(57)【要約】【課題】本発明は、焦点可変部の状態を正確に把握して精度の良い三次元形状を取得することができる三次元スキャナ、およびプローブを提供する。【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、基準部８３と、光路長調整部８４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、焦点位置を変化させることが可能であって、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光、および光源部８１から基準部８３を経て光学センサ８５に至る光のそれぞれが少なくとも１度通過する。制御部は、基準部８３で反射し、光学センサ８５の一部で検出した光に基づいて焦点可変部８２の状態を判定し、判定した焦点可変部８２の状態の情報を用いて、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。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記光源部からの光の一部が照射される基準部と、
焦点位置を変化させることが可能であって、前記光源部から前記対象物を経て前記検出部に至る光、および前記光源部から前記基準部を経て前記検出部に至る光のそれぞれが少なくとも１度通過する焦点可変部と、
前記対象物から前記検出部に至る光路長と、前記基準部から前記検出部に至る光路長とを調整する光路長調整部と、
前記基準部で反射し、前記検出部の一部で検出した光に基づいて前記焦点可変部の状態を判定する判定部と、
前記判定部で判定した前記焦点可変部の状態の情報を用いて、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る、三次元スキャナ。
【請求項２】
前記光源部からの光を前記対象物に照射するとともに、前記対象物で反射された光を取り込むための前記三次元スキャナの開口部に着脱可能なプローブをさらに備え、
前記基準部は、前記三次元スキャナの筐体内に設けられている、請求項１に記載の三次元スキャナ。
【請求項３】
前記光源部からの光を前記対象物に照射するとともに、前記対象物で反射された光を取り込むための前記三次元スキャナの開口部に着脱可能なプローブをさらに備え、
前記基準部は、前記プローブに設けられている、請求項１に記載の三次元スキャナ。
【請求項４】
前記プローブは、前記光源部からの光および前記対象物で反射された光の方向を変更する光学素子を有し、
前記基準部は、前記光学素子の一部に設けられている、請求項３に記載の三次元スキャナ。
【請求項５】
前記検出部は、単一の光学センサで構成され、
前記光学センサの一部で、前記基準部で反射された光を検出し、前記光学センサの残りの部分で、前記対象物で反射された光を検出している、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】
前記光源部は、単一の光源で構成され、
前記光源の一部が前記基準部に照射され、前記光源の残りの部分が前記対象物に照射される、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】
前記基準部に照射された光は、所定のパターンを有する光である、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】
前記基準部に照射された光は、所定のパターンを有しない光である、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９】
前記基準部は、表面に所定の模様が形成されている、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
【請求項１０】
前記基準部は、表面に所定の模様が形成されていない、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１１】
前記演算部は、合焦法によって前記対象物の形状情報を演算する、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
【請求項１２】
前記焦点可変部は、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、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
【請求項１３】
前記基準部から前記検出部に至る光路のいずれかの位置に設けられ、前記検出部に至る光を調節する絞り部をさらに備える、請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
【請求項１４】
前記基準部は、光を照射される面に位相差板を有する、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
【請求項１５】
前記基準部に照射する前記光源部からの光の波長は、前記対象物に照射する前記光源部からの光の波長と異なる、請求項１〜請求項１４のいずれか１項に記載の三次元スキャナ。
【請求項１６】
光源部からの光を対象物に照射するとともに、前記対象物で反射された光を取り込むための三次元スキャナの開口部に着脱可能なプローブであって、
前記プローブは、
前記光源部からの光の一部が照射される基準部と、
前記基準部を設ける筐体とを備え、
前記三次元スキャナが、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、焦点位置を変化させることが可能であって、前記光源部から前記対象物を経て前記検出部に至る光、および前記光源部から前記基準部を経て前記検出部に至る光のそれぞれが少なくとも１度通過する焦点可変部と、前記対象物から前記検出部に至る光路長を基準にして、前記基準部から前記検出部に至る光路長を調整する光路長調整部と、前記基準部で反射し、前記検出部の一部で検出した光に基づいて前記焦点可変部の状態を判定する判定部と、前記判定部で判定した前記焦点可変部の状態の情報を用いて、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ている、プローブ。
【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、および三次元スキャナの開口部に着脱可能なプローブに関する。
【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最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。なお、合焦法以外にも三角測量法、白色干渉法などの原理を用いて三次元形状を取得することが可能である。これらの原理は合焦法のように焦点を利用した原理ではないため、基本的には焦点可変部がなくとも三次元計測は可能である。しかし、これらの原理であっても、光学系にズーム調整やフォーカス調整機能を付与することで、計測の利便性が向上する。その場合に、合焦法以外の原理を用いた三次元スキャナにおいても光源からの光の焦点位置を変化させる焦点可変部が必要となる。
【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】
