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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen
3D-Vermessung und zur Farbmessung.
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Stand der Technik
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Aus
dem Stand der Technik sind mehrere Vorrichtungen zur optischen 3D-Vermessung
bekannt. Die Vorrichtungen basieren oft auf optischen Messmethoden,
wie der chromatischen konfokalen Messmethode oder der Triangulation-Messmethode.
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Darüber hinaus
sind weitere Vorrichtungen zur Farbmessung aus dem Stand der Technik
bekannt. Bei der Farbmessung wird das Messobjekt mit einem in seinem
Spektrum tageslichtähnlichem Lichtstrahl
bestrahlt und der zurückgestrahlte
Lichtstrahl mittels eines Farbsensors, wie einer CCD-Kamera oder
eines Spektrometers, aufgenommen und auf sein Spektrum hin analysiert.
Aus diesem Spektrum kann dann der Farbton des Messobjekts bestimmt
werden. In der Zahnmedizin wird die Farbmessung verwendet, um Zahnersatzteile
farblich an natürliche
Nachbarzähne
anzupassen.
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Ein
Nachteil solcher Vorrichtungen ist, dass sie entweder nur zur 3D-Vermessung
oder nur zur Farbmessung geeignet sind. Insbesondere in der Zahnmedizin
sind sowohl die Informationen aus der 3D-Vermessung als auch aus
der Farbmessung zur Planung eines Zahnersatzteils erforderlich.
Deshalb werden diese Informationen aufwendig unabhängig voneinander
einerseits mittels bekannter 3D-Vemessungsvorrichtungen
und andererseits mittels bekannter Farbmessungsvorrichtungen gewonnen.
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Die
Aufgabe dieser Erfindung besteht demnach darin, eine Vorrichtung
bereitzustellen, die auf eine einfache Art und Weise sowohl eine
3D-Vermessung als auch eine Farbmessung eines Messobjekts ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst
eine Vorrichtung zur optischen 3D-Vermessung ein Objektiv, wobei die Vorrichtung
zwischen einem ersten Modus für
die optische 3D-Vermessung mittels der chromatischen konfokalen
Messmethode, der Triangulation-Messmethode
oder einer anderen Messmethode und einem zweiten Modus für die Farbmessung
verstellbar ist, indem mittels des Objektivs im ersten Modus ein breitbandiger
Beleuchtungsstrahl auf eine erste Ebene einer Messobjektsoberfläche fokussierbar
ist und im zweiten Modus der breitbandige Beleuchtungsstrahl mittels
des Objektivs auf eine zweite Ebene außerhalb der ersten Ebene in
einem Abstand d von der Messobjektsoberfläche fokussierbar ist.
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Bei
der 3D-Vermessung können
die Oberflächeninformationen
eines Messobjekts unter Verwendung unterschiedlicher Messmethoden,
wie der chromatischen konfokalen Messmethode oder der Triangulation-Messmethode,
erfasst werden. Ein breitbandiger Beleuchtungsstrahl wird dabei
auf das Messobjekt gelenkt und das zurückgestrahlte Licht in Form eines
Beobachtungsstrahls wird anschließend analysiert.
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Bei
der chromatisch konfokalen Meßmethode
wird ein polychromatischer Beleuchtungsstrahl auf die Oberfläche eines
Messobjekt fokussiert. Der Brechungswinkel bei Lichtbrechung ist
abhängig
von der Wellenlänge
des gebrochenen Lichts, so dass kurzwelliges Licht auf einen zum
Objektiv näheren Fokuspunkt
und langwelliges Licht auf einem vom Ob jektiv fernen Fokuspunkt
fokussiert wird. Ein schmaler Spektralbereich des Beleuchtungsstrahls wird
genau auf die erste Ebene der Messobjektsoberfläche fokussiert, wobei die übrigen Spektralbereiche nur
unscharf auf dem Messobjekt abgebildet werden und Unschärfekreise
bilden. Der zurückgestrahlte Beleuchtungsstrahl
bildet einen Beobachtungsstrahl, der von einem Strahlteiler in Richtung
des Farbsensors umgelenkt wird. Eine zwischen dem Strahlteiler und
dem Farbsensor konfokal angeordneten Blende führt dazu, dass der auf das
Messobjekt fokussierte Spektralbereich des Beobachtungsstrahls die
Blende durchstrahlt, wobei die übrigen
auf der Messobjektsoberfläche
unscharf abgebildeten Spektralbereiche herausgefiltert werden. Die
Wellenlänge
des fokussierten Spektralbereichs kann mittels einer Spektralanalyse
bestimmt werden und daraus die absolute Position des Messobjekts
in Richtung des Beleuchtungsstrahls abgeleitet werden.
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Bei
der Triangulation-Messmethode wird der Beleuchtungsstrahl auf das
Messobjekt projiziert. Der zurückgestrahlte
Beobachtungsstrahl wird dann mittels eines Bildsensors, wie beispielsweise
einer CCD-Kamera, detektiert. Aus der Lage und Richtung des Beleuchtungsstrahls
und des Beobachtungsstrahls kann unter Verwendung trigonometrischer Rechenmethoden
der Abstand zum Messobjekt bestimmt werden. Bei dieser Messmethode
wird der Beobachtungsstrahl ungefiltert vom Farbsensor detektiert,
so dass keine konfokal angeordnete Blende verwendet wird.
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Die
Weißlichtinterferometrie-Messmethode nutzt
die Interferenz eines breitbandigen Lichts, wie beispielsweise des
Weißlicht.
Diese Messmethode vergleicht die Laufzeit des vom Messobjekt zurückgestrahlten
Beobachtungsstrahls mittels eines Interferometers, beispielsweise
eines Michelson- Interferometers,
mit der Laufzeit des Beleuchtungsstrahls mit bekannter optischer
Weglänge
als Referenz. Die Interferenz der beiden Lichtstrahlen ergibt ein
Muster, aus dem man die relative optische Weglänge abgeleitet werden kann.
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Bei
der Deflektometrie-Messmethode beobachtet man das Bild eines Lichtmusters,
wie beispielsweise eines Gitters, in Reflexion über die Oberfläche des
Messobjekts. Aus der Deformation des Gitterbildes kann man den lokalen
Gradienten der Oberfläche
bestimmen und daraus die 3D-Informationen des Messobjekts erzeugen.
Dabei kann auch ein breitbandiger Lichtstrahl verwendet werden.
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Bei
den genannten optischen Messmethoden zur 3D-Vermessung tastet der
breitbandige Beobachtungsstrahl innerhalb einer Messfläche das Messobjekt
ab, um die Oberflächeninformationen dieser
Messfläche
zu erzeugen. Der breitbandige Beleuchtungsstrahl weist ein Spektrum
auf, das vorteilhafterweise den sichtbaren Spektralbereich zwischen
400 nm und 800 nm umfasst. Der Beleuchtungsstrahl kann dabei ein
oder mehrere punktförmige
Lichtstrahlen, ein oder mehrere Lichtstreifen oder ein sonstiges
Lichtmuster darstellen.
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Bei
Messmethoden zur Farbmessung wird oft ein polychromatischer Beleuchtungsstrahl
auf das Messobjekt umgeleitet dessen Spektrum dem Tageslichtspektrum ähnlich ist
und der eine Farbtemperatur zwischen 5000 K und 6000 K aufweist.
Der zurückgestrahlte
Beobachtungsstrahl wird anschließend mittels eines Farbsensors,
wie einer CCD-Kamera oder eines Spektrometers, auf seinen Spektralverlauf
hin analysiert. Anhand des aufgenommenen Spektrums kann dann auf
den Farbeindruck für
ein menschliches Auge geschlossen werden und dem Messobjekt ein
Farbton zugeordnet werden.
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Im
ersten Modus wird der Beleuchtungsstrahl so fokussiert, dass zumindest
das Licht einer Wellenlänge
des polychroma tischen Beleuchtungsstrahls seinen Fokuspunkt in der
ersten Ebene der Messobjektsoberfläche hat und somit die Messobjektsoberfläche für diese
Wellenlänge
scharf auf dem Farbsensor abgebildet wird. Die Fokuspunkte für die übrigen Wellenlängen des
polychromatischen Beleuchtungsstrahls liegen entweder oberhalb oder
unterhalb der ersten Ebene der Messobjekts Oberfläche, so
dass das Lichte dieser Wellenlängen
unscharf auf dem Farbsensor abgebildet wird. Im zweiten Modus wird
der Beleuchtungsstrahl auf eine zweite Ebene außerhalb der ersten Ebene der
Messobjektsoberfläche
fokussiert und bildet somit die Oberfläche unscharf ab. Der breitbandige
Beleuchtungsstrahl wird demnach nicht auf einen Punkt, sondern auf
einen ausgedehnten Unschärfekreis
mit einem Durchmesser gebündelt
und zwar sowohl für
den Fall, dass der Fokuspunkt sich vor der ersten Ebene der Messobjektsoberfläche, als
auch für
den Fall, dass der Fokuspunkt sich hinter der ersten Ebene der Messobjektsoberfläche befindet.
