(57)【要約】本発明は光学式三次元測定および色測定のための装置および方法に関し、この装置は、多色共焦点測定方式、三角測量測定方式または他の測定方式による光学式三次元測定のための第１のモードと、色測定のための第２のモードとの間で調整可能であり、第１のモードにおいて広帯域の照明光線が測定対象物表面の第１の平面に集束し、第２のモードにおいて広帯域の照明光線が、測定対象物の表面から一定の間隔ｄをおいて第１の平面の外部にある第２の平面に集束する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ（１２，４０，４１）を含む光学式三次元測定のための装置（１）であって、該装置は、多色共焦点測定方式、三角測量測定方式または他の測定方式による光学式三次元測定のための第１のモードと、色測定のための第２のモードとの間で調整可能であり、レンズ（１２，４０，４１）により第１のモードにおいて広帯域の照明光線（１４）を測定対象物表面（１６）の第１の平面（１５）に集束させることができ、第２のモードにおいて広帯域の照明光線（１４）を、レンズ（１２，４０，４１）により測定対象物の表面（１６）から一定の間隔ｄをおいて第１の平面（１５）の外部にある第２の平面（３０）に集束させることができることを特徴とする装置（１）。
【請求項２】
開口部（７）が、第１のモードにおいて多色共焦点測定方式を使用する場合、測定対象物表面（１６）に対して焦点を共有して観測光線（１８）の光線経路内へ揺動可能であり、第２のモードにおいて観測光線（１８）の光線経路外へ揺動可能であることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
照明光線（１４）は、少なくとも４００ｎｍから８００ｎｍの可視スペクトル領域の範囲において、光スペクトルに類似のスペクトルを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の装置（１）。
【請求項４】
切替可能な光源（５）によって、第１のモードにおいて広帯域のスペクトルを有する照明光線（１４）が、また第２のモードにおいて日光に類似するスペクトルを有する照明光線（１４）が生成可能であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項５】
揺動機構（４２）によって、第１のレンズ（４０）が第１のモードにおける作動のために、また第２のレンズ（４１）が第２のモードにおける作動のために照明光線（１４）の光線経路内に揺動可能であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項６】
第１のモードにおける作動のために第１のレンズ（４０）が、また第２のモードにおける作動のために第２のレンズ（４１）が使用者により照明光線（１４）の光線経路に適用可能であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の装置（１）であって、該装置（１）は光ファイバ（４）により互いに接続されている本体（２）およびハンドピース（３）から構成され、本体（２）は光源（５）、ビーム・スプリッタ（６）およびカラーセンサ（８）を含み、ハンドピース（３）はレンズ（１２，４０，４１）を含むことを特徴とする装置（１）。
【請求項８】
第１のモードにおける作動のために第１のレンズ（４０）を有する第１のハンドピース（３）が、また第２のモードにおける作動のために第２のレンズ（４１）を有する第２のハンドピース（３）が、使用者によって本体（２）と接続可能であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項９】
光源（５）、ビーム・スプリッタ、カラーセンサ（８）および（１２，４０，４１）を含む一体型の装置（１）がカバー（６０）で覆われていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１０】
照明光線（１４）が測定対象物の表面（１６）の第１の平面（１５）外の第２の平面（３０）に集束し、照明光線（１４）が不鮮明な円の形状の均一な明度を有する測定フィールドとして測定対象物の表面（１６）に不鮮明に投影されるように、第２のモードにおける色測定のためにレンズ（１２，４１）の焦点距離が選択されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１１】
照明光線（１４）は、平面上で互いに平行に延びる複数の部分光線（１４．１，１４．２，１４．３）から構成されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１２】
複数の部分レンズ（１２．１，１２．２，１２．３）を含むレンズ（１２）によって、個々の部分光線（１４．１，１４．２，１４．３）が、第１のモードにおいて測定対象物の表面（１６）の第１の平面（１５）に一列に配置されている集束点（１９．１，１９．２，１９．３）に集束し、第２のモードにおいて第１の平面（１５）外の第２の平面（３０）に一列に配置されている集束点（２１．１，２１．２，２１．３）に集束するため、部分光線（１２．１，１２．２，１２．３）が不鮮明な円（３１．１，３１．２，３１．３）の形状で測定対象物の表面（１６）に不鮮明に投影され、互いに重なって測定フィールドを形成することを特徴とする、請求項１１に記載の装置（１）。
【請求項１３】
装置（１）は照明光線（１４）を測定対象物に偏向させる偏向ミラーを有することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１４】
多色共焦点測定方式を使用する場合、装置（１）はレンズ（１２）とカラーセンサ（８）との間に開口部（７）を有し、このため対象物（１７）から反射した観測光線（１８）のスペクトル部分だけが、測定対象物表面（１６）の第１の平面（１５）に集束しているカラーセンサ（８）を通過することを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１５】
多色共焦点測定方式による三次元測定のための第１のモードにおける開口部の直径（７）が、色測定のための第２のモードにおける開口部の直径（７）よりも大きく、このため第１のモードにおける焦点深度が第２のモードにおける焦点深度より浅いことを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１６】
開口部（７）は制御可能であり、開口部の直径（７）は調整可能であることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の装置（１）。
【請求項１７】
第１のモードにおけるより大きい直径の開口部（７）を、第２のモードにおけるより小さい直径の開口部と交換可能であることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の装置（１）。
【請求項１８】
第１のモードにおける装置（１）の焦点深度が０．１ｍｍから１ｍｍであり、第２のモードにおける装置（１）の焦点深度が５ｍｍから３０ｍｍであることを特徴とする、請求項１４から１７のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１９】
第２のモードにおいて開口部の小さい直径（７）に基づく光量の低下が光源（５）の明度の増加により補償可能であり、このため色測定が可能になるように、光源（５）の明度が調整可能であることを特徴とする、請求項１４から１８のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項２０】
レンズ（１２，４０）と測定対象物（１７）との間に多色レンズ（３３）が配置され、多色レンズ（３３）が、第１のモードにおいて光学式三次元測定のために多色共焦点測定方式によって照明光線（１４）の光線経路に適用され、第２のモードにおいて色測定のために照明光線（１４）の光線経路から外側に揺動されることを特徴とする、請求項１４から１９のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項２１】
多色レンズ（３３）はレンズ（１４，４０）の構成要素であることを特徴とする、請求項１４から２０のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項２２】
多色レンズ（３３）は揺動軸（３４）の周りで観測光線（１４）の光線経路から外側に揺動可能であることを特徴とする、請求項１４から２１のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項２３】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置（１）であって、該装置（１）はスリムかつ弓状に形成され、このため患者の口腔内の歯の三次元測定および歯の表面の色測定が可能になることを特徴とする装置。