しかし、当該三次元スキャナでは、精度の良い三次元形状を取得するために投影した投影パターンの焦点位置を正確に把握しなければならない。また、合焦法以外にも三角測量法、白色干渉法などの原理を用いて三次元形状を取得する場合であっても、光学系に焦点可変部を含む場合には焦点位置を正確に把握しなければ精度の良い三次元形状を取得することができない。特に、焦点可変部に液体レンズを用いた場合、液体レンズが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ので焦点位置を正確に把握するのが困難であった。なお、投影パターンの焦点位置を正確に把握するためには、焦点可変部の状態を正確に把握する必要がある。焦点可変部の状態には、たとえば、レンズの位置、レンズの曲率形状およびレンズの屈折率などが含まれる。焦点可変部の状態は、ヒステリシス特性の他に、周囲温度や焦点可変部の経年変形などに応じても変化し得る。歯科用補綴物製作に適用する三次元スキャナでは、実用的に極めて高い計測精度が要求されるため、特に、焦点可変部の状態を正確に把握する必要がある。
【０００６】
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、焦点可変部の状態を正確に把握して精度の良い三次元形状を取得することができる三次元スキャナ、およびプローブ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】
【０００７】
本発明に係る三次元スキャナは、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、光源部からの光の一部が照射される基準部と、焦点位置を変化させることが可能であって、光源部から対象物を経て検出部に至る光、および光源部から基準部を経て検出部に至る光のそれぞれが少なくとも１度通過する焦点可変部と、対象物から検出部に至る光路長と、基準部から検出部に至る光路長とを調整する光路長調整部と、基準部で反射し、検出部の一部で検出した光に基づいて焦点可変部の状態を判定する判定部と、判定部で判定した焦点可変部の状態の情報を用いて、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る。
【０００８】
本発明に係るプローブは、光源部からの光を対象物に照射するとともに、対象物で反射された光を取り込むための三次元スキャナの開口部に着脱可能なプローブであって、プローブは、光源部からの光の一部が照射される基準部と、基準部を設ける筐体とを備え、三次元スキャナが、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、焦点位置を変化させることが可能であって、光源部から対象物を経て検出部に至る光、および光源部から基準部を経て検出部に至る光のそれぞれが少なくとも１度通過する焦点可変部と、対象物から検出部に至る光路長と、基準部から検出部に至る光路長とを調整する光路長調整部と、基準部で反射し、検出部の一部で検出した光に基づいて焦点可変部の状態を判定する判定部と、判定部で判定した焦点可変部の状態の情報を用いて、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ている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る三次元スキャナは、検出部の一部で検出した基準部で反射された光に基づいて焦点可変部の状態を判定するので、焦点可変部の状態を正確に把握して精度の良い三次元形状を取得することができる。また、本発明に係るプローブは、焦点可変部の状態の判定に用いる基準部を筐体に備えているので、三次元スキャナ側に焦点可変部の状態を正確に把握させることが可能となり、精度の良い三次元形状を取得させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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に係る基準部の構成を説明するための概略図である。
【図５】光学センサで得られる撮像画像の一例を示す図である。
【図６】焦点可変部の事前校正を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１に係る三次元スキャナで対象物の計測を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態１の変形例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９】本発明の実施の形態２に係るプローブの構成を説明するための概略図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る三次元スキャナの光学系の構成を説明するための概略図である。
【図１１】本発明の実施の形態２の変形例に係るプローブの構成を説明するための概略図である。
【図１２】本発明の実施の形態３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１３】本発明の実施の形態４に係るプローブの構成を説明するための概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態５に係るプローブの構成を説明するための概略図である。
【図１５】本発明の実施の形態５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１６】本発明の実施の形態５に係る光学センサの構成を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
（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。
【００１２】
［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、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。
【００１３】
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、当該構成に限定されず、共焦点法、三角測量法、白色干渉法、ステレオ法、フォトグラメトリ法、ＳＬＡＭ法（Simultaneous Localization and Mapping）、光干渉断層法（Optical Coherence Tomography: OCT）など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。
【００１４】
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。
【００１５】
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には、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、複数の表示部５０上に、三次元形状の計測結果やその他の情報を同時あるいは分割して表示するよう構成してもよい。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。
【００１６】
［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、基準部８３、光路長調整部８４、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や基準部８３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。
