CN101115970A - 根据共焦显微术的基本原理的测量设备以及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于共焦测量对象的测量设备包括：光源(1)、成像光学系统(4)和图像检测器(10)。布置装置(11)，用于改变光阑装置(3)与对象(6)之间的光路中的光学路径长度，其中能以预定的方式改变像平面的光学距离；以及设置有装置，以便使由所述光源(1)发射到所述对象(6)上的光(5)和/或由所述对象(6)反射的且射到所述传感器(10)上的光(7)在曝光的曝光周期(tB1)期间在至少一个特性(强度、频率、光谱)方面受到影响，其中，在所述曝光周期(TB1)期间给出被预定为简档的、光(5，7)的特性与像平面距所述成像光学系统(4)的光学距离之间的关系；并且设置有装置，该装置为曝光周期(tB1)提供与观察光路(7)的光特性相关的测量值，其中根据曝光周期(tB1)的测量值和比较值能重建对象(6)的高度坐标(zs)。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的按照共焦显微术的基本原理的测量设备以及一种根据权利要求14的前序部分所述的相应方法。
这种测量设备被用于测量对象并且在此不仅允许测量沿着轴的点(二维测量)而且允许测量环绕轴布置的面(三维测量)。因此，这种设备适于点传感器也适于面传感器。
本发明尤其是涉及以高精度在口腔内徒手对未涂层的牙齿进行测量。
背景技术
共焦3D测量的基本原理是公知的。根据现有技术，目标点的高度的确定通过以下方式实现，即为光阑装置的试验板的每个点确定，在对象相对于成像光学系统或相对于整个测量装置的哪个位置出现从后面穿过试验板的最大光量。为此，在对象相对于成像光学系统运动(或者光学元件在测量设备中运动)期间，为每个高度分辨级记录单个图像并且为每个像点从图序中确定其中强度最大的图像。
由单个图像在图序内的位置的知识能确定对象的高度简档(Profil)。但是，在此必须记录由数十幅至数百幅图像构成的典型的图序，以致测量过程在使用常用的曝光(Aufnahme)技术的情况下必须持续数秒或者还持续更长。将整个曝光缩短到为完成口腔内的牙科显像(Dentalaufnahme)而被视为可接受的约0.2s的周期要求使用极为复杂的视频技术和数据分析或者要求放弃三维中的至少一维的精度。此外，也对用于产生对象与成像光学系统之间的相对运动的力学提出高要求。
WO00/08415A1公开了一种方法和一种设备，其中通过成像光学系统将点图案投影到一个或者多个能移动的焦平面上。通过使用不同的光分量能实现测量过程的加速。
在现有技术中公知，通过嵌入由具有另一光学密度的介质构成的元件产生对象与曝光光学系统之间的距离的快速变化，该曝光光学系统具有变化的厚度并且运动，以致有效的厚度在时间过程中变化。此处，玻璃例如可以考虑作为介质。
此外，公知了将3D测量技术用在测量牙齿的口腔内窥镜(Intraoralkamera)中，该口腔内窥镜根据相移三角测量法(Phase-Shift-Triangulation)的原理工作。此处不利的是，为了改进被散射回的辐射必需对牙齿进行涂层。
此外，对于常用的3D测量方法，采用点传感器或者线传感器是公知的，其中为了测量3D对象而使对象相对于传感器移动，这经常被称为扫描。
此外还公知三角测量方法，该三角测量方法利用闪光灯执行唯一的曝光。可是，根据这种方法进行测量的测量精度低，因为必须一次曝光整个深度范围。
因此，本发明的任务是说明一种方法和一种测量设备，该方法能够实现快速且还精确地在口腔内进行测量。
发明内容
通过调制光的特性，例如通过调制照明的强度或者颜色来代替每个高度分辨级一个图像的图像检测，该调制导致图像检测器(Bildempfaenger)上的相应被调制的信号并且因此导致测量值。
