JP2010525404A - 対象物の３次元測定のための配置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 対象物の３次元測定のための配置および方法を提供することである。
【解決手段】 本発明は、対象物（２８）の少なくとも一部の３次元の測定のための測定配置、および、方法に関し、それは、連続スペクトルを有する光源（１０）、多焦点照明パターン（１６）を生成する装置（１４）、対象物上の照明パターンの焦点を撮像するための大きい色収差を有するレンズ（１８）、レンズを介して対象物上に共焦点的に撮像された焦点の波長スペクトルを生成するための検出ユニット（４０）、および、共焦点的に撮像される焦点と検出装置との間に配置されたスペクトル−分散素子（３４、３６、３３）を具備する。
【選択図】

Description

本発明は対象物上の、特に、半透明の対象物の少なくとも１つの部分の３次元測定のための測定配置に関する。そして、それは、連続スペクトラムを有する１つの光源、多焦点照射パターンを生成する１つの装置、対象物上の照射パターンの画像焦点に対する高色収差を有する対物レンズ、対物レンズを介して対象物上へ共焦点的に撮像される焦点の波長スペクトラムを決定するＣＣＤチップのような検知器ユニット、共焦点的に撮像された焦点と検知器ユニットとの間に配置される同じく１つのスペクトル分散装置を具備する。

本発明は、更に、対象物、特に少なくとも歯のセクションのような半透明の対象物の少なくとも１つのセクションの形状を測定する方法に関する。そして、それは、連続スペクトラムを有する光を生成するための１つの光源、多焦点照射パターンを生成する１つの装置、対象物の上の照射パターンの画像焦点に対する高色収差を有する１つの対物レンズ、対物レンズを介して対象物上へ共焦点的に撮像される焦点の波長スペクトラムを決定する１つの検知器ユニットを利用し、それによって、それぞれの波長スペクトルから、各々の焦点のスペクトルのピーク位置が決定され、その後、イメージング線（ｉｍａｇｉｎｇ ｒａｙ）の方向（ｚ座標）に沿って対象物の範囲を計算する。

多くの技術分野において、対象物の３次元構造を決定すること、すなわち計測することは、必要である。１つの実施例は、歯の形状の決定である。そして、それは、義歯を生成するのに必要である。ギブス（ｐｌａｓｔｅｒ ｃａｓｔ）を使用する従来方法によっていまだ生成される歯の復元のために、１つは、対応する古典的方法を残して、および、非接触方法を使用して歯の形状のジオメトリを決定するために努力する。

本体の３次元構造の取得のための多数の方法は、公知技術である。１つの既存の光学的方法の中で、板射影法（ｓｔｒｉｐ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）、または、位相シフト法、光学的コヒーレンストモグラフィ、および、ホログラフィに言及しなければならない。歯科医学の分野において、位相変移方法は、すでに実装置が見つかる。しかしながら、対応する光学的方法が、特に、高い散乱特性を有する対象物に対しては、所望の結果を生じないことは、明らかである。板射影法、例えば、散乱が板（ｓｔｒｉｐ）の規定の欠如を誘導し、および、その結果として、より低い分解能を導く。

対象物は全体として照らされず、むしろ単に１つの鋭い焦点を有する１つの領域、または、共焦イメージングを利用するいくつかの焦点とされる方法は、また、知られている。完全な二次元画像を得るために、焦点（ｆｏｃｕｓ）または（複数の）焦点（ｆｏｃｉ）が対象物全体に走査されなければならない。３次元構造を測定するために、軸方向に沿って焦点面をシフトすることを必要とする。

別の形態として、広帯域光源、および、波長に強く依存する焦点距離を有する適切な光学システムは、焦点または（複数の）焦点を撮像するのに使用され得る。その結果、焦点は、それらの波長に依存する対物レンズから、異なる距離で鋭く撮像される。対物レンズを介して後方に焦点を撮像した後に、強度の最大は、対応する物体距離で鋭く撮像される特定の色に対する焦点平面で検出されることができる。かくして、スペクトルのピーク位置を決定することは、この点で対象物と、対物レンズとの間の距離を決定することを可能にする。その結果として、最後に対象物の３次元構造を決定することを可能にする。エバリュエーションは、分光計を使用する位置によって、または、カメラチップを有するライン分光計を使用するラインによって実行される。

ＥＰ−１３−０ ３２１ ５２９は、高色収差を有する対物レンズから対象物までの距離を測定する測定配置を開示する。検出のために、１つは、白黒ＣＣＤチップカメラを使用し、その前に、入力スリットを備えているスペクトル分散装置を配置される。これは、対象物の表面の形状画像を得るために、すべての点に対する波長情報を位置情報に変換する。

ＥＰ−Ｂ−０ ４６６ ９７９は、同時の共焦点像生成のための配置に関する。この目的のために、１つは、光の点を生成するニポーディスク（Ｎｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ）のようなパンチされた穴のマトリックスを使用する。そして、それは、対象物上へ焦点が合って撮像される。検知器ユニットとして、ＣＣＤアレイカメラが用いられる。

色収差を有するイメージング光学システムを有する共焦距離センサは、ＤＥ―Ａ―１０２ ４２ ３７４に記載される。それは、電子工学分野における検査目的のために予定される。光源として、１つは、多数の点光源を有する光源を使用する。光検出器として、１つは、ポイント検出器を使用する。それによって、１つのポイント検出器は、各々の点光源に特定され、および、それらは互いに対して共焦的に配置される。

