【手続補正書】
【提出日】平成19年3月16日(2007.3.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
平行光束を生成するように構成されたコリメート光学系を有する光源と；
該光源と光学的に結合され、少なくとも２軸に沿って該平行光束を走査するように構成されたスキャナと；
該スキャナと結合され、該走査された平行光束を、撮像される離れた物体の方向へリレーするように構成された光学リレーと；
該物体から該光学リレーに対して角度θで反射する該走査光束の反射を検知し、該反射光束に基づいて物体の表面を表現するデータを生成するように構成された画像光学システムと；
該スキャナ及び該画像光学システムと結合され、該データに基づいた該物体の三次元画像を生成するように構成されたプロセッサと、
を有する口腔内レーザデジタイザ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
該物体が、生体内歯科アイテム、歯科用標本、歯科用模型、歯科用モールド、又は歯科鋳造品の内のいずれか１つである、請求項５に記載の口腔内レーザデジタイザ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
該スキャナは、更に、該平行レーザ光束の、プログラムされた走査シーケンスによる走査を制御するように構成されたプログラマブルポジションコントローラを含む、請求項１に記載の口腔内レーザデジタイザ。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】歯科用レーザデジタイザシステム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、歯科用口腔内レーザデジタイザシステムに関する同時係属仮出願番号第６０／４５７，０２５号の米国特許法１１９条（ｅ）に基づく利益を主張し、当該仮出願は参照することによりその全体をここに組み入れられる。
【０００２】
本発明は、物体の三次元画像化に関する。具体的には、本発明は、歯群、調整歯（prepared dentition）、印象材などを含む歯科用アイテムの、口腔内（生体の）でのレーザ画像化に関する。
【背景技術】
【０００３】
物体の三次元（“３Ｄ”）可視画像は、対象物の形状、表面、輪郭や特徴を表しているデータを処理するコンピュータによって生成することができる。当該データは物体を光学的にスキャンして、物体から反射した光を検出するか、又は、取り込むことによって生成される。例えばモアレ法、干渉分光法、レーザ三角測量などの原理が、物体の形状、表面、輪郭や特徴をモデル化することに利用することができる。コンピュータはその３Ｄ画像を画面すなわちコンピュータのモニタ上に表示する。
【０００４】
既存の口腔内３Ｄ画像化システムは、モアレによる画像化技法の変形技法を利用している。そのようなシステムは、撮像される物体上に二次元（“２Ｄ”）描写を投影するために、配列化された白色光を使用する。モアレシステムは、２Ｄの横方向の情報を用いるもので、熟練した技師によって入力が行われ、近接した特徴間の相対的な寸法を割り出す。モアレシステムは、又、正弦関数の強度パターンを使用するが、投射した角度とは異なる位置から観察すると、正弦関数のようには見えない。従って、推測された各点ごとの、観測された画像と投射された画像との位相角を、高さデータと関連付けることができる。
【０００５ 】
モアレ法に基づく歯科用口腔内画像化システムは、例えば歯などの歯科用アイテムを、直接的に、又は、咬合面から、歯を画像化する。そのようなシステムは、深さ方向の解像度が低く、又、アンダーカットされたり陰になった表面を正確に画像化したり表現したりすることができないことがある。歯科用口腔内画像化システムは、又、白色光技法の制限から要求される均一な色彩と反射率を持たせるために、粉末または同様のものを必要とすることがある。粉末の層は、粉末の厚みの不均一さのために、デジタル化されたデータの誤差を増加させたり、誤差を持ち込んだりする可能性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態は、歯科用アイテムのような物体をスキャンした三次元画像を生成するレーザ画像化システムを規定する。実施形態には、物体の３Ｄ視覚画像を生成するために物体をデジタル化する口腔内画像化システム、方法、装置及び技術を含む。口腔内デジタイザは、口腔内（生体の）にある歯科用アイテム、歯群、調整歯、又は印象材料の上に、又はそれらに向けて投影することのできる、レーザのパターンを生成する。口腔内デジタイザは、遠隔でレーザパターンを生成し、そのパターンを、生体内の１つ又は複数のアイテムの上に、又はそれらに向けて投影することができるように中継することができる。口腔内デジタイザは、又、歯科用アイテムから反射された光を検知し、又は、取り込むための画像化光学系を含む。画像化光学系、又はその一部は、歯群で反射された光を取り込むために、投影系に対して既知の角度で口腔内に挿入することができる。取り込まれた光は、歯群の３Ｄ画像を表現するデータを生成するために使用することができる。３Ｄ視覚画像は、コンピュータのモニタ、スクリーン、ディスプレイ、又は類似の装置に表示することができる。データは又、フライス加工技術のような既知の技術を使って歯科用修復物を形づくることに利用することができる。修復物とは歯冠、ブリッジ、インレー、上張、インプラント又は同種のものであってもよい。
【０００７】
口腔内レーザデジタイザは、光源、集束用対物レンズ、２軸スキャナ、リレー光学系、結像光学系、及び、コードとプロセスデジタルデータに基づいて命令を実行するように構成されたプロセッサを有してもよい。光源は、レーザＬＥＤ、及び、２軸スキャナに投射されるコリメートされた光束を生成する、コリメート光学系とを有していてもよい。スキャナは平行光束を、少なくとも２軸の方向に、高速度に方向転換、即ち走査する。スキャナは選択された一定の周波数、又は可変の周波数とデューティサイクルで光束を走査することができる。走査された光束は、光束を物体の表面にドットとして集束させるリレー光学系に向けて投射される。
