JP7482043B2 - 複数の小型カメラ及び複数の小型パターンプロジェクタを用いた口腔内３ｄスキャナ - Google Patents

複数の小型カメラ及び複数の小型パターンプロジェクタを用いた口腔内３ｄスキャナ Download PDF

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Description

本発明は、全般的には３次元画像化に関し、特に、構造化光照明を用いた口腔内３次元画像化に関する。
歯科処置を計画する場合には、患者の口腔内３次元表面（例えば、歯及び歯肉）の歯科印象が使用される。従来の歯科印象は、歯科印象トレーに印象材（例えば、ＰＶＳ又はアルギン酸塩）を充填し、これを患者が噛むことによって作成される。その後、印象材は硬化して歯及び歯肉の陰刻印となり、これを基に歯及び歯肉の３次元モデルを形成することが可能である。
デジタル歯科印象は、口腔内スキャンを利用して、患者の口腔内３次元表面の３次元デジタルモデルを生成する。デジタル口腔内スキャナは、構造化光３次元画像化を用いることが多い。患者の歯の表面は、反射率が高く多少半透明である場合があり、その為、歯から反射される構造化光パターンのコントラストが低下する場合がある。そこで、構造化光３次元画像化を利用するデジタル口腔内スキャナを使用する場合の口腔内スキャンのキャプチャを改善する為に、患者の歯をスキャン前に不透明粉末でコーティングすることによって、構造化光パターンのコントラストを有効なレベルまで高める（例えば、表面を散乱表面に変える）ことがしばしば行われる。構造化光３次元画像化を利用する口腔内スキャナは多少なりとも進歩しているが、更なる強みを有する可能性がある。
本発明は、上記従来の技術における課題を解決するためになされたものである。
構造化光３次元画像化の使用は「対応関係問題」につながりうる。これは、構造化光パターン内の点と、そのパターンを見るカメラが認識する点との間の対応関係を特定しなければならないという問題である。この問題に対処する１つの技法は、「コード化された」光パターンを投射して、照明されたシーンを１つ以上の視点から画像化することに基づく。発光パターンをコード化することにより、カメラシステムでキャプチャされたときに光パターンの各部分が一意且つ区別可能になる。パターンがコード化される為、画像の各点と投射パターンの各点との間の対応関係がより容易に見つかるようにできる。デコードされた各点は三角測量されて、３Ｄ情報が復元されることが可能である。
本発明の適用例は、３次元口腔内スキャン装置に関するシステム及び方法を含み、本装置は１つ以上のカメラ及び１つ以上のパターンプロジェクタを含む。例えば、本発明の幾つかの適用例は、複数のカメラと複数のパターンプロジェクタとを有する口腔内スキャン装置に関連してよい。
本発明の更に幾つかの適用例は、構造化光パターンをデコードする方法及びシステムを含む。
本発明の更に幾つかの適用例は、非コード化構造化光パターンを利用する３次元口腔内スキャンのシステム及び方法に関連してよい。非コード化構造化光パターンは、例えば、スポットの均一なパターンを含んでよい。
例えば、本発明の幾つかの特定の適用例では、口腔内スキャン装置が提供され、本装置は、遠位端部にプローブを有する細長い手持ち式ワンドを含む。プローブは、スキャン中に患者の口腔内に入るように構成されてよい。１つ以上の光プロジェクタ（例えば、小型構造化光プロジェクタ）、並びに１つ以上のカメラ（例えば、小型カメラ）が、プローブの遠位端部内に配置された剛体構造に結合されている。各構造化光プロジェクタは、レーザダイオード等の光源を使用して光を送出する。各光プロジェクタは、光源が活性化されたときに複数のプロジェクタ光線によって定義される光パターンを投射するように構成されてよい。各カメラは、口腔内表面上の投射光パターンの少なくとも一部分を描写した複数の画像をキャプチャするように構成されてよい。幾つかの適用例では、構造化光プロジェクタは、少なくとも４５度の照明場を有してよい。任意選択で、照明場は１２０度未満であってよい。各構造化光プロジェクタは更に、パターン生成光学素子を含んでよい。パターン生成光学素子は、回折及び／又は屈折を利用して光パターンを生成してよい。幾つかの適用例では、光パターンは、離散的で不連続な光スポットの分布であってよい。任意選択で、光パターンは、光源（例えば、レーザダイオード）が活性化されて、パターン生成光学素子を通して光を送出したときに、パターン生成光学素子から１～３０ｍｍの間に位置する全ての面で離散的で不連続なスポットの分布を維持する。幾つかの適用例では、各構造化光プロジェクタのパターン生成光学素子は、光スループット効率（即ち、パターン生成器に当たって、パターンになって出ていく光の割合）が少なくとも８０％（例えば、少なくとも９０％）であってよい。各カメラは、カメラセンサと、１つ以上のレンズを含む対物光学系と、を含む。
レーザダイオード光源、並びに回折性及び／又は屈折性のパターン生成光学素子は、幾つかの適用例では特定の利点を提供することが可能である。例えば、レーザダイオードと回折性及び／又は屈折性のパターン生成光学素子とを使用することは、エネルギ効率の良い構造化光プロジェクタを維持して、プローブが使用中に熱くならないようにすることに役立ちうる。更に、そのような構成要素は、プローブ内の能動冷却を不要にすることでコストを削減することに役立ちうる。例えば、現代のレーザダイオードの、高輝度で光を連続的に送出している間の使用電力が０．６ワット未満である場合がある（これは、例えば、現代の発光ダイオード（ＬＥＤ）と対照的である）。本発明の幾つかの適用例に従ってパルス化された場合、これらの現代のレーザダイオードは使用電力が更に小さくなる場合があり、例えば、１０％のデューティサイクルでパルス化された場合のレーザダイオードの使用電力は０．０６ワット未満である場合がある（但し、幾つかの適用例としては、レーザダイオードの、高輝度で光を連続的に送出している間の使用電力は少なくとも０．２ワットである場合があり、パルス化された場合には使用電力が更に小さくなる場合があり、例えば、１０％のデューティサイクルでパルス化された場合のレーザダイオードの使用電力は少なくとも０．０２ワットである場合がある）。更に、回折性及び／又は屈折性のパターン生成光学素子は、送出された光を、全てではなくともほとんど利用するように構成されることが可能である（これは、例えば、幾つかの光線を物体に当たらないように止めるマスクと対照的である）。
特に、回折及び／又は屈折に基づくパターン生成光学素子は、透明度マスク又は透過度マスクによって行われるような光の変調ではなく、光の回折、屈折、又は干渉、或いはこれらの任意の組み合わせによりパターンを生成する。幾つかの適用例では、これが有利でありうるのは、光スループット効率（パターン生成器に当たる光に対する、パターンになって出ていく光の割合）が、パターンの「面積に基づくデューティサイクル」に無関係に、ほぼ１００％（例えば、少なくとも８０％、例えば、少なくとも９０％）である為である。対照的に、透明度マスク又は透過度マスクのパターン生成光学素子の光スループット効率は、「面積に基づくデューティサイクル」に直接関係する。例えば、所望の「面積に基づくデューティサイクル」が１００：１の場合、マスクに基づくパターン生成器のスループット効率が１％になるのに対し、回折及び／又は屈折に基づくパターン生成光学素子の効率はほぼ１００％のままである。更に、レーザの光収集効率は、総光出力が同じであるＬＥＤより少なくとも１０倍高く、これは、レーザのほうが発光面積及び発散角が本来小さい為に単位面積当たりの出力照明がより明るいことによる。レーザ、並びに回折性及び／又は屈折性のパターン生成器の効率が高いことは、プローブが使用中に著しく熱くなることを抑えて、プローブ内の能動冷却の必要性を潜在的に無くすか抑えることでコストを削減する、熱効率の良い構成を可能にすることに役立ちうる。レーザダイオード及びＤＯＥは幾つかの適用例では特に好ましい場合があるが、それらは個別でも組み合わせでも決して必須ではない。他の適用例では、ＬＥＤを含む他の光源、並びに透明度マスク及び透過度マスクを含むパターン生成素子が使用されてよい。
幾つかの適用例では、歯を不透明粉末でコーティングするようなコントラスト強化手段を使用せずに、構造化光照明下での口腔内シーンの画像キャプチャを改善する為に、本願発明者等は、（例えば、直線とは対照的な）離散的で不連続な光スポットの分布が、パターンコントラストを上げることと、有用な情報量を確保することとのバランスを改善しうることに気付いた。幾つかの適用例では、不連続な光スポットは均一な（例えば、不変の）パターンを有する。一般的に言えば、構造化光パターンの密度が高いほど、表面のサンプリングがより多くなり、分解能がより高くなり、複数の画像フレームから得られたそれぞれの表面のつなぎ合わせをよりよくできる可能性がある。しかしながら、構造化光パターンの密度が高すぎると、対応関係問題を解決すべきスポットの数が増えて、対応関係問題がより複雑になる可能性がある。更に、構造化光パターンの密度が高くなると、システム内の光が増えてパターンコントラストが下がる可能性があり、これは、（ａ）歯の多少光沢のある表面から反射して、カメラに取り上げられる可能性のある迷光と、（ｂ）パーコレーション、即ち、光の一部が歯に入り、歯内の複数の経路に沿って反射し、歯から多様な方向に出ていくことと、の組み合わせによって引き起こされうる。後で更に述べるように、離散的で不連続な光スポットの分布によって引き起こされる対応関係問題を解決する方法及びシステムが提供される。幾つかの適用例では、各プロジェクタからの離散的で不連続な光スポットはコード化されなくてよい。
幾つかの適用例では、各カメラの視野は少なくとも４５度（例えば、少なくとも８０度、例えば、８５度）であってよい。任意選択で、各カメラの視野は１２０度未満（例えば、９０度未満）であってよい。幾つかの適用例としては、カメラのうちの１つ以上が、魚眼レンズ、又は他の、最大１８０度の視野を提供する光学系を有する。
いずれの場合も、それらの各種カメラの視野は同一であってもなくてもよい。同様に、それらの様々なカメラの焦点距離は同一であってもなくてもよい。各カメラの「視野」という用語は、本明細書では、各カメラの対角視野を意味する。更に、各カメラは、それぞれのカメラセンサから最も遠いレンズから１～３０ｍｍ（例えば、少なくとも５ｍｍ、且つ／又は１１ｍｍ未満、例えば、９～１０ ｍｍ）のところに位置する物体焦点面で焦点が合うように構成されてよい。同様に、幾つかの適用例では、各構造化光プロジェクタの照明場は、少なくとも４５度、任意選択で１２０度未満であってよい。本願発明者等が気付いたところでは、全てのカメラのそれぞれの視野を結合することによって達成される広い視野によって、（特に歯が欠けた領域において）画像つなぎ合わせ誤差の量が減って精度が高まることが可能である（歯が欠けた領域では、歯肉表面が滑らかであり、明確な高分解能３Ｄフィーチャが少なくなる場合がある）。視野がより広くなることで、歯の全曲面のような広いなめらかなフィーチャを各画像フレームに表示することが可能になり、これによって、複数のそのような画像フレームから得られたそれぞれの表面のつなぎ合わせの精度が向上する。幾つかの適用例では、（例えば、口腔内スキャナの）各種カメラの結合視野全体は、細長い手持ち式ワンドの長手軸方向に約２０～５０ｍｍ、ｚ軸方向に約２０～４０ｍｍである（ｚ軸は深度に対応してよい）。別の幾つかの適用例では、視野は、長手軸方向に少なくとも２０ｍｍ、少なくとも２５ｍｍ、少なくとも３０ｍｍ、少なくとも３５ｍｍ、又は少なくとも４０ｍｍであってよい。幾つかの実施形態では、結合視野は、深度とともに（例えば、スキャン距離とともに）変わってよい。例えば、約４ｍｍのスキャン距離では、視野は長手軸方向に約４０ｍｍであってよく、約１４ｍｍのスキャン距離では、視野は長手軸方向に約４５ｍｍであってよい。口腔内スキャナの動きのほとんどがスキャナの長軸（例えば、長手軸）に対して行われる場合は、スキャン同士が重なり合うことがかなりあってよい。幾つかの適用例では、組み合わされたカメラの視野は連続していない。例えば、口腔内スキャナは、第１の視野と第２の視野が一定の間隔で離れていてよい。この一定間隔は、例えば、細長い手持ち式ワンドの長手軸方向であってよい。
幾つかの適用例では、口腔内表面のデジタル３次元画像を生成する方法が提供される。なお、本出願で使用する「３次元画像」という語句は、３次元口腔内表面の画像を構築する元になる３次元モデル（例えば、点群）に基づく。結果として得られる画像は、一般的には２次元画面上に表示されるが、スキャンされた物体の３次元構造に関するデータを含み、従って、典型的には、スキャンされた物体を様々な視点及び観点から見るようにマニピュレートされてよい。更に、３次元画像からのデータを使用して、スキャンされた物体の物理的な３次元モデルが作成されてよい。
例えば、１つ以上の構造化光プロジェクタが、離散的で不連続な光スポットの分布を口腔内表面に投射するように駆動されてよく、１つ以上のカメラが、この投射の画像をキャプチャするように駆動されてよい。各カメラによってキャプチャされた画像は、それらのスポットの少なくとも１つを含んでよい。
各カメラは、画素のアレイを有するカメラセンサを含み、各画素ごとに対応する光線が３Ｄ空間に存在し、この光線はその画素から始まって、画像化される物体に向かう方向を有し、これらの光線のうちの特定の光線に沿った各点が、センサ上に画像化されるときに、センサ上の対応するそれぞれの画素に当たる。請求項を含む本出願全体を通して、これに関して使用される用語は「カメラ光線」である。同様に、各プロジェクタから投射された各スポットごとに、対応するプロジェクタ光線が存在する。各プロジェクタ光線は、カメラセンサのうちの少なくとも１つにある画素のそれぞれの経路に対応する。即ち、特定のプロジェクタ光線によって投射されたスポットをカメラが見ると、そのスポットは、画素の特定経路上の、その特定のプロジェクタ光線に対応する画素によって必ず検出されることになる。（ａ）各カメラのカメラセンサ上の各画素に対応するカメラ光線と、（ｂ）各プロジェクタから投射された光スポットのそれぞれに対応するプロジェクタ光線と、に関する値が、後述の較正プロセスの間に記憶されてよい。
表面の各投射スポットの３次元位置を識別する為にプロセッサが使用されてよく、プロセッサは、記憶された較正値に基づいて対応関係アルゴリズムを実行する。所与のプロジェクタ光線に対して、プロセッサは、カメラのうちの１つのカメラの対応するカメラセンサ経路を「見る」。そのカメラセンサ経路上で検出された各スポットが有するカメラ光線が、その所与のプロジェクタ光線と交差する。その交点は空間内に３次元点を定義する。次にプロセッサは、その他のカメラ上の、その所望のプロジェクタ光線に対応するカメラセンサ経路を探索して、他の何台のカメラが、その所与のプロジェクタ光線に対応するそれぞれのカメラセンサ経路上で、空間内のその３次元点と交差するカメラ光線を有するスポットをやはり検出したかを識別する。本明細書では、本出願全体を通して、２つ以上のカメラが検出したスポットの、それぞれのカメラ光線が、空間内の同じ３次元点において所与のプロジェクタ光線と交差する場合に、それらのカメラは、そのスポットがその３次元点に位置することに「同意している」と見なされる。従って、プロセッサは、プロジェクタ光線による投射光パターンが特定の交点に存在することに２つ以上のカメラが同意していることに基づいて、投射光パターンの３次元位置を識別してよい。このプロセスは、カメラセンサ経路上の更なるスポットについて繰り返され、最多数のカメラが「同意している」スポットが、所与のプロジェクタ光線から表面に投射されたスポットとして識別される。従って、そのスポットに対応する表面上の３次元位置が計算される。
特定のスポットの表面上の位置が特定されたら、そのスポットを投射したプロセッサ光線、並びにそのスポットに対応する全てのカメラ光線が検討から除外されてよく、次のプロジェクタ光線について対応関係アルゴリズムが再度実行されてよい。最後に、識別された３次元位置を使用して、口腔内表面のデジタル３次元モデルが生成される。
別の例では、口腔内表面のデジタル３次元モデルを生成する方法が、口腔内スキャナの遠位端部にあるプローブの中に配置された１つ以上の光プロジェクタを使用して、離散的で不連続なスポットのパターンを患者の口腔内表面に投射するステップを含み、離散的で不連続なスポットのパターンはコード化されない。本方法は更に、プローブ内に配置された２つ以上のカメラを使用して、投射された不連続スポットのパターンの複数の画像をキャプチャするステップと、口腔内表面の３次元表面情報を特定する為に投射パターンの複数の画像をデコードするステップと、その３次元表面情報を使用して、口腔内表面のデジタル３次元モデルを生成するステップと、を含んでよい。複数の画像をデコードするステップは、上記２つ以上のカメラのそれぞれのカメラセンサ上の画素に対応するカメラ光線を複数のプロジェクタ光線に関連付ける較正データにアクセスするステップを含み、その複数のプロジェクタ光線のそれぞれが、離散的で不連続なスポットのうちの１つに関連付けられている。デコードするステップは更に、較正データを使用して、離散的で不連続なスポットの投射パターンに対応する、プロジェクタ光線とカメラ光線との交点を特定するステップを含んでよく、プロジェクタ光線とカメラ光線との交点は空間内の３次元点に関連付けられる。デコードするステップは更に、プロジェクタ光線によって投射された離散的で不連続なスポットのパターンが特定の交点に存在することに２つ以上のカメラが同意していることに基づいて、投射された離散的で不連続なスポットのパターンの３次元位置を識別するステップを含んでよい。
そこで、本発明の幾つかの適用例によれば、口腔内スキャン装置が提供され、本装置は、
遠位端部にプローブを含む、細長い手持ち式ワンドと、
プローブの遠位端部内に配置された剛体構造と、
剛体構造に結合された１つ以上の構造化光プロジェクタと、
剛体構造に結合された１つ以上のカメラと、
を含む。
幾つかの適用例では、各構造化光プロジェクタは、４５～１２０度の照明場を有してよい。任意選択で、上記１つ以上の構造化光プロジェクタは、レーザダイオード光源を利用してよい。更に、構造化光プロジェクタは、ビーム整形光学素子を含んでよい。更に又、構造化光プロジェクタは、パターン生成光学素子を含んでよい。
パターン生成光学素子は、離散的で不連続な光スポットの分布を生成するように構成されてよい。離散的で不連続な光スポットの分布は、光源（例えば、レーザダイオード）が活性化されて、パターン生成光学素子を通して光を送出したときに、パターン生成光学素子から１～３０ｍｍの間に位置する全ての面で生成されて良い。幾つかの適用例では、パターン生成光学素子は、（ｉ）回折及び／又は屈折を利用して分布を生成する。任意選択で、パターン生成光学素子は、光スループット効率が少なくとも９０％である。
更に、幾つかの適用例では、各カメラは、（ａ）４５～１２０度の視野を有してよい。各カメラは、カメラセンサと、１つ以上のレンズを含む対物光学系と、を含んでよい。幾つかの適用例では、各カメラは、カメラセンサから最も遠いレンズから１～３０ｍｍの間に位置する物体焦点面で焦点が合うように構成されてよい。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のカメラのそれぞれは、カメラセンサから最も遠いレンズから５～１１ｍｍの間に位置する物体焦点面で焦点が合うように構成されている、
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれのパターン生成光学素子は、光源（例えば、レーザダイオード）が活性化されて、パターン生成光学素子を通して光を送出したときに、パターン生成光学素子から４～２４ｍｍの間に位置する全ての面で離散的で不連続な光スポットの分布を生成するように構成されている。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のカメラのそれぞれは、カメラセンサから最も遠いレンズから４～２４ｍｍの間に位置する物体焦点面で焦点が合うように構成されている、
幾つかの適用例としては、各構造化光プロジェクタは、７０～１００度の照明場を有する。
幾つかの適用例としては、各カメラは、７０～１００度の視野を有する。
幾つかの適用例としては、各カメラは、８０～９０度の視野を有する。
幾つかの適用例としては、本装置は更に、スキャンされる物体に白色光を投射するように構成された少なくとも１つの均一光プロジェクタを含み、カメラのうちの少なくとも１つが、均一光プロジェクタからの照明を使用して物体の２次元色付き画像をキャプチャするように構成されている。
幾つかの適用例としては、ビーム整形光学素子はコリメートレンズを含む。
幾つかの適用例としては、構造化光プロジェクタ及びカメラは、各構造化光プロジェクタが、ワンドの外の、その照明場内に置かれた物体と向き合うように配置される。任意選択で、各カメラが、ワンドの外の、その視野内に置かれた物体と向き合ってよい。更に、幾つかの適用例では、離散的で不連続な光スポットの少なくとも２０％が、カメラのうちの少なくとも１つのカメラの視野内にある。
幾つかの適用例としては、プローブの高さが１０～１５ｍｍであり、光はプローブの下面（検知面）からプローブに入り、プローブの高さは、プローブの下面から下面の反対側のプローブの上面まで測定される。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上の構造化光プロジェクタは厳密に１つの構造化光プロジェクタであり、上記１つ以上のカメラは厳密に１つのカメラである。
幾つかの適用例としては、パターン生成光学素子は回折光学素子（ＤＯＥ）を含む。
幾つかの適用例としては、各ＤＯＥは、光源が活性化されて、ＤＯＥを通して光を送出したときに、照明場内の各直交面における、照明されている面積と照明されていない面積との比が１：１５０～１：１６であるように、離散的で不連続な光スポットの分布を生成するように構成されている。
幾つかの適用例としては、各ＤＯＥは、光源が活性化されて、ＤＯＥを通して光を送出したときに、照明場内の各直交面における、照明されている面積と照明されていない面積との比が１：６４～１：３６であるように、離散的で不連続な光スポットの分布を生成するように構成されている。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上の構造化光プロジェクタは、複数の構造化光プロジェクタである。幾つかの適用例では、特定のＤＯＥによって生成される全てのスポットが同じ形状である。任意選択で、少なくとも１つのＤＯＥによって生成されるスポットの形状は、少なくとも１つの他のＤＯＥから生成されるスポットの形状と異なる。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれは、ビーム整形光学素子とＤＯＥとの間に配置された光学素子を含み、この光学素子は、レーザダイオードが活性化されて、その光学素子を通して光を送出したときに、ベッセルビームを生成するように構成されており、それによって、離散的で不連続な光スポットは、中心がＤＯＥにあって１～３０ｍｍの半径を有する球体の各内面を通る際に０．０６ｍｍ未満の径を維持する。
幾つかの適用例としては、この光学素子は、レーザダイオードが活性化されて、その光学素子を通して光を送出したときに、ベッセルビームを生成するように構成されており、それによって、離散的で不連続な光スポットは、中心がＤＯＥにあって１～３０ｍｍの半径を有する幾何学的球体の各内面を通る際に０．０２ｍｍ未満の径を維持する。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれは、ビーム整形光学素子とＤＯＥとの間に配置された光学素子を含む。この光学素子は、光源が活性化されて、その光学素子を通して光を送出したときに、ベッセルビームを生成するように構成されてよく、それによって、離散的で不連続な光スポットは、深度範囲にわたって小径を維持する。例えば、幾つかの適用例では、離散的で不連続な光スポットは、ＤＯＥから１～３０ｍｍの間に位置する各直交面を通る際に０．０６ｍｍ未満の径を維持することが可能である。
