(57)【要約】【課題】計測精度を変更することのできる計測システムを提供することを目的とする。【解決手段】手持ち式で利用可能な医療用の三次元計測装置は、対象物に反射した光を取り込むための採光部と、レンズと、レンズの焦点位置を変化させる変化機構と、レンズを通った光を検出して読み出す検出部とを含む。変化機構は、検出部が検出結果を読み出すフレームレートを変えることなく、予め定められた特定期間における焦点位置の変位量が変更され、変更後の変位量に従って制御される。計測精度は、焦点位置の変位量が変更されることで変更される。【選択図】図３
2020034487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療用の三次元計測システムであって、
対象物に反射した光を取り込むための採光部を有する把持可能な筐体と、
前記採光部から取り込まれた光を通すレンズと、
前記レンズの焦点位置を変化させる変化機構と、
前記レンズを通った光を検出して読み出す検出部と、
前記レンズを通った光を前記検出部が検出する単位時間当たりの検出回数を変えることなく、予め定められた特定期間における前記焦点位置の変位量を変更することで計測精度を変更し、当該変更後の変位量に従って前記変化機構を制御する制御部とを備える三次元計測システム。
【請求項２】
前記変化機構は、前記レンズの位置を移動させる機構である、請求項１に記載の三次元計測システム。
【請求項３】
前記変化機構は、前記レンズの光軸方向に前記レンズを直線運動させる機構である、請求項２に記載の三次元計測システム。
【請求項４】
前記変化機構は、
前記レンズを直線運動させる第１駆動部と、
前記レンズの直線運動方向の直線上に設けられかつ前記レンズと同じ質量を有するカウンタウェイトと、
前記カウンタウェイトを直線運動させる第２駆動部と、
前記レンズおよび前記カウンタウェイトが直線運動するように支持する支持部とを含み、
前記制御部は、前記レンズと前記カウンタウェイトとが相対する方向にそれぞれ同じ距離だけ直線運動するように前記第１駆動部および前記第２駆動部を制御する、請求項３に記載の三次元計測システム。
【請求項５】
前記第１駆動部および前記第２駆動部の少なくともいずれか一方は、磁石、コイル、およびヨークを含む磁気回路構成を有し、
前記レンズまたは前記カウンタウェイトは、前記磁気回路構成によって直線運動方向の力が与えられることで直線運動する、請求項４に記載の三次元計測システム。
【請求項６】
前記第１駆動部および前記第２駆動部の少なくともいずれか一方は、前記レンズまたは前記カウンタウェイトの直線運動方向に弾性力を与える弾性部材を含む、請求項４または請求項５に記載の三次元計測システム。
【請求項７】
前記第１駆動部および前記第２駆動部の少なくともいずれか一方は、ダンパを含む、請求項６に記載の三次元計測システム。
【請求項８】
前記レンズは液体レンズであって、
前記変化機構は、前記液体レンズに印加する電圧を変化する機構である、請求項１に記載の三次元計測システム。
【請求項９】
前記変化機構が変化させる焦点位置の変位量を調整する調整部をさらに備える、請求項１〜請求項８のうちいずれか１項に記載の三次元計測システム。
【請求項１０】
前記検出部により読み出された複数の検出結果に基づいて三次元データを構築する演算部と、
前記演算部により構築された前記三次元データを表示する表示部とをさらに備える、請求項１〜請求項９のうちいずれか１項に記載の三次元計測システム。
【請求項１１】
第１領域を計測した後、第２領域を計測する場合に、前記第２領域と前記第１領域との重畳度合いに基づいて計測方法が正しいか否かを判定する判定部をさらに備える、請求項１〜請求項１０のうちいずれか１項に記載の三次元計測システム。
【請求項１２】
手持ち式で利用可能な医療用の三次元計測装置であって、
対象物に反射した光を取り込むための採光部と、
前記採光部から取り込まれた光を通すレンズと、
前記レンズの焦点位置を変化させる変化機構と、
前記レンズを通った光を検出して読み出す検出部と、
前記レンズを通った光を前記検出部が検出する単位時間当たりの検出回数を変えることなく、予め定められた特定期間における前記焦点位置の変位量を変更することで計測精度を変更し、変更後の変位量に従って前記変化機構を制御する制御部とを備える、三次元計測装置。
【請求項１３】
対象物に反射した光を取り込むための採光部と、前記採光部から取り込まれた光を通すレンズと、前記レンズの焦点位置を変化させる変化機構と、前記レンズを通った光を検出して読み出す検出部とを備える、手持ち式で利用可能な医療用の三次元計測装置で実行される制御プログラムであって、
前記レンズを通った光を前記検出部が検出する単位時間当たりの検出回数を変えることなく、予め定められた特定期間における前記焦点位置の変位量の変更を受け付ける第１ステップと、
前記第１ステップにおいて受け付けた変更後の変位量に従って前記変化機構を制御する第２ステップとを備える、制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手持ち式で利用可能な医療用の三次元計測システム、三次元計測装置および、制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
医療分野において、三次元計測装置を用いて患部の三次元形状を計測した後、計測結果に基づいて、患部に適合する治療器具を作製することがある。三次元形状を計測する方法は、たとえば、光切断法、合焦法、空間コード法、位相シフト法、ステレオ法、フォトグラメトリ法、ＳＬＡＭ法などが挙げられる。
【０００３】
特許文献１（特開２０１５−０８３９７８号公報）は、焦点パターン投影技術を使用して、対象物の表面の少なくとも一部の３Ｄ幾何学的形状を取得および／または測定するための手持ち式スキャナを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−０８３９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された手持ち式のスキャナは、カメラの焦点を周期的に変えることで三次元形状を取得する合焦法を測定原理とした対象物の表面の走査のための装置である。しかし、特許文献１は、三次元形状の計測精度を変更することについて言及していない。
【０００６】
患者の患部は、平易な形状で計測精度を要しない領域と、複雑な形状をしており計測精度を要する領域とを含む。そのため、患部の形状を測定しているときに、高い計測精度を要する領域の走査中と、高い計測精度を要しない領域の走査中とで計測精度を変更することのできる計測装置の提供が求められる。
【０００７】
本発明は、この問題点を解決するためになされたものであり、計測精度を変更することのできる三次元計測装置、三次元計測システムおよび、制御プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る手持ち式で利用可能な医療用の三次元計測装置は、対象物に反射した光を取り込むための採光部と、採光部から取り込まれた光を通すレンズと、レンズの焦点位置を変化させる変化機構と、レンズを通った光を検出して読み出す検出部と、検出部が検出結果を読み出すフレームレートを変えることなく、予め定められた特定期間における焦点位置の変位量を変更することで計測精度を変更し、変更後の変位量に従って変化機構を制御する制御部とを含む。
【発明の効果】
【０００９】
その結果、測定精度を変更することのできる三次元計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態に係る三次元計測システムの構成を示す模式図である。
【図２】三次元スキャナのＸ−Ｚ断面を示す模式図である。
【図３】三次元計測システムの機能構成の一例を示す図である。
【図４】レンズの位置の経時変化を示す図である。
【図５】計測精度と焦点位置の変位量との関係を説明するための図である。
【図６】変化機構の構成を示す図である。
【図７】駆動部のＹ−Ｚ断面を示す模式図である。
【図８】駆動部のＸ−Ｚ断面を示す模式図である。
【図９】レンズが往復直線運動するときの駆動部の動きを説明するための図である。
【図１０】レンズが往復直線運動するときの駆動部の動きを説明するための図である。
【図１１】三次元スキャナの内部構造を示す模式図である。
【図１２】三次元スキャナが備える第１ブロックの内部構造を示す模式図である。
【図１３】第２の実施の形態にかかる三次元スキャナが備える焦点可変部の概略構成図を示す図である。