【０００８】
中継光学系は、合焦レンズ、リレーレンズ、及びプリズムを含んでもよく、それらを通して走査光束が投射されてもよい。リレー光学系は、スキャナで生成されたレーザドットの所望のパターンを物体の上に集束させる。レーザドットは、ドットが物体を横切って曲線状に横断するように、集束することができる。リレー光学系は１以上の標準的な光学ガラスレンズ、又は、屈折率分布型ガラスレンズのような光学要素を含んでもよい。
【０００９】
画像取り込み装置はリレー光学系を通して、物体で反射した光を検知する。画像取り込み装置は、走査した光束の取り込み画像を表示するデータを生成する。画像取り込み装置は露光時間の中で走査した１以上の曲線部分の画像を取り込むように構成されていてもよい。コンピュータは物体の三次元可視画像をコンピュータモニタ、スクリーン、又は他のディスプレイ上に生成するためにデータを処理する。
【００１０】
物体の３Ｄマップを形成するために、物体の多数の画像がコンピュータによって記録され、処理されてもよい。多数の画像は、物体に対して多数の位置及び方向から取り込まれてもよい。個々の画像は、物体の３Ｄマップ全体を作るためにマージされる。画像は物体表面の実時間画像を得るために取り込まれ、処理することができる。実時間画像は、システムの操作者に対する即時フィードバック機構を提供することもできる。デジタイザシステムは、実時間で取り込まれた３Ｄ画像全体を表示するソフトウェアを含んでもよい。ソフトウェアは又、３Ｄ画像全体を完成させるための視点の提案として、操作者に対するフィードバックと同定を含むことができる。ソフトウェアは又、データ取り込み処理の間に、走査データセットの中から極めて重要な特徴を特定することができる。これらの特徴には、マージン及び隣接する歯群を含む。このソフトウェアは又、操作者が追加の視点から取り込むように、特徴をハイライトしたり、又は起こりうる問題領域を表示することができる。
【００１１】
１、又は２軸の傾きセンサが画像間の相対角度を割り出すことができる。画像化システムは又、背景用光源を付加することによって、通常の２Ｄ歯科用カメラとして使うことができる。
【００１２】
制御、取り込み、及び対話はフットコントロール、口腔内装置に対する制御を介して、もしくは、音声指示の音声認識、又は同種の方法によって起動することができる。
【００１３】
実施形態は、例えば調整歯及び咬合状態記録片を含む印象材料など、物体の３Ｄ表面を素早く正確にデジタル化する。口腔内デジタイザは又、従来技術の口腔内歯科用画像化システムを超える、進歩した画像化能力を提供する。デジタイザは又、操作者の要件及び、口腔内歯科用走査システムとの関係を単純なものとする。
【００１４】
本発明の他のシステム、方法、特徴及び効果は、当業者にとって図面及び詳細な説明を調査することによって明らかであるか、明らかと成るであろう。あらゆる、そのような追加的システム、方法、特徴及び効果はこの説明に含まれ、本発明の範囲に含まれ、請求項によって保護されることを意図している。
【００１５】
本発明は、以下の図面及び説明を参照することによってより良く理解することができる。図中の要素は必ずしも比例表示ではなく、発明の原理を説明することに重点が置かれている。更に、図において、異なる図の間でも、同一部分には同一の引用符号を付している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は口腔内レーザデジタイザ１００の例を示している。図２〜５は、図１の口腔内レーザデジタイザ１００の各種の視点から見た説明図である。口腔内デジタイザ１００は、歯科用アイテムなどの物体１０８の３Ｄ画像を生成する。口腔内デジタイザ１００は、口腔内（生体の）の歯科用アイテム、歯群、又は調整歯の上に、又はそれらに向かって投影されるレーザパターンを生成する。口腔内デジタイザ１００は、離れたところでレーザパターンを生成し、歯科用アイテム又は生体のアイテムに向けてパターンを中継することもできる。レーザパターンはプリズム、レンズ、中継ロッド、光ファイバーケーブル、光ファイバー束、または同様のものを通して中継することができる。口腔内デジタイザ１００は又、生体の歯科アイテムからの反射光を検知又は捕捉してもよい。口腔内レーザデジタイザ１００、もしくはその一部分は、レーザパターンを投影し、歯科用アイテム又は口腔内のアイテムから反射されたレーザパターンを検知するために、口腔内に挿入してもよい。取り込まれた光は歯群の３Ｄ画像を表現するデータを生成するために使うことができる。データは３Ｄ画像を表示するために使うことができる。データは又、フライス加工のような既知の技術を用いて物体の模型を形成することに使うことができる。物体の模型はクラウン、ブリッジ、インレー、オンレー、インプラント又は同様のものなど、歯科用修復物であってもよい。データは又、診断目的で使用することができる。
【００１７】
レーザデジタイザ１００は、レーザ光源１０１、第１スキャナ１０２（ｘスキャナ）、第２スキャナ１０３（ｙスキャナ）、レンズアセンブリ１０４、第１反射プリズム１１３、第１光学リレー１０５、第２反射プリズム１０７、第３反射プリズム１０６、第２光学リレー１０９、結像光学アセンブリ１１０、画像センサ１１１、及び電子回路１１２を含む。口腔内レーザデジタイザ１００はプロセッサ１１９と連結されてもよい。
【００１８】
レーザ光源１０１は、光源１０１からレーザ光束１２２を生成する平行光学系（図示せず）を有していてもよい。平行光線１２２はレーザ光の平行光線に特徴付けられる。レーザ光線１２２は第１スキャナ１０２に発射される。
