-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft eine Dentalkamera zur 3D-Vermessung von intraoralen
Objekten mit optischen Mitteln, die eine Lichtquelle, einen Bildsensor und
ein Objektiv umfasst. Darüber hinaus weist die Dentalkamera
einen Umlenkspiegel auf, der so ausgebildet ist, dass die aus dem
Objektiv austretenden Lichtstrahlen auf das zu vermessende Objekt
umgelenkt werden.
-
Stand der Technik
-
Eine
Dentalkamera für intraorale Anwendungen dient dazu, in
der Mundhöhle Bilder von Zähnen und Präparationen
herzustellen und hieraus 3D-Modelle für Diagnosezwecke
abzuleiten, die auch eine CNC-Bearbeitung von Restaurationen wie
Einsätzen, Kronen, Brücken oder Implantaten ermöglichen sollen.
-
Dazu
muss eine Dentalkamera eine dreidimensionale Vermessung von Dentalobjekten
ausführen können und die Kamera oder der in die
Mundhöhle einzuführende Teil derselben sollte
hinreichend klein dimensionierbar sein.
-
Das
in einer Positionierung erfassbare Volumen sollte mindestens einen
Backenzahn umfassen, also etwa 17 × 14 mm2 in
der Kieferebene und etwa 15 mm senkrecht hierzu.
-
Der
Messfehler sollte nicht mehr als +/– 20 Mikrometer in allen
drei Dimensionen betragen, da die Nachhaltigkeit von Zahnrestaurationen
weitgehend durch die Präzision der Anpassung (verbleibende
Restspalte) bestimmt ist.
-
Ferner
sollte eine Dentalkamera mehrere Aufnahmen pro Sekunde erzeugen
können, um eine zügige Positionierung mit Hilfe
eines Monitors zu ermöglichen und Verwacklungsfehler zu
vermeiden.
-
Nach
dem Stand der Technik arbeiten Dentalkameras der genannten Art mit
optischen Triangulationsverfahren.
-
Dabei
wird z. B. ein Gitter aus schmalen, parallelen Lichtstreifen auf
das zu vermessende Objekt projiziert und in definierter Weise periodisch
verschoben. Die vom Objekt zurückgestrahlten Lichtstrahlen werden
unter einem definierten Winkel zur Projektionsrichtung aufgenommen
und aus den Bilddaten wird die Tiefendimension aus der Verformung
der Lichtstreifen errechnet.
-
Dieses
Verfahren hat jedoch zwei wesentliche Nachteile:
Das in die
Mundhöhle einzuführende Aufnahmeteil muss in der
Lage sein, die Lichtstrahlen auf ein Messfeld zu projizieren. Dies
führt dazu, dass das Aufnahmeteil im Querschnitt mindestens
genau so groß wie der Querschnitt des Messfeldes von etwa 20 × 20
mm2 ist. Insbesondere die Höhe
des Aufnahmeteils entlang des Öffnungswinkels des Kiefers
erreicht eine kritische Größe und begrenzt die
Vermessung von hinteren Backenzähnen oder von Zähnen
in einem Kindermund.
-
Die
Lichtstreifen können parallele Lichtbündel sein,
die auf ein transparentes Objekt, den natürlichen Zahn
treffen können, wobei eine Streuung über einen
größeren Tiefenbereich auftritt. Die Beobachtung
von der Seite ergibt also einen verbreiterten Streifen, dessen Tiefenkoordinate
unbekannt ist.
-
Zur
Lösung dieses Problems wird der Zahn mit einem stark deckenden
weißen Medium, z. B. Titandioxid-Pulver präpariert.
Dies ist ein schwieriger Arbeitsschritt, der auch zu Messfehlern
infolge ungleichförmiger Verteilung des Pulvers führen
kann.
-
In
WO 2004/061389 A1 wird
ein Laser-Digitalisierer für zahnmedizinische Zwecke vorgeschlagen,
der aus einer Laserlichtquelle, einem mindestens zweiachsigen mechanischen
Scanner, einer F-Theta-Optik und einer telezentrischen Kamera besteht.
-
Diese
sogenannte F-Theta-Optik hat die Eigenschaft, einen in einen Raumwinkel
gescannten Lichtstrahl im wesentlichen verzerrungsfrei in eine Bildebene
zu projizieren.
-
Das
zu vermessende Objekt wird mit nur einem Lichtpunkt sequentiell
abgerastert und die Tiefenkoordinate wird durch die bekannte Triangulation bestimmt.
-
Die
bei Laserlicht auftretende Störung durch Interferenzmuster
(speckle) soll durch Kohärenzlimitierung mittels Amplitudenmodulation
gemindert werden.
-
Diese
Einrichtung ist offensichtlich nicht für den intraoralen
Einsatz vorgesehen und scheint hierfür wegen der prinzipbedingt
großen Dimensionen auch nicht geeignet.
-
In
WO 2004/085956 A2 wird
ein Laser-Digitalisierer für intraorale Verwendung vorgeschlagen, dessen
Funktionsprinzip im wesentlichen mit der vorgenannten Einrichtung übereinstimmt,
jedoch an den intraoralen Einsatz angepasst ist. Hier wird ein zweidimensional
gescannter Laserstrahl über eine Lichtführung
mit Umlenkspiegeln auf das Objekt gelenkt und das reflektierte Licht
wird unter einem geeigneten Betrachtungswinkel empfangen, umgelenkt
und in einer außerhalb der Mundhöhle befindlichen
elektronischen Kamera ausgewertet.
-
Durch
Anwendung der bekannten optischen Triangulation soll somit ein 3D-Modell
des Objektes erzeugt werden.
-
Ein
Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass das Laserlicht,
vorgeschlagen sind 635 nm, eine so große Eindringtiefe
in den natürlichen Zahn besitzt, dass eine exakte Erkennung
der geometrischen Oberfläche anstatt einer optischen Grenzschicht
unbekannter Dicke ohne das Hilfsmittel einer deckenden Beschichtung
kaum möglich ist.
-
Infolge
der zweidimensionalen mechanischen Rasterung ist die Bildaufnahme
von 0,3 Sekunden für ein Vollbild relativ langsam.
-
Ferner
ist diese Vorrichtung wegen lateraler Unsymmetrie (3)
und lateral parallel liegender getrennter Lichtführungen
unhandlich für den beabsichtigten Zweck.
-
Ein
anderer Vorschlag in
WO
2004/085956 A2 soll nach dem Prinzip der Kohärenzlängenmessung,
dem sogenannten Kohärenztomographieverfahren arbeiten.
Hierbei wird ein Laserlicht mit geringer Kohärenzlänge
auf das zu messende Objekt gelenkt und das gestreute Licht mit einem
verzögerten Referenzstrahl zur Interferenz gebracht.
-
Die
Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Dentalkamera bereitzustellen,
die die im Folgenden genannten Anforderungen erfüllt und
keine der genannten Nachteile der bestehenden Vorrichtungen aus
dem Stand der Technik aufweist.
-
Die
Dentalkamera sollte eine möglichst geringe Höhe
aufweisen, um auch zur Vermessung in einem Kindermund geeignet zu
sein.
-
Eine
direkte Vermessung ohne vorherige Puderung eines intraoralen Messobjekts
würde den Behandlungskomfort für den Patienten
erhöhen.
-
Eine
höhere Auflösung und Präzision der Messung
würde eine genauere Vermessung von intraoralen Messobjekten
erlauben.
-
Eine
hohe Bildfolgefrequenz während der Vermessung würde
das Verwacklungsrisiko während einer einzelnen Aufnahme
mindern.
-
Ein
größeres Messvolumen würde darüber hinaus
die Vermessung vereinfachen.
-
Darstellung der Erfindung
-
Diese
Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst.
-
Erfindungsgemäß umfasst
die Dentalkamera zur 3D-Vermessung von intraoralen Objekten mit
optischen Mitteln eine Lichtquelle, einen Bildsensor und ein Aufnahmeteil
mit einem Objektiv und mit einem Umlenkspiegel. Das Aufnahmeteil
weist dabei ein Gehäuse auf, in dem das Objektiv und der
Umlenkspiegel angeordnet sind, wobei das Objektiv so gestaltet ist,
dass die aus der Lichtquelle stammenden Lichtstrahlen auf das zu
vermessende Objekt abgebildet werden. Der Umlenkspiegel ist so ausgebildet, dass
die aus dem Objektiv austretenden Lichtstrahlen auf das Objekt umgelenkt
werden. Das Objektiv und der Umlenkspiegel sind Teile einer Scaneinrichtung
mit einem Verstellbereich, die innerhalb des Gehäuses und
relativ zum Gehäuse geradlinig parallel zu einer optischen
Achse des Objektivs über den Verstellbereich verschiebbar
ist. Darüber hinaus ist eine Positionsmesseinrichtung zur
Erkennung von mindestens zwei Positionsmarkierungen der Scaneinrichtung
als Teil des Aufnahmeteils vorhanden. Eine weitere Einrichtung ist
als Teil des Aufnahmeteils zur Ansteuerung einer vorgegebenen Sollgeschwindigkeit
der Scaneinrichtung als Funktion einer Position und/oder der Zeit
der Scaneinrichtung vorhanden.
-
Intraorale
Objekte wie beispielsweise einzelne Zähne, Zahngruppen
oder Zahnstümpfe werden vermessen, um zu diesen intraoralen
Objekten passende Zahnersatzteile zu fertigen.
-
Die
Lichtquelle kann abhängig vom angewendeten Messverfahren
der Dentalkamera eine polychromatische oder eine monochromatische
Lichtquelle sein. Beim Triangulationsverfahren können sowohl
polychromatische oder auch monochromatische Lichtquellen verwendet
werden. Bei der Weißlichtinterferometrie wird eine polychromatische
weiße Lichtquelle verwendet.
-
Das
Objektiv kann auf der zum Messobjekt gerichteten Seite telezentrisch
sein, einen definierten Farblängsfehler (chromatische Schnittweitendifferenz)
aufweisen jedoch im wesentlichen ohne Farbvergrößerungsfehler
(chromatische Brennweitendifferenz) sein.
-
Der
Umlenkspiegel lenkt die aus der Lichtquelle stammenden Lichtstrahlen
in einem bestimmten Winkel auf das Objekt ab. Dieser Winkel kann beispielsweise
90° betragen, so dass die Lichtstrahlen im wesentlichen
vertikal auf das Objekt umgelenkt werden.
-
Ein
Strahlteiler beispielsweise in der Form eines halbdurchlässigen
Spiegels kann die vom Objekt zurückgestrahlten Lichtstrahlen,
die durch das Objektiv zurücklaufen, von Lichtstrahlen
trennen, die von der Lichtquelle stammen, und zum Bildsensor umlenken.
-
Die
vom Objekt zurückgestrahlten Lichtstrahlen können
mittels eines Spektrumanalysators spektral analysiert werden, um
aus der Änderung des Spektralverlaufs die Tiefeninformation
der Objektoberfläche zu berechnen.
-
Der
Bildsensor kann vorteilhafterweise ein zweidimensionaler Bildsensor
sein, der die vom Objekt zurückgestrahlten Lichtstrahlen
zeitgleich aufnehmen kann.
-
Zur
Verarbeitung der empfangenen Bilddaten kann eine Bildverarbeitungseinrichtung
vorhanden sein, die einen Prozessor umfasst, der insbesondere zur
Erkennung und Verifizierung der relativen spektralen Maxima der
zurückgestrahlten Lichtstrahlen geeignet ist.
-
Die
Positionsmesseinrichtung dient der Bestimmung der genauen Position
der Scaneinrichtung anhand von mindestens zwei Positionsmarkierungen.
Eine weitere Einrichtung dient der exakten Ansteuerung einer vorgegebenen
Sollgeschwindigkeit der Scaneinrichtung als Funktion einer Position
der Scaneinrichtung und/oder der Zeit. Die Position der Scaneinrichtung
wird dabei mittels der Positionsmesseinrichtung festgestellt.
-
Ein
Vorteil der erfinderischen Dentalkamera ist, dass das Objektiv und
der Umlenkspiegel als Teile einer Scaneinrichtung innerhalb des
Gehäuses linear verschiebbar sind. Dadurch ist die Länge
des Verstellbereichs ausschließlich durch die Länge
des Gehäuses begrenzt. Dies erlaubt Aufnahmen mit einer
relativ großen Verstellbereich durchzuführen.
-
Ein
weiterer Vorteil ist, dass eine Einrichtung zur Erkennung von mindestens
zwei Positionsmarkierungen vorhanden ist. Dadurch wird die Scaneinrichtung
innerhalb des Verstellbereichs, der durch diese Positionsmarkierungen
begrenzt wird, bewegt, so dass ein fehlerhaftes Herausfahren der
Scaneinrichtung aus dem Verstellbereich aufgrund eines Steuerungsfehlers
ausgeschlossen wird.
-
Vorteilhafterweise
kann eine Ausgleichsmasse vorhanden sein, die entgegengesetzt zur
Scaneinrichtung angetrieben ist, wobei die Massenschwerpunkte der
Scaneinrichtung und der Ausgleichsmasse entlang einer gemeinsamen
Bewegungsachse entgegengesetzt zueinander bewegt werden.
-
Reaktionskräfte,
die durch die Scanbewegung der Scaneinrichtung entstehen, werden
somit durch die Ausgleichsbewegung der Ausgleichsmasse kompensiert.
Dadurch werden Vibrationen der Dentalkamera während der
Aufnahme verhindert, die zum Verwackeln der Aufnahmen führen
könnten.
-
Die
entgegengesetzt bewegte Ausgleichsmasse ist dabei so bemessen, dass
die Summe der Impulse aller Massen, das ist die Größe „Masse
mal Geschwindigkeit" zu Null wird.
-
Vorteilhafterweise
kann die Ausgleichsmasse und die bewegte Gesamtmasse der Scaneinrichtung
einander in der Reaktion aufheben.
-
Dadurch
werden störende Vibrationen, die durch den Impuls der bewegten
Gesamtmasse der Scaneinrichtung verursacht werden, kompensiert.
-
Die
Ausgleichsmasse der Gesamtmasse kann der bewegten Masse der Scaneinrichtung
entsprechen.
-
Dadurch
muss die Ausgleichsmasse mit gleicher Geschwindigkeit in entgegengesetzter
Richtung zur Bewegung der Gesamtmasse bewegt werden, um einen Ausgleich
der Impulse zu erreichen.
-
Vorteilhafterweise
kann die Scaneinrichtung an einer ersten Zahnstange befestigt sein
und die Ausgleichsmasse an einer zweiten Zahnstange befestigt sein,
die parallel zu der ersten Zahnstange verläuft. Ein Zahnritzel,
das von einer Antriebswelle eines Antriebsmotors angetrieben wird,
greift dann sowohl in die erste Zahnstange als auch in die zweite Zahnstange
und treibt beide Zahnstangen entgegengesetzt zueinander gerichtet
an.
-
Dadurch
wird die Gesamtmasse und die Gegenmasse mittels eines einzelnen
Antriebsmotors entgegengesetzt zueinander angetrieben.
-
Vorteilhafterweise
kann eine Kompensationsmasse vorhanden sein, die entgegengesetzt
zur rotierend bewegten Masse des Antriebsmotors angetrieben wird
und die Reaktionsmomente des Antriebsmotors infolge seiner eigenen
bewegten Masse (Rotor) und der bewegten Masse anderer Teile kompensieren
kann. Die Kompensationsmasse und die bewegten Massen erzeugen hierbei
gleich große entgegengesetzte Drehimpulse, das ist die
Größe „Trägheitsmoment mal Winkelgeschwindigkeit".
Darüber hinaus kann die Drehachse der Kompensationsmasse
parallel zu der Drehachse der bewegten Massen sein oder vorteilhafterweise
mit dieser übereinstimmen.
-
Die
rotierend bewegte Masse des Antriebsmotors kann bei einem Elektromotor
beispielsweise ein Rotor sein. Die Kompensationsmasse ist eine Masse,
die entgegengesetzt zur rotierend bewegten Masse des Antriebsmotors
bewegt wird. Bei der Kompensation wird das Trägheitsmoment
des Rotors, das durch eine alternierende Beschleunigung des Antriebsmotors
störende Reaktionsmomente an der Kamera erzeugen kann,
durch das Trägheitsmoment der Kompensationsmasse kompensiert.
-
Vorteilhafterweise
kann zusätzlich zu dem Antriebsmotor ein Kompensationsmotor
vorhanden sein, der die Kompensationsmasse entgegengesetzt zu dem
Antriebsmotors antreibt. Eine Drehachse des Antriebmotors steht
dabei zu einer Drehachse des Kompensationsmotors parallel oder stimm
vorteilhafterweise mit dieser überein.
-
Dadurch
wird mittels des Kompensationsmotors die Kompensationsmasse angetrieben
und somit der Drehmoment des Antriebsmotors kompensiert.
