DE102012100955A1

DE102012100955A1 - Vorrichtung zum Erfassen der dreidimensionalen Geometrie von Objekten

Info

Publication number: DE102012100955A1
Application number: DE201210100955
Authority: DE
Inventors: Jürgen Jesenko; Horst Koinig; Manfred Gruber; Christoph Nowak
Original assignee: A Tron3d GmbH
Current assignee: A Tron3d GmbH
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erfassen der dreidimensionalen Geometrie von Objekten, insbesondere Zähnen, weist eine optischen Einrichtung mit wenigstens einem Projektor zur Projektion eines Musters, wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens eine Kamera auf. Dabei sendet die Lichtquelle des Projektors Licht in einem Projektions-Wellenlängenbereich (λP) ≤ 420 nm aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der dreidimensionalen Geometrie von Objekten, insbesondere Zähnen, mit einer optischen Einrichtung mit wenigstens einem Projektor zur Projektion eines Musters, wenigstens einer Lichtquelle und wenigstens einer Kamera.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der AT 508 563 B bekannt. Der Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich dabei auf die digitale Aufnahme von Zahn- und Kieferabdrücken, die Hilfestellung bei der Diagnose, die Überwachung von Zahnbehandlungen sowie die zuverlässige Kontrolle von eingesetzten Implantaten. Neben weiteren Einsatzgebieten im Bereich der Medizin- und Industrietechnik, beispielsweise im Bereich der Endoskopie, können auch Objekte stereometrisch vermessen werden, die schwer zugänglich sind.
Bei der Verwendung von normalem, sichtbarem Licht kommt es häufig zu unerwünschter Streuung bzw. Absorption, was für den angestrebten Zweck ungeeignete Daten liefern kann. Bisher begegnete man diesem Effekt durch das Aufbringen mattierender Substanzen, z. B. so genannten Scan-Sprays. Diese haben allerdings den Nachteil, dass die aufgebrachte Substanz selbst ebenfalls zu einem Messfehler führt, der abhängig von der Konsistenz der Substanz (beispielsweise Verklumpung durch Speichelfluss) und der Sorgfalt beim Aufbringen zwischen 10 μm und 70 μm Abweichung von der tatsächlichen Geometrie des zu vermessenden Objektes betragen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass sie eine ebenso große vorzugweise größere Genauigkeit erreicht, als dies bisher der Fall ist, ohne dabei auf weitere Hilfsmittel, wie beispielsweise Scan-Sprays, angewiesen zu sein.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, dass die Lichtquelle des Projektors Licht in einem Projektions-Wellenlängenbereich ≤ 420 nm aussendet.
Bei der Verwendung von Licht in einem Projektions-Wellenlängenbereich ≤ 420 nm stellen sich gegenüber der Verwendung von Licht im längeren, sichtbaren Wellenlängenbereich zwei unerwartete Effekte ein. Zum einen dringt mit abnehmender Wellenlänge das Licht immer weniger tief in den Zahn ein, was zur Folge hat dass sich die Streuung vermindert, zum anderen hat sich gezeigt, dass durch diesen Effekt bei kürzer werdender Wellenlänge ab einem Wert von 420 nm die gewonnen Bilder der Kameras durch einen verbesserten Kontrast des projizierten Musters bereits ohne das Aufbringen von zusätzlichen Substanzen für das Erstellen von dreidimensionalen Bildern ausreichen. Der Effekt tritt umso stärker auf je kürzer die Projektions-Wellenlänge gewählt wird.
Liegt die Wellenlänge unterhalb von 395 nm, insbesondere 385 nm, bevorzugt zwischen 360 nm und 385 nm, stellt sich ein weiterer Effekt ein. Die Zähne beginnen von sich aus zu fluoreszieren. Diese Eigenfluoreszenz kann genutzt werden. Hierzu befindet sich in der Vorrichtung wenigstens eine Kamera, die Licht in wenigsten zwei Aufnahme-Wellenlängenbereichen erfassen kann, zum einen Licht in einem ersten Aufnahme-Wellenlängenbereich, wie es von der Lichtquelle ausgesandt wird, also zwischen 320 nm und 420 nm, bevorzugt zwischen 340 nm und 400 nm, ganz besonders bevorzugt zwischen 340 nm und 385 nm, und zum anderen Licht in einem zweiten Aufnahme-Wellenlängenbereich, wie es durch die Fluoreszenz der Zähne emittiert wird, also zwischen 400 nm und 500 nm, bevorzugt zwischen 420 nm und 480 nm, ganz besonders bevorzugt zwischen 440 nm und 470 nm, insbesondere 460 nm.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossene Zeichnung.
Die Erfindung wird in der Folge unter Bezugnahme die Zeichnung weiter erläutert, in der ein Diagramm zu sehen ist, in dem die aufnehmbare Lichtintensität im Bezug zur aufgenommenen Wellenlänge dargestellt wird.
