DE102016000415A1 - Device for the three-dimensional detection of a surface structure - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum dreidimensionalen Erfassen einer Oberflächenstruktur (11; 11'; 11'), insbesondere zum Erfassen von Zähnen (13), mit einer chromatisch-konfokalen Optik (40, 42, 44), die eine optische Achse (41) umfasst, und mit einer Lichtquelle (16), die ein Raster von lateral zur optischen Achse beabstandeten Einzellichtquellen (34) aufweist. Dabei bildet die Optik die Einzellichtquellen (34) derart auf die Oberflächenstruktur (11; 11'; 11'') ab, dass dort ein Raster von Messpunkten (49) erzeugt wird, die voneinander lateral beabstandet sind. Eine Bildaufnahmeeinheit (50) ist optisch äquivalent zu den Einzellichtquellen (34) angeordnet, um das Raster von Messpunkten (49) zu erfassen. Ferner ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu eingerichtet, die Lichtquelle (16) derart anzusteuern, dass die Einzellichtquellen (34) in zeitlicher Abfolge Licht mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung abgeben, und mit Hilfe der Bildaufnahmeeinheit (50) das Raster von Messpunkten (49) korreliert mit der zeitlichen Abfolge des von den Einzellichtquellen (34) abgegebenen Lichts zu erfassen.The invention relates to a device (10) for three-dimensionally detecting a surface structure (11, 11 ', 11'), in particular for detecting teeth (13), with a chromatic-confocal optic (40, 42, 44) having an optical axis (41), and a light source (16) having a grid of individual light sources (34) spaced laterally from the optical axis. In this case, the optics images the individual light sources (34) onto the surface structure (11, 11 ', 11 ") in such a way that a grid of measuring points (49) is produced there, which are laterally spaced from one another. An image pickup unit (50) is optically equivalent to the individual light sources (34) arranged to detect the grid of measurement points (49). Furthermore, a control and evaluation device (70) is set up to control the light source (16) in such a way that the individual light sources (34) emit light with different spectral composition in chronological order, and with the aid of the image recording unit (50) the grid of measuring points ( 49) correlates with the time sequence of the light emitted by the individual light sources (34).
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen einer Oberflächenstruktur, insbesondere zum Erfassen von Zähnen,
- a) mit einer chromatisch-konfokalen Optik, die eine optische Achse umfasst, und
- b) mit einer Lichtquelle, die ein Raster von lateral zur optischen Achse beabstandeten Einzellichtquellen aufweist,
- c) wobei die Optik die Einzellichtquellen derart auf die Oberflächenstruktur abbildet, dass dort ein Raster von Messpunkten erzeugt wird, die voneinander lateral beabstandet sind,
- d) wobei eine Bildaufnahmeeinheit optisch äquivalent zu den Einzellichtquellen angeordnet ist, um das Raster von Messpunkten zu erfassen.
- a) with a chromatic-confocal optical system comprising an optical axis, and
- b) with a light source having a grid of individual light sources spaced laterally from the optical axis,
- c) wherein the optics images the individual light sources onto the surface structure in such a way that a grid of measuring points is generated there, which are laterally spaced from one another,
- d) wherein an image pickup unit is arranged optically equivalent to the individual light sources to detect the grid of measurement points.
2. Beschreibung des Standes der Technik2. Description of the Related Art
Aus der
Der chromatisch-konfokalen Messanordnung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Brechkraft einer Linse im Allgemeinen von der Wellenlänge des hindurchtretenden Lichts abhängig ist. Dadurch weist eine Linse je nach Wellenlänge räumlich unterschiedlich verlaufende Fokusflächen und damit auch Bildflächen auf. Dieser Effekt ist bei optischen Systemen als chromatische Aberration bekannt und wird als unerwünschter Bildfehler angesehen, der beispielsweise durch die Verwendung von Achromaten oder Apochromaten möglichst korrigiert werden soll.The chromatic-confocal measuring arrangement is based on the knowledge that the refractive power of a lens is generally dependent on the wavelength of the light passing through. As a result, depending on the wavelength, a lens has spatially differently extending focus areas and thus also image areas. This effect is known in optical systems as chromatic aberration and is regarded as an undesirable image defect, which should be corrected as much as possible, for example, by the use of achromats or apochromats.
Bei der chromatischen-konfokalen Messanordnung macht man sich jedoch die sogenannte chromatische Längsaberration (CLA) zu Nutze, indem Weißlicht über eine Optik mit einer möglichst großen CLA auf eine Oberfläche abgebildet wird. Auf diese Weise wird der kurzwellige, blaue Anteil des Lichts näher bei der Optik gebündelt als der langwellige, rote Anteil.In the case of the chromatic-confocal measuring arrangement, however, the so-called longitudinal chromatic aberration (CLA) is utilized by imaging white light onto a surface via optics with the largest possible CLA. In this way, the short-wave, blue portion of the light is focused closer to the optics than the long-wave, red portion.
