DE102020008179B4

DE102020008179B4 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten

Info

Publication number: DE102020008179B4
Application number: DE102020008179.7A
Authority: DE
Inventors: Christoph Prall
Original assignee: Smart Optics Sensortechnik GmbH
Current assignee: Smart Optics Sensortechnik GmbH
Priority date: 2020-10-22
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2040-10-23

Abstract

Verfahren zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten (17, 18), wobei das optische dreidimensionale Vermessen des Objekts (17, 18) mittels einer Triangulationsmethode durchgeführt wird, wobei das Objekt (17, 18) mit einem strukturierten Muster aus polarisiertem Licht beleuchtet wird, wobei eine Kamera (21) mit davor angeordnetem, justierbarem polarisationsselektiven optischen Element das projizierte Muster aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass ein polarisierender Strahlteiler die einfallenden Lichtanteile in zwei zueinander orthogonale Polarisationskomponenten aufteilt, wobei eine Polarisationskomponente direkt durch den polarisierenden Strahlteiler zur Intensitätskontrolle auf eine Photodiode (14) geleitet wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Technik zur Erfassung der Oberflächenform von Objekten, wie zum Beispiel dentalen Objekten und Objekten aus der Audiologie, d.h. beispielsweise Zähne oder Zahnabdrücke bzw. das Ohrinnere oder Ohrabdrücke, mit Methoden der optischen 3D-Messtechnik. Diese dient zur dreidimensionalen (3D-) Vermessung und Digitalisierung in der Dental- oder Audiologiebranche.
Technischer Hintergrund
Bei der Digitalisierung von beispielweise Zahn- und Ohrabdrücken finden verschiedene optische Messverfahren Anwendung, welche auf aktiver oder passiver Triangulation basieren. Triangulation beruht darauf, dass wenn der Abstand zweier Punkte bekannt ist, durch Winkelmessung die relative Position zu einem dritten Punkt bestimmt werden kann. Messtechnisch können die bekannten Positionen die Punkte zweier Kameraeinheiten zueinander (Stereographie) oder einer Kamera und einer Projektionseinheit sein. Durch Winkelmessungen kann hier die relative Position eines zu vermessenden Punkts auf einem Messobjekt bestimmt werden. Viele Messpunkte bilden hierbei eine Punktwolke, welche zu einem Oberflächengitter vernetzt werden kann. Dieses gibt die Oberflächenform eines zu vermessenden Objektes wieder. Die Unterscheidung aktiver oder passiver Verfahren zur Triangulation erfolgt danach, ob ein auszuwertendes Muster gleich welcher Art auