WO2005103609A1

WO2005103609A1 - 三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法

Info

Publication number: WO2005103609A1
Application number: PCT/JP2004/004632
Authority: WO
Inventors: Masaaki Katsumata; Takayuki Kato
Original assignee: Ihi Aerospace Engineering Co. Ltd.
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-11-03

Abstract

　被測定物にレーザ光を照射するレーザ光源と、反射光を受光する受光素子を備え、受光素子の出力信号により得られる位置情報に基づいて被測定物の三次元形状を測定する装置であって、受光素子で受光した反射光量に基づいて同受光素子で受光する反射光量が適正値になるようにレーザ光照射強度及び受光素子の受光感度特性の少なくとも一方を変化させる制御手段を備えた構成とし、受光素子で直接受光した反射光を用いて制御を行うことで、任意の表面反射率を有する被測定物でも三次元形状を高精度に測定する。

Description

明細書三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法技術分野

本発明は、小物体の三次元形状を非接触で測定するのに用いる三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法に関し、とくに、歯科医療に使用する石膏製歯牙模型ゃヮッタス製補綴物などのように不定形で表面反射率が一定でない小物体の三次元形状を測定するのに好適な三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法に関するものである。背景技術

三次元形状測定装置としては、三次元形状の被測定物にレーザ光を照射してその反射光を受光素子で受光し、レーザ光源と被測定物上のレーザ照射点と受光素子とで形成される三角形から、レーザ光源又は受光素子から被測定物上のレーザ照射点までの距離を求め、被測定物上のレーザ照射点をある基準点に対する座標に計算し直して直交座標空間内の座標値を与えることにより、被測定物の三次元形状を測定するという三角測量方式のものがある。

従来、上記のような三次元形状測定装置を用いて、例えば歯科医療用の歯牙模型の三次元形状を測定する場合には、受光素子で受光する反射光量が適正なものとなるように、照射するレーザ光の波長と照射強度に適した表面反射率を有する材料で歯牙模型を形成していた。しかし、近年では、被測定物の材料の多様化等に伴って、任意の表面反射率を有する被測定物の測定が必要になり、これに対応するものとして、例えば、特開 2 0 0 2— 1 3 9 3 1 1号公報に記載されているものがあった。同公報に記載の三次元形状測定装置は、被測定物にレーザ光を照射してその反射光をラインセンサで受光し、その受光位置に基づいて被測定物までの距離及び被測定物の形状を測定する際に、ラインセンサにより反射された反射光をフォトセンサで受光し、フォトセンサの受光量に基づいてレーザ光の光量を補正して、ラインセンサによる反射光の光量を常に一定に保つことで、任意の表面反射率を有する被測定物を高精度に測定しょうとするものである。

しかしながら、上記したような従来の三次元形状測定装置にあっては、被測定物からの反射光をラインセンサで受光する一方で、レーザ光の光量補正を行うためにラインセンサからの二次的な反射光をフォトセンサで受光することから、フォトセンサで受光する反射光が弱くなつて検出精度が低下する恐れがあり、また、フォトセンサで受光する反射光が弱いことから、レーザ光以外の周囲の光によっても検出精度が低下する恐れがあるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。発明の開示

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、被測定物の三次元形状を測定するに際し、任意の表面反射率を有する被測定物であつてもその三次元形状を高精度に測定することができる三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法を提供することを目的としている。

本発明の三次元形状測定装置は、被測定物にレーザ光を照射するレーザ光源と、被測定物により反射される反射光を受光する受光素子を備え、受光素子の出力信号により得られる位置情報に基づいて被測定物の三次元形状を測定する装置であって、受光素子で受光した反射光量に基づいて同受光素子で受光する反射光量が適正値になるようにレーザ光源のレ一ザ光照射強度及び受光素子の受光感度特性の少なくとも一方を変化させる制御手段を備えたことを特徴としている。

また、本発明の三次元形状測定装置は、被測定物が平坦部及ぴ立壁部を有すると共に、複数の受光素子と、これらの受光素子の各出力信号により得られる位置情報に基づいて被測定物の三次元形状を演算する三次元形状演算手段を備え、受光素子をレーザ光源の両側に配置し、レーザ光源の一方側に位置して被測定物の平坦部からの第一次反射光を多く受ける受光素子を主受光素子と成すと共に、レーザ光源の他方側に位置して被測定物の立壁部からの第一次反射光を多く受ける受光素子を副受光素子と成し、主受光素子及び副受光素子からの各出力信号強度が所定値を越えた段階で出力が大きい方の受光素子のデータを選択して三次元形状演算手段に送る選択手段を備えたことを特徴としている。 '

さらに、本発明の三次元形状測定装置は、レーザ光源及び複数の受光素子が同一平面内に位置していることを特徴としている。

さらに、本発明の三次元形状測定装置は、被測定物を保持して回転軸を中心に回転可能な保持手段と、レーザ光のレーザ光軸を中心に一定の角度でレーザ光の照射方向を変更する走査手段を備えたレーザ投光系と、受光素子を含む受光系とを備え、保持手段の回転軸と、レーザ投光系のレーザ光軸と、受光系の中心軸とを同一面内に配置したことを特徴としている。