Das von der Oberfläche rückgestreute Licht wird über die chromatische Optik und einen Strahlteiler konfokal auf ein Spektrometer abgebildet.The backscattered light from the surface is confocal imaged on a spectrometer via the chromatic optics and a beam splitter.
Befindet sich die Oberfläche nun beispielsweise an jenem Ort, an welchem das blaue Licht gebündelt wird, gelangt das rückgestreute blaue Licht nahezu vollständig wieder in die Optik. Für das blaue Licht ist somit die chromatisch-konfokale Bedingung erfüllt. Das rote Licht hingegen wird aufgrund der unscharfen Fokussierung auf der Oberfläche größtenteils in Richtungen gestreut, die nicht in den konfokalen Strahlengang der Optik fallen. Insgesamt wird dadurch erheblich weniger rotes Licht auf das Spektrometer fallen.If the surface is now, for example, at the place where the blue light is focused, the backscattered blue light almost completely returns to the optics. For the blue light thus the chromatic-confocal condition is met. The red light, on the other hand, due to the blurred focus on the surface, is mostly scattered in directions that do not fall within the confocal optical path of the optic. Overall, significantly less red light will fall on the spectrometer.
Durch Bestimmen der spektralen Anteile des rückgestreuten Lichts mit Hilfe des Spektrometers kann daher die Entfernung der Oberfläche zur Messanordnung erfassen werden.By determining the spectral components of the backscattered light with the aid of the spectrometer, therefore, the distance of the surface from the measuring arrangement can be detected.
Um ein dreidimensionales Bild der Oberfläche zu erhalten, werden die bekannten chromatisch-konfokalen Messanordnungen über die zu erfassende Oberfläche gescannt.In order to obtain a three-dimensional image of the surface, the known chromatic-confocal measuring arrangements are scanned over the surface to be detected.
Zur Vermeidung der Scanbewegung wird bei der Vorrichtung nach der
Nachteilig an den bisher verwendeten Vorrichtungen ist der relativ hohe aparative Aufwand und die Baugröße für die Kombination aus Prisma bzw. Gitter und Bildwandler mit Abbildungsoptik als Spektrometer.A disadvantage of the devices used hitherto is the relatively high cost and expense for the combination of prism or grating and image converter with imaging optics as a spectrometer.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen einer Oberflächenstruktur, insbesondere zum Erfassen von Zähnen, anzugeben, bei der die Bildaufnahmeeinheit besser, insbesondere kleiner und kostengünstiger, realisiert werden kann.The object of the invention is therefore to provide a device for three-dimensional detection of a surface structure, in particular for detecting teeth, in which the image-recording unit can be better, in particular smaller and less expensive, realized.
Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe mit einer Vorrichtung eingangs genannter Art gelöst, bei der
- e) eine Steuer- und Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist,
- – die Lichtquelle derart anzusteuern, dass die Einzellichtquellen in zeitlicher Abfolge Licht mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung abgeben, und
- – mit Hilfe der Bildaufnahmeeinheit das Raster von Messpunkten korreliert mit der zeitlichen Abfolge des von den Einzellichtquellen abgegebenen Lichts zu erfassen.
- e) a control and evaluation device is provided, which is set up to
- To control the light source in such a way that the individual light sources emit light of different spectral composition in chronological order, and
- - To detect the grid of measuring points correlated with the temporal sequence of the light emitted from the individual light sources with the aid of the image recording unit.
Der Erfinder hat erkannt, dass keine aufwendige Kombination aus Prisma bzw. Gitter und Bildwandler mit Abbildungsoptik als Spektrometer notwendig ist, wenn die unterschiedlich farbigen spektralen Anteile anstatt zeitgleich in zeitlicher Abfolge an der Bildaufnahmeeinheit auftreffen. Dadurch ersetzt die Zeitachse eine für das Erfassen der spektralen Anteile üblicherweise notwendige Dispersionsrichtung.The inventor has recognized that no complex combination of prism or grid and Image converter with imaging optics is necessary as a spectrometer when the differently colored spectral components impinge instead of simultaneously on the image acquisition unit in time sequence. As a result, the time axis replaces a dispersion direction which is usually necessary for detecting the spectral components.
Beim Erfassen der von den Messpunkten stammenden Intensitäten in der Bildaufnahmeeinheit wird dann die zeitliche Abfolge der Beleuchtung berücksichtigt, um zu bestimmen, für welche Farbe die konfokale Bedingung am besten erfüllt ist. Daraus lässt sich dann für jeden Messpunkt der Abstand zur Oberflächenstruktur ermitteln. Entscheidend ist dabei jeweils die Abfolge innerhalb eines Paares von Einzellichtquelle und zugehörigem Messpunkt. Untereinander kann die zeitliche Abfolge der spektralen Zusammensetzung an den Einzellichtquellen unterschiedlich sein.Upon detecting the intensities originating from the measurement points in the image acquisition unit, the temporal sequence of the illumination is then taken into account in order to determine for which color the confocal condition is best fulfilled. From this, the distance to the surface structure can then be determined for each measuring point. Decisive in each case is the sequence within a pair of individual light source and associated measuring point. The time sequence of the spectral composition at the individual light sources can be different among one another.
