BRPI0811031B1

BRPI0811031B1 - Disposição de medição e processo para a medição tridimensional de um objeto

Info

Publication number: BRPI0811031B1
Application number: BRPI0811031-0A
Authority: BR
Inventors: Graser Rainer; Hibst Raimund; Müller Michael; Stock Karl
Original assignee: Degudent Gmbh
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2018-06-05
Also published as: US20100099984A1; JP2010525404A; WO2008129073A2; CN101688771B; EP2087312A2; DE102007019267A1; JP5102349B2; BRPI0811031A2; CA2682297A1; AU2008240597B2; AU2008240597A1; EP2087312B1; CA2682297C; WO2008129073A3; US8515528B2; CN101688771A

Description

(54) Título: DISPOSIÇÃO DE MEDIÇÃO E PROCESSO PARA A MEDIÇÃO TRIDIMENSIONAL DE UM OBJETO (51) Int.CI.: G01B 11/24; G02B 21/00 (30) Prioridade Unionista: 24/04/2007 DE 10 2007 019 267.5 (73) Titular(es): DEGUDENT GMBH (72) Inventor(es): RAINER GRASER; RAIMUND HIBST; MICHAEL MÜLLER; KARL STOCK

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para DISPOSIÇÃO DE MEDIÇÃO E PROCESSO PARA A MEDIÇÃO TRIDIMENSIONAL DE UM OBJETO.

A presente invenção refere-se a uma disposição de medição para a medição tridimensional de pelo menos uma parte de um objeto, especialmente de um objeto semitransparente, que compreende uma fonte de luz com um espectro contínuo, um dispositivo para a geração de um padrão de iluminação multifocal, uma lente objetiva com grande aberração cromática para a reprodução de focos do padrão de iluminação sobre o objeto, uma unidade de detecção como um detector superficial CCD para a determinação dos espectros de comprimento de ondas dos focos reproduzidos de modo confocal no objeto através da lente objetiva, e um dispositivo espectrodispersivo disposto entre os focos reproduzidos de modo confocal e o dispositivo de detecção.

A presente invenção também se refere a um processo para medir a forma de pelo menos um segmento de um objeto, em particular de um objeto semitransparente como pelo menos um segmento de um dente sob a utilização de uma fonte de luz para a geração de luz com um espectro contínuo, um dispositivo para a geração de um padrão de iluminação multifocal, uma lente objetiva com grande aberração cromática para a reprodução de focos do padrão de iluminação sobre o objeto, uma unidade de detecção para a determinação dos espectros de comprimento de ondas dos focos que são reproduzidos no objeto através da lente objetiva, sendo que a partir do respectivo espectro de comprimento de ondas é determinada a posição de pique espectral de cada foco, a partir da qual é calculada a extensão do objeto na direção do feixe de reprodução (coordenada de Z).

Em muitas áreas da técnica é necessário determinar estruturas tridimensionais de objetos, isto é, medir. Isto também se refere à determinação de uma forma de um dente que é necessária para a confecção de uma prótese dental. De acordo com os processos convencionais, as reconstruções de dentes são feitas com a ajuda de um molde de gesso, mas há agora a aspiração de abandonar o modo de processamento clássico correspon2 dente e determinar sem contato a geometria a forma do dente.

Do estado da técnica são conhecidos numerosos processos para determinar a estrutura tridimensional de corpos. Quando forem usados processos ópticos cabe mencionar o processo de projeção em tiras ou o processo de deslocamento de fases, a tomografia de coerência óptica ou a holografia. No campo da técnica dentária já é usado o processo de deslocamento de fases.

Porém, ficou evidente que os processos ópticos correspondentes, em particular com objetos com grande dispersão, como é o caso de dentes, não trazem os resultados desejados. No processo de projeção de tiras, por exemplo, a dispersão produz uma falta de nitidez das listras e, por conseguinte, uma resolução diminuída.

Também são conhecidos processos onde nem todo o objeto, e sim apenas em uma região é iluminada com um foco nítido ou vários focos sob a utilização de uma reprodução confocal. Para gravar uma imagem completa bidimensional, o foco ou os focos precisam ser escaneados sobre o objeto. Se for para captar estruturas tridimensionais é necessário que o plano do foco seja deslocado axialmente.

Como alternativa, pode ser usada para a reprodução do foco ou dos focos uma fonte de luz de banda larga de uma óptica apropriada com uma distância focal fortemente dependente do comprimento das ondas. Dessa forma, os focos são reproduzidos pela lente objetiva de forma nítida, dependendo do comprimento das ondas e distâncias diferentes da lente objetiva. Depois da reprodução para trás dos focos por meio da lente objetiva, pode ser detectado no plano do foco para a cor, que na distância focal correspondente é reproduzida nitidamente, um máximo de intensidade. Através da determinação da posição de pique espectral, a distância do objeto da lente objetiva pode ser determinada nesse ponto e assim, por fim, a estrutura tridimensional. Nisso, a avaliação ou é feita por pontos através de um espectrômetro ou em linhas através de um espectrômetro de linhas com chip de câmera.

Do documento EP-B-0 321 529 é conhecida uma disposição de medição para medir as distâncias entre uma lente objetiva com grande aberração cromática e um objeto. Para a detecção é usada uma câmera superficial DDC preto e branco à qual é conjugado um aparelho espectraldispersivo que apresenta uma fenda de entrada. Através disso, a informação do comprimento de onda para cada ponto é convertida em uma informação do local a fim de se obter uma imagem de perfil da superfície do objeto.

O documento EP-B-0 466 979 refere-se a uma disposição para a geração de imagens confocal simultânea. Para tal, através de um diafragma de retícula perfurada, tal como disco de Nipkow, são gerados pontos de luz que são reproduzidos com foco em um objeto. Como unidade detectora será usada uma câmera do tipo CCD ponteira.

