CN102939531A

CN102939531A - 用于确定对象的材料特性的方法

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Publication number: CN102939531A
Application number: CN2011800162335A
Authority: CN
Inventors: T.埃特尔
Original assignee: Degudent GmbH
Current assignee: Dentsply Sirona Inc
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: EP2553428A1; WO2011117420A1; EP2553428B1; ES2571330T3; DE102010036447A1; CA2793766A1; JP2013524188A; EP2553428B8; US9025164B2; JP5934180B2; US20130050711A1; CN102939531B; CA2793766C

Abstract

本发明涉及一种用于确定对象的材料特性、尤其是优选半透明对象的光学特性的方法。为了获得材料特性而无需费事的测量方法，建议为了确定所述材料特性利用参照物体的光谱分辨的数据计算利用共焦3D测量系统确定的对象的测量数据的光谱分辨的数据。

Description

用于确定对象的材料特性的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定对象的材料特性，尤其是优选半透明对象如牙齿或下颚区域的光学特性的方法。

背景技术

在对三维对象进行光学测量时，出于多种原因可能重要的是了解待测量区域的材料特性，尤其是光学特性。这既涉及表面的数据又涉及在半透明对象情况下关于体积中材料特性的信息。

例如，对于由不同的材料组成的对象可能重要的是也以3D数据组不同地显示这些材料，或者应用与材料有关的滤光算法。同样，当已知分隔线的分布时，可以将专用的滤光器（或用于处理数据的算法）选择性地应用于待扫描对象内的材料边界。

此外，对于嵌入在具有变化的几何形状的环境中的几何形状不变的对象可能重要的是借助对象的不同光学特性来分隔这些对象，只要这样的光学特性存在。

除了使用材料特性来用于3D再现之外，还可以将对材料特性的确定例如用于显示材料隔间或者在牙齿区域中用于识别龋齿、发炎或合成填充物的状态（颜色，聚合度）。

由DE-A-10 2007 019 267已知借助色散共聚技术对尤其是半透明对象进行3D测量。但是，所测量的光谱数据被用于确定多个测量点的z坐标。因此，z坐标的确定是与材料无关的。同样已知不同材料的光谱漫反射数据和光学特性（WO-A-2005/068953）。

US-A-2010/0033719涉及用于确定组织的光学特性的方法和装置。为此借助共焦光谱仪逐点地从该组织的不同区域确定光谱照片，以从而达到关于该组织的反射和吸收特性的结论。

DE-A-10 2006 007 172的主题是用于快速地、位置分辨地、平面地、光谱学地分析对象的方法和装置。在此使用针孔的光栅化的平面阵列。

发明内容

本发明所基于的任务是提供一种用于确定对象的材料特性、尤其是光学特性的方法，优选在牙齿区域中的光学特性，而不需要费事的测量方法。还可以用结构简单的测量设备工作，所述测量设备使得可以进行简单的操作。

为了解决该任务，本发明主要规定，为了确定材料特性利用参照物体的光谱分辨的数据计算用共焦3D测量系统确定的对象的测量数据的光谱分辨的数据，其中对测量点确定在测量系统至这些测量点（即所述对象）的距离相互不同时的多个光谱分辨的数据。

在此，共焦3D测量系统尤其是共焦的色散3D测量系统，如在DE-A-10 2007 019 267中可得出的，其公开内容明确地以及全部地包含于此。

作为参照物体尤其是使用由高漫散射的材料如二氧化钛或漫反射板（Spektralon）制成的参照物体。

根据本发明，人们使用每个测量点的通过3D扫描仪的光学原理光谱分辨的数据，以利用对材料特性和材料差异的知识，只要这些材料在其光学特性如折射率、各向异性因子、散射系数和吸收系数方面相互不同或还通过荧光相互不同。

为此根据DE-A-10 2007 019 267使用至少一个光源，尤其是具有连续光谱的光源、用于产生多焦点照射图案的装置、具有大色差的用于将照射图案的焦点成像在对象上的物镜、用于确定成像在对象的物镜上的焦点的波长光谱的检测装置，其中从相应的波长光谱中确定每个焦点的光谱的峰值位置，从该峰值位置中计算对象在成像射线方向（Z坐标）上的延伸。在此在共焦地经由物镜成像的焦点的平面中设置具有第一孔的第一孔图案，所述第一孔的几何布置与多焦点照射图案的几何布置相关。