Unter unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung des von den Einzellichtquellen in zeitlicher Abfolge abgegebenen Lichts ist hier vor allem eine unterschiedliche Farbe des Lichts insbesondere mit einem jeweils möglichst engen Wellenlängenband zu verstehen. Vorzugsweise ist die zeitliche Abfolge der spektralen Zusammensetzungen so gewählt, dass das Zentrum des Wellenlängenbandes sich kontinuierlich verändert. Obwohl je nach gewünschter Auflösung auch voneinander beabstandete Wellenlängenbänder denkbar sind, folgen die Wellenlängenbänder vorteilhaft jedoch spektral dicht aufeinander.Under different spectral composition of the light emitted from the individual light sources in time sequence light is to be understood here especially a different color of the light, in particular with a respective narrowest wavelength band. Preferably, the time sequence of the spectral compositions is selected so that the center of the wavelength band changes continuously. Although, depending on the desired resolution and spaced-apart wavelength bands are conceivable, the wavelength bands follow advantageous but spectrally close to each other.
Als Lichtquelle, die eine solche zeitliche Abfolge der Beleuchtung erzeugen kann, kommen beispielsweise unterschiedlich farbige LEDs oder dergleichen in Frage, die auf denselben Messpunkt abgebildet werden. Vorzugsweise weist die Lichtquelle jedoch vor einem Rasterelement zum Erzeugen der Einzellichtquellen ein dispersives Element mit einer Dispersionsrichtung, insbesondere ein optisches Gitter mit einer Beugungsrichtung, und mindestens eine zumindest teilweise in Dispersionsrichtung ausgerichtete Zeile von einzeln ansteuerbaren breitbandigen Lichtquellen, vorzugsweise Weißlichtquellen, insbesondere LEDs, auf. Unter breitbandigen Lichtquellen wird hier vor allem verstanden, dass der Wechsel der Lichtquellen ohne die Verwendung des dispersiven Elements nicht zu einer ausreichenden Auflösung der chromatisch-konfokalen Bedingung führen würde. Durch die Verwendung des dispersiven Elements fällt beim Schalten der breitbandigen Lichtquellen dennoch nacheinander Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge auf das Rasterelement, wodurch die Einzellichtquellen wiederum in entsprechender zeitlicher Abfolge ausreichend unterschiedlich farbiges Licht abgeben.As a light source that can produce such a temporal sequence of lighting, for example, different colored LEDs or the like come into question, which are mapped to the same measuring point. Preferably, however, the light source in front of a raster element for generating the individual light sources, a dispersive element with a dispersion direction, in particular an optical grating with a diffraction direction, and at least one aligned at least partially in the dispersion direction row of individually controllable broadband light sources, preferably white light sources, in particular LEDs on. Broadband light sources are understood here in particular as meaning that the change of the light sources without the use of the dispersive element would not lead to a sufficient resolution of the chromatic-confocal condition. By using the dispersive element, however, when the broadband light sources are switched, light of different wavelengths successively falls on the raster element, as a result of which the individual light sources in turn emit color light of sufficiently different color in a corresponding chronological sequence.
Als Rasterelement kann die Lichtquelle beispielsweise eine Lochrasterblende mit einem Raster von Blendenöffnungen umfassen. Dabei kann der Lochrasterblende ein Mikrolinsenarray vorgeschaltet sein. In diesem Zuge kann auch eine Kondensorlinse zur Anwendung kommen, um möglichst viel Lichtintensität in die Blendenöffnungen zu fokussieren. Alternativ können die Einzellichtquellen auch durch ein aufgespaltetes Lichtfaserbündel dargestellt werden.As a raster element, the light source may comprise, for example, a perforated screen with a grid of apertures. In this case, the hole screen aperture may be preceded by a microlens array. In this course, a condenser lens can be used to focus as much light intensity in the apertures. Alternatively, the individual light sources can also be represented by a split optical fiber bundle.
Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung derart eingerichtet ist, dass die breitbandigen Lichtquellen in beliebiger aber fest vorgegebener Reihenfolge aktiviert und deaktiviert werden.Preferably, the control and evaluation device is set up such that the broadband light sources are activated and deactivated in any desired but fixed sequence.
Dabei können die breitbandigen Lichtquellen mit derselben Frequenz getaktet aktiviert und deaktiviert werden, wobei die Taktungen der einzelnen Weißlichtquellen zueinander phasenverschoben sind. Die Abfolge von farbigem Licht in den Messpunkten ist damit zeitlich zumindest versetzt.In this case, the broadband light sources clocked at the same frequency can be activated and deactivated, wherein the timings of the individual white light sources are mutually out of phase. The sequence of colored light in the measuring points is thus at least offset in time.
