JPH0942941A - 三次元形状測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 歯牙模型等の被測定物の三次元形状の非接触
な測定において、被測定物の形状にかかわらず正確な三
次元形状の測定を可能とする三次元形状測定方法および
装置を提供する。 【構成】 歯科用補綴物を設計および製造する際に必要
な歯牙模型等の被測定物Ｍの三次元形状を非接触で測定
するのに使用され且つレーザ光源、レンズおよびＰＳＤ
を基本的に備えた三次元形状測定装置であって、被測定
物Ｍの測定点Ｐにレーザ光Ｌを照射するレーザ光源１と
ともに、測定点Ｐからの反射光Ｒａ〜Ｒｄを集光するレ
ンズ２ａ〜２ｄと集光された反射光を受光してその受光
面における受光位置情報を出力するＰＳＤ３ａ〜３ｄと
の組み合わせを少なくとも２以上備える構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、義歯等の歯科用補綴物
を設計および製造する際に必要な歯牙模型等の被測定物
の三次元形状を非接触で測定するのに好適な三次元形状
測定方法および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、歯科用補綴物の設計および製造に
おいては、整形，印象製作，歯牙模型製作，ワックスア
ップ，ロストワックス，鋳造，研磨，合着および調整と
いった全ての工程が歯科医師および歯科技工士により手
作業で行なわれていた。

【０００３】このような作業において、最初に行なわれ
る整形および印象製作ならびに最後に行なわれる合着お
よび調整は歯科医師により臨床で行なわれるが、歯牙模
型製作から研磨までの工程は歯科技工所で歯科技工士に
より行なわれる。

【０００４】しかしながら、このような歯科用補綴物の
設計および製造工程においては、全ての設計および製造
が手作業によって行なわれるため、生産性の向上を図る
ことができず、また、品質にばらつきがあり、一方で、
歯科用補綴物の需要増大に対応した多数の熟達した技能
者である歯科技工士の育成が難しいという問題がある。

【０００５】このような問題を解決する手段として、例
えば、図１５に示すような、歯科用補綴物の設計装置が
提案されている。

【０００６】図１５は、歯科用補綴物設計装置の一構成
例を示す説明図であって、歯科医師によって整形（成
形）済みの支台歯と該支台歯の隣接歯と該支台歯の対合
歯の咬合面との歯牙模型の三次元形状を測定する三次元
形状測定手段１０１と、この三次元形状測定手段１０１
のｘｙｚ三次元座標位置および／またはｘｙｚ軸のうち
少なくとも一つの座標軸を中心とする角度位置を動かす
ための多軸移動手段１０２と、この多軸移動手段１０２
を制御するための多軸位置決め制御手段１０３と、予め
標準的な歯牙形状三次元座標データを取得し記憶させて
ある標準歯牙形状データ記憶手段１０５と、この標準歯
牙形状データ記憶手段１０５から任意の場所（番号）の
歯牙データを指定し呼び出すための選択指示手段１０６
と、この選択指示手段１０６からの指示で標準歯牙形状
データ記憶手段１０５より選択され呼び出された形状デ
ータおよび三次元形状測定手段１０１から得られた歯牙
模型形状データから支台歯に合着させる歯科用補綴物形
状を自動的に設計するとともに構造強度の検討および形
状修正を行なう補綴物形状自動設計手段１０４とから構
成されものである。

【０００７】このような歯科用補綴物の設計装置によれ
ば、三次元形状測定手段１０１を備えたことにより、欠
損部が整形された支台歯と該支台歯の隣接歯と該支台歯
の対合歯の咬合面との印象型をもとに製作される歯牙模
型の三次元形状を自動的に測定することが可能になり、
また、標準歯牙形状データ記憶手段１０５に記憶された
標準歯牙形状データのうち任意のものを読みだし、これ
と三次元形状測定手段１０１により測定されて得られた
歯牙模型の三次元形状データをもとに歯牙補綴物自動設
計手段１０４により支台歯を補綴修復する歯牙補綴物の
形状を自動設計することにより、従来において歯科技工
士等が行なっていた一連の作業を自動化することが可能
となって、設計・製造に要する時間を大幅に短縮するこ
とが可能となるとともに、歯科用補綴物の品質を均一に
することができる。

【０００８】ところで、上記の歯科用補綴物の設計装置
における三次元形状測定手段１０１としては、図１６に
示すように、整形（成形）済みの支台歯２０３および支
台歯２０３の両隣接歯２０４，２０５の歯牙模型２０２
の三次元形状を測定する際に、接触プローブ２０１を多
軸移動手段２０６により移動させながら、例えば、支台
歯２０３に接触プローブ２０１を直接接触させて支台歯
２０３の三次元形状データを信号処理装置２０７におい
て得ることができるようにしたものがある。

【０００９】一方、図１７は、被測定物である歯牙模型
Ｍの測定点Ｐｍにむけてレーザ光３０１Ｌを照射するレ
ーザ光源３０１と、光学レンズ３０２を通じて集光され
た被測定物である歯牙模型Ｍからの反射光３０１Ｒを受
光してその受光位置を検出する光位置検出素子（ＰＳ
Ｄ）３０３を基本的に備えた非接触式の距離センサを用
いて歯牙模型の三次元形状を得るようにした三次元形状
測定手段１０１を示したものであって、ＰＳＤ３０３の
受光位置ｙ，ＰＳＤ３０３の受光面端距離ｙ0 およびレ
ーザスポットの測量角度θから、幾何学的に反射光の入
射角度α（ｔａｎα）が定まり、この入射角度αおよび
歯牙模型の測定点Ｐｍとセンサ基準点Ｐｓとの距離をＬ
を算出し、複数の測定点Ｐｍについて距離Ｌを求めるこ
とにより、歯牙模型の三次元形状が特定されるものであ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１６
に示した接触プローブ式の三次元形状測定手段において
は、測定精度を維持するためにはプローブの移動速度を
遅くする必要があるため、歯牙模型全体の三次元形状デ
ータを得るのに多大な時間がかかるとともに、プローブ
接触部の摩耗によって測定精度が経時劣化する問題があ
る。

【００１１】一方、図１７に示した非接触式の距離セン
サを用いた三次元形状測定手段においては、接触プロー
ブ式の三次元形状測定手段のような問題は生じないが、
例えば立壁勾配や凹凸形状を有する歯牙模型おいては、
ＰＳＤ３０３に測定点Ｐｍからの散乱光が立壁勾配部等
に当たって２次反射光としてＰＳＤ３０３に入射するこ
とがあるため、この２次反射光により測定誤差が生じる
ことがありうることから、立壁勾配や凹凸のある歯牙模
型の三次元形状を正確に測定することが困難であるとい
う問題もあり、これらの問題を解決することが課題であ
った。