用于共焦测量对象的测量设备包括光源、用于将由光源发射的光聚焦到要测量的对象上的成像光学系统，此外还包括对于将在对象上被散射回且穿过同样的成像光学系统的、目标点的光的图像检测器。此外还设置有用于改变光阑装置与对象之间的光路中的光学路程长度的装置，其中像平面的光学距离能以预定的方式变化；并且此外设置装置，以便在曝光的曝光周期期间使由光源发射到对象上的光和/或由对象反射的并且射到传感器上的光在至少一个特性方面受到影响，其中在曝光周期期间给出被预定为简档的、光特性与像平面距成像光学系统的光学距离之间的相互关系；并且此外还设置装置，该装置针对曝光周期提供与观察光路的光特性相关的测量值，其中根据曝光周期的测量值和预定的比较值能重建对象的高度坐标。
不必要对牙齿进行涂层，因为基于焦点的分析即使在复杂的几何形状的情况下也能充分分析强度值。
有利地，从光强和波长或光谱中选出受影响的光特性。利用CCD传感器或者利用CMOS传感器能毫不困难地检测到这些特性。
有利地，为了影响发射到对象上的光的光强而设置有光源调节器。此处能考虑调节能量供应，例如通过改变电压和/或电流强度来调节能量供应。能毫不困难地且高精度地利用数字图像传感器来测量和分析光强。
有利地，存在用于检测发射到对象上的光的特性的传感器。因此，能确定所发射的光的质量并且补偿如由磨损、温度波动、电流波动或者电压波动引起的偏差。
传感器尤其是光源的组成部分，并且借助传感器的输出信号能根据预定的光特性的简档实现对光源的电流和/或电源电压的控制和/或调节。虽然在用于保持功率恒定的作为监控二极管的激光二极管中原则上公知这种传感器，可是这种传感器此处被用于新的目的。
有利地，对象所反射的光通过用于影响光特性的装置在射到传感器上之前被改变。这能够实现以均匀的高光强来照明对象，这提供了良好的信噪比。
有利地，用于影响光特性的装置具有可变的透明度。由此能以简单的方式改变射到传感器上的光强。
特别有利地，改进方案是作为LCD屏的、具有可变的透明度的装置。在LCD屏中，通过施加各种电压能简单地控制透明度。这种LCD屏在现有技术中是公知的，例如在US4,837,732中公知。
可替换地，具有可变的透明度的装置可被构造成两个彼此能移动的偏振滤光镜的形式。这种偏振滤光镜能廉价地制造，并且透明度的控制是容易的，因为偏振滤光镜彼此的位置与由此得到的透明度之间的相互关系是固定的。
另一有利的替换方案涉及以下装置，该装置改变由光源发射到对象上的光的色谱或者由对象反射且射到传感器上的光的色谱。因此能保持照明强度恒定，由此实现更大的信号高度并且由此实现更好的信噪比。
在测量设备的有利的改进方案中，设置有用于分析所曝光的图像数据并用于产生测量数据的分析装置，而且此外设置有存储装置，该存储装置存储图像数据和/或测量数据。因此能立刻分析和存档测量结果。
如果检验数据被存储在存储装置中并且如果分析装置具有比较装置，则这是特别有利的，以便借助检验数据产生和存储校正数据并且将存放在存储装置中的校正数据应用于测量数据。这用于校准光特性和校准光学系统。为了进行校准，能测量具有精确限定的特性的试样并且从这样获得的检验数据导出并且存储校正数据。这提高了测量精确度，并且由老化引起的变化能补偿光特性的变化和/或图像传感器的灵敏度。
有利地，对象对图像的影响通过比较值来消除，该比较值通过曝光参考图像来获得并且将该比较值与测量值进行比较。为此，存在用于按照具有第二曝光时间和针对光特性与距离之间的关系的第二简档的第二曝光确定比较值的装置。
参考图像对对象的单独特性进行成像，这些特性例如表面的不同反射性或者通过由对象上的突出部而部分遮盖照明构成阴影或者半阴影，这些特性与测量数据叠加。有利的是，产生具有保持恒定的光特性的参考图像，其中为了进行如在测量曝光中那样的曝光而改变像平面的光学距离。
这样扩展的像平面那样的共焦测量具有以下优点，即对于整个深度范围不再必须为每个高度分辨级完成曝光，而是只须产生两个曝光，由这两个曝光能完成高度坐标并且因此能完成高度图像。
如果用于改变光学路程长度的装置对于第一和第二曝光能穿过不同的方向，则这是特别有利的。第一曝光与第二曝光之间的延迟以这种方式被最小化。
