JP6735899B2 - ３次元スキャナとこれを利用した人工物加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、３次元スキャナとデータ変換装置、加工装置／３次元プリンティング装置等で構成された人工物加工システムに関し、より詳細には、口腔の３次元モデルを取得できるスキャナとデータ変換装置、そして、人工物を加工する加工装置／３次元プリンティング装置に関する。

レーザや光を用いる非接触式３次元スキャナは、その活用範囲が極めて様々である。エンジニアリング、映画、アニメーション、産業デザイン、医療、美術品、ファンシー、文化財複製材及び復元、エンターテインメント等、社会において適用されない範囲がない程度に活用範囲が極めて広い。

特に、産業分野において製品の製造時間を短縮させるために、多くの投資と研究をするが、３次元スキャナが製品を開発し、量産する間、様々な段階で費用を低減するための目的として活用されている。現実に存在するものを３次元デジタルデータで扱うことができるということは、多くの長所がある。危険な現場で毎度作業しなくても良く、いつでも必要な情報をコンピュータで再度開けることができ、正確な実物の３次元寸法及び形状情報は、シミュレーション及び複製の過程で未来をより正確に予測可能なようにする。

また、３次元スキャナは、医療分野において矯正機構、歯牙などを製作するために、患者の形状に合うオーダメード型機構を製作するために使用される。伝統的に、石膏生地を介しての模型製作方法を３次元スキャナを介してデジタル化している。スキャンされた３次元データから専用ソフトウェアを介して矯正機構、補綴物、人工器官、人工歯などをデザインし、ＣＡＭソフトウェアを介して加工する。特に、歯科部門で伝統的に歯牙矯正及び修復作業は、治療対象患者の歯牙の負型形状であるインプレッション採得後、修復作業用ダイとなる正型形状である石膏キャスティング製作作業が先行される。そして、医師の診断によって個別患者によるオーダメード型人工義歯及び植立式義歯をモデリングし、生産する全般的な工程が手作業で進まれる。特に、人工義歯及び植立義歯加工作業は、陶材積立方式、金型モールド基盤鋳造成形など、様々でかつ複雑な生産工程を経る。このような全般的な加工過程は、技工士の熟練度及び心理的な決定に依存するようになる。人工義歯及び埋植義歯の設計及び生産過程において精密性、適合性向上のために、産業界の生産工程技術を用いようとする努力は、既に２７年前、スイスのＮＯＢＥＬＢＩＯ−ＣＡＲＥ及びＣＥＲＥＣチームにより試みられてきた。このような技術も歯牙形状の自由曲面設計が容易でなかった。また、ＣＡＭ／ＣＮＣ／ＲＰなど、加工用生産素材の限界のため、人工歯冠生産及び成形は困難を極めた。このような困難を克服するために、着実に技術開発及び臨床実験を持続しつつ、技術的挑戦を持続してきた。近年、デジタル技術と人工補綴物素材技術の進化が加速化されつつ、歯科、歯技工技術のＣＡＤ／ＣＡＭ技術との遭遇は、試験の技術を越えて融合進化の現実技術に変化しつつある。現在、様々なソリューションとデンタル専用スキャナが市場で活発に競争している。

一方、３次元スキャナは、大別して、レーザ方式とカメラ方式とに区分されることができ、レーザ方式は、ポイント投影、ビーム投影測定方式で事物をスキャンでき、カメラ方式は、投影、領域測定方式で事物をスキャンできる。

このような３次元スキャナは、高速で事物を測定でき、弾力性のある製品の精密な測定が可能であり、様々な用途のＣＡＤと作業が可能であり、正確な形状実現が可能であるという長所があり、脚光を浴びている。しかしながら、３次元スキャナは、測定精密度の面で接触式や３次元座標測定機（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）に比べて大きく落ちるという問題があり、測定領域間において重なる形状のため、データ後処理が必要であり、複数の領域を結合して全体画像を取得するとき、誤差が大きく発生し、処理速度が遅れるという問題がある。

また、３次元スキャナを利用した事物の測定方法のうち、最も一般的には、事物を様々な角度で撮影した後、各スキャンのマッチングされるポイントをソフトウェア的にマウスだけで撮ることにより、複数のスキャン画像を結合（Ｍｅｒｇｅ）することである。このような方式は、ユーザの熟練度によって結合された画像間の差が発生し、精密な３次元画像を取得するには限界があり、結合（Ｍｅｒｇｅ）作業の際、少なくない時間がかかる。

３次元スキャナの３次元画像処理速度を増加させるための多くの研究開発のおかげで、最近には３次元画像処理速度が数分程度まで早まったが、医療行為において患者に診断結果を早くフィードバックする必要がある場合のように、早い結果を取得する必要がある状況では、現水準の３次元画像取得所要時間は満足できる水準ではないと評価されている実情である。

本発明は、患者各自の本然の生理学的口腔構造物（歯列形状と角度、そして歯牙の位置と大きさ等）をありのまま歪み無しで撮影して３次元モデルを生成できる３次元スキャナ及びこれを利用した人工物加工システムを提供することにある。

また、本発明は、従来、被写体の３次元画像生成の際、被写体を領域別に連続撮影し、これをつなぎ合わせながら（ｓｔｉｔｃｈｉｎｇ）、３次元モデルを生成するときに発生する領域別の３次元モデル整列誤差とデータ処理時間遅延の問題などを解決できる３次元スキャナ及びこれを利用した人工物加工システムを提供することにある。

本発明の３次元スキャナは、屈折率によって特定画角を有し、少なくとも１つ以上の屈折面と少なくとも１つ以上の反射コーティング面を有し、前記全方位画像を受信する第１のレンズを備える画像撮影装置と、被写体に光パターンを照射するパターン生成装置とで構成されることができ、前記画像撮影装置は、前記光パターンが照射された前記被写体の全方位画像を受信することを特徴とする。また、本発明の実施形態に係る３次元スキャナの前記第１のレンズは、全方位レンズ、ミラー型レンズ、及び魚眼レンズのうち、いずれか１つである非球面レンズで構成されることができる。

他の側面において、本発明の３次元スキャナの前記画像撮影装置は、前記第１のレンズからの光の経路を変更するミラー部及び前記ミラー部からの画像を取得するイメージセンサをさらに備えることができる。
さらに他の側面において、本発明の３次元スキャナは、前記被写体の２次元画像と３次元モデルを生成するためのデータを得ることができる。ここで、画像撮影装置とパターン生成装置とを同期化して２次元画像の深度情報を抽出し、これから３次元モデルを生成できる。

さらに他の側面において、本発明の３次元スキャナのパターン生成装置は、様々な光パターンを第２のレンズを用いて全方位に照射することができる。第２のレンズは、全方位レンズ、ミラー型レンズ、魚眼レンズのうち、いずれか１つで構成されることができる。本発明の３次元スキャナにおいて、前記パターン生成装置は、光源と、光源の照射時間を調節して様々なパターンを生成できる光源モジュレータと、生成された様々なパターンを照射するマイクロミラーとで構成されることができる。光源は、単数の発光ダイオードまたはレーザで構成されたり、カラーパターンを生成するために様々なカラーの複数の前記素子で構成されることができる。マイクロミラーは、ＭＥＭＳミラー、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）などで構成されることができる。

