JP7063825B2 - 構造化されたプローブ光のビームを用いる３ｄスキャナ - Google Patents

Description

本出願は、物体のデジタル３Ｄ表現物を記録するために該物体を３次元（３Ｄ）走査する方法に関する。特に、本出願は、走査対象物体上でプローブ光ビームの位置をシフトさせ得る３Ｄスキャナに関する。１つの用途は、特に、デスクトップスキャナにおいて歯科的印象又は物理的な歯科的模型を走査する歯科医療におけるものである。

当業界からは、３ＳＨＡＰＥ社のＤ２０００デスクトップスキャナのような走査対象物体上にプローブ光のビームを投射することにより動作する３Ｄスキャナが知られている。斯かる３Ｄスキャナは、基本的に、白色ラインの規則的パターンによるビームなどのビームを走査対象物体上に投射することにより機能する。投射されたビームにおける幾分かの光は、物体表面から反射されると共に、３Ｄスキャナの画像生成ユニットの一台以上のカメラにより捕捉されて、投射されたプローブ光の複数の２Ｄ画像を獲得する。例えば、上記２Ｄ画像において、構造化された光パターンにおける各ラインが検出されたとき、物体表面の３Ｄ座標を導出するために、三角測量法のような定評のある射影幾何学が使用され得る。その後、上記物体、及び、上記３Ｄスキャナの光学システムの少なくとも一部は、例えば、上記物体の回転、及び／又は、投射器ユニット及び画像生成ユニットの直線運動により、相互に対して移動され、且つ、新たな複数の２Ｄ画像が獲得され、それらから、上記物体の他の領域に対する３Ｄ座標が導出される。

構造化されたプローブ光ビームが物体表面上の１つの位置に位置決めされたとき、データは、構造化されたプローブ光ビームのさらに明るい部分により照射された表面の領域からのみ獲得される。「各ライン間の」データは次に、上記構造化されたプローブ光ビームを、ラインパターンの周期より小さい距離だけ、サンプル上で移動させることにより獲得され得る。上記物体を踏破して上記構造化ビームを移動させると、十分なデータが獲得されて、物体の表面を再構成すると共に、それを物体のデジタル３Ｄ表現物として表現することが可能とされる。一切の「ダークスポット」なしで、走査領域全体からデータが獲得されたとき、獲得された複数の２Ｄ画像から、上記物体の正確なデジタル３Ｄ表現物が生成され得る。

幾つかの先行技術の３Ｄスキャナにおいて、物体を踏破する構造化プローブ光ビームの漸進的な移動は、多くの場合、光源、レンズ系、及び、画像生成ユニットを含む光学システムを、物体に対し、高価である高精度の平行移動載置台を用いて移動させることにより実現される。

プローブ光のビームを物体上に投射すべく構成された投射器ユニットと、
上記物体が上記プローブ光ビームにより照射されたときに該物体の複数の２Ｄ画像を獲得すべく配置された画像生成ユニットと、
上記投射器の可動部分の配向及び／又は位置を調節することにより、上記物体における上記プローブ光ビームの位置を制御すべく配置されたアクチュエータユニットと、
を備えて成る、物体のデジタル３Ｄ表現物を記録する３Ｄスキャナが開示される。

上記アクチュエータユニットは、上記スキャナのフレーム構造が上記物体に対して実質的に静止して維持され乍ら、上記プローブ光ビームは上記物体を踏破して移動するように、上記投射器ユニットの可動部分の配向及び／又は位置を調節する。プローブ光ビームが上記物体を踏破して移動されるとき、上記表面の走査対象領域全体からデータが獲得され得る。

上記可動部分の配向及び／又は位置は好適には、漸進的に調節されることで、走査対象物体上におけるプローブ光ビームの位置の漸進的シフトを提供し得る。これにより、構造化されたプローブ光ビームが物体の表面を踏破して円滑に移動され、且つ、上記構造化されたプローブ光ビームパターンにおける該パターンの比較的に細寸の区画からは高解像度のデータが獲得される。上記構造は、構造化されたプローブ光のビームと交差する一方向において周期的変化を備えたパターンを有し、且つ、上記可動部分の配向及び／又は位置の任意の段階的な調節は、一段階の間におけるパターンの位置の変化が、少なくとも２０分の一のように、少なくとも１５分の一のように、少なくとも１０分の一のように、少なくとも５分の一のように、上記周期的変化よりも相当に小さい様に行われるときのように、上記移動は、走査対象物体における構造化プローブ光ビームの構造の規模で円滑である。

走査の間、上記物体及び３Ｄスキャナは、物体が３Ｄスキャナの走査体積内に位置決めされるように配置される。幾つかの実施形態において、上記スキャナはデスクトップスキャナである。斯かるデスクトップ３Ｄスキャナは多くの場合、物体に対するホルダを有することで、物体が走査体積に対して正しく載置されることを確実とする。本出願中に開示された概念を用いて実現され得る３Ｄスキャナのような高速の３Ｄスキャナに対し、走査は、震動により引起こされるブレにより、記録されるデジタル３Ｄ表現物が不正確とされることなしに、走査の間において物体が手で保持され得るように、十分に高速であり得る。

