JP6793632B2 - 加速度計を有する３ｄスキャナ - Google Patents

Description

本発明は、物体の表面の３Ｄ座標を取得するための少なくとも１つのスキャニングモジュールを備える３Ｄスキャナに関する。本発明は、また、表面の三次元（３Ｄ）座標を取得するために物体の表面をスキャンするための方法に関する。

物体の３Ｄ表面をスキャンするための三次元スキャナ（３Ｄスキャナ）は、広く用いられている。３Ｄスキャナは、物体の表面の各点又は多数の点についての座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を測定する装置である。ＥＰ３０８１９８０Ａ１は、コヒーレント光ビームが非等方性拡散面で証明される間に、非等方性拡散面を回転するために、回転シャフトを用いて光学スキャン装置及び照明装置を開示する。レーザの使用により物体の表面の３Ｄ座標を取得する方法及びシステムがＵＳ２０１６／１６９６５９Ａ１によって開示される。少なくとも１つ加速度計及びジャイロスコープを含む２つの位置からの３Ｄ座標を測定するレーザスキャナは、ＵＳ２０１６／２４５９１８Ａ１から知られている。このような３Ｄスキャナは、環境において距離のある物体をスキャンするためにのみ用いられうる。物体の表面の正確な測定は、不可能であり、故に、このようなスキャナは、物体の表面の精密な構造を正確にスキャンするために用いられることができない。立体照明プロジェクタを備える３Ｄスキャナは、ＵＳ２０１６／１７３８５５Ａ１から知られている。この３Ｄスキャナは、スペクトル分解を用いることによって高い精度で接触なしに物体の表面を正確に測定することが可能である。それにもかかわらず、セットアップが高価であり、全てのパーツが作動するためにサービスを必要とするが、複雑な表面は、このセットアップによって容易に測定されることができない。

このような測定の結果は、深さ（又は距離）Ｚが、デカルト座標系における位置（Ｘ，Ｙ）に基づいて一般的に表現されるので、画像としての表面の、いわゆる「深さ」マップとみなされることができる。そのように集められた深さマップは、その後、様々な目的のために三次元総合画像（デジタルオブジェクト）を構築するために用いられてもよい。

コンタクトフリー３Ｄスキャナは、例えば、スキャニングモジュールとして２つのカメラの使用に基づいて立体視システムであり、カメラは、わずかに離間され、同一シーンに向かい、そのために深さは、２つの画像間での幾何学的変形から推定される。

いわゆる「立体照明（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ−ｌｉｇｈｔ）」３Ｄスキャナは、コンタクトフリー３Ｄスキャナの特定のファミリーである。これらのスキャナは、ビデオプロジェクタの原理で一般的に製造される光プロジェクタによって構成される、又は干渉縞を生成するレーザシステム（いわゆる「位相シフト」技術）及び立体視構成を製造するためにプロジェクタに対して幾何学的にオフセットされたスキャニングモジュールとしての少なくとも１つのカメラによって構成される。プロジェクタは、１つ又は２つの幾何学的大きさを有する、いわゆる光の「立体」パターンを投影し、これは、測定するために、表面上に色付けされることが可能である。「ステレオベーシス（ｓｔｅｒｅｏ ｂａｓｉｓ）」と呼ばれるプロジェクタから、ある距離に位置決めされるカメラは、シーンの画像を取得し、記録する。投影された立体パターンは、適切に選択された基本パターン（「立体要素」とも呼ばれる）によって構成され、取得された画像においてそれらを検出することができる。

これらのシステムの欠点は、主に使用する際に複雑であり、スキャンされる物体の大部分が３Ｄで記録される、又はアンダーカットを含む複雑な表面がスキャンされる場合、座標を得るために、異なる角度からの多数のスキャンが必要であることである。物体は、手動で位置決めされなければならない、又はスキャニングモジュールは、物体の周囲を移動する、又は３Ｄスキャナは、異なる角度から物体をスキャンする多数のスキャニングモジュールを備える。

したがって、本発明の課題は、従来技術の欠点を解消することである。特に、表面が複雑であっても、相対的に小さい物体の表面の大部分が詳細にスキャンされることができる３Ｄスキャナが見出されるべきである。３Ｄスキャナは、使用が容易であり、設定が簡素であり、できる限り低価格であるべきである。また、３Ｄスキャナは、柔軟に使用されることができ、ユーザの個々の要求を満たすことができるべきである。

本発明の課題は、物体の表面の三次元（３Ｄ）座標を取得する少なくとも１つのスキャニングモジュールと、前記物体が配置可能又は固定可能な位置決め装置と、を備え、前記位置決め装置は、前記少なくとも１つのスキャニングモジュールに対して移動可能であり、前記３Ｄスキャナは、前記スキャニングモジュールに対して前記位置決め装置の位置の変化を測定するように構成される少なくとも１つの加速度計と、前記少なくとも１つのスキャニングモジュール及び前記位置決め装置に接続され、データを受信する第１の処理ユニットと、を更に備え、前記少なくとも１つの加速度計の１つの加速度計は、前記位置決め装置に配置される、又は前記少なくとも１つの加速度計のある加速度計は、前記位置決め装置に配置され、別の加速度計は、前記スキャニングモジュールに配置される、３Ｄスキャナによって解決される。

