて３Ｄ表面輪郭イメージを形成するステップと、３Ｄ表面輪郭イメージを表示するステップと、を包含する。

本発明では、画素化されたイメージ検出器が表面情報を得るために使用されるので、得られたイメージデータは、計算された表面輪郭データとともに容易に表示されることができる。

本発明の前述及び他の目的、特徴、及び効果は、添付の図面に描かれているような本発明の実施形態の以下のより具体的な記述から明らかになるであろう。図面の構成要素は、必ずしも相互にスケール合わせされていない。角度的及び空間的な関係は、特に興味のある原理又は振る舞いを描くために、圧縮又は誇張された方法で提示され得る。

従来の非テレセントリック光学系の拡大効果を示す模式図である。 物体テレセントリック光学系の振る舞いを示す模式図である。 物体テレセントリック光学系の振る舞いを示す模式図である。 二重テレセントリック光学系の振る舞いを示す模式図である。 本発明の局面に従って二重テレセントリックイメージング装置の振る舞い及びいくつかの基本的な構成要素を示す模式図である。 本発明の実施形態が、物体フィールド及びイメージフィールドで、どのようにテレセントリック光のパターンを利用するかを示す模式図である。 本発明の局面に従って二重テレセントリック光学システムから３Ｄ深さ情報を得るためのシーケンスを示すロジックフロー図である。 本発明のある実施形態に従った口腔内イメージングシステムの構成要素を示すブロック図である。 焦点を変えて深さ検出を可能にするための検出器の動きの使用を示す模式図である。 焦点を変えて深さ検出を可能にするためのレンズの動きの使用を示す模式図である。 表面輪郭を示すイメージを再構築するために、各々が異なる焦点における複数のイメージの使用を示す図である。 深さ焦点ぼかしイメージングのための偏光照明を使用するイメージング装置の模式図である。 ある実施形態に従って、焦点情報を使用して、歯に対するプロファイルデータと表面再構築の一部とを示す図である。 ある実施形態に従って、焦点情報を使用して、歯に対するプロファイルデータと表面再構築の一部とを示す図である。 ある実施形態に従って、焦点情報を使用して、歯に対するプロファイルデータと表面再構築の一部とを示す図である。 例外的に滑らかで、正確な表面データを得るためのチャレンジを提示する人工的な歯の表面の一部を示す図である。 例外的に滑らかで、正確な表面データを得るためのチャレンジを提示する人工的な歯の表面の一部を示す図である。 図１４Ａ及び図１４Ｂに示された滑らかな表面に対する深さ検出に関して、投影されたパターンの使用を示す図である。 図１４Ａ及び図１４Ｂに示された滑らかな表面に対する深さ検出に関して、投影されたパターンの使用を示す図である。 投影縞イメージングの局面を深さ焦点ぼかしイメージングと組み合わせるイメージング装置の模式図である。

以下は、本発明の好適な実施形態の詳細な記述であり、図面が参照されるが、これらの図面では、同じ参照番号がいくつかの図面の各々において構造の同じ構成要素を指す。

本発明の装置及び方法は、テレセントリック焦点ぼかしを使用することによって、イメージから３Ｄ深さ情報を得る。本発明の原理及び操作をより完全に理解するために、一般的にテレセントリック系を総括すること、より具体的には、本発明の装置の二重テレセントリック光学系の操作を記述することが、有益である。

図１の模式図は、従来の非テレセントリックイメージングシステムにおいて、レンズ１０がどのようにしてイメージを形成するかを示している。レンズ１０の左側の物体空間において、物体Ａ、Ｂ、及びＣは全て同じ高さである。しかし、イメージ空間においては、イメージＡ’、Ｂ’、及びＣ’は高さが異なっている。この従来のモデルに従うと、物体がレンズから遠いほど、実効倍率は低くなる。

図２の模式図は、物体空間テレセントリック光学装置の原理を示す。図１の非テレセントリックの例とは異なり、図２の物体Ｃから発している中央線として（仮想線によって）示されている物体フィールドからの主光線は、光軸ＯＡに平行である。絞り２２は、物体フィールドからの光線の角度範囲を制限する。物体側では、主光線は光軸に平行である。物体空間テレセントリック光学系は、図２に示す基本的配置を有し、レンズ２０が物体フィールドからの光を受け取るために十分に大きな直径を有していることを必要とする。数多くの物体空間テレセントリックレンズが、特定の用途に対して入手可能である。しかし、必要とされる大きな視野のために、物体空間テレセントリック系は、多くのタイプのイメージングシステムについては実用的ではない。

