WO2006048163A2 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung von konturdaten und/oder optischen eigenschaften eines dreidimensionalen semitransparenten objekts - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erfassung von konturdaten und/oder optischen eigenschaften eines dreidimensionalen semitransparenten objekts Download PDF

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    • A61C19/00—Dental auxiliary appliances
    • A61C19/04—Measuring instruments specially adapted for dentistry

Definitions

  • the invention relates to a method for acquiring contour data and / or optical properties of a three-dimensional semitransparent object, in particular a semitransparent object in the dental field such as tooth or dental restoration, on the basis of an interference and / or autocorrelation measurement, wherein a beam of at least a light source of short coherence length er ⁇ is generated, the beam is passed through a beam splitter and is preferably directed by focusing on the object in the beam splitter from the beam a reference beam split off and is reflected by a reference beam along the reference mirror movable reference mirror, wherein by Moving the reference mirror, a position of a signal acquisition surface is set relative to the object, and the radiation reflected from the object and the reference mirror radiation in the beam splitter combined and overlaid in a pixel having image sensor it is possible to detect temporally and / or spatially changed signal patterns as the signal acquisition surface passes through the object,
  • the invention relates to a device for detecting contour data and / or optical properties of a three-dimensional semitransparent object, in particular a semitransparent object in the dental field such as tooth or Zahnres ⁇ tauration, comprising at least one light source short coherence length, for generating a beam, the beam on the one hand in a preferably on a focusing optics on the object conductive radiation component and on the other in a pointing on an adjustable reference mirror radiation splitting splitting Strahl ⁇ divider and a pixel having image sensor with reflected from the object and from the reference mirror and merged by the beam splitter radiation can be acted upon.
  • BESTATIGUNGSKOPIE A method of the abovementioned type is described, for example, in DE-A-43 09 056.
  • the known method is an interferometric method for determining the distance and the scattering intensity of scattering points. These are illuminated by a broadband, spatially partial, coherent light source and are located in one arm of an interferometer.
  • a light source for example, an incandescent lamp or a super-luminescent diode is specified.
  • the light is split into a spectrum and the information about the distance and the scattering intensity are determined from the brightness distribution in the spectrum.
  • a disadvantage of the method described is that the resolution in the z-direction, that is limited in the depth of the object.
  • US Pat. No. 6,697,164 describes a method and an apparatus in which the influence of scattered radiation by a confocal optic is reduced.
  • an array of incident light beams is introduced into an optical beam path, which is guided by a focusing optics on a sample surface.
  • the focusing optics define one or more focal planes in front of the sample surface in an optically variable position, each light beam having its focus at one of the one or more focal planes.
  • the rays generate a multiplicity of luminous points on the contour.
  • the intensity is recorded by each of these luminous points.
  • the above-mentioned steps are repeated several times, each time changing the position of the focal plane relative to the contour.
  • a luminaire-specific position is determined which corresponds to a position of the respective focal plane which leads to a maximum measured intensity of a respective reflected light beam.
  • data is generated that represents the topology of the contour.
  • the described device for detecting a top surface topology of a region of a three-dimensional structure comprises a sample with a contour to be scanned. Furthermore, a light source for generating an array of incident light beams, which are transmitted to the structure along an optical path, is provided in order to generate luminous dots on the area.
  • a light focusing optic defines one or more focal planes in front of the sample structure in a position that is changeable by the optics. Each light beam has its focus on one of the multiple focal planes.
  • a displacement mechanism is coupled to the focus optics to shift them relative to the structure along an axis defined by the incident light rays.
  • a detector is provided with an array of sensor elements for measuring the intensity of each of a plurality of light rays reflected from the light spots opposite to the incident light.
  • a processor is coupled to the detector for each Light beam to determine a luminaire-specific position. Since a reflected light beam reaches the maximum intensity when the reflection position is in the focal plane, its specific position can thus be determined. On the basis of the determined luminaire-specific positions, data of the topology of the area are generated.
  • WO-A-95/33971 discloses a method and a device for measuring the contour data of an object.
  • the interferometer principle is used, wherein a light source of short coherence length is used.
  • a light source of short coherence length is used.
  • the light rays passing through the beam are not separated from each other, but partly overlap.
  • US Pat. No. 5,321,501 discloses a method for measuring sizing or optical properties of biological samples, whereby the interferometer principle is also used.
  • rapidly varying biological samples may be simultaneously exposed to radiation from various optical sources. Each radiation source is assigned a detector. Through these measures, several areas of the sample are to be scanned simultaneously and simultaneously.
  • the present invention is based on the object, a method and a Vor ⁇ direction of the type mentioned in such a way that a precisehen ⁇ detection and can be done to the extent desired, a determination of the optical properties of the object.
  • an adaptation to the conditions of the object geometry and the optical properties should be made so far that the rays are adjustable to the desired extent.
  • the object is essentially achieved by dividing the beam bundle into spatially spaced parallel individual beams before impinging on the beam splitter, wherein the individual beams have a distance from one another such that an impact of reflected individual beams is indirect adjacent pixels of the image sensor is omitted. With the other, not illuminated by single beams pixels, the scattered radiation generated by a semi-transparent object is detected.
  • the invention is carried out with a grid of spaced light beams, d. H. with a bundle of rays of parallel light beams, so that scatters within the object to be measured between the reflected beams can be detected and the neighboring beams are not influenced.
  • provision is made in particular for the spacing of the individual light beams to be adjusted in such a way that two directly adjacent individual light beams impinge on pixels or pixel areas between which at least one pixel, preferably two to five pixels, are unaffected by a reflected light beam ,
  • each pixel illuminated by a reflected individual beam or each correspondingly illuminated pixel group is surrounded by a region which is not primarily illuminated, which in turn may be illuminated in the event of the occurrence of scattered light. Irrespective of this, this area exposed to stray light is referred to as a pixel or pixel area unburdened by a reflected individual light beam.
  • the light source may be white light.
  • the light can also be generated by at least one superluminescent diode or an array of single or multiple superluminescent diodes or at least one broadband high-power light emitting diode or an array of single or multiple relatively broadband high-performance light-emitting diodes.
  • a combination of several laser diodes with mutually offset central wavelength is possible, wherein a wavelength shift in the range of 5 nm to 150 nm, preferably in the range of 10 nm to 50 nm may lie.
  • Deviating from the prior art can be obtained by the inventive method both surface and depth information, by selecting the geeig ⁇ Neten wavelength at which the scattering coefficient of the object is correspondingly high or low. For measurements with light in the near infrared, the scattering decreases as it decreases with increasing wavelength.
  • light of short coherence length of a single or multiple light sources is expanded via a beam expander and projected onto a lens array, which generates a multiplicity of parallel individual beams therefrom.
  • the lens array may comprise a plurality of lattice-shaped lenses, over which the incident beam is divided into the desired spaced and parallel to each other individual light beams.
  • the parallel individual beams pass through a beam splitter, an beam shifter and via an axially displaceable focusing optics to the object whose geometric data is to be measured.
  • the Beamshifter serves to move the beam by fractions of the distance between two individual beams, so as to increase the resolution.
  • the beam shifter is designed as a planar plate, which can easily be tilted perpendicular to the beam direction in the X and Y directions.
  • a reference beam is split and reflected at a reference mirror.
  • the reference mirror is arranged displaceably in the beam direction, that is to say in the axial direction, and defines with the length of a reference arm a signal acquisition surface, ideally a plane, in a measuring arm of the interferometer. This can be identical to the focal plane of the focusing optics, but can also be different from the latter in order to obtain further information on the scattering behavior of the semitransparent object for the subsequent image processing.
  • the single-light rays reflected from the object and from the reference mirror are combined and superimposed in the detector. If the path length differences of the reference arm and of the measuring arm are in the range of the coherence length of the light source used, maxima and minima appear on the detector during axial movement of the reference arm mirror.
  • the plurality of individual beams can be generated directly in a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) array. This has the advantage of the individual addressability of the individual beams.
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • the Strahl shield ⁇ tion can also be realized by dispersion-poor monomode fiber bundles.
  • the light source is coupled into a multiplicity of parallel guided fibers after expansion.
  • the decoupling also takes place via a focusing optics.