通过第一孔的位置预先给定在垂直于成像射线分布的平面中（X，Y坐标）焦点在对象上的位置，其中在这些孔中成像的焦点的波长光谱由检测装置获取。在此，每个在孔中成像的焦点的波长光谱通过后置的散射装置横向展开。此外，孔图案的第一孔与第二孔对应，其中第二孔的布置与多焦点照射图案的布置不同。由此散射的反射信号落在第二孔上；因为焦点经由物镜没有成像在第二孔中。由此作为测量方法既可以使用测量点中的直接返回反射（在包含菲涅尔分量的匹配的角度时），在半透明对象的情况下与来自测量点的附近环境的散射的反射信号在测量孔境内叠加，也可以使用返回散射信号高达在例如5μm至3mm的范围内、优选10μm至200μm的小距离的空间移位的观察，或者使用这两个信号的组合。

通过直接返回反射，也就是所成像的焦点之一的漫反射的辐射，尤其是可以推断粗糙度，也就是材料的漫散射特性；因为强烈的菲涅尔反射只在存在很小的粗糙度的地方才被获取到。从而根据由未被照射的点所确定的光谱可以得出关于体积散射的结论。

通过共焦条件和色散光学元件，在每个Z深度处都是窄的波长范围占据主导。其它波长范围遭到抑制。在已知3D测量的Z深度情况下，可以计算出该效应，因为共焦光学元件的性能是已知的。但是，对于深度测量所需的该特性在对材料特性进行分析时会导致在受到抑制的波长范围内信噪比的恶化或者导致可使用光谱范围的限制。

因此根据本发明建议，对于相同的测量点，但是在测量装置至对象的不同距离处确定多个光谱，以从而对这些光谱加权或者计算这些光谱的平均值。由此可以改善不利的信噪比。

还要注意，可能引起光谱中的特定特性，例如通过非材料特性的影响导致的峰值的歪斜位置，例如表面的倾斜位置。这要经历特殊的分析，以避免错误地推断待确定的材料特性。

在本发明的另一种突出的设计中规定，进行附加的、光学的、非共焦的测量以用于确定材料特性。这可以在已知的和从DE-A-10 2007 019 267中得到的装置中借助实现实时图像的产生的装置来执行。

在存在一个或多个加性、非共焦的参照通道以例如用于在3D测量期间实现实时图像的情况下，可以将该一个或多个参照通道一起用于由光学特性确定材料。

测量对象的全面照射可以经由一个或多个附加的光源来进行。如果附加光源的波长范围位于3D测量系统的波长范围之外，则达到两个测量系统的最大程度的互相独立。替换的，两个系统可以交替地测量。参照通道中的多个波长可以优选用不同LED或激光二极管的时间错开的交替接通来实现。光源的脉冲化与测量传感器的图像重复速率同步。由此在两个光源的情况下用相同的波长来照射每个第二图像。

作为传感器可以尤其是在利用多个光源进行顺序照射的情况下使用单色传感器，或者使用彩色传感器，例如RGB芯片。还可以将多个单色传感器与合适的彩色分频器组合。

附加的成像传感器可以具有自己的物镜地通过射线输出耦合定位在彩色物镜之前，或者在使用该彩色物镜来进行成像的条件下定位在该彩色物镜之后。还可以进行具有自己的光学成像的第二测量，该光学成像不与彩色物镜的光学成像共轴。

如果将彩色物镜用于成像，则可以将彩色传感器定位成使得波长被清晰地成像并且提供结构分辨率。其它波长提供光谱信息，但是具有减小的空间分辨率。或者将多个单色传感器与合适的二色滤光器组合地使用，其中优选相应于彩色物镜的散射将传感器的各个轴向位置与相应的成像平面协调。

选择性地还可以使用具有较高图像速率的单色传感器。例如可以将三个LED与帧速率同步。第一图像利用清晰的成像而提供结构分辨率，后续的图像有利于确定颜色。在此，对于最终分辨率起决定作用的是最不清晰的成像。有效的、可调的帧速率由于颜色通道的数量而减小。因为下式成立：有效的帧速率=帧速率/颜色通道的数量。