【００１７】
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、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、焦点可変部８２の状態を正確に把握することができなければ、精度の良い三次元形状を取得することができない。
【００１８】
ここで、焦点可変部８２には、機械的にレンズの位置を移動させて投影パターンの焦点位置を変化させる構成や、機械的にレンズの位置を移動させない可変焦点レンズ（たとえば、液体レンズ）を使用した構成などがある。それぞれの構成について図を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る焦点可変部の構成を説明するための概略図である。ここで、図中の記号Ｖは、焦点可変部８２に電力や制御信号などを供給するためのコントローラを示している。図３（ａ）に示す焦点可変部では、焦点レンズ８２ａをスライダ８２ｂに固定し、光軸方向に延びるレール８２ｃ上をスライダ８２ｂが移動することで投影パターンおよび光学センサ８５の焦点位置を変化させている。図３（ａ）に示す焦点可変部は、スライダ８２ｂに電力を供給することで機械的に焦点レンズ８２ａを移動させているが、焦点レンズ８２ａの光軸上での位置を知るためには、焦点レンズ８２ａにゲージを設け当該ゲージを光学的に検出する構成が別途必要となる。当該構成をハンドピース８０内に設けると、当該構成を設けるスペースが必要となりハンドピース８０自体が大型化する問題がある。
【００１９】
一方、図３（ｂ）に示す焦点可変部では、機械的にレンズの位置を移動させない可変焦点レンズとして液体レンズ８２ｄを採用している。液体レンズ８２ｄとして、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したものがある（図３（ｂ）では液体レンズ８２ｄ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）。そのため、図３（ｂ）に示す焦点可変部では、レンズにゲージを設けて光学的に検出する構成が不要となる。しかし、液体レンズ８２ｄ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し、焦点位置を正確に把握することが難しい問題がある。そこで、本実施の形態では、上記機械的にレンズの位置を移動させる構成、および機械的にレンズの位置を移動させない構成の何れの構成の焦点可変部８２であっても、焦点位置を正確に把握することができるとともに、小型化が可能な構成を提供する。
【００２０】
なお、焦点可変部８２の状態は、機械的にレンズの位置を移動させる構成であれば、レンズの位置、レンズの屈折率、レンズの曲率形状などが含まれる。また、焦点可変部８２の状態は、機械的にレンズの位置を移動させない構成であれば、レンズの屈折率、レンズの曲率形状などが含まれる。以下の説明では、既知の模様が形成された基準部８３を用意しておき、当該基準部８３に設けてある模様の撮像結果を利用して、焦点可変部８２の状態を正確に把握する例を説明する。また、以下の説明では、焦点可変部８２に液体レンズを使用する。しかし、焦点可変部８２は、液体レンズに限定されるものではなく、機械的にレンズの位置を移動させる構成であってもよい。さらに、以降の説明では、基準部８３を用いて間接的に焦点可変部８２の状態を把握しているが、もちろんレンズの屈折率、レンズの曲率形状などの値を焦点可変部８２を通過する光などから直接計測する別の構成を設け、焦点可変部８２の状態を直接把握することもできる。
【００２１】
具体的に焦点可変部８２の状態を正確に把握する方法を、図２に戻り説明する。まず、光源部８１の一部から出力された光は、焦点可変部８２を通って基準部８３に照射され、基準部８３で反射される。基準部８３で反射された光は、焦点可変部８２を通って光学センサ８５の一部で検出される。なお、基準部８３はハンドピース８０の筐体内に設けられているので、光源部８１の一部から基準部８３を経て光学センサ８５の一部に至る光路が、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光路よりも短い。そこで、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光路長と、光源部８１の一部から基準部８３を経て光学センサ８５の一部に至る光路長とを調整する光路長調整部８４が、光源部８１の一部から基準部８３を経て光学センサ８５の一部に至る光路上に設けられている。
【００２２】
光路長調整部８４は、光源部８１の一部から基準部８３を経て光学センサ８５の一部に至る光路上の光路長を調整することができる光学素子であればよく、ガラスブロック、ライトガイド、レンズやレンズアレイ、オフセットミラー／プリズム、ダイクロイックミラー、ディレイライン、ペンタプリズムなどがある。光路長調整部８４を用いて両者の光路長をほぼ一致させることで、対象物２００と基準部８３の両方にて、概ね焦点の合った画像を光学センサにて撮像することができる。すなわち、対象物２００で焦点が合う位置と基準部８３で焦点が合う位置との間に対応関係を持たせることができる。そのため、光学センサ８５の一部を用いて撮像した基準部８３の画像を解析し、基準部８３上での焦点が合っている位置を求めることで、焦点可変部８２の状態を正確に把握することができる。
【００２３】
基準部８３の構成について図を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態１に係る基準部の構成を説明するための概略図である。図４に示す基準部８３は、縞状の模様が形成された平板であり、光学センサ８５の光軸に対して傾斜するように配置してある。そのため、図示していない焦点可変部８２の状態を変化させて、基準部８３の上段の位置８３ａに焦点を合わせた場合（図４（ａ））、光学センサ８５の一部で得られる撮像画像は画像の左側の位置にのみ縞状のパターンが写った画像となる。画像内のその他の位置では焦点が合っていないため、像ボケの効果により縞状の模様のコントラストが薄れ、パターンが現れない。当該画像を解析することで、画像の左側の位置にのみ波形が表れる信号を得ることができる。画像を解析し信号を得る方法として、たとえば、焦点可変部８２の状態に応じて異なった位置に現れる縞状のパターンを、微分法、パターンマッチング法、包絡線検出法などの公知のアルゴリズムで解析することができる。なお、縞状のパターンから得られる信号中の波形の位置と焦点可変部８２の状態とは１対１で対応している。図１に示した制御部４０は、当該信号に基づき焦点可変部８２の状態を正確に把握することができる。つまり、当該制御部４０は、光学センサ８５の一部で検出した基準部８３で反射された光に基づいて焦点可変部８２の状態を判定する判定部として機能している。さらに、制御部４０では、判定した焦点可変部８２の状態の情報を用いて、光学センサ８５で検出した対象物２００で反射された光を撮像した画像から対象物２００の形状情報を演算している。
【００２４】