1 zeigt das Verhältnis zwischen der aufgenommenen Lichtintensität und einer aufgenommenen Aufnahme-Wellenlänge λ_A, für einen mit einer Projektions-Wellenlänge λ_P angestrahlten Zahn. Im Beispiel liegt die Projektions-Wellenlänge λ_P bei 375 nm. Die höchste Intensität liegt bei einem ersten Aufnahme-Wellenlängenbereich λ_A1, welcher sich im wesentlichen im Bereich um die Projektions-Wellenlänge λ_P befindet. Ober- und unterhalb der Projektions-Wellenlänge λ_P nimmt die Lichtintensität der Aufnahme-Wellenlänge λ_A relativ schnell ab. Dass Licht-Intensität auch in den nicht durch die Lichtquelle der optischen Einrichtung ausgesendeten Wellenlängenbereichen messbar bleibt, wird im wesentlichen durch das Umgebungslicht verursacht. Eine Ausnahme dazu stellt der zweite Aufnahme-Wellenlängenbereich λ_A2 dar, in welchem ein zweiter Spitzenwert der Licht-Intensität deutlich zu sehen ist. Dieser zweite Aufnahme-Wellenlängenbereich λ_A2 liegt um einen Wert von 450 nm und wird durch die Fluoreszenz des Zahnes verursacht, welche auftritt wenn Zahnschmelz mit Licht in einem Projektions-Wellenlängenbereich λ_P ≤ 420 nm beleuchtet wird. Dabei ist es für das Auftreten des Effekts unerheblich ob die Lichtquelle kohärentes oder inkohärentes Licht aussendet. Es können also beispielsweise sowohl LED, welche Licht im entsprechenden Wellenlängenbereich aussenden, verwendet werden, als auch Laser mit den entsprechenden Eigenschaften.
Dieser Effekt wurde bisher zur Kariesfrüherkennung genutzt, da durch Karies beschädigter Zahnschmelz bereits in einem sehr frühen Stadium eine gegenüber gesunden Zähnen veränderte Fluoreszenz aufweist als unbeschädigter Zahnschmelz.
Die nach dem Stand der Technik üblicherweise verwendeten Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen von dreidimensionalen Geometrien vergleichen Bilder von definierten Bereichen aus unterschiedlichen Blickwinkeln. Dazu kann eine Kamera vorgesehen sein, die das Objekt, dessen Geometrie erfasst werden soll, aus zwei definierten Blickwinkeln aufnimmt, oder mehrere Kameras, deren Aufnahmewinkel und Abstand zueinander im Vorfeld erfasst wurden. Im Regelfall gilt: Je größer die Menge an Daten bzw. Aufnahmen ist, um so größer ist auch die Übereinstimmung der erfassten Geometrie mit der tatsächlichen Geometrie des zu erfassenden Objektes. Dabei können die Vorteile der Erfindung sowohl genutzt werden, um bei gegenüber dem Stand der Technik gleichbleibender Menge an erfassten Daten eine höhere Genauigkeit zu erzielen, als auch um bei gegenüber dem Stand der Technik gleichbleibender Qualität weniger erfasste Daten zu benötigen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das fluoreszierte Licht als weitere Quelle für Messdaten zum Erfassen der dreidimensionalen Geometrie der gescannten Objekte genutzt. Es können also bei gleicher Ausleuchtung mehr Daten erhoben werden, was wie oben erläutert zu größerer Genauigkeit führt. Dabei sind im Sinne der Erfindung sowohl Varianten möglich, in denen beide Aufnahme-Wellenlängenbereiche λ_A1,A2 gleichermaßen von den selben Kameras erfasst werden, als auch Varianten in denen für jeden Aufnahme-Wellenlängenbereich λ_A1,A2 eigene Kameras vorgesehen sind. Im letzteren Fall besteht die Möglichkeit Aufnahmen im ersten Aufnahme-Wellenlängenbereich λ_A1 und Aufnahmen im zweiten Aufnahme-Wellenlängenbereich λ_A2 miteinander zu vergleichen, um eine noch größere Genauigkeit zu erhalten.
Weiters besteht die Möglichkeit, da im dentalen Bereich der Fluoreszenzeffekt um 450 nm jedenfalls bei Zahnschmelz auftritt, Geometrien, die nur mittels Aufnahmen im ersten Aufnahme-Wellenlängenbereiche λ_A1 erfasst wurden, mit Geometrien, die nur mittels Aufnahmen im zweiten Aufnahme-Wellenlängenbereiche λ_A2 erfasst wurden, zu vergleichen um so in der späteren Darstellung der erfassten Geometrie, die eigentlichen Zähne von den übrigen Substanzen, beispielsweise Kronen, Zahnfleisch oder Füllungen, abzuheben. Dies kann beispielsweise durch unterschiedliche Einfärbung der dargestellten dreidimensionalen Geometrie erfolgen.
Zu diesem Zweck ist es sinnvoll, die Kameras, beispielsweise CCD-Kameras, mit Filtern auszustatten, welche nur noch Licht, das in wenigstens einem der beiden Aufnahme-Wellenlängenbereiche λ_A1,A2 liegt, zum sensorischen Teil der Kamera durchdringen lassen. Dadurch werden zusätzlich Messfehler, die durch das Umgebungslicht verursacht werden können stark vermindert. Eine Ausführungsform, bei welcher die Filterung digital erfolgt, ist ebenso denkbar. So können beispielsweise bei einer farbigen, zweidimensionalen Aufnahme, die als Grundlage für die Berechnung der dreidimensionalen Geometrie des zu erfassenden Objektes dient, lediglich die Bildpunkte der Aufnahme zur Berechnung hinzugezogen werden, welche im gewünschten Farbspektrum, also in den Aufnahme-Wellenlängenbereichen λ_A1,A2, liegen.
Dieselben Methoden zur Filterung lassen sich natürlich auch, in entsprechend angepasster Form, für Aufnahmen, welche nicht über eine halbleiterbasierende Aufnahmemethode gewonnen wurden, anwenden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass halbleiterbasierende Aufnahmemethoden, insbesondere CCD-Kameras, aufgrund ihrer hohen Quantenausbeute und dem dabei geringen Platzbedarf besonders gut für die Aufnahme zweidimensionaler Bilder, welche als Grundlage für die Berechnung der dreidimensionalen Geometrie von Objekten dienen sollen, geeignet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