【００１９】
レーザ光源１０１はレーザダイオード又は、楕円形断面のレーザ光線を生成するＬＥＤを含んでもよい。平行光学系は楕円光線を円形にして円形のスポットを生成するように構成することができる。円形スポットは物体１０８の表面を横切って均一な線を走査するのに用いることができる。レーザダイオードは、Ｂｌｕｅ  Ｓｋｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ社製の０．６ｍｍ平行光線のＭｉｎｉ−Ｌａｓｅｒ３０ｍＷレーザ、モデル番号Ｍｉｎｉ−６３５Ｄ３Ｄ０１−０などの、どのような市販のレーザダイオードでもよい。
【００２０】
レーザ光源１０１も又、レーザ光線を変調してもよい。レーザ光源１０１は、高い変調速度又はスイッチング速度で光源からの光線を調節するか遮断する変調装置と連結していてもよい。変調は実質的に１ｋＨｚから実質的に２０ＭＨｚの範囲であってもよい。走査のパターンは、レーザ光源１０１を変調することによって、物体の上に生成することができる。
【００２１】
第１スキャナ１０２は実質的に平坦な反射面を有するｘ−スキャナミラーを含む。ｘ−スキャナミラーの反射面は、寸法が約１．５ｍｍと約０．７５ｍｍの長方形であってもよい。光源１０１からのレーザ光線１２２は、第１スキャナ１０２の最小寸法よりも大きな幅を有していなくとも良い。例えば、レーザ光線の幅は約０．６ｍｍであってもよい。レーザ光源１０１からの光線１２２は第１スキャナ１０２の反射面の上に入射する。
【００２２】
第２スキャナ１０３は実質的に平坦な反射面を有するｙ−スキャナミラーを含む。ｙ−スキャナミラーの反射面は、寸法が約１．５ｍｍと約０．７５ｍｍの長方形であってもよい。ｘ−スキャナとｙ−スキャナの反射面は反射鏡又は同様なものであってもよい。
【００２３】
図２は、実質的に第１スキャナ１０２に対して直角に配置されている第２スキャナ１０３を示す。第１スキャナ１０２は光線１２２を第２スキャナ１０３に向ける。第１スキャナ１０２から向けられた光線１２２は第２スキャナ１０３の反射面に入射する。第１スキャナ１０２は、円弧に沿って光線１２２を第２スキャナの反射面１０３に向ける。第１スキャナ１０２の反射面は、第２スキャナ１０３の反射面の上に円弧を作るように回転軸の周りに回転させられてもよい。第１スキャナ１０２及び第２スキャナ１０３の反射面とが一緒になって二軸のスキャナアセンブリ１１６を形づくる。第２スキャナ１０３の反射面は、二軸走査の光線１２４を直角な方向に向けるためにｙ−軸を通るように回転する。
【００２４】
走査光線１２４はレンズアセンブリ１０４に入射する。レンズアセンブリ１０４は走査光線１２４を、第１反射プリズム１１３を通して結像する。第１反射プリズム１１３は走査された画像１２５を第１光学リレー１０５に向ける。
【００２５】
図３は、走査された画像１２５を第２反射プリズム１０７に中継する第１光学リレー１０５の説明図である。第２反射プリズム１０７は、レーザパターンを、画像化する１以上の歯科用アイテムに向けて投影するために、口腔内に挿入されてもよい。第１光学リレー１０５は、光源１０１、第１及び第２スキャナ１０２、１０３及びレンズアセンブリ１０４で生成されたレーザパターンを、口腔のような離れた場所に伝送する。第２反射プリズム１０７は走査された光線１１４を、光のパターンが物体１０８の上に投影されるように、物体１０８に向けて投影する。第１光学リレー１０５は市販の光学リレーであってもよい。第１光学リレー１０５はＧＲＩＮレンズ、光ファイバケーブル、光ファイバ束、又は、光学画像を、距離Ｌ１を越えて中継する同様なものであってもよい。第１光学リレー１０５の例は、ＧｒｉｎＴｅｃｈ社の部品番号１２５３４０８２−４Ｃ−９ロッドレンズで、ＧｒｉｎＴｅｃｈ社の部品番号ＣＲ１０３２−２対物ｇｒｉｎレンズに付属しているものである。
【００２６】
図４に示すように、走査光線１１４の物体１０８の表面からの反射光１１５は、捕捉された反射光１２６を中継するための、第３反射プリズム１０６を経由して捕捉される。第３反射プリズム１０６は、画像化される１以上の歯科用アイテムからのレーザパターンの反射光を検知又は捕捉するために口腔内に挿入されてもよい。第２光学リレー１０９は捕捉された反射光１２６を口腔から結像光学アセンブリ１１０までＬ２の距離を伝送する。物体１０８からの補足された反射光１２６は、合焦された光線１２７となるように結像光学系１１０によって結像され合焦される。合焦された光線１２７は画像センサ１１１に向けて投影される。画像センサ１１１は、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、もしくは他の感光性デバイスまたは感光性デバイスのアレイであってもよい。第２光学リレー１０９は市販のリレー光学系であってもよい。第２光学リレー１０９は、ＧＲＩＮレンズ、光ファイバケーブル、光ファイバ束、又は、光学画像を、距離Ｌ２を越えて中継する同様なものであってもよい。第２光学リレー１０９の例は、ＧｒｉｎＴｅｃｈ社の部品番号１２５３４０８２−４Ｃロッドレンズで、ＧｒｉｎＴｅｃｈ社の部品番号ＣＲ１０３２−２対物ｇｒｉｎレンズに付属しているものである。
【００２７】
画像センサ１１１は電気回路１１２と結合されてもよい。電気回路１１２は口腔内デジタイザ１００の電気信号処理に適した電気及び電子部品を含んでもよい。電気回路１１２は適当な筐体の中に配置されるか入れられてもよい。筐体は可搬形筐体であるか、又は、可搬と、電気回路１１２の収容と、口腔内デジタイザ１００を生体で操作するのに適したフォームファクタを有することができる。筐体及び電気回路は第２及び第３反射プリズム１０７、１０８から遠く離れて配置されてもよい。電気回路１１２が光源１０１を変調し、走査鏡１０２と１０３を駆動することもできる。電気回路は、又、画像センサ１１１から受け取った電子データを収集することもできる。電気回路は、又、付加的な処理、及び、外部のプロセッサ１１９とケーブル又は無線、もしくは他の通信回線を介した通信を行うこともできる。
