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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät zur berührungslosen Vermessung von Oberflächen von Objekten, insbesondere Dentalabdrücken, mit mindestens einer optischen Projektionseinheit, einer im Strahlengang der Projektionseinheit angeordneten Objektaufnahmeeinheit zur Aufnahme des Objekts, mindestens einer in einem die Projektionseinheit enthaltenden, von einer durch die Objektaufnahmeeinheit senkrecht zu einer die Projektionseinheit mit der Objektaufnahmeeinheit verbindenden Verbindungslinie verlaufenden Ebene begrenzten Halbraum außerhalb der Verbindungslinie angeordneten Kamera, sowie mit einer Bildverarbeitungseinheit zur Bestimmung der Koordinaten aus den von der mindestens einen Kamera aufgenommenen Bilddaten.
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Die Objektaufnahmeeinheit kann im einfachsten Falle als simple Auflage, vorzugsweise mit einer Antirutschbeschichtung versehen, ausgestaltet sein. Sofern ein 3-D Scanner verwendet wird, bei welchem die Kameras gleichermaßen wie der Streifenlichtgenerator um einen Winkelbereich um das Objekt herum schwenkbar ist, bedarf es bei der Objektaufnahmeeinheit im Rahmen der Erfindung keiner weiteren Arretierung oder Befestigung, da ein Verrutschen oder Herunterfallen des Modells ohnehin ausgeschlossen ist. Die Anordnung der Kamera relativ zur Objektaufnahmeeinheit und relativ zur Projektionseinheit ist dabei so gewählt, dass sowohl die Kamera als auch die Projektionseinheit im Wesentlichen nebeneinander “gegenüber“ von der Objektaufnahmeeinheit angeordnet sind. Kamera und Projektionseinheit können zu einer gemeinsamen Baueinheit zusammengefasst sein
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Derartige Koordinatenmessgeräte sind seit einiger Zeit insbesondere in der Dentaltechnik als so genannte 3-D Scanner gebräuchlich. In der Dentaltechnik dienen sie dazu, einen von einem Patienten gewonnenen Dentalenabdruck digital in allen Raumachsen zu vermessen, um anhand der so gewonnenen vollständigen 3-D Daten des Dentalabdrucks mit CAM Methoden einen Zahnersatz, beispielsweise durch Fräsen, herzustellen. Gattungsgemäße 3-D Scanner ersetzen im Bereich der Dentaltechnik zum Beispiel ältere Methoden, welche nach dem Prinzip eines Pantographen auf einer mechanische Abtastung beruhen.
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Insbesondere bei Dentalanwendungen kommt es auf eine möglichst originalgetreue Herstellung des Zahnersatzes an. Entsprechend entscheidend ist eine möglichst fehlerfreie Vermessung der Oberfläche anhand eines gattungsgemäßen Koordinatenmessgeräts, welche die Basis für die anschließende CAM basierte Herstellung eines Zahnersatzes ist. Im Bereich der Dentaltechnik können bereits kleinste Abweichungen von der zulässigen Toleranz zu Problemen führen bzw. im Extremfall eine Rekonstruktion unbrauchbar machen.
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Bei den bekannten Koordinatenmessgeräten wird mit der Projektionseinheit ein Muster, beispielsweise ein Streifenmuster, auf das zu vermessende Objekt projiziert und das mit dem Streifenmuster beleuchtete Objekt wird mittels einer Kamera aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommen. Anschließend wird anhand für sich genommen bekannter fotogrammetischer Verfahren eine Bestimmung der Koordinaten der Oberfläche des Objekts vorgenommen. Im Kern basiert ein gattungsgemäßes Koordinatenmessgerät somit auf einer Bildverarbeitung.
