DE102006039803A1

DE102006039803A1 - Method and arrangement for the optical measurement of the surface profile of objects

Info

Publication number: DE102006039803A1
Application number: DE102006039803A
Authority: DE
Inventors: Lucius Dr. Remer; Volker Dr. Seyfried
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2008-03-20
Also published as: WO2008022850A1; EP2073751A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Anordnung zum optischen Vermessen des Oberflächenprofils von Objekten, insbesondere von Zähnen, Zahnreihen oder Zahnstümpfen, sind im Hinblick auf das Erreichen einer hohen Messgenauigkeit mit einfachen Mitteln dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur auf die Oberfläche des Objekts (1) aufgebracht wird, wobei sich die Struktur aus einzelnen, auf der Oberfläche des Objekts (1) verteilten Messpunkten zusammensetzt, dass das Objekt (1) mittels einer Lichtquelle (4) beleuchtet wird und dass von der aufgebrachten Struktur ausgehendes Detektionslicht mittels einer Kamera unter verschiedenen Beobachtungswinkeln detektiert und aus den Kamerabilddaten das Oberflächenprofil des Objekts (1) berechnet wird.A method and an arrangement for optically measuring the surface profile of objects, in particular of teeth, rows of teeth or tooth stumps, are characterized in terms of achieving a high measuring accuracy by simple means in that a structure is applied to the surface of the object (1), wherein the structure is composed of individual measurement points distributed on the surface of the object (1), that the object (1) is illuminated by means of a light source (4), and that detection light emanating from the applied structure is detected and emitted at different observation angles by means of a camera the camera image data, the surface profile of the object (1) is calculated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten, insbesondere von Zähnen, Zahnreihen oder Zahnstümpfen.The The invention relates to a method and an arrangement for optical Measurement of the surface profile of objects, in particular of teeth, rows of teeth or tooth stumps.

Verfahren und Anordnungen der hier in Rede stehenden Art sind seit geraumer Zeit in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und werden insbesondere eingesetzt, um eine hohe Passgenauigkeit bzw. Randschlussgenauigkeit von Zahnkronen zu erzielen. Einige der bekannten Verfahren arbeiten nach dem Streifenprojektionsverfahren, wobei ein Streifenmuster bzw. eine Gitterstruktur optisch auf die Oberfläche des zu vermessenden dreidimensionalen Objekts projiziert wird. Aus einer um einen Triangulationswinkel verkippten Blickrichtung erscheinen die Streifen durch die Topografie verbogen, d.h. die Höheninformation wird in die Phase des detektierten und verformten Streifenmusters übersetzt. Durch einen aus der Interferometrie bekannten statischen oder dynamischen Algorithmus der Phasengewinnung kann zunächst die Phasenkarte ermittelt werden, die dann durch das sog. Phase-Unwrapping in die Topografie umgerechnet wird. Unter dieser Voraussetzung lassen sich die Pixelkoordinaten eines Streifenbildes auf einem CCD-Kamerachip in die entsprechenden Objektkoordinaten umrechnen.method and arrangements of the type in question are long since Time in different configurations known and become particular used to a high accuracy of fit or marginal accuracy to achieve tooth crowns. Some of the known methods work according to the fringe projection method, wherein a fringe pattern or a lattice structure optically on the surface of the three-dimensional object to be measured is projected. From a tilted by a triangulation angle Viewing direction, the stripes appear bent by the topography, i.e. the height information is translated into the phase of the detected and deformed stripe pattern. By a known from interferometry static or dynamic Phase recovery algorithm can first determine the phase map which are then converted into the topography by so-called phase unwrapping becomes. Under this condition, the pixel coordinates can be a strip image on a CCD camera chip in the corresponding Convert object coordinates.

Bei den bekannten Verfahren, die nach dem Streifenprojektionsverfahren arbeiten, wirkt sich der Umstand nachteilig aus, dass das Zahnmaterial transluzent ist. Aufgrund der Transluzenz dringt das auf die Oberfläche des Zahns projizierte Streifenmuster teilweise in den Zahn ein. Dabei kann die Eindringtiefe zusätzlich auch von der Oberflächenbeschaffenheit des Zahnmaterials abhängen. Durch das Eindringen des Streifenmusters in das Zahninnere wird das Abbild der Oberflächenstruktur des Zahns verfälscht, was eine deutliche Verschlechterung des Messergebnisses zur Folge hat.at the known method, according to the strip projection method work, the circumstance adversely affects that the tooth material translucent is. Due to the translucency that penetrates the surface of the Tooth partially projected stripe patterns into the tooth. there can the penetration depth in addition also from the surface condition depend on the tooth material. By the penetration of the stripe pattern into the tooth interior becomes the image of the surface structure of the tooth, resulting in a significant deterioration of the measurement result Has.