【００２８】
図５はレーザデジタイザ１００の結像光学系１２０を示す。結像光学系１２０には第３の反射プリズム１０６、第２の光学リレー１０９、結像光学系１１０及び画像センサ１１１を含んでもよい。結像光学系１２０は捕捉した反射光１２６を表現するデジタル信号を生成する。
【００２９】
図６は、レンズアセンブリ１０４、第１反射プリズム１１３、第１光学リレー１０５及び第２反射プリズム１０７を含む投影光学系１２１を示す。投影光学系１２１は走査した画像を、生体内にレーザパターンを投影するように、物体１０８の方向に投影することができる。
【００３０】
図７は口腔内デジタイザ１００の一部分の正面図である。走査されたビーム１１４は投影光学系１２１から物体１０８の方向に向けられる。反射した光１１５は、結像光学系１２０によって捕捉されるか検知される。結像光学系１２０はＸ、Ｙ，Ｚ軸を有する座標系で特性化され、投影光学系１２１はＸ’，Ｙ’，Ｚ’軸を有する座標系で特性化することができる。Ｚ’軸は第２反射プリズム１０７の中心から垂直に物体１０８に向かって伸びており、Ｚ軸は物体表面から１０８において垂直に、第３反射プリズム１０６の中心に向けて投射される軸である。Ｘ’軸はＺ’軸に対して直角であり、口腔内デバイス１００の正面に対して水平な面内にある。Ｘ軸はＺ軸に対して直角である。Ｙ’軸は、図８に、第２反射プリズム１０７と第３反射プリズム１０６の上面図として示すように、右手座標系でＸ’軸及びＺ’軸に対して定義することができる。Ｙ軸は、図８に、第２反射プリズム１０７と第３反射プリズム１０６の上面図として示すように、右手座標系でＸ’軸及びＺ’軸に対して定義することができる。
【００３１】
Ｚ軸とＺ’軸との間の角度はθと表すことができる。第３反射プリズム１０６の中心から物体１０８上の点までの距離をｄ１と表し、第３反射プリズム１０６の中心から焦点深度範囲の上端までの距離をｄ２と表す。
【００３２】
図９は２軸スキャナアセンブリ１１６を示す。２軸スキャナアセンブリは第１スキャナ１０２と第２スキャナ１０３を有してもよい。第１スキャナ１０２は軸１１７周りに回動する反射面を有する。第１スキャナ１０２の反射面は、光を第２スキャナ１０３の反射面の方向に向ける。第２スキャナ１０３の反射面は軸１１８の周りに回動する。
【００３３】
スキャナ１０２及び１０３の反射面は、平行光束を走査させるように、対応する反射面の回動動作を制御する磁石、コイル又は他の電磁連結器など、個別のモータ、他の電磁駆動機構、又は、静電駆動機構と回動可能に連結されてもよい。
【００３４】
２軸スキャナ１１６は、時間とともに位置を変える走査光束１１４を形成するように、並行光束の方向を変える、すなわち走査する。走査光束１１４は２軸スキャナ１１６によってレンズアセンブリ１０４及び第１光学リレー１０５の方向へ向けられる。２軸スキャナ１１６は並行光束を、少なくとも２本以上の軸１１７、１１８の方向へ転向するが、ここで各軸は平行光束に対して実質的に垂直である。第１及び第２スキャナ１０２、１０３は本質的に直交する軸を有することができ、本質的に相互に直交してもよい。スキャナ１０２、１０３は、又、相互に任意の角度で位置決めされてもよい。
【００３５】
付加的なスキャナが、又、並行光束を走査するために含まれてもよい。スキャナ１０２、１０３は、反射鏡に入射する平行レーザ光束が、少なくとも２軸方向に走査されるか、又は方向転換されるように、直交して配置されてもよい。第１スキャナ１０２は、例えばｘ軸など、１本の軸に沿ってビームを走査する。第２スキャナ１０３は、ｘ軸に沿って第２スキャナ１０３に入射する光束を、例えばｙ軸など、ｘ軸に直交する方向に沿って走査することができるように、配置されてもよい。例えば、第１及び第２スキャナ１０２、１０３は、第１スキャナ１０２が光束をｘ軸に沿って走査し、第２スキャナ１０３が光束を、例えばｙ軸など、ｘ軸と直交する方向に走査するように、相互に直角に配置されてもよい。
【００３６】
第１スキャナ１０２は、又、回動する第２反射鏡１０３及び高速に回転する多面反射鏡１０２が連携して２軸方向にレーザ光束を走査するよう構成された、高速回転する多面反射鏡を有してもよい。高速回転する多面反射鏡１０２が平行光束をｘ軸に沿って走査することができ、回動する反射鏡１０３がｙ軸に沿って走査することができる。それぞれの軸、すなわちｘ軸及びｙ軸は、２本の実質的に直角な軸に沿って走査光束を生成することができるように、実質的に相互に直交することができる。
【００３７】
２軸スキャナ１１６は、又、２本の軸に沿って光束を走査する１個の反射面を有していてもよい。反射面は、反射面を２本の本質的直交する軸の周りに回動するように、独立に又は同時に、電磁気的に又は静電気的に、駆動することができる。
【００３８】
２軸スキャナ１１６は、１以上の微小電気機械システム（“ＭＥＭＳ”）を有していてもよく、それは電磁気的に又は静電気的に又は圧電性結晶体を用いて、又はそうでなければ機械的に、反射面を本質的に直交する２本の軸周りに独立に又は同時に回動するように駆動することのできる反射面を有する。
【００３９】
２軸スキャナ１１６は、又、プログラマブルポジションコントローラを有していてもよい。ポジションコントローラは２軸スキャナ１１６の要素であってもよく、電子回路１１２と組み合わされてもよい。コントローラは、スキャナ１０２、１０３の反射面の駆動機構に制御信号を送ることによってスキャナ１０２、１０３の動作を制御することができる。コントローラは、平行レーザ光束が走査シーケンスに対応して転向するように、スキャナ１０２、１０３の動作を制御することができる。２軸スキャナ１１６の座標系はＸ’Ｙ’Ｘ’で表される。
【００４０】