Der Beleuchtungsstrahl wird von der Messobjektsoberfläche innerhalb des
Unschärfekreises
als Beobachtungsstrahl zurückgestrahlt
und kann zur Farbbestimmung verwendet werden.
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Die
Brennweite des ersten Objektivs wird im ersten Modus so eingestellt,
dass der Fokuspunkt für eine
Wellenlänge
in der ersten Ebene der Messobjektsoberfläche liegt. Im zweiten Modus
wird die Brennweite so eingestellt, dass der Fokuspunkt für alle Wellenlängen außerhalb
der ersten Ebene der Messobjektsoberfläche liegt. Zur Umschaltung
zwischen dem ersten und dem zweiten Modus muss das optische System
folglich nicht ausgetauscht werden, sondern lediglich in seiner
Brennweite verstellt werden. Die Verstellung der Brennweite erfolgt
oft durch ein Verdrehen eines Verstellmittels des Objektivs, das
eine innere Mechanik des Objek tivs verstellt, um die Brennweite
zu ändern.
Die Verstellung kann motorgesteuert oder auch manuell durch einen
Benutzer erfolgen. Bei der chromatisch konfokalen Messmethode wird
eine konfokale Blende vor dem Farbsensor angebracht, um ausschließlich das
Licht des auf die Messobjektsoberfläche fokussierten Spektralbereichs
durchzulassen. Falls im ersten Modus diese Messmethode verwendet
wird, wird beim Umschalten aus dem ersten Modus in den zweiten Modus
die Blende aus dem Strahlengang des Beobachtungsstrahls geschwenkt,
um den Beobachtungsstrahl vollständig
spektral analysieren zu können.
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Ein
Vorteil ist, dass sowohl die 3D-Vermessung als auch die Farbmessung
mit der erfinderischen Vorrichtung durchgeführt werden kann. Dabei wird
für beide
Modi die selbe Lichtquelle und der selbe Farbsensor verwendet, die
einen breitbandigen Beleuchtungsstrahl aussendet. Insbesondere in
der Zahnmedizin wird somit die 3D-Vermessung und die Farbmessung
von Zähnen
im Rahmen einer Planung von Zahnersatz mit einer einzigen Vorrichtung
ermöglicht.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Kostenbelastung und der Platzbedarf
durch Vereinigung einer Vorrichtung zur Farbmessung und einer Vorrichtung zur
3D-Vermessung in der erfinderischen Vorrichtung mit beiden Modi
verringert wird.
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Vorteilhafterweise
kann eine Blende im ersten Modus bei Verwendung der chromatischen
konfokalen Messmethode konfokal zur Messobjektsoberfläche in den
Strahlengang eines Beobachtungsstrahls hineinschwenkbar sein und
im zweiten Modus aus dem Strahlengang des Beobachtungsstrahls herausschwenkbar
sein.
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Die
Blende kann um eine Achse drehbar gelagert sein, um seitlich zum
Strahlengang geschwenkt zu werden. Im ersten Modus bei Verwendung
der chromatischen konfokalen Messme thode wird die Blende konfokal
angeordnet, um die auf der Messobjektsoberfläche unscharf abgebildeten Spektralbereiche
herauszufiltern. Bei der Triangulation-Messmethode wird keine konfokal
angeordnete Blende verwendet. Im zweiten Modus zur Farbmessung wird
die Blende aus dem Strahlengang herausgeschwenkt, um das volle Spektrum
des Beobachtungsstrahls mittels des Farbsensors aufzunehmen.
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Vorteilhafterweise
kann der Beleuchtungsstrahl zumindest innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs
zwischen 400 nm und 700 nm ein Spektrum aufweisen, das dem Tageslichtspektrum ähnlich ist.
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Ein
solcher Beleuchtungsstrahl weist folglich den optischen Eindruck
vom Tageslicht auf.
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Dadurch
wird die Farbmessung im zweiten Modus mit einem Beleuchtungsstrahl
durchgeführt, der
die Beleuchtung des Messobjekts bei Tageslicht simuliert. Bei der
Farbmessung wird also dar vom Messobjekt zurückgestrahlte Beobachtungsstrahl analysiert
und dessen Farbton bestimmt, der einem optischen Eindruck des Messobjekts
bei Tageslicht entspricht. Im ersten Modus zur 3D-Vermessung und im
zweiten Modus kann die selbe Lichtquelle mit tageslichtähnlichem
Spektrum bei einer Farbtemperatur zwischen 5000 und 6000 K verwendet
werden.
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Vorteilhafterweise
kann mittels einer umschaltbaren Lichtquelle im ersten Modus ein
Beleuchtungsstrahl mit einem breitbandigen Spektrum und im zweiten
Modus ein Beleuchtungsstrahl mit einem tageslichtähnlichem
Spektrum erzeugbar sein.
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Bei
einer umschaltbaren Lichtquelle kann im ersten Modus eine weiße Lichtquelle
mit einem breiten Spektrum und im zweiten Modus eine andere Lichtquelle
mit einem tageslicht ähnlichem
Spektrum verwendet werden. Beim Umschalten zwischen den beiden Modi
wird entweder die Lichtquelle ausgetauscht oder das Spektrum der
Lichtquelle wird entsprechend verändert. Beispielsweise können mehrere
farbige LED's so
angesteuert werden, dass durch Überlagerung
ihrer Spektren entweder ein tageslichtähnliches Spektrum oder ein
breitbandiges weißes Spektrum
erzeugt wird. Für
die Wirkungsweise der chromatisch konfokalen Messmethode ist der
Intensitätsverlauf
des breitbandigen Spektrums in Abhängigkeit von der Wellenlänge unwesentlich,
so dass das breitbandige Spektrum mehrere Maxima und Minima bei
verschiedenen Wellenlängen
aufweisen kann.
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Vorteilhafterweise
kann mittels eines Schwenkmechanismus das erste Objektiv zum Betreiben
im ersten Modus und ein zweites Objektiv zum Betreiben im zweiten
Modus in den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls schwenkbar sein.
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Die
Brennweite des ersten Objektivs ist so bemessen, dass der Beleuchtungsstrahl
auf die erste Ebene der Messobjektsoberfläche fokussiert wird und die
Brennweite des zweiten Objektivs ist so bemessen, dass der Beleuchtungsstrahl
auf eine zweite Ebene außerhalb
der ersten Ebene der Messobjektsoberfläche fokussiert wird. Beim Umschalten zwischen
den beiden Modi wird das entsprechende Objektiv mittels eines Schwenkmechanismus
in den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls geschwenkt. Dadurch
bleibt der übrige
optische Aufbau der Vorrichtung unverändert und der Schwenkmechanismus kann
beispielsweise mittels eines Auslösers, wie eines Drehknopfes
oder Steuerhebels zwischen den beiden Modi verstellt werden. Die
Verstellung kann motorgesteuert oder manuell durch den Benutzer
erfolgen.
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Vorteilhafterweise
kann zum Betreiben im ersten Modus ein erste Objektiv und zum Betreiben im
zweiten Modus ein zwei tes Objektiv durch einen Benutzer in den Strahlengang
des Beleuchtungsstrahls einbringbar sein.
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In
der Vorrichtung können
Befestigungsmittel, wie beispielsweise flexible Spannklammern, angebracht
sein, die ein genaues Positionieren des Objektivs im Strahlengang
des Beleuchtungsstrahls ermöglichen.
Dadurch kann der Benutzer durch das Austauschen der Objektive den
Modus der Vorrichtung wechseln. Ein Vorteil ist, dass im Gehäuse der Vorrichtung
in jedem der beiden Modi jeweils nur ein Objektiv mit starrer Brennweite
Raum finden muss, so dass die Vorrichtung kleiner in ihren Ausmaßen konstruiert
werden kann.
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Vorteilhafterweise
kann die Vorrichtung aus einer Basiseinheit und einem Handstück bestehen, die
miteinander über
einen Lichtleiter verbunden sind, wobei die Basiseinheit eine Lichtquelle,
einen Strahlteiler und einen Farbsensor umfasst und das Handstück das Objektiv
umfasst.
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Die
Basiseinheit der Vorrichtung ist ein festinstallierter Aufbau. Die
Lichtquelle in der Basiseinheit strahlt einen Beleuchtungsstrahl
mit polychromatischem Spektrum aus, das dem Spektrum von Tageslicht
entspricht oder möglichst ähnlich ist.