【００１２】

【発明の目的】本発明は、このような従来の課題に鑑み
てなされたもので、歯牙模型等の被測定物の三次元形状
の非接触な測定において、被測定物の形状にかかわらず
正確な三次元形状の測定を可能とする三次元形状測定方
法および装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
三次元形状測定装置は、歯科用補綴物を設計および製造
する際に必要な歯牙模型等の被測定物の三次元形状を非
接触で測定するのに使用される三次元形状測定装置であ
って、被測定物の測定点にレーザ光を照射するレーザ光
源と、前記測定点からの反射光を集光するレンズと、集
光された反射光を受光してその受光面における受光位置
情報を出力する光位置検出素子を備え、前記光位置検出
素子の出力をもとに被測定物の測定点までの距離を算出
し、複数の測定点の三次元座標から被測定物の三次元形
状を特定する三次元形状測定装置において、レンズと光
位置検出素子との組み合わせを少なくとも２以上備えた
構成とし、請求項６として、複数のレンズと光位置検出
素子との組み合わせのうち、少なくとも２以上の組み合
わせがレーザ光を照射した測定点からの１次反射光が直
接入射するように配置されている構成とし、請求項７と
して、各々の光位置検出素子の信号を基にレーザ光源に
おける基準位置から被測定物の測定点までの距離を算出
する距離算出手段と、距離算出手段より算出されたレー
ザ光源における基準位置から被測定物の測定点までの算
出距離に含まれる誤差を補正して新たな距離とする誤差
補正手段を備えた構成とし、請求項８として、誤差補正
手段が、距離算出手段により算出された複数の算出距離
のうち適宜選択された２つの算出距離の間の差を算出
し、この算出された差と算出距離に含まれる誤差分との
間を相関付ける関数により算出距離に含まれる誤差分を
推定し、算出距離から推定された誤差分を除去して新た
な距離とする構成とし、請求項９として、誤差補正手段
が、距離算出手段により算出された複数の算出距離のう
ち適宜選択された２つの算出距離にそれぞれ適当な重み
付けをして両者の平均値を新たな距離とする構成とし、
請求項１０として、請求項８に記載の誤差補正手段およ
び請求項９に記載の誤差補正手段とを備え、１次反射光
が入射した光位置検出素子の位置関係に応じて前記２つ
の誤差補正手段を適宜選択する誤差補正選択手段を備え
た構成とし、請求項１１として、レーザ光源、レンズお
よび光位置検出素子からなる光学系を任意の三次元座標
位置に移動する多軸移動手段および多軸移動手段の位置
決めを行なう位置決め制御手段を備えた構成とし、請求
項１２として、多軸移動手段によりレーザ光源、レンズ
および光位置検出素子からなる光学系を移動させながら
測定した被測定物の複数の測定点とこの複数の測定点の
各々に対応する前記光学系の三次元座標位置とから、各
々の測定点の三次元座標位置を算出し、この算出された
複数の測定点の三次元座標データ群から被測定物の三次
元形状を算出する三次元形状演算手段を備えた構成と
し、請求項１３として、被測定物を任意の三次元座標位
置に移動する被測定物移動手段を備えた構成とし、請求
項１４として、立ち壁状または急勾配状の段差部を有す
る形状の被測定物の段差の高さ方向の距離の測定におい
て、レーザ光源、レンズ及び光位置検出素子からなる光
学系と前記段差部とが接近する方向に多軸移動手段によ
り前記光学系および／または被測定物移動手段により被
測定物を移動させながらレーザ光源の基準点と被測定物
との距離を測定する際に、段差部によって各々の光位置
検出素子への１次反射光の入射が遮蔽されるときの光学
系の各々の位置を検出し且つこの情報を基に段差部の高
さを算出する段差部高算出手段を備えた構成とし、請求
項１５として、レーザ光源から照射されるレーザ光の方
向を可変とする照射用可動反射鏡および／または被測定
物からの反射光の方向を可変とする反射光用可動反射鏡
を備えた構成としている。

【００１４】また、本発明の請求項２に係る三次元形状
測定方法は、請求項１に記載の三次元形状測定装置を用
いて被測定物の三次元形状を測定する際に、各々の光位
置検出素子の信号を基にレーザ光源における基準位置か
ら被測定物の測定点までの距離を算出し、算出されたレ
ーザ光源の基準位置から被測定物の測定点までの算出距
離に含まれる誤差を補正して新たな距離とし、複数の測
定点について新たな距離を求めて被測定物の三次元形状
を特定する構成とし、請求項３として、各々の光位置検
出素子の信号を基にレーザ光源における基準位置から被
測定物の測定点までの距離を算出し、算出された複数の
算出距離のうち適宜選択した２つの算出距離の間の差を
算出し、この算出された差と算出距離に含まれる誤差分
との間を相関付ける関数により算出距離に含まれる誤差
分を推定し、算出距離から推定された誤差分を除去して
新たな距離とする構成とし、請求項４として、各々の光
位置検出素子の信号を基にレーザ光源における基準位置
から被測定物の測定点までの距離を算出し、算出された
複数の算出距離のうち適宜選択した２つの算出距離にそ
れぞれ適当な重み付けをして両者の平均値を新たな距離
とする構成とし、請求項５として、請求項３に記載の三
次元形状測定方法と請求項４に記載の三次元形状測定方
法とを１次反射光が入射した光位置検出素子の位置関係
に応じて適宜選択して被測定物の三次元形状を特定する
構成としており、上記の構成を課題を解決するための手
段としている。

【００１５】

【発明の作用】本発明の請求項１に係る三次元形状測定
装置は、上記した構成としており、単一の光位置検出素
子のみを備えた三次元形状測定装置の場合には、被測定
物の形状によっては、１次反射光が入射しないため測定
を行なうことができない場合が生じることがあるが、本
発明に係る三次元測定装置においては、光位置検出素子
を複数個備えていることより、一部の光位置検出素子に
反射光が入射しなくても、残りの光位置検出素子に反射
光が入射するため、被測定物の形状に拘らずレーザ光源
の基準点と被測定物の測定点との間の距離の測定が行な
われることになる。

【００１６】本発明の請求項２に係る三次元形状測定方
法は、上記した構成としており、請求項１に記載の三次
元形状測定装置を用いて被測定物の三次元形状を測定す
る際に、各々の光位置検出素子の信号を基にレーザ光源
における基準位置から被測定物の測定点までの距離を算
出し、算出されたレーザ光源の基準位置から被測定物の
測定点までの算出距離に含まれる誤差を補正して新たな
距離とすることにより、測定点から散乱して被測定物の
測定点以外の部位から光位置検出素子に２次的に入射す
る反射光が存在する場合に、この２次反射光によるレー
ザ光源における基準位置から被測定物の測定点までの算
出距離に生ずる誤差が補正されることとなり、この結
果、被測定物の三次元形状が正確に特定されることとな
る。

【００１７】本発明の請求項３に係る三次元形状測定方
法は、上記した構成としており、通常、２次反射光によ
るレーザ光源における基準位置から被測定物の測定点ま
での算出距離に生ずる誤差の大きさは、被測定物の形
状、測定点に投影されるレーザスポットの位置、２次反
射特性、光位置検出素子の配置等によって決まるため、
幾何学的な計算によって求めることは困難であるが、各
々の光位置検出素子の信号を基にレーザ光源における基
準位置から被測定物の測定点までの距離を算出し、算出
された複数の算出距離のうち適宜選択した２つの算出距
離の間の差を算出し、この算出された差と算出距離に含
まれる誤差分との間を相関付ける関数によって算出距離
に含まれる誤差分を推定することにより、精度良く誤差
分の推定がなされ、正確な距離の測定が行なわれること
となる。

【００１８】本発明の請求項４に係る三次元形状測定方
法は、上記した構成としており、算出された複数の算出
距離のうち適宜選択した２つの算出距離に含まれる誤差
分が互いに逆の方向（極性）に生ずるような場合に、通
常、これらの大きさの比率は一定していることがわかっ
ており、そのため、それぞれに適当な重み付けをして両
者の平均値を算出することにより、互いの誤差分が相殺
されることになり、この結果、誤差分の正確な補正が行
なわれることとなる。

【００１９】本発明の請求項５に係る三次元形状測定方
法は、上記した構成としており、例えば、１次反射光が
入射した２つの光位置検出素子の位置関係によっては、
誤差分の発生の方向が同じ方向（極性）の場合と逆の方
向（極性）の場合とが存在し、同じ方向の場合には、上
記した本発明の請求項３に係る三次元形状測定方法を適
用することにより、誤差分の推定が正確におこなわれ、
逆の方向の場合には、２つの光位置検出素子の互いの誤
差分を相殺する上記した本発明の請求項４に係る三次元
形状測定方法を適用することにより２次反射光による誤
差分の補正が正確に行なわれることになる。

【００２０】本発明の請求項６に係る三次元形状測定装
置は、上記した構成としており、少なくとも２以上のレ
ンズと光位置検出素子との組み合わせがレーザ光を照射
した測定点からの１次反射光が直接入射するように配置
されているため、光位置検出素子の出力に含まれる誤差
分を除去するのに必要な情報が確実に取得されることに
なる。

【００２１】本発明の請求項７に係る三次元形状測定装
置は、上記した構成としており、当該三次元形状測定装
置を被測定物の三次元形状の測定に使用することによ
り、請求項２に係る三次元形状測定方法と同様の作用を
奏することとなる。

【００２２】本発明の請求項８に係る三次元形状測定装
置は、上記した構成としており、当該三次元形状測定装
置を被測定物の三次元形状の測定に使用することによ
り、請求項３に係る三次元形状測定方法と同様の作用を
奏することとなる。