図７及び８で示すように、撮像される物体１０８は投影光学系１２１及び結像光学系１２０の視野の中に置かれる。投影光学系１２１は、集束されたドットが物体１０８の表面を横断して走査されるとき、光線が結像光学システム１２０に向けて角度θで反射されるように、結像光学システム１２０の光軸に対して角度θで配置される。２軸スキャナ１１６は、投影光学系１２１から投影されるレーザドットの集束点が物体１０８の表面を横断してパターン通りに往復するように、走査光束１１４を動かす。
【００４１】
結像光学システム１２０は、物体１０８に投影された集束レーザドットを含む視野を有するように構成、及び／又は、配置される。結像光学システム１２０は、レーザドットが物体１０８の表面を横切って走査されるのに伴って検出する。結像光学システム１２０は、物体１０８から反射された光に反応する画像センサ１１１を含んでいる。結像光学システム１２０は、結像レンズ１１０と、画像センサ１１１と、第２光学リレー１０９、及び、プリズム又は光軸折り曲げミラー１０６を含んでもよい。結像レンズ１１０は、物体１０８からの反射光を画像センサ１１１に向けて結像するように構成されている。物体１０８から検出された光に基づいて、画像センサ１１１は物体１０８の表面の特徴（例えば、輪郭、形状、配置、構成、その他）を表現する電気信号を生成する。
【００４２】
画像センサ１１１は物体１０８の走査された表面の画像を捕捉する。画像センサ１１１は、検出された光の強度を表現する信号を生成する感光性の、すなわち光に反応するデバイス、又は、電子回路であってもよい。画像センサ１１１は光検知器アレイを有していてもよい。光検知器のアレイは電荷結合素子（“ＣＣＤ”）又はＣＭＯＳ画像デバイス、又は、検知された光の強度に対応した電気信号を生成する他の光に反応するセンサであってもよい。画像センサ１１１は、例えばＳｉｌｉｃｏｎ  Ｉｍａｇｉｎｇ社のＵＳＢカメラＳＩ−１２８０Ｆ−Ｕなど、露出、ゲイン及びシャッター制御機能の付いた結像光学系を有する市販のＣＣＤ又はＣＭＯＳ型の高解像度ビデオカメラから成っていてもよい。
【００４３】
画像センサ１１１のそれぞれの光検知器は、光検知器に入射し、又は検出された光の強度に基づいた電気信号を生成する。具体的には、光が光検知器に入射したとき、光検知器は光の強度に対応した電気信号を生成する。光検知器のアレイは、各光検知器が、捕捉された画像の画素すなわちピクセルを表現するように配置された、複数の光検知器を有する。各ピクセルはアレイの中で個々の位置を有する。画像取り込み装置１２０は、走査されたパターンの各ピクセルが独自の座標（ｘ，ｙ）に対応するように、局所座標系ＸＹを有していてもよい。アレイは、行と列、又はその他の既知の配列に従って配置されていてもよい。アレイの中でのピクセルの位置に基づいて、像平面における位置を確定することができる。画像光学システム１２０は、像平面の各ピクセルによって検出された強度を、像平面における画像の強度と配置を表現する電気信号に変換する。
【００４４】
ＣＭＯＳ画像センサは、感光性ピクセルの配列を有するように構成することができる。各ピクセルは光が強すぎる場合でも、ピクセルが受けた信号が隣接するピクセルに滲まないようにして、ブルーミング作用を最小にする。
【００４５】
２軸スキャナ１１６は、レーザ光束１１４を、投影光学系１２１を介して種々のパターンで、物体１０８の表面を横切って走査するように、構成することができる。パターンは、１回の露出時間の間に、物体１０８の表面の一部を対象とすることができる。パターンは又、物体１０８の表面の特徴、高さ、及び構成が得られるように、１以上の曲線又は既知のパターンを含むことができる。
【００４６】
露出時間の間に、物体の表面の一部の画像が取り込まれる。光束１１４は、物体１０８からの反射光を画像センサ１１１が検出することができるように、２軸スキャナ１１６と投影光学系１２１を介して、選ばれたパターンで物体１０８を走査する。画像センサ１１１は、走査部分又は取り込んだ画像の表面の特徴、輪郭、高さ及び構成を表現するデータを生成する。データ表現は、例えばメモリなど、内蔵または外付けの機器に保存することができる。
【００４７】
図１０は走査光パターン１０００の例を、実質的に平坦な表面から観察したとして示す。走査パターン１０００は、スキャナ１１６で生成された複数の曲線１００１〜１００６から成っていてもよい。曲線１００１〜１００６の一部は、本質的に相互に平行であってもよい。曲線１００１〜１００６は、又、任意の点又はセグメントにおけるタンジェントベクトルｎが、どれでも次の基準に従うような点又は曲線のあるセグメントの結合系を表現するか含むことができる：
｜ｎ・Ｒ｜≠０      （１）
ここで、ＲはＹ及びＹ’に実質的に平行で、結像光学系１２０の第３反射プリズム１０６から来る軸方向光線と、投影光学系１２１の第２反射プリズム１０７から来る軸方向光線との交点を通過する、三角測量の軸である。従って、曲線の各点又はセグメントのタンジェントｎと、三角測量の軸Ｒとの間の角度は９０度ではない。各曲線１００１〜１００６は、又、断面の強度が、正弦関数分布、ガウス分布、又は他の既知の関数の断面強度分布を有する関数の特性を有していてもよい。実施形態において、第２反射鏡１０７の有効光線と、第３反射鏡１０６の有効光線との間の最小角度はゼロではない。
【００４８】
次の走査の期間に、光束１１４は、物体１０８の隣接する部分を横断するパターンで走査され、隣接する部分の画像が取り込まれる。走査光束１１４は、次の露出期間の間に、物体１０８の表面の異なる範囲を走査することができる。光束１１４が物体１０８の様々な範囲を走査して、走査された範囲の画像が取り込まれる何回かの露出期間を経て、物体の十分な部分が取り込まれる。
【００４９】