図３の模式図は、イメージ空間テレセントリック光学装置を示す。この配置では、イメージフィールドにおける主光線は、光軸に平行に延びる。したがって、倍率は、イメージ位置が光軸に沿ってシフトして焦点が変わっても、一定のままである。一定の倍率では、イメージ処理のためにイメージを再スケーリングして登録する必要が無い。イメージテレセントリック光学系に対するこの利点を認めて、上記の非特許文献１であるIEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligenceの第19巻第12号（1997）第1300-5頁における「焦点分析のためのテレセントリック光学系」という名称の文献で、研究者マサヒロ・ワタナベ及びシュリー・Ｋ・ネイヤーは、商業的に入手可能なマシンビジョンレンズを使用したイメージ空間テレセントリックシステムを記述している。開口の適切な配置を使用することによって、ワタナベらは、焦点ぼかしからの深さの決定に基づいた距離センシングのために使用されるイメージ空間テレセントリックシステムに対して、既製品のレンズをどのように変換するかを記述している。

イメージ空間でのみテレセントリックなワタナベらの文献に記述されたイメージシステムは、マシンビジョンシステムの性能を改善するために使用されることができるが、歯科用イメージング用途における使用に対しては望ましいものではなくする数多くの欠点を有する。例えば、比較的鋭いエッジを有する歯又はその他の物体のヘッドオンイメージングから影が生成されることがある。加えて、センサ画素は、センサが光軸に沿って動くにつれて、異なる物体点に対応する。したがって、イメージ空間テレセントリック光学系を使用するときには、深さ情報を抽出するためにスケーリング調整が必要になる。

本発明の実施形態は、やはりテレセントリック光学設計原理を使用して、しかし上述の制約及び制限無しに、歯科用イメージング用途に対する深さ検出の問題を克服する。本発明の操作及び特徴をより完全に理解するために、最初に図２を参照して先に記述された物体側テレセントリック系、ならびにワタナベらによって教示され且つ図３を参照して先に記述されたイメージ側テレセントリック系の両方を提供する二重テレセントリックイメージング装置を概観することが、まず有用である。

二重テレセントリックイメージング装置は、図４に模式的に示される配置を有する。ここで、絞り２２は、レンズ２０及び３０の共通の焦点Ｆに置かれ、主光線は物体及びイメージ空間の両方で平行である。イメージ空間では、イメージＡ’、Ｂ’、及びＣ’は、レンズ２０からのそれらの距離に関わらず、同じ高さの物体Ａ、Ｂ、及びＣに対して同じ高さである。

図４に示される二重テレセントリック光学配置に関して、数多くの関連する観察がなされることができる。
(i)倍率は維持される。頂点の調整にかかわらず、物体フィールドにおける各物体の倍率は同じままである。可変焦点では、イメージは、焦点が変わるにつれて系統的にぼける。
(ii)テレセントリックレンズは、任意の焦点位置で、物体フィールドを同じ視角度から「見る」。
(iii)物体上の任意の点で、主光線角度は零であるか又は少なくとも非常に小さく、典型的には１度の数分の一以内である。同様に、イメージ平面内の主光線角度もまた非常に小さい。
(iv)物体側テレセントリックシステムに対して記したように、対物レンズ２０は、物体フィールドからの光を受けるために、依然として十分な直径を有していなければならない。実用上は、これは、レンズ２０の直径が、撮像されるべき歯の表面の寸法よりも大きいべきであることを意味する。
(v)各画素（イメージ点）は、単一の物体点のみに対応する。

図５を参照すると、本発明の一つの実施形態に従った歯科用イメージングのために使用される二重テレセントリックイメージング装置４０の模式図が示されている。歯１２は、物体フィールドに示されている。主光線の周囲に集まっている狭い円錐状の光線は、歯１２の表面上の点Ｑから発しているように示されている。レンズアセンブリ２６は、少なくともレンズ２０及び３０を有し、レンズ２０及び３０の共通の焦点に開口２２を含む。ＣＭＯＳ又はＣＣＤ検出器アレイのような画素化されたイメージを形成するように励起可能な検出器アレイ２４の上で、物体点Ｑが点Ｑ’に、すなわち、点Ｑ’に対応する画素センサに、イメージングされる。先に記したように、検出器アレイ２４の上のＱ’の位置は、イメージング装置４０の焦点のあらゆる変化に対して変わらない。すなわち、二重テレセントリック設計のために、Ｑ’における画素センサは、イメージング装置と歯との間の距離に関わらず、歯１２の上の点Ｑから受け取った光を検出する。このようにして、（上記で(i)に述べたように）倍率が維持されるので、物体フィールドの各点は、イメージ平面を形成する２次元イメージに対応する点の位置を有し、イメージ平面におけるこの点の位置が、あらゆる焦点調整に対して維持される。検出器アレイ２４は、モノクロでもカラーでもよい。口腔内イメージング装置のコンパクトな配置は、図５に示されるように、検出器アレイ２４及びレンズアセンブリ２６が、光軸の経路の向きを変える回転ミラー又はその他の装置なしに、一方向に延在する光軸に沿って位置合わせされている実施形態にて、提供される。