【００２３】本発明の請求項９に係る三次元形状測定装
置は、上記した構成としており、当該三次元形状測定装
置を被測定物の三次元形状の測定に使用することによ
り、請求項４に係る三次元形状測定方法と同様の作用を
奏することとなる。

【００２４】本発明の請求項１０に係る三次元形状測定
装置は、上記した構成としており、当該三次元形状測定
装置を被測定物の三次元形状の測定に使用することによ
り、請求項５に係る三次元形状測定方法と同様の作用を
奏することとなる。

【００２５】本発明の請求項１１に係る三次元形状測定
装置は、上記した構成としており、多軸移動手段を備え
たことにより、レーザ光源、レンズおよび光位置検出素
子からなる光学系を自動的且つ連続的に移動させながら
被測定物の測定が行なわれるとともに、少なくとも２以
上の光位置検出素子に１次反射光が入射するように位光
学系の移動がなされることになる。

【００２６】本発明の請求項１２に係る三次元形状測定
装置は、上記した構成としており、誤差補正手段によっ
て取得した複数の測定点までの距離データ群では、未だ
被測定物の連続的な外形形状データとはなっておらず、
例えば、被測定物が歯牙模型である場合に、歯科油補綴
物の設計・製造に必要なデータ形式にする必要がある
が、三次元形状演算手段によって自動的且つ迅速に所望
の被測定物の三次元形状データが取得されることとな
る。

【００２７】本発明の請求項１３に係る三次元形状測定
装置は、上記した構成としており、多軸移動手段ととも
に被測定物移動手段を併用すれば、測定の方向、位置等
に関しての自由度が広がることとなり、また、多軸移動
手段の軸数を減らしたとしても同様の測定が維持される
こととなる。

【００２８】本発明の請求項１４に係る三次元形状測定
装置は、上記した構成としており、立ち壁状または急勾
配状の段差部を有する形状の被測定物の段差の高さ方向
の距離の測定において、光学系と前記段差部とが接近す
る方向に多軸移動手段により光学系および／または被測
定物移動手段により被測定物を移動させながらレーザ光
源の基準点と被測定物との距離を測定する際に、段差部
高算出手段により段差部の高さが推定されるため、推定
された段差部の高さに基づいて多軸移動手段によって光
学系を移動させれば、三次元形状測定装置の測定レンジ
外になることがなく、また、例えば、被測定物である歯
牙模型を歯科用石膏を用いて任意の高さにおいて製作し
たとしても、光学系が自動的に最適な三次元座標位置に
移動調節されることとなる。

【００２９】本発明の請求項１５に係る三次元形状測定
装置は、上記した構成としており、光学系を移動する多
軸移動手段等も併せて適用した場合には、測定範囲、測
定方向の自由度がさらに広がることとなり、また、多軸
移動手段等を適用しなくても、多軸移動手段等と同様の
被測定物のレーザ光による走査が行なわれることにな
る。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００３１】図１は、本発明に係る三次元形状測定方法
を実施するために用いられる測定装置の一実施例の構成
を示す説明図であって、光学レンズ２ａ，２ｂ，２ｃお
よび２ｄと光位置検出素子であるＰＳＤ３ａ，３ｂ，３
ｃおよび３ｄとをそれぞれ組み合わせた光学系を被測定
物Ｍの測定点へレーザ光Ｌを照射するレーザ光源１の両
側にそれぞれ２組づつ配置したものである。

【００３２】そして、被測定物Ｍが、図１に示すような
立壁部Ｍｗを有するものである場合に、レーザ光源１か
ら測定点Ｐに向けてレーザ光Ｌを照射すると、測定点Ｐ
にはレーザスポットが投影され、図に示すように反射光
が散乱する。

【００３３】このとき、散乱した反射光のうち、図面左
側方向に進む反射光、すなわち立壁部Ｍｗの存在しない
側に進む反射光Ｒａ，Ｒｂは、それぞれレンズ２ａ，２
ｂを通じてＰＳＤ３ａ，３ｂに結像する。

【００３４】一方、散乱した反射光のうち、図面右側方
向に進む反射光、すなわち立壁部Ｍｗの存在する方向に
進む反射光Ｒｃ，Ｒｄは、立壁部Ｍｗが存在しなかった
としたら図に示す点線のように、それぞれレンズ２ｃ，
２ｄを通じてＰＳＤ３ｃ，３ｄに結像するのであるが、
立壁部Ｍｗが存在するためＰＳＤ３ｃ，３ｄには結像し
ない。

【００３５】したがって、例えば、光位置検出素子であ
るＰＳＤ３ａ〜３ｄのうち、ＰＳＤ３ｃしか備えていな
い、すなわち単一の光位置検出素子のみを備えた三次元
形状測定装置の場合には、上記のような立壁部Ｍｗが存
在するとＰＳＤ３ｃに反射光が入射しないため測定が行
なえないこととなるが、図１に示した本発明に係る三次
元測定装置によれば、ＰＳＤを複数個備えているため、
一部のＰＳＤに１次反射光が入射しなくても、残りのＰ
ＳＤに反射光が入射して、立壁部Ｍｗが存在しているに
もかかわらず測定を行なうことが可能となる。

【００３６】また、ここまで説明してきた立壁部Ｍｗの
左側に位置する被測定部Ｍｌとは逆に、立壁部Ｍｗの右
側に位置する被測定部Ｍｒを測定する場合、すなわち、
測定点Ｐから見て、立壁部Ｍｗが右上りとなる場合では
なく左上りとなる場合においては、ＰＳＤ３ａおよびＰ
ＳＤ３ｂへの１次反射光の入射が妨げられることになる
が、ＰＳＤ３ｃおよびＰＳＤ３ｄに１次反射光が入射す
るため、ＰＳＤ３ｃおよびＰＳＤ３ｄによって測定を行
なうことが可能となる。

【００３７】このように、複数のＰＳＤを備えることに
より、複数のＰＳＤのいずれかによって、測定点Ｐから
直接ＰＳＤに入射する１次反射光の検出が可能となるの
であるが、例えば、上記のＰＳＤ３ａ，ＰＳＤ３ｂにつ
いて以下に説明するような、測定点Ｐから直接ＰＳＤに
入射しないで被測定物Ｍの測定点以外の部分から反射し
て間接的にＰＳＤに入射する２次反射光による誤差を生
じる場合がある。

【００３８】図２（ａ）〜（ｅ）は、三次元形状測定装
置におけるレーザ光源１、ＰＳＤ３ａ〜３ｄおよびレン
ズ２ａ〜２ｄからなる光学系を立壁部Ｍｗに接近する方
向に移動させながら測定していった際の２次反射光およ
び誤差の発生の様子を示したものである。なお、ＰＳＤ
３ｃ，３ｄおよびレンズ２ｃ，２ｄについては図示を省
略した。

【００３９】まず、図２（ａ）は、光学系と立壁部Ｍｗ
との間がある程度離れている場合であって、この場合に
は、点線で示す測定点Ｐからの１次反射光がＰＳＤ３
ａ，３ｂに入射するが、実線で示す２次反射光がＰＳＤ
３ａ，３ｂに入射しないため、もしくは、入射したとし
てもレーザスポットが立壁部Ｍｗから離れていることか
ら２次反射光が弱くなるため、２次反射光による誤差が
ほとんど生じない。

【００４０】次に、図２（ｂ）に示すように、光学系が
立壁部Ｍｗにさらに接近した場合には、１次反射光が３
ａ，３ｂに入射するとともに、点線で示す２次反射光が
ＰＳＤ３ａ，３ｂにそれぞれ入射する。

【００４１】この結果、ＰＳＤ３ａ，３ｂから見ると、
点Ｇａ，Ｇｂの位置に虚像が存在し、２次反射光がこの
虚像点Ｇａ，Ｇｂからそれぞれ入射するように見え、し
たがって、ＰＳＤ３ａ，３ｂの出力には２次反射光によ
る誤差が含まれることとなり、２次反射光の入射するＰ
ＳＤ３ａ，３ｂからそれぞれ算出された測定点Ｐまでの
距離はそれぞれ虚像点Ｇａ，Ｇｂ寄りのものとなり、実
際の距離よりもそれぞれ短かいものになる。