プロセッサ１１９が、結像光学システムに接続され、物体１０８の上の走査パターンの画像を表現する、画像取り込み装置１２０によって生成された信号を受信するように構成されていてもよい。プロセッサ１１９は、結像光学システム１２０によって生成された信号を処理し、表示することができる。プロセッサ１１９は、又、レーザ光源に接続されて、レーザ光を、選択し、又はプログラムして利用を制御することができる。プロセッサ１１９は、又、２軸スキャナ１１６に接続されて平行光の走査を制御するようにプログラムされてもよい。
【００５０】
結像光学システム１２０は、局所座標系Ｘ、Ｙ、Ｚによって特定されてもよく、Ｘ及びＹ座標は画像結像光学システム１２０によって定義されてもよい。Ｚ座標の値は、ｄ１≦ｚ≦ｄ２であるように、距離ｄ１とｄ２に基づいてもよい。投影された曲線がＺに垂直な平面に入射する点は、ΔｘだけＸ方向に移動されたように表示される。三角測量法の角度に基づいて、次の条件が存在する：
Δｚ＝Δｘ／Ｔａｎθ    （２）
【００５１】
投影パターンの中の所与の曲線（例えば、曲線１００１）に対して、θ（ｙ）、ｚｂａｓｅ（ｙ）、及びｘｂａｓｅ（ｙ）のユニークな関係があってもよい。θ（ｙ）、ｚｂａｓｅ（ｙ）、及びｘｂａｓｅ（ｙ）の関係は、校正によって定義することができる。校正は、例えば、曲線１００１を平面に投影したとして観測することによって行うことができる。平面は、結像光学システム１２０からＺ軸に沿って２以上の距離ｄの位置で、結像光学システム１２０に対して垂直であってもよい。曲線１００１に沿うそれぞれのｙの値に対して、少なくとも２本以上のそのような曲線を、ｚ１及びｚ２（但しｚ１≦ｚ２）という既知のｚの値とともに用いると、ΔｚはΔｚ＝ｚ１−ｚ２と計算される。Δｘの値は結像光学システム１２０を用いて観察することができる。式（２）を使用すると、θ（ｙ）を計算することができる。関連するｚｂａｓｅ（ｙ）の値はｚ１に等しいとしてもよい。関連するｘｂａｓｅ（ｙ）の値は、ｚ１に関連する曲線上のｙ点におけるｘの値に等しいとしてもよい。追加の曲線を、平均化又は内挿によって精度を上げるために用いてもよい。
【００５２】
図１１は、撮像される物体１１２０に投影された、光線の走査パターン１１００を示す。図１２は、物体１１２０で反射した光線パターンを、画像センサ１２３４に入射したとして示したものである。観察された物体上への投影曲線１２５０〜１２５５について、各曲線は図１１に示す曲線１１５０〜１１５５の１本に対応しており、図１０に示す曲線１００１〜１１０６の１本に対応している。従って、各曲線１２５０〜１２５５について、対応する関係θ（ｙ）、ｚｂａｓｅ（ｙ）、及びｘｂａｓｅ（ｙ）は、校正の間に計算されてあったものの中から選択することができる。各曲線１２５０〜１２５５の上の各点（ｘｏｂｓｅｒｖｅｄ，ｙｏｂｓｅｒｖｅｄ）に対しては、
Δｘ＝ｘｏｂｓｅｒｖｅｄ−ｘｂａｓｅ（ｙｏｂｓｅｒｖｅｄ）    （３）
である。
式（２）は、θ（ｙｏｂｓｅｒｖｅｄ）を用いてΔｚの決定に使用することができ、従って、
ｚｏｂｓｅｒｖｅｄ＝Δｚ＋ｚｂａｓｅ（ｙｏｂｓｅｒｖｅｄ）    （４）
となる。
点群（ｘｏｂｓｅｒｖｅｄ，ｙｏｂｓｅｒｖｅｄ，ｚｏｂｓｅｒｖｅｄ）は、物体１１２０の３Ｄ画像から求められる。
【００５３】
曲線に対する最大変位は次式で決定される：
Δｘ＝（ｄ１−ｄ２）Ｔａｎθ    （４）
正弦関数的に区別できる曲線１００１の最大数ｎｍａｘは、ｎｍａｘ＝Ｘｍａｘ／Δｘ又は等価な次式で確定することができる
ｎｍａｘ＝Ｘｍａｘ／（ｄ１−ｄ２）Ｔａｎθ    （５）
ｎｍａｘの値は領域の深さｄ１−ｄ２が減少するとともに増加し、θｍａｘが小さくなることに伴っても増加する。決定の精度は、又、θｍａｘの値が小さくなるに伴って低下する。
【００５４】
曲線の数ｎがｎｍａｘを超えたところでは、線のラベリングのあいまいさはどれでも、観測された曲線を隣接する曲線のグループと関連付けることによって解決することができる。隣接する曲線の各グループについて、少なくとも１本の曲線が正しくラベリングされていれば、他の全てのそのグループの曲線は、隣接していることを利用してラベリングすることができる。グループの中の少なくとも１本の曲線の正確なラベリングを決定する方法は、曲線の数がｎｍａｘよりも少なく、第１のパターンに対して角度が付いている第２のパターンを考慮することを含んでもよい。第２のパターンの曲線は適正にラベリングがなされていて、第２のパターンが第１のパターンと交わる点は、第１のパターンの一部の曲線のラベリングを推定することに利用することができる。これは、全ての曲線に正しくラベルが付けられるまで、更に他のパターンについて繰り返すことができる。
【００５５】
図１３は物体上を走査した曲線１３５０〜１３５２を示す。走査曲線１３５０は、境界線１３６０及び１３６２で境界を画定されている領域と対応している。境界線１３６０と１３６２とで境界を画定されている領域は、走査線１３５０を、例えば隣接する曲線１３５
２ など、他の走査線から分離して同定することができるように、プリスキャンのときか
、校正データによって確定される。隣接する曲線１３５２は、１３６４と１３６６とで示される独自の領域に対応している。各走査線が一意的に同定されていれば、実質的に平坦でない面に投影される場合であっても、複数の走査線を同時に投影することができる。
【００５６】
図１４はパターン投影システム１４７０の例を示す。パターン投影システム１４７０は、電子回路１１２の一部又は要素として組み込まれていてもよい。パターン投影システム１４７０は、スキャナミラー駆動回路１４７２およびレーザ駆動回路１４７４を含んでいる。ミラー駆動回路１４７２は、スキャナ１４８２、１４８３に対応して、ＲＡＭベースの任意波形発生器（ＡＷＧ）１４７６、１４７７及び相互コンダクタンスパワー増幅段１４７８、１４８０を含んでいる。
【００５７】
