JP7453205B2 - 三次元スキャナ、その制御方法、およびプログラム - Google Patents

三次元スキャナ、その制御方法、およびプログラム Download PDF

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Description

本発明は、対象物の三次元の形状情報を取得する三次元スキャナ、その制御方法、およびプログラムに関する。
近年、歯科分野では、コンピュータ上で補綴物等をデジタル的に設計するため、歯の三次元の形状情報を取得する必要があり、三次元スキャナ（口腔内スキャナ）が実用化されている（特許文献１）。特許文献１に開示されている三次元スキャナは、合焦法の一種である「ドット積」の原理を使用して対象物の三次元の形状情報を取得する手持ち式スキャナである。具体的に、当該三次元スキャナでは、線状または市松模様状等のパターンを有する光（以下、パターンともいう）を対象物の表面に投影し、焦点位置を変化させながら複数回撮像した複数の画像から最も焦点の合う距離を求め、対象物の三次元の形状情報を取得している。
特許第５６５４５８３号公報
しかし、三次元スキャナで撮像する対象物の種類によっては、対象物に投影したパターンが鮮明に映った画像を得ることができず、合焦法に基づいて正しく焦点位置を判断することが難しかった。その結果、三次元スキャナでは、対象物を撮像して得られる三次元の形状情報の測定精度が低下する虞があった。
本開示は、上記問題点を解決するためになされたものであり、三次元の形状情報の測定精度を向上させることができる三次元スキャナ、その制御方法、およびプログラムを提供することを目的とする。
本開示に係る三次元スキャナは、合焦法を用いて対象物の三次元の形状情報を取得する三次元スキャナである。三次元スキャナは、筐体の出射端面から対象物に対して光を出射するための光源と、対象物で反射された光源からの光を検出するセンサと、対象物とセンサとの間に設けられ、対象物に対する焦点位置を変化させる焦点可変レンズと、光源およびセンサと焦点可変レンズとの間に設けられ、光源から対象物に至る光路と、対象物からセンサに至る光路とを分ける偏光ビームスプリッタと、焦点可変レンズと対象物との間に設けられ、対象物に至る光、および対象物から反射される光が通過する波長板と、対象物の三次元の形状情報を取得する過程で、焦点可変レンズの焦点位置を変化させる制御を行う制御部と、を備える。制御部は、焦点可変レンズの焦点位置に基づいて、対象物で反射されセンサに至る光源からの光量を変更する。
本開示に係る制御方法は、筐体の出射端面から対象物に対して光を出射するための光源と、対象物で反射された光源からの光を検出するセンサと、対象物とセンサとの間に設けられ、対象物に対する焦点位置を変化させる焦点可変レンズと、光源およびセンサと焦点可変レンズとの間に設けられ、光源から対象物に至る光路と、対象物からセンサに至る光路とを分ける偏光ビームスプリッタと、焦点可変レンズと対象物との間に設けられ、対象物に至る光、および対象物から反射される光が通過する波長板と、対象物の三次元の形状情報を取得する過程で、焦点可変レンズの焦点位置を変化させる制御を行う制御部と、を備え、合焦法を用いて対象物の三次元の形状情報を取得する三次元スキャナの制御方法である。制御方法は、焦点可変レンズの焦点位置に関する情報を取得するステップと、取得した情報に基づいて、対象物で反射されセンサに至る光源からの光量を変更するステップと、を含む。
本開示に係るプログラムは、筐体の出射端面から対象物に対して光を出射するための光源と、対象物で反射された光源からの光を検出するセンサと、対象物とセンサとの間に設けられ、対象物に対する焦点位置を変化させる焦点可変レンズと、光源およびセンサと焦点可変レンズとの間に設けられ、光源から対象物に至る光路と、対象物からセンサに至る光路とを分ける偏光ビームスプリッタと、焦点可変レンズと対象物との間に設けられ、対象物に至る光、および対象物から反射される光が通過する波長板と、を有し、合焦法を用いて対象物の三次元の形状情報を取得する三次元スキャナに含まれるコンピュータによって実行可能なプログラムである。プログラムは、対象物の三次元の形状情報を取得する過程で、焦点可変レンズの焦点位置を変化させる工程と、焦点可変レンズの焦点位置に基づいて、対象物で反射されセンサに至る光源からの光量を変更する工程と、をコンピュータに実行させる。
本開示に係る三次元スキャナは、焦点可変レンズの焦点位置に基づいて、対象物で反射されセンサに至る光源からの光量を変更するので、対象物が難撮像体であっても、当該対象物を撮像して得られる三次元の形状情報の測定精度を向上させることができる。