根据应用，代替照射波长的改变可以选择由白光源和滤光轮构成的组合。

当然在参照通道中使用合适的滤光器的条件下也可以使用荧光分析。

表面的表面粗糙度或光滑度必要时可以经由多个帧（也就是图像）来确定，因为菲涅尔反射仅在测量系统的测量表面和光轴存在正交性的情况下出现，并且该条件仅在扫描期间零星地得到满足。通过对象的多个图像的匹配—也称为配准，优选每秒拍摄30帧，各个表面点的代表可以汇集到各次扫描的传感器上，其中照射角度和观察角度是不同的，因为扫描仪在运动。但是，不考虑这一点在每个帧中都假定，测量设备和对象之间的相对运动没有进行，因为一个帧大约持续35ms。如果在各个帧期间在直接返回反射时给出至少一个测量点中的强烈亮度波动，则可以假定相应区域中存在光滑的表面。当然还可以通过传感器和测量对象上的惯性平台来寻找位置关联。

尤其是规定，为了确定光谱分辨的数据借助3D测量系统向对象施加第一辐射，该第一辐射处在波长范围Δλ1中，向对象施加处在波长范围Δλ2中的第二辐射，并且根据从该对象发射的第二辐射确定该对象的2D图像，其中尤其是Δλ1≠Δλ2。在此规定，3D测量系统具有第一传感器，该第一传感器具有与对象的位置坐标对应的第一像素，所述2D图像借助第二传感器获得，该第二传感器具有与对象的位置坐标对应的第二像素，并且第一像素和第二像素相互对应。由此在空间坐标和材料特性之间可以实现唯一的对应，其中尤其是借助波长范围Δλ2中的漫反射的辐射获得关于所述对象的材料的自动荧光的结论。

本发明的特征尤其是还在于，向所测量的光谱施加校正因子，该校正因子由参照物体的光谱确定，在没有共焦测量条件的情况下测量该参照物体的漫反射，或者从存储在计算机中的库获得该参照物体的光谱。

在此规定，将在考虑所述校正因子的情况下的测量光谱与存储在查找表中的光谱进行比较，所述存储在查找表中的光谱代表材料特性。

优选地还规定，既根据在共焦条件下确定的测量点的测量光谱又根据该测量点附近的背景光谱来确定材料特性。

本发明的其它细节、优点和特征不仅由权利要求、从权利要求中获得的特征—单独和/或组合地，而且还由下面对从附图中获得的优选实施例的描述来给出。

附图说明

图1示出3D测量装置的原理图，

图2示出具有第一和第二孔的孔装置，

图3示出用于确定对象的材料特性的原理图，

图4示出根据图1的装置的变型，

图5示出用于确定材料数据的原理图，

图6示出用于确定校正因子的光谱，

图7示出用于确定对象的材料特性的光谱，以及

图8示出利用本发明的测量装置在至待测量对象的距离Z₁和Z₂处拍摄的光谱。

具体实施方式

根据本发明，借助多个被同时拍摄的测量点中每个测量点的数据提供关于对象的表面几何形状的信息，该对象例如尤其是半透明对象如牙齿或下颚区域，同时确定该对象的材料特性，而且是在分析提供该对象的空间坐标的光谱分辨的数据的条件下。在此使用如在DE-A-10 2007 019 267中得到的装置，其公开内容通过引用合并于此。图1的测量装置因此也与DE-A-10 2007 019 267的测量装置相应。

该测量装置在此包括诸如卤素灯的光源10作为主要元件，该光源的光经由透镜12准直。经过准直的光射线落在微透镜阵列14上，该微透镜阵列将照射图案16成像在大色差的物镜18的聚焦平面中。

照射图案例如可以在250μm的距离处具有包括大约1600个焦点的20mm×15mm的大小，或者具有包括大约2000个焦点的例如5mm×6.5mm的大小，该照射图案是通过微透镜阵列14产生的。

照射图案16可以被设计为，使得焦点20,22的直径分别大约为25μm或大约12μm。

为了改善照射结构，微透镜阵列14可以组合与其协调的针孔阵列，该针孔阵列位于物镜18的物面中。在此，针孔阵列的孔在几何形状方面或位置方面与通过焦点形成的照射图案协调。

相应于图1的显示，来自光源10的光在照射图案16之后落在分束器24上，从该分束器透射的部分落在具有强烈色差的物镜18上。

分束器24相应于所示出的图被显示为具有部分反射层的平板。替换的，其它将射线分开的元件也是可以的。例如采用分束立方体。也可以考虑环形的反射镜或更小的反射镜，其中外面的或里面的射线分量分别用于在后面还要阐述的检测或用于照射。