本発明の装置及び方法は、歯の表面に沿った深さの差を検出するために、この一定倍率及びそれに引き続く静止瞳位置の原理を、可変焦点とともに利用する。この深さ情報は歯の上の全ての画素に対して入手可能であるので、歯の表面輪郭がそれから、決定されることができる。図６の模式図は、テレセントリック光が深さ測定のためにどのように使用されるかを示している。図示されるように、歯１２は左の物体フィールドにあり、イメージングのために不規則表面を与えている。表面点Ｑ１、Ｑ２、及びＱ３の各々からの光はテレセントリックであり、各点からの主光線は光軸ＯＡと実質的に平行である。右のイメージフィールドでは、検出器アレイ２４は、各表面点Ｑ１、Ｑ２、及びＱ３にそれぞれ対応する画素Ｑ１’、Ｑ２’、及びＱ３’を有する。この表面点対画素の対応は、各焦点位置で維持される。図６に表されているように、表面点Ｑ２は検出器アレイ２４に対して焦点が合っており、画素Ｑ２’は歯１２の上のその点からの焦点が合った光を受け取る。一方、表面点Ｑ１及びＱ３は焦点から外れている。図６に表されているように、焦点は、光軸ＯＡに沿った検出器アレイ２４の相対位置に関連している。両点Ｑ１及びＱ３に対して、焦点は、検出器アレイ２４の現在の位置の左にある。これより、対応する画素Ｑ１’及びＱ３’で受け取られる光は、この図に示されるように、焦点位置を通り過ぎる。

先に図３に示したイメージ空間テレセントリック配置では、焦点調整のために利用可能な唯一の手段は、光軸ＯＡに沿った検出器アレイ２４の動きであった。しかし、イメージング装置４０の二重テレセントリック配置では、図５に示されるように、焦点距離が様々な方法で、すなわち、引き続いてさらに詳細に記述されるように、検出器アレイ２４を光軸ＯＡに沿って動かすことによって、あるいはレンズアセンブリの位置を検出器アレイ２４に対して動かすことによって、あるいはレンズアセンブリ及び検出器２４の両方をユニットとして動かし、歯１２までの距離を変えることによって、変えられることができる。各表面点における３Ｄ深さ情報は、その点についての焦点にて、レンズアセンブリに対する検出器アレイ２４の相対位置を使用して、得ることができる。

図７のロジックフロー図は、引き続いてより詳細に記述されるように、焦点の変更及びデータの処理のための追加の構成要素とともに図５の光学構成要素の配置を使用して、深さデータから３Ｄ表面輪郭情報を得るために使用される基本的な処理シーケンスを示す。イメージングステップＳ８０で、ステップ状焦点位置列が利用される。歯の複数のイメージ１‥Ｎが獲得され、Ｎ個の焦点位置の各々でイメージが一つ形成されている。ある実施形態では、Ｎは１００である。このイメージの獲得は自動的に行われ、オペレータは単純に、自動プロセスがイメージ獲得の反復シーケンスを実行し、それから列内の次の焦点位置に移動する間に、イメージング装置４０を所定の位置に保持しているだけである。ある実施形態では、連続的な焦点位置は、１０μｍの均等間隔だけ離れて配置されている。

図７のロジックフローを続けると、ステップＳ８０でひとたび複数のイメージが獲得されて電子メモリに記憶されると、ループステップＳ９０がそれから実行される。ループステップＳ９０は、Ｎ個の記憶されたイメージのいずれかの中のどの画素が焦点が合っているかを決定する焦点評価ステップＳ１００の実行を制御する。各画素に対する対応する焦点位置がそれから、焦点記憶ステップＳ１１０で記憶される。深さ計算ステップＳ１２０がそれから、記憶された焦点位置データを使用して実行されることができて、各画素に対する深さ情報を記憶する。最後に、３Ｄ表面輪郭が、記憶された深さデータから決定されることができる。３Ｄ輪郭データはそれから、電子メモリに記憶され、表示され、あるいは引き続く処理で使用されることができる。

イメージ処理の観点から、図５に関してここで記述される二重テレセントリック光学系及び図６を参照して記述される焦点配置で、図７のプロセスを使用して表面輪郭情報を得ることは、図６のＱ２のようなシーン内の単一の点を考慮することによって、よりよく理解されることができる。ある領域における焦点の指標が相対コントラストであることは、当業者には良く知られている。ある領域のコントラストの指標は、今度は分散である。