Zur Umgehung dieses Problems ist gemäß der DE 40 34 007 C2 vorgeschlagen worden, auf die Oberfläche eine Schicht aus Kontrastpuder zur Mattierung oder eine Schicht einer fluoreszierenden Flüssigkeit aufzubringen. Durch diese Maßnahmen in der wird zwar das Problem gelöst, dass das projizierte Streifenmuster teilweise in den Zahn eindringt. Allerdings bringt das Vorsehen einer zusätzlichen Schicht einen Nachteil dahingehend mit sich, dass es sich auch bei hoher Geschicklichkeit des Anwenders nicht vermeiden lässt, dass die Schicht unterschiedliche Dicken auf weist. Unterschiedliche Schichtdicken führen allerdings beim anschließenden Projizieren der Streifenstruktur wiederum zu Messungenauigkeiten.To work around this problem is in accordance with the DE 40 34 007 C2 It has been proposed to apply to the surface a layer of matting contrast powder or a layer of fluorescent liquid. By these measures in the problem is indeed solved that the projected fringe pattern partially penetrates into the tooth. However, the provision of an additional layer has the disadvantage that, even when the user is highly skilled, it is unavoidable that the layer has different thicknesses. However, different layer thicknesses again lead to measurement inaccuracies during the subsequent projecting of the strip structure.

Als Alternative zu dem Streifenprojektionsverfahren ist der Einsatz von konfokalen Laserscan-Mikroskopen zur Zahnvermessung bekannt. Der Einsatz eines Konfokalmikroskops ist allerdings nicht nur äußerst kostenintensiv, sondern weist zudem gravierende Nachteile im Hinblick auf die zu erzielende Aufnahmegeschwindigkeit sowie im Hinblick auf die Komplexität des Systems auf.When Alternative to the stripe projection method is the use known from confocal laser scanning microscopes for tooth surveying. Of the However, using a confocal microscope is not only extremely cost-intensive, but also has serious disadvantages with regard to the recording speed and the complexity of the system on.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten, insbesondere von Zähnen, Zahnreihen oder Zahnstümpfen, derart auszugestalten und weiterzubilden, dass mit einfachen Mitteln eine hohe Messgenauigkeit erreicht ist.Of the The present invention is based on the object, a method and an arrangement for optically measuring the surface profile of objects, in particular of teeth, rows of teeth or tooth stumps, in such a way and further develop that with simple means a high measuring accuracy is achieved.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur auf die Oberfläche des Objekts aufgebracht wird, wobei sich die Struktur aus einzelnen, auf der Oberfläche des Objekts verteilten Messpunkten zusammensetzt, dass das Objekt mittels einer Lichtquelle beleuchtet wird und dass von der aufgebrachten Struktur ausgehendes Detektionslicht mittels einer Kamera unter verschiedenen Beobachtungswinkeln detektiert und aus den Kamerabilddaten das Oberflächenprofil des Objekts berechnet wird.According to the invention above task with respect to a method with the features of claim 1. After that is the inventive method characterized in that a structure on the surface of Object is applied, wherein the structure of individual, on the surface of the object composed of measuring points that the object is illuminated by a light source and that of the applied Structure outgoing detection light by means of a camera detected different observation angles and from the camera image data the surface profile of the object is calculated.

Des Weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf eine Anordnung zur optischen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten durch die Merkmale des Patentanspruchs 28 gelöst. Danach ist die erfindungsgemäße Anordnung gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Aufbringen einer Struktur aus einzelnen, auf der Oberfläche des Objekts verteilten Messpunkten, eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Objekts, eine Kamera zur Detektion des von der aufgebrachten Struktur ausgehenden Detektionslichts unter verschiedenen Beobachtungswinkeln sowie eine Auswerteeinheit zur Berechnung des Oberflächenprofils des Objekts aus den Kamerabilddaten.Of Furthermore, the above object is with regard to an arrangement for optical measurement of the surface profile objects solved by the features of claim 28. After that is the arrangement according to the invention characterized by means for applying a structure single, on the surface of the object distributed measuring points, a light source for illumination of the object, a camera for the detection of the applied Structure outgoing detection light under different observation angles as well an evaluation unit for calculating the surface profile of the object the camera image data.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass sowohl bei einer Mattierungsschicht zur Erzeugung eines Untergrunds für ein zu projizierendes Streifenmuster, als auch bei einer Fluoreszenzschicht, welche die Oberfläche des zu vermessenden Objektes vollständig abdecken, Messungenauigkeiten aufgrund ungleichmäßiger Schichtdicken unvermeidbar sind. In weiter erfindungsgemäßer Weise ist sodann erkannt worden, dass zur 3D-Messung eines Objekts keine die Oberfläche des Objekts vollständig oder zumindest bereichsweise abdeckende Schicht notwendig ist, sondern dass vielmehr einzelne, die Oberfläche des Objekts repräsentierende Markierungen ausreichen. Erfindungsgemäß wird daher eine Struktur auf die Oberfläche des Objekts aufgebracht, wobei sich die Struktur aus einzelnen, auf der Oberfläche des Objekts verteilten Messpunkten zusammensetzt. Mit anderen Worten werden durch das Aufbringen der Struktur zufällig verteilte Stützpunkte auf der Oberfläche des Objekts generiert. Diese Stützpunkte definieren Messpunkte in der Weise, dass das bei Beleuchtung des Objekts von der Struktur ausgehende Licht als Detektionslicht mittels einer Kamera nachgewiesen wird. Im Konkreten wird das von der aufgebrachten Struktur ausgehende Detektionslicht unter verschiedenen Beobachtungswinkeln detektiert und aus den Kamerabilddaten das Oberflächenprofil des Objekts berechnet.In accordance with the invention, it has been recognized that inaccuracies in measurement due to uneven layer thicknesses are unavoidable both in a matting layer for producing a substrate for a striped pattern to be projected, and in a fluorescent layer which completely covers the surface of the object to be measured. In a further inventive manner has then been recognized that for the 3D measurement of an object is not the surface of the object completely or at least partially covering layer is necessary, but rather that sufficient individual, the surface of the object representing markings. According to the invention therefore a Structure applied to the surface of the object, wherein the structure composed of individual, distributed on the surface of the object measuring points. In other words, by applying the structure, randomly distributed vertices are generated on the surface of the object. These interpolation points define measuring points in such a way that the light emanating from the structure when the object is illuminated is detected as detection light by means of a camera. Specifically, the detection light emanating from the applied structure is detected at different observation angles and the surface profile of the object is calculated from the camera image data.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung arbeiten mit hoher Genauigkeit, da die Oberfläche des Objekts unmittelbar anhand der in physischer Form auf das Objekt aufgebrachten Struktur vermessen werden kann.The inventive method and the inventive arrangement work with high accuracy because the surface of the object is instantaneous based on the structure applied in physical form to the object can be measured.

Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung wird als Struktur eine Punktstruktur verwendet, die durch Aufbringen einzelner Partikel auf die Oberfläche des Objekts erzeugt wird. Als Detektionslicht kann das von der Struktur reflektierte und/oder gestreute und/oder polarisierte Licht detektiert werden. Die aufgebrachten Partikel fungieren dabei quasi jeweils als individuelle Streulichtzentren. Im Falle der Verwendung einer lumineszierenden Struktur wird als Detektionslicht das in Folge der Beleuchtung von der Struktur ausgehende Fluoreszens- und/oder Phosphoreszenzlicht detektiert.in the Frame of an advantageous embodiment is as a structure Dot structure used by applying individual particles on the surface of the object is generated. As a detection light that of the structure reflected and / or scattered and / or polarized light detected become. The applied particles act almost in each case as individual scattered light centers. In case of using a Luminescent structure is used as a detection light in succession the illumination emanating from the structure fluorescent and / or phosphorescent light detected.

Im Hinblick auf eine problemlose Verteilung der Partikel auf der Oberfläche des Objekts bietet sich ein Aufbringen der Partikel als Lösung an. Bevorzugt sind die Partikel dabei in Alkohol gelöst, da dieser nach der Applikation schnell verdunstet.in the With regard to a problem-free distribution of the particles on the surface of the Object lends itself to applying the particles as a solution. The particles are preferably dissolved in alcohol, since this after the application evaporates quickly.

Alternativ ist auch ein Aufbringen der Partikel als Emulsion oder als Suspension möglich.alternative is also an application of the particles as an emulsion or as a suspension possible.

Eine für einen Patienten besonders angenehme Applikation kann dadurch erreicht werden, dass die Partikel bspw. durch eine (Mund-)Spülung oder als Spray aufgebracht werden. Weiter denkbar ist ein Aufbringen der Partikel als Tinktur oder mittels eines Films oder einer Folie. Insbesondere bei der Vermessung von Zähnen werden die Partikel bevorzugt mittels eines Kaugummis aufgebracht. Im Hinblick auf eine leichte Entfernbarkeit nach Abschluss der Messung werden die Partikel in vorteilhafter Weise in einer abwaschbaren, abspülbaren und/oder abziehbaren Form aufgebracht.A for one Patients particularly pleasant application can be achieved be that the particles, for example, by a (mouth) flushing or be applied as a spray. It is also conceivable to apply the particle as a tincture or by means of a film or a foil. In particular, in the measurement of teeth, the particles are preferred applied by means of a chewing gum. In terms of a light Removability after completion of the measurement, the particles in advantageously in a washable, rinsable and / or removable Applied form.

Im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung der Partikel kann vorgesehen sein, dass es sich um Nanopartikel handelt, deren Größe in einem Bereich kleiner gleich 1 μm liegt. Nanopartikel erweisen sich insoweit als besonders vorteilhaft, als ihre Größe kleiner als die optische Auflösung ist. Nachteilig ist allerdings, dass Nanopartikel in Zellen eindringen und toxisch wirken können. Zur Vermeidung dieses Problems werden in vorteilhafter Weise Partikel mit einer Größe in einem Bereich zwischen 1 μm und vorzugsweise 200 μm verwendet. Partikel in dieser Größenordnung vereinen mehrere Vorteile: Zum einen sind sie nicht toxisch, zum anderen liefern sie angesichts ihrer größeren Fläche mehr Detektionslicht als Nanopartikel, wobei ihr Durchmesser immer noch kleiner ist als die optische Auflösung.in the With regard to the specific design of the particles can be provided be that they are nanoparticles whose size in one Area less than or equal to 1 μm lies. Nanoparticles prove to be particularly advantageous in this respect, as her size smaller as the optical resolution is. The disadvantage, however, is that nanoparticles penetrate cells and can be toxic. Particles are advantageously used to avoid this problem with one size in one Range between 1 μm and preferably 200 μm used. Particles of this magnitude combine several advantages: First, they are not toxic, for others provide more detection light than their larger surface area Nanoparticles, with their diameter still smaller than that optical resolution.

