(57)【要約】【課題】本発明は、レンズの位置を機械的に可動させる焦点可変部を内蔵する三次元スキャナにおいて、小型化が可能な構成を提供する。【解決手段】本発明は、対象物の形状情報を取得する三次元スキャナである。三次元スキャナは、光源部８１と、焦点可変部８２と、光学センサ８５と、制御部とを備えている。焦点可変部８２は、合成したレンズパワーの値が正となる複数のレンズと、複数のレンズのうち少なくとも一つのレンズを光軸方向に沿って駆動する駆動部とを含む。複数のレンズは、少なくとも１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとの組み合わせを含んでいる。【選択図】図３
2020151497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
口腔内の対象物の形状情報を取得する三次元スキャナであって、
光源部と、
前記対象物で反射された前記光源部からの光を検出する検出部と、
前記口腔内に挿入して、前記光源部からの光を前記対象物に導くとともに、前記対象物からの反射光を前記検出部へ導くプローブと、
前記プローブより前記光源部に近い側に設けられ、前記光源部から前記対象物を経て前記検出部に至る光の焦点位置を、所定範囲で変化させることが可能な焦点可変部と、
前記検出部で検出した光から前記対象物の形状情報を演算する演算部とを備え、
前記焦点可変部は、
合成したレンズパワーの値が正となる複数のレンズと、
前記複数のレンズのうち少なくとも一つのレンズを光軸方向に沿って駆動する駆動部とを含み、
前記複数のレンズは、少なくとも１組の正レンズと負レンズとの組み合わせを含んでいる、三次元スキャナ。
【請求項２】
前記駆動部は、前記複数のレンズのうちレンズパワーの絶対値が最大のレンズを光軸方向に沿って駆動する、請求項１に記載の三次元スキャナ。
【請求項３】
前記駆動部は、前記複数のレンズに含まれる前記正レンズと前記負レンズとを光軸方向に沿って互いに反対の向きに駆動する、請求項１または請求項２に記載の三次元スキャナ。
【請求項４】
前記複数のレンズは、
合成したレンズパワーの絶対値に比べて、大きなレンズパワーの絶対値を有するレンズを少なくとも含む、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
【請求項５】
前記焦点可変部は、
前記駆動部で駆動されるレンズとは反対方向に駆動されるカウンタウェイトをさらに含む、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
【請求項６】
前記複数のレンズのうち前記駆動部で駆動されるレンズは、前記正レンズであって、アッベ数が前記複数のレンズに含まれる前記負レンズのアッベ数より大きい、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
【請求項７】
前記複数のレンズの全体で色消し条件を満たすように、前記複数のレンズに含まれるレンズの光学特性値が決定されている、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
【請求項８】
前記プローブと前記焦点可変部と間で、かつ瞳位置より前記プローブ側に正レンズの物体側レンズと、
前記焦点可変部と前記光源部および前記検出部との間に、前記光源部からの光路と前記検出部への光路とを分離するビームスプリッタと、をさらに備える、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
【請求項９】
口腔内の対象物の形状情報を取得する三次元スキャナであって、
光源部と、
前記対象物で反射された前記光源部からの光を検出する検出部と、
前記口腔内に挿入して、前記光源部からの光を前記対象物に導くとともに、前記対象物からの反射光を前記検出部へ導くプローブと、
前記プローブより前記光源部に近い側に設けられ、前記光源部から前記対象物を経て前記検出部に至る光の焦点位置を変化させることが可能な焦点レンズと、
前記焦点レンズを光軸方向に沿って駆動する駆動部と、
前記焦点レンズと同じ光軸上に設けられた少なくとも一つの負レンズと、
前記検出部で検出した前記対象物で反射された光から前記対象物の形状情報を演算する演算部とを備え、
前記焦点レンズと前記負レンズとを合成したレンズパワーの値が正であって、前記対象物上での焦点位置の可動範囲が所定範囲となる、三次元スキャナ。
【請求項１０】
前記プローブと前記焦点レンズと間で、かつ瞳位置より前記プローブ側に正レンズの物体側レンズと、
前記焦点レンズと前記光源部および前記検出部との間に、前記光源部からの光路と前記検出部への光路とを分離するビームスプリッタと、をさらに備える、請求項９に記載の三次元スキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の形状情報を取得する三次元スキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
歯科分野において、補綴物等をコンピュータ上でデジタル的に設計するために、歯の三次元形状を取得するための三次元スキャナ（口腔内スキャナ）が開発されている（特許文献１）。特許文献１に開示されている三次元スキャナは、合焦法の原理を使用して対象物の三次元形状を取得する手持ち式スキャナである。具体的に、当該三次元スキャナでは、線状または市松模様状のパターンを有する光（以下、パターンともいう）を対象物の表面に投影し、焦点の位置を変化させながら複数回撮像したパターンの画像からもっとも焦点の合う距離を求め、対象物の三次元形状を取得している。
【０００３】
つまり、当該三次元スキャナでは、対象物に投影したパターンの焦点を、高速に変化させるための焦点可変部が必要である。焦点可変部は、光源からの光の焦点位置、または検出部の焦点位置のうち少なくとも一方を所定範囲で変化させる必要があるため、レンズの位置を機械的に可動させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５６５４５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
当該三次元スキャナを歯科分野で応用するためには、スキャナ本体は片手で持つことができ、かつ狭隘な口腔内に挿入できるほどに、十分小型である必要がある。しかし、光源からの光の焦点位置、または検出部の焦点位置を所定範囲で変化させるためには、レンズの位置を同程度の範囲で変化させる必要があった。つまり、焦点可変部は、光源からの光の焦点位置、または検出部の焦点位置が対象物上で変化する距離（例えば、１０ｍｍ〜２０ｍｍ）と同程度の距離をレンズの位置を動かす必要があった。そのため、当該焦点可変部を内蔵する三次元スキャナでは、少なくともレンズの位置の可動範囲分だけのスペースを確保する必要があるので小型化の制約となる問題があった。
【０００６】
さらに、焦点可変部は、レンズの位置を可動させるためのモータを有しており、可動させる距離が長くなるにつれてモータが大型化する問題があった。大型のモータを内蔵する三次元スキャナでは、モータ自体のスペースも確保する必要があるので小型化の制約となる問題があるとともに、大型のモータから発せられる音や振動が大きくなる他、消費電力や発熱量が増加するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、レンズの位置を機械的に可動させる焦点可変部を内蔵する三次元スキャナにおいて、小型化が可能な構成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】