好ましくは、少なくとも１つの加速度計は、１つの加速度計（単一の加速度計を意味する）。特に好ましくは、この加速度計は、３Ｄスキャナの他の固定部分に対して位置決め装置の移動を検出するために、移動可能な位置決め装置に配置される。データは、スキャニングモジュール及び加速度計から第１の処理ユニットによって受信される。少なくとも１つの加速度計は、少なくとも１つのジャイロスコープセンサであることが更に好ましい。ジャイロスコープセンサは、高額ではなく、本発明に係るスキャナに実装しやすい。更に、それらは、センサの一部の位置を良好かつ十分正確に測定することを可能にするために十分なデータを伝達する。

少なくとも１つの加速度計は、慣性測定ユニット（ｉｎｅｒｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ（ＩＭＵ））の一部でありうる。それにもかかわらず、好ましくは、１つのみの加速度計が３Ｄスキャナを簡素に保つために必要である。

本発明によれば、前記位置決め装置は、前記スキャニングモジュールに対して、２つの異なる軸（Ｘ，Ｙ）、好ましくは２つの直交する軸（Ｘ，Ｙ）の周囲に回転可能に搭載される、又は３つの異なる軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、好ましくは３つの直交する軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の周囲に回転可能に搭載され、前記少なくとも１つの加速度計は、前記スキャニングモジュールに対してこれらの軸（Ｘ，Ｙ）又は（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の周囲の前記位置決め装置の回転を測定するように構成されることが好ましい。

それにより、スキャニングモジュールを移動することなく、異なる側から物体をスキャンすることができ、それでも物体の全表面及び物体の複雑な表面構造の近傍をスキャンする。

少なくとも１つの加速度計の１つの加速度計は、位置決め装置に配置される又は少なくとも１つの加速度計のある加速度計は、位置決め装置に配置され、別の加速度計は、スキャニングモジュールに配置される。

これは、スキャニングモジュールと位置決め装置との間の相対的な移動を正確に測定することを確実にする。それによって、スキャニングモジュールの正確な視点が決定されることができ、物体の表面の座標は、異なるスキャンから算出されることができる。

更に、少なくとも１つの加速度計は、定義及び設定された自由度に沿って位置決め装置の位置の変化を測定するように構成されることが提供されうる。

相対的な移動のために定義及び設定された自由度を使用することによって、スキャニングモジュールに対して位置決め装置の相対的な位置の変化を容易かつ正確に判定することができる。

本発明の更なる発展は、前記第１の処理ユニット又は第２の処理ユニットは、前記スキャニングモジュールから取得された３Ｄ座標を、前記少なくとも１つの加速度計から受信された位置データと相関する、及び／又は互いに前記物体の異なる位置の３Ｄ座標を相関する、及び／又は異なる位置での前記物体の前記取得された３Ｄ座標を重ね合わせ、前記物体の位置の変化を考慮することによって、３Ｄ座標の組み合わせを算出する、ように構成されることも提案する。

これによって、得られた総表面座標の算出は、本発明に係る３Ｄスキャナによって広く自動化され、行われうる。そのように構築された３Ｄスキャナは、３Ｄ座標を算出するための機会を与えるだけではなく、物体の得られた３Ｄ表面座標を明示的に算出及び提示する。

本発明に係るこのような３Ｄスキャナは、更に、相関されたデータが格納されるメモリ要素を更に備え、前記第１の処理ユニット又は前記第２の処理ユニットは、前記加速度計によって測定された前記位置データの変化に対して前記物体の表面の前記取得された座標をマッチングすることによって、前記物体の全表面を算出するように構成される。

これによって、３Ｄスキャナによる物体の表面の座標を全て算出することの実現性が更に完了される。

３Ｄスキャナの別の実施形態では、前記位置決め装置は、前記スキャニングモジュールに対して２つの異なる方向又は３つの異なる方向に沿ってシフト可能であり、前記３Ｄスキャナは、前記少なくとも１つの加速度計としてリニア加速度計及びジャイロスコープセンサを備え、前記リニア加速度計は、前記スキャニングモジュールに対して前記位置決め装置の遷移によって生じた前記位置決め装置の位置の変化を測定するように構成され、前記ジャイロスコープセンサは、前記スキャニングモジュールに対して前記位置決め装置の位置によって生じた前記位置決め装置の角度の変化を測定するように構成される。好ましくは、３Ｄスキャナは、ジャイロスコープセンサ及びリニア加速度計を含むＩＭＵを備える。

これによって、大きな物体又は長い物体も本発明に係る３Ｄスキャナによりスキャンされうる。

本発明の更なる発展において、前記３Ｄスキャナは、３Ｄデンタルスキャナであり、人口歯、一連の人口歯、部分義歯、総義歯、義歯床、歯科印象、及び患者の口腔の一部のモデルのうちの少なくとも１つは、前記物体であり、前記位置決め装置に配置可能である又は固定可能である。

本発明に係る３Ｄスキャナは、コンパクトであり、様々な位置から物体をスキャンすることもできるように歯又は人口歯をスキャンするために特に有益である。口腔の一部は、通常、義歯床が配置される、又は歯のかぶせもの又は歯のブリッジが配置される、又はそこに歯のインプラントが挿入される残りの歯列がある又はない口腔粘膜のモデルである。

好ましい３Ｄスキャナでは、前記位置決め装置は、前記スキャニングモジュールに対して手動で回転可能である又は回転可能かつ線形移動可能である、又は前記位置決め装置は、前記スキャニングモジュールに対して予め設定された自由度に沿って手動で回転可能である又は回転可能かつ線形移動可能である。