Do documento DE-A-102 42 374 é conhecido um sensor de distância confocal com uma óptica de reprodução com aberração cromática que é destinado para a inspeção no campo da eletrônica. Como fonte de luz pode ser usada uma com uma multiplicidade de fontes de luz pontuais. Como receptor de luz são usados detectores pontuais, sendo que cada vez um detector pontual e uma fonte de luz pontual são conjugados um ao outro e dispostos de modo confocal entre si.

Do documento DE-A-103 21 885 é conhecida uma disposição de medição confocal para a medição tridimensional de um objeto com uma fragmentação de profundidade cromática onde com a ajuda de um arranjo de microlentes um grande número de focos é gerado e refletido no objeto. A luz refletida é focada de volta para o plano dos focos de microlentes. Com a disposição são medidos microperfis bidimensionais ou tridimensionais de objetos de medição ou perfil de transparência ou de reflexão bidimensionais ou tridimensionais.

A presente invenção tem a tarefa de aprimorar de tal modo uma disposição de medição e um processo para a determinação tridimensional da forma de um objeto especialmente semitransparente como um dente, que também com objetos em movimentação pode ser obtida um perfil de superfície em um tempo relativamente curto que apresenta uma grande exatidão. Em especial deve ser possível medir objetos de dispersão ou de grande dis4 persão que fornecem um fundo de luz branca muito alto de modo que também um uso no campo da oftalmologia se torna possível.

Para a solução da tarefa, uma disposição de medição do gênero inicialmente mencionada prevê em essência que no plano dos focos reproduzidos de modo confocal é disposto um primeiro padrão de furos com primeiros furos, onde a disposição geométrica dos primeiros furos corresponde à disposição geométrica dos focos do padrão de iluminação multifocal.

Divergindo de disposições conhecidas, no plano de foco da lente objetiva que reproduz os focos que incidem sobre o objeto que apresenta uma forte aberração cromática é disposto um padrão de furos ou um pinhole array sobre o qual é reproduzido de modo confocal para trás o padrão de iluminação pelo objeto de medição. Nisso, a conjugação geométrica dos primeiros furos do primeiro padrão de furos sobre o padrão de iluminação é de tal modo alinhada que ocorre uma conjugação clara de modo que em virtude disso aos focos nos furos do padrão de furos podem ser conjugadas coordenadas locais em um plano que vai verticalmente ao caminho dos feixes que atravessam a lente objetiva.

De acordo com a presente invenção, furos ou pinholes distribuídos sobre uma superfície são dispostos no plano de foco da lente objetiva, onde o padrão de iluminação é reproduzido de modo confocal atrás do objeto. Nisso, são reproduzidos nos pinholes em dependência do comprimento das ondas e em dependência da distância entre a lente objetiva e o objeto no objeto, focos reproduzidos no objeto que depois serão explorados de modo espectral pela unidade de detecção. Nisso, especiaimente é previsto de acordo com a presente invenção que o dispositivo dispersivo conectado na frente da unidade de detecção fragmente lateralmente as linhas espectrais do foco reproduzido no respectivo furo, antes que as linhas espectrais cheguem nos pixels da unidade de detecção. Para tal é previsto que a unidade de detecção compreenda pixel de um sensor de superfície CCD disposto em uma superfície, sendo que o dispositivo dispersivo passa de tal modo relativamente inclinado em relação ao primeiro padrão de furos ou da unidade de detecção que os espectros lateralmente expandidos possam ser reproduzí5 dos sem sobreposição na superfície de pixel. Nisso é previsto especialmente que os espectros expandidos encontrem-se com a superfície de pixel que sucessivamente os espectros lateralmente expandidos convertem-se um no outro sem pixels.

Quanto à inclinação do dispositivo espectral dispersivo cabe dizer: a direção da expansão espectral do dispositivo espectral dispersivo forma um ângulo de, por exemplo, 6,5° em relação à linha de conexão de pontos vizinhos, para que o trecho de pixels disponível para a expansão e exploração espectral seja maior do que a distância de pinholes vizinhos. O basculamento do eixo óptico depois do dispositivo espectral dispersivo como prisma de dispersão é de, por exemplo, 15°.

Por conseguinte, de acordo com a presente invenção é proposta uma unidade de medição de cores que consiste no elemento dispersivo para a expansão espectral da luz de cada pinhole ao longo de uma linha e de um chip CCD onde são reproduzidos os pontos de medição espectralmente expandidos. Dessa forma resulta uma disposição similar a um espectrômetro de linhas, com a diferença de que os pontos de medição não estão dispostos em uma linha, e sim uniformemente distribuídos em toda a superfície de medição. Os diversos furos do pinhole array” correspondem àquele de uma fenda comprida de um espectrômetro de linhas.

Nisso, o padrão de iluminação é de tal modo ajustado à unidade de medição de cor, isto é, selecionado de tal modo que os espaços livres entre os diversos focos são usados para a fragmentação espectral da luz e a medição ao longo das linhas.

De acordo com o padrão de iluminação, obtém-se com uma imagem vários pontos de apoio, isto é, pontos de medição distribuídos sobre o campo de medição. Se a distância dos pontos de medição for maior do que resolução exigida, o padrão de iluminação precisa ser deslocado de acordo com isso. Isto pode ocorrer ou por meio de um elemento óptico apropriado como uma placa de plano paralelo na disposição de medição ou através de um movimento contínuo da própria disposição de medição, sendo que as diversas imagens resultantes são juntadas para formarem uma ima6 gem inteira.

Se a disposição dos furos no padrão de furos ou no ''pinhole array fornecer as coordenadas locais em um plano que vai verticalmente em relação ao caminho dos feixes que atravessam a lente objetiva, então é obtida como coordenada Z a informação de altura necessária através da avaliação espectral do foco reproduzido no respectivo furo, uma vez que os focos são reproduzidos nitidamente em dependência do comprimento de ondas em diversas distâncias da lente objetiva, e nos furos do pinhole array somente são reproduzidos aqueles focos que por sua vez são reproduzidos no objeto.