同様に、図示していない焦点可変部８２の状態を変化させて、基準部８３の中段の位置８３ｂに焦点を合わせた場合（図４（ｂ））、光学センサ８５で得られる撮像画像は図中央の位置にのみ縞状のパターンが写った画像となる。当該画像を解析することで、図中央の位置にのみ波形が表れる信号を得ることができる。また、図示していない焦点可変部８２の状態を変化させて、基準部８３の下段の位置８３ｃに焦点を合わせた場合（図４（ｃ））、光学センサ８５で得られる撮像画像は図右側の位置にのみ縞状のパターンが写った画像となる。当該画像を解析することで、図右側の位置にのみ波形が表れる信号を得ることができる。以上のように、基準部８３を撮影した画像から得られる信号中の波形の位置と、焦点可変部８２の状態とが、１対１で対応する。
【００２５】
三次元スキャナ１００では、光源部８１が単一の光源（たとえば、ＬＥＤなど）であって、当該光源部８１の一部の光を基準部８３に照射して、基準部８３で反射した光を光学センサ８５の一部で検出している。そのため、光学センサ８５で得られる撮像画像は、対象物２００の画像に基準部８３の画像が一部写り込んだ画像となる。図５は、光学センサ８５で得られる撮像画像の一例を示す図である。図５に示す画像では、図左側の領域８１ａに基準部８３の画像、他の領域８１ｂに対象物２００の画像がそれぞれ写っている。そして、領域８１ａの基準部８３の画像には、画像の上側に縞状のパターン８１ｃが写り込んでいる。そのため、図５における対象物２００の画像は、図４に示した基準部８３の上段の位置で焦点が合うような焦点可変部８２の状態で撮像された画像であることを特定することができる。三次元スキャナ１００では、領域８１ａの基準部８３の画像で特定した焦点可変部８２の状態に基づき、複数の対象物２００の画像を組み合わせることで対象物２００の三次元形状を取得することができる。
【００２６】
［焦点可変部の事前校正］
三次元スキャナ１００では、まず焦点可変部８２の特性を把握するため、対象物２００で焦点が合う位置と基準部８３で焦点が合う位置との間に対応関係を求める事前校正を行う。焦点可変部８２の事前校正は、たとえば、三次元スキャナ１００の出荷時にメーカ側で行ったり、ユーザが三次元スキャナ１００の使用前に行ったりする。以下、事前校正について、フローチャートに基づいて説明する。図６は、焦点可変部８２の事前校正を説明するためのフローチャートである。まず、焦点可変部８２の事前校正を行うために、三次元スキャナ１００を固定し、当該三次元スキャナ１００に対して精密に可動することが可能なステージに形状が既知の対象物をセットする。なお、形状が既知の対象物には、たとえば、方眼が印刷されたセラミック平板や、段差加工されたセラミック板などがある。また、以下は事前校正のための装置として精密可動ステージを使用する例を挙げているが、精密可動ステージの代わりに三次元スキャナ１００と、対象物との位置関係が正確に把握できる治具（接続部２０に対して精密に嵌合可能な筒状の筐体を有する治具）を使用してもよい。
【００２７】
図１に示す制御部４０は、校正開始命令の受け付け（たとえば、起動ボタンの押下など）を行う（ステップＳ１０１）。制御部４０は、焦点可変部８２に制御信号を送信し、焦点を設定する（ステップＳ１０２）。焦点可変部８２は、制御信号に基づいて焦点位置を変化させる。制御部４０は、設定した焦点可変部８２の状態において光学センサ８５で対象物を撮像する（ステップＳ１０３）。なお、撮像画像には、図５で説明したように基準部８３の画像と、対象物の画像とが含まれている。
【００２８】
次に、制御部４０は、ステップＳ１０３で撮像した撮像画像に対して画像処理を行う（ステップＳ１０４）。具体的に、制御部４０は、対象物の画像から画素ごとに合焦度（焦点がどれほど合っているかを定量化したもの）を算出し、基準部８３の画像から焦点可変部８２の状態（たとえば図４に示したような信号に現れる波形の位置）を算出する。制御部４０は、ステップＳ１０２で焦点を設定した回数が指定回数以上になったか否かを判定する（ステップＳ１０５）。焦点を設定した回数が指定回数未満の場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、制御部４０は、処理をステップＳ１０２に戻し、次の焦点を設定する。つまり、制御部４０は、設定可能な最小位置から最大位置までの間、焦点可変部８２の状態を少なくとも１回変化させて、各焦点位置で撮像した撮像画像の画像処理（ステップＳ１０３，Ｓ１０４）を繰返し行う。
【００２９】
焦点を設定した回数が指定回数以上の場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、制御部４０は、各画像（ｉ，ｊ）において算出した合焦度が最大値となった焦点可変部８２の状態を検出する（ステップＳ１０６）。つまり、制御部４０は、焦点が合った画像（全焦点画像）と、その時の焦点可変部８２の状態の情報を取得する。さらに、制御部４０は、形状が既知の対象物の全焦点画像（たとえば方眼模様）の解析から各画像（ｉ，ｊ）でのＸＹ座標と、ステージの位置からＺ座標とを求め、各座標と焦点可変部８２の状態との関係を求める（ステップＳ１０７）。
【００３０】
次に、制御部４０は、ステージの移動回数が所定回数以上になったか否かを判定する（ステップＳ１０８）。ステージの移動回数が所定回数未満の場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、制御部４０は、処理をステップＳ１０２に戻し、次の位置にステージを移動させる。つまり、制御部４０は、三次元スキャナ１００で撮像可能な最小位置から最大位置までの間、ステージを少なくとも１回移動させて各ステージの位置で撮像した撮像画像の画像処理（ステップＳ１０３，Ｓ１０４）を繰返し行う。ステージの移動回数が所定回数以上の場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、制御部４０は、ステージを移動させた各位置において、各座標と焦点可変部８２の状態との関係を求める（ステップＳ１０９）。
【００３１】
次に、制御部４０は、ステップＳ１０９で取得した全関係（校正情報）を記憶部（たとえば、フラッシュメモリなど）にテーブルとして保存する（ステップＳ１１０）。制御部４０は、テーブルを保存して、焦点可変部８２の事前校正処理を終了する。
【００３２】
なお、制御部４０は、ステップＳ１０９で取得した全関係（校正情報）を、テーブルにして記憶部に保存すると記載したが、テーブルではなく全関係（校正情報）を関数で近似し、当該関数の式と係数のみを記憶部に保存してもよい。また、事前校正処理を、座標毎（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に別々に行ってもよい。たとえば、対象物としてまず無地の白板を使用し事前校正処理（Ｚ座標の事前校正）を行なった後、対象物を方眼の板に入れ替えて事前校正処理（Ｘ，Ｙ座標の事前校正）を行う。
【００３３】
なお、以上の説明では、合焦法の原理を用いた三次元スキャナにおける事前校正の例を示した。事前校正は、おおまかに以下の三つの処理から構成されている。
（１）光学センサ８５の一部で撮像した形状および移動量が既知の対象物の画像から三次元座標を取得する。
（２）光学センサ８５の他の一部で撮像した基準部の画像から焦点可変部８２の状態を取得する。
（３）上記（１），（２）との間の対応関係を保存する。
上記（１）の処理では、合焦法に限らず三角法などあらゆる原理によっても実現可能であることから、原理によらず同様の事前校正を適用可能である。以下に説明する対象物の計測の項においても同様に、原理によらず適用できることは言うまでもない。
【００３４】
［対象物の計測］
三次元スキャナ１００では、焦点可変部８２の事前校正処理で取得した関係を利用して対象物の計測を行う。以下、対象物の計測について、フローチャートに基づいて説明する。図７は、本発明の実施の形態１に係る三次元スキャナで対象物の計測を説明するためのフローチャートである。