Hinsichtlich der konkreten Art der Partikel kann vorgesehen sein, dass diese aus Metall sind, wodurch sich eine besonders gute Reflexion des Beleuchtungslichts von den Partikeln ergeben würde. Alternativ können sog. „Beads" oder mit sog. „quantum dots" markierte Partikel eingesetzt werden. „Quantum dots" (Quantenpunkte) sind nanoskopische Strukturen aus Halbleitermaterialien, deren optische Eigenschaften durch Beeinflussung ihrer Form, ihrer Größe oder der Anzahl ihrer Elektronen maßgeschneidert werden können.Regarding the concrete type of particles can be provided that these made of metal, resulting in a particularly good reflection of the Illuminating light from the particles would result. Alternatively, so-called "beads" or with so-called "quantum dots "marked Particles are used. "Quantum dots "(quantum dots) are nanoscopic structures made of semiconductor materials whose optical Properties by influencing their shape, their size or Tailored to the number of their electrons can be.

Im Hinblick auf eine einfache Identifizierung der einzelnen Partikel kann vorgesehen sein, dass mehrfarbige Partikel eingesetzt werden.in the With a view to easy identification of the individual particles it can be provided that multicolored particles are used.

Alternativ oder zusätzlich zu Partikeln, welche das Beleuchtungslicht im Wesentlichen reflektieren und/oder streuen, können auch aktive Partikel eingesetzt werden, die in Folge von Bestrahlung selbst Detektionslicht emittieren. Im Konkreten kann es sich dabei um mit Fluorophoren markierte Partikel, um fluoreszierende Proteine, bspw. in Form von Bakterien mit GFP (Green Fluorescence Proteins) und/oder um autofluoreszierende Partikel, wie sie z.B. in Lebensmitteln vorkommen, handeln.alternative or additionally to particles that substantially reflect the illumination light and / or scatter also active particles are used, which in consequence of irradiation itself Emit detection light. In concrete terms, these can be with Fluorophores labeled particles to fluorescent proteins, eg. in the form of bacteria with GFP (Green Fluorescence Proteins) and / or autofluorescent particles, e.g. occur in food, act.

Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Oberflächenprofil des Objekts unter Anwendung eines Triangulationsverfahrens berechnet wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Kamera zwei räumlich voneinander beabstandete photosensitive Sensoren bzw. Detektoren umfasst. Jeder Partikel auf der Oberfläche des Objekts wird auf jedem der beiden Sensoren, d.h. doppelt, abgebildet. Der Abstand zwischen den beiden Sensoren kann dabei als Basislänge in die Berechnungen im Rahmen des Triangulationsverfahrens einfließen. Als photosensitive Sensoren/Detektoren können bspw. CCD-Chips, EMCCDs, CMOS-Sensoren, Lawinenfotodioden (APDs), MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)-basierte Detektoren und/oder PSDs (Position Sensitive Devices) eingesetzt werden.in the A particularly preferred embodiment provides for that the surface profile of the object is calculated using a triangulation method becomes. It is advantageous if the camera two spatially spaced apart Includes photosensitive sensors or detectors. Every particle on the surface of the object is detected on each of the two sensors, i. double, pictured. The distance between the two sensors can be used as the base length in the Calculations within the triangulation method. When Photosensitive sensors / detectors can, for example, CCD chips, EMCCDs, CMOS sensors, Avalanche Photodiodes (APDs), MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) -based detectors and / or PSDs (Position Sensitive Devices) are used.

Anstelle einer Kamera mit zwei voneinander separierten photosensitiven Sensoren ist auch die Verwendung einer Kamera mit nur einem Sensor möglich. Dabei wird das von einem Punkt der Struktur ausgehende Detektionslicht zu gleichen Teilen auf je eine Hälfte des Sensors abgebildet.Instead of a camera with two separate photosensitive sensors is also the Use of a camera with only one sensor possible. In this case, the detection light emanating from one point of the structure is imaged in equal parts on each half of the sensor.

In vorteilhafter Weise wird zwischen den beiden Sensoren der Kamera bzw. den beiden Hälften des einen Sensors der Kamera eine Kreuzkorrelation durchgeführt. Auf diese Weise ist eine eindeutige Identifikation der abgebildeten Punkte auf den Sensoren der Kamera möglich. Als zusätzliches Hilfsmittel zur eindeutigen Identifikation der abgebildeten Punkte erweist sich eine Auswertung der Fokusgröße der Bildpunkte der Partikel auf den Sensoren als vorteilhaft. Bei der Verwendung mehrfarbiger Partikel kann darüber hinaus die Farbinformation zur Identifikation der Partikel herangezogen werden.In Advantageously, between the two sensors of the camera or the two halves of the a sensor of the camera performed a cross-correlation. On this way is a clear identification of the pictured Points on the sensors of the camera possible. As an additional Aid for clearly identifying the points shown proves an evaluation of the focus size of the pixels of the particles on the sensors as beneficial. When using multicolored Particles can over it In addition, the color information used to identify the particles become.

Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden mehrere Bilder des Objekts unter jeweils verschiedenen Detektionswinkeln aufgenommen, wobei die einzelnen Bilder schnell hintereinander, vorzugsweise mit einer Videorate (bspw. 24 Bilder pro Sekunde), aufgenommen werden. Diese Maßnahmen erlaubt ein Tracking bzw. eine Nachverfolgung der einzelnen Punkte der Struktur über die einzelnen Bilder hinweg, so dass die unterschiedlichen digitalen Bilder korrekt zu einem dreidimensionalen Bild des Objekts zusammengefügt werden können.in the Within a particularly preferred embodiment, multiple images of the object recorded at different detection angles, the individual pictures quickly in a row, preferably at a video rate (for example, 24 frames per second) become. These measures allows tracking or tracking of individual points the structure over the individual pictures away, so the different digital Images can be correctly merged into a three-dimensional image of the object.

In weiter vorteilhafter Weise wird die Lichtquelle zur Beleuchtung des Objekts gepulst betrieben. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, Bildaufnahme und Detektion zu synchronisieren, wobei die Sensoren der Kamera in diesem Fall mit Shuttern betrieben werden können. Im Falle des Einsatzes von CCD-Chips als Sensoren werden bevorzugt Frame Transfer CCDs eingesetzt.In more advantageously, the light source for lighting operated pulsed the object. This will be the possibility opened, Synchronize image acquisition and detection, with the sensors the camera can be operated in this case with shutters. in the Traps of the use of CCD chips as sensors are preferred Frame transfer CCDs used.

Für den Fall, dass eine Struktur aus fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Partikeln auf das zu vermessende Objekt aufgebracht wird, kann das Lumineszenzlicht in vorteilhafter Weise mit zwei Farben detektiert werden. Durch Lineares Unmixing kann auf diese Weise eine Störlichtunterdrückung erreicht werden, indem Detektionslicht, das von einer möglichen Autofluoreszenz des Objekts herrührt, von dem eigentlichen Fluoreszenzlicht der Partikel getrennt wird.In the case, that a structure of fluorescent or phosphorescent Particles applied to the object to be measured, the Luminescent light detected in an advantageous manner with two colors become. By linear unmixing can be achieved in this way a Störlichtunterdrückung be detected by detection light, the possible autofluorescence of the Object comes from, is separated from the actual fluorescent light of the particles.

Im Hinblick auf eine besonders effiziente Auswertung kann vorgesehen sein, dass für die Bildaufnahme eine künstliche Unschärfe erzeugt wird. Diese Unschärfe kann bspw. dadurch realisiert werden, dass den Sensoren und/oder einer vorgeschalteten Abbildungsoptik, die bspw. als Mikrolinsenarray ausgeführt sein kann, eine Schwingungsbewegung mit kleiner Amplitude aufgeprägt wird. Diese Vorgehensweise wird insbesondere dann angewandt, wenn sich herausstellt, dass die Abbildungen der Partikel auf dem Sensor zu klein sind. Durch die Schwingungsbewegung vergrößert sich der Bildpunkt und durch Schwerpunktsbildung kann seine genaue Position ermittelt werden.in the With regard to a particularly efficient evaluation can be provided be that for the image capture an artificial fuzziness is produced. This blur can be realized, for example, that the sensors and / or an upstream imaging optics, for example, be designed as a microlens array can, a vibration movement is impressed with small amplitude. This procedure is used in particular when turns out that the pictures of particles on the sensor too are small. Due to the oscillatory motion of the pixel and increases by focusing his exact position can be determined.

Die Oberflächenstruktur des Objekts kann auch mittels eines holographischen Verfahrens bestimmt werden. Dazu wird das Beleuchtungslicht mittels eines Strahlteilers in einen Referenzstrahl und in einen Gegenstandsstrahl aufgeteilt. Da für die herkömmliche Erstellung von Hologrammen die zeitliche und räumliche Stabilität eines durch die Überlagerung der Wellenfelder ausgebildeten Interferenzmusters erforderlich ist, ist eine räumliche Fixierung von Objekt und Kamera vorteilhaft. Insoweit bietet sich dieses Verfahren insbesondere zur Vermessung von Zähnen au ßerhalb der Mundhöhle an. Insbesondere bei modernen holographischen Verfahren, bei denen die Beleuchtungslichtquelle gepulst betrieben wird, ist eine derartige Fixierung nicht erforderlich, so dass diese Verfahren auch eine Vermessung der Oberflächenstruktur von Zähnen unmittelbar in der Mundhöhle ermöglichen.The surface structure of the object can also be determined by means of a holographic method become. For this purpose, the illumination light by means of a beam splitter divided into a reference beam and an object beam. Therefore the conventional one Creation of holograms the temporal and spatial stability of a through the overlay the wave fields formed interference pattern is required is a spatial Fixation of object and camera advantageous. In that regard, this offers itself Method especially for measuring teeth outside of the oral cavity. Especially in modern holographic methods, in which the Illuminated light source is driven pulsed, is one such Fixation not required, so these procedures also have a Measurement of the surface structure of teeth immediately in the oral cavity enable.