【請求項２４】
装置（１）が、多色共焦点測定方式、三角測量測定方式または他の測定方式による光学式三次元測定のための第１のモードと、色測定のための第２のモードとの間で調整され、この際第１のモードにおいて広帯域の照明光線（１４）が測定対象物の表面（１６）の第１の平面（１５）に集束し、第２のモードにおいて広帯域の照明光線（１４）が、第１の平面（１５）外の第２の平面（３０）上に測定対象物の表面（１６）から一定の間隔ｄをおいて集束することを特徴とする、光学式三次元測定および色測定のための方法。
【請求項２５】
開口部（７）は、第１のモードにおいて多色共焦点測定を使用する場合、測定対象物の表面（１６）と焦点を共有して観測光線（１８）の光線経路内に揺動され、第２のモードにおいて観測光線（１８）の光線経路外へ揺動されることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
切替可能な光源（５）により、第１のモードにおいて照明光線（１４）を広帯域のスペクトルによって生成し、第２のモードにおいて照明光線（１４）を日光に類似するスペクトルによって生成することを特徴とする、請求項２４または２５に記載の方法。
【請求項２７】
第１のモードから第２のモードへの装置（１）の調整において、揺動機構により第１のレンズが照明光線（１４）の光線経路外へ揺動され、第２のレンズが照明光線（１４）の光線経路内へ揺動されることを特徴とする、請求項２４から２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
第１のモードから第２のモードへの装置（１）の調整において、揺動機構により第２のレンズが照明光線（１４）の光線経路外へ揺動され、第１のレンズが照明光線（１４）の光線経路内へ揺動されることを特徴とする、請求項２４から２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
第１のモードから第２のモードへの装置（１）の調整において、使用者により第１のレンズ（４０）が照明光線（１４）の光線経路から取り出され、第２のレンズが照明光線（１４）の光線経路に適用されることを特徴とする、請求項２４から２８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
第２のモードから第１のモードへの装置（１）の調整において、第２のレンズ（４１）が照明光線（１４）の光線経路から取り出され、第１のレンズ（４０）が照明光線（１４）の光線経路に適用されることを特徴とする、請求項２４から２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
装置（１）が本体（２）とハンドピース（３）とから構成される場合、第１のモードにおいて第１のレンズを有する第１のハンドピース（３）が、また第２のモードにおける作動のために第２のレンズを有する第２のハンドピース（３）が使用者により本体（２）と接続されることを特徴とする、請求項２４から３０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３２】
色測定のための第２のモードにおいて、照明光線（１４）が測定対象物の表面（１６）の第１の平面外の第２の平面（３０）に集束し、このため照明光線（１４）が、均一な明度および日光に類似するスペクトルを有する不鮮明な円の形状を有する測定フィールドとして測定対象物の表面（１６）に集束することを特徴とする、請求項２４から３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
照明光線（１４）が複数の部分光線から構成される場合、個々の部分光線が、第１のモードにおいて測定対象物表面（１６）の第１の平面に一列に配置されている集束点に集束し、第２のモードにおいて測定対象物表面（１６）の第１の平面外の第２の平面（３０）に集束し、このため部分光線が測定対象物の表面（１６）に不鮮明に投影され、互いに重なってほぼ均一な明度を有する測定フィールドとなることを特徴とする、請求項２４から３２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３４】
多色共焦点測定方式を使用する場合、レンズ（１２）とカラーセンサ（８）との間の開口部（７）により、対象物（１７）から反射した観測光線（１８）のスペクトル部分のみが測定対象物表面（１６）の第１の平面（１５）に集束するカラーセンサ（８）を通過することを特徴とする、請求項２４から３３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３５】
第１のモードにおける多色共焦点測定方式による三次元測定のための開口部の直径（７）が、開口部手段によって第２のモードにおける色測定のための開口部の直径（７）よりも大きく設定され、このため第１のモードにおける焦点深度が第２のモードにおける焦点深度より浅くなることを特徴とする、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
開口部（７）が電気的に制御され、開口部の直径（７）が調整されることを特徴とする、請求項３４または３５に記載の方法。
【請求項３７】
第１のモードにおいてより大きい直径を有する開口部（７）が、第２のモードにおいてより小さい直径を有する開口部と交換されることを特徴とする、請求項３４または３５に記載の方法。
【請求項３８】
第１のモードにおける焦点深度が０．１ｍｍから１ｍｍの範囲に設定され、また第２のモードにおける焦点深度が５ｍｍから３０ｍｍの範囲に設定されることを特徴とする、請求項３４から３７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３９】
第２のモードにおいて小さい開口部の直径（７）に基づく光量の低下が光源（５）の明度の増加により補償され、これにより色測定が可能になるように光源（５）の明度が調整されることを特徴とする、請求項３４から３８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４０】
レンズ（１２、４０）と測定対象物（１７）との間に多色レンズ（３３）が配置され、該多色レンズ（３３）は、第１のモードにおいて光学式三次元測定のために多色共焦点測定方式によって照明光線（１４）の光線経路に適用され、第２のモードにおいて色測定のために照明光線（１４）の光線経路の外側へ揺動されることを特徴とする、請求項３４から３９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４１】
多色レンズ（３３）が第２のモードにおいて照明光線（１４）の光線経路外へ揺動されることを特徴とする、請求項１４から２１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式三次元測定および色測定のための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術より光学式三次元測定のための複数の装置が公知である。この装置は光学式測定方式、多色共焦点測定方式または三角測量測定方式に基づくことが多い。
【０００３】
さらに、色測定のための他の装置が従来技術より公知である。色測定では、測定対象物はスペクトルにおいて日光に類似する光線を照射され、反射した光線がＣＣＤカメラまたは分光計等のカラーセンサにより取得され、スペクトルが分析される。このスペクトルから測定対象物の色調を決定することができる。歯科医療においては、歯の代替部分を隣接する自然の歯の色に合わせて調整するために色測定が使用される。
【０００４】
このような装置の１つの欠点は、これらの装置は三次元測定だけ、または色測定だけにしか適さないという点である。特に歯科医療においては、三次元測定の情報も色測定の情報も歯の代替部分の計画のために必要である。したがって、これらの情報はそれぞれ独立して、一方では公知の三次元測定装置により、また他方では公知の色測定装置により取得され、コストがかかる。
【０００５】
したがって本発明の課題は、測定対象物に対する三次元測定も色測定も可能である装置を提供することである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は本発明により解決される。
【０００７】
本発明によると光学式三次元測定装置はレンズを有し、この装置は、多色共焦点測定方式、三角測量測定方式または他の測定方式による光学式三次元測定のための第１のモードと、色測定のための第２のモードとの間で調整可能であり、ここで、レンズにより、第１のモードにおいて広帯域の照明光線を測定対象物表面の第１の平面に集束させることができ、第２のモードにおいては広帯域の照明光線を、レンズにより測定対象物の表面から一定の間隔ｄをおいて第１の平面の外部にある第２の平面に集束させることができる。
【０００８】