高速スキャナ１４８２に対応したＡＷＧ１４７６は、１６入力の波形テーブル１４８４と１２ビットのデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１４８６を有している。波形テーブル１４８４は、約２０ｋＨｚの正弦波形を発生するために、約３２０ｋＨｚでインクリメントすることができる。
【００５８】
低速スキャナ１４８３に対応したＡＷＧ１４７７は、６６６入力の波形テーブル１４８５と１２ビットのＤＡＣ１４８７を有している。波形テーブル１４８５は、約３０Ｈｚの正弦波形を発生するために、高速ミラーの周期ごとに１回インクリメントされる。２つのＡＷＧ１４７６、１４７７は毎秒約３０フレームの繰り返しラスターパターンを作る。電気信号がカメラシステムをスキャナドライバに同期させる。それぞれのＤＡＣ１４８６、１４８７に対する基準入力は、ラスターの水平と垂直の大きさを動的に調節するために、可変電圧装置１４９２、１４９３で駆動される。
【００５９】
高速スキャナ１４８２は、約２０ｋＨｚの前後の共振周波数で駆動される。スキャナ１４８２の位置フィードバック信号は、共振周波数の変動に追従して駆動信号の駆動周波数を調節するために、ＤＳＰ１４９５及びＤＤＳ１４９６を用いたクローズドループ制御とともに使用することができる。ラスターパターンのフレームレートはスキャナ１４８２の高速な共振周波数とともに変化してもよい。ＤＳＰの例にはＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社のモデル番号ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａを含む。ＤＤＳの例にはＡｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ社のモデル番号ＡＤ９８３４を含む。
【００６０】
レーザ駆動回路１４７０は、マルチバンクのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）をベースにしたパターンテーブル１４８８とレーザダイオード電流変調器１４９０を含んでもよい。ＲＡＭベースのパターンテーブル１４８８は、複数のメモリバンクを有し、それぞれのバンクは単一パターンフレームの期間に表示されるビットマップ形式のピクセルイメージを有している。スキャナラスター発生器のラスターと同期したカウンタが、パターンテーブル１４８８にアクセスし、繰り返しのパターンを作るために、ピクセルデータをレーザダイオード電流変調器１４９０に受け渡す。パターンテーブル１４８８のそれぞれのバンクは、別々のパターンを搭載することができる。複数の単一パターンフレームは、繰り返しをする複合フレームシーケンスとして結合することができる。
【００６１】
図１５は光コヒーレンストモグラフィー（“ＯＣＴ”）又は共焦点センサとして構成さ
れたレーザデジタイザ１５００を示す。レーザデジタイザは、ファイバー結合レーザ１５１１を有している。レーザ源１５１１は、光ファイバーケーブル１５１０、カプラ１５０９、及び検知器１５０１に結合されたコヒーレンスの低い光源でもよい。カプラ、光遅延線１５０５、及び反射鏡１５０４が遅延した光をカプラ１５０９に戻す。カプラ１５０９は光源からの光を２本の経路に分割する。第１の経路は、光束を、光を物体の表面に向けるスキャナ１５０７の上に集束する結像光学系１５０６に通じる。光源１５１１からカプラ１５０９を経由して来る第２の光の経路は、光遅延線１５０５及び反射鏡１５０４に結合されている。この第２の光の経路は、光遅延線１５０５のパラメータで設定された通りの、管理された既知の光路長のものである。この第２の光の経路は、参照経路である。光は物体の表面で反射され、スキャナ１５０７を経由して戻り、カプラ１５０９によって光遅延線１５０５からの参照経路光と合成される。この合成された光は、光ファイバケーブル１５０３を経由して結像システム１５０１及び結像光学系１５０２と結合されている。低コヒーレンス光源を使用し、参照経路を既知の変化量で変化させることによって、レーザデジタイザは光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）センサ、又は、低コヒーレンス反射率測定センサとなる。集束光学系１５０６は、レーザ光束の集束点の位置を変化させて共焦センサとして動作するように、位置決めデバイス１５０８に置かれてもよい。
【００６２】
本発明の実施形態を詳細に述べてきたが、請求項に記載した本発明の精神と範囲から逸脱することなく、種々の変更、置換及び代替が可能である。レーザ光源はレーザ又はＬＥＤ
を含んでもよく、平行光学系は、そのような光源によって発生される一般的に楕円形の光束を円形にする光学系を含んでもよい。このシステムは、光束が物体を横断するように走査するとき、概ね均一な線を成すように物体上に円形のスポットを作ることができる。
【００６３】
光源は、遠隔から、例えば光ファイバなど、光ガイドを通すことによって、間接的に口腔内レーザデジタイザに接近して配置することができる。光源はセンサ機構から遠くに離れ、口腔内デバイスがより小さい寸法となるようにすることができる。
【００６４】
第２の光源（ＬＥＤ、白熱電球、レーザ、その他）は、口腔内レーザデジタイザが標準的な２Ｄカメラとして使用されてもよいように、背景光となる。この第２光源は、結像光学経路、又はその近くに配置することができる。第２光源は、又、ライトガイドを通して光を光学経路に送ることにより、センサの機構から離して配置することもできる。
【００６５】
口腔内システムは、又、１または２軸の傾斜センサを有してもよい。物体の外形を測定するために、コンピュータが傾斜センサの角度と受信した走査線の画像を監視することができる。１軸、２軸又は３軸の加速度計は、口腔内デジタイザの１軸、２軸又は３軸方向の概略の位置変化を測定することができる。
【００６６】