Der Beleuchtungsstrahl passiert des Strahlteiler und wird über den
Lichtleiter an das Handstück
geleitet. Im Handstück
wird der Beleuchtungsstrahl mittels des Objektivs im ersten Modus
auf die erste Ebene der Messobjektsoberfläche und im zweiten Modus auf eine
zweite Ebene außerhalb
der ersten Ebene der Messobjektsoberfläche fokussiert. Der vom Messobjekt
zurückgestrahlte
Beobachtungsstrahl gelangt über
den Lichtleiter zurück
in der Basiseinheit und wird mittels des Strahlteilers zum Farbsensor
umgelenkt. Die Bilddaten des Farbsensors können dann zur Bildanalyse an
eine Bildanalyseeinheit über
ein Datenkabel oder der Funk übermittelt
werden.
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Dadurch
kann das Handstück
unabhängig von
der Basiseinheit bewegt werden und verbessert somit den Bedienkomfort.
Darüber
hinaus kann das Handstück
in seinen Ausmaßen
schmal konstruiert werden, da es nur das Objektiv und eventuell
Umlenkspiegel enthält
und die übrigen
optischen Bauteile wie Lichtquelle, Strahlteiler und Farbsensor
in der Basiseinheit eingebaut sind. Insbesondere bei der Anwendung
der Vorrichtung zu zahnmedizinischen Zwecken wird dadurch der Zugang
zu Messobjekten wie Zähnen
in der Mundhöhle
eines Patienten erleichtert.
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Vorteilhafterweise
kann zum Betreiben im ersten Modus das erste Handstück mit dem
ersten Objektiv und zum Betreiben im zweiten Modus ein zweites Handstück mit dem
zweiten Objektiv durch einen Benutzer mit der Basiseinheit verbindbar
sein.
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Durch
den Austausch der Handstücke
wechselt somit der Modus der Vorrichtung. Im zweiten Modus bleibt
der Beleuchtungsstrahl in seiner Ausrichtung relativ zum Handstück unverändert, wobei
im ersten Modus der Beleuchtungsstrahl eine oszillierende Abtastbewegung
zur optischen Abtastung eines Messfeldes vollführt. Diese Abtastbewegung kann
beispielsweise durch einen Drehspiegel erzeugt werden, der entsprechend
geschwenkt wird. Das zweite Handstück kann kompakter als das erste Handstück konstruiert
werden, da im ersten Modus kein Mechanismus, wie ein Drehspiegel,
zur Erzeugung einer Abtastbewegung erforderlich ist.
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Vorteilhafterweise
kann die einteilige Vorrichtung, umfassend eine Lichtquelle, einen
Strahlteiler, einen Farbsensor, ein Objektiv, mit einem Gehäuse verkleidet
sein.
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Die
Vorrichtung kann einteilig konstruiert werden, indem alle Bauteile
in einem Gehäuse
angebracht werden. Ein Datenkabel verbindet dann die Vorrichtung
mit einer Bildana lyseeinheit, um die Daten des Farbsensors zu analysieren.
Im Vergleich mit der zweiteiligen Ausführungsform aus dem Handstück und der
Basiseinheit wird der flexible Leichtleiter eingespart.
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Vorteilhafterweise
kann im zweiten Modus zur Farbmessung die Brennweite des Objektivs
so gewählt
sein, dass der Beleuchtungsstrahl auf eine zweite Ebene außerhalb
der ersten Ebene der Messobjektsoberfläche fokussiert wird und der
Beleuchtungsstrahl als ein Messfeld in der Form eines Unschärfekreises
mit homogener Intensität
unscharf auf der Messobjektsoberfläche abgebildet wird.
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Dadurch
wird ein Messfeld mit homogener Intensität und einem tageslichtähnlichem
Spektrum bereitgestellt, das zur Farbmessung notwendig ist.
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Vorteilhafterweise
kann der Beleuchtungsstrahl aus mehreren Teilstrahlen bestehen,
die in einer Ebene parallel zueinander verlaufen.
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Bei
mehreren Teilstrahlen werden auch mehrere Objektive verwendet, um
die Teilstrahlen in gewünschter
Weise zu fokussieren.
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Dadurch
kann im ersten Modus die Zeitdauer der 3D-Vermessung erheblich verkürzt werden,
da die Teilstrahlen parallel mit einer gleichzeitigen Abtastbewegung
die Messobjektsoberfläche
erfassen. Im zweiten Modus bilden die einzelnen Teilstrahlen mehrere
Unschärfekreise
auf der Messobjektsoberfläche
ab, die sich zu einem streifenförmigen
Messfeld überlagern.
Dieses Messfeld weist einen tageslichtähnliches Spektrum und eine
homogene Intensitätsverteilung
auf, so dass dieses Messfeld zur Farbmessung geeignet ist.
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Vorteilhafterweise
können
mittels des Objektivs, umfassend mehrere Teilobjektive, die einzelnen Teilstrahlen
im ersten Modus auf Fokuspunkte fokussiert werden, die in einer
Reihe auf der ersten Ebene der Messobjektsoberfläche angeordnet sind. Im zweiten
Modus können
die einzelnen Teilstrahlen auf Fokuspunkte fokussiert werden, die
in einer Reihe auf der zweiten Ebene außerhalb der ersten Ebene angeordnet
sind, so dass die Teilstrahlen unscharf in Form von Unschärfekreisen
auf der Messobjektsoberfläche
abgebildet werden und sich zu einem Messfeld überlagern.
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Das
erste Objektiv umfasst mehrere Teilobjektive für die einzelnen Teilstrahlen,
deren Steuerung der Brennweite aneinander mittels eines Kopplungsmechanismus
gekoppelt ist, so dass die Brennweite aller Teilobjektive synchron
verstellt wird. Dadurch können
die Fokuspunkte der einzelnen Teilstrahlen durch einen Benutzer
in gewünschter
Weise gleichzeitig verschoben werden.
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Vorteilhafterweise
kann die Vorrichtung einen Umlenkspiegel aufweisen, der den Beleuchtungsstrahl
auf das Messobjekt umlenkt.
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Der
Beleuchtungsstrahl kann beispielsweise im rechten Winkel auf das
Messobjekt umgelenkt werden. Dadurch wird insbesondere die Aufnahme von
Zähnen
in der Mundhöhle
eines Patienten erleichtert.
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Vorteilhafterweise
kann bei Verwendung einer chromatisch konfokalen Messmethode die
Vorrichtung eine Blende zwischen dem Objektiv und dem Farbsensor
aufweisen, um nur denjenigen Spektralbereich eines vom Objekts zurückgestrahlten
Beobachtungsstrahls zum Farbsensor durchzulassen, der auf die erste
Ebene der Messobjektsoberfläche
fokussiert ist.
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Die
konfokal angeordnete Blende ist ein wesentliches Element der chromatisch
konfokale Messmethode. Aus der Wellenlänge des herausgefilterten Spektralbereichs
wird anschließend
die absolute Position der Messobjektsoberfläche in der Richtung des Beleuchtungsstrahls
bestimmt. Die übrigen
beiden Koordinaten der Position in senkrechter Richtung zum Beleuchtungsstrahl
werden aus den Bilddaten des Farbsensors bestimmt.
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Vorteilhafterweise
kann der Durchmesser der Blende im ersten Modus zur 3D-Vermessung
mittels der chromatischen konfokalen Messmethode größer als
der Durchmesser der Blende im zweiten Modus zur Farbmessung sein,
so dass die Tiefenschärfe
im ersten Modus geringer als die Tiefenschärfe im zweiten Modus ist.
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Im
ersten Modus ist der Durchmesser der Blende größer und die Tiefenschärfe somit
geringen, so dass der Beobachtungsstrahl scharf auf dem Farbsensor
abgebildet wird und mittels der chromatischen konfokalen Messmethode
aus der scharf fokussierten Wellenlänge die Messtiefe berechnet
werden kann. Im zweiten Modus ist der Durchmesser der Blende kleiner
und die Tiefenschärfe
somit größer, so dass
alle Wellenlängen
nahezu scharf abgebildet werden und sich zu einem weißen Lichtfeld überlagern,
wobei keine der Wellenlängen
dominiert. Dieses weiße
Lichtfeld wird vom Farbsensor detektiert und die Bilddaten zur Farbmessung
verwendet.
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Vorteilhafterweise
kann die Blende steuerbar sein und der Durchmesser der Blende verstellbar sein.
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Die
Blende kann eine Irisblende sein, deren Durchmesser durch Verdrehen
eines äußeren Rings der
Irisblende verstellt werden kann.
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Vorteilhafterweise
kann die Blende mit einem größeren Durchmesser
im ersten Modus gegen eine Blende mit einem kleineren Durchmesser
im zweiten Modus ausgetauscht werden.
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Die
erste Blende mit einem größeren Durchmesser
im ersten Modus kann unter Verwendung eines mechanischen mittels
gegen die zweite Blende mit einem kleineren Durchmesser im zweiten
Modus ausgetauscht werden.
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Vorteilhafterweise
kann die Tiefenschärfe der
Vorrichtung im ersten Modus zwischen 0,1 mm und 1 mm betragen und
die Tiefenschärfe
der Vorrichtung im zweiten Modus zwischen 5 mm und 30 mm betragen.