三次元測定では測定対象物の表面情報を、多色共焦点測定方式または三角測量測定方式のような異なる測定方式を使用して検知することができる。この際広帯域の照明光線が測定対象物に対して向けられ、観測光線の形状の反射した光がこれに続いて分析される。
【０００９】
多色共焦点測定方式では、多色照明光線が測定対象物の表面に集束する。光の屈折における屈折角は屈折した光の波長に依存し、このため短波長の光線はレンズに近い集束点に集束し、長波長の光線はレンズから遠い集束点に集束する。照明光線の狭いスペクトル領域は測定対象物表面の第１の平面に正確に集束し、その他のスペクトル領域の測定対象物に対する投影は不鮮明であり、不鮮明な円が形成される。反射した照明光線は観測光線を形成し、観測光線はビーム・スプリッタによりカラーセンサの方向へ誘導される。ビーム・スプリッタとカラーセンサとの間で焦点を共有して配置された開口部により、測定対象物に集束された観測光線のスペクトル領域が開口部を通過し、測定対象物の表面に不鮮明に投影されたスペクトル領域が除去される。集束されたスペクトル領域の波長はスペクトル解析により決定され、これにより、測定対象物の絶対位置が照明光線の方向へ逸らされる。
【００１０】
三角測量測定方式では、照明光線が測定対象物に投影される。反射された観測光線は例えばＣＣＤカメラ等の画像センサにより検出される。照明光線および観測光線の位置および方向から、三角法による計算方式を使用して測定対象物までの距離を決定できる。この測定方式では観測光線はカラーセンサによりフィルタリングされずに検出されるため、焦点を共有して配置された開口部は使用されない。 
【００１１】
白色光干渉法の測定方式は、例えば白色光等の広帯域の光線の干渉を利用している。この測定方式では測定対象物から反射した観測光線の持続時間を、例えばマイケルソン干渉計等の干渉計によって、公知の光路長を参照として照明光線の持続時間と比較する。両光線の干渉によりサンプルが得られ、これにより相対光路長が導き出される。
【００１２】
屈折率測定法による測定方式では、測定対象物の表面への反射により観察される。グリッド画像の変形により局所的な表面の傾斜を決定でき、これにより測定対象物の三次元情報を作成できる。この際、広帯域の光線も使用可能である。
【００１３】
上記の三次元測定のための光学式測定方式では、広帯域の観測光線により一定の測定面の範囲内で測定対象物がスキャンされ、これにより測定面の表面情報が作成される。広帯域の照明光線は、好ましくは４００ｎｍから８００ｎｍの可視スペクトル領域を含むスペクトルを有する。照明光線は１つ以上の点状の光線、１つ以上の光帯またはその他の光パターンを示し得る。
【００１４】
色測定の測定方式では、日光のスペクトルに類似のスペクトルを有し、５０００Ｋから６０００Ｋの色温度を有する多色照明光線が、測定対象物に対して偏向されることが多い。これに続いて、ＣＣＤカメラまたは分光計のようなカラーセンサにより、反射した観測光線のスペクトルの経路が分析される。取得したスペクトルに基づき人間の目に対する色彩効果が推定され、測定対象物に色調が割り当てられ得る。
【００１５】
第１のモードでは照明光線が集束し、これにより、少なくとも多色の照明光線の波長を有する光が測定対象物の表面の第１の平面において集束点を有し、したがってこれらの波長の測定対象物の表面がカラーセンサに鮮明に投影される。多色の照明光線のその他の波長を有する集束点は、測定対象物の表面の第１の平面の上部または下部のいずれかに位置し、これにより、この波長の光はカラーセンサに不鮮明に投影される。第２のモードでは照明光線が測定対象物の表面の第１の平面外にある第２の平面に集束し、これにより表面が不鮮明に投影される。このため広帯域の照明光線は１つの点ではなく一定の直径を有する拡大された不鮮明な円に集束し、かつ集束点が測定対象物表面の第１の平面の前方に位置するケースだけでなく、集束点が測定対象物表面の第１の平面の公報に位置するケースを想定して集束する。照明光線は測定対象物の表面から不鮮明な円の範囲内で観測光線として反射され、色の決定のために使用される。
【００１６】
第１のレンズの焦点距離は、第１のモードにおいて、１つの波長の集束点が測定対象物の表面の第１の平面に位置するように設定される。第２のモードでは、焦点距離は全ての波長の集束点が測定対象物の表面の第１の平面外に位置するように設定される。このため、第１のモードと第２のモードとの切替えのために光学システムを交換する必要がなく、焦点距離を調整するだけでよい。焦点距離の調整はレンズの調整手段を揺動させて行うことが多く、この調整手段によりレンズの内部機構を調整し、焦点距離を変更する。調整はモータ制御されてもよく、または使用者により手動でなされてもよい。多色共焦点測定方式では焦点を共有する開口部がカラーセンサの前に配置され、次いで測定対象物の表面に集束したスペクトル領域の光線が通過する。第１のモードでこの測定方式が使用される場合、第１のモードから第２のモードへの切替えの際に開口部が観測光線の光線経路から揺動され、観測光線のスペクトルを完全に分析することができる。
【００１７】
本発明に基づく装置によって三次元測定と色測定の両方とも実行可能となり、有利である。この際両方のモードにおいて、広帯域の照明光線を発する同一の光源および同一のカラーセンサが使用される。したがって、特に歯科医療において歯の代替部分の計画における歯の三次元測定および色測定が単一の装置によって可能となる。
【００１８】
さらに、両方のモードを有する本発明の装置において色測定装置および三次元測定装置が一体化されることにより、コスト負担および必要スペースが削減されることも有利である。
【００１９】
第１のモードにおいて多色共焦点測定方式を使用する際、開口部は測定対象物の表面に対して焦点を共有して観測光線の光線経路内へ揺動可能であり、第２のモードにおいて観測光線の光線経路外へ揺動可能であることが有利である。
【００２０】
開口部は軸周りに揺動可能に配置されてもよく、このため光線経路に対して横方向に揺動される。第１のモードでは、多色共焦点測定方式を使用の際に開口部が焦点を共有して配置され、これにより、測定対象物の表面に不鮮明に投影されたスペクトル領域が除外される。三角測量測定方式では、焦点を共有して配置された開口部は使用されない。色測定のための第２のモードでは、開口部は光線経路から外に向かって揺動し、これにより観測光線の全領域がカラーセンサにより取得される。
【００２１】
照明光線は、少なくとも４００ｎｍから７００ｎｍの可視スペクトル領域の範囲内で、日光のスペクトルに類似のスペクトルを有することが有利である。
【００２２】
したがって、このような照明光線は日光の光学効果を有する。
【００２３】
これにより第２のモードにおける色測定は、日光のもとでの測定対象物の照明をシミュレートした照明光線で実行される。したがって色測定では、測定対象物から反射した、日光のもとでの測定対象物の光学効果に対応する観測光線が分析され、その色調が決定される。三次元測定のための第１のモードおよび第２のモードでは、５０００から６０００Ｋの色温度における日光と類似するスペクトルを有する同一の光源が使用されてもよい。
【００２４】
切替可能な光源により、第１のモードにおいて広帯域のスペクトルを有する照明光線が生成可能であり、また第２のモードにおいては日光と類似するスペクトルを有する照明光線が生成可能であることが有利である。
【００２５】
切替可能な光源では、第１のモードで広域スペクトルを有する白色光源が、また第２のモードで日光と類似するスペクトルを有する他の光源が使用されてもよい。両モード間の切替えにおいては光源が交換されるか、または光源のスペクトルが相応して変更される。例えば複数の多色のＬＥＤは、これらのスペクトルが重なることによって日光と類似するスペクトルまたは広帯域の白色スペクトルが生成されるように作動される。多色共焦点測定方式の効果において、広帯域スペクトルの明度の波長に依存した推移はごくわずかであるため、広帯域のスペクトルは異なる波長において複数の最大値および最小値を有し得る。
【００２６】
揺動機構により、第１のモードにおける作動のための第１のレンズおよび第２のモードにおける作動のための第２のレンズが、照明光線の光線経路へ揺動可能であることが有利である。
【００２７】
第１のレンズの焦点距離は照明光線が測定対象物表面の第１の平面に集束するように測定されており、第２のレンズの焦点距離は照明光線が測定対象物表面の第１の平面外の第２の平面に集束するように測定されている。両モード間での切替えの際は、対応するレンズが揺動機構により照明光線の光線経路へ揺動される。これにより、装置のその他の光学構造はそのまま維持され、揺動機構は、例えば回転ボタンまたは制御レバー等のシャッターによって両モード間で調整可能である。調整はモータ制御により、または使用者により手動でなされてもよい。 
【００２８】
第１のモードでの作動のために第１のレンズが、また第２のモードでの作動のために第２のレンズが、使用者により照明光線の光線経路に対して適用可能であることが有利である。
【００２９】