上記物体のデジタル３Ｄ表現物は、獲得された複数の２Ｄ画像から導出され得る。各２Ｄ画像の処理は、３Ｄスキャナのデータ処理ユニットにおいて、又は、獲得された２Ｄ画像が該３Ｄスキャナから転送される外部ユニットにおいて実施され得るか、又は、処理の一部分が３Ｄスキャナにおいて実施されると共に別の部分が外部ユニットにおいて実施され得る。上記外部ユニットは、パーソナルコンピュータであり得るか、又は、同様に上記３Ｄスキャナを構成するスキャナシステムの一部を形成する専用のデータ処理ユニットであり得る。すなわち、幾つかの実施形態において、上記３Ｄスキャナは、データ処理ユニットを備えて成るかそれに対して接続され、該データ処理ユニットは、獲得された複数の２Ｄ画像に基づいて上記物体の少なくとも３Ｄ構造形状を表現するデジタル３Ｄ表現物を生成すべく構成されたコンピュータプログラム製品が記憶されたコンピュータ可読媒体を備えて成る。

上記投射器ユニットの可動部分は、該投射器ユニットの全ての部分のような該投射器ユニットの各部分の内の１つ以上の部分を保持し得る。

幾つかの実施形態において、上記配向は、上記投射器ユニットの可動部分を枢動軸線回りに回転させることにより調節される。

上記投射器ユニットは、各光学的構成要素と、該投射器ユニットおけるそれらの相対配置とにより定義される光軸に沿い、プローブ光を発する。スキャナのフレーム構造に対して上記投射器ユニットの可動部分の配向を変化させると、スキャナのフレーム構造に対する投射器ユニットの光軸の角度が変化せしめられる。故に、上記可動部分の回転によれば、プローブ光ビームは、スキャナの走査体積内に位置決めされた物体を踏破して移動される。すなわち、上記アクチュエータユニットは、投射器ユニットの可動部分を枢動軸線回りに回転させることにより、物体上におけるプローブ光ビームの位置を制御し得る。

上記投射器ユニットの光軸の角度、及び、走査体積内に配置された物体まで距離により、上記物体上におけるプローブ光ビームの横断位置が決定される。故に、固定距離に対し、物体を踏破するビームの平行移動量は、上記フレーム構造に対する上記光軸の角度の変化により決定される。本発明に関し、「横断位置」という表現は、物体において、プローブ光ビームの光軸に対して実質的に直交する平面内における該プローブ光ビームの位置を指す一方、「横断平面」とは、物体において、プローブ光ビームの光軸に対して実質的に直交する平面である。

幾つかの実施形態において、上記枢動軸線は、上記投射器ユニットの光軸に対して実質的に直交する。

幾つかの実施形態において、上記枢動軸線は、上記投射器ユニットの光軸と交差する。上記枢動軸線を上記光軸に対して実質的に直交させてそれと交差させると、上記可動部分の回転と、上記３Ｄスキャナの走査体積内における、すなわち、該走査体積内に載置された物体上における、プローブ光ビームの移動との間における最も単純な関係が提供される。

幾つかの実施形態において、上記プローブ光のビームは、横断平面内における空間的構造を備えて成る構造化ビームである。上記プローブ光ビームにおける構造が、上記投射器ユニットの光軸に直交する一方向において均一であるとき、すなわち、上記構造が、この方向に沿って変化する特徴を有さないとき、上記回転軸線は好適には、この均一方向に対して平行である。少なくとも、上記枢動軸線は、上記均一方向及び上記光軸に対して直交されるべきでない、と言うのも、斯かる設計態様は、構造化ビームを、上記構造化ビームと交差する代わりに、上記均一方向に沿って移動させるのみだからである。

幾つかの実施形態において、上記アクチュエータユニットは、ホイールを備えて成るかそれを駆動すべく配置された回転モータを備えて成り、その場合、上記投射器ユニットの可動部分に対して作用的に結合された上記ホイールの表面は、上記回転モータの軸線から、回転に伴い変化する径方向距離を有する。例えば、上記ホイールの力を伝達する外側表面から、該ホイールの中心までの距離は、該ホイールの円周の相当割合に対する回転により、増大し得る。

従って、
プローブ光のビームを物体上に投射すべく構成された投射器ユニットと、
上記物体が上記プローブ光ビームにより照射されたときに該物体の複数の２Ｄ画像を獲得すべく配置された画像生成ユニットと、
上記投射器ユニットの可動部分を枢動軸線回りにおいて回転させることにより、上記物体における上記プローブ光ビームの位置を制御すべく配置されたアクチュエータユニットであって、該アクチュエータユニットは、ホイールを備えて成るかそれを駆動すべく配置された回転モータを備えて成り、上記投射器ユニットの上記可動部分に対して作用的に結合された上記ホイールの表面は、上記回転モータの上記軸線からの径方向距離であって、上記回転により変化する径方向距離を有するアクチュエータユニットと、
を備えて成る、物体のデジタル３Ｄ表現物を記録する３Ｄスキャナが開示される。

角度に依存する径方向距離を有する表面を備えるホイールを用いて上記投射器ユニットの可動部分の配向を制御すると、すなわち、ホイール表面が円を辿らないとき、先行技術の解決策と比較して、プローブ光ビームの位置の正確な制御に対する低コストの解決策が提供される。

本開示内容に関し、「ホイール表面」という表現は、上記投射器ユニットに対して作用的に結合された表面を指している。

走査対象物体上のプローブビームの位置を投射器ユニットの配向により制御することによる１つの利点は、物体とスキャナのフレーム構造とを静止させて維持し乍ら、ビーム位置が漸進的かつ動的に変化され得ることである。上記可動部分の位置及び／又は配向の漸進的で円滑な変化によれば、例えば、順次的に獲得される２つの２Ｄ画像間におけるパターンの位置のシフト量が、各２Ｄ画像の獲得の時点により単純に決定され得る。