【００４２】また、図２（ｃ）に示すような、レーザ光
源１からのレーザ光が立壁部Ｍｗの基端部Ｅに入射され
た場合には、２次反射光は発生しないため誤差がほとん
ど生じない。

【００４３】一方、図２（ｄ）は、図２（ｂ）の場合と
は逆で、立壁部Ｍｗにレーザ光が入射された場合であっ
て、図に示すように２次反射光がＰＳＤ３ａ，３ｂにそ
れぞれ入射するため誤差が生じ、この場合には、２次反
射光の入射するＰＳＤ３ａ，３ｂからそれぞれ算出され
た測定点Ｐまでの距離はそれぞれ虚像点Ｇａ，Ｇｂ寄り
のものとなるため、実際の距離よりもそれぞれ長いもの
になる。

【００４４】さらに、図２（ｅ）は、立壁部Ｍｗの基端
部からさらに離れた位置にレーザ光源１からのレーザ光
が入射された場合であって、図２（ａ）の場合と同様
に、２次反射光による誤差がほとんど生じない。

【００４５】なお、図２（ｂ），（ｄ）に示したよう
に、レーザ光源１の片側に位置する２つのＰＳＤ３ａ，
３ｂに１次反射光が入射する場合には、ＰＳＤ３ａ，Ｐ
ＳＤ３ｂからの出力を基に算出した距離に含まれる２次
反射光による誤差は共に同じ方向（極性）となる。

【００４６】ところで、これまでは、図１に示すような
立壁部Ｍｗを有する形状の被測定物Ｍについて説明して
きたが、例えば、図３に示すように、被測定物の測定部
形状が凹（くぼみ）形状となっている場合には、被測定
物Ｍのくぼみ部Ｍｄでは、レーザ光源１からより離れた
位置に存在するＰＳＤ３ａおよびＰＳＤ３ｄには、それ
ぞれ点線で示す１次反射光がくぼみ部Ｍｄの内壁Ｍｄ
ｌ，Ｍｄｒによって遮蔽されるため、１次反射光Ｒａ，
Ｒｄが入射しないか、あるいは入射しにくい状態とな
る。

【００４７】このような場合にも、図３に示すように、
ＰＳＤを複数個備えているため、一部のＰＳＤ３ａ，３
ｄに１次反射光Ｒａ，Ｒｄが入射しなくても、残りのＰ
ＳＤ３ｂ，３ｃに実線で示す１次反射光Ｒｂ，Ｒｃが入
射するため、測定点Ｐまでの距離を測定することが可能
となる。

【００４８】また、この場合には、レーザ光源１の光軸
を挟むように配置されたＰＳＤ３ｂ，３ｃに１次反射光
Ｒｂ，Ｒｃが入射することとなるが、このような凹（く
ぼみ）形状の被測定物Ｍにおいても上記したような誤差
を生じる場合があり、以下においてこの誤差について説
明する。

【００４９】図４（ａ）〜（ｅ）は、凹形状部において
図３に示すようなＰＳＤ３ｂおよびＰＳＤ３ｃに１次反
射光Ｒｂ，Ｒｃが入射する場合の２次反射光および誤差
の発生の様子を示したものである。なお、ＰＳＤ３ａ，
３ｄおよびレンズ２ａ，２ｄについては図示を省略し
た。

【００５０】図４（ａ）のような、くぼみ部Ｍｄの内壁
Ｍｄｒから光学系がある程度離れた状態においては、図
２（ａ）において述べたのと同様に、ほとんど誤差が生
じない。

【００５１】一方、図４（ｂ）は、図２（ｂ）と対応す
るものであるが、この場合に異なるのは、図２（ｂ）に
おいては、２つのＰＳＤ３ａ，３ｂに生ずる誤差がいず
れも同じ方向（極性）のものであったが、図４（ｂ）の
状態において、２次反射光の入射するＰＳＤ３ｂ，３ｃ
からそれぞれ算出された測定点Ｐまでの距離はそれぞれ
虚像点Ｇｂ，Ｇｃ寄りのものとなるため、ＰＳＤ３ｂに
ついては実際の距離よりも長くなり、ＰＳＤ３ｃについ
ては、実際の距離よりも短くなる。

【００５２】したがって、２つのＰＳＤ３ｂ，３ｃに生
ずる誤差がそれぞれ異なる方向（極性）のものとなり、
それぞれの誤差は互いに相補的なものとなる。このこと
は、図２（ｄ）と図４（ｄ）との関係においても同様で
ある。

【００５３】なお、図４（ｃ），（ｅ）は、上述した図
２（ｃ），（ｅ）に対応するものである。

【００５４】以上説明したように、ＰＳＤ３ａ〜３ｄの
いずれかによって１次反射光を受光したとしても、上記
のような誤差を含んでいる場合があり、そのため、１次
反射光を受光したＰＳＤの出力信号をもとに測定点Ｐま
での距離を算出したとしても、誤差が含まれることがあ
り、誤差を含んだ複数の算出距離からでは被測定物Ｍの
正確な三次元形状を取得することができない。

【００５５】そこで、このような誤差を除去し、可能な
限り測定点Ｐまでの真の距離を求める手段について以下
に説明する。

【００５６】まず、距離算出手段によって各ＰＳＤ３ａ
〜３ｄの出力信号に基づいてレーザ光源１の基準位置か
ら測定点Ｐまでの距離Ｌａ，Ｌｂ，ＬｃおよびＬｄを算
出する。

【００５７】距離算出手段は、各々のＰＳＤ３ａ〜３ｄ
の受光位置から反射光の入射角度を特定して、幾何学的
にＬａ，Ｌｂ，ＬｃおよびＬｄを算出するのであるが、
１次反射光を受光していない、または確実には受光して
いないＰＳＤの出力信号から算出した距離は、１次反射
光を確実に受光したＰＳＤの出力信号から算出した距離
と比較すると明らかに異なる。

【００５８】このことから、１次反射光を受光した２つ
のＰＳＤを特定することができる。

【００５９】次に、前記の距離Ｌａ〜Ｌｄが有する誤差
の大きさを直接算出することができれば真の距離Ｌｔを
求めることができるのであるが、実際には、誤差の大き
さは、立壁部の傾き，レーザスポットの位置，２次反射
特性，ＰＳＤの配置等によって決まるため、幾何学的な
計算によって求めることは困難である。

【００６０】したがって、本発明においては、以下に説
明する２つの誤差補正手段によって誤差を補正する。

【００６１】ここで、１次反射光を受光した２つのＰＳ
Ｄが、図２に示したようなレーザ光源１の片側に位置す
るＰＳＤ３ａ，３ｂの場合と、図４に示したようなレー
ザ光源１を挟むように位置するＰＳＤ３ｂ，３ｃの場合
とでは、上述したように２つのＰＳＤに発生する誤差の
方向（極性）が異なり、図２の場合には、２つのＰＳＤ
３ａ，３ｂに発生する誤差の方向が共に同じであり、図
４の場合には、誤差の方向が互いに異なる。

【００６２】そのため、本発明に係る三次元形状測定装
置においては、２つのＰＳＤに発生する誤差の方向の異
同に応じた誤差補正手段により誤差を除去する。

【００６３】まず、第一の誤差補正手段について説明す
ると、ＰＳＤ３ａ〜３ｄの出力信号に基づき算出した距
離Ｌａ，Ｌｂ，ＬｃおよびＬｄのうち、図２（ｂ），
（ｄ）に示したような誤差の場合においては、測定点Ｐ
までの真の距離をＬｔ、ＰＳＤ３ａ，３ｂの誤差分をｅ
ｒｒa ，ｅｒｒb ，とすれば、ＰＳＤ３ａおよびＰＳＤ
３ｂから求められる距離Ｌａ，Ｌｂは、 Ｌａ＝Ｌｔ＋ｅｒｒa Ｌｂ＝Ｌｔ＋ｅｒｒb となる。

【００６４】ここで、各々の距離Ｌａ，Ｌｂ間の差をと
ると、 Ｌａ−Ｌｂ＝ｅｒｒa −ｅｒｒb となる。この値は、誤差ｅｒｒa またはｅｒｒb と所定
の関係を有することから、この値を誤差相関値△＝ｅｒ
ｒa −ｅｒｒb とする。