Prinzipiell ist die Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten in jeglicher Art von Körperhöhle, so bspw. im Ohr, möglich. Auch eine Vermessung von Objekten innerhalb des Körpers unter Einsatz von endoskopischen Verfahren ist denkbar. Das Beleuchtungslicht kann dabei in an sich bekannter Weise über Lichtleitfasern eingespeist werden.in principle is the measurement of the surface profile of objects in any kind of body cavity, so for example in the ear, possible. Also a measurement of objects within the body using endoscopic Procedure is conceivable. The illumination light can be in itself known way over Optical fibers are fed.

Im Hinblick auf ein besonders einfaches Aufbringen der Struktur auf das zu vermessende Objekt kann die Einrichtung zum Aufbringen als Sprühdüse ausgeführt sein. In besonders vorteilhafter Weise ist die Sprühdüse an einer Sonde angeordnet, welche von der Beleuchtungslichtquelle gespeist wird. Eine sondenartige Anordnung ließe sich in jegliche Art von Körperhöhle einführen.in the With regard to a particularly simple application of the structure the object to be measured may be the means for applying as Be executed spray nozzle. In a particularly advantageous manner, the spray nozzle is arranged on a probe, which is powered by the illumination light source. A probe-like Arrangement would let to introduce themselves into any kind of body cavity.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Patentansprüchen 1 und 29 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigenIt are now different ways to design the teaching of the present invention in an advantageous manner and further education. This is on the one hand on the sibling claims 1 and 29 subordinate claims and on the other hand on the following explanation preferred embodiments of the invention with reference to the drawing. Combined with the explanation the preferred embodiments The invention with reference to the drawings are also generally preferred Embodiments and developments of the teaching explained. In the Show drawing

1 in einer schematischen Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Kamera mit zwei photosensitiven Sensoren, 1 1 shows a schematic view of a first exemplary embodiment of an arrangement according to the invention with a camera with two photosensitive sensors,

2 in einer schematischen Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Kamera mit einem einzigen photosensitiven Sensor, 2 2 shows a schematic view of a second exemplary embodiment of an arrangement according to the invention with a camera with a single photosensitive sensor,

3 in einer schematischen Ansicht ein mit dem Sensor aus 2 aufgenommenes Bild und 3 in a schematic view one with the sensor 2 taken picture and

4 in einer schematischen Ansicht ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung eines holographischen Verfahrens. 4 in a schematic view of a third embodiment of an inventive arrangement for performing a holographic process.

1 zeigt – schematisch – ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur optischen Vermessung des Oberflächenprofils eines Objekts 1, wobei es sich im Konkreten um die Vermessung eines Zahns 2 handelt. Zunächst ist der Zahn 2 präpariert worden, indem eine punktförmige Struktur auf die Oberfläche aufgebracht worden ist. Die punktförmige Struktur besteht aus einzelnen Partikeln 3, die an der Oberfläche des Zahns 2 anhaften. Vor dem Hintergrund des transluzenten Zahnmaterials bilden die Partikel 3 einen optischen Kontrast und fungieren bei der Beleuchtung des Zahns 2 mittels einer Beleuchtungslichtquelle 4 als individuelle Streulichtzentren. 1 shows - schematically - a first embodiment of an inventive arrangement for optical measurement of the surface profile of an object 1 , Specifically, it is the measurement of a tooth 2 is. First, the tooth 2 was prepared by a point-like structure has been applied to the surface. The punctiform structure consists of individual particles 3 attached to the surface of the tooth 2 adhere. The particles form against the background of the translucent tooth material 3 an optical contrast and act in the illumination of the tooth 2 by means of an illumination light source 4 as individual scattered light centers.

Die Lichtquelle 4 ist bevorzugt als Laser, als LED oder als Kaltlichtquelle ausgeführt. Auch das Licht einer normalen Lampe oder Sonnenlicht kann zur Beleuchtung des Objekts 1 verwendet werden. Vorzugsweise wird eine Beleuchtung im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 800 nm verwendet.The light source 4 is preferably designed as a laser, as an LED or as a cold light source. Even the light of a normal lamp or sunlight can illuminate the object 1 be used. Preferably, illumination in the visible wavelength range between 400 and 800 nm is used.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel durchläuft das von den einzelnen Partikeln 3 reflektierte bzw. gestreute Detektionslicht zunächst einen Farbfilter 5 und wird sodann mit Linsen 6 auf zwei als CCD-Chips 7 ausgeführte Sensoren 8 einer nicht näher dargestellten Kamera abgebildet. Die Linsen 6 und die CCDs 7 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass die Auflösung der Optik bzw. der CCDs 7 zur Detektion der einzelnen Partikel 3 ausreichend ist. Im Konkreten ist die Abstimmung so gewählt, dass das Detektionslicht jedes einzelnen Partikels 3 auf wenige Pixel einer CCD 7 trifft.In the illustrated embodiment, this passes through the individual particles 3 Reflected or scattered detection light first a color filter 5 and then with lenses 6 on two as CCD chips 7 executed sensors 8th a camera, not shown. The lenses 6 and the CCDs 7 are coordinated so that the resolution of the optics or the CCDs 7 for the detection of the individual particles 3 is sufficient. Specifically, the vote is chosen so that the detection light of each particle 3 on a few pixels of a CCD 7 meets.