装置には例えば柔軟な伸張留め具のような固定手段を装着でき、これにより照明光線の光線経路における正確な位置決めが可能になる。これにより、使用者はレンズの交換によって装置のモードを切り替えることができる。装置のカバーでは、両モードにおいて固定焦点距離を有するそれぞれ１つのレンズだけが場所を必要とするため、装置の規模を小さく構成できることが有利である。
【００３０】
装置は光ファイバにより互いに接続されている本体およびハンドピースから構成されることが有利であり、本体は、光源、ビーム・スプリッタおよびカラーセンサを有し、ハンドピースはレンズを有する。
【００３１】
装置の本体は固定して取り付けられている。本体の光源は、日光のスペクトルに相応するか、またはこれに可能な限り類似する、多色のスペクトルを有する照明光線を発する。照明光線はビーム・スプリッタを通過し、光ファイバを通ってハンドピースに向けられる。ハンドピースでは、照明光線がレンズにより第１のモードにおいて測定対象物表面の第１の平面に収束し、第２のモードにおいて測定対象物表面の第１の平面外にある第２の平面に集束する。測定対象物から反射した観測光線は光ファイバを通って本体に戻され、ビーム・スプリッタによりカラーセンサに偏向される。次いでカラーセンサの画像データが、画像分析のために画像分析ユニットへデータケーブルまたは無線機により伝送される。
【００３２】
これによりハンドピースを本体から独立して動かすことができるため、操作がより快適になる。さらに、ハンドピースはレンズを有し、また場合によっては偏向ミラーのみを含み、光源、ビーム・スプリッタおよびカラーセンサのようなその他の光学部品は本体に組み込まれているため、ハンドピースのサイズをスリムに構成することができる。特に歯科医療の目的で装置を使用する場合、患者の口腔内の歯等の測定対象物に到達しやすくなる。
【００３３】
第１のモードにおける作動のために第１のレンズを有する第１のハンドピースが、また第２のモードにおける作動のために第２のレンズを有する第２のハンドピースが、使用者により本体と接続可能であることが有利である。
【００３４】
ハンドピースの交換により装置のモードが切り替わる。第２のモードでは照明光線のハンドピースに対する位置は変化せずに維持され、第１のモードでは、照明光線は測定フィールドの光学スキャンのための振動スキャン動作を実行する。このスキャン動作は例えば相応して揺動される回転ミラーにより生成され得る。第１のモードでは回転ミラーのようにスキャン動作を生成するための機構が不要であるため、第２のハンドピースは第１のハンドピースより小型に構成することができる。
【００３５】
光源、ビーム・スプリッタ、カラーセンサおよびレンズを含む一体型装置はカバーで覆われ得ることが有利である。
【００３６】
装置は、全ての部品がカバーに装着されることによって一体型に構成されてもよい。次いでデータケーブルは装置と画像分析ユニットとを接続し、これによりカラーセンサのデータを分析する。ハンドピースと本体から構成される２部型の実施形態と比較して、柔軟な光ファイバが割愛される。
【００３７】
第２のモードでは色測定のために、照明光線が測定対象物の表面の第１の平面外の第２の平面に集束するように、また照明光線が均一な明度を有する不鮮明な円の形式の測定フィールドとして測定対象物の表面に不鮮明に投影されるように、レンズの焦点距離が選択され得ることが有利である。
【００３８】
これにより、色測定に必要となる均一な明度および日光に類似するスペクトルを有する測定フィールドがもたらされる。
【００３９】
照明光線は、１つの平面上で互いに平行に発せられる複数の部分光線から構成され得ることが有利である。
【００４０】
複数の部分光線では複数のレンズが使用され、このため部分光線が所望の態様で集束する。
【００４１】
これにより、部分光線によりスキャン動作と同時に測定対象物の表面が検知されるため、第１のモードでは三次元測定の所要時間が大幅に短縮され得る。第２のモードでは、個々の部分光線により、帯状の測定フィールドへと積層する測定対象物の表面に複数の不鮮明な円を投影する。この測定フィールドは日光と類似するスペクトルおよび均一に配分された明度を有するため、色測定に適している。
【００４２】
複数の部分レンズを含むレンズにより、個々の部分光線が、第１のモードにおいて測定対象物の表面の第１の平面に一列に配置された集束点に集束し得ることが有利である。第２のモードでは、個々の部分光線が第１の平面外にある第２の平面に配置された集束点に集束してもよく、これにより、部分光線が不鮮明な円の形で測定対象物の表面に不鮮明に投影され、重なって測定フィールドとなる。
【００４３】
第１のレンズは個々の部分光線のための複数の部分レンズを含み、これらの焦点距離の制御は連結機構により互いに連結されているため、全ての部分レンズの焦点距離が同期して調節される。これにより、この部分光線の集束点は使用者により所望の態様で同時に移動され得る。
【００４４】
装置は、照明光線を測定対象物に対して偏向させる偏向ミラーを有し得ることが有利である。
【００４５】
照明光線は例えば直角に測定対象物に対して偏向されてもよい。これにより特に患者の口腔内において歯の測定が容易になる。
【００４６】
多色共焦点測定方式を使用する場合、装置はレンズとカラーセンサとの間に開口部を有し、これにより、測定対象物の表面の第１の平面に集束するカラーセンサに対して、対象物から反射した観測光線のスペクトル領域だけが通過し得ることが有利である。
【００４７】
焦点を共有して配置された開口部は、多色共焦点測定方式の重要な要素である。次いで、除去されたスペクトル領域の波長から、測定対象物の表面の絶対位置が照明光線の方向へ決定される。照明光線に対して垂直方向であるその他の位置の両座標は、カラーセンサの画像データにより決定される。
【００４８】
第１のモードにおける多色共焦点測定方式による三次元測定のための開口部の直径は、色測定のための第２のモードの開口部の直径より大きく、このため第１のモードの焦点深度は第２のモードの焦点深度より浅いことが有利である。
【００４９】
第１のモードでは開口部の直径はより大きく、これに伴い焦点深度は浅くなるため、観測光線が鮮明にカラーセンサに投影され、多色共焦点測定方式により鮮明に集束した波長から測定深度が計算され得る。第２のモードでは開口部の直径はより小さく、これに伴い焦点深度は深くなるため、全ての波長がほぼ鮮明に投影されて白色光フィールドに積層し、これらの波長はいずれも支配しない。この白色光フィールドはカラーセンサにより検出され、画像データは色測定に使用される。
【００５０】
開口部が制御可能であり、開口部の直径が調整可能であることが有利である。
【００５１】
開口部は、直径が虹彩開口部の外側リングの回転により調整可能な虹彩開口部であってもよい。
【００５２】
第１のモードにおいてより大きな直径を有する開口部は、第２のモードでより小さな直径を有する開口部と交換されてもよい。
【００５３】
第１のモードにおいてより大きな直径を有する開口部は、機械的手段を使用して第２のモードでより小さな直径を有する開口部と交換可能であることが有利である。
【００５４】
第１のモードにおける装置の焦点深度は０．１ｍｍから１ｍｍであり、第２のモードにおける装置の焦点深度は５ｍｍから３０ｍｍであることが有利である。
【００５５】
第１のモードにおける０．１ｍｍから１ｍｍの焦点深度範囲は、特に測定対象物の表面の座標を多色共焦点測定方式により得るために適している。例えば２０ｍｍの高さを有する歯のような対象物に投影された光フィールドは均一に明度が配分され、および白色の、有利には日光と類似するスペクトルを有する必要があるため、第２のモードにおける５ｍｍから３０ｍｍの焦点深度範囲は特に色測定に適している。焦点深度範囲外においては鮮明に投影された波長が支配する。
【００５６】
第２のモードにおいて、小さい開口部の直径に基づく光量の低下が光源の明度の増加により補償されることによって色測定が可能になるように、光源の明度が調整可能であることが有利である。
【００５７】
色測定のためには検出された観測光線の所定の明度が必要である。小さい開口部の直径に基づく少ない光量を補償するために、また必要な光フィールドの明度を達成するために、光源の明度が増加される。
【００５８】
レンズと測定対象物との間に多色レンズが配置され得ることが有利であり、第１のモードにおける多色レンズは光学式三次元測定のために多色共焦点測定方式によって照明光線の光線経路へもたらされ、第２のモードでは色測定のために照明光線の光線経路外へ揺動される。
【００５９】
多色レンズによって色収差の効果が高まり、これにより、異なる波長の集束点が明確に引き離される。これにより、観測光線においては、集束点が測定対象物の表面１６に正確に位置する波長１８がそれぞれ支配する。４００ｎｍの波長および、日光と類似するスペクトルの８００ｎｍの波長の集束点は互いに３０ｍｍ離れて位置し得る。このため、例えば歯のような対象物の高さがカバーされる。第２のモードでは多色レンズが揺動軸周りに照明光線から外側へ揺動され、これにより異なる波長の集束点が近付き、ほぼ重なる。重なった波長は日光に類似するスペクトルを有する均一な白色光フィールドを形成する。