本発明に係る三次元スキャナは、口腔内の対象物の形状情報を取得する三次元スキャナであって、光源部と、対象物で反射された光源部からの光を検出する検出部と、口腔内に挿入して、光源部からの光を対象物に導くとともに、対象物からの反射光を前記検出部へ導くプローブと、プローブより光源部に近い側に設けられ、光源部から対象物を経て検出部に至る光の焦点位置を、所定範囲で変化させることが可能な焦点可変部と、検出部で検出した光から対象物の形状情報を演算する演算部とを備え、焦点可変部は、合成したレンズパワーの値が正となる複数のレンズと、複数のレンズのうち少なくとも一つのレンズを光軸方向に沿って駆動する駆動部とを含み、複数のレンズは、少なくとも１組の正レンズと負レンズとの組み合わせを含んでいる。
【０００９】
ある別の局面によれば、本発明に係る三次元スキャナは、口腔内の対象物の形状情報を取得する三次元スキャナであって、光源部と、対象物で反射された光源部からの光を検出する検出部と、口腔内に挿入して、光源部からの光を対象物に導くとともに、対象物からの反射光を前記検出部へ導くプローブと、プローブより光源部に近い側に設けられ、光源部から対象物を経て検出部に至る光の焦点位置を変化させることが可能な焦点レンズと、焦点レンズを光軸方向に沿って駆動する駆動部と、焦点レンズと同じ光軸上に設けられた少なくとも一つの負レンズと、焦点レンズを通って対象物で反射された光を検出する検出部と、検出部で検出した対象物で反射された光から対象物の形状情報を演算する演算部とを備え、焦点レンズと負レンズとを合成したレンズパワーの値が正であって、対象物上での焦点位置の可動範囲が所定範囲となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る三次元スキャナは、焦点可変部が複数のレンズを含み、当該複数のレンズが少なくとも１組の正レンズと負レンズとの組み合わせを含んでいるので、可動するレンズのレンズパワーを、焦点可変部を単一の焦点レンズで構成した場合と比べて大きく設定することができるため、効率良く対象物上での焦点位置を可動させることができ、レンズの位置の可動範囲を短くして小型化することができる。また、ある別の局面によれば、本発明に係る三次元スキャナは、光軸上に負レンズを配置することで検出部の縮小像を形成し、焦点レンズの拡大投影倍率を調整できるため、効率良く対象物上での焦点位置を可動させることができ、焦点レンズの位置の可動範囲を短くして小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る三次元スキャナの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るハンドピース内の光学系の構成を説明するための概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る焦点可変部の構成を説明するための概略図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る焦点可変部を可動させた場合の光学シミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る焦点可変部の構成を説明するための概略図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る焦点可変部を可動させた場合の光学シミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る焦点可変部を可動させた場合の光学シミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る焦点可変部の構成を説明するための概略図である。
【図９】焦点可変部のレンズの組み合わせを説明するための図である。
【図１０】焦点可変部を通過する光路を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る三次元スキャナは、口腔内の歯の三次元形状を取得するための三次元スキャナ（口腔内スキャナ）である。しかし、本発明に係る三次元スキャナは、口腔内スキャナ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スキャナについて適用することができる。たとえば、口腔内以外に人の耳の内部を撮像して、外耳内の三次元形状を取得することができる三次元スキャナにも適用できる。
【００１４】
［三次元スキャナの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る三次元スキャナ１００の構成を示すブロック図である。図１に示す三次元スキャナ１００は、プローブ１０、接続部２０、光学計測部３０、制御部４０、表示部５０、電源部６０を含んでいる。プローブ１０は、口腔内に差込まれ、対象物２００である歯にパターンを有する光（以下、パターンともいう）を投影し、パターンが投影された対象物２００からの反射光を光学計測部３０に導いている。また、プローブ１０は、光学計測部３０に対して着脱可能であるので、感染対策として、生体に接触する可能性のあるプローブ１０だけを光学計測部３０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。三次元スキャナの装置全部を滅菌処理した場合、光学部品や電子部品などが多く含まれるため装置の寿命が短くなる欠点があるが、プローブ１０だけを取り外して滅菌処理した場合当該欠点は生じない。接続部２０は、光学計測部３０の一部であり、プローブ１０と嵌合可能な形状をしており、光学計測部３０から突出している部分である。接続部２０は、プローブ１０で採光した光を光学計測部３０へ導くためのレンズ系や、カバーガラス、光学フィルタ、位相差板（１／４波長板）等の光学部品を有していてもよい。
【００１５】
光学計測部３０は、プローブ１０を介して対象物２００にパターンを投影し、投影したパターンを撮像する。光学計測部３０は、図示していないが対象物２００に投影するパターンを生成するための光学部品（パターン生成素子）および光源、パターンを対象物２００の表面に結像するためのレンズ部品、焦点位置を変化させることが可能な焦点可変部、投影したパターンを撮像する光学センサ（ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなど）を有している。なお、光学計測部３０は、合焦法の原理を用いて三次元形状を取得する構成として以下説明するが、共焦点法等の原理を用いて三次元形状を取得する構成でもよい。つまり、光学計測部３０は、焦点可変部によって投影パターンや光学センサの焦点の位置を変化させる構成を含み、光学的な手法を用いて三次元形状を取得する構成であればいずれの原理を用いた構成であっても適用することが可能である。なお、プローブ１０、接続部２０と光学計測部３０とで、口腔内を撮像するためのハンドピース８０を構成している。
【００１６】