Para se gerar um padrão de iluminação é previsto, por exemplo, que à fonte de luz seja conectado em série um arranjo de microlentes para gerar o padrão de iluminação multifocal no primeiro plano de foco da lente objetiva que se estende no lado da fonte de luz. Porém, há também a possibilidade de arranjar no primeiro plano de foco da lente objetiva um segundo padrão de furos em cujos furos os focos do padrão de iluminação multifocal podem ser reproduzidos ou cujos furos determinam o próprio padrão de iluminação multifocal.

A fim de reproduzir os focos no plano do primeiro padrão de furos, um divisor de feixe é disposto entre a lente objetiva e a unidade de detecção. Um segundo divisor de feixe pode estar disposto ainda entre a lente objetiva e o padrão de iluminação, especialmente entre a lente objetiva e o primeiro divisor de feixe, a fim de obter uma imagem em tempo real do objeto. Nisso, preferenciaimente é previsto que o objeto seja iluminado por uma segunda fonte de luz, sendo que a faixa espectral da segunda fonte de luz também pode encontrar-se fora da faixa de comprimento de ondas da primeira fonte de luz que em essência pode ser avaliado para a determinação da forma do objeto. A imagem em tempo real pode ser tomada por meio de uma câmera.

Independentemente disso, o segundo divisor de feixe deve ser de tal modo dimensionado oticamente para resultar em uma alta transmissão para a radiação para a reprodução confocal dos focos. Na utilização de uma faixa espectral para a obtenção de uma imagem em tempo real que se encontra fora da faixa de comprimento de onda da primeira fonte de luz, o segundo divisor de feixe preferencialmente é um filtro dicroico que além da transmissão grande para a radiação da primeira fonte de luz apresenta uma alta reflexão para a radiação da segunda fonte de luz. A fim de se obter uma imagem em tempo real a mais nítida possível é vantajoso que a faixa espectral usada para a imagem esteja dentro do possível de banda estreita o que pode ocorrer ou através do uso de um filtro espectral conectado na frente da câmera ou do chip da câmera e/ou através do uso de uma segunda fonte de luz de banda estreita.

Porém, cabe notar que não é obrigatório que seja usada uma segunda fonte de luz. Antes pelo contrário, os focos reproduzidos no objeto podem ser suficientes para a geração de uma imagem em tempo real.

Em um aprimoramento da presente invenção é previsto que o primeiro padrão de furos apresenta segundos furos que se encontram fora do padrão de iluminação, furos estes que são conjugados aos primeiros furos para a determinação do fundo dos resultados de medição.

Para a obtenção de uma unidade construtiva compacta é previsto que entre a lente objetiva e o objeto seja previsto um dispositivo de desvio de feixe, tal como espelho, de modo que resulta um tipo de construção simples para o uso intraoral da disposição de medição.

A primeira fonte de luz em especial é uma lâmpada de halogênio. Porém, também podem ser usados diodos emissores de luz branca ou vários diodos emissores de luz colorida.

Como alternativa existe a possibilidade de que a radiação da primeira fonte de luz pode ser trazida através de condutores de luz cujas extremidades de desacoplamento se encontram no primeiro plano de objeto da lente objetiva e, com isso, no lugar dos focos do arranjo de microlentes, podem eles mesmos ser os focos. Como alternativa, a extremidade de desacoplamento preferencialmente de um condutor de luz encontra-se no plano de foco de uma óptica de colimação, depois da qual o feixe colimado do condutor de feixe cai sobre o arranjo de microlentes.

A fim de se obter uma conjugação geométrica precisa do padrão de iluminação e do primeiro padrão de furos e do primeiro divisor de feixe disposto entre estes, é previsto que o arranjo de microlentes, o primeiro padrão de furos e o primeiro divisor de feixe sejam executados como uma unidade construtiva. Portanto, surge especialmente uma geometria de cubo.

Para poder medir de modo simples diversas regiões parciais do objeto, podem estar dispostas entre o primeiro divisor de feixe e a lente objetiva uma ou várias placas de plano paralelo que são respectivamente giráveis ou basculáveis. Em especial, na existência de uma placa de plano paralelo, esta é disposta de modo girável em torno de dois eixos que se estendem no plano armado pela placa.

Também o dispositivo de desvio, tal como o espelho de desvio, pode ser disposto de modo deslocável e/ou girável, a fim de medir diferentes regiões parciais do objeto.

Um processo do tipo inicialmente mencionado destaca-se pelo fato de que no plano dos focos reproduzidos de modo confocal é disposto um primeiro padrão de furos com primeiros furos, cuja disposição geométrica correlaciona com o padrão de iluminação multifocal, e que devido à posição dos primeiros furos, as posições dos focos no objeto são predeterminadas em um plano que vai verticalmente ao feixe de reprodução (coordenadas X, Y), sendo que os espectros de comprimento de onda dos focos reproduzidos nos furos ao mesmo tempo são captados pela unidade de detecção.

Nisso é previsto que o espectro de comprimento de onda de cada foco reproduzido em um furo seja expandido com um dispositivo dispersivo conectado em série atrás do primeiro padrão de furos.

A presente invenção sugere em especial que a unidade de detecção apresente uma superfície de pixels que capta os espectros do comprimento de ondas de um sensor CCD, que a superfície de pixel e/ou o dispositivo dispersivo sejam alinhados de tal modo inclinado em relação ao primeiro padrão de furos que os espectros de comprimento de onda dos focos reproduzidos nos primeiros focos cheguem à superfície de pixel sem sobreposição.

Nisso, um alinhamento da superfície de pixel e do dispositivo dispersivo em relação ao primeiro padrão de furos deverá ser de tal modo que os espectros de comprimento de ondas dos focos reproduzidos nos primeiros furos convertem-se uns nos outros sem sobreposição.