-
Vorteilhafterweise
kann eine Steuerungseinheit vorhanden sein, die unter Berücksichtigung
der Lage der Scaneinrichtung den Antriebsmotor so ansteuert, dass
die Scaneinrichtung innerhalb eines Verstellbereiches oszillierend
mit einer vorgegebenen Frequenz zwischen 1 Hz und 20 Hz bewegt wird.
-
Dadurch
können Aufnahmen in geringe Zeitabständen zueinander
zwischen 1 sec und 0,05 sec durchgeführt werden.
-
Vorteilhafterweise
kann die Steuerungseinheit den Kompensationsmotor für die
Kompensationsmasse entgegengesetzt zum Antriebsmotor ansteuern.
-
Dadurch
gewährleistet die Steuerungseinheit eine entgegengesetzte
Bewegung der Kompensationsmasse, die zur Kompensation führt.
-
Vorteilhafterweise
kann ein flexibles Lichtleiterbündel bzw. Lichtleiterband
die von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahlen an die Scaneinrichtung weiterleiten,
wobei bei der Scanbewegung der Scaneinrichtung das flexible Lichtleiterband
bzw. Lichtleiterband entsprechend gebogen wird.
-
Dabei
kann das Lichtleiterbündel in ein geordnetes Lichtleiterband übergehen,
indem die einzelnen Lichtleiter nebeneinander angeordnet werden.
Das Lichtleiterbündel kann vorteilhafterweise in einen
Lichtleiterband übergehen, der an der bewegten Scaneinrichtung
angeschlossen ist. Durch die bessere Flexibilität der bandförmigen
Lichtleiteranordnung gegenüber der zylinderförmigen
Lichtleiteranordnung wird die Beweglichkeit der Scaneinrichtung verbessert.
-
Die
Enden des Lichtleiterbandes, die mit der Scaneinrichtung verbunden
sind, werden bei der Scanbewegung entlang des Verstellbereiches
mitgenommen, so dass ein Teil des Lichtleiterbandes eine Schwingbewegung
ausführt.
-
Die
Verkleidung des Lichtleiterbündels kann aus einem Material,
wie einem elastischen Plastikmaterial sein, das die Schwingung des
Lichtleiters hemmt. Dadurch soll insbesondere verhindert werden,
dass der Lichtleiterbündel durch die Schwingbewegung und
deren Steigerung durch die Eigenschwingung beschädigt wird.
-
Das
Lichtleiterband kann mehrere kreiszylindrische Einzellichtleiter
mit einem Kerndurchmesser von beispielsweise 30 bis 60 Mikrometer
umfassen.
-
Vorteilhafterweise
kann das flexible Lichtleiterband ein form- und/oder kraftschlüssiges
Anschlussteil aufweisen.
-
Dadurch
wird auf eine einfache Art ermöglicht im Falle einer Beschädigung
das flexible Lichtleiterbündel bzw. Lichtleiterband auszutauschen.
-
Vorteilhafterweise
kann ein zweites Objektiv vorhanden sein, das die aus den Lichtleiterendflächen
austretenden Lichtstrahlen in einem Zwischenbild innerhalb des ersten
Objektivs abbildet und dieses Zwischenbild durch das erste Objektiv,
das relativ zum Gehäuse des Aufnahmeteils linear oszillierend beweglich
ist, auf das zu messende Objekt abgebildet wird, wobei das zweite
Objektiv relativ zum Gehäuse des Aufnahmeteils starr angeordnet
ist.
-
Die
Verwendung eines zweiten Objektivs, das die Lichtstrahlen über
eine Zwischenabbildung an die Scaneinrichtung weiterleitet, ist
eine alternative Ausführung zum flexiblen Lichtleiterband.
Die Zwischenabbildung der von den Lichtleiterendflächen austretenden
Lichtstrahlen ist lagenabhängig, da beim Scanvorgang die
Lage des Zwischenbildes rela tiv zu dem ersten Objektiv, das auf
das Objekt abbildet, unveränderlich ist.
-
Vorteilhafterweise
kann die Lichtquelle eine pulsierende polychromatische Lichtquelle
sein, die Lichtimpulse mit einer Zeitdauer zwischen 50 und 150 Mikrosekunden
und einer Pause zwischen den Impulsen zwischen 150 und 300 Mikrosekunden
abgeben kann.
-
Dadurch
kann die Lichtquelle den Messobjekt nur zum Zeitpunkt der Aufnahme
beleuchten
-
Vorteilhafterweise
ist eine Leseeinheit vorhanden, die die Positionsmarkierungen der
Positionsmesseinrichtung erfasst.
-
Dadurch
werden die Positionsmarkierungen erkannt, so dass die Position der
Scaneinrichtung festgestellt werden kann.
-
Vorteilhafterweise
kann die Leseeinheit weitere Wegmarkierungen zwischen den Positionsmarkierungen
erkennen und aus dem Zählstand der gezählten Wegmarkierungen
die momentane Lage der Scaneinrichtung relativ zum Gehäuse
bestimmen, wobei jeder Aufnahme eine Koordinate y längs
des Verstellweges zugeordnet wird. Zwischen den Positionsmarkierungen
können zwischen 100 und 500 Wegmarkierungen angebracht
sein.
-
Dadurch
wird mit geringem Konstruktionsaufwand die jeweilige Position der
Scaneinrichtung festgestellt, um der jeweiligen Aufnahme eine y-Koordinate
zuzuordnen.
-
Vorteilhafterweise
kann ein elektronischer Signalgenerator vorhanden sein, der bei
Erreichen einer Randmarke ein vorgegebenes Signal, das einer Sollgeschwindigkeit
entsprechen kann, umkehrt.
-
Vorteilhafterweise
kann ein elektronischer Signalgenerator vorhanden sein, der abhängig
von der Position der Scanein richtung eine Antriebsspannung für
den Antriebsmotor generiert, die so ausgelegt ist, dass die Scaneinrichtung
mit einer Sollgeschwindigkeit innerhalb des Verstellbereiches bewegt
wird.
-
Der
Signalgenerator gewährleistet, dass die Scaneinrichtung
mit der vorgegebenen Sollgeschwindigkeit bewegt wird.
-
Vorteilhafterweise
kann ein elektronischer Signalgenerator vorhanden sein, der abhängig
vom Zählstand der Wegmarkierungen der Leseeinheit eine
Antriebsspannung für den Antriebsmotor generiert, die so
ausgelegt ist, dass die Scaneinrichtung mit einer Sollgeschwindigkeit
angetrieben wird, die durch eine Funktion der Sollgeschwindigkeit
abhängig von der jeweiligen Position des Scaneinrichtung bestimmt
ist.
-
Vorteilhafterweise
kann die Funktion der Sollgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von der Position der Scaneinrichtung entlang des Verstellbereiches die
Form eines Rechteckes oder Trapezes aufweisen, wobei die ansteigende
Flanke und die abfallende Flanke einem Weg von 0,3 mm bis 1,5 mm
bzw. einer Umkehrzeit von 5 bis 25 Millisekunden entspricht.
-
Dadurch
ist die Funktion der Sollgeschwindigkeit im genutzten Verstellbereich
konstant und weist eine im wesentlichen konstante Beschleunigung
an den Rändern des Verstellbereichs zur Richtungsumkehr
der Scanbewegung auf.
-
Vorteilhafterweise
kann die Funktion der Sollgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von der Position der Scaneinrichtung entlang des Verstellbereiches die
Form eines Sinus aufweisen.
-
Dadurch
wird die Scaneinrichtung ohne ruckartiges Abbremsen bzw. Beschleunigen
entlang des Verstellbereiches oszillierend bewegt.
-
Vorteilhafterweise
kann der Antriebsmotor ein Nebenschluss-Gleichstrommotor oder ein
Permanentmagnet-Gleichstrommotor sein.
-
Vorteilhafterweise
kann ein Negativ-Impedanz-Konverter vorhanden sein, dessen Eingangsspannung
die Ausgangsspannung des Signalgenerators ist und dessen Ausgangsspannung
die Antriebsspannung des Antriebsmotors der Scaneinrichtung ist.
-
Dadurch
wird die Ansteuerung der Scaneinrichtung auf eine einfache Art und
Weise gewährleistet.
-
Vorteilhafterweise
kann ein zweiter Motor (Kompensationsmotor) vorhanden sein, der
Massen zur Kompensation von Reaktionskräften bewegt.
-
Vorteilhafterweise
kann ein zweiter Negativ-Impedanz-Konverter vorhanden sein, dessen
Eingangsspannung eine Ausgangsspannung des Signalgenerators ist
und dessen Ausgangsspannung die Antriebsspannung des Kompensationsmotors
zum Antrieb der Kompensationsmasse ist.