Nach erfolgter Bildaufnahme wird der Betrachtungswinkel verändert und die Punktstruktur erneut aufgenommen. Mit anderen Worten wird eine Videosequenz erstellt, indem nacheinander mehrere Bilder des Objekts 1 aus unterschiedlichen Richtun gen aufgenommen werden. Auf diese Weise werden auch bei einer Bildaufnahme aus einem bestimmten Beobachtungswinkel verdeckte Bereiche des Objekts 1 erfasst. Aus den vorliegenden Bildern wird über ein Triangulationsverfahren das dreidimensionale Bild des zu vermessenden Zahns 2 errechnet. Für die Berechnungen im Rahmen des Triangulationsverfahrens dient der Abstand der beiden CCD-Chips 7 der Kamera als Basislänge.After the image has been taken, the viewing angle is changed and the dot structure is recorded again. In other words, a video sequence is created by successively taking multiple pictures of the object 1 be picked up from different directions. In this way, hidden areas of the object also become visible when taking pictures from a certain viewing angle 1 detected. From the present images, the three-dimensional image of the tooth to be measured is triangulated 2 calculated. The distance between the two CCD chips serves for the calculations in the triangulation method 7 the camera as the base length.

2 und 3 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, wobei – im Gegensatz zu der Anordnung gemäß 1 – das Detektionslicht der einzelnen Partikel 3 nur mit einer CCD 7 detektiert wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile wie in 1. 2 and 3 show a second embodiment of an inventive arrangement, wherein - in contrast to the arrangement according to 1 - The detection light of the individual particles 3 only with a CCD 7 is detected. The same reference numerals designate the same components as in FIG 1 ,

Wie bereits in Zusammenhang mit 1 erläutert, werden mehrere Aufnahmen des Objekts 1 aus verschiedenen Positionen, d.h. unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln aufgenommen. Die Aufnahmen werden vorzugsweise mit einer Video-Rate, d.h. bspw. mit 24 Bildern pro Sekunde, aufgenommen. Unter Ausnutzung der Überbestimmtheit bzw. Redundanz des Systems kann aus der Gesamtheit der Aufnahmen entweder die relative Kamera-Position oder – ähnlich dem GPS-Prinzip – direkt die 3-D-Position der einzelnen Partikel 3 errechnet werden.As already related to 1 explained, will take multiple shots of the object 1 from different positions, ie recorded at different viewing angles. The recordings are preferably recorded at a video rate, ie for example at 24 frames per second. Taking advantage of the overdetermination or redundancy of the system, the entirety of the images can be used to determine either the relative camera position or, similar to the GPS principle, the 3-D position of the individual particles 3 be calculated.

Bei dem beschriebenen Verfahren erhält man einen weiteren Informationsgewinn dadurch, dass – wie in 2 schematisch angedeutet – die Fokusgröße der Bildpunkte der einzelnen Partikel 3 auf der CCD 7 ausgewertet werden. Die aus dieser Auswertung resultierenden Zusatzinformationen können zur eindeutigen Identifikation der abgebildeten Punkte in den einzelnen Aufnahmen verwendet werden.In the described method, one obtains a further information gain in that - as in 2 indicated schematically - the focus size of the pixels of the individual particles 3 on the CCD 7 be evaluated. The additional information resulting from this evaluation can be used for unambiguous identification of the imaged points in the individual recordings.

4 zeigt schließlich – ebenfalls schematisch – ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, wobei die dreidimensionale Struktur des zu vermessenden Zahnes 2 dort mittels eines holographischen Verfahrens ermittelt wird. Dabei passiert der von einer als Laser 9 ausgeführten Beleuchtungslichtquelle 4 emittierte Beleuchtungslichtstrahl zunächst eine Linse 10 und wird dann mittels eines Strahlteilers 11 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Der eine Teilstrahl – Referenzstrahl 12 – wird über einen ersten Umlenkspiegel 13 direkt auf einen photosensitiven Sensor 8 einer Kamera gelenkt. Der zweite Teilstrahl – Gegenstandsstrahl 14 – wird über einen zweiten Umlenkspiegel 15 auf das zu vermessende Objekt 1 ge richtet und dient zur Beleuchtung der auf die Oberfläche des Objekts 1 aufgebrachten punktförmigen Struktur. 4 finally shows - also schematically - a third embodiment of an inventive arrangement, wherein the three-dimensional structure of the tooth to be measured 2 determined there by means of a holographic method. It happens as a laser 9 running illumination light source 4 emitted illumination light beam first a lens 10 and then by means of a beam splitter 11 divided into two sub-beams. The one partial beam reference beam 12 - is via a first deflection mirror 13 directly onto a photosensitive sensor 8th a camera steered. The second partial beam - object beam 14 - is via a second deflection mirror 15 on the object to be measured 1 directed and serves to illuminate the surface of the object 1 applied punctiform structure.

Wie in 4 schematisch angedeutet, erzeugt jedes Partikel 3 Fresnelsche Zonenplatten auf dem als CCD 7 ausgeführten Sensor 8. Deren Phase wird durch Überlagerung mit dem Referenzstrahl 12 auf der CCD 7 gespeichert.As in 4 indicated schematically generates each particle 3 Fresnel zone plates on the as CCD 7 executed sensor 8th , Their phase is superimposed by the reference beam 12 on the CCD 7 saved.