【００３５】
図１に示す制御部４０は、対象物２００の計測開始命令の受け付け（たとえば、計測ボタンの押下など）を行う（ステップＳ２０１）。制御部４０は、焦点可変部８２に制御信号を送信し、焦点を設定する（ステップＳ２０２）。焦点可変部８２は、制御信号に基づいて焦点位置を変化させる。制御部４０は、設定した焦点可変部８２の状態において光学センサ８５で対象物を撮像する（ステップＳ２０３）。
【００３６】
次に、制御部４０は、ステップＳ２０３で撮像した撮像画像に対して画像処理を行う（ステップＳ２０４）。具体的に、制御部４０は、対象物の画像から画素ごとに合焦度を算出し、基準部８３の画像から焦点可変部８２の状態を判定する。制御部４０は、ステップＳ２０２で焦点を設定した回数が指定回数以上になったか否かを判定する（ステップＳ２０５）。焦点を設定した回数が指定回数未満の場合（ステップＳ２０５：ＮＯ）、制御部４０は、処理をステップＳ２０２に戻し、次の焦点を設定する。つまり、制御部４０は、設定可能な最小位置から最大位置までの間、焦点可変部８２の状態を少なくとも１回変化させて、各焦点位置で撮像した撮像画像の画像処理（ステップＳ２０３，Ｓ２０４）を繰返し行う。
【００３７】
焦点を設定した回数が指定回数以上の場合（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、制御部４０は、各画像（ｉ，ｊ）において算出した合焦度が最大値となった焦点可変部８２の状態を検出する（ステップＳ２０６）。つまり、制御部４０は、焦点が合った画像と、その時の焦点可変部８２の状態の情報を取得する。さらに、制御部４０は、ステップＳ１１０で保存したテーブルを参照し、画素ごとにステップＳ２０６で検出した結果（焦点可変部８２の状態）に対応する三次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ座標）を読み出す（ステップＳ２０７）。このとき、テーブルに保存された焦点可変部８２の状態と、ステップＳ２０６で検出した焦点可変部８２の状態とが一致しない場合、テーブルに保存された前後の近い値を用いて補間処理を行ってもよい。また、ステップＳ２０６で検出された焦点可変部８２の状態に近い値がテーブル内に存在しない場合、計測エラーと判定して座標を生成しない、外れ値処理を行ってもよい。以上のステップＳ２０２〜Ｓ２０８により、制御部４０は、全ての座標において三次元座標を求め、対象物２００の三次元データを取得する（ステップＳ２０８）。
【００３８】
次に、制御部４０は、対象物２００の計測終了命令の受け付け（たとえば、終了ボタンの押下など）を行う（ステップＳ２０９）。計測終了命令の受け付けていない場合（ステップＳ２０９：ＮＯ）、制御部４０は、計測処理を継続するため処理をステップＳ２０２に戻り、三次元データの取得（ステップＳ２０２〜Ｓ２０８）を繰り返す。上記繰り返しを続けることで、連続した動画的な三次元計測が可能となる。一方、計測終了命令の受け付けた場合（ステップＳ２０９：ＹＥＳ）、制御部４０は、計測処理を終了する。
【００３９】
以上のように、本発明の実施の形態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からの光の一部が照射される基準部８３とを備えている。さらに、三次元スキャナ１００は、焦点位置を変化させることが可能であって、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光、および光源部８１から基準部８３を経て光学センサ８５に至る光のそれぞれが少なくとも１度通過する焦点可変部８２と、対象物２００から光学センサ８５に至る光路長と、基準部８３から光学センサ８５に至る光路長とを調整する光路長調整部とを備えている。また、三次元スキャナ１００は、制御部４０において光学センサ８５の一部で検出した光（基準部８３で反射された光）に基づいて焦点可変部８２の状態を判定し、判定した焦点可変部８２の状態の情報を用いて、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。そのため、三次元スキャナ１００は、焦点可変部８２の状態を正確に把握して精度の良い三次元形状を取得することができる。また、三次元スキャナ１００では、焦点可変部８２のレンズにゲージを設けて光学的に検出する構成が不要となるのでハンドピース８０自体を小型化することができる。
【００４０】
また、基準部８３が、ハンドピース８０の筐体内に設けられているので、プローブ１０が無くても事前校正処理が可能となる。さらに、光学センサ８５は、単一の光学センサで構成され、光学センサ８５の一部において基準部８３で反射された光を検出し、光学センサ８５の残りの部分において対象物２００で反射された光を検出している。そのため、三次元スキャナ１００の部品点数を少なくすることができる。もちろん、光学センサ８５を複数の光学センサで構成し、一方を用いて基準部８３で反射された光を検出し、もう一方を用いて対象物２００で反射された光を検出するよう構成してもよい。
【００４１】
（変形例１）
図２に示した三次元スキャナ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度通過するとともに、光源部８１から基準部８３を経て光学センサ８５に至る光も焦点可変部８２を２度通過している。しかし、焦点可変部８２は、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光、および光源部８１から基準部８３を経て光学センサ８５に至る光のそれぞれが少なくとも１度通過していればよい。光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光、および光源部８１から基準部８３を経て光学センサ８５に至る光のそれぞれを焦点可変部８２に１度通過させる構成にするには、図２に図示していないビームスプリッタよりも光源部８１側または光学センサ８５側に焦点可変部８２を設ければよい。
【００４２】
さらに、光源部８１から基準部８３を経て光学センサ８５に至る光のみ焦点可変部８２に１度通過させる構成、または、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光のみ焦点可変部８２に１度通過させる構成にすることも可能である。図８は、本発明の実施の形態１の変形例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。ここで、図８で示した構成において図２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８（ａ）に示す構成は、光源部８１から基準部８３を経て光学センサ８５に至る光のみ焦点可変部８２に１度通過させる構成であり、ライトガイド９１（たとえば、光ファイバなど）を用いて光源部８１の光を分けて基準部８３に直接照射している。つまり、分かれた一方のライトガイド９２から出射される光は、焦点可変部８２を通過することなく基準部８３を照射している。基準部８３に照射された光は、基準部８３で反射してコリメートレンズ９３、焦点可変部８２およびビームスプリッタ８８を経て光学センサ８５の一部で検出される。一方、ライトガイド９１から分かれた他方のライトガイドから出射される光は、コリメートレンズ８６、パターン生成素子８７、ビームスプリッタ８８および焦点可変部８２を経て物体に照射されている。なお、図８（ａ）に示す構成は例示であって、一部の構成を同等の光学素子と入れ替えてもよい。