【００６０】
多色レンズはレンズの構成要素であることが有利である。
【００６１】
多色レンズは、レンズとともに共通の光学ユニットとしてカバーの中に配置されてもよい。 
【００６２】
多色レンズは揺動軸周りに観測光線の光線経路から外側に揺動され得ることが有利である。
【００６３】
多色レンズはレンズから分離して揺動軸周りに揺動可能に配置されてもよい。揺動は電気的に作動される揺動手段によって機械的に生成されてもよい。
【００６４】
患者の口腔内の歯の三次元測定および歯表面の色測定が可能になるように、装置は細くかつ弓形に形成されていることが有利である。
【００６５】
本発明の装置は、特に歯の三次元測定および色測定のための歯科医療装置として使用可能である。歯表面および歯茎の三次元データ、ならびに歯表面の色調のような測定結果は、引き続き歯の代替部分の計画に使用され得る。
【００６６】
本発明の他の対象は光学式三次元測定および色測定のための方法であり、装置が、多色共焦点測定方式、三角測量測定方式または他の測定方式光学式による三次元測定のための第１のモードと、色測定のための第２のモードとの間で調整される。第１のモードでは広帯域の照明光線が測定対象物の表面の第１の平面に集束し、第２のモードでは広帯域の照明光線が第１の平面外にある第２の平面に、測定対象物の表面から一定の間隔ｄをおいて集束する。
【００６７】
第２のモードでは照明光線が測定対象物の表面に不鮮明に投影され、これにより色測定に適する不鮮明な円が生成される。
【００６８】
照明光線の集束のための光学システムとしてレンズを使用してもよい。レンズの焦点距離は、観測光線が第１のモードでは測定対象物の表面の第１の平面に集束し、第２のモードでは第２の平面に集束するように調整される。
【００６９】
本発明の方法の１つの利点は、両方のモードに対して同一の照明光線が使用され、両モード間の切替えが、例えばレンズ等の光学システムの焦点距離の調整により集束点まで達成されることである。
【００７０】
開口部が第１のモードにおいて多色共焦点測定方式を使用する場合、測定対象物の表面に対して焦点を共有して観測光線の光線経路の中へ揺動可能であり、第２のモードでは観測光線の光線経路外へ揺動可能であることが有利である。
【００７１】
第１のモードでは、焦点を共有して配置された開口部は多色共焦点測定方式を使用するための必要条件である。第２のモードでは開口部は外側へ揺動する。これは、外側へ揺動しないと観測光線を不必要に狭めることになるからである。
【００７２】
切替可能な光源により、第１のモードにおいて広帯域のスペクトルを有する照明光線が生成され、第２のモードにおいはて日光に類似のスペクトルを有する照明光線が生成され得ることが有利である。
【００７３】
これにより、光源を切り替える際にスペクトルをモードに相応して変更できる。三次元測定のためのスペクトルは、４００ｎｍから７００ｎｍの異なる波長を有する複数の個々のスペクトル領域から構成され得る。
【００７４】
装置の第１のモードから第２のモードへの調整の際に、揺動機構によって第１のレンズが照明光線の光線経路から外側に揺動可能であり、第２のレンズが照明光線の光線経路内へ揺動可能であることが有利である。
【００７５】
これにより、第１のモードから第２のモードへの切替えが第１のレンズを第２のレンズと交換することにより達成され、この際両方のレンズが装置のカバー内の揺動機構に取り付けられている。
【００７６】
装置の第２のモードから第１のモードへの調整の際に、揺動機構によって第２のレンズが照明光線の光線経路から外側に揺動可能であり、第１のレンズが照明光線の光線経路内へ揺動可能であることが有利である。
【００７７】
これにより、第２のモードから第１のモードへの切替えが、揺動機構によって第２のレンズを第１のレンズと交換することにより達成される。
【００７８】
装置の第１のモードから第２のモードへの調整の際に、使用者により第１のレンズが照明光線の光線経路から取り出され、第２のレンズが照明光線の光線経路へ適用されることが有利である。
【００７９】
これにより、第１のモードから第２のモードへの切替えが、第１のレンズを第２のレンズと交換することにより使用者によって手動で達成される。光線経路におけるレンズの正確な固定のために、クランプ留め具のようなクランプ装置が必要である。
【００８０】
第２のモードから第１のモードへの調整の際に、使用者により第２のレンズが照明光線の光線経路から取り出され、第１のレンズが照明光線の光線経路へ適用されることが有利である。
【００８１】
これにより、第２のモードから第１のモードへの切替えが、使用者によって手動で第２のレンズを第１のレンズと交換することにより達成される。
【００８２】
装置が本体とハンドピースとから構成される場合、第１のモードでは第１のレンズを有する第１のハンドピースを、また第２のモードでの作動のために第２のレンズを有する第２のハンドピースを、使用者により本体と接続可能であることが有利である。
【００８３】
これにより、第１または第２のハンドピースと、相応する焦点距離を有する第１または第２のレンズを接続することにより、両モード間の切替えが達成される。 
【００８４】
第２のモードでは色測定のために、照明光線が測定対象物の表面の第１の平面外にある第２の平面に集束可能であり、これにより照明光線が、均一な明度および日光に類似のスペクトルを有する不鮮明な円の形状の測定フィールドとして測定対象物の表面に投影され得ることが有利である。
【００８５】
照明光線の測定対象物の表面への不鮮明な投影により生成される、均一な明度および日光に類似のスペクトルを有する不鮮明な円が、色測定のための測定フィールドとして特に適している。
【００８６】
照明光線が複数部分光線から構成される場合、個々の部分光線は、第１のモードでは測定対象物の表面の第１の平面に一列で配置されている集束点に集束可能であり、第２のモードでは測定対象物の表面の第１の平面外にある第２の平面に集束可能であり、これにより部分光線が測定対象物の表面に不鮮明に投影され、測定フィールドにほぼ均一な明度で重なることが有利である。
【００８７】
多色共焦点測定方式を使用する場合、レンズとカラーセンサとの間の開口部により、対象物から測定対象物の表面の第１の平面に集束するカラーセンサに対して反射した観測光線のスペクトル部分のみが通過し得ることが有利である。
【００８８】
第１のモードにおける多色共焦点測定方式による三次元測定のために、開口部の直径は、第２のモードにおける色測定のための開口部の直径よりも開口部手段により大きくされ、これにより第１のモードの焦点深度が第２のモードの焦点深度よりも浅くなり得ることが有利である。開口部は電気的に制御され、開口部の直径が調整され得ることが有利である。
【００８９】
より大きい直径を有する第１のモードの開口部と、より小さい直径を有する第２のモードの開口部とが交換可能であることが有利である。
【００９０】
第１のモードの焦点深度が０．１ｍｍから１ｍｍの範囲で設定され、第２のモードの焦点深度が５ｍｍから３０ｍｍの範囲で設定され得ることが有利である。
【００９１】
第２のモードにおける小さい開口部の直径に基づく光量の低下が、光源の明度の増加により補償されることによって色測定が可能になるように、光源の明度が調整され得ることが有利である。
【００９２】
レンズと測定対象物との間に多色レンズが配置可能であり、多色レンズが、第１のモードにおいて多色共焦点測定方式による光学式三次元測定のために照明光線の光線経路に適用され、第２のモードにおいて色測定のために照明光線の光線経路外へ揺動されることが有利である。
【００９３】
多色レンズは、第２のモードにおいて観測光線の光線経路外へ揺動可能であることが有利である。
【００９４】
本発明の実施例を図に示す。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】光ファイバによって接続された本体とハンドピースとから構成される、光学式三次元測定および色測定のための装置を示す。
【図２】色測定のための第２のモードにおける図１の装置を示す。
【図３】揺動機構を有する第１のモードにおける図１の装置を示す。
【図４】色測定のための交換可能なレンズを有する第２のモードにおける図１の装置を示す。
【図５】一体型の実施形態における、三次元測定のための第１のモードにおける図１の装置を示す。
【図６】図１の装置の別の実施形態の要素としての、色測定のための第２のハンドピースを示す。
【図７】３つの部分光線から構成される照明光線を有する図１の装置を示す。
【図８】多色共焦点測定方式の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００９６】