色彩の細かいスプリッティング（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｆｉｎｅ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）を使用して対象物を３次元に測定する共焦測定配置は、ＤＥ―Ａ―１０３ ２１ ８５から知られている。そこにおいて、多数の焦点は、マイクロレンズアレイによって生成されて、および、対象物上へ撮像される。反射光は、マイクロレンズ焦点の平面上の後ろに焦点を合わされる。この配置は、測定される対象物の２次元若しくは３次元のマイクロ形状、または、２次元若しくは３次元の透過率若しくは反射率形状を測定するために使用される。

本発明は、対象物、特に半透明の対象物、例えば歯の形状の３次元の決定のための方法と、同様に更に測定配置を開発するための目的に基づくものである。このような方法で、高い正確な表面形状が移動物体に対してさえ短時間にて確立されることができる。特に非常に高い白色光バックグラウンドを呈する散乱または高散乱対象物の測定を可能にすることが、望ましい。そして、それは、歯科医学分野への適用を容易にする。

この問題に対する解として、上述のタイプの測定配置で、共焦点的に撮像された焦点の平面が第１の穴を有する１つの第１の穴のマトリックスを配置されることが主として予定にされる。それによって、第１の穴の幾何学的配置は、多焦点照射パターンの焦点の幾何学的配置に対応する。

公知技術の配置から異なり、穴またはピンホールアレイのマトリックスは、高色収差を有する対物レンズの焦点面−対象物に到達している焦点が撮像されるところ−に配置される。それによって、その結果として、照射パターンは、穴またはピンホールアレイのこのマトリックス上へ測定された対象物から後ろに共焦点的に撮像される。これにおいて、照射パターンに対して穴の第１のマトリックスの第１の穴の幾何学的な対応が調整される。それにより、独特な配置がなされ、その結果として、穴のマトリックスの穴の焦点が、対物レンズを通過しているビーム経路に垂直に延びる平面の位置座標を特定されることができる。

本発明によれば、範囲全体に分配される穴またはピンホールは、対物レンズの焦点面において位置付けされ、および、照射パターンは、これらの穴またはピンホールに対象物から後ろに共焦点的に撮像される。これにおいて、対象物に撮像される焦点は、−波長、および、対物レンズと、対象物との間の距離に依存して−ピンホール上へ撮像される。これらの焦点のスペクトルは、検出器装置によってその後読み出される。これにおいて、本発明は、特には、スペクトル線が検出器装置のピクセルに到達する前に、検出器装置の上流に配置された分散装置がそれぞれの穴において撮像される焦点のスペクトル線を横に広げることを予定する。このために、検出器装置が範囲に配置されるＣＣＤチップセンサのピクセルを具備することを予定される。それによって、分散装置は、穴の第１のマトリックスに対してこのような傾向で延び、横にスペクトラルを広げる検出器装置は、何らオーバーラップなしでピクセル範囲上へ撮像することができる。これにおいて、特に、何らフリーなピクセルなしで互いに接触する連続的にスペクトルを横に広げるこのような方法でピクセル範囲に広帯域スペクトラム（ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒａ）がぶつかることを予定される。

以下は、スペクトル分散装置の傾角に関して記載するものである：スペクトル分散装置によるスペクトルの広がりの方向は、隣接したポイントに接続するラインに対してたとえば６．５°の角度を形成する。それによって、スペクトル展開（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）、および、インタープリテイションに対して利用できるピクセル経路は、隣接したピンホールの間の距離より大きい。たとえば、分散プリズムのようなスペクトル分散装置の後の光軸の傾斜は、１５°である。

本発明はその結果として、ラインに沿ったすべてのピンホールの光のスペクトル分散のための１つの分散素子、および、および、１つのＣＣＤチップから成る測色法ユニットを提案する。そこでは、スペクトル的に分散された測定点が撮像される。これは、ライン分光計と類似の配置をもたらす。それは、測定点がライン上に配置されなくて、しかし、むしろ全体の測定範囲全体に均一に配置されるという違いを有している。ピンホールアレイの個々の穴は、ライン分光計の長いスリットに対応する。

これにおいて、照射パターンは、このような方法で測色法ユニット（ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｙ ｕｎｉｔ）によって調整される。すなわち、それは、個々の焦点の間の明白な空間が光のスペクトル分解（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）のために、および、ラインに沿った測定のために、使用されるように選ばれる。

照射パターンに対応して、１つは、測定セクション全体に分配されたいくつかのノード、すなわち測定点を記録する各々の画像によって得られる。もしノードの間の距離が所望の分解能より大きいならば、それはしたがって、照射パターンをシフトするのに必要である。これは、測定配置の平行平面板のような適切な光学素子を使用して、または、測定配置自体の連続動作の方法によって実行されることができる。それによって、結果として個々の画像は、完全な画像を形成するように組み合わされる。

穴またはピンホールアレイのマトリックスの穴の配置が、対物レンズを通過しているビーム経路に垂直に走る平面の空間座標を特定する。それぞれの穴において撮像される焦点のスペクトルのエバリュエーションは、ｚ座標として必要とされる高さ情報を決定する。なぜなら、焦点−波長に依存するーは、対物レンズから異なる距離で鋭く撮像され、および、単にそれらの焦点は、対象物にそれ自身撮像されるピンホールアレイの穴において撮像されるからである。

照射パターンを生成するために、たとえば、対物レンズの光源に面したサイド上の第１の焦点面の多焦点照射パターンを生成するために、マイクロレンズアレイである光源の下流に配置されることが予定にされる。しかし、それは、また、穴の第２のマトリックスを対物レンズの第１の焦点面の位置することが可能である。その穴において、多焦点照射パターンの焦点が撮像されることができ、または、その穴自身が多焦点照射パターンを規定する。