【図１４】第３の実施の形態にかかる三次元スキャナが備える焦点可変部の概略構成図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態においては、三次元計測システムの１つの例示的形態として、口腔内の歯の三次元形状を計測するシステムについて説明する。本実施の形態に係る三次元計測システムは、口腔内を計測するシステムに限定されるものではなく、同様の構成を有する他の三次元計測システムにも適用可能であり、たとえば、口腔内以外に人の耳の内部を撮像することで外耳内の三次元形状を取得するため計測システムにも適用可能である。なお、本実施の形態に係る三次元計測システムで例示される計測システムは、歯科に限らず、口腔外科、眼科、耳鼻咽喉科、放射線科、および獣医科など、あらゆる医科の診療にも適用可能である。また、診療には、診断および治療が含まれる。
【００１２】
＜第１の実施の形態＞
（Ａ．三次元計測システム）
図１は、第１の実施の形態に係る三次元計測システム１の構成を示す模式図である。図２は、三次元スキャナ１００のＸ−Ｚ断面を示す模式図である。三次元計測システム１は、三次元スキャナ１００、制御装置２００、表示装置３００、および電源４００を備える。三次元計測システム１は、「三次元計測システム」の一実施形態に対応する。
【００１３】
三次元スキャナ１００は、「三次元計測装置」の一実施形態に対応する。三次元スキャナ１００は、合焦法の原理を用いて歯などの対象物９９の三次元形状を取得する。
【００１４】
図１に示すように、三次元スキャナ１００は、対象物９９に反射した光を取り込むための採光部１２が設けられたプローブ１０、ならびに、ハウジング７７の内部に設けられたレンズ１４、光学センサ１６、光源１８、第１駆動部２０、カウンタウェイト２４、第２駆動部２６、プリズム７２、および制御部３０を備える。なお、三次元スキャナ１００は、これら以外に、光源１８から対象物９９への光と、対象物９９から光学センサ１６への光とを分離するビームスプリッタ、および対象物９９に向けて光を反射させる反射板などを含んでもよい。なお、以下で説明する実施の形態においては、説明の便宜上、レンズ１４の光軸を仮想直線ｌで示し、直線ｌに平行な軸をＸ軸、直線ｌに垂直であって図１における紙面の上向きの軸をＺ軸、Ｘ軸およびＺ軸のそれぞれに垂直な軸をＹ軸と称する。
【００１５】
三次元スキャナ１００は、プローブ１０およびハウジング７７で筺体を構成し、手持ち式の部材である。
【００１６】
プローブ１０は、口腔内に差し込まれ、光源１８から照射されるパターンを有する光（以下、単にパターンともいう）を採光部１２から歯などの対象物９９に向けて投影し、パターンが投影された対象物９９からの反射光を採光部１２から取り込み、取り込まれた反射光をレンズ１４に導く。すなわち、採光部１２は、「採光部」の一実施形態に対応する。
【００１７】
プローブは、本体部に対して着脱可能である。このため、術者は、感染対策として、生体に接触する可能性のあるプローブのみを本体部から取り外して滅菌処理（たとえば、高温高湿環境での処理）を施すことが可能である。
【００１８】
レンズ１４は、「レンズ」の一実施形態に対応する。レンズ１４は、採光部１２から取り込まれた対象物９９からの反射光をプローブ１０に備えた反射部６６（図２参照）を経由して通す部材である。
【００１９】
光学センサ１６は、「検出部」の一実施形態に対応する。光学センサ１６は、レンズ１４を通った光を検出して、検出した光を読み出す。光学センサ１６は、典型的には、フォトダイオード（Photodiode）を用いるＣＣＤイメージセンサ（Charge Coupled Device image sensor）やＣＭＯＳイメージセンサ（Complementary MOS image sensor）などである。
【００２０】
光源１８は、光学センサ１６が検出可能な光量を確保するために設けられており、三次元スキャナ１００とは別に設けられていてもよい。また、本実施の形態においては光源１８の前に図示しない投影パターン生成スクリーンを配置して投影パターンを作成しパターン光を対象物９９に照射するものとした。パターン光とする理由は、焦点の位置を特定し易くするためである。なお、焦点の位置を特定可能であれば、対象物９９に照射する光はパターン光に限られるものではない。
【００２１】
光源１８からの光は、当該光源１８の前方に配置される投影パターンを発生させる投影パーターンスクリーン（図示は省略する）を経由してプリズム７２およびレンズ１４を通過し、プローブ１０に設けられた反射部６６（図２参照）を介して対象物９９に照射され、当該対象物９９で反射される。対象物９９で反射された光は、反射部６６を介して再びレンズ１４を通過してプリズム７２内に進入する。プリズム７２は、対象物９９からの光の進行方向を、光学センサ１６が位置する方向（この例では、Ｚ軸方向）に変化させる。プリズム７２によって進行方向が変化した光は、光学センサ１６によって検出される。なお、図２に示す例においては、光源１８からの光と対象物９９で反射してプリズム７２に導かれる光とが別々に示されているが、これは分かり易く説明するためのものであり、実際には両者の光が同軸上に導かれるように三次元スキャナ１００が構成されている。
【００２２】
第１駆動部２０は、「変化機構」の一実施形態に対応し、レンズ１４の位置を移動させることで、焦点位置Ｆを変化させる。ここで、焦点位置Ｆは、レンズの焦点が合っている位置をいう。図１に示す例では、焦点位置Ｆは、レンズ１４が位置Ｌａにあるときに焦点位置Ｆａとなり、レンズ１４が位置Ｌｂにあるときに焦点位置Ｆｂとなる。
【００２３】
レンズ１４は、第１駆動部２０によって駆動し、往復直線運動する。レンズ１４が直線ｌの方向（Ｘ軸方向）に往復直線運動すると、レンズ１４の質量分だけ三次元スキャナ１００の重心位置が移動することになり当該三次元スキャナ１００を保持するユーザの手に振動として伝わる。その振動を打ち消すために、三次元スキャナ１００は、ハウジング７７の内部において、カウンタウェイト２４をさらに設ける。カウンタウェイト２４は、第２駆動部２６によって駆動し、レンズ１４と相対する方向に往復直線運動する。カウンタウェイト２４は、「カウンタウェイト」の一実施形態に対応する。
【００２４】
図２に示すように、三次元スキャナ１００は、ハウジング７７内において、当該三次元スキャナ１００の前方に位置する第１収容部５０１と、当該三次元スキャナ１００の後方に位置する第２収容部５０２とが設けられている。第１収容部５０１には、レンズ１４が収容され、第２収容部５０２には、カウンタウェイト２４が収容される。さらに、三次元スキャナ１００は、第１収容部５０１と第２収容部５０２との間において、第１収容部５０１によって保持されたレンズ１４と第２収容部５０２によって保持されたカウンタウェイト２４とを連結する連結収容部５００が設けられている。連結収容部５００には、上述した光学センサ１６、プリズム７２、および光源１８が収容されている。
【００２５】
図１に示す制御部３０は、「制御部」の一実施形態である。制御部３０は、光学センサ１６の撮像タイミングの制御、第１駆動部２０および第２駆動部２６の制御、光源１８の制御など、三次元スキャナ１００全体の駆動を制御する。制御部３０は、典型的には、制御中枢としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが動作するためのプログラムや制御データなどを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＣＰＵのワークエリアとして機能するＲＡＭ（Random Access Memory）と、周辺機器との間で信号の整合性を保つための入出力インターフェイスとから構成される。なお、制御部３０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）や、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェア回路によって実装されてもよい。
【００２６】
ここで、三次元スキャナ１００は、手持ち式であるため、レンズ１４および制御部３０等を限られた領域内に収容する必要がある。そのため、制御部３０の大きさは出来る限り小さいことが好ましい。たとえば、制御部３０を一のハードウェア回路によって実現した場合、複数の部品によって実現する場合に比べて、制御部３０をコンパクトに実装することができる。
【００２７】