穿透物镜18的辐射经由诸如偏转反射镜的偏转装置26成像在待测量的对象28如牙齿上。在此，照射图案16的平面与对象28之间的距离被选择为，使得焦点在经由偏转装置26偏转之后成像在对象28的表面上，其中根据对象表面至物镜18的距离清晰地对其他颜色（即波长）成像。所选择的成像比例在此确定测量场的大小以及分辨率。

由对象28漫反射的辐射或光一部分返回到物镜18中，并且在被分束器24部分反射之后落在第一孔图案或针孔阵列30上，该针孔阵列的孔在孔相互之间的距离、大小、以及几何布置方面总的来说与照射图案16相应。

换句话说，针孔阵列30的轴向和横向位置，也就是针孔阵列的孔被选择为，使得在对象28的表面上的焦点共轴地成像在针孔阵列30的孔中。由此通过针孔阵列30的每个孔预先给定成像在对象28的表面上的焦点的X，Y坐标。

在图2中再现出针孔阵列30，在该针孔阵列中空的圆32在其布置和延伸方面与照射图案16的焦点的图案相应。

通过物镜18的强烈色差，在相应的、通过照射图案16的焦点位置预先给定的测量点中根据所述测量点至物镜18的距离而分别仅清晰地成像一种特定的颜色，也就是说，只有一种特定的波长满足共焦条件。相应地，在穿过针孔阵列30的相应孔32透射的光的光谱中在该波长时出现强度最大值。

随着测量点的密度增加以及对象28的光辐射增多，除了峰值波长之外还有增加的白光分量穿过孔或针孔。为了不考虑这一点在足够的范围内以及以必要的精度确定表征焦点的峰值波长，规定在针孔阵列30之后设置与照射图案16协调的并由此与针孔阵列30的孔图案协调的光谱测量装置，该光谱测量装置在该实施例中由光学元件34,36和设置在所述光学元件之间的光谱色散元件组成，该光谱色散元件在该实施例中是棱镜38。

经由可以由一个或多个透镜组成的光学元件34,36，针孔阵列30成像在作为检测装置40的CCD面传感器上。光谱色散元件，也就是棱镜38引起焦点的光在具有强度最大值的孔中出现的波长范围的横向光谱伸展，从而因此针孔阵列30的每个孔都成像在CCD面传感器40上的一条线上，也就是设置在一个面中的像素上，其中与在行光谱仪的情况下一样，沿着该条线的位置与特定的波长相关。在此，由光学元件34,36和棱镜30组成的光谱色散单元以及CCD传感器40朝着针孔阵列30取向，使得针孔阵列30的先后相连的孔的横向伸展的光谱线没有或几乎没有自由空间地相互转换，而不发生重叠，其中所述光谱线因此形成像素上的线。

例如如果选择上面说明的、具有所说明的尺寸的照射图案并且选择具有包括1百万个像素的大小6.4mm×4.8mm（像素大小是6.7μm×6.7μm）的CCD芯片或相机芯片，则每个测量点提供186个像素用于光谱伸展。从而在线宽度为两个像素（与针孔直径相等）的情况下，对于大约2000个测量点和大约2000个背景点中的每一个实现分别具有93个元件来用于光谱伸展的行光谱仪。在拍摄图像之后对已经在CCD传感器上或者已经在外部单元上的图像信息或测量数据进行分析。为此在每个测量点中通过合适的算法确定光谱峰值位置并且从中确定每个测量点至对象28的距离。从而利用图像获得对象28在支持位置或测量点中的三维结构，其中分辨率取决于所选择的焦点相互之间的距离以及物镜18的成像比例。

如果支持位置的距离大于所要求的分辨率和/或三维结构不能从透视图中获得，则可以相应地移动照射图案16。

如果该测量装置是手动操作的装置，则可以通过连续移动该测量装置来完全获取对象28，其中所产生的单个图像以合适的方式组合成总图像。

由于上面提到在针孔阵列30的孔32中当对象28强烈散射时不仅对清晰成像的焦点的波长进行成像而且还在显著的范围内对白光成像，因此必须使用消除或减小由此产生的背景的方法。