穴の第１のマトリックスの平面の焦点に撮像するために、第１のビームスプリッタは、対物レンズと、検出器装置との間に配置される。第２のビームスプリッタは、加えて、対象物のライブ画像を得るために、対物レンズと、照射パターンとの間に、特に、対物レンズと、第１のビームスプリッタとの間に位置されることができる。これによって、対象物が第２の光源を使用して照らされることが好ましくは予定される。それによって、第２の光源のスペクトル域も、第１の光源の波長域の外にあることができ、そしてそれは、主として対象物の形状を取得するために評価される（ｅｖａｌｕａｔｅｄ）。ライブ画像は、カメラを介して記録されることができる。

それについて独立して、第２のビームスプリッタの光学設計は、それが焦点の共焦イメージングに対する光の高透過率を呈するようにすべきである。もしライブ画像を生成するために、１つが第１の光源の波長範囲外にあるスペクトル領域を使用するならば、それで、第２のビームスプリッタは、好ましくは、ダイクロイックフィルタである。そしてそれは、第１の照明源の光の高伝達効率（ｈｉｇｈ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ）に加えて、第２の光源の光の高反射率（ｈｉｇｈ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ）を備えている。可能なものとして、鋭い（ｓｈａｒｐ）ライブ画像を得るためには、それは利点であり、もし、記録のために使用するスペクトル領域が可能なものとして狭くなるようにされるならば、それは、カメラまたはカメラチップの前に挿入されるスペクトルのフィルタを用いて、および／または、狭帯域の第２の光源の使用を介して完成されることができる。

しかしながら、第２の光源を使用することが不可欠でない点に留意する必要がある。むしろ、対象物上へ撮像される焦点は、ライブ画像を生成するために十分でありえる。

本発明の更なる開発として、穴の第１のマトリックスが第２の穴を備えていることが予定され、それは、第１の穴と関連しており、測定結果のバックグラウンドを決定するために予定され、および、照射パターンの外に位置される。

コンパクト装置を達成するために、ミラーのようなビーム偏向装置が対物レンズと、対象物との間に提供される予定にされ、測定配置の口腔内使用のために構造的に単純なシステムをもたらす。

特に、第１の光源は、ハロゲンランプである。しかし、それは、また、白色光ＬＥＤまたはいくつかの着色されたＬＥＤの使用を可能にする。

代わりオプションは、ファイバ−光学部品光ガイドを介して第１の光源の放射を送ることである。その出口端部は、対物レンズの第１の対象物平面において位置づけられて、および、その結果として、マイクロレンズアレイの焦点の代わりに、それ自身が焦点を表す。別の形態として、好ましくは、１つのファイバ−光学部品光ガイドの出口端部は、１つの平行光学システムの焦点平面に位置づけられる。その後ろで、ファイバ−光学部品の光ガイドの平行にされたビームがマイクロレンズアレイに到達する。

穴の影像（ｉｍａｇｅ）パターンおよび第１のマトリックスと、それの間に配置される第１のビームスプリッタとの間の明確な幾何学的な対応を得るために、マイクロレンズアレイ、穴、および、第１のビームスプリッタの第１のマトリックスは、単一の構成的なユニットとして実施されることが予定される。特に、これは、立体形状にされたジオメトリを生ずる。

単純な方法で、対象物の異なるセクションを測定することを可能にするために、１つは、第１のビームスプリッタと、対物レンズとの間に位置されることができ、したがって、１つまたはいくつかの平行平面板は、回転可能であるか傾斜可能である。特に、もし、平行平面板が存在するならば、それは、板（プレート）によって規定される平面を走る２本の軸のまわりに回転可能に配置される。

対象物の異なるセクションを測定することを可能にする移動可能な、および／または、回転可能な方法で偏向ミラーを配置することは、また、可能である。

上述のタイプの方法は、それが共焦点的に撮像された焦点の平面に配置されて、第１の穴を有する穴の第１のマトリックスであるという点を特徴とする。その幾何学的配置が、多焦点照射パターンのそれと相関する。および、第１の穴の位置が、イメージングビームに対して垂直に延びている平面（×、Ｙ座標）の対象物上の焦点の位置を規定するという点をまた特徴とする。それによって、穴において撮像される焦点の波長スペクトルは、検出器装置によって同時に取得される。

これにおいて、穴において撮像されるすべての焦点の波長スペクトルは、穴の第１のマトリックスの下流に配置される分散装置によって横に広げられることが予定される。

特に、本発明は、検出器装置が波長スペクトラムを取得するためにＣＣＤセンサのピクセル範囲を具備することと、ピクセル範囲、および／または、分散装置が、いかなるオーバーラップもなしで第１の穴において撮像される焦点の波長スペクトラムがピクセル範囲にぶつかるような方法で穴の第１のマトリックスに対して傾けられこととを提案する。

これにおいて、ピクセル範囲、および、分散装置は、いかなるオーバーラップなしで、第１の穴において撮像される焦点の波長スペクトラムが互いに接触するような方法で、穴の第１のマトリックスに対して位置合わせされるべきである。

十分な範囲に、必要な正確度を有して、個々の穴に鋭く撮像される焦点の波長を決定することが可能である。第１のスペクトルが焦点から得られること、光路の経路の長さを変える光学素子が焦点のビーム経路に挿入されること、第２のスペクトルが、変えられた光路を有する焦点を得られること、スペクトラムが、互いから減算されること、および、焦点の光の波長が、結果として反対符号を有する等しいピークから決定されることが予定される。

波長または焦点の波長範囲を特徴づける測定カーブのピークの決定に対する更なる提案によれば、焦点のスペクトルのバックグラウンドのスペクトルのカーブが、第１の穴と関連された第２の穴に到達している光のスペクトラムを測定することによって決定され、それによって、第２の穴の位置は、多焦点照射パターンのそれらから外れることは、バックグラウンド決定のために予定される。これにおいて、１つは、好ましくは、バックグラウンドを決定する１つの第１の穴と関連しているいくつかの第２の穴のスペクトラムを平均化する。