  • the functions of the beam splitter take over fiber couplers in this case.
  • a differential measurement with at least two different wavelengths can be performed. According to the invention, these measurements can be carried out with wavelengths in which the semitransparent object has a very different wavelength. has different scattering and absorption coefficients in order to create a difference image.
  • a plurality of frames that is, the entire image content of the image sensor of a defined time period (sampling time) are stored in the memory of an image processing computer connected to the image sensor and offset with one another when passing through the reference arm.
  • a device of the aforementioned type, by means of which the object underlying the invention is achieved, is characterized in that between the light source and the beam splitter, an optical element dividing the beam into spatially-spaced parallel individual beams is arranged or the light source is designed to Er ⁇ generating the consisting of a plurality of parallel individual light beams Strahlenbün ⁇ dels, wherein the individual light rays auf ⁇ have a distance such barn ⁇ that an impact of reflected individual light rays on directly adjoining pixels of the image sensor is omitted.
  • a method and a device for detecting optical and geometric properties of three-dimensional, semitransparent objects, in particular of the dental field, such as teeth, composite materials, veneering ceramics, by applying an interference and / or autocorrelation measurement with at least one light source of short coherence length proposed by distinguishes the following characteristics or feature groups:
  • a grid of defined spaced light beams ie a beam of parallel light beams is used so that scatters within the object to be measured are detectable between the reflected beams and the adjacent beams are not affected,
  • only a subset of available pixels at the image sensor is illuminated directly by a corresponding light beam (at least one unlighted pixel distance between the illuminated pixels).
  • a corresponding light beam at least one unlighted pixel distance between the illuminated pixels.
  • an beam shifter is used to shift the beam by fractions of the pitch of the individual beams to increase the accuracy of the method by a plurality of mutually offset measurements.
  • Preferred embodiment of the beam shifter plane-parallel plate, which is slightly tilted. A shift occurs between the frames by fractions of the distance of the illumination beams,
  • a wavelength offset of 5 nm to 150 nm may preferably be in the range 10 nm to 50 nm,
  • a difference measurement with at least two different wavelengths can be carried out, in which the semitransparent object in each case has a very different scattering and absorption behavior in order to produce a difference image from it,
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • the signal acquisition surface (plane with maximum interference contrast) may be identical to, but also different from, the focal plane in order to obtain further information on the scattering behavior of the semitransparent object for the subsequent image processing,
  • the plurality of individual beams may be generated directly in a VCSEL array. This has the advantage of the individual addressability of the individual beams,
  • a coupling of light into a plurality of individual fibers can take over the function of the beam splitter.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a device for acquiring contour data of an object
  • FIG. 2 is a schematic diagram to illustrate a measuring principle
  • FIG. 3 shows the coherence length of the light source as a function of its central wavelength.
  • FIG. 4 scattering coefficient of enamel and dentin as a function of the wavelength;
  • Fig. 6 is a schematic diagram of another arrangement for detecting
  • Fig. 7 is a schematic diagram of a sensor housing
  • FIG. 8 shows the underside of the sensor housing according to FIG. 7.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a device 10 for detecting contour data of a freeform surface 12 of a semitransparent object 14.
  • the light of a light source 16 of short coherence length is widened via a beam expander 18 and projected onto a lens array 20, which generates therefrom a beam 22 of a plurality of parallel individual beams. These run through an beam shifter 26, a beam splitter 24 and via an axially displaceable focusing optics 28 to Ob ⁇ jekt 14 as tooth whose geometric data to be measured.
  • the beam shifter 26 serves to displace the beam 22 by fractions of the distance between two individual beams so as to increase the resolution. This makes it possible, the beam 22, d. H. Its individual light beams can be displaced overall in order to be able to measure also areas of the object 14 which may not be detectable at other points of incidence of the individual light beams.
  • the beam shifter 26 may, for. B. may be formed as a plane-parallel plate, which can be tilted slightly perpendicular to the beam direction in X and Y.
  • a reference beam 30 is split off and reflected at a reference mirror 32.
  • the reference mirror 32 is displaceably arranged in the direction of the reference beam 30, that is to say in the axial direction according to arrow 34, and defines with the length L of a reference arm 36 a signal acquisition surface 38, ideally a plane, in a measuring arm 40 of an interferometer.
  • This can be identical to a focus plane of the focusing optics 28, but can also be different therefrom in order to obtain further information about the scattering behavior of the semitransparent object 14 for the subsequent image processing.
  • the individual light beams reflected by the object 14 and the individual light beams reflected by the reference mirror 32 are combined in the beam splitter 24 and superimposed in an image sensor 42.
  • the signal acquisition surface 38 is or should be the maximum interference contrast plane.
  • FIG. 2 shows a grid-like distribution of illumination points 44 on the measurement object 14 and on the image sensor 42. At the same time, only one subset 46, 47 of available pixels 48 is illuminated directly by a corresponding light beam 43, 45 on the image sensor. A shift of the grid occurs between the frames by fractions of the distance of the illumination beams.
  • the multiplicity of parallel individual beams 43, 45 are thus formed in a correspondingly centered manner on in each case one or a few pixels 46, 47 of the image sensor 42.
  • a primarily non-illuminated area eg pixel 49
  • stray light which is the normal case for a semitransparent object. This degrades the signal-to-noise ratio.
  • a plurality of frames ie the entire image content of the image sensor 42 of a defined time period (sampling time) when passing through the reference arm 36 in the memory of an image processing computer connected to the image sensor 42 filed and charged with each other.
  • a position of the reference arm 36 in which definitely no measurement signal of the object 14 can be present eg in the shortest position of the reference arm, in which the measurement plane 38 lies just above the object 14
  • residual signals the Nevertheless, interference signals are and can be classified as such.
  • the signal acquisition surface 38 is moved further by displacement of the reference mirror 32 in the direction of the measurement object 14, an intersection or a cutting line, if necessary, also forms an interface between the signal acquisition surface 38 and the object contour 12.
  • the matching image is obtained Pixels of the image sensor 42 to characteristic intensity fluctuations, which express themselves in frame by frame changing image patterns.
  • the intensity distributions which are rather static in the case of the method can be delimited.
  • a brightness pattern sensor can be constructed by linking the temporal-spatial signal pattern of the consecutive frames.
  • the expected contour is known, that is, it can be assigned to a specific contour class, this is used to provide data with priorities.
  • the sequence of the measurement is controlled by a microcontroller. This includes moving the focusing optics and reference mirror, as well as moving the beam shifter.
  • an STL file is created, which can be further processed with suitable CAD / CAM systems.
  • the present invention describes an apparatus and a method for the acquisition of 3D data of semitransparent objects by using interference measurement / autocorrelation measurements with light sources of short coherence length.
  • this can be white light, but can also come from one or an array of superlumi- nescent diodes, or from one or an array of several relatively broadband high-power light-emitting diodes.
  • the wavelength offset can be 5-150 nm, preferably 10-50 nm.
  • the coherence length l c which is decisive for the longitudinal resolution of an OCT measurement (optical coherence tomography), is given for a Gaussian spectral distribution by:
  • the coherence length should preferably be in the range 2-20 ⁇ m, with emission powers in the range 1 to 100 mW, preferably 3-50 mW.
  • a relationship between the central wavelength and the bandwidth (FWHM) of the light source and the coherence length is shown in FIG. Notwithstanding the prior art, only the surface information is to be obtained in the described method. It is therefore also possible to choose light sources with wavelengths in which the scattering coefficient of the object is high. This makes a differential measurement possible with at least two different wavelengths.
  • these can be two measurements with wavelengths in which the semitransparent object 14 has very different scattering and absorption coefficients, in order to create a difference image from them.
  • a wavelength range with high scattering coefficients lies in the blue and ultraviolet spectral range, with wavelengths below 350 nm being avoided because of the risk of inducing DNA strand breaks and radical formation.
  • the scattering coefficient is in the case of hard tooth substance in the range 8 - 90 l / mm with absorption coefficients in the range of 0.1 - 1.5 l / mm.
  • the scattering coefficient here is in the range 8 - 25 l / mm and the absorption coefficient at 0.3 - 4 l / mm.
  • wavelength ranges of low scattering are for semitransparent objects in the red and infrared spectral range.