A fim de determinar na medida suficiente e com a precisão necessária do comprimento das ondas dos focos reproduzidos nitidamente nos diversos furos, é previsto que de um foco é obtido um primeiro espectro, que no caminho do feixe do foco é disposto um elemento óptico que altera o comprimento do caminho do caminho do feixe, que um segundo espectro é determinado do foco com o caminho de feixe alterado, que os espectros são subtraídos um do outro, e que de piques resultantes iguais de sinais diferentes é obtido o comprimento de ondas da radiação do foco.

De acordo com uma outra proposta para a determinação do pique na curva de medição que caracteriza o comprimento de onda ou a faixa do comprimento de onda, é previsto para a determinação do fundo determinar o decurso espectral do fundo do espectro do foco através da determinação de espectros da luz que incide em segundos furos conjugados a primeiros furos, sendo que a disposição dos segundos furos diverge daquela do padrão de iluminação multifocal. Nisso, preferencialmente são determinados, para a determinação do fundo, espectros de luz de vários segundos furos conjugados a um primeiro furo.

Se, para a medição do objeto, sucessivamente são medidos segmentos do objeto, então os segmentos sucessivos deveriam compreender uma faixa de subdivisão comum que é de 50 % a 95 % do respectivo segmento. Dessa forma torna-se possível uma correlação simples entre as diversas medições. Também é previsto que para a determinação da forma do pelo menos um segmento do objeto, os segmentos parciais sejam registrados sucessivamente com uma sequência de imagens entre 25 e 50 imagens por segundo.

De preferência, o processo de medição é previsto para a medição intraoral de dentes ou de partes de dentes. Para tal, a lente objetiva com o dispositivo de desvio pode ser introduzido na boca para realizar as medições.

Outros detalhes, vantagens e características da presente invenção resultam não apenas das reivindicações, das características que podem ser obtidas delas - por si só ou em combinação -, e sim também dos exemplos de execução preferidos a serem obtidos da descrição seguinte do desenho.

Ele mostra:

a figura 1 mostra uma primeira forma de execução de uma disposição de medição em uma representação primária, a figura 2 mostra um padrão de iluminação, a figura 3 mostra uma distribuição espectral, a figura 4 mostra uma curva de medição, a figura 5 mostra uma disposição de furos com primeiros e segundos furos, a figura 6 mostra uma forma de execução monolítica de um arranjo de microlentes e pinhole arrays com divisor de feixe, a figura 7 mostra uma segunda forma de execução de uma disposição de medição, a figura 8 mostra posições de pique obtidas pela subtração de duas curvas de medição.

Nas figuras onde elementos iguais são marcados com referências iguais são mostradas diversas formas de execução de disposições de medição a fim de varrer especialmente de modo intraoral um dente ou uma parte deste ou vários dentes ou partes destes, a fim de captar a forma tridimensional. Nisso, os dados que representam a forma são fornecidos digitalmente para depois, de modo costumeiro, no processo de CAD/CAM, especialmente a partir de peças brutas de cerâmica pré-sinterizada fazer uma reconstrução de dente.

Nisso, a disposição de medição compreende como elementos essenciais uma fonte de luz 10 como uma lâmpada de halogênio cuja luz é colimada através de uma lente 12. O feixe de luz colimado incide sobre um arranjo de microlentes 14 que reproduz um padrão de iluminação 16 em um plano de foco de uma lente objetiva 18 de grande aberração cromática. O padrão de iluminação pode apresentar, por exemplo, um tamanho de 20 mm x 15 mm com cerca de 1600 focos ou, por exemplo, um tamanho de 5 mm x 6,5 mm com cerca de 2000 focos a uma distância de 250 pm que é gerado pelo arranjo de microlentes 14. Na figura 2 é mostrado apenas a título de exemplo o padrão de iluminação 14 onde dois focos são marcados, a título de exemplo, com referências 20, 22.

O padrão de iluminação 16 pode ser concebido de tal modo que resulta um diâmetro dos focos 20, 22 de respectivamente cerca de 25 pm ou cerca de 12 pm.

Para melhorar a estrutura de iluminação, o arranjo de microlentes 14 pode ser combinado com um pinhole array e respectivamente ajustado que se encontra no plano de objeto da lente objetiva 18. Nisso, os furos do pinhole array são ajustados geometricamente de acordo com a posição ao padrão de iluminação que é formado pelos focos 20, 22.

De acordo com a ilustração da figura 1, a luz oriunda da fonte de luz 10, depois do padrão de iluminação 16 incide sobre um divisor de feixe 24, do qual a porção transmitida cai sobre a lente objetiva 18 com forte aberração cromática.

O divisor de feixe 24 é realizado, de acordo com a ilustração do desenho, como placa com uma camada parcialmente refletora. Como alternativa são possíveis outros elementos divisores de feixes. Por exemplo podem ser mencionados cubos divisores de feixes. Também um espelho em forma de anel ou um espelho menor são imagináveis, sendo que respectivamente a percentagem de feixe externa ou interna serve para a detecção ou para a iluminação a ser explicada mais adiante.

A radiação que atravessa a lente objetiva 18 é reproduzida através de um dispositivo de desvio 26 como um espelho de desvio para um objeto 28 a ser medido, como um dente. Nisso, a distância entre o plano do padrão de iluminação 16 e o objeto 28 é selecionada de tal modo que os focos depois do desvio através do dispositivo de desvio 26 são reproduzidos na superfície do objeto 28, sendo que, dependendo da distância da superfície do objeto da lente objetiva 18 é reproduzida nitidamente uma outra cor, isto é, o comprimento de onda. Nisso, a escala de reprodução selecionada determina o tamanho do campo de medição e a resolução.

A radiação ou a luz emitida pelo objeto 28, mais especificamente a luz que volta para a lente objetiva 18 e depois de uma reflexão parcial no divisor de feixe 24, sobre um primeiro padrão de furos ou pinhole array 30 cujos furos no que se refere à distância dos furos entre si, do tamanho e da disposição geométrica no tudo corresponde ao do padrão de iluminação 16.