もし、対象物の連続するセクションが全体の対象物を測定するために測定されているならば、それで、連続的なセクションは、共通のサブセクションを具備するべきである。それは、それぞれのセクションの５０％〜９５％までの量とすべきである。これは、個々の測定の間の単なる相関を可能にする。対象物の少なくとも一部の形状を決定するために、セクションは、１秒あたり２５画像と５０画像との間のフレームレートで、連続的に記録される。

好ましくは、測定方式は、歯の、または歯のセクションの口腔内の測定のために予定にされる。この目的のためには、偏向装置と一緒の対物レンズは、測定を実行するために、口に挿入されることができる。

本発明の更なる詳細、利点、および、特徴は、簡単には請求項において明らかになられないが、そこにおいて、含まれる特徴―それら単独で、および／または、組合せて―図において示される好ましい実施態様の実施例の明細書において明らかにされる。

測定配置の第１の変形（ｖａｒｉａｎｔ）の概略図を示す。 照射パターン（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎ）を示す。 分光分布（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を示す。 測定カーブを示す。 第１の穴、および、第２の穴を有する穴のマトリックスを示す。 マイクロレンズアレイ、および、ビームスプリッタを有するピンホールアレイのモノリシック変形を示す。 測定配置の第２の変形を示す。 ２本の測定カーブの減算によって、得られたピーク位置を示す。

図は、同一の素子には常に同一の参照ラベルを付されており、測定配置の異なる変形を示し、特に口腔内で、３次元形状を取得するために、それの１つの歯またはそれのゾーンまたはいくつかの歯またはゾーンを走査するために使用される。これにおいて、形状を表すデータは、デジタル形式で利用可能に作られる。その結果、その後、義歯（ｄｅｎｔａｌ ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ）は、特に、ＣＡＤ／ＣＡＭ技術を使用して予備焼結された（ｐｒｅｓｉｎｔｅｒｅｄ）セラミックブランクから通常の方法で製造されることができる。

測定配置は、主要素子の間で、ハロゲンランプのような１つの光源１０を具備し、その光は、レンズ１２によって平行にされる。平行にされた光ビームは、マイクロレンズアレイ１４に到達し、そして、それは、高色収差を有する対物レンズ１８の焦点面に照射パターン１６を撮像（ｉｍａｇｅｓ）する。マイクロレンズアレイ１４によって生成される照射パターンは、例えば、ほぼ１６００の焦点を有する２０ｍｍｘ１５ｍｍのサイズを、または、例えば、２５０μｍの間隔で、ほぼ２０００の焦点を有する５ｍｍ×６．５ｍｍのサイズを備えていることができる。図２は、純粋に、例証として、対応する照射パターン１４を示し、例証として、２つの焦点が参照ラベル２０、２２を付される。

各々の焦点２０、２２の結果として生じる直径がほぼ２５μｍまたはほぼ１２μｍであるように、照射パターン１６は設計されることができる。

照射パターンを改良するために、マイクロレンズアレイ１４が、適合されるピンホールアレイと組み合わされ、それは、対物レンズ１８の対象物平面に位置される。これにおいて、ピンホールアレイの穴は、焦点２０、２２によって形成される照射パターンに、ジオメトリまたは位置に関して一致される。

図１の表示によれば、光源１０から照射パターン１６の下流へと生じた光は、ビームスプラッタ２４に到達する。そして、それから、伝えられた部分は、高色収差を有する対物レンズ１８に到達する。

図の表示において、ビームスプラッタ２４は、部分的に反射する層を有する板として示される。しかし、他のビームスプリッティング素子は、別の選択が可能である。ビーム−スプラッタ立方体は、例証として、言及されるべきである。また想定されるのは、リング形状のミラーまたはより小さいミラーであることができ、それによって、外側であるか内側のビーム成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）は、それぞれ、以下に説明される検出または照明のために役に立つことができる。

対物レンズ１８を通過するビームは、歯のような測定される対象物２８上へ、偏向ミラーのような偏向装置２６を介して撮像される。これにおいて、照射パターン１６の平面と、対象物２９との間の距離は、焦点が−偏向装置２６による偏向の後で−対象物２８の表面上へ撮像されるように選ばれ、それによって、対物レンズ１８から対象物の表面の距離に従い、異なる色、すなわち波長は、鋭く焦点が合って撮像される。これにおいて、測定範囲のサイズ、および、分解能は、選ばれた画像スケールによって決定される。

対象物２８によって放射される輻射、すなわち光の部分は、対物レンズ１８に後退し、そして、ビームスプリッタ２４で部分反射の後、穴またはピンホールアレイ３０の第１のマトリックス上へ落ち、その穴は、−穴およびサイズの分離、並びに、全体的な幾何学的配置に関して−照射パターン１６の配置に対応する。

換言すれば、ピンホールアレイ３０、すなわちその穴の軸方向の、および、横方向の位置は、対象物２８の表面上の焦点がピンホールアレイ３０の穴に共焦点的に撮像されるように、選ばれる。その結果として、ピンホールアレイ３０の各々の穴は、対象物２８の表面に撮像されるそれぞれの焦点のＸおよびＹ座標を規定する。

図５は、ピンホールアレイ３０の構成を示し、それによって、開いた円３２の位置決めおよび範囲は、照射パターン１６の焦点のパターンに対応する。

対物レンズ１８の高色収差のため、いずれの場合においても、単に１つの色は、照射パターン１６の焦点の位置によって規定されるそれぞれの測定点で鋭く撮像され、それは、対象物１８からのその距離に従い、すなわち、単に１つの波長は共焦的な状態を満たす。対応して、強度最大は、ピンホールアレイ３０のそれぞれの穴３２を介して伝えられる光のスペクトルのこの波長で観測される。

