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公開番号2025106354
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-15
出願番号2025060895,2021576562
出願日2025-04-02,2020-06-24
発明の名称複数の小型カメラと複数の小型パターンプロジェクタを採用した口腔内3Dスキャナ
出願人アラインテクノロジー, インコーポレイテッド,Align Technology,Inc.
代理人個人
主分類G01B 11/25 20060101AFI20250708BHJP(測定;試験)
要約【課題】デジタル3次元画像を生成する方法であって、構造化光照明を使用した口腔内3次元イメージングできる方法を提供する。
【解決手段】3次元画像を生成する方法は、構造化光プロジェクタ(複数可)を駆動して口腔内3次元表面に光のパターンを投影するステップ62と、カメラ(複数可)を駆動して画像を捕捉し、画像はスポットのうち少なくとも1つを含むステップ64と、プロセッサを使用して、各カメラによって捕捉された一連の画像を比較し、画像に亘って投影パターンのどの部分が追跡され得るかを決定するするステップとを含み、一連の画像の比較に少なくとも部分的に基づいて、口腔内3次元表面の3次元モデルを構築する。
【選択図】図7
特許請求の範囲【請求項１】
デジタル３次元画像を生成する方法であって、
１つ以上の構造化光プロジェクタの各構造化光プロジェクタを駆動して、口腔内３次元表面上にパターンを投影するステップと、
１つ以上のカメラの各カメラを駆動して複数の画像を捕捉し、各画像は前記投影パターンの少なくとも一部分を含む、ステップと、
プロセッサを使用して、
前記１つ以上のカメラによって捕捉された一連の画像を比較するステップと、
前記一連の画像の比較に基づいて、前記一連の画像に亘って前記投影パターンのどの部分が追跡され得るかを決定するステップと、
前記一連の画像の前記比較に少なくとも部分的に基づいて、前記口腔内３次元表面の３次元モデルを構築するステップと、
を含む方法。
続きを表示（約 2,100 文字）【請求項２】
前記プロセッサを使用するステップは更に、前記プロセッサを使用して、
前記一連の画像の少なくとも１画像における前記投影パターンの前記追跡部分について対応アルゴリズムを解くステップと、
前記一連の画像の前記少なくとも１画像における前記追跡部分についての前記解かれた対応アルゴリズムを使用して、前記一連の画像の少なくとも別の画像における前記投影パターンの前記追跡部分について対応アルゴリズムを解き、前記対応アルゴリズムの前記解を使用して前記３次元モデルを構築するステップと、
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プロセッサを使用するステップは更に、前記プロセッサを使用して、
前記一連の画像全体を通して各画像における前記追跡部分の位置に基づいて、前記投影パターンの前記追跡部分についての対応アルゴリズムを解き、前記３次元モデルを構築するステップは、前記対応アルゴリズムの前記解を使用して前記３次元モデルを構築するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記１つ以上の構造化光プロジェクタは、前記１つ以上のカメラに対して空間的に固定されたパターンを投影する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記投影パターンは複数の投影光スポットを含み、前記投影パターンの前記部分は、前記複数の投影光スポットの一投影スポットｓに対応する、請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記プロセッサを使用して前記一連の画像を比較するステップが、前記プロセッサを使用して、
（ａ）前記１つ以上のカメラの各カメラのカメラセンサ上の各ピクセルに対応するカメラ光線と、（ｂ）前記１つ以上の構造化光プロジェクタの各構造化光プロジェクタからの前記投影光スポットの各投影光スポットに対応するプロジェクタ光線であって、各プロジェクタ光線が前記カメラセンサのうち少なくとも１カメラセンサ上の夫々のピクセルのパスに対応するプロジェクタ光線と、を示す格納された校正値に基づいて、前記一連の画像を比較するステップを含み、
前記投影パターンのどの部分が追跡され得るかを決定するステップは、前記一連の画像に亘って前記投影スポットｓのどれが追跡され得るかを決定するステップを含み、各追跡スポットｓは、夫々のプロジェクタ光線ｒに対応するピクセルのパスに沿って移動する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記プロセッサを使用するステップは更に、前記プロセッサを使用して、各追跡スポットｓについて、前記カメラの所与の１カメラ上の複数の可能なピクセルのパスｐを決定するステップを含み、パスｐは、夫々の複数の可能なプロジェクタ光線ｒに対応する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記プロセッサを使用するステップは更に、