Vorzugsweise wendet man eine zur Dispersionsrichtung korrelierende, beispielsweise eine proportionale, zumindest eine monoton steigende oder monoton fallende Phasenverschiebung an, wobei der Betrag der Phasenverschiebung dem gewünschten Dispersionsbereich angepasst ist. Unter der Voraussetzung, dass das über die Mikrolinsen-Optik in die Blendenöffnungen gelangende Licht von mindestens 2 benachbarten LEDs ausgeht, was unter Verwendung von sehr kleinen LEDs und einer entsprechenden Dimensionierung der Mikrolinsenoptik erreicht werden kann, ergibt sich ein praktisch kontinuierliches verändern der zentralen Wellenlänge des Lichtes welches durch die Blendenöffnung gelangt. Die Frequenz, mit welcher so die Lichtfarbe periodisch, kontinuierlich, und rampenförmig durchlaufen wird, entspricht der Taktfrequenz der breitbandigen Lichtquellen. Die Bildaufnahmeeinheit umfasst vorzugsweise ebenfalls ein Rasterelement, dessen Raster optisch äquivalent zum Raster der Einzellichtquellen angeordnet ist. Im einfachsten Fall wird dies durch ein exklusives Auslesen, bzw. Berücksichtigen der entsprechenden Bildpunkte des Bildaufnahmesensors realisiert, und in einem weniger einfachen aber ggf. notwendigen Fall ist dies eine Lochrasterblende, die ein Raster von Blendenöffnungen aufweist.Preferably, one applies to a direction of dispersion correlating, for example, a proportional, at least one monotonically increasing or monotonically decreasing phase shift, wherein the amount of phase shift is adapted to the desired dispersion range. Assuming that the light passing into the apertures via the microlens optics emanates from at least two adjacent LEDs, which can be achieved using very small LEDs and a corresponding dimensioning of the microlens optics, a practically continuous change in the central wavelength of the Light which passes through the aperture. The frequency with which the light color is passed through periodically, continuously, and in steps, corresponds to the clock frequency of the broadband light sources. The image recording unit preferably also comprises a raster element whose raster is optically equivalent to the raster of the individual light sources. In the simplest case, this is realized by an exclusive reading, or taking into account of the corresponding pixels of the image sensor, and in a less simple but possibly necessary case, this is a hole grid aperture having a grid of apertures.
Vorzugsweise umfasst die Bildaufnahmeeinheit einen flächigen Bildaufnahmesensor, der zumindest an den Positionen, an welchen die Messpunkte abgebildet sind, eine zeitliche Diskriminierung der von den Messpunkten rückgestreuten Intensität erlaubt.Preferably, the image acquisition unit comprises a planar image acquisition sensor which, at least at the positions at which the measurement points are imaged, permits temporal discrimination of the intensity backscattered by the measurement points.
Vorzugsweise wird dies durch einen Lock-in-Kamera-Sensor möglich. Solche Lock-in-Kamera-Sensoren liefern am Ausgang prinzipiell neben dem Amplitudensignal für jeden Pixel zumindest auch noch ein Phasensignal für einen gegebenenfalls dem Photonenstrom aufgeprägten Wechselanteil.This is preferably made possible by a lock-in-camera sensor. Such lock-in-camera sensors provide at the output, in principle, in addition to the amplitude signal for each pixel at least also nor a phase signal for an optionally charged to the photon current alternating component.
Eine aufwändige Version eines solchen Lock-in-Kamera-Sensors mit erhöhter Empfindlichkeit und Aufnahmegeschwindigkeit und besserer Dynamik steht als pOCT-Sensor (parallel Optical low-Coherence Tomography Sensor) oder Fast-Lock-in-Sensor am Markt zur Verfügung. Eine einfachere Version eines solchen Lock-in-Kamera-Sensors ist mittlerweile als Time-of-Flight-Image-Sensor (TOF-Sensor), auch Distance-Aerea-Image-Sensor (DAI-Sensor) genannt, auf dem Markt kostengünstig erhältlich. Bei einem solchen ToF- oder DAI-Sensor werden für jedes Pixel jeweils mindestens zwei Speicherelemente zum Speichern einer erfassten Photonenintensität verwendet, wobei über eine Synchronisierungseinrichtung und/oder einen Triggeranschluss bestimmt wird in welches der Speicherelemente die momentan auftreffende Photonenintensität aufintegriert wird.An elaborate version of such a lock-in-camera sensor with increased sensitivity and recording speed and better dynamics is available as a pOCT (parallel optical low coherence tomography sensor) or fast lock-in sensor on the market. A simpler version of such a lock-in-camera sensor is now available on the market as a time-of-flight image sensor (TOF sensor), also known as a distance aerea image sensor (DAI sensor) , In such a ToF or DAI sensor, at least two storage elements are used for each pixel for storing a detected photon intensity, wherein a synchronization device and / or a trigger connection is used to determine in which of the storage elements the instantaneous incident photon intensity is integrated.