白光背景在测量信号中所占的分量越大，为了确定表征焦点波长的峰值的位置就必须越精确地已知背景在每个测量点中的光谱分布。在此，可以使用通过图2纯原理性地示出的方法。从而针孔阵列30除了孔32之外还具有不与照射图案14重合的孔54，其中焦点成像在所述孔32中。相应于根据图2的优选布置，不与照射图案14重合的孔54位于与照射图案14相应的孔32之间。从而，焦点未在其中成像的孔54中的光谱大约再现出焦点在其中成像并且由此形成测量点的相邻孔32的背景信号。在此替换地可以将基本上仅包含白光的单个相邻的孔54的测量信号用作背景或者将多个相邻孔54上的平均值来用于确定背景52。在此，可以将孔54称为未被照射的孔，而将孔32称为被照射的孔或针孔（Pinhole）。

与焦点在其中成像的被照射的或第一孔32的布置以及用于确定背景的、也称为未被照射的孔的第二孔54的布置相应，每个测量点仅还有一半像素用于光谱伸展，这是与其中焦点的数量与针孔或孔32的数量一致的变型相比较的。

为了有助于定位并且为了进行单个图像对应以便产生总图像，可以设置实时图像获取。为此在该实施例中设置另外的相机芯片62，对象28就成像在该相机芯片62上。此外可以设置另外的光源64，该另外的光源优选经由偏转装置26照射对象28。代替光源64，还可以设置多个光源。为了拍摄实时图像，光源64应当发射在以下光谱范围中的光，该光谱范围位于用于实际测量的波长范围之外。由此实时图像与测量相互独立地进行。

为了分开射线，在介于物镜18与第一分束器24之间的光路中可以使用诸如二色滤光器的第二分束器66，该第二分束器具有针对测量信号的高透射率以及针对实时图像信号的高反射率。

已经提到，为了将对象28成像在相机芯片62上同样使用物镜18，其中相机芯片62的轴向位置被选择为，使得实时图像大约在测量区域的中心是清晰的。

尤其是在口腔内的用于测量牙齿的应用中，测量装置或测量设备的结构大小和结构形状是非常重要的。从而在本发明的设计中可以单单将物镜18和射线偏转装置26设置在手持设备的口腔内部件中，该口腔内部件可以被引入口腔中。其它部件可以集成在手持设备的口腔外部件中或集成在单独的设备单元中。在紧凑的光源的情况下可以集成在手持设备中。

代替卤素灯10还可以考虑其它光源，例如白光LED或具有合适准直光学元件的多个不同颜色的LED。

替换的，可以将光源10集成在外部设备中，并且将光经由光纤引导至手持设备中，其中光导体的耦合输出端分布在准直透镜12的焦点中。

为了产生多焦点的照射图案16，可以代替微透镜阵列14或者附加于微透镜阵列14地还使用针孔阵列，该针孔阵列可以设置在图中所示的照射图案16的平面中。

只要对象28不是通过单个拍摄而是通过多个拍摄、也就是各个图像测量或扫描，各个图像就必须具有相互之间唯一的对应，以实现简单的分析。为此尤其是规定，各个图像部分地重叠，重叠的部分占据每个图像的50%至95%。替换或补充的，作为用于使各个图像重叠的辅助手段还可以使用固定点在对象28上的安装。

替换上面提到的对优选构成为手持设备的测量设备的手动移动，可以在测量装置中集成调节元件，以移动测量点。在此，所需要的最大移动路径等于测量点距离减去期望的分辨率，在所阐述的实施例中也就是在期望的分辨率为225μm（孔的距离250μm-25μm分辨率）时。

借助图1和图2原理性阐述的测量装置也用于确定对象的材料特性，如通过图3纯原理性地示出的。在此，采用包括照射图案16、分束器24和具有大色差的物镜18的共焦系统以及孔图案30。

这些组件在图3中称为色散的共焦透镜系统100。辐射由必要时的多点光源TX102产生。在物镜18之后必要时可以设置偏转元件104，经由该偏转元件将辐射偏转到诸如牙齿的对象106上。

相应图1，在色散的共焦透镜系统100之后设置诸如棱镜的用于光谱伸展的装置107以及传感器108，在该传感器上显示对象106的被返回反射或被散射的光的光谱。在此，被直接照射的测量点的光谱SP1以及不是经由共焦系统100照射的光谱SP2在传感器108上产生。对应的点错开距离Δx，该距离在5μm至3mm之间的范围内，尤其是在10μm至200μm之间的范围内。对象106的不是经由共焦系统照射的点以及由此光谱SP2是由以下光产生的点和光谱，该光在针孔阵列30中穿透用于确定背景的孔54。