Em outras palavras, a posição axial e lateral do pinhole array 30, isto é, seus furos, é selecionada de tal modo que os focos no superfície do objeto 28 são reproduzidos de modo confocal nos furos do pinhole array 30. Dessa forma, a coordenada X e Y do foco reproduzido é predeterminada na superfície do objeto 28 através de cada furo do pinhole array 3Ό.

A figura 5 mostra uma execução do pinhole array 30 onde os círculos abertos 32 na sua disposição e extensão correspondem ao padrão dos focos do padrão de iluminação 16.

Em virtude da forte aberração cromática da lente objetiva 18, nos respectivos pontos de medição predeterminados pela posição dos focos do padrão de iluminação 16 de acordo com suas distâncias da lente objetiva 18, cada vez apenas uma determinada cor é reproduzida nitidamente, isto é, apenas um determinado comprimento de onda cumpre a condição confocal. De acordo com isso ocorre nesse comprimento de onda um máximo de intensidade no espectro da luz transmitida através do respectivo furo 32 do pinhole array 30.

Com a crescente densidade dos pontos de medição e com a radiação de luz crescente do objeto 28, além do comprimento da onda de pique também uma fração de luz branca crescente passa pelo furo ou o pinhole. A fim de determinar o comprimento de onda de pique característica para o foco na medida suficiente e com a precisão necessária é previsto que ao pinhole array 30 seja conectada em série uma disposição ajustada ao padrão de iluminação 16 e, por conseguinte, ao padrão de furos do pinhole array 30, que no exemplo de execução consiste em ópticas 34, 36 e de um elemento espectral dispersivo disposto entre eles, que pode ser um prisma 38.

Através das ópticas 34, 36 que podem consistir em uma ou várias lentes, o pinhole array 30 é reproduzido em um sensor superficial CCD como unidade de detecção 40. O elemento espectral dispersivo, isto é o prisma 38 providência uma expansão espectral lateral da faixa de comprimento de onda que ocorre nos furos com máximo de intensidade da luz do foco, de modo que consequentemente cada furo do pinhole array 30 é reproduzido em uma linha do sensor superficial CCD 40, isto é nos pixels dispostos em uma superfície, sendo que - como em um espectrômetro de linhas - a posição ao longo dessa linha correlaciona com um determinado comprimento de onda. Nisso, a unidade espectral dispersiva e o sensor CCD 40 que consistem nas ópticas 34, 36 e do prisma 30 são de tal modo alinhados em relação ao pinhole array 30 que as linhas espectrais lateralmente expandidas de furos sucessivos do pinhole array 30 que consequentemente constituem linhas nos pixels transformam-se umas nas outras sem ou quase sem espaços livres, sem que haja uma sobreposição.

Dessa forma resulta da figura 3 que a princípio todos os pixels entre os pontos de medição são usados para a expansão espectral e, portanto, para a determinação da posição de pique. Os círculos 42 cheios simbolizam um ponto de medição e a seta 46 que vai para o ponto de medição 44 seguinte simboliza as linhas espectrais lateralmente expandidas do foco reproduzido no furo do pinhole array que corresponde ao ponto de medição 42.

Se exemplarmente o padrão de iluminação acima indicado for selecionado com os dimensionamentos acima indicados e um chip CCD ou chip de câmera com um tamanho de 6,4 mm x 4,8 mm com um milhão de pixels (tamanho de pixel 6,7 pm x 6,7 pm), então para cada ponto de medição são disponíveis 186 pixels para a expansão espectral. Assim sendo, com uma largura de linha com 2 pixels, correspondendo ao diâmetro de pinhole, para cada um dos cerca de 2000 pontos de medição e cerca de 2000 pontos de fundo é realizado um espectrômetro de linhas com respectivamente 93 elementos para a expansão espectral. Depois do registro da imagem ocorre a avaliação da informação de imagem ou dos dados de medição ou já no sensor CCD ou em uma unidade externa. Para tal, em cada ponto de medição são determinados, através de um algoritmo apropriado, a posição de pique espectral e disso, a distância de cada ponto de medição do objeto 28. Com uma imagem obtém-se assim a estrutura tridimensional do objeto 28 nos pontos de apoio ou pontos de medição, sendo que a resolução depende da distância de foco selecionada e da escala de imagem da lente objetiva 18.

Se a distância dos pontos de apoio for maior do que a resolução exigida e/ou a estrutura tridimensional não poder ser determinada de uma perspectiva, então o padrão de iluminação 16 pode ser respectivamente deslocado. Se a disposição de medição for operada manualmente, então, por meio de movimentação contínua da disposição de medição, pode ser conseguida uma determinação completa do objeto 28, sendo que as imagens individuais resultantes são juntadas de um modo apropriado para formarem uma imagem total.

Uma vez que, como já foi mencionado, nos furos 32 do pinhole array 30, quando o objeto 28 for fortemente dispersivo, não somente é reproduzido o comprimento de onda do foco nitidamente reproduzido, e sim em uma medida considerável de luz branca, é preciso aplicar processos, a fim de eliminar ou reduzir o fundo assim causado.

A fim de ilustrar o significado do fundo da luz branca na medição e avaliação, a figura 4 mostra um sinal de medição 48 típico em um dente como o objeto 28. Por maior que seja a fração do fundo de luz branca no sinal de medição 48, melhor precisa ser conhecido o decurso espectral do fundo 52 em cada ponto de medição para a determinação da posição do pique 50 característico para o comprimento de onda do foco. Nisso pode ser usado um processo, cujo princípio é ilustrado na figura 5. O pinhole array 30 possui, além dos furos 32 onde são reproduzidos os focos, outros furos 54 que não coincidem com o padrão de iluminação 16. De acordo com a disposição preferida na figura 5, os furos 54 que não coincidem com o padrão de iluminação 14 encontram-se entre os furos 32 que correspondem ao padrão de iluminação 14. Os espectros nos furos 54 onde os focos não são reproduzidos refletem então mais ou menos o sinal de fundo dos furos vizinhos 32, onde os focos são reproduzidos constituindo pontos de medição. Nisso, como alternativa, o sinal de medição de cada furo 54 individual vizinho que apenas contém luz branca pode ser usado como fundo, ou o valor médio sobre vários furos vizinhos 54 pode ser usado para determinar o fundo 52. Nisso, os furos 54 podem ser denominados como não iluminados, e os furos 32, como furos ou pinholes iluminados.