Ein solches Verhalten, dass die auftreffende Photonenintensität eines Messpunktes im Wechsel in verschiedenen Speicherelementen aufintegriert werden, lässt sich auch durch einen Full-Frame CCD-Sensor (FF-CCD), oder durch einen Frame-Transfer-CCD-Sensor (FT-CCD), oder durch einen Time-Delayed-Integration-Sensor (TDI) realisieren. Diese Sensoren arbeiten alle nach dem Prinzip, dass die durch die auftreffenden Photonen abgetrennten Ladungen zum Auslesen durch andere Aufnahmezellen (Charged-Coupled-Devices (CCD)) hindurch geleitet werden. Zur Realisierung der hier notwendigen Funktionalität müssen zwischen den auf dem Sensor abgebildeten Messpunkten in Richtung der Ladungskopplung des Sensors noch ausreichend unbelichtete CCD-Zellen zur Verfügung stehen die selbst kein Licht aufnehmen dürfen, also z. B. durch eine zu den Messpunkten passende Rasterblende abgedeckt sind. Dabei könnte auch ein weiteres feststehendes Mikrolinsenarray hilfreich sein um die für gewöhnlich mehr als 10 μm großen Blendenöffnungen der Lochrasterblende auf die Pixeldimension, welche für gewöhnlich kleiner als 10 μm ist, zu verkleinern. Wenn es gelingt die Rasterblendenmatrix und das Mikrolinsenarray so anzuordnen, dass jeder Messpunkt eine eigene Ladungskette, ohne Beeinflussung durch andere Messpunkte hat, so kann in vorteilhafter Weise die Ladungskette eines FF-CCD-Sensors oder TDI-Sensors kontinuierlich ausgelesen werden und sogar noch innerhalb der Auslesung die Integrationszeit durch Ändern der Taktfrequenz kontinuierlich geändert werden. Die ausgelesenen Bilder würden dann in den Spalten jeweils ein Hell-Dunkel-Signal tragen in dessen Phasenverschiebung relativ zum Auslesetakt die Zeitinformation beinhaltet ist.Such a behavior that the incident photon intensity of a measuring point is alternately integrated in different memory elements can also be determined by a full-frame CCD sensor (FF-CCD) or by a frame transfer CCD sensor (FT-CCD). , or realized by a time-delayed integration sensor (TDI). These sensors all operate on the principle that the charges separated by the incident photons are passed through other charged-coupled devices (CCDs) for readout. In order to realize the functionality required here, sufficiently unexposed CCD cells must still be available between the measuring points imaged on the sensor in the direction of the charge coupling of the sensor which themselves must not receive any light, ie, for example. B. are covered by a matching to the measuring points grid aperture. In this case, another fixed microlens array could be helpful to reduce the usually more than 10 microns aperture apertures of the hole screen aperture on the pixel dimension, which is usually less than 10 microns to zoom out. If it is possible to arrange the screen diaphragm matrix and the microlens array so that each measurement point has its own charge chain, without being influenced by other measurement points, advantageously the charge chain of an FF-CCD sensor or TDI sensor can be continuously read out and even within the Readout the integration time can be changed continuously by changing the clock frequency. The read-out images would then each carry a light-dark signal in the columns whose phase shift relative to the read-out clock the time information is included.
Mit CCD- und TDI-Sensoren ist aber auch durch eine gezielte synchronisierte vor- und/oder rückwärtige Ladungsverschiebung während einer Bildintegration der gleiche Effekt wie im DAI/ToF-Sensor, allerdings mit verminderter Geschwindigkeit, darstellbar.With CCD and TDI sensors, however, the same effect as in the DAI / ToF sensor, although at a reduced speed, can also be represented by a specific synchronized forward and / or backward charge shift during image integration.
Bei all den genannten Lock-in-Kamera-Sensoren lassen sich aus den ausgelesenen Bilddaten ein Amplituden- und ein Phasensignal gewinnen. Dies ermöglicht eine zeitliche Diskriminierung der von den Messpunkten rückgestreuten Intensität. Die zeitliche Diskriminierung erfolgt dabei mit einer für das dreidimensionale Erfassen der Oberflächenstruktur ausreichend hohen Geschwindigkeit.With all the mentioned lock-in-camera sensors, it is possible to obtain an amplitude signal and a phase signal from the image data read. This allows a temporal discrimination of the backscattered from the measurement points intensity. The temporal discrimination takes place with a sufficiently high speed for the three-dimensional detection of the surface structure.