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Der
Bereich der Tiefenschärfe
im ersten Modus zwischen 0,1 mm und 1 mm ist besonders geeignet
um die Koordinate der Messobjekts Oberfläche mittels der chromatischen
konfokalen Messmethode festzustellen. Der Bereich der Tiefenschärfe im zweiten
Modus zur Farbmessung zwischen 5 mm und 30 mm ist besonders vorteilhaft,
da das auf das Objekt, beispielsweise einen Zahn von etwa 20 mm
Höhe, projizierte
Lichtfeld eine homogene intensiviert Verteilung und ein weißes, vorteilhafterweise
tageslichtähnliches,
Spektrum aufweisen muss. Außerhalb des
Tiefenschärfebereichs
dominieren diejenigen Wellenlängen,
die scharf abgebildet werden.
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Vorteilhafterweise
kann die Lichtquelle in ihrer Intensität so verstellbar sein, dass
im zweiten Modus der Abfall der Lichtmenge durch einen kleineren Durchmesser
der Blende mit einem Anstieg der Intensität der Lichtquelle kompensiert
werden kann, um eine Farbmessung zu ermöglichen.
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Für die Farbmessung
ist eine bestimmte Intensität
des detektierten Beobachtungsstrahls notwendig. Die Intensität der Lichtquelle
wird erhöht,
um die geringere Lichtmenge durch einen kleineren Durchmesser der
Blende zu kompensie ren und um die notwendige Intensität des Lichtfeldes
zu erreichen.
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Vorteilhafterweise
kann zwischen dem Objektiv und dem Messobjekt ein chromatisches
Objektiv angeordnet sein, wobei das chromatische Objektiv im ersten
Modus für
die optische 3D-Vermessung mittels der chromatischen konfokalen
Messmethode in den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls eingebracht
ist und im zweiten Modus für
die Farbmessung aus dem Strahlengang des Beleuchtungsstrahls herausgeschwenkt
ist.
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Das
chromatische Objektiv verstärkt
den Effekt der chromatischen Abberationen, so dass die Fokuspunkte
für die
unterschiedlichen Wellenlängen deutlich
auseinandergezogen werden. Dadurch dominiert im Beobachtungsstrahl 18 jeweils
diejenige Wellenlänge,
deren Fokuspunkt gerade auf der Messobjektsoberfläche 16 liegt.
Die Fokuspunkte für eine
Wellenlänge
von 400 nm und eine Wellenlänge von
800 nm für
ein tageslichtähnliches
Spektrum können
30 mm auseinander liegen. Damit wird die Höhe eines Objekts, wie eines
Zahns; abgedeckt. Im zweiten Modus wird das chromatische Objektiv
um eine Schwenkachse aus dem Beleuchtungsstrahl herausgeschwenkt,
so dass die Fokuspunkte der unterschiedlichen Wellenlängen zusammenrücken und sich
nahezu überlagern.
Die überlagerten
Wellenlängen
bilden somit ein homogenes weißes
Lichtfeld mit einem tageslichtähnlichen
Spektrum.
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Vorteilhafterweise
kann das chromatische Objektiv Bestandteil des Objektivs sein.
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Das
chromatische Objektiv kann zusammen mit dem Objektiv als eine gemeinsame
optische Einheit in einem Gehäuse
angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise
kann das chromatische Objektiv um eine Schwenkachse aus dem Strahlengang
des Beobachtungsstrahls herausschwenkbar sein.
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Das
chromatische Objektiv kann getrennt vom Objektiv um die Schwenkachse
schwenkbar angeordnet sein. Die Schwenkbewegung kann mechanisch
durch ein elektronisch angesteuertes Schwenkmittel erzeugt werden.
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Vorteilhafterweise
kann die Vorrichtung schmal und bogenförmig geformt sein, um eine 3D-Vermessung
von Zähnen
innerhalb einer Mundhöhle
eines Patienten und zur Farbmessung von Zahnoberflächen zu
ermöglichen.
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Die
erfinderische Vorrichtung kann insbesondere als zahnmedizinische
Vorrichtung zur 3D-Vermessung und Farbmessung von Zähnen verwendet werden.
Die Ergebnisse dieser Messungen, wie die 3D-Daten von Zahnoberflächen und
vom Zahnfleisch und der Farbton der Zahnoberflächen, können anschließend zur
Planung von Zahnersatzteilen verwendet werden.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur optischen
3D-Vermessung und zur Farbmessung, wobei eine Vorrichtung zwischen
einem ersten Modus für
die optische 3D-Vermessung mittels der chromatischen konfokalen
Messmethode, der Triangulation-Messmethode oder einer anderen Messmethode
und einem zweiten Modus für
die Farbmessung verstellt wird. Im ersten Modus wird ein breitbandiger
Beleuchtungsstrahl auf eine erste Ebene einer Messobjektsoberfläche fokussiert
und im zweiten Modus wird der breitbandige Beleuchtungsstrahl auf
eine zweite Ebene außerhalb
der ersten Ebene in einem Abstand d von der Messobjektsoberfläche fokussiert.
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Im
zweiten Modus wird der Beleuchtungsstrahl unscharf auf der Messobjektsoberfläche abgebildet,
so dass ein Unschärfekreis
erzeugt wird, der zur Farbmessung geeignet ist.
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Als
optisches System zur Fokussierung des Beleuchtungsstrahls kann ein
Objektiv verwendet werden. Seine Brennweite wird so verstellt, dass
der Beobachtungsstrahl im ersten Modus auf die erste Ebene in der
Messobjektsoberfläche
fokussiert wird und im zweiten Modus auf die zweite Ebene fokussiert
wird.
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Ein
Vorteil des erfinderischen Verfahrens ist, dass der selbe Beleuchtungsstrahl
für beide
Modi verwendet wird und die Umschaltung zwischen den Modi durch
Verstellung der Brennweite eines optischen Systems, wie beispielsweise
eines Objektivs, bis zum Fokuspunkt erfolgt.
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Vorteilhafterweise
kann eine Blende im ersten Modus bei Verwendung der chromatischen
konfokalen Messmethode konfokal zur Messeobjektsoberfläche in den
Strahlengang eines Beobachtungsstrahls hineingeschwenkt werden und
im zweiten Modus aus dem Strahlengang des Beobachtungsstrahls herausgeschwenkt
werden.
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Im
ersten Modus ist die konfokal angeordnete Blende ein notwendige
Voraussetzung zur Verwendung der chromatisch konfokalen Messmethode. Im
zweiten Modus wird die Blende herausgeschwenkt, da sie sonst den
Beobachtungsstrahl unnötig
einengen würde.
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Vorteilhafterweise
kann mittels einer umschaltbaren Lichtquelle im ersten Modus ein
Beleuchtungsstrahl mit einem breitbandigen Spektrum und im zweiten
Modus ein Beleuchtungsstrahl mit einem tageslichtähnlichem
Spektrum erzeugt werden.
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Dadurch
kann beim Umschalten der Lichtquelle das Spektrum entsprechend dem
jeweiligen Modus verändert
werden. Das Spektrum zur 3D-Vermessung kann auch aus mehreren einzelnen
Spektralbereichen mit verschiedenen Wellenlängen zwischen 400 nm und 700
nm bestehen.
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Vorteilhafterweise
kann bei der Verstellung der Vorrichtung vom ersten Modus in den
zweiten Modus mittels eines Schwenkmechanismus das erste Objektiv
aus dem Strahlengang des Beleuchtungsstrahls herausgeschwenkt und
ein zweites Objektiv in den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls
hineingeschwenkt werden.
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Dadurch
erfolgt die Umschaltung vom ersten in den zweiten Modus durch Austausch
des ersten Objektivs gegen das zweite Objektiv, wobei beide Objektive
an einem Schwenkmechanismus innerhalb eines Gehäuses der Vorrichtung angebracht
sind.
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Vorteilhafterweise
kann bei der Verstellung der Vorrichtung vom zweiten Modus in den
ersten Modus mittels des Schwenkmechanismus das zweite Objektiv
aus dem Strahlengang des Beleuchtungsstrahls herausgeschwenkt und
ein erste Objektiv in den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls hineingeschwenkt
wird.
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Dadurch
erfolgt die Umschaltung vom zweiten in den ersten Modus durch Austausch
des zweiten Objektivs gegen das erste Objektiv mittels des Schwenkmechanismus.
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Vorteilhafterweise
kann bei der Verstellung der Vorrichtung vom ersten Modus in den
zweiten Modus durch einen Benutzer das erste Objektiv aus dem Strahlengang
des Beleuchtungsstrahls herausgenommen und ein zweites Objektiv
in den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls eingesetzt wird.