図１に示す制御装置２００は、三次元スキャナ１００から検出結果を受けとり、検出結果に基づいて、対象物９９の三次元データを構築する。制御装置２００は、典型的には、制御中枢としてのＣＰＵと、ＣＰＵが動作するためのプログラムや制御データなどを記憶するＲＯＭと、ＣＰＵのワークエリアとして機能するＲＡＭと、周辺機器との間で信号の整合性を保つための入出力インターフェイスとから構成される。なお、制御部３０の一部または全ての機能を制御装置２００が担ってもよい。また、制御装置２００の一部または全ての機能を制御部３０が担ってもよい。
【００２８】
表示装置３００は、「表示部」の一実施形態である。表示装置３００は、制御装置２００により構築された対象物９９の三次元データを表示する。なお、制御装置２００が表示部の機能を担ってもよい。たとえば、演算部と表示部とは、一の装置により実現されてもよい。
【００２９】
電源４００は、三次元スキャナ１００、制御装置２００および表示装置３００に電力を供給する。なお、電源４００は、三次元スキャナ１００の外部に設けられていてもよいが、三次元スキャナ１００、制御装置２００、または表示装置３００の内部に設けられてもよい。また、電源４００は、三次元スキャナ１００、制御装置２００、および表示装置３００のそれぞれに個別に給電できるように構成されていてもよい。
【００３０】
合焦法の技術を用いて三次元形状を取得する場合、光源１８から照射されたパターン光が対象物９９に投影される。レンズ１４がレンズの光軸に沿って往復直線運動すると、投影パターンの焦点位置が変化する。光学センサ１６は、その変化毎で対象物９９からの光を検出する。上述した制御装置２００は、レンズ１４の位置と、そのときの光学センサ１６による検出結果とに基づいて、対象物９９の形状情報を演算する。
【００３１】
より具体的には、レンズ１４の位置を変えることで、焦点位置Ｆが変化し、各焦点位置Ｆにおける二次元画像を取得することができる。焦点位置Ｆの光学センサ１６の検出結果は、焦点位置Ｆにおける対象物９９の二次元形状を示す検出結果に相当する。すなわち、焦点位置Ｆごとの光学センサ１６の検出結果を重ねあわせることで、対象物９９の三次元形状は推定される。
【００３２】
（Ｂ．計測精度の変更方法）
三次元スキャナ１００のように、合焦法の測定原理を利用して対象物９９の形状を計測する場合、測定精度を変更する方法は、種々存在する。たとえば、測定精度を変更する方法は、光学センサ１６の感度を変更すること、計測する焦点位置Ｆ間の距離を変更することなどが挙げられる。本実施の形態においては、計測する焦点位置Ｆ間の距離を変更することで、計測精度を変更する。
【００３３】
また、計測する焦点位置Ｆ間の距離を変更する方法としては、単位時間あたりに光学センサ１６が光を検出して読み出す回数（以下、「フレームレート」ともいう）を変更すること、焦点位置の変更速度を変えることが挙げられる。本実施の形態においては、フレームレートを一定に保ちつつ、焦点位置の変更速度を変えることで、計測精度を変更する。
【００３４】
より具体的に、図３〜図５を参照して、計測精度の変更方法について説明する。図３は、三次元計測システム１の機能構成の一例を示す図である。図４は、レンズ１４の位置Ｌの経時変化を示す図である。図５は、計測精度と焦点位置の変位量との関係を説明するための図である。なお、図３において、第１駆動部２０の構成は、一部省略されている。第１駆動部２０の構成は、図６〜図１２を参照して後述する。
【００３５】
図３に示すように、制御部３０は、機構制御部３２と、光学センサ制御部３４とを含む。機構制御部３２は、第１駆動部２０を制御する。光学センサ制御部３４は、光学センサ１６による光の検出タイミングを制御する。制御部３０は、光学センサ１６が読み出した検出結果と、光を検出したタイミングにおけるレンズの位置Ｌとを対応付けて制御装置２００に送る。
【００３６】
機構制御部３２は、「制御部」の一実施形態に対応する。機構制御部３２は、予め定められた期間における焦点位置Ｆの変位量ΔＦを一定に保ちつつ、焦点位置Ｆが変化し続けるように第１駆動部２０を制御する。また、機構制御部３２は、変位量ΔＦを変更することができ、変更後の変位量ΔＦに従って第１駆動部２０を制御する。
【００３７】
焦点位置Ｆとレンズの位置Ｌとは互いに対応関係にあり、第１駆動部２０は、レンズの位置Ｌを変えることで焦点位置Ｆを変える。そのため、機構制御部３２は、予め定められた期間におけるレンズの位置Ｌの変位量ΔＬが一定となるように第１駆動部２０を制御するとともに、測定精度の変更に伴って変位量ΔＬを変更することで、予め定められた期間における変位量ΔＦを一定にしつつ、測定精度の変更に伴って変位量ΔＦを変更する。
【００３８】
本実施の形態においては、機構制御部３２は、レンズ１４の位置Ｌの経時変化が、図４に示すような正弦曲線を描くように第１駆動部２０を制御する。図４において、横軸は時間を表し、縦軸はレンズ１４の位置Ｌを表す。また、図４において、実線で示したグラフはレンズ１４の位置Ｌの変位量ΔＬがＬｍ１に設定されているときの位置Ｌの経時変化を表す。破線で示したグラフはレンズ１４の位置Ｌの変位量ΔＬがＬｍ１よりも小さいＬｍ２に設定されているときの位置Ｌの経時変化を表す。
【００３９】
図３に示すように、機構制御部３２は、レンズ１４が初期位置Ｌ０を中心に予め定められた周期（図４においては０．１秒周期）で往復直線運動するように第１駆動部２０を制御する。レンズ１４が初期位置Ｌ０を中心に往復直線運動することで、焦点位置Ｆについても、初期位置Ｌ０に対応する位置Ｆ０（図３参照）を中心に前後に直線変動する。
【００４０】
測定精度を変更した場合、往復直線運動の周期を変えることなく変位量ΔＬを変更することで、レンズ１４の位置Ｌの移動速度が変化する。その結果、焦点位置の変更速度が変わる。すなわち、レンズ１４の初期位置Ｌ０から再度初期位置Ｌ０に戻ってくるまでの時間を一定にし、変位量ΔＬを変更することで、計測速度は変更する。言い換えると、位置Ｆ０から再度位置Ｆ０に戻ってくるまでの時間は、測定精度の変更に伴う変位量ΔＦの変更に関わらず一定である。
【００４１】
次に、フレームレートおよび往復直線運動の周期を変えることなく変位量ΔＦを変更することで、計測精度が変わる理由について、図５を参照して説明する。
【００４２】
図５において、光学センサ１６が光を検出して読み出す読出しタイミングＴｎにおける焦点位置Ｆは、焦点位置Ｆ（ｎ）と表す。また、所定期間におけるレンズの位置Ｌの変位量ΔＬがＬｍに設定されている場合の焦点位置Ｆは、焦点位置Ｆｍと表す。また、所定期間におけるレンズの位置Ｌの変位量ΔＬがＬｍに設定されている場合の読出しタイミングＴｎにおけるレンズの位置Ｌは、位置Ｌｍ（ｎ）と表す。
【００４３】
図５に示すように、Ｌｍ１がＬｍ２より大きい場合に、タイミングＴｎにおける焦点位置Ｆ（ｎ）と、読出しタイミングＴｎの次の読出しタイミングＴｎ＋１における焦点位置Ｆ（ｎ＋１）との差分について、変位量ΔＬがＬｍ１のときと、変位量ΔＬがＬｍ２のときとを比較すると、式（１）の関係が成り立つ。
2020034487.tif 000003
【００４４】
焦点位置Ｆ（ｎ）と焦点位置Ｆ（ｎ＋１）との差分は、対象物９９をスライスする幅に相当し、小さいほど高精度で計測されていることを意味する。
【００４５】
すなわち、制御部３０は、フレームレートを変えることなく、焦点位置Ｆの単位時間当たりの変位量ΔＬを変更するように第１駆動部２０を制御することで、計測精度を変えることができる。
【００４６】
ここで、本実施の形態においては、焦点位置の変更速度を変える方法として、往復直線運動の周期を変えずに焦点位置の変位量を変える方法が選択されている。より具体的には、焦点位置の変更速度を下げて計測精度を上げる方法としては、往復直線運動の周期を長くし、一の箇所を計測するのに要する時間を延ばすことでも実現することができる。
【００４７】
しかし、合焦法を計測原理とした、本実施の形態に係る三次元スキャナ１００は、一の箇所を計測している間、対象物９９と、光学センサ１６との位置関係が変化しないことが前提とされている。そのため、本実施の形態の三次元スキャナ１００のように、計測装置を手で持って計測を行なう場合に一の箇所を計測するのに要する時間が長くなると、手ブレの影響により、計測結果の精度が下がる虞がある。
【００４８】
本実施の形態においては、図４に示すように、測定精度を変更する前後で、往復直線運動の周期を変えないようにすることで、一の箇所を計測するのに要する時間を変えずに計測精度を変更することができる。その結果、計測精度を変更する前後で手ブレの影響を変えることなく、計測精度を変更することができる。
【００４９】
なお、フレームレートを変更することで計測精度を変更することも可能であるが、高スペックの光学センサ１６を三次元スキャナ１００に搭載する必要があるため、焦点位置の変更速度を変える方法を採用した方が、三次元スキャナ１００を安価に作成することができる。