イメージ画素レベルで、焦点から外れた条件は、イメージとぼかしフィルタとの畳み込みの結果と考えることができる。ぼかしフィルタは、イメージの高周波数成分を低減する。先に記されたように、テレセントリックシステムの一つの局面は、イメージ平面がシフトされるときにイメージの拡大が無いことである。したがって、シーン内の点（この例ではＱ２）の位置は、各イメージで同じ画素位置（Ｑ２’）を有する。焦点平面がシフトされると、隣接画素の窓は、シーンの同じ部分を含む。画素の近隣における他の画素の分散を計算し、焦点列における各イメージでこのタイプの計算を使用することによって、全焦点位置、すなわちイメージ平面位置における画素のコントラストの指標を得ることができる。最大の分散値を与える焦点位置が、選択された単一の点（Ｑ２）が最良の焦点状態にある画素（Ｑ２’）を提供する場所を示す。良く知られた薄いレンズの等式及びその他のカメラパラメータを使用して、画素の深さの推定値が、この焦点情報を使用して容易に推定されることができる。この手順は、全画素について反復的に実行されることができて、全画素に対する深さ推定値をもたらす結果となる。

図８のブロック図は、図６及び図７を参照して記述されたステップ状焦点位置列でイメージング装置４０を使用して３Ｄイメージデータを提供する３Ｄイメージングシステム５０を示す。制御ロジックプロセッサ４４は、焦点調整の座標の整合を取り、深さ情報を提供するために必要な計算を実行する信号を提供する。焦点位置列の各々への焦点調整に対して、制御ロジックプロセッサ４４は、焦点調整機構を提供するアクチュエータ２８と、制御信号通信状態にある。制御信号は、制御ロジックプロセッサ４４で開始され、列内の各位置へのアクチュエータ２８の動きを生じさせる。

列内の各焦点位置に対するイメージデータを獲得及び記憶するために、制御ロジックプロセッサ４４は、検出器アレイ２４とイメージデータ通信状態にある。イメージデータ通信は、例えばパラレル又はシリアルデータ接続によることができる。記憶された命令に応答して、制御ロジックプロセッサ４４は、各焦点位置に対するイメージデータを、制御ロジックプロセッサ４４の外部にあってもよいコンピュータアクセス可能な電子メモリ４８に記憶する。制御ロジックプロセッサ４４は、表面情報を提供するために必要とされるイメージ処理を実行するか、あるいは、この処理を実行するために外部プロセッサと通信する。口腔内イメージング装置の内部、又は外部に設けられたプロセッサの組み合わせが、ロジック処理機能を実行し得る。ディスプレイ４６は、イメージングシステム５０の一部として提供され、イメージ獲得シーケンス及び３Ｄ表面データ処理に引き続いて、表示されたイメージを提供する。有益なことには、フルカラーイメージが得られて、計算された表面情報とともに表示されることができる。

焦点位置は、物体側ではレンズアセンブリ２６と歯１２との間の相対距離、あるいはイメージ側ではレンズアセンブリ２６と検出器アレイ２４との間の相対距離を調整することによって、変えられることができる。この焦点調整は、数多くのやり方によって実行されることができる。一例として、図９及び図１０の模式図は２つの異なる方法を示し、ここでは、複数の焦点位置が、本発明のイメージング装置４０を使用して焦点調整機構８０によって達成されることができる。図９はイメージング装置４０のある実施形態を示し、これは、検出器アレイ２４と動作的に接続され且つ二重テレセントリック光学システムのイメージ空間における検出器アレイ２４に対する焦点の相対位置を多くの焦点位置の各々に対して連続的に調節するように駆動可能なアクチュエータ２８を有する。示されている実施形態では、アクチュエータ２８は、光軸ＯＡに沿って、レンズアセンブリ２６に対して検出器アレイ２４をインクリメント的に動かし、それによって焦点をある位置から次の位置へ変える。

図１０はイメージング装置４０の他の実施形態を示し、これは、レンズアセンブリ２６に動作的に接続されて、関連する光学素子を光軸ＯＡに沿って動かして、それによって焦点をある位置から次の位置へ変える焦点調整機構８０のアクチュエータ２８を有する。この実施形態では、検出器アレイ２４は、光軸ＯＡに沿って動かない。