制御部４０は、光学計測部３０の動作を制御するとともに、光学計測部３０で撮像した画像を処理して三次元形状を取得する。制御部４０は、制御中枢としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵが動作するためのプログラムや制御データ等を記憶しているＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵのワークエリアとして機能するＲＡＭ（Random Access Memory）、周辺機器との信号の整合性を保つための入出力インターフェイス等が設けられている。また、制御部４０は、取得した三次元形状を表示部５０に出力することが可能であるとともに、光学計測部３０の設定などの情報を図示していない入力装置などで入力可能である。なお、撮像した画像を処理して三次元形状を取得するための演算の少なくとも一部は、制御部４０のＣＰＵによってソフトウェアとして実現されてもよいし、当該ＣＰＵとは別に処理を行うハードウェアとして実現されてもよい。また、当該ＣＰＵやハードウェアなどの処理部のうち少なくとも一部は、光学計測部３０の内部に組み込まれていてもよい。また、図１では三次元スキャナ１００の各構成要素（３０、４０、５０、６０）がケーブル（図中の太線）によって配線されているように描かれているが、これらの配線のうち一部または全部が無線通信によって接続されていてもよい。また、制御部４０が片手で持ち上げられるほど十分に小型かつ軽量であれば、制御部４０と光学計測部３０とが一体化され、ひとつのハンドピースとして構成されていてもよい。
【００１７】
表示部５０は、制御部４０で得られた対象物２００の三次元形状の計測結果を表示するための表示装置である。また、表示部５０は、光学計測部３０の設定情報や、患者情報、スキャナの起動状態、取扱説明書、ヘルプ画面などの、その他の情報を表示するための表示装置としても利用することができる。表示部５０の例として、たとえば据え置き式の液晶ディスプレイや、ヘッドマウント式やメガネ式のウェアラブルディスプレイなどが適用できる。また、表示部５０は複数あってもよく、三次元形状の計測結果やその他の情報が、複数の表示部５０上に同時表示あるいは分割表示されるよう構成されてもよい。電源部６０は、光学計測部３０および制御部４０を駆動するための電力を供給するための装置である。電源部６０は、図１に示すように制御部４０の外部に設けられていても、制御部４０の内部に設けられていてもよい。また、電源部６０は、制御部４０、光学計測部３０、表示部５０に対し、別々に給電できるよう、複数設けられていてもよい。
【００１８】
［ハンドピース内の光学構成］
次に、ハンドピース内の光学系の構成についてさらに詳しく説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係るハンドピース８０内の光学系の構成を説明するための概略図である。まず、ハンドピース８０には、光源部８１、焦点可変部８２、駆動部８３、光学センサ８５が設けられている。なお、ハンドピース８０には、これ以外に、光源部８１から対象物２００への光と、対象物２００から光学センサ８５への光とを分離するビームスプリッタ、レンズ系、対象物２００に向けて光を反射させる反射板などが必要に応じて設けられている。但し、これらの構成については、図２での図示および詳細な説明については省略している。
【００１９】
光源部８１から出力された光は、焦点可変部８２を通って対象物２００に照射され、対象物２００で反射される。対象物２００で反射された光は、焦点可変部８２を通って光学センサ８５で検出される。合焦法の技術を用いて三次元形状を取得する場合、光源部８１と対象物２００との間に設けたパターン生成素子（図示せず）を通過した光を対象物２００に投影し、駆動部８３で焦点可変部８２の状態（焦点可変部８２による投影パターンの焦点位置）を変化させながら対象物２００からの光を光学センサ８５で検出する。図１に示した制御部４０は、焦点可変部８２の状態（たとえば駆動するレンズの位置）と、その位置での光学センサ８５の検出結果とに基づいて対象物２００の形状情報を演算している。そのため、制御部４０は、光学センサ８５で検出した光から対象物２００の形状情報を演算する演算部として機能している。なお、三次元スキャナ１００では、駆動部８３で焦点可変部８２による投影パターンの焦点位置を変化させる所定範囲として、対象物２００である歯の形状を取得するのに必要となる範囲（例えば、１０ｍｍ〜２０ｍｍ）を確保している。
【００２０】
次に、焦点可変部８２において、当該範囲を確保するための構成について説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る焦点可変部８２の構成を説明するための概略図である。図３（ａ）では、比較例として従来の三次元スキャナで採用されているような、単独の焦点レンズ８２ｚを駆動部８３で可動させて投影パターンの焦点位置を変化させる構成を示している。光源部８１から出射された光は、ビームスプリッタ８４で曲げられて、焦点レンズ８２ｚおよび物体側レンズ８６を通過して対象物（図示せず）の位置に投影パターンを投影する。なお、投影パターンを生成するためのパターン生成素子は、図示していないが、例えば光源部８１とビームスプリッタ８４との間に設けられているか、あるいは、光源部８１自体に含まれている。対象物で反射された光は、逆に物体側レンズ８６および焦点レンズ８２ｚを通過し、さらにビームスプリッタ８４を経て光学センサ８５で検出される。ここで、焦点レンズ８２ｚの焦点距離をｆ１、物体側レンズ８６の焦点距離をｆ２とした場合、拡大投影倍率Ｍは、概ねＭ＝ｆ２／ｆ１となる。そのため、光学センサ８５の一辺の長さをＨとした場合、焦点位置に形成される光学センサ８５の像の一辺の長さ（視野に相当）がＭ×Ｈとなる。また、投影パターンの焦点位置を変化させる範囲Ｆ０は、焦点レンズ８２ｚの可動距離をＺとした場合、概ねＦ０＝Ｍ２×Ｚとなる。なお、駆動部８３は、焦点レンズ８２ｚの位置をモータなどで機械的に可動させる構成である。なお、図３（および以降の図面）では、三次元スキャナ１００を構成するレンズ系が、焦点可変部８２と、物体側レンズ８６の２群のレンズで構成された略テレセントリック光学系として描かれているが、当該レンズ系の形態はこれに限らない。たとえば、広角のレンズなどであっても良い。また、当該レンズ系の光路中に、図示した以外の別のレンズや、絞り、偏光光学素子、フィルタなどのその他の光学部品が使用されていてももちろん良い。また、レンズの倍率や焦点距離などの数値に対して「概ね」という表記を用いているが、これは各種数値が、薄肉理論に基づいた近似的な計算結果であるためである。すなわち、各種レンズ、ビームスプリッタといった光学部品の厚みや収差などの影響は考慮していないため、実際の値とは若干異なる場合がある。また、レンズ系が厳密なテレセントリック光学系でない場合にも、実際の値が近似値から若干異なる場合がある。以降の説明においては「概ね」という表記を省略する場合がある。
【００２１】
一方、本実施の形態１に係る焦点可変部８２では、図３（ｂ）に示すように１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとの組み合わせを含んでいる。なお、正レンズとは、レンズの縁よりも中央の方が厚いレンズである。例外として、フレネルレンズ、ＧＩ（Graded Index）レンズ、回折レンズなどの特殊レンズを用いた場合には、レンズの縁と中心とで厚みが同じになるような正レンズや負レンズが存在するが、もちろん上記特殊レンズを焦点可変部８２や、三次元スキャナ１００に含まれる他のレンズとして採用してもよい。負レンズとは、レンズの縁よりもレンズの中央の方が薄いレンズである。ここで、負レンズ８２ａと正レンズ８２ｂとは互いに近接しているため、近似的に一つの合成レンズとみなすことができる。負レンズ８２ａの焦点距離をｆ１ａ、正レンズ８２ｂの焦点距離をｆ１ｂとした場合、焦点可変部８２の合成焦点距離ｆは、１／｛１／ｆ１ａ＋１／ｆ１ｂ｝となり、焦点レンズ８２ｚの焦点距離ｆ１と同じ値に合わせてある。また、焦点可変部８２の合成焦点距離ｆが焦点レンズ８２ｚの焦点距離ｆ１と同じ値、すなわち正の値であるため、正レンズ８２ｂは、焦点距離ｆ１ｂが焦点レンズ８２ｚの焦点距離ｆ１より短くなり、レンズパワー（１／ｆ１ｂ）が焦点レンズ８２ｚのレンズパワー（１／ｆ１）より大きくなる。ここで、「焦点可変部８２の焦点距離」という表現は、焦点可変部８２に含まれるレンズ等の光学部品を対象とした表現であり、焦点可変部８２に含まれる駆動部等のその他の部分（光が通過しない部材）は表現の対象ではない。