上記アクチュエータユニットは、上記投射器ユニットの可動部分に対し、直接的に、又は、１つ以上の中間構成要素を介して間接的に、作用的に結合され得る。幾つかの実施形態において、上記アクチュエータユニットは、上記投射器ユニットの可動部分に対して直接的に係合すべく配置される。このことは、例えば、非常にコンパクトなスキャナ設計態様が提供されるように、上記アクチュエータユニットを上記可動部分に隣接させて載置することにより達成され得る。

幾つかの実施形態において、上記回転モータの軸線は、上記投射器ユニットの光軸に対して直交する。上記モータが、上記光軸に対して直交する軸線回りで回転するとき、上記ホイールの表面は上記光軸に沿って移動することから、上記投射器ユニットの可動部分の回転は、物体表面を踏破するプローブ光ビームの平行移動を提供する。

上記ホイールが回転する間に上記表面の径方向距離が増大するとき、上記アクチュエータは、上記投射器ユニットの可動部分に対し、直接的に、又は、中間構成要素を介して、押圧力を提供する。該押圧力は、上記枢動軸線回りにおける上記可動部分の回転を提供する。これにより、長寸の力伝達部材と協働して、物体上におけるプローブ光ビームの高精度の移動を提供する単純でコンパクトな設計態様が提供される。

幾つかの実施形態において、上記ホイール表面は、円滑であり、すなわち、例えばギヤ歯が無い。これにより、上記投射器ユニットの回転の、故に、物体上における構造化された光パターンの位置の、円滑で漸進的なシフトが提供される。同様に、ギヤ歯を回避すると、方向を変更するときのヒステリシス及び弛緩が、軽減され、又は、完全に回避され得るという利点がある。上記ホイール表面は、例えば、摩擦を低減するテフロン（登録商標）被覆にて被覆され得る。低摩擦の表面は、ホイールと、それに対して係合する構成要素との間における付着かつ滑動形式の運動に起因する急激な変動なしで、構造化ビームが物体を踏破して連続的に移動され得るように、上記投射器ユニットの可動部分の円滑で連続的な回転が実現され得るという利点を有している。

幾つかの実施形態において、上記アクチュエータユニットは、上記ホイール表面に接触させて配置された低摩擦要素を備えて成り、その場合、該低摩擦要素は、上記投射器ユニットの可動部分に対して作用的に結合される。そのとき、上記ホイールの表面は、例えば、該ホイールの半径が増大したときに上記投射器の可動部分に対して押圧力を提供する低摩擦要素を介して、上記投射器ユニットの可動部分に対して作用的に結合される。上記低摩擦要素は、当業者により決定され得る種々の形態で構成され得る。例えば、上記低摩擦要素は、接触表面の面積を、故に摩擦を、同様に低減し得る低摩擦ボール又はローラであり得る。斯かる実施形態は、低摩擦被覆の摩耗に関する問題を軽減又は回避するために、該被覆と比較して好適であり得る。

幾つかの実施形態において、上記アクチュエータユニットは、上記投射器の可動部分の位置を、直接的に、又は、力伝達要素を通して制御すべく配置されたピストンを備えて成る。

幾つかの実施形態において、上記ホイール表面は、偏心的であるか、又は、アルキメデス螺旋に従い形状化される。アルキメデス螺旋で形状化されたホイールにおいて、上記ホイールの中心からの力伝達部表面の径方向距離は、ホイール円周の大部分に亙る回転角度と共に、線形的に増大する。故に、上記モータの回転角度は、モータ回転角度に対して正比例する可動部分の回転へと変換される。このことは有用である、と言うのも、走査対象物体を踏破する、回転モータ角度と構造化プローブビームの平行移動との間の単純な関係が提供されるからである。

幾つかの実施形態において、力伝達部材は、上記投射器ユニットの可動部分の一部であり、又は、それに対して取付けられ、且つ、上記アクチュエータユニットは、上記力伝達部材の遠位端に対して係合すべく配置される。上記力伝達部材は上記アクチュエータユニットに対して作用的に接続されることで、該アクチュエータユニットは、上記３Ｄスキャナのフレーム構造及び／又は画像生成ユニットに対する上記投射器ユニットの可動部分の配向を制御し得る。上記力伝達部材は上記投射器ユニットに対し、直接的に、又は、中間部材を介して取付けられることで、該力伝達部材と、上記投射器ユニットの可動部分との固定的な相対配置を提供し得る。

幾つかの実施形態において、上記力伝達部材は長寸部材を備えて成る。長寸の力伝達部材を上記枢動軸線に対して直交して配置することで、該長寸要素が、上記枢動軸線と、アクチュエータユニットが該力伝達部材に対して係合することから上記投射器ユニットの可動部分に対して作用的に結合される箇所との間に所定距離を導入すると、上記可動部分の回転量は、上記アクチュエータユニットの所定の変化に対してさらに小さくなる。上記長寸の力伝達部材が長いほど、上記投射器ユニットの回転、故に、物体表面上における構造化プローブビームの移動の制御が容易となる。

幾つかの実施形態において、上記長寸部材の長さは、少なくとも１５ｃｍのように、少なくとも１０ｃｍのように、少なくとも８ｃｍのように、少なくとも５ｃｍのように、少なくとも３ｃｍのように、少なくとも２ｃｍである。