从而用查找表的数据计算出光谱SP1和SP2。为了生成查找表的数据，利用本发明的系统测量已知的样本并且存储光谱信息SP1，SP2以及必要时来自实时图像光学元件的其他通道（例如参照通道），并且作为数据组存放在查找表中。这些数据优选已经经过z距离值校正地存放。从而未知材料的测量数据同样经过距离校正地与查找表的数据组相比较，例如用计算每个光谱测量点的最小误差距离平方的“最佳拟合”算法。为了校准该系统，使用由诸如氧化钛或漫反射板的高漫散射材料制成的参照物体的光谱分辨的数据，如借助图6至图8所阐述的。

对应的光谱SP1和SP2之间的差异在于光谱SP2中不存在菲涅尔反射，以及在半透明对象的情况下不存在体积信息的更高分量。

因此，光谱SP2包含更多关于比光谱SP1更深的材料范围的信息。但是光谱SP2还可以单独地代表多个这样的对应测量点。

相反，光谱SP1还提供何时是具有非常小进入深度的材料的信息，因为对来自最近环境的漫反射信号进行分析。

由此感兴趣的分析可能性在比较两个光谱时产生。例如，光滑的金属表面产生强度大的光谱SP1，在表面与观察方向垂直的位置时具有菲涅尔反射。于是在光谱SP2中理想情况下强度为零。

在具有漫散射表面的半透明材料的情况下，光谱SP1主要包含材料表面信息，但是从而光谱SP2非空，而是包含通过在对象中散射的光的信息，该光允许推断光学材料特性。由此光谱SP1-SP2的差允许推断材料的吸收特性和散射特性并由此推断材料差异。

在光滑的材料表面（例如具有液体膜的组织）中可能干扰所出现的菲涅尔反射。但是由于该菲涅尔反射仅以特定的观察角出现，因此可以识别并且分离地处理该菲涅尔反射，因为在出现菲涅尔反射的情况下可以进行传感器的过度控制。

通过共焦条件和色散光学元件，在任何Z深度时都是窄的波长范围占主导；其它波长范围受到抑制。在已知3D测量的Z深度时，由于共焦光学元件的性能已知，因此可以从中计算出该效应。但是在评估材料特性时对于深度测量所必要的特性会导致在受到抑制的波长范围中的信噪比恶化或导致可使用光谱范围受到限制。

但是，通过组合相同测量点的、但是在不同距离处拍摄的多个帧可以对此进行补偿。

传感器108可以是面传感器或多行传感器，基于CMOS技术、CCD技术并具有材料Si、Ge增强的Si或InGaAs。

图4示出本发明测量装置的优选扩展。从而在利用图1所描述的实时图像产生的原理之下可以执行对象106的另一测量以用于确定材料特性。对象106可以经由光源TXλ1，λ2…λn以与检测方向RX不同的角度施加光，该光处于波长范围Δλ2内，该波长范围优选不与其中执行根据图3的测量（也就是3D测量）的波长范围重合。在这种情况下可以经由二色分束器110或者设置在物镜18与分束器24之间的分束器112将（多个）感兴趣的波长偏转到另外的传感器114或116上。在此是在图1中用于确定实时图像的传感器62。优选的，使用由二色分束器110和传感器114组成的装置，因为不需要色散光学元件18。如果顺序地使用多个波长λ1，λ2…λn，则可以用单色传感器拍摄离散的光谱DSp3或DSp4，该离散光谱包含关于测量对象106的光学特性的信息，优选在用于3D测量的波长范围之外。

传感器114至116在其像素方面像素精确或近似像素精确地与传感器108的像素对应，从而对于根据图3的装置确定的每个测量点可以补充在扩展的波长范围中的信息，所述信息例如可以用作强度参照。