【００４３】
図８（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に至る光のみ焦点可変部８２に１度通過させる構成であり、ライトガイド９５（たとえば、光ファイバなど）を用いて基準部８３で反射された光を光学センサ８５に直接導いている。つまり、焦点可変部８２を１度通過した光源部８１の光の一部を基準部８３に照射し、基準部８３で反射した光を結像レンズ９６で集めてライトガイド９５で光学センサ８５に導いている。一方、対象物２００で反射された光は、ビームスプリッタ８８、焦点可変部８２およびビームスプリッタ８８を経て光学センサ８５で検出される。なお、図８（ｂ）に示す構成は例示であって、一部の構成を同等の光学素子と入れ替えてもよい。さらに、前述の構成では記載していないが、焦点可変部８２を３度以上通過する光路を有する構成であってもよい。
【００４４】
（変形例２）
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。さらに、光源部８１は、一部の光を基準部８３に照射し、他の光を対象物２００に照射している。そこで、光源部８１は、対象物２００を照射する光を発する光源ユニットＡと、基準部８３を照射する光を発する光源ユニットＢとに分けて構成してもよい。また、光源ユニットＡと光源ユニットＢとは、必ず近傍に設ける必要はなく、光源ユニットＡと光源ユニットＢとを離した位置に設けてもよい。なお、三次元スキャナ１００では、光源部８１からの光を、光ファイバなどのライトガイドを利用して基準部８３や対象物２００に導く構成を採用してもよい。
【００４５】
（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２に示すように基準部８３がハンドピース８０の筐体内に設けられている構成について説明した。しかし、本実施の形態２に係る三次元スキャナでは、ハンドピースの筐体内に基準部を設けずに、光学計測部から着脱可能なプローブ内に基準部を設けてある。以下に、プローブ内に基準部を設けた三次元スキャナについて説明する。
【００４６】
［プローブの構成］
まず、プローブの構成について詳しく説明する。図９は、本発明の実施の形態２に係るプローブ１０ａの構成を説明するための概略図である。なお、図９において、図１および図２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。プローブ１０ａは、接続部２０と接続するための開口部を有する筐体１２と、開口部とは反対側の筐体１２に設けられた計測窓１３（採光部）と、計測窓１３から取り込んだ光を光学計測部３０の方向に反射するミラー１４（反射部）とを備えている。プローブ１０ａの開口部は、接続部２０を挿入するための挿入部である。これにより、筐体１２に外力が加わっても、プローブ１０ａが接続部２０から容易に外れ難くなる。また、プローブ１０ａの端部は、図９のように光学計測部３０と接している。これにより、プローブ１０ａが光学計測部３０の方向に押し込まれても、プローブ１０ａがさらに光学計測部３０の方向に移動することはない。
【００４７】
ミラー１４は、光源部８１からの光および対象物２００で反射された光の方向を変更する光学素子であり、一部に基準部が設けられている。なお、ミラー１４の一部に基準部が設けられているとは、ミラー１４の一部の表面に模様などを形成して基準部を設けても、ミラー１４の一部の表面に模様などを形成した別部材を貼り付けて基準部を設けてもよい。さらに、光を反射する光学素子と、別部材の基準部とを組み合わせてミラー１４としてもよい。
【００４８】
［光学系の構成］
次に、本実施の形態２に係る三次元スキャナの光学系の構成についてさらに詳しく説明する。図１０は、本発明の実施の形態２に係る三次元スキャナの光学系の構成を説明するための概略図である。なお、図１０において、図１および図２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。まず、本実施の形態２に係る三次元スキャナは、光源部８１、焦点可変部８２、基準部８３、光路長調整部８４、光学センサ８５およびビームスプリッタ８８が設けられている。なお、図１０に示す光路は、光源部８１の一部から基準部８３を経て光学センサ８５の一部に至る光路のみが図示されている。光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光路については、本実施の形態１で説明した光路と同じであるため詳細な説明を繰り返さない。
【００４９】
光源部８１から出た光は、ビームスプリッタ８８、焦点可変部８２および光路長調整部８４を通ってミラー１４に照射される。ミラー１４は、両側の一部に形成された縞状のパターン１４ｂが基準部８３として機能し、他の部分が反射板１４ａとして機能している。ミラー１４に照射された光の一部は、縞状のパターン１４ｂが形成されている基準部８３で反射される。基準部８３で反射された光は、光路長調整部８４、焦点可変部８２およびビームスプリッタ８８を通って光学センサ８５で検出される。光学センサ８５は、中央部８５ａで対象物２００からの光を検出し、両側の一部８５ｂで基準部８３からの光を検出している。図４で示した例と同様に、光センサの光軸に対して、縞状のパターンを有する面が傾斜して配置されているため、焦点可変部８２の状態と１対１で対応した位置に、画像に縞模様が現れる。
【００５０】
このように、基準部８３は、三次元スキャナの開口部に着脱可能なプローブ１０ａに設けられているので、ハンドピースの筐体内に基準部を設ける必要がない分、当該筐体を小型化できる。さらに、基準部８３は、光学素子であるミラー１４の一部に設けられているので、別部材で基準部を用意する場合に比べて部品点数が少なくなる。なお、基準部８３は、図１０に示すようにミラー１４の両側に設けられる場合に限られず、ミラー１４のいずれかの片側のみに設けられてもよい。
【００５１】
（変形例）
図９と図１０に示すプローブ１０ａでは、ミラー１４の一部に基準部８３を設ける構成であった。しかし、ミラー１４の一部ではなく以外にプローブ内の別の位置に基準部を設けてもよい。図１１は、本発明の実施の形態２の変形例に係るプローブの構成を説明するための概略図である。図１１に示すプローブ１０ｂでは、計測窓１３の近傍に基準部８３を設け、当該基準部８３からの光を反射するオフセットミラー１５をミラー１４の横に設けてある。オフセットミラー１５は、光源部８１の一部から基準部８３を経て光学センサ８５の一部に至る光路の光路長を調整する光路長調整部としても機能している。オフセットミラー１５を光路長調整部として機能させるため、また、基準部１３に対して光センサの光軸が傾いて配置されるように計測窓１３を形成した面に対するミラー１４の角度と、当該面に対するオフセットミラー１５の角度とが異なっている。
【００５２】
（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２に示すように基準部８３に対して光源部１からの光が照射される。基準部８３に照射された光は、基準部８３で反射されるが、一部の光が乱反射し迷光となって光学センサに到達してしまう場合がある。当該迷光は、三次元計測の精度を低下させる要因となる。本実施の形態３に係る三次元スキャナでは、当該迷光を抑える構成を有している。
【００５３】