Alternativ kann die Bildaufnahmeeinheit einen CMOS-Bildwandler mit schneller Auslesemöglichkeit umfassen. CMOS-Bildwandler sind aufgrund ihrer Auslesestrategie prinzipiell geeignet, dass nur kleine Teilbereiche in entsprechend höherer Geschwindigkeit ausgelesen werden. Da bei der hier notwendigen Bildaufnahmeeinheit die Gesamtfläche aller Messpunkte auf dem Sensor nur weniger als 3%, im Extremfall sogar nur 0,1% der gesamten Bildfläche beträgt, kann der CMOS-Sensor bei geeigneter Ansteuerung und geeigneter Auslegung des Messpunkterasters, welches gegebenenfalls auch durch optische Abbildung oder durch Umleitung über optische Fasern erreicht werden kann, mit bis zu 1000facher Bildrate ausgelesen werden. Auch hiermit ist dann prinzipiell eine ausreichende zeitliche Diskriminierung bzw. eine Bestimmung der Phasenlage des Wechselanteils des ankommenden Photonenstroms möglich. Bei einer Umleitung des Ausleselichtes durch optische Fasern kann zudem besonders vorteilhaft auf beliebige kostengünstige oder schnelle Sensorformate, oder auch auf einen einfachen Zeilensensor, oder, da TDI-Sensoren meistens sehr schmal und länglich gebaut sind, auch auf solche kostengünstigere Standard-TDI-Sensoren zurückgegriffen werden.Alternatively, the image acquisition unit may comprise a CMOS image converter with fast readout capability. Due to their read-out strategy, CMOS image converters are in principle suitable for reading only small subranges in a correspondingly higher speed. Since in the image recording unit required here, the total area of all measuring points on the sensor is only less than 3%, in extreme cases, even only 0.1% of the total image area, the CMOS sensor with suitable control and suitable design of the measuring point grid, which may also by optical mapping or by redirecting via optical fibers can be read out with up to 1000 times frame rate. In principle, sufficient temporal discrimination or determination of the phase position of the alternating component of the incoming photon current is then possible as well. In a diversion of the readout light by optical fibers can also be particularly advantageous to any cost or fast sensor formats, or on a simple line sensor, or, since TDI sensors are usually built very narrow and elongated, also resorted to such lower-cost standard TDI sensors become.
Eine weitere Möglichkeit die zeitliche Diskriminierung mit einem gewöhnlichen Kamera-Sensor mit gewöhnlicher Bildrate zu erzielen, ist durch Anwendung einer schnellen Relativbewegung des aus den Blenden austretenden Lichtes über die Kamera-Sensoroberfläche. Vorzugsweise wird hierzu eine kreisförmige Bewegung des Lichtes der Blendenpunkte, mit einem maximalen Durchmesser etwas kleiner als dem minimalen Abstand der Messblenden entsprechend, durchgeführt. Hierzu kann z. B. der Kamera-Sensor, vorteilhafter Weise jedoch auch nur ein ca. 1:1 bis 1:2 abbildendes Mikrolinsenarray, kreisförmig mit einem Radius von beispielsweise 30–60 μm unter der Aufnahmelochrasteblende mit einem ganzzahlig vielfachen der Bildwiederholrate, und einem ganzzahligen Bruchteil der Licht-Modulationsfrequenz um die Lichtachse schwingen. Der gleiche Effekt könnte durch eine zwischen der Aufnahmelochrasteblende und dem der Kamera-Sensor rotierenden Faserplatte mit schräg gestellten Fasern, oder über eine rotierende oder vibrierende Spiegelplatte oder über eine rotierende oder vibrierende durchsichtige Keilplatte, oder über ein mikromechanisches Spiegel-Array erreicht werden.Another way to achieve temporal discrimination with a conventional ordinary frame rate camera sensor is by applying a fast relative movement of the light exiting the aperture over the camera sensor surface. Preferably, for this purpose, a circular movement of the light of the aperture points, with a maximum diameter slightly smaller than the minimum distance of the metering orifices, carried out. For this purpose, z. B. the camera sensor, but advantageously also only an approximately 1: 1 to 1: 2 imaging microlens array, circular with a radius of, for example, 30-60 microns under the Aufnahmelochrasteblende with an integer multiple of the frame rate, and an integer fraction of Light modulation frequency oscillate around the light axis. The same effect could be caused by a slanted fiber plate rotating between the pickup hole stopper and the camera sensor Fibers, or via a rotating or vibrating mirror plate, or via a rotating or vibrating transparent wedge plate, or via a micromechanical mirror array.