図１は光ファイバ４によって接続されている本体２およびハンドピース３から構成される、光学式三次元測定および色測定のための本発明の装置１を示す。本体２は光源５、ビーム・スプリッタ６、開口部７およびカラーセンサ８を含む。開口部７は軸９の周りで回転可能に配置され、横方向に揺動され得る。ハンドピース３は固定的に組み付けられた第１の偏向ミラー１０、回転ミラー１１、レンズ１２および第３の偏向ミラー１３を含む。光源５は部分的に透明なビーム・スプリッタ６を通過する照明光線１４を発し、光ファイバ４によりハンドピース３へ偏向され、そこで第１の偏向ミラー１０により回転ミラー１１へ偏向され、回転ミラー１１により第３の回転ミラー１３の方向へ逸らされ、レンズ１２により測定対象物表面１６の第１の平面１５に集束し、第３の偏向ミラー１３により測定対象物１７の方へ逸らされる。この場合、測定対象物１７および測定対象物の表面１６は、患者の口腔内の歯および測定される歯の表面１６である。照明光線１４は歯の表面１６から観測光線１８として反射される。照明光線１４は日光と類似するスペクトルを有し、明度の配分は照明光線１４の断面により均一になる。観測光線は第３の偏向ミラー１３により回転ミラー１１の方向へ逸らされ、レンズ１２により拡大され、回転ミラー１１により第１の偏向ミラー１０へ逸らされ、光ファイバにより本体２へ再び案内され、そこでビーム・スプリッタ６によりカラーセンサ８の方向へ偏向される。光学式三次元測定のための第１のモードにおける装置１が示される。本実施例では、光学式三次元測定の測定方式として多色共焦点測定方式が使用される。多色共焦点測定方式では照明光線１４が測定対象物の表面１６の第１の平面１５に集束し、観測光線１８がビーム・スプリッタ６とカラーセンサ８の間で開口部７を通過する。開口部７は集束点１９と焦点を共有して配置される。光学屈折では、屈折角は屈折した光の波長に依存する。このため、より短い波長の照明光線１４のスペクトル領域は偏向ミラー１３近くの集束点２０に集束し、長波長の照明光線１４のスペクトル領域は偏向ミラー１３から遠く離れた集束点２１に集束する。集束点２０と集束点２１との間に集束点１９が位置し、集束点１９に照明光線１４の狭いスペクトル領域が集束する。この狭いスペクトル領域だけが測定対象物の表面１６に正確に集束し、観測光線１８のスペクトル領域として開口部７を通過する。観測光線１８のその他のスペクトル領域は測定対象物の表面１６に不鮮明に投影されるため、開口部７により除外される。狭いスペクトル領域の波長からカラーセンサ８が検出され、測定対象物の表面１６の絶対位置が照明光線１４の方向に決定可能である。照明光線１４に対して垂直方向の他の両座標の方向における測定対象物の情報は、カラーセンサ８の画像データから直接決定され得る。照明光線１４は振動によるスキャン動作２２を測定フィールド２３の限度範囲内で実行し、これにより、集束点１９および集束点１９’の位置が与えられる。スキャン動作２２は回転ミラー１１の軸２５周りにおける揺動運動２４により生成される。集束点の位置に依存して、測定フィールド２２の限度１９および１９’の範囲において異なる波長の狭帯域のスペクトル領域がそれぞれ歯表面１６に集束し、開口部７によって除去され、カラーセンサ８によって測定されることにより、歯の表面１６の絶対位置が決定される。異なる測定点における各スペクトル領域の波長の差異により、照明光線１４の方向の絶対位置が推測され得る。揺動運動２４の後の位置１１’における、レンズ１２により集束した照明光線１４を集束点１９’に偏向させる回転ミラー１１を破線で示す。焦点を共有して配置された開口部７は多色共焦点測定方式のためだけに使用され、軸９の周りで開口部を回転させることにより、色測定のための第２のモードでは観測光線１８の光線経路外へ揺動され得る。
【００９７】
図２は、第２のモードにおける色測定のための図１の装置１を示す。本体２は図１と比較して相違ないため図示されず、開口部７は観測光線１８の光線経路外へ揺動される。ハンドピース３は光ファイバ４により本体２と接続されている。図１のハンドピース３は第２のモードに切り替えられ、この際レンズ１２の焦点距離は照明光線１４が第２の平面３０に集束するように偏向される。第２の平面３０は測定対象物の表面１６の第１の平面１５に平行に配置され、これに対して一定の間隔ｄをおく。照明光線１４はこのため測定対象物の表面に不鮮明に投影され、不鮮明な円３１の形状の測定フィールドを生成する。この不鮮明な円は均一な明度および日光と類似するスペクトルを有し、このため色測定のための測定フィールドとして特に適している。反射した観測光線１８は図１の本体２のカラーセンサ８に偏向され、そのスペクトルが分析される。観測光線１８のスペクトルに基づき、この場合歯の表面である測定対象物の表面１６の色調が決定される。歯の表面の色測定は、特に歯の代替部分の計画において実行され、これにより色の代替部分の周囲の歯に対する色等価性が得られる。図１および図２の装置の１つの利点は、レンズ１２の焦点距離の調整だけによって両モード間の切替えがなされる点である。レンズ１２の焦点距離の調整はモータ制御または手動で、調整機構により、例えばレンズの一部の回転等によって達成される。色測定のために図１のスキャン動作２２が必要とされないため、回転ミラー１１は第２のモードでは揺動されない。照明光線１４は、１つの平面状で平行に相互に延びる複数の部分光線からも構成される。この場合、図１の光源５は部分光線を発する複数の部分光源から構成される。レンズ１２は個々の部分光線を集束点に集束する複数の部分レンズから構成され、これらの集束点は第１のモードでは第１の平面１５上に、また第２のモードでは第２の平面３０上に一列に配置されている。複数の部分光線を有する三次元測定では、三次元測定の所要時間が格段に短縮される利点がある。レンズ１２とカラーセンサ８との間に照明フィールド開口部３２が配置されている。照明フィールド開口部３２は調整可能な開口部であり、測定対象物１７の照らされた領域が第２の照明モードにおいて設定され、また測定フィールド２３のサイズが第１のモードにおいて設定される。レンズ１２と測定対象物１７との間に多色レンズ３３が配置されている。多色レンズ３３は、第１のモードでは光学式三次元測定のために多色共焦点測定方式によって照明光線１４の光線経路へ使用され、第２のモードでは色測定のために照明光線１４の光線経路外へ揺動される。多色レンズ３３は色収差効果を高め、このため異なる波長の集束点が明確に引き離される。これにより観測光線１８では、集束点が正確に測定対象物の表面１６に存在する波長がそれぞれ支配する。本実施形態では、４００ｎｍの波長を有する集束点と、日光と類似するスペクトルにおける８００ｎｍの波長を有する集束点は互いに３０ｍｍ離れている。このため、歯１７の測定深さがカバーされる。第２のモードでは多色レンズ３３は揺動軸３４の周りに照明光線１４から外側へ揺動され、このため異なる波長の集束点が近付き、互いにほぼ重なる。重なった波長は、このため日光に類似するスペクトルを有する均一な白色光フィールドを生成する。
【００９８】
図３は図１の装置の他の実施形態を示し、本体２は変更なく維持され、ハンドピース３は自由に可動する。ハンドピース３は第１のレンズ４０および第２のレンズ４１を含み、両レンズ４０、４１は揺動機構４２により軸４３の周りで照明光線１４の光線経路へ揺動可能である。レンズ４０の焦点距離第１は、照明光線１４が測定対象物の表面１６の第１の平面１５、すなわち歯表面に集束するように測定され、第２のレンズ４１の焦点距離は、照明光線１４が第２の平面３０に集束するように測定されている。両モード間での切替えの際は、相応するレンズ４０、４１が揺動運動４４の揺動機構４２により照明光線１４の光線経路内に揺動される。揺動機構４２は回転ボタン４５の形状のシャッターにより、シャフト４６を通して揺動機構と接続されている。両モード間の切替えは、使用者が回転ボタン４５を手動で回転して行う。揺動機構４２の調整はモータ制御によりなされてもよい。第１のレンズ４０は照明光線１４の光線経路に配置されている多色レンズ３３を含み、このため第１のレンズ４０が外側に揺動されると多色レンズ３３も照明光線１４の光線経路から外側に揺動される。
【００９９】
図４は装置１の第２のモードにおける他の実施形態を示し、図１の本体は変更なく維持され、ハンドピース３は代替実施形態を示す。両モード間での切替えの際は、第１のレンズ４０が第１のモードにおける作動のために、また第２のレンズ４１が第２のモードにおける作動のために使用者により手動で照明光線１４の光線経路へ適用される。この場合、第２のレンズ４２が使用され、照明光線１４が第２の平面３０に集束し、このため不鮮明な円３１が第２のモードにおける色測定のために測定対象物の表面１６に投影される。ハンドピース３は柔軟な伸張留め具の形状の固定手段５０を含み、これによりレンズ４０または４１の照明光線１４の光線経路における正確な位置決めが可能になる。レンズ４０と図示されていないカラーセンサ８との間に照明フィールド開口部３２が配置されている。
【０１００】