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Dadurch
erfolgt die Umschaltung vom ersten in den zweiten Modus durch Austausch
des ersten Objektivs gegen das zweite Objektiv manuell durch einen
Benutzer. Zur präzisen
Befestigung des Objektivs im Strahlengang ist eine Einspannvorrichtung, wie
eine Einspannklammer, erforderlich.
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Vorteilhafterweise
kann bei der Verstellung der Vorrichtung vom zweiten Modus in den
ersten Modus durch einen Benutzer das zweite Objektiv aus dem Strahlengang
des Beleuchtungsstrahls herausgenommen und das erste Objektiv in
den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls eingesetzt wird.
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Dadurch
erfolgt die Umschaltung vom zweiten in den ersten Modus durch Austausch
des zweiten Objektivs gegen das erste Objektiv manuell durch einen
Benutzer.
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Falls
die Vorrichtung aus einer Basiseinheit und einem Handstück besteht,
kann vorteilhafterweise im ersten Modus das erste Handstück mit dem ersten
Objektiv und zum Betreiben im zweiten Modus ein zweites Handstück mit dem
zweiten Objektiv durch einen Benutzer mit der Basiseinheit verbunden werden.
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Dadurch
erfolgt die Umschaltung zwischen den beiden Modi durch Anschließen eines
ersten bzw. zweiten Handstücks
mit einem ersten bzw. zweiten Objektiv, die die entsprechende Brennweite
aufweisen.
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Vorteilhafterweise
kann im zweiten Modus zur Farbmessung der Beleuchtungsstrahl auf
die zweite Ebene außerhalb
der ersten Ebene der Messobjektsoberfläche so fokussiert werden, dass
der Beleuchtungsstrahl als ein Messfeld in der Form eines Unschärfekreises
mit homogener Intensität
und einem tageslichtähnlichem
Spektrum auf der Messobjektsoberfläche abgebildet wird.
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Ein
Unschärfekreis
mit homogener Intensität und
einem tageslichtähnlichem
Spektrum, der durch eine unscharfe Abbildung des Beleuchtungsstrahls auf
der Messobjektsoberfläche erzeugt
wird, ist als Messfeld zur Farbmessung besonders geeignet.
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Falls
der Beleuchtungsstrahl aus mehreren Teilstrahlen besteht, können die
einzelnen Teilstrahlen vorteilhafterweise im ersten Modus auf Fokuspunkte
fokussiert werden, die in einer Reihe in der ersten Ebene der Messobjektsoberfläche angeordnet sind,
und im zweiten Modus auf eine zweite Ebene außerhalb der ersten Ebene der
Messobjektsoberfläche
fokussiert werden, so dass die Teilstrahlen unscharf auf der Messobjektsoberfläche abgebildet werden
und sich zu einem Messfeld mit nahezu homogener Intensität überlagern.
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Vorteilhafterweise
kann bei Verwendung einer chromatisch konfokalen Messmethode mittels
einer Blende zwischen dem Objektiv und dem Farbsensor nur denjenigen
Spektralanteil eines vom Objekt zurückgestrahlten Beobachtungsstrahls
zum Farbsensor durchgelassen, der auf die erste Ebene der Messobjektsoberfläche fokussiert
wird.
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Vorteilhafterweise
kann der Durchmesser der Blende im ersten Modus zur 3D-Vermessung
mittels der chromatischen konfokalen Messmethode größer als
der Durchmesser der Blende im zweiten Modus zur Farbmessung mittels
eines Blendenmittels eingestellt wird, so dass die Tiefenschärfe im ersten
Modus geringer als die Tiefenschärfe
im zweiten Modus ist.
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Vorteilhafterweise
kann die Blende elektronisch gesteuert werden und der Durchmesser
der Blende kann verstellt werden.
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Vorteilhafterweise
kann die Blende mit einem größeren Durchmesser
im ersten Modus gegen eine Blende mit einem kleineren Durchmesser
im zweiten Modus ausgetauscht werden.
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Vorteilhafterweise
kann die Tiefenschärfe
im ersten Modus in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 1 mm und die
Tiefen schärfe
im zweiten Modus in einem Bereich zwischen 5 mm und 30 mm eingestellt werden.
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Vorteilhafterweise
kann die Lichtquelle in ihrer Intensität so verstellt werden, dass
im zweiten Modus der Abfall der Lichtmenge durch einen kleineren
Durchmesser der Blende mit einem Anstieg der Intensität der Lichtquelle
kompensiert wird, um eine Farbmessung zu ermöglichen.
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Vorteilhafterweise
kann zwischen dem Objektiv und dem Messobjekt ein chromatisches
Objektiv angeordnet sein, wobei das chromatische Objektiv im ersten
Modus für
die optische 3D-Vermessung mittels der chromatischen konfokalen
Messmethode in den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls eingebracht
wird und im zweiten Modus für
die Farbmessung aus dem Strahlengang des Beleuchtungsstrahls herausgeschwenkt
wird.
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Vorteilhafterweise
kann das chromatische Objektiv im zweiten Modus aus dem Strahlengang des
Beobachtungsstrahls herausgeschwenkt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt die
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1 die
Vorrichtung zur optischen 3D-Vermessung und zur Farbmessung, bestehend
aus einer Basiseinheit und einem Handstück die über einen Lichtleiter verbunden
sind, die
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2 die
Vorrichtung aus 1 im zweiten Modus zur Farbmessung,
die
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3 die
Vorrichtung aus 1 im ersten Modus mit einem
Schwenkmechanismus, die
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4 die
Vorrichtung aus 1 im zweiten Modus zur Farbmessung
mit einem austauschbaren Objektiv, die
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5 die
Vorrichtung aus 1 im ersten Modus zur 3D-Vermessung in einteiliger
Ausführungsform,
die
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6 ein
zweites Handstück
zur Farbmessung als ein Element einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung 1 aus 1, die
-
7 die
Vorrichtung 1 aus 1 mit einem Beleuchtungsstrahl
bestehend aus drei Teilstrahlen, die
-
8 eine
schematische Darstellung der chromatisch konfokalen Messmethode.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die 1 zeigt
die erfinderische Vorrichtung 1 zur optischen 3D-Vermessung
und zur Farbmessung, bestehend aus einer Basiseinheit 2 und
einem Handstück 3 die über einen
Lichtleiter 4 verbunden sind. Die Basiseinheit 2 umfasst
eine Lichtquelle 5, einen Strahlteiler 6 eine
Blende 7 und einen Farbsensor 8. Die Blende 7 ist
um eine Achse 9 drehbar gelagert und kann seitlich geschwenkt
werden. Das Handstück 3 umfasst
einen ersten fest eingebauten Umlenkspiegel 10 einen Drehspiegel 11,
ein Objektiv 12 und einen dritten Umlenkspiegel 13.
Die Lichtquelle 5 sendet einen Beleuchtungsstrahl 14 aus,
der den teiltransparenten Strahlteiler 6 passiert, mittels
des Lichtleiters 4 zum Handstück 3 umgeleitet wird,
dort vom ersten Umlenkspiegel 10 zum Drehspiegel 11 umgelenkt
wird, vom Drehspiegel 11 in Richtung des dritten Drehspiegels 13 umgelenkt
wird, mittels des Objektivs 12 auf eine erste Ebene 15 einer
Messobjektoberfläche 16 fokussiert
wird und vom dritten Umlenkspiegel 13 zum Messobjekt 17 umgelenkt
wird. Im vorliegenden Fall ist das Messobjekt 17 mit der Messobjektsoberfläche 16 ein
Zahn in der Mundhöhle
eines Patienten mit einer zu vermessenden Zahnoberfläche 16.
Der Beleuchtungsstrahl 14 wird von der Zahnoberfläche 16 als
ein Beobachtungsstrahl 18 zurückgestrahlt. Der Beleuchtungsstrahl 14 weist
ein tageslichtähnliches
Spektrum auf, wobei die Intensitätsverteilung über den
Querschnitt des Beleuchtungsstrahls 14 homogen ist. Der
Beobachtungsstrahl wird vom dritten Umlenkspiegel 13 in
Richtung des Drehspiegels 11 umgelenkt, mittels des Objektivs 12 aufgeweitet,
vom Drehspiegel 11 zum ersten Umlenkspiegel 10 umgelenkt,
durch den Lichtleiter zurück
zur Basiseinheit 2 geführt
und dort vom Strahlteiler 6 in Richtung des Farbsensors 8 umgeleitet.