さらに、本発明の三次元形状測定装置は、被測定物が、歯科医療用の歯牙模型であって、レーザ光によって歯牙模型の歯の付け根部を照射可能としたことを特徴としている。

また、本発明の三次元形状測定方法は、被測定物にレーザ光を照射し、被測定物により反射される反射光を複数の受光素子で受光して被測定物の三次元形状を測定するに際し、被測定物に対して一定の照射強度でレ一ザ光を走査すると共に、被測定物の複数位置について受光素子で受光した反射光量が過大又は過小であるかを判定し、反射光量が過大であると判定した場合にはレーザ光照射強度及び受光素子の受光感度特性の少なくとも一方を下げると共に、反射光量が過小であると判定した場合にはレーザ光照射強度及び受光素子の受光感度特性の少なくとも一方を上げて、被測定物に対してレーザ光の再走査を行うことを特徴としている。

さらに、本発明の三次元形状測定方法は、被測定物にレーザ光を照射し、被測定物により反射される反射光を受光素子で受光して被測定物の三次元形状を測定するに際し、被測定物に対して照射強度を複数段階に変化させてレーザ光を走査し、被測定物の複数位置について、各段階毎に受光素子で受光した夫々の反射光量から最適値を抽出することを特徴としている。

さらに、本発明の三次元形状測定方法は、レーザ光源から平坦部及び立壁部を有する被測定物にレーザ光を照射し、被測定物により反射される反射光を複数の受光素子で受光して被測定物の三次元形状を測定するに際し、受光素子をレーザ光源の両側に配置し、レーザ光源の一方側に位置して被測定物の平坦部からの第一次反射光を多く受ける主受光素子及びレーザ光源の他方側に位置して被測定物の立壁部からの第一次反射光を多く受ける副受光素子からの各出力信号強度が所定値を越えた段階において、出力が大きい方の受光素子のデータを選択することを特徴としている。

さらに、本発明の三次元形状測定方法は、三次元形状測定装置を用いて三次元形状の被測定物を測定するに際し、標準被測定物に照射角度を変化させてレーザ光を照射して、反射された反射光を受光した受光素子の出力信号値と照射角度とに対応する標準被測定物の座標とを網羅したデータテーブルを用意し、測定対象の被.測定物に照射角度を変化させてレーザ光を照射し、各々の照射角度における受光素子の出力信号値と、標準被測定物の出力信号値とを比較し、測定対象の被測定物の出力信号値に対応する標準被測定物の座標を、測定対象の被測定物の出力信号値を用いて補間することにより、測定対象の被測定物の三次元形状データを得ることを特徴としている。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の三次元形状測定装置の一実施例を簡略的に示す被測定物にレーザ光を照射した状態の動作説明図、図 2は、三次元形状測定装置による測定過程を示すフローチャート（ a ) 及びパワー制御工程を示すフローチャート（ b ) 、図 3は、三次元形状測定装置により被測定物の三次元形状を測定する際の受光センサの選択フローチャート、図 4 は、本発明の三次元形状測定装置の他の実施例を簡略的に示す被測定物にレーザ光を照射した状態の動作説明図、図 5は、図 1の三次元形状測定装置を利用した他の測定過程を示すフローチャート、図 6は、本発明の三次元形状測定装置のさらに他の実施例め全体構成を示す概略図、図 7は、図 6の三次元形状測定装置の光学系のレイアウト図、図 8は、図 6の三次元形状測定装置を用いて三次元形状データを得る計算アルゴリズムを説明するための概略図、図 9は、図 6の三次形状測定装置を用いて三次元形状データを得るためのデータテーブルを示す図、図 1 0は、図 9のデータテーブルを作成するためのテストピース、及ぴ被測定物の三次元形状データ得るステップを説明するための概略図、図 1 1は、従来の三次元形状測定装置により被測定物の三次元形状を測定する際に生じる第二次反射の発生状態を示す説明図、図' 1 2は、従来の三次元形状測定装置により被測定物の三次元形状を測定した際に生じる誤差を説明するための説明図である。発明を実施するための最良の形態

図 1は本発明に係る三次元形状測定装置の一実施例を示す図である。この実施例では、歯科医療に用いる歯科補綴物を製作 ·製造するための石膏製歯牙模型、ヮッタス製補綴物及び対合歯転写型の三次元形状を測定する場合を示している。

図示の三次元形状測定装置 1は、平坦部 B l， B 3及び立壁部 B 2を有する被測定物である石膏製の歯牙模型 Bにレーザ光 L aを照射するレ一ザ投光器（レーザ光源） 2 と、歯牙模型 Bの表面からの反射光 R a 1 ，を受光系光学レンズ 4 a を介して受光して受光位置情報を出力する 2 個の受光センサ（受光素子） 3 と、これらの受光センサ 3の各出力信号により得られる位置情報に基づいて歯牙模型 Bの三次元形状を演算する三次元形状演算手段 6を備えており、レーザ投光器 2及び 2個の受光センサ 3は同一の平面内に位置させてある。

この場合、 2個の受光センサ 3は、レーザ投光器 2を間にして上下に並べて配置（レーザ投光器 2を境にして互いに異なる象限に配置）してあって、レーザ投光器 2の上側に位置して歯牙模型 Bの平坦部 B 1からの第一次反射光を多く受ける受光センサ 3を主受光センサ 3 Uとしている共にレーザ投光器 2の下側に位置して歯牙模型 Bの立壁部 B 2からの第一次反射光を多く受ける受光センサ 3を副受光センサ 3 Dとしている。

また、受光センサ 3 U， 3 Dと三次元形状演算手段 6 との間には、主受光センサ 3 U及び副受光センサ 3 Dからの各出力信号強度が所定値を越えた段階において、出力が大きい方の受光センサ 3 U (あるいは 3 D ) のデータを選択して三次元形状演算手段 6に送る選択手段 5が設けてある。