图5示出材料分类器118，其被馈入来自图3的光谱SP1，SP2的光谱信息以及来自图4的、来自一个或多个帧的离散光谱线DSp3或DSp4以计算出材料对应，所述多个帧以不同的角度和在不同的时刻示出相同的测量点。在此，在分类器R中计算针对存放在查找表中的材料样本（例如牙釉质或牙龈或例如汞齐或金的填充材料）的数据组的“最佳拟合”。从而用查找表的数据计算光谱SP1和SP2。为了生成查找表的数据，用本发明的系统测量已知样本，并且存储光谱信息SP1，SP2以及必要时来自实时图像光学元件的其他通道（例如参照通道），并且作为数据组存放在查找表中。这些数据优选已经经过z距离值校正地存放。从而未知材料的测量数据同样经过距离校正地与查找表的数据组相比较，例如用计算每个光谱测量点的最小误差距离平方的“最佳拟合”算法。为了校准该系统，使用由诸如氧化钛或漫反射板的高漫散射材料制成的参照物体的光谱分辨的数据。如果使用参照通道，可以附加地使用这些数据（Ref 1…Ref n）。在存在一个或多个加性、非共焦的参照通道以例如用于在3D测量期间实现实时图像的情况下，可以将该一个或多个参照通道一起用于由光学特性确定材料。

借助图6示出的光谱应当表明，如何校正距离地对光谱进行校准，以从而将所述光谱与存储在查找表中的、使得可以推断材料特性的光谱进行比较。

借助图6原理性地阐述系统校准。从而在图6a)中的光谱纯原理性地再现背景光谱（左图）以及测量光谱（右图），它们是在至待测量点的特定距离Z处拍摄的，其中使用具有针孔阵列30的本发明装置，该针孔阵列具有焦点在其中成像的孔32以及不与照射图案14重合的孔54。背景光谱是借助穿透至少一个孔54的辐射测量的。测量光谱由穿透孔32之一的辐射测量，被穿透的孔与确定背景辐射的一个或多个孔相邻。在此在测试物体上进行测量。在图6a)的右图中可以识别出特定波长的峰值，该峰值与距离有关（与Z有关）。但实际上，测试物体的测量光谱在没有本发明共焦测量结构的情况下、也就是在纯漫反射测量中依据波长λ具有相应于图6b)、右图的分布。在此，作为测试物体例如使用在测量信号中具有光滑的直线分布的漫反射板，因为漫反射板在可见光谱范围中的所有波长情况下都大致同等良好地反射。

由此参照物体（图6a），右图）的实际测量的光谱必须具有校正因子，以计算与图6b)，右图的分布相应的分布。该校正因子（c=b:a）在图6c)，右图中再现出。由此在考虑校正因子的情况下，将实际的测量光谱（图6a，右图）转换为光谱6b)，右图。

由此获得对共焦测量系统的影响进行补偿的校正数据组。

相应地也适用于通过图6a)，6b)和6c)左侧的光谱代表的背景测量结果。

对于介于Z=0和Z=Z_MAX之间的多个距离Z测量相应的光谱，从而存储在不同深度（距离Z）时的一整组光谱并且通过λ计算和存储校正因子C。

从而可以将这些校正因子应用于诸如牙齿、填充材料、组织等任意物体（对象）的光谱，从而获得针对这些材料的漫反射光谱，从而将这些漫反射光谱与存放的（查找表）测试光谱相比较，以进行材料分类，其中在比较时例如考虑针对测试光谱和所测量的光谱的最小误差平方。

由于对每个测量点包括多个针对不同距离的测量的对应数据组包含显著的冗余，因此可以丢弃光谱的具有很小信噪比的部分并且仅使用靠近信号峰值的区域。

图7示例性示出从待测量对象在特定的距离Z处拍摄的光谱，以从而将经过校正的光谱与存储的光谱（查找表）相比较并且可以推断材料特性。

从而在图7a)，右图中示出作为对象的牙齿的测量光谱。图7a)中的左图再现在相同距离Z时的背景光谱。

与根据图6的阐述相应，用根据图6c)的与光谱7b)相应的校正因子校正所测量的光谱7a)，以从而获得根据图7c)的牙齿的经过校正的光谱。由此将对应的光谱与事先存储的光谱相比较。与本发明的教导相应，对同一个测量点在本发明的测量装置的不同距离处进行对应的测量。

图8应当纯原理性地示出测量光谱和背景光谱依据距离而改变，因为分别针对特定的波长依据至测量点的距离满足共焦条件，并由此依据波长地出现峰值。这应当借助图8a)显示。从而记录在距离Z₁时的第一测量曲线并且记录在距离Z2时的第二测量曲线，其中在不同波长λ₁和λ₂时出现峰值。