測定点がより高密度に間隔を置かれるように、および、対象物２８の光発光が増加するように、白色光の増加の一部は、ピーク波長に加えて穴またはピンホールを通過する。ピーク波長を決定するために、この特徴が十分な度数で、および、この障害物にもかかわらず必要正確度を伴って、焦点を合わせる。ピンホールアレイ３０の後ろは、照射パターン１６、および、それでピンホールアレイ３０の穴のマトリックスに対応する分光配置を配置されることを意図する。そこにおいて、実施形態の実施例は、光学システム３４、３６および、それらの間に配置されるスペクトル分散素子、例えばプリズム３８から成りる。

ピンホールアレイ３０は、ＣＣＤチップセンサ上へ撮像され、それは、１つまたはいくつかのレンズから成る光学システム３４、３６によって、検出器装置４０として使用される。スペクトル分散素子、すなわちプリズム３８は、最大強度を伴って穴に現れる焦点の光の最大−強度波長域の横方向ののスペクトルの広がりに影響し、その結果として、ピンホールアレイ３０のすべての穴がＣＣＤチップセンサ４０、すなわちアレイに配置されるピクセル上のライン上へ撮像される。それによって、−ライン分光計において−このラインに沿った位置は特定の波長に対応する。これにおいて、スペクトル分散ユニット、−光学システム３４、３６、および、プリズム３０からなる−、および、ＣＣＤセンサ４０は、ここでピクセル上にラインを形成するピンホールアレイ３０の連続的な穴から横に広げられたスペクトル線が、空間無しで、または、殆ど空間無しで、および、いかなるオーバーラップが生じること無しで、互いに接触するような方法で、アレイ３０をピンホールに対して位置付けされる。

図３は、測定位置の間の全てのピクセルがスペクトル分散のために、および、それでピーク位置の決定のために使用されることを示す。満たされた円４２は、測定位置を表し、、および、次の測定位置４４の方へ延びている矢印４６は、測定位置４２に対応するピンホールアレイの穴に撮像される焦点の横に分散するスペクトル線を表す。

仮に、たとえば、１つは、明示されたディメンションを有する上記で特定された照射パターン、および、６．４ｍｍ×４．８ｍｍのサイズを有し、百万ピクセル（ピクセルサイズ６．７μｍｘ６．７μｍ）を有するＣＣＤチップまたはカメラチップを選び、それで、１８６ピクセルは、測定点あたりスペクトル分散のために利用できる。ピンホール直径に対応する２ピクセルの線幅（ライン幅）を与えられ、１つが、スペクトル分散のための９３素子を有するライン分光計であり、ほぼ２０００測定点、および、ほぼ２０００のバックグラウンドポイントの各々を取得する。画像獲得の後、画像情報または測定データのエバリュエーション（ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）は、ＣＣＤセンサ自体において、または、外部ユニットにおいて行われる。これに対して、適切なアルゴリズムは、すべての測定点に対して、スペクトルピーク位置、および、これから対象物２８に対する各々の測定点の距離を決定するのに使用される。このように、１つの画像は、ノード（ｎｏｄｅｓ）または測定点での対象物２８の３次元構造を生ずる。それによって、分解能は、選ばれた焦点距離、および、対物レンズ１８の画像スケールに依存する。

もしノードの分離が所望の分解能より大きいか、および／または、もし３次元構造が視点（ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ）から取得されることができないならば、照射パターン１６は、したがって、シフトされることができる。もし、測定配置がマニュアルで作動される装置であるならば、それで、対象物２８の完全な捕促は、測定配置の連続的な動きを介して達成されることができる。それによって、結果として、個々の画像は、適切な方法で、完全な画像を形成するように共に取り付けられる。

前記したように、散乱を生じる対象物２８の場合、単に鋭く撮像される焦点の波長だけでなく、かなりの白色光の量も、ピンホールアレイ３０の穴３２に撮像され、それは、これによって生じられるバックグラウンドを取り除くかまたは縮小する方法を使用することが必要になる。

測定、および、エバリュエーションの間、白色光バックグラウンドの重要性を示すために、図４は、歯である対象物２８を有する典型的な測定信号４を示す。測定信号４８の白色光バックグラウンドの一部がより高くなると、焦点の波長の特徴であるピーク５０の位置を決定することが可能である各々の測定される点のバックグラウンド５２のスペクトルのふるまいに関する情報がより正確でなければならない。この目的のために、図５に略図で例示される方法が使用される。焦点が撮像される穴３２に加えて、ピンホールアレイ３０は、照射パターン１４に適合しない付加的な穴５４を具備する。図５の好ましい実施態様によれば、照射パターン１４に対応しない穴５４は、照射パターン１４に対応する穴３２の間に位置する。焦点が撮像されない穴５４のスペクトルは、それで、ほぼ、隣接し、焦点が撮像され、測定点を表す穴３２のバックグラウンド信号を表す。これにおいて、あるいは、バックグラウンド５２を決定するために、個々の隣接した穴５４の測定信号を使用することができ、それは、基本的に単に白色光またはいくつかの隣接した穴５４の平均を含む。穴３２が照らされた穴、または、ピンホールと参照されるのに反し、穴５４は、非照射（ｎｏｎ−ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ）として参照されることができる。

焦点が撮像される、照射されたか、または、第１の穴３２、および、バックグラウンドを決定するのに使用される第２の穴５４（また、非照射穴と参照されることもありえる）の配置によれば、単に半分のピクセル数は、スペクトル分散のために測定点につき利用でき、焦点の数がピンホールの数または穴３２と同一である変形と比較される。