幾つかの適用例としては、この光学素子は、レーザダイオードが活性化されて、その光学素子を通して光を送出したときに、ベッセルビームを生成するように構成されており、それによって、離散的で不連続な光スポットは、ＤＯＥから１～３０ｍｍの間に位置する各直交面を通る際に０．０２ｍｍ未満の径を維持する。
幾つかの適用例としては、この光学素子は、光源が活性化されて、その光学素子を通して光を送出したときに、ベッセルビームを生成するように構成されており、それによって、離散的で不連続な光スポットは、ＤＯＥから４～２４ｍｍの間に位置する各直交面を通る際に０．０４ｍｍ未満の径を維持する。
幾つかの適用例としては、この光学素子はアキシコンレンズである。
幾つかの適用例としては、アキシコンレンズは回折性アキシコンレンズである。
幾つかの適用例としては、この光学素子は環状アパーチャである。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上の構造化光プロジェクタは、複数の構造化光プロジェクタであり、少なくとも２つの構造化光プロジェクタの光源がそれぞれ別々の波長の光を送出するように構成されている。
幾つかの適用例としては、少なくとも３つの構造化光プロジェクタの光源がそれぞれ別々の波長の光を送出するように構成されている。
幾つかの適用例としては、少なくとも３つの構造化光プロジェクタの光源がそれぞれ赤色、青色、及び緑色の光を送出するように構成されている。
幾つかの適用例では、光源はレーザダイオードを含む。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のカメラは、少なくとも２つのカメラのそれぞれの光軸の間の角度が０～９０度になるように剛体構造に結合された複数のカメラである。
幾つかの適用例としては、少なくとも２つのカメラのそれぞれの光軸の間の角度が０～３５度である。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上の構造化光プロジェクタは、少なくとも２つの構造化光プロジェクタのそれぞれの光軸の間の角度が０～９０度になるように剛体構造に結合された複数の構造化光プロジェクタである。
幾つかの適用例としては、少なくとも２つの構造化光プロジェクタのそれぞれの光軸の間の角度が０～３５度である。
幾つかの適用例としては、各カメラは複数の離散的なプリセット焦点位置を有し、各焦点位置では、カメラは、それぞれの物体焦点面で焦点が合うように構成されている。
幾つかの適用例としては、各カメラは、それらの離散的なプリセット焦点位置から焦点位置を選択するように構成された自動焦点アクチュエータを含む。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のカメラのそれぞれは、各カメラで形成される画像が、カメラセンサから最も遠いレンズから１～３０ｍｍの間に位置する全ての物体距離に対して焦点が合ったままになるように、カメラの焦点深度を拡張するように構成された光学的開口位相マスクを含む。
幾つかの適用例としては、光学的開口位相マスクは、各カメラで形成される画像が、カメラセンサから最も遠いレンズから４～２４ｍｍの間に位置する全ての物体距離に対して焦点が合ったままになるように、カメラの焦点深度を拡張するように構成されている。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のカメラのそれぞれは、３０～２００フレーム毎秒のフレームレートで画像をキャプチャするように構成されている。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のカメラのそれぞれは、少なくとも７５フレーム毎秒のフレームレートで画像をキャプチャするように構成されている。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のカメラのそれぞれは、少なくとも１００フレーム毎秒のフレームレートで画像をキャプチャするように構成されている。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれのレーザダイオードは、楕円光ビームを送出するように構成されている。上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれのビーム整形光学素子は、コリメートレンズを含んでよい。任意選択で、パターン生成光学素子は、アレイ状に配列された複数のサブＤＯＥパッチにセグメント化された回折光学素子（ＤＯＥ）を含む。各サブＤＯＥパッチは、照明場のうちのそれぞれ異なる範囲に離散的で不連続な光スポットの分布をそれぞれ生成してよく、これは、光源が活性化されて、セグメント化ＤＯＥを通して光を送出したときに、離散的で不連続な光スポットの分布が生成されるように行われる。
幾つかの適用例としては、コリメートレンズは、５００～７００ミクロンの長軸と１００～２００ミクロンの短軸とを有する楕円光ビームを生成するように構成されてよい。
幾つかの適用例としては、サブＤＯＥパッチのアレイは、レーザダイオードが活性化されて、セグメント化ＤＯＥを通して光を送出したときに、楕円光ビームの中に収容されるように配置されてよい。
幾つかの適用例としては、ＤＯＥの光軸に垂直な、各サブＤＯＥパッチの断面が、３０～７５ミクロンの辺長を有する正方形である。
幾つかの適用例としては、複数のサブＤＯＥパッチは、１６～７２個のサブＤＯＥパッチを含み、最長寸法が５００～８００ミクロンである矩形アレイとして配列される。
幾つかの適用例としては、コリメートレンズ及びセグメント化ＤＯＥは単一光学素子であり、この光学素子の第１の側がコリメートレンズを含み、この光学素子の、第１の側の反対側の第２の側がセグメント化ＤＯＥを含む。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれの少なくとも１つの光源は、複数のレーザダイオードである。幾つかの適用例では、複数のレーザダイオードは、同じ波長の光を送出するように構成されてよい。
幾つかの適用例としては、複数のレーザダイオードは、異なる波長の光を送出するように構成されてよい。
幾つかの適用例としては、複数のレーザダイオードは２つのレーザダイオードであり、２つのレーザダイオードは、それぞれ異なる波長の光を送出するように構成されている。
幾つかの適用例としては、複数のレーザダイオードは３つのレーザダイオードであり、３つのレーザダイオードは、それぞれ異なる波長の光を送出するように構成されている。
幾つかの適用例としては、３つのレーザダイオードは、それぞれ赤色、青色、及び緑色の光を送出するように構成されている。
幾つかの適用例としては、
上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれのビーム整形光学素子はコリメートレンズを含み、
パターン生成光学素子は、１００～４００ｍｍの周期構造フィーチャサイズを有する複合回折周期構造を含む。
幾つかの適用例としては、コリメートレンズ及び複合回折周期構造は単一光学素子であり、この光学素子の第１の側がコリメートレンズを含み、この光学素子の、第１の側の反対側の第２の側が複合回折周期構造を含む。
幾つかの適用例としては、本装置は更に、コリメートレンズと複合回折周期構造との間に配置されたアキシコンレンズを含み、アキシコンレンズはアキシコンヘッド角度が０．２～２度である。
幾つかの適用例としては、コリメートレンズは焦点距離が１．２～２ｍｍである。
幾つかの適用例としては、
上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれのビーム整形光学素子は、コリメートレンズを含み、
パターン生成光学素子は、開口数が０．２～０．７であるマイクロレンズアレイを含む。
幾つかの適用例としては、マイクロレンズアレイは、六角形のマイクロレンズアレイである。
幾つかの適用例としては、マイクロレンズアレイは、矩形のマイクロレンズアレイである。
幾つかの適用例としては、コリメートレンズ及びマイクロレンズアレイは単一光学素子であり、この光学素子の第１の側がコリメートレンズを含み、この光学素子の、第１の側の反対側の第２の側がマイクロレンズアレイを含む。
幾つかの適用例としては、本装置は更に、コリメートレンズとマイクロレンズアレイとの間に配置されたアキシコンレンズを含み、アキシコンレンズはアキシコンヘッド角度が０．２～２度である。
幾つかの適用例としては、コリメートレンズは焦点距離が１．２～２ｍｍである。
幾つかの適用例としては、
上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれのビーム整形光学素子は、コリメートレンズを含み、コリメートレンズは焦点距離が１．２～２ｍｍであり、
上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれは、コリメートレンズとパターン生成光学素子との間に配置されたアパーチャリングを含み、
パターン生成光学素子は、１００～４００ｍｍの周期構造フィーチャサイズを有する複合回折周期構造を含む。
幾つかの適用例としては、
上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれのビーム整形光学素子はレンズを含み、レンズは、（ａ）レーザダイオードとパターン生成光学素子との間に配置されていて、（ｂ）レンズの第１の側に平面を有し、レンズの、第１の側の反対側の第２の側に非球面を有し、非球面は、レーザダイオードが活性化されて、レンズ及びパターン生成光学素子を通して発散光ビームを送出したときに、発散光ビームから直接ベッセルビームを生成するように構成されており、それによって、離散的で不連続な光スポットは、パターン生成光学素子から１～３０ｍｍの間に位置するどの直交面においてもほぼ均一なサイズを有する。
幾つかの適用例としては、レンズの非球面は、レーザダイオードが活性化されて、レンズ及びパターン生成光学素子を通して発散光ビームを送出したときに、発散光ビームから直接ベッセルビームを生成するように構成されており、それによって、離散的で不連続な光スポットは、パターン生成光学素子から４～２４ｍｍの間に位置するどの直交面においてもほぼ均一なサイズを有する。
幾つかの適用例としては、パターン生成光学素子は、１００～４００ｍｍの周期構造フィーチャサイズを有する複合回折周期構造を含む。
幾つかの適用例としては、パターン生成光学素子は、開口数が０．２～０．７であるマイクロレンズアレイを含む。
幾つかの適用例としては、
（ａ）ビーム整形光学素子はレンズの第１の側に非球面を含み、（ｂ）レンズの第１の側の反対側の第２の側にある平面が、パターン生成光学素子を定義するように整形されており、
非球面は、レーザダイオードが活性化されて、レンズを通して発散光ビームを送出したときに、発散光ビームから直接ベッセルビームを生成するように構成されており、それによって、レーザダイオードが活性化されて、レンズを通して発散光ビームを送出したときに、ベッセルビームは複数の離散的なベッセルビームのアレイに分割され、それによって、離散的で不連続な光スポットは、レンズから１～３０ｍｍの間に位置するどの平面においてもほぼ均一なサイズを有する。
幾つかの適用例としては、レンズの平面は、レーザダイオードが活性化されて、レンズを通して発散光ビームを送出したときに、ベッセルビームが複数の離散的なベッセルビームのアレイに分割されるように、パターン生成光学素子を定義するように整形されており、それによって、離散的で不連続な光スポットは、パターン生成光学素子から４～２４ｍｍの間に位置するどの平面においてもほぼ均一なサイズを有する。
幾つかの適用例としては、本装置及び方法は更に、
剛体構造に結合されて、剛体構造の温度を測定するように構成された少なくとも１つの温度センサと、
温度制御装置と、
を含んでよい。
温度制御回路は、（ａ）剛体構造の温度を示すデータを温度センサから受け取り、（ｂ）受け取ったデータに基づいて温度制御装置を活性化するように構成されてよい。温度制御装置及び温度制御回路は、プローブ及び／又は剛体構造の温度を３５～４３℃に保つように構成されてよい。
幾つかの適用例としては、温度制御装置は、プローブの温度を３７～４１℃に保つように構成されている。
幾つかの適用例としては、温度制御装置は、プローブの温度が温度変化の閾値を超えて変化するのを抑えるように構成されてよい。
幾つかの適用例としては、本装置は更に、
ターゲット、例えば、プローブ内に配置された複数の領域を含む拡散反射面を、
（ａ）各プロジェクタが、その照明場内に拡散反射面の少なくとも１つの領域を有し、
（ｂ）各カメラが、その視野内に拡散反射面の少なくとも１つの領域を有し、
（ｃ）拡散反射面の複数の領域が、カメラのうちの１つのカメラの視野内にあり、且つ、プロジェクタのうちの１つのプロジェクタの照明場内にあるように含む。
幾つかの適用例では、温度制御回路は、（ａ）離散的で不連続な光スポットの分布に対する拡散反射面の位置を示すデータをカメラから受け取るステップと、（ｂ）受け取ったデータを、拡散反射面の記憶された較正位置と比較するステップであって、（ｉ）拡散反射面の位置を示す、受け取ったデータと、（ｉｉ）拡散反射面の記憶された較正位置と、の間の食い違いは、プローブの温度変化を示す、上記比較するステップと、（ｃ）受け取ったデータと、拡散反射面の記憶された較正位置と、の比較に基づいて、プローブの温度を調整するステップと、を実施するように構成されてよい。
更に、本発明の幾つかの適用例によれば、デジタル３次元画像を生成する方法が提供され、本方法は、
１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれを、離散的で不連続な光スポットの分布を口腔内３次元表面に投射するように駆動するステップと、
１つ以上のカメラのそれぞれを、それらのスポットのうちの少なくとも１つのスポットを含む画像をキャプチャするように駆動するステップであって、上記１つ以上のカメラのそれぞれは、画素のアレイを含むカメラセンサを含む、各カメラを駆動する上記ステップと、
（ａ）上記１つ以上のカメラのそれぞれのカメラセンサ上の各画素に対応するカメラ光線と、（ｂ）上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれから投射された光スポットのそれぞれに対応するプロジェクタ光線と、を示し、それによって、各プロジェクタ光線が、カメラセンサのうちの少なくとも１つのカメラセンサにある画素のそれぞれの経路に対応する、記憶された較正値に基づき、
プロセッサを使用して、
（１）各プロジェクタ光線ｉごとに、光線ｉに対応するカメラセンサ経路上の検出された各スポットｊに対して、他の何台のカメラが、光線ｉに対応するそれぞれのカメラセンサ経路上で、光線ｉと交差するそれぞれのカメラ光線と、検出されたスポットｊに対応するカメラ光線と、に対応するそれぞれのスポットｋを検出したかを識別するステップであって、
それによって、光線ｉは、検出されたスポットｊに対して最多数の他のカメラがそれぞれのスポットｋを検出した、その検出されたスポットｊを生成した特定のプロジェクタ光線として識別される、
上記識別するステップと、
（２）プロジェクタ光線ｉと、検出されたスポットｊ及びそれぞれの検出されたスポットｋに対応するそれぞれのカメラ光線と、の交点における口腔内３次元表面上のそれぞれの３次元位置を計算するステップと、
を実施する対応関係アルゴリズムを実行するステップと、
を含む。
幾つかの適用例としては、プロセッサを使用して対応関係アルゴリズムを実行するステップは更に、ステップ（１）に続いて、プロセッサを使用して、
プロジェクタ光線ｉと、検出されたスポットｊ及びそれぞれの検出されたスポットｋに対応するそれぞれのカメラ光線と、を検討から除外するステップと、
次のプロジェクタ光線ｉについて対応関係アルゴリズムを再度実行するステップと、
を含む。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれを、離散的で不連続な光スポットの分布を投射するように駆動するステップは、上記構造化光プロジェクタのそれぞれを、４００～３０００個の離散的で不連続な光スポットを口腔内３次元表面に投射するように駆動するステップを含む。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれを、離散的で不連続な光スポットの分布を投射するように駆動するステップは、複数の構造化光プロジェクタを、それぞれが離散的で不連続な光スポットの分布を投射するように駆動するステップを含み、
（ａ）構造化光プロジェクタのうちの少なくとも２つが、異なる波長の光を送出するように構成され、
（ｂ）記憶された較正値は、それらの波長のそれぞれについての、カメラセンサ上の各画素に対応するカメラ光線を示す。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれを、離散的で不連続な光スポットの分布を投射するように駆動するステップは、複数の構造化光プロジェクタを、それぞれが離散的で不連続な光スポットの分布を投射するように駆動するステップを含み、特定の構造化光プロジェクタから投射された全てのスポットが同じ形状であり、少なくとも１つの構造化光プロジェクタから投射されたスポットの形状は、少なくとも１つの他の構造化光プロジェクタから投射されたスポットの形状と異なる。
幾つかの適用例としては、本方法は更に、
少なくとも１つの均一光プロジェクタを、白色光を口腔内３次元表面に投射するように駆動するステップと、
少なくとも１つのカメラを、均一光プロジェクタからの照明を使用して口腔内３次元表面の２次元色付き画像をキャプチャするように駆動するステップと、
を含む。
幾つかの適用例としては、本方法は更に、プロセッサを使用して表面再構築アルゴリズムを実行するステップを含み、このアルゴリズムは、構造化光プロジェクタからの照明を使用してキャプチャされた少なくとも１つの画像を、均一光プロジェクタからの照明を使用してキャプチャされた複数の画像と組み合わせて、口腔内３次元表面の３次元画像を生成する。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれを駆動するステップは、複数の構造化光プロジェクタを、それぞれの離散的で不連続な光スポットの分布を口腔内３次元表面に同時に投射するように駆動するステップを含む。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれを駆動するステップは、複数の構造化光プロジェクタを、それぞれの離散的で不連続な光スポットを口腔内３次元表面に、それぞれ異なるタイミングで投射するように駆動するステップを含む。
幾つかの適用例としては、複数の構造化光プロジェクタを、それぞれの離散的で不連続な光スポットを口腔内３次元表面に、それぞれ異なるタイミングで投射するように駆動するステップは、複数の構造化光プロジェクタを、それぞれの離散的で不連続な光スポットを口腔内３次元表面に、事前決定された順序で投射するように駆動するステップを含む。
幾つかの適用例としては、複数の構造化光プロジェクタを、それぞれの離散的で不連続な光スポットを口腔内３次元表面に、それぞれ異なるタイミングで投射するように駆動するステップは、
少なくとも１つの構造化光プロジェクタを、離散的で不連続な光スポットの分布を口腔内３次元表面に投射するように駆動するステップと、
スキャン中に、複数の構造化光プロジェクタのうちのどれを、次に離散的で不連続な光スポットの分布を投射するように駆動するかを決定するステップと、
を含む。
幾つかの適用例としては、
１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれを駆動するステップは、厳密に１つの構造化光プロジェクタを、離散的で不連続な光スポットの分布を口腔内３次元表面に投射するように駆動するステップを含む。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のカメラのそれぞれを駆動するステップは、上記１つ以上のカメラを、それぞれが３０～２００フレーム毎秒のフレームレートで画像をキャプチャするように駆動するステップを含む。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のカメラを駆動するステップは、上記１つ以上のカメラを、それぞれが少なくとも７５フレーム毎秒のフレームレートで画像をキャプチャするように駆動するステップを含む。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上のカメラを駆動するステップは、上記１つ以上のカメラを、それぞれが少なくとも１００フレーム毎秒のフレームレートで画像をキャプチャするように駆動するステップを含む。
幾つかの適用例としては、プロセッサを使用するステップは、温度センサから受け取った、構造化光プロジェクタ及びカメラの温度を示すデータに基づいて、複数の、構造化光プロジェクタ及びカメラのそれぞれの温度に対応する、記憶された較正データの複数のセットの中から較正データのセットを選択するステップを含み、記憶された較正データの各セットは、それぞれの温度の場合の、（ａ）上記１つ以上のプロジェクタのそれぞれから投射された光スポットのそれぞれに対応するプロジェクタ光線、並びに（ｂ）上記１つ以上のカメラのそれぞれのカメラセンサ上の各画素に対応するカメラ光線を示す。
幾つかの適用例としては、プロセッサを使用するステップは、温度センサから受け取った、構造化光プロジェクタ及びカメラの温度を示すデータに基づいて、較正データの各セットに対応するそれぞれの温度の間にある温度についての較正データを得る為に、記憶された較正データの複数のセットの間を補間するステップを含む。
幾つかの適用例としては、
上記１つ以上のカメラのそれぞれを駆動するステップは、上記１つ以上のカメラのそれぞれを、複数の領域を有する拡散反射面の少なくとも一領域を更に含む画像をキャプチャするように駆動するステップを含み、このステップは、
（ａ）各プロジェクタが、その照明場内に拡散反射面の少なくとも１つの領域を有し、
（ｂ）各カメラが、その視野内に拡散反射面の少なくとも１つの領域を有し、
（ｃ）拡散反射面の複数の領域が、カメラのうちの１つのカメラの視野内にあり、且つ、プロジェクタのうちの１つのプロジェクタの照明場内にあるように実施される。
プロセッサは、（ａ）離散的で不連続な光スポットの分布に対する拡散反射面の位置を示すデータをカメラから受け取るステップと、（ｂ）受け取ったデータを、拡散反射面の記憶された較正位置と比較するステップであって、（ｉ）拡散反射面の位置を示す、受け取ったデータと、（ｉｉ）拡散反射面の記憶された較正位置と、の間の食い違いは、プロジェクタ光線及びカメラ光線の、それぞれの記憶された較正値からのずれを示す、上記比較するステップと、（ｃ）プロジェクタ光線及びカメラ光線の、それぞれの記憶された較正値からのずれに基づいて、対応関係アルゴリズムを実行するステップと、を実施することに使用されてよい。
幾つかの実施形態、例えば、ここまでに記載の実施形態、或いは本明細書全体を通して記載される実施形態のいずれかでは、ライトフィールド画像化を構造化照明と組み合わせて使用することにより高ダイナミックレンジの３Ｄ画像化が可能になる。フリンジパターンがシーンに投射されてよく、シーン深度によって調節されてよい。そして、ライトフィールド記録装置を使用して構造化ライトフィールドが検出されてよい。構造化ライトフィールドは、光線方向及び位相コード化深度の情報を含み、これにより、シーン深度を様々な方向から推定することが可能である。多方向深度推定により、高ダイナミックレンジの３Ｄ画像化を効果的に達成できる場合がある。