図１２は、本発明の実施の形態３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。なお、図１２において、図１および図２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。まず、本実施の形態３に係るハンドピース８０ｂには、光源部８１、焦点可変部８２、基準部８３、光路長調整部８４および光学センサ８５が設けられている。さらに、ハンドピース８０ｂには、基準部８３から光学センサ８５に至る光路のいずれかの位置に、光学センサ８５に至る光を調節する絞り部９７が設けられている。絞り部９７は、基準部８３で乱反射して迷光となった光が光学センサ８５で検出されないようにカットしている。絞り部９７は、光をカットすることができれば、どのような絞りの機構であってもよい。
【００５４】
このように、光学センサ８５に至る光を調節する絞り部９７をさらに備えることで、基準部８３で乱反射して迷光となった光をカットして、三次元計測の精度を高めることができる。なお、図１２では、筐体内に基準部８３を設けたハンドピース内の光学系において絞り部９７を設ける構成を示したが、プローブ内に基準部を設けたハンドピース内の光学系においても同様に絞り部を設けてもよい。
【００５５】
（実施の形態４）
実施の形態２に係るプローブでは、ミラー１４の一部に基準部８３が設けられている。本実施の形態４に係るプローブでは、ミラーの一部に設けた基準部の表面に位相差板を設けた構成である。
【００５６】
図１３は、本発明の実施の形態４に係るプローブ１０ｃの構成を説明するための概略図である。なお、図１３において、図９および図１１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。プローブ１０ｃは、光学計測部の接続部と接続するための開口部を有する筐体１２と、開口部とは反対側の筐体１２に設けられた計測窓１３（採光部）と、計測窓１３から取り込んだ光を光学計測部３０の方向に反射するミラー１４（反射部）とを備えている。
【００５７】
ミラー１４は、一部に基準部８３が設けられている。なお、基準部８３は、図１３に示すようにミラー１４の片側のみに設けられているが、ミラー１４の両側に設けられてもよい。さらに、基準部８３の表面には、位相差板である１／４波長板９８が設けられている。基準部８３の表面に１／４波長板９８に設けることで、基準部８３で反射した光が効率よく光学センサ８５で検出することが可能となる。ここで、１／４波長板とは、入射光線の含む特定の偏光成分に１／４波長の位相差を生じさせる機能を持った位相差板である。これにより、入射光と反射光との偏光状態を操作することができる。たとえばビームスプリッタ８８が偏光ビームスプリッタで構成され、基準部８３が半透明な樹脂材料などで構成されていた場合に特に有効であり、１／４波長板９８を適用することで基準部８３の表面に投影されたパターンのコントラストを強調することができる。すなわち基準部８３からの反射光のうち、表面近傍で反射された成分(パターンのコントラストが良好な成分)と、半透明体の内部で拡散反射された成分(パターンのコントラストを低下させる成分)との偏光状態の違いを利用し、前者のみが選択的に低損失のまま光学センサ８５まで導光される。これにより、焦点基準部８３を撮像した画像の解析による、焦点可変部の状態把握の精度が向上する。基準部８３の表面に設ける位相差板は、１／４波長板９８に限られず、光学設計に応じて適切な種類の位相差板を選択すればよい。
【００５８】
このように、基準部８３は、光を照射される面に位相差板を有するので、基準部８３で反射された光の利用効率が向上する。なお、図１３では、ミラー１４の一部に設けた基準部８３の表面に位相差板を設ける構成を示したが、プローブ内に設けた基準部の表面や筐体内に設けた基準部の表面に対しても同様に位相差板を設けてもよい。
【００５９】
（実施の形態５）
実施の形態１に係る三次元スキャナ１００では、対象物２００に照射する光の波長と、基準部８３に照射する光の波長とが同じである構成について説明した。しかし、本実施の形態５に係る三次元スキャナでは、対象物に照射する光の波長と、基準部に照射する光の波長とが異なる構成について説明する。
【００６０】
図１４は、本発明の実施の形態５に係るプローブ１０ｄの構成を説明するための概略図である。なお、図１４において、図９および図１１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。プローブ１０ｄは、光学計測部３０の接続部と接続するための開口部を有する筐体１２と、開口部とは反対側の筐体１２に設けられた計測窓１３（採光部）と、計測窓１３から取り込んだ光を光学計測部３０の方向に反射するミラー１４（反射部）と、計測窓１３よりも光学計測部３０側に設けたダイクロイックミラー９９と、ダイクロイックミラー９９よりも光学計測部３０側に設けた基準部８３とを備えている。
【００６１】
ダイクロイックミラー９９の例として、ここでは可視光を透過して赤外線（ＩＲ）を反射する光学素子を使用している。つまり、本実施の形態５に係る三次元スキャナでは、対象物２００に照射する光に可視光を、基準部８３に照射する光に赤外線を用いている。図１５は、本発明の実施の形態５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１５で示した構成において、図２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１５（ａ）に示す光路は、光源部８１ｄからから対象物２００を経て光学センサ８５ｄに至る光路である。図１５（ｂ）に示す光路は、光源部８１ｄからから基準部８３を経て光学センサ８５ｄに至る光路である。
【００６２】
まず、光源部８１ｄは、可視光と赤外線とを出射することができる光源である。なお、光源部８１ｄとしては、たとえば、可視光を発するＬＥＤやレーザ素子と、赤外線を発するＬＥＤやレーザ素子とを基板に並べて構成したものや、可視光から赤外線までをスペクトルに含む広帯域な光を発する単一のＬＥＤなどで構成可能である。なお、光源部８１ｄは、可視光を発する光源ユニットＣと、赤外線を発する光源ユニットＤとに分けて構成してもよい。
【００６３】
図１５（ａ）に示す光路では、光源部８１ｄから出力された可視光がビームスプリッタ８８、焦点可変部８２およびミラー１４を経て対象物２００に照射される。対象物２００で反射された光は、逆にミラー１４、焦点可変部８２およびビームスプリッタ８８を経て光学センサ８５で検出される。一方、図１５（ｂ）に示す光路では、光源部８１ｄから出力された赤外線がビームスプリッタ８８、焦点可変部８２およびダイクロイックミラー９９を経て基準部８３に照射される。基準部８３で反射された光は、逆にダイクロイックミラー９９、焦点可変部８２およびビームスプリッタ８８を経て光学センサ８５ｄで検出される。
【００６４】
光学センサ８５ｄでは、可視光を検出することができるとともに、赤外線も検出することが可能である。具体的な、光学センサ８５ｄの構成について図を用いて説明する。図１６は、本発明の実施の形態５に係る光学センサの構成を説明するための概略図である。図１６（ａ）に示す光学センサ８５ｄ１は、単層構造であって赤外線を検出する素子が配列された領域と、可視光を検出する素子が配列された領域とが平面上に配置されている。特に、光学センサ８５ｄ１では、Ａ領域に赤外線を検出する素子を配列し、Ｂ領域に可視光を検出する素子を配列している。なお、図中のＩＲ、Ｒ、Ｇ、Ｂの各記号はそれぞれ、赤外、赤色、緑色、青色の光に対して感度／透過率が高い領域である事を意味している。
【００６５】