  • the scattering coefficient is in the range of 1 - 40 l / mm for enamel at the lower limit and for dentin in the upper range.
  • Filling materials are in the range 3 - 20 l / mm. Examples of scattering coefficients and adsorption coefficients of enamel and dentin can be found in FIGS. 4 and 5.
  • Limiting in the near infrared is the decreasing spectral sensitivity of the detector. In a preferred embodiment, this falls below 5% for a CMOS sensor at 1000 nm. It is also possible to use a CCD sensor.
  • the wavelength range can be extended into the infrared. Suitable for this purpose are, for example, In As or HgCdTe detectors with which the range 2. 5 to 10 .mu.m can be covered.
  • the depth information then available can also be used for caries diagnosis. If two or more wavelengths are to be used simultaneously, an RGB variant of a CMOS sensor can be used, which has sensitivity maxima in the red, green and blue spectral range.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of an alternative embodiment of a device 50 for acquiring contour data of three-dimensional objects, wherein identical elements are identified by the same reference numerals.
  • a follower device 52 is provided which allows a simul ⁇ tane axial change in length of the reference arm 36 when moving the focusing lens 28 along the arrow 54.
  • Umlenk ⁇ mirror 56 are arranged in the follower device.
  • a further deflection mirror 58 is arranged as an extension of the light beam emerging from the beam splitter 24, in order to achieve a deflection of the light beam onto the mirror arrangement 56 arranged in the follower device.
  • the mirror 32 may preferably be moved separately axially in the direction of the arrow 60.
  • Fig. 7 shows an outer contour of a sensor housing 62 for use in the Zahnheil ⁇ customer for intraoral scanning of teeth. In order to allow a comfortable working in the mouth of a patient, the dimensions must be based on the anatomy of the patient.
  • a wedge-shaped arrangement is a preferred Ausbowungs ⁇ form.
  • 8 shows a lower side 64 of the sensor housing 62, in which a scanning window 66 is arranged. The length of the scan window 66 allows simultaneous detection of a quadrant.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erfassung von Konturdaten und/oder optischen Eigenschaften eines Objekts (14), wie eines Zahns oder einer Zahnrestauration, auf der Basis einer Interferenz- und/oder Autokorrelationsmessung unter Verwendung eines Bildsensors (42). Um eine genaue Oberflächenerfassung sowie eine Ermittlung der optischen Eigenschaften des Objekts zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass auf das Objekt Einzellichtstrahlen auftreffen, die derart zueinander beabstandet sind, dass ein Auftreffen von reflektierten Einzellichtstrahlen auf unmittelbar aneinander grenzenden Pixeln (46, 47, 49) des Bildsensors (42) unterbleibt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Konturdaten und/oder optischen Eigen¬ schaften eines dreidimensionalen semitransparenten Objekts
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung von Konturdaten und/oder optischen Eigenschaften eines dreidimensionalen semitransparenten Objekts, insbeson¬ dere eines semitransparenten Objekts im Dentalbereich wie Zahn oder Zahnrestauration, auf der Basis einer Interferenz- und/oder Autokorrelationsmessung, wobei ein Strahlenbündel von mindestens einer Lichtquelle kurzer Kohärenzlänge er¬ zeugt wird, das Strahlenbündel durch einen Strahlteiler geführt und vorzugsweise über eine Fokussieroptik auf das Objekt geleitet wird, in dem Strahlteiler aus dem Strahlenbündel ein Referenzstrahl abgespalten und von einem entlang des Referenzstrahls verschiebbaren Referenzspiegel reflek¬ tiert wird, wobei durch Verschieben des Referenzspiegels eine Position einer Signalgewinnungsfläche relativ zum Objekt festgelegt wird, und die vom Objekt und vom Referenzspiegel reflektierte Strahlung in dem Strahltei¬ ler zusammengeführt und in einem Pixel aufweisenden Bildsensor überlagert wird, wobei beim Durchfahren der Signalgewinnungsfläche durch das Objekt zeitlich und/oder räumlich veränderte Signalmuster erfassbar sind,
Ferner nimmt die Erfindung Bezug auf eine Vorrichtung zur Erfassung von Konturdaten und/oder optischen Eigenschaften eines dreidimensionalen semitransparenten Objektes, insbesondere eines semitransparenten Objekts im Dentalbereich wie Zahn oder Zahnres¬ tauration, umfassend mindestens eine Lichtquelle kurzer Kohärenzlänge, zur Erzeugung eines Strahlenbündels, einen das Strahlenbündel zum einen in einen vorzugsweise über eine Fokussieroptik auf das Objekt leitenden Strahlungsanteil und zum anderen in einen auf einen verstellbaren Referenzspiegel leitenden Strahlungsanteil aufspaltenden Strahl¬ teiler sowie einen Pixel aufweisenden Bildsensor, der mit von dem Objekt und von dem Referenzspiegel reflektierte und von dem Strahlteiler zusammengeführter Strahlung beaufschlagbar ist.
BESTATIGUNGSKOPIE Ein Verfahren der oben genannten Art ist beispielsweise in der DE-A-43 09 056 be¬ schrieben. Bei dem bekannten Verfahren handelt es sich um ein interferometrisches Verfahren zur Ermittlung der Entfernung und der Streuintensität von streuenden Punk¬ ten. Diese werden von einer breitbandigen, räumlich partiellen kohärenten Lichtquelle beleuchtet und befinden sich in einem Arm eines Interferometers. Als Lichtquelle wird beispielsweise eine Glühlampe oder eine Superlumineszenzdiode angegeben. Am Aus¬ gang des Interferometers wird das Licht in ein Spektrum zerlegt und aus der Hellig¬ keitsverteilung im Spektrum wird die Information über die Entfernung und die Streuin¬ tensität ermittelt. Nachteilig an dem beschriebenen Verfahren ist, dass die Auflösung in z-Richtung, d. h. in die Tiefe des Objektes begrenzt ist.
In dem Aufsatz von Prof. Dr. G. Häusler: „„KOHÄRENZRADAR" - ein optischer 3D- Sensor mit einer Genauigkeit von 1 μm", INFO BÖRSE LASER, Nr. 36/April 1999, VDI Technologiezentrum, wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung einer Oberllächengestalt beschrieben. Das Messprinzip beruht auf Weißlicht- Interferometrie, wobei durch eine besondere Beleuchtung gezielt lokale Speckle erzeugt werden, so dass sich auch verschiedenste optisch raue Objekte, wie gefräste Flächen oder Gummi, sogar menschliche Haut, interferometrisch vermessen lassen. Nach dem Verfahren vergleicht man im Prinzip die Weglänge des Lichtes für jeden Objektpunkt mit der Länge des korrespondierenden Referenzweges im Interferometer. Nur wenn die Weglängen annähernd gleich sind, entsteht ein Interferenzkontrast im entsprechenden Bildpunkt. Während der Sensor sich auf das Objekt zubewegt, wird der Zeitpunkt des maximalen Interferenzkontrastes für jeden Bildpunkt individuell bestimmt und die je¬ weilige Sensorposition abgespeichert.
Aus der DE-A-40 34 007 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, wobei zur Gewinnung von dreidimensionalen Daten zur Vermeidung störender Streustrahlung aus der Tiefe eines semitransparenten Objekts wie beispielsweise eines Zahns oder eines zahnärztlichen Füllstoffes eine Beschichtung des Objekts vorgesehen ist, die diese Streustrahlung verhindert. Diese Schicht muss jedoch durch den Zahnarzt aufgetragen werden, ist also ein zusätzlicher Arbeitsschritt, der zudem im Falle eines Einpuderns größerer Areale des Zahnkranzes zu Reizungen der Atemwege des Patienten durch As¬ piration der Staubartikel führen kann.