本発明の適用例は更に、３次元口腔内スキャン装置に関するシステム及び方法を含んでよく、本装置は１つ以上のライトフィールドカメラ及び１つ以上のパターンプロジェクタを含む。例えば、幾つかの実施形態では、口腔内スキャン装置が提供される。本装置は、遠位端部にプローブを含む、細長い手持ち式ワンドを含んでよい。プローブは、近位端部及び遠位端部を有してよい。プローブは、口腔内スキャン中に患者の口腔内に置かれてよい。本発明の幾つかの適用例によれば、プローブの近位端部に構造化光プロジェクタ及びライトフィールドカメラが配置されてよく、プローブの遠位端部にミラーが配置されてよい。構造化光プロジェクタ及びライトフィールドカメラは、ミラーと向き合うように配置されてよく、ミラーは、（ａ）構造化光プロジェクタからの光を、スキャンされる物体に向けて直接反射し、（ｂ）スキャンされる物体からの光をライトフィールドカメラ内へ反射するように配置される。
プローブの近位端部にある構造化光プロジェクタは、光源を含む。幾つかの適用例では、光源は、少なくとも６度、且つ／又は３０度未満の照明場を有してよい。構造化光プロジェクタは、光源からの光の焦点を、光源から少なくとも３０ｍｍ、且つ／又は１４０ｍｍ未満のところに位置するプロジェクタ焦点面に合わせてよい。構造化光プロジェクタは更に、光源とプロジェクタ焦点面との間の光路に配置されたパターン生成器を含んでよく、パターン生成器は、光源が活性化されて、パターン生成器を通して光を送出したときに、プロジェクタ焦点面に構造化光パターンを生成する。
幾つかの適用例では、プローブの近位端部にあるライトフィールドカメラは、少なくとも６度、且つ／又は３０度未満の視野を有してよい。ライトフィールドカメラは、ライトフィールドカメラから少なくとも３０ｍｍ、且つ／又は１４０ｍｍ未満のところに位置するカメラ焦点面に焦点を合わせてよい。ライトフィールドカメラは更に、ライトフィールドカメラセンサを含んでよく、ライトフィールドカメラセンサは、（ｉ）センサ画素のアレイを含む画像センサと、（ｉｉ）画像センサの前に配置されたマイクロレンズのアレイと、を含み、各マイクロレンズは、センサ画素のサブアレイの上に配置されている。ライトフィールドカメラセンサの前に配置された対物レンズが、スキャンされる物体の画像をライトフィールドカメラセンサ上に形成する。
本発明の幾つかの適用例によれば、１つ以上の構造化光プロジェクタ及び１つ以上のライトフィールドカメラは、プローブの遠位端部に配置されている。構造化光プロジェクタ及びライトフィールドカメラは、各構造化光プロジェクタが、ワンドの外の、その照明場内に置かれた物体と直接向き合うように配置されており、各カメラが、ワンドの外の、その視野内に置かれた物体と直接向き合うように配置されている。各プロジェクタから投射された構造化光パターンの少なくとも４０％が、カメラのうちの少なくとも１つのカメラの視野内にある。
プローブの遠位端部にある１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれが光源を含む。幾つかの適用例では、各構造化光プロジェクタは、それぞれが、少なくとも６０度、且つ／又は１２０度未満の照明場を有してよい。各構造化光プロジェクタは、光源からの光の焦点を、光源から少なくとも３０ｍｍ、且つ／又は１４０ｍｍ未満のところに位置するプロジェクタ焦点面に合わせてよい。各構造化光プロジェクタは更に、光源とプロジェクタ焦点面との間の光路に配置されたパターン生成器を含んでよく、パターン生成器は、光源が活性化されて、パターン生成器を通して光を送出したときに、プロジェクタ焦点面に構造化光パターンを生成する。
幾つかの適用例では、プローブの遠位端部にある１つ以上のライトフィールドカメラは、それぞれが少なくとも６０度、且つ／又は１２０度未満の視野を有してよい。各ライトフィールドカメラは、ライトフィールドカメラから少なくとも３ｍｍ、且つ／又は４０ｍｍ未満のところに位置するカメラ焦点面に焦点を合わせてよい。各ライトフィールドカメラは更に、ライトフィールドカメラセンサを含んでよく、ライトフィールドカメラセンサは、（ｉ）センサ画素のアレイを含む画像センサと、（ｉｉ）画像センサの前に配置されたマイクロレンズのアレイと、を含み、各マイクロレンズは、センサ画素のサブアレイの上に配置されている。各ライトフィールドカメラセンサの前に配置された対物レンズが、スキャンされる物体の画像をライトフィールドカメラセンサ上に形成する。
そこで、本発明の幾つかの適用例によれば、口腔内スキャン装置が提供され、本装置は、
（Ａ）遠位端部にプローブを含む、細長い手持ち式ワンドであって、プローブは近位端部及び遠位端部を有する、細長い手持ち式ワンドと、
（Ｂ）プローブの近位端部に配置された構造化光プロジェクタであって、構造化光プロジェクタは、
（ａ）６～３０度の照明場を有し、
（ｂ）光源を含み、
（ｃ）光源からの光の焦点を、光源から３０～１４０ｍｍの間に位置するプロジェクタ焦点面に合わせるように構成されており、
（ｄ）光源とプロジェクタ焦点面との間の光路に配置されたパターン生成器であって、光源が活性化されて、パターン生成器を通して光を送出したときに、プロジェクタ焦点面に構造化光パターンを生成するように構成されたパターン生成器を含む、
構造化光プロジェクタと、
（Ｃ）プローブの近位端部に配置されたライトフィールドカメラであって、ライトフィールドカメラは、
（ａ）６～３０度の視野を有し、
（ｂ）ライトフィールドカメラから３０～１４０ｍｍの間に位置するカメラ焦点面に焦点を合わせるように構成されており、
（ｃ）ライトフィールドカメラセンサであって、ライトフィールドカメラセンサは、（ｉ）センサ画素のアレイを含む画像センサと、（ｉｉ）画像センサの前に配置されたマイクロレンズのアレイであって、各マイクロレンズはセンサ画素のサブアレイの上に配置されている、マイクロレンズのアレイと、を含む、ライトフィールドカメラセンサを含み、
（ｄ）ライトフィールドカメラセンサの前に配置された対物レンズであって、スキャンされる物体の画像をライトフィールドカメラセンサ上に形成するように構成された対物レンズを含む、
ライトフィールドカメラと、
（Ｄ）手持ち式ワンドの遠位端部に配置されたミラーであって、
構造化光プロジェクタ及びライトフィールドカメラは、ミラーと向き合うように配置されており、ミラーは、（ａ）構造化光プロジェクタからの光を、スキャンされる物体に向けて直接反射し、（ｂ）スキャンされる物体からの光をライトフィールドカメラ内へ反射するように配置されている、
ミラーと、
を含む。
幾つかの適用例としては、光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み、パターン生成器はマスクを含む。
幾つかの適用例としては、光源はレーザダイオードを含む。
幾つかの適用例としては、パターン生成器は、構造化光パターンを離散的で不連続な光スポットの分布として生成するように構成された回折光学素子（ＤＯＥ）を含む。
幾つかの適用例としては、パターン生成器は屈折マイクロレンズアレイを含む。
幾つかの適用例としては、プローブの高さは１４～１７ｍｍであり、プローブの幅は１８～２２ｍｍであり、この高さと幅は、ワンドの長手軸に垂直な平面を定義しており、光はプローブの下面からプローブに入り、プローブの高さは、プローブの下面から下面の反対側のプローブの上面まで測定される。
幾つかの適用例としては、本装置は出力装置とともに使用されるように構成されており、本装置は更に、
制御回路を含み、制御回路は、
（ａ）構造化光プロジェクタを、ワンドの外にある物体に構造化光パターンを投射するように駆動するステップと、
（ｂ）ライトフィールドカメラを、物体から反射された構造化光パターンから得られるライトフィールドをキャプチャするように駆動するステップであって、ライトフィールドは、（ｉ）物体から反射される構造化光パターンの強度と、（ｉｉ）光線の方向と、を含む、ライトフィールドカメラを駆動する上記ステップと、
を実施するように構成されており、
少なくとも１つのコンピュータプロセッサが、キャプチャされたライトフィールドに基づいて、スキャンされる物体の表面の３次元画像を再構築し、その画像を出力装置に出力するように構成されている。
幾つかの適用例としては、
（ａ）ワンドの外にある物体は、患者の口腔内にある歯であり、
（ｂ）制御回路は、ライトフィールドカメラを、歯上に粉末がない状態で歯から反射された構造化光パターンから得られるライトフィールドをキャプチャするように駆動するように構成されており、
（ｃ）コンピュータプロセッサは、歯上に粉末がない状態でキャプチャされたライトフィールドに基づいて歯の３次元画像を再構築し、その画像を出力装置に出力するように構成されている。
幾つかの適用例としては、画像センサの中心領域にある、センサ画素のサブアレイのそれぞれは、画素センサの周辺領域にある、センサ画素のサブアレイのそれぞれよりも画素数が１０～４０％少なく、画素センサの中心領域は、センサ画素の総数の少なくとも５０％を含む。
幾つかの適用例としては、（ａ）画像センサの周辺領域のセンサ画素のサブアレイの上に配置された各マイクロレンズが焦点が合うように構成された深度が、（ｂ）画像センサの中心領域のセンサ画素のサブアレイの上に配置された各マイクロレンズが焦点が合うように構成された深度の１．１～１．４倍である。
更に、本発明の幾つかの適用例によれば、
（Ａ）遠位端部にプローブを含む、細長い手持ち式ワンドであって、プローブは近位端部及び遠位端部を有する、細長い手持ち式ワンドと、
（Ｂ）プローブの遠位端部に配置された１つ以上の構造化光プロジェクタであって、各構造化光プロジェクタは、
（ａ）６０～１２０度の照明場を有し、
（ｂ）光源を含み、
（ｃ）光源からの光の焦点を、光源から３～４０ｍｍの間に位置するプロジェクタ焦点面に合わせるように構成されており、
（ｄ）光源とプロジェクタ焦点面との間の光路に配置されたパターン生成器であって、光源が活性化されて、パターン生成器を通して光を送出したときに、プロジェクタ焦点面に構造化光パターンを生成するように構成されたパターン生成器を含む、
上記１つ以上の構造化光プロジェクタと、
（Ｃ）プローブの遠位端部に配置された１つ以上のライトフィールドカメラであって、各ライトフィールドカメラは、
（ａ）６０～１２０度の視野を有し、
（ｂ）ライトフィールドカメラから３～４０ｍｍの間に位置するカメラ焦点面に焦点を合わせるように構成されており、
（ｃ）ライトフィールドカメラセンサであって、ライトフィールドカメラセンサは、（ｉ）センサ画素のアレイを含む画像センサと、（ｉｉ）画像センサの前に配置されたマイクロレンズのアレイであって、各マイクロレンズはセンサ画素のサブアレイの上に配置されている、マイクロレンズのアレイと、を含む、ライトフィールドカメラセンサを含み、
（ｄ）ライトフィールドカメラセンサの前に配置された対物レンズであって、スキャンされる物体の画像をライトフィールドカメラセンサ上に形成するように構成された対物レンズを含み、
構造化光プロジェクタ及びライトフィールドカメラは、(a)各構造化光プロジェクタが、ワンドの外の、その照明場内に置かれた物体と直接向き合い、(b)各カメラが、ワンドの外の、その視野内に置かれた物体と直接向き合い、(c)各プロジェクタからの構造化光パターンの少なくとも４０％が、カメラのうちの少なくとも１つのカメラの視野内にあるように配置されている、
上記１つ以上のライトフィールドカメラと、
を含む装置が提供される。
幾つかの適用例としては、プローブの高さは１０～１４ｍｍであり、プローブの幅は１８～２２ｍｍであり、この高さと幅は、ワンドの長手軸に垂直な平面を定義しており、光はプローブの下面からプローブに入り、プローブの高さは、プローブの下面から下面の反対側のプローブの上面まで測定される。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上の構造化光プロジェクタは厳密に１つの構造化光プロジェクタであり、上記１つ以上の構造化ライトフィールドカメラは厳密に１つのライトフィールドカメラである。
幾つかの適用例としては、上記１つ以上の構造化光プロジェクタは複数の構造化光プロジェクタであり、上記１つ以上のライトフィールドカメラは複数のライトフィールドカメラである。
幾つかの適用例としては、本装置は出力装置とともに使用されるように構成されており、本装置は更に、
制御回路であって、
（ａ）上記１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれを、ワンドの外にある物体に構造化光パターンを投射するように駆動するステップと、
（ｂ）上記１つ以上のライトフィールドカメラを、物体から反射された構造化光パターンから得られるライトフィールドをキャプチャするように駆動するステップであって、ライトフィールドは、（ｉ）物体から反射される構造化光パターンの強度と、（ｉｉ）光線の方向と、を含む、ライトフィールドカメラを駆動する上記ステップと、
を実施するように構成された制御装置と、
キャプチャされたライトフィールドに基づいて、スキャンされる物体の表面の３次元画像を再構築し、その画像を出力装置に出力するように構成された、少なくとも１つのコンピュータプロセッサと、
を含む。
幾つかの適用例としては、
上記１つ以上の構造化光プロジェクタのうちの少なくとも１つは、スキャンされる物体にモノクロ構造化光パターンを投射するように構成されたモノクロ構造化光プロジェクタであり、
上記１つ以上のライトフィールドのうちの少なくとも１つは、スキャンされる物体から反射されたモノクロ構造化光パターンから得られるライトフィールドをキャプチャするように構成されたモノクロライトフィールドカメラであり、
本装置は更に、（ａ）スキャンされる物体に白色光を送出するように構成された光源と、（ｂ）スキャンされる物体の２次元色付き画像をキャプチャするように構成されたカメラと、を含む。
幾つかの適用例としては、モノクロ構造化光プロジェクタは、波長が４２０～４７０ｎｍの構造化光パターンを投射するように構成されている。
更に、本発明の幾つかの適用例によれば、
（Ａ）遠位端部にプローブを含む、細長い手持ち式ワンドであって、プローブは近位端部及び遠位端部を有する、細長い手持ち式ワンドと、
（Ｂ）プローブの近位端部に配置された構造化光プロジェクタであって、構造化光プロジェクタは、
（ａ）照明場を有し、
（ｂ）光源を含み、
（ｃ）光源からの光の焦点をプロジェクタ焦点面に合わせるように構成されており、
（ｄ）光源とプロジェクタ焦点面との間の光路に配置されたパターン生成器であって、光源が活性化されて、パターン生成器を通して光を送出したときに、プロジェクタ焦点面に構造化光パターンを生成するように構成されたパターン生成器を含む、
構造化光プロジェクタと、
（Ｃ）プローブの近位端部に配置されたライトフィールドカメラであって、ライトフィールドカメラは、
（ａ）視野を有し、
（ｂ）カメラ焦点面で焦点が合うように構成されており、
（ｃ）ライトフィールドカメラセンサであって、ライトフィールドカメラセンサは、（ｉ）センサ画素のアレイを含む画像センサと、（ｉｉ）画像センサの前に配置されたマイクロレンズのアレイであって、各マイクロレンズはセンサ画素のサブアレイの上に配置されている、マイクロレンズのアレイと、を含む、ライトフィールドカメラセンサを含み、
（ｄ）ライトフィールドカメラセンサの前に配置された対物レンズであって、スキャンされる物体の画像をライトフィールドカメラセンサ上に形成するように構成された対物レンズを含む、
ライトフィールドカメラと、
（Ｄ）手持ち式ワンドの遠位端部に配置されたミラーであって、
構造化光プロジェクタ及びライトフィールドカメラは、ミラーと向き合うように配置されており、ミラーは、（ａ）構造化光プロジェクタからの光を、スキャンされる物体に向けて直接反射し、（ｂ）スキャンされる物体からの光をライトフィールドカメラ内へ反射するように配置されている、
ミラーと、
を含む装置が提供される。
更に、本発明の幾つかの適用例によれば、
（Ａ）遠位端部にプローブを含む、細長い手持ち式ワンドであって、プローブは近位端部及び遠位端部を有する、細長い手持ち式ワンドと、
（Ｂ）プローブの遠位端部に配置された１つ以上の構造化光プロジェクタであって、各構造化光プロジェクタは、
（ａ）照明場を有し、
（ｂ）光源を含み、
（ｃ）光源からの光の焦点をプロジェクタ焦点面に合わせるように構成されており、
（ｄ）光源とプロジェクタ焦点面との間の光路に配置されたパターン生成器であって、光源が活性化されて、パターン生成器を通して光を送出したときに、プロジェクタ焦点面に構造化光パターンを生成するように構成されたパターン生成器を含む、
上記１つ以上の構造化光プロジェクタと、
（Ｃ）プローブの遠位端部に配置された１つ以上のライトフィールドカメラであって、各ライトフィールドカメラは、
（ａ）視野を有し、
（ｂ）カメラ焦点面で焦点が合うように構成されており、
（ｃ）ライトフィールドカメラセンサであって、ライトフィールドカメラセンサは、（ｉ）センサ画素のアレイを含む画像センサと、（ｉｉ）画像センサの前に配置されたマイクロレンズのアレイであって、各マイクロレンズはセンサ画素のサブアレイの上に配置されている、マイクロレンズのアレイと、を含む、ライトフィールドカメラセンサを含み、
（ｄ）ライトフィールドカメラセンサの前に配置された対物レンズであって、スキャンされる物体の画像をライトフィールドカメラセンサ上に形成するように構成された対物レンズを含み、
構造化光プロジェクタ及びライトフィールドカメラは、（ａ）各構造化光プロジェクタが、ワンドの外の、その照明場内に置かれた物体と直接向き合い、（ｂ）各カメラが、ワンドの外の、その視野内に置かれた物体と直接向き合い、（ｃ）各プロジェクタからの構造化光パターンの少なくとも４０％が、カメラのうちの少なくとも１つのカメラの視野内にあるように配置されている、
上記１つ以上のライトフィールドカメラと、
を含む装置が提供される。
本発明は、この後の、本発明の適用例の詳細な説明を以下の図面と併せて読むことにより、更に十分に理解されるであろう。
本発明の幾つかの適用例による手持ち式ワンドの概略図であり、手持ち式ワンドの遠位端部においてプローブ内に配置された複数の構造化光プロジェクタ及びカメラを有する手持ち式ワンドの概略図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、カメラ及び構造化光プロジェクタのそれぞれの位置決め構成の概略図である。 本発明の幾つかの適用例による、プローブ内の構造化光プロジェクタ及びカメラの位置の、複数の異なる構成を示すチャートである。 本発明の幾つかの適用例による構造化光プロジェクタの概略図である。 本発明の幾つかの適用例による、構造化光プロジェクタが離散的で不連続な光スポットの分布を複数の物体焦点面に投射することの概略図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による構造化光プロジェクタの概略図であり、ビーム整形光学素子と、ビーム整形光学素子とパターン生成光学素子との間に配置された追加光学素子と、を含む構造化光プロジェクタの概略図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、構造化光プロジェクタが離散的で不連続なスポットを投射し、カメラセンサがスポットを検出することの概略図である。 本発明の幾つかの適用例による、デジタル３次元画像を生成する方法の概要を示すフローチャートである。 本発明の幾つかの適用例による、図７の方法の特定ステップを実施する方法の概要を示すフローチャートである。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、図８のステップの簡略化された例を示す概略図である。 本発明の幾つかの適用例による、デジタル３次元画像を生成する方法の更なるステップの概要を示すフローチャートである。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、図１３のステップの簡略化された例を示す概略図である。 本発明の幾つかの適用例による、拡散反射面を含むプローブの概略図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、構造化光プロジェクタの概略図、及びレーザダイオードから送出される光ビームの断面図であり、ビームの光路内に配置されたパターン生成光学素子が示されている図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、構造化光プロジェクタにおいてパターン生成光学素子として使用されるマイクロレンズアレイの概略図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、構造化光プロジェクタにおいてパターン生成光学素子として使用される複合２Ｄ回折周期構造の概略図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、非球面である第１の側と、平面である、第１の側の反対側の第２の側と、を有する単一光学素子と、その光学素子を含む構造化光プロジェクタと、を示す概略図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、アキシコンレンズと、そのアキシコンレンズを含む構造化光プロジェクタと、の概略図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、第１の側に非球面を有し、第１の側の反対側の第２の側に平面を有する光学素子と、その光学素子を含む構造化光プロジェクタと、を示す概略図である。 本発明の幾つかの適用例による、構造化光プロジェクタにおける単一光学素子の概略図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、２つ以上のレーザダイオードを有する構造化光プロジェクタの概略図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による、波長が異なるレーザダイオードを組み合わせる別々の方法の概略図である。 本発明の幾つかの適用例による手持ち式ワンドの概略図であり、手持ち式ワンドの近位端部に配置された構造化光プロジェクタ及びライトフィールドカメラと、手持ち式ワンドの遠位端部においてプローブ内に配置されたミラーと、を有する手持ち式ワンドの概略図である。 本発明の幾つかの適用例による、プローブが患者の口腔内にある様子を示す、図２８Ａの手持ち式ワンドの概略図である。 乃至 本発明の幾つかの適用例による構造化光プロジェクタの概略図である。 本発明の幾つかの適用例によるライトフィールドカメラ及びキャプチャされている３次元物体の概略図である。 本発明の幾つかの適用例による手持ち式ワンドの概略図であり、手持ち式ワンドの遠位端部においてプローブ内に配置された構造化光プロジェクタ及びライトフィールドカメラを有する手持ち式ワンドの概略図である。 本発明の幾つかの適用例による手持ち式ワンドの概略図であり、手持ち式ワンドの遠位端部においてプローブ内に配置された複数の構造化光プロジェクタ及びライトフィールドカメラを有する手持ち式ワンドの概略図である。
ここで図１を参照すると、図１は、本発明の幾つかの適用例による、口腔内スキャン用の細長い手持ち式ワンド２０の概略図である。複数の構造化光プロジェクタ２２及び複数のカメラ２４が、手持ち式ワンドの遠位端部３０にあるプローブ２８の中に配置された剛体構造２６に結合されている。幾つかの適用例では、口腔内スキャンの間にプローブ２８が患者の口腔に入る。