De acordo com a disposição dos furos iluminados ou primeiros 32, onde são reproduzidos focos, e dos segundos furos 54 usados para a determinação do fundo que também podem ser determinados como furos não iluminados, apenas a metade dos pixels estão ainda disponíveis para cada ponto de medição para a fragmentação espectral, se comparado com a variação onde o número dos focos coincide com o número dos pinholes ou furos 32.

Uma outra possibilidade para a determinação da fração da luz branca é o uso de uma placa 56 de plano paralelo que é disposta no caminho de feixe entre o primeiro divisor de feixe 24 e do desvio de feixe 26, em especial, entre a lente objetiva 18 e o primeiro divisor de feixe 24. A placa 56 de plano paralelo no caminho de feixe produz um deslocamento axial dos focos que por fim produz no sinal de medição um deslocamento de posição de pique. Por meio de um registro de imagens sequencial em uma posição com e sem placa 56 de plano paralelo, obtém-se dois espectros para cada ponto de medição com posição de pique diferente e fundo idêntico. Pela subtração dos dois espectros o fundo pode ser eliminado. Um decurso de sinal típico devido à subtração dos dois espectros é mostrado na figura 8. Reconhecem-se os piques 58, 60 determinados por meio da subtração cuja distância é determinada pela placa 56 de plano paralela.

Para a posterior avaliação para a determinação da distância de objeto procurada podem ser usados diversos valores característicos, entre outros, os dois extremos, isto é, piques 58, 60 e/ou a posição espectral da passagem por zero.

Como ajuda no posicionamento e para a conjugação de imagens individuais para a geração de uma imagem inteira pode ser prevista uma captação de imagem em tempo real. Para tal, um outro chip de câmera 62 é previsto no exemplo de execução no qual é reproduzido o objeto 28. Adicionalmente pode ser prevista uma outra fonte de luz 64 que ilumina o objeto 28 preferencialmente através do dispositivo de desvio 26. No lugar de uma fonte de luz 64 podem ser previstas também várias fontes de luz. Para o registro a imagem em tempo real, a fonte de luz 64 deveria emitir luz em uma faixa espectral que fica fora para a faixa de comprimento de onda usada para a medição propriamente dito. Dessa forma, a imagem em tempo real e a medição se tornam possíveis de maneira independente uma da outra.

Para a divisão do feixe pode ser usado um segundo divisor de feixe 66, tal como um filtro dicroico, no caminho de feixe entre a lente objetiva 18 e o primeiro divisor de feixe 24, filtro este que apresenta uma alta transmissão para o sinal de medição e uma alta reflexão para o sinal da imagem em tempo real.

Conforme mencionado, para a reprodução do objeto 28 no chip de câmera 62 também é usado a lente objetiva 18, sendo que a posição axial do chip de câmera 62 é selecionada de tal modo que a imagem em tempo real é nítida mais ou menos no centro da faixa de medição.

Em especial em uma utilização intraoral para a medição de dentes, o tamanho construtivo e a forma construtiva da disposição de medição ou do equipamento de medição é de suma importância. Assim sendo, na realização da presente invenção, apenas a lente objetiva 18 e o desvio de feixe 26 podem estar dispostos em uma parte intraoral de um dispositivo manual que pode ser introduzido em uma cavidade bucal. Os componentes restantes podem ser integrados em uma parte extraoral do aparelho manual ou em uma unidade do aparelho separada. No caso de uma fonte de luz compacta é possível uma integração em um aparelho manual.

No lugar da lâmpada de halogênio 10 também são imagináveis outras fontes de luz, tais como, por exemplo, um diodo emissor de luz de luz branca ou vários diodos emissores de luz e de cores diferentes com uma óptica de colimação apropriada.

Como alternativa, a fonte de luz 10 pode ser integrada em um aparelho externo, e a luz pode ser conduzida através de fibras para dentro do aparelho manual, sendo que a extremidade de desacoplamento do condutor de luz encontra-se no foco da lente 12 de colimador, ou as extremidades de desacoplamento de vários condutores de luz propriamente dito representam no lugar dos focos do arranjo de microlentes os focos do padrão de iluminação.

Para a geração do padrão de iluminação 16 multifocal, também pode ser usado no lugar do arranjo de microlentes 14 ou adicionalmente a este um pinhole array que pode ser disposto no plano do padrão de iluminação 16 mostrado nas figuras.

Para uma medição exata e um manuseio simples da disposição de medição, é essencial que haja uma conjugação exata geométrica e espacial do arranjo de microlentes 14 e do pinhole array 30. Para conseguir isto pode ser escolhida uma execução monolítica que a princípio pode ser vista na figura 6. Na forma de execução monolítica que pode apresentar uma geometria de cubo, também é integrado o primeiro divisor de feixe 24.

Contanto que o objeto 28 não seja medido ou varrido através de um único registro, e sim por meio de um grande número de registros, isto é, em diversas imagens, as diversas imagens precisam ter uma conjugação clara entre si para possibilitar uma avaliação simples. Para tal é previsto em especial que as imagens individuais se sobreponham em partes que constituem 50 % a 95 % de cada imagem. Como alternativa ou complementando, como auxílio para a sobreposição das imagens individuais pode servir também a introdução de pontos fixos no objeto 28.