In der US-B-6,697,164 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, wobei der Einfluss der Streustrahlung durch eine konfokale Optik reduziert wird. Bei diesem Ver¬ fahren wird ein Array aus einfallenden Lichtstrahlen in einen optischen Strahlengang eingeleitet, der durch eine Fokussierungsoptik auf eine Probenfläche geleitet wird. Die Fokussierungsoptik definiert eine oder mehrere Fokalebenen vor der Probenfläche in einer durch die Optik veränderbaren Position, wobei jeder Lichtstrahl seinen Fokus an einer von den einen oder mehreren Fokalebenen hat. Die Strahlen erzeugen eine Viel¬ zahl von Leuchtpunkten auf der Kontur. Von jedem dieser Leuchtpunkte wird die Inten¬ sität erfasst. Die oben erwähnten Schritte werden mehrmals wiederholt, wobei jedes Mal die Position der Fokalebene relativ zu der Kontur verändert wird. Für jeden der Leuchtpunkte wird eine leuchtpunktspezi fische Position ermittelt, die einer Position der jeweiligen Fokalebene entspricht, welche zu einer maximalen gemessenen Intensität eines jeweiligen reflektierten Lichtstrahls führt. Auf der Basis der ermittelten leucht- punktspezifischen Positionen werden Daten generiert, die die Topologie der Kontur repräsentieren.
Die beschriebene Vorrichtung zur Erfassung einer Oberilächentopologie eines Bereichs einer dreidimensionalen Struktur umfasst eine Probe mit einer abzutastenden Kontur. Ferner ist eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Arrays einfallender Lichtstrahlen, wel¬ che zu der Struktur entlang eines optischen Pfads übertragen werden, vorgesehen, um Leuchtpunkte auf dem Bereich zu erzeugen. Eine Licht fokussierende Optik definiert eine oder mehre Fokalebenen vor der Probenstruktur in einer Position, die durch die Optik veränderbar ist. Jeder Lichtstrahl hat seinen Fokus auf einer der mehren Fokal¬ ebenen. Des Weiteren ist ein Verschiebungsmechanismus mit der Fokusoptik gekop¬ pelt, um diese relativ zu der Struktur entlang einer Achse, die durch die einfallenden Lichtstrahlen definiert ist, zu verschieben. Des Weiteren ist ein Detektor vorgesehen, mit einem Array von Sensorelementen zur Messung der Intensität jedes einer Vielzahl von Lichtstrahlen, die von den Leuchtpunkten entgegengesetzt zu dem einfallenden Licht reflektiert werden. Ein Prozessor ist mit dem Detektor gekoppelt, um für jeden Lichtstrahl eine leuchtpunktspezifische Position zu ermitteln. Da ein reflektierter Licht¬ strahl die Maximalintensität erreicht, wenn sich die Reflektionsposition in der Fokal¬ ebene befindet, kann damit seine spezifische Position ermittelt werden. Auf der Basis der ermittelten leuchtpunktspezifischen Positionen werden Daten der Topologie des Bereiches erzeugt.
Durch Anwendung einer aus der oben genannten US 6,697,194 Bl bekannten konfoka¬ len Optik kann der Einfluss der Streustrahlung deutlich reduziert werden.
Der WO-A-95/33971 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Kontur¬ daten eines Objektes zu entnehmen. Dabei wird das Interferometerprinzip verwendet, wobei eine Lichtquelle kurzer Kohärenzlänge eingesetzt wird. Um das Objekt in hinrei¬ chender räumlicher Ausdehnung mit Licht zu beaufschlagen, besteht die Möglichkeit, das von einer Lichtquelle stammende Licht aufzuweiten. Die in dem Strahlenbündel verlaufenden Lichtstrahlen sind jedoch nicht voneinander getrennt, sondern überlagern sich zum Teil.
Aus der US-A-5,321,501 ist ein Verfahren zur Messung von Dimensionierungen oder optischen Eigenschaften biologischer Proben bekannt, wobei gleichfalls das Interfero¬ meterprinzip zur Anwendung gelangt. Nach einer Ausführungsform können schnell veränderliche biologische Proben gleichzeitig mit Strahlung verschiedener optischer Quellen beaufschlagt werden. Jeder Strahlenquelle ist ein Detektor zugeordnet. Durch diese Maßnahmen sollen parallel und gleichzeitig mehrere Bereiche der Probe gescannt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vor¬ richtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine genaue Oberflächen¬ erfassung und im gewünschten Umfang eine Ermittlung der optischen Eigenschaften des Objekts erfolgen kann. Gleichzeitig soll eine Anpassung an die Gegebenheiten der Objektgeometrie und der optischen Eigenschaften insoweit erfolgen, dass die Strahlen im gewünschten Umfang einstellbar sind. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das Strahlen¬ bündel vor Auftreffen auf den Strahlteiler in räumlich beabstandete parallele Einzel¬ lichtstrahlen aufgeteilt wird oder ist, wobei die Einzellichtstrahlen einen Abstand derart zueinander aufweisen, dass ein Auftreffen von reflektierten Einzellichtstrahlen auf un¬ mittelbar aneinandergrenzende Pixel des Bildsensors unterbleibt. Mit den übrigen, nicht von Einzelstrahlen beleuchteten Pixeln wird die durch ein semitransparentes Objekt erzeugte Streustrahlung detektiert.
Während nach der DE-A-43 09 056 das Objekt mit einer kontinuierlichen Beleuchtung, d. h. mit einem nicht unterbrochenen, gleichförmigen Strahlenbündel bestrahlt wird, wodurch eine aufwendige Auswertung erforderlich ist, wird erfindungsgemäß mit einem Raster von beabstandeten Lichtstrahlen gearbeitet, d. h. mit einem Strahlenbündel paral¬ leler Lichtstrahlen, so dass Streuungen innerhalb des zu messenden Objekts zwischen den reflektierten Strahlen detektierbar sind und die benachbarten Strahlen nicht beein- flusst werden. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Abstand der Einzellichtstrah¬ len derart eingestellt wird, dass zwei unmittelbar benachbarte Einzellichtstrahlen auf Pixeln oder Pixelbereichen auftreffen, zwischen denen zumindest ein Pixel, vorzugs¬ weise zwei bis fünf Pixel, unmittelbar von einem reflektierten Lichtstrahl unbeauf- schlagt sind.
Erfindungsgemäß ist folglich vorgesehen, dass jedes von einem reflektierten Einzel¬ lichtstrahl illuminierte Pixel bzw. jede entsprechend illuminierte Pixelgruppe von einem primär nicht illuminierten Bereich umgeben ist, der wiederum im Falle des Auftretens von Streulicht beleuchtet sein kann. Ungeachtet dessen wird dieser von Streulicht be¬ aufschlagte Bereich als von einem reflektierten Einzellichtstrahl unbeaufschlagter Pixel bzw. Pixelbereich bezeichnet.
Somit ist aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre eine überaus präzise Erfassung der Kontur des zu messenden Objekts möglich, wobei es sich nicht nur um feste Objekte, sondern auch um flexible handeln kann, wie z. B. die Schleimhaut. Bei der Lichtquelle kann es sich um weißes Licht handeln. Alternativ kann das Licht auch von zumindest einer superlumineszenten Diode oder einem Array aus einzelnen oder mehreren superlumineszenten Dioden oder zumindest einer breitbandigen Hoch¬ leistungsleuchtdiode oder einem Array aus einzelnen oder mehreren relativ breitbandi¬ gen Hochleistungsleuchtdioden erzeugt werden. Ebenso ist eine Kombination mehrerer Laserdioden mit gegeneinander versetzter Zentralwellenlänge möglich, wobei ein Wel¬ lenlängenversatz im Bereich von 5nm bis 150 nm, bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 50 nm liegen kann.
Vorzugsweise liegt die Kohärenzlänge lc der verwendeten Lichtquellen im Bereich 2 < lc < 20 μm, bei einer Emissionsleistung PE der Lichtquellen im Bereich 1 < PE ≤ 100 mW vorzugsweise 3 < PE ≤ 50 mW .