図５は一体型に構成された装置１の他の実施形態を示す。本実施形態では装置１の全ての部品がカバー６０に取り付けられている。部品には、光源５、ビーム・スプリッタ６、開口部７、カラーセンサ８、第１の偏向ミラー１０、回転ミラー１１、レンズ１２および第３の偏向ミラー１３が含まれる。データケーブル６１は装置と図示されていない画像分析ユニットとを接続し、カラーセンサ８のデータを画像分析のために伝送する。本実施形態では、両モード間の切替えは図１および図２に示すようにレンズ１２の焦点距離の調整によってなされる。装置１の一体型の構成は図３および図４に示す実施形態においても可能であり得る。装置１の一体型の構成の１つの利点は、柔軟な光ファイバ４を使用しなくてもよい点である。レンズ１２とカラーセンサ８との間に照明フィールド開口部３２が配置されている。
【０１０１】
図６は、図１の装置１の他の実施形態における構成要素としての、第２のハンドピース７０を示す。本実施形態では第１のモードから第２のモードへの切替えの際、図１の第１のハンドピース３が光ファイバ４から分離され、第２のハンドピース７０が光ファイバ４に接続されている。この際第１のハンドピース３はレンズ１２を有し、このレンズ１２の焦点距離は変更不可であり、常に第１のモード焦点距離に設定されている。第２のハンドピース７０は第２のレンズ４１を含み、照明光線１４が第２の平面３０上の集束点７１に集束し、これにより不鮮明な円３１が色測定のために測定対象物の表面１６に投影される。第１のハンドピースと第２のハンドピース７０との交換は使用者により手動でなされる。スキャン動作２２の生成のための回転ミラー１１が割愛されるため、第２のハンドピース７０は第１のハンドピース３よりも小型に構成されている。第２のモードにおける色測定のための第２のハンドピースは第２のレンズ４１を除いて構成することもでき、このため照明光線１４は集束せず直接測定対象物の表面１６に偏向ミラー１３によって偏向される。このために、照明光線１４は均一な明度の配分、および日光と類似するスペクトルを必要とする。レンズ１２と偏向ミラー１３との間に多色レンズ３３が照明光線１４の光線経路に配置されており、多色レンズ３３が揺動軸３４の周りで第２のモードにおいて照明光線１４から外側へ揺動される。
【０１０２】
図７は、３つの部分光線１４．１、１４．２および１４．３から構成される照明光線１４を有する図１の装置の他の実施形態を示す。照明光線１４の部分光線１４．１、１４．２および１４．３は、互いに隣接する一列に配置された３つの光源５．１、５．２および５．３から発せられ、ビーム・スプリッタ６を通過し、光ファイバ４によりハンドピース３へ導かれ、ここで第１の偏向ミラー１０により回転ミラー１１へ逸らされ、回転ミラー１１により第３の偏向ミラー１３の方向へ逸らされ、第３の偏向ミラー１３により歯の形状の測定対象物１７へ逸らされる。回転ミラー１１と第３の偏向ミラー１３との間には３つのレンズ１２．１、１２．２および１２．３が配置されており、これらによって、個々の部分光線１４．１、１４．２および１４．３が第１のモードにおいて第１の平面１５集束点１９．１、１９．２および１９．３に集束し、第２のモードにおいては第２の平面３０の集束点２１．１、２１．２および２１．３に集束する。第１のモードにおける照明光線１４の部分光線１４．１、１４．２および１４．３が実線で示されている。第２のモードにおける照明光線１４の部分光線１４．１’、１４．２’および１４．３’は破線で示されている。部分光線１４．１、１４．２および１４．３は、測定対象物の表面１６から観測光線１８の部分光線１８．１、１８．２および１８．３から反射される。第２のモードでは部分光線１８．１’、１８．２’および１８．３’が破線で示されている。三次元測定のために多色共焦点測定方式が使用される第１のモードでは、観測光線１８の部分光線１８．１、１８．２および１８．３が個々の開口部７．１、７．２および７．３を通過し、図１で述べたように、測定対象物の表面１６に正確に集束する狭帯域のスペクトル領域だけが除去される。これらの狭帯域のスペクトル領域はカラーセンサ８により個々に検出され、これらの狭帯域のスペクトル領域波長に基づいて測定対象物の表面１６の絶対位置が、照明光線１４部分光線１４．１、１４．２および１４．３の方向に決定される。回転ミラー１１の回転運動２４により、既に図１で述べたように、個々の照明光線１４．１、１４．２および１４．３が同時にスキャン動作を行う。照明光線１４の部分光線１４．１、１４．２および１４．３が同時のスキャン動作により測定対象物の表面１６を検知できるため、図１の装置１と比較して、同一面の測定フィールドの三次元測定に必要な時間が格段に短縮される。集束点１９．１、１９．２および１９．３は互いに隣接して一列に第１の平面１５に配置されている。
【０１０３】
第２のモードでは、部分開口部７．１、７．２および７．３を有する開口部７が、個々の観測光線の部分光線１８．１、１８．２および１８．３の光線経路から外側に揺動されるため、スペクトル全域がカラーセンサ８により検出される。第１のモードから第２のモードへの装置１の切替えの際、個々の部分レンズ１２．１、１２．２および１２．３の焦点距離が同時に変更され、このため集束点１９．１、１９．２および１９．３が集束点２１．１、２１．２および２１．３の方へずらされる。個々の部分レンズ１２．１、１２．２および１２．３の焦点距離の制御は連結機構により互いに連結される。焦点距離は使用者により手動で制御されても、またはモータ制御されてもよい。複数の部分光線から構成される照明光線は図３〜６の装置でも使用される。部分光線１４．１’、１４．２’および１４．３’は測定対象物の表面１６に不鮮明に投影され、均一な明度および日光と類似するスペクトルを有する不鮮明な円３１．１、３１．２および３１．３が生成される。図７では、不鮮明な円３１．１、３１．２および３１．３が破線で示され、これらの円は互いに重ならないため不鮮明な円の範囲内のみで色測定がなされる。焦点距離が大幅に変更されるか、または個々の平行な部分光線１４．１、１４．２および１４．３が互いにより近付くように配置される場合、個々の不鮮明な円３１．１、３１．２および３１．３が重なり得る。不鮮明な円が重なる場合、色測定に適した帯状の測定フィールドが生成される。第２のモードでは回転ミラー１１は、既に図２で述べたように固定されたままである。
【０１０４】
図８は多色共焦点測定方式の概略図である。光源５は、日光と類似するスペクトルを有するとともに短波長の青色の光、中波長の緑色の光および長波長の赤色の光を含む多色の照明光線１４を生成する。照明光線１４はビーム・スプリッタ６を通過し、レンズ１２により集束する。光学屈折において屈折角は屈折した光の波長に依存するため、照明光線１４の中波長１４’の緑色のスペクトル領域は、測定対象物１７の測定対象物の表面１６に集束し、照明光線１４の短波長１４’’の青色のスペクトル領域は測定対象物の表面１６上側の集束点２０に集束し、短波長１４’’’の赤色のスペクトル領域は測定対象物の表面１６下側の集束点２１に集束する。これにより、中波長１４’の緑色のスペクトル領域だけが測定対象物の表面１６に鮮明に投影され、青色のスペクトル領域１４’’および赤色のスペクトル領域１４’’’は測定対象物の表面１６に不鮮明な円３１の形状で不鮮明に投影される。照明光線１４は測定対象物の表面１６から観測光線１８として反射され、ビーム・スプリッタ６によりカラーセンサ８の方向へ偏向される。ビーム・スプリッタ６とカラーセンサ８との間に、開口部７が集束点１９と焦点を共有して測定対象物の表面１６に配置されている。したがって、中波長の緑色のスペクトル領域１８’のみが開口部７を通過し、観測光線１８の青色のスペクトル領域１８’’および赤色のスペクトル領域１８’’’は除去される。カラーセンサ８の画像データのスペクトルが分析され、緑色のスペクトル領域１８’の波長λｉが決定される。この波長λｉから、測定対象物の表面１６の絶対位置が照明光線１４の方向へ決定される。この装置の測定範囲ΔＺは、外側のスペクトル領域の照明光１４’’および１４’’’の２０と集束点２１との間に位置し、この範囲内で測定対象物の表面１６の絶対位置が決定され得る。したがって測定範囲ΔＺは照明光線１４のスペクトル幅とともに増加する。多色共焦点測定方式の単色共焦点測定方式に対する利点は、焦点を光線方向に沿って移動させるためにレンズ１２の焦点距離を偏向する必要が無い点である。レンズ１２と対象物１２との間に多色レンズ３３が照明光線１４の光線経路に配置されており、これにより集束点２０、２１が測定範囲ΔＺにおいて互いに引き離される。測定範囲ΔＺは３０ｍｍである。
【符号の説明】
【０１０５】
１  装置 
２  本体 
３  ハンドピース 
４  光ファイバ 
５  光源 
６  ビーム・スプリッタ 
７  開口部 
８  カラーセンサ 
９  軸
１０  偏向ミラー 
１１  回転ミラー 
１２  レンズ 
１３  偏向ミラー 
１４  照明光線
１５  第１の平面
１６  測定対象物表面
１７  測定対象物 
１８  観測光線
１９  集束点
２０  短波長のスペクトル領域の集束点
２１  長波長のスペクトル領域の集束点