-
Dadurch
wird die Ansteuerung des Kompensationsmotors auf eine einfache Art
und Weise gewährleistet.
-
Vorteilhafterweise
kann das Zahnritzel in eine erste Stufe und eine zweite Stufe aufgeteilt
sein, die unterschiedliche Zähnezahlen, Durchmesser oder
Module (durchmesserbezogene Zahnteilungen) aufweisen, wobei die
erste Stufe in die erste Zahnstange und die zweite Stufe in die
zweite Zahnstange mit passender Verzahnung greift, so dass die Ausgleichsmasse
insbesondere einen kürzeren Weg als die Scaneinrichtung
zurücklegt.
-
Dadurch
muss die Ausgleichsmasse über eine kürzere Strecke
als die Länge des Verstellbereiches bewegt werden, so dass die
Dentalkamera in ihren Abmessungen geringer konstruiert werden kann.
-
Vorteilhafterweise
kann die Antriebswelle des Antriebsmotors rechtwinklig zu der optischen Achse
des Objektivs in der Scaneinrichtung stehen.
-
Dadurch
werden störende ruckelartige Vibrationen um die optische
Achse des Objektivs verhindert.
-
Vorteilhafterweise
kann die Lichtquelle eine Hochdruck-Xenon- oder Metallhalogenlampe
sein, die mit kurzen Lichtimpulsen betreibbar ist.
-
Hierdurch
kann die Lichtausbeute während der Belichtung des Bildsensors
erhöht sein ohne eine Erhöhung der mittleren thermischen
Leistung der Lichtquelle. Durch kurze Belichtung mit 50 bis 150 Mikrosekunden
wird der Wischeffekt innerhalb der einzelnen Aufnahmen stark reduziert.
-
Vorteilhafterweise
kann die Antriebsachse des Antriebsmotors parallel zur Hauptträgheitsachse der
gesamten Dentalkamera mit dem größten Trägheitsmoment
angeordnet sein.
-
Hierdurch
ist die Wirkung störender Reaktionsmomente verringert.
Eine Achse des größten Trägheitsmomentes
liegt im allgemeinen senkrecht zur größten Ausdehnung
eines Gegenstandes.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt die
-
1 das
Grundprinzip einer erfindungsgemäßen Dentalkamera;
-
2 die
Herleitung von Tiefenkoordinaten z aus einem Spektralbild;
-
3 den
Aufbau eines 3D-Modells aus zeitlichen Folgen von Spektralbildern;
-
4 ein
Beispiel für eine telezentrische Bildverschiebung für
einen Scanvorgang ohne Änderung des Bildmaßstabes;
-
5 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Kamera in seitlicher Schnittansicht;
-
6 diese
Kamera im Aufriss;
-
6.1 ein flexibles Lichtleiterband zur Verschiebung
einer Lichtzeile ohne Änderung der Abbildung;
-
7 ein
Beispiel eines Scanantriebes einer Kamera mit einer Kompensation
der Massenkräfte;
-
8 eine
Abwandlung eines Scanantriebes mit verringertem Raumbedarf;
-
9 ein
Beispiel für eine elektronische Steuerung eines Scanantriebes.
-
Ausführungsbeispiel
-
Die 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Dentalkamera 1 bestehend
aus zwei Teilen, nämlich einem intraoral verwendbaren Aufnahmeteil 2 und
einem Basisteil 3 zur Bilddetektierung, die durch ein flexibles
Lichtleiterbündel 4 und elektrische Leitungen 5 miteinander
verbunden sind. Das Aufnahmeteil 2 ist durch ein Gehäuse 2.1 verkleidet.
Das flexible Lichtleiterbündel 4 weist eine erste
mechanische Halterung 4.1 für das Aufnahmeteil 2 und
am gegenüberliegenden Ende eine zweite mechanische Halterung 4.2 für
das Basisteil 3 auf, die durch den Scanvorgang und die
Handhabung entstehende Zugkräfte aufnehmen, um eine Schädigung
des flexiblen Lichtleiterbündels zu verhindern.
-
Im
Basisteil 3 befindet sich eine Lichtquelle 6 für
polychromatisches Licht mit einem weißen Spektrum, z. B.
eine Glühlampe, insbesondere mit Halogenfüllung,
oder eine Gasentladungslampe, insbesondere eine Hochdruck-Xenon-Lampe
oder eine Hochdruck-Metallhalogen-Lampe, die ein möglichst breites
und gleichmäßiges sowie konstantes Lichtspektrum
erzeugen kann. Eine weitere Alternative für die Lichtquelle 6 ist
eine Impuls-Lichtquelle beispielsweise eine Stroboskop-Röhre.
-
Das
Licht der Lichtquelle 6 wird mittels eines Fokussiermittels 7,
z. B. eines Ellipsoidspiegels und durch einen Strahlteiler in der
Form eines halbdurchlässigen Spiegels 8 in ein
Lichtleiterband 9, das ein Teil des Lichtleiterbündels 4 ist,
eingestrahlt.
-
Die
Lichtstrahlen 6.1 treten aus den Lichtleiterendflächen 10 aus,
die mittels eines Objektives 11 bildseitig telezentrisch
in einen Objekt- und Messraum 12 und damit auch auf ein
Objekt 13 als reelles Bild abgebildet werden. Der telezentrische
Strahlengang wird in bekannter Weise durch eine nicht dargestellte
Aperturblende in der dingseitigen Brennebene erzeugt.
-
Durch
einen Strahlenumlenker wie einen Spiegel oder ein Spiegelprisma 14 werden
die Lichtstrahlen um einen Winkel von 90° bis 120° umgelenkt und
auf das Objekt 13 gerichtet.
-
Das
Objektiv 11 hat spezielle Abbildungseigenschaften. Es besitzt
nämlich einen definierten Farblängsfehler (chromatische
Schnittweitendifferenz), jedoch keinen Farbvergrößerungsfehler
(chromatische Brennweitendifferenz).
-
Diese
Abbildungseigenschaft des Objektivs kann auf der Dispersion der
optischen Werkstoffe beruhen und ist mittels üblicher optischer
Rechenprogramme dimensionierbar oder sie kann mittels kreissymmetrischer
Beugungsgitter erzeugt werden. Das Lichtspektrum wird also nicht
quer zur Lichtrichtung ausgebreitet wie bei der üblichen
Spektroskopie, sondern in dessen Laufrichtung.
-
Ein
Spektrum ist die räumlich getrennte Abbildung einer kleinen
Lichtaustrittsfläche durch verschiedene Wellenlängen
auf einen Beobachtungsschirm, so dass die spektralen Anteile nebeneinander
liegen und unabhängig messbar werden.
-
Hier
jedoch besteht das Ziel darin, die spektralen Anteile des polychromatischen
Lichtes in einer Tiefenrichtung anzuordnen und die Folge von Fokalpunkten
als Tiefenmaßstab in der Ausbreitungsrichtung des Lichtes
zu verwenden.
-
Infolge
dieser Eigenschaft des Objektives werden die kleinflächigen
Lichtleiterendflächen 10 wellenlängenabhängig
in verschiedenen Tiefenebenen des Messraumes 12 scharf
abgebildet.
-
Ein
dargestelltes Lichtbündel 15 skizziert die wellenlängenabhängige
Lage der Abbildungen in der z-Richtung. Kurzwelligere Spektralbereiche
werden näher zum Spiegel 14 fokussiert und langwelligere Spektralbereiche
werden näher zum Objekt 13 fokussiert (bei normaler
Dispersion). Die Lichtleiter des Lichtleiterbands 9 bilden
zusammen eine Zeile von Lichtpunkten in der x-Richtung, wie durch
ein zweites Lichtbündel 15.1 angedeutet ist.
-
Das
vom Objekt 13 gestreute Licht wird durch das Objektiv 11 rückwärts
abgebildet, denn der Lichtweg ist stets umkehrbar und trifft damit
wieder auf die Endflächen 10 der Lichtleiter.
Diese Endflächen wirken nun als Eintrittspupille, so dass
nur die Lichtwellenlänge, die ein scharfes Bild auf dem
Objekt erzeugt, wieder scharf abgebildet ist und nahezu vollständig
in diese Pupille eintreten kann.
-
Alle
anderen Wellenlängen erzeugen unscharfe Bilder und werden
bei der Rückabbildung durch die Eintrittspupille räumlich
beschnitten und dadurch abgeschwächt.
-
Damit
ist die Lage des Objektes in z-Richtung durch die Wellenlänge
mit der größten rücklaufenden relativen
Intensität und die zu dieser Wellenlänge gehörende
Bildlage gegeben.