実施の形態１に係る三次元スキャナの構成を示す概略図である。 実施の形態１に係るハンドピース内の光学構成を説明するための概略図である。 三次元スキャナにおいて、焦点位置が出射端面に近い場合の撮像画像の明るさを説明するための概略図である。 三次元スキャナにおいて、焦点位置が出射端面から遠い場合の撮像画像の明るさを説明するための概略図である。 三次元スキャナにおいて、光源の発光量と撮像画像の状態との関係を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る三次元スキャナの焦点位置と光源の発光量との関係を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る三次元スキャナの焦点位置と光源の発光量との関係の一例を示すグラフである。 実施の形態１に係る三次元スキャナの光源の調光制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１に係る三次元スキャナの焦点位置と光源の発光量との関係の変形例を示すグラフである。 実施の形態２に係る三次元スキャナの構成を示す概略図である。 実施の形態２の変形例に係る三次元スキャナの構成を示す概略図である。 実施の形態３に係る三次元スキャナの構成を示す概略図である。
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
実施の形態１に係る三次元スキャナは、口腔内組織（例えば、歯）の三次元の形状情報を取得するための三次元スキャナ（口腔内スキャナ）である。なお、口腔内スキャナであっても、口腔内の歯だけでなく、歯肉・粘膜・作製した歯の補綴物・インプラント用のスキャンボディ・矯正装置・各種歯科技工物等の三次元の形状情報を取得してもよい。また、三次元スキャナは、口腔内スキャナに限定されるものではなく、同様の構成を有する他の三次元スキャナについて適用することができる。たとえば、口腔内以外に人の耳の内部を撮像して、外耳内の三次元の形状情報を取得することができる三次元スキャナにも適用できる。
［三次元スキャナの構成］
図１は、三次元スキャナ１００の構成を示す。図１に示す三次元スキャナ１００は、口腔内を撮像するためのハンドピース１０と、ハンドピース１０と接続され、取得したデータの処理および表示を行うコンピュータ３０と、を含んでいる。なお、三次元スキャナは、ハンドピース１０内で全ての処理を行い、表示データのみ外部のモニタに出力する構成でもよい。
ハンドピース１０には、対象物である歯にパターンを投影し、パターンが投影された対象物からの反射光を検出する光学構成と、撮像した画像を処理して三次元の形状情報を取得する制御部２０と、を含んでいる。図２は、ハンドピース１０内の光学構成を示す。ハンドピース１０内の光学構成には、光源１、第１レンズ２、パターン生成部３、光学センサ４、ビームスプリッタ５、焦点可変レンズ６、焦点位置検出部７、第２レンズ８、およびミラー９と、を含んでいる。なお、ハンドピース１０は、これ以外に別のレンズや、絞り、光学フィルタ、ウインドウ、偏光素子などの光学部品を必要に応じて設けてもよい。
光源１は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。後述するように、光源１は、発光量を変更可能であり、例えばＬＥＤの場合、ドライバ回路１ａからＬＥＤに供給する電流量を変更することで発光量を調整することができる。なお、光源１は、ＬＥＤやレーザ素子などを１つ設けた点光源に限定されず、複数のＬＥＤやレーザ素子等の要素光源を基板に並べたアレイ光源であってもよい。また、三原色ＬＥＤなどの多色光源を用いてもよい。また、ＬＥＤをＰＷМ（Pulse Width Modulation）制御により時間的に変調し、その変調波のデューティー比を変更することや、複数の要素光源から構成されるアレイ光源のうち点灯させる要素光源の数を変更することによっても、光源１の発光量を調整することができる。本開示において特に断らない限り、「電流量の変更」と表現する際には、上述のＰＷＭ変調や、アレイ光源における要素光源の点灯数の変更を含むものとする。
第１レンズ２は、光源１からの光を均一にしてパターン生成部３に照射する。パターン生成部３は、例えば線状または市松模様状等のパターンを有するフィルタであり、対象物の表面に投影するためのパターンを生成する。
光学センサ４は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサなどである。光学センサ４は、パターン生成部３を通過し対象物に投影され、当該対象物で反射された光を検出する。ビームスプリッタ５は、光源１から対象物に至る光路と、対象物から光学センサ４に至る光路とを分ける光学部品である。
焦点可変レンズ６は、焦点レンズ６ａをスライダに固定し、光軸方向に延びるレール６ｂ上をスライダが移動することで対象物での焦点位置と光学センサ４での焦点位置とを変化させている。なお、焦点には、一般的に、対象物での焦点である「物体側焦点」と、光学センサ４での焦点である「像側焦点」との２つあるが、本開示において説明する焦点位置は、特に断らない限り「物体側焦点」の位置である。具体的に、焦点可変レンズ６は、モータドライバ６ｃから供給される駆動信号によりモータを駆動して、スライダに固定した焦点レンズ６ａを位置Ｅ１～Ｅ３の間で往復運動している。焦点可変レンズ６は、焦点レンズ６ａの位置を位置Ｅ１～Ｅ３に変化させることで、ハンドピース１０（筐体）の出射端面に近い焦点位置Ｚ１から、出射端面から遠い焦点位置Ｚ３までの間を変化させている。