本发明的另一主题涉及一种用于共焦测量对象的方法，其中由光源发射光，并且该光经过成像光学系统被聚焦到要测量的对象上，以及其中此外利用图像检测器检测在对象上散射回并且穿过同样的成像光学系统的、目标点的光。像平面距成像光学系统的光学距离在曝光周期期间以预定的方式变化，并且在曝光的曝光周期期间使由光源发射到对象上的光和/或由对象反射并且射到传感器上的光在至少一个特性方面受到影响，其中在曝光周期期间，被预定为简档的、光特性与像平面距成像光学系统的光学距离之间的相互关系被建立。此外，与观察光路的光的特性相关的测量值被确定，并且由曝光周期的测量值与预定的比较值的比较重建对象的高度坐标。
有利地，比较值按照具有第二曝光时间以及针对光特性和距离的第二简档的第二曝光来确定。
根据有利的扩展方案，光特性在确定比较值时比在完成测量曝光时经受更小的变化。
如果光特性在确定比较值时保持恒定，则这是特别有利的。于是，为了检测对象，在不改变射到对象上的光强的情况下实现曝光，并且接着随着改变射到对象上的光强来实现曝光。
如果在两个曝光中光学路径以相同方式在该时间上变化，则这具有以下优点，即能处理比较值和测量值而不用其它校正措施。因此，根据这两次曝光，由强度关系像素精确地计算高度图像。
有利地，在测量对象之前或者之后在通道中产生第二曝光。这能够实现在通道期间产生能被分析的图像数据组。
有利地，光特性利用传感器来检测，并且光的输出信号被用于调节光特性的变化。因此，特别高的重复精度是可能的。
有利地，简档在校准范围中与变化的环境条件相匹配。因此，能消除磨损出现，例如消除照明强度的减低或者消除所采用的光源的特性曲线的变化，并且即使在更长地采用光源的情况下也保证准确的分析。此外，借助校准能确定光学系统的不准确性并且产生校正数据，这些校正数据被应用于测量数据。由此，提高测量数据的精度。
附图说明
参照附图阐述根据本发明的方法。其中：
图1示出根据共焦显微术的基本原理的测量设备的基本结构；
图2示出了照明根据曝光时间或焦点距成像光学系统的距离的时间变化过程，
图3示出了针对三个不同的目标点的用恒定照明的焦点在整个测量范围上变化时的强度的时间变化过程，
图4示出了在利用可变的照明进行聚焦时的强度的时间变化过程，
图5示出了用于图3、4的测量的理想对象，
图6示出了用于图3、4的测量的常用对象，
图7示出了监控和/或调节光特性的原理图，以及
图8示出了校准测量设备时的一体化的测量设备的原理草图。
具体实施方式
根据图1的共焦测量装置例如包括尼普科夫(Nipkow)圆盘或者微型透镜阵列、分束器、成像光学系统和用于改变光学路程长度的装置。
在图1中示出根据共焦显微术的基本原理的测量设备的基本结构。测量设备包括光源1，该光源1通常发射单色光或者白色光。
通过光学系统2，光源1以适当的方式被成像到光阑装置3上。光阑装置3可被构造为试验板，微型透镜的装置也可被用于更先进的用途中。该装置必要时为了整个面积地扫描对象6也能快速运动，其中对于每个位置都必需曝光。
借助大多以远程计算中心的方式(telezentrisch)来构造的成像光学系统4，从光阑装置3射出的光5被成像到要测量的对象6上。成像光学系统4的光学距离相对于对象6变化，以致要测量的对象6的不同等高线位于成像光学系统4的像平面中。要测量的对象6上的在该路径上产生的光点被该对象散射回(或反射)并且沿与光5相反的方向穿过光阑装置3作为观察光路7。
散射回的光量对于对象6的目标点6′始终达到最大，该目标点正好位于成像光学系统4的像平面中。在这种情况下，光强明显强于光在像平面外散射回时的光强。
观察光路7的从光阑装置3后面穿透的光借助分束器8和接收器光学系统9被成像到图像检测器10上，借助该图像检测器10获得电子信号，该电子信号被输送给计算器，用于进行分析。
成像光学系统4与对象6之间的光学距离的变化通过用于改变光学路程长度11的装置来实现。