さらに他の側面において、前記パターン生成装置は、前記光源からのポイント光をライン光に変換することができるシリンダリカルレンズ（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌｅｎｓ）または様々な格子状のパターンに変換することができる特殊レンズとマイクロミラーのサイズに生成されたパターンのサイズを調節するために、コリメータレンズ（ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ ｌｅｎｓ）をさらに構成できる。

さらに他の側面において、本発明の３次元スキャナは、被写体を撮影した２次元画像、領域別に分割された２次元画像または生成された３次元モデルデータを有線及び／又は無線通信を介してディスプレイすることができるディスプレイ装置、携帯用ディスプレイ装置、または３次元スキャナに構成され得るプレビューディスプレイ装置などで構成されることができる。本発明において被写体は、一般構造物、対象体、動植物、人体、口腔など、形状を有する対象体となることができ、特に、口腔内歯牙及び口腔構造をいう。

さらに他の側面において、本発明のデータ変換装置は、前述した３次元スキャナから受信した２次元画像データと深度情報から３次元モデルを生成する。生成された３次元モデルにおいて補綴物、インプラント、矯正器、またはサジカルガイドをデザインし、これを加工装置または３次元プリンタ用ＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）データに変換することができる。

さらに他の側面において、本発明の加工装置は、前述したデータ変換装置から受信したＣＡＭデータから少なくとも１つの人工歯と、ブリッジ、インプラント、サジカルガイド（Ｓｕｒｇｉｃａｌ ｇｕｉｄｅ）、矯正器、入れ歯（Ｄｅｎｔｕｒｅ）のうち、少なくとも１つを加工できる。また、３次元プリンタは、前述したデータ変換装置から受信したＣＡＭデータから少なくとも１つの人工歯と人工歯肉、口蓋に連結された複数の歯牙、インプラント、サジカルガイド、矯正器、入れ歯のうち、少なくとも１つを出力できる。

実施形態において、３次元スキャナは、従来の口腔３Ｄスキャナの画像等の結合による誤差発生と精密度及び分解能低下を最小化して、高品質かつ精密度の極めて優れた３次元モデルを生成できる。

また、実施形態は、光反射防止のためのパウダを口腔に塗布しなくとも、早く撮影して３次元モデルを生成できる。

また、実施形態は、歯牙の撮影時間を短縮でき、歯牙、ブリッジ（Ｂｒｉｄｇｅ）から入れ歯（ｄｅｎｔｕｒｅ）、矯正、インプラントなどの診断及び施術計画及び施術時間を大きく短縮させることができる。

また、実施形態は、被写体の撮影回数の最小化と早いスキャン速度、そして、回転角情報による３次元モデル補正作業を介して作業者に精密なスキャン作業を求めないので、作業者の作業能率を向上させることができ、手ぶれなどの人工的な振動や機械的な振動による複数の撮影画像間の偏差による３次元画像の精密度が落ちるという問題を解決できる。

また、実施形態は、診療及び診断時間を最小化して、医療サービスに対する被写体の対象である患者と施術者の満足感を大きく増大させることができる。

本発明の実施形態に係る３次元スキャナと、３次元スキャナから受信した画像をディスプレイするディスプレイ装置を示した図である。 本発明の実施形態に係る第１のレンズを示した断面図である。 本発明の他の実施形態に係る第１のレンズの断面図である。 本発明の他の実施形態に係る第１のレンズの断面図である。 ３次元スキャナとデータ変換装置との画像処理関係を説明するための各装置の構成図である。 ３次元スキャナとデータ変換装置との画像処理のフローチャートである。 本発明の３次元スキャナに適用され得るパターン生成部の構成例を示す図である。 マイクロミラーから反射されたラインパターンが被写体に照射される形態を説明するための図である。 マイクロミラーから反射されたラインパターンが被写体に照射される形態を説明するための図である。 マイクロミラーの９０度回転によるラインパターンの方向を異にしたことを説明するための図である。 図７におけるパターン生成部のさらに他の構成例を示した図である。 本発明の他の実施形態に係る３次元スキャナの概略図である。 画像撮影装置の第１のレンズとパターン生成装置の第２のレンズとの位置関係の概略図である。 ライン光パターンの生成例示図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るプロジェクタ部を備えた３次元スキャナの概略図である。 本発明の実施形態に係る３次元スキャナを利用した人工物加工システムのブロック図である。 下顎歯列弓に関する図である。 下顎歯列弓の角を示した図である。 ３次元スキャナにより撮影された上顎の画像を示した図である。 ３次元スキャナにより撮影された下顎の画像を示した図である。

以下、本発明の実施形態に係る３次元スキャナとこれを利用した人工物加工システムの図面を参考して詳細に説明する。次に紹介される実施形態等は、当業者に本発明の思想が十分に伝達され得るようにするために、例として提供されるものである。したがって、本発明は、以下に説明される実施形態等に限定されず、他の形態で具体化されることもできる。そして、図面において、装置の大きさ及び厚さなどは、都合のために誇張されて表現されることもできる。明細書の全体にわたって同じ参照符号は、同じ構成要素を表す。

本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は、添付される図面とともに詳細に後述されている実施形態を参照すれば明確になるであろう。しかし、本発明は、以下において開示される実施形態等に限定されるものではなく、互いに異なる様々な形態で実現されるであろうし、単に、本実施形態等は、本発明の開示が完全なようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇により定義されるだけである。明細書の全体にわたって同一参照符号は、同一構成要素を指す。図面において層及び領域等の大きさ及び相対的な大きさは、説明の明瞭性のために誇張されることができる。

本明細書において使用された用語は、実施形態を説明するためのものであり、したがって、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数型は、文句で特に言及しない限り、複数型も含む。明細書において使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び／又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と言及された構成要素、ステップ、動作、及び／又は素子は、１つ以上の他の構成要素、ステップ、動作、及び／又は素子の存在または追加を排除しない。

＜３次元スキャナとディスプレイ装置＞
図１は、本発明の実施形態に係る３次元スキャナと、３次元スキャナから受信した画像をディスプレイするディスプレイ装置とを示した図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る３次元スキャナ１０は、全方位レンズ部を備えることができる。全方位レンズ部は、３６０度全方位画像を取得できる。全方位レンズ部は、屈折率によって全方位撮影面と垂直な方向で特定画角を有した全方位レンズを備えることができる。全方位レンズは、ミラー型レンズ、魚眼レンズ、または非球面レンズのうち、いずれか１つになることができるが、これに限定するものではなく、３６０度全方位画像を取得、詳しくは、１回の撮影だけでも下顎Ｓ１または上顎Ｓ２に存在する歯牙の構造に対する画像情報を取得できるように構成されたレンズになることができる。

３次元スキャナ１０は、鏡筒部１１とグリップ部１２、そして、これらを連結する連結部１３で構成されることができる。連結部１３は、鏡筒部と一体型または結合型で構成されて、グリップ部１２上で鏡筒部１１を回転させることができる。