-
Die
Abhängigkeit der Bildlage von der Wellenlänge
ist sehr genau reproduzierbar.
-
Das
durch die Lichtleiter 9, 4 zurücklaufende Licht
kann durch den halbdurchlässigen Spiegel oder Strahlteiler 8 zur
Spektralanalyse ausgekoppelt werden.
-
Ein
Spektralanalysator kann z. B. aus einem Kollimator 16,
einem Prisma oder Gitter 17 und einem abbildenden Objektiv 18 bestehen,
das ein reelles Spektralbild der rückseitigen Endflächen 10 der Lichtleiter 9 entwirft.
Es ist zu beachten, dass die spektrale Lage bei Prismen und Gittern
umgekehrt sind.
-
Dieses
Spektralbild, das aus einem farbigen Streifen 19 je Lichtleiter
besteht, fällt auf einen Bildsensor 20, z. B.
einen zweidimensionalen CCD- oder CMOS-Bildsensor. Dieser Bildsensor
wandelt in jedem Bildelement bzw. Pixel die Exposition, die eine Multiplikation
aus Lichtintensität und der Zeitdauer darstellt, in ein
analoges elektrisches Signal um. Hierbei kann ein wellenlängenabhängiger
Effizienzfaktor auftreten. Bei einer Kalibrierung des Bildsensor
kann die Inhomogenität der Empfindlichkeit bezogen auf
die Pixellage oder Wellenlänge korrigiert werden.
-
Auf
dem dargestellten Bildsensor sind die Koordinaten x und z des Messraumes
abgebildet, x ist die Lage des einzelnen Lichtleiters im Lichtleiterband,
z ist das Maximum der In tensität zwischen dem kurzwelligem
und dem langwellig Ende des Spektralstreifens.
-
Um
die dritte Raumrichtung y zu erfassen, wird das Objektiv 11 mit
dem Spiegel 14 als Scaneinrichtung 21 innerhalb
eines Tubus 22 in der y-Richtung verschoben und das Objekt
wird dadurch mit der Lichtzeile gescannt. Eine Endlage dieser Verschiebung
ist durch die Lage des Spiegels 14.1 und die Lage des Objektivs 11.1 angedeutet.
Dabei durchfahren sowohl der Spiegel 14 als auch das Objektiv 11 oszillierend
einen linearen Verstellbereich 14.2. Die Lichtstrahlen
werden also an einer in y-Richtung verschobenen Position durch den
bewegten Spiegel 14 umgelenkt. Das Lichtbündel 15.2 skizziert
die Umlenkung der Lichtstrahlen durch den Spiegel 14 in
der rechten Endlage 14.1. Das benachbarte Lichtbündel 15.3 stellt
die Abbildung in Form einer Lichtzeile in der x-Richtung dar.
-
Der
Spiegel 14 und das Objektiv 11 sind Teile einer
Scaneinrichtung 21, die innerhalb des Tubus 22 mittels
Führungsmitteln linear bewegbar angebracht ist.
-
Dieser
Scanvorgang sollte mit möglichst hoher Wiederholfrequenz,
durchgeführt werden, um eine rasche Bildfolge zu erhalten.
Die hohe Wiederholfrequenz setzt folglich eine hohe Scangeschwindigkeit
voraus, mit der die Scaneinrichtung bewegt wird.
-
Das
beschriebene berührungslose Messverfahren für
einen Weg oder Abstand mittels Abbildung eines Lichtpunktes bzw.
einer kleinen Kreisfläche mit polychromatischem Licht durch
ein stark dispersives Objektiv und Auswertung des empfangenen Lichtspektrums
liegt dieser Erfindung zu Grunde. Dieses Messverfahren wird bei
der vorliegenden Erfindung für die dreidimensionale Vermessung
von dentalen Messobjekten verwendet.
-
Das
auf den Bildsensor 20 abgebildete Spektralbild kann mit
einem Programm zur Bildanalyse, z. B. in einer Elektronik 23 oder
mit einem PC 24, bearbeitet und eine Linie maximaler Lichtintensität 30 nach 2 berechnet
werden. Hierbei können auch das Emissionsspektrum der Lichtquelle,
das typische spektrale Streuverhalten eines Objektes, das Extinktionsverhalten
der Übertragungswege und die spektrale Empfindlichkeit
des Bildsensors zur Korrektur einbezogen werden.
-
Es
ist vorgesehen, die Kamera mit einem farblich und geometrisch definierten
Objekt regelmäßig automatisch zu kalibrieren.
-
2 zeigt
die Linie 30 des relativen spektralen Maximums als einen
Querschnitt durch das Objekt für einen festen Wert in der
Raumrichtung y. Die Bezeichnungen „blau" und „rot"
sollen deutlich machen, dass in dieser Raumrichtung z ein Spektrum der
Wellenlänge nach entfaltet ist. Bei der Lichtstreuung eines
Gitters ist die Ablenkung im Vergleich zur optischen Lichtbrechung
umgekehrt abhängig von der Wellenlänge.
-
3 zeigt
das Zusammenfügen solcher Querschnitte, die beim Scanvorgang
in die Raumrichtung y jeweils Momentaufnahmen sind, zu einem Volumenmodell
des Objektes.
-
Die
Bildqualität lässt sich mit einer pulsierenden
Beleuchtung verbessern, indem eine Hochdruck-Gasentladungslampe
pro Belichtung für z. B. 50 bis 150 Mikrosekunden durch
Erhöhung von Spannung und/oder Strom an ihre Kurzzeit-Belastungsgrenze
gebracht wird und danach entlastet oder abgeschaltet ist bis zur
nächsten Belichtung. Hierdurch steigt die nutzbare Exposition,
die Bilder werden infolge der gekürzten Belichtungszeit
schärfer und der Bildsensor wird während der Auslesephase weniger
belichtet oder bleibt ganz dunkel, was bei allen Bildsensoren ein
Vorteil ist.
-
Auch
eine Stroboskop-Röhre ist zu diesem Zweck geeignet.
-
Ein
Verstellbereich von 17 mm bei einem Lichtleiterkerndurchmesser von
50 Mikrometer ergibt bis zu 230 Einzelaufnahmen innerhalb einer
Zeitdauer des Scans von z. B. 80 Millisekunden. Bei einem zulässigen
Verzug (Verwischen) von 25 Mikrometer oder dem halben Lichtleiterdurchmesser
innerhalb eines Bildes verbliebe eine Belichtungszeit von 117 Mikrosekunden.
-
Ideal
wäre daher eine Blitzzeit von 50 bis 150 Mikrosekunden
Dauer und einer Pause von 150 bis 300 Mikrosekunden.
-
Während
dieser Pause kann die Lampe entweder ausgeschaltet werden oder mit
verringerter Leistung weiterbrennen, wenn ihre Technologie und Eigenschaften
dies erfordern.
-
Der
beschriebene Scanvorgang birgt noch die Schwierigkeit, dass der
Abstand zwischen den Lichtleiterendflächen 10 und
der optischen Einheit 21 bei dem Scanvorgang sich verändert,
wodurch sich Bildlage und Bildgröße im Messraum 12 verändern.
-
Dies
kann durch eine Zwischenabbildung nach 4 verhindert
werden. In der Seitenansicht aus 4 stehen
die Lichtleiter 10 als Lichtzeile senkrecht zur Zeichenebene.
Ein Spiegel 40 lenkt das Licht in ein Objektiv 41,
dieses bildet die Lichtleiterflächen 10 parallel
ins Unendliche ab, 10 steht also in der Brennebene von 41.
Die Ausgangsbündel 42 sind parallel. Ein zweiter
Spiegel 43 lenkt das Licht in ein weiteres Objektiv 11.
Dessen Linsengruppe 44 bildet die Parallelbündel
wieder als reelles Zwischenbild 45 an einem festen Ort,
der Brennebene der Linsengruppe 44 ab.
-
Die
zweite Linsengruppe 49 des bereits genannten Objektivs 11 bildet
nun das Zwischenbild 45 in der bereits beschriebenen Weise
nach Umlenkung durch einen Spiegel oder ein Spiegelprisma 14 auf das
zu messende Objekt 13 ab.
-
Da
der Abstand 46 variabel sein darf, kann eine Scaneinrichtung 21,
bestehend aus 44, 45, 49, 14 mittels
einer Kuppelstelle 47 für den Scanvorgang verschoben
werden, während die Teile 10, 40 41, 43 feststehen.
-
Infolge
der zweifachen Lichtumlenkung mit 40, 43 kann
ein Scanantrieb 48 an einer gut geeigneten Position außerhalb
der Lichtwege aufgebaut sein.