図１６（ｂ）に示す光学センサ８５ｄ２は、多層構造であってａ層に可視光と赤外線とを選択的に透過するフィルタ、ｂ層にカラーフィルタ、ｃ層にモノクロ光センサがそれぞれ設けられている。光学センサ８５ｄ２でも、Ａ領域で赤外線を検出し、Ｂ領域で可視光を検出する。そのため、ａ層のフィルタでは、Ａ領域に赤外線のみを透過するフィルタ（ＩＲ−ｐａｓｓ  ｆｉｌｔｅｒ）を設け、Ｂ領域に可視光のみを透過するフィルタ（ＩＲ−ｃｕｔ  ｆｉｌｔｅｒ）を設けている。なお、三次元スキャナで取得する画像がモノクロ画像であれば、ｂ層のカラーフィルタは不要、または単色のフィルタでよい。
【００６６】
光学センサ８５ｄ１，８５ｄ２では、赤外線を検出する領域と、可視光を検出する領域とを分けて検出する構成であったが、図１６（ｃ）に示す光学センサ８５ｄ３は、領域を分けずに赤外線および可視光を検出する構成である。光学センサ８５ｄ３は、単層構造であって赤外線を検出する素子と可視光を検出する素子とが順に配列されている。特に、光学センサ８５ｄ３では、可視光を検出するＲＧＢそれぞれの素子と赤外線を検出する素子とが順に配置されている。もちろん、可視光を検出する素子が複数集まったエリアと、赤外線を検出する素子が複数集まったエリアとをそれぞれ複数配置して光学センサ８５ｄを構成してもよい。また、光学センサ８５ｄ３も、単層構造ではなく光学センサ８５ｄ２のように多層構造にしてもよい。光学センサ８５ｄ３は、光学センサ８５ｄ１，８５ｄ２のように光学センサの端の領域を利用して基準部の画像を検出する構成に比べて、センサの中心部で赤外線を検出することができるので、レンズの収差などの影響を受け難くなるメリットがある。
【００６７】
このように、本実施の形態５に係る三次元スキャナでは、基準部８３に照射する光源部８１ｄからの光の波長（赤外線）が、対象物２００に照射する光源部８１ｄからの光の波長（可視光）と異なるので、たとえば基準部８３からの乱反射光が迷光として対象物２００の像に干渉したとしても、カラーフィルタによって、当該迷光が対象物２００の撮像画像上には写らないように構成できるため、対象物２００の計測に影響を与えることなく焦点可変部８２の状態を把握することができる。
【００６８】
なお、本実施の形態５に係る三次元スキャナでは、基準部８３に照射する光源部８１ｄからの光の波長が、対象物２００に照射する光源部８１ｄからの光の波長と異なるように、赤外線と可視光とを用いているが、他の波長の組み合わせでもよく、たとえば、紫外線（ＵＶ）と可視光とを用いてもよい。
【００６９】
（変形例）
本発明の実施の形態１〜５に係る三次元スキャナでは、基準部８３の表面に縞状のパターンが形成してあると説明した。しかし、基準部８３の表面に形成されたパターンは、縞状（ストライプ状）のパターンではなく、格子状のパターンや、ドット状のパターンであってもよい。また、光学センサの光軸に対して傾いていなくともよい。たとえば、ドット状のパターンを基準部８３の表面に形成した場合、焦点が合わずにボケたドットの直径（錯乱円直径）に基づき、焦点可変部８２の状態を把握することができる。なお、基準部８３の表面に形成されるパターンは、焦点可変部８２の状態の変化に応じて、パターンの見え方も変化し、その変化の度合いを定量化することができれば、何れのパターンであってもよい。また、基準部８３は、表面に直接パターンを印刷しても、別部材に印刷されたパターンを貼り付けてもよい。基準部８３の例として、たとえば紙・プラスチック・金属・セラミック・ガラスなどの基材に対し、スクリーン印刷、レーザマーキング、蒸着、スパッタ、３Ｄプリンタによる異色材料の交互積層などの方法によって縞状の模様を形成したものであってよい。また表面の色の違いによる模様の形成ではなく、凹凸構造などの形状加工によって模様が形成されたもの、あるいはその組み合わせでよい。
【００７０】
さらに、図８で示したように光路上にパターン生成素子８７を設けることで、基準部８３に照射する光自体に所定のパターンを持たせてもよい。基準部８３に照射する光自体に所定のパターンを持たせることで、基準部８３の表面にパターンを形成せずに、所定のパターンを基準部８３の表面に投影してもよい。もちろん、表面にパターンが形成された基準部８３と、所定のパターンを持つ光とを組み合わせて使用してもよい。
【００７１】
本発明の実施の形態１に係る三次元スキャナでは、ハンドピースの筐体側に基準部８３を設けた構成について説明し、本発明の実施の形態２に係る三次元スキャナでは、プローブ側に基準部８３を設けた構成について説明した。また、本発明の実施の形態２に係るプローブでは、基準部８３以外にミラー１４も設けてあった。しかし、これに限定されるものではなく、プローブに基準部８３のみが設けられている構成や、ハンドピースの筐体側に基準部８３だけでなくミラー１４も設けた構成であってもよい。なお、ハンドピースの筐体側に基準部８３およびミラー１４を設けた場合、プローブは単なるカバーとして使用されることになる。また、ハンドピースの筐体に対して着脱可能なプローブを有する三次元スキャナについて説明したが、ハンドピース全体を滅菌できる構造であればプローブがない三次元スキャナに対して本実施の形態１〜５で説明した構成を適用してもよい。
【００７２】
本発明の実施の形態１に係る三次元スキャナでは、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光路長と、光源部８１の一部から基準部８３を経て光学センサ８５の一部に至る光路長とを調整するために、基準部８３側の光路上に光路長調整部８４が設けられていると説明した。しかし、光源部８１から対象物２００を経て光学センサ８５に至る光路長と、光源部８１の一部から基準部８３を経て光学センサ８５の一部に至る光路長とを相対的に調整することができれば、光路長調整部は何れの光路上に設けられていてもよい。もちろん、基準部８３側の光路上および対象物２００側の光路上の両方に光路長調整部を設けてもよい。また、リレーレンズやイメージガイドを用いて光路内の所定の位置に基準部８３や対象物２００の像を形成することで、形成された各像の位置にあたかも本物の基準部８３や対象物２００が置かれているのと等価とみなすことができる。そのため、光路長調整部８４は、実際に基準部８３や対象物２００が置かれている位置に対してではなく、形成された各像の位置に対して光路長を規定し、当該光路長を調整するよう構成されていてもよい。
【００７３】
また、本発明の実施の形態１〜５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。
【００７４】
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】
【００７５】
１０  プローブ、１２  筐体、１３  計測窓、１４  ミラー、１５  オフセットミラー、２０  接続部、３０  光学計測部、４０  制御部、５０  表示部、６０  電源部、８０，８０ｂ  ハンドピース、８２  焦点可変部、８２ｄ  液体レンズ、８３  基準部、８４  光路長調整部、８５，８５ｄ，８５ｄ１，８５ｄ２，８５ｄ３  光学センサ、８６，９３  コリメートレンズ、８８  ビームスプリッタ、９１，９２，９５  ライトガイド、９６  結像レンズ、９７  絞り部、９８  １／４波長板、９９  ダイクロイックミラー、１００  三次元スキャナ。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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