【００２２】
図３（ｂ）に示す焦点可変部８２では、焦点可変部８２を構成する複数のレンズのうちレンズパワーの絶対値が最大のレンズを、駆動部８３で光軸方向に沿って駆動している。焦点可変部８２では、正レンズ８２ｂのレンズパワー（１／ｆ１ｂ）の絶対値が、負レンズ８２ａのレンズパワー（１／ｆ１ａ）の絶対値より大きいとして、正レンズ８２ｂを駆動部８３で光軸方向に沿って駆動している。ここで、正レンズ８２ｂの可動距離を焦点レンズ８２ｚの可動距離Ｚと同じ値にした場合、正レンズ８２ｂのレンズパワー（１／ｆ１ｂ）が焦点レンズ８２ｚのレンズパワー（１／ｆ１）より大きいので、投影パターンの焦点位置を変化させる範囲Ｆ１は範囲Ｆ０より長くなる。逆に、範囲Ｆ１を範囲Ｆ０と同じ長さにすれば、正レンズ８２ｂの可動距離を焦点レンズ８２ｚの可動距離Ｚより短くすることが可能になる。すなわち、図３（ａ）と（ｂ）とを比較すると、駆動するレンズのレンズパワーの絶対値が大きいほど、小さいレンズの可動距離で効率良く焦点位置を可動することができ、三次元スキャナ１００の小型化にとって有利な構成となる。なお、焦点可変部８２は、図３（ｂ）に示すように瞳位置には設けていない。例えば、瞳位置や物体側レンズ８６の位置のようなプローブ側に焦点可変部８２を設けた場合、駆動部であるモータもプローブの近くに設置する必要があり、プローブ自体の口径が大型化する。プローブ自体の口径が大型化すると、歯科分野で応用する場合、プローブを口に入れにくくなり、患者に負担がかかる問題がある。一方、プローブ側に焦点可変部８２を設けない場合、プローブ自体の口径を小型化でき、患者に負担が軽減できるメリットがある。
【００２３】
レンズの可動距離と焦点位置を変化させる範囲との関係をさらに詳しく説明する。図３（ａ）で示した光学構成において、拡大投影倍率をＭとすると焦点位置を変化させる範囲がＭ２倍に増幅されることを説明した。具体的に、焦点レンズ８２ｚの焦点距離ｆ１を５０ｍｍ、物体側レンズ８６の焦点距離ｆ２を１００ｍｍとした場合、拡大投影倍率Ｍが２倍となるので、焦点位置に形成される光学センサ８５の像の一辺の長さ（視野に相当）は２Ｈとなり、焦点位置を変化させる範囲Ｆ０はレンズの可動距離Ｚと比べてＭ２＝４倍となる。
【００２４】
一方、図３（ｂ）で示した光学構成において、レンズの可動距離と焦点位置を変化させる範囲との関係を考える場合、負レンズ８２ａと正レンズ８２ｂとの２段階にわけて考える。まず、負レンズ８２ａについて考える。光学センサ８５の前に負レンズ８２ａを置くことで、光学センサ８５と負レンズ８２ａとの間に光学センサ８５の縮小像が形成される。例えば、負レンズ８２ａの焦点距離ｆ１ａを−４０ｍｍとし、負レンズ８２ａを光学センサ８５の５０ｍｍ（＝ａ）前に置いた場合、負レンズ８２ａから光学センサ８５側に向かって２２．２ｍｍ（＝ｂ）の位置に縮小像が形成される。光学センサ８５の一辺の長さをＨとした場合、縮小像の一辺の長さは、Ｈ×（ｂ／ａ）＝０．４４Ｈとなる。
【００２５】
次に、正レンズ８２ｂについて考える。負レンズ８２ａにより形成された縮小像に対して正レンズ８２ｂを置いた光学構成として考える。すなわち、負レンズ８２ａにより形成された光学センサ８５の縮小像を、正レンズ８２ｂと物体側レンズ８６とを用いて、対象物上にＭ１倍に拡大投影することで、光学センサ８５の像を焦点位置に形成する構成を考える。しかし、焦点位置に形成される光学センサ８５の像の一辺の長さ（視野に相当）はＭ×Ｈと同じ値になるように、縮小像の拡大投影倍率Ｍ１を決定する必要がある。基本的に、縮小像の拡大投影倍率Ｍ１は、縮小していない光学センサ８５に対する拡大投影倍率Ｍよりも大きな値になる。縮小像の拡大投影倍率Ｍ１が大きくなることで、焦点位置を変化させる範囲Ｆ１も、Ｆ１＝Ｍ１２×Ｚ＞Ｆ０＝Ｍ２×Ｚとなる。例えば、焦点位置での一辺の長さ（視野に相当）が２Ｈとなるように、縮小画像の一辺の長さ０．４４Ｈを拡大する拡大投影倍率Ｍ１は、Ｍ１＝２Ｈ／０．４４Ｈ＝約４．５となる。物体側レンズ８６の焦点距離ｆ２を１００ｍｍとした場合に拡大投影倍率Ｍ１を約４．５とするには、正レンズ８２ｂの焦点距離ｆ１ｂは２２．２ｍｍとなる。なお、拡大投影倍率Ｍ１が約４．５であれば、焦点位置を変化させる範囲はＭ１２＝２０．２５倍となる。
【００２６】
図３（ｂ）では、焦点可変部８２が１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとの組み合わせを含むことで、図３（ａ）のように焦点可変部８２が焦点レンズ８２ｚのみから構成される場合と比べ、焦点位置を変化させる範囲を長くすること（Ｆ１＞Ｆ０）ができると説明した。逆に、焦点可変部８２が焦点位置を変化させる範囲を同じにすることで、正レンズ８２ｂの可動距離を焦点レンズ８２ｚの可動距離Ｚより短くすることについてさらに詳しく説明する。図４は、本発明の実施の形態１に係る焦点可変部を可動させた場合の光学シミュレーション結果を示す図である。図４に示す光学構成では、図中の横軸における座標が０ｍｍの位置に光学センサ８５が設置されており、物体側レンズ８６の図中左側（瞳位置）に絞り部８７を設けてある。絞り部８７には、物体側レンズ８６の作動距離や収差を調整するためのレンズが設置されていてもよく、当該レンズの口径を小さくしたり、当該レンズの表面を塗料などの遮蔽体でマスクしたりすることで、当該レンズ自体を絞りとして機能させることもできる。図４および以降の光学シミュレーション結果においては、絞り部８７にレンズを設置している場合がある。なお、図４で用いている光学シミュレーションでは、薄肉レンズの理論式に基づいた近似的な計算結果を示しているが、別のシミュレーションの方法（たとえばスネルの法則に基づいた厳密な光線追跡法など）によっても近い結果が得られることは言うまでもない。また、図４において、図３で示した構成と同じ構成については、同じ符号を付与して詳細な説明を繰り返さない。また、図３では図示していたビームスプリッタ８４や光源部８１について、図４では省略している。図４（ａ）では、比較例として、図３（ａ）に示した比較例に対応した光学シミュレーションを示しており、単独の焦点レンズ８２ｚを駆動部８３で可動させて投影パターンの焦点位置を変化させている光学シミュレーション結果を示している。このとき、焦点レンズ８２ｚの可動距離（被駆動距離）はＺである。なお可動距離Ｚは、焦点レンズ８２ｚの中心における光軸方向の変位量で測っている。
【００２７】