鏡筒部１１は、全方位レンズを含む画像撮影装置（図１２、６１０）とパターン生成装置（図１２、６２０）との全体または一部が内蔵され得る。

グリップ部１２は、外部デバイスと通信を担当する有線または無線通信モジュール、画像撮影装置から画像信号を処理する画像処理部３２０と、マイクロミラーを制御するドライバ、パターンを生成するための光源、及び光源モジュレータ５１２と、処理前／後の画像データを格納するメモリ、回転角情報検出部、鏡筒部の照明を制御する照明制御部、そして、前記構成要素を制御する制御部などの電子装置で構成されることができる。

グリップ部１２の構造は、取っ手つきのガンタイプ（Ｇｕｎ ｔｙｐｅ）、パワーグリップタイプ（Ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｐ ｔｙｐｅ）／グルーミングブラシタイプ（Ｇｒｏｏｍｉｎｇ ｂｒｕｓｈ ｔｙｐｅ）のハンドルタイプ（Ｈａｎｄｌｅ ｔｙｐｅ）、ペンタイプ（Ｐｅｎ ｔｙｐｅ）などの形状を有することができ、ユーザがグリップ部１２を掴むことのできるサイズと形状であれば、いずれのものも可能である。

連結部１３は、モータなどのアクチュエータ等で構成された鏡筒駆動部１４により特定回転角で自動回転されるか、手動で回転することができる。鏡筒駆動部１４は、外部電源または内部バッテリで動作されることができる。

被写体を撮影する場合、鏡筒部１１の少なくとも一領域は、被写体に近接することができる。被写体が口腔である場合、鏡筒部１１の少なくとも一領域は、口腔に挿入されることができる。

また、３次元スキャナ１０の鏡筒部１１の回転によって一例の被写体Ｓである口腔に鏡筒部１１の一部領域が挿入される場合、口腔の全ての領域を撮影できる。光受信領域１５が向かう方向に関係なく、上顎及び下顎を同時に撮影し、３次元モデルを生成できる。詳しく説明すれば、口腔に挿入された３次元スキャナ１０の光受信領域１５が上顎及び下顎のうち、いずれか１つと向き合う場合、上顎及び下顎のうち、いずれか１つを撮影し、少なくとも１つの歯牙と歯列、歯肉、そして、口腔の上顎及び下顎領域に位置する各種口腔構造を撮影して３次元モデルを生成できる。この場合、光受信領域１５が上顎及び下顎のうち、いずれか１つと向き合っても全方位撮影面と垂直方向における光受信領域１５の画角が全方位レンズによって設定されるので、上顎と下顎のうち、他の１つも同時に撮影及び３次元モデルを生成できる。

本発明の統合制御装置２０は、３次元スキャナ１０とデータ変換装置３０との間の様々な機能を制御し、３次元スキャナの電源供給部及び双方間の通信を担当する有無線通信モジュールで構成される。統合制御装置２０の有無線通信モジュールは、Ｗｉｂｒｏ（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）などの無線通信方式と、ＵＳＢ、Ｓｅｒｉａｌなどの有線通信方式、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＲＦＩＤなどの近距離通信方式など、商用化された従来の装置で構成されることができる。したがって、統合制御装置２０は、３次元スキャナで撮影された２次元及び／又は被写体に光パターンが照射された画像（深度情報）情報をデータ変換装置３０に送信する機能を担当することができる。

データ変換装置３０は、３次元スキャナの全方位レンズ（図１２、１１０ａ）の曲率によって歪まれた画像を全方位レンズの曲率値に補正して平面画像に変換することができる。そして、被写体の画像をモニタリングできるように、平面画像は、ディスプレイ装置（図５、３１）及び／又はプレビューディスプレイ装置１６に送信されることができる。

本発明のデータ変換装置のディスプレイ装置は、ＬＣＤ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ）、ＦＥＤ（ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ）、入出力が可能なタッチスクリーン（Ｔｏｕｃｈ ｓｃｒｅｅｎ）など、商用化された従来技術のディスプレイ装置を利用できる。

３次元スキャナ１０は、被写体の種類に関係なく、被写体全体を歪み無しで２次元モニタリング及び深度情報を抽出でき、歯科分野では、上顎または下顎全体の虫歯、プラーク、歯石などの欠陥を含む歯列構造、歯牙形状及び大きさ、歯牙位置など、情報を検出できる２次元画像及び３次元画像を生成できる深さ情報を提供できる。また、歯牙を個別的に撮影するものではない、歯列の全体的な画像を得るようになるので、全体画像から個別的な歯牙情報を抽出して表示することができる。

従来技術である口腔３Ｄスキャナの各個別歯牙スキャン後、合成して（ｓｔｉｔｃｈｉｎｇ）全顎を生成する方式は、各個別歯牙から全顎生成時、マージレジストレーション（ｍｅｒｇｅ／ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）において非常に大きい誤差が発生される。したがって、従来技術は、最終的に生成された補綴物を患者に適用し難い。

したがって、本発明の３次元スキャナは、従来技術の問題点及び限界点を克服でき、高精密／高解像度の２次元画像及び３次元モデルを提供できる。

＜全方位レンズ＞
図２は、本発明の全方位画像を受信する第１のレンズの断面図であり、図３及び図４は、本発明の他の実施形態に係る第１のレンズの断面図である。

第１のレンズ１１０ａは、複数の屈折面と複数の反射コーティング面とを含むことができるが、これに限定するものではない。

第１のレンズ１１０ａの構造は、被写体の画像を所望の画角に屈折させる外側屈折部１１１ｃ、外側屈折部１１１ｃから被写体画像を反射させる内側反射コーティング層１１７を備えた内側屈折部１１６、内側屈折部１１６から反射された外側反射コーティング層１１４を備えた水平部１１３、水平部１１３から反射された被写体の画像を通過させる内側凹部１１５で形成される。ここで、外側屈折部１１１ｃは、所望の画角範囲を有するために、屈折角と歪み率を有することができ、外側屈折部１１１ｃの曲率は、第１のレンズ１１０ａの仮想中央軸ＣＬを基準に内側屈折部１１６の曲率より小さいことができる。また、内側凹部１１５は、全方位画像を効果的にイメージセンサに伝達するために、内側屈折部１１６の中心領域に形成されることができる。

第１のレンズ１１０ａの反射コーティング層１１４は、反射板に代替されることができ、第１のレンズ１１０ａの外側屈折部１１１ｃには、外側反射コーティング層１１４の代りに、反射板が配置され得る。

また、第１のレンズ１１０ａ自体は、非球面でない球面で形成することにより、加工の容易性を高め、製造原価を低減させることができる。また、外側屈折部１１１ｃと内側凹部１１５及び内側屈折部１１６が球面で形成されて、非球面で加工し難い問題を解決しながらも、全方位撮影が可能なようにすることができる。

一方、一例に、画角は、レンズの外面の少なくとも一部領域、詳しくは、反射コーティング層１１４が形成された領域と当該領域を除いた領域との間の境界から終端までとなることができる。