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Bei den bekannten 3-D Scannern zeigt sich in der Praxis mit Nachteil, dass Reflexionen auf den zu vermessenden Objekten die für die Bestimmung der Koordinaten erforderliche Bildverarbeitung erschweren oder im Extremfall unmöglich machen. Der Grund ist, dass bei Reflexionen eine Aussteuerung der Kontraste bei den in der Kamera eingesetzten lichtempfindlichen Elementen in dem die relevante Oberflächeninformation enthaltenden Intensitätsbereich scheitert, da die Intensität der Reflexionen viel größer ist als die Intensität der übrigen Lichtstrahlen, welche auf die Kamera treffen. Um dennoch mit gattungsgemäßen Koordinatenmessgeräten eine Vermessung von Objekten wie zum Beispiel Dentalabdrücken durchführen zu können, ist es im Stand der Technik gängige Praxis, so genannte Entspiegelungssprays einzusetzen. Die Entspiegelungssprays, die auch unter den Bezeichnungen „Anti-Glare-Spray“ oder Scanspray bekannt sind, werden dazu auf das zu vermessende Objekt, also insbesondere auf den Dentalabdruck, aufgesprüht. Aufgrund der gleichmäßigen, feinkörnigen Struktur des Entspiegelungssprays lassen sich die für die fotogrammetrische Bildverarbeitung störenden Reflexe unterbinden. Zur Vermessung von Oberflächen muss der Bediener somit in einem Vorbereitungsschritt das Objekt mit Entspiegelungsspray aus einer gegebenen Entfernung möglichst gleichmäßig besprühen.
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Dies ist zunächst mit Nachteil ein zusätzlicher Arbeitsschritt, welcher den Einsatz eines 3-D Scanners zeitaufwändiger und komplexer macht. Der entscheidende Nachteil des Einsatzes von Entspiegelungssprays ist jedoch, dass die Oberfläche des zu vermessenden Objekts mit einer zusätzlichen Schicht bedeckt wird, deren Schichtdicke zum einen unbekannt ist und zum anderen über die Ausdehnung des Objekts variabel sein kann. Mit Nachteil besteht also im Stand der Technik die Gefahr, dass aufgrund des Auftragens des Entspiegelungssprays eine praktisch relevante Veränderung der Oberfläche des zu vermessenden Objekts einhergeht, welche mit Nachteil dazu führt, dass die Koordinaten des Objekts fehlerbehaftet bestimmt werden.
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Ein gattungsgemäßes Koordinatenmessgerät ist beispielsweise in der
KR 10 2012 006 5307 bzw. in der zugehörigen
WO 2013/180423 offenbart.
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Vor dem geschilderten Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Koordinatenmessgerät zur berührungslosen Vermessung von Oberflächen von Objekten der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem unter Umgehung der geschilderten Nachteile des Standes der Technik eine originalgetreuer Vermessung von Oberflächen von Objekten bei gleichzeitig vereinfachter Handhabung möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Koordinatenmessgerät zur berührungslosen Vermessung von Oberflächen von Objekten der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem im Strahlengang zwischen der Projektionseinheit, dem Objekt und der mindestens einen Kamera ein Polarisationsfilter angeordnet ist. Wie für sich genommen aus der Fotografie seit langem bekannt, lassen sich bei Fotoaufnahmen störende Lichtreflexe mittels eines Polarisationsfilters herausfiltern. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass das reflektierte Licht polarisiert ist, in der Regel linear. Wenn das Polarisationsfilter ebenfalls eine lineare Polarisierung des Lichts bewirkt, kann bei Orientierung der Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters senkrecht zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts eine selektive Filterung des reflektierten Lichts erzielt werden. Mit Vorteil kann eine originalgetreue Vermessung des Objekts auf diese Weise ohne vorherige Behandlung des Objekts mit Entspiegelungsspray oder ähnlichem vorgenommen werden. Die Bearbeitung gestaltet sich auf diese Weise mit Vorteil bei gleichzeitiger Verbesserung der Ergebnisse durch den Wegfall eines Vorbehandlungsschrittes einfacher. Als Polarisationsfilter kommt jedes an den durch die Projektionseinheit und Kamera vorgegebenen Wellenlängenbereich angepasste handelsübliche Polarisationsfilter in Betracht.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Polarisationsfilter im Strahlengang zwischen dem Objekt und der mindestens einen Kamera angeordnet. Im einfachsten Fall kann das Polarisationsfilter im Rahmen der Erfindung der Kamera unmittelbar vorgeschaltet sein. Auch ist denkbar, dass das Positionsfilter in die Optik der Kamera integriert ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann in anderer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung das Polarisationsfilter im Strahlengang zwischen der Projektionseinheit und dem Objekt angeordnet sein. Auch hier kann im einfachsten Falle das Polarisationsfilter unmittelbar am Ausgang der Projektionseinheit angebracht sein.