幾つかの適用例としては、構造化光プロジェクタ２２は、プローブ２８内で、各構造化光プロジェクタ２２が、それぞれの照明場内に配置された、手持ち式ワンド２０の外にある物体３２と向き合うように配置されており、これは、構造化光プロジェクタを手持ち式ワンドの近位端部に配置して、ミラーからの反射光を物体に当てることによって物体を照明する場合と対照的である。同様に、幾つかの適用例としては、カメラ２４は、プローブ２８内で、各カメラ２４が、それぞれの視野内に配置された、手持ち式ワンド２０の外にある物体３２と向き合うように配置されており、これは、カメラを手持ち式ワンドの近位端部に配置して、ミラーからの反射光をカメラに入射させることによって物体を見る場合と対照的である。プローブ２８内でプロジェクタ及びカメラをこのように配置することにより、薄型のプローブでありながらスキャナの全体視野を広くとることが可能になる。
幾つかの適用例では、プローブ２８の高さＨ１が１５ｍｍ未満であり、プローブ２８の高さＨ１は、（スキャンされる物体３２からの反射光がプローブ２８に入る際に通る）下面１７６（検知面）から下面１７６の反対側の上面１７８まで測定される。幾つかの適用例では、高さＨ１は１０～１５ｍｍである。
幾つかの適用例では、カメラ２４は、それぞれが、少なくとも４５度（例えば、少なくとも７０度、例えば、少なくとも８０度、例えば、８５度）の広い視野β（ベータ）を有する。幾つかの適用例では、視野は、１２０度未満（例えば、１００度未満、例えば、９０度未満）であってよい。本願発明者等が行った実験では、各カメラの視野β（ベータ）を８０～９０度にすると特に有用であることがわかった。これは、この視野であれば、画素サイズ、視野、並びに、カメラの重なり具合、光学的品質、及びコストのバランスが良好になる為である。カメラ２４は、カメラセンサ５８と、１つ以上のレンズを含む対物光学系６０と、を含んでよい。近焦点を可能にする為に、画像化カメラ２４は、カメラセンサから最も遠いレンズから１～３０ｍｍ（例えば、４～２４ｍｍ、例えば、５～１１ｍｍ、例えば、９～１０ ｍｍ）の間に位置する物体焦点面５０で焦点が合ってよい。本願発明者等が行った実験では、カメラセンサから最も遠いレンズから５～１１ｍｍの間に位置する物体焦点面５０が特に有用であることがわかった。これは、この距離であれば歯のスキャンが容易であった為であり、歯表面の大部分で焦点がうまく合った為である。幾つかの適用例では、カメラ２４は画像のキャプチャを、少なくとも３０フレーム毎秒のフレームレート（例えば、少なくとも７５フレーム毎秒、例えば、少なくとも１００フレーム毎秒のフレームレート）で行うことが可能である。幾つかの適用例では、フレームレートは２００フレーム毎秒未満であってよい。
上述のように全てのカメラのそれぞれの視野を結合することによって達成される広い視野によって、（特に歯が欠けた領域において）画像つなぎ合わせ誤差の量が減って精度が高まることが可能である（歯が欠けた領域では、歯肉表面が滑らかであり、明確な高分解能３Ｄフィーチャが少なくなる場合がある）。視野がより広くなることで、歯の全曲面のような広いなめらかなフィーチャを各画像フレームに表示することが可能になり、これによって、複数のそのような画像フレームから得られたそれぞれの表面のつなぎ合わせの精度が向上する。
同様に、構造化光プロジェクタ２２は、それぞれが、少なくとも４５度（例えば、少なくとも７０度）の広い照明場α（アルファ）を有してよい。幾つかの適用例では、照明場α（アルファ）は、１２０度未満（例えば、１００度未満）であってよい。後で構造化光プロジェクタ２２の更なる特徴について述べる。
幾つかの適用例としては、画像キャプチャを改善する為に、各カメラ２４は複数の離散的なプリセット焦点位置を有し、各焦点位置では、カメラは、それぞれの物体焦点面５０で焦点が合う。各カメラ２４は、所与の画像キャプチャを改善する為に、それらの離散的なプリセット焦点位置から焦点位置を選択する自動焦点アクチュエータを含んでよい。追加又は代替として、各カメラ２４は、各カメラで形成される画像が、カメラセンサから最も遠いレンズから１～３０ｍｍ（例えば、４～２４ｍｍ、例えば、５～１１ｍｍ、例えば、９～１０ｍｍ）の間に位置する全ての物体距離に対して焦点が合ったままになるように、カメラの焦点深度を拡張する光学的開口位相マスクを含む。
幾つかの適用例では、構造化光プロジェクタ２２及びカメラ２４は、ぎっしり詰まった形で、且つ／又は交互に剛体構造２６に結合されており、それによって、（ａ）各カメラの視野の実質的な部分が隣接カメラの視野の一部と重なり、（ｂ）各カメラの視野の実質的な部分が隣接プロジェクタの照明場の一部と重なる。任意選択で、投射光パターンの少なくとも２０％（例えば、少なくとも５０％、例えば、少なくとも７５％）が、カメラセンサから最も遠いレンズから少なくとも４ｍｍのところに位置する物体焦点面５０においてカメラのうちの少なくとも１つのカメラの視野内にある。プロジェクタ及びカメラの様々な可能な構成によっては、スキャン中にスキャナが動き回る際に、投射パターンの一部がどのカメラの視野にも入らない場合があり、投射パターンの一部が物体３２によって見えなくなる場合がある。
剛体構造２６は、プローブ２８内の光学系が構造的に安定するように構造化光プロジェクタ２２及びカメラ２４が結合される非可撓構造であってよい。全てのプロジェクタ及び全てのカメラを共通の剛体構造に結合することは、変化する周囲条件下での（例えば、患者の口腔によって引き起こされうる機械的ストレスの下での）各構造化光プロジェクタ２２及び各カメラ２４の光学系の幾何学的完全性を維持することに役立つ。更に、剛体構造２６は、構造化光プロジェクタ２２及びカメラ２４の相互の構造的完全性及び位置決めを安定的に維持することに役立つ。後で更に述べるが、剛体構造２６の温度を制御することは、プローブ２８が患者の口腔を出入りしたり、スキャン中に患者が呼吸したりする際の広範囲の周囲温度に対して、光学系の幾何学的完全性を維持することを可能にすることに役立ちうる。
次に図２Ａ～Ｂを参照すると、図２Ａ～Ｂは、本発明の幾つかの適用例による、カメラ２４及び構造化光プロジェクタ２２のそれぞれの位置決め構成の概略図である。幾つかの適用例としては、口腔内スキャナの全体的な視野及び照明場を改善する為に、カメラ２４及び構造化光プロジェクタ２２は、それらのどれもが同じ方向を向くことがないように位置決めされる。幾つかの適用例としては、図２Ａに示すように、複数のカメラ２４が、少なくとも２つのカメラ２４のそれぞれの光軸４６の間の角度θ（シータ）が９０度以下（例えば、３５度以下）になるように、剛体構造２６に結合される。同様に、幾つかの適用例としては、図２Ｂに示すように、複数の構造化光プロジェクタ２２が、少なくとも２つの構造化光プロジェクタ２２のそれぞれの光軸４８の間の角度φ（ファイ）が９０度以下（例えば、３５度以下）になるように、剛体構造２６に結合される。
次に図２Ｃを参照すると、図２Ｃは、本発明の幾つかの適用例による、プローブ２４内の構造化光プロジェクタ２２及びカメラ２４の位置の、複数の異なる構成を示すチャートである。構造化光プロジェクタ２２は、図２Ｃでは円で表されており、カメラ２４は、図２Ｃでは矩形で表されている。なお、カメラを表すのに矩形が用いられているのは、各カメラセンサ５８、及び各カメラ２４の視野β（ベータ）のアスペクト比が典型的には１：２である為である。図２Ｃの列（ａ）は、構造化光プロジェクタ２２及びカメラ２４の様々な配置の鳥瞰図を示す。列（ａ）の第１行でラベル表示されているｘ軸は、プローブ２８の中心長手軸に相当する。列（ｂ）は、その様々な配置の中のカメラ２４の、プローブ２８の中心長手軸と同軸の視線から見た側面図を示す。図２Ａに示したものと同様に、図２Ｃの列（ｂ）は、光軸４６同士が互いに９０度以下（例えば、３５度以下）の角度をなすように位置決めされたカメラ２４を示す。列（ｃ）は、その様々な配置の中のカメラ２４の、プローブ２８の中心長手軸に垂直な視線から見た側面図を示す。
典型的には、（図２Ｃの正のｘ方向にある）最遠位のカメラ２４と（図２Ｃの負のｘ方向にある）最近位のカメラ２４が、それらの光軸４６が最隣接カメラ２４に対して（例えば、９０度以下（例えば、３５度以下）の角度で）わずかに内向きになるように位置決めされる。より中央寄りに配置された（即ち、最遠位カメラ２４でもなく最近位カメラ２４でもない）カメラ２４は、プローブの外を直接向くように位置決めされ、それらの光軸４６は、プローブ２８の中心長手軸にほぼ垂直である。なお、行（ｘｉ）では、プロジェクタ２２がプローブ２８の最遠位位置に配置されており、従って、そのプロジェクタ２２の光軸４８が内側を向いており、これによって、その特定のプロジェクタ２２から投射される、より多数のスポット３３が、より多くのカメラ２４から見えるようになっている。
典型的には、プローブ２８内の構造化光プロジェクタ２２の数は、（例えば、図２Ｃの行（ｉｖ）に示したような）２つから（例えば、行（ｘｉｉ）に示したような）６つの範囲であってよい。典型的には、プローブ２８内のカメラ２４の数は、（例えば、行（ｉｖ）及び（ｖ）に示したような）４つから（例えば、行（ｉｘ）に示したような）７つの範囲であってよい。なお、図２Ｃに示した様々な配置は、限定ではなく例示を目的としたものであり、本発明の範囲は、図示されていない更なる配置も包含する。例えば、本発明の範囲は、プローブ２８内に６つ以上のプロジェクタ２２が配置されることと、プローブ２８内に８つ以上のカメラが配置されることと、を包含する。
一適用例では、口腔内スキャン装置（例えば、口腔内スキャナ）が細長い手持ち式ワンドを含み、手持ち式ワンドは、細長い手持ち式ワンドの遠位端部にあるプローブと、プローブ内に配置された少なくとも２つの光プロジェクタと、プローブ内に配置された少なくとも４つのカメラと、を含む。各光プロジェクタは、活性化されると光を発生させるように構成された少なくとも１つの光源と、その光が伝播すると光のパターンを生成するように構成されたパターン生成光学素子と、を含んでよい。この少なくとも４つのカメラのそれぞれがカメラセンサと１つ以上のレンズとを含んでよく、少なくとも４つのカメラのそれぞれは、口腔内表面に投射された光パターンの少なくとも一部分を描写した複数の画像をキャプチャするように構成されている。この少なくとも２つの光プロジェクタ及び少なくとも４つのカメラの大部分が、少なくとも２つの列として配列されてよく、少なくとも２つの列は、それぞれがプローブの長手軸にほぼ平行であり、少なくとも２つの列は少なくとも第１の列及び第２の列を含む。
別の適用例では、この少なくとも４つのカメラのうちの、長手軸に沿った最遠位のカメラと、長手軸に沿った最近位のカメラとが、長手軸に垂直な視線から見て、それらの光軸が互いに対して９０度以下の角度をなすように位置決めされる。第１の列のカメラと第２の列のカメラは、プローブの長手軸と同軸の視線から見て、第１の列のカメラの光軸が第２の列のカメラの光軸に対して９０度以下の角度をなすように位置決めされてよい。少なくとも４つのカメラのうちの、最遠位のカメラ及び最近位のカメラ以外のカメラの光軸は、プローブの長手軸にほぼ平行である。少なくとも２つの列のそれぞれでは、光プロジェクタとカメラが交互に並んでよい。
別の適用例では、少なくとも４つのカメラは少なくとも５つのカメラを含み、少なくとも２つの光プロジェクタは少なくとも５つの光プロジェクタを含み、第１の列の最近位の構成要素が光プロジェクタであり、第２の列の最近位の構成要素がカメラである。
別の適用例では、長手軸に沿った最遠位のカメラと、長手軸に沿った最近位のカメラとが、長手軸に垂直な視線から見て、それらの光軸が互いに対して３５度以下の角度をなすように位置決めされる。第１の列のカメラと第２の列のカメラは、プローブの長手軸と同軸の視線から見て、第１の列のカメラの光軸が第２の列のカメラの光軸に対して３５度以下の角度をなすように位置決めされてよい。
別の適用例では、この少なくとも４つのカメラは、プローブからの距離に応じて、長手軸に沿った２５～４５ｍｍの結合視野と、ｚ軸に沿った２０～４０ｍｍの視野とを有してよい。
次に図３を参照すると、図３は、本発明の幾つかの適用例による構造化光プロジェクタ２２の概略図である。幾つかの適用例では、構造化光プロジェクタ２２は、レーザダイオード３６と、ビーム整形光学素子４０と、（後で図４を参照して更に論じる）離散的で不連続な光スポットの分布３４を生成するパターン生成光学素子３８と、を含む。幾つかの適用例では、構造化光プロジェクタ２２は、レーザダイオード３６がパターン生成光学素子３８を通して光を送出したときに、パターン生成光学素子３８から１～３０ｍｍ（例えば、４～２４ｍｍ）の間に位置する全ての面に、離散的で不連続な光スポットの分布３４を生成するように構成されてよい。幾つかの適用例としては、離散的で不連続な光スポットの分布３４は、１～３０ｍｍ（例えば、４～２４ｍｍ）の間に位置する１つの面で焦点が合うが、１～３０ｍｍ（例えば、４～２４ｍｍ）の間に位置する他の全ての面も離散的で不連続な光スポットを含む。上記ではレーザダイオードを使用するものとして述べたが、当然のことながら、これは限定ではなく例示的な適用例である。別の適用例では別の光源が使用されてよい。更に、離散的で不連続な光スポットのパターンを投射するものとして述べたが、当然のことながら、これは限定ではなく例示的な適用例である。別の適用例では別の光のパターン又はアレイが使用されてよく、例えば、直線、格子、市松模様、その他のアレイが使用されてよく、これらに限定されない。
パターン生成光学素子３８は、光スループット効率（即ち、パターン生成光学素子３８に当たった全ての光のうちの、パターンになって出ていく光の割合）が少なくとも８０％（例えば、少なくとも９０％）であるように構成されてよい。
幾つかの適用例としては、各構造化光プロジェクタ２２のそれぞれのレーザダイオード３６が別々の波長の光を送出する。即ち、少なくとも２つの構造化光プロジェクタ２２のそれぞれのレーザダイオード３６がそれぞれ別々の波長の光を送出する。幾つかの適用例としては、少なくとも３つの構造化光プロジェクタ２２のそれぞれのレーザダイオード３６がそれぞれ別々の波長の光を送出する。例えば、赤色、青色、及び緑色のレーザダイオードが使用されてよい。幾つかの適用例としては、少なくとも２つの構造化光プロジェクタ２２のそれぞれのレーザダイオード３６がそれぞれ別々の波長の光を送出する。例えば、幾つかの適用例では、プローブ２８内に６つの構造化光プロジェクタ２２が配置され、そのうちの３つが青色レーザダイオードを含み、そのうちの３つが緑色レーザダイオードを含む。
次に図４を参照すると、図４は、本発明の幾つかの適用例による、構造化光プロジェクタ２２が離散的で不連続な光スポットの分布を複数の物体焦点面に投射することの概略図である。スキャンされる物体３２は、患者の口腔内にある１つ以上の歯、又は他の口腔内物体／組織であってよい。歯の多少半透明であって光沢のある特性は、投射される構造化光パターンのコントラストに影響を及ぼす可能性がある。例えば、（ａ）歯に当たる光のうちの幾らかが口腔内シーン内の他の領域に散乱して、ある程度の迷光を引き起こす可能性があり、又、（ｂ）幾らかの光が歯に浸透し、その後、他の任意の場所で歯から出てくる可能性がある。そこで、歯を不透明粉末でコーティングするようなコントラスト強化手段を使用せずに、構造化光照明下での口腔内シーンの画像キャプチャを改善する為に、本願発明者等は、離散的で不連続な光スポットのまばらな分布３４が、投射光の量を減らすことと有用な情報量を確保することとのバランスを改善しうることに気付いた。分布３４のまばらさは、
（ａ）照明場α（アルファ）内の直交面４４上の照明される面積（即ち、照明場α（アルファ）内の直交面４４上の全ての投射スポット３３の面積の合計）の、
（ｂ）照明場α（アルファ）内の直交面４４上の照明されない面積
に対する比で特性化されてよい。幾つかの適用例では、まばらさの比は、少なくとも１：１５０且つ／又は１：１６未満（例えば、少なくとも１：６４且つ／又は１：３６未満）であってよい。
幾つかの適用例では、各構造化光プロジェクタ２２は、スキャン中に、少なくとも４００個の離散的で不連続なスポット３３を口腔内３次元表面に投射する。幾つかの適用例では、各構造化光プロジェクタ２２は、スキャン中に、３０００個未満の離散的で不連続なスポット３３を口腔内表面に投射する。投射されたまばらな分布３４から３次元表面を再構築するには、投射された各スポット３３と、カメラ２４で検出されたスポットとの対応関係を特定しなければならない。これについては、後で図７～１９を参照して更に述べる。
幾つかの適用例としては、パターン生成光学素子３８は回折光学素子（ＤＯＥ）３９（図３）であり、これは、レーザダイオード３６がＤＯＥ３９を通して物体３２に向けて光を送出したときに、離散的で不連続な光スポット３３の分布３４を生成する。請求項を含む本出願全体を通して、本明細書では、光のスポットは、任意の形状を有する狭い領域の光として定義されている。幾つかの適用例としては、異なる構造化光プロジェクタ２２のそれぞれのＤＯＥ３９が、それぞれ異なる形状のスポットを生成する。即ち、特定のＤＯＥ３９で生成される全てのスポット３３が同じ形状を有し、少なくとも１つのＤＯＥ３９で生成されるスポット３３の形状が、少なくとも１つの他のＤＯＥ３９で生成されるスポット３３の形状と異なる。例えば、幾つかのＤＯＥ３９が（図４に示したような）円形のスポット３３を生成してよく、幾つかのＤＯＥ３９が正方形のスポット３３を生成してよく、幾つかのＤＯＥ３９が楕円形のスポット３３を生成してよい。任意選択で、幾つかのＤＯＥ３９は、連続又は不連続の直線パターンを生成してよい。
次に図５Ａ～Ｂを参照すると、図５Ａ～Ｂは、本発明の幾つかの適用例による構造化光プロジェクタ２２の概略図であり、ビーム整形光学素子４０と、ビーム整形光学素子４０とパターン生成光学素子３８（例えば、ＤＯＥ３９）との間に配置された追加光学素子と、を含む構造化光プロジェクタ２２の概略図である。任意選択で、ビーム整形光学素子４０はコリメートレンズ１３０である。コリメートレンズ１３０は、焦点距離が２ｍｍ未満であるように構成されてよい。任意選択で、焦点距離は少なくとも１．２ｍｍであってよい。幾つかの適用例としては、追加光学素子４２は、ビーム整形光学素子４０とパターン生成光学素子３８（例えば、ＤＯＥ３９）との間に配置されて、レーザダイオード３６が光学素子４２を通して光を送出したときにベッセルビームを生成する。幾つかの適用例では、ベッセルビームは、全ての離散的で不連続な光スポット３３が、ある範囲の直交面４４（例えば、ＤＯＥ３９から１～３０ｍｍの間（例えば、ＤＯＥ３９から４～２４ｍｍの間など）に位置する各直交面）を通る際に小径（例えば、０．０６ｍｍ未満、例えば、０．０４ｍｍ未満、例えば、０．０２ｍｍ未満）を維持するように、ＤＯＥ３９を通して送出される。スポット３３の径は、本特許出願の文脈では、スポットの強度の半値全幅（ＦＷＨＭ）で定義される。
全てのスポットが０．０６ｍｍより小さいと上記で述べたが、径がこれらの範囲の上限に近く（例えば、０．０６ｍｍ、或いは０．０２ ｍｍよりほんのわずかに小さく）、更にプロジェクタ２２の照明場のエッジ近くにある幾つかのスポットは、それらがＤＯＥ３９に直角な幾何学的平面と交差するときに細長くなることがある。そのような場合には、中心がＤＯＥ３９にあって（ＤＯＥ３９から１～３０ｍｍの間に位置する各直交面の距離に対応する）１～３０ｍｍの半径を有する幾何学的球体の内面と交差するときのそれらの径を測定することが有用である。請求項を含む本出願全体を通して、「幾何学的（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ）」という語は、理論的な幾何学的構造物（平面や球体など）に関するものと見なされ、いかなる物理的装置の要素でもない。
幾つかの適用例としては、ベッセルビームがＤＯＥ３９を通して送出されると、径が０．０６ｍｍ未満のスポットに加えて、径が０．０６ｍｍ超のスポット３３が生成される。
幾つかの適用例としては、光学素子４２はアキシコンレンズ４５であり、例えば、図５Ａに示し、後で図２３Ａ～Ｂを参照して更に述べるアキシコンレンズ４５である。或いは、光学素子４２は環状アパーチャリング４７であってよく、例えば、図５Ｂに示した環状アパーチャリング４７であってよい。スポットの小径を維持することにより、焦点深度にわたって３Ｄ分解能及び精度が向上する。光学素子４２（例えば、アキシコンレンズ４５又は環状アパーチャリング４７）がない場合は、最良の焦点面から遠ざかるにつれて、回折及び焦点外れにより、スポット３３のスポットサイズが変化する（例えば、大きくなる）ことがある。
次に図６Ａ～Ｂを参照すると、図６Ａ～Ｂは、本発明の幾つかの適用例による、構造化光プロジェクタ２２が離散的で不連続なスポット３３を投射し、カメラセンサ５８がスポット３３’を検出することの概略図である。幾つかの適用例としては、口腔内表面に投射されたスポット３３と、各カメラセンサ５８上で検出されたスポット３３’との間の対応関係を特定する方法が提供される。対応関係が特定されたら、表面の３次元画像が再構築される。各カメラセンサ５８は画素のアレイを有し、各画素ごとに、対応するカメラ光線８６が存在する。同様に、各プロジェクタ２２から投射された各スポット３３ごとに、対応するプロジェクタ光線８８が存在する。各プロジェクタ光線８８は、少なくとも１つのカメラセンサ５８上のそれぞれの画素経路９２に対応する。従って、特定のプロジェクタ光線８８によって投射されたスポット３３’がカメラから見える場合、スポット３３’は、その特定のプロジェクタ光線８８に対応する特定の画素経路９２上の画素によって必ず検出される。特に図６Ｂを参照すると、各プロジェクタ光線８８と各カメラセンサ経路９２との間の対応関係が示されている。プロジェクタ光線８８’はカメラセンサ経路９２’に対応し、プロジェクタ光線８８’’はカメラセンサ経路９２’’に対応し、プロジェクタ光線８８’’’はカメラセンサ経路９２’’’に対応する。例えば、特定のプロジェクタ光線８８が、ほこりが充満する空間内にスポットを投射したとすると、空気中のほこりの線が照明されることになる。カメラセンサ５８で検出されたほこりの線は、その特定のプロジェクタ光線８８に対応するカメラセンサ経路９２と同じ経路をカメラセンサ５８上でなぞることになる。
較正過程では、較正値が、各カメラ２４のカメラセンサ５８上の画素に対応するカメラ光線８６と、各構造化光プロジェクタ２２から投射された光スポット３３に対応するプロジェクタ光線８８と、に基づいて記憶される。例えば、較正値は、（ａ）各カメラ２４のカメラセンサ５８上のそれぞれ複数の画素に対応する複数のカメラ光線８６と、（ｂ）各構造化光プロジェクタ２２から投射されたそれぞれ複数の光スポット３３に対応する複数のプロジェクタ光線８８と、に関して記憶されてよい。
例えば、以下の較正プロセスが用いられてよい。高精度ドットターゲット（例えば、白地に黒のドット）を下から照明し、そのターゲットの画像を全てのカメラで撮影する。次に、ドットターゲットをカメラに向かって垂直方向に（即ち、ｚ軸方向に）ターゲット平面まで動かす。全ての各ｚ軸位置にある全てのドットについてドット中心を計算して、ドットの３次元グリッドを空間内に作成する。次に歪とカメラピンホールのモデルを使用して、各ドット中心の３次元位置ごとの画素座標を求め、それによって、画素ごとのカメラ光線を、３次元グリッド内の対応するドット中心に向かう方向の、画素から始まる光線として定義する。グリッド点の間にある画素に対応するカメラ光線は補間されてよい。上述のカメラ較正手順を、各レーザダイオード３６の各波長の全てについて繰り返す。それによって、記憶された較正値には、各カメラセンサ５８上の各画素に対応するカメラ光線８６が各波長ごとに含まれる。