焦点位置検出部７は、焦点可変レンズ６の焦点位置を検出する。焦点位置検出部７は、焦点位置Ｚ１～Ｚ３を直接的に検出するのではなく、焦点位置Ｚ１～Ｚ３に対応する焦点レンズ６ａの位置Ｅ１～Ｅ３を検出することで焦点位置Ｚ１～Ｚ３を間接的に検出している。具体的に、焦点位置検出部７は、焦点レンズ６ａの位置Ｅ１～Ｅ３を検出する光学式エンコーダ（レンズ位置センサ）である。なお、焦点位置検出部７は、焦点レンズ６ａの位置Ｅ１～Ｅ３を検出できれば、光学式エンコーダ以外の検出器でもよい。例えば磁気センサによる位置の検出などが適用できる。
三次元スキャナ１００では、後述するが、焦点位置検出部７で検出した焦点位置に基づいて光源１の発光量を変更する。具体的に、三次元スキャナ１００では、光学式エンコーダで検出した焦点レンズ６ａの位置Ｅ１～Ｅ３に基づいて光源１に供給する電流量Ｉ１～Ｉ３を変更して光源１の発光量を変更する。
焦点可変レンズ６を通った光は、第２レンズ８、およびミラー９を経て、対象物に照射される。第２レンズ８は、焦点可変レンズ６を通った光を対象物に集光させる光学部品である。ミラー９は、光源１からの光および対象物で反射された光の方向を変更する光学部品である。第２レンズ８、およびミラー９の構成は一例であって、必要に応じて当該構成は変更される。
制御部２０は、焦点位置検出部７で検出した焦点位置と、その位置での光学センサ４の検出結果とに基づいて対象物の三次元の形状情報を演算している。制御部２０は、合焦法の一種である「ドット積」の原理を用いて三次元の形状情報を取得する。特に、歯科分野において、三次元スキャナ１００で撮像する対象物は口腔内組織であり、例えば歯である。歯は、エナメル質等で構成される難撮像体である。
具体的に、歯は、材質がエナメル質である事により表面光沢を有し、半透明であるという物性を有している。そのため、三次元スキャナで歯を撮像した場合、エナメル質の半透明性により、歯に投影したパターンが鮮明に映った画像を得ることができず、合焦法に基づいて正しく焦点位置を判断するのが難しかった。また、エナメル質の表面光沢により撮像した画像が輝度飽和を起こすことで歯に投影したパターンが見えなくなったり、強い光沢点が少しぼやけた際に発生する錯乱円がパターンに干渉する事により、同様に合焦法において正しく焦点位置を判断するのが難しかった。そこで、三次元スキャナ１００では、焦点位置検出部７で検出した焦点位置に基づいて光源１の発光量を変更することで、三次元の形状情報の測定精度を向上させている。
ここで、合焦法は、特許第５６５４５８３号公報（特許文献１）で開示されている「ドット積」の他に「焦点法」、「共焦点法」、「ＳＦＦ（Shape-From-Focus）法」、「ＤＦＦ（Depth-From-Focus）法」など、様々な名称で呼ばれるものを含み、アルゴリズムの細部を改良したもの、パターンを投影する代わりに対象物の表面の模様で焦点位置の判定に使用するもの、パターンの代わりにピンホールやレンズアレイを用いてドット模様の光を生成するものなどの技術が、様々な文献において開示されている。いずれの技術においても撮影した画像からもっとも焦点の合う位置を計算して三次元の形状情報を求める三次元スキャナである点は共通しており、対象物の種類によって三次元の形状情報の測定精度が低下する同様の課題が生じるため、本開示における構成を適用することができる。
制御部２０は、三次元の形状情報を演算する以外に、ドライバ回路１ａに制御信号を送信して光源１の発光量を制御したり、モータドライバ６ｃに制御信号を送信して焦点レンズ６ａの位置を制御したりする。
制御部２０は、制御中枢としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵが動作するためのプログラムや制御データ等を記憶しているＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵのワークエリアとして機能するＲＡＭ（Random Access Memory）、周辺機器との信号の整合性を保つための入出力インターフェイス等が設けられている。また、制御部２０は、取得した三次元の形状情報をコンピュータ３０に出力することが可能であるとともに、設定などの情報やコマンドなどをコンピュータ３０から入力可能である。制御部２０で実行されるプログラムは、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリなどの有形の記録媒体に固定的に記録された上で提供されても、搬送波に重畳されたデータ信号として通信ネットワークを介して提供されてもよい。
なお、撮像した画像を処理して三次元の形状情報を取得するための演算の少なくとも一部は、制御部２０のＣＰＵによってソフトウェアとして実現されてもよいし、当該ＣＰＵとは別に処理を行うハードウェアとして実現されてもよい。また、当該ＣＰＵやハードウェアなどの処理部のうち少なくとも一部は、ハンドピース１０の内部に組み込まれていてもよい。さらに、図２ではハンドピース１０にコンピュータ３０と接続するためのケーブルが描かれているが、ケーブルを設けずに無線通信によってコンピュータ３０と接続されてもよい。
制御部２０で得られた対象物の三次元の形状情報は、コンピュータ３０の表示部に表示される。表示部は、コンピュータ３０に内蔵されたディスプレイであっても、コンピュータ３０に接続された据え置き式のディスプレイ、ヘッドマウント式やメガネ式のウェアラブルディスプレイなどであってもよい。三次元スキャナ１００は、図示していないが、光源１、モータドライバ６ｃ、および制御部２０などを駆動する電力を供給するための電源装置も有している。