【００６５】次に、誤差ｅｒｒa と誤差相関値△との関
係、すなわち、ＰＳＤ３ａの誤差分ｅｒｒa は、両者の
間を相関付ける関数である ｆ（△）＝ｍ・△ⁿ ＋ｋ により推定近似することができることが実験結果からあ
きらかになっており、したがって、真の距離Ｌは、 Ｌｔ＝Ｌａ−ｅｒｒa ＝Ｌａ−ｆ（△） となる。

【００６６】なお、推定値ｆ（△）の近似パラメータで
あるｍ，ｎ，ｋを適当に選べば、ＰＳＤ３ｂについて
も、 Ｌｔ＝Ｌｂ−ｅｒｒb ＝Ｌｂ−ｆ（△） とすることができるので、ＰＳＤ３ａ，ＰＳＤ３ｂのい
ずれか一方を基準に計算することができる。

【００６７】一方、図４（ｂ），（ｄ）に示したような
誤差の場合においては、以下に説明するような第２の誤
差補正手段によって誤差を補正する、すなわち、測定点
Ｐに関して虚像点ＧｂとＧｃの発生方向は互いに逆で且
つＰ，Ｇｂ間の距離とＰ，Ｇｃ間の距離とは異なってお
り、両者の距離の比率がほぼ一定しているため、次のよ
うに重み付け平均化して誤差分を消去演算する。

【００６８】Ｌｔ＝（Ｌｂ＋ｋ・Ｌｃ）／（１＋ｋ） このように重み付け平均化することにより、容易に所期
の精度を得ることができることが実験より確認されてい
る。なお、ｋは、Ｐ，Ｇｂ間の距離とＰ，Ｇｃ間の距離
との比から実験的に求まる定数である。

【００６９】以上説明してきたように、図２（ｂ），
（ｄ）および図４（ｂ），（ｄ）において説明した２次
反射光による誤差が各ＰＳＤに存在していたとしても、
それぞれの場合について適切に誤差を除去することが可
能となり、より正確な測定が実現されることとなる。

【００７０】ここまで説明してきた、距離算出手段およ
び誤差補正手段は、例えば、図５に示すような信号処理
装置Ｖにおいて実現することが可能である。

【００７１】まず、図５において、信号処理装置Ｖは、
各ＰＳＤ３ａ〜３ｄからの電流出力をＡ／Ｄ変換器４に
よりディジタル値に変換し、このディジタル値を制御・
演算器５により処理する。

【００７２】制御・演算器５は、マイクロプロセッサ
ー，ソフトウエア等から基本的に構成されるものとする
ことができ、制御・演算器５おいて、距離算出手段およ
び誤差補正手段を実現することができる。

【００７３】ここで、図５に示す信号処理装置Ｖにおけ
る信号処理手順の一例を図６に示すフローチャートに基
づいて説明する。

【００７４】図６において、まず、測定を開始する所定
の位置に光学系を移動させる（Ｓ１）。

【００７５】これは、例えば、信号処理装置Ｖに位置決
め制御手段を併せ持たせ、この位置決め制御手段から後
述する多軸移動手段に位置指令を送ることにより実施す
ることが可能である。

【００７６】そして、各ＰＳＤ３ａ〜３ｄの出力信号を
Ａ／Ｄ変換器４によって読み込み（Ｓ２）、この各ＰＳ
Ｄ３ａ〜３ｄの出力信号から各ＰＳＤ３ａ〜３ｄの受光
面における各受光位置ｙａ〜ｙｄを算出する（Ｓ３）。

【００７７】そして、この各受光位置ｙａ〜ｙｄから測
定点Ｐまでの距離Ｌａ，Ｌｂ，ＬｃおよびＬｄを幾何学
的に算出する（Ｓ４）。

【００７８】次に、ステップＳ５においては、Ｓ４にお
いて算出された測定点Ｐまでの距離Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃお
よびＬｄのうち、誤差補正手段によって誤差を除去する
ために用いる２つのデータを特定し、上述した第１およ
び第２の誤差補正手段のうちどちらの手段により誤差を
除去するかを判断する。

【００７９】この判断は、例えば、図２に示すような配
置のＰＳＤ３ａおよび３ｂのみに１次反射光が入射する
場合には、算出された測定点Ｐまでの距離Ｌａ，Ｌｂ，
ＬｃおよびＬｄのうち、ＬｃおよびＬｄについては、明
らかにＬａ，Ｌｂとは値が異なるものとなるため、誤差
を除去するために用いる２つのデータをＬａ，Ｌｂとす
べきことが判断される。

【００８０】また、第１および第２の誤差補正手段のう
ちどちらの手段により誤差を除去するかは、例えば、誤
差を除去するために用いる２つのデータがＬａ，Ｌｂで
あれば、第１の誤差補正手段を選択し、誤差を除去する
ために用いる２つのデータがＬｂ，Ｌｃであれば、第１
の誤差補正手段を選択する。

【００８１】そして、ステップＳ５において第１の誤差
補正手段が選択された場合には、ステップＳ６に移り、
誤差相関値△の算出を行なった後、誤差推定値ｆ(△)
を算出し（Ｓ７）、例えば、基準とするデータをＬａと
した場合には、Ｌａから誤差推定値ｆ(△) を除去して
誤差補正を行なう（Ｓ８）。

【００８２】一方、ステップＳ５において第２の誤差補
正手段が選択された場合には、ステップＳ９に移り、上
述したように、重み付け平均化して誤差分を消去演算す
る。次に、ステップＳ８またはＳ９において取得した補
正後の距離を記憶または表示装置等の出力手段６に出力
する（Ｓ１０）。

【００８３】そして、測定位置を移動し（Ｓ１１）、測
定すべき範囲内かどうかを判定し、範囲内であれば再度
ステップＳ２に移り、範囲外であれば測定を終了する。

【００８４】このようにして、複数の測定点Ｐまでの距
離を測定することにより、被測定物の三次元形状が正確
に特定されることとなる。

【００８５】なお、これまでレーザ光源１，レンズ２ａ
〜２ｄおよびＰＳＤ３ａ〜３ｄからなる光学系の構成に
ついては、図１に示した構成のものに基づいて説明して
きたが、この他に、図７に示すような、各ＰＳＤ３ａ〜
３ｄ，レンズ２ａ〜２ｄが直線上に配列されていない構
成にすることも可能であり、さらには、ＰＳＤおよびレ
ンズの組み合わせは、４つに限られるものではなく、適
宜増減可能である。

【００８６】また、上記の第２の誤差補正手段である重
み付け平均化によってのみ誤差の除去を行なう場合に
は、図８および図９に示すように、レーザ光源１から照
射されるレーザ光Ｌの光軸に垂直な平面内に複数組のレ
ンズおよびＰＳＤを配置した構成のものとすることも可
能である。なお、図８は、４組のレンズ２ａ〜２ｄおよ
びＰＳＤ３ａ〜３ｄを備えたものであり、また、図９
は、３組のレンズ２ａ〜２ｃおよびＰＳＤ３ａ〜３ｃを
備えたものである。

【００８７】次に、図１０は、本発明に係る三次元形状
測定装置の他の実施例の構成を示す説明図であって、レ
ーザ光源および複数のレンズとＰＳＤとの組み合わせか
らなる光学系２１の三次元座標位置を自動的且つ連続的
に移動させる多軸移動手段２２と、この多軸移動手段２
２の位置決め制御を行なう位置決め制御手段２３を備え
る構成としたものである。

【００８８】また、信号処理装置Ｖ内は、距離算出手段
２４，誤差補正手段２５および三次元形状演算手段２６
から基本的に構成されており、信号処理装置Ｖの出力は
出力手段２７により表示される。なお、上述したよう
に、位置決め制御手段２３を信号処理装置Ｖ内において
同時に実現することも可能である。

【００８９】ここで、三次元形状演算手段２６は、多軸
移動手段２２により光学系２１を移動させながら測定し
た被測定物の複数の測定点Ｐｉ（ｉ=1,..n) とレーザ光
源の基準位置との相対距離Ｌｉ（ｉ=1,..,n ）および各
々の測定点Ｐｉに対応する光学系２１の三次元座標位置
とから、測定点Ｐｉの三次元位置座標を算出し、この算
出された測定点Ｐｉの三次元位置座標データから被測定
物Ｍの連続的な外形形状データを算出するものである。