図３及び図４に示すように、第１のレンズ１１０ａは、一面に膨らんだ第１の入射面１１１ｄが形成され、他面に第１の出射面１１１ｅが形成され、第１の入射面１１１ｄの中央に第１の反射面１１１ｆが形成される第１のサブレンズ１１１ｘと、一面に第２の入射面１１１ｇが形成され、他面に膨らんだ第２の反射面１１１ｈが形成され、第２の反射面１１１ｈの中央に第２の出射面１１１ｉが形成される第２のサブレンズ１１１ｙとを備えて構成されることができるが、これに限定するものではない。

第１の出射面１１１ｅと第２の入射面１１１ｇとの接合面は、互いに対応するものの、平たくないように形成された後、互いに密着して接合されることができる。

第１の入射面１１１ｄを介して入射した被写体画像は、第１の出射面１１１ｅ及び第２の入射面１１１ｇの接合面を経て第２の反射面１１１ｈで反射され、第２の反射面１１１ｈで反射された被写体画像は、第１の出射面１１１ｅ及び第２の入射面１１１ｇの接合面を経て第１の反射面１１１ｆで反射された後、第１の出射面１１１ｅ及び第２の入射面１１１ｇの接合面を経て第２の出射面１１１ｉを介して出射されることができる。

外部の光源が入射する第１のサブレンズ１１１ｘ及び第１のサブレンズ１１１ｘと接合する第２のサブレンズ１１１ｙは、光源の反射と屈折を利用した反射屈折式レンズであって、前記２つのレンズを介して３６０度全方位画像を取得できる。

第１の反射面１１１ｆ及び第２の反射面１１１ｈは、平たい形状、膨らんだ形状、または凹んだ形状など、様々な形状で形成されることができ、光源（被写体の画像）を反射させることができるアルミニウム、銀等の物質でコーティングされることができる。

外部から入射する光源（被写体の画像）は、第２のサブレンズ１１１ｙの直径を第１のサブレンズ１１１ｘの直径より小さく構成し、第１の入射面１１１ｄを膨らんで形成することにより、所定角度で屈折されて集まるようにすることができる。

図２〜図４において例示的な第１のレンズ１１０ａの構造を説明したが、これに限定するものではない。

第１のレンズ１１０ａの外面及び内面のそれぞれの領域別の屈折角及び歪み率は、人の顎弓の平均的な計測値、上下顎アーチ及び歯牙サイズ計測値、児童犬歯及び小臼歯の幅競合値を全て考慮して決定することができる。

＜３次元スキャナとデータ変換装置＞
図５は、本発明の実施形態に係る３次元スキャナの詳細な構成とデータ変換装置を説明するための図であり、図６は、３次元スキャナとデータ変換装置との画像処理のフローチャートである。

図５に示すように、３次元スキャナ１０は、全方位レンズ部１００と、全方位レンズ部１００から被写体の画像をセンシングできるイメージセンサ１８とを備えることができる。

全方位レンズ部１００は、３６０度全方位及び特定画角の画像を検出できる全方位レンズを含むことができる、イメージセンサ１８は、全方位レンズの曲率による歪まれた画像の補正のために、高分解能の性能が求められ、ＲＧＢ、ＲＧＢ−ＩＲ、ＩＲ、ＴＯＦ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）、ＣＯＭＳ、ＳＴＡＣＫ等で構成されることができる。

３次元スキャナ１０は、光経路を変換するために、ミラー部１９を備えることができ、特殊コーティングされた平面ミラー、プリズムなどで構成されることができる。ここで、特殊コーティングは、曇り、湿気、異物汚染などの問題を解決するための一般的なコーティングを意味する。

３次元スキャナ１０は、全方位レンズ部１００から画像を効率的にイメージセンサ１８に伝達するために、この２つの素材間に少なくとも１つ以上のレンズを備えたレンズアレイ部２００を備えることができる。

３次元スキャナ１０は、画像処理部３２０、通信部（図示せず）、制御部３１０をさらに備えることができる。

画像処理部３２０は、イメージセンサ１８から出力された画像信号を信号処理するために、ＡＤＣ（ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）、増幅器（ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）とイメージプロセッサなどの素子で構成されることができ、イメージセンサの出力は、アナログまたはデジタル信号となることができる。画像処理部３２０は、図５においてデータ変換装置３０内に構成されることができるか、独立的に構成されることができるが、これに限定するものではない。そして、画像処理部３２０は、生成された２次元画像情報と深度情報を通信部を介してデータ変換装置３０に送信し、データ変換装置３０は、２次元画像情報と深度情報を利用して被写体の３次元モデルを生成できる。

通信部は、３次元スキャナ１０で取得した画像と情報をディスプレイ装置３１及び／又はデータ変換装置３０に送信するための有無線通信モジュールで構成することができる。ディスプレイ装置３１は、図５の実施形態のように独立的に構成されることができるか、データ変換装置３０内に構成されることができるが、これに限定するものではない。

また、３次元スキャナ１０は、ジャイロセンサ３３１または加速度センサ３３２などの位置情報を提供できるセンサで構成され得る回転角情報検出部３３０をさらに備えることができる。

回転角情報検出部３３０は、３次元の基準座標上で３次元スキャナ１０から取得した画像の位置、傾き、そして、回転角などの情報を検出して３次元モデルを効果的に生成することができる情報を提供できる。

制御部３１０は、３次元スキャナ１０を動作するのに必要な全般的な機能を管掌し、制御するものであって、一例に、イメージセンサ１８と画像処理部３２０、パターン生成装置１７、被写体を照明する光源（図示せず）、データ変換装置などと有無線通信が可能な通信部（図示せず）、そして、回転角情報検出部３３０などの駆動及びこれらの間の連動を制御できる。

本発明のデータ変換装置３０は、ＣＡＤ、ＣＡＭ、またはＣＡＤ／ＣＡＭプログラムのうち、いずれか１つが設けられたコンピュータ装置となることができる。したがって、データ変換装置３０は、３次元スキャナ１０から提供された画像及び深度情報から被写体の３次元モデルを生成、デザインすることができ、これをＣＡＭデータに変換することができる。前記情報は、回転角情報検出部３３０の位置、傾き、回転角などの情報を意味する。

より詳細には、３次元スキャナ１０を利用して被写体を複数回撮影するとき、各撮影時点毎に３次元スキャナ１０の位置が変わるようになると、複数の２次元画像データのそれぞれの座標情報は互いに不一致するようになる。したがって、基準座標を基準に複数の２次元画像データのそれぞれの座標情報を互いに一致させることが好ましい。

複数の２次元画像データのそれぞれの座標情報を互いに一致させるための例示的な方法として、データ変換装置３０に予め設けられたソフトウェアは、回転角情報検出部３３０の情報に基づいて２次元データの位置を回転及び移動して整列することができる。したがって、データ変換装置３０は、基準座標系の原点情報と回転角情報を利用して２次元画像データから３次元データを生成するので、早い位置整列と演算量減少により、全般的なデータ処理速度が向上する。また、データ変換装置３０は、３次元スキャナ１０のユーザが撮影の際、手ぶれなどのような要因により発生する揺れに強い３次元データ生成が可能であるから、画像の品質は大きく向上する。