［光源の調光制御］
次に、三次元スキャナ１００において光源１の発光量を変化する制御（調光制御）について説明する。まず、三次元スキャナ１００において光源１の調光制御の必要性について説明する。図３は、三次元スキャナ１００において、焦点位置が出射端面に近い場合の撮像画像の明るさを説明するための概略図である。図４は、三次元スキャナ１００において、焦点位置が出射端面から遠い場合の撮像画像の明るさを説明するための概略図である。
焦点レンズ６ａの位置が、図３のように位置Ｅ１の場合、光学センサ４上の一点が対象物の焦点位置Ｚ１に結像する。光学センサ４で撮像される画像の明るさは、対称物の表面において様々な角度で反射する光のうち、光学センサ４に結像する角度θ（＝θ１）内の光束により決まる。そのため、光束の角度θが大きいほど光学センサ４で撮像される画像は明るくなる。
一方、焦点レンズ６ａの位置が、図４のように位置Ｅ３の場合、光学センサ４上の一点が対象物の焦点位置Ｚ３に結像する。そのため、光束の角度θは、焦点位置Ｚ１の場合の角度θ１に比べて狭い角度θ３となり、光学センサ４で撮像される画像は暗くなる。
図３および図４において、光束の角度θは、焦点位置（Ｚ１～Ｚ３）と、ハンドピース１０の先端に設けた第２レンズ８の口径Ｈとの比によりおおむね決まる。しかし、狭い口腔内にハンドピース１０の先端を挿入しなければならない歯科分野の三次元スキャナ１００においては、第２レンズ８の口径Ｈを大きくすることができない制約があり、焦点位置Ｚ１で結像する場合と焦点位置Ｚ３で結像する場合とで撮影画像の明るさの差が大きくなる。さらに歯科分野の三次元スキャナ１００では、交差感染防止の観点から、生体に挿入する先端部分を、滅菌するためにハンドピースから着脱可能な構造をとることが有利である。しかし、図３および図４に示す第２レンズ８の口径Ｈの外側にあるホルダ部材の肉厚が二層になっているぶん、歯科分野の三次元スキャナ１００では口径Ｈを大きくすることがさらにできなくなり、焦点位置による撮影画像の明るさの差が顕著となる。このような焦点位置による撮影画像の明るさの差が三次元計測結果にどのように影響するのかについて以下に図を用いて説明する。
まず、三次元スキャナ１００は、合焦法で三次元の形状情報を取得している。合焦法では、光学センサ４で撮像される画像のパターン（例えば、市松模様）の黒い部分と白い部分との明暗差（コントラスト量）でピントの合う度合いを判定（ピント判定）している。そのため、三次元スキャナ１００は、光学センサ４で撮像される画像の明るさにより、取得する三次元の形状情報の測定精度に影響を与えることになる。
図５は、三次元スキャナにおいて、光源の発光量と撮像画像の状態との関係を説明するための概略図である。図３および図４で説明したように、光源１の発光量に一定にすると、出射端面に近い焦点位置Ｚ１では光学センサ４で撮像される画像は明くなり、エナメル質の光沢性に起因する輝度飽和の影響を受けやすくなる。逆に出射端面から遠い焦点位置Ｚ３では光学センサ４で撮像される画像は暗くなり、測定ノノイズが増えることからエナメル質の半透明性に起因してパターンのコントラストが低下する。そのため、三次元スキャナでは、エナメル質が表面にある歯Ｔを撮像した場合、図５（ａ）に示すように、光学センサ４の輝度飽和を避ける目的で、光源１を常時暗く発光させると、出射端面に近い画像は良好であるが、出射端面から遠い画像は暗くなってしまい、パターンのコントラストが鮮明に検出できないため、測定ノイズが多くなる。なお、図５（ａ）では、図中上側が出射端面に近く、図中下側が出射端面から遠いものとする。
逆に、三次元スキャナは、図５（ｂ）に示すように、測定ノイズの増加を避ける目的で、光源１を常時明るく発光させると、出射端面から遠い画像は良好になるが、出射端面に近い画像は光学センサ４において輝度飽和となり測定エラーとなる。なお、図５（ｂ）では、図中上側が出射端面に近く、図中下側が出射端面から遠いものとする。
そこで、実施の形態１に係る三次元スキャナ１００では、焦点可変レンズ６の焦点位置に基づいて、対象物で反射され光学センサ４に至る光源１からの光量を変更する。図６は、三次元スキャナ１００の焦点位置と光源１の発光量との関係を説明するための概略図である。三次元スキャナ１００は、図６のように、出射端面に近い焦点位置Ｚ１の場合、光源１の発光量を焦点位置Ｚ２、Ｚ３の場合よりも暗く（低い電流量Ｉ１で点灯）して、出射端面から遠い焦点位置Ｚ３の場合、光源１の発光量を焦点位置Ｚ１、Ｚ２の場合よりも明るく（高い電流量Ｉ３で点灯）する。つまり、制御部２０は、焦点位置検出部７で検出した焦点位置Ｚ１～Ｚ３（焦点レンズ６ａの位置Ｅ１～Ｅ３に対応）に基づいて光源１の発光量（発光量に対応する電流量Ｉ１～Ｉ３）を変更する。
そのため、三次元スキャナは、歯Ｔを撮像する場合、図５（ｃ）に示すように、焦点位置が出射端面に近いとき光源１の発光量を出射端面に遠いときよりも暗くして良好な画像を取得し、出射端面から遠いとき光源１の発光量を出射端面に近いときよりも明るくして良好な画像を取得する。なお、図５（ｃ）では、図中上側が出射端面に近く、図中下側が出射端面から遠いものとする。