複数の焦点位置を達成するための第３の技法は、検出器アレイ２４及びレンズアセンブリ２６の両方を光軸ＯＡに沿って単一のユニットとして、歯１２又はその他の歯科的特徴に向かって又は離れるように動かすことである。この技法に対しては、検出器アレイ２４及びレンズアセンブリ２６は、お互いに対して光軸に沿ってある位置に固定されるが、焦点調整機構８０の一つ又はそれ以上のアクチュエータ２８によって、数多くの焦点位置の各々に一緒に動かされる。図１０は、破線で輪郭が示され、レンズアセンブリ２６の動きとともに検出器アレイ２４をシフトするように配置されたオプションのアクチュエータ２９を有するある実施形態を示している。代替的な実施形態では、単一のアクチュエータが使用される。

焦点調整機構８０のアクチュエータ２８は、十分に小さな増分で制御可能な動きを許容するように駆動可能な数多くのタイプの装置のいずれであっても良い。ある実施形態では、アクチュエータ２８はリニア圧電アクチュエータである。ステッピングモータ、あるいはボールねじ、ベルト、又は必要な空間分解能を提供することができるその他の適切な機構を有する他のタイプの回転モータが、代わりに使用されることができる。

図１１は、イメージング装置４０によって得られた複数のイメージから、どのようにして３Ｄ表面イメージが再構築されるかを示す図である。図８を参照して先に述べられたように、各焦点位置で、イメージ３２が検出器アレイ２４によって獲得され、制御ロジックプロセッサ４４によってアクセス可能な電子メモリに記憶される。制御ロジックプロセッサ４４は、深さ計算ステップＳ１２０及び表面形成ステップＳ１３０（図７）のロジックを実行し、焦点情報を分析して各画素に関連する深さ情報を計算する。その結果は、画素深さ計算から再構築される３Ｄ輪郭イメージ３６であり、表示され、ネットワークを介して伝送され、あるいは記憶されることができる。図１１の例に示されているように、画素Ｑ１’、Ｑ２’、及びＱ３’の各々は、異なる深さにあって、これより異なる獲得イメージ３２から得られる歯の表面を表す。

イメージング装置に対する照明は、イメージング装置に対する補助アタッチメントを含む別個の光源によって提供されることができ、照明光路は二重テレセントリック光学システムを通るか又はその外にある。あるいは、図１２の実施形態に示されているように、一様な照明場が、イメージング装置４０の内部にあるか、又は例えば光ファイバを使用してイメージング装置４０に当てられる光源５２によって、提供されることができる。共焦点イメージング設計とは異なり、照明光路は二重テレセントリック光学系を通って延在する必要は無い。投影光学系６４は、物体フィールドに渡って一様なビームとして照明を提供するように、提供される照明をコンディショニングする。図１２の実施形態では、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はその他の固体光源のような光源５２が、ビームスプリッタ５４を使用して歯１２に光を当てる。これは、光源５２からの光の少なくともいくらかが歯の表面を照明し、そこから反射されて深さ検出のために使用されることを可能にする。白色光源とも言われる多色性光源がある実施形態では使用されて、歯のカラーイメージを提供する。しかし、一つ又はそれ以上の光源を有する配置が、使用されることができる。

あるいは、偏光状態の光が照明光源として使用されることができる。偏光状態の光は、例えば鏡面反射を低減するという利点をもたらすことができる。再び図１２の模式図を参照すると、ビームスプリッタ５４は偏光ビームスプリッタであることができて、これは、一つの偏光状態の光を歯１２に当てて、検出器アレイ２４における深さ検出のために、直交する偏光状態の反射光を透過させる。他のタイプの偏光子が、代わりに使用されることができる。オプションの偏光子５６もまた、受領される光の経路に設けられ得る。

多くの歯及び他の歯科的物体に対しては、図７のシーケンスを使用した深さイメージングのために十分なテクスチャ又は粗さがある。図１３Ａ〜１３Ｃは、深さイメージングが成功した図１３Ａにおける例示的な歯１２を示す。図１３Ｃにおけるグラフ７０は、ノイズフィルタリング前の生の測定データを示しており、これは、歯の表面のプロファイルを得るために明らかに使用可能である。図１３Ｂのイメージ７２は、このデータを使用して得られる再構築された表面の一部を示す。

しかし、図１４Ａ〜１４Ｂの代替的な例は、例外的に滑らかで、そこからデータを得ることがより困難な人工の歯１２の表面の一部を示す。イメージ７４は、図７の焦点技法及びシーケンスによる表面再構築の結果を示す。イメージ７４が示すように、表面情報は、この例に対しては比較的不明瞭である。

図１４Ａ〜１４Ｂの例が示すように、表面輪郭情報を得るためにコントラスト及び分散データを使用することは、いくつかの制限を有し得る。例えば、ある範囲で特徴が無く非常に滑らかであると、測定されたコントラスト又は分散をノイズから区別することが困難になることがある。先に紹介されたぼかしフィルタ処理モデルを再び考慮すると、ぼかしは、認知可能な高周波成分が無いイメージに対しては効果が無いことが認められる。