システムは、又、高速度変調装置を有するレーザ光源を含んでもよい。変調システムはレーザを高い速度（一般的に数ＭＨｚ）でオンとオフに切り替えて、レーザ光源のコヒーレンスと、物体上にレーザ光源によって作られるスペックルの強さを低減する。
【００６７】
走査システムは、２本の直交する軸又は、他の平行ではない配置で走査する単一の反射鏡を有していてもよい。そのような微小反射鏡スキャナの例は、ワシントンのＭｉｃｒｏｖｉｓｉｏｎ社の２軸ＭＥＭＳスキャナである。走査システムは、２本の直交する方向又は、他の平行ではない配置で走査する２個の反射鏡を有していてもよい。
【００６８】
画像センサは、画像を高速度で取り込むＣＭＯＳセンサ、又は、ＣＣＤセンサであってもよい。プロセッサは、もしプローブが物体に相対的に動いたとき、正確なデジタル化がなされるよう取り込んだデータをソフトウェアが調整するように、取り込んだ画像を処理する。画像システムは、リレーレンズを無くすることによって、より小さな口腔内プローブを実現するために、小さな画像センサとセンサプローブの先端部に直接実装された対物レンズを有するようにしてもよい。
【００６９】
レーザ光源がレーザ光源と直線生成光学系を有するようにしてもよい。このレーザ光源は、十分な数の独立な線分を作り出すような直線生成光学系に基づく低速スキャナ又は、スキャナなしを実現するために、１本以上の線を１軸レーザスキャナに送る。
【００７０】
結像システムは、対物レンズ、リレーレンズ、非対称レンズ系及びリニアセンサアレイを有していてもよい。リニアセンサアレイ又は、アナログ位置センサは、各ピクセルの位置を読み取ることができる。非対称レンズは、走査範囲をラインディテクタに結像する。三角測量法の角度は、物体の高速走査が可能なように、物体の高さが変化したとき、レーザスポットがラインディテクタの異なる画素に結像するように作用する。
【００７１】
単一のサンプル位置から得られた、物体上の線分の一連のレーザ画像は、実質的に同一のサンプル位置からの、２又は複数の３Ｄマップのサンプル間で組み合わせられる。それぞれ組み合わせられた３Ｄマップを測定する時間は短かく短縮されて、口腔内装置と患者との間の相対運動の影響が低減される。組み合わされた３Ｄマップには、運動によって誘起された不正確さ又は不自然な結果の残らない、有効な単一の視野の緻密な３Ｄポイント群を作るように、ソフトウェアで調整することができる。例えば、１０ステップのインターレース方式においては、各画像は１／３０秒で取り込むことができる。走査が０．３秒を超えたとき、本発明はオペレータの動きの影響を低減する。各サブフレーム間のオペレータの動きは、データセット自体にある参照ポイントを通じて、数学的に追跡することができる。それに続く分析によりオペレータの動きは除去されて、そうでなければ必要とされたよりも著しく低いフレームレートのシステムを可能にした。
【００７２】
複数の緻密な３Ｄポイント群は、又、ほぼ同一の位置から取得されて、数学的に調整され（言い換えると、それぞれに関連する特徴が重畳されるように相互の間隔が最小となるように動かされ）、データの精度を更に向上するように静的な技法（例えば、ガウシアンフィルタリング）が適用される。
【００７３】
表面の低解像度のプリスキャンによって概略の形状が割り出される。このプリスキャンを参照して、３Ｄ座標でのレーザラインの中心軌跡を逆計算することによって、次のレーザラインの概略の包絡線が決定される。これらの包絡線が長方形ではないので、局所的に急激に表面は変化しないという前提と相まって、画像の中で識別可能なままで、表面に同時に投影されるラインの本数を大幅に増やすことができて、実効的なスキャンレートを引き上げることができる。例としてＮ本のラインが、毎秒Ｆフレームの処理能力のあるシステムによって同時に走査されると、実効的に毎秒Ｆ＊Ｎフレームの処理を、言い換えるとＮ倍を、達成することができる。
【００７４】
結像システムは画像センサから離れた場所に設置されてもよい。コヒーレント結像ファイバー束などのリレー光学系を介すことによって、走査システムを画像センサから離れた場所に設置することができる。物体のイメージのフーリエ変換は、結像ファイバー束で転送される。ファイバー束を通してフーリエ変換を転送することにより、物体のイメージの、より多くの高周波成分が残存する。又、フーリエ変換されたイメージから、ファイバー束に対応した周波数成分を除去することにより、ファイバー束の影響を除去することができる。
【００７５】
本発明の様々な実施形態を説明してきたが、当業者にとって、本発明の範囲の中で更なる具体化と実施が可能であることは明らかである。従って、本発明は、請求項及びその等価物に照らした以外で、限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】プロセッサに接続された口腔内レーザデジタイザである。
【図２】図１の口腔内レーザデジタイザの部分正面図である。
【図３】図１の口腔内レーザデジタイザの平面図である。
【図４】図１の口腔内レーザデジタイザの側面図である。
【図５】図１の口腔内レーザデジタイザの結像光学系である。
【図６】図１の口腔内レーザデジタイザの投影光学系である。
【図７】物体表面へのレーザ光束の投射を説明する図である。
【図８】レーザ光束の投射の平面図である。
【図９】図１の口腔内レーザデジタイザの二軸スキャナである。
【図１０】口腔内デジタイザの光のパターンを平面に投影して観察したイメージである。
【図１１】画像化する物体の上に投射したときの図１０の光のパターンである。
【図１２】画像取り込み装置で検知されたときの図１０の光のパターンの反射である。
【図１３】物体に投射された複数のレーザプロフィアルである。
【図１４】線状パターンの生成を制御するための電子回路である。
【図１５】可干渉性の低い光源を、走査システムと、光学的遅延ラインの参照光へのカプラに接続した口腔内デジタイザである。