平行平面板５６を用いて白色光コンテントを決定することは更に可能である。そして、それは、第１のビームスプリッタ２４と、ビーム偏向器２６との間の、特に、対物レンズ１８と、第１のビームスプリッタ２４との間のビーム経路に配置される。光路の平行平面板５６は、焦点を軸方向にシフトする効果を生じ、それは、次に、測定された信号のピーク位置のシフトを生じる。平行平面板５６を有する場合と、有さない場合とで、１つの位置でシーケンシャルに取得する画像によって、１つは、測定点あたり異なるピーク位置を有する２つのスペクトラムを取得し、しかし、同一のバックグラウンドではない。それで、２つのスペクトラムを減算することは、バックグラウンドを取り除くことを可能にする。２つのスペクトラムの減算の後の典型的な信号カーブは、図８に示される。１つは、ピーク５８、６０を認識し、それは、減算によって決定され、および、その分離は、平行平面板５６によって予め定められる。

更なるエバリュエーションにおいて、未知の対象物の距離を決定するために、１つは、いくつかの特徴量（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ）、数ある中で２つの極値、すなわちピーク５８、６０および／または０を通過するスペクトルの位置を使用する。

ライブ画像取得は、位置付けする補助として、および、個々の画像を完全な画像に特定する補助として提供されることができる。このために、実施形態の実施例は、対象物２８が撮像される付加的なカメラチップ６２を備えている。付加的な光源６４は、提供されることができる。そして、それは、偏向装置２６を介して好ましくは対象物２８を照らす。１つの光源６４の代わりに、いくつかの光源を有することは、可能である。ライブ画像取得のために、光源６４は、実際測定に使用する波長範囲の外にあるスペクトル領域の光を放射するべきである。これは、ライブのイメージング（撮像すること）、および、互いから独立して測定することの実行を可能にする。

ビームスプリッティングのために、１つは、対物レンズ１８と、第１のビームスプリッタ２４との間のビーム経路において、使用することができる。ダイクロイックフィルタ（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｆｉｌｔｅｒ）のような第２のビームスプリッタ６６は、測定信号の高透過率、および、ライブ画像信号の高反射を提供する。

上述の如く、対物レンズ１８は、また、カメラチップ６２の上の対象物２８を撮像するのに使用される。それによって、カメラチップ６２の軸方向の位置は、ライブ画像が測定している領域の中心にほぼ焦点が合うように選ばれる。

測定配置または測定器のサイズ、および、形状は、特に歯の測定のための口腔内の適用の場合に重要である。それで、発明の開発で、単に対物レンズ１８、および、ビーム−デフレクタ２６がハンドヘルドデバイスの口腔内部分として配置される可能性がある。そして、それは口に挿入されることができる。他のコンポーネントは、ハンドヘルドデバイスの外部経口的な部分において、または、別々の装置ユニットにおいて組み込まれる（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）ことができる。コンパクトな光源は、ハンドヘルドデバイスの組み込み化のオプションを提供する。

ハロゲンランプ１０の代わりに、１つは、また、他の光源、例えば、適切な平行光学システムを有する、１つの白色光ＬＥＤまたは異なる色のいくつかのＬＥＤを想定することができる。

あるいは、光源１０は、外部ユニットに組み込まれることができ、および、光は、ファイバを介してハンドヘルドユニットに送られる。それによって、ファイバ−光学部品の光ガイドの出口端部は、コリメータレンズ１２の焦点に位置され、または、いくつかの対応するファイバ−光学部品の光ガイドの出口端部は、それ自身、マイクロレンズアレイの焦点の代わりに照射パターンの焦点を表す。

多焦点照射パターン１６を生成するために、図に示される照射パターン１６の平面に配置されることができるピンホールアレイも、−マイクロレンズアレイ１４の代わりにまたは加えて−、使用することが可能である。

マイクロレンズアレイ１４と、ピンホールアレイ３０との間の正確な幾何学的な、および、空間対応が存在することは、測定器の正確な観測過程、および、単純なハンドリングのために、重要なことである。これを実行に移すために、１つは、モノリシック設計を選ぶことができる。そして、それは図６に略図で例示される。また、第１のビームスプリッタ２４は、モノリシックな実施形態に組み込まれ、立方体形状にされたジオメトリを備えることができる。

もし、対象物２８が、単一の画像によって、測定、または、走査されず、むしろ多数の画像による場合には、すなわち個々の画像を使用して、画像が単純な解釈を容易にするために互いに対して明確な関係を有しなければならない。このために、特に、個々の図は、セグメント内でオーバーラップする予定にされる。そして、それは、各々の画像の５０％〜９５％を構成する。代わりまたは補助として、対象物２８上に固定された点に置かれる個々の画像の重ね合わせに対する補助として使用されることが可能である。

好ましくは実施される測定器の手動の移動に代わるものとして−上記したように−ハンドヘルド装置として、アクチュエータは、測定点をシフトするために、測定配置に組み込まれることができる。これにおいて、最も高い可能性で、必要な移動は、測定点マイナス所望の分解能、結果として、説明されている実施形態の実施例の２２５μｍ（２５０μｍ穴分離（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）−２５μｍ分解能）の間の距離に対応する。

図７は、個々の画像を得る代わりのアプローチを示す。平行平面板７０、７２は、測定ビームに配置されることができる−実施形態の実施例の対物レンズ１８の上流−それによって、２本の回転軸（矢印７４、７６参照）を有する単一のプレートを使用することも可能である。これにおいて、回転軸は、好ましくは、平行平面板７０、７２によって規定される平面内で動作する（ｒｕｎ）。更なる可能な変形は、移動可能であるか回転可能な偏向ミラー、例えば可変ビーム−偏向システムとしての偏向装置２６の使用である。