一方、図４（ｂ）では、図３（ｂ）に示した実施形態に対応する光学シミュレーションを示している。すなわち、１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとを組み合わせた焦点可変部８２において、正レンズ８２ｂを駆動部８３で可動させて投影パターンの焦点位置を変化させている光学シミュレーション結果を示している。このとき、正レンズ８２ｂの可動距離はＺ１である。なお可動距離Ｚ１は、正レンズ８２ｂの中心における光軸方向の変位量で測っている。図４（ａ）での焦点位置を変化させる範囲と、図４（ｂ）での焦点位置を変化させる範囲とを同じＦとした場合、焦点レンズ８２ｚの可動距離Ｚ１が焦点レンズ８２ｚの可動距離Ｚより短くなっていることが光学シミュレーション結果から明らかである。なお、図４に示す光学シミュレーションでは、焦点レンズ８２ｚの焦点距離ｆ１を５０ｍｍ、物体側レンズ８６の焦点距離ｆ２を７０ｍｍ、負レンズ８２ａの焦点距離ｆ１ａを―２００ｍｍ、および正レンズ８２ｂの焦点距離ｆ１ｂを４０ｍｍとして行っている。
【００２８】
以上のように、本実施の形態１に係る三次元スキャナ１００は、光源部８１と、対象物２００で反射された光源部８１からの光を検出する光学センサ８５と、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光の焦点位置を、所定範囲で変化させることが可能な焦点可変部８２と、光学センサ８５で検出した光から対象物２００の形状情報を演算する制御部４０とを備えている。光学センサ８５は対象物２００で反射された光を検出する検出部を構成する。焦点可変部８２は、合成したレンズパワーの値が正となる複数のレンズと、複数のレンズのうち少なくとも一つのレンズを光軸方向に沿って駆動する駆動部８３とを含む。複数のレンズは、少なくとも１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとの組み合わせを含んでいる。そのため、本実施の形態１に係る三次元スキャナ１００は、従来の構成のように焦点レンズ８２ｚのみを可動する場合と比べ、可動するレンズ（正レンズ８２ｂ）のレンズパワーを大きくすることが可能となるため、効率良く焦点位置を可動することができるようになり、レンズの位置の可動範囲を短くして小型化することができる。なお、三次元スキャナ１００では、レンズの位置の可動範囲を短くすることで、駆動部８３のモータも小型化でき、さらにモータの消費電力や発熱量を小さく抑えることができる。また、焦点可変部８２を複数のレンズで構成することにより、光学設計において、収差低減のために調整できるレンズ曲面の数や選択できるガラス材料の数が増えるため、設計の自由度が高くなるメリットがある。
【００２９】
三次元スキャナ１００では、図３（ａ）に示したような単一の焦点レンズ８２ｚを、図３（ｂ）で示したように合成したレンズパワーが等価な１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとで置き換えることで、駆動するレンズのレンズパワーを従来よりも大きく設定することが可能となり、高効率な焦点駆動を実現していると説明したが、図３（ｂ）に示した構成は別の見方で捉えることもできる。すなわち、正レンズ８２ｂを焦点レンズ８２ｚとして捉えることもできる。図３（ａ）に示した構成に対して、負レンズ８２ａを追加することで光学センサ８５の縮小像が形成され、当該縮小像の位置に、縮小像ではなくあたかも本物の小さな光学センサが置かれていると考えれば、正レンズ８２ｂは焦点レンズ８２ｚとして機能していると言える。つまり、三次元スキャナ１００は、ある別の局面として、光源部８１と、光学センサ８５と、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光の焦点位置を変化させることが可能な焦点レンズ（正レンズ８２ｂ）と、焦点レンズを光軸方向に沿って駆動する駆動部８３と、焦点レンズと同じ光軸上に設けられた少なくとも一つの負レンズ８２ａと、制御部４０とを備える構成であると捉えることができる。そして、焦点レンズと負レンズ８２ａとを合成したレンズパワーの値が正であって、合成した焦点位置の可動範囲が所定範囲となるよう構成されている。負レンズ８２ａを光軸上に追加することによって光学センサ８５の縮小像が形成され、焦点位置の駆動効率を決定するパラメータの一つである拡大投影倍率Ｍ１を調整することが可能となるため、三次元スキャナ１００の小型化に有利な構成となる。
【００３０】
また、駆動部８３は、焦点可変部８２を構成する複数のレンズのうちレンズパワーの絶対値が最大のレンズ（正レンズ８２ｂ）を光軸方向に沿って駆動させてもよい。具体的に、駆動部８３は、正レンズ８２ｂのレンズパワー（１／ｆ１ｂ）の絶対値が、負レンズ８２ａのレンズパワー（１／ｆ１ａ）の絶対値より大きいので、正レンズ８２ｂを可動させる。例えば、正レンズ８２ｂのレンズパワー（１／ｆ１ｂ）を１／（４０ｍｍ）、負レンズ８２ａのレンズパワー（１／ｆ１ａ）を１／（−２００ｍｍ）とした場合、正レンズ８２ｂのレンズパワーの絶対値が大きくなる。レンズパワーの絶対値が最大のレンズを駆動することで、効率良く対象物上での焦点位置の駆動することができるため、三次元スキャナ１００の小型化に有利な構成となる。
【００３１】
さらに、焦点可変部８２を構成する複数のレンズは、合成したレンズパワーの絶対値に比べて、大きなレンズパワーの絶対値を有するレンズを少なくとも含めてもよい。具体的に、正レンズ８２ｂのレンズパワー（１／ｆ１ｂ）の絶対値は、焦点可変部８２の合成したレンズパワー｛（ｆ１ａ＋ｆ１ｂ）／（ｆ１ａ・ｆ１ｂ）｝＝焦点レンズ８２ｚのレンズパワー（１／ｆ１）の絶対値より大きい。例えば、正レンズ８２ｂのレンズパワー（１／ｆ１ｂ）を１／（４０ｍｍ）、負レンズ８２ａのレンズパワー（１／ｆ１ａ）を１／（−２００ｍｍ）とした場合、合成したレンズパワー｛（ｆ１ａ＋ｆ１ｂ）／（ｆ１ａ・ｆ１ｂ）｝＝４／（２００ｍｍ）より正レンズ８２ｂのレンズパワー１／（４０ｍｍ）＝５／（２００ｍｍ）の方が大きい。
【００３２】
なお、図３（ｂ）および図４（ｂ）で説明した焦点可変部８２では、光学センサ８５側から負レンズ８２ａ、正レンズ８２ｂの順に配置してあるが、レンズを配置する順序はこれに限定されない。すなわち負レンズ８２ａと正レンズ８２ｂの位置を入れ替えてもよい。また、負レンズ８２ａは、１枚のレンズとして説明したが、合成負レンズでもよい。例えば、合成焦点距離が負となるダブレットレンズやトリプレットレンズであってもよい。
【００３３】
（実施の形態２）
実施の形態１に係る三次元スキャナ１００では、図３（ｂ）に示すように正レンズ８２ｂのみを可動させている構成について説明した。本実施の形態２に係る三次元スキャナでは、レンズの可動に合わせてカウンタウェイトを可動させる焦点可変部の構成について説明する。
【００３４】
図５は、本発明の実施の形態２に係る焦点可変部の構成を説明するための概略図である。なお、図５において、図３で示した構成と同じ構成については、同じ符号を付与して詳細な説明を繰り返さない。図５（ａ）では、比較例として単独の焦点レンズ８２ｚを駆動部８３で可動させて投影パターンの焦点位置を変化させている。駆動部８３は、スライダ８３ａに固定された焦点レンズ８２ｚを、光軸方向に延びるレール８３ｂ上をモータで可動させる。駆動部８３は、スライダ８３ｃにカウンタウェイト８３ｄを固定し、レール８３ｂ上で焦点レンズ８２ｚとは逆位相でカウンタウェイト８３ｄを可動させる。焦点レンズ８２ｚの可動にあわせて逆位相でカウンタウェイト８３ｄが可動するので、焦点レンズ８２ｚの可動によって発生する振動がカウンタウェイト８３ｄの可動によって発生する振動でキャンセルされて低減することができる。なお、図５（ａ）に示す焦点レンズ８２ｚは、可動距離をＺとし、投影パターンの焦点位置を変化させる範囲をＦとしている。
【００３５】