これによって、固定スキャニングモジュールは用いられることができ、一方で、物体は異なる角度から物体をスキャンするように手動で移動される。３Ｄスキャナのオペレーターは、しばしば、その視点が、関連する表面を素早くかつ有効に測定するために必要である又は部分的に有益である最良のものを知る。したがって、手動移動可能位置決め装置は、ユーザの理解から利益を得ることに有益でありうる。スキャニング処理は、これによって、より容易かつ時間が節約される。

前記３Ｄスキャナは、前記スキャニングモジュールに対して前記位置決め装置を移動するためにモータ状のアクチュエータを備えないことが更に提案される。

モータのようなアクチュエータを使用しないことによって、３Ｄスキャナは、廉価であるが、物体のアクセス可能な全表面を全てスキャンすることに適している。更に、スキャニング処理中に問題が生じうること、故障すること、及び修理の必要があることが少ない。

更に、本発明によれば、前記３Ｄスキャナは、タイマを更に備え、前記第１の処理ユニットは、前記少なくとも１つの加速度計又は前記少なくとも１つの加速度計を備えるＩＭＵによって測定された位置の変化を判定することによって、前記スキャニングモジュールに対して前記位置決め装置の移動があるか、又はこの移動が所定の角度及び／又は線形速度限界を超えるかを判定するように構成されることが提供されうる。

これによって、３Ｄスキャナは、行われるスキャンが使用可能であるかを判定することができる。それに代えて又は加えて、物体が移動している間のスキャンは、より正確な結果を得るために、計算上、相関されうる。

３Ｄスキャナの好ましい実施形態では、前記第１の処理ユニットは、前記位置決め装置の移動の判定に基づいて、スキャニング処理を開始及び停止するように構成される、及び／又は前記物体の３Ｄ座標がメモリに格納される又は格納されないことを判定するように構成される。

これによって、３Ｄスキャナは、スキャニング処理が開始されうるかを決定されることができる。それに代えて又は加えて、物体が移動している間のスキャンは、より正確な結果を得るために、計算上、相関されうる。

本発明の特定の好ましい実施形態によれば、スキャニングモジュールは、立体照明スキャニングモジュールであることが提供されうる。

立体照明スキャニングモジュールは、三次元形状表面上に狭い帯域の光を投影することによって作動し、プロジェクタのものではない他の視点から歪められて見える照明線を生じる。本発明によれば、物体の表面形状の正確な幾何学的再構築を得るために用いられてもよい。より速く、より多目的な方法は、一度に多くのストライプ又は任意の縞からなるパターンの投影である。なぜなら、これは、多数のサンプルの取得を同時に可能にするためである。異なる視点から見ると、パターンは、物体の表面形状により、幾何学的に歪んで見える。立体照明投影の多くの他の変形が可能であるが、本発明の範囲内とみなされ、平行ストライプ又はグリッドのパターンは、本発明に好ましく用いられる。ストライプ又はグリッドの変位は、物体の表面での任意の詳細の３Ｄ座標の正確な検索を可能にする。

前記位置決め装置は、前記位置決め装置又は前記位置決め装置及び前記物体のシステムの重心が交点にあるようにその重量分布において釣り合わされ、前記交点は、その周囲で前記位置決め装置が平行に回転可能である少なくとも２つの軸が交差する又は当該交点の前記位置決め装置の最大直径の約１０％以内の周囲にあることも提供されうる。

この手段により、移動又は回転位置にあるときに、位置決め装置で作用するトルクなしで又はトルクのもたらされる低いモーメントのみで、位置決め装置を回転することができる。位置決め装置の回転される位置は、この設定によって機械的に安定化される。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、前記位置決め装置は、前記位置決め装置又は前記位置決め装置及び前記物体のシステムの重心が交点又はその近傍に移動される重り又は交換可能な重りを含み、前記交点は、少なくとも２つの軸が交差し、その周囲で前記位置決め装置が回転可能である。

この手段により、スキャンされる物体が交換される場合でさえ、位置決め装置で作用するトルクなしで又はトルクのもたらされる低いモーメントのみで、位置決め装置を回転することができる。回転される位置は、この設定によって機械的に安定化される。

好ましくは、少なくとも１つの加速度計からの位置データは、無線技術によって第１の処理ユニットへ転送される。したがって、３Ｄスキャナは、少なくとも１つの加速度計に接続され、かつ加速度計から、無線接続された受信機へ、それによって受信機に接続される第１の処理ユニットへ、位置データを転送するように配置されるワイヤレスデータ転送のためのモジュールを備える。受信機は、第１の処理ユニットを有するマザーボードに配置されうる。

第１の処理ユニットは、好ましくは中央処理ユニットである。

本発明によれば、位置決め装置は、球状テーブルが三軸の周囲に回転されうる支持構造において運ばれる球状テーブルとして実現されうる。球状テーブルの下側は、球状面、特に半球によって実現され、これは、球の中心に対して回転されうる。勿論、テーブルの球状面は、球状セグメント又はセクターの球状面のような球状領域のみである。

本発明の好ましい実施形態によれば、位置決め装置は、ボールベアリング又は少なくとも１つのボールキャスタによって支持される。ボールベアリング又は少なくとも１つのボールキャスタは、支持構造又は位置決め装置自体によって実現されうる。