カメラ２４が較正されて、全てのカメラ光線８６値が記憶された後、構造化光プロジェクタ２２が以下のように較正されてよい。特徴のない平坦なターゲットを使用し、構造化光プロジェクタ２２を一度に１つずつオンにする。各スポットを、少なくとも１つのカメラセンサ５８上に配置する。カメラ２４は既に較正されている為、各スポットの３次元スポット位置を、複数の異なるカメラにあるスポットの画像に基づき、三角測量によって計算する。複数の異なるｚ軸位置に配置された特徴のないターゲットについて、上述のプロセスを繰り返す。特徴のないターゲットに投射された各スポットによって、プロジェクタから始まるプロジェクタ光線が空間内に定義される。
次に図７を参照すると、図７は、本発明の幾つかの適用例による、デジタル３次元画像を生成する方法の概要を示すフローチャートである。図７に概要が示されている方法のステップ６２及び６４のそれぞれでは、各構造化光プロジェクタ２２は、離散的で不連続な光スポット３３の分布３４を口腔内３次元表面に投射するように駆動され、各カメラ２４は、少なくとも１つのスポット３３を含む画像をキャプチャするように駆動される。ステップ６６で、（ａ）各カメラ２４のカメラセンサ５８上の各画素に対応するカメラ光線８６と、（ｂ）各構造化光プロジェクタ２２から投射された各光スポット３３に対応するプロジェクタ光線８８と、を示す、記憶された較正値に基づいて、プロセッサ９６（図１）を使用して対応関係アルゴリズムを実行する。これについては、後で図８～１２を参照して更に述べる。対応関係が解決されたら、ステップ６８で、口腔内表面上の３次元位置を計算し、これを使用して口腔内表面のデジタル３次元画像を生成する。更に、複数のカメラ２４で口腔内シーンをキャプチャすることにより、キャプチャの信号対ノイズ比がカメラの数の平方根倍だけ向上する。
次に図８を参照すると、図８は、本発明の幾つかの適用例による、図７のステップ６６の対応関係アルゴリズムの概要を示すフローチャートである。記憶された較正値に基づいて、検出された全てのスポット３３’に対応する全てのプロジェクタ光線８８及び全てのカメラ光線８６をマッピングし（ステップ７０）、少なくとも１つのカメラ光線８６と少なくとも１つのプロジェクタ光線８８との全ての交点９８（図１０）を識別する（ステップ７２）。図９及び１０は、それぞれ、図８のステップ７０及び７２の簡略化された例の概略図である。図９に示すように、３つのプロジェクタ光線８８が、カメラ２４のカメラセンサ５８上の全部で８つの検出されたスポット３３’に対応する８つのカメラ光線８６とともにマッピングされている。図１０に示すように、１６個の交点９８が識別されている。
図７のステップ７４及び７６では、プロセッサ９６が、投射されたスポット３３と検出されたスポット３３’との間の対応関係を特定して、表面に投射された各スポット３３の３次元位置を識別する。図１１は、直前の段落で上述された簡略化された例を用いて、図８のステップ７４及び７６を示す概略図である。所与のプロジェクタ光線ｉに対して、プロセッサ９６は、１つのカメラ２４のカメラセンサ５８上の対応するカメラセンサ経路９０を「見る」。カメラセンサ経路９０上で検出された各スポットｊが有するカメラ光線８６は、所与のプロジェクタ光線ｉと交点９８で交差する。交点９８は空間内に３次元点を定義する。次にプロセッサ９６は、他のカメラ２４のそれぞれのカメラセンサ５８’上の、所与のプロジェクタ光線ｉに対応するカメラセンサ経路９０’を「見て」、他の何台のカメラ２４が、所与のプロジェクタ光線ｉに対応するそれぞれのカメラセンサ経路９０’上で、交点９８で定義された、空間内のその同じ３次元点と交差するカメラ光線８６’を有するそれぞれのスポットｋをやはり検出したかを識別する。このプロセスを、カメラセンサ経路９０上の検出された全てのスポットｊについて繰り返し、最多数のカメラ２４が「同意している」スポットｊを、所与のプロジェクタ光線ｉから表面に投射されたスポット３３（図１２）として識別する。即ち、プロジェクタ光線ｉは、検出されたスポットｊに対して最多数の他のカメラがそれぞれのスポットｋを検出した、その検出されたスポットｊを生成した特定のプロジェクタ光線８８として識別される。従って、そのスポット３３に対応する表面上の３次元位置が計算される。
例えば、図１１に示すように、４つのカメラの全てが、プロジェクタ光線ｉに対応するそれぞれのカメラセンサ経路上で、それぞれのカメラ光線がプロジェクタ光線ｉと交点９８で交差する、それぞれのスポットを検出すると、交点９８は、検出されたスポットｊに対応するカメラ光線８６とプロジェクタ光線ｉとの交点として定義される。従って、プロジェクタ光線ｉによって投射されたスポット３３が交点９８に存在することに４つのカメラ全てが「同意している」とされる。これに対し、次のスポットｊ’についてこのプロセスを繰り返して、他のどのカメラも、プロジェクタ光線ｉに対応するそれぞれのカメラセンサ経路上で、それぞれのカメラ光線がプロジェクタ光線ｉと交点９８’で交差する、それぞれのスポットを検出しなかった場合、交点９８’は、（検出されたスポットｊ’に対応する）カメラ光線８６’’とプロジェクタ光線ｉとの交点として定義される。従って、プロジェクタ光線ｉによって投射されたスポット３３が交点９８に存在することに４つのカメラが「同意している」のに対し、プロジェクタ光線ｉによって投射されたスポット３３が交点９８’に存在することに１つのカメラだけが「同意している」とされる。従って、プロジェクタ光線ｉは、交点９８でスポット３３を表面に投射することによって（図１２）、検出されたスポットｊを生成した特定のプロジェクタ光線８８として識別される。図８のステップ７８のように、又、図１２に示したように、交点９８において、口腔内表面上の３次元位置３５が計算される。
次に図１３を参照すると、図１３は、本発明の幾つかの適用例による、対応関係アルゴリズムの更なるステップの概要を示すフローチャートである。表面上の位置３５が特定されたら、スポットｊを投射したプロジェクタ光線ｉ、並びにスポットｊ及びそれぞれのスポットｋに対応する全てのカメラ光線８６及び８６’を検討から除外し（ステップ８０）、次のプロジェクタ光線ｉについて対応関係アルゴリズムを再度実行する（ステップ８２）。図１４は、位置３５にスポット３３を投射した特定のプロセッサ光線ｉを除去した後の、上述の簡略化された例を示す。その後、図１３のフローチャートのステップ８２に従って、次のプロジェクタ光線ｉについて対応関係アルゴリズムを再度実行する。図１４に示すように、残りのデータは、スポット３３が交点９８に存在することに３つのカメラが「同意している」ことを示しており、交点９８は、検出されたスポットｊに対応するカメラ光線８６とプロジェクタ光線ｉとの交点として定義される。従って、図１５に示すように、交点９８において、３次元位置３７が計算される。
図１６に示すように、表面上の３次元位置３７が特定されたら、今度は、スポットｊを投射したプロジェクタ光線ｉ、並びにスポットｊ及びそれぞれのスポットｋと対応する全てのカメラ光線８６及び８６’を検討から除外する。残りのデータは、プロジェクタ光線ｉによって投射されたスポット３３が交点９８にあることを示しており、交点９８において、表面上の３次元位置４１が計算される。図１７に示すように、簡略化された例によれば、構造化光プロジェクタ２２の３つのプロジェクタ光線８８の３つの投射スポット３３が、今や３次元位置３５、３７、及び４１において表面上に位置している。幾つかの適用例では、各構造化光プロジェクタ２２は、４００～３０００個のスポット３３を投射する。全てのプロジェクタ光線８８についての対応関係が解決されたら、再構築アルゴリズムを使用し、投射スポット３３の計算された３次元位置を使用して、表面のデジタル画像を再構築することが可能である。
図１を再度参照する。幾つかの適用例としては、少なくとも１つの均一光プロジェクタ１１８が剛体構造２６に結合されている。均一光プロジェクタ１１８は、スキャンされる物体３２に白色光を送出する。少なくとも１つのカメラ（例えば、カメラ２４の１つ）が、均一光プロジェクタ１１８からの照明を使用して、物体３２の２次元色付き画像をキャプチャする。口腔内３次元表面のデジタル３次元画像を生成する為に、プロセッサ９６は、表面再構築アルゴリズムを実行して、構造化光プロジェクタ２２からの照明を使用してキャプチャされた少なくとも１つの画像を、均一光プロジェクタ１１８からの照明を使用してキャプチャされた複数の画像と組み合わせてよい。構造化光と均一照明とを組み合わせて使用することは、口腔内スキャナの全体的なキャプチャを強化し、対応関係アルゴリズムの実行時にプロセッサ９６が検討しなければならないオプションの数を減らすことに役立ちうる。
幾つかの適用例としては、各構造化光プロジェクタ２２は、それぞれの離散的で不連続な光スポット３３の分布３４を口腔内３次元表面に投射するように同時に駆動される。或いは、各構造化光プロジェクタ２２は、それぞれの離散的で不連続な光スポット３３の分布３４を口腔内３次元表面に、それぞれ異なる時点で（例えば、事前決定された順序で、或いはスキャン中に動的に決定される順序で）投射するように駆動されてよい。或いは、幾つかの適用例としては、単一の構造化光プロジェクタ２２が分布３４を投射するように駆動されてよい。
どの構造化光プロジェクタ２２を活性化するかをスキャン中に動的に決定することにより、幾つかの構造化光プロジェクタの信号品質を、口腔内の幾つかの領域において他の領域より高くすることができる為、スキャンの全体的な信号品質を高めることが可能である。例えば、患者の口蓋（上顎領域）をスキャンする場合には、青色プロジェクタより赤色プロジェクタのほうが信号品質が高い傾向がある。更に、スキャン中に口腔内の見えにくい領域に遭遇する場合がある（例えば、大きな歯の間の、歯が抜けていたり、狭い亀裂があったりする領域）。このような場合は、どの構造化光プロジェクタ２２を活性化するかをスキャン中に動的に決定することにより、注目領域に対してよりよい視線を有する可能性がある特定のプロジェクタを活性化することが可能になる。
幾つかの適用例としては、異なる複数の構造化光プロジェクタ２２が、異なる物体焦点面で焦点が合うように構成されてよい。どの構造化光プロジェクタ２２を活性化するかをスキャン中に動的に決定することにより、現在スキャンされている領域からの距離に応じて、特定の構造化光プロジェクタ２２をそれぞれの物体焦点面に従って活性化することが可能になる。
幾つかの適用例としては、特定の時点に取得された全てのデータ点が剛体点群として使用され、複数のそのような点群は、毎秒１０キャプチャを超えるフレームレートでキャプチャされる。その後、これらの複数の点群を、位置合わせアルゴリズム（例えば、反復最近接点（ＩＣＰ））を使用してつなぎ合わせることにより、密な点群が生成される。その後、表面再構築アルゴリズムを使用することにより、物体３２の表面の表現が生成される。
幾つかの適用例としては、少なくとも１つの温度センサ５２が剛体構造２６に結合されて、剛体構造２６の温度を測定する。手持ち式ワンド２０内に配置された温度制御回路５４が、（ａ）剛体構造２６の温度を示すデータを温度センサ５２から受け取り、（ｂ）受け取ったデータに対する応答として温度制御装置５６を活性化する。温度制御装置５６（例えば、ＰＩＤコントローラ）が、プローブ２８を所望の温度（例えば、３５～４３℃の間、３７～４１℃の間など）に保つ。プローブ２８を３５℃より高く（例えば、３７℃より高く）保つことにより、プローブ２８が口腔内（典型的には３７℃前後、又は３７℃超）に入ったときの手持ち式ワンド２０のガラス表面の曇りが抑えられる（構造化光プロジェクタ２２の投射、及びカメラ２４の撮像はこのガラス表面を通して行われる）。プローブ２８を４３℃より低く（例えば、４１℃より低く）保つことにより、不快感や痛みが抑えられる。
更に、カメラ光線及びプロジェクタ光線の記憶された較正値をスキャン中に有用にする為に、カメラ２４及び構造化光プロジェクタ２２の温度が変化しないようにして、光学系の幾何学的完全性を維持することが可能である。温度が変化すると、熱膨張によってプローブ２８の長さが変化する可能性があり、それによって、カメラ及びプロジェクタのそれぞれの位置がずれる可能性がある。そのような熱膨張の間にプローブ２８内で様々なタイプの応力が増大する可能性がある為、更にねじれが発生して、カメラ光線及びプロジェクタ光線のそれぞれの角度もずれる可能性がある。カメラ及びプロジェクタの内部では、温度変化による幾何学的変化が発生する可能性もある。例えば、ＤＯＥ３９が膨張して投射パターンが変わったり、温度変化がカメラレンズの屈折率に影響したり、温度変化によって、レーザダイオード３６から送出される波長が変化したりする可能性がある。そこで、温度制御装置５６は、プローブ２８の温度を上述の範囲に保つことに加えて、更に、手持ち式ワンド２０の使用時にプローブ２８の温度変化を１度以内に抑えて、プローブ２８内に配置された光学系の幾何学的完全性を維持することが可能である。例えば、温度制御装置５６は、プローブ２８の温度を３９℃に保っていれば、使用中にプローブ２８の温度が３８℃を下回ったり４０℃を上回ったりしないようにすることが更に確実になる。
幾つかの適用例としては、プローブ２８は、加熱と冷却を組み合わせて用いることによって、その制御された温度に維持される。例えば、温度制御装置５６は、加熱器（例えば、複数の加熱器）及び冷却器（例えば、熱電冷却器）を含んでよい。プローブ２８の温度が３８℃を下回ったら、プローブ２８の温度を上げる為に加熱器が使用されてよく、プローブ２８の温度が４０℃を上回ったら、プローブ２８の温度を下げる為に熱電冷却器が使用されてよい。
或いは、幾つかの適用例としては、プローブ２８は、冷却を用いず、加熱のみを用いることによって、その制御された温度に維持される。レーザダイオード３６、並びに回折性及び／又は屈折性のパターン生成光学素子を使用することは、エネルギ効率の良い構造化光プロジェクタを維持して、使用中のプローブ２８が温まるのを抑えることに役立つ。即ち、レーザダイオード３６が高輝度の光を送出する間に使用する電力は０．２ワット未満であることが可能であり、回折性及び／又は屈折性のパターン生成光学素子は、（例えば、一部の光線を物体に当たらないように止めるマスクとは対照的に）送出された光を全て利用する。しかしながら、（例えば、患者の口腔内で遭遇するような）外部環境温度によってプローブ２８が温まる可能性がある。これを克服する為に、手持ち式ワンド２０内に配置された熱伝導素子９４（例えば、ヒートパイプ）を介して熱をプローブ２８の外に引き出すことが可能であり、熱伝導素子９４は、遠位端部９５が剛体構造２６と接触しており、近位端部９９が手持ち式ワンド２０の近位端部１００と接触している。これによって、熱は、剛体構造２６から手持ち式ワンド２０の近位端部１００に伝達される。代替又は追加として、熱をプローブ２８の外に引き出す為に、手持ち式ワンド２０の取っ手領域１７４内に配置されたファンが使用されてよい。
幾つかの適用例としては、プローブ２８の温度が温度変化の閾値を超えて変化するのを防ぐことによって光学系の幾何学的完全性を維持することに対する代替又は追加として、プロセッサ９６は、それぞれが別々の温度に対応する較正データの複数のセットの中から較正データのセットを選択してよい。例えば、変化の閾値は１℃であってよい。プロセッサ９６は、温度センサ５２から受け取った、構造化光プロジェクタ２２及びカメラ２４の温度を示すデータに基づいて、複数の、構造化光プロジェクタ２２及びカメラ２４のそれぞれの温度に対応する、記憶された較正データの複数のセットの中から較正データのセットを選択してよく、記憶された較正データの各セットは、それぞれの温度の場合の、（ａ）１つ以上のプロジェクタのそれぞれから投射された光スポットのそれぞれに対応するプロジェクタ光線、並びに（ｂ）１つ以上のカメラのそれぞれのカメラセンサ上の各画素に対応するカメラ光線を示す。プロセッサ９６が特定の複数の温度についての記憶された較正データにのみアクセスできる場合、プロセッサ９６は、較正データの各セットに対応するそれぞれの温度の間にある温度についての較正データを得る為に、温度センサ５２から受け取ったデータに基づいて、記憶された較正データの複数のセットの間を補間してよい。
次に図１８を参照すると、図１８は、本発明の幾つかの適用例による、プローブ２８の概略図である。幾つかの適用例としては、プローブ２８は更に、拡散反射面１７０等のターゲットを含み、拡散反射面１７０は、プローブ２８内に配置された（又は図１８に示すように、プローブ２８に近接する）複数の領域１７２を有する。幾つかの適用例では、（ａ）各構造化光プロジェクタ２２は、その照明場内に拡散反射面１７０の少なくとも１つの領域１７２を有してよく、（ｂ）各カメラ２４は、その視野内に拡散反射面１７０の少なくとも１つの領域１７２を有し、（ｃ）拡散反射面１７０の複数の領域１７２が、カメラ２４の視野内、及び構造化光プロジェクタ２２の照明場内にある。プローブ２８の温度が温度変化の閾値を超えて変化するのを防ぐことによって光学系の幾何学的完全性を維持することに対する代替又は追加として、プロセッサ９６は、（ａ）離散的で不連続な光スポット３３の分布３４に対する拡散反射面の位置を示すデータをカメラ２４から受け取ってよく、（ｂ）受け取ったデータを、拡散反射面１７０の記憶された較正位置と比較してよく（但し、（ｉ）拡散反射面１７０の位置を示す、受け取ったデータと、（ｉｉ）拡散反射面１７０の記憶された較正位置と、の間の食い違いは、プロジェクタ光線８８及びカメラ光線８６の、それぞれの記憶された較正値からのずれを示す）、（ｃ）プロジェクタ光線８８及びカメラ光線８６のずれに基づいて、対応関係アルゴリズムを実行してよい。
代替又は追加として、（ｉ）拡散反射面１７０の位置を示す、受け取ったデータと、（ｉｉ）拡散反射面１７０の記憶された較正位置と、の間の食い違いは、プローブ２８の温度変化を示してよい。この場合、プローブ２８の温度は、受け取ったデータと、拡散反射面１７０の記憶された較正位置との比較に基づいて調整されてよい。
以下では、構造化光プロジェクタ２２の複数の適用例について述べる。
次に図１９Ａ～Ｂを参照すると、図１９Ａ～Ｂは、本発明の幾つかの適用例による、構造化光プロジェクタ２２の概略図、及びレーザダイオード３６から送出される光ビーム１２０の断面図であり、ビームの光路内に配置されたパターン生成光学素子３８が示されている。幾つかの適用例では、各レーザダイオード３６は楕円ビーム１２０を送出し、その楕円断面は、（ａ）長軸が少なくとも５００ミクロン、且つ／又は７００ミクロン未満であり、（ｂ）短軸が少なくとも１００ミクロン、且つ／又は２００ミクロン未満である。幾つかの適用例としては、しっかり焦点が合ったスポットアレイを生成する為に小面積ビームスプリッタが使用されてよく、例えば、関心焦点範囲全体にわたってしっかり焦点が合った投射スポット３３を維持する為に、辺長が１００ミクロン未満であるＤＯＥが使用されてよい。しかしながら、そのような小さいＤＯＥは、楕円レーザビーム１２０により送出される光のうちのわずかしか利用しないことになる。
そこで、幾つかの適用例としては、パターン生成光学素子３８は、アレイ状に配列された複数のサブＤＯＥパッチ１２４にセグメント化されたセグメント化ＤＯＥ１２２である。サブＤＯＥパッチ１２４のアレイは、（ａ）楕円光ビーム１２０の中に収容されるように、且つ、（ｂ）楕円レーザビーム１２０によって送出される光のうちの高い割合（例えば、少なくとも５０％）を利用するように配置される。幾つかの適用例としては、アレイは、少なくとも１６個の、且つ／又は７２個未満のサブＤＯＥパッチ１２４を含む矩形アレイであり、その最長寸法が少なくとも５００ミクロン、且つ／又は８００ミクロン未満である。各サブＤＯＥパッチ１２４は、ＤＯＥの光軸に垂直な断面が、少なくとも３０ミクロン、且つ／又は７５ミクロン未満の辺長を有する正方形であってよい。
各サブＤＯＥパッチ１２４は、照明場のうちのそれぞれ異なる範囲１２８に離散的で不連続な光スポット３３の分布１２６をそれぞれ生成する。構造化光プロジェクタ２２のこの適用例の場合、（図４を参照して上述した）離散的で不連続な光スポット３３の分布３４は、それぞれのサブＤＯＥパッチ１２４によって生成されたそれぞれの分布１２６の組み合わせである。図１９Ｂは直交面４４を示しており、その上には離散的で不連続な光スポット３３のそれぞれの分布１２６が示されており、各分布１２６は、照明場のうちのそれぞれ異なる範囲１２８である。各サブＤＯＥパッチ１２４は照明場のうちのそれぞれ異なる範囲１２８を担当する為、各サブＤＯＥパッチ１２４は、投射スポット３３同士が重ならないようにする為に、それぞれの分布１２６をそれぞれ異なる方向に向け、ビームを交差させないように、それぞれ異なる設計になっている。
次に図２０Ａ～Ｅを参照すると、図２０Ａ～Ｅは、本発明の幾つかの適用例による、パターン生成光学素子３８としてのマイクロレンズアレイ１３２の概略図である。マイクロレンズアレイは、周期的であり、アレイ内の各レンズの外形変化が波長規模であることから、スポット生成器として使用されてよい。マイクロレンズアレイ１３２のピッチは、スポット間の所望の角度ピッチに合わせて調整されてよい。マイクロレンズアレイ１３２の開口数（ＮＡ）は、上述のように、所望の照明角度場が得られるように調整される。幾つかの適用例では、マイクロレンズアレイ１３２のＮＡは、少なくとも０．２、且つ／又は０．７未満である。マイクロレンズアレイ１３２は、例えば、図２０Ｃに示すような六角形のマイクロレンズアレイであってよく、或いは、図２０Ｅに示すような矩形のマイクロレンズアレイであってよい。
パターン生成光学素子３８としてマイクロレンズアレイ１３２を有する構造化光プロジェクタ２２は、レーザダイオード３６、コリメートレンズ１３０、アパーチャ、及びマイクロレンズアレイ１３２を含んでよい。アパーチャは、マイクロレンズアレイ１３２から近焦点距離（例えば、少なくとも１ｍｍ、且つ／又は３０ｍｍ未満（例えば、少なくとも４ｍｍ、且つ／又は２４ｍｍ未満））のところでしっかり焦点が合ったスポットを維持する為に、より小さい入力ビーム径を規定する。図２０Ｂは、コリメートレーザビームがマイクロレンズアレイ１３２を照明し、そのマイクロレンズアレイが発散光ビーム１３４を生成し、これらの発散ビーム同士の干渉によってスポット３３のアレイ（例えば、分布３４（図２０Ｄ））が生成される様子を示している。幾つかの適用例としては、アパーチャは、コリメートレンズ１３０のレーザダイオード側に貼り付けられたクロム皮膜である。或いは、幾つかの適用例としては、アパーチャは、マイクロレンズアレイ１３２のコリメートレンズ側に配置されたクロム皮膜である。幾つかの適用例では、アパーチャは、マイクロレンズアレイ１３２のピッチの少なくとも１０倍の距離に広がってよく、少なくとも５０ミクロン、且つ／又は２００ミクロン未満の径を有する。
次に図２１Ａ～Ｃを参照すると、図２１Ａ～Ｃは、本発明の幾つかの適用例による、パターン生成光学素子３８としての複合２Ｄ回折周期構造１３６（例えば、Ｄａｍｍａｎｎ格子等の回折格子）の概略図である。複合回折周期構造１３６は、周期構造フィーチャサイズ１３７が少なくとも１００ｎｍ、且つ／又は４００ｎｍ未満であってよい。３００ｎｍ前後の小さなサブフィーチャによって、上述のような広い照明場が得られる。複合回折周期構造１３６の周期は、所望の角度ピッチの投射光ビームが得られるように調整されてよい。
パターン生成光学素子３８として複合回折周期構造１３６を有する構造化光プロジェクタ２２は、レーザダイオード３６、コリメートレンズ１３０、アパーチャ、及び複合回折周期構造１３６を含んでよい。アパーチャは、複合回折周期構造１３６から近焦点距離（例えば、少なくとも１ｍｍ、且つ／又は３０ｍｍ未満（例えば、少なくとも４ｍｍ、且つ／又は２４ｍｍ未満））のところでしっかり焦点が合ったスポットを維持する為に、より小さい入力ビーム径を規定する。幾つかの適用例としては、アパーチャは、複合回折周期構造１３６の周期構造フィーチャの上にあるクロム皮膜である。幾つかの適用例では、アパーチャは、複合回折周期構造１３６の少なくとも１０周期分の距離に広がってよく、少なくとも５０ミクロン、且つ／又は２００ミクロン未満の径を有する。