Como alternativa para um deslocamento manual do aparelho de medição preferencialmente executado como aparelho manual, atuadores podem ser integrados na disposição de medição para deslocar pontos de medição. Nisso, o deslocamento máximo necessário corresponde à distância do ponto de medição, subtraída a resolução desejada, no exemplo de execução apresentado, portanto, com uma resolução desejada de 225 pm (250 pm distância dos furos - 25 pm de resolução).

Uma possibilidade de se obter imagens individuais é evidente da figura 7. No raio de medição - e precisamente no exemplo de execução na frente da lente objetiva 18 - podem ser dispostas placas 70, 72 de plano paralelo, onde também é possível o uso de uma única placa com dois eixos de rotação (veja setas 74, 76). Nisso, os eixos de rotação correm preferencialmente no plano armado pela placa 70, 72 de plano paralelo. Uma outra execução possível é o uso de um espelho de desvio deslocável ou girável como o dispositivo de desvio 26 como um desvio de feixe variável.

Referente à imagem em tempo real cabe notar que como alter10 nativa uma fonte de luz adicional pode ser dispensada, em especial quando o padrão de iluminação não for nítido na faixa espectral usada para a captação de imagem em tempo real.

Também pode ser usado um elemento de difração para a geração da forte aberração cromática e/ou um elemento de difração ou uma gra15 de como elemento dispersivo e/ou detectores CMOS no lugar de chips DDC e/ou moduladores LCD ou DMDs para a geração do padrão de iluminação no lugar do arranjo de microlentes.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Disposição de medição para a medição tridimensional de pelo menos uma parte de um objeto (28), espeçialmente de um objeto semitransparente, que compreende uma fonte de luz (10) com um espectro contínuo, um dispositivo (14) para a geração de um padrão de iluminação (16) multifocal, uma lente objetiva (18) com grande aberração cromática para a reprodução de focos do padrão de iluminação sobre o objeto, uma unidade de detecção (40) como um detector superficial CCD para a determinação dos espectros de comprimento de ondas dos focos reproduzidos de modo confocal no objeto através da lente objetiva, e um dispositivo (34, 36, 38) espectro-dispersivo disposto entre os focos reproduzidos de modo confocal e o dispositivo de detecção, caracterizada pelo fato de que no plano dos focos reproduzidos de modo confocal é disposto um primeiro padrão de furos (30) com primeiros furos (32), sendo que a disposição geométrica dos primeiros furos corresponde à disposição geométrica dos focos do padrão de iluminação multifocal.
2. Disposição de medição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dispositivo dispersivo (34, 36, 38) compreende uma óptica que reproduz os focos reproduzidos nos primeiros furos (32) na unidade de detecção (40) com um elemento dispersivo, como prisma, que expande lateralmente o respectivo espectro.
3. Disposição de medição de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a óptica que reproduz compreende duas ópticas (34, 36) tais como lentes ou sistema de lentes com o elemento dispersivo (38) disposto entre eles.
4. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a unidade de detecção (40) compreende pixels de um sensor de superfície CCD dispostos em uma superfície e que o dispositivo dispersivo (34, 36, 38) é de tal modo disposto em relação ao primeiro padrão de furos (30) e/ou que a unidade de detecção é de tal modo disposta em relação ao dispositivo dispersivo, que os espectros lateralmente expandidos incidem sobre a superfície de pixels sem sobreposição.
5. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que os espectros expandidos incidem de tal modo sobre a superfície de pixel que sucessivamente os espectros lateralmente expandidos convertem-se um no outro sem pixels.
6. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que com a fonte de luz (10) é conectado em série um arranjo de microlentes (14) para a geração do padrão de iluminação (16) multifocal no primeiro plano de foco no lado da fonte de luz da lente objetiva (18).
7. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que no primeiro plano do foco da lente objetiva (18) é disposto um segundo padrão de furos, em cujos furos os focos do padrão de iluminação multifocal podem ser reproduzidos ou cujos furos predeterminam o padrão de iluminação multifocal.
8. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que entre a lente objetiva (28) e a unidade de detecção (40) é disposto um primeiro divisor de feixe (24) que desvia a radiação para cima do primeiro padrão de furos (30).
9. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a disposição de medição possui uma segunda fonte de luz (64) que ilumina o objeto (28).
10. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a faixa espectral da segunda fonte de luz (64) encontra-se fora da faixa de comprimento de onda da primeira fonte de luz (10) que em essência pode ser avaliada para a captação da forma do objeto (28).
11. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que entre o primeiro divisor de feixe (24) e a lente objetiva (18) é disposto um segundo divisor de feixe (66) através do qual a radiação da segunda fonte de luz (64) que re3 produz o objeto (28) pode ser reproduzida em um dispositivo de captação (62).
12. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de captação (62) é uma câmera.
13. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o segundo divisor de feixe (66) é de tal modo opticamente dimensionado que é dada uma alta transmissão para a radiação para a reprodução confocal dos focos e uma alta reflexão para a radiação da segunda fonte de luz (64).
14. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o segundo divisor de feixe (66) é um filtro dicroico.
15. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o primeiro padrão de furos (30) apresenta segundos furos (54) conjugados aos primeiros furos (32) para a determinação do fundo de resultados de medição.
16. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que entre a lente objetiva (18) e o objeto (28) é disposto um dispositivo de desvio de feixe (26).
17. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a lente objetiva (18) com o dispositivo de desvio de feixe (26) é uma parte da disposição de medição a ser usada de modo intraoral.
18. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a primeira fonte de luz (10) é uma lâmpada de halogênio.
19. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a primeira fonte de luz (10) compreende ou consiste em diodos emissores de luz de luz branca ou em vários diodos emissores de luz colorida.
20. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a radiação da primeira fonte de luz (10) pode ser trazida através de condutores de luz cujas extremidades de desacoplamento encontram-se no plano de foco de uma óptica de colimação (12).
21. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a radiação da primeira fonte de luz (10) pode ser trazida através de condutores de luz cujas extremidades de desacoplamento se encontram no primeiro plano de objeto da lente objetiva (18) e com isso, no lugar dos focos do arranjo de microlentes, constituem os focos do padrão de iluminação.
22. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a radiação da primeira fonte de luz (10) pode ser trazida através de um ou vários condutores de luz cuja extremidade de desacoplamento se encontra no plano de foco de uma óptica de colimação (12), depois da qual o feixe colimado do condutor de luz incide sobre o arranjo de microlentes (14).
23. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a radiação da primeira fonte de luz (10) pode ser trazida através de condutores de luz cujas extremidades de desacoplamento se encontram no primeiro plano de objeto da lente objetiva (18).
24. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o arranjo de microlentes (14), o primeiro padrão de furos (30) e o primeiro divisor de feixe (24) são executados como uma unidade construtiva.
25. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a unidade apresenta uma geometria de cubo.
26. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que entre o primeiro divisor de feixe (24) e a lente objetiva (18) é disposta pelo menos uma placa de plano paralelo (70, 72) e que a placa de plano paralelo é feita girável em torno de dois eixos que passam pelo plano armado pela placa.
27. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de desvio de feixe (26) é executado como um espelho de desvio e é deslocável e/ou basculável.
28. Disposição de medição de acordo com pelo menos uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o caminho óptico da radiação de medição pode ser alterado pela inclusão de uma placa (56) de plano paralelo no caminho de feixe.
29. Processo para a medição da forma de pelo menos uma parte de um objeto, especialmente de um objeto semitransparente como pelo menos um dente, sob o uso de uma fonte de luz para a geração de luz com um espectro contínuo, um dispositivo para a geração de um padrão de iluminação multifocal, uma lente objetiva com grande aberração cromática para a reprodução de focos do padrão de iluminação sobre o objeto, uma unidade de detecção para a determinação dos espectros de comprimento de ondas dos focos reproduzidos de modo confocal no objeto através da lente objetiva, sendo que dos respectivos espectros de comprimento de onda é determinada a posição de pique espectral de cada foco, a partir do qual é calculada a extensão do objeto em direção ao feixe de reprodução (coordenada Z), caracterizado pelo fato de que no plano dos focos reproduzidos de modo confocal é disposto um primeiro padrão de furos com primeiros furos, cuja disposição geométrica correlaciona com aquela do padrão de iluminação multifocal, e que através da posição dos primeiros furos são predeterminadas as posições dos focos no objeto em um plano que vai verticalmente ao feixe de reprodução (coordenadas X, Y), sendo que os espectros de comprimento de onda dos focos reproduzidos nos furos ao mesmo tempo são captados pela unidade de detecção.
30. Processo de acordo com a reivindicação 29, caracterizado pelo fato de que o espectro de comprimento de onda de cada foco reproduzido em um furo é lateralmente expandido com um dispositivo dispersivo conectado em série com o primeiro padrão de furos.
31. Processo de acordo com a reivindicação 29 ou 30, caracterizado pelo fato de que a unidade de detecção compreende a superfície de pixels de um sensor CCD que capta os espectros de comprimento de onda, que a superfície de pixels e/ou o dispositivo dispersivo são de tal modo incli5 nados em relação ao primeiro padrão de furos que os espectros de comprimento de onda dos focos reproduzidos nos primeiros furos incidem na superfície de pixels sem sobreposição.
32. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 29 a 31, caracterizado pelo fato de que a superfície de pixel e/ou o dispositi10 vo dispersivo são de tal modo inclinados em relação ao primeiro padrão de furos que os espectros de comprimento de onda dos focos reproduzidos nos primeiros furos convertem-se uns nos outros livres de pixels.