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Um dem Umstand Rechnung zu tragen, dass die Polarisationsrichtung des vom Objekt reflektierten Lichtes relativ zur optischen Projektionseinheit und/oder relativ zur Kamera von Messung zu Messung unterschiedlich sein kann, ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Polarisationsfilter drehbar angeordnet ist, um dessen Polarisationsrichtung zu drehen. Insbesondere, wenn die Kamera und/oder die Projektionseinheit relativ zum Objekt gedreht werden können, wie im Falle der in der
WO 2013/180423 beschriebenen Vorrichtung, wird eine ständige Anpassung der Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters erforderlich sein, um erfindungsgemäß Reflexe herauszufiltern.
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In spezieller Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Polarisationsfilter einen linearen Polarisator. Im Rahmen der Erfindung sind alle dem Fachmann für sich bekannten Polarisatoren geeignet.
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Sofern das erfindungsgemäße Koordinatenmessgerät mehrere Kameras, beispielsweise zwei, aufweist, ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung mit Vorteil jeweils ein Polarisationsfilter für jede Kamera vorgesehen.
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Wenn in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung Mittel zum Bewegen des Polarisationsfilters relativ zu der Kamera und/oder relativ zu der Projektionseinheit vorgesehen sind, lässt sich mit Vorteil das Polarisationsfilter aus dem Strahlengang heraus oder in diesen hinein bewegen. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht es mit Vorteil, in Fällen, in denen Reflexionen nicht stören oder auf andere Weise eliminiert werden, das Polarisationsfilter aus dem Strahlengang zu entfernen, um keine ungewollten Intensitätseinbußen hervorzurufen.
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Insbesondere können die Mittel zum Bewegen des Polarisationsfilters eine Schubstange umfassen. Die Schubstange kann insbesondere in noch bevorzugter Ausgestaltung über einen Motor, insbesondere Servomotor, antreibbar ausgestaltet sein.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts sind Regelungsmittel vorgesehen, um zur Erreichung einer gewünschten Qualität eines von der Kamera aufgenommenen Bildes in Abhängigkeit von Eigenschaften der gemessenen Bilddaten das Polarisationsfilter zu drehen und/oder aus dem Strahlengang heraus oder in diesen hinein zu bewegen. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung ermöglichen es die Regelungsmittel, anhand einer Analyse des von der Kamera aufgenommenen Bildes festzustellen, ob störende Reflexe vorhanden sind. Nur in diesem Falle können die Regelungsmittel erfindungsgemäß über Mittel zum Bewegen des Polarisationsfilters das Polarisationsfilter in den Strahlengang hinein bewegen. Außerdem können die Regelungsmittel bewirken, dass das Polarisationsfilter solange gedreht wird, bis störende Reflexe in befriedigendem Maße ausgelöscht sind. Dabei dient jeweils eine Auswertung der Bilddaten anhand der Bildverarbeitungseinheit als Kriterium, wann eine geeignete Orientierung des Polarisationsfilters gegeben ist. Mit Vorteil lässt sich eine Eliminierung störender Reflexe anhand der erfindungsgemäßen Regelungsmittel vollständig automatisieren, ohne dass ein Eingriff des Benutzers erforderlich ist.