-
Die
Objektive bzw. Linsengruppen 41, 44, 49 brauchen
nur für eine feste Bildlage korrigiert zu sein, jedoch
benötigt 44 eine große Öffnung
zur Vermeidung von Vignettierung bei einer Verschiebung nach links.
Eine Vignettierung bezeichnet eine unbeabsichtigte Abschattung zum
Bildrand hin. Die beim Scanvorgang bewegte Masse, das ist die Scaneinrichtung 21,
kann hierdurch relativ groß werden.
-
Vorteilhafter
ist es, die Austrittsflächen 10 der Lichtleiter 9 in
einer festen Position zu dem Objektiv 11 zu halten und
bei dem Scanvorgang mitzuführen, wobei die flexiblen Lichtleiter
Biegeschwingungen ausführen, wie im folgenden dargestellt
ist.
-
5 zeigt
einen Seitenriss einer erfindungsgemäßen Dentalkamera 1 mit
einem Gehäuse 50 und einem schlanken Tubus 22,
der in die Mundhöhle einführbar ist. Dieser Tubus
kann beispielsweise 7 bis 10 mm hoch und 18 bis 20 mm breit ausgeführt
sein und ist damit nur ein drittel bis halb so hoch wie nach dem
Stande der Technik. Die 5 entspricht etwa 1.5-facher
natürlicher Größe. Diese geringen Abmessungen
sind für Arzt und Patient gleichermaßen von großem
Vorteil.
-
In
dem Tubus ist eine Scaneinrichtung 21 in nicht dargestellten
Gleitführungen beweglich.
-
Diese
Scaneinrichtung besteht aus einem Winkelspiegel oder Winkelprisma 14,
einem bereits beschriebenen Objektiv 11, einem zweiten
Spiegel oder Winkelprisma 43, einer optischen Anschlussstelle 51 für
ein Lichtleiterband 9 mit dessen Endflächen 10 und
einer mechanischen Kupplung 47 zum Anschluss an einen Scanantrieb.
-
In
dem Tubus 22 befindet sich ein Fenster 52. Das
Lichtleiterband 9 kann aus einem Lichtleiter Übergang 53 austreten
und verläuft in einem vorgeformten Bogen zu der Anschlussstelle 51.
Während des Scanvorgangs nehmen die Scaneinrichtung 21 und
das Lichtleiterband eine Endstellung ein, die gestrichelt gezeichnet
und mit 21.1 bezeichnet ist.
-
Der
Scanantrieb besteht aus einem Elektromotor 54, der direkt
oder mittels eines Untersetzungsgetriebes 55 ein Zahnritzel 56 in
wechselnder Richtung antreiben kann. In das Zahnritzel greifen zwei
Zahnstangen 57 und 58 ein. Sie sind mit den Verzahnungen
zueinander weisend angeordnet und bewegen sich daher stets entgegengesetzt.
-
Die
erste Zahnstange 57 ist mittels eines Pleuels 59 zum
Ausgleich geringer Fluchtungsfehler an die Scaneinrichtung 21 mit
der mechanischen Kupplung 47 angelenkt.
-
Die
zweite Zahnstange 58 kann eine Ausgleichsmasse 60 antreiben
und/oder führen; sie ist mit Stiften 61 an der
Zahnstange fixiert.
-
Die
Scaneinrichtung 21 und die Ausgleichsmasse 60 bewegen
sich stets gegenläufig und mit exakt gleicher Geschwindigkeit.
Die Ausgleichsmasse 60 kann so dimensioniert werden, dass
alle linear bewegten Teile zusammen eine resultierende Schwerpunktsverschiebung
von Null ergeben. Dieser Ausgleich ist in idealer Weise dann erfüllt,
wenn die Schwerpunkte der gegenläufigen Massen zudem auf einer
gemeinsamen Wirklinie laufen, z. B. auf der optischen Achse 11.2,
da in diesem Fall weder Massenkräfte noch Massenmomente
entstehen können.
-
Der
Antriebsmotormotor 54 erzeugt bei jeder Richtungsumkehr
ein Drehmoment und damit ein Reaktionsmoment an dem Kameragehäuse 50.
Dieses Moment ergibt sich aus dem Trägheitsmoment aller rotierenden
Teile von Motor und Getriebe sowie einem auf die Motorwelle bezogenen äquivalenten Trägheitsmoment
aller linear angetriebenen Teile.
-
In
der Summe ergibt sich ein wechselndes Drehmoment am Kameragehäuse 50,
das ebenfalls zum Verwackeln vom Messungen führen kann.
-
Um
dieses zu kompensieren, kann eine im Gegensinn drehende Kompensationsmasse 62,
z. B. mittels Umkehrgetriebe 63 mit dem Motor 54 verbunden
sein.
-
Verbleibende
Restfehler der Kompensation wirken sich am geringsten aus, wenn
die Motorwelle in Richtung eines großen Trägheitsmomentes
der gesamten Kamera zeigt, z. B. wie in dieser 5,
nicht dagegen etwa in Richtung der Tubusachse.
-
In
der Linearführung 64 der Zahnstangen 57, 58 kann
eine Positionserkennung 65 eingebaut sein, die mindestens
zwei Positionsmarkierungen 65.1 und 65.2 für
die Umkehrpunkte der Scanbewegung erfassen kann. Ausgehend von diesen
Positionsmarkierungen kann die Lage der Einzelbilder bei Kenntnis
der Scangeschwindigkeit bestimmt werden. Zwischen den Positionsmarkierungen
können weitere Wegmarkierungen 65.3 angebracht
sein, die eine genauere Verknüpfung der Einzel bilder (Querschnitte nach 3)
mit der y-Koordinate ermöglichen.
-
Diese
weiteren Wegmarkierungen 65.3 können als optisches
Linienraster mit einer Leseeinheit 66 oder auch mit einem
anderen analogen oder digitalen System bekannter Bauart arbeiten.
-
Das
Lichtleiterband 9 ist entweder zum Basisteil 3 einteilig
durchgeschleift und in einem Lichtleiter Übergang 53 von
der flachen in eine runde Form (Lichtleiterbündel 4)
umsortiert, oder 53 ist eine lösbare elektrisch/optische
Verbindung mit einem Gegenstück 53.1.
-
Auf
Leiterplatten 67 können elektronische und andere
Hilfskomponenten untergebracht sein.
-
6 zeigt
eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kamera
aus 5.
-
Die
optischen Teile 10, 11, 14 sind von quaderförmigem
Querschnitt, da lediglich ein Lichtband von etwa 50 Mikrometer Höhe
und 14 mm Breite abzubilden ist. Die numerische Apertur beträgt
etwa 0.1 bis 0.25. Daher können die Linsen bei einer durch das
Messfeld gegebenen Breite eine recht geringe Höhe aufweisen,
wodurch die bewegten Massen klein bleiben.
-
Um
eine vollständige Kompensation aller freien Kräfte
und Momente zu ermöglichen, sind die Schwerpunkte aller
beweglichen Massen oder von Gruppen von Massen auf eine gemeinsame
Wirklinie gelegt.
-
So
liegt der gemeinsame Schwerpunkt 70 aller Teile der einen
Bewegungsrichtung, die Scaneinrichtung 21, das Pleuel 59,
die Zahnstange 57, die Positionsmesseinrichtung 65 ein
Anteil des Lichtleiterbandes 9, und der gemeinsame Schwerpunkt 71 aller
in die entgegengesetzte Richtung bewegten Teile, nämlich
der Zahnstange 58 und der Ausgleichsmasse 60,
mit großer Näherung z. B auf der gemeinsamen optische
Achse 11.2.
-
Jedoch
darf nicht übersehen werden, dass die linear bewegten Massen
an dem Zahnritzel 56 zusätzlich ein äquivalentes
Trägheitsmoment erzeugen, das durch eine entgegendrehende
Masse kompensiert werden kann.
-
Dieses
Trägheitsmoment X berechnet sich aus der Formel: X = (m*d2)/(4*ü2)
-
Hierin
ist m die gesamte linear bewegte Masse, d ist der effektive Durchmesser
des Ritzels, ü ist die Übersetzung des Getriebes 55.
-
Insgesamt
sind drei träge Komponenten in den Massenausgleich einzubeziehen:
Die
linear bewegte Masse ist durch eine entgegengesetzt bewegte gleich
große Masse kompensierbar.
-
Die
Summe dieser Massen erzeugt ein äquivalentes Trägheitsmoment
an der Motorwelle und ist durch ein gegenläufiges gleich
großes Trägheitsmoment kompensierbar.