図７は、実施の形態１に係る三次元スキャナ１００の焦点位置と光源１の発光量との関係の一例を示すグラフである。制御部２０は、図７に示すように、焦点位置検出部７で検出した焦点位置Ｚ１～Ｚ３に対して光源１の発光量（発光量に対応する電流量Ｉ１～Ｉ３）が直線的に変化する変換テーブル等をあらかじめ設定しておくことで、当該変換テーブルに従い光源１の調光制御を行う。
次に、フローチャートを用いて光源１の調光制御について説明する。図８は、実施の形態１に係る三次元スキャナ１００の光源の調光制御を説明するためのフローチャートである。まず、制御部２０は、ユーザが対象物のスキャンを開始した場合（例えば、起動ボタンの押下など）、モータドライバ６ｃを制御して焦点レンズ６ａを固定したスライダをモータで駆動する（ステップＳ１１）。制御部２０は、光源１を点灯させる（ステップＳ１２）。
制御部２０は、光学式エンコーダで焦点レンズ６ａの現在位置を取得する（ステップＳ１３）。制御部２０は、光学センサ４で対象物の画像を取得する（ステップＳ１４）。制御部２０は、取得した画像が所定枚数に到達したか否かを判断する（ステップＳ１５）。
取得した画像が所定枚数に到達していない場合（ステップＳ１５でＮＯ）、制御部２０は、ステップＳ１３で取得した焦点レンズ６ａの現在位置から焦点位置を特定し、図７に示したグラフの変換テーブルに基づき光源１の発光量（発光量に対応する電流量Ｉ）を変更する（ステップＳ１６）。なお、制御部２０は、焦点レンズ６ａの現在位置から焦点位置を特定し変換テーブルに基づいて光源１の発光量を変更すると説明したが、焦点レンズ６ａの現在位置に基づき光源１の発光量（発光量に対応する電流量Ｉ）を変更してもよい。
取得した画像が所定枚数に到達した場合（ステップＳ１５でＹＥＳ）、制御部２０は、取得した画像群から、ピント判定を行い三次元の形状情報を取得する（ステップＳ１７）。
制御部２０は、図７に示すように、焦点位置検出部７で検出した焦点位置Ｚ１～Ｚ３に対して光源１の発光量（発光量に対応する電流量Ｉ１～Ｉ３）が直線的に変化する変換テーブル等を、装置製造時（つまり、工場出荷時）にあらかじめ設定しておき、メンテナンス時に当該変換テーブルを変更してもよい。例えば、経年劣化により光源１が暗くなり、キャリブレーション（校正）作業により変換テーブルを更新する。具体的に、キャリブレーション作業時、三次元スキャナ１００で、白色平面板等の基準物体を撮影して光源１の発光量を評価する。例えば装置製造直後には１００％であった光源１の発光量が、経年変化により８０％に低下していた場合、制御部２０は、図７に示す光源１の発光量（発光量に対応する電流量Ｉ１～Ｉ３）をそれぞれ１．２５倍（＝１００％／８０％）した変換テーブルに更新する。
制御部２０は、メンテナンス時に変換テーブルを変更する以外に、あらかじめ複数種類の変換テーブルをＲＯＭに記憶しておき、スキャンする対象物により変換テーブルを変更したり、光源の種類により変換テーブルを変更したり、撮像画像に基づき変換テーブルを変更したりしてもよい。制御部２０は、例えば、スキャンの際の初めの数フレームの撮像画像で対象物の反射率を判定し、所定の反射率以上の場合（眩しすぎる場合）、より暗く発光させるよう、ＲＯＭに記憶されている複数種類の変換テーブルの中から適切な変換テーブルに変更する。
前述の方法以外に、三次元スキャナ１００の制御部２０に人工知能（ＡＩ）を搭載し、機械学習したデータに基づいて撮影画像から最適な変換テーブルを判定しても良い。例えば、撮影画像が人間の口腔内であるとＡＩが判断するならば、口腔内用の変換テーブルを参照し、撮影画像が人間の口腔内よりも明るい石膏製の歯科技工模型であるとＡＩが判断するならば、口腔内用よりも発光量を抑えた変換テーブルを参照するように動作する。
また、図７では変換テーブルの例として、焦点位置と発光量とが線形に対応する関係を示していたが、非線形に対応するような変換テーブルであってもよい。図９は、実施の形態１に係る三次元スキャナ１００の焦点位置と光源の発光量との関係の変形例を示すグラフである。図９（ａ）では、焦点位置検出部７で検出した焦点位置Ｚ１から焦点位置Ｚ３に進むに従い、光源１の発光量（発光量に対応する電流量Ｉ１～Ｉ３）の変化が大きくなっている。図９（ｂ）では、焦点位置検出部７で検出した焦点位置Ｚ１から焦点位置Ｚ３に進むに従い、光源１の発光量（発光量に対応する電流量Ｉ１～Ｉ３）の変化が小さくなっている。図９（ｃ）では、焦点位置検出部７で検出した焦点位置Ｚ３の辺りで光源１の発光量が変化せず一定値となっている。このように非線形な変換テーブルとすることで、ビネッティング等によって非線形に明るさが変化するような複雑な光学系の三次元スキャナ１００に対しても、精度よく三次元の形状情報を取得できるようになる。
（実施の形態２）
実施の形態１に係る三次元スキャナ１００では、焦点位置検出部７を用いて焦点可変レンズ６の焦点位置を検出し、検出した焦点位置に基づいて光源１の発光量を変更する構成について説明した。しかし、実施の形態２に係る三次元スキャナでは、焦点位置検出部７を用いて焦点可変レンズ６の焦点位置を検出せずに、焦点可変レンズ６の制御信号に基づいて光源１の発光量を変更する構成である。図１０は、実施の形態２に係る三次元スキャナ１００Ａの構成を示す概略図である。なお、図１０に示す三次元スキャナ１００Ａの構成において、図１で示した三次元スキャナ１００の構成と同じ構成については、同じ符号を付与して詳細な説明を繰り返さない。