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In spezieller Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts sind die Kamera und/oder die Projektionseinheit relativ zur Objektaufnahmeeinheit bewegbar ausgestaltet, wobei das Polarisationsfilter derart angeordnet ist, dass die relative Position des Polarisationsfilters zu der Kamera und und/oder zu der Projektionseinheit unbeschadet einer Bewegung der Kamera und/oder der Projektionseinheit relativ zur Objektaufnahmeeinheit fixiert ist. Zusätzlich kann im Rahmen der Erfindung die Objektaufnahmeeinheit, welche beispielsweise als Modellteller ausgestaltet sein kann, um die vertikale Achse rotiert werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht ein vollständiges Vermessen der Oberfläche des Objekts, ohne dass eine Kippbewegung des Objekts erforderlich ist, die eine Arretierung oder Befestigung des Modells an der Objektaufnahmeeinheit erforderlich macht. Im Zusammenwirken mit den auf ein Polarisationsfilter gerichteten Merkmalen der Erfindung ergibt sich durch die Möglichkeit der Anpassung der räumlichen Orientierung des Polarisationsfilters und der Drehung dessen Polarisationsrichtung die Möglichkeit, beim Verschwenken der Kameras und des Streifenlichtgenerators, beispielsweise um einen Winkelbereich von 0° bis 90°, die Möglichkeit, durch geeignete Justierung des Polarisationsfilters in jeder Orientierung, in welcher ein Scanvorgang erfolgt, die Reflexe wirksam zu unterbinden. Dazu ist es mit Vorteil nicht erforderlich, das Objekt zuvor beispielsweise mit einem Entspiegelungsspray vorzubehandeln.
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Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
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Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die Figuren der Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
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1: eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung eines Koordinatenmessgeräts gemäß der Erfindung in Form eines 3-D Scanners;
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2: eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung der relativen Anordnung der Bauteile der Vorrichtung gemäß 1;
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3: eine Detaildarstellung des Bereichs III aus 1.
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Die 1 zeigt einen 3-D Scanner 1 für Dentalanwendungen in ihrem prinzipiellen Aufbau in einer perspektivischen Darstellung. Der 3-D Scanner gemäß der Erfindung weist einen Modellteller 2 als Objektaufnahmeeinheit auf. Auf dem Modellteller 2 befindet sich das Objekt 3, welches vermessen werden soll. Der Modellteller 2 ist um die vertikale Achse 4 drehbar.
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Der Modellteller 2 ist auf einer Grundplatte 5 drehbar um die vertikale Achse 4 angebracht.
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Der erfindungsgemäße 3-D Scanner weist weiterhin einen Streifenlichtgenerator 6 auf, welcher in für sich genommen bekannter Weise nach einer fotogrammetischen Methode ein Streifenmuster auf das auf dem Modellteller 2 angeordnete Objekt 3 projiziert. Das Streifenmuster ist in der 1 nicht zu erkennen. Seitlich neben dem Streifenlichtgenerator ist jeweils eine Kamera 7 angeordnet, wobei die optischen Achsen der Kameras 7 gegenüber der optischen Achse des Streifenlichtgenerators 6 in ebenfalls für sich bekannter Weise in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind. Der Streifenlichtgenerator 6 und die beiden daneben angeordneten Kameras 7 sind auf einer Montageplatte 8 montiert. Die Montageplatte 8 bildet dabei den oberen Abschluss eines Schwenkrahmens 9, welcher um die horizontale Achse 10 drehbar gelagert ist.
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Die 2 zeigt eine Prinzipdarstellung in Draufsicht senkrecht auf die Montageplatte 8 gemäß 1. 2 dient zur Veranschaulichung der für die Erfindung maßgeblichen geometrischen Anordnung des Streifenlichtgenerators 6, der Kameras 7 sowie des Modelltellers 2 relativ zueinander. In der Perspektive gemäß 2 erscheint der kreisrunde Modellteller 2 oval. Wie zu erkennen, sind die Kameras 7 in einem Halbraum 11 angeordnet, in welchem auch der Streifenlichtgenerator 6 angeordnet ist. Der Halbraum 11 ist begrenzt durch eine Ebene 12. Die Ebene 12 verläuft durch die Modellteller 2. Die Ebene 12 verläuft im rechten Winkel zu einer den Streifenlichtgenerator 6 mit dem Modellteller 2 verbindenden Verbindungslinie 17. Die Ebene 12 erstreckt sich senkrecht zur Zeichenebene gemäß 2. Dementsprechend ist die Ebene 12 in 2 als Schnittlinie zwischen der Zeichenebene und der Ebene 12 zu erkennen. Wie weiterhin in 2 zu erkennen, sind die Kameras 7 in dem Halbraum 11 außerhalb der Verbindungslinie 17 angeordnet.