-
Das
Trägheitsmoment des Motors und Getriebes ist durch ein
gegenläufiges gleich großes Trägheitsmoment
kompensierbar.
-
Das
Zahnritzel 56 ist an einer Antriebswelle 72 des
Elektromotors 54 angebracht, und greift sowohl in die Zahnstange 57 für
die Scaneinrichtung 21 als auch in die Zahnstange 58 für
die Ausgleichsmasse 60.
-
6.1 zeigt ein Lichtleiterband 9 mit einer vorgeformten
Schleife 9.1 und einem Anschlussstück 51,
das kraft- und/oder formschlüssig mit der Scaneinrichtung 21 verbunden
ist. Die Endflächen 10 der Lichtleiter bleiben
in einer festen Position gegenüber dem Objektiv 11 während
des Scans.
-
Das
Lichtleiterband kann mit einer schwingungsdämpfenden Beschichtung 68 versehen
sein. Geeignet hierfür ist z. B. eine Folie mit einer dauerelastischen
Klebeschicht. In einem Anschlussstück 53 kann
das Lichtleiterband zu einem robusteren runden Lichtleiterbündel 4 umsortiert
oder mittels einer optisch/elektrischen Steckverbindung weitergeführt sein,
die auch elektrische Verbindungen 5 enthält.
-
7 gibt
ein Ausführungsbeispiel für einen Scanantrieb
mit Kompensation aller störenden Trägheitsmomente.
-
Bei
dem Scanvorgang werden Massen auf eine gewünschte Geschwindigkeit
beschleunigt, am Ende des Verstellbereiches (y) abgebremst und in
die Gegenrichtung beschleunigt.
-
Bei
einer überwiegend zeitlinearen Scanbewegung und einer gewünschten
Scanfrequenz von 10 Bildern pro Sekunde verbleiben bei einem trapezförmigen
Verlauf der Scanbewegung nur 10 bis 20 Millisekunden für
das Bremsen bzw. Beschleunigen an den Umkehrpunkten. Dieser Wert
liegt an der Grenze der erreichbaren Eigenbeschleunigung bei Kleinmotoren.
-
Falls
zusätzlich zur bewegten Scaneinrichtung 21 die
oben genannten Ausgleichsmassen periodisch angetrieben werden müssen,
könnte der Antriebsmotor über eine zulässige
Belastungsgrenze gelangen.
-
Dies
ist dadurch zu verstehen, dass die Beschleunigung von Massen Kräfte
und/oder Momente erfordert, welche Vektoren sind und sich deshalb
zueinander aufheben können. Die aufgewendete Energie (kinetische
Energie) ist ein Skalar und addiert sich mit jeder weiteren Masse
unabhängig von deren Bewegungsrichtung.
-
Die
Kompensation periodisch bewegter Massen fordert also weitere Antriebsenergie
bzw. Antriebsleistung.
-
7 zeigt
eine Lösung dieser Schwierigkeit durch teilweises Trennen
der Funktionen Antrieb und Kompensation. Der Antriebsmotor 54 mit
einem Getriebe 55 treibt ein Zahnritzel 56 und
dieses einerseits die erste Zahnstange 57 für
die Scaneinrichtung und andererseits die zweite Zahnstange 58 für
die Ausgleichsmasse.
-
Der
Antriebsmotor 54 treibt also die linear bewegten Massen
und sein eigenes Trägheitsmoment, das in Form eines Rotors 80 verkörpert
sein kann.
-
Ein
Kompensationsmotor 81 treibt einmal sein eigenes Trägheitsmoment
(Rotor 80.1), das die entsprechende Grösse des
Antriebsmotors 54 aufheben kann sowie eine Kompensationsmasse 62 auf
einer Antriebswelle 82 zum Ausgleich des oben erwähnten äquivalenten
Trägheitsmomentes der linear beweglichen Massen.
-
Die
genannten Motoren müssen in entgegengesetztem Drehsinn
laufen.
-
Dies
kann durch mechanische Kopplung mittels eines Umkehrgetriebes oder
vorteilhafterweise durch eine rein elektronische Kopplung erreicht
werden.
-
Der
Antriebamotor 54 ist hierdurch entlastet, da er im wesentlichen
nur die funktionsbedingten Massen antreibt, jedoch nicht alle notwendigen
Ausgleichsmassen zur Vermeidung von Vibrationen der Kamera.
-
Die
Antriebswelle 82 des Kompensationsmotors 81 wird
mit der Antriebswelle 72 des Antriebsmotors 54 durch
eine zylindrische Halterung 83 zur Kongruenz gebracht.
Der Kompensationsmotor 81 ist umgepolt angeschlossen, so
dass er stets in entgegengesetzter Drehrichtung zum Antriebsmotor 54 läuft.
-
Durch
diese Trennung der Antriebsfunktionen halbiert sich die elektrische
Belastung des Antriebs bzw. verdoppelt sich die Beschleunigung unter sonst
gleichen Bedingungen.
-
Die
folgende Abschätzung belegt diese vorteilhafte Wirkung:
Zunächst
die Betrachtung mit nur einem Antriebsmotor 54.
-
Der
Scan soll einen Bereich von 17 mm mit einer Frequenz von 5 Hz überstreichen
und an den Umkehrpunkten maximal 20 ms Beschleunigungszeit benötigen.
-
Die
Scaneinrichtung habe die Masse 20 g. Die Kompensationsmasse 60 inclusive
Zahnstange 58 ist dann auch 20 g.
-
Mit
einem effektiven Durchmesser des Ritzels von 4.2 mm und einer Getriebeuntersetzung
von ü = 6 erscheint diese Masse an der Motorwelle als ein äquivalentes
Trägheitsmoment von 4.9*10**-9 m2 kg.
-
Der
Antriebsmotor, z. B. Faulhaber 1512 006 SR mit Getriebe ü =
6 gleichlaufend hat das Trägheitsmoment 8*10**-9 m2 kg.
-
Der
Motor muss daher die Summe von 12.9*10**-9 m2 kg
und nochmals 12.9*10**-9 m2 kg zur Kompensation
in z. B. 20 ms von –600 auf +600 rad/s beschleunigen.
-
Hierzu
ist ein Drehmoment von 1.54 mNm erforderlich, das diesen Motor 5.2-fach überlasten
würde.
-
Die
Anordnung nach 7 reduziert die Belastung auf
die Hälfte, da das kompensierende Trägheitsmoment
von einem anderen Antrieb 81 übernommen wird.
Der gleichartige Kompensationsmotor 81, z. B. Faulhaber
1506 006 SR besitzt ein Eigenträgheitsmoment von 8*10**-9
m2 kg und trägt eine Kompensationsmasse 62 von
4.9*10**-9 m2 kg auf der Antriebswelle 82.
-
8 zeigt
eine Abwandlung der Dentalkamera mit reduziertem Raumbedarf des
Antriebes der Scaneinrichtung in Längsrichtung der Kamera,
indem ein zweistufiges Zahnritzel 56 eingesetzt ist, das
den Weg der zweiten Zahnstange 58 und der angekoppelten
Ausgleichsmasse 60 proportional verkürzt. Die
Ausgleichsmasse 60 ist dann umgekehrt proportional zu diesem
Weg vergrößert, so dass die Summe der Impulse
wieder zu Null wird.
-
Insbesondere
bei Ausführungen mit einem langen Verstellweg kann die
Verkürzung der Gleitbahnen, z. B. auf 70%, bedeutend sein.
-
Die
erste Zahnstange 57 greift dabei in eine erste Stufe 56.1 und
die zweite Zahnstange 58 greift in die zweite Stufe 56.2.
Die beiden Stufen 56.1 und 56.2 des Zahnritzels 56 weisen
verschiedene wirksame Durchmesser und/oder Zähnezahlen
auf. Darüber hinaus können die beiden Stufen verschiedene Module
(durchmesserbezogene Zahnteilungen) mit verschiedenen Abständen
zwischen den einzelnen Zähnen aufweisen, wobei die Zahnstangen 57 und 58 dazu
passende Zahnform aufweisen.
-
In 9 ist
eine Steuerungseinheit 90 in der Form einer elektronischen
Schaltung zur Steuerung des Antriebsmotors 54 und des Kompensationsmotors 81 wie
oben erläutert dargestellt. Der Antrieb kann mit jeder
Art von Elektromotoren, die mit einer definierten Geschwindigkeit
laufen können, wie z. B. Synchronmotoren, ausgeführt
sein. Hier ist eine Ausführung für Gleichstrom-Nebenschlussmotoren,
vorzugsweise mit Permanentmagneten dargestellt.