必需的是，在该元件的运动与对象空间中的清晰的范围之间存在线性关系，还必需的是，对象中的某条等高线同时清晰地被成像，因为通过相应的校准方法能校正这种特性。
作为用于改变一方面为光阑装置3与另一方面为对象6之间的光路中的光学路程长度的装置11的这种元件的优选装置能由两个玻璃楔构成，这两个玻璃楔相对移动，以致结果形成厚度可变的玻璃板。
也能通过折叠的光路和能移动的反射器改变有效的路程长度。有利地，反射器的驱动能通过类似于扬声器中的活动线圈来实现。
此外，用于影响照明的装置位于测量设备中。对此设置有控制装置12，该控制器装置12与光源1共同作用。控制装置12例如能由传感器和控制电子装置组成，该控制装置12调节照明源的电流。装在控制装置12中的传感器为此测量当前的照明强度和/或当前光的颜色并且将所测量的值转交给控制电子装置。该控制电子装置将实际值与期望值进行比较，该期望值例如被存放在简档中并且以用于进行照明的馈给电压和/或供电的差为基础来重新调节。
可替换地或者补充地，也能在对象6与图像检测器10之间的光路中设置LCD屏13，该LCD屏13能够实现时间上可变地衰减射到图像检测器10上的光强。
在图2中示出了照明根据曝光时间t或焦点距成像光学系统的距离z的时间变化过程。所穿过的曲线Ik对应于在整个曝光周期tB1期间的恒定的照明，曲线I1对应于光强在曝光周期tB1期间的线性变化。
在图3中示出了针对三个不同的目标点的用恒定的照明焦点在整个测量范围上变化时的图像检测器上的强度的时间变化过程Ik。对于第一目标点，在时刻t1＝0.1tB1，在理想对象的情况下得到强度值I，在时刻t2＝0.5tB1和t3＝0.9tB1示出的位于不同距离的其它目标点上也达到了该强度值。
图3中被测量的对象几乎不具有不均匀性，以致仅仅移动曲线变化，可是具有同样的积分值。
可是，在实践中，强度值取决于对象几何形状或某种反射特性或者测量系统中的不准确性，以致在实际测量时，三条曲线变化实际上不同地被显示。可是，通过对于两次曝光以相同的特别特性为出发点，特性对测量结果的影响能被校正。
在图4中，又从根据图3的测量的理想对象出发，示出在用可变照明I1聚焦时强度的时间变化过程。
由于在曝光周期tB1期间不同的照明强度，所以三条曲线I1、I2、I3具有不同的变化，以致在时刻t1、t2和t3的积分值S1、S2、S3彼此不同。在本情况下，对于t1＜t2＜t3，积分值也是S1＜S2＜S3。利用数值，对于曲线I1得到为1.595的积分值S1，对于曲线I2得到为2.658的积分值S2并且对于曲线I3得到为3.721的积分值S3。该总和是在传感器上积分的测量信号I，根据该测量信号确定对象距离z。
为了检测对象，通过调节电流，在不用调制例如光源的强度的情况下执行第一曝光，并且接着执行带有调制的曝光。在这两次曝光中，光学路径在时间t上以相同的方式变化。高度图像根据曝光的强度关系像素精确地被计算。
但是，信号的强度I除了取决于聚焦外也取决于对象本身，因此取决于表面特性、材料、光轴的法线等(对此参看图5和6)。
为了消除来自仅应通过对象高度来确定的测量信号的强度调制，在曝光周期tB2期间执行参考测量。在该参考测量中，以与在前面或者后面的高度测量中相同的方式和方法改变焦点，但是其中保持照明恒定。以这种方式保证仅仅测量由对象6引起的强度调制。
通过用参考曝光逐个像素地分开测量曝光产生只包含共焦测量的高度信息的曝光。
为了准确地分析，必须已知照明与在曝光周期tB1上进行测量期间的时间的关系。为了实现这一点，有多种可能性可供使用。
在校准时，对照明(例如发射到对象上的光)与时间t的关系进行测量。于是，该关系必须在测量时始终与在校准时相等。于是，精度对应于重复精度。
在例如用发光二极管在高度测量期间测量照明时，标准的光特性的变化不仅仅是基本的，而且对于实际的曝光情况是已知的。两次直接相继完成的曝光之间的重复精度在此确定精度。
此外，在例如利用发光二极管作为监控二极管(类似于在激光二极管组件中的那样)在高度测量期间调节照明时，还可以调整、监控和重新调节所希望的简档。