この制約を克服して、図１４Ａ〜１４Ｂに示されたもののような滑らかな歯の表面から輪郭データを得ることを可能にするために、シーンのトポグラフィが損なわれなければ、歯の表面の小さな変動を強調する手助けになる手段を使用することができる。そのような手段は、例えば、細かい微粒子を塗布することによるシーンのダスティングを含む。

図１４Ａ〜１４Ｂに示されたもののような滑らかな表面条件に対する表面輪郭の強調のための他の方法は、シーン上へのテクスチュアパターンの投影である。そのときには、付加的な情報を、投影されたパターンに対する焦点情報を使用することによって得ることができる。図１５Ａ〜１５Ｂを参照すると、パターン７８が、図７のシーケンスの間に歯１２に投影される。焦点情報は、投影されたパターンから計算され、改良された再構築表面イメージ７４をもたらす。

図１５Ａ〜１５Ｂが示すように、パターン化された照明は、深さ焦点ぼかしとともに使用されると、歯の表面のイメージングに対して、より高い精度を提供することができる。本開示の文脈では、「パターン照明」又は「パターン化された照明」という用語は、縞投影又は「輪郭」イメージングのために使用されるタイプの構造化された照明を記述するために使用される。パターン自身は、パターン特徴として、複数の線、ドット、チェッカーボード、あるいは、照明されている範囲に分布して所定の空間周波数を有して所定の周期で繰り返して生じる他の幾何学的形状を含むことができる。チェッカーボードパターンのような２次元パターンは、投影された平行線に対して、表面輪郭情報を提供するに当たっての利点をもたらす。照明パターンは物体表面にテクスチュアを与え、これによって、より高い空間解像度でコントラストマップを抽出する手助けになる。照明パターンは、深さ精度及び解像度を最大にするようにチューニングされる。この方法は、比較的滑らかな表面を有する物体に対して特に有効であり、例えばコーティング又は粉末とともに使用されることができる。

図１６を参照すると、歯１２の表面にパターン化された照明を当てるように励起可能なパターン生成器６０を含むイメージング装置４０の模式図が示されている。パターン生成器６０は、ある実施形態では固体光源であり、制御ロジックプロセッサ４４とイメージデータ通信状態にあって、歯の上に一つ又はそれ以上の異なるタイプのパターンを形成する。２００９年４月１６日付けで出願されたリィアンに対する「偏光縞投影を使用した歯科用表面イメージング」という名称の共通に譲渡された米国特許出願第１２／４２４，５６２号に記されているように、付加的な偏光素子を使用して、パターンイメージ投影性能を改善することができる。これは、例えば先に図１２に示されたように、パターン化された照明に対して偏光ビームスプリッタ５４及び分析器５６を含む。深さイメージングとともに使用されると、構造化された投影パターンは、従来の投影縞イメージングにおいてのように、位相シフトを必要としない。これは、焦点検出アルゴリズムが、パターン自身を含むイメージ上で動作するからである。

パターンをシーン上に投影する場合、投影されたテクスチュアパターンの幾何学的模様は、分散を計算するために使用される窓の寸法に匹敵する必要がある。妥当な常識的な方法は、投影されたテクスチュアの一サイクル全てが窓内に含まれることである。そうでなければ、分散を推定するために使用された統計値が、結果を歪曲する空間的相関を有することがある。

しかし、微粒子が塗布されたりパターンが投影されたりしても、結果として得られるイメージは、深さ又は表面形状の程度を任意の度合いの確かさで推定するために十分な情報を含んでいないことがある。例えば、鋭いエッジや、イメージングシステムの焦点範囲の外に位置するシーン内の点、例えば期待される対象距離をはるかに越える点が、存在し得る。このような場合には、これらの範囲を特定して画素にフラグを付けることが有用であることができる。これらの画素を特定する一つの方法は、選択されたイメージ平面における対象の画素の周囲の分散を、そのイメージ平面の位置の最大範囲におけるその画素の分散と比較することである。分散の最大の差がある所定の閾値よりも小さければ、そのときには、その画素は不定と特定される。ある実施形態では、１０分散単位という閾値が経験的に導き出されて、信頼できない深さ推定値を有する画素の妥当な特定をもたらした。

二重テレセントリック光学システムと調整可能な焦点機構との組み合わせが、本発明の実施形態で使用されているように、焦点情報からの深さ検出を可能にすることに留意されたい。共焦点深さ検出又は縞投影装置のような他の装置とは異なり、本発明のイメージング装置４０は、マッピングされた点から、又は投影された縞パターンからではなく、歯の連続的な２Ｄイメージから、焦点情報を得て使用する。他の輪郭イメージングアプローチに対するこの配置の利点は、輪郭情報は、ひとたび得られると、その輪郭情報がイメージの各画素に対して計算されることができるので、他のイメージ内容とより容易に相関されることができる点である。カラー又はモノクロイメージを得ることができる。