幾つかの実施形態において、上記長寸部材の長さと断面寸法との間の比率は、少なくとも２０のように、少なくとも１０のように、少なくとも５のように、少なくとも３のように、少なくとも２である。上記３Ｄスキャナは、パーソナルコンピュータのような制御ユニットを有するか、制御ユニットに対して接続され得、その場合、制御ユニットは、コンピュータプログラム製品によりコード化された持続的コンピュータ可読媒体を有する。上記プローブ光ビームのオフセットと上記回転モータの回転角度との間の正確な相関関係を決定すべく、上記３Ｄスキャナの較正が実施され得る。斯かる相関関係は、物体におけるプローブ光ビームの移動の一定速度が提供され得るように、上記コンピュータプログラム製品により考慮され得る。ビーム位置に対する回転モータ角度の相関関係はまた、与えられた複数の２Ｄ画像が記録されたときにおけるプローブ光ビームの位置が知られるように、与えられた回転角度において上記画像生成ユニットを用いて記録された２Ｄ画像間の関連付けを確立するためにも使用され得る。

幾つかの実施形態において、上記投射器ユニットは、光源と、上記プローブ光ビームに構造を導入すべく配置されたマスクとを備えて成る。

幾つかの実施形態において、上記マスクは固定された幾何学形状を有する。固定された幾何学形状を備えるマスクは、例えばＭＥＭＳアレイの解決策に対して低コストの解決策を提供するという利点を有する。上記マスクは、幾つかの領域が、光源から到来する光の大部分を透過することでプローブ光ビーム中に構造を形成するように、例えば、さらに高い又はさらに低い透過率の交互的領域を有する透過マスクであり得る。上記マスクは、ガラスプレートのような透明な基材上に、さらに低い透過率の複数の領域を画成することにより実現され得る。これは、例えば、上記プローブ光ビーム中に構造が画成されるように、上記プレートの１つの表面上に反射的又は吸収的な材料を成膜して、さらに低い透過率の領域を画成することにより実現され得る。

上記マスクはまた、該マスクにより反射された光ビーム中に構造が形成されるように、幾つかの領域が光の大部分を反射する反射的マスクでもあり得る。

当該マスクの平面内に延在する複数本の平行ラインの周期的パターンを有するマスクは、多数の等しく離間されたラインを備えた実質的に周期的な構造をプローブ光ビーム中に提供する。代替的に、上記マスクは、単一ラインビーム、スペックルパターンビーム、又は、光のドットを画成し得る。

上記構造化されたプローブ光ビームが、当該パターンがプローブ光ビームの光軸に対して直交する平面内に延在する多数本のラインを含むときのように、１つの横断方向において実質的に均一であり且つ第２の横断方向においては変化するパターンを有するとき、上記構造化ビームは好適には、各ラインと上記投射器ユニットの光軸とに対して直交する方向において移動され、すなわち、上記パターンは好適には、上記第２方向に沿って移動される。これにより、１つの時点において各ラインにより照射された物体表面の部分のみからだけではなく、表面全体に対するデータが獲得され得る。

等しく離間された複数本のラインの周期的構造を備えたプローブ光ビームに対し、ラインパターンの周期に対する明るい領域の幅の比率は、０．０２未満のように、０．０５未満のように、０．１未満のように、０．２未満のように、０．２５未満であり得る。さらに低い比率、すなわち、パターンの周期に対してさらに細寸のラインは、長い走査時間という負担はあるが、走査のさらに高い空間的分解能を提供する。

幾つかの実施形態において、上記プローブ光ビームにおける構造は、上記投射器ユニットの光軸を実質的に横断する平面内において、光強度が、交互的な比較的に明るい領域及び比較的に暗い領域を備えたチェッカーボードパターンに従い変化するものであり、その場合、上記チェッカーボードパターンは、該パターンの相当部分に亘り実質的に均一である周期性を有するものである。

光源とパターン生成要素とを使用する代わりに、光源が、ＬＥＤアレイ内に配置された複数のＬＥＤダイを備えたマルチダイＬＥＤのような発光体であるようなときに、光源自体が、パターン化された光を提供し得、その場合、各発光体は、各発光体からの光がプローブ光のパターンを画成するように配置される。

上記パターンが、多数の個別的なパターンセグメントを備えて成るとき、上記方法は、記録された複数の２Ｄ画像の各々におけるパターンの個別的なパターンセグメントを識別する段階を備えて成り得る。幾つかの実施形態において、上記アクチュエータユニットは、上記投射器ユニットの光軸に対して直交する平面内における上記マスクの位置を制御すべく配置された平行移動載置台を備えて成る。そのとき、物体上の構造化されたプローブ光ビームにおけるパターンは、上記平行移動載置台を用いて上記マスクの位置を制御することにより、物体を踏破して移動され得る。投射器ユニット及び画像生成ユニットの全体が移動されるシステムと比較して、これは好適である、と言うのも、相当に少ない質量が移動されることで、上記平行移動載置台に対する要件が緩和されるからである。

幾つかの実施形態において、上記可動部分は、ビーム案内用液体レンズを形成する一層以上の流体的な透明材料を備えて成り、且つ、上記アクチュエータユニットは、上記層に対して印加される電界を調節することにより、レンズの形態を制御すべく構成される。電界が調節されたとき、透明材料の少なくとも１つの層は、形態を変化させる。