AT 508563 B [0002]

Claims

Vorrichtung zum Erfassen der dreidimensionalen Geometrie von Objekten, insbesondere Zähnen, mit einer optischen Einrichtung mit wenigstens einem Projektor zur Projektion eines Musters, wenigstens einer Lichtquelle und wenigstens einer Kamera, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle des Projektors Licht in einem Projektions-Wellenlängenbereich (λ_P) ≤ 420 nm aussendet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in der optischen Einrichtung wenigstens zwei Kameras vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Licht in einem Projektions-Wellenlängenbereich (λ_P) > 320 nm aussendet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Licht in einem Projektions-Wellenlängenbereich (λ_P) zwischen 340 nm und 400 nm aussendet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Licht in einem Projektions-Wellenlängenbereich (λ_P) zwischen 340 nm und 385 nm aussendet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung Licht in wenigstens zwei Aufnahme-Wellenlängenbereichen (λ_A1,A2) erfassen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aufnahme-Wellenlängenbereich (λ_A1) zwischen 320 nm und 420 nm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aufnahme-Wellenlängenbereich (λ_A1) zwischen 340 nm und 400 nm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aufnahme-Wellenlängenbereich (λ_A1) zwischen 340 nm und 385 nm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aufnahme-Wellenlängenbereich (λ_A2) zwischen 400 nm und 500 nm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aufnahme-Wellenlängenbereich (λ_A2) zwischen 420 nm und 480 nm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aufnahme-Wellenlängenbereich (λ_A2) zwischen 440 nm und 460 nm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kamera der optischen Einrichtung beide Aufnahme-Wellenlängenbereiche (λ_A1,A2) erfassen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung für jeden Aufnahme-Wellenlängenbereich (λ_A1,A2) jeweils wenigstens eine Kamera aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung drei Kameras aufweist, wovon zwei Kameras Licht im ersten Aufnahme-Wellenlängenbereich (λ_A1) und die dritte Kamera Licht im ersten Aufnahme-Wellenlängenbereich (λ_A1) und/oder im zweiten Aufnahme-Wellenlängenbereich (λ_A2) erfassen kann.