Abweichend vom Stand der Technik können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl Oberflächen- als auch Tiefeninformationen, und zwar durch Auswahl der geeig¬ neten Wellenlänge, bei der der Streukoeffizient des Objekts entsprechend hoch oder niedrig ist, gewonnen werden. Bei Messungen mit Licht im nahen Infrarot wird die Streuung geringer, da diese mit zunehmender Wellenlänge abnimmt.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass Licht kurzer Kohärenz¬ länge einer einzelnen oder mehrerer Lichtquellen über einen Beamexpander aufgeweitet und auf ein Linsenarray projiziert wird, das daraus eine Vielzahl paralleler Einzelstrah¬ len erzeugt. Das Linsenarray kann eine Vielzahl von gitterförmig angeordneten Linsen aufweisen, über die das auftreffende Strahlenbündel in die gewünschten beabstandeten und parallel zueinander verlaufenden Einzellichtstrahlen aufgeteilt wird. Die parallelen Einzelstrahlen laufen durch einen Strahlteiler, einen Beamshifter und über eine axial verschiebbare Fokussieroptik zum Objekt, dessen Geometriedaten gemessen werden sollen. Der Beamshifter dient dazu, das Strahlenbündel um Bruchteile des Abstands zwischen zwei Einzelstrahlen zu verschieben, um so die Auflösung zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Beamshifter als planare Platte ausgebil¬ det, die senkrecht zur Strahlrichtung in X- und Y-Richtung leicht verkippt werden kann. Im Strahlteiler wird ein Referenzstrahl aufgespalten und an einem Referenzspiegel re¬ flektiert. Der Referenzspiegel ist in Strahlrichtung, also in axialer Richtung verschiebbar angeordnet und legt mit der Länge eines Referenzarms eine Signalgewinnungsfläche, idealerweise eine Ebene, in einem Messarm des Interferometers fest. Diese kann iden¬ tisch sein mit der Fokusebene der Fokussieroptik, kann jedoch auch von dieser ver¬ schieden sein, um weitere Informationen zum Streuverhalten des semitransparenten Objekts für die anschließende Bildverarbeitung zu gewinnen.
In dem Strahlteiler werden die vom Objekt und vom Referenzspiegel reflektierten Ein¬ zellichtstrahlen zusammengeführt und in dem Detektor überlagert. Liegen die Weglän¬ genunterschiede des Referenzarms und des Messarms im Bereich der Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle zeigen sich bei axialer Bewegung des Referenzarmspiegels Maxima und Minima auf dem Detektor.
Mit einem multiplanaren Wellenleitelement als Strahlteiler sind gleiche technische Möglichkeiten gegeben.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Vielzahl von Einzel strahlen direkt in einem VCSEL-Array (vertical cavity surface emitting laser) erzeugt werden. Dies hat den Vorteil der einzelnen Adressierbarkeit der Einzelstrahlen.
Eine Weiterführung des erfϊndungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Strahlfüh¬ rung auch durch dispersionsarme Monomodefaserbündel realisiert werden kann. Dabei wird die Lichtquelle nach Expansion in eine Vielzahl parallel geführter Fasem einge¬ koppelt. Die Auskopplung erfolgt ebenfalls über eine Fokussieroptik. Die Funktionen des Strahlteilers übernehmen in diesem Fall Faserkoppler.
Es kann eine Differenzmessung mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen durchgeführt werden. Erfindungsgemäß können diese Messungen mit Wellenlängen durchgeführt werden, bei denen das semitransparente Objekt jeweils einen sehr unter- schiedlichen Streu- und Absorptionskoeffizienten aufweist, um daraus ein Differenzbild zu erstellen.
Zur Verbesserung des Signal-Störsignalverhältnisses ist vorgesehen, dass eine Vielzahl von Frames, d.h., der gesamte Bildinhalt des Bildsensors einer definierten Zeitperiode (Sampling-Zeit) beim Durchfahren des Referenzarms im Speicher eines an den Bildsen¬ sor angeschlossenen Bildverarbeitungsrechners abgelegt und miteinander verrechnet werden.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, durch die der Erfindung zu Grunde lie¬ gende Aufgabe gelöst wird, zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Lichtquelle und dem Strahlteiler ein das Strahlenbündel in räumlich beabstandete parallele Einzel¬ lichtstrahlen aufteilendes optisches Element angeordnet ist oder die Lichtquelle zur Er¬ zeugung des aus einer Vielzahl paralleler Einzellichtstrahlen bestehenden Strahlenbün¬ dels ausgebildet ist, wobei die Einzellichtstrahlen einen Abstand derart zueinander auf¬ weisen, dass ein Auftreffen von reflektierten Einzellichtstrahlen auf unmittelbar anein¬ ander grenzenden Pixeln des Bildsensors unterbleibt.
Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Erfassung optischer und geometrischer Eigenschaften dreidimensionaler, semitransparenter Objekte insbe¬ sondere des Dentalbereichs, wie Zähne, Kompositmaterialien, Verblendkeramiken, durch Anwendung einer Interferenz und/oder Autokorrelationsmessung mit zumindest einer Lichtquelle kurzer Kohärenzlänge vorgeschlagen, das sich durch nachstehende Merkmale bzw. Merkmalsgruppen auszeichnet:
ein Raster von definiert beabstandeten Lichtstrahlen, d. h. einem Strahlenbündel paralleler Lichtstrahlen wird verwendet, so dass Streuungen innerhalb des zu messenden Objekts zwischen den reflektierten Strahlen detektierbar sind und die benachbarten Strahlen nicht beeinflusst werden, am Bildsensor wird gleichzeitig nur eine Untermenge von verfügbaren Pixeln direkt von einem korrespondierendem Lichtstrahl beleuchtet (mindestens ein un¬ beleuchteter Pixel Abstand zwischen den beleuchteten Pixeln). Rund um jedes illuminierte Pixel bzw. jede Pixelgruppe (im Fall, dass ein Lichtpunkt mehrere nebeneinander liegende Pixel gleichzeitig beleuchtet) befindet sich ein primär nicht beleuchteter Bereich, der jedoch im Fall des Auftretens von Streulicht (im semitransparenten Objekt) auch beleuchtet wird,
ein Beamshifter wird zur Verschiebung des Strahlenbündels um Bruchteile des Abstands der Einzelstrahlen verwendet, um durch eine Mehrzahl gegeneinander verschobener Messungen die Genauigkeit des Verfahrens zu erhöhen. Bevorzug¬ te Auslührungsform des Beamshifters: planparallel Platte, die leicht verkippt wird. Eine Verschiebung erfolgt zwischen den Frames um Bruchteile des Ab¬ standes der Beleuchtungsstrahlen,
eine Kombination verschiedener Laserdioden mit versetzter Zentralwellenlänge wird verwendet, wobei ein Wellenlängenversatz von 5 nm bis 150 nm bevorzugt im Bereich 10 nm bis 50 nm liegen kann,
durch geeignete Wahl der Wellenlänge, bei der der Streukoeffizient des Objekts entsprechend hoch oder niedrig ist, können Tiefen- oder Oberflächeninformatio¬ nen gewonnen werden,
eine Differenzmessung mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen kann durchgeführt werden, bei denen das semitransparente Objekt jeweils ein sehr un¬ terschiedliches Streu- und Absorptionsverhalten aufweist, um daraus ein Diffe¬ renzbild zu erstellen,
bei Nutzung des Spektralbereichs im nahen Infrarot, beispielsweise 750 nm bis 1000 nm, kann sodann verfügbare Tiefeninformation auch zur Kariesdiagnostik genutzt werden, falls zwei oder mehrere Wellenlängen simultan genutzt werden, kann eine RGB- Variante eines CMOS Sensors genutzt werden, die im roten, grünen und blauen Spektralbereich Empfindlichkeitsmaxima aufweist,
die Signalgewinnungsfläche (Ebene mit maximalem Interferenzkontrast) kann mit der Fokusebene identisch, aber auch von dieser verschieden sein, um weitere Informationen zum Streuverhalten des semitransparenten Objekts für die an¬ schließende Bildverarbeitung zu gewinnen,
gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Vielzahl von Einzelstrahlen direkt in einem VCSEL-Array erzeugt werden kann. Dies hat den Vorteil der einzelnen Adressierbarkeit der Einzelstrahlen,
eine Einkopplung von Licht in eine Vielzahl von Einzelfasern kann die Funktion des Strahlteilers übernehmen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombi¬ nation-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der den Zeichnungen zu entnehmenden Ausfuhrungsbeispiele. Dabei werden ausdrücklich auch Merkmale und Merkmalskombinationen nachfolgend beschriebener Ausführungsbeispiele beansprucht.