Eine geeignete zeitliche Diskriminierung des Photonenstroms in den Messpunkten ist nicht nur bei einem periodisch wellenförmig modulierten Photonenstrom in Sinus-, Dreieck- oder Rechteckform, sondern auch bei pulsförmig modulierten Photonenströmen möglich. Eine Diskriminierung eines pulsförmigen Signals ist vorzugsweise mit allen genannten CCD, TDI und CMOS-Sensoren möglich. Zur zeitlichen Diskriminierung von pulsförmigen Photonenströmen sind auch flächige Detektoren aus dem Gebiet der Röntgentechnik (Timepix-Detektoren) geeignet, die den direkten Eintrittszeitpunkt einzelner Photonenquanten mit sehr hoher zeitlicher Auflösung bestimmen.A suitable temporal discrimination of the photon current in the measuring points is not only possible with a periodically wave-shaped modulated photon current in sine, triangular or rectangular form, but also with pulsed modulated photon currents. Discrimination of a pulsed signal is preferably possible with all mentioned CCD, TDI and CMOS sensors. For temporal discrimination of pulse-shaped photon currents and surface detectors from the field of X-ray technology (timepix detectors) are suitable, which determine the direct entry time of individual photon quanta with very high temporal resolution.
Falls die ankommende Lichtmenge zu gering ist können alle genannten Sensoren gegebenenfalls zur Erhöhung der Empfindlichkeit durch vorgesetzte Lichtverstärkungssysteme wie Mikrokanal-Bildverstärker ergänzt werden. Bei den CCD-Sensoren sind hierfür EMCCD-Sensoren geeignet, welche bereits intern innerhalb der Ladungskette eine Ladungsmultiplikation durchführen.If the incoming light amount is too low, all of the above sensors may be supplemented to increase the sensitivity by using advanced light amplification systems such as microchannel image intensifiers. In the case of the CCD sensors, EMCCD sensors are suitable for this, which already carry out a charge multiplication internally within the charge chain.
Vorzugsweise ist der Triggeranschluss der oben genannten Bildaufnahmeeinheiten mit der Steuer- und Auswerteeinheit verbunden und diese dazu eingerichtet, den Triggeranschluss mit derselben Frequenz wie die breitbandigen Lichtquellen anzusteuern. Es ist aber auch möglich, dass die Bildaufnahmeeinheit ein Triggersignal zur Ansteuerung der Lichtquellen und des Mikrolinsenarrays sendet. Dadurch kann eine Korrelation der zeitlichen Abfolge innerhalb der Messeinrichtung hergestellt werden. Die Frequenz der Beleuchtungseinrichtung kann dabei zwischen dem 1-fachen und bis zum mehreren Millionenfachen der gewünschten Messpunkt-Bildrate betragen und wird im Wesentlichen durch den Bildwandler bestimmt.The trigger connection of the above-mentioned image recording units is preferably connected to the control and evaluation unit and configured to control the trigger connection with the same frequency as the broadband light sources. But it is also possible that the image pickup unit sends a trigger signal for driving the light sources and the microlens array. As a result, a correlation of the time sequence within the measuring device can be established. The frequency of the illumination device can be between 1 times and up to several million times the desired measuring point frame rate and is essentially determined by the image converter.
Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswerteeinheit ferner dazu eingerichtet, aus den von der Bildaufnahmeeinheit gelieferten Messpunktdaten den Abstand der Oberflächenstruktur zur Optik zu bestimmen. Beispielsweise kann bei einem DAI-Sensor die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, den Abstand aus dem Verhältnis der in den beiden Speicherelementen eines Pixels erfassten Intensitäten zu bestimmen.Preferably, the control and evaluation unit is further configured to determine the distance of the surface structure to the optics from the measurement point data supplied by the image acquisition unit. For example, in the case of a DAI sensor, the control and evaluation unit can be set up to determine the distance from the ratio of the intensities detected in the two memory elements of a pixel.
Unter chromatischer Optik wird in der vorliegenden Anmeldung eine Optik (auch nur eine Linse) verstanden, die eine chromatische Längsaberration CLA aufweist, die ausreicht, um mit den Wellenlängen des verwendeten Lichts den gewünschten Messbereich/Auflösung der Tiefeninformation über die Oberflächenstruktur abzudecken. Vorzugsweise ist daher die Optik eine hyperchromatische Optik, wodurch ein größerer Tiefenmessbereich erreicht wird. Eine hyperchromatische Optik hat eine äquivalente Abbesche Zahl, die kleiner ist als die Abbesche Zahl aller Einzelelemente, d. h. sie hat eine besonders hohe CLA. Vorzugsweise könnte die chromatische Optik durch eine elektrisch verstellbare Linse, vorzugsweise eine Flüssiglinse, ergänzt werden um einen ausreichenden durchgängigen Tiefenmessbereich zu gewährleisten.Chromatic optics in the present application is understood to mean an optic (even a single lens) which has a longitudinal chromatic aberration CLA sufficient to cover the desired measuring range / resolution of the depth information about the surface structure with the wavelengths of the light used. Preferably, therefore, the optics is a hyperchromatic optics, whereby a larger depth measurement range is achieved. A hyperchromatic optic has an equivalent Abbe number smaller than the Abbe number of all individual elements, d. H. she has a particularly high CLA. Preferably, the chromatic optics could be supplemented by an electrically adjustable lens, preferably a liquid lens, to ensure a sufficient continuous depth measurement range.