さらに、当該三次元形状測定装置 1は、図示を省略したが、歯牙模型 Bを保持してその上下方向となる回転軸を中心に回転可能な保持手段や、レーザ光 L aを一定の角度範囲で走査する走査手段を備えると共に、先述したようにレーザ投光器 2及び受光センサ 3を同一の平面内に位置させるのに加えて、保持手段の回転軸やレーザ光 L aの走査範囲も同一面内に配置している。

そして、当該三次元形状測定装置 1は、受光センサ 3で受光した反射光量に基づいて、同受光センサ 3で受光する反射光量が適正値になるように、レーザ投光器 2から照射するレーザ光 L a の光照射強度を変化させる制御手段 7を備えている。この制御手段 7は、レーザ光照射強度の制御を行うほか、保持手段に対して、駆動源であるモータの基準位置や回転の制御を行うと共に、走查手段に対して、駆動源であるモータの回転やオン · オフの制御を行うものとなっている。

上記構成を備えた三次元形状測定装置 1 は、歯牙模型 Bの三次元形状を測定するに際して、回転する歯牙模型 Bに対して一定の照射強度でレ一ザ光 L aを走查すると共に、歯牙模型 Bの複数位置について受光センサ 3で受光した反射光量が過大又は過小であるかを判定し、反射光量が過大であると判定した場合にはレーザ光照射強度を下げると共に、反射光量が過小であると判定した場合にはレーザ光照射強度を上げて、歯牙模型 Bに対してレーザ光 L a の再走査を行う。

すなわち、図 2 ( a ) のフローチャートに示すように、測定を開始すると、ステップ S 1 のレーザ安定化、及ぴステツプ S 2の歯牙模型 Bの基準位置移動を終了した後、ステップ S 3において三次元形状演算手段 6における各種データの読み込みを行う。そして、ステップ S 4において、選択手段 5により、後記する受光センサ 3の選択を行った後、ステップ S 5において、制御手段 7により、レーザ投光器 2から照射するレ一ザ光 L a の光照射強度を変化させるパワー制御を行う。このステップ S 5では、図 2 ( b ) に示すように、ステップ S 5 aにおいて、受光センサ 3で受光した反射光量が適正値の範囲内であるか否かを判定し、反射光量が適正値である場合（Y e s ) にはステップ S 6 の座標演算に進み、反射光量が適正値の範囲外である場合（N o ) にはステップ S 5 bにおいてレーザ出力制御を行う。

つまり、先述の如く、反射光量が過大である場合にはレーザ光反射強度を下げると共に、反射光量が過小である場合にはレーザ光反射強度を上げるようにする。そして、ステップ S 5 cにおいて抜け埋め処理、すなわち変化させたレーザ光照射強度で取得したデータを更新データとして、この更新データをステップ S 3における読み込み時に反射光量が適正範囲外となって欠落したデータとして加える処理を行った後、ステツプ S 6の座標演算に移行する。

そして、ステップ S 7により、歯牙模型 Bの一回転毎又はレーザ光 L aのー走查毎に上記レーザ光照射強度の制御を繰り返しつつ、歯牙模型 Bの三次元形状を測定した後、測定終了となる。

このように、当該三次元形状測定装置 1及び測定方法では、歯牙模型 Bにレーザ光 L aを照射してその反射光を受光センサ 3で受光し、受光センサ 3が直接受光した反射光量をレーザ光照射強度の制御に用いて、同受光センサ 3で受光する反射光量が適正値になるようにするので、受光センサ 3素子においては、制御用の反射光量が低下することがなく且つレーザ光 L a以外の周囲の光の影響も受け難いものとなる。

これにより、歯牙模型 Bの材料（この実施例では石膏）が任意の表面反射率を有するものであっても、その三次元形状を高精度に測定することができ、また、受光センサ 3が上記制御時の受光部と測定時の受光部を兼ねるので、例えば二次的な反射光をフォトセンサで受光してレーザ光の光量補正を行う従来の装置と比較すると、測定精度が向上するうえに構造の簡略化を実現し得るものとなる。

次に、当該三次元形状測定装置 1により歯牙模型 Bの三次元形状を測定する要領を説明する。この三次元形状測定装置 1において、レーザ光 L aが歯牙模型 Bの平坦部 B 1に当たっている場合には、強い第一次反射光 R a 1が主受光センサ 3 Uに入ると共に、弱い第一次反射光 R a 1 ' が副受光センサ 3 Dに入る。

このとき、選択手段 5では、図 2 ( a ) 中のステップ S 4の詳細を図 3に示すように、両受光センサ 3 U , 3 Dで得た各座標値（ステップ S 4 a ) に対して、どちらの座標値を採用するかの判定がステップ S 4 b 及びステップ S 4 cにおいて成される。

すなわち、ステップ S 4 bでは、副受光センサ 3 Dの出力電圧（出力信号強度）が所定値 X ( V ) 以上であるか否かの判定が成され、これに続くステップ S 4 cでは、主受光センサ 3 Uの出力電圧が所定値 Y

( V ) 以下でかつ副受光センサ 3 Dの出力電圧が所定値 Z ( V ) 以上であるか否かの判定が成されるようになつており、上記のように、レーザ光 L aが歯牙模型 Bの平坦部 B 1に当たっている場合には、副受光センサ 3 Dの出力電圧が弱いので、ステップ S 4 dに進んで主受光センサ 3 Uの座標値が採用され、三次元形状演算手段 6において、この主受光センサ 3 Uからのデータに基づいた演算が成されることとなる。