図６は、２次元モニタリング画像及び３次元モデル生成過程を示したフローチャートである。前記フローチャートは、３次元スキャナで被写体を撮影するステップと、撮影された画像から２次元モニタリング画像を作るステップと、撮影された２次元画像の揺れ検出及び補正ステップと、撮影された画像から深度情報、位置、及び回転角情報を抽出するステップと、撮影された２次元画像、深さ、位置、及び回転角情報から位置整列された３次元データを生成するステップと、位置整列された３次元データから被写体の最終の３次元モデルを生成するステップとで構成される。ただし、３次元モデル生成は、前記フローチャートの順序にのみ限定されるものではない。

＜パターン生成部を備えた３次元スキャナ＞
図７は、本発明の３次元スキャナに適用され得るパターン生成部の構成例を示す図である。そして、図８及び図９は、マイクロミラーから反射されたライン光が被写体に形成されるパターンを説明するための図である。そして、図１０は、マイクロミラーの９０度回転によるライン光の方向を異にしたことを説明するための図である。

図５及び図７〜図１０に示すように、本発明の実施形態に係る３次元スキャナ１０は、パターン生成部５００をさらに備えることができる。
パターン生成部５００は、光生成部５１０、レンズ部５２０、マイクロミラー部５３０を備えることができる。

光生成部５１０は、光源モジュレータ５１２またはドライバと光源５１１で構成されることができる。前記光源５１１は、可視光線または赤外線などの波長帯域を有する発光ダイオード、レーザダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）など、様々な光源のうち、いずれか１つになることができる。例えば、線形レーザ光を照射できる赤色（ｒｅｄ）、緑色（ｇｒｅｅｎ）、及び青色（ｂｌｕｅ）光源素子等の組み合わせまたは単独で構成されることができる。したがって、光源は、光を生成して出力できるいかなる光源でも本発明の３次元スキャナ１０に適用されることができる。

光源モジュレータ５１２は、二進信号、すなわち、パルス変調信号を用いて光源５１１の駆動可否及び駆動時間を制御できるが、これに限定するものではない。一例に、光源モジュレータ５１２は、パルス変調信号がハイレベル（Ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ）を維持する間に光源５１１はオン（ｏｎ）され、パルス変調信号がローレベル（Ｌｏｗ ｌｅｖｅｌ）を維持する間に光源５１１がオフ（ｏｆｆ）される。

レンズ部５２０は、シリンダリカルレンズのように、ライン光を出力できる縦軸と横軸の半径が相違したレンズ５２１とコリメータレンズ５２２などを含むことができる。シリンダリカルレンズ５２１は、半円筒（Ｓｅｍｉ−Ｃｙｌｉｎｄｅｒ）形状であって、光を受信する入射面は非曲面であり、受信した光を出射する出射面は曲面となることができる。

コリメータレンズ５２２は、マイクロミラー５３１のサイズに合うようにライン光の長さを調節してマイクロミラー５３１に照射することができる。すなわち、コリメータレンズ５２２は、マイクロミラー５３１のサイズにマッチングして受信した光をマイクロミラー５３１にフォーカシング（Ｆｏｃｕｓｉｎｇ）して照射することができる。

本発明のさらに他の実施形態として、光生成部５１０からの光がマイクロミラー５３１に直接照射されることができ、被写体にパターンを照射することもできる。

この場合、マイクロミラー５３１から出力された光を実質的に反射させるために、光生成部５１０からの光経路の角度及び光生成部５１０とマイクロミラー５３１との距離に比例してマイクロミラー５３１の表面寸法が大きくなりうる。

また、レンズ部５２０は、前記構成に限定されるものではなく、この技術分野における平均的知識を有する者が通常の創作発揮に該当する様々な形態で構成することができる。

マイクロミラー部５３０は、レンズ部５２０から出力されたライン光を反射して被写体Ｓにパターン光を照射でき、マイクロミラー５３１と、マイクロミラー５３１の駆動を制御するミラー制御部５３２とを備えることができる。ただし、これに限定するものではなく、ミラー制御部５３２は、マイクロミラー部５３０と別に構成されるか、制御部３１０とともに構成されることもできる。

マイクロミラー部５３０は、横軸及び／又は縦軸方向の回転軸を同時にまたは互いに独立的に制御して、マイクロミラー５３１の上下左右回転運動を調節できる。

マイクロミラー５３１は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術によって製作されることができるが、これに限定するものではない。

光生成部５１０からの光経路上のコリメータレンズ５２２を通過した光は、マイクロミラー５３１の表面に集光されて反射され、マイクロミラー５３１の回転角度にしたがってライン光パターンに変換されて被写体Ｓに照射されることができる。

より詳細には、ミラー制御部５３２は、マイクロミラー５３１の縦軸及び／又は横軸支持台を中心に回転角を決定できる。決定された縦軸及び／又は横軸支持台の回転角範囲内で各々１秒にＮまたはＭ回上下左右回転させる場合、被写体Ｓに２Ｎ個のライン／２Ｍ個のフレームレートを照射できる。

本発明の３次元スキャナのパターン生成部５００において、光源モジュレータ５１２により制御される光源は、点光（ｐｏｉｎｔ ｌｉｇｈｔ）を出力し、入射される点光は、レンズ部５２０のシリンダリカルレンズ５２１によりライン光（ｌｉｎｅ ｌｉｇｈｔ）に変換されて出力される。このときに生成されるライン光の厚さは、一例に、光源モジュレータ５１２のパルス変調信号のハイレバル持続期間によって可変されることができる。シリンダリカルレンズ５２１から出力されたライン光は、レンズ部５２０のコリメータレンズ５２２によりマイクロミラー部５３０のミラーサイズに変換される。したがって、パターン生成部５００は、様々な厚さのライン光と、ライン光間の間隔を調節して被写体に様々な形態のパターンを照射できる。

また、前述したレンズ部５２０は、シリンダリカルレンズ５２１及びコリメータレンズ５２２を含むことと説明したが、これに限定するものではない。すなわち、レンズ部５２０は、点光をライン光に変換してマイクロミラー部５３０に照射することができるように構成された少なくとも１つのレンズからなることもできる。

イメージセンサ１８は、被写体Ｓに順次照射されたパターン画像を受信できる。

また、パターンの被写体Ｓに照射する時点とイメージセンサ１８のパターン画像受信時点とは互いに同期化されることができ、このような同期化は、制御部３１０によって行われることができる。

この場合、パターン生成部５００から生成されて被写体Ｓに照射されたパターンは、被写体Ｓ表面の凹凸によって歪まれる可能性があるが、イメージセンサ１８からパターンの歪み情報を含むパターン画像を受信するデータ変換装置３０は、パターンの歪み情報を利用して被写体Ｓの正確な３次元モデルを生成できる。

また、データ変換装置３０または３次元スキャナ１０は、メモリを備えることができ、順次的なパターンが被写体Ｓに照射されることにより、画像処理部３２０は、パターン画像を順次受信してメモリに格納することができる。そして、画像処理部３２０は、メモリに記憶された画像情報に基づいて３次元座標に対するデータを抽出し、抽出された３次元座標データを用いてワイヤーフレームを構成し、３次元モデルを形成できる。ただし、これに限定するものではなく、メモリに記憶された画像情報は、外部機器に伝達され、外部機器によって被写体Ｓの３次元モデルが形成されることもできる。