Die Vorrichtung 1 ist im ersten Modus zur optischen 3D-Vermessung
dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Messmethode
der optischen 3D-Vermessung die chromatisch konfokale Messmethode
verwendet. Bei der chromatisch konfokalen Messmethode wird der Beleuchtungsstrahl 14 auf
die erste Ebene 15 der Messobjektsoberfläche 16 fokussiert
und der Beobachtungsstrahl 18 passiert zwischen dem Strahlteiler 6 und
dem Farbsensor 8 die Blende 7. Die Blende 7 ist
konfokal zum Fokuspunkt 19 angeordnet. Bei einer optischen
Brechung ist der Brechungswinkel abhängig von der Wellenlänge des
gebrochenen Lichts. Daher wird der kurzwelligere Spektralbereich
des Beleuchtungsstrahls 14 näher zum dritten Umlenkspiegel 13 auf
einen Fokuspunkt 20 und der langwellige Spektralbereich
des Beleuchtungsstrahls 14 wird auf einen Fokuspunkt 21 fokussiert,
der weiter weg vom dritten Umlenkspiegel 13 ist. Zwischen
den Fokuspunkten 20 und 21 befindet sich der Fokuspunkt 19 auf
den ein schmaler Spektralbereich des Beleuchtungsstrahls 14 fokussiert
wird. Nur dieser schmale Spektralbereich wird genau auf die Messobjektsoberfläche 16 fokussiert und
passiert als Spektralbereich des Beobach tungsstrahls 18 die
Blende 7. Die übrigen
Spektralbereiche des Beobachtungsstrahls 18 werden durch
die Blende 7 herausgefiltert, da sie unscharf auf der Messobjektsoberfläche 16 abgebildet
werden. Aus der Wellenlänge
des schmalen Spektralbereichs, der vom Farbsensor 8 detektiert
wird kann dann die absolute Position der Messobjektsoberfläche 16 in
Richtung des Beleuchtungsstrahls 14 bestimmt werden. Die Messobjektsinformationen
in Richtung der beiden übrigen
Koordinaten in senkrechter Richtung zum Beleuchtungsstrahl 14 können aus
den Bilddaten des Farbsensors 8 direkt bestimmt werden.
Der Beleuchtungsstrahl 14 vollführt eine oszillierende Abtastbewegung 22 innerhalb
der Grenzen eines Messfeldes 23, dass durch die Positionen
des Fokuspunktes 19 und des Fokuspunktes 19' gegeben sind.
Die Abtastbewegung 22 wird durch die Schwenkbewegung 24 des
Drehspiegels 11 um eine Achse 25 erzeugt. Die absolute
Position der Zahnoberfläche 16 wird
also dadurch bestimmt, dass abhängig
von der Lage des Fokuspunktes innerhalb der Grenzen 19 und 19' des Messfeldes 22 jeweils
ein schmalbandiger Spektralbereich mit abweichender Wellenlänge auf
der Zahnoberfläche 16 fokussiert
wird, mittels der Blende 7 herausgefiltert wird und mittels
des Farbsensors 8 gemessen wird. Aus der Differenz der
Wellenlängen der
jeweiligen Spektralbereichen an unterschiedlichen Messpunkten kann
dann auf die absolute Position in Richtung des Beleuchtungsstrahls 14 geschlossen
werden. Der Drehspiegel 11 ist gestrichelt in der Position 11' nach der Schwenkbewegung 24 dargestellt,
der den durch das Objektiv 12 fokussierten Beleuchtungsstrahl 14 auf
den Fokuspunkt 19' umlenkt.
Die konfokal angeordnete Blende 7 wird nur für die chromatisch
konfokale Messmethode verwendet und kann für einen zweiten Modus zur Farbmessung
aus dem Strahlengang des Beobachtungsstrahls 18 herausge schwenkt
werden, indem die Blende um die Achse 9 gedreht wird.
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Die 2 zeigt
die Vorrichtung 1 aus 1 im zweiten
Modus zur Farbmessung. Die Basiseinheit 2 ist nicht dargestellt,
da sie im Vergleich zu 1 unverändert bleibt, wobei die Blende 7 aus dem
Strahlengang des Beobachtungsstrahls 18 herausgeschwenkt
wird. Das Handstück 3 ist über den Lichtleiter 4 mit
der Basiseinheit 2 verbunden. Das Handstück 3 aus 1 wurde
in den zweiten Modus umgeschaltet, indem die Brennweite des Objektives 12 so
verändert
wurde, dass der Beleuchtungsstrahl 14 auf eine zweite Ebene 30 fokussiert
wird. Die zweite Ebene 30 ist parallel zu der ersten Ebene 15 der
Messobjektsoberfläche 16 angeordnet
und weist zu dieser einen Abstand d auf. Der Beleuchtungsstrahl 14 wird
somit unscharf auf der Messobjektsoberfläche abgebildet und erzeugt
ein Messfeld in der Form eines Unschärfekreises 31. Dieser
Unschärfekreis
weist eine homogene Intensität
und ein tageslichtähnliches
Spektrum auf, sodass er als Messfeld zur Farbmessung besonders geeignet
ist. Der zurückgestrahlte
Beobachtungsstrahl 18 wird zum Farbsensor 8 der
Basiseinheit 2 aus 1 umgeleitet
und auf sein Spektrum hin untersucht. Anhand des Spektrums des Beobachtungsstrahls 18 wird
der Farbton der Messobjektsoberfläche 16, die im vorliegenden
Fall eine Zahnoberfläche
ist, bestimmt. Eine Farbmessung einer Zahnoberfläche wird insbesondere bei Planung
eines Zahnersatzteils durchgeführt, um
die Farbäquivalenz
des Farbersatzteils zu den umgebenden Zähnen bereitzustellen. Ein Vorteil
der Vorrichtung aus 1 und 2 ist, dass
die Umschaltung zwischen den beiden Modi allein durch die Verstellung
der Brennweite vom Objektiv 12 durchgeführt wird. Die Verstellung der
Brennweite vom Objektiv 12 kann motor gesteuert oder manuell
mittels eines Verstellmechanismus, beispielsweise durch Verdrehen
eines Teils des Objektivs, erfolgen. Der Drehspiegel 11 wird
im zweiten Modus nicht geschwenkt, weil zur Farbmessung keine Abtastbewegung 22 aus 1 notwendig
ist. Der Beleuchtungsstrahl 14 kann auch aus mehreren Teilstrahlen
bestehen, die in einer Ebene parallel zueinander verlaufen. In diesem Fall
besteht die Lichtquelle 5 aus 1 aus mehreren
Teillichtquellen, die Teilstrahlen aussenden. Das Objektiv 12 besteht
dann aus mehreren Teilobjektiven, die die einzelnen Teilstrahlen
auf Fokuspunkte fokussieren, die in einer Reihe im ersten Modus
in der ersten Ebene 15 und im zweiten Modus in der zweiten
Ebene 30 angeordnet sind. Die 3D-Vermessung mit mehreren
Teilstrahlen hat den Vorteil, das die Zeitdauer der 3D-Vermessung erheblich
verkürzt wird.
Zwischen dem Objektiv 12 und dem Farbsensor 8 ist
eine Leuchtfeldblende 32 angeordnet. Die Leuchtfeldblende 32 ist
eine verstellbare Blende, um den ausgeleuchteten Bereich des Messobjekts 17 im zweiten
Beleuchtungsmodus und die Größe des Messfeldes 23 im
ersten Modus einzustellen. Zwischen dem Objektiv 12 und
dem Messobjekt 17 ist ein chromatisches Objektiv 33 angeordnet.
Das chromatische Objektiv 33 wird im ersten Modus für die optische
3D-Vermessung mittels der chromatischen konfokalen Messmethode in
den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls 14 eingebracht
und im zweiten Modus für
die Farbmessung aus dem Strahlengang des Beleuchtungsstrahls 14 herausgeschwenkt.
Das chromatische Objektiv 33 verstärkt den Effekt der chromatischen
Abberationen, so dass die Fokuspunkte für die unterschiedlichen Wellenlängen deutlich
auseinandergezogen werden. Dadurch dominiert im Beobachtungsstrahl 18 jeweils
diejenige Wellenlänge,
deren Fokuspunkt gerade auf der Messobjektsoberfläche 16 liegt.
In der vorliegenden Ausführungsform
liegen die Fokuspunkte für
ei ne Wellenlänge
von 400 nm und eine Wellenlänge
von 800 nm für ein
tageslichtähnliches
Spektrum 30 mm auseinander. Damit wird die Messtiefe eines Zahns 17 abgedeckt.
Im zweiten Modus wird das chromatische Objektiv 33 um eine
Schwenkachse 34 aus dem Beleuchtungsstrahl 14 herausgeschwenkt,
so dass die Fokuspunkte der unterschiedlichen Wellenlängen zusammenrücken und
sich nahezu überlagern.
Die überlagerten
Wellenlängen
bilden somit ein homogenes weißes
Lichtfeld mit einem tageslichtähnlichen Spektrum.
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Die 3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
der Vorrichtung 1 aus 1, wobei
die Basiseinheit 2 unverändert bleibt, wobei das Handstück 3 frei
beweglich ist. Das Handstück 3 umfasst
ein erstes Objektiv 40 und ein zweites Objektiv 41,
wobei die beiden Objektive 40, 41 durch einen
Schwenkmechanismus 42 um eine Achse 43 in den
Strahlengang des Beleuchtungsstrahls 14 schwenkbar sind.