一方、レーザ光 L aが歯牙模型 Bの立壁部 B 2に当たっている場合には、強い第一次反射光 R a 2が副受光センサ 3 Dに入ると共に、弱い第一次反射光 R a 2，が主受光センサ 3 Uに入り、この際、強い第一次反射光 R a 2の一部が近くの平坦部 B 3に当たって生じる第二次反射光 R b 2も主受光センサ 3 Uに入る。

このとき、選択手段 5では、ステップ S 4 bにおいて、副受光センサ 3 Dの出力電圧が所定値 X ( V ) 以上であるか否かの判定がなされ、上記のように、副受光センサ 3 Dに入る第一次反射光 R a 2がとくに強い場合（Y e s ) には、ステップ S 4 e に進んで副受光センサ 3 Dの座標値が採用されて、三次元形状演算手段 6において、この副受光センサ 3 Dからのデータに基づいた演算が成され、また、ステップ S 4 bにおいて、副受光センサ 3 Dの出力電圧が著しく大きくなく所定値 X ( V ) に達していない場合（N o ) には、ステップ S 4 cにおいて、主受光センサ 3 Uの出力電圧が所定値 Y ( V ) 以下で且つ副受光センサ 3 Dの出力電圧が所定値 Z ( V ) 以上であるか否かの判定が成され、この条件が満たされている場合（Y e s ) には、ステップ S 4 eに進んで副受光センサ 3 Dの座標値が採用されて、この副受光センサ 3 Dからのデータに基づいた演算が成される。 '

上記したように、この三次元形状測定装置 1では、制御手段 7でレーザ光照射強度の制御を行うことにより、任意の表面反射率を有するものであっても、その三次元形状を高精度に測定することができることに加えて、レーザ光 L aが歯牙模型 Bの平坦部 B 1に当たっている場合、及びレーザ光 L aが歯牙模型 Bの立壁部 B 2に当たっている場合のいずれにおいても、選択手段 5によって出力が大きい方の受光センサ 3 U (あるいは 3 D ) のデータが自動的に選択されるので、すなわち第二次反射光の入り難い部位に位置する受光センサ 3、あるいは第二次反射光が入つたとしても第一次反射光の相対的な光強度がより大きい部位に位置する受光センサ 3からの出力信号が自動的に選択処理されるので、歯牙模型 Bの最も測定精度を要するマージンライン（立壁部 B 2 と平坦部 B 3 との間の部分）近傍の形状測定において、第二次反射による誤差の少ない適合性の高い測定精度が得られることとなり、この際、レーザ投光器 2及び 2個の受光センサ 3を同一の平面内に位置させているので、測定精度がより一層向上することとなる。 .

一 11一また、この三次元形状測定装置 1では、選択手段 5によって第一次反射光の相対的強度のより大きい位置の受光センサ 3が選択されるため、第一次反射光の強度が弱い条件において、 S N比の悪化に伴う座標ノィズの増加を阻止し得ることとなり、したがって、これによつても、形状測定精度の向上が図られることとなる。

ここで、従来の三次元形状測定装置においては、歯牙模型表面に照射されたビームスポットからの第一次反射光が受光センサ視野内にある周辺部で更に反射し、第一次反射光と周辺部での第二次反射光とが重畳して受光センサに入ることによって、多重反射誤差が生じることがある。つまり、図 1 1に示すように、レーザ光 Lが被測定物である歯牙模型 Aの平坦部 A 1 に当たっている場合には、受光視野内に第二次反射を生じさせるような反射物がないので、強い第一次反射光 R 1のみが受光センサ 5 3に入って多重反射誤差が発生することはないが、レーザ光 Lが歯牙模型 Aの立壁部 A 2に当たっている場合には、弱い第一次反射光 R 2が受光センサ 5 3に入ると同時に、図示下方に向かって反射する第一次反射光 R 2の一部が近くの平坦部 A 3に当たって第二次反射光 R 2 ' が生じてしまい、この第二次反射光 R 2 ' が受光センサ 5 3に入ることで多重反射誤差が発生し、レーザ光 Lと受光センサ 5 3へ到達する上記第二次反射光 R 2 ' との交点 Pに、歯牙模型 Aの反射面が存在するかの如く誤差座標を与えてしまうことがある。

詳述すれば、図 1 2に示すように、レーザ光 Lが歯牙模型 Aの立壁部 A 2に当たっている場合には、受光センサ 5 3に向けて直接反射する第一次反射光 R 2の光強度は弱く、第一次反射光 R 2のうちの近くの平坦部 A 3に当たって生じる第二次反射光 R 2 ' の光強度が相対的に強くなり、一方、レーザ光 Lが平坦部 A 3に当たっている場合には、受光センサ 5 3に向けて反射する第一次反射光 R 3の光強度は強く、第一次反射光 R 3のうち立壁部 A 2に当たって受光センサ 5 3に向けて反射する誤差分の第二次反射光 R 3，は、レーザ光 Lが歯牙模型 Aの立壁部 A 2に当たっている場合と比べて小さくなつて、この誤差分の第二次反射光 R 3 ' は第一次反射光 R 3に対して大幅に小さくなる。

したがって、この誤差が含まれた場合の測定座標は、図 1 2に仮想線で示すようになってしまい、すなわち、歯牙模型 Aの最も測定精度を要する補綴物嵌め合い部（マージンライン）近傍において測定精度が悪化してしまい、本測定座標データに基づいて製作された補綴物は形状精度が悪く、補綴物を取り付ける台歯と適合しないものとなる。また、歯牙' 模型 Aの形状と受光センサ 5 3の配置に起因するレーザ光 Lの第一次反射光の強度が弱い条件下では、受光センサ 5 3からの信号の S N比が悪化してノィズが増加するのに伴って、形状測定精度の低下を招く恐れがある。