Es zeigen:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Erfassung von Kontur¬ daten eines Objekts,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung eines Messprinzips,
Fig. 3 Kohärenzlänge der Lichtquelle in Abhängigkeit von deren Zentralwellen¬ länge, Fig. 4 Streukoeffizient von Schmelz und Dentin in Abhängigkeit der Wellen¬ länge,
Fig. 5 Absorptionskoeffizient von Schmelz und Dentin in Abhängigkeit von der
Wellenlänge,
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Anordnung zur Erfassung von
Konturdaten eines Objekts,
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung eines Sensorgehäuses und
Fig. 8 die Unterseite des Sensorgehäuses gemäß Fig. 7.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung 10 zur Erfassung von Kon¬ turdaten einer Freiformfläche 12 eines semitransparenten Objektes 14.
Das Licht einer Lichtquelle 16 kurzer Kohärenzlänge wird über einen Beam Expander 18 aufgeweitet und auf ein Linsenarray 20 projiziert, das daraus ein Strahlenbündel 22 einer Vielzahl paralleler Einzelstrahlen erzeugt. Diese laufen durch einen Beamshifter 26, einen Strahlteiler 24 und über eine axial verschiebbare Fokussieroptik 28 zum Ob¬ jekt 14 wie Zahn, dessen Geometriedaten gemessen werden sollen.
Der Beamshifter 26 dient dazu, das Strahlenbündel 22 um Bruchteile des Abstands zwi¬ schen zwei Einzelstrahlen zu verschieben, um so die Auflösung zu erhöhen. Hierdurch besteht die Möglichkeit, das Strahlenbündel 22, d. h. dessen Einzellichtstrahlen insge¬ samt ortsmäßig zu verschieben, um somit auch Bereiche des Objekts 14 messen zu kön¬ nen, die möglicherweise bei anderen Auftreffpunkten der Einzellichtstrahlen nicht er¬ fassbar sind.
Der Beamshifter 26 kann z. B. als planparallele Platte ausgebildet sein, die senkrecht zur Strahlrichtung in X und Y leicht verkippt werden kann. Im Strahlteiler 24 wird ein Referenzstrahl 30 abgespalten und an einem Referenzspiegel 32 reflektiert. Der Referenzspiegel 32 ist in Richtung des Referenzstrahls 30, also in axialer Richtung gemäß Pfeil 34 verschiebbar angeordnet und legt mit der Länge L ei¬ nes Referenzarms 36 eine Signalgewinnungsfläche 38, idealerweise eine Ebene, in ei¬ nem Messarm 40 eines Interferometers fest. Diese kann identisch sein mit einer Fokus¬ ebene der Fokussieroptik 28, kann jedoch auch von dieser verschieden sein, um weitere Informationen zum Streuverhalten des semitransparenten Objekts 14 für die anschlie¬ ßende Bildverarbeitung zu gewinnen. Auf dem Rückweg vom Objekt 14 werden im Strahlteiler 24 die vom Objekt 14 reflektierten Einzellichtstrahlen und die vom Refe¬ renzspiegel 32 reflektierten Einzellichtstrahlen, also beide Lichtpfade zusammengeführt und in einem Bildsensor 42 überlagert.
Die Signalgewinnungsfläche 38 ist die Ebene mit maximalem Interferenzkontrast bzw. sollte diese sein.
Liegen die Weglängenunterschiede des Referenzarms 36 und des Messarms 40 im Be¬ reich der Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle 16, zeigen sich bei axialer Bewe¬ gung des Referenzarmspiegels 32 Minima und Maxima auf dem Bildsensor 42.
Fig. 2 zeigt eine rasterförmige Verteilung von Beleuchtungspunkten 44 auf dem Mess¬ objekt 14 sowie auf dem Bildsensor 42. Am Bildsensor wird gleichzeitig nur eine Un¬ termenge 46, 47 von verfügbaren Pixeln 48 direkt von einem korrespondierenden Licht¬ strahl 43, 45 beleuchtet. Eine Verschiebung des Rasters erfolgt zwischen den Frames um Bruchteile des Abstands der Beleuchtungsstrahlen.
Die Vielzahl der parallelen Einzelstrahlen 43, 45 (Beleuchtungsraster) werden so kor¬ respondierend zentriert auf jeweils ein oder wenige Pixel 46, 47 des Bildsensors 42 ab¬ gebildet. Rund um jedes illuminierte Pixel 46, 47 bzw. jeder Pixelgruppe befindet sich ein primär nicht illuminierter Bereich (z. B. Pixel 49), der jedoch im Fall des Auftretens von Streulicht ebenfalls beleuchtet wird, was bei einem semitransparenten Objekt der Normalfall ist. Damit wird das Signal - Störsignalverhältnis verschlechtert. Um dennoch dreidimensionale Daten der Oberfläche 12 des Objekts 14 gewinnen zu können, wird erfindungsgemäß eine Vielzahl von Frames, d. h. der gesamte Bildinhalt des Bildsensors 42 einer definierten Zeitperiode (Samplingzeit) beim Durchfahren des Referenzarms 36 im Speicher eines an den Bildsensor 42 angeschlossenen Bildverarbei¬ tungsrechner abgelegt und miteinander verrechnet.
Kennt man eine Stellung des Referenzarms 36 in dem definitiv kein Messsignal des Objekts 14 vorliegen kann (z.B. in der kürzesten Stellung des Referenzarmes, bei dem die Messebene 38 kurz oberhalb des Objektes 14 liegt), kann davon ausgegangen wer¬ den, dass Restsignale, die dennoch aufgetreten sind, Störsignale sind und können als solche klassifiziert werden. Bewegt man die Signalgewinnungsfläche 38 durch Ver¬ schieben des Referenzspiegels 32 weiter in Richtung des Messobjekts 14, entsteht ir¬ gendwann ein Schnittpunkt bzw. eine Schnittlinie ggf. auch eine Schnittfläche zwischen Signalgewinnungsfläche 38 und der Objektkontur 12. Dann kommt es an den korres¬ pondierenden Pixeln des Bildsensors 42 zu charakteristischen Intensitätsschwankungen, die sich in von Frame zu Frame wechselnden Bildmustern ausdrücken. Die beim Ver¬ fahren eher statischen Intensitätsverteilungen können dagegen abgegrenzt werden. So kann beim Durchfahren der Signalgewinnungsfläche durch das Messobjekt durch Ver¬ knüpfen der zeitlich - räumlichen Signalmuster der konsekutiven Frames ein Hellig¬ keitsmustertensor aufgebaut werden.
Zur Oberflächenkonturdatenextraktion wird a-priori Wissen in Form einer Datenbank genutzt, die typische Kombinationen aus Streu-, Absorptions- und Anisotropiefaktoren, der entsprechenden semitransparenten Materialien enthalten. Damit wird die zu erwar¬ tende Streulichtverteilung berechnet. Ein Berechnungsverfahren, das die optischen Ei¬ genschaften semitransparenter Gewebe beschreibt, ist z. B. in der Dissertation von We¬ niger K., FU Berlin 2004, beschrieben.
Ebenso wird, soweit die zu erwartende Kontur bekannt ist, also einer bestimmten Kon¬ turklasse zugeordnet werden kann, dies dazu genutzt, Daten mit Prioritäten zu versehen. Der Ablauf der Messung wird von einem Microcontroller gesteuert. Dies beinhaltet das Verschieben der Fokussieroptik und des Referenzarmspiegels, wie auch die Bewegung des Beamshifters.
3 D Konturdaten, die teilüberlappend von verschiedenen Positionen des Bildsensors aus aufgenommen werden, werden mittels Software zu einem Gesamtdatensatz kombiniert.
Aus den extrahierten Konturdaten des gemessenen Objekts wird ein STL-FiIe erstellt, der mit geeigneten CAD/CAM Systemen weiterbearbeitet werden kann.
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewin¬ nung von 3D Daten semitransparenter Objekte durch Anwendung von Interferenzmes¬ sung / Autokorrelationsmessungen mit Lichtquellen kurzer Kohärenzlänge. Dies kann im Extremfall weißes Licht sein, jedoch auch von einer oder einem Array superlumi- neszenter Dioden, oder von einer oder einem Array mehrerer relativ breitbandiger Hochleistungsleuchtdioden stammen. Ebenso ist eine Kombination mehrerer Laserdio¬ den mit gegeneinander versetzter Zentralwellenlänge möglich. Der Wellenlängenversatz kann 5 - 150 nra, bevorzugt 10 - 50 nm betragen.