Die Brennweite des ersten Objektivs 40 ist so bemessen, dass
der Beleuchtungsstrahl 14 auf die erste Ebene 15 der
Messobjektsoberfläche 16,
nämlich
der Zahnoberfläche,
fokussiert wird und die Brennweite des zweiten Objektivs 41 so
bemessen ist, dass der Beleuchtungsstrahl 14 auf die zweite
Ebene 30 fokussiert wird. Beim Umschalten zwischen den
beiden Modi wird das entsprechende Objektiv 40, 41 mittels des
Schwenkmechanismus 42 in einer Schwenkbewegung 44 in
den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls 14 geschwenkt.
Der Schwenkmechanismus 42 wird mittels eines Auslösers in
Form eines Drehknopfes 45, der mit dem Schwenkmechanismus über eine
Welle 46 verbunden ist. Die Umschaltung zwischen den Modi
erfolgt durch eine manuelles Verdrehen des Drehknopfes 45 durch
einen Benutzer. Die Verstellung des Schwenkmechanismus 42 kann auch
motorgesteuert erfolgen. Das erste objektiv 40 umfasst
das chromatische Objektiv 33, das im Strah lengang des Beleuchtungsstrahls 14 angeordnet
ist, so dass beim herausschwenken des ersten Objektivs 40 auch
das chromatische Objektiv 33 aus dem Strahlengang des Beleuchtungsstrahls 14 herausgeschwenkt
wird.
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Die 4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
der Vorrichtung 1 im zweiten Modus, wobei die Basiseinheit
aus 1 unverändert
bleibt und das Handstück 3 eine
alternative Ausführungsform
darstellt. Beim Umschalten zwischen den beiden Modi wird das erste
Objektiv 40 zum Betreiben im ersten Modus und des zweite
Objektiv 41 zum Betreiben im zweiten Modus manuell durch
den Benutzer in den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls 14 eingesetzt.
Im dargestellten Fall ist das zweite Objektiv 42 eingesetzt,
dass den Beleuchtungsstrahl 14 auf die zweite Ebene 30 fokussiert,
sodass der Unschärfekreis 31 auf
der Messobjektsoberfläche 16 zur
Farbmessung im zweiten Modus abgebildet wird. Das Handstück 3 umfasst
Befestigungsmittel 50 in der Form einer flexiblen Spannklammer,
die ein genaues Positionieren des Objektivs 40 bzw. 41 im
Strahlengang des Beleuchtungsstrahls 14 ermöglicht.
Zwischen dem Objektiv 40 und dem nicht dargestellten Farbsensor 8 ist
die Leuchtfeldblende 32 angeordnet.
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Die 5 zeigt
eine weitere Ausführungsform
der Vorrichtung 1 die einteilig konstruiert ist. Alle Bauteile
der Vorrichtung 1 sind in dieser Ausführungsform in einem Gehäuse 60 angebracht.
Zu den Bauteilen zählen
die Lichtquelle 5, der Strahlteiler 6, die Blende 7,
der Farbsensor 8, der erste Umlenkspiegel 10,
der Drehspiegel 11, das Objektiv 12 und der dritte
Umlenkspiegel 13. Ein Datenkabel 61 verbindet
die Vorrichtung mit einer nichtdargestellten Bildanalyseeinheit,
um die Daten des Farbsensors 8 zur Bildanalyse zu übermitteln.
Bei der dargestellten Ausfüh rungsform
erfolgt die Umschaltung zwischen den beiden Modi durch die Verstellung
der Brennweite des Objektivs 12 wie in 1 und 2.
Die einteilige Konstruktion der Vorrichtung 1 wäre auch
für die
in 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen
möglich.
Ein Vorteil der einteiligen Konstruktion der Vorrichtung 1 ist,
dass der flexible Lichtleiter 4 eingespart wird. Zwischen
dem Objektiv 12 und dem Farbsensor 8 ist die Leuchtfeldblende 32 angeordnet.
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Die 6 zeigt
ein zweites Handstück 70 als ein
Element einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung 1 aus 1. In dieser
Ausführungsform
wird beim Umschalten aus dem ersten Modus in den zweiten Modus das
erste Handstück 3 aus 1 vom Lichtleiter 4 getrennt
und das zweite Handstück 70 an den
Lichtleiter 4 angeschlossen. Dabei weist das erste Handstück 3 ein
Objektiv 12, dessen Brennweise nicht veränderbar
ist und konstant auf die Brennweite des ersten Modus eingestellt
ist. Das zweite Handstück 70 umfasst
ein zweites Objektiv 41, dass den Beleuchtungsstrahl 14 auf
einen Fokuspunkt 71 auf der zweiten Ebene 30 fokussiert
und dadurch der Unschärfekreis 31 auf
der Messobjektsoberfläche 16 zur
Farbmessung abgebildet wird. Der Austausch des ersten Handstücks 3 gegen
das zweite Handstück 70 erfolgt
manuell durch den Benutzer. Das zweite Handstück 70 ist kompakter
als das erste Handstück 3 konstruiert,
da der Drehspiegel 11 zur Erzeugung einer Abtastbewegung 22 eingespart wird.
Das zweite Handstück
zur Farbmessung im zweiten Modus kann auch ohne das zweite Objektiv 41 konstruiert
werden, sodass der Beleuchtungsstrahl 14 nicht fokussiert
wird und direkt auf die Messobjektsoberfläche 16 mittels des
Umlenkspiegels 13 umgelenkt wird. Dazu muss der Beleuchtungsstrahl 14 eine
homogene Intensitätsverteilung
und ein tageslichtähnliches
Spektrum aufweisen. Zwischen dem Objektiv 12 und dem Umlenkspiegel 13 ist
das chromatische Objektiv 33 im Strahlengang des Beleuchtungsstrahls 14 angeordnet,
wobei das chromatische Objektiv 33 um die Schwenkachse 34 im
zweiten Modus aus dem Beleuchtungsstrahl 14 herausgeschwenkt
wird.
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Die 7 zeigt
eine weiter Ausführungsform der
Vorrichtung 1 aus 1 mit einem
Beleuchtungsstrahl 14 bestehend aus drei Teilstrahlen 14.1, 14.2 und 14.3.
Die Teilstrahlen 14.1, 14.2 und 14.3 des Leuchtungsstrahls 14 werden
von drei nebeneinander in einer Reihe angeordneten Lichtquellen 5.1, 5.2 und 5.3 ausgestrahlt,
passieren den Strahlteiler 6, werden über den Lichtleiter 4 zum
Handstück 3 geleitet,
dort mittels des erstens Umlenkspiegels 10 zum Drehspiegel 11 umgeleitet,
vom Drehspiegel 11 in Richtung des dritten Umlenkspiegels 13 umgeleitet und
durch den dritten Umlenkspiegel 13 zum Messobjekt 17 in
Form eines Zahns umgelenkt. Zwischen dem Drehspiegel 11 und
dem dritten Umlenkspiegel 13 sind drei Objektive 12.1, 12.2 und 12.3 angeordnet,
die die einzelnen Teilstrahlen 14.1, 14.2 und 14.3 im
ersten Modus auf die Fokuspunkte 19.1, 19.2 und 19.3 in
der ersten Ebene 15 und im zweiten Modus auf die Fokuspunkte 21.1, 21.2 und 21.3 in
der zweiten Ebene 30 fokussiert werden. Die Teilstrahlen 14.1, 14.2,
und 14.3 des Beleuchtungsstrahls 14 im ersten
Modus sind als volle Linien dargestellt. Die Teilstrahlen 14.1', 14.2' und 14.3' des Beleuchtungsstrahls 14 im
zweiten Modus sind als gestrichelte Linien dargestellt. Die Teilstrahlen 14.1, 14.2 und 14.3 werden
von der Messobjektsoberfläche 16 als
Teilstrahlen 18.1, 18.2 und 18.3 des
Beobachtungsstrahls 18 zurückgestrahlt. Im zweiten Modus
sind die Teilstrahlen 18.1', 18.2', und 18.3' als gestrichelte
Linien dargestellt. Im ersten Modus zur 3D-Vermessung unter Verwendung
der chromatisch konfoka len Messmethode passieren die Teilstrahlen 18.1, 18.2 und 18.3 des
Beobachtungsstrahls 18 die einzelnen Teilblenden 7.1, 7.2 und 7.3,
wobei wie zu 1 bereits erläutert nur
diejenigen schmalbandigen Spektralbereiche herausgefiltert werden,
die exakt auf die Messobjektsoberfläche 16 fokussiert
sind. Diese schmalbandigen Spektralbereiche werden von Farbsensor 8 einzeln
detektiert, um anhand der Wellenlänge dieser schmalbandigen Spektralbereiche
die absolute Position der Messobjektsoberfläche 16 in Richtung
der Teilstrahlen 14.1, 14.2 und 14.3 des
Beleuchtungsstrahls 14 zu bestimmen. Die Drehbewegung 24 des
Drehspiegels 11 erzeugt wie bereits zu 1 beschrieben
eine simultane Abtastbewegung der einzelnen Beleuchtungsstrahlen 14.1, 14.2 und 14,3.