三次元スキャナ１００Ａは、ハンドピース１０Ａ内の光学構成のうち焦点位置検出部７を有していない以外、図１で示した三次元スキャナ１００の構成と同じである。三次元スキャナ１００Ａは、焦点位置検出部７で焦点可変レンズ６の焦点位置を検出する代わりに、焦点可変レンズ６の焦点位置を変化させる制御信号に基づいて、対象物で反射され光学センサ４に至る光源１からの光量を変更する。
具体的に、制御部２０は、モータドライバ６ｃに制御信号を送信して焦点レンズ６ａの位置を制御している。そのため、モータドライバ６ｃに送信する制御信号に基づいて、焦点レンズ６ａの位置Ｅ１～Ｅ３を間接的に特定することができ、制御部２０は、モータドライバ６ｃに送信する制御信号に基づいて、光源１の発光量を変更することができる。
（変形例）
歯科分野において、三次元スキャナで撮像する対象物は歯であり、エナメル質等で構成される難撮像体である。そのため、偏光を利用して、半透明な難撮影体であるエナメル質に投影されたパターンをより明瞭に撮影することが有効である。そこで、偏光を利用した三次元スキャナの変形例について説明する。図１１は、実施の形態２の変形例に係る三次元スキャナ１００Ｂの構成を示す概略図である。なお、図１１に示す三次元スキャナ１００Ｂの構成において、図１０で示した三次元スキャナ１００Ａの構成と同じ構成については、同じ符号を付与して詳細な説明を繰り返さない。
三次元スキャナ１００Ｂは、ハンドピース１０Ｂ内の光学構成のうち偏光ビームスプリッタ５ａと、波長板８ａとをさらに設ける以外、図１０で示した三次元スキャナ１００Ａの構成と同じである。偏光ビームスプリッタ５ａは、光源１および光学センサ４と焦点可変レンズ６との間に設けられ、光源１から対象物に至る光路と、対象物から光学センサ４に至る光路とを分ける。また、偏光ビームスプリッタ５ａは、プレポラライザ／ポストポラライザを追加して、偏光消光比を増加するように構成してもよい。波長板８ａは、焦点可変レンズ６と対象物との間に設けられ、対象物に至る光、および対象物から反射される光が通過する。また、波長板８ａは、波長板８ａからのフレネル反射光が光学センサ４へ映り込むことを回避するため、光軸に対して傾いているのが好ましい。なお、波長板８ａは、図１１で図示しているのとは異なる方向に傾いていてもよい。さらに、波長板８ａは、１／４波長板であることが好ましい。三次元スキャナ１００Ｂは、このような構成とすることで、歯の表面で反射した必要光の偏光状態と、歯の内部で散乱反射する不要光の偏光状態が異なる現象を利用し、選択的に必要光を光学センサ４へと導光することができる。そのため、三次元スキャナ１００Ｂは、三次元の形状情報の測定精度を向上することができる。しかし、三次元スキャナ１００Ｂは、このような構成とすることで、エナメル質の光沢による正反射（非常に眩しい反射）が強調され、輝度飽和が生じやすくなってしまうデメリットが生じる場合もある。
三次元スキャナ１００Ｂでは、焦点可変レンズ６の焦点位置を変化させる制御信号に基づいて、対象物で反射され光学センサ４に至る光源１からの光量を変更するので、エナメル質の光沢による正反射（非常に眩しい反射）が強調されて光学センサ４が輝度飽和となる問題を回避できる。そのため、偏光を利用した光学系に対して、焦点位置に応じて光源１からの光量を変更する三次元スキャナの構成は、特に有用な解決手段である。したがって、図１０で示した三次元スキャナ１００Ａだけでなく、図１に示した三次元スキャナ１００など本開示で説明する他の三次元スキャナについても同様に、偏光ビームスプリッタ５ａと、波長板８ａとをさらに設けてもよい。
（実施の形態３）
実施の形態１に係る三次元スキャナ１００では、機械的にレンズの位置を移動させて対象物の焦点位置を変化させる構成について説明した。しかし、実施の形態３に係る三次元スキャナは、機械的にレンズの位置を移動させない焦点可変レンズを使用した構成である。図１２は、実施の形態３に係る三次元スキャナ１００Ｃの構成を示す概略図である。なお、図１２に示す三次元スキャナ１００Ｃの構成において、図１で示した三次元スキャナ１００の構成と同じ構成については、同じ符号を付与して詳細な説明を繰り返さない。
三次元スキャナ１００Ｃでは、焦点レンズ６ａをスライダに固定し、光軸方向に延びるレール６ｂ上を移動させる焦点可変レンズ６ではなく、機械的にレンズの位置を移動させない焦点可変レンズ６として液体レンズ６ｄを採用している。液体レンズ６ｄとして、たとえば水溶液と油とを封入した容器の側面に電極を設け、当該電極に電圧を印加することで水溶液とオイルとの界面の形状を変化させて、焦点位置を変化させる方式を採用したものがある（図１２では液体レンズ６ｄを、１枚の両凸レンズとして模式的に示しており、水溶液やオイルなどの詳細構造は省略している）。
三次元スキャナ１００Ｃでは、焦点可変レンズ６として液体レンズ６ｄを採用したことで、焦点位置検出部として光源１からの光の一部が照射される基準部Ｓを設けている。基準部Ｓには、既知の模様が形成されている。焦点位置検出部は、当該基準部Ｓに設けてある模様の撮像結果を利用して、液体レンズ６ｄの状態（焦点位置）を正確に把握することができる。