ライブ画像に関して、あるいは、付加的な光源の使用が必要でないことが言及されるべきであり、特に、照射パターンがライブ画像取得のために使用するスペクトル領域に焦点がずれている。

さらにまた、高色収差を生成するために回折要素、および／または、分散素子としての回折素子または回折格子、および／または、ＣＣＤチップの代わりにＣＭＯＳ検出器、および／または、マイクロレンズアレイの代わりに照射パターンを生成するＬＣＤモジュレータまたはＤＭＤを使用することは、また、可能である。

Claims (42)

1. 対象物（２８）、特に半透明の対象物の少なくとも一部の３次元測定のための測定配置であって、
   連続スペクトラムを有する１つの光源（１０）と、
   多焦点照射パターン（１６）を生成するための１つの装置（１４）と、
   前記対象物の上の照射パターンの焦点を撮像する高色収差を有する１つの対物レンズ（１８）と、
   前記対物レンズによって前記対象物上へ共焦点的に撮像される焦点の波長スペクトラムを決定するためのＣＣＤチップ検出器のような１つの検知器ユニット（４０）と、
   同じく、前記共焦点的に撮像された焦点と、検出器装置との間に配置される１つのスペクトル分散装置（３４、３６、３８）とを具備し、
   前記共焦点的に撮像された焦点の平面において、第１の穴（３２）を有する穴の１つの第１のマトリックス（３０）を配置し、それによって、前記第１の穴の幾何学的配置が、前記多焦点照射パターンの焦点の幾何学的配置に対応することを特徴とする測定配置。
2. 前記分散装置（３４、３６、３８）は、プリズムのような分散素子によって、前記検出器装置（４０）上へ前記第１の穴（３２）において撮像された焦点を撮像する光学システムを具備し、すべての焦点のそれぞれのスペクトルを横に広げることを特徴とする請求項１の測定配置。
3. 前記撮像する光学システムは、レンズまたはレンズシステムのような２つの光学システム（３４、３６））を備え、それらの間に位置する分散素子（３８）を有していることを特徴とする請求項１又は２の測定配置。
4. 前記検出器装置（４０）は、ＣＣＤチップセンサの部分であって、および、範囲に配置されるピクセルを備え、
   前記スペクトル分散装置（３４、３６、３８）は、前記穴の第１のマトリックス（３０）に対して配置され、および／または、検出器装置は、オーバーラップなしで横に広げられたスペクトルがピクセル表面にぶつかるような方法で、分散装置に対して配置されていることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
5. 広がったスペクトラムは、連続的に横に広がるスペクトラムが、いかなる自由なピクセルなしで互いに接触するような方法でピクセル表面上にぶつかることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
6. 前記多焦点照射パターン（１６）を生成するためのマイクロレンズアレイ（１４）は、前記対物レンズ（１８）の光源側に延びている第１の焦点の平面内で前記光源（１０）のあとに配置されることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
7. 穴の配置された第２のマトリックスは、前記対物レンズ（１８）の前記第１の焦点面に配置され、
   その穴において、前記多焦点照射パターンの焦点は、撮像されることができ、または、その穴は、前記多焦点照射パターンを規定することを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
8. 前記対物レンズ（２８）と、前記検出器装置（４０）との間に、穴の第１のマトリックス（３０）上へ光を偏向させる第１のビームスプリッタ（２４）は、配置されることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
9. 前記測定配置は、前記対象物（２８）を照らしている１つの第２の光源（６４）を備えていることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置
10. 前記第２の光源（６４）のスペクトル域は、前記第１の光源（１０）の波長範囲の外であり、基本的に前記対象物（２８）の形状を取得するために評価されることができることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
11. 前記第１のビームスプリッタ（２４）と、対物レンズ（１８）との間に、１つの第２のビームスプリッタ（６６）が配置され、それを介して、前記対象物（２８）を撮像している前記第２の光源（６４）の光は、取得装置（６２）上へ撮像されることができることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
12. 前記取得装置（６２）は、カメラであることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
13. 前記第２のビームスプリッタ（６６）は、焦点の共焦イメージングのための光の高透過率、および、前記第２の光源（６４）の光に対して高反射を確保する光学設計のものであることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
14. 前記第２のビームスプリッタ（６）は、ダイクロイックフィルタであることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
15. 穴の前記第１のマトリックス（３０）は、第１の穴（３２）と関連していて、および、測定結果のバックグラウンドを決定することを予定される第２の穴（５４）を備えていることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
16. 前記対物レンズ（１８）と、前記対象物（２８）との間に、ビーム偏向装置（２６）を配置されることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
17. 前記ビーム偏向装置（２６）を有する前記対物レンズ（１８）は、口腔内で使用される測定配置のセクションであることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
18. 前記第１の光源（１０）は、ハロゲンランプであることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
19. 前記第１の光源（１０）は、白色光ＬＥＤまたはいくつかの着色したＬＥＤを具備するかまたはそれらから成ることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
20. 前記第１の光源（１０）の放射は、平行光学システム（１２）の焦点面に位置づけられる出口端部を有するファイバ−光学部品の光ガイドを介して送られることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