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Die 3 zeigt eine Vergrößerung des Bereichs III gemäß 1. Wie zu erkennen, ist vor jeder Kamera 7 ein lineares Polfilter 13 angeordnet. Die Polfilter 13 sind jeweils über eine Schwenkachse 14 derart mit einer Schubstange 15 verbunden, dass eine translatorische Bewegung der Schubstange 15 in eine Schwenkbewegung der beiden Polfilter 13 umgewandelt wird. Die Schubstange 15 ist über einen Servomotor 16 verschiebbar. Sie ist mi der Montageplatte 8 verbunden. Außerdem sind die Polfilter 13 in deren Umfangsrichtung jeweils mit einem in der 3 nichtdargestellten Servomotor rotierbar.
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Um erfindungsgemäß mit dem erfindungsgemäßen 3-D Scanner das auf dem Modellteller
2 angeordnete Objekt
3, insbesondere an einen Dentalabdruck, zu vermessen, beispielsweise zwecks Bestimmung der Daten für die CAD/CAM Fertigung von zahnmedizinischen Rekonstruktionen, entsprechend dem Dentalabdruck, wird in für sich genommen bekannter Weise mit dem 3-D Scanner eine Abtastung vorgenommen, wie zum Beispiel näher in der
WO 2013/180423 , auf deren Offenbarungsgehalt insoweit verwiesen wird, beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird jedoch zur Unterbindung von Reflexionen, welche die Bildauswertung erschweren oder im Extremfall unmöglich machen, anhand des Servomotors 16 und der nicht dargestellten Motoren zur Rotation der Polfilter 13 bewirkt, dass die Polfilter 13 je nach Bedarf in den Strahlengang zwischen dem Objekt 3 und den Kameras 7 eingeschwenkt und in geeigneter Weise rotiert worden, um eine Eliminierung von Reflexionen in jeder Stellung des Schwenkrahmens 9 und der sich daraus ergebenden relativen Anordnung der Kameras 7, des Streifenlichtgenerators 6 sowie des Modelltellers 2 mit dem Objekt 3 zu erreichen. Dabei stellt erfindungsgemäß eine in den Figuren nicht dargestellte Regelungseinheit anhand einer bildverarbeitungstechnischen Auswertung der von den Kameras 7 aufgenommenen Bilder eine optimale Orientierung der Polarisationsebene der Polfilter 13 und einen geeigneten Schwenkzustand der Polfilter 13 sicher. In einer in den Figuren nicht dargestellten alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen 3-D Scanners können die Polfilter 13 auch unabhängig voneinander schwenkbar ausgestaltet sein. Dies ist für den Fall vorteilhaft, dass beispielsweise störende Reflexe nur in einer der beiden Kameras 7 auftreten.
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Erfindungsgemäß ist die Verwendung des 3-D Scanner zum Vermessen des Objekts 3 einfacher als beim Stand der Technik, da eine Vorbehandlung des Objekts 3 mit einem Entspiegelungsspray entfällt. Gleichzeitig ist die Vermessung der Oberfläche des Objekts 3 originalgetreuer, da keine zusätzliche Schicht in Form des Entspiegelungssprays aufgetragen wird, deren Dicke unbekannt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- 3D Scanner
- 2
- Modellteller
- 3
- Objekt
- 4
- vertikale Achse
- 5
- Grundplatte
- 6
- Streifenlichtgenerator
- 7
- Kamera
- 8
- Montageplatte
- 9
- Schwenkrahmen
- 10
- horizontale Achse
- 11
- Halbraum
- 12
- Ebene
- 13
- Polfilter
- 14
- Schwenkachse
- 15
- Schubstange
- 16
- Servomotor
- 17
- Verbindungslinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 1020120065307 [0008]
- WO 2013/180423 [0008, 0013, 0031]