本発明の目的は、また、好ましくは、本発明に係る３Ｄスキャナを使用して、表面の三次元（３Ｄ）座標を取得するために物体の表面をスキャンする方法によって実現され、以下、
Ａ）物体が位置決め装置に配置又は固定され、
Ｂ）少なくとも１つの加速度計によって前記位置決め装置の第１の位置が測定され、
Ｃ）スキャニングモジュールによって前記物体の表面がスキャンされ、
Ｄ）好ましくは前記物体又は前記位置決め装置の手動移動によって、少なくとも１つの第２の位置へ前記スキャニングモジュールに対して少なくとも１回、前記位置決め装置が回転され、
Ｅ）前記少なくとも１つの加速度計によって前記少なくとも１つの第２の位置が決定され、
Ｆ）前記少なくとも１つの第２の位置の各々において前記スキャニングモジュールによって前記物体の表面がスキャンされ、
Ｇ）前記少なくとも２つの位置における前記表面のスキャンを前記少なくとも１つの加速度計によって決定された前記位置と相関することによって、前記物体の表面の３Ｄ座標データが取得される、時系列ステップを備える。

少なくとも１つの第２の位置は、第１の位置とは異なる。好ましくは、相関されたデータは、メモリに格納される。

好ましい方法では、物体の総３Ｄ座標面データは、異なる位置での表面スキャンの相関された座標を重ね合わせることによって算出される。

これによって、物体の表面の得られる総３Ｄ座標を算出することの容易な手法が用いられる。

好ましくは、前記方法は、本発明に係る３Ｄセンサによって行われる。

本発明は、静的に設計されうる、スキャニングモジュールに対して、スキャンされる物体が固定される又はスキャンされる物体が配置される位置決め装置の位置を決定することによって、位置決め装置の回転を判定するために加速度計を用いることによって異なる角度で物体の表面の３Ｄ座標をスキャンすることを可能にし、それによって、物体の表面の大きな部分を測定する、という驚くべき発見に基づく。更なる利点は、スキャニングモジュールが、移動可能となる必要がなく、それによって、３Ｄスキャナの静止した本体に固定されうる。本発明は、また、３Ｄスキャナの他の部分に対する又は静止したスキャニングモジュールに対する位置決め装置の位置の変化を測定することによって、手動で移動可能な位置決め装置を構築することを可能にし、これは、３Ｄスキャナのユーザがその角度で物体がスキャンされるべきことを決定することを可能にする。それによって、低コストな３Ｄスキャナが構築されうる。人口歯、部分義歯、総義歯、歯科印象、又は患者の口腔の一部のモデルのような小さな物体について、本発明によれば、位置決め装置の回転のみを可能にし、少なくとも１つの加速度計によってスキャニングモジュールに対して、物体又は位置決め装置それぞれの２又は３以上の軸の周囲の異なる角度の回転を測定することのみを可能にすることが好ましい。この目的のために、位置決め装置の一部として少なくとも１つの加速度計を回転することが好ましい。表面がアンダーカット又は穴のような複雑な形状を有していたとしても、物体の表面の３Ｄ座標を測定することができる。

本発明に係る３Ｄスキャナ及び方法は、機械的な構造の複雑さを低減する利点、及び移動の使用可能な追加の第３の軸の利益を有し、これは、物体のスキャニング精度を向上させる。この効果は、一部の方向が限定された場合であっても、位置決め装置が全ての方向に自由に回転されうる場合に、大きな影響を与える。移動が、モータ及び制御電子機器の使用に代わって手動で駆動される場合、３Ｄスキャナの製造、駆動及び提供に必要なコストは、完全に自動化された３Ｄスキャナと比べて非常に低減される。また、本発明に係る３Ｄスキャナは、スキャニング処理のための個々に選択された視点を可能にし、故に、スキャンされる物体及び／又はスキャンされる部分表面の外部形状に適合されうる、最適化されたスキャニング工程を可能にする。

本発明の好ましい実施形態によれば、移動可能な球状テーブルは、本発明に係る３Ｄの位置決め装置を実現するために用いられる。正確に言うと、球の自由に移動可能な部位は、位置決め装置を実現するために用いられうる。位置決め装置のための移動可能な又は区分された球状テーブルは、原理上、６つの自由度に対する無数の静止位置を有するプラットフォームを実現し、これは、球状テーブルを支える支持構造が全ての三方向にシフトされうる場合、Ｘ−、Ｙ−及びＺ−方向の遷移に沿うＸ−、Ｙ−及びＺ−軸の周囲の回転である。物体をスキャンする際に、ソフトウェアプログラムは、定義された開始点、及び得られたメッシュデータを正確に位置合わせし、物体の測定された表面の３Ｄ座標を算出するために各追加スキャンのための各後続の位置を必要とする。

球状テーブルの位置が無限であり、かつ球状テーブルの移動が、正確に機能するために、テーブルに対して遮断されない球状幾何学形状を要求するので、ホール効果センサのような従来の機械的に搭載されたセンサ、一部の光学センサ及び他のものは搭載及び用いられることができない。スキャン中に、位置を捕捉するための内部システムの追加は、従来の２つの軸移動の回転の追加軸を得るスキャニングモデルの移動のために球形状を用いることを可能にする。位置データ（単一スキャンの測定された３Ｄ座標）は、その後、ケーブル、ＷＩＦＩ、ブルートゥース（登録商標）又は他の技術によって、メッシュデータの位置合わせのために第１の処理ユニットで動作する取得ソフトウェアへ渡される。球状テーブルは、ステッパモータ又は他の同様の技術を用いて手動又は自動的に作動されうる。