２２  スキャン動作 
２３  測定フィールド 
２４  揺動運動
２５  軸
３０  第２の平面
３１  不鮮明な円 
４０  第１のレンズ 
４１  第２のレンズ 
４２  揺動機構 
４３  軸
４４  揺動運動
４５  回転ボタン 
４６  シャフト
５０  固定手段 
６０  カバー 
７０  第２のハンドピース 
７１  集束点
１４．１、１４．２、１４．３  部分光線
５．１、５．２、５．３  部分光源
１２．１、１２．２、１２．３  部分レンズ
１９．１、１９．２、１９．３  集束点
２１．１、２１．２、２１．３  集束点 
１４．１’、１４．２’、１４．３’  部分光線
３１．１、３１．２、３１．３  不鮮明な円
１４’、１４’’、１４’’’  照明光線のスペクトル領域
１８’、１８’’、１８’’’  観測光線のスペクトル領域
ｆ  焦点距離 
ΔＺ  測定範囲
【図１】
2011529567.tif 000003
【図２】
2011529567.tif 000004
【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】
2011529567.tif 000009
【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年11月15日(2010.11.15)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ（１２，４０，４１）を含む光学式三次元測定のための装置（１）であって、該装置は、多色共焦点測定方式による光学式三次元測定のための第１のモードと、色測定のための第２のモードとの間で調整可能であり、この際レンズ（１２，４０）により第１のモードにおいて広帯域の照明光線（１４）を測定対象物表面（１６）の第１の平面（１５）に集束させることができ、第２のモードにおいて広帯域の照明光線（１４）を、レンズ（１２，４１）により測定対象物の表面（１６）から一定の間隔ｄをおいて第１の平面（１５）の外部にある第２の平面（３０）に集束させることができ、全ての波長の照明光線（１４）の焦点が第１の平面外にあり、かつ照明光線（１４）が不鮮明な円の形状を有する測定フィールドとして測定対象物表面（１６）に不鮮明に投影されるように、第２のモードにおいて色測定のためにレンズ（１２，４１）の焦点距離が選択可能であることを特徴とする装置（１）。
【請求項２】
レンズは第１のレンズ（４０）と第２のレンズ（４１）を含み、揺動機構（４２）によって、第１のレンズ（４０）が第１のモードにおける作動のために、また第２のレンズ（４１）が第２のモードにおける作動のために照明光線（１４）の光線経路内に揺動可能であることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
レンズは第１のレンズ（４０）と第２のレンズ（４１）を含み、第１のモードにおける作動のために第１のレンズ（４０）が、また第２のモードにおける作動のために第２のレンズ（４１）が使用者により照明光線（１４）の光線経路に適用可能であることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１）。
【請求項４】
請求項１に記載の装置（１）であって、該装置（１）は光ファイバ（４）により互いに接続されている本体（２）およびハンドピース（３）から構成され、本体（２）は光源（５）、ビーム・スプリッタ（６）およびカラーセンサ（８）を含み、ハンドピース（３）はレンズ（１２，４０；４１）を含み、第１のモードにおける作動のために第１のレンズ（４０）を有する第１のハンドピース（３）が、また第２のモードにおける作動のために第２のレンズ（４１）を有する第２のハンドピース（３）が、使用者によって本体（２）と接続可能であることを特徴とする装置。
【請求項５】
照明光線（１４）は、平面上で互いに平行に延びる複数の部分光線（１４．１，１４．２，１４．３）から構成され、複数の部分レンズ（１２．１，１２．２，１２．３）を含むレンズ（１２）によって、個々の部分光線（１４．１，１４．２，１４．３）が、第１のモードにおいて測定対象物の表面（１６）の第１の平面（１５）に一列に配置されている集束点（１９．１，１９．２，１９．３）に集束し、第２のモードにおいて第１の平面（１５）外の第２の平面（３０）に一列に配置されている集束点（２１．１，２１．２，２１．３）に集束するため、部分光線（１２．１，１２．２，１２．３）が不鮮明な円（３１．１，３１．２，３１．３）の形状で測定対象物の表面（１６）に不鮮明に投影され、互いに重なって測定フィールドを形成することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項６】
測定対象物表面（１６）と焦点を共有して観測光線（１８）の光線経路に配置されている開口部の直径（７）が、多色共焦点測定方式による三次元測定のための第１のモードにおいて、色測定のための第２のモードにおける開口部の直径（７）よりも大きく、このため第１のモードにおける焦点深度が第２のモードにおける焦点深度より浅いことを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項７】
開口部（７）は制御可能であり、開口部の直径（７）は調整可能であることを特徴とする、請求項６に記載の装置（１）。
【請求項８】
第１のモードにおけるより大きい直径の開口部（７）を、第２のモードにおけるより小さい直径の開口部と交換可能であることを特徴とする、請求項６に記載の装置（１）。
【請求項９】
装置（１）が、多色共焦点測定方式による光学式三次元測定のための第１のモードと、色測定のための第２のモードとの間で調整され、この際第１のモードにおいて広帯域の照明光線（１４）が測定対象物の表面（１６）の第１の平面（１５）に集束し、第２のモードにおいて広帯域の照明光線（１４）が、第１の平面（１５）外の第２の平面（３０）上に測定対象物の表面（１６）から一定の間隔ｄをおいて集束し、第２のモードにおいて色測定のために照明光線（１４）が第２の平面（３０）に集束し、このため全ての波長の照明光線（１４）の焦点が第１の平面（１５）外にあり、かつ照明光線（１４）が、日光に類似するスペクトルを有する不鮮明な円の形状の測定フィールドとして測定対象物表面（１６）に投影されることを特徴とする、光学式三次元測定および色測定のための方法。
【請求項１０】
第１のモードから第２のモードへの装置（１）の調整において、揺動機構により第１のレンズが照明光線（１４）の光線経路外へ揺動され、第２のレンズが照明光線（１４）の光線経路内へ揺動されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
レンズが第１のレンズ（４０）と第２のレンズ（４１）を含み、第１のモードから第２のモードへの装置（１）の調整において、使用者により第１のレンズ（４０）が照明光線（１４）の光線経路から取り出され、第２のレンズが照明光線（１４）の光線経路に適用されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
装置（１）が本体（２）とハンドピース（３）とから構成される場合、第１のモードにおいて第１のレンズ（４０）を有する第１のハンドピース（３）が、また第２のモードにおける作動のために第２のレンズ（４１）を有する第２のハンドピース（３）が使用者により本体（２）と接続されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
照明光線（１４）が複数の部分光線から構成される場合、個々の部分光線が、第１のモードにおいて測定対象物表面（１６）の第１の平面に一列に配置されている集束点に集束し、第２のモードにおいて測定対象物表面（１６）の第１の平面外の第２の平面（３０）に集束し、このため部分光線が測定対象物の表面（１６）に不鮮明に投影され、互いに重なってほぼ均一な明度を有する測定フィールドとなることを特徴とする、請求項９から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
測定対象物表面（１６）と焦点を共有して観測光線（１８）の光線経路に配置されている開口部の直径（７）が、多色共焦点測定方式による三次元測定のための第１のモードにおいて、色測定のための第２のモードにおける開口部の直径（７）よりも開口部手段によって大きく設定され、このため第１のモードにおける焦点深度が第２のモードにおける焦点深度より浅くなることを特徴とする、請求項９から１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
開口部（７）が電気的に制御され、開口部の直径（７）が調整されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】
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