Sämtliche obige Überlegungen zur Bildaufnahmeeinheit, gelten unabhängig von der Ausgestaltung der Lichtquelle auch für den Fall, dass anstatt der breitbandigen Lichtquellen mit dispersivem Element anderweitig Einzellichtquellen erzeugt werden, deren spektrale Zusammensetzung zeitlich variiert werden kann. Eine solche Lichtquelle kann beispielsweise aus mehreren farbigen LEDs oder aus mehreren farbigen Laserlichtquellen, oder aus Weißlichtquellen mit nachgeschalteten Bandpass-Farbfiltern bestehen, welche mit geeigneten optischen Mitteln z. B. Prismen oder dichroitischen Spiegeln auf das Messpunktraster abgebildet werden und zeitlich individuell ansteuerbar sind. Vorteilhaft wäre hierbei die Überlappung der Wellenlängenbänder dieser Lichtquellen, wobei schmale Lücken zwischen den Wellenlängenbändern dieser Lichtquellen auch noch durch eine entsprechende konfokale Unschärfe, oder durch die elektrisch verstellbare Linse, ausgeglichen werden können.All the above considerations regarding the image recording unit, regardless of the design of the light source, also apply to the case in which individual light sources are otherwise produced instead of the broadband light sources with a dispersive element whose spectral composition can be varied over time. Such a light source may consist for example of a plurality of colored LEDs or of a plurality of colored laser light sources, or of white light sources with downstream bandpass color filters, which are provided with suitable optical means z. B. prisms or dichroic mirrors are mapped to the measuring point grid and are individually controlled in time. In this case, it would be advantageous to overlap the wavelength bands of these light sources, wherein narrow gaps between the wavelength bands of these light sources can also be compensated by a corresponding confocal blur, or by the electrically adjustable lens.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Nachstehend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Darin zeigt:The invention will be explained with reference to several embodiments with reference to the drawings. It shows:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER ASUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Die Intraoralkamera
Im Inneren des Gehäuses
Die Lichtquelle
Ferner weist die Lichtquelle
Die Zeile
Aufgrund der Beugungswirkung des Gitters
Im Strahlengang nach dem Gitter
Alle Weißlicht-LEDs
Im weiteren Verlauf des Strahlengangs folgt eine chromatisch-konfokale Optik
Die Optik
Die Intraoralkamera
Im Ausführungsbeispiel der
Auf die Aufnahmelochrasterblende
Als Bildwandler
Schließlich umfasst die Intraoralkamera
Die Steuer- und Auswerteeinheit
Eingangsseitig ist die Steuer- und Auswerteeinheit
Ferner ist die Steuer- und Auswerteeinheit
Nicht gezeigt ist eine Verbindung der Steuer- und Auswerteeinheit
Die Intraoralkamera
Mit Hilfe der Steuer- und Auswerteeinheit
With the help of the control and
Vorzugsweise werden hier Ansteuersignale verwendet, die zu einer sinus-, dreieck- oder rechteckförmigen Lichtemission führen. In
Aufgrund dessen, dass jede Weißlicht-LED
Da an den Blendenöffnungen
Für die zeitliche Abfolge sind grundsätzliche beliebige Muster denkbar. Die Reihenfolge innerhalb der Abfolge muss jedoch festgelegt sein, damit eine Korrelation mit den Daten der Bildaufnahmeeinheit möglich ist.For the timing of any fundamental patterns are conceivable. However, the order within the sequence must be fixed in order to allow correlation with the data of the image acquisition unit.
Über den Strahlteiler
Aufgrund der erhöhten chromatischen Längsabberation der hyperchromatischen Linsengruppe
Beispielsweise wird bei typischen hypochromatischen Linsengruppen
Das von der Oberflächenstruktur
Um die erforderliche Tiefenauflösung senkrecht zur Oberflächenstruktur
Wie anhand der durchgezogenen Linie
Analog hierzu ist in
Das in der Bildaufnahmeeinheit
Eine einzelne Lichtquelle des Ausführungsbeispiels
Da mit den verfügbaren Wellenlängenspektren von Leuchtdioden und den verfügbaren Floureszenzfarbstoffen, und auch mit Farbfiltern in der Praxis jedoch nicht jedes Wellenlängenspektrum darstellbar ist, und auch die Objekte nicht jede Wellenlänge gleich gut zurück streuen könnten, insbesondere mit solchen Lichtquellen
Zur Detektion können hier ebenfalls die Lock-in-Kamera Sensorprinzipien verwendet werden. Eine pulsförmige Modulation der Photonenintensität ist hier auch prinzipiell möglich jedoch nicht sinnvoll, da dann zumindest auch noch die Intensitätsverhältnisse des ankommenden Photonenstromes ausgewertet werden müssten.For detection, the lock-in-camera sensor principles can also be used here. A pulse-shaped modulation of the photon intensity is also possible in principle here, but not meaningful, since then at least also the intensity ratios of the incoming photon stream would have to be evaluated.
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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