【００９０】したがって、誤差補正手段２５により可能
な限り正確な複数の測定点Ｐｉ（ｉ=1,..n) とレーザ光
源の基準位置との相対距離Ｌｉ（ｉ=1,..,n ）を求めた
としても、この段階では、未だ被測定物Ｍの連続的な外
形形状データは得られていないが、三次元形状演算手段
２６によれば、被測定物Ｍの連続的な外形形状データを
得ることが可能となり、例えば、被測定物Ｍが歯牙模型
である場合に、歯科用補綴物の設計製造に三次元形状演
算手段２６により得られた歯牙模型の連続的な外形形状
データをそのまま使用することが可能になる。

【００９１】一方、多軸移動手段２２を備えたことによ
り、光学系２１を自動的且つ連続的に移動させながら被
測定物Ｍの測定が可能になることに加えて、少なくとも
２以上のＰＳＤに同時に１次反射光が入射する位置に光
学系２１を移動させることも可能となる。

【００９２】次に、図１１は、光学系２１の三次元座標
位置の移動を行なう多軸移動手段２２とは別に、被測定
物Ｍについても、被測定物移動手段２８によって自動的
且つ連続的に移動可能な構成としたものである。

【００９３】このような構成とすることにより、測定可
能な範囲における自由度が広がるとともに、多軸移動手
段２２の軸数を削減することができる。

【００９４】図１２は、立壁状の段差部Ｗｄを有する形
状の被測定物Ｍの段差の高さ方向の距離を測定する様子
を示した説明図である。

【００９５】今、段差部Ｗｄに向かってレーザ光源１，
レンズ２ａ〜２ｄおよびＰＳＤ３ａ〜３ｄからなる光学
系を矢印Ａの方向に多軸移動手段により移動させなが
ら、図における下底面Ｐｂを測定していった際、光学系
が段差部Ｗｄの頂上面Ｐｔの上方にさしかかると、最初
にＰＳＤ３ｄに１次反射光が入射しなくなり、更に進む
とＰＳＤ３ｃにも１次反射光が入射しなくなる。

【００９６】そして、レーザ光源１が段差部Ｗｄの頂上
面Ｐｔにレーザスポットを結像すると、レーザ光源１と
測定点との距離が急に接近するため、測定できる所定の
レンジから外れることがある。

【００９７】したがって、段差部Ｗｄの頂上面Ｐｔを測
定するには、所定のレンジ内に収まるように、光学系を
段差の高さ方向に移動させる必要がある。

【００９８】この場合に、測定しながら段差部Ｗｄの高
さＸを求めることができれば、上記した多軸移動手段２
２により、光学系を適当な高さに自動的に移動させるこ
とが可能となることから、この段差部Ｗｄの高さＸを推
定する段差部高さ推定手段について、以下において説明
する。

【００９９】まず、ＰＳＤ３ｄに１次反射光が入射しな
くなる光学系の位置を検出し、更にＰＳＤ３ｃにも１次
反射光が入射しなくなる位置を検出する。なお、光学系
の位置は、例えば、多軸移動手段２２に位置検出器を備
えておき、この検出信号を信号処理装置Ｖに送ることに
より検出が可能である。

【０１００】そして、ＰＳＤ３ｄに１次反射光が入射し
なくなる光学系の位置とＰＳＤ３ｃにも１次反射光が入
射しなくなる位置とから、光学系の移動距離ｄを求め、
この移動距離ｄを用いて、 Ｘ＝ｄ・ｌ1 ／ｈ から段差部Ｗｄの高さＸを推定することができる。ただ
し、ｈは、測定により算出した基準点Ｓと測定点Ｐとの
距離であり、ｌ1 は、基準点Ｓとレンズ２ｃの中心点Ｃ
との距離である。

【０１０１】ここで、上記の段差部高さ推定手段を、例
えば、上記の信号処理装置Ｖ内において実現した場合の
処理手順の一例を図１３に示すフローチャートに基づい
て説明する。

【０１０２】なお、図１３に示すフローチャートにおい
ては、段差部高さ推定手段の処理手順を単独で示した
が、図６に示したフローチャートにおける処理と並行し
て実行する構成、あるいは図６に示したフローチャート
の適当なステップにおいて実行する構成とすることも可
能である。

【０１０３】まず、ステップＳ５１において、各々のＰ
ＳＤからの出力信号の読み込みを行ない、ステップＳ５
２において、信号レベルの判定を行なう。信号レベルの
判定は、各ＰＳＤ３ａ〜３ｄについてそれぞれ行ない、
信号レベルが所定の値以下になったものがないかを判定
し、図１２に示すように、ＰＳＤ３ｄへの１次反射光の
入射が遮蔽されて信号レベルが所定の値以下になった場
合には、ステップＳ５５に進み、そうでなければ、ステ
ップＳ５４に進み、多軸移動手段によって光学系の位置
を矢印Ａの方向に所定量移動し、再度ステップＳ５１に
戻って、ＰＳＤ信号の読む込みを行なう。

【０１０４】ステップＳ５５においては、測定点Ｐまで
の距離ｈを算出して記憶するとともに、光学系の三次元
位置座標を記憶する。

【０１０５】そして、ステップＳ５６においては、多軸
移動手段によって光学系の位置を矢印Ａの方向に所定量
移動した後、再度ＰＳＤ信号の読み込みを行ない（Ｓ５
９）、ステップＳ５３と同様に信号レベルの判定を行な
う（Ｓ５８）。

【０１０６】そして、新たに、ＰＳＤ３ｃへの１次反射
光の入射が遮蔽されて、ＰＳＤ３ｄとともに信号レベル
が所定の値以下になった場合にはステップＳ６０に進
み、測定位置における光学系の三次元位置座標を取得
し、記憶する。ＰＳＤ３ｃの信号レベルが所定の値より
も大きい場合には、ステップＳ５４に進む。

【０１０７】ステップＳ６１においては、ステップＳ５
５において取得した光学系の三次元位置座標，距離ｈお
よびステップＳ６０において取得した光学系の三次元位
置座標から被測定物の高さＸを推定する。

【０１０８】そして、推定された被測定物の高さＸをも
とに、段差の高さ方向に多軸移動手段２２によって光学
系を移動する。

【０１０９】この結果、推定した段差部Ｗｄの高さＸか
ら、光学系の位置を多軸移動手段によって最適な位置に
自動的に調整することが可能となり、例えば、被測定物
ｍである歯牙模型を歯科用石膏を用いて任意の高さに製
作したとしても、自動的に光学系の位置を最適な位置に
調整することができる。

【０１１０】次に、図１４は、本発明に係る三次元形状
測定装置のさらに他の実施例を示す説明図であって、レ
ーザ光源から照射されるレーザ光の方向を可変とする照
射用可動反射鏡４１および被測定物の測定点からの１次
反射光の方向を可変とする反射光用可動反射鏡４２，４
３を備えたものである。

【０１１１】図１４において、レーザ光源１からのレー
ザ光Ｌは、まず照射用可動反射鏡４１に入射する。この
とき、照射用可動反射鏡４１のレーザ光軸に対する角度
を適宜変更することにより、被測定物Ｍへの入射位置を
変更することが可能となる。言い換えれば、多軸移動手
段２２により被測定物Ｍをメカニカルに走査するのと同
様のことを行なうことが可能となる。

【０１１２】なお、照射用可動反射鏡４１のレーザ光軸
に対する角度は、例えば、レーザ光源１からのレーザ光
を受光する照射用可動反射鏡４１の受光面とは反対側の
面に角度検出用の反射鏡４１ｂを設けておき、照射用可
動反射鏡４１を挟んでレーザ光源１と対向する位置に角
度検出用光源４５を配置し、この角度検出用光源４５か
ら角度検出用反射鏡４１ｂにむけてレーザ光を照射し
て、その反射光を角度検出用センサ４４により受光する
ことにより検出可能である。