位置の測定の最終目的は、２つの基本的な方法によって代替的に実現されうる。第１に、機械的：特定のセンサ（エンコーダ）は、移動可能なテーブルの各自由度に対して用いられる。このような実施形態は、機械的に複雑である。第２に、光学的：一部の特別なタグが移動可能なテーブルに追加される。ステレオスキャナカメラのようなスキャニングモジュールは、テーブル位置についてのタグを認識し、特定のソフトウェアコンピュータは、テーブル位置を算出する。これらのタグは、清浄である必要があり、スキャニングモジュールによって任意の条件で視認可能である必要がある。スキャンされる物体は、タグを塞ぎ、ダストは、それらを完全又は部分的に隠し、測定を妨げる。したがって、両方の方法は、本発明に係る加速度計の使用を克服するある欠点を有する。

本発明の好ましい実施形態によれば、一連の集積電子回路基板は、球状テーブルの内部に搭載され、無線又はケーブルを介してスキャニングコンピュータへ３Ｄ空間における位置を送信する。このデータは、後続のスキャニングでの測定された座標のメッシュデータを正確に位置合わせするために用いられる。

本発明の更なる実施形態は、以下の五つの図面を参照して説明されるが、これは本発明を限定するものではない。

図１は、本発明に係る３Ｄスキャナの概略的な平面視を示す。 図２は、図１に係る３Ｄスキャナの本体の断面視を含む概略的な前面視を示す。 図３は、図１及び２に係る３Ｄスキャナの概略的な側面視を示す。 図４は、切断面Ｂに沿う、図１の３Ｄスキャナについての位置決め装置を通じた概略的な断面視を示す。 図５は、切断面Ａに沿う、図１の３Ｄスキャナについての位置決め装置を通じた概略的な断面視を示す。

図１、２及び３は、本発明に係る３Ｄスキャナの概略的な平面視、前面視及び側面視を示す。３Ｄスキャナは、位置決め装置として機能する球状テーブル１を備える。球状テーブル１の外形は、実際には全体が球形ではないが、半球であり、これは、３つの直交する軸の周囲の３Ｄスキャナの残りの部分に対して自由に回転されうる。最大回転角は、球状テーブル１の（図２から５において上方、図１において見る人の方向での画像面の外側）上端によって規定される。テーブルプレートは、球状表面を超え、それにより、球状テーブル１が２つの水平軸の周囲の最大９０°の周囲で回転されることを防ぐ。３Ｄスキャナは、また、球状テーブル１の上部からステレオ画像を記録することが可能な２つのカメラを備える。本体３は、３Ｄスキャナの電子部品を含む。本体３からの支持アーム４及びプレート５は、カメラ２を保持し、位置決めしている。好ましくは、カメラ２、並びに支持アーム４及びプレート５は、本体３に強固に接続される。それに代えて、支持アーム４もまた、本体３に線形シフト可能に及び／又は回転可能に搭載され、スキャニング目的のスキャニング角度に適合する。

球状テーブル１は、支柱６を介して本体３と強固に接続される支持構造２２（図２及び３参照）によって運ばれる。球状テーブル１は、支持構造２２に対する３つの軸の周囲に回転されうる。プロジェクタ７は、支持アーム４に接続される。プロジェクタ７は、立体照明により球状テーブル１の上部を照射する。カメラ２及びプロジェクタ７は、支持アーム４及びプレート５を介して互いに強固に固定される。２つのカメラ２及びプロジェクタ７は、本発明に係る３Ｄスキャナのスキャニングモジュール２，７を形成している。プロジェクタ７が立体照明を送信すると、スキャニングモジュール２，７は、立体照明スキャニングモジュール２，７となることが理解される。

支柱６は、２つの更なるスタンド８と共に球状テーブル１を運ぶ又は支持する。第３のスタンド８は、３Ｄスキャナの本体３に固定される。したがって、全３Ｄスキャナは、表面上の３つのスタンド８上に安定に配置される又は搭載されうる。わずかな不均一は、スタンド８の脚の高さに適応することによって平らにされうる。この目的のために、脚は、好ましくは、ねじ山及び雌ねじを介してスタンド８のアームに接続される。

スキャンされる物体９は、球状テーブル１に固定されて配置され、プロジェクタ７の立体照明によって照明される。立体照明の反射は、物体９の表面のステレオ画像を形成するステレオカメラ２によって測定されうる。固定手段（図示せず）又は磁気テーブル１は、支持構造２２においてスキャニングモジュール２，７に対して球状テーブル１を移動するとき、球状テーブル１に対する物体９の移動を避けるために、球状テーブル１へ物体９を固定するために用いられる。

グラフィックカード１０は、物体９のスキャンされた表面の３Ｄ座標を生成するために、カメラ２からのグラフィック信号を評価するために用いられる。グラフィックカード１０は、この目的のためのグラフィックチップを含む。グラフィックカード１０は、本体３のハウジングの内部に配置される。実際には、グラフィックカード１０は、本体３のハウジングが、図１に示されるような、グラフィックカード１０の領域において透明である場合にのみみられうる。

第１のスイッチ１２は、３Ｄスキャナのオン及びオフを切り替えるために３Ｄスキャナの裏側に配置される。第２のスイッチ１４は、プロジェクタ７又はスキャニングモジュール２，７をチューニングするためにプロジェクタ７に配置され、プロジェクタ７及びカメラ２を備え、別々にオン及びオフする。