本発明が、現時点で好適な実施形態を特に参照して、詳細に記述されてきたが、変形及び改変が本発明の思想及び範囲内で行われ得ることが理解される。例えば、本発明は、歯ならびに他の口腔内構造から深さ情報を得るために使用されることができる。図８を参照して記述された制御ロジックプロセッサ４４は、マイクロプロセッサ、専用プロセッサ、コンピュータ又はコンピュータワークステーション、あるいは一つ又はそれ以上のネットワークコンピュータ、ワークステーション、あるいはホストプロセッサのような、記憶された命令に応答する数多くのタイプの制御ロジック装置のいずれかであることができる。

したがって、現時点で開示された実施形態は、あらゆる局面で描写的であり、制約的ではないと考えられる。本発明の範囲は添付の特許請求項によって示され、その等価物の意味及び範囲内に入る全ての変化は、その中に含まれることが意図される。

本実施形態には、以下の技術事項が含まれることを付言しておく。
＜技術事項１＞
歯の３Ｄ表面輪郭イメージデータを得るための装置であって、
前記歯の表面のイメージを検出器アレイの上に形成するように構成された二重テレセントリック光学システムと、
前記二重テレセントリック光学システム及び前記検出器アレイの一方又は両方の位置を、光軸に沿って、焦点位置列の各々まで調整するように駆動可能な焦点調整機構と、
前記焦点調整機構と制御信号通信状態にあって焦点位置を調整し、前記検出器アレイとイメージデータ通信状態にあって前記検出器アレイによって得られたイメージデータを受領し、前記焦点位置列の各々に対応する受領されたイメージデータを記憶するメモリを有する、制御ロジックプロセッサと、
を備えており、
前記制御ロジックプロセッサがさらに、記憶された命令に応答して、前記記憶されたイメージデータから前記３Ｄ表面輪郭イメージデータを計算する、装置。
＜技術事項２＞
前記検出器アレイがＣＭＯＳ又はＣＣＤ検出器である、技術事項１に記載の装置。
＜技術事項３＞
前記焦点調整機構が圧電アクチュエータを備える、技術事項１に記載の装置。
＜技術事項４＞
前記制御ロジックプロセッサがさらに、記憶された命令に応答して、前記記憶されたイメージデータにおける複数の画素の各々の相対的焦点を検出する、技術事項１に記載の装置。
＜技術事項５＞
前記歯に照明を当てる多色性光源をさらに備える、技術事項１に記載の装置。
＜技術事項６＞
前記光源が、前記二重テレセントリック光学システムの外部にある照明経路を有する、技術事項５に記載の装置。
＜技術事項７＞
前記照明経路に偏光子をさらに備える、技術事項５に記載の装置。
＜技術事項８＞
前記歯の表面に照明パターンを当てるように励起可能なパターン生成器をさらに備える、技術事項１に記載の装置。
＜技術事項９＞
前記焦点調整機構が前記光軸に沿った位置に前記二重テレセントリック光学システムの素子を動かすように駆動可能であるが、前記検出器アレイは動かさない、技術事項１に記載の装置。
＜技術事項１０＞
前記焦点調整機構が前記光軸に沿った位置に前記検出器アレイを動かすように駆動可能であるが、前記二重テレセントリック光学システムのレンズ素子は前記光軸に沿って静止したままである、技術事項１に記載の装置。
＜技術事項１１＞
歯の３Ｄ表面輪郭イメージデータを得るための方法であって、
二重テレセントリック光学システムのイメージ平面に、イメージを形成するように励起可能な検出器アレイを配置するステップと、
前記二重テレセントリック光学システム及び前記検出器アレイの一方又は両方の位置を、光軸に沿って、焦点位置列の各々まで調整するステップと、
前記列における各焦点位置で前記検出器アレイからイメージデータを得て、前記イメージデータを電子メモリに記憶するステップと、
前記得られたイメージデータにおける複数の画素の各々の焦点を計算し、前記画素の各々に対して、画素コントラストに従って対応する深さ値を決定するステップと、
前記複数の決定された深さ値を組み合わせて３Ｄ表面輪郭イメージを形成するステップと、
前記３Ｄ表面輪郭イメージを表示するステップと、
を包含する、方法。
＜技術事項１２＞
前記歯に照明を当てるステップをさらに備える、技術事項１１に記載の方法。
＜技術事項１３＞
前記二重テレセントリック光学システム及び前記検出器アレイの一方又は両方の位置を調整するステップが、圧電アクチュエータを励起するステップを包含する、技術事項１１に記載の方法。
＜技術事項１４＞
前記二重テレセントリック光学システム及び前記検出器アレイの一方又は両方の位置を調整するステップが、アクチュエータを励起して前記検出器アレイを動かすステップを包含する、技術事項１１に記載の方法。
＜技術事項１５＞
前記歯に照明を当てるステップが固体光源を励起するステップを包含する、技術事項１２に記載の方法。
＜技術事項１６＞
歯の３Ｄ表面輪郭イメージデータを得るための装置であって、
前記歯の表面に照明パターンを当てるように励起可能なパターン生成器と、
イメージを形成するように励起可能な検出器アレイと、
前記歯の表面から反射された光を前記検出器アレイに当てるように配置された二重テレセントリック光学システムと、
前記二重テレセントリック光学システム及び前記検出器アレイの一方又は両方の位置を、光軸に沿って、焦点位置列の各々まで調整するように駆動可能な焦点調整機構と、
前記検出器アレイ及び前記パターン生成器とイメージデータ通信状態にあって、命令に応答して、前記焦点位置列の各々に対して前記イメージデータをメモリに記憶し且つ前記記憶されたイメージデータから前記３Ｄ表面輪郭イメージデータを計算する、制御ロジックプロセッサと、
を備える、装置。
＜技術事項１７＞
前記検出器アレイがＣＭＯＳ又はＣＣＤ検出器である、技術事項１６に記載の装置。
＜技術事項１８＞
前記焦点調整機構が前記二重テレセントリック光学システムの構成要素を光軸に沿った位置まで動かす、技術事項１６に記載の装置。
＜技術事項１９＞
前記焦点調整機構が前記検出器アレイを光軸に沿った位置まで動かす、技術事項１６に記載の装置。
＜技術事項２０＞
前記照明パターンがチェッカーボードパターンである、技術事項１６に記載の装置。