【００５０】
（Ｃ．測定精度の変更契機）
対象物９９の計測は、たとえば歯に詰める補綴物を作成するときや、作成した補綴物を歯に詰めたときの嵌り具合を確認するときに行われる。このときに、精度の高い補綴物の作成や、補綴物の正確な検査のために高精度の計測が要求される部分がある。具体的に、補綴物と歯との境目となる部分であり、支台歯上のフィニッシュラインと呼ばれる部分である。それ以外の部分に対しては、高精度の計測は要求されないこともある。
【００５１】
本実施の形態において、測定精度は、ユーザによる操作によって変更可能である。具体的に、図３に示すように、三次元スキャナ１００は、調整部４０をさらに備える。調整部４０は、図示しないものの、ハウジング７７内に設けられており、ユーザの操作を受け付ける。たとえば、調整部４０は、ボタン、ロータリースイッチ、スライド式のスイッチなどを三次元スキャナ１００に設けたり、制御装置２００に設けたりすることにより実現される。
【００５２】
なお、調整部４０は、三次元スキャナ１００と通信可能な別の装置が備えてもよい。たとえば、調整部４０は、制御装置２００に接続された入力装置によって実現されてもよい。また、表示装置３００がタッチパネルとして機能する場合、調整部４０は、タッチパネルによって実現されてもよい。また、調整部４０は、三次元スキャナ１００に設けるとともに、三次元スキャナ１００と通信可能な別の装置にも設けてもよい。
【００５３】
本実施の形態において、測定精度は、ユーザによる操作によって変更されるとした。なお、測定精度は、対象物９９を計測して得られる情報に基づいて変更されるものであってもよい。たとえば、測定精度は、光学センサ１６からの検出結果に基づいて変更されてもよい。具体的には、対象物９９である歯は、複雑な形状をしている箇所と、凹凸が少なく比較的単純な形状をしている箇所とがある。制御部３０は、光学センサ１６からの検出結果から、計測箇所の形状の複雑度合いを示す特徴量を抽出し、抽出した特徴量に基づいて測定精度を変更してもよい。
【００５４】
また、前述のように、歯の形状を計測する場合、特に精度よく計測したい箇所が存在する。制御部３０は、光学センサ１６からの検出結果から、特に精度よく計測したい箇所（たとえば、フィニッシュラインである補綴物と歯との境目となる部分）であるか否かを示す特徴量を抽出し、抽出した特徴量に基づいて測定精度を変更してもよい。なお、制御部３０が光学センサ１６からの検出結果に基づいて測定精度を変更する例を説明したが、制御装置２００などの三次元スキャナ１００と通信可能に接続される別装置によって変更できるようにしてもよい。
【００５５】
また、三次元計測システム１は、調整部４０のようにユーザの操作を契機に測定精度を変更する機能と、光学センサ１６からの検出結果に基づいて測定精度を変更する機能と、両方を備えてもよい。
【００５６】
（Ｄ．制御装置の機能構成）
制御装置２００は、図３に示すように、演算部２２０と、判定部２４０とを備える。演算部２２０は、「演算部」の一実施形態に対応する。判定部２４０は、「判定部」の一実施形態に対応する。
【００５７】
演算部２２０は、三次元スキャナ１００から検出結果を受けとり、検出結果に基づいて、対象物９９の三次元データを構築する。判定部２４０は、計測精度が上がることに伴い、必要なユーザの技量が上がることに鑑みて設けられた機能である。
【００５８】
本実施の形態において、ユーザは、三次元スキャナ１００を歯列に沿って動かすことで、口腔内の歯の三次元形状を取得する。具体的に、ユーザが三次元スキャナ１００を歯列に沿って図１のＸ−Ｙ平面内およびＹ−Ｚ平面内を動かすことで、演算部２２０は、互いに隣り合う複数個所の計測結果を取得し、互いに隣り合う箇所の計測結果同士を合成することで、広範囲の計測結果を取得し、計測結果を表示装置３００に出力する。
【００５９】
複数の計測結果を合成する場合、演算部２２０は、互いに隣り合う箇所の計測結果のうち、重複する部分の計測結果に基づいて合成する。すなわち、本実施の形態において、ユーザは、重複する部分を設けながら、三次元スキャナ１００を徐々に動かすことで、広範囲の計測結果を得ることができる。
【００６０】
本実施の形態において、三次元スキャナ１００を対象物９９に対して図１のＸ軸方向およびＹ軸方向の計測範囲（計測の面内方向）に動かすことなく計測した場合の三次元スキャナ１００の図１のＺ軸方向の計測範囲（計測の深さ方向）は、焦点位置Ｆを変更可能な範囲に相当する。計測精度を上げると焦点位置Ｆの変位量ΔＦは小さくなる。そのため、計測精度を上げると計測の深さ方向の計測範囲が狭くなる。三次元スキャナ１００で対象物９９を計測する場合、ユーザは、Ｚ軸方向の計測範囲（計測の深さ方向）を計測するのに要する計測期間の間、対象物９９と三次元スキャナ１００との相対距離を計測の深さ方向の計測範囲内に保つ必要がある。そのため、計測の深さ方向の計測範囲が狭くなると、対象物９９と三次元スキャナ１００との相対距離を、より正確に一定の範囲内に保持しなければならなくなる。そのため、計測精度が上がることに伴い、必要となるユーザの技量が高くなる。
【００６１】
判定部２４０は、計測精度が上がることに伴い、必要となるユーザの技量が高くなることに鑑みて設けられた機能であって、一の箇所を計測した後、次の箇所を計測するときに、計測済みの箇所の含み具合に基づいて、計測方法が正しいか否かを判定する。判定部２４０は、判定結果を表示装置３００に出力する。
【００６２】
判定部２４０は、たとえば、演算部２２０の計測結果に基づいて、一の箇所を計測した後、次の箇所を計測するときに、演算部２２０によって演算された次の箇所の計測結果に基づいて、計測済みの結果との一致度合いを算出し、一致度合いが予め定められた閾値を超えているか否かを判定する。一致度合いが予め定められた閾値以下であるということは、対象物９９と三次元スキャナ１００との相対距離が一定の範囲内になく不安定であり、計測の失敗確率が上がることを意味する。
【００６３】
なお、判定部２４０は三次元スキャナ１００が備えていてもよい。たとえば、三次元スキャナ１００に三次元スキャナ１００と対象物９９との間の相対的な位置関係の変化を計測可能なセンサを設け、判定部は、センサからの計測結果に基づいて相対的な位置関係の変化速度を算出し、変化速度に基づいて計測済みの箇所の含み具合を判定してもよい。判定部は、計測精度ごとに予め規定されている閾値を変化速度が超えたか否かに基づいて、計測済みの箇所が予め定められた閾値以上含まれているか否かが判定される。
【００６４】
表示装置３００は、演算部２２０からの計測結果に基づいて、対象物９９の三次元データを表示する。また、表示装置３００は、計測済みの箇所の一部が含まれていない場合に、計測済みの箇所を含むように三次元スキャナ１００を動かすことをユーザに対して指示する。たとえば、表示装置３００は、計測済みの箇所の一部が含まれていないまま、ある箇所の計測を行った場合に、その箇所の計測結果を表す三次元データを、他の三次元データとは異なる態様で表示する。これにより、ユーザは、三次元スキャナ１００の位置を少し戻し、計測済みの箇所の一部を含むように再度計測を行う。
【００６５】
なお、判定部２４０は、判定結果を表示装置３００に出力することで計測済みの箇所を含むように三次元スキャナ１００を動かすことをユーザに対して指示するものとしたが、三次元スキャナ１００のハウジング７７にインジケータを設け、インジケータの表示を変えることで計測済みの箇所を含むように三次元スキャナ１００を動かすことをユーザに対して指示してもよい。
【００６６】
また、判定部２４０の結果に基づいて、計測精度を変更するようにしてもよい。たとえば、計測済みの箇所の含み具合が少なく、対象物９９と三次元スキャナ１００との相対距離が一定の範囲内になく不安定である場合には、計測精度を下げるようにし、対象物９９と三次元スキャナ１００との相対距離が一定の範囲内にあり安定している場合には計測精度を上げるようにしてもよい。また、対象物９９と三次元スキャナ１００との相対距離が一定の範囲内になく不安定である場合には計測精度を下げた上で、計測精度を下げた旨をユーザに通知するようにしてもよい。
【００６７】
なお、制御部３０が備える各種構成は、図示しないものの、制御部３０が備える記憶部に相当するＲＯＭに保存されたプログラムをＣＰＵが実行することで実現される。たとえば、機構制御部３２にかかる機能は、ＲＯＭに保存されたプログラムをＣＰＵが実行することで実現される。具体的に機構制御部３２にかかる機能を実現するためのプログラムは、三次元スキャナ１００に、焦点位置Ｆの変位量ΔＦの変更を受け付ける第１ステップと、第１ステップにおいて受け付けた変更後の変位量に従って第１駆動部２０を制御する第２ステップとを実行させる。