-
Eine
Leseeinheit 66, z. B. eine Doppellichtschranke kann zwei
Positionsmarkierungen 65.1, 65.2 an den Rändern
des Verstellbereiches 91 als Absolutmarken erkennen.
-
Eine
Elektronik 92 enthält im wesentlichen einen Signalgenerator
(z. B. ein Flip-Flop) sowie einen Controller für das Zusammenspiel
mit dem Teil 3 zur Bildauswertung. Der Signalgenerator
bildet aus den Randsignalen eine Führungsspannung 93,
die eine momentane Geschwindigkeit des Scans vorgibt, z. B. in Form
eines Rechtecks oder Trapezes. Diese Spannung hat eine Amplitude 93.1,
eine steigende und fallende Flanke 93.2 bzw. 93.3 mit
einer Anstiegszeit 93.4 und einer Dauer 91, die
sich aus Verstellbereich und Scangeschwindigkeit ergibt. Beim Eintreffen
eines Randsignales wird diese Führungsspannung umgekehrt,
so dass die Scaneinrichtung zwischen den Positionsmarkierungen mit
vorgegebener Geschwindigkeit hin- und herläuft. Der Controller bildet
Synchronsignale 94 für die Bildaufnahme und/oder
die Steuerung der Lichtquelle und die Koordinatenzuweisung in Richtung
y.
-
Die
Spannung 93 liegt am Antriebsmotor 54 an und führt
zu einer Scanbewegung mit einer nach Betrag und Richtung gewünschten
Scangeschwindigkeit. An den Potentiometern 95, 96 kann
die gewünschte Geschwindigkeit (= Spannung) eingestellt und
einer Schaltung zugeführt werden, die eine negative Quellimpedanz
für die Last, einen Motor 54 bzw. 81 darstellt.
Diese negative Impedanz kommt durch eine positive Stromrückkopplung
von den Nebenwiderständen 97 bzw. 98 zu
den Verstärkern 99 bzw. 100 zu Stande.
Diese Schaltung ist als „Negativ-Impedanz-Konverter" an
sich bekannt.
-
Die
negative Impedanz kann den Wicklungswiderstand der Motoren zu einem
großen Teil kompensieren, so dass die Motoren nahezu ideales
Nebenschlussverhalten zeigen: die Drehzahl ist nahezu unabhängig
von der Belastung proportional zu der eingespeisten Spannung.
-
Deshalb
kann ausgehend von den beiden Positionsmarkierungen 65.1, 65.2 die
Position des Scans aus der Zeit bestimmt werden. Nur bei sehr hohen
Anforderungen an die Positionsbestimmung können Wegmarkierungen 65.3 an
Inkrementalpositionen dazwischen zusätzlich ausgewertet
werden.
-
Mittels
der Potentiometer 101, 102 ist der negative Innenwiderstand
so einstellbar, dass auch bei tiefen Temperaturen ein eben noch
positiver Summenwiderstand verbleibt.
-
Der
Kompensationsmotor 81 ist für inverse Drehrichtung
angeschlossen und kann das Reaktionsmoment des Antriebsmotors 54 kompensieren, wenn
beide Antriebe gleiche Trägheitsmomente (z. B. durch Drehmasse 80)
und/oder eine Kompensationsmasse 62 verkörpern
und wie oben begründet gegensynchron laufen.
-
Eventuelle
Toleranzen der Trägheitsmomente können elektronisch
mittels Potentiometer 96 ausgeglichen werden, indem die
Werte „Trägheitsmoment mal Winkelgeschwindigkeit"
auf Gleichheit gebracht werden.
-
Eine
zeitlineare Scanbewegung hat den Vorteil konstanter Aufnahmebedingungen über
das gesamte Bildfeld hinweg; es entsteht durch eine Rechteckspannung 93.
An den Umkehrpunkten arbeiten dann beide Motoren in der Strombegrenzung,
die durch die Betriebsspannung und die Wicklungswiderstände
der Motoren gegeben ist und liefern das durch diesen Strom gegebene
maximale Drehmoment.
-
Im
Vergleich zu den üblicherweise eingesetzten Lagereglern
mit unterlagerter Geschwindigkeits- und Stromregelung ist diese
Schaltung äußerst einfach und umgeht die Schwierigkeiten
einer Reglereinstellung und Regleroptimierung.
-
- 1
- Dentalkamera
- 2
- Aufnahmeteil
- 2.1
- Gehäuse
Aufnahmeteil
- 3
- Basisteil
zur Bildauswertung
- 4
- Lichtleiterbündel
- 4.1
- Erste
mechanische Halterung
- 4.2
- Zweite
mechanische Halterung
- 5
- Elektrische
Leitungen
- 6
- Lichtquelle
- 6.1
- Lichtstrahlen
- 7
- Fokussiermittel
(Ellipsoidspiegel)
- 8
- Strahlteiler
(halbdurchlässiger Spiegel)
- 9
- Lichtleiterband
- 9.1
- Vorgeformte
Schleife desselben
- 10
- Lichtleiterendflächen
- 11
- Objektiv
mit Farbfehler
- 11.1
- rechte
Endstellung dessselben
- 11.2
- optische
Achse
- 12
- Objekt-
und Messraum
- 13
- Objekt
- 14
- Spiegelprisma
oder Spiegel
- 14.1
- Rechte
Endstellung desselben
- 14.2
- Linearer
Verstellbereich
- 15
- Chromatisches
Lichtbündel
- 15.1
- Zweites
chromatisches Lichtbündel
- 15.2
- Chromatisches
Lichtbündel rechte Endstellung
- 15.3
- Zweites
chrom. Lichtbündel rechte Endstellung
- 16
- Kollimator
- 17
- Prisma
oder Gitter
- 18
- Objektiv
Spektralapparat
- 19
- Farbige
Streifen
- 20
- Bildsensor
- 21
- Scaneinrichtung
- 22
- Tubus
- 23
- Elektronik
- 24
- Personal
Computer (PC)
- 30
- Linien
maximaler Lichtintensität
- 40
- Spiegel
- 41
- Zweites
Objektiv
- 42
- Parallele
Lichtbündel
- 43
- Zweiter
Spiegel
- 44
- Linsengruppe
- 45
- Zwischenbild
- 46
- Variabler
Abstand
- 47
- Kuppelstelle
- 48
- Scanantrieb
- 49
- Zweite
Linsengruppe
- 50
- Gehäuse
- 51
- Optisch-mechanische
Anschlussstelle
- 52
- Fenster
- 53
- Lichtleiter Übergang
oder lösbare Verbindung
- 53.1
- Gegenstück
derselben
- 54
- Antriebsmotor
- 55
- Untersetzungsgetriebe
- 56
- Zahnritzel
- 56.1
- erste
Stufe Zahnritzel
- 56.2
- zweite
Stufe Zahnritzel
- 57
- erste
Zahnstange
- 58
- Zweite
Zahnstange
- 59
- Pleuel
- 60
- Ausgleichsmasse
- 61
- Stift
- 62
- Drehende
Kompensationsmasse
- 63
- Umkehrgetriebe
- 64
- Linearführung
- 65
- Markierungen
- 65.1
- Randmarkierung
- 65.2
- Zweite
Randmarkierung
- 65.3
- Weitere
Wegmarkierungen
- 66
- Leseeinheit
- 67
- Leiterplatte
- 68
- Schwingungsdämpfende
Beschichtung
- 70
- Schwerpunkt
- 71
- Zweiter
Schwerpunkt
- 72
- Antriebswelle
des Antriebsmotors
- 80
- Rotor
Antriebsmotor
- 80.1
- Rotor
Kompensationsmotor
- 81
- Kompensationsmotor
- 82
- Antriebswelle
des Kompensationsmotors
- 83
- Halterung
- 90
- Steuerungseinheit
- 91
- Periodendauer
- 92
- Elektronik
- 93
- Führungsspannung
- 93.1
- Amplitude
- 93.2
- Ansteigende
Flanke
- 93.3
- Fallende
Flanke
- 93.4
- Anstiegszeit/Abfallzeit
- 94
- Synchronsignale
- 95
- Potentiometer
Antrieb
- 96
- Potentiometer
Kompensation
- 97
- Nebenwiderstand
Antrieb
- 98
- Nebenwiderstand
Kompensation
- 99
- Operationsverstärker
Antrieb
- 100
- Operationsverstärker
Kompensation
- 101
- Potentiometer
negativer Widerstand
- 102
- Zweites
Potentiometer negativer Widerstand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2004/061389
A1 [0012]
- - WO 2004/085956 A2 [0017, 0022]