このような従来の三次元形状測定装置に対して、上記実施例で説明した三次元形状測定装置 1及び三次元形状測定方法によれば、先述したように測定精度をより一層向上し得ることとなり、従来の三次元形状測定装置の不具合を解消することができる。

図 4は本発明に係る三次元形状測定装置の他の実施例を示す図である。なお、先の実施例と同一の構成部位については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

先の実施例における三次元形状測定装置（ 1 ) では、制御手段 7がレ一ザ光 L aの光照射強度を制御するのに対して、この実施例の三次元形状測定装置 1 1では、制御手段 7が、受光センサ 3で受光した反射光量に基づいて、同受光センサ 3で受光する反射光量が適正値になるように、同受光センサ 3の受光感度特性を変化させるものとなっており、これに加えて、歯牙模型 Bの保持手段やレーザ光 L aの走查手段を制御する。より具体的には、主受光センサ 3 U及び副受光センサ 3 Dと制御手段 7 との間に、個々のゲイン可変アンプ 8 a， 8 bを設けた構成とし、歯牙模型 Bの三次元形状を測定するに際して、回転する歯牙模型 Bに対して一定の照射強度でレーザ光 L aを走査すると共に、歯牙模型 Bの複数位置について受光センサ 3で受光した反射光量が過大又は過小であるかを判定する。そして、反射光量が過大であると判定した場合には、ゲイン可変アンプ 8 a , 8 bのアンプゲインを下げて受光センサ 3の受光感度特性を低くし、また、反射光量が過小であると判定した場合には、ゲイン可変アンプ 8 a , 8 bのアンプゲインを上げて受光センサ 3の受光感度特性を高くし、これにより受光センサ 3で受光する反射光量が適正値になるようにして、歯牙模型 Bに対してレーザ光 L a の再走査を行う。

このように、受光センサ 3が直接受光した反射光量を同受光センサ 3 の受光感度特性の制御に用いるようにしても、先の実施例と同様に、制御用の反射光量が低下することがなく且つレーザ光 L a以外の周囲の光の影響も受け難いものとなるので、歯牙模型 Bの材料（この実施例では石膏）が任意の表面反射率を有するものであっても、その三次元形状を高精度に測定することができる。

図 5は、図 1に示す三次元形状測定装置を利用した他の測定過程（測定方法）を説明するフローチャートである。

この測定方法では、被測定物である歯牙模型 Bにレーザ光 L aを照射し、その反射光を受光センサ（主受光センサ 3 U及ぴ副受光センサ 3 D ) 3で受光して歯牙模型 Bの三次元形状を測定するに際し、照射強度を例えば 3〜 1 0程度の複数段階に変化させてレーザ光 L a を走査し、歯牙模型 Bの複数位置について、各段階毎に受光センサ 3で受光した夫々の反射光量から最適値を抽出する。

すなわち、測定を開始すると、ステップ S 1 のレーザ安定化、及ぴステツプ S 2の歯牙模型 Bの基準位置移動を終了した後、ステップ S 1 1 において、レーザ光 L aの照射強度を複数段階のうちの一段階（最高強度又は最低強度）に設定して同レーザ光 L aを走査する。

次に、ステップ S 1 2において三次元形状演算手段 6における各種データの読み込みを行つた後、ステップ S 1 3においてデータの比較及び最適値の抽出を行い、反射光量が過大又は過小のデータを除外し、反射光量が最適値となったデータを抽出する。そして、ステップ S 1 4において選択手段 5により受光センサ 3の選択（図 3参照）を行い、ステツプ S 6における座標演算を経た後、ステップ S 7において歯牙模型 Bの一回転分の測定を終了する。

上記の如く歯牙模型 Bの一回転分の測定が終了すると、再ぴステツプ S 1 1に戻り、レーザ光 L aの照射強度を次の段階に変化させて同様の工程を繰り返し、ステップ S 7における処理回数が予め設定した照射強度の段階数に達したところで、全ての測定を終了する。

このように、照射強度を複数段階に変化させてレーザ光 L aを走査すると共に、歯牙模型 Bの複数位置について各段階毎に受光センサ 3で受光した夫々の反射光量から最適値を抽出する測定方法では、例えばレーザ光 L aの照射強度をある段階に設定した際に、部分的に反射光量が過大又は過小になっても、そのデータを除外して適正値だけを抽出し、データを除外した部分については、別の照射強度で走査した際に得られた適正値を加えるので、歯牙模型 Bの複数位置に対する測定データが最適値のみで構成されることとなる。

これにより、先の実施例と同様に、歯牙模型 Bの材料（この実施例では石膏）が任意の表面反射率を有するものであっても、その三次元形状を高精度に測定することができる。

なお、上記の測定方法に類似するものとしては、例えば図 4に示す三次元形状測定装置を利用し、受光センサ 3の受光感度特性、すなわちゲイン可変アンプ 8 a , 8 bにおけるアンプゲインを複数段階に変化させてレーザ光 L aを走査し、歯牙模型 Bの複数位置について、各段階毎に受光センサ 3で受光した夫々の反射光量から最適値を抽出する測定方法力 ^sある。

ただし、図 4に示す三次元形状測定装置を用いる場合には、主受光センサ 3 U及び副受光センサ 3 Dの二つの受光感度特性を複数段階に変化させる必要があり、これに対して、図 5に基づいて説明した測定方法では一つのレーザ出力だけを複数段階に変化させれば良いので、その分制御が容易である。