図１１は、図７のパターン生成部のさらに他の構成例を示した図である。

図１１に示すように、パターン生成部５００のレンズ部５２０は、光生成部５１０からの出力された光を受信して、十字または放射形など、様々な構造の形状を有した光を構造光（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）パターンレンズ５２３を用いて出力することができる。

レンズ部５２０は、構造光パターンレンズ５２３から様々な構造を有した光を出力して、当該形状の光がマイクロミラー部５３０に照射されるようにすることができる。

レンズ部５２０は、シリンダリカルレンズ５２１で構成されるか、構造光パターンレンズ５２３で構成されることができ、シリンダリカルレンズ５２１と追加的な光学系を含むことができ、構造光パターンレンズ５２３と追加的な光学系を含んで構成されることもできる。また、レンズ部５２０から出力される光の構造は、被写体Ｓの種類に応じる深度測定程度、分解能と焦点などによって変わることができる。

一方、本発明の３次元スキャナ１０のデータ変換装置３０において被写体の３次元データを得るために、三角法（ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）アルゴリズムを利用できる。三角法アルゴリズムは、様々なパターンが照射された被写体の画像、パターン生成部５００とイメージセンサ１８との間の距離情報及びこれらの間の角度情報から３次元データを生成できる。補足説明すれば、パターン光が照射された被写体の特定地点、イメージセンサ１８、そして、パターン生成部５００で形成される三角形に基づいて被写体の３次元モデルを得ることができる深度情報を取得できる。

図１２は、本発明の他の実施形態に係る３次元スキャナを概略的に示したものである。そして、図１３は、画像撮影装置の第１のレンズとパターン生成装置の第２のレンズとの位置関係を概略的に示したものである。また、図１４は、ライン光パターンの生成例示図である。

図１２に示すように、他の実施形態に係る３次元スキャナ６００は、図面符号１１ａに位置した画像撮影装置６１０と図面符号１１ｂに位置したパターン生成装置６２０とを備えることができ、前記画像撮影装置とパターン生成装置とは、前記位置に限定されるものではなく、鏡筒部１１のどの位置でも配置されることができる。

３次元スキャナの画像撮影装置６１０は、屈折率によって特定画角を有し、３６０度全方位の画像を受信できる、少なくとも１つ以上の屈折面と反射面を有した第１のレンズ１１０ａとイメージセンサ１８とを備えることができる。そして、ここでの第１のレンズ１１０ａは、全方位レンズ、ミラー型レンズ、及び魚眼レンズのうち、いずれか１つである非球面レンズとなることができる。ここで、画角は、レンズの外面の終端から反射コーティング面とその他の領域間の境界領域までとなることができる。また、画像撮影装置６１０は、画像処理部３２０と制御部３１０とを備えることができる。そして、制御部３１０は、パターン生成装置６２０上に含まれたことを図示したが、これは、理解の便宜のためであり、制御部３１は、画像撮影装置６１０とパターン生成装置６２０との駆動を共に管掌することができる。また、画像撮影装置６１０は、第１のレンズ１１０ａを通過した光をイメージセンサ１８に効率的に伝達させるために、レンズアレイ部２００をさらに備えることができる。画像撮影装置６１０は、光の経路の変更のために、ミラー部１９をさらに備えることができる。また、前述した構成等については、既に上述したので、より詳細な説明を省略する。

本発明の他の実施形態に係る３次元スキャナ６００は、パターン生成装置６２０を備え、パターン生成装置６２０は、被写体にパターン光を提供する光源５１１、そして、光源５１１からの光を反射するマイクロミラー５３１を備えるマイクロミラー部５３０と、マイクロミラー５３１からの光を全方位に出力する第２のレンズ１１０ｂを備えることができる。マイクロミラー部５３０は、マイクロミラー５３１を特定角度内のティルティングまたは回転動作できるように制御することができる。このとき、マイクロミラー５３１は、高速周波数を有しており、極めて早く動作することができる。第２のレンズ１１０ｂは、全方位レンズ、ミラー型レンズ、及び魚眼レンズのうち、いずれか１つである非球面レンズとなることができる。そして、制御部３１０は、直接的に光源を制御するか、マイクロミラー５３１を制御することもでき、パターン生成装置６２０の光パターン照射時点とイメージセンサ１８のセンシング時点とを互いに同期化することができる。

マイクロミラー５３１は、マイクロ電子機械的システム（ＭＥＭＳ）スキャニングミラー、短縮ミラー、２軸ＭＥＭＳスキャニングミラー、デジタルマイクロミラーデバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：ＤＭＤ）のうち、いずれか１つになることができる。

ここで、ＤＭＤは、ミラー素子による反射のオン（Ｏｎ）／オフ（Ｏｆｆ）状態によって画像を投射する装置となることができ、このようなＤＭＤは、微細駆動鏡を集積した半導体光スイッチであって、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のメモリセルに対応するように形成された数十ないし数μｍサイズの各アルミニウム合金微細鏡である反射鏡セルと、セル駆動部、そして、駆動回路部で構成されることができる。さらに、カラーパターンを実現するために、カラーホイール（Ｃｏｌｏｒ Ｗｈｅｅｌ）またはＳＣＲ Ｃｏｌｏｒ Ｗｈｅｅｌ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｃｏｌｏｒ Ｒｅｃａｐｔｕｒｅ Ｃｏｌｏｒ Ｗｈｅｅｌ）などの構成要素を含むことができる。

このようなＤＭＤ方式のマイクロミラー５３１は、デジタル方式によって色再現性が高く、照度比（Ｃｏｎｔｒａｓ ｒａｔｉｏ）が高くて、明るくかつ鮮明であり、デジアナ変換が不要であって、ノイズに強く、付加的な信号の補正が必要ないか、最小化され、光効率が高く、完全なシリコンデバイスであって、耐久性に優れ、動作速度が早いという利点がある。

レーザ光ラインＬＬは、マイクロミラー５３１のティルティングまたは回転角によって屈折率を有した第２のレンズ１１０ｂにより全方位領域内の被写体にレーザ光パターン形態で照射され、前記パターンが照射された被写体の画像は、画像撮影装置６１０のイメージセンサ１８により検出される。そして、データ変換装置３０は、イメージセンサ１８から撮影された様々なレーザ光パターンが照射された被写体画像情報から被写体の３次元モデルを再構成できる。

このとき、第１のレンズ１１０ａの中心軸を通る仮想の直線は、平面（Ｐｌａｎｅ）と垂直となることができ、第２のレンズ１１０ｂの中心軸を通る仮想の直線は、平面（Ｐｌａｎｅ）と垂直な直線と任意の角（ｔｈｅｔａ）を形成できるように構成されることができる。ここで、シータ（ｔｈｅｔａ）角度（０〜９０゜）は、３次元スキャナ６００の構造、形状、そして、第１のレンズ１１０ａと第２のレンズ１１０ｂとの間の所定の距離（ｄ）、焦点距離などに基づいて決定されることができる。