幾つかの実施形態において、上記流体レンズは、第１の電界強度に対して楔形状である。斯かる楔形状レンズがビーム経路内に載置されたとき、プローブ光ビームの光軸は方向を変化させ、その場合、方向の変化は楔角度に依存する。上記電界強度が第２の値へと変化せしめられたとき、流体レンズは形態を、上記第１の電界強度の楔形状とは異なる第２形状へと変化させる。従って、電界強度を第１値から第２値へと変化させたとき、流体レンズの後の光軸は変化せしめられると共に、構造化されたプローブ光ビームのパターンは物体表面を踏破して移動される。

幾つかの実施形態において、上記流体レンズの第２形状もまた楔であり、その場合、第１及び第２の電界強度における楔角度は、逆の符号を有する。

幾つかの実施形態において、上記流体レンズの第２形状は、実質的に平坦である。

幾つかの実施形態において、上記画像生成ユニットは上記フレーム構造に対して固定される。構造化されたプローブ光ビームが走査対象物体を踏破して移動される間、画像生成ユニットをフレーム構造に対して固定すると、その様にしなければ、比較的に高重量の画像生成ユニットの精密な移動に対して使用される相当に高精度な直線状軸線／平行移動載置台が回避されることから、低コストの３Ｄスキャナが実現され得るという利点が提供される。

幾つかの実施形態において、上記３Ｄスキャナは、上記力伝達部材及びアクチュエータユニットに対して対向力を付与すべく配置された戻しスプリングを備えて成る。これにより、上記投射器ユニットの可動部分の回転及び／又は移動が良好に制御されるという利点が提供される。

幾つかの実施形態において、上記投射器ユニットは、上記マスクを物体上に結像させるレンズ系を備えて成る。上記レンズ系は、構造化されたプローブ光ビームの少なくとも一部分を受容すべく、且つ、構造化されたプローブ光ビームのパターンを物体上に結像させるべく配置される。

上記光源、パターン生成要素及びレンズ系は全て、上記投射器ユニットの可動部分の一部であり得る。

幾つかの実施形態において、上記アクチュエータユニットは、モータユニット又は圧電ユニットを備えて成る。

幾つかの実施形態において、上記可動部分は、上記レンズ系の少なくとも１つの構成要素を構成する。例えば、ビーム経路内に配置された集光レンズを平行移動又は回転させるとき、それは、物体上でプローブ光パターンの位置をシフトさせ得る。

幾つかの実施形態において、上記アクチュエータユニットは、物体を踏破するプローブ光ビームパターンの周期的移動が提供されるように、上記投射器ユニットの配向及び／又は位置を周期的に変化させるべく構成される。

上記画像生成ユニットは、固定された相対配置で配置された２個又は４個の画像センサのような、少なくとも１つの画像センサを備えて成る。各画像センサは、例えば、カラー又は単色の２Ｄカメラであり得る。

幾つかの実施形態において、上記３Ｄスキャナは上記フレーム構造により支持された物体支持表面を備えて成る。上記３Ｄスキャナは、上記物体支持表面の配向及び位置を上記画像生成ユニットに対して制御する手段を備えて成り得る。

幾つかの実施形態において、上記３Ｄスキャナは、物体を踏破する構造化されたプローブ光ビームの平行移動を制御すべく上記アクチュエータユニットに対して接続された制御ユニットを備えて成る。

幾つかの実施形態において、上記光源は、白色光源のような、多色光源である。幾つかの実施形態において、上記画像生成ユニットにおける各画像センサの内の少なくとも１つは、物体のカラー２Ｄ画像を記録し得る。これにより、物体の色も表現する該物体のデジタル３Ｄ表現物の記録が許容される。カラー画像センサは、ＢＡＹＥＲフィルタのようなカラーフィルタを備えたＣＣＤであり得る。

プローブ光のビームを物体上に投射すべく構成された投射器ユニットと、上記物体の複数の２Ｄ画像を獲得すべく配置された画像生成ユニットとを備えて成る３Ｄスキャナを配備する段階と、
上記物体上におけるプローブ光ビームの異なる位置のシーケンスに対する上記物体の２Ｄ画像を記録する段階であって、上記プローブ光は、上記スキャナのフレーム構造に対して上記投射器ユニットの移動部分の配向及び／又は位置を変化させることにより上記シーケンスにおける各位置間で上記物体を踏破して平行移動される段階と、
記録された各２Ｄ画像に基づき、上記物体の３Ｄ構造形状を表現するデジタル３Ｄ表現物を生成する段階と、
を備えて成る、物体のデジタル３Ｄ表現物を記録する方法が開示される。

プローブ光のビームを物体上に投射すべく構成された投射器ユニットと、上記物体の複数の２Ｄ画像を獲得すべく配置された画像生成ユニットと、上記投射器ユニットの可動部分を枢動軸線回りに回転させることにより上記物体におけるプローブ光ビームの位置を制御すべく配置されたアクチュエータユニットとを備えて成る３Ｄスキャナであって、上記投射器ユニットの可動部分に対して作用的に結合されたホイールの表面は、回転モータの軸線から、回転に伴い変化する径方向距離を有する３Ｄスキャナを配備する段階と、
上記物体上におけるプローブ光ビームの異なる位置のシーケンスに対する上記物体の２Ｄ画像を記録する段階であって、上記プローブ光は、上記ホイールを回転させることで上記投射器ユニットの移動部分の配向を変化させることにより上記シーケンスにおける各位置間で上記物体を踏破して平行移動される段階と、
記録された各２Ｄ画像に基づき、上記物体のデジタル３Ｄ表現物を生成する段階と、
を備えて成る、物体のデジタル３Ｄ表現物を記録する方法が開示される。