図 6は、本発明に係わる三次元形状測定装置のさらに他の実施例を示す図である。図示の三次元形状測定装置 2 1 は、被測定物としての歯牙模型（又は印象模型） 3 0及び隣接歯 3 4、 3 5を載置して保持する保持手段としての回転テープル 2 2 と、歯牙模型 3 0にレーザ光 L aを照射するレーザ光源 2 9 と、レーザ光 L a のレーザ光軸 2 9 bを中心に一定の角度で照射方向を変更する走查手段としてのポリゴンミラー 3 1 を含むレーザ投光系 2 3 と、歯牙模型 3 0で反射した反射光を集光する受光系光学レンズ 3 2及び受光素子 3 3を含むレーザ受光系 2 4を備えている。

また、三次元形状測定装置 2 1は、三次元形状測定装置 2 1 を操作するための表示ノ操作用タツチパネル L C D 2 5 と、受光素子 3 3の検出値等から歯牙模型 3 0の形状を演算する三次元形状演算手段 2 6 と、三次元形状測定装置 2 1全体を制御する制御手段 7 と、得られた三次元形状データを L A N又は電話回線等の通信回線 2 8を介してパーソナルコンピュータゃサーバーに送信する通信制御部 2 7を備えている。

制御手段 7は、図 1で説明した実施例と同様に、受光素子 3 3で受光した反射光量に基づいて、同受光素子 3 3で受光する反射光量が適正値になるように、レーザ光源 2 9から照射するレーザ光 L a の光照射強度を変化させる制御を行い、このほか、回転テーブル 2 2やポリゴンミラ一 3 1 の駆動制御を行う。なお、制御手段 7は、図 4で説明した実施例のように受光素子 3 3 との間にゲイン可変アンプを設けて、受光素子 3 3の受光感度特性を制御することも可能である。

回転テーブル 2 2は、鉛直軸回りに回転可能な円板状を成し、その天板には、測定対象となる歯牙模型 3 ◦及び隣接歯 3 4、 3 5を固定する。なお、測定の際には、隣接歯 3 4 , 3 5はレーザ光軸 2 9 b と受光軸を遮らないように移動させる。

レーザ投光系 2 3は、図 6及び図 7に示すように、レーザ光源 2 9 とポリゴンミラー（図 7にはミラー面のみを表示） 3 1 を備えており、ポリゴンミラー 3 1の回転に応じてレーザ光の照射方向が移動し、スキヤニング動作を行うように構成される。なお、図 7では、スキャニング角度 0が 4 5 ° で、この角度を中心にして左右 1 0 ° の幅で走査することができる。

レーザ受光系 2 4は、図 6及び図 7に示すように、光学レンズ 3 2及び受光素子 3 3 とを備え、歯牙模型 3 0で反射した反射光を受光して、後述する要領で歯牙模型 3 0 の三次元座標を得る。図 7では、視野角が 1 1 . 3 ° X 2で、図中の一点鎖線 3 9で示したラインがレーザ ' 受光系焦点ラインとなり、ハッチング領域 3 6が高精度計測範囲、ハツチング領域 3 7、 3 8が有効計測範囲となる。

なお、歯牙模型 3 0においてとくに高い測定精度が要求される付け根部に確実にレーザビームスポットが当たり、且つ歯牙模型 3 0からの拡散反射光を受光素子 3 3に入射させるため、図 6に示すように、レーザ光源 2 9及び受光素子 3 3を歯牙模型 3 0に対して斜め位置とし、且つレーザ光源 2 9からのレーザ光軸 2 9 b と、図 7及び図 8に示す光学レンズ 3 2の中心軸 3 2 a と、回転テーブル 2 2の回転軸 2 2 a とが同一の垂直面内になるように配置する。

上記構成を有する三次元形状測定装置 2 1及ぴ三次元形状測定方法では、歯牙模型 3 0の三次元形状を測定するに際して、先の各実施例と同様に、回転テーブル 2 2 とともに回転する歯牙模型 3 0に対して一定の照射強度でレーザ光 L a を走査すると共に、歯牙模型 3 0 の複数位置について受光素子 3 3で受光した反射光量が過大又は過小であるかを判定する。そして、反射光量が過大であると判定した場合は、レーザ光源 2 9からのレーザ光照射強度を下げ、また、反射光量が過小であると判定した場合は、レーザ光源 2 9からのレーザ光照射強度を上げて、受光素子 3 3で受光する反射光量が適正値になるようにし、歯牙模型 Bに対してレーザ光 L a の再走査を行う。

これにより、当該三次元形状測定装置 2 1及び三次元形状測定方法にあっても、受光素子 3 3に対して、制御用の反射光量が低下することがなく且つレーザ光 L a以外の周囲の光の影響も受け難いものとなるので、歯牙模型 3 0の材料が任意の表面反射率を有するものでも、その三次元形状を高精度に測定することができる。

また、歯牙模型 3 0の三次元形状を測定するには、図 8に示すように、回転テーブル 2 2を回転させると共に、ポリゴンミラー 3 1 を回転又は振動させることによってレーザ光源（光軸 2 9 b ) 2 9からのレーザビ一ムスポットを回転テーブル 2 2 の回転軸 2 2 a を通る線上で歯牙模型 3 0上に移動させて走查する。ここで、レーザ光源 2 9は連続光とせず、所定の微小な走査角度に同期してパルス変調された間歇光とする。