Abschließend sei angemerkt, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich der beispielhaften Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.Finally, it should be noted that the embodiments discussed above only but are not intended to limit the embodiments to the exemplary teachings of the claimed teachings.

Claims

Method for the optical measurement of the surface profile of objects, in particular of teeth, rows of teeth or tooth stumps, characterized in that a structure is applied to the surface of the object ( 1 ) is applied, wherein the structure of individual, on the surface of the object ( 1 ) distributed measuring points that the object ( 1 ) by means of a light source ( 4 ) and that detection light emanating from the applied structure is detected by means of a camera at different observation angles and from the camera image data the surface profile of the object ( 1 ) is calculated.

A method according to claim 1, characterized in that a point structure is used as the structure, which by applying individual particles ( 3 ) on the surface of the object ( 1 ) is produced.

Method according to claim 1 or 2, characterized that as a detection light reflected from the structure and / or scattered and / or polarized light is detected.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that as a detection light due to the illumination of the structure outgoing fluorescence and / or phosphorescence detected becomes.

Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that the particles ( 3 ) as a solution, preferably in alcohol.

Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that the particles ( 3 ) are applied as an emulsion or as a suspension.

Method according to claim 5 or 6, characterized in that the particles ( 3 ) are applied by rinsing or as a spray.

Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that the particles ( 3 ) as a tincture, by means of a film or a foil or by means of a chewing gum.

Method according to one of claims 2 to 8, characterized in that the particles ( 3 ) are applied in a washable, rinsable and / or peelable form.

Method according to one of claims 2 to 9, characterized in that it is in the particles ( 3 ) are nanoparticles having a size in the range of less than 1 μm.

Method according to one of claims 2 to 9, characterized in that it is in the particles ( 3 ) is particles having a size in the range between 1 μm and preferably 200 μm.

Process according to one of Claims 2 to 11, characterized in that the particles ( 3 ) are metal particles, beads and / or quantum dots.

Method according to one of claims 2 to 12, characterized in that multicolor particles ( 3 ) are used.

Method according to one of claims 2 to 13, characterized in that it is at the particles ( 3 ) are fluorophore-labeled particles, fluorescent proteins and / or autofluorescent particles.

Method according to one of claims 1 to 14, characterized in that the surface profile of the object ( 1 ) is calculated using a triangulation method.

Method according to one of claims 1 to 15, characterized in that a camera with at least two separate photosensitive sensors ( 8th ) is used.

A method according to claim 16, characterized in that for the triangulation method, the distance between the two sensors ( 8th ) is used as the base length.

Method according to one of claims 1 to 15, wherein the camera only one sensor ( 8th ), characterized in that the detection light emanating from one point of the structure is divided equally into each half of the sensor ( 8th ) is displayed.

Method according to one of claims 1 to 18, characterized in that a cross-correlation between the two sensors ( 8th ) of the camera or between the two halves of the one sensor ( 8th ) of the camera.

Method according to one of claims 16 to 19, characterized in that the focus size of the pixels on the sensors ( 8th ) is evaluated.

Method according to one of claims 1 to 20, characterized that the individual images are displayed one behind the other at temporally short intervals, preferably with video rate, to be recorded.

Method according to one of claims 1 to 21, characterized in that the light source ( 4 ) for illuminating the object ( 1 ) is operated pulsed.

Method according to one of claims 1 to 22, characterized that the image acquisition and the detection are synchronized.

Method according to one of claims 4 to 23, characterized that the fluorescent light is detected with two colors.

Method according to one of claims 1 to 24, characterized that a Störlichtunterdrückung by Linear unmixing is performed.

Method according to one of claims 1 to 25, characterized that when recording an artificial fuzziness is generated and the focal points of the pixels are calculated.

Method according to one of claims 1 to 26, characterized in that the surface profile of the object ( 1 ) is determined using a holographic method.

Method according to one of claims 1 to 27, characterized in that the objects ( 1 ) in body cavities and / or endoscopically.

Arrangement for the optical measurement of the surface profile of objects, in particular of teeth, rows of teeth or tooth stumps, characterized by a device for applying a structure of individual ones on the surface of the object ( 1 ) distributed measuring points, a light source ( 4 ) for illuminating the object ( 1 ), a camera for detecting the detection light emanating from the applied structure at different observation angles, and an evaluation unit for calculating the surface profile of the object ( 1 ) from the camera image data.

Arrangement according to claim 29, characterized the device for applying the structure is designed as a spray nozzle.

Arrangement according to claim 30, characterized in that the spray nozzle can be inserted at or in a body cavity, from the light source ( 4 ) is arranged probe supplied.

Arrangement according to one of claims 29 to 31, characterized in that the camera one or more CCD chips ( 7 ), EMCCDs, CMOS sensors, avalanche photodiodes (APDs), MEMS (microelectromechanical system) based detectors, and / or PSDs (Position Sensitive Devices).

Arrangement according to one of claims 29 to 32, characterized by a suitable optics for imaging the detection light the camera.

Arrangement according to one of claims 29 to 33, characterized by a microlens array connected upstream of the camera.