図３（ｂ）で示した焦点可変部８２において、可動させる正レンズ８２ｂに対応して図５（ａ）で示したカウンタウェイト８３ｄを同様に設けることができる。つまり、図５（ａ）で示した構成において、焦点レンズ８２ｚを正レンズ８２ｂに替え、さらに負レンズ８２ａを追加する構成である。カウンタウェイト８３ｄを追加した分、部品点数が増えるが、可動させる正レンズ８２ｂによる振動を低減することができる。
【００３６】
一方、図５（ｂ）では、焦点可変部８２が１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとの組み合わせを含み、さらに駆動部８３で正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとを光軸方向に沿って互いに反対の向きに駆動する。駆動部８３は、スライダ８３ａに固定された正レンズ８２ｂと、スライダ８３ｃに固定された負レンズ８２ａとを、光軸方向に延びるレール８３ｂ上においてモータで可動させる。もちろん、正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとは逆位相で可動される。これにより、負レンズ８２ａは、正レンズ８２ｂの可動による振動を低減するためのカウンタウェイトとして機能させることができ、別途カウンタウェイト８３ｄを追加する必要がない。すなわち、負レンズ８２ａは正レンズ８２ｂのカウンタウェイトとして用いられている。負レンズ８２ａは、正レンズ８２ｂのカウンタウェイトとして機能させるために重量や振幅等を調整してある。つまり、正レンズ８２ｂの運動量（＝振幅×駆動方向×レンズ重量）をキャンセル（カウンターバランス）されるように負レンズ８２ａの重量、駆動振幅が設定され、正レンズ８２ｂの運動量と負レンズ８２ａの運動量との和が０（ゼロ）である。例えば、正レンズ８２ｂの重量が負レンズ８２ａの重量よりも大きい場合に、正レンズ８２ｂ側の振幅を負レンズ８２ａ側の振幅よりも小さくするように調整できる。無論、正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとの差分を補う重量の図示しないカウンタウェイトを、軽い側に付加するべく、スライダ８３ａとスライダ８３ｃの一方に設けるようにしてもよい。また、レンズの重量だけでなく、他の駆動する部材の重量（例えばレンズを保持するためのホルダ部材の重量や、スライダ８３ａ、８３ｂ自体の重量）も併せて調整することで、可動部全体がカウンターバランスされるよう構成されていてもよい。
【００３７】
さらに、焦点可変部８２では、正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとを光軸方向に沿って互いに反対の向きに駆動するので、正レンズ８２ｂおよび負レンズ８２ａのそれぞれの可動距離Ｚ２は、正レンズ８２ｂのみを可動させた場合の可動距離Ｚ１よりも短くなる。前述のとおり、正レンズ８２ｂの重量と負レンズ８２ａの重量の一方が他方より大きい場合、例えば正レンズ８２ｂの重量が負レンズ８２ａの重量よりも大きい場合に、正レンズ８２ｂ側の振幅と負レンズ８２ａ側の振幅が異なるよう構成されていてもよく、この場合であっても、正レンズ８２ｂの可動距離Ｚ２ｂも負レンズ８２ａの可動距離Ｚ２ａも、正レンズ８２ｂのみを可動させた場合の可動距離Ｚ１よりも短くなるように構成するのが好適である。具体的に、光学シミュレーション結果に基づいて説明する。図６は、本発明の実施の形態２に係る焦点可変部を可動させた場合の光学シミュレーション結果を示す図である。なお、図６において、図４で示した構成と同じ構成については、同じ符号を付与して詳細な説明を繰り返さない。図６（ａ）では、１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとを組み合わせた焦点可変部８２において、正レンズ８２ｂのみを駆動部８３で可動させて投影パターンの焦点位置を変化させている光学シミュレーション結果を示している。このとき、正レンズ８２ｂの可動距離はＺ１である。
【００３８】
一方、図６（ｂ）では、１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとを組み合わせた焦点可変部８２において、正レンズ８２ｂおよび負レンズ８２ａを駆動部８３でそれぞれ可動させて投影パターンの焦点位置を変化させている光学シミュレーション結果を示している。このとき、正レンズ８２ｂおよび負レンズ８２ａのそれぞれの可動距離はＺ２である。図６（ａ）で焦点位置を変化させる範囲と、図６（ｂ）で焦点位置を変化させる範囲とを同じＦとした場合、正レンズ８２ｂの可動距離Ｚ２が正レンズ８２ｂの可動距離Ｚ１より短くなっていることが光学シミュレーション結果から明らかである。なお、図６に示す光学シミュレーションでは、物体側レンズ８６の焦点距離ｆ２を７０ｍｍ、負レンズ８２ａの焦点距離ｆ１ａを―２００ｍｍ、および正レンズ８２ｂの焦点距離ｆ１ｂを４０ｍｍとして行っている。
【００３９】
以上のように、焦点可変部８２は、駆動部８３で駆動されるレンズ（例えば、正レンズ８２ｂ）とは反対方向に駆動されるカウンタウェイトをさらに含めてもよい。これにより、焦点可変部８２は、正レンズ８２ｂの可動によって発生する振動を低減することができる。また、駆動部８３が駆動する複数のレンズのうち一つのレンズ（例えば、負レンズ８２ａ）を他のレンズ（例えば、正レンズ８２ｂ）のカウンタウェイトとして用いてもよい。これにより、別途、カウンタウェイトを設ける必要がないので構成する部品点数を減らせることができる。さらに、駆動部８３は、複数のレンズに含まれる正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとを光軸方向に沿って互いに反対の向きに駆動することで、さらに効率よく物体上での焦点位置を駆動することが可能となるため、正レンズ８２ｂおよび負レンズ８２ａのそれぞれの可動距離Ｚ２を短くすることができ更なる小型化が可能となるという相乗効果が生まれる。
【００４０】
（実施の形態３）
実施の形態１に係る三次元スキャナ１００では、図３（ｂ）に示すように１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとを組み合わせた焦点可変部８２を有する構成について説明した。本実施の形態３に係る三次元スキャナでは、焦点可変部を構成する正レンズと負レンズとのレンズパワーのバランスにより焦点位置を変化させる範囲が変化することについて説明する。
【００４１】
図７は、本発明の実施の形態３に係る焦点可変部を可動させた場合の光学シミュレーション結果を示す図である。図７（ａ）〜図７（ｃ）では、いずれの構成においても焦点可変部８２を構成する複数のレンズの合成焦点距離が５０ｍｍとなるように構成されているが、焦点可変部８２を構成する複数のレンズのパワーバランスが、図７（ａ）〜図７（ｃ）ではそれぞれ異なっている。なお、図７において、図４で示した構成と同じ構成については、同じ符号を付与して詳細な説明を繰り返さない。図７（ａ）では、１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとを組み合わせた焦点可変部８２において、正レンズ８２ｂのみを駆動部８３で可動させて投影パターンの焦点位置を変化させている光学シミュレーション結果を示している。このとき、負レンズ８２ａの焦点距離ｆ１ａを−２００ｍｍとし、正レンズ８２ｂの焦点距離ｆ１ｂを４０ｍｍとする。
【００４２】