受光素子 3 3 の 2つの出力（ I a、 l b ) とスキャニング角度（ Θ ) データから、 X Y平面座標上のレーザスポッ卜の当たっている位置座標 P ( x、 y ) を次の要領で求める。

まず、上記スキヤユング角度 Θ と、スキャニング中心座標 2. 9 aからレーザビーム直線式を求める。次に、受光素子 3 3 の 2つの出力（ I a、 1 b ) から得られる受光面の位置 3 3 a と受光系光学レンズ 3 2 の中心を通る反射光軸 3 2 a の直線式から反射光軸直線式を求める。そして、両直線の交点 P ( x、 y ) を二元連立方程式を解いて求めることができる。この動作を、スキャニング角度 Θ を変化させながら、回転テーブル 2 2を 3 6 0 ° 回転させて行うことにより歯牙模型 3 0の全体の三次元形状データを得ることができる。

ここで、当該三次元形状測定装置 2 1及び三次元形状測定方法では、歯牙模型 3 0の形状測定の前に、予め形状（座標）の分かっている標準形状テストピース（以下「テストピース」と略称する）を用いる。

すなわち、上記テストピースを複数用意し、テストピースの表面に間歇レーザビームを走査して得た受光素子 3 3 の出力信号値（ I a、 I b ) と、当該テストピース上に幾何学的に決定されるレーザビームスポットの座標値（ x、 y ) とを対応させ、標準座標テーブルを作成して三次元形状演算手段 2 6 (図 6 ) に記憶させる。そして、歯牙模型 3 0 の測定時に、上記要領で取得したデータ（ I a、 I b、 θ ) を標準座標テ一プルを用いて補正し、座標の不明な歯牙模型 3 0に照射されたレーザビームスポットの座標を求める。

より具体的には、図 1 0に示すような平面的なテストピースを用い、図 9に示すように、スキャニング角度 0 と、以下の式 1によって算出された s値（測定値）の 2つのデータと X _ Υ座標の対応データテーブルを予め作成し、測定時に取得した I a、 I より s値を算出し、当該スキヤユング角度 6 (図示例では、 6 = 0 ₃ ) において算出した s値がテストピースの s値との間に入る 2つのテストピースを定め（図示例では、 N o . 2 と N o . 3 ) 、これらの 2つのテーブルの X Y座標を補間して、測定点 P ( x、 y ) の校正済み座標とする。

s = ( l a - l b ) / ( I a + l b ) … 式 1

これによつて、三角測量法と距離 · 座標変換方式を用いることなく直交座標空間内の正確な座標値を求めることができる。

なお、上記各実施例では、本発明に係る三次元形状測定装置が、歯科治療に用いる歯科捕綴物を製作 ·製造するための歯牙模型及び対合歯転写型の三次元形状測定装置である場合を示したが、これに限定されるものではない。また、各実施例では、レーザ光照射強度及び受光感度特性のいずれか一方を制御する場合を説明したが、レーザ光照射強度及ぴ受光感度特性の両方を制御することも可能であり、それ以外の構成においても、本発明に係る三次元形状測定装置の細部が上記各実施例に限定されるものではない。産業上の利用可能性

本発明の三次元形状測定装置によれば、三次元形状の被測定物にレーザ光を照射してその反射光を受光素子で受光し、受光素子が直接受光した反射光量をレーザ光源のレーザ光照射強度ゃ受光素子の受光感度特性の制御に用いて、同受光素子で受光する反射光量が適正値になるようにするので、受光素子において、制御用の反射光量が低下することがなく且づレーザ光以外の周囲の光の影響も受け難いものとなり、任意の表面反射率を有する被測定物の三次元形状を高精度に測定することができる。また、受光素子が上記制御時の受光部と測定時の受光部を兼ねるので、例えば二次的な反射光をフォトセンサで受光してレーザ光の光量補正を行う従来の装置と比較すると、測定精度が向上するうえに構造の簡略化を実現することができる。また、本発明の三次元形状測定装置の好適な例によれば、第二次反射による影響を取り除いた高精度な三次元形状の測定を行うことができ、例えば、石膏製歯牙模型のマージンラインすなわち支台歯における歯冠との接合ラインの部分の形状測定において、適合性の高い補綴物製作に必要な測定精度を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

さらに、本発明の三次元形状測定装置の好適な例によれば、測定精度がより一層向上することとなる。

さらに、本発明の三次元形状測定装置の好適な例によれば、機械的に動くのが被測定物の保持手段のみとなり、測定機器の移動に要する時間を大幅に短縮することができ、短時間で全体の形状データを得ることができる。

さらに、本発明の三次元形状測定装置の好適な例によれば、従来の方法で生ずる被測定物の死角を除去しながら、短時間で全体の形状データを得ることができる。これにより、被測定物である歯牙模型の歯の付け根部において、とくに高い精度が要求されるマージンラインの部分などを高精度に測定することができる。

本発明の三次元形状測定方法によれば、三次元形状の被測定物に一定の照射強度でレーザ光を走査してその反射光を受光素子で受光し、被測定物の複数位置について受光素子で受光した反射光量が過大又は過小であるかを判定し、その判定結果に基づいてレーザ光源のレーザ光照射強度ゃ受光素子の受光感度特性を制御すると共に、被測定物に対してレーザ光の再走查を行うので、受光素子において、制御用の反射光量が低下することがなく且つレーザ光以外の周囲の光の影響も受け難いものとなり、任意の表面反射率を有する被測定物の三次元形状を高精度に測定することができる。また、被測定物に対してレーザ光を連続的に走査しながら、レーザ光照射強度ゃ受光素子の受光感度特性を制御し、これに続いて被測定物の三次元形状の測定を行うことができるので、測定時間の短縮化にも貢献し得るものとなる。