在图8b)中校正涉及距离Z₁的背景测量（左图）和测量光谱（右图），其中与对图6的阐述相应地考虑校正因子。在图8c)中示出针对距离Z₂的经过校正的测量光谱（右图）或经过校正的背景光谱。如果涉及相邻的波长λ₁，λ₂执行像素合并，则进行噪声减小，如图8d)所示。

由测量光谱（右图）以及由背景光谱（附图中的左图）可以在与所存储的参照光谱（查找表）相比较时推断出材料特性。

由测量光谱的所测量的峰值例如可以推导出关于对象的表面光滑度的结论并且由背景光谱尤其是可以推导出对象的深度信息，其中由于在测量装置的不同距离处对象点的测量而依据波长地确定材料特性。

尤其是可以由测量光谱推导出在表面粗糙度或光滑度、折射率和吸收性能方面的材料特性，并且由背景光谱可以推导出诸如散射和吸收的材料特性。

优选的，所述计算“实时地”或者近似“实时地”在FPGA（现场可编程门阵列）中进行，以不对主计算机的CPU造成负担。如果所需要的信息包含在各个帧中则可以进行实时分类。但是如果必须等待其它例如可能包含很少出现的菲涅尔反射的帧，则在出现该信息之后才进行最终的分析。如果时间间隔很小，例如30FPS（Frames Per Second，每秒帧），则该信息最多在几秒的范围内可用。

从而材料信息可以叠加在3D信息上地例如借助测量点的不同着色而在GUI（图形用户界面）中显示和/或与材料相应地用于选择性地处理被扫描的对象。从而在牙齿医学应用的情况下，可以清楚地确定从牙齿硬组织到软组织、棉花卷或收缩线的过渡。可以在对各个帧进行配准之前消除来自软组织的几何形状变化的部分。也可以将填充材料或龋齿与健康的牙齿硬组织区分开来。此外可以执行3D牙齿颜色确定，包括确定光学特性μa、μs和g。

Claims

1. 一种用于确定对象的材料特性，尤其是优选半透明对象的光学特性的方法，其特征在于，为了确定材料特性利用参照物体的光谱分辨的数据计算用共焦3D测量系统确定的对象的测量数据的光谱分辨的数据，其中对测量点确定在测量系统至对象的距离相互不同时的多个光谱分辨的数据。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用共焦的色散3D测量系统。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了确定材料特性，测量多焦点照射图案的成像在对象上的焦点的直接反射的第一辐射的光谱分辨的数据，而且还在离相应成像的焦点距离Δx处测量漫反射的第二辐射。

4. 根据上述权利要求至少之一所述的方法，其特征在于，与一个焦点对应的直接反射的第一辐射与漫反射的第二辐射之间的距离在5μm与3mm之间，尤其是在10μm与200μm之间。

5. 根据上述权利要求至少之一所述的方法，其特征在于，为了确定光谱分辨的数据借助3D测量装置向对象施加第一辐射，该第一辐射处在波长范围Δλ1中，向对象施加处在波长范围Δλ2中的第二辐射，并且根据由该对象漫反射的第二辐射确定该对象的2D图像。

6. 根据上述权利要求至少之一所述的方法，其特征在于，用具有与对象的位置坐标对应的第一像素的第一传感器测量3D图像，用具有与对象的位置坐标对应的第二像素的第二传感器测量2D图像，并且第一像素和第二像素相互对应。

7. 根据上述权利要求至少之一所述的方法，其特征在于，借助利用第一传感器确定的来自一个或多个帧的光谱信息和利用第二传感器确定的来自一个或多个帧的光谱信息计算材料对应，其中所述多个帧显示在不同角度和/或在不同时间的相同测量点。

8. 根据上述权利要求至少之一所述的方法，其特征在于，向所测量的光谱施加校正因子，该校正因子由参照物体的光谱确定，在没有共焦测量条件的情况下测量该参照物体的漫反射或者从存储在计算机中的库中获得该参照物体的光谱。

9. 根据上述权利要求至少之一所述的方法，其特征在于，将在考虑所述校正因子情况下的测量光谱与存储在查找表中的光谱进行比较，所述存储在查找表中的光谱代表材料特性。

10. 根据上述权利要求至少之一所述的方法，其特征在于，既由在共焦条件下确定的测量点的测量光谱又由该测量点区域中的背景光谱来确定材料特性。