パターン生成装置６２０は、レンズ部５２０をさらに追加して構成することができる。レーザ光の効率的な伝達のために、レンズ部は、シリンダリカルレンズ５２１とコリメータレンズ５２２などで構成されることができ、特殊目的によるレンズが追加され得る。また、前述した構成等については、既に上述したので、より詳細な説明を省略する。

レーザ光は、レンズ部５２０によりレーザラインＬＬに変換され、変換されたレーザラインＬＬは、マイクロミラー５３１で入射／反射されて様々な形態のレーザ光パターンを形成できる。

図１４は、本発明のパターン生成装置６２０、６３０の実施形態である。

光源５１１は、レッド（Ｒｅｄ）、グリーン（Ｇｒｅｅｎ）、及びブルー（Ｂｌｕｅ）発光ダイオードのうち、少なくとも１つの光源で構成されることができ、Ｒ、Ｇ、Ｂカラーのそれぞれの光またはこれらの組み合わせによる様々なカラー光を提供することもできる。

レンズ部５２０によってレーザ光源から出力されたレーザ光は、ライン光に変換され、ライン光は、マイクロミラー５３１のティルティングまたは回転により様々な厚さのライン光パターンＬＬＰに変換されて被写体上に照射されることができる。

レンズ部５２０は、構造光パターンレンズを備えることができ、その場合、様々な構造を有した光パターンを出力することもできる。

図１５は、本発明のさらに他の実施形態に係るプロジェクタ部を備えた３次元スキャナの概略図である。

３次元スキャナ６００の図面符号１１ｂの領域に位置したパターン生成装置６２０は、プロジェクタミラー６３２、プロジェクタ６３１、そして、これらを制御する制御部３１０で構成されたプロジェクタ部６３０となることができる。

プロジェクタ部６３０は、第２のレンズ１１０ｂを備えることができ、プロジェクタミラー６３２は、プロジェクタ６３１から照射される光の経路を変更できる。

プロジェクタ６３１は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）方式、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）方式、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）方式のうち、いずれか１つになることができるが、これに限定するものではなく、被写体にパターン画像を照射できる装置であれば、いずれのものでも可能である。

プロジェクタ６３１は、制御部３１０の制御によってグレー（Ｇｒｅｙ）パターンまたはカラー（Ｃｏｌｏｒ）パターンなどで構成されたパターン画像を第２のレンズ１１０ｂを介して被写体に照射することができる。イメージセンサ１８は、パターン画像が照射された被写体の画像を第１のレンズ１１０ａを用いて検出することができる。そして、イメージセンサ１８で検出された２次元イメージは、データ変換装置３０で三角法アルゴリズムを用いて３次元モデルに変換されることができる。

データ変換装置３０において３次元モデルを生成するための三角法アルゴリズムは、各パターンが作るライン毎に固有識別記号が存在し、予め決められた当該識別記号の平面方程式と被写体に結んだ実際位置との交点を用いて３次元座標を生成し、３次元モデルを生成する方法である。また、より正確な３次元座標を得るための方案として、逆パターンを使用してパターン強化効果を得ることができる。

３次元スキャナ６００は、様々なパターンが格納され得るメモリを備えることができる。制御部３１０は、メモリに格納されたパターンをプロジェクタ６３１のパターン光に照射するように制御するか、様々なパターンを外部装置から送信されてメモリに格納することができる。

＜人工物加工システム＞
図１６は、本発明の実施形態に係る全方位画像をスキャンできる３次元スキャナ１０と、スキャンされた被写体を精密に３次元モデルを生成し、これを様々な形態でデザインし、デザインされた３次元モデルを加工装置／３次元プリンタ４０で加工することができるＣＡＭデータに変換することができるデータ変換装置３０及び加工装置／３次元プリンタ４０で構成された人工物加工システム１のブロック図である。人工物加工システム１の下部装置は、有線／無線でデータを送受信できる。

データ変換装置３０は、３次元スキャナ１０から受信した画像データと深度情報から３次元モデルを生成できる。そして、生成された３次元モデルを様々な形態でデザインし、これをＣＡＭデータに変換して加工装置／３次元プリンタ４０に提供することができる。したがって、データ変換装置３０は、被写体の２次元イメージを撮影してイメージ処理することができ、ＣＡＤ及び／又はＣＡＭ基盤のデータ変換装置となることができるが、これに限定するものではなく、３次元スキャナから撮影された画像データを用いて被写体の３次元モデルを生成し、これをＣＡＭデータに変換することができる装置であれば、いずれのものでも可能である。

加工装置／３次元プリンタ４０は、受信したＣＡＭデータを用いて補綴物、インプラント、矯正器、またはサジカルガイドなどの歯牙美容、診断、治療、及び予防に使用される人工物を生成できる。

図１７は、下顎歯列弓に関する図であり、図１８は、下顎歯列弓の角を示した図である。

本発明の３次元スキャナ１０の画像処理部３２０またはデータ変換装置３０は、生成された３次元モデルに基づいて図１７及び図１８において提示されたように、上顎及び下顎の歯列弓形態、大きさ、及び歯列弓の角、そして、個別歯牙形態と大きさ、そして、歯牙等間の距離など、精密な口腔内の様々な情報を提供でき、ディスプレイ装置３１またはプレビューディスプレイ装置１６に表示することができる。

＜上顎／下顎の撮影画像＞
図１９は、本発明の３次元スキャナにより撮影され得る上顎画像の例であり、図２０は、下顎画像の例を示した図である。

図１９及び図２０は、全方位レンズで撮影された画像であって、データ変換装置３０または画像処理部３２０でイメージ処理して任意の領域別に分割して表示される２次元イメージまたはパノラマイメージで表すことができ、画像の中央の黒い領域は、口蓋、舌などであり、イメージ処理されるか、除去されることができる。

従来の口腔３Ｄスキャナは、測定領域（ＦＯＶ：ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）が限定されている。したがって、従来の口腔３Ｄスキャナは、上顎または下顎の全体を一度に撮影できず、上顎または下顎の全体を撮影するために、測定領域の分だけ複数の画像を撮影する。しかし、本発明の３次元スキャナは、全方位レンズから被写体の全体領域に対する画像を一度に撮影することができる。したがって、本発明の３次元スキャナは、従来の口腔３Ｄスキャナの画像等の結合による誤差発生と精密度及び分解能低下を最小化して、高品質かつ精密度の極めて優れた３次元モデルを生成できる。合わせて、光反射防止のためのパウダを口腔に塗布しなくとも、早く撮影して３次元モデルを生成できる。したがって、歯牙の撮影時間を短縮でき、歯牙、ブリッジ（Ｂｒｉｄｇｅ）から入れ歯（ｄｅｎｔｕｒｅ）、矯正、インプラントなどの診断及び施術計画並びに施術時間を大きく短縮させることができる。