また、本発明の三次元形状測定方法の好適な例によれば、被測定物に対して照射強度を複数段階に変化させてレーザ光を走査し、被測定物の複数位置について、各段階毎に受光素子で受光した夫々の反射光量から最適値を抽出することにより、任意の表面反射率を有する被測定物の三次元形状を高精度に測定することができる。

さらに、本発明の三次元形状測定方法の好適な例によれば、第二次反射による影響を取り除いた高精度な三次元形状の測定を行うことができ、例えば、石膏製歯牙模型のマージンラインすなわち支台歯における歯冠との接合ラインの部分の形状測定において、適合性の高い補綴物製作に必要な測定精度を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

さらに、本発明の三次元形状測定方法の好適な例によれば、三角測量法と距離 ·座標変換方式を用いずに、受光センサからの電気信号から直接的に座標を求めるため、簡単で且つ高速な座標計算によって被測定物の三次元形状データを得ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 被測定物にレーザ光を照射するレーザ光源と、被測定物により反射される反射光を受光する受光素子を備え、受光素子の出力信号により得られる位置情報に基づいて被測定物の三次元形状を測定する装置であつて、 '受光素子で受光した反射光量に基づいて同受光素子で受光する反射光量が適正値になるようにレーザ光源のレーザ光照射強度及ぴ受光素子の受光感度特性の少なくとも一方を変化させる制御手段を備えたことを特徴とする三次元形状測定装置。

2 . 被測定物が平坦部及び立壁部を有すると共に、複数の受光素子と、これらの受光素子の各出力信号により得られる位置情報に基づいて被測定物の三次元形状を演算する三次元形状演算手段を備え、受光素子をレ一ザ光源の両側に配置し、レーザ光源の一方側に位置して被測定物の平坦部からの第一次反射光を多く受ける受光素子を主受光素子と成すと共に、レーザ光源の他方側に位置して被測定物の立壁部からの第一次反射光を多く受ける受光素子を副受光素子と成し、主受光素子及ぴ副受光素子からの各出力信号強度が所定値を越えた段階で出力が大きい方の受光素子のデータを選択して三次元形状演算手段に送る選択手段を備えたことを特徴とする請求項 1に記載の三次元形状測定装置。

3 . レーザ光源及び複数の受光素子が同一平面内に位置していることを特徴とする請求項 2記載の三次元形状測定装置。

4 . 被測定物を保持して回転軸を中心に回転可能な保持手段と、レーザ光のレーザ光軸を中心に一定の角度でレーザ光の照射方向を変更する走查手段を備えたレーザ投光系と、受光素子を含む受光系とを備え、保持手段の回転軸と、レーザ投光系のレーザ光軸と、受光系の中心軸とを同一面内に配置したことを特徴とする請求項 1に記載の三次元形状測定装置。

5 . 被測定物は、歯科医療用の歯牙模型であって、レーザ光によって歯牙模型の歯の付け根部を照射可能としたことを特徴とする請求項 4に記載の三次元形状測定装置。

6 . 被測定物にレーザ光を照射し、被測定物により反射される反射光を受光素子で受光して被測定物の三次元形状を測定するに際し、被測定物に対して一定の照射強度でレーザ光を走査すると共に、被測定物の複数位置について受光素子で受光した反射光量が過大又は過小であるかを判定し、反射光量が過大であると判定した場合にはレーザ光照射強度及ぴ受光素子の受光感度特性の少なくとも一方を下げると共に、反射光量が過小であると判定した場合にはレーザ光照射強度及び受光素子の受光感度特性の少なくとも一方を上げて、被測定物に対してレーザ光の再走查を行うことを特徴とする三次元形状測定方法。

7 . 被測定物にレーザ光を照射し、被測定物により反射される反射光を受光素子で受光して被測定物の三次元形状を測定するに際し、被測定物に対して照射強度を複数段階に変化させてレーザ光を走査し、被測定物の複数位置について、各段階毎に受光素子で受光した夫々の反射光量から最適値を抽出することを特徴とする三次元形状測定方法。

8 . レーザ光源ら平坦部及び立壁部を有する被測定物にレーザ光を照射し、被測定物により反射される反射光を複数の受光素子で受光して被測定物の三次元形状を測定するに際し、受光素子をレーザ光源の両側に配置し、レーザ光源の一方側に位置して被測定物の平坦部からの第一次反射光を多く受ける主受光素子及びレーザ光源の他方側に位置して被測定物の立壁部からの第一次反射光を多く受ける副受光素子からの各出力信号強度が所定値を越えた段階において、出力が大きい方の受光素子のデータを選択することを特徴とする三次元形状測定方法。

9 . 請求項 4又は 5に記載の三次元形状測定装置を用いて三次元形状の被測定物を測定するに際し、標準被測定物に照射角度を変化させてレーザ光を照射して、反射された反射光を受光した受光素子の出力信号値と照射角度とに対応する標準被測定物の座標とを網羅したデータテーブルを用意し、測定対象の被測定物に照射角度を変化させてレーザ光を照射し、各々の照射角度における受光素子の出力信号値と、標準被測定物の出力信号値とを比較し、測定対象の被測定物の出力信号値に対応する標準被測定物の座標を、測定対象の被測定物の出力信号値を用いて補間することにより、測定対象の被測定物の三次元形状データを得ることを特徴とする三次元形状測定方法。