In Vergleich zu der Vorrichtung 1 aus der 1 wird
die Zeitdauer der 3D-Vermessung eines Messfeldes gleicher Fläche erheblich
verkürzt,
da die Teilstrahlen 14.1, 14.2 und 14.3 des
Beleuchtungsstrahls 14 mit einer simultanen Abtastbewegung
die Messobjektsoberfläche 16 erfassen
können.
Die Fokuspunkte 19.1, 19.2 und 19.3 sind
nebeneinander in einer Reihe in der ersten Ebene 15 angeordnet.
-
Im
zweiten Modus wird die Blende 7 mit den Teilblenden 7.1, 7.2 und 7.3 aus
dem Strahlengang der einzelnen Teilstrahlen 18.1, 18.2 und 18.3 des Beobachtungsstrahls
herausgeschwenkt, sodass das volle Spektrum mittels des Farbsensors 8 detektiert
wird. Beim Umschalten der Vorrichtung 1 aus dem ersten
Modus in den zweiten Modus werden die einzelnen Teilobjektive 12.1, 12.2 und 12.3 in
ihrer Brennweite gleichzeitig so verändert, dass die Fokuspunkte 19.1, 19.2 und 19.3 sich
zu den Fokuspunkten 21.1, 21.2 und 21.3 verschieben.
Die Steuerung der Brennweite für
die einzelnen Teilobjektive 12.1, 12.2 und 12.3 ist
mittels eines Kopplungsmechanismus aneinander gekoppelt. Die Steuerung
der Brennweite kann manuell durch einen Benutzer oder motorgesteuert
erfolgen. Ein Beleuchtungsstrahl aus mehreren Teilstrahlen kann
auch für
die Vorrichtungen aus 3 bis 6 verwendet
werden. Die Teilstrahlen 14.1', 14.2' und 14.3' werden unscharf auf der Messobjektsoberfläche 16 abgebildet
und erzeugen Unschärfekreise 31.1, 31.2 und 31.3 die
eine homogene Intensität
und ein tageslichtähnliches
Spektrum aufweisen. In 7 sind die Unschärfekreise 31.1, 31.2 und 31.3 als
gestrichelte Kreise dargestellt, die sich nicht überlagern, sodass nur innerhalb der
Unschärfekreise
die Farbmessung erfolgt. Es kann zu Überlagerung der einzelnen Unschärfekreise 31.1, 31.2 und 31.3 kommen,
falls die Brennweite in einem höheren
Maß verändert wird
oder die einzelnen parallelen Teilstrahlen 14.1, 14.2 und 14.3 näher zueinander
angeordnet sind. Bei einer Überlagerung der
Unschärfekreise
kann sich ein streifenförmiges Messfeld
ergeben, das zur Farbmessung geeignet ist. Im zweiten Modus bleibt
der Drehspiegel 11 wie bereits in 2 starr.
-
Die 8 zeigt
eine schematische Darstellung der chromatisch konfokalen Messmethode.
Die Lichtquelle 5 erzeugt einen polychromatischen Beleuchtungsstrahl 14,
der ein tageslichtähnliches Spektrum
aufweist und somit blaues Licht kurzer Wellenlänge, grünes Licht mittlerer Wellenlänge sowie
rotes Licht langer Wellenlänge
umfasst. Der Beleuchtungsstrahl 14 durchstrahlt den Strahlteiler 6 und
wird vom Objektiv 12 fokussiert. Bei der optischen Brechung
ist der Brechungswinkel abhängig von
der Wellenlänge
des gebrochenen Lichts, sodass der grünfarbige Spektralbereich mittlerer
Wellenlänge 14' des Beleuchtungsstrahls 14 auf
die Messobjektsoberfläche 16 des
Messobjekts 17 fokussiert wird, der blaue Spektralbereich
kurzer Wellenlänge 14'' des Beleuchtungsstrahls 14 auf
einen Fokuspunkt 20 oberhalb der Messobjektsoberfläche 16 fokussiert
wird und der rote Spektralbereich kurzer Wellenlänge 14''' auf den Fokuspunkt 21 unterhalb der
Messobjektsoberfläche 16 fokussiert
wird. Dadurch wird nur der grüne
Spektralbereich mittlerer Wellenlänge 14' scharf auf der Messobjektsoberfläche 16 abgebildet,
wobei der blaue Spektralbereich 14'' und
der rote Spektralbereich 14''' unscharf auf der Messobjektsoberfläche 16 in
Form von Unschärfekreisen 31 abgebildet
werden. Der Beleuchtungsstrahl 14 wird von der Messobjektsoberfläche 16 als der
Beobachtungsstrahl 18 zurückgestrahlt und vom Strahlteiler 6 in
Richtung des Farbsensors 8 umgelenkt. Zwischen den Strahlteiler 6 und
dem Farbsensor 8 ist die Blende 7 konfokal zum
Fokuspunkt 19 auf der Messobjektsoberfläche 16 angeordnet.
Folglich passiert nur der grüne
Spektralbereich 18' mittlerer
Wellenlänge
die Blende 7, wobei der blaue Spektralbereich 18'' und der rote Spektralbereich 18''' des Beobachtungsstrahls 18 herausgefiltert
werden. Die Bilddaten des Farbsensors 8 werden in ihrem
Spektrum analysiert und die Wellenlänge λi des grünen Spektralbereichs 18' bestimmt. Aus
dieser Wellenlänge λi wird dann
die absolute Position der Messobjektsoberfläche 16 in Richtung
des Beleuchtungsstrahls 14 bestimmt. Der Messbereich ΔZ der dargestellten
Vorrichtung befindet sich zwischen den Fokuspunkten 20 und 21 der
Beleuchtungsstrahlen 14'' und 14''' äußeren Spektralbereiche,
innerhalb dessen die absolute Position der Messobjektsoberfläche 16 bestimmt
werden kann. Der Messbereich ΔZ steigt
folglich mit der Spektrumsbreite des Beleuchtungsstrahls 14.
Der Vorteil der chromatisch konfokalen Messmethode gegenüber der
monochromatischen konfokalen Messmethode ist, dass die Brennweite
des Objektivs 12 nicht verändert werden muss, um den Brennpunkt
entlang der Strahlrichtung zu bewegen. Zwischen dem Objek tiv 12 und
dem Objekt 12 ist das chromatische Objektiv 33 im
Strahlengang des Beleuchtungsstrahls 14 angeordnet, um
die Fokuspunkte 20 und 21 auf den Messbereich ΔZ auseinanderzubringen.
Der Messbereich ΔZ
beträgt
30 mm.
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Basiseinheit
- 3
- Handstück
- 4
- Lichtleiter
- 5
- Lichtquelle
- 6
- Strahlteiler
- 7
- Blende
- 8
- Farbsensor
- 9
- Achse
- 10
- Umlenkspiegel
- 11
- Drehspiegel
- 12
- Objektiv
- 13
- Umlenkspiegel
- 14
- Beleuchtungsstrahl
- 15
- erste
Ebene
- 16
- Messobjektoberfläche
- 17
- Messobjekt
- 18
- Beobachtungsstrahl
- 19
- Fokuspunkt
- 20
- Fokuspunkt
des kurzwelligeren Spektralbereichs
- 21
- Fokuspunkt
des langwelligen Spektralbereichs
- 22
- Abtastbewegung
- 23
- Messfeld
- 24
- Schwenkbewegung
- 25
- Achse
- 30
- zweite
Ebene
- 31
- Unschärfekreis
- 40
- erstes
Objektiv
- 41
- zweites
Objektiv
- 42
- Schwenkmechanismus
- 43
- Achse
- 44
- Schwenkbewegung
- 45
- Drehknopf
- 46
- Welle
- 50
- Befestigungsmittel
- 60
- Gehäuse
- 70
- zweites
Handstück
- 71
- Fokuspunkt
- 14.1,
14.2, 14.3
- Teilstrahlen
- 5.1,
5.2, 5.3
- Teillichtquellen
- 12.1,
12.2, 12.3
- Teilobjektive
- 19.1,
19.2, 19.3
- Fokuspunkte
- 21.1,
21.2, 21.3
- Fokuspunkte
- 14.1', 14.2', 14.3'
- Teilstrahlen
- 31.1,
31.2, 31.3
- Unschärfekreise
- 14', 14'', 14'''
- Spektralbereiche
des Beleuchtungsstrahls
- 18', 18'', 18'''
- Spektralbereiche
des Beobachtungsstrahls
- f
- Brennweite
- ΔZ
- Messbereich