ミラー１５は、支持アーム４に配置され、中間にカメラ２が所望の角度から物体９を立体照明で照明するためにプロジェクタ７からの光路を変更するために用いられる。ここで、プロジェクタ７は、カメラ２に対して好ましくない角度から物体９の照明を生じることなく、実際の位置に配置されうる。

図２は、３Ｄスキャナの本体３の断面視を含む概略的な前面視を示す。これは、本体３及びそこにある全ての電子部品の内部を見ることを可能にする。グラフィックカード１０の傍で、本体は、電子部品として電源１６、マザーボード１８及びハードディスク２０又はソリッドステートディスク２０を含む。マザーボード１８は、少なくとも１つの中央処理ユニット（ＣＰＵ）を有し、本発明に係る方法を実行するようにプログラムされる、言い換えれば、異なる位置から３Ｄ座標を組み合わせ、物体９の表面の総３Ｄ座標の得られるセットを算出するようにプログラムされる。

図４は、３Ｄスキャナについての位置決め装置１を通じた概略的な断面視を示す。切断面Ｂは、図１の実線Ｂとして示される。図５は、図１の３Ｄスキャナについての位置決め装置を通じた概略的な断面視を示す。切断面Ａは、図１の実線Ａとして示される。

球状テーブル１は、球状テーブル１の重心を下側（図２から５では下方、図１では画像面へ）に移動する重り２４を含む。それにより、示される球状テーブル１の中心位置及び全ての他の取り得る位置は、安定化される。この中心位置は、平面平行上面によって特徴付けられ、その上に物体９が、グラウンドレベルに、配置される又は固定される。言い換えれば：テーブル１の表面は、重力に直行して位置合わせされる。重り２４は、スキャンされる異なる物体へ重心を適合するために、他の重りによって置き換えられうる及び／又は横へ移動されうる。この目的のために、重り２４は、球状テーブル１へねじ３８によって固定される。重り２４を交換することによって、そこに物体９を有する球状テーブル１の重心が、球状テーブル１の位置から独立した場所に留まることを確実にしうる。言い換えれば：重り２４に適応することによって、テーブル１及び物体９のシステムの重心は、球状テーブル１の球状面によって定義される球の中心に移動されることができ、それにより、球状テーブルが回転される場合に、球状テーブル１上のトルクのモーメントを避けることができる。これによって、球状テーブル１又は球状テーブル及び物体９のシステムの重心は、その周囲で球状テーブル１が回転可能な３つの軸の交点又はその近傍に移動される。

球状テーブル１の内部では、加速度計としてのジャイロスコープ２６が搭載される。ジャイロスコープ２６は、少なくとも１つのジャイロスコープセンサ２６及びリニア加速度計を備える慣性測定ユニット（ｉｎｅｒｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ（ＩＭＵ））の一部であってもよい。ジャイロスコープセンサ２６は、球状テーブル１の回転を測定することが可能である。更に、電源２８及びＷＩＦＩモジュール３０は、球状テーブル１の内部に配置される。ＷＩＦＩモジュール３０は、ジャイロスコープセンサ２６に接続され、本体３のマザーボード１８上のＣＰＵへ球状テーブル１の位置の測定された変化を送信可能である。

球状テーブル１は、それによってテーブル１の電力が別々にオン及びオフされうる別々のスイッチ３２を有する。球状テーブル１は、そこで球状テーブル１の球状面が３つの軸の周囲に自由に回転されうる中空凹部を有する支持体３４によって運ばれる。支持体３４は、スタンド８及び支柱６の２つによって運ばれる。球状テーブル１のための支持体３４は、２つのねじ３６によって支柱６に固定される。重り２４は、ねじ３８によって球状テーブル１の内面に固定される。球状テーブル１のための少なくとも１つのボールキャスタ４０は、球状テーブル１を移動可能に支持するために偏心して搭載される。少なくとも１つのボールキャスタ４０は、また、ボールキャスタ４０がモータによって駆動されうる場合（図示せず）、支持構造２２の内側の球状テーブル１の回転を測定する及び／又は駆動するために用いられうる。

本体３の電源１６は、他の全ての電子部品、支持構造２２と共に球状テーブル１のプロジェクタ７、カメラ２及び電源２８へ電力を供給する。球状テーブル１の電源は、移動可能な球状テーブル１の回転の制限又は外乱を避けるために、電源１６から独立して構築されうる。この目的のために、バッテリ又はアキュムレータは、電源として用いられうる。マザーボード１８は、少なくとも１つの中央処理ユニット（ＣＰＵ）を有し、少なくとも１つのＣＰＵをグラフィックカード１０及びハードディスク２０又はソリッドステートディスク２０、並びに球状テーブル１のカメラ、プロジェクタ７及びＷＩＦＩモジュール３０に間接的に接続する。ハードディスク２０又はソリッドステートディスク２０は、一時的及び恒常的に全てのデータを格納することが可能である。このデータは、例えば、カメラ２からの生データ、及びこれらの生データからＣＰＵによって算出される物体の処理された３Ｄ座標であることができ、ジャイロスコープセンサ２６によって測定された回転アライメント及びＩＭＵによって測定された回転及び線形アライメントを考慮する。したがって、本体３は、３Ｄスキャナのコンピュータシステムとみなされうる。