図７（ｂ）では、１組の正レンズ８２ｄと負レンズ８２ｃとを組み合わせた焦点可変部８２において、正レンズ８２ｄのみを駆動部８３で可動させて投影パターンの焦点位置を変化させている光学シミュレーション結果を示している。このとき、負レンズ８２ｃの焦点距離ｆ１ｃを−１１７ｍｍとし、正レンズ８２ｄの焦点距離ｆ１ｄを３５ｍｍとする。図７（ｃ）では、１組の正レンズ８２ｆと負レンズ８２ｅとを組み合わせた焦点可変部８２において、正レンズ８２ｆのみを駆動部８３で可動させて投影パターンの焦点位置を変化させている光学シミュレーション結果を示している。このとき、負レンズ８２ｅの焦点距離ｆ１ｅを−７５ｍｍとし、正レンズ８２ｆの焦点距離ｆ１ｆを３０ｍｍとする。
【００４３】
可動させる正レンズ８２ｂ，８２ｄ，８２ｆの可動距離をすべて同じＺにした場合、図７（ａ）において焦点位置を変化させる範囲Ｆ１、図７（ｂ）において焦点位置を変化させる範囲Ｆ２、図７（ｃ）において焦点位置を変化させる範囲Ｆ３の順で長くなっていることが光学シミュレーション結果から明らかである。なお、図７に示す光学シミュレーションでは、物体側レンズ８６の焦点距離ｆ２を７０ｍｍとして行っている。
【００４４】
以上のように、焦点可変部８２を構成する正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとのレンズパワーのバランスを変更することで、焦点位置を変化させる範囲Ｆを変更することが可能になる。これにより、設計の自由度が高くなるメリットがある。例えば、一般的にレンズパワーの大きなレンズは収差が大きく結像性能が悪かったり、加工が難しいこと等から製造コストが増加したりする。結像性能を改善したい場合、および／または製造コストや加工の負担を軽減したい場合にはレンズパワーの小さな正レンズ８２ｂを用いるようにし、結像性能の劣化すること、および／または製造コストや加工の負担が大きくなることを許容してでも、焦点位置の変化範囲を伸ばしたい場合や焦点位置の変化範囲を小さく抑えて可動距離Ｚを小さくしたい場合には、レンズパワーの大きな正レンズ８２ｆを用いるようにするなど、適宜選択ができる。また、正レンズ８２ｂを用いた製品、正レンズ８２ｄを用いた製品、正レンズ８２ｆを用いた製品を全て製造し、製品のラインナップの充実を図ることもできる。
【００４５】
（実施の形態４）
実施の形態１に係る三次元スキャナ１００では、図３（ｂ）に示すように１組の正レンズ８２ｂと負レンズ８２ａとを組み合わせた焦点可変部８２を有する構成について説明した。しかし、複数のレンズを組み合わせて焦点可変部８２を構成する場合、正レンズ８２ｂの焦点距離ｆ１ｂおよび負レンズ８２ａの焦点距離ｆ１ａ以外の条件を付加することができる。本実施の形態４に係る三次元スキャナでは、複数のレンズで焦点可変部を構成する場合に付加する条件について説明する。
【００４６】
一般にレンズを構成する材料（光学ガラスや光学プラスチックなど）の屈折率は光の波長によって異なるため、レンズの焦点距離には波長依存性が生じ、色収差が発生する。特に、複数のレンズで焦点可変部を構成する場合、それぞれのレンズにおける異なる焦点距離の波長依存性により、組み合わせ後の波長依存性がさらに大きくなることがある。そこで、組み合わせ後の波長依存性がさらに大きくならないように構成する条件として、例えば、駆動される正レンズのアッベ数を、負レンズのアッベ数より大きくする。当該条件に基づき焦点可変部を構成することで焦点距離の波長依存性を低減することができる。つまり、正レンズと負レンズとで焦点距離の波長依存性をキャンセルさせることができる。なお、アッベ数とは、光の分散に対する屈折度の比を示した、光学媒質の定数であり、アッベ数が小さいほど、波長依存性が大きい材料であることを意味する。
【００４７】
具体例に基づいて説明する。図８は、本発明の実施の形態４に係る焦点可変部の構成を説明するための概略図である。なお、図８において、図３で示した構成と同じ構成については、同じ符号を付与して詳細な説明を繰り返さない。本実施の形態４に係る焦点可変部８２では、図８に示すように１組の正レンズ８２ｈと負レンズ８２ｇとの組み合わせを含んでいる。そして、駆動部により正レンズ８２ｈが可動される。なお、駆動部８３の図示は省略する。さらに、正レンズ８２ｈには、アッベ数が大きいクラウンガラスを用い、負レンズ８２ｇには、アッベ数が小さいフリントガラスを用いている。そのため、焦点可変部８２は、高アッベ数の正レンズ８２ｈと低アッベ数の負レンズ８２ｇとを組合せて合成焦点距離の波長依存性を低減する構成となっている。
【００４８】
以上のように、本実施の形態４に係る焦点可変部８２では、駆動されるレンズが正レンズ８２ｈであって、アッベ数が複数のレンズに含まれる負レンズ８２ｇのアッベ数より大きくすることで、焦点可変部８２の合成焦点距離の波長依存性を低減することができる。
【００４９】
また、複数のレンズで焦点可変部８２を構成する場合、複数のレンズの全体で色消し条件を満たすように、複数のレンズに含まれる各々のレンズの光学特性値を決定してもよい。なお、色消し条件とは、例えばレンズパワー／アッベ数の値を、焦点可変部８２を構成する全てのレンズについて足し合わせた合計値が、略０（ゼロ）となる条件である。
【００５０】
さらに、複数のレンズで焦点可変部８２を構成する場合、複数のレンズの合成焦点距離の温度依存性を調整するように、複数のレンズに含まれる各々のレンズを構成する材料光学特性値（熱アッベ数など）を決定してもよい。例えばレンズパワー／熱アッベ数の値を、焦点可変部８２を構成する全てのレンズについて足し合わせた合計値が、略０（ゼロ）となる条件にて設計することで、レンズの材料の温度依存性に起因する焦点可変部８２の温度依存性が低減される。また、レンズの材料の温度依存性だけでなく、レンズの筐体の熱膨張に起因する、焦点可変部８２の合成焦点距離の温度依存性を低減するよう、光学特性値（熱アッベ数など）を決定してもよい。焦点可変部８２は正レンズと負レンズの両方を少なくとも含んでいるため、色収差や温度依存性といった諸特性を調整するための設計自由度が向上する。
【００５１】
（変形例１）
本発明の実施の形態１〜４に係る焦点可変部８２では、１組の正レンズと負レンズとの組み合わせで構成されていると説明した。しかし、焦点可変部は、１組の正レンズと負レンズとの組み合わせが含まれており、そのレンズパワーの和が正となっていれば、３枚以上のレンズを組み合わせた構成であってもよい。具体的に、３枚のレンズを組み合わせた焦点可変部について説明する。図９は、焦点可変部のレンズの組み合わせを説明するための図である。図９に示す焦点可変部は、１枚の負レンズ８２ｉと２枚の正レンズ８２ｊ，８２ｋとの３枚のレンズで構成している。まず、図９では、負レンズ８２ｉを静止させる場合と、負レンズ８２ｉを可動させる場合とに分けて記載してある。さらに、図９では、レンズを図中右向きから可動を開始させる右駆動（白矢印で表記）と、レンズを図中左向きから可動を開始させる左駆動（黒矢印で表記）とのいずれかで駆動されることが図示してある。ここで、右駆動と左駆動とは逆位相の駆動である。図９では、さらに正レンズの左駆動無と、正レンズの左駆動有とに分けて記載してある。
【００５２】
例えば、図９の左上欄の構成では、負レンズ８２ｉを静止させ、正レンズ８２ｊ，８２ｋをともに右駆動させる焦点可変部８２の構成を図示してある。一方、図９の右上欄の構成では、負レンズ８２ｉを静止、正レンズ８２ｊを左駆動させて、正レンズ８２ｋを右駆動させる焦点可変部８２の構成を図示してある。また、図９の左下欄の構成では、負レンズ８２ｉを左駆動させ、正レンズ８２ｊ，８２ｋをともに静止させる焦点可変部８２の構成を図示してある。さらに、図９の右下欄の構成では、負レンズ８２ｉを左駆動させ、正レンズ８２ｊを静止、正レンズ８２ｋを左駆動させる焦点可変部８２の構成を図示してある。