構造化されたプローブ光のビームを物体上に投射すべく構成された投射器ユニットと、
上記物体が上記構造化されたプローブ光ビームにより照射されたときに該物体の複数の２Ｄ画像を獲得すべく配置された画像生成ユニットと、
上記投射器ユニットの少なくとも１つの可動部分の配向及び／又は位置を当該３Ｄスキャナのフレーム構造に対して調節することにより、上記構造化されたプローブ光ビームを上記物体を踏破させて移動させるべく構成されたアクチュエータユニットと
を備えて成る、物体のデジタル３Ｄ表現物を記録する３Ｄスキャナが開示される。

本発明の上記の及び／又は付加的な目的、特徴及び利点は、添付図面を参照した本発明の各実施形態に関する以下の例証的で非限定的である詳細な説明によりさらに明らかとされよう。

先行技術の３Ｄスキャナの概略を示す図である。 枢動投射器ユニットの概略を示す図である。 枢動投射器ユニットの概略を示す図である。 ３Ｄスキャナの設計態様を示す図である。 ３Ｄスキャナの設計態様を示す図である。 楕円ホイールを備えた回転モータが構造化プローブ光ビームの位置を如何にして制御し得るかを示す図である。

以下の説明においては、本発明が如何にして実施され得るかを例示的にのみ示す添付図面に対して参照が行われる。

図１は、物体のデジタル３Ｄ表現物を記録するために構造化されたプローブ光ビームを用いる先行技術の３Ｄスキャナ１００の概略を示している。

投射器ユニット１０１は、レーザドット、レーザライン、白色又は色付きの縞のような、単色又は多色のスペクトル光の構造化されたプローブ光ビーム１０２を物体１０３上に投射する。上記投射器ユニットおいて、光源１０４からのプローブ光のビームは、前方において該ビーム内にパターンを導入するマスク１０５を貫通して進行すると共に、レンズ系１０６は、該構造化ビームを上記物体上に結像する。

反射されたプローブ光のビーム１０８は、３Ｄスキャナの画像生成ユニットにおける各カメラ１０９により捕捉されて、上記物体上に結像されたパターンの２Ｄ画像を獲得する。上記処理ユニット及び画像生成ユニットは、３Ｄスキャナの光学システムの少なくとも一部を形成する。獲得された各２Ｄ画像における光パターンが検出され、且つ、三角測量法又は立体写真撮影法のような定評のある射影幾何学が使用されて、上記パターンの明るい部分により照射された物体表面に対する３Ｄ座標が導出される。このことは、物体、及び、上記３Ｄスキャナの光学システムの一連の異なる相対位置に対して行われる。投射器ユニット１０１及び各カメラ１０９を含む上記光学システム全体の直線運動１１１によれば、上記パターンは、３Ｄスキャナが物体の新たな部分の表面に対する３Ｄ座標を導出し得るように、上記物体を踏破して移動される。上記光学システムの直線運動は、多くの場合、高価である高精度の線形シャフトにより提供される。

図２は、投射器ユニットの回転に基づく実施形態を示している。

投射器ユニット２０１は、レンズ系２０６により走査対象物体上に結像される構造化されたプローブ光のビーム２０２Ａ、２０２Ｂを生成するマスク２０５を貫通して進行する光を発する光源２０４を有する。上記画像生成ユニットは、スキャナのフレーム構造に関して固定された２台のカメラ２０９を有する（フレーム構造は、簡潔さのために図中に示されない）。投射器ユニット２０１に対しては、当該力伝達部材２１２の遠位端に対してアクチュエータユニット２１３が係合し得るように、長寸の力伝達部材２１２が取付けられる。

図２Ａにおいて、アクチュエータユニット２１３は、構造化されたプローブ光ビーム２０２Ａの伝搬方向が垂直であるように、力伝達部材２１２及び投射器ユニット２０１が水平に配置される状態に在る。

図２Ｂにおいて、アクチュエータユニット２１３は、力伝達部材２１２が、故に、上記投射器ユニットが、枢動軸線２２４の回りで回転されるように、上記力伝達部材の遠位端を変位させる。上記枢動軸線は、上記投射器ユニットの光軸に対して実質的に直交し且つ交差する。そのとき、構造化されたプローブ光ビーム２０２Ｂの伝搬方向は、従前の配置に対する方向２０２Ａから偏位する。

上記アクチュエータユニットが（３Ｄスキャナのフレーム構造及び各カメラ２０９に対して）上記力伝達部材の配向を調節したとき、構造化されたプローブ光ビームは走査対象物体を踏破して移動される。伝搬方向２０２Ａ及び２０２Ｂ間の角度２１５は、物体までの距離と協働して、サンプル上のビームパターンの移動量を決定する。