物体９の表面の測定は、以下の例に従って行われうる：物体９は、球状テーブル１の上部平坦面に配置又は固定される。物体９及び球状テーブル１の位置は、初めに変更されないままであり、物体９の第１の位置を定義する。開始位置は、ジャイロスコープセンサ２６又はジャイロスコープセンサ２６を含むＩＭＵによって測定され、情報は、ＷＩＦＩモジュールによってデータを受信機（図示せず）に送信することにより転送され、これは、マザーボード１８に接続され、それによって、マザーボード１８上のＣＰＵに接続される。プロジェクタ７は、物体９を立体照明で照明する。カメラ２は、２つの異なる角度から、反射された光を受け付ける。グラフィックカード１０は、球状テーブル１の第１の位置において物体９の証明された表面の３Ｄ座標を算出する。これらの３Ｄ座標は、位置データと共に、ハードディスク２０又はソリッドステートディスク２０に格納される。

球状テーブル１の位置は、球状テーブル１及びその上の物体９の旋回、傾斜又は回転によって変化される。位置の変化は、ジャイロスコープセンサ２６又はＩＭＵによって測定される。位置の変化は、手動で又は少なくとも１つのボールキャスタ４０を駆動することによって又はモータ（図示せず）を用いることによって駆動されうる。テーブル１が移動を停止する又は手動又は自動生成信号で開始されるとすぐに、球状テーブル１及びその上の物体９の第２の位置が到達され、第２の位置は、ジャイロスコープセンサ２６又はＩＭＵによって測定され、データは、上述されたように、ＷＩＦＩモジュール３０によって転送される。第２の位置において物体９の表面は、プロジェクタ７によって照明され、物体９からの反射された光は、カメラ２によって記録され、第２の位置のおける物体９の表面座標は、上述されたように生成され、新たな位置データと共にハードディスク２０又はソリッドステートディスク２０に格納される。測定は、テーブル１及び物体９の１以上の追加位置について同様に繰り返されうる。

マザーボード１８上のＣＰＵは、スキャニングモジュール２，７が物体９の周囲を移動している場合のように、ハードディスク２０又はソリッドステートディスク２０上に格納された３Ｄ座標を組み合わせ、物体の異なる位置を考慮することによって、物体の表面の３Ｄ座標の組み合わせられた及び最終的なセットを算出する。３Ｄ座標の組み合わせられたセットは、ハードディスク２０又はソリッドステートディスク２０に保存される及び／又は連続使用のために外部コンピュータ（図示せず）に送信される。好ましくは、３Ｄ座標の組み合わせられたセットは、ＣＡＤ−ＣＡＭ−システム用に用いられうるＣＡＤフォーマットに格納及び／又は送信される。

上記の詳細な説明、特許請求の範囲、図面及び例示的な実施形態で開示された本発明の特徴は、本発明の各種実施形態を実装するために別々に及び組み合わせてることの両方が不可欠であることができる。

１ 位置決め装置／球状テーブル
２ カメラ／スキャニングモジュール
３ 本体
４ 支持アーム
５ プレート
６ 支柱
７ プロジェクタ／スキャニングモジュール
８ スタンド
９ 物体
１０ グラフィックカード／電子部品
１２ スイッチ
１４ スイッチ
１５ ミラー
１６ 電源
１８ マザーボード
２０ ハードディスク／ソリッドステートディスク
２２ 支持構造
２４ 重り
２６ ジャイロスコープセンサ／加速度計
２８ 電源モジュール
３０ ＷＩＦＩモジュール
３２ スイッチ
３４ センサ用の支持体
３６ ねじ
３８ ねじ
４０ 位置決め装置用のボールキャスタ

Claims (18)