前記プロセッサを使用して対応アルゴリズムを実行して、
前記可能なプロジェクタ光線ｒ各々について、
プロジェクタ光線ｒと、前記追跡スポットｓに対応する前記カメラの所与の１カメラの前記カメラ光線とに交差する夫々のカメラ光線に対応する夫々のスポットｑを、何個の他のカメラが、プロジェクタ光線ｒに対応する自身の夫々のピクセルのパスｐ１上で検出したかを特定するステップと、
最も多くの他のカメラが夫々のスポットｑを検出した所与のプロジェクタ光線ｒ１を特定するステップと、
プロジェクタ光線ｒ１を、前記追跡スポットｓを生成した前記特定のプロジェクタ光線ｒとして特定するステップと、を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記プロセッサを使用するステップは更に、前記プロセッサを使用して、
対応アルゴリズムを実行して、前記一連の画像に捕捉された、前記口腔内３次元表面上の複数の検出スポットの夫々の３次元位置を計算するステップと、
前記一連の画像の少なくとも１画像において、検出スポットが特定のプロジェクタ光線ｒに由来することを、前記検出スポットが前記特定のプロジェクタ光線ｒに対応する前記ピクセルのパスに沿って移動する追跡スポットｓであると特定することによって特定するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記プロセッサを使用するステップは更に、前記プロセッサを使用して、
対応アルゴリズムを実行して、前記一連の画像に捕捉された前記口腔内３次元表面上の複数の検出スポットの夫々の３次元位置を計算するステップと、
（ｉ）前記対応アルゴリズムによって計算された前記３次元位置に基づいて、特定のプロジェクタ光線ｒに由来すると特定され、且つ（ｉｉ）特定のプロジェクタ光線ｒに対応する前記ピクセルのパスに沿って移動する追跡スポットｓであると特定されないスポットを、前記口腔内３次元表面上の点として考慮することから除外するステップと、を含む請求項６に記載の方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に３次元イメージングに関し、より詳細には、構造化光照明を使用した口腔内３次元イメージングに関する。
続きを表示（約 3,200 文字）【背景技術】
【０００２】
被験者の口腔内３次元表面、例えば、歯や歯肉の歯科印象は、歯科処置を計画する為に使用される。従来の歯科用印象は、ＰＶＳやアルジネート等の印象材を詰めた歯科用印象トレイを使用して作られ、被験者はこれに噛みつく。印象材はその後固まり、歯と歯肉のネガティブインプリントとなり、そこから歯と歯肉の３次元モデルが形成され得る。
【０００３】
デジタル歯科印象は、口腔内スキャンを利用して被験者の口腔内３次元表面の３次元デジタルモデルを生成する。デジタル口腔内スキャナは、しばしば構造化光３次元イメージングを使用する。被験者の歯の表面は、反射率が高く、やや半透明である場合があり、これにより、歯から反射する構造化光パターンのコントラストが低下する場合がある。従って、構造化光３次元イメージングを利用するデジタル口腔内スキャナを使用する場合、口腔内スキャンの捕捉を向上させる為に、構造化光パターンのコントラストの使用可能なレベルを促進する為に、例えば、表面を散乱面にする為に、スキャン前に被験者の歯を不透明な粉末でコーティングすることが多い。構造化光３次元イメージングを利用した口腔内スキャナはある程度進歩しているが、更なる利点もあり得る。
【発明の概要】
【０００４】
構造化光３次元イメージングの使用は、構造化光パターン内の点と、パターンを検視するカメラによって見られる点との間の対応を決定する必要があるという「対応問題」に繋がり得る。この問題に対処する１つの技法は、「符号化された」光パターンを投影し、照明されたシーンを１つ以上の視点から撮像することに基づく。放出された光パターンを符号化することで、カメラシステムによって捕捉された時に、光パターンの一部が一意且つ特定可能になる。パターンが符号化されているので、画像の点と投影パターンの点との間の対応関係がより簡単に見つかる。復号された点は三角測量され、３Ｄ情報が復元される。
【０００５】
本発明の応用例は、１つ以上のカメラ、及び１つ以上のパターンプロジェクタを含む３次元口腔内スキャン装置に関連するシステム及び方法を含む。例えば、本発明の特定の応用例は、複数のカメラと複数のパターンプロジェクタを有する口腔内スキャン装置に関連し得る。
【０００６】
本発明の更なる応用例は、構造化された光パターンを復号する方法及びシステムを含む。
【０００７】