【０１１３】また、被測定物Ｍからの１次反射光をレン
ズ２ａ，２ｂを通じてＰＳＤ３ａ，３ｂにより受光する
のであるが、図１３に示すように、照射用可動反射鏡４
１のレーザ光軸に対する角度の変更に同期して角度が変
更可能な反射光用可動反射鏡４２，４３を備えることに
より、各ＰＳＤ３ａ，３ｂにより受光が可能となる。こ
のような構成とすることにより、光学系を移動する多軸
移動手段も併せて適用すれば、測定範囲、測定方向の自
由度をさらに拡大することができ、あるいは、多軸移動
手段の軸数を削減することが可能となり、さらに、多軸
移動手段を適用しなくても、多軸移動手段と同様に被測
定物のレーザ光による走査を行なうことが可能となる。

【０１１４】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の請求
項１に係る三次元形状測定装置によれば、単一の光位置
検出素子のみを備えた三次元形状測定装置の場合には、
被測定物の形状によっては、１次反射光が入射しないた
め測定が行なえない場合が生じることがあるが、本発明
に係る三次元測定装置においては、光位置検出素子を複
数個備えていることより、一部の光位置検出素子に反射
光が入射しなくても、残りの光位置検出素子に反射光が
入射するため、被測定物の形状に拘らずレーザ光源の基
準点と被測定物の測定点との間の距離の測定を行なうこ
とが可能になるという優れた効果がもたらされる。

【０１１５】また、本発明の請求項２に係る三次元形状
測定方法によれば、請求項１に記載の三次元形状測定装
置を用いて被測定物の三次元形状を測定する際に、各々
の光位置検出素子の信号を基にレーザ光源における基準
位置から被測定物の測定点までの距離を算出し、算出さ
れたレーザ光源の基準位置から被測定物の測定点までの
算出距離に含まれる誤差を補正して新たな距離とするこ
とにより、測定点から散乱して被測定物の測定点以外の
部位から光位置検出素子に２次的に入射する反射光が存
在する場合に、この２次反射光によるレーザ光源におけ
る基準位置から被測定物の測定点までの算出距離に生ず
る誤差を補正することが可能となり、この結果、被測定
物の三次元形状を正確に特定することが可能になるとい
う優れた効果がもたらされる。

【０１１６】本発明の請求項３に記載の構成とすれば、
通常、２次反射光によるレーザ光源における基準位置か
ら被測定物の測定点までの算出距離に生ずる誤差の大き
さは、被測定物の形状、測定点に投影されるレーザスポ
ットの位置、２次反射特性、光位置検出素子の配置等に
よって決まるため、幾何学的な計算によって求めること
は困難であるが、各々の光位置検出素子の信号を基にレ
ーザ光源における基準位置から被測定物の測定点までの
距離を算出し、算出された複数の算出距離のうち適宜選
択した２つの算出距離の間の差を算出し、この算出され
た差と算出距離に含まれる誤差分との間を相関付ける関
数によって算出距離に含まれる誤差分を推定することが
できるため、精度の良い誤差分の推定が可能となり、そ
の結果、正確な距離の測定を行なうことができるという
優れた効果がもたらされる。

【０１１７】本発明の請求項４に記載の構成とすれば、
算出された複数の算出距離のうち適宜選択した２つの算
出距離に含まれる誤差分が互いに逆の方向（極性）に生
ずるような場合に、通常、これらの大きさの比率は一定
していることがわかっており、そのため、それぞれ適当
な重み付けをして両者の平均値を算出することにより、
互いの誤差分を相殺することができるため、この結果、
誤差分の正確な補正を行なうことが可能になるという優
れた効果がもたらされる。

【０１１８】本発明の請求項５に記載の構成とすれば、
例えば、１次反射光が入射した２つの光位置検出素子の
位置関係によっては、誤差分の発生の方向が同じ方向
（極性）の場合と逆の方向（極性）の場合とが存在し、
同じ方向の場合には、上記した本発明の請求項３に係る
三次元形状測定方法を適用することにより、誤差分の推
定を正確に行なうことが可能となり、また、逆の方向の
場合には、２つの光位置検出素子の互いの誤差分を相殺
する上記した本発明の請求項４に係る三次元形状測定方
法を適用することにより、２次反射光による誤差分の補
正を正確に行なうことが可能になるという優れた効果が
もたらされる。

【０１１９】さらに、本発明の請求項６に係る三次元形
状測定装置によれば、少なくとも２以上のレンズと光位
置検出素子との組み合わせがレーザ光を照射した測定点
からの１次反射光が直接入射するように配置されている
ため、光位置検出素子の出力に含まれる誤差分を除去す
るのに必要な情報を確実に取得することができるという
優れた効果がもたらされる。

【０１２０】またさらに、本発明の請求項７に係る三次
元形状測定装置によれば、当該三次元形状測定装置を被
測定物の三次元形状の測定に使用することにより、請求
項２に係る三次元形状測定方法と同様の効果がもたらさ
れる。

【０１２１】本発明の請求項８に記載の構成とすれば、
当該三次元形状測定装置を被測定物の三次元形状の測定
に使用することにより、請求項３に係る三次元形状測定
方法と同様の効果がもたらされる。

【０１２２】本発明の請求項９に記載の構成とすれば、
当該三次元形状測定装置を被測定物の三次元形状の測定
に使用することにより、請求項４に係る三次元形状測定
方法と同様の効果がもたらされる。

【０１２３】本発明の請求項１０に記載の構成とすれ
ば、当該三次元形状測定装置を被測定物の三次元形状の
測定に使用することにより、請求項５に係る三次元形状
測定方法と同様の効果がもたらされる。

【０１２４】また、本発明の請求項１１に係る三次元形
状測定装置によれば、多軸移動手段を備えたことによ
り、レーザ光源、レンズおよび光位置検出素子からなる
光学系を自動的且つ連続的に移動させながら被測定物の
測定を行なうことが可能になるとともに、、少なくとも
２以上の光位置検出素子に１次反射光が入射するため、
誤差補正手段に必要な情報を確保することができるとい
う優れた効果がもたらされる。

【０１２５】本発明の請求項１２に記載の構成とすれ
ば、多軸移動手段により被測定物をメカニカルに走査す
るのと同様のことを行なうことが可能となり、光学系を
移動する多軸移動手段も併せて適用すれば、測定範囲、
測定方向の自由度をさらに拡大することができ、あるい
は、多軸移動手段の軸数を削減することが可能となると
いう優れた効果がもたらされる。

【０１２６】本発明の請求項１３に記載の構成とすれ
ば、多軸移動手段とともに被測定物移動手段を併用すれ
ば、測定の方向、位置等に関しての自由度を広げること
ができ、また、多軸移動手段の軸数を減らしたとしても
同様の測定を行なうことができるという優れた効果がも
たらされる。

【０１２７】本発明の請求項１４に記載の構成とすれ
ば、立ち壁状または急勾配状の段差部を有する形状の被
測定物の段差の高さ方向の距離の測定において、光学系
と前記段差部とが接近する方向に多軸移動手段により光
学系および／または被測定物移動手段により被測定物を
移動させながらレーザ光源の基準点と被測定物との距離
を測定する際に、段差部高算出手段により段差部の高さ
を推定することが可能となるため、推定された段差部の
高さに基づいて多軸移動手段によって光学系を移動すれ
ば、三次元形状測定装置の測定レンジ外になることを防
止することができ、また、例えば、被測定物である歯牙
模型を歯科用石膏を用いて任意の高さにおいて製作した
としても、光学系を自動的に最適な三次元座標位置に移
動調節することができるという優れた効果がもたらされ
る。

【０１２８】本発明の請求項１５に記載の構成とすれ
ば、光学系を移動する多軸移動手段等も併せて適用した
場合には、測定範囲、測定方向の自由度をさらに広げる
ことが可能となり、また、多軸移動手段等を適用しなく
ても、多軸移動手段等と同様の被測定物のレーザ光によ
る走査を行なうことが可能になるという優れた効果がも
たらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る三次元形状測定装置における光学
系の一構成例を示す断面説明図である。