具体的に、光源１の一部から出力された光は、液体レンズ６ｄを通って基準部Ｓに照射され、基準部Ｓで反射される。基準部Ｓで反射された光は、再び液体レンズ６ｄを通って光学センサ４の一部で検出される。なお、基準部Ｓはハンドピース１０Ｃの筐体内に設けられているので、光源１の一部から基準部Ｓを経て光学センサ４の一部に至る光路が、光源１から対象物を経て光学センサ４に至る光路よりも短い。そこで、光源１から対象物を経て光学センサ４に至る光路長と、光源１の一部から基準部Ｓを経て光学センサ４の一部に至る光路長とを調整する光路長調整部８ｂが、光源１の一部から基準部Ｓを経て光学センサ４の一部に至る光路上に設けられている。
光路長調整部８ｂは、光源１の一部から基準部Ｓを経て光学センサ４の一部に至る光路上の光路長を調整することができる光学部品であればよく、ガラスブロック、ライトガイド、レンズやレンズアレイ、オフセットミラー／プリズム、ダイクロイックミラー、ディレイライン、ペンタプリズムなどがある。光路長調整部８ｂを用いて両者の光路長をほぼ一致させることで、対象物と基準部Ｓの両方にて、概ね焦点の合った画像を光学センサ４にて撮像することができる。すなわち、対象物で焦点が合う位置と基準部Ｓで焦点が合う位置との間に対応関係を持たせることができる。そのため、光学センサ４の一部を用いて撮像した基準部Ｓの画像を解析し、基準部Ｓ上での焦点が合っている位置を求めることで、液体レンズ６ｄの状態（焦点位置）を正確に把握することができる。
三次元スキャナ１００Ｃでは、光学センサ４の一部で撮像した基準部Ｓの画像により液体レンズ６ｄの焦点位置を特定し、特定した液体レンズ６ｄの焦点位置に基づいて、対象物で反射され光学センサ４に至る光源１からの光量を変更する。なお、液体レンズ６ｄの制御信号に基づいて焦点位置を概ね特定できるのであれば、三次元スキャナ１００Ｃは、液体レンズ６ｄの制御信号に基づいて、対象物で反射され光学センサ４に至る光源１からの光量を変更してもよい。
（変形例）
実施の形態１～３に係る三次元スキャナでは、対象物で反射され光学センサ４に至る光源１からの光量を変更する手段として、光源１の発光量を変更すると説明した。つまり、制御部２０は、光源１を駆動するドライバ回路１ａを制御して、光源１に供給する電流量Ｉを変更して光源１の発光量を変更していた。しかし、対象物で反射され光学センサ４に至る光源１からの光量を変更する手段は、これに限られず、例えば、光源１から対象物に至る光路、および対象物から光学センサ４に至る光路のうち少なくとも一方に調光フィルタ（図１２に示す調光フィルタＦ１，Ｆ２）をさらに設けてもよい。制御部２０は、調光フィルタＦ１，Ｆ２を透過する光量を変更して、対象物で反射され光学センサ４に至る光源１からの光量を変更してもよい。調光フィルタＦ１，Ｆ２は、例えば液晶式の調光フィルタや電子シャッターなどが利用できる。さらに、制御部２０は、光学センサ４で検出する期間（いわゆる露光時間／光学センサ４の内部に備わった電子シャッターの時間）を変更して、対象物で反射され光学センサ４に至る光源１からの光量を変更してもよい。
また、実施の形態１～３に係る三次元スキャナの撮像の対象は、口腔内の歯や歯肉に限ったものではなく、外耳道などの生体組織や、液体で表面が濡れた物体、光沢塗装やコーティング、表面研磨がなされた工業製品などであっても良く、本発明は、光沢性／半透明性などを有する難撮像体を三次元計測する用途に対し広く適用可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 光源、１ａ ドライバ回路、２ 第１レンズ、３ パターン生成部、４ 光学センサ、５ ビームスプリッタ、５ａ 偏光ビームスプリッタ、６ 焦点可変レンズ、６ａ 焦点レンズ、６ｂ レール、６ｃ モータドライバ、６ｄ 液体レンズ、７ 焦点位置検出部、８ 第２レンズ、８ａ 波長板、８ｂ 光路長調整部、９ ミラー、１０，１０Ａ～１０Ｃ ハンドピース、２０ 制御部、３０ コンピュータ、１００，１００Ａ～１００Ｃ 三次元スキャナ。

Claims (16)

  1. 合焦法を用いて対象物の三次元の形状情報を取得する三次元スキャナであって、
    筐体の出射端面から前記対象物に対して光を出射するための光源と、
    前記対象物で反射された前記光源からの光を検出するセンサと、
    前記対象物と前記センサとの間に設けられ、前記対象物に対する焦点位置を変化させる焦点可変レンズと、
    前記光源および前記センサと前記焦点可変レンズとの間に設けられ、前記光源から前記対象物に至る光路と、前記対象物から前記センサに至る光路とを分ける偏光ビームスプリッタと、
    前記焦点可変レンズと前記対象物との間に設けられ、前記対象物に至る光、および前記対象物から反射される光が通過する波長板と、
    前記対象物の三次元の形状情報を取得する過程で、前記焦点可変レンズの前記焦点位置を変化させる制御を行う制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記焦点可変レンズの前記焦点位置に基づいて、前記対象物で反射され前記センサに至る前記光源からの光量を変更する、三次元スキャナ。
  2. 前記焦点可変レンズの前記焦点位置を検出する焦点位置検出部をさらに備え、