本発明の３次元スキャナは、歯科分野以外の分野にも適用されることができる。一例に、半導体装備及びＰＣＢ大量生産など、検査のための装備検査分野と、成形または義足／義手、顔面認識、内視鏡による３次元モデルなどの医療分野、目視で確認し難い任意の空間内構造を精密にスキャンするか、文化財復元などの産業分野などにも適用されることができる。

本発明の３次元スキャナは、ステレオ／動画像方式またはスチールイメージ方式など、３次元モデルを生成できる様々なスキャン方式を採択でき、これは、データ変換装置において上記で言及した方式のうち、いずれか１つの方式で実現されることができる。

上述したように、本発明の３次元スキャナとこれを利用した人工物加工システムは、３６０度全方位に光パターンを出力及び／又は３６０度全方位に画像を取得するレンズで構成することで、被写体の全体領域を一度に撮影して３次元モデルを実現できる。したがって、被写体の部分画像等の結合による誤差の問題と、部分画像等の数の増加による誤差の累積の問題を解決し、全体被写体の３次元モデル生成に必要な時間を最小化できる。

また、本発明の３次元スキャナとこれを利用した人工物加工システムは、全方位画像を取得する非球面レンズと、被写体にパターン光を照射するパターン生成装置とを備えて、画像処理部で測定されなかった被写体の表面領域の存在可能性を除去することができる。したがって、三角法による３次元画像生成の際、三角法の角度をできる限り増加させることができ、３次元画像の正確度と品質、及び３次元画像の分解能を大きく向上させることができる。

本発明は、被写体の撮影回数の最小化と、早いスキャン速度、そして、回転角情報による３次元モデル補正作業を介して作業者に精密なスキャン作業を求めず、作業者の作業能率を向上させることができ、手ぶれなどの人工的な振動や機械的な振動による複数の撮影画像間の偏差による３次元画像の精密度が落ちるという問題を解決できる。

本発明の実施形態が医療用として使用される場合、診療及び診断時間を最小化して、医療サービスに対する被写体の対象である患者と施術者の満足感を大きく増大させることができる。

以上において説明した本発明の詳細な説明では、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野の熟練された当業者または当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、後述する特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び技術領域から逸脱しない範囲内で本発明を様々に修正及び変更させ得ることが理解できるであろう。したがって、本発明の技術的範囲は、明細書の詳細な説明に記載された内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲により定められなければならないであろう。

本発明は、被写体を３次元的にスキャンし、これを用いて被写体に対する人工物を加工する分野で利用することができる。

Claims (18)

1. 被写体に光パターンを照射するパターン生成装置と、
   前記光パターンが照射された前記被写体の全方位画像を受信する画像撮影装置と、
   を備え、
   前記画像撮影装置は、
   屈折率によって特定画角を有し、少なくとも１つ以上の屈折面と少なくとも１つ以上の反射コーティング面を有し、前記全方位画像を受信する第１のレンズを備え、
   前記パターン生成装置は、前記被写体に全方位に前記光パターンを照射する、３次元スキャナ。
2. 前記画像撮影装置は、
   前記第１のレンズからの光の経路を変更するミラー部と、
   前記ミラー部からの光をセンシングするイメージセンサと、
   をさらに備える請求項１に記載の３次元スキャナ。
3. 前記画像撮影装置は、
   前記第１のレンズが全方位レンズ、ミラー型レンズ、及び魚眼レンズのうち、いずれか１つである非球面レンズである請求項１に記載の３次元スキャナ。
4. 前記イメージセンサの読み取りに基づいて、前記被写体の２次元画像または前記被写体の３次元モデル生成のためのデータを生成する請求項２に記載の３次元スキャナ。
5. 前記画像撮影装置は、
   前記パターン生成装置の前記光パターンの照射時点と前記イメージセンサのセンシング時点とを互いに同期化する請求項２に記載の３次元スキャナ。
6. 前記パターン生成装置は、
   前記被写体に全方位に前記光パターンを照射する第２のレンズを備える請求項１に記載の３次元スキャナ。
7. 前記第２のレンズは、全方位レンズ、ミラー型レンズ、及び魚眼レンズのうち、いずれか１つであることを特徴とする請求項６に記載の３次元スキャナ。
8. 前記被写体の３次元モデル生成または補正のための３次元スキャナの回転角情報を検出する回転角情報検出部をさらに備える請求項６に記載の３次元スキャナ。
9. 前記回転角情報検出部は、
   ジャイロセンサ及び加速度センサを備える請求項８に記載の３次元スキャナ。
10. 前記パターン生成装置は、
    前記被写体で前記光パターンを形成するマイクロミラーと、
    前記マイクロミラーで光を照射する光源と、
    をさらに備える請求項８に記載の３次元スキャナ。
11. 前記光源は、
    少なくとも１つの発光ダイオードまたはレーザを備える請求項１０に記載の３次元スキャナ。
12. 前記パターン生成装置は、
    前記光源からの光をライン光に変換して、前記マイクロミラーで照射する縦軸と横軸の半径が相違したレンズと、
    前記光源から光を予め決定された構造の光パターンに変換して、前記マイクロミラーで照射する構造光パターンレンズと、
    前記ライン光または前記構造光パターンを前記マイクロミラーでフォーカシングして照射することができるコリメータレンズと、
    をさらに備える請求項１０に記載の３次元スキャナ。
13. 前記パターン生成装置は、
    前記光源の駆動時間及び駆動周期のうち、少なくとも１つを制御する光源モジュレータを備え、
    前記被写体に照射される光ライン間の間隔及びそれぞれの太さを調節し、
    カラーまたは単色の複数で様々な形態のパターンを生成できる請求項１０に記載の３次元スキャナ。
14. 前記被写体は、口腔である請求項１０に記載の３次元スキャナ。
15. 前記被写体を撮影した２次元画像、前記２次元画像を任意の領域に分割した画像、または前記被写体の３次元モデルを有線及び／又は無線通信を介してディスプレイ装置、携帯用ディスプレイ装置、及び３次元スキャナに設けられたプレビューディスプレイ装置のうち、少なくとも１つに送信する請求項１に記載の３次元スキャナ。
16. 請求項１に記載の３次元スキャナから受信した画像データを３次元モデルに変換してデザインデータを生成し、これを加工装置または３次元プリンタで加工することができるＣＡＭデータのうち、いずれか１つに変換するデータ変換装置。
17. 請求項１６に記載のデータ変換装置から受信した前記ＣＡＭデータに基づいて、少なくとも１つの人工歯と人工物の歯肉、口蓋に連結された複数の歯牙、インプラント、サジカルガイド（Ｓｕｒｇｉｃａｌ ｇｕｉｄｅ）、矯正器、入れ歯（Ｄｅｎｔｕｒｅ）のうち、少なくとも１つを生成する加工装置。
18. 請求項１６に記載のデータ変換装置から受信した前記ＣＡＭデータに基づいて、少なくとも１つの人工歯と人工物の歯肉、口蓋に連結された複数の歯牙、インプラント、サジカルガイド（Ｓｕｒｇｉｃａｌ ｇｕｉｄｅ）、矯正器、入れ歯（Ｄｅｎｔｕｒｅ）のうち、少なくとも１つを生成する３次元プリンタ。