１０，２０，３０ レンズ、２２ 絞り、２４ 検出器アレイ。

Claims (4)

1. 歯の３Ｄ表面輪郭イメージデータを得るための装置であって、
   前記歯の表面のイメージを検出器アレイの上に形成するように構成された、２つのレンズのうちの一つが対物レンズである二重テレセントリック光学システムと、
   前記二重テレセントリック光学システム及び前記検出器アレイの一方又は両方の位置を、光軸に沿って、焦点位置列の各々まで調整するように駆動可能な焦点調整機構と、
   前記焦点調整機構と制御信号通信状態にあって焦点位置を調整し、前記検出器アレイとイメージデータ通信状態にあって前記検出器アレイによって得られた歯のイメージデータを受領し、前記焦点位置列の各々に対応する受領されたイメージデータを記憶するメモリを有し、受領した前記歯のイメージの複数の画素のそれぞれについて、画素コントラストに応じた深さ値を決定する制御ロジックプロセッサと、
   を備えており、
   前記制御ロジックプロセッサがさらに、記憶された命令に応答して、前記記憶された歯のイメージデータから前記３Ｄ表面輪郭イメージデータを計算する、装置。
2. 前記焦点調整機構が前記光軸に沿った位置に前記二重テレセントリック光学システムの素子を動かすように駆動可能であるが、前記検出器アレイは動かさない、請求項１に記載の装置。
3. 前記焦点調整機構が前記光軸に沿った位置に前記検出器アレイを動かすように駆動可能であるが、前記二重テレセントリック光学システムのレンズ素子は前記光軸に沿って静止したままである、請求項１に記載の装置。
4. 歯の３Ｄ表面輪郭イメージデータを得るための方法であって、
   ２つのレンズのうちの一つが対物レンズである二重テレセントリック光学システムのイメージ平面に、歯のイメージを形成するように励起可能な検出器アレイを配置するステップと、
   前記二重テレセントリック光学システム及び前記検出器アレイの一方又は両方の位置を、光軸に沿って、焦点位置列の各々まで調整するステップと、
   前記列における各焦点位置で前記検出器アレイから歯のイメージデータを得て、前記イメージデータを電子メモリに記憶するステップと、
   前記得られたイメージデータにおける複数の画素の各々の焦点を計算し、前記画素の各々に対して、画素コントラストに従って対応する深さ値を決定するステップと、
   前記複数の決定された深さ値を組み合わせて歯の３Ｄ表面輪郭イメージを形成するステップと、
   前記歯の３Ｄ表面輪郭イメージを表示するステップと、
   を包含し、
   前記二重テレセントリック光学システム及び前記検出器アレイの一方又は両方の位置を調整するステップが、アクチュエータを励起して前記検出器アレイを動かすステップを包含する方法。