幾つかの適用例としては、（図３に示したような）ビーム整形光学素子４０は、レーザダイオード３６とパターン生成光学素子３８との間に配置されたコリメートレンズ１３０である。図１９Ａ～Ｂ、２０Ａ～Ｅ、及び２１Ａ～Ｃを参照して上述した適用例に関しては、コリメートレンズ１３０は、レーザダイオード３６とセグメント化ＤＯＥ１２２との間（図１９Ａ）、レーザダイオード３６とマイクロレンズアレイ１３２との間（図２０Ａ）、及びレーザダイオード３６と複合回折周期構造１３６との間（図２１Ａ）に配置されてよい。
次に図２２Ａ～Ｂを参照すると、図２２Ａ～Ｂは、本発明の幾つかの適用例による、非球面である第１の側と、平面である、第１の側の反対側の第２の側と、を有する単一光学素子１３８と、光学素子１３８を含む構造化光プロジェクタ２２と、を示す概略図である。幾つかの適用例としては、コリメートレンズ１３０及びパターン生成光学素子３８は単一光学素子１３８として製造されてよく、光学素子１３８の、非球面である第１の側１４０は、レーザダイオード３６から送出された光をコリメートし、光学素子１３８の、平面である第２の側１４２は、離散的で不連続な光スポット３３の分布３４を生成する。単一光学素子１３８の平面側１４２は、ＤＯＥ３９、セグメント化ＤＯＥ１２２、マイクロレンズアレイ１３２、又は複合回折周期構造１３６を定義するように整形されてよい。
次に図２３Ａ～Ｂを参照すると、図２３Ａ～Ｂは、本発明の幾つかの適用例による、アキシコンレンズ１４４と、アキシコンレンズ１４４を含む構造化光プロジェクタ２２と、の概略図である。アキシコンレンズは、ベッセルビームを生成することが知られており、ベッセルビームは、入力ビーム径及びアキシコンヘッド角度に応じて、所望の深度範囲全体で焦点が合う光ビームである。幾つかの適用例としては、アキシコンレンズ１４４は、ヘッド角度γ（ガンマ）が少なくとも０．２度、且つ／又は２度未満であって、コリメートレンズ１３０とパターン生成光学素子３８との間に配置される。アキシコンレンズ１４４は、レーザダイオード３６がアキシコンレンズ１４４を通して光を送出したときに、焦点が合ったベッセルビーム１４６を生成する。焦点が合ったベッセルビーム１４６は、パターン生成光学素子３８によって多数のビーム１４８に分割され、各ビーム１４８は、アキシコンレンズ１４４によって生成された、ベッセルビーム１４６の正確なコピーである。パターン生成光学素子３８は、ＤＯＥ３９、マイクロレンズアレイ１３２、又は複合回折周期構造１３６であってよい。
次に図２４Ａ～Ｂを参照すると、図２４Ａ～Ｂは、本発明の幾つかの適用例による、第１の側に非球面１５２を有し、第１の側の反対側の第２の側に平面を有する光学素子１５０と、光学素子１５０を含む構造化光プロジェクタ２２と、を示す概略図である。幾つかの適用例としては、コリメートレンズ１３０及びアキシコンレンズ１４４は単一光学素子１５０として製造されてよい。単一光学素子１５０の非球面１５２は、レーザダイオード３６が光学素子１５０を通して光を送出したときに、発散光ビームから直接ベッセルビームを生成する。そして光がパターン生成光学素子３８を通って進むと、離散的で不連続な光スポット３３の分布３４が生成され、これは、パターン生成光学素子３８から１～３０ｍｍの間（例えば、４～２４ｍｍの間）に位置する任意の直交面において、離散的で不連続な光スポット３３がほぼ均一サイズであるように生成される。パターン生成光学素子３８は、ＤＯＥ３９、マイクロレンズアレイ１３２、又は複合回折周期構造１３６であってよい。請求項を含む本出願全体を通して、本明細書では、スポットが「ほぼ均一サイズ」であることは、スポットのサイズのばらつきが４０％を超えないことを意味する。
次に図２５を参照すると、図２５は、本発明の幾つかの適用例による、構造化光プロジェクタ２２内の単一光学素子１５４の概略図である。幾つかの適用例としては、単一光学素子１５４は、コリメートレンズ、アキシコンレンズ、及びパターン生成光学素子の機能を実施してよい。単一光学素子１５４は、第１の側に非球面１５６を含み、第１の側の反対側の第２の側に平面１５８を含む。非球面１５６は、レーザダイオード３６が単一光学素子１５４を通して発散光ビームを送出したときに、発散光ビームから直接ベッセルビームを生成する。平面１５８は、パターン生成光学素子３８を定義するように整形されており、従って、ベッセルビームを離散的なベッセルビーム１６０のアレイに分割して、離散的で不連続な光スポット３３の分布３４を生成し、離散的で不連続な光スポット３３は、パターン単一光学素子１５４から１～３０ｍｍの間（例えば、４～２４ｍｍの間）に位置する任意の直交面において、ほぼ均一サイズである。平面１５８は、ＤＯＥ３９、マイクロレンズアレイ１３２、又は複合回折周期構造１３６を定義するように整形されてよい。
次に図２６Ａ～Ｂを参照すると、図２６Ａ～Ｂは、本発明の幾つかの適用例による、２つ以上の光源（例えば、レーザダイオード３６）を有する構造化光プロジェクタ２２の概略図である。レーザダイオードを使用すると、レーザスペックルが空間ノイズを引き起こす可能性がある。このスペックル効果は、周波数が同じであるが位相及び振幅が異なる多数の波の干渉の結果である。全てが足し合わされると、結果としての波は、振幅がビーム外形全体にわたってランダムに変化する波である。幾つかの適用例としては、このスペックル効果は、同じ波長の複数のレーザダイオード３６を組み合わせることによって低減可能である。同じ波長を有する別々のレーザ同士は互いに対してコヒーレントではない為、それらを組み合わせて同じ空間スペース、即ち同じ回折ビームスプリッタ１６２に入れることにより、スペックルが少なくとも異なるレーザダイオード３６の数の平方根分の１に低減される。
ビームスプリッタ１６２は、両ビームの効率を５０％未満まで下げる標準的な５０／５０スプリッタ、又は効率を９０％超に保つ偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であってよい。幾つかの適用例としては、各レーザダイオード３６は、図２６Ａに示すように、それぞれ自前のコリメートレンズ１３０を有してよい。或いは、複数のレーザダイオード３６はコリメートレンズ１３０を共用してよく、コリメートレンズは、図２６Ｂに示すように、ビームスプリッタ１６２とパターン生成光学素子３８との間に配置される。パターン生成光学素子３８は、ＤＯＥ３９、セグメント化ＤＯＥ１２２、マイクロレンズアレイ１３２、又は複合回折周期構造１３６であってよい。
上述のように、まばらな分布３４によって、投射光の量を減らすことと有用な情報量を確保することとのバランスが改善されて、キャプチャが改善される。幾つかの適用例としては、キャプチャを減らすことなくパターンの密度を高める為に、波長が異なる複数のレーザダイオード３６が組み合わされてよい。例えば、各構造化光プロジェクタ２２は、波長がそれぞれ異なる光を送出する少なくとも２つの（例えば、少なくとも３つの）レーザダイオード３６を含んでよい。場合によっては投射スポット３３同士がほぼ重なり合っていることがあるが、色が異なるスポット同士であれば、カメラセンサの色識別能力を用いて空間内で分解することが可能である。任意選択で、赤色、青色、及び緑色のレーザダイオードが使用されてよい。上述の構造化光プロジェクタ構成は全て、各構造化光プロジェクタ２２において複数のレーザダイオード３６を使用して実施されてよい。
次に図２７Ａ～Ｂを参照すると、図２７Ａ～Ｂは、本発明の幾つかの適用例による、波長が異なるレーザダイオードを組み合わせる別々の方法の概略図である。波長が異なる２つ以上のレーザを組み合わせて同じ回折素子に入れることは、ファイバカプラ１６４（図２７Ａ）又はレーザコンバイナ１６６（図２７Ｂ）により可能である。レーザコンバイナ１６６の場合、コンバイナ素子は２方向又は３方向のダイクロイックコンバイナであってよい。各構造化光プロジェクタ２２内では、全てのレーザダイオード３６が共通のパターン生成光学素子３８を通して同時に、又は別々のタイミングで光を送出する。それぞれのレーザビームは、パターン生成光学素子３８内のわずかに異なる場所に当たって異なるパターンを生成することが可能である。これらのパターンは、色が異なる為、パルスのタイミングが異なる為、又は角度が異なる為に互いに干渉しない。ファイバカプラ１６４又はレーザコンバイナ１６６を使用することにより、レーザダイオード３６をリモートエンクロージャ１６８内に配置することが可能である。リモートエンクロージャ１６８は手持ち式ワンド２０の近位端部に配置されてよく、それによって、プローブ２８を小さくすることが可能である。
幾つかの適用例としては、構造化光プロジェクタ２２及びカメラ２４は、プローブ２８の近位端部１００に配置されてよい。
以下の説明は主に、ライトフィールドカメラを含む、本発明の適用例に関する。
次に図２８Ａを参照すると、図２８Ａは、本発明の幾つかの適用例による口腔内スキャナ１０２０の概略図である。口腔内スキャナ１０２０は細長い手持ち式ワンド１０２２を含み、手持ち式ワンド１０２２は遠位端部１０２６にプローブ１０２８を有する。プローブ１０２８は、遠位端部１０２７及び近位端部１０２４を有する。請求項を含む本出願全体を通して、手持ち式ワンドの近位端部は、ユーザが手持ち式ワンドを使用準備完了の体勢で保持しているときにユーザの手に最も近い手持ち式ワンドの端部として定義されており、手持ち式ワンドの遠位端部は、ユーザが手持ち式ワンドを使用準備完了の体勢で保持しているときにユーザの手から最も遠い手持ち式ワンドの端部として定義されている。
幾つかの適用例としては、単一の構造化光プロジェクタ１０３０がプローブ１０２８の近位端部１０２４に配置されており、単一のライトフィールドカメラ１０３２がプローブ１０２８の近位端部１０２４に配置されており、ミラー１０３４がプローブ１０２８の遠位端部１０２７に配置されている。構造化光プロジェクタ１０３０及びライトフィールドカメラ１０３２はミラー１０３４と向き合うように配置されており、ミラー１０３４は、構造化光プロジェクタ１０３０からの光を、スキャンされる物体１０３６に向けて直接反射し、スキャンされる物体１０３６からの光をライトフィールドカメラ１０３２内へ反射するように配置されている。
構造化光プロジェクタ１０３０は光源１０４０を含む。幾つかの適用例では、構造化光プロジェクタ１０３０は、少なくとも６度、且つ／又は３０度未満の照明場ψ（プサイ）を有してよい。幾つかの適用例では、構造化光プロジェクタ１０３０は、光源１０４０からの光の焦点を、光源１０４０から少なくとも３０ｍｍ、且つ／又は１４０ｍｍ未満のところに位置してよい（図２９Ａ～Ｂに示すような）プロジェクタ焦点面１０３８に合わせる。構造化光プロジェクタ１０３０は、光源１０４０とプロジェクタ焦点面１０３８との間の光路に配置されたパターン生成器１０４２を有してよい。パターン生成器１０４２は、光源１０４０が活性化されて、パターン生成器１０４２を通して光を送出したときに、プロジェクタ焦点面１０３８に構造化光パターンを生成する。
ライトフィールドカメラ１０３２は、少なくとも６度、且つ／又は３０度未満の視野ω（オメガ）を有してよい。ライトフィールドカメラ１０３２は、ライトフィールドカメラ１０３２から少なくとも３０ｍｍ、且つ／又は１４０ｍｍ未満のところに位置してよい（図３０に示すような）カメラ焦点面１０３９に焦点を合わせてよい。ライトフィールドカメラ１０３２はライトフィールドカメラセンサ１０４６を有し、ライトフィールドカメラセンサ１０４６は、画素のアレイを含む画像センサ１０４８（例えば、ＣＭＯＳ画像センサ）と、画像センサ１０４８の前に配置されたマイクロレンズ１０５０のアレイと、を含み、各マイクロレンズ１０５０は、センサ画素のサブアレイ１０５２の上に配置されている。ライトフィールドカメラ１０３２は更に、ライトフィールドカメラセンサ１０４８の前に配置された対物レンズ１０５４を有し、対物レンズ１０５４は、スキャンされる物体１０３６の画像をライトフィールドカメラセンサ１０４６上に形成する。
口腔内スキャナ１０２０は制御回路１０５６を含んでよく、制御回路１０５６は、（ａ）構造化光プロジェクタ１０３０を、手持ち式ワンド１０２２の外にある物体１０３６に構造化光パターンを投射するように駆動し、（ｂ）ライトフィールドカメラ１０３２を、物体１０３６から反射された構造化光パターンから得られるライトフィールドをキャプチャするように駆動する。この構造化ライトフィールドは、物体１０３６から反射された構造化光パターンの強度、及び光線の方向の情報を含む。ライトフィールドは又、位相コード化深度の情報を含み、これにより、シーン深度を様々な方向から推定することが可能である。コンピュータプロセッサ１０５８が、キャプチャされたライトフィールドからの情報を使用して、物体１０３６の表面の３次元画像を再構築してよく、その画像を出力装置１０６０（例えば、モニタ）に出力してよい。なお、コンピュータプロセッサ１０５８は、図２８Ａ、３１、及び３２では、限定ではなく例示として、手持ち式ワンド１０２２の外にあるように示されている。他の適用例としては、コンピュータプロセッサ１０５８は手持ち式ワンド１０２２内に配置されてよい。
幾つかの適用例では、スキャンされる物体１０３６は、患者の口腔内の少なくとも１つの歯である。上述のように、歯科医は、デジタル口腔内スキャナの使用時に画像キャプチャを改善する為に患者の歯をしばしば不透明粉末でコーティングする。口腔内スキャナ１０２０内のライトフィールドカメラ１０３２は、歯の表面にそのような粉末がなくても、歯から反射した構造化光パターンからライトフィールドをキャプチャすることが可能であり、これによって、デジタル口腔内スキャン作業をよりシンプルにすることが可能である。
構造化光プロジェクタ１０３０及びライトフィールドカメラ１０３２がプローブ１０２８の近位端部１０２４に配置されている場合、プローブ１０２８のサイズは、ミラー１０３４が配置されている角度で制限される。幾つかの適用例では、プローブ１０２８の高さＨ２が１７ｍｍ未満であり、プローブ１０２８の幅Ｗ１が２２ｍｍ未満であり、高さＨ２及び幅Ｗ１によって、手持ち式ワンド１０２２の長手軸１０６７に垂直な面が定義される。更に、プローブ１０２８の高さＨ２は、（スキャンされる物体１０３６からの反射光がプローブ１０２８に入る際に通る）下面１０７０（スキャン面）から下面１０７０の反対側の上面１０７２まで測定される。幾つかの適用例では、高さＨ２は１４～１７ｍｍである。幾つかの適用例では、幅Ｗ１は１８～２２ｍｍである。
次に図２９Ａを参照すると、図２９Ａは、本発明の幾つかの適用例による、光源１０４０としてのレーザダイオード１０４１を有する構造化光プロジェクタ１０３０の概略図である。幾つかの適用例としては、パターン生成器１０４２は回折光学素子（ＤＯＥ）１０４３であってよい。離散的で不連続な光スポットの分布である構造化光パターンを生成する為に、レーザダイオード１０４１がコリメータ１０６２を通して光を送出してよく、このコリメータ光がＤＯＥ１０４３を通して送出される。ＤＯＥ１０４３の代替として、パターン生成器１０４２は、レーザダイオード１０４１とプロジェクタ焦点面との間の光路に配置された屈折マイクロレンズアレイであってよい（構成は図示せず）。
次に図２９Ｂを参照すると、図２９Ｂは、光源１０４０としての発光ダイオード（ＬＥＤ）１０６４と、パターン生成物１０４２としてのマスク１０６６と、を有する構造化光プロジェクタ１０３０の概略図である。
次に図３０を参照すると、図３０は、本発明の幾つかの適用例による、ライトフィールドカメラ１０３２（ライトフィールドカメラセンサ１０４６が示されている）及びキャプチャされている３次元物体１０３６の概略図である。幾つかの適用例としては、ライトフィールドカメラ１０３２の光学パラメータが、（ａ）物体１０３６の前景１０７５からの反射光がライトフィールドカメラセンサの中心領域１０７４で焦点が合うように、且つ、（ｂ）物体１０３６の背景１０７７からの反射光がライトフィールドカメラセンサ１０４６の周辺領域１０７６で焦点が合うように選択されてよい。幾つかの適用例では、口腔内シーンをスキャンする際に、周辺領域１０７６は、近い物体（例えば、歯）よりも遠い物体（例えば、歯肉）に向けられることが多くなると考えられる。
ライトフィールドカメラセンサ１０４６の中心領域１０７４は、ライトフィールドカメラセンサ１０４６の周辺領域１０７６よりも空間分解能が高くなりうる。例えば、画像センサ１０４８の中心領域１０７４にあるサブアレイ１０５２のそれぞれは、周辺領域１０７６にあるサブアレイ１０５２のそれぞれよりも画素数が１０～４０％少なくてよい。即ち、中心領域１０７４にあるマイクロレンズは、周辺領域１０７６にあるマイクロレンズより小さくてよい。中心領域１０７４では、マイクロレンズがより小さいことにより、単位面積当たりのマイクロレンズ数をより多くすることが可能である。従って、ライトフィールドカメラセンサ１０４６の中心領域１０７４は、単位面積当たりのマイクロレンズの割合が大きくなる為、空間分解能を高くできる。幾つかの適用例では、中心領域１０７４は、センサ画素の総数の少なくとも５０％を含んでよい。
中心領域１０７４の空間分解能が周辺領域１０７６より高いのに対し、周辺領域１０７６は、深度分解能が中心領域１０７４より高くてよく、中心領域１０７４の場合より遠い物体距離で焦点が合うように設定されてよい。ライトフィールドカメラセンサ１０４６の周辺領域１０７６のより大きいマイクロレンズは、中心領域１０７４のより小さいマイクロレンズよりも高い深度で焦点が合うように構成されている。例えば、画像センサ１０４８の周辺領域１０７６のセンサ画素のサブアレイ１０５２の上に配置された各マイクロレンズ１０５０は、画像センサ１０４８の中心領域１０７４のセンサ画素のサブアレイ１０５２の上に配置された各マイクロレンズ１０５０の焦点が合うように構成された深度の１．１～１．４倍の深度で焦点が合うように構成されてよい。
従って、中心領域１０７４の空間分解能がより高いことにより、物体１０３６の前景１０７５を物体１０３６の背景１０７７より高い空間分解能でキャプチャすることを可能にすることができ（例えば、患者の口腔内シーンをスキャンする際に、歯を、歯の周囲領域より高い空間分解能でキャプチャすることが可能であり）、一方、周辺領域１０７６の焦点がより遠いこと、並びに深度分解能がより高いことにより、背景１０７７（例えば、歯が欠けた領域や、前景１０７５にある歯の周囲の歯肉）のキャプチャを可能にできる。
次に図３１を参照すると、図３１は、本発明の幾つかの適用例による、プローブ１０２８の遠位端部１０２７に配置された構造化光プロジェクタ１０３０及びライトフィールドカメラ１０３２を有する口腔内スキャナ１０２０の概略図である。幾つかの適用例としては、厳密に１つの構造化光プロジェクタ１０３０と厳密に１つのライトフィールドカメラ１０３２とが、プローブ１０２８の遠位端部１０２７に配置されている。構造化光プロジェクタ１０３０は、手持ち式ワンド１０２２の外の、その照明場内に置かれた物体１０３６と直接向き合うように配置されてよい。従って、構造化光プロジェクタ１０３０からの投射光は、光学的方向を変えること（例えば、図２８Ａを参照して上述したように、光の方向を変える為にミラーに反射させること）が行われることなく、物体１０３６に当たる。同様に、ライトフィールドカメラ１０３２は、手持ち式ワンド１０２２の外の、その視野内に置かれた物体１０３６と直接向き合うように配置されてよい。従って、物体１０３６からの反射光は、光学的方向を変えること（例えば、図２８Ａを参照して上述したように、光の方向を変える為にミラーに反射させること）が行われることなく、ライトフィールドカメラ１０３２に入る。
構造化光プロジェクタ１０３０をプローブ１０２８の遠位端部１０２７に配置することにより、構造化光プロジェクタ１０３０の照明場ψ（プサイ）を広くする（例えば、少なくとも６０度、且つ／又は１２０度未満にする）ことを可能にできる。構造化光プロジェクタ１０３０をプローブ１０２８の遠位端部１０２７に配置することにより、更に、構造化光プロジェクタ１０３０が光源１０４０からの光の焦点を、光源１０４０から少なくとも３ｍｍ、且つ／又は４０ｍｍ未満のところに位置してよいプロジェクタ焦点面に合わせることを可能にできる。
ライトフィールドカメラ１０３２をプローブ１０２８の遠位端部１０２７に配置することにより、ライトフィールドカメラ１０３２の視野ω（オメガ）を広くする（例えば、少なくとも６０度、且つ／又は１２０度未満にする）ことを可能にできる。ライトフィールドカメラ１０３２をプローブ１０２８の遠位端部１０２７に配置することにより、更に、ライトフィールドカメラ１０３２の焦点を、光源１０４０から少なくとも３ｍｍ、且つ／又は４０ｍｍ未満のところに位置してよいカメラ焦点面に合わせることを可能にできる。幾つかの適用例では、構造化光プロジェクタ１０３０の照明場ψ（プサイ）とライトフィールドカメラ１０３２の視野ω（オメガ）が、構造化光プロジェクタ１０３０から投射された構造化光パターンの少なくとも４０％がライトフィールドカメラ１０３２の視野ω（オメガ）内にあるように重なる。図３０を参照して上述したことと同様に、口腔内スキャナ１０２０がプローブ１０２８の遠位端部１０２７に配置された単一のライトフィールドカメラ１０３２を有する場合、ライトフィールドカメラセンサ１０４６の光学パラメータは、ライトフィールドカメラセンサ１０９０の中心領域の分解能がライトフィールドカメラセンサ１０４６の周辺領域より高くなるように選択されてよい。
構造化光プロジェクタ１０３０及びライトフィールドカメラ１０３２をプローブ１０２８の遠位端部１０２７に配置することにより、この構成ではミラー１０３４を使用しない為、プローブ１０２８を小さくすることを可能にできる。幾つかの適用例では、プローブ１０２８の高さＨ３が１４ｍｍ未満であり、プローブ１０２８の幅Ｗ２が２２ｍｍ未満であり、高さＨ３及び幅Ｗ２によって、手持ち式ワンド１０２２の長手軸１０６７に垂直な面が定義される。幾つかの適用例では、高さＨ３は１０～１４ｍｍである。幾つかの適用例では、幅Ｗ２は１８～２２ｍｍである。上述のように、プローブ１０２８の高さＨ３は、（ａ）（スキャンされる物体１０３６からの反射光がプローブ１０２８に入る際に通る）下面１０７０（スキャン面）から（ｂ）下面１０７０の反対側の上面１０７２まで測定される。制御回路１０５６は、（ａ）構造化光プロジェクタ１０３０を、手持ち式ワンド１０２２の外にある物体１０３６に構造化光パターンを投射するように駆動してよく、（ｂ）ライトフィールドカメラ１０３２を、物体１０３６から反射された構造化光パターンから得られるライトフィールドをキャプチャするように駆動してよい。コンピュータプロセッサ１０５８が、キャプチャされたライトフィールドからの情報を使用して、物体１０３６の表面の３次元画像を再構築してよく、その画像を出力装置１０６０（例えば、モニタ）に出力してよい。
次に図３２を参照すると、図３２は、本発明の幾つかの適用例による、プローブ１０２８の遠位端部１０２７に配置された複数の構造化光プロジェクタ１０３０及び複数のライトフィールドカメラ１０３２を有する口腔内スキャナ１０２０の概略図である。複数の構造化光プロジェクタと複数のライトフィールドカメラとを有することにより、口腔内スキャナ１０２０の全体視野を広くすることが可能であり、これによって、複数の物体１０３６をキャプチャすること（例えば、複数の歯と、歯の周囲の領域（例えば、患者の口腔の歯が欠けた領域）とをキャプチャすること）を可能にできる。幾つかの適用例では、複数の照明場ψ（プサイ）と複数のライトフィールドカメラ１０３２の視野ω（オメガ）とが、それぞれ、各構造化光プロジェクタ１０３０から投射された構造化光パターンの少なくとも４０％が、少なくとも１つのライトフィールドカメラ１０３２の視野ω（オメガ）内にあるように重なる。制御回路１０５６は、（ａ）複数の構造化光プロジェクタ１０３０を、手持ち式ワンド１０２２の外にある物体１０３６に構造化光パターンをそれぞれ投射するように駆動してよく、（ｂ）複数のライトフィールドカメラ１０３２を、物体１０３６から反射された複数の構造化光パターンから得られるライトフィールドをキャプチャするように駆動してよい。コンピュータプロセッサ１０５８が、キャプチャされたライトフィールドからの情報を使用して、物体１０３６の表面の３次元画像を再構築してよく、その画像を出力装置１０６０（例えば、モニタ）に出力してよい。