【図２】２次反射光による誤差発生の様子の一例を示す
断面説明図である。

【図３】凹形状部を有する被測定物の測定の様子を示し
た断面説明図である。

【図４】２次反射光による誤差発生の様子の他の例を示
す断面説明図である。

【図５】本発明に係る三次元形状測定装置における信号
処理装置の一実施例の構成を示す説明図である。

【図６】本発明に係る三次元形状測定装置の動作手順の
一例を示すフローチャートである。

【図７】本発明に係る三次元形状測定装置における光学
系の他の構成例を示す断面説明図である。

【図８】本発明に係る三次元形状測定装置における光学
系のさらに他の構成例を示す断面説明図である。

【図９】本発明に係る三次元形状測定装置における光学
系のさらに他の構成例を示す断面説明図である。

【図１０】本発明に係る三次元形状測定装置の他の実施
例の構成を示す説明図である。

【図１１】本発明に係る三次元形状測定装置のさらに他
の実施例の構成を示す説明図である。

【図１２】立ち壁状の段差部を有する形状の被測定物の
段差の高さ方向の距離を測定する様子を示した説明図で
ある。

【図１３】本発明に係る三次元形状測定装置の動作手順
の一例を示すフローチャートである。

【図１４】本発明に係る三次元形状測定装置のさらに他
の実施例の構成を示す説明図である。

【図１５】歯科用補綴物設計装置の一構成例を示す説明
図である。

【図１６】従来の被測定物の三次元形状測定手段の一例
を示す説明図である。

【図１７】従来の被測定物の三次元形状測定手段の他の
例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ レーザ光源 ２ レンズ ３ ＰＳＤ（光位置検出素子） ４ Ａ／Ｄ変換器 ５ 制御・演算器 ６ 出力手段 ２１ 光学系 ２２ 多軸移動手段 ２３ 位置決め制御手段 ２４ 距離算出手段 ２５ 誤差補正手段 ２６ 三次元形状演算手段 ２７ 出力手段 ２８ 被測定物移動手段 ４１ 照射用可動反射鏡 ４１ｂ 角度検出用反射鏡 ４２，４３反射光用可動反射鏡 ４４ 角度検出用センサ ４５ 角度検出用光源 Ｖ 信号処理装置 Ｍ 被測定物 Ｐ 測定点 Ｌ レーザ光 Ｒａ〜Ｒｄ １次反射光 Ｇａ〜Ｇｃ 虚像点 Ｘ 段差部高さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石 若 卓 夫 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 歯科用補綴物を設計および製造する際に
   必要な歯牙模型等の被測定物の三次元形状を非接触で測
   定するのに使用される三次元形状測定装置であって、被
   測定物の測定点にレーザ光を照射するレーザ光源と、前
   記測定点からの反射光を集光するレンズと、集光された
   反射光を受光してその受光面における受光位置情報を出
   力する光位置検出素子を備え、前記光位置検出素子の出
   力をもとに被測定物の測定点までの距離を算出し、複数
   の測定点の三次元座標から被測定物の三次元形状を特定
   する三次元形状測定装置において、レンズと光位置検出
   素子との組み合わせを少なくとも２以上備えたことを特
   徴とする三次元形状測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の三次元形状測定装置を
   用いて被測定物の三次元形状を測定する際に、各々の光
   位置検出素子の信号を基にレーザ光源における基準位置
   から被測定物の測定点までの距離を算出し、算出された
   レーザ光源の基準位置から被測定物の測定点までの算出
   距離に含まれる誤差を補正して新たな距離とし、複数の
   測定点について新たな距離を求めて被測定物の三次元形
   状を特定することを特徴とする三次元形状測定方法。
3. 【請求項３】 各々の光位置検出素子の信号を基にレー
   ザ光源における基準位置から被測定物の測定点までの距
   離を算出し、算出された複数の算出距離のうち適宜選択
   した２つの算出距離の間の差を算出し、この算出された
   差と算出距離に含まれる誤差分との間を相関付ける関数
   により算出距離に含まれる誤差分を推定し、算出距離か
   ら推定された誤差分を除去して新たな距離とすること特
   徴とする請求項２に記載の三次元形状測定方法。
4. 【請求項４】 各々の光位置検出素子の信号を基にレー
   ザ光源における基準位置から被測定物の測定点までの距
   離を算出し、算出された複数の算出距離のうち適宜選択
   した２つの算出距離にそれぞれ適当な重み付けをして両
   者の平均値を新たな距離とすること特徴とする請求項２
   に記載の三次元形状測定方法。
5. 【請求項５】 請求項３に記載の三次元形状測定方法と
   請求項４に記載の三次元形状測定方法とを１次反射光が
   入射した光位置検出素子の位置関係に応じて適宜選択し
   て被測定物の三次元形状を特定することを特徴とする請
   求項２に記載の三次元形状測定方法。
6. 【請求項６】 複数のレンズと光位置検出素子との組み
   合わせのうち、少なくとも２以上の組み合わせがレーザ
   光を照射した測定点からの１次反射光が直接入射するよ
   うに配置されている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。
7. 【請求項７】 各々の光位置検出素子の信号を基にレー
   ザ光源における基準位置から被測定物の測定点までの距
   離を算出する距離算出手段と、距離算出手段より算出さ
   れたレーザ光源における基準位置から被測定物の測定点
   までの算出距離に含まれる誤差を補正して新たな距離と
   する誤差補正手段を備えたことを特徴とする請求項１ま
   たは６に記載の三次元形状測定装置。
8. 【請求項８】 誤差補正手段が、距離算出手段により算
   出された複数の算出距離のうち適宜選択された２つの算
   出距離の間の差を算出し、この算出された差と算出距離
   に含まれる誤差分との間を相関付ける関数により算出距
   離に含まれる誤差分を推定し、算出距離から推定された
   誤差分を除去して新たな距離とすることを特徴とする請
   求項７に記載の三次元形状測定装置。
9. 【請求項９】 誤差補正手段が、距離算出手段により算
   出された複数の算出距離のうち適宜選択された２つの算
   出距離にそれぞれ適当な重み付けをして両者の平均値を
   新たな距離とすることを特徴とする請求項７に記載の三
   次元形状測定装置。
10. 【請求項１０】 請求項８に記載の誤差補正手段および
    請求項９に記載の誤差補正手段とを備え、１次反射光が
    入射した光位置検出素子の位置関係に応じて前記２つの
    誤差補正手段を適宜選択する誤差補正選択手段を備えた
    ことを特徴とする請求項７に記載の三次元形状測定装
    置。
11. 【請求項１１】 レーザ光源、レンズおよび光位置検出
    素子からなる光学系を任意の三次元座標位置に移動する
    多軸移動手段および多軸移動手段の位置決めを行なう位
    置決め制御手段を備えたことを特徴とする請求項１，６
    〜１０のいずれかに記載の三次元形状測定装置。
12. 【請求項１２】 多軸移動手段によりレーザ光源、レン
    ズおよび光位置検出素子からなる光学系を移動させなが
    ら測定した被測定物の複数の測定点とこの複数の測定点
    の各々に対応する前記光学系の三次元座標位置とから、
    各々の測定点の三次元座標位置を算出し、この算出され
    た複数の測定点の三次元座標データ群から被測定物の三
    次元形状を算出する三次元形状演算手段を備えたことを
    特徴とする請求項１１に記載の三次元形状測定装置。
13. 【請求項１３】 被測定物を任意の三次元座標位置に移
    動する被測定物移動手段を備えたことを特徴とする請求
    項１１または１２に記載の三次元形状測定装置。
14. 【請求項１４】 立ち壁状または急勾配状の段差部を有
    する形状の被測定物の段差の高さ方向の距離の測定にお
    いて、レーザ光源、レンズおよび光位置検出素子からな
    る光学系と前記段差部とが接近する方向に多軸移動手段
    により前記光学系および／または被測定物移動手段によ
    り被測定物を移動させながらレーザ光源の基準点と被測
    定物との距離を測定する際に、 段差部によって各々の光位置検出素子への１次反射光の
    入射が遮蔽されるときの光学系の各々の位置を検出し且
    つこの情報を基に段差部の高さを算出する段差部高さ算
    出手段を備えたことを特徴とする請求項１１ないし１３
    のいずれかに記載の三次元形状測定装置。
15. 【請求項１５】 レーザ光源から照射されるレーザ光の
    方向を可変とする照射用可動反射鏡および／または被測
    定物からの反射光の方向を可変とする反射光用可動反射
    鏡を備えたことを特徴とする請求項１，６〜１４のいず
    れかに記載の三次元形状測定装置。