Die Kohärenzlänge lc , die bestimmend ist für die longitudinale Auflösung einer OCT Messung (Optische Kohärenz Tomografie), ist für eine gaußförmige Spektralverteilung gegeben durch:
21n2 λ1 π Aλ
Die Kohärenzlänge sollte bevorzugt im Bereich 2- 20 μm liegen, bei Emissionsleistun¬ gen im Bereich 1 bis 100 mW bevorzugt 3 - 50 mW. Ein Zusammenhang zwischen der Zentralwellenlänge und der Bandbreite (FWHM) der Lichtquelle und der Kohärenzlän¬ ge ist in Fig. 3 dargestellt. Abweichend vom Stand der Technik soll in dem beschriebenen Verfahren lediglich die Oberflächeninformation gewonnen werden. Es können daher auch Lichtquellen mit Wellenlängen gewählt werden, bei denen der Streukoeffizient des Objekts hoch ist. Damit wird eine Differenzmessung mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen möglich.
Erfindungsgemäß können dies zwei Messungen mit Wellenlängen sein, bei denen das semitransparente Objekt 14 jeweils sehr unterschiedlichen Streu- und Absorptionskoef¬ fizienten aufweist, um daraus ein Differenzbild zu erstellen.
Im Falle eines hohen Streukoeffizienten wird sich dann im Nahfeld des Beleuchtungs¬ punktes ein kleiner jedoch heller Streuhof bilden. Im Falle eines kleinen Streukoeffi¬ zienten wird sich das Streulicht weit im semitransparenten Medium ausbreiten jedoch im Nahfeld eine geringere Intensität aufweisen. Dies eröffnet erweiterte Auswertungs¬ möglichkeiten durch die Bildverarbeitungssoftware.
Im Falle von Zahnhartsubstanz liegt ein Wellenlängenbereich mit hohem Streukoeffi¬ zienten im blauen und ultravioletten Spektralbereich, wobei Wellenlängen unter 350 nm wegen der Gefahr der Induktion von DNA Strangbrüchen und Radikalbildung vermie¬ den werden sollten. Der Streukoeffizient liegt im Fall von Zahnhartsubstanz im Bereich 8 - 90 l/mm bei Absorptionskoeffizienten im Bereich von 0,1 - 1,5 l/mm. Bei zahnärzt¬ lichen Füllungsmaterialien liegt der Streukoeffizient hier im Bereich 8 - 25 l/mm und der Absorptionskoeffizient bei 0,3 - 4 l/mm.
Wellenlängenbereiche geringer Streuung liegen dagegen für semitransparente Objekte im roten und infraroten Spektralbereich. Für Zahnhartsubstanz liegt der Streukoeffizient im Bereich von 1 - 40 l/mm für Zahnschmelz an der unteren Grenze und für Dentin im oberen Bereich. Füllungswerkstoffe liegen im Bereich 3 - 20 l/mm. Beispiele für Streu¬ koeffizienten und Adsorptionskoeffizienten von Schmelz und Dentin sind den Fig. 4 und 5 zu entnehmen. Limitierend im nahen Infrarot ist die abnehmende spektrale Empfindlichkeit des Detek¬ tors. Im Falle einer bevorzugten Ausführungsform fällt diese bei einem CMOS Sensor bei 1000 nm unter 5 %. Ebenfalls ist die Verwendung eines CCD Sensors möglich. Weiterhin lässt sich mit geeigneten Sensoren der Wellenlängenbereich ins Infrarot er¬ weitern. Geeignet sind dazu beispielsweise In As- oder HgCdTe-Detektoren mit denen der Bereich 2, 5 bis 10 μm abgedeckt werden kann.
Falls der Spektralbereich des nahen Infrarot, beispielsweise 750 nm bis 1000 nm ge¬ nutzt wird, kann die dann verfügbare Tiefeninformation auch zur Kariesdiagnostik ge¬ nutzt werden. Falls zwei oder mehrere Wellenlängen simultan genutzt werden sollen, kann eine RGB - Variante eines CMOS- Sensors genutzt werden, die im roten, grünen und blauen Spektralbereich Empfindlichkeitsmaxima aufweist.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung 50 zur Erfassung von Konturdaten dreidimensionaler Objekte, wobei glei¬ che Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. In Erweiterung der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 ist eine Mitlaufvorrichtung 52 vorgesehen, die eine simul¬ tane axiale Längenänderung des Referenzarms 36 beim Verschieben der Fokussierlinse 28 entlang des Pfeils 54 ermöglicht. Hierzu sind in der Mitlaufvorrichtung 52 Umlenk¬ spiegel 56 angeordnet. Ein weiterer Umlenkspiegel 58 ist in Verlängerung des aus dem Strahlteiler 24 austretenden Lichtstrahls angeordnet, um eine Umlenkung des Licht¬ strahls auf den in der Mitlaufvorrichtung angeordnete Spiegelanordnung 56 zu errei¬ chen. Um bei dieser Anordnung dennoch eine Trennung der Fokusebene von der Sig¬ nalgewinnungsebene zu ermöglichen, kann der Spiegel 32 vorzugsweise getrennt axial in Richtung des Pfeils 60 verschoben werden.
Fig. 7 zeigt eine Außenkontur eines Sensorgehäuses 62 zum Einsatz in der Zahnheil¬ kunde zum intraoralen Scanning von Zähnen. Um ein komfortables Arbeiten im Mund eines Patienten zu ermöglichen, müssen sich die Abmessungen an die Anatomie des Patienten orientieren. Eine keilförmige Anordnung ist eine bevorzugte Ausfuhrungs¬ form. Fig. 8 zeigt eine Unterseite 64 des Sensorgehäuses 62, in dem ein Scanfenster 66 ange¬ ordnet ist. Die Länge des Scanfensters 66 ermöglicht eine simultane Erfassung eines Quadranten.

Claims

PatentansprücheVerfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Konturdaten und/oder optischen Eigen¬ schaften eines dreidimensionalen semitransparenten Objekts
1. Verfahren zur Erfassung von Konturdaten und/oder optischen Eigenschaften eines dreidimensionalen semitransparenten Objekts (14), insbesondere eines semitrans¬ parenten Objekts im Dentalbereich wie Zahn oder Zahnrestauration, auf der Basis einer Interferenz- und/oder Autokorrelationsmessung, wobei
- ein Strahlenbündel (22) von mindestens einer Lichtquelle (16) kurzer Kohä¬ renzlänge erzeugt wird,
- das Strahlenbündel durch einen Strahlteiler (24) geführt und über eine Fokυs- sieroptik (28) auf das Objekt (14) geleitet wird,
- in dem Strahlteiler aus dem Strahlenbündel ein Referenzstrahl (30) abgespalten und von einem entlang des Referenzstrahls verschiebbaren Referenzspiegel (32) reflektiert wird, wobei durch Verschieben des Referenzspiegels eine Posi¬ tion einer Signalgewinnungsfläche (38) relativ zum Objekt (14) festgelegt wird, und
- die vom Objekt und vom Referenzspiegel reflektierte Strahlung in dem Strahl¬ teiler zusammengeführt und in einem Pixel (46, 47, 49) aufweisenden Bildsen¬ sor (42) überlagert wird, wobei beim Durchfahren der Signalgewinnungsfläche durch das Objekt zeitlich und/oder räumlich veränderte Signalmuster erfassbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Strahlenbündel (22) vor Auftreffen auf den Strahlteiler (24) in räumlich beabstandete parallele Einzellichtstrahlen (43, 45) aufgeteilt wird oder ist, wobei die Einzellichtstrahlen einen Abstand derart zueinander aufweisen, dass ein Auftreffen von reflektierten Einzellichtstrahlen auf unmittelbar aneinander grenzenden Pixeln (46, 49) des Bildsensors (42) unterbleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Einzellichtstrahlen (43, 45) derart eingestellt wird, dass zwei unmittelbar benachbarte Einzellichtstrahlen auf Pixel (46, 47) bzw. Pixelbereiche auftreffen, zwischen denen zumindest ein Pixel, vorzugsweise 2 bis 5 Pixel unmit¬ telbar von einem reflektierten Einzellichtstrahl unbeaufschlagt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Kontur bzw. der optischen Eigenschaften des Objekts (14) eine Differenzmessung mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen durchgeführt wird, bei denen das Objekt jeweils unterschiedliche Streu- und Ab¬ sorptionskoeffizienten aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle (16) mit einer Kohärenzlänge lc im Bereich von 2 μm < lc < 20 μm bei einer Emissionsleistung PE der Lichtquelle im Bereich von 1 mW < PE < 100 mW vorzugsweise 3 mW < PE ≤ 50 mW verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (16) weißes Licht und/oder zumindest eine superlumineszente Diode und/oder ein Array von superlumineszenten Dioden und/oder zumindest ei¬ ne breitbandige Hochleistungsleuchtdiode und/oder ein Array von mehreren breit- bandigen Hochleistungsleuchtdioden verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Licht kurzer Kohärenzlänge insbesondere bei Nutzung einer einzelnen Lichtquelle oder einer geringen Anzahl von Lichtquellen (16) über einen Beam- Expander (18) aufgeweitet und zur Erzeugung eines eine Vielzahl paralleler Ein- zellichtstrahlen aufweisenden Strahlenbündels (22) auf ein Linsenarray (20) proji¬ ziert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Einzelstrahlen direkt in einem VCSEL-Array erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle eine Kombination mehrerer Laserdioden mit gegeneinander versetzter Zentralwellenlänge verwendet wird, wobei ein Wellenlängenversatz Δλ Im Bereich 5 nm < Δλ < 150 nm, vorzugsweise 10 nm < Δλ < 50 nm, beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von während einer Zeitperiode (Sampling-Zeit) beim Verfahren des Referenzspiegels (32) erfassten Bildinhalte (Signalmuster) des Bildsensors im Speicher eines Bildverarbeitungsrechners abgelegt und miteinander verrechnet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenbündel (22) mittels eines Beamshifters (26) um Bruchteile des Abstandes zwischen zwei Einzelstrahlen verschoben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der als planparallele Platte ausgebildete Beamshifter (26) senkrecht zur Strahlrichtung in X- und Y - Richtung leicht verkippt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildsensor (42) ein CMOS-Sensor verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Bildsensor (42) ein CCD-Sensor verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren InAs- oder HgCdTe-Detektoren eingesetzt werden.