幾つかの適用例としては、構造化光プロジェクタ１０３０の少なくとも１つは、スキャンされる物体１０３６にモノクロ構造化光パターンを投射するモノクロ構造化光プロジェクタであってよい。例えば、モノクロ構造化光プロジェクタは、波長が４２０～４７０ｎｍの青色の構造化光パターンを投射してよい。ライトフィールドカメラ１０３２の少なくとも１つは、スキャンされる物体１０３６から反射されたモノクロ構造化光パターンから得られるライトフィールドをキャプチャするモノクロライトフィールドカメラであってよい。口腔内スキャナ１０２０は更に、白色光を物体１０３６に向けて送出する光源と、白色光照明下で物体１０３６の２次元色付き画像をキャプチャするカメラと、を含んでよい。コンピュータプロセッサ１０５８は、物体１０３６の表面の３次元画像を再構築する為に、（ａ）モノクロライトフィールドからキャプチャされた情報と、（ｂ）物体１０３６の少なくとも１つの２次元色付き画像と、を組み合わせてよい。コンピュータプロセッサ１０５８は、その後、その画像を出力装置１０６０（例えば、モニタ）に出力してよい。
上述の装置はいずれも、（例えば、口腔内表面の）画像データを生成する方法を実施する為に使用されてよい。一例示的実施態様では、一方法は、口腔内スキャナのプローブ内に配置された１つ以上の光プロジェクタにより、それぞれの光パターンを生成するステップを含む。上記１つ以上の光プロジェクタのうちの光プロジェクタにより光パターンを生成するステップは、光プロジェクタにより光を発生させるステップと、上記光の焦点をプロジェクタ焦点面に合わせるステップと、パターン生成器により、上記光から、光パターンをプロジェクタ焦点面に生成するステップと、を含んでよい。本方法は更に、上記１つ以上の光プロジェクタのそれぞれの光パターンを、上記１つ以上の光プロジェクタの照明場内にある口腔内表面に向けて投射するステップを含んでよい。本方法は更に、プローブ内に配置された１つ以上のライトフィールドカメラにより、口腔内表面から反射されたそれぞれの光パターンの少なくとも一部分から得られたライトフィールドを受け取るステップを含んでよい。本方法は更に、上記ライトフィールドを描写した複数の画像を上記１つ以上のライトフィールドカメラにより生成するステップと、上記複数の画像をデータ処理システムに送るステップと、を含んでよい。
幾つかの実施態様では、上記１つ以上の光プロジェクタ及び上記１つ以上のライトフィールドカメラはプローブの遠位端部に配置されており、上記１つ以上の光プロジェクタ及び上記１つ以上のライトフィールドカメラの配置は、（ａ）各光プロジェクタが口腔内表面と直接向き合うように、（ｂ）各ライトフィールドカメラが口腔内表面と直接向き合うように、且つ（ｃ）各光プロジェクタからの光パターンの少なくとも４０％が上記ライトフィールドカメラのうちの少なくとも１つのライトフィールドカメラの視野内にあるように行われる。
幾つかの実施態様では、上記１つ以上の光プロジェクタ及び上記ライトフィールドカメラは、プローブの近位端部に配置されている。そのような実施態様の場合、本方法は更に、ミラーを使用して、それぞれの光パターンを口腔内表面に向けて反射させるステップと、ミラーを使用して、口腔内表面から反射されたライトフィールドを１つ以上のライトフィールドカメラに向けて反射させるステップと、を含んでよい。
本発明の幾つかの適用例では、上述の口腔内スキャン装置のいずれか（例えば、口腔内スキャナ及び／又はデータ処理システム（コンピュータプロセッサ１０５８等））によって、口腔内表面のデジタル３次元モデルを生成する方法が実施されてよい。一実施形態では、本方法は、口腔内スキャナの１つ以上の光プロジェクタを、口腔内表面に光パターンを投射するように駆動するステップを含む。本方法は更に、口腔内スキャナの１つ以上のライトフィールドカメラを、口腔内表面から反射された投射光パターンの少なくとも一部分から得られたライトフィールドを描写した複数の画像をキャプチャするように駆動するステップを含み、上記ライトフィールドは、口腔内表面から反射された光パターンの強度、及び光線の方向の情報を含む。本方法は更に、口腔内表面の投射光パターンの少なくとも一部分を描写した複数の画像を受け取るステップと、上記複数の画像に描写された、キャプチャされたライトフィールドからの情報を使用して、口腔内表面のデジタル３次元モデルを生成するステップと、を含む。
一適用例では、各光プロジェクタからの光パターンの少なくとも４０％が上記１つ以上のライトフィールドカメラのうちの少なくとも１つのライトフィールドカメラの視野内にある。一適用例では、各光プロジェクタは、６０～１２０度の照明場を有する構造化光プロジェクタであり、プロジェクタ焦点面は、光源から３～４０ｍｍの間に位置する。一適用例では、各ライトフィールドカメラは、６０～１２０度の視野を有し、ライトフィールドカメラから３～４０ｍｍの間に位置するカメラ焦点面で焦点が合うように構成されている。一適用例では、上記複数の画像は、複数のライトフィールドカメラからの画像を含む。一適用例では、上記ライトフィールドは更に、位相コード化深度の情報を含み、これにより、深度を様々な方向から推定することが可能である。一適用例では、本方法は更に、口腔内表面の複数の２次元色付き画像を受け取るステップと、上記複数の２次元色付き画像に基づいて、口腔内表面のデジタル３次元モデルの為の色データを算出するステップと、を含む。
本明細書に記載の、本発明の適用例は、コンピュータで使用可能な、又はコンピュータ可読な媒体（例えば、非一時的コンピュータ可読媒体）からアクセス可能であって、コンピュータ又は任意の命令実行システム（プロセッサ９６又はプロセッサ１０５８等）によって使用されるか、それらと関連して使用されるプログラムコードを提供するコンピュータプログラム製品の形式であってよい。本明細書の目的の為に、コンピュータで使用可能な、又はコンピュータ可読な媒体は、命令実行システム、装置、又はデバイスによって使用されるか、それらと関連して使用されるプログラムを含むこと、記憶すること、通信すること、配布すること、又は輸送することが可能な任意の装置であってよい。上記媒体は、電子式、磁気式、光学式、電磁式、赤外線式、又は半導体式のシステム（又は装置又はデバイス）又は配布媒体であってよい。幾つかの適用例では、コンピュータで使用可能な、又はコンピュータ可読な媒体は、非一時的な、コンピュータで使用可能な、又はコンピュータ可読な媒体である。
コンピュータ可読媒体の例として、半導体又は固体メモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、固定磁気ディスク、及び光ディスクがある。光ディスクの現行の例として、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、読み書き可能コンパクトディスク（ＣＤ－Ｒ／Ｗ）、及びＤＶＤがある。幾つかの適用例では、クラウドストレージ、及び／又はリモートサーバ内のストレージが使用される。
プログラムコードの記憶及び／又は実行に適するデータ処理システムは、メモリ素子に直接又はシステムバス経由で間接的に結合された少なくとも１つのプロセッサ（例えば、プロセッサ９６又はプロセッサ１０５８）を含む。メモリ素子として、プログラムコードの実際の実行中に使用されるローカルメモリと、バルクストレージと、実行中にバルクストレージからコードを取り出さなくてはならない回数を減らす為に少なくとも一部のプログラムコードを一時的に記憶するキャッシュメモリと、があってよい。本システムは、プログラム記憶装置にある本発明の命令を読み出し、これらの命令に従って、本発明の適用例の手順を実行することが可能である。
プロセッサにはネットワークアダプタが結合されてよく、これは、プロセッサが、介在するプライベートネットワーク又はパブリックネットワークを通して、他のプロセッサ、或いはリモートのプリンタや記憶装置と結合されることを可能にする。現在利用可能なタイプのネットワークアダプタを少しだけ挙げると、モデム、ケーブルモデム、及びイーサネットカードがある。
本発明の動作を実行する為のコンピュータプログラムコードは、１つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせの形で書かれてよく、そのようなプログラミング言語として、Ｊａｖａ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋等のようなオブジェクト指向プログラミング言語や、Ｃプログラミング言語又は同様のプログラミング言語のような従来の手続き型プログラミング言語がある。
当然のことながら、本明細書に記載の方法は、コンピュータプログラム命令によって実施されてよい。これらのコンピュータプログラム命令は、マシンを生成する為に、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、又は他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサに与えられてよく、それにより、命令は、コンピュータ（例えば、プロセッサ９６又はプロセッサ１０５８）又は他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサによって実行され、本出願に記載の方法において指定される機能／動作を実施する手段を作成する。これらのコンピュータプログラム命令は又、コンピュータ可読媒体（例えば、非一時的コンピュータ可読媒体）に記憶されてもよく、コンピュータ又は他のプログラム可能なデータ処理装置を特定の様式で機能させることが可能であり、このコンピュータ可読媒体に記憶された命令によって、本出願に記載の方法において指定される機能／動作を実施する命令手段を含む製造物が製造される。これらのコンピュータプログラム命令は又、コンピュータ又は他のプログラム可能なデータ処理装置にロードされて、コンピュータ又は他のプログラム可能な装置において一連の動作ステップを実施させることにより、コンピュータで実施されるプロセスを生成してもよく、コンピュータ又は他のプログラム可能な装置で実行される命令は、本出願に記載の方法において指定される機能／動作を実施するプロセスを与える。
プロセッサ９６及びプロセッサ１０５８は、典型的には、コンピュータプログラム命令によりプログラムされて個々に専用コンピュータになるハードウェア装置である。例えば、コンピュータプロセッサは、本明細書に記載の方法を実施するようにプログラムされると、典型的には、専用３Ｄ表面再構築コンピュータプロセッサとして動作する。典型的には、コンピュータプロセッサによって実施される、本明細書に記載の動作は、実在する物理的物品であるメモリの物理的状態を、そのメモリに使用されているテクノロジに応じて、別の磁気極性、電荷等を有するように変化させる。
或いは、プロセッサ９６は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、又は専用チップに実装されたニューラルネットワークの形態であってよい。
当業者であれば理解されるように、本発明は、上記で具体的に図示及び説明してきたものに限定されない。むしろ、本発明の範囲は、上述の様々な特徴の組み合わせ及び副組み合わせ、並びに先行技術には存在しないが、当業者であれば上記の説明を読むことで思いつくであろうそれらの変形形態及び修正形態の両方を包含する。
〔付記１〕
口腔内スキャン装置であって、
遠位端部にプローブを含む、細長い手持ち式ワンドと、
１つ以上の光プロジェクタであって、各光プロジェクタは、少なくとも１つの光源と、パターン生成光学素子と、を含み、各光プロジェクタは、前記光源が活性化されたときに複数のプロジェクタ光線によって定義される光パターンを投射するように構成されている、前記１つ以上の光プロジェクタと、
２つ以上のカメラであって、前記２つ以上のカメラのそれぞれは、画素のアレイを有するカメラセンサを含み、前記２つ以上のカメラのそれぞれは、口腔内表面上の前記投射光パターンの少なくとも一部分を描写した複数の画像をキャプチャするように構成されている、前記２つ以上のカメラと、
１つ以上のプロセッサであって、
前記２つ以上のカメラのそれぞれの前記カメラセンサ上の画素に対応するカメラ光線を、前記複数のプロジェクタ光線のうちのプロジェクタ光線に関連付ける較正データにアクセスするステップと、
前記較正データを使用して、前記投射光パターンの少なくとも前記一部分に対応する、プロジェクタ光線とカメラ光線との交点を特定するステップであって、前記プロジェクタ光線と前記カメラ光線との交点は空間内の３次元点に関連付けられる、前記特定するステップと、
プロジェクタ光線による前記投射光パターンが特定の交点に存在することに前記２つ以上のカメラが同意していることに基づいて、前記投射光パターンの３次元位置を識別するステップと、
前記識別された３次元位置を使用して、前記口腔内表面のデジタル３次元モデルを生成するステップと、
を実施するように構成された前記１つ以上のプロセッサと、
を含む装置。
〔付記２〕
前記光パターンは複数のスポットを含み、前記複数のプロジェクタ光線のそれぞれは、前記複数のスポットのうちのスポットに対応する、付記１に記載の装置。
〔付記３〕
各プロジェクタ光線は、前記２つ以上のカメラのうちのそれぞれのカメラの前記カメラセンサ上の画素のそれぞれの経路に対応し、前記３次元位置を識別する為に、前記１つ以上のプロセッサは、
各プロジェクタ光線ｉごとに、プロジェクタ光線ｉに対応するカメラセンサ経路上の検出された各スポットｊに対して、他の何台のカメラが、プロジェクタ光線ｉに対応するそれぞれのカメラセンサ経路上で、プロジェクタ光線ｉと交差するそれぞれのカメラ光線と、検出されたスポットｊに対応するカメラ光線と、に対応するそれぞれのスポットｋを検出したかを識別するステップであって、プロジェクタ光線ｉは、検出されたスポットｊに対して最多数の他のカメラがそれぞれのスポットｋを検出した、前記検出されたスポットｊを生成した特定のプロジェクタ光線として識別される、前記識別するステップと、
プロジェクタ光線ｉと、前記検出されたスポットｊ及び前記それぞれの検出されたスポットｋに対応する前記それぞれのカメラ光線と、の交点における前記口腔内表面上のそれぞれの３次元位置を計算するステップと、
を実施する対応関係アルゴリズムを実行する、
付記２に記載の装置。
〔付記４〕
前記３次元位置を識別する為に、前記１つ以上のプロセッサは更に、
プロジェクタ光線ｉと、前記検出されたスポットｊ及び前記それぞれの検出されたスポットｋに対応する前記それぞれのカメラ光線と、を検討から除外するステップと、
次のプロジェクタ光線ｉについて前記対応関係アルゴリズムを再度実行するステップと、
を実施することになっている、
付記３に記載の装置。
〔付記５〕
温度センサを更に含み、
前記１つ以上のプロセッサは更に、
前記温度センサから温度データを受け取るステップであって、前記温度データは、前記１つ以上の光プロジェクタ又は前記２つ以上のカメラのうちの少なくとも１つの温度を示す、前記受け取るステップと、
前記温度データに基づいて、複数のそれぞれの温度に対応する、記憶された較正データの複数のセットの中から較正データのセットを選択するステップであって、記憶された較正データの各セットは、それぞれの温度の場合の、（ａ）前記１つ以上のプロジェクタのそれぞれからの前記投射光スポットのそれぞれに対応するプロジェクタ光線、並びに（ｂ）前記１つ以上のカメラのそれぞれの前記カメラセンサ上の各画素に対応するカメラ光線を示す、前記選択するステップと、
を実施するように構成されている、
付記３に記載の装置。
〔付記６〕
前記光パターンは非コード化構造化光パターンを含み、前記複数のスポットは、離散的で不連続な光スポットのほぼ均一な分布を含む、付記２に記載の装置。
〔付記７〕
前記複数のスポットは、第１の波長を有するスポットの第１のサブセットと、第２の波長を有するスポットの第２のサブセットと、を含み、前記較正データは、前記第１の波長の為の第１の較正データと、前記第２の波長の為の第２の較正データと、を含む、付記２に記載の装置。
〔付記８〕
複数の領域を有するターゲットを更に含み、
各光プロジェクタは、その照明場内に前記ターゲットの少なくとも１つの領域を有し、
各カメラは、その視野内に前記ターゲットの少なくとも１つの領域を有し、
前記ターゲットの複数の前記領域が、前記カメラのうちの１つのカメラの視野内にあり、且つ、前記光プロジェクタのうちの１つの光プロジェクタの照明場内にあり、
前記１つ以上のプロセッサは更に、
前記光パターンに対する前記ターゲットの位置を示すデータを前記２つ以上のカメラから受け取るステップと、
前記受け取ったデータを、前記ターゲットの記憶された較正位置と比較するステップであって、（ｉ）前記ターゲットの位置を示す前記受け取ったデータと、（ｉｉ）前記ターゲットの前記記憶された較正位置と、の間の食い違いは、前記プロジェクタ光線及び前記カメラ光線の、それぞれの較正値からのずれを示す、前記比較するステップと、
前記３次元位置の識別において前記プロジェクタ光線及び前記カメラ光線の前記ずれを考慮するステップと、
を実施するように構成されている、
付記１に記載の装置。
〔付記９〕
前記１つ以上のプロセッサは更に、
前記１つ以上の光プロジェクタのそれぞれを、前記口腔内表面に前記光パターンを投射するように駆動するステップと、
前記２つ以上のカメラのそれぞれを、前記複数の画像をキャプチャするように駆動するステップと、
を実施するように構成されている、
付記１に記載の装置。
〔付記１０〕
前記１つ以上の光プロジェクタは複数の構造化光プロジェクタを含み、複数の構造化光プロジェクタのそれぞれは、それぞれの、離散的で不連続な光スポットの分布を前記口腔内表面に同時に、又は別々のタイミングで投射することになっている、付記１に記載の装置。
〔付記１１〕
前記パターン生成光学素子は、回折光学素子又は屈折光学素子を含む、付記１に記載の装置。
〔付記１２〕
前記２つ以上のカメラは、前記カメラセンサから最も遠いカメラレンズから約１～３０ｍｍの間に位置する物体焦点面で焦点が合うように構成されている、付記１に記載の装置。
〔付記１３〕
口腔内スキャン装置であって、
遠位端部にプローブを含む、細長い手持ち式ワンドと、
１つ以上の光プロジェクタであって、各光プロジェクタは、
活性化されると光を発生させるように構成された少なくとも１つの光源と、
パターン生成光学素子であって、前記パターン生成光学素子は、前記光が前記パターン生成光学素子を通して送出されたときに光パターンを生成するように構成されている、前記パターン生成光学素子と、
を含む、前記１つ以上の光プロジェクタと、
２つ以上のカメラであって、前記２つ以上のカメラのそれぞれは、カメラセンサと１つ以上のレンズとを含み、前記２つ以上のカメラのそれぞれは、口腔内表面上の前記投射光パターンの少なくとも一部分を描写した複数の画像をキャプチャするように構成されており、各カメラは、前記１つ以上のレンズのうちの、前記カメラセンサから最も遠いレンズから約１～３０ｍｍの間に位置する物体焦点面で焦点が合うように構成されている、前記２つ以上のカメラと、
を含む装置。
〔付記１４〕
前記１つ以上の光プロジェクタは前記プローブ内に配置されており、前記２つ以上のカメラは前記プローブ内に配置されている、付記１３に記載の装置。
〔付記１５〕
前記１つ以上の光プロジェクタは少なくとも２つの光プロジェクタを含み、前記２つ以上のカメラは少なくとも４つのカメラを含み、
前記少なくとも２つの光プロジェクタ及び前記少なくとも４つのカメラの大部分が、少なくとも２つの列として配列されており、前記少なくとも２つの列は、それぞれが前記プローブの長手軸にほぼ平行であり、前記少なくとも２つの列は少なくとも第１の列及び第２の列を含み、
前記少なくとも４つのカメラのうちの、前記長手軸に沿った最遠位のカメラと、前記長手軸に沿った最近位のカメラとが、前記長手軸に垂直な視線から見て、それらの光軸が互いに対して９０度以下の角度をなすように位置決めされ、
前記第１の列のカメラと前記第２の列のカメラは、前記プローブの前記長手軸と同軸の視線から見て、前記第１の列の前記カメラの光軸が前記第２の列の前記カメラの光軸に対して９０度以下の角度をなすように位置決めされている、
付記１４に記載の装置。
〔付記１６〕
前記少なくとも４つのカメラのうちの、前記最遠位カメラ及び前記最近位のカメラ以外のカメラの光軸は、前記プローブの前記長手軸にほぼ平行であり、
前記少なくとも２つの列のそれぞれでは、光プロジェクタとカメラが交互に並ぶ、
付記１５に記載の装置。
〔付記１７〕
前記少なくとも４つのカメラは少なくとも５つのカメラを含み、前記少なくとも２つの光プロジェクタは少なくとも５つの光プロジェクタを含み、前記第１の列の最近位の構成要素が光プロジェクタであり、前記第２の列の最近位の構成要素がカメラである、付記１６に記載の装置。
〔付記１８〕
前記長手軸に沿った前記最遠位のカメラと、前記長手軸に沿った前記最近位のカメラとが、前記長手軸に垂直な視線から見て、それらの光軸が互いに対して３５度以下の角度をなすように位置決めされ、
前記第１の列の前記カメラと前記第２の列の前記カメラは、前記プローブの前記長手軸と同軸の視線から見て、前記第１の列の前記カメラの光軸が前記第２の列の前記カメラの光軸に対して３５度以下の角度をなすように位置決めされる、
付記１５に記載の装置。
〔付記１９〕
前記光パターンは複数のプロジェクタ光線によって定義され、
前記２つ以上のカメラのそれぞれの前記カメラセンサ上の画素に対応するカメラ光線を、前記複数のプロジェクタ光線のうちのプロジェクタ光線に関連付ける較正データにアクセスするステップと、
前記較正データを使用して、前記投射光パターンの前記一部分に対応する、プロジェクタ光線とカメラ光線との交点を特定するステップであって、前記カメラ光線と前記プロジェクタ光線との交点は空間内の３次元点に関連付けられる、前記特定するステップと、
プロジェクタ光線による前記投射光パターンが特定の交点に存在することに前記２つ以上のカメラが同意していることに基づいて、前記投射光パターンの３次元位置を識別するステップと、
前記識別された３次元位置を使用して、前記口腔内表面のデジタル３次元モデルを生成するステップと、
を実施するように構成された１つ以上のプロセッサを更に含む、
付記１３に記載の装置。
〔付記２０〕
前記１つ以上の構造化光プロジェクタは、それぞれが、前記パターン生成光学素子から１～３０ｍｍの間に位置する全ての面に、離散的で不連続な光スポットの分布を生成するように構成されている、付記１３に記載の装置。
〔付記２１〕
前記１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれは、約４５～１２０度の照明場を有し、前記２つ以上のカメラのそれぞれは、約４５～１２０度の視野を有する、付記１３に記載の装置。
〔付記２２〕
前記パターン生成光学素子は、回折又は屈折の少なくとも一方を利用して前記光パターンを生成するように構成されており、前記パターン生成光学素子の光スループット効率は少なくとも９０％である、付記１３に記載の装置。
〔付記２３〕
前記口腔内表面に白色光を投射するように構成された少なくとも１つの均一光プロジェクタであって、前記２つ以上のカメラのうちの少なくとも１つのカメラが、前記均一光プロジェクタからの照明を使用して前記口腔内表面の２次元色付き画像をキャプチャするように構成されている、前記少なくとも１つの均一光プロジェクタ
を更に含む、付記１３に記載の装置。