用于完成参考曝光的曝光周期tB2与用于完成测量曝光的曝光周期tB1一样大，因为以与在测量曝光中相同的方式改变聚焦。
这种调节在图7中被示出。此外，在其中有为进行照明而设置的激光二极管16的二极管模块15中，还布置监控二极管17，以致由激光二极管16发射的光的一部分落在监控二极管17上。监控二极管17的输出功率取决于由激光二极管16发射且入射到监控二极管中的光的强度。
借助功率表18产生与输出功率相关的电压。该电压由模数转换器19转换成数字信号，该数字信号能在微处理器20中被处理。该微处理器20能将实际值与期望值进行比较，该期望值或者被存储在微处理器20本身中或者通过接口21由另一设备(例如计算机22)来馈入。
因此，微处理器20产生控制信号，利用该控制信号，通过数模转换器23经比较器24和放大器25调节激光二极管16的供给功率或者供电。此外，微处理器20将与功率相对应的电压施加到比较器24，以致只使用期望值与实际值之间的差来调节激光二极管16。为此，设置有要通过微处理器20操作的开关单元26。
图8示出与并列设备成为一体的测量设备27。分析单元28和存储单元29主要属于并列设备。另外示出了试样30，该试样30的功能稍后阐述。分析单元28具有比较装置31，该比较装置31用于比较不同的曝光。因此，利用比较装置31能消除对象6的对象特性对测量数据的影响，以致剩下对象6的纯高度数据。分析单元28和存储装置29也能与测量设备27构成一单元或者被实施为独立的单元。
此外，比较装置31用于校准测量设备27。为此，在与测量设备27至少一次对准地测量试样30。比较装置31将实际测量数据与其已知的试样30的几何形状进行比较，并且由此一方面能确定成像单元的不准确性而另一方面能确定光特性的变化与高度的相互关系。
参考符号列表
1 光源
2 光学系统
3 光阑装置
4 成像光学系统
5 所发射的光
6 被测量的对象
6′ 目标点
7 观察光路
8 分束器
9 接收器光学系统
10 图像检测器
11 用于改变光学路程长度的装置
12 控制装置
13 LCD屏
14 二极管模块
15 激光二极管
16 监控二极管
17 功率表
18 模数转换器
19 微处理器
20 接口
21 计算机
22 模数转换器
23 比较器
24 放大器
25 开关单元
26 测量设备
27 分析装置
28 存储装置
29 试样
30 比较装置
I 测量信号的强度值
I1；I2；I3 可变照明的强度值
Ik 恒定照明的强度
S1；S2；S3 积分值
t 曝光时间
t1；t2；t3 时刻
tB1 用于完成测量曝光的曝光周期
tB2 用于完成参考曝光的曝光周期
z 物距
zs 高度坐标
Claims (20)
1.一种用于共焦测量对象(6)的测量设备(27)，其包括：光源(1)、用于将由所述光源(1)发射的光(5)聚焦到要测量的对象(6)上的成像光学系统(4)，此外还包括针对在所述对象(6)上散射回且穿过同样的成像光学系统(4)的、目标点(6′)的光(7)的图像检测器(10)，其特征在于，
-布置用于改变光阑装置(3)与所述对象(6)之间的光路中的光学路径长度的装置(11)，其中，能以预定的方式改变像平面的光学距离，以及
-设置有装置(12，13)，以便在曝光的曝光周期(tb1)期间使由所述光源发射到所述对象(6)上的光(5)和/或由所述对象(6)反射且射到传感器上的光(7)在至少一个特性方面受到影响，其中，在所述曝光周期(tb1)期间给出被预定为简档的、光(5，7)的特性与像平面距所述成像光学系统(4)的光学距离之间的相互关系，以及
-设置有装置(10)，所述装置(10)针对曝光周期(tB1)提供与观察光路(7)的光特性相关的测量值，其中，根据曝光周期(tB1)的测量值和比较值能重建对象(6)的高度坐标(zs)。
2.根据权利要求1所述的测量设备(27)，其特征在于，所述光(5，7)的受影响的特性选自光强和波长以及光谱。