【００６８】
なお、プログラムは、ＲＯＭに保存されている必要はなく、制御装置２００や、三次元スキャナ１００と直接または間接的に通信可能なサーバや、三次元スキャナ１００と直接接続可能な外部メモリに保存されていてもよい。また、プログラムは、記憶媒体に格納された状態で流通する。
【００６９】
（Ｅ．変化機構の構成）
図６を参照して、図１で示した第１駆動部２０を含む変化機構の構成について説明する。第１駆動部２０は、レンズ１４の光軸方向（図６中の直線ｌ方向）にレンズ１４を往復直線運動させる。図６は、変化機構の構成を示す図である。
【００７０】
本実施の形態においては、変化機構は、レンズ１４を往復直線運動させる第１駆動部２０に加えて、カウンタウェイト２４と、カウンタウェイト２４を往復直線運動させる第２駆動部２６と、レンズ１４を往復直線運動するように支持する支持部１４ａと、カウンタウェイト２４を往復直線運動するように支持する支持部２４ａとによって実現される。
【００７１】
レンズ１４は、直線ｌに平行な支持部１４ａによって、直線ｌの方向に往復直線運動するように支持されている。図示は省略するが、支持部１４ａは、ハウジング７７によって固定されている。さらに、レンズ１４は、第１駆動部２０の磁気回路構成２３に接続されている。第１駆動部２０は、磁気回路構成２３によって、レンズ１４を直線ｌの方向に往復直線運動させるリニアモータを構成する。
【００７２】
レンズ１４が直線ｌの方向（Ｘ軸方向）に往復直線運動すると、レンズ１４の質量分だけ三次元スキャナ１００の重心位置が移動することになり三次元スキャナ１００を保持するユーザの手に振動として伝わる。カウンタウェイト２４は、この振動を打ち消すために、ハウジング７７の内部に設けられたレンズ１４と同じ質量を有する錘である。
【００７３】
カウンタウェイト２４は、レンズ１４の直線運動方向の直線ｌ上に設けられており、図示は省略するが、対象物９９とレンズ１４との間の光路、およびレンズ１４と光学センサ１６との間の光路を遮らないように、Ｘ軸方向における光学センサ１６の背面側に設けられている。
【００７４】
カウンタウェイト２４は、直線ｌに平行な支持部２４ａによって、直線ｌの方向に直線運動するように支持されている。本実施の形態においては、支持部２４ａは、支持部１４ａと別の部材である。さらに、カウンタウェイト２４は、第２駆動部２６の磁気回路構成２７に接続されている。第２駆動部２６は、磁気回路構成２７によって、カウンタウェイト２４を直線ｌの方向に往復直線運動させるリニアモータを構成する。なお、以下では、第１駆動部２０および第２駆動部２６をまとめて単に「駆動部」ともいう。
【００７５】
機構制御部３２は、第１駆動部２０および第２駆動部２６のそれぞれを制御する。なお、本実施の形態においては、第１駆動部２０および第２駆動部２６が共通の機構制御部３２によってそれぞれ制御されるが、第１駆動部２０および第２駆動部２６が互いに異なる制御部によってそれぞれ制御されてもよい。
【００７６】
第１駆動部２０によって、レンズ１４が直線ｌの方向に往復直線運動すると、第２駆動部２６によって、カウンタウェイト２４は、レンズ１４と相対する方向にレンズ１４と同じ距離だけ往復直線運動する。たとえば、レンズ１４が対象物９９に近づく方向に直線ｌ上を１０ｍｍ移動すると、カウンタウェイト２４は、対象物９９から遠ざかる方向に直線ｌ上を１０ｍｍ移動する。また、レンズ１４が対象物９９から遠ざかる方向に直線ｌ上を１５ｍｍ移動すると、カウンタウェイト２４は、対象物９９に近づく方向に直線ｌ上を１５ｍｍ移動する。
【００７７】
このように、本実施の形態にかかる変化機構においては、レンズ１４と相対する方向に当該レンズ１４と同じ距離だけカウンタウェイト２４が往復直線運動することで、レンズ１４の往復直線運動に起因する三次元スキャナ１００の重心の偏りを相殺することができる。これにより、カウンタウェイト２４によって、レンズ１４の往復直線運動による振動を打ち消すことができる。
【００７８】
（Ｆ．駆動部の構成）
図７〜図１０を参照して、駆動部の構成について説明する。図７は、駆動部のＹ−Ｚ断面を示す模式図である。図８は、駆動部のＸ−Ｚ断面を示す模式図である。図９は、レンズが往復直線運動するときの駆動部の動きを説明するための図である。図９（Ａ）では、駆動部においてレンズ１４が一方向に直線運動した場合の駆動部のＸ−Ｚ断面の模式図を示している。図９（Ｂ）では、駆動部においてレンズ１４が他方向に直線運動した場合の駆動部のＸ−Ｚ断面の模式図を示している。なお、図７〜図９に示す例では、駆動部のうち、第１駆動部２０の構成を説明するが、第２駆動部２６の構成も第１駆動部２０と同様である。すなわち、第２駆動部２６の場合、図７〜図９に示す例において、レンズ１４がカウンタウェイト２４に置き換えられるが、その他の構成は第１駆動部２０と同様である。
【００７９】
図７〜図９に示すように、第１駆動部２０は、中央部に略円形のレンズ１４を設けることができるように、レンズ１４の周辺に当該レンズ１４を往復直線運動させるための各部材が配置されており、直線運動方向である直線ｌに沿って長尺状の中空形状を有する。このように、第１駆動部２０の中央部に略円形のレンズ１４を設けるような構成であるため、第１駆動部２０の中央部に光を通すことができる。
【００８０】
具体的には、図７に示すように、第１駆動部２０においては、レンズ１４の外周部に、レール５７ａおよびブロック５６ａで構成される支持部１４ａと、レール５７ｂおよびブロック５６ｂで構成される支持部１４ａとが設けられている。このように、複数の支持部１４ａが、レンズ１４の外周側で互いに異なる位置に配置されている。
【００８１】
より具体的には、複数の支持部１４ａは、レンズ１４の直線運動方向と平行でかつレンズ１４の中心を通る光軸（直線ｌ）を回転軸として、それぞれが回転対称となる位置で互いに平行に配置されている。たとえば、図７において、直線ｌを回転軸として、複数の支持部１４ａのそれぞれを１８０度回転させた場合、支持部１４ａが支持部１４ａの位置に、支持部１４ａが支持部１４ａの位置に配置されることになる。なお、図示は省略するが、複数の支持部２４ａについても同様の位置に配置されている。つまり、複数の支持部２４ａは、カウンタウェイト２４の直線運動方向と平行でかつカウンタウェイト２４の中心を通る軸（直線ｌ）を回転軸として、それぞれが回転対称となる位置で互いに平行に配置されている。
【００８２】
支持部１４ａのブロック５６ａは、レンズ１４を支持するとともにレール５７ａに嵌合しており、レール５７ａに沿って直線方向に移動することで、レンズ１４を往復直線運動させる。支持部１４ａのブロック５６ｂは、ブロック５６ａとは異なる位置でレンズ１４を支持するとともにレール５７ｂに嵌合しており、レール５７ｂに沿って直線方向に移動することで、レンズ１４を往復直線運動させる。なお、支持部１４ａは、図６を参照しながら説明した支持部１４ａに対応する。
【００８３】
ブロック５６ａおよびブロック５６ｂには、それぞれレール５７ａおよびレール５７ｂの接続面との間において、グリスなどの粘性を有する潤滑剤が塗布されてもよいし、ボールやローラなどの転がり軸受が設けられてもよい。この場合、グリスなどの粘性を有する潤滑剤は、「ダンパ」の一実施形態に対応する。
【００８４】
さらに、図８に示すように、レンズ１４の中心部における光路を遮らないように当該レンズ１４の外周を取り囲むようにして、レンズ１４の外周に沿ってバネ５５ａおよびバネ５５ｂが設けられている。バネ５５ａおよびバネ５５ｂは、「弾性部材」の一実施形態に対応する。バネ５５ａおよびバネ５５ｂには、コイルバネなどが適用される。なお、弾性部材には、バネに限らず、ゴムなど、力を加えたときに変形する一方で力を除いたときには元に戻るものであればいずれの部材が適用されてもよい。
【００８５】
バネ５５ａおよびバネ５５ｂは、それぞれ、その一端が当該レンズ１４に当接し、その他端はハウジング７７内で固定されている。さらに、バネ５５ａおよびバネ５５ｂは、Ｘ方向の変形が許容され、Ｙ−Ｚ方向に変形し難くなるようにハウジング７７内で保持されている。このように配置されたバネ５５ａおよびバネ５５ｂによって、レンズ１４に対して直線運動方向に弾性力が与えられる。バネ５５ａおよびバネ５５ｂのそれぞれの直径は、レンズ１４を２つのバネによって挟み込んで固定できるように、レンズ１４の直径と略同じであってもよい。
【００８６】