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33. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 29 a 32, caracterizado pelo fato de que de um foco é determinado um primei15 ro espectro que no caminho de feixe do foco é disposto um elemento óptico que altera o comprimento de caminho do caminho de feixe, que pelo foco com o caminho de feixe alterado é obtido um segundo espectro, que os espectros são subtraídos um do outro e que de piques iguais de sinais diferentes resultantes é obtido o comprimento de onda da radiação do foco.

20
34. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações

29 a 33, caracterizado pelo fato de que o decurso espectral do fundo do espectro do foco é determinado através da determinação dos espectros de luz que incide em segundos furos conjugados aos primeiros furos, sendo que a disposição dos segundos furos diverge dos padrões de iluminação multifo25 cais.
35. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 29 a 34, caracterizado pelo fato de que espectros de luz de vários segundos furos conjugados a um primeiro furo são usados para a determinação do fundo.

30
36. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações

29 a 35, caracterizado pelo fato de que o objeto é medido de modo intraoral.
37. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações

29 a 36, caracterizado pelo fato de que para a medição do objeto são medidos sucessivamente segmentos do objeto, sendo que segmentos sucessivos compreendem um segmento subdividido comum que é de 50 % a 95 % do segmento.
38. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 29 a 37, caracterizado pelo fato de que para a determinação da forma do pelo menos um segmento do objeto são registradas sucessivamente as áreas parciais com uma sequência de imagens entre 25 e 50 imagens por segundo.
39. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 29 a 38, caracterizado pelo fato de que para a reprodução das áreas parciais é ajustado um dispositivo de desvio disposto entre o objeto e a lente objetiva.
40. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 29 a 39, caracterizado pelo fato de que para a reprodução das áreas parciais, o dispositivo de desvio com o objeto é ajustado como unidade junto com o objeto.
41. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 29 a 40, caracterizado pelo fato de que para a determinação das áreas parciais o padrão de iluminação multifocal é ajustado com o qual é ajustado de modo sincronizado o primeiro padrão de furos.
42. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 29 a 41, caracterizado pelo fato de que por meio de um dispositivo de captação de imagens, tal como chip CCD, o objeto é reproduzido, sendo que para a reprodução é selecionada uma faixa espectral onde o padrão de iluminação reproduzido no objeto é reproduzido de modo não-nítido.

-114

2/4

3/4

Fig .6

4/4

70 62