    前記制御部は、前記焦点位置検出部で検出した前記焦点位置に基づいて、前記対象物で反射され前記センサに至る前記光源からの光量を変更する、請求項１に記載の三次元スキャナ。
  3. 前記焦点位置検出部は、前記焦点可変レンズの位置を検出するレンズ位置センサを含み、
    前記制御部は、前記レンズ位置センサからの出力に基づいて、前記焦点可変レンズの前記焦点位置を特定する、請求項２に記載の三次元スキャナ。
  4. 前記焦点位置検出部は、前記光源からの光の一部が照射される基準部を含み、
    前記制御部は、前記基準部で反射した光を検出した前記センサの一部からの出力に基づいて、前記焦点可変レンズの前記焦点位置を特定する、請求項２に記載の三次元スキャナ。
  5. 前記制御部は、前記焦点可変レンズの前記焦点位置を変化させる制御信号に基づいて、前記対象物で反射され前記センサに至る前記光源からの光量を変更する、請求項１に記載の三次元スキャナ。
  6. 前記制御部は、前記光源の発光量を変更して、前記対象物で反射され前記センサに至る前記光源からの光量を変更する、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
  7. 前記光源から前記対象物に至る光路、および前記対象物から前記センサに至る光路のうち少なくとも一方に調光フィルタをさらに備え、
    前記制御部は、前記調光フィルタを透過する光量を変更して、前記対象物で反射され前記センサに至る前記光源からの光量を変更する、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
  8. 前記制御部は、前記センサで検出する期間を変更して、前記対象物で反射され前記センサに至る前記光源からの光量を変更する、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
  9. 前記制御部は、予め定められた変換テーブルに基づき、前記対象物で反射され前記センサに至る前記光源からの光量を変更する、請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
  10. 前記変換テーブルは、前記焦点可変レンズの前記焦点位置が、前記出射端面に近い場合、前記光源からの光量を低く、前記焦点可変レンズの前記焦点位置が、前記出射端面から遠い場合、前記光源からの光量を高くしてある、請求項９に記載の三次元スキャナ。
  11. 前記制御部は、校正作業により前記変換テーブルを変更可能である、請求項９または請求項１０に記載の三次元スキャナ。
  12. 前記制御部は、撮像画像に基づき前記変換テーブルを変更可能である、請求項９または請求項１０に記載の三次元スキャナ。
  13. 前記制御部は、撮像画像に対する機械学習による画像認識に基づき前記変換テーブルを変更可能である、請求項１２に記載の三次元スキャナ。
  14. 前記対象物は、口腔内組織である、請求項１～請求項１３のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
  15. 筐体の出射端面から対象物に対して光を出射するための光源と、前記対象物で反射された前記光源からの光を検出するセンサと、前記対象物と前記センサとの間に設けられ、前記対象物に対する焦点位置を変化させる焦点可変レンズと、前記光源および前記センサと前記焦点可変レンズとの間に設けられ、前記光源から前記対象物に至る光路と、前記対象物から前記センサに至る光路とを分ける偏光ビームスプリッタと、前記焦点可変レンズと前記対象物との間に設けられ、前記対象物に至る光、および前記対象物から反射される光が通過する波長板と、前記対象物の三次元の形状情報を取得する過程で、前記焦点可変レンズの前記焦点位置を変化させる制御を行う制御部と、を備え、合焦法を用いて前記対象物の三次元の形状情報を取得する三次元スキャナの制御方法であって、
    前記焦点可変レンズの前記焦点位置に関する情報を取得するステップと、
    取得した情報に基づいて、前記対象物で反射され前記センサに至る前記光源からの光量を変更するステップと、を含む制御方法。
  16. 筐体の出射端面から対象物に対して光を出射するための光源と、前記対象物で反射された前記光源からの光を検出するセンサと、前記対象物と前記センサとの間に設けられ、前記対象物に対する焦点位置を変化させる焦点可変レンズと、前記光源および前記センサと前記焦点可変レンズとの間に設けられ、前記光源から前記対象物に至る光路と、前記対象物から前記センサに至る光路とを分ける偏光ビームスプリッタと、前記焦点可変レンズと前記対象物との間に設けられ、前記対象物に至る光、および前記対象物から反射される光が通過する波長板と、を有し、合焦法を用いて対象物の三次元の形状情報を取得する三次元スキャナに含まれるコンピュータによって実行可能なプログラムであって、
    前記対象物の三次元の形状情報を取得する過程で、前記焦点可変レンズの焦点位置を変化させる工程と、
    前記焦点可変レンズの焦点位置に基づいて、前記対象物で反射され前記センサに至る前記光源からの光量を変更する工程と、を前記コンピュータに実行させる、プログラム。
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