1. ３Ｄスキャナであって、
   物体（９）の表面の三次元（３Ｄ）座標を取得する少なくとも１つのスキャニングモジュール（２，７）と、
   前記物体（９）が配置可能又は固定可能な位置決め装置（１）と、を備え、
   前記位置決め装置（１）は、前記少なくとも１つのスキャニングモジュール（２，７）に対して移動可能であり、
   前記３Ｄスキャナは、
   前記少なくとも１つのスキャニングモジュール（２，７）に対して前記位置決め装置（１）の位置の変化を測定するように構成される少なくとも１つの加速度計（２６）と、
   前記少なくとも１つのスキャニングモジュール（２，７）及び前記位置決め装置（１）に接続され、データを受信する第１の処理ユニットと、
   を更に備え、
   前記少なくとも１つの加速度計（２６）の１つの加速度計（２６）は、前記位置決め装置（１）に配置され、前記位置決め装置（１）は、球状テーブルが三軸の周囲に回転されうる支持構造において運ばれる前記球状テーブルである、３Ｄスキャナ。
2. 前記位置決め装置（１）は、前記スキャニングモジュール（２，７）に対して、３つの異なる軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、好ましくは３つの直交する軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の周囲に回転可能に搭載され、前記少なくとも１つの加速度計（２６）は、前記スキャニングモジュール（２，７）に対してこれらの軸（Ｘ，Ｙ）又は（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の周囲の前記位置決め装置（１）の回転を測定するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の３Ｄスキャナ。
3. 前記少なくとも１つの加速度計（２６）は、少なくとも１つのジャイロスコープセンサ（２６）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の３Ｄスキャナ。
4. 前記少なくとも１つの加速度計（２６）は、定義及び設定された自由度に沿って前記スキャニングモジュール（２，７）に対して前記位置決め装置（１）の位置の変化を測定するように構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
5. 前記第１の処理ユニット又は第２の処理ユニットは、
   前記スキャニングモジュール（２，７）から取得された３Ｄ座標を、前記少なくとも１つの加速度計（２６）から受信された位置データと相関する、及び／又は
   互いに前記物体（９）の異なる位置の３Ｄ座標を相関する、及び／又は
   異なる位置での前記物体（９）の前記取得された３Ｄ座標を重ね合わせ、前記物体（９）の位置の変化を考慮することによって、３Ｄ座標の組み合わせを算出する、
   ように構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
6. 前記３Ｄスキャナは、相関されたデータが格納されるメモリ要素（２０）を更に備え、前記第１の処理ユニット又は前記第２の処理ユニットは、前記加速度計（２６）によって測定された前記位置データの変化に対して前記物体（９）の表面の前記取得された座標をマッチングすることによって、前記物体（９）の全表面を算出するように構成されることを特徴とする請求項５に記載の３Ｄスキャナ。
7. 前記位置決め装置（１）は、前記スキャニングモジュール（２，７）に対して２つの異なる方向又は３つの異なる方向に沿ってシフト可能であり、前記３Ｄスキャナは、前記スキャニングモジュール（２，７）に対して前記位置決め装置（１）の遷移によって生じた前記位置決め装置（１）の位置の変化を測定するように構成されるリニア加速度計と、前記スキャニングモジュール（２，７）に対して前記位置決め装置（１）の回転によって生じた前記位置決め装置（１）の角度の変化を測定するように構成される前記少なくとも１つの加速度計（２６）の１つとしてのジャイロスコープセンサ（２６）と、を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
8. 前記３Ｄスキャナは、３Ｄデンタルスキャナであり、人口歯、一連の人口歯、部分義歯、総義歯、義歯床、歯科印象、及び患者の口腔の一部のモデルのうちの少なくとも１つは、前記物体（９）であり、前記位置決め装置（１）に配置可能である又は固定可能であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
9. 前記位置決め装置（１）は、前記スキャニングモジュール（２，７）に対して手動で回転可能である又は回転可能かつ線形移動可能である、又は前記位置決め装置（１）は、前記スキャニングモジュール（２，７）に対して予め設定された自由度に沿って手動で回転可能である又は回転可能かつ線形移動可能である、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
10. 前記３Ｄスキャナは、前記スキャニングモジュール（２，７）に対して前記位置決め装置（１）を移動するためにモータ状のアクチュエータを備えないことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
11. 前記３Ｄスキャナは、タイマを更に備え、前記第１の処理ユニットは、前記少なくとも１つの加速度計（２６）又は前記少なくとも１つの加速度計（２６）を備えるＩＭＵによって測定された位置の変化を判定することによって、前記スキャニングモジュール（２，７）に対して前記位置決め装置（１）の移動があるか、又はこの移動が所定の角度及び／又は線形速度限界を超えるかを判定するように構成されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
12. 前記第１の処理ユニットは、前記位置決め装置（１）の移動の判定に基づいて、スキャニング処理を開始及び停止するように構成される、及び／又は前記物体（９）の３Ｄ座標がメモリに格納される又は格納されないことを判定するように構成されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
13. 前記スキャニングモジュール（２，７）は、立体照明スキャニングモジュール（２，７）であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
14. 前記位置決め装置（１）は、前記位置決め装置（１）又は前記位置決め装置（１）及び前記物体のシステムの重心が交点にあるようにその重量分布において釣り合わされ、前記交点は、その周囲で前記位置決め装置（１）が平行に回転可能である少なくとも２つの軸が交差する又は当該交点の前記位置決め装置（１）の最大直径の約１０％以内の周囲にある、ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
15. 前記位置決め装置（１）は、前記位置決め装置（１）又は前記位置決め装置（１）及び前記物体のシステムの重心が交点又はその近傍に移動される重り（２４）又は交換可能な重り（２４）を含み、前記交点は、少なくとも２つの軸が交差し、その周囲で前記位置決め装置（１）が回転可能である、ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
16. 表面の三次元（３Ｄ）座標を得るために物体（９）の表面をスキャンする方法であって、
    前記物体（９）が、球状テーブルが三軸の周囲に回転されうる支持構造において運ばれる前記球状テーブルである位置決め装置（１）に配置又は固定され、
    少なくとも１つの加速度計（２６）によって前記位置決め装置（１）の第１の位置が測定され、
    スキャニングモジュール（２，７）によって前記物体（９）の表面がスキャンされ、
    好ましくは前記物体（９）又は前記位置決め装置（１）の手動移動によって、少なくとも１つの第２の位置へ前記スキャニングモジュール（２，７）に対して少なくとも１回、前記位置決め装置（１）が回転され、
    前記少なくとも１つの加速度計（２６）によって前記少なくとも１つの第２の位置が決定され、
    前記少なくとも１つの第２の位置の各々において前記スキャニングモジュール（２，７）によって前記物体（９）の表面がスキャンされ、
    前記少なくとも２つの位置における前記表面のスキャンを前記少なくとも１つの加速度計（２６）によって決定された前記位置と相関することによって、前記物体（９）の表面の３Ｄ座標データが取得される、
    時系列ステップを備える方法。
17. 異なる位置において前記表面のスキャンの相関された座標を重ね合わせることによって、前記物体（９）の全３Ｄ座標表面データが算出されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記方法は、請求項１から１５のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナによって行われることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の方法。

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