バネ５５ａおよびバネ５５ｂの外側（レンズ１４の中心からＺ方向に離れる側）には、レンズ１４を直線ｌの方向に往復直線運動させるための磁気回路構成２３ａが設けられている。磁気回路構成２３ａは、Ｎ極およびＳ極からなる磁石５３ａと、磁石５３ａの外側（レンズ１４の中心からＺ方向に離れる側）に配置されたコイル５２ａとを含む。
【００８７】
磁石５３ａは、直線ｌの方向に運動可能な可動子であり、磁石５３ａが直線ｌに沿ってＸ方向に往復直線運動することで、レンズ１４も直線ｌに沿ってＸ方向に往復直線運動可能である。コイル５２ａは、固定子である。
【００８８】
コイル５２ａのさらに外側（レンズ１４の中心からＺ方向に離れる側）には、ヨーク５１ａが設けられている。ヨーク５１ａは、コイル５２ａと同様に固定子である。
【００８９】
レンズ１４を介して磁気回路構成２３ａの反対側には、レンズ１４を直線ｌの方向に往復直線運動させるための磁気回路構成２３ｂが設けられている。磁気回路構成２３ｂは、Ｎ極およびＳ極からなる磁石５３ｂと、磁石５３ｂの外側（レンズ１４の中心からＺ方向に離れる側）に配置されたコイル５２ｂとを含む。
【００９０】
磁石５３ｂは、直線ｌの方向に運動可能な可動子であり、磁石５３ｂが直線ｌに沿ってＸ方向に往復直線運動することで、レンズ１４も直線ｌに沿ってＸ方向に往復直線運動可能である。コイル５２ｂは、固定子である。
【００９１】
コイル５２ｂのさらに外側には、ヨーク５１ｂが設けられている。ヨーク５１ｂは、コイル５２ｂと同様に固定子である。さらに、固定子であるヨーク５１ａおよびヨーク５１ｂは、三次元スキャナ１００のハウジング７７に適宜固定されている。
【００９２】
このような構成を有する第１駆動部２０においては、磁気回路構成２３ａおよび磁気回路構成２３ｂによってレンズ１４に直線ｌの方向に力が与えられることで、レンズ１４が往復直線運動する。
【００９３】
たとえば、磁気回路構成２３ａおよび磁気回路構成２３ｂにおいて、図８に示すような位置関係でＮ極およびＳ極からなる磁石５３ａおよび磁石５３ｂを配置すると、点線で示すような矢印方向の磁界が生じる。この場合において、図８に示すような電流（Ｙ軸に沿って紙面の手前から奥に向かう方向の電流を「×」、Ｙ軸に沿って紙面の奥から手前に向かう方向の電流を「・」で示す）をコイル５２ａおよびコイル５２ｂのそれぞれに流すと、フレミングの左手の法則に従って、実線の矢印で示すようにＸ軸方向に電磁力（Ｆ）が生じる。このようにして生じた電磁力（Ｆ）が可動子である磁石５３ａおよび磁石５３ｂに作用されると、磁石５３ａおよび磁石５３ｂが電磁力（Ｆ）と反対の方向に動く。以下、バネ５５ａ，５５ｂ、磁石５３ａ，５３ｂ、レンズ１４、コイル５２ａ，５２ｂ、およびグリスなどの粘性を有する潤滑剤を含むダンパなど、装置内での物体の運動に関わる構成を、「運動系」と称する。
【００９４】
レンズ１４は、レンズ１４の慣性力、電磁力（Ｆ）、バネ５５ａ，５５ｂの弾性力、およびダンパの粘性力といった運動系の応答により直線ｌの方向に振動することになる。図９（Ａ）は、本実施の形態に係る駆動部においてレンズが一方向に直線運動した場合の駆動部のＸ−Ｚ断面を示す模式図である。図９（Ｂ）は、本実施の形態に係る駆動部においてレンズが他方向に直線運動した場合の駆動部のＸ−Ｚ断面を示す模式図である。図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、機構制御部３２は、この振動を利用してレンズ１４を直線ｌの方向に往復直線運動させる。つまり、機構制御部３２は、運動系の固有振動数に合わせて一定周期で第１駆動部２０を制御して磁気回路構成２３ａおよび磁気回路構成２３ｂに電流を流すことで、運動系による共振現象を利用してレンズ１４を直線ｌの方向に往復直線運動させることができる。
【００９５】
このように、第１駆動部２０は、運動系の固有振動数に合わせてコイル５２ａおよびコイル５２ｂに電流を流すことで、レンズ１４を直線ｌの方向に往復駆動させる共振駆動モータとして機能させることができる。ここで、モータにカムなどの機構部品を接続した機械的構成によってレンズ１４を往復直線運動させるような場合、レンズ１４を移動させている間、常にモータを駆動し続けなければならない。一方、本実施の形態のように運動系の共振現象を利用すれば、一定周期に磁気回路構成２３ａおよび磁気回路構成２３ｂに電流を流すだけでレンズ１４を往復直線運動させることができる。したがって、本実施の形態のような磁気回路構成を用いると、消費電力を抑えることができ、効率がよい。さらに、カム機構の場合、カム機構による接触音が発生したり、カム機構部の劣化によりカム面から接触粉が発生したりすることもあるが、本実施の形態のように運動系の共振現象を利用すれば、これらも解消することができる。
【００９６】
前述したように、第１駆動部２０によって、レンズ１４が直線ｌの方向に往復直線運動すると、第２駆動部２６によって、カウンタウェイト２４は、レンズ１４と相対する方向にレンズ１４と同じ距離だけ往復直線運動する。レンズ１４は、直線ｌ上を往復直線運動するのに対して、カウンタウェイト２４は重心の偏りを相殺するためにレンズ１４の直線運動方向と相対する方向に直線ｌ上を往復直線運動する。これにより、ユーザが三次元スキャナ１００を手に持って使用しても振動を感じない。
【００９７】
たとえば、図１０は、レンズが直線運動するときの駆動部の動きを説明するための図である。図１０（Ａ）は、レンズおよびカウンタウェイトが互いに遠ざかる方向に直線運動した場合の両者の位置関係を示している。図１０（Ｂ）は、レンズおよびカウンタウェイトが互いに近づく方向に直線運動した場合の両者の位置関係を示している。図１０（Ｂ）に示すように、機構制御部３２は、レンズ１４を対象物９９から遠ざかる方向に移動させた場合、カウンタウェイト２４を対象物９９に近づく方向に移動させる。
【００９８】
このように、三次元スキャナ１００においては、レンズ１４を往復直線運動させる第１駆動部２０と、カウンタウェイト２４を往復直線運動させる第２駆動部２６とを、機構制御部３２がそれぞれ独立して制御することによって、レンズ１４によって対象物９９に対する投影パターンの焦点位置を変化させつつ、カウンタウェイト２４によってレンズ１４の往復直線運動による振動を打ち消すことができる。
【００９９】
また、図７および図８に示すように、第１駆動部２０においては、略円形のレンズ１４を中心として、直線ｌの方向と垂直な方向から、磁気回路構成２３ａの各部材と磁気回路構成２３ｂの各部材とが対称的な位置に設けられている。さらに、略円形のレンズ１４を中心として、直線ｌの方向と垂直な方向から、支持部１４ａが対称的な位置でレンズ１４を挟み込むように配置されている。
【０１００】
このように、三次元スキャナ１００においては、運動対象であるレンズ１４を挟み込むようにして、第１駆動部２０の各構成が対称的に配置されるとともに、支持部１４ａも対称的に配置されている。
【０１０１】
上述したように、本実施の形態に係る三次元スキャナ１００は、レンズ１４を往復直線運動させる複数の支持部１４ａを、レンズ１４の外周側で互いに異なる位置に配置することによって、残留振動を極力抑えるように構成されている。残留振動をより抑えるためには、複数の支持部１４ａを極力平行に保ちながらレンズ１４を支持することが要求されるが、複数の支持部１４ａを極力平行に保ちながら三次元スキャナ１００を組み立てる際には、どうしても部品の製造上のバラツキなどにより組立上の誤差が生じ得る。組立上の誤差が生じてしまうと、物体を正確に往復直線運動させることが難しくなる。なお、上述したことは、レンズ１４と支持部１４ａとの間の組立に限らず、カウンタウェイト２４と支持部２４ａとの間の組立においても同様のことが言える。
【０１０２】
そこで、本実施の形態に係る三次元スキャナ１００では、レンズ１４と支持部１４ａとの間の組立、およびカウンタウェイト２４と支持部２４ａとの間の組立について、工夫がなされている。このような工夫について、以下、図１１〜図１２を参照しながら、レンズ１４と支持部１４ａとの間の組立を例示しながら説明する。なお、図１１〜図１２においては、上述した例と同様に、レンズ１４およびカウンタウェイト２４の直線運動方向である直線ｌに平行な軸をＸ軸、直線ｌに垂直であって紙面の上向きの軸をＺ軸、Ｘ軸およびＺ軸のそれぞれに垂直な軸をＹ軸と称する。また、図１１〜図１２に示す例では、レンズ１４と支持部１４ａとの間の組立について説明するが、カウンタウェイト２４と支持部２４ａとの間の組立についても同様である。
【０１０３】