図３は、投射器ユニットの回転を伴う上記３Ｄスキャナの設計態様を示している。

投射器ユニット３０１は、図２に示されたのと同様の光源３０４、マスク３０５及びレンズ系３０６を有することで、構造化されたプローブ光のビームを走査対象物体３０３上に生成かつ結像する。上記画像生成ユニットは、スキャナのフレーム構造３１７、３１８に関して固定された２台のカメラ３０９を有する。長寸の力伝達部材３１２は、近位端が上記投射器ユニットの可動部分に対して取付けられる一方で、該力伝達部材の遠位端に対してはスキャナのアクチュエータユニット３２０、３２１、３２２が係合するように配置される。上記力伝達部材はまた、上記投射器ユニットの可動部分の一部であるとも考えられ得る。図示された設計態様において、上記アクチュエータユニットは、低摩擦ボール３２２の形態の低摩擦部材を介して力伝達部材３１２に対して連結されたホイール３２１を駆動する回転モータ３２０に基づいている。ボール３２２を介して力伝達部材３１２に対して力を付与するホイール３２１の外側表面は、該ホイールの配向により変化する外径を有する。上記回転モータが該モータの回転軸線回りに上記ホイールを回転させるとき、上記ボールの垂直位置は変化する。上記ホイールの半径が増大するとき、上記低摩擦ボールは、上方に押圧され、それにより、力伝達部材３１２が上方に押圧される。これにより、投射器ユニット３０１は、構造化されたプローブ光ビームのパターンが走査対象物体３０３を踏破して移動されるように、枢動軸線３２４の回りに回転される。上記力伝達部材及びアクチュエータユニットに対して対向力を付与すべく、戻しスプリング３２６が配置される。

ホイール３２１がアルキメデス螺旋に従い形状化されたとき、上記回転モータの回転は、力伝達部材３１２の遠位端の線形移動へと変換される。

上記回転モータの回転角度は、動的かつ円滑に制御され得ることから、構造化されたプローブ光ビームのパターンは、走査対象物体を踏破して動的かつ円滑に移動され得る。

上記スキャナの１つの具現例において、上記マスクは、交互的である７μｍ幅の透明ライン及び１８５μｍの不透明ラインの区間を３３個だけ備えた周期的パターンを有する。

上記投射器ユニットの可動部分の回転によれば、上記構造化されたプローブ光ビームは、３Ｄスキャナのフレーム構造に対して静止して載置された物体を踏破して掃引され得る。

図４は、上記３Ｄスキャナの設計態様を示している。

投射器ユニットは、図２に示されたのと同様の光源４０４、マスク４０５及びレンズ系４０６を有することで、構造化されたプローブ光のビームを走査対象物体上に生成かつ結像する。上記画像生成ユニットは、（簡潔さのために図面中には示されない）スキャナのフレーム構造に関して固定された２台のカメラ４０９を有する。

投射器ユニット４０１は、一層以上の流体的な透明材料により形成されたビーム案内用液体レンズ４３０を有する。上記アクチュエータユニットは、上記流体レンズの形状が第１形態から第２形態へと形態を変化させ得るように、上記流体レンズに対して印加される電界を制御し得るデバイス４３１を有し、その場合、第１及び第２の形態はいずれも楔形状であるが、異なる符号を有する楔角度を備えている。第１形態から第２形態へと変化するとき、構造化されたプローブ光ビームは、走査対象物体を踏破して移動される。第１及び第２の形態において投射器ユニット４０１から発せられた構造化されたプローブ光ビームの伝搬方向４０２Ａ、４０２Ｂ間の角度４１５は、物体上の位置のシフト量を決定する。

図５は、上記３Ｄスキャナの設計態様を示している。

投射器ユニット５０１は、図２に示されたのと同様の光源５０４、マスク５０５及びレンズ系５０６を有することで、構造化されたプローブ光のビームを走査対象物体上に生成かつ結像する。上記画像生成ユニットは、（簡潔さのために図面中には示されない）スキャナのフレーム構造に関して固定された２台のカメラ５０９を有する。

上記マスクは、走査対象物体を踏破してパターンが移動され得るように、光軸に直交する平面内で該マスクの位置を制御する平行移動載置台上に配置される。上記平面内における上記マスクの位置を、制御ユニット５３５が制御する。

図６は、楕円ホイールを備えた回転モータが、走査対象物体の表面上でプローブ光ビームの位置を如何にして制御し得るかの断面的説明図を示している。

投射器ユニット６０１及び長寸の力伝達部材６１２は、図３に関して記述されたものと同様であり、力伝達部材６１２の近位端は投射器ユニット６０１に対して取付けられ、且つ、遠位端は、それに対してアクチュエータユニットの低摩擦ボール６２２が係合し得るように配置される。投射器ユニット６０１及び力伝達部材６１２は、該力伝達部材６１２の遠位端の垂直位置が変化せしめられたとき、枢動軸線６２４の回りで回転する。上記アクチュエータユニットは、楕円ホイール６２１を回転軸線６４０の回りで反時計方向に駆動する回転モータを有する。上記投射器に対する上記ホイールの配置は、モータの回転軸線が枢動軸線に対して直交していた図３と比較して、僅かに異なる。両方の配置によれば、ボール６２２は、力伝達部材６１２の遠位端の垂直位置を制御し得る。

低摩擦ボール６２２を介して力伝達部材６１２に対して力を付与するホイール６２１の外側表面は、該表面の垂直位置が、故に、ボール６２２が、上記ホイールの配向により変化するように、楕円を辿る。

図６Ａに示された回転角度において、上記ホイールは、その長軸を水平とし、且つ、短軸を上記低摩擦ボールに向けて配置される。故に、上記ホイールの回転軸線から、上記力伝達部材の遠位端に係合する上記ボール表面の部分までの距離６４１は、その最小値を有する。示された構成において、これは、投射器ユニットが、構造化されたプローブ光ビーム６０２Ａを垂直方向に沿って発することに対応する。