15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Spektralbereich des nahen Infrarot, vorzugsweise zwischen 700 nm - 1000 nm, emittierende Lichtquelle (16) verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur simultanen Nutzung von zwei oder mehr Wellenlängen der Lichtstrahlen eine RGB-Variante eines CMOS-Sensors verwendet wird, wobei die dann zur Verfügung stehende Tiefeninformation auch zur Kariesdiagnostik verwendet wer¬ den kann.
17. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführung durch ein dispersionsarmes Monomodefaserbündel erfolgt, wobei das Licht der Lichtquelle nach Expansion in eine Vielzahl parallel geführter Fasern eingekoppelt und über eine Fokussieroptik ausgekoppelt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Oberflächenkonturdatenextraktion a priori Wissen in Form von in einer Datenbank gespeicherten typischen Kombinationen aus Streu- , Absorptions- und Anisotropiefaktoren der entsprechenden semitransparenten Materialien verwendet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Daten auf der Grundlage von Konturklassen für abzutastende Objekte bewertet (gewichtet) und/oder mit einer Priorität versehen werden.
20. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgewinnungsfläche (38) (Ebene mit maximalem Interferenzkon¬ trast) mit Fokusebene der Fokussieroptik (28) übereinstimmend eingestellt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgewinnungsfläche (38) zur Gewinnung weiterer Informationen zum Streuverhalten des semitransparenten Objekts (24) für anschließende Bild¬ verarbeitung von von der Fokussieroptik (28) erzeugter Fokusebene abweicht.
22. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit nicht unmittelbar von Einzellichtstrahlen (43, 45) beleuchteten Pixeln (49) Streustrahlung detektiert wird, die von dem semitransparenten Objekt (14) stammt.
23. Vorrichtung zur Erfassung von Konturdaten und/oder optischen Eigenschaften eines dreidimensionalen semitransparenten Objektes (14), insbesondere eines se¬ mitransparenten Objekts im Dentalbereich wie Zahn oder Zahnrestauration, um- fassend mindestens eine Lichtquelle (16) kurzer Kohärenzlänge zur Erzeugung ei¬ nes Strahlenbündels (22), einen das Strahlenbündel zum einen in einen über eine Fokussieroptik (28) auf das Objekt leitenden Strahlungsanteil und zum anderen in einen auf einen verstellbaren Referenzspiegel (32) leitenden Strahlungsanteil auf¬ spaltenden Strahlteiler (24) sowie einen Pixel (46, 47) aufweisenden Bildsensor (42), der mit von dem Objekt und von dem Referenzspiegel reflektierte und von dem Strahlteiler zusammengeführter Strahlung beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (16) und dem Strahlteiler (24) ein das Strahlenbün¬ del (22) in räumlich beabstandeten parallelen Einzellichtstrahlen (43, 45) auftei¬ lendes optisches Element (20) angeordnet ist oder die Lichtquelle (16) zur Erzeu¬ gung des aus einer Vielzahl paralleler Einzellichtstrahlen bestehenden Strahlen¬ bündels (22) ausgebildet ist, wobei die Einzellichtstrahlen einen Abstand derart zueinander aufweisen, dass ein Auftreffen von reflektierten Einzellichtstrahlen auf unmittelbar aneinander grenzenden Pixeln (46, 49) des Bildsensors (42) unter¬ bleibt.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (16) eine einzelne Lichtquelle oder mehrere Lichtquellen aufweist, wobei der einzelnen Lichtquelle oder den Lichtquellen ein Beam- Expander (18) zur Aufweitung des Strahlenbündels (22) und ein Linsenarray (20) zur Erzeugung des die mehreren parallelen Einzellichtstrahlen aufweisenden Strahlenbündels (22) nachgeordnet ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Strahlenbündels (22) vor dem Strahlteiler (24) ein Beamshifter (26) angeordnet ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Beamshifter (26) als planparallele Platte ausgebildet ist, die senkrecht zur Strahlrichtung in X- und Y-Richtung leicht verkippbar ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (16) eine weißes Licht erzeugende Lichtquelle ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (16) eine superlumineszente Diode oder ein Array von super- lumineszenten Dioden ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (16) eine Hochleistungsleuchtdiode oder ein Array mehrerer relativ breitbandiger Hochleistungsleuchtdioden ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (16) eine Kombination mehrerer Laserdioden mit gegenein¬ ander versetzter Zentralwellenlänge ist, wobei der Wellenlängenversatz Δλ im Be¬ reich 5 nm < Δλ < 150 nm vorzugsweise 10 nm < Δλ < 50 nm beträgt.
31. Vorrichtung nach Anspruch 23 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kohärenzlänge der Lichtquelle (16) im Bereich von 2 μm < lc ≤ 20 μm bei einer Emissionsleistung PE der Lichtquelle im Bereich von 1 mW < PE ≤ 100 mW, vorzugsweise 3 mW < PE ≤ 50 mW liegt.
32. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (16) als VCSEL-Array ausgebildet ist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Mitlaufvorrichtung (52) aufweist, die eine simultane axiale Längenänderung des Referenzarms (36) eine Abstandsänderung zwischen dem Referenzspiegel (32) und dem Strahlteiler (24) beim Verschieben der Fokus- sierlinse (28) ermöglicht.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mitlaufvorrichtung (52) eine Spiegelanordnung (56) zur Umleitung des Referenzstrahls vorgesehen ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Beam-Expander (18) über eine Vielzahl parallel geführter Fasern wie di¬ spersionsarmes Monomodebündel mit dem als Faserkoppler ausgebildeten Strahlteiler (24) verbunden ist.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (24) als multiplanares Wellenleitelement ausgebildet ist.
37. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass von der Fokussieroptik (28) erzeugte Fokusebene mit einer von der von dem Referenzspiegel (32) reflektierten Strahlung erzeugten Signalgewinnungs¬ fläche (38) (Ebene mit maximalem Interferenzkontrast) übereinstimmt oder ab¬ weicht.
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