【００５３】
図９に示すパターンでは、いずれの場合においても、「｛（レンズパワー）×（駆動方向の符号）｝をすべての負レンズ８２ｉおよび正レンズ８２ｊ，８２ｋについて足し合わせた値の絶対値が、レンズパワーをすべての負レンズ８２ｉおよび正レンズ８２ｊ，８２ｋについて足し合わせた値よりも大きくなる」という条件を満たすよう焦点可変部８２を構成することが可能である。上記条件を満たすように構成することで、焦点可変部８２（負レンズ８２ｉおよび正レンズ８２ｊ，８２ｋ）を合成したものと等価な単一の焦点レンズ８２ｚのみを駆動する構成と比べて、効率よく物体上で焦点位置を駆動することができ、小型化などの優位性が得られる。上記条件は、定性的には「負レンズと正レンズとはなるべく逆相で駆動する方が良く、正レンズ同士はなるべく同相で駆動する方が良い」ことを意味している。また「反対に、負レンズと正レンズとを同相で駆動したり、正レンズ同士を逆相で駆動したりする場合であっても、一方のレンズパワーが十分に小さい場合には不利にはならない」ことを意味している。もちろん上記条件は、焦点可変部８２を４枚以上のレンズで構成される場合にも適用可能である。
【００５４】
（変形例２）
本発明の実施の形態１〜４に係る三次元スキャナ１００では、図３（ｂ）で示したように光源部８１から出射された光が、ビームスプリッタ８４で曲げられて、焦点可変部８２および物体側レンズ８６を通過して対象物（図示せず）の位置に投影パターンを投影する。さらに、対象物で反射された光は、逆に物体側レンズ８６および焦点可変部８２を通過し、さらにビームスプリッタ８４を経て光学センサ８５で検出される。つまり、本発明の実施の形態１〜４に係る三次元スキャナ１００では、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光が、焦点可変部８２を２度通過する構成について説明した。しかし、当該構成に限定されず、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光が、焦点可変部８２を１度通過する構成であっても、３度以上通過する構成であってもよい。
【００５５】
具体的に、図１０は、焦点可変部を通過する光路を説明するための図である。図１０（ａ）では、光源部８１から出射された光が、焦点可変部８２を通過して対象物２００にパターンを投影する。しかし、対象物２００で反射された光は、焦点可変部８２を通過せずに光学センサ８５で直接検出される。つまり、図１０（ａ）に示す構成は、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光が、焦点可変部８２を１度通過する構成である。
【００５６】
図１０（ｂ）は、実施の形態１と同様、光源部８１から出射された光が、焦点可変部８２を通過して対象物２００に投影パターンを投影する。さらに、対象物２００で反射された光は、焦点可変部８２を通過して光学センサ８５で検出される。つまり、図１０（ｂ）に示す構成は、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光が、焦点可変部８２を２度通過する構成である。
【００５７】
図１０（ｃ）では、光源部８１から出射された光が、焦点可変部８２を通過せずに対象物２００に投影パターンを直接投影する。一方、対象物２００で反射された光は、焦点可変部８２を通過して光学センサ８５で検出される。つまり、図１０（ｃ）に示す構成は、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光が、焦点可変部８２を１度通過する構成である。以上のように、光源部８１から出射された光（以下、投影光路と呼ぶ）、および対象物２００から反射された光（以下、撮像光路と呼ぶ）が焦点可変部８２を通過する回数に応じて、３種の変形例を例示したが、合焦法を計測原理とした場合には、図１０（ｂ）の構成が最も良い。合焦法では、焦点位置を変えながら対象物２００の表面に投影されたパターンの画像を複数回撮像・解析して、当該画像群の中からもっとも焦点の合っている画像を求め、対象物２００の三次元形状を得る。その際、画像上にて最もパターンが明瞭に見えた状態が「焦点合っている」と判定される。図１０（ｂ）に示した構成では、投影光路および撮像光路の両方について同期させて焦点位置を可変することができる。すなわち、投影光路および撮像光路の両方について焦点が合っている状態では、明瞭なパターンの画像が得られ、それ以外の状態では、投影光路および撮像光路の両方について同時に焦点がずれる。つまり、「ピンボケした投影パターンを、ピンボケしたレンズで撮像する」というようにピンボケの効果が２度働くため、急激にパターンの明瞭度が落ちる。すなわち、パターンの明瞭度（＝焦点の合っている度合い）が最大を示した画像を容易に特定しやすくなる。一方で図１０（ａ）や図１０（ｃ）の構成では、投影光路および撮像光路のうちの片方についてしか、焦点位置が可変されないため、パターンの明瞭度が最大となった状態以外でも、ある程度大きなパターンの明瞭度を示してしまうため、パターンの明瞭度の最大値を示した画像の特定がやや困難となる。すなわち図１０（ｂ）の構成と比べ三次元計測の精度が低下する。また上記のパターンの明瞭度の検出の問題の他にも、図１０（ａ）や図１０（ｃ）の構成では一般に、投影光路および撮像光路において焦点可変部８２が置かれていない側の光路において、パンフォーカスを得るために絞りを使用した（光量を絞った）レンズを採用する必要があるため、光量が低下してしまう虞がある。しかし、十分に光量が確保できる光源部８１やノイズの少ない光学センサ８５などを採用する場合や、対象物２００が良好な反射特性を示す場合等は、図１０（ａ）や図１０（ｃ）の構成でも十分に三次元計測が可能となる。
【００５８】
（変形例３）
本発明の実施の形態１〜４に係る光源部８１は、単一の光源（たとえば、ＬＥＤやレーザ素子など）であると説明したが、当該構成に限定されない。光源部８１は、複数の光源を集合させて構成してもよい。つまり、複数のＬＥＤやレーザ素子を基板に並べて光源部８１を構成してもよい。なお、三次元スキャナ１００では、光源部８１からの光や対象物２００からの反射光を、光ファイバなどのライトガイドを利用して光学センサ８５や対象物２００に導く構成を採用してもよい。
【００５９】
（変形例４）
また、本発明の実施の形態１〜４に係る三次元スキャナの撮像の対象は、口腔内の歯や歯肉に限ったものではなく、外耳道などの生体組織や、建築物の壁の隙間、配管の内部や、空洞を有する工業製品などであっても良く、本発明は、狭隘で死角の生じやすい空間内を計測／観察する用途に対し広く適用可能である。
【００６０】
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】
【００６１】
１０  プローブ、２０  接続部、３０  光学計測部、４０  制御部、５０  表示部、６０  電源部、８０  ハンドピース、８１  光源部、８２  焦点可変部、８２ａ  負レンズ、８２ｂ  正レンズ、８３  駆動部、８３ｄ  カウンタウェイト、８４  ビームスプリッタ、８５  光学センサ、８６  物体側レンズ、８７  絞り部、１００  三次元スキャナ、２００  対象物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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