その後、上記回転モータはホイール６２１をモータ回転軸線６４０の回りで反時計方向に回転させることから、上記低摩擦ボールにおける上記ホイールの半径は、図６Ｂに示されたように増大する。低摩擦ボール６２２は上方に押圧され、それにより、力伝達部材６１２の遠位端が上方に押圧される。これにより、構造化されたプローブ光ビーム６０２Ｂが、上記ホイールが図６Ａに示されたように配置されたときのプローブ光ビーム６０２Ａの垂直方向に対して僅かな角度を以て投射器ユニット６０１を離脱するように、投射器ユニット６０１は枢動軸線６２４の回りで回転される。これにより、上記構造化されたプローブ光ビームのパターンは、物体表面を踏破して移動される。

図６Ｃは、上記低摩擦ボールがその最大垂直位置に到達すると共に、上記ホイールの回転軸線から、上記力伝達部材の遠位端に係合するボール表面の部分までの距離６４１がその最大値を有するように、上記ホイールが長軸を上記ボールに向けて配置された状況を示している。これにより、上記３Ｄスキャナの各構成要素の所定の構成及び配置に対し、物体におけるビーム位置の最大オフセットが実現される。

回転軸線６４０の回りにおける上記回転モータの角度は連続的に円滑に制御され得ることから、構造化されたプローブ光ビームのパターンは、走査対象物体を踏破して連続的に円滑に移動され得る。上記楕円ホイールに対し、上記プローブ光パターンは、図６Ａ乃至図６Ｃに係る上記ホイールの反時計方向回転が継続されても、あるいは、回転が逆転されても、図６Ａの初期位置に向けて連続的に円滑に戻り移動する。

Claims (15)

1. 物体のデジタル３Ｄ表現物を記録する３Ｄスキャナであって、
   構造化されたプローブ光のビームを、歯科的印象又は物理的な歯科的物体を含み且つ走査体積内に配置された前記物体上に投射すべく構成された投射器ユニットと、
   前記物体が前記構造化されたプローブ光ビームにより照射されたときに該物体の複数の２Ｄ画像を獲得すべく配置された画像生成ユニットと、
   光源を有する前記投射器ユニットの可動部分を枢動軸線回りにおいて回転させることにより、前記物体における前記構造化されたプローブ光ビームの位置を制御すべく配置されたアクチュエータユニットであって、該アクチュエータユニットが、ホイールを備えるか又はホイールを駆動すべく配置される、回転モータを有し、前記ホイールの表面が、前記投射器ユニットの前記可動部分に対して作用的に結合され、且つ、前記回転モータの軸線からの径方向距離であって回転により変化する径方向距離を有することによって前記光源を移動させるアクチュエータユニットと、
   を具備する３Ｄスキャナ。
2. 前記枢動軸線が、前記投射器ユニットの光軸に対して直交し且つ交差する請求項１に記載の３Ｄスキャナ。
3. 前記アクチュエータユニットが、前記投射器ユニットの前記可動部分に対して直接的に係合すべく、又は、前記投射器ユニットの前記可動部分に対し、１つ以上の中間要素を介して間接的に係合すべく、配置される請求項１又は２に記載の３Ｄスキャナ。
4. 力伝達部材が、前記投射器ユニットの前記可動部分の一部であり、又は、前記投射器ユニットの前記可動部分に対して取付けられ、且つ、前記アクチュエータユニットが、前記力伝達部材の遠位端に係合すべく配置される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
5. 前記ホイール表面が、偏心しているか又はアルキメデス螺旋に従い形状化される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
6. 前記ホイール表面が円滑である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
7. 前記力伝達部材が長寸部材を有する請求項４に記載の３Ｄスキャナ。
8. 前記回転モータの前記軸線が、前記投射器ユニットの光軸に対して直交する請求項１乃至７のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
9. 前記投射器ユニットが、光源と、前記プローブ光ビームに構造を導入すべく配置されたマスクとを有し、前記マスクが固定された幾何学形状を有する請求項１乃至８のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
10. 前記画像生成ユニットがフレーム構造に対して固定される請求項１乃至９のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
11. 前記構造化されたプローブ光ビームが、ラインパターン、又は、レーザドット、レーザライン、白色若しくは色付きの縞のパターン、又は、交互的な比較的に明るい領域及び比較的に暗い領域を備えたチェッカーボードパターンのうちの１つを有する請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
12. 前記力伝達部材及び前記アクチュエータユニットに対して対向力を付与すべく配置された戻しスプリングをさらに具備する請求項４又は７に記載の３Ｄスキャナ。
13. 当該３Ｄスキャナが、獲得された前記２Ｄ画像に基づいて前記物体の少なくとも３Ｄ構造形状を表現する前記デジタル３Ｄ表現物を生成すべく、又は、データ処理ユニットが獲得された前記２Ｄ画像に基づいて少なくとも３Ｄ構造形状を表現する前記デジタル３Ｄ表現物を生成することができるように前記データ処理ユニットに対して接続されるべく、構成される請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
14. 前記アクチュエータユニットが前記ホイール表面に接触して配置された低摩擦要素を有し、該低摩擦要素が前記投射器ユニットの前記可動部分に対して作用的に結合される請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の３Ｄスキャナ。
15. 前記低摩擦要素が、ボール若しくはローラ、又は、
    摩擦を低減すべく構成された前記ホイール表面の被覆、を有する請求項１４に記載の３Ｄスキャナ。

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