21. 前記第１の光源（１０）の放射は、ファイバ−光学部品の光ガイドを介して送られることができ、
    その出口端部は、前記対物レンズ（１８）の第１の物体平面において位置づけられ、
    それで、それ自身は、マイクロレンズアレイの焦点の代わりに、照射パターンの焦点を形成することを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
22. 第１の光源（１０）の放射は、１つのまたはいくつかのファイバ−光学部品光ガイドを介して送られ、
    その出口端部は、平行光学システム（１２）の焦点面に位置づけられ、そのあとに、ファイバ−光学部品の光ガイドの平行ビームがマイクロレンズアレイ（１４）に到達することを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
23. 前記第１の光源（１０）の放射は、前記対物レンズ（１８）の第１の物体平面において位置される出口端部を有するファイバ−光学部品の光ガイドを介して送られることができることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
24. マイクロレンズアレイ（１４）、穴の第１のマトリックス（３０）、および、第１のビームスパッタ（２４）は、単一の構造上の素子として実施されることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
25. 前記ユニットは、立体形状にされたジオメトリを備えていることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
26. 少なくとも１つの平行平面板（７０、７２）は、前記第１のビームスプリッタ（２４）と、前記対物レンズ（１８）との間に配置されたものであり、および、前記平行平面板は、プレートによって規定される平面に走る２つの軸を中心に回転可能で実施されることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
27. 偏向ミラーのような前記偏向装置（２６）は、移動可能で、および／または、傾斜可能であるように実施されることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
28. 測定ビームの光路は、平行平面板（５６）を光路に挿入して、変わられることができることを特徴とする少なくとも１つの先行する請求項の測定配置。
29. 対象物、特に、歯の少なくともセクションのような半透明な対象物の少なくとも１つのセクションの形状を測定する方法であって、
    連続スペクトラムを有する光を生成するための１つの光源と、
    多焦点照射パターンを生成するための１つの装置と、
    対象物の上の照射パターンの焦点を撮像する高色収差を有する１つの対物レンズと、
    前記対物レンズによって対象物上へ共焦点的に撮像される焦点の波長スペクトラムを決定する１つの検出器装置と、を使用し、
    それによって、すべての焦点のスペクトルのピーク位置は、それぞれの波長スペクトラムの各々において決定され、それでイメージングビームの方向（ｚ座標）に沿って対象物の範囲を計算され、
    共焦点的に撮像された焦点の平面に、第１の穴を有する穴のマトリックスが配置され、その幾何学的配置が、多焦点照射パターンの配置と相関し、
    第１の穴の位置は、イメージングビームに対して垂直に延びている平面（×、Ｙ座標）の対象物上の焦点の位置を規定し、それによって、穴において撮像される焦点の波長スペクトルは、同時に検出器装置によって取得されることを特徴とする方法。
30. 穴において撮像されるすべての単焦点の波長スペクトルは、穴の第１のマトリックスの下流に配置される分散装置を使用して横に広げられることを特徴とする請求項２９の方法。
31. 前記検出器装置は、波長スペクトラムを取得するために、ピクセル範囲、および／または、分散装置が、焦点の波長スペクトラムが何らオーバーラップなくピクセル表面にぶつかる第１の穴に撮像される傾角を有する穴の第１のマトリックスに対して配置される、ＣＣＤセンサのピクセル範囲を具備することを特徴とする請求項２９または３０の方法。
32. ピクセル表面、および／または、分散装置は、第１の穴において撮像される焦点の波長スペクトラムが何ら自由なピクセルなしで互いに接触するような方法で穴の第１のマトリックスに対して傾いて配置されることを特徴とする請求項２９〜３１の少なくとも１の方法。
33. 焦点の第１のスペクトルは、決定され、
    光学素子は、ビーム経路の経路の長さが焦点の光路に配置されて変わり、
    第２のスペクトルは、変えられたビーム経路で焦点から決定され、
    スペクトルは、互いから減算され、および、
    １つの反対符号を有する結果として生じる等しいピークから焦点の光の波長を決定することを特徴とする少なくとも１つの請求項２９の方法。
34. 第１の穴と関連している第２の穴に到達する光のスペクトルを決定することによって、焦点のスペクトルのバックグラウンドのスペクトルカーブを決定し、
    それによって、第２の穴の配置は、多焦点照射パターンの配置から外れることを特徴とする請求項２９〜３３の少なくとも１の方法。
35. １つの第１の穴と関連しているいくつかの第２の穴の光のスペクトルは、バックグラウンドを決定するために平均化されることを特徴とする請求項２９〜３４の少なくとも１の方法。
36. 前記対象物は、口腔内で測定されることを特徴とする請求項２９〜３５の少なくとも１の方法。
37. 前記対象物を測定するために、前記対象物のセクションは、次々と測定され、
    それによって次のセクションは、それがセクションのサイズの５０％と、９５％との間で構成する共通のサブセクションを備えていることを特徴とする請求項２９〜３６の少なくとも１の方法。
38. 前記対象物の少なくとも１つのセクションの形状を決定するために、前記サブセクションは、１秒あたり２５画像と、５０画像との間のフレームレートによって、続いて記録されることを特徴とする請求項２９〜３７の少なくとも１の方法。
39. 前記セクションを撮像するために、前記対象物と、前記対物レンズとの間に配置される偏向装置は、動かされることを特徴とする請求項２９〜３８の少なくとも１の方法。
40. 前記セクションを撮像するために、前記偏向装置、および、前記対象物は、ユニットとして動かされることを特徴とする請求項２９〜３９の少なくとも１の方法。
41. 前記セクションを測定するために、前記多焦点照射パターンは、動かされ、および、穴の第１のマトリックスは、同期をとって、動かされることを特徴とする請求項２９〜４０の少なくとも１の方法。
42. 前記対象物は、ＣＣＤチップのような画像−取得装置上へ撮像され、
    それによって、スペクトル領域を撮像することが選択され、前記対象物に撮像される照射パターンが焦点がずれて撮像されることを特徴とする請求項２９〜４１の少なくとも１つの方法。

Images