3.根据权利要求2所述的测量设备(27)，其特征在于，为了影响被发射到所述对象(6)上的光(5)的光强而设置有针对光源(1)的调节器。
4.根据权利要求2或者3所述的测量设备(27)，其特征在于，存在传感器(12)，用于检测被发射到所述对象(6)上的光(5)的特性。
5.根据权利要求4所述的测量设备(27)，其特征在于，所述传感器(12)是所述光源(1)的组成部分，并且借助所述传感器(12)的输出信号实现对所述光源(1)的电流和/或电源电压的控制和/或调节，以实现预定的简档。
6.根据权利要求1至5之一所述的测量设备(27)，其特征在于，所述用于影响光特性的装置(13)具有可变的透明度。
7.根据权利要求6所述的测量设备(27)，其特征在于，所述装置(13)被构造为LCD屏。
8.根据权利要求6所述的测量设备(27)，其特征在于，所述装置(13)被构造成两个彼此能移动的偏振滤光镜的形式。
9.根据权利要求5所述的测量设备(27)，其特征在于，设置有用于改变色谱的装置(13)。
10.根据权利要求1至9之一所述的测量设备(27)，其特征在于，设置有分析装置(28)，用于分析所曝光的图像数据和用于产生测量数据，并且此外还设置有针对图像数据和/或测量数据的存储装置(29)。
11.根据权利要求10所述的测量设备(27)，其特征在于，检验数据被存储在存储装置(29)中，并且所述分析装置(30)具有比较装置(31)，以便产生并且存储校正数据以及将存放在存储装置(29)中的校正数据应用于测量数据。
12.根据权利要求1至11之一所述的测量设备(27)，其特征在于，存在装置(31)，用于根据具有第二曝光时间(tB2)和针对所述光(5，7)的特性与距离之间的相互关系的第二简档的第二曝光来确定比较值。
13.根据权利要求1至13之一所述的测量设备(27)，其特征在于，第一和第二曝光的聚焦能沿不同的方向穿过。
14.一种用于共焦测量对象(6)的方法，其中，由光源(1)发射光(5)，并且通过成像光学系统(4)将该光(5)聚焦到要测量的对象(6)上，其中，此外利用图像检测器(10)检测在所述对象(6)上散射回且穿过同样的成像光学系统(4)的、目标点(6′)的光(7)，其特征在于，
-以预定的方式在曝光周期期间改变像平面距成像光学系统(4)的光学距离，
-在曝光的曝光周期(tB1)期间使由所述光源(1)发射到所述对象(6)上的光(5)和/或由所述对象(6)反射且射到所述传感器(10)上的光(7)在至少一个特性方面受到影响，其中，在曝光周期(tB1)期间建立被预定为简档的、光(5，7)的特性与像平面距所述成像光学系统(4)的光学距离之间的相互关系，
-确定与观察光路(7)的光特性相关的测量值，
-并且由曝光周期(tB1)的测量值与比较值的比较重建对象(6)的高度坐标(zs)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，根据具有第二曝光时间(tB2)和针对所述光(5，7)的特性与距离的第二简档的第二曝光来确定比较值。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述光(5，7)的特性在确定比较值时比在完成测量曝光时经受更小的变化，尤其是，保持所述光(5，7)的特性恒定。
17.根据权利要求15至16之一所述的方法，其特征在于，在两次曝光中，光学路径在所述时间上以相同的方式变化。
18.根据权利要求15至17之一所述的方法，其特征在于，在用于测量所述对象(6)的曝光周期(tB1)之前或者之后，在通道中产生第二曝光。
19.根据权利要求14至18之一所述的方法，其特征在于，传感器(12)检测所述光(5，7)的特性并且借助所述传感器的输出信号进行对所述光(5)的特性的变化的调节。
20.根据权利要求14至19之一所述的方法，其特征在于，所述简档在校准范围内与被改变的环境条件相匹配。
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