図１１は、三次元スキャナ１００の内部構造を示す模式図である。図１１に示すように、三次元スキャナ１００は、三次元スキャナ１００の前方に位置する第１ブロック８０１と、当該三次元スキャナ１００の後方に位置する第２ブロック８０２と、第１ブロック８０１と第２ブロック８０２との間に位置する連結部８００とを備える。
【０１０４】
三次元スキャナ１００の内部においては、レンズ１４が内周側に配置され、当該レンズ１４の外周側に第１駆動部２０が円筒状に配置されており、これらレンズ１４と第１駆動部２０とをひとまとめにして第１ブロック８０１が構成される。つまり、第１ブロック８０１は、円筒状の形状を有し、その内部に設けられた第１駆動部２０における各構成のさらに内部の空間でレンズ１４を保持する。第１ブロック８０１は、三次元スキャナ１００のハウジング７７の前方に位置する第１収容部５０１に収容される。
【０１０５】
三次元スキャナ１００の内部においては、カウンタウェイト２４が内周側に配置され、当該カウンタウェイト２４の外周側に第２駆動部２６が円筒状に配置されており、これらカウンタウェイト２４と第２駆動部２６とをひとまとめにして第２ブロック８０２が構成される。つまり、第２ブロック８０２は、円筒状の形状を有し、その内部に設けられた第２駆動部２６における各構成のさらに内部の空間でカウンタウェイト２４を保持する。第２ブロック８０２は、三次元スキャナ１００のハウジング７７の後方に位置する第２収容部５０２に収容される。
【０１０６】
連結部８００は、第１ブロック８０１と第２ブロック８０２とを連結する。連結部８００は、往復直線運動するための各構成が運動可能な状態で一体として三次元スキャナ１００の内部に固定保持されている。具体的には、連結部８００は、第１収容部５０１によって保持されたレンズ１４と第２収容部５０２によって保持されたカウンタウェイト２４とを、往復直線運動するための各構成が運動可能な状態で一体に連結している。さらに、連結部８００は、その内部に設けられた空間において、前述した光源１８、レンズ１４、光学センサ７１、およびプリズム７２などを保持する。連結部８００は、第１収容部５０１と第２収容部５０２との間に位置する連結収容部５００に収容される。
【０１０７】
図１２は、三次元スキャナ１００が備える第１ブロック８０１の内部構造を示す模式図である。図１２に示すように、第１ブロック８０１は、ヨーク５１ａ、コイル５２ａ、および磁石５３ａを含む磁気回路構成２３ａを収容して保持する。また、第１ブロック８０１は、レンズ１４の外周を取り囲むようにして、レンズ１４を固定する固定部１９０が収容されている。固定部１９０によって固定されたレンズ１４の一端には、バネ５５ａが当接し、レンズ１４の他端には、バネ５５ｂが当接している。
【０１０８】
レンズ１４は、固定部１９０とともに、支持部１８０および保持部１６０を介して支持部１４ａによって往復直線運動可能に支持されている。具体的には、レンズ１４を固定する固定部１９０の一部には、支持部１８０がネジ止めされている。レール５７ｂ上を移動するブロック５６ｂの一部には、保持部１６０がネジ止めされている。支持部１８０と、保持部１６０とは嵌合している。
【０１０９】
（Ｇ．作用・効果）
以上のように、本実施の形態にかかる三次元計測システム１は、採光部１２を有する把持可能な筐体（プローブ１０およびハウジング７７）と、レンズ１４と、第１駆動部２０と、光学センサ１６と、機構制御部３２とを含む。また、機構制御部３２は、フレームレートを変えることなく、所定の期間における焦点位置Ｆの変化量ΔＦを変えることで計測精度を変更する。
【０１１０】
そのため、光学センサ１６のスペックを上げることなく計測精度を上げることができるとともに、計測精度を変更した前後で手ブレの影響を変えることなく計測精度を上げることができる。
【０１１１】
また、本実施の形態にかかる第１駆動部２０は、レンズ１４の位置を移動させることで焦点位置Ｆを変更する。そのため、液体レンズのような可変焦点レンズを利用せずに焦点位置Ｆを変更することができ、三次元計測システム１を安価に作成することができる。また、可変焦点レンズに比べて安定して焦点位置を変更することができ、制御がし易い。
【０１１２】
また、本実施の形態にかかる第１駆動部２０は、レンズ１４の光軸方向に往復直線運動させることで焦点位置Ｆを変える。そのため、レンズ１４の位置と焦点位置Ｆとの関係を計算しやすく、制御部３０または制御装置２００の処理負担を軽減することができる。
【０１１３】
また、本実施の形態にかかる変化機構は、レンズ１４を直線運動させる第１駆動部２０に加えて、カウンタウェイト２４と、カウンタウェイト２４を直線運動させる第２駆動部２６と、レンズ１４およびカウンタウェイト２４が直線運動するように支持する支持部１４ａ，２４ａとを含む。また、機構制御部３２は、レンズ１３とカウンタウェイト２４とが相対する方向にそれぞれ同じ距離だけ直線運動するように第１駆動部２０および第２駆動部２６を制御する。
【０１１４】
これにより、カウンタウェイト２４によって、レンズ１４の直線運動による振動を打ち消すことができる。また、本実施の形態に係る三次元スキャナ１００においては、レンズ１４およびカウンタウェイト２４をそれぞれの駆動部で独立して直線運動させることができる。そのため、同一のモータで並進ステージによってレンズ１４およびカウンタウェイト２４をともに直線運動させるような構成に比べて、長時間駆動し続けたとしても機械的な摩耗が生じにくい。したがって、レンズ１４およびカウンタウェイト２４の直線運動を実現する装置の長寿命化を実現することができる。
【０１１５】
また、本実施の形態において、レンズ１４およびカウンタウェイト２４をそれぞれの駆動部で独立して直線運動させるような構成を採用したことで、磁気回路構成をレンズ１４およびカウンタウェイト２４のそれぞれの駆動部に採用することができる。すなわち、本実施の形態において、第１駆動部２０は、磁石５３ａ，５３ｂ、およびコイル５２ａ，５２ｂを含む磁気回路構成２３を有し、レンズ１４は、磁気回路構成２３によって直線運動方向の力（電磁力（Ｆ））が与えられることで直線運動する。同様に、第２駆動部２６は、磁石およびコイル（いずれも図示は省略する）を含む磁気回路構成２７を有し、カウンタウェイト２４は、磁気回路構成２７によって直線運動方向の力（電磁力（Ｆ））が与えられることで直線運動する。
【０１１６】
これにより、カムなどの機構部品を用いてレンズ１４またはカウンタウェイト２４の直線運動方向へと力の向きを変えるような構成に比べて、機械的摩耗の影響を少なくすることができ、さらに、三次元スキャナ１００全体の小型化および軽量化を図ることができる。また、機構部品を採用するよりも、磁気回路のみによる装置構成を採用した方が、耐久性に優れ、メンテナンスも容易である。
【０１１７】
また、本実施の形態において、第１駆動部２０は、レンズ１４の直線運動方向に弾性力を与えるバネ５５ａ〜５５ｄを含む。同様に、第２駆動部２６は、カウンタウェイト２４の直線運動方向に弾性力を与えるバネ（図示は省略する）を含む。これにより、レンズ１４の慣性力、バネ５５ａ〜５５ｄの弾性力、およびダンパの粘性力からなる運動系の応答による共振現象を利用して、レンズ１４またはカウンタウェイト２４を振動させるため、消費電力を抑えることができ、効率がよい。
【０１１８】
また、本実施の形態において、第１駆動部２０は、ブロック５６ａおよびブロック５６ｂのそれぞれとレール５７ａおよびレール５７ｂのそれぞれとの接続面において、グリスなどの粘性を有する潤滑剤からなるダンパを含む。同様に、第２駆動部２６は、前述のダンパ（図示は省略する）を含む。これにより、第１駆動部２０を含む運動系と第２駆動部２６を含む運動系に対して外部から加わる重力や、操作者による振動などを減衰させることができる。
【０１１９】
また、本実施の形態において、第１駆動部２０は、レール５７ａとブロック５６ａとの嵌合部およびレール５７ｂとブロック５６ｂとの嵌合部に掛かる各モーメントを打ち消し合う位置に部材が配置されている。同様に、第２駆動部２６は、レールとブロックとの嵌合部（図示は省略する）に掛かる各モーメントを打ち消し合う位置に部材が配置されている。これにより、レンズ１４の支持部１４ａまたはカウンタウェイト２４の支持部２４ａに力のモーメントが極力掛からないため、残留振動を極力抑えることができる。
【０１２０】
また、本実施の形態において、第１駆動部２０は、直線ｌの方向と垂直な方向からレンズ１４を挟み込む位置に部材が配置されている。同様に、第２駆動部２６は、直線ｌの方向と垂直な方向からカウンタウェイト２４を挟み込む位置に部材が配置されている。これにより、三次元スキャナ１００全体の小型化を図ることができ、さらに、レンズ１４の中心部にパターンを有する光を通すことができる。