本発明の更に別の応用例は、符号化されていない構造化光パターンを利用する３次元口腔内スキャンのシステム及び方法に関し得る。
【０００８】
例えば、本発明の幾つかの特定の応用例では、口腔内スキャン装置が提供され、この装置は、遠位端にプローブを有する細長いハンドヘルドワンドを含む。スキャン中、プローブは被験者の口腔内に入るように構成されていてもよい。１つ以上の小型構造化光プロジェクタ及び１つ以上の小型カメラが、プローブの遠位端内に配置された剛体構造に結合されている。各構造化光プロジェクタは、レーザーダイオード等の光源を使用して光を伝送する。幾つかの応用例では、構造化光プロジェクタは、少なくとも４５度の照明野を有している。任意で、照明野は１２０度未満であってもよい。各構造化光プロジェクタは更に、パターン生成光学素子を含んでいてもよい。パターン生成光学素子は、回折及び／又は屈折を利用して光パターンを生成してもよい。幾つかの応用例では、光パターンは、離散した繋がっていない光スポットの分布であってもよい。任意で、光パターンは、光源（例えば、レーザーダイオード）が起動されてパターン生成光学素子を介して光を伝送した時に、パターン生成光学素子から１ｍｍから３０ｍｍの間に位置する全ての平面において、離散した繋がっていないスポットの分布を維持する。幾つかの応用例では、各構造化光プロジェクタのパターン生成光学素子は、光スループット効率、即ち、パターン生成器に降下する光のうちパターンに入る割合が、少なくとも８０％、例えば、少なくとも９０％であってもよい。各カメラは、カメラセンサと、１つ以上のレンズを含む対物光学系とを含む。
【０００９】
レーザーダイオード光源と、回折及び／又は屈折パターン生成光学素子は、幾つかの応用例では特定の利点を提供することができる。例えば、レーザーダイオード、回折及び／又は屈折パターン生成光学素子の使用は、使用中にプローブが加熱されるのを防ぐ為に、エネルギー効率の高い構造化光プロジェクタを維持するのに役立ち得る。更に、このようなコンポーネントは、プローブ内のアクティブ冷却を必要としない為、コストの削減に役立つ可能性がある。例えば、現在のレーザーダイオードは、（例えば、現在の発光ダイオード（ＬＥＤ）とは対照的に）高輝度で連続的に伝送しながら、使用電力は０．６ワット未満であり得る。本発明の幾つかの応用例によりパルス化された場合、これらの現在のレーザーダイオードは、更に少ない電力を使用する可能性があり、例えば、１０％のデューティサイクルでパルス化された場合、レーザーダイオードは０．０６ワット未満を使用する可能性がある（但し、幾つかの応用例では、レーザーダイオードは、高輝度で連続的に伝送している間、少なくとも０．２ワットを使用する可能性があり、パルス化された場合、更に少ない電力を使用する可能性があり、例えば、１０％のデューティサイクルでパルス化された場合、レーザーダイオードは少なくとも０．０２ワットを使用する可能性がある）。更に、回折及び／又は屈折パターン生成光学素子は、（例えば、光線の一部が対象物に当たるのを止めるマスクとは対照的に）透過光を、全てではなくとも殆ど利用するように構成されてもよい。
【００１０】
特に、回折及び／又は屈折に基づくパターン生成光学素子は、透明マスク又は透過マスクで行われるような光の変調ではなく、光の回折、屈折、若しくは干渉、又はこれらの任意の組み合わせによってパターンを生成する。幾つかの応用例では、パターンの「エリアベースのデューティサイクル」に関らず、光のスループット効率（パターン発生器に降下する光のうち、パターンに入る光の割合）がほぼ１００％、例えば少なくとも８０％、例えば少なくとも９０％になる為、このことが有利に働く場合がある。対照的に、透明マスクや透過マスクのパターン生成光学素子の光スループット効率は、「エリアベースのデューティサイクル」に直接関係する。例えば、望ましい「エリアベースのデューティサイクル」が１００：１の場合、マスクベースのパターン生成光学素子のスループット効率は１％であるのに対し、回折及び／又は屈折ベースのパターン生成光学素子の効率はほぼ１００％のままである。更に、レーザーの集光効率は、同じ総光出力のＬＥＤに比べて１０倍以上高く、これはレーザーの方が本質的に発光面積や発散角が小さい為、単位面積当たりの出力照度が明るくなることによる。レーザーや回折及び／又は屈折パターン発生器の高効率化により、熱効率の高い構成が可能となり、使用中にプローブが大きく加熱されることを制限し、プローブ内のアクティブ冷却の必要性を潜在的に排除又は制限する為、コストを削減する。幾つかの応用例では、レーザーダイオードやＤＯＥが特に好ましい場合があるが、これらは単独でも組み合わせても決して必須ではない。ＬＥＤ等の他の光源や、透明マスクや透過マスクを含むパターン生成素子は、アクティブ冷却の有無に関らず、他の応用例に使用され得る。
（【００１１】以降は省略されています）

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