〔付記２４〕
前記パターン生成光学素子は回折光学素子（ＤＯＥ）を含む、付記１３に記載の装置。
〔付記２５〕
前記ＤＯＥは、アレイ状に配列された複数のサブＤＯＥパッチにセグメント化され、各サブＤＯＥパッチは、照明場のうちのそれぞれ異なる範囲にそれぞれの離散的で不連続な光スポットの分布を生成し、前記離散的で不連続な光スポットの分布は前記光源が活性化されたときに生成される、付記２４に記載の装置。
〔付記２６〕
前記１つ以上のプロジェクタのそれぞれは、前記光源と前記パターン生成光学素子との間に配置された追加光学素子を含み、前記追加光学素子は、前記追加光学素子を通して送出された光からベッセルビームを生成するように構成されており、前記光パターンは、中心が前記パターン生成光学素子にあって１～３０ｍｍの半径を有する幾何学的球体のどの内面を通る際も０．０６ｍｍ未満の径を維持する、離散的で不連続な光スポットのパターンを含む、付記１３に記載の装置。
〔付記２７〕
前記追加光学素子はアキシコンレンズを含む、付記２６に記載の装置。
〔付記２８〕
前記光パターンは、離散的で不連続な光スポットの分布を含み、照明場内の各直交面における、照明されている面積と照明されていない面積との比は１：１５０～１：１６である、付記１３に記載の装置。
〔付記２９〕
口腔内スキャン装置であって、
遠位端部にプローブを含む、細長い手持ち式ワンドと、
前記プローブ内に配置された１つ以上の光プロジェクタであって、各光プロジェクタは、
活性化されると光を発生させるように構成された光源と、
第１の光学素子であって、前記第１の光学素子を通して送出された光からベッセルビームを生成するように構成された前記第１の光学素子と、
パターン生成光学素子であって、前記パターン生成光学素子は、前記ベッセルビームが前記パターン生成光学素子を通して送出されたときに光パターンを生成するように構成されている、前記パターン生成光学素子と、
を含む、前記１つ以上の光プロジェクタと、
２つ以上のカメラであって、各カメラは、カメラセンサと、１つ以上のレンズを含む対物光学系と、を含み、各カメラは、口腔内表面上の前記投射光パターンの少なくとも一部分を描写した複数の画像をキャプチャするように構成されている、前記２つ以上のカメラと、
を含む装置。
〔付記３０〕
前記光パターンは、前記パターン生成光学素子から約１～３０ｍｍの間に位置するどの直交面においてもほぼ均一なサイズを維持する、離散的で不連続な光スポットのパターンを含む、付記２９に記載の装置。
〔付記３１〕
前記スポットの径は、中心が前記パターン生成光学素子にあって１～３０ｍｍの半径を有する幾何学的球体のどの内面を通る際も０．０６ｍｍ未満である、付記３０に記載の装置。
〔付記３２〕
前記第１の光学素子はアキシコンレンズを含む、付記２９に記載の装置。
〔付記３３〕
前記アキシコンレンズはアキシコンヘッド角度が０．２～２度である、付記３２に記載の装置。
〔付記３４〕
前記第１の光学素子と前記光源との間にビーム整形光学素子を更に含み、前記ビーム整形光学素子はコリメートレンズを含む、付記２９に記載の装置。
〔付記３５〕
各カメラは、前記１つ以上のレンズのうちの、前記カメラセンサから最も遠いレンズから約１～３０ｍｍの間に位置する物体焦点面で焦点が合うように構成されている、付記２９に記載の装置。
〔付記３６〕
前記１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれは、約４５～１２０度の照明場を有し、前記２つ以上のカメラのそれぞれは、約４５～１２０度の視野を有し、前記光源は少なくとも１つのレーザダイオードを含む、付記２９に記載の装置。
〔付記３７〕
前記２つ以上のカメラのうちの少なくとも１つがライトフィールドカメラである、付記２９に記載の装置。
〔付記３８〕
口腔内表面のデジタル３次元モデルを生成する方法であって、
口腔内表面の投射光パターンの少なくとも一部分を描写した複数の画像を受け取るステップであって、前記投射光パターンは口腔内スキャナの１つ以上の光プロジェクタによって投射されており、前記光パターンは複数のプロジェクタ光線によって定義され、前記複数の画像は前記口腔内スキャナの２つ以上のカメラによって生成されている、前記受け取るステップと、
前記２つ以上のカメラのそれぞれのカメラセンサ上の画素に対応するカメラ光線を、前記複数のプロジェクタ光線のうちのプロジェクタ光線に関連付ける較正データにアクセスするステップと、
前記較正データを使用して、前記投射光パターンの少なくとも前記一部分に対応する、プロジェクタ光線とカメラ光線との交点を特定するステップであって、前記プロジェクタ光線と前記カメラ光線との交点は空間内の３次元点に関連付けられる、前記特定するステップと、
プロジェクタ光線による前記投射光パターンが特定の交点に存在することに前記２つ以上のカメラが同意していることに基づいて、前記投射光パターンの３次元位置を識別するステップと、
前記識別された３次元位置を使用して、前記口腔内表面の前記デジタル３次元モデルを生成するステップと、
を含む方法。
〔付記３９〕
前記光パターンは複数のスポットを含み、前記複数のプロジェクタ光線のそれぞれは、前記複数のスポットのうちのスポットに対応する、付記３８に記載の方法。
〔付記４０〕
各プロジェクタ光線は、前記２つ以上のカメラのうちのそれぞれのカメラの前記カメラセンサ上の画素のそれぞれの経路に対応し、前記３次元位置を識別する前記ステップは、 各プロジェクタ光線ｉごとに、プロジェクタ光線ｉに対応するカメラセンサ経路上の検出された各スポットｊに対して、他の何台のカメラが、プロジェクタ光線ｉに対応するそれぞれのカメラセンサ経路上で、プロジェクタ光線ｉと交差するそれぞれのカメラ光線と、検出されたスポットｊに対応するカメラ光線と、に対応するそれぞれのスポットｋを検出したかを識別するステップであって、プロジェクタ光線ｉは、検出されたスポットｊに対して最多数の他のカメラがそれぞれのスポットｋを検出した、前記検出されたスポットｊを生成した特定のプロジェクタ光線として識別される、前記識別するステップと、
プロジェクタ光線ｉと、前記検出されたスポットｊ及び前記それぞれの検出されたスポットｋに対応する前記それぞれのカメラ光線と、の交点における前記口腔内表面上のそれぞれの３次元位置を計算するステップと、
を実施する対応関係アルゴリズムを実行することを含む、
付記３９に記載の方法。
〔付記４１〕
前記３次元位置を識別する前記ステップは更に、
プロジェクタ光線ｉと、前記検出されたスポットｊ及び前記それぞれの検出されたスポットｋに対応する前記それぞれのカメラ光線と、を検討から除外するステップと、
次のプロジェクタ光線ｉについて前記対応関係アルゴリズムを再度実行するステップと、
を含む、付記４０に記載の方法。
〔付記４２〕
前記口腔内スキャナの温度センサによって生成された温度データを受け取るステップであって、前記温度データは、前記１つ以上の光プロジェクタ又は前記２つ以上のカメラのうちの少なくとも１つの温度を示す、前記受け取るステップと、
前記温度データに基づいて、複数のそれぞれの温度に対応する、記憶された較正データの複数のセットの中から較正データのセットを選択するステップであって、記憶された較正データの各セットは、それぞれの温度の場合の、（ａ）前記１つ以上のプロジェクタのそれぞれからの前記投射光スポットのそれぞれに対応するプロジェクタ光線、並びに（ｂ）前記２つ以上のカメラのそれぞれのカメラセンサ上の各画素に対応するカメラ光線を示す、前記選択するステップと、
を更に含む、付記４０に記載の方法。
〔付記４３〕
前記光パターンは非コード化構造化光パターンを含み、前記複数のスポットは、離散的で不連続な光スポットのほぼ均一な分布を含む、付記３９に記載の方法。
〔付記４４〕
前記複数のスポットは、第１の波長を有するスポットの第１のサブセットと、第２の波長を有するスポットの第２のサブセットと、を含み、前記較正データは、前記第１の波長の為の第１の較正データと、前記第２の波長の為の第２の較正データと、を含む、付記３９に記載の方法。
〔付記４５〕
前記光パターンに対する前記口腔内スキャナのターゲットの位置を示すデータを前記２つ以上のカメラから受け取るステップであって、前記ターゲットは複数の領域を含み、各光プロジェクタはその照明場内に前記ターゲットの少なくとも１つの領域を有し、各カメラはその視野内に前記ターゲットの少なくとも１つの領域を有する、前記受け取るステップと、
前記受け取ったデータを、前記ターゲットの記憶された較正位置と比較するステップであって、（ｉ）前記ターゲットの位置を示す前記受け取ったデータと、（ｉｉ）前記ターゲットの前記記憶された較正位置と、の間の食い違いは、前記プロジェクタ光線及び前記カメラ光線の、それぞれの較正値からのずれを示す、前記比較するステップと、
前記３次元位置の識別において前記プロジェクタ光線及び前記カメラ光線の前記ずれを考慮するステップと、
を更に含む、付記３８に記載の方法。
〔付記４６〕
前記１つ以上の光プロジェクタのそれぞれを、前記口腔内表面に前記光パターンを投射するように駆動するステップと、
前記２つ以上のカメラのそれぞれを、前記複数の画像をキャプチャするように駆動するステップと、
を更に含む、付記３８に記載の方法。

Claims (20)

  1. 口腔内スキャン装置であって、
    遠位端部にプローブを含む、細長い手持ち式ワンドと、
    １つ以上の構造化光プロジェクタであって、各構造化光プロジェクタは、少なくとも１つの光源と、パターン生成光学素子と、を含み、各構造化光プロジェクタは、前記光源が活性化されたときに複数のプロジェクタ光線によって定義される光パターンを投射するように構成されている、前記１つ以上の構造化光プロジェクタと、
    ２つ以上のカメラであって、前記２つ以上のカメラのそれぞれは、画素のアレイを有するカメラセンサを含み、前記２つ以上のカメラのそれぞれは、口腔内表面上の前記投射光パターンの少なくとも一部分を描写した複数の画像をキャプチャするように構成されている、前記２つ以上のカメラと、
    前記口腔内表面に白色光を投射するように構成された少なくとも１つの均一光プロジェクタであって、前記２つ以上のカメラのうちの少なくとも１つのカメラが、前記均一光プロジェクタからの照明を使用して前記口腔内表面の２次元色付き画像をキャプチャするように構成されている、前記少なくとも１つの均一光プロジェクタと、
    １つ以上のプロセッサであって、
    前記光パターン内の点と、前記口腔内表面上の前記投射光パターンの少なくとも一部分を描写した前記複数の画像内の点との間の対応関係を特定するステップであって、
    前記２つ以上のカメラのそれぞれの前記カメラセンサ上の画素に対応するカメラ光線を、前記複数のプロジェクタ光線のうちのプロジェクタ光線に関連付ける較正データにアクセスすること、及び
    前記較正データを使用して、前記投射光パターンの少なくとも前記一部分に対応する、プロジェクタ光線とカメラ光線との交点を特定することであって、前記プロジェクタ光線と前記カメラ光線との交点は空間内の３次元点に関連付けられる、前記交点を特定すること、
    によって、前記対応関係を特定するステップと、
    プロジェクタ光線による前記投射光パターンが特定の交点に存在することに前記２つ以上のカメラが同意していることに基づいて、前記投射光パターンの３次元位置を識別するステップと、
    前記識別された３次元位置を使用して、前記口腔内表面のデジタル３次元モデルを生成するステップと、
    を実施するように構成された前記１つ以上のプロセッサと、
    を含む装置。
  2. 前記１つ以上の構造化光プロジェクタは、前記細長い手持ち式ワンドの前記遠位端部の前記プローブ内に配置された複数の構造化光プロジェクタを含み、
    各構造化光プロジェクタは、前記光源が活性化されたときに前記光パターンを生成するために回折又は屈折の少なくとも一方を使用する前記パターン生成光学素子を介して前記少なくとも１つの光源からの光を透過させることによって、前記複数のプロジェクタ光線によって定義される光パターンを前記口腔内表面に投影するように構成され、前記複数の構造化光プロジェクタのそれぞれは、前記口腔内表面上に離散的で不連続な光スポットの各分布を同時に又は異なるタイミングで投影するものであり、
    前記複数のプロジェクタ光線のそれぞれは、前記離散的で不連続な光スポットのうちのスポットに対応する、請求項１に記載の装置。
  3. 各プロジェクタ光線は、前記２つ以上のカメラのうちのそれぞれのカメラの前記カメラセンサ上の画素のそれぞれの経路に対応し、前記３次元位置を識別する為に、前記１つ以上のプロセッサは、
    各プロジェクタ光線ｉごとに、プロジェクタ光線ｉに対応するカメラセンサ経路上の検出された各スポットｊに対して、他の何台のカメラが、プロジェクタ光線ｉに対応するそれぞれのカメラセンサ経路上で、プロジェクタ光線ｉと交差するそれぞれのカメラ光線と、検出されたスポットｊに対応するカメラ光線と、に対応するそれぞれのスポットｋを検出したかを識別するステップであって、プロジェクタ光線ｉは、検出されたスポットｊに対して最多数の他のカメラがそれぞれのスポットｋを検出した、前記検出されたスポットｊを生成した特定のプロジェクタ光線として識別される、前記識別するステップと、
    プロジェクタ光線ｉと、前記検出されたスポットｊ及び前記それぞれの検出されたスポットｋに対応する前記それぞれのカメラ光線と、の交点における前記口腔内表面上のそれぞれの３次元位置を計算するステップと、
    を実施する対応関係アルゴリズムを実行する、
    請求項２に記載の装置。
  4. 前記３次元位置を識別する為に、前記１つ以上のプロセッサは更に、
    プロジェクタ光線ｉと、前記検出されたスポットｊ及び前記それぞれの検出されたスポットｋに対応する前記それぞれのカメラ光線と、を検討から除外するステップと、
    次のプロジェクタ光線ｉについて前記対応関係アルゴリズムを再度実行するステップと、
    を実施することになっている、
    請求項３に記載の装置。
  5. 温度センサを更に含み、
    前記１つ以上のプロセッサは更に、
    前記温度センサから温度データを受け取るステップであって、前記温度データは、前記１つ以上の構造化光プロジェクタ又は前記２つ以上のカメラのうちの少なくとも１つの温度を示す、前記受け取るステップと、
    前記温度データに基づいて、複数のそれぞれの温度に対応する、記憶された較正データの複数のセットの中から較正データのセットを選択するステップであって、記憶された較正データの各セットは、それぞれの温度の場合の、（ａ）前記１つ以上のプロジェクタのそれぞれからの前記投射光スポットのそれぞれに対応するプロジェクタ光線、並びに（ｂ）前記２つ以上のカメラのそれぞれの前記カメラセンサ上の各画素に対応するカメラ光線を示す、前記選択するステップと、
    を実施するように構成されている、
    請求項３に記載の装置。
  6. 前記光パターンは非コード化構造化光パターンを含み、前記離散的で不連続な光スポットは、離散的で不連続な光スポットのほぼ均一な分布を含む、請求項２に記載の装置。
  7. 前記スポットは、第１の波長を有するスポットの第１のサブセットと、第２の波長を有するスポットの第２のサブセットと、を含み、前記較正データは、前記第１の波長の為の第１の較正データと、前記第２の波長の為の第２の較正データと、を含む、請求項２に記載の装置。
  8. 複数の領域を有するターゲットを更に含み、
    各構造化光プロジェクタは、その照明場内に前記ターゲットの少なくとも１つの領域を有し、各カメラは、その視野内に前記ターゲットの少なくとも１つの領域を有し、
    前記ターゲットの複数の前記領域が、前記カメラのうちの１つのカメラの視野内にあり、且つ、前記構造化光プロジェクタのうちの１つの構造化光プロジェクタの照明場内にあり、
    前記１つ以上のプロセッサは更に、
    前記光パターンに対する前記ターゲットの位置を示すデータを前記２つ以上のカメラから受け取るステップと、
    前記受け取ったデータを、前記ターゲットの記憶された較正位置と比較するステップであって、（ｉ）前記ターゲットの位置を示す前記受け取ったデータと、（ｉｉ）前記ターゲットの前記記憶された較正位置と、の間の食い違いは、前記プロジェクタ光線及び前記カメラ光線の、それぞれの較正値からのずれを示す、前記比較するステップと、
    前記３次元位置の識別において前記プロジェクタ光線及び前記カメラ光線の前記ずれを考慮するステップと、
    を実施するように構成されている、
    請求項１に記載の装置。
  9. 前記１つ以上のプロセッサは更に、
    前記１つ以上の構造化光プロジェクタのそれぞれを、前記口腔内表面に前記光パターンを投射するように駆動するステップと、
    前記２つ以上のカメラのそれぞれを、前記複数の画像をキャプチャするように駆動するステップと、
    を実施するように構成されている、
    請求項１に記載の装置。
  10. 前記１つ以上の構造化光プロジェクタは複数の構造化光プロジェクタを含み、複数の構造化光プロジェクタのそれぞれは、それぞれの、離散的で不連続な光スポットの分布を前記口腔内表面に同時に、又は別々のタイミングで投射することになっている、請求項１に記載の装置。
  11. 前記パターン生成光学素子は、回折光学素子又は屈折光学素子を含む、請求項１に記載の装置。
  12. 前記２つ以上のカメラは、前記カメラセンサから最も遠いカメラレンズから約１～３０ｍｍの間に位置する物体焦点面で焦点が合うように構成されている、請求項１に記載の装置。
  13. 口腔内表面のデジタル３次元モデルを生成する方法であって、
    口腔内スキャナの細長い手持ち式ワンドの遠位端部のプローブ内に配置された複数の構造化光プロジェクタを駆動して、複数のプロジェクタ光線によって定義される光パターンを口腔内表面に投影するステップと、
    前記細長い手持ち式ワンドの前記遠位端部の前記プローブ内に配置された２つ以上のカメラを駆動して、前記口腔内表面上の前記投影された光パターンの少なくとも一部分を描写する複数の画像をキャプチャするステップと、
    少なくとも１つの均一光プロジェクタを駆動して白色光を前記口腔内表面に投影し、２つ以上のカメラのうちの少なくとも１つが前記均一光プロジェクタからの照明を使用して前記口腔内表面の２次元色付き画像をキャプチャするステップであって、
    口腔内表面の投射光パターンの少なくとも一部分を描写した前記複数の画像を受け取るステップと、
    前記光パターン内の点と、前記口腔内表面上の前記投射光パターンの少なくとも一部分を描写した前記複数の画像内の点との間の対応関係を特定するステップであって、
    前記２つ以上のカメラのそれぞれのカメラセンサ上の画素に対応するカメラ光線を、前記複数のプロジェクタ光線のうちのプロジェクタ光線に関連付ける較正データにアクセスすること、及び
    前記較正データを使用して、前記投射光パターンの少なくとも前記一部分に対応する、プロジェクタ光線とカメラ光線との交点を特定することであって、前記プロジェクタ光線と前記カメラ光線との交点は空間内の３次元点に関連付けられる、前記交点を特定すること、
    によって、前記対応関係を特定するステップと、
    プロジェクタ光線による前記投射光パターンが特定の交点に存在することに前記２つ以上のカメラが同意していることに基づいて、前記投射光パターンの３次元位置を識別するステップと、
    前記識別された３次元位置を使用して、前記口腔内表面の前記デジタル３次元モデルを生成するステップと、
    を含む方法。
  14. 前記光パターンは複数のスポットを含み、前記複数のプロジェクタ光線のそれぞれは、前記複数のスポットのうちのスポットに対応する、請求項１３に記載の方法。
  15. 各プロジェクタ光線は、前記２つ以上のカメラのうちのそれぞれのカメラの前記カメラセンサ上の画素のそれぞれの経路に対応し、前記３次元位置を識別する前記ステップは、
    各プロジェクタ光線ｉごとに、プロジェクタ光線ｉに対応するカメラセンサ経路上の検出された各スポットｊに対して、他の何台のカメラが、プロジェクタ光線ｉに対応するそれぞれのカメラセンサ経路上で、プロジェクタ光線ｉと交差するそれぞれのカメラ光線と、検出されたスポットｊに対応するカメラ光線と、に対応するそれぞれのスポットｋを検出したかを識別するステップであって、プロジェクタ光線ｉは、検出されたスポットｊに対して最多数の他のカメラがそれぞれのスポットｋを検出した、前記検出されたスポットｊを生成した特定のプロジェクタ光線として識別される、前記識別するステップと、
    プロジェクタ光線ｉと、前記検出されたスポットｊ及び前記それぞれの検出されたスポットｋに対応する前記それぞれのカメラ光線と、の交点における前記口腔内表面上のそれぞれの３次元位置を計算するステップと、
    を実施する対応関係アルゴリズムを実行することを含む、
    請求項１４に記載の方法。
  16. 前記３次元位置を識別する前記ステップは更に、
    プロジェクタ光線ｉと、前記検出されたスポットｊ及び前記それぞれの検出されたスポットｋに対応する前記それぞれのカメラ光線と、を検討から除外するステップと、
    次のプロジェクタ光線ｉについて前記対応関係アルゴリズムを再度実行するステップと、
    を含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記口腔内スキャナの温度センサによって生成された温度データを受け取るステップであって、前記温度データは、前記１つ以上の構造化光プロジェクタ又は前記２つ以上のカメラのうちの少なくとも１つの温度を示す、前記受け取るステップと、
    前記温度データに基づいて、複数のそれぞれの温度に対応する、記憶された較正データの複数のセットの中から較正データのセットを選択するステップであって、記憶された較正データの各セットは、それぞれの温度の場合の、（ａ）前記複数の構造化光プロジェクタのそれぞれからの前記投射光スポットのそれぞれに対応するプロジェクタ光線、並びに（ｂ）前記２つ以上のカメラのそれぞれのカメラセンサ上の各画素に対応するカメラ光線を示す、前記選択するステップと、
    を更に含む、請求項１５に記載の方法。
  18. 前記光パターンは非コード化構造化光パターンを含み、前記複数のスポットは、離散的で不連続な光スポットのほぼ均一な分布を含む、請求項１４に記載の方法。
  19. 前記複数のスポットは、第１の波長を有するスポットの第１のサブセットと、第２の波長を有するスポットの第２のサブセットと、を含み、前記較正データは、前記第１の波長の為の第１の較正データと、前記第２の波長の為の第２の較正データと、を含む、請求項１４に記載の方法。
  20. 前記光パターンに対する前記口腔内スキャナのターゲットの位置を示すデータを前記２つ以上のカメラから受け取るステップであって、前記ターゲットは複数の領域を含み、各構造化光プロジェクタはその照明場内に前記ターゲットの少なくとも１つの領域を有し、各カメラはその視野内に前記ターゲットの少なくとも１つの領域を有する、前記受け取るステップと、
    前記受け取ったデータを、前記ターゲットの記憶された較正位置と比較するステップであって、（ｉ）前記ターゲットの位置を示す前記受け取ったデータと、（ｉｉ）前記ターゲットの前記記憶された較正位置と、の間の食い違いは、前記プロジェクタ光線及び前記カメラ光線の、それぞれの較正値からのずれを示す、前記比較するステップと、
    前記３次元位置の識別において前記プロジェクタ光線及び前記カメラ光線の前記ずれを考慮するステップと、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。
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