【０１２１】
また、本実施の形態において、レンズ１４を支持する支持部１４ａは、カウンタウェイト２４を支持する支持部２４ａとは別の部材である。これにより、設計の自由度が向上するため、三次元スキャナ１００のような限られたスペースの中であっても適切に部材を配置することができる。
【０１２２】
また、本実施の形態において、三次元計測システム１は、測定精度を調整するための調整部４０であって、換言すると、焦点位置Ｆの変位量ΔＦを調整する調整部４０をさらに備える。これにより、測定部位に応じて測定精度を調整することができる。前述のように測定精度を上げると計測の深さ方向の計測範囲が狭くなり、測定時間が長くなるという問題がある。そのため、調整部４０を備えることで、測定時間を短くすることができる。
【０１２３】
また、本実施の形態において、三次元計測システム１は、演算部２２０を有する制御装置２００と、表示装置３００とをさらに備える。これにより、ユーザは、表示装置３００に表示された計測結果を確認しながら計測をすることができる。
【０１２４】
また、本実施の形態において、三次元計測システム１は、一の箇所を計測した後、次の箇所を計測するときに、計測済みの箇所の含み具合に基づいて、計測方法が正しいか否かを判定する判定部２４０さらに備える。換言すると、判定部２４０は、第１領域を計測した後、第２領域を計測する場合に、第１領域と第２領域との重畳度合いに基づいて計測方法が正しいか否かを判定する。前述のように、計測精度が上がることに伴い、必要なユーザの技量が上がるものの、判定部２４０を備えることで、ユーザに必要な技量が補填されることとなる。
【０１２５】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態においては、レンズ１４の位置Ｌとカウンタウェイト２４とを対応付けて動かすとともに、変位量ΔＬを容易に変更できるという観点からレンズ１４とカウンタウェイト２４とは各々異なる支持部１４ａ，２４ａに支持され、各々異なる駆動部に制御される例を開示した。なお、レンズ１４とカウンタウェイト２４とは一の支持部に支持され、一の駆動部によって制御されるような構成であってもよい。また、装置の寿命の観点から、駆動部は磁気回路構成であるとしたが、機械式のモータであってもよい。第２の実施の形態においては、支持部が１つであり、機械式のモータにより、レンズおよびカウンタウェイトが動く。
【０１２６】
図１３は、第２の実施の形態にかかる三次元スキャナ１００ａが備える焦点可変部５０の概略構成図を示す図である。三次元スキャナ１００ａは、第１の実施の形態にかかる三次元スキャナ１００と比較して、第１駆動部２０を含む変化機構の代わりに焦点可変部５０を備える。なお、焦点可変部５０は、「変化機構」の一実施形態に対応する。
【０１２７】
焦点可変部５０は、カウンタウェイト５２と、支持部５４と、駆動部５６とを備える。カウンタウェイト５２は、第１の実施の形態にかかる三次元スキャナ１００が備えるカウンタウェイト２４と同様の機能を果たす。より具体的には、カウンタウェイト５２は、レンズ１４の往復直線運動に起因する三次元スキャナ１００の重心の偏りを相殺するために設けられており、レンズ１４と相対する方向にレンズ１４と同じ距離だけ往復直線運動する。
【０１２８】
カウンタウェイト５２とレンズ１４とは、一の支持部５４によってハウジング７７内に支持されているとともに、直線ｌに平行な支持部５４によって、直線ｌの方向に往復直線運動するように支持されている。すなわち、第１の実施の形態においては、カウンタウェイト２４とレンズ１４とは、互いに異なる支持部１４ａ，２４ａによって直線ｌの方向に往復直線運動するように支持されているものの、第２の実施の形態においては、カウンタウェイト５２とレンズ１４とは、互いに共通の支持部５４によって直線ｌの方向に往復直線運動するように支持されている。
【０１２９】
駆動部５６は、カウンタウェイト５２およびレンズ１４を直線ｌの方向に往復直線運動させる駆動モータであって、駆動を変えることで、変位量ΔＬを変えることができる。
【０１３０】
以上のように、三次元スキャナ１００ａは、支持部が１つであり、機械式のモータにより、レンズおよびカウンタウェイトが動くため、部品点数を少なくすることができる。なお、レンズの駆動による三次元スキャナの振動を軽減することができるのであれば、カウンタウェイトを設けなくともよく、たとえば、変化機構は、第１の実施の形態に示す第１駆動部２０および支持部１４ａにより構成されるものであってもよい。
【０１３１】
＜第３の実施の形態＞
図１４は、第３の実施の形態にかかる三次元スキャナ１００ｂが備える焦点可変部６０の概略構成図を示す図である。三次元スキャナ１００ｂは、第１の実施の形態にかかる三次元スキャナ１００と比較して、第１駆動部２０を含む変化機構の代わりに焦点可変部６０を備え、レンズ１４の代わりに液体レンズ７０を備える。焦点可変部６０は、「変化機構」の一実施形態に対応する。液体レンズ７０は、「液体レンズ」の一実施形態に対応する。
【０１３２】
第１の実施の形態において、機械的にレンズの位置を移動させることで焦点位置を変化させるものとしたが、第３の実施の形態においては、機械的にレンズの位置を移動させない可変焦点レンズである液体レンズ７０を使用することで焦点位置を変化させる。
【０１３３】
液体レンズ７０は、たとえば、水溶液と油とを封入した容器の側面に電極を設け、当該電極に電圧を印加することで水溶液とオイルとの界面の形状を変化させて、焦点位置を変化させる方式を採用する。なお、図１４においては、液体レンズ７０を、１枚の両凸レンズとして模式的に示しており、水溶液やオイルなどの詳細構造は省略している。液体レンズ７０は、印加する電圧値を大きくして行った時と、小さくしていった時とで焦点位置が異なるヒステリシス特性を有する。
【０１３４】
焦点可変部６０は、液体レンズ７０に電圧を印加する装置であって、印加させる電圧を変化させることが可能な機構を備える。焦点可変部６０は、液体レンズ７０に加える電圧を変化させることで、液体レンズ７０の焦点位置を変化させる。
【０１３５】
以上のように、第３の実施の形態に係る三次元スキャナ１００ｂのレンズは液体レンズ７０であって、焦点位置Ｆを変化させる変化機構は液体レンズ７０に印加する電圧を変化させる機構を有する焦点可変部６０である。そのため、レンズの位置を変えることで焦点位置Ｆを変える機構と比べて、三次元スキャナ内に機械的な機構（駆動モータなど）を設ける必要がなく、焦点位置を変更するための構造をコンパクトにすることができる。
【０１３６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１３７】
１  三次元計測システム、１０  プローブ、１２  採光部、１４  レンズ、１４ａ，２４ａ，５４  支持部、１６  光学センサ、１８  光源、５０，６０  焦点可変部、２０  第１駆動部、２３，２３ａ，２３ｂ，２７  磁気回路構成、２４，５２  カウンタウェイト、２６  第２駆動部、３０  制御部、３２  機構制御部、３４  光学センサ制御部、４０  調整部、５１ａ，５１ｂ  ヨーク、５２ａ，５２ｂ  コイル、５３ａ，５３ｂ  磁石、５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ  バネ、５６  駆動部、５６ａ，５６ｂ  ブロック、５７ａ，５７ｂ  レール、７０  液体レンズ、９９  対象物、１００，１００ａ，１００ｂ  三次元スキャナ、２００  制御装置、２２０  演算部、２４０  判定部、３００  表示装置、４００  電源、５００  連結収容部、５０１  第１収容部、５０２  第２収容部、８００  連結部、８０１  第１ブロック、８０２  第２ブロック。
【図１】
2020034487.tif 000004
【図２】
2020034487.tif 000005
【図３】
2020034487.tif 000006
【図４】
2020034487.tif 000007
【図５】
2020034487.tif 000008
【図６】
2020034487.tif 000009
【図７】
2020034487.tif 000010
【図８】
2020034487.tif 000011
【図９】
2020034487.tif 000012
【図１０】
2020034487.tif 000013
【図１１】
2020034487.tif 000014
【図１２】
2020034487.tif 000015
【図１３】
2020034487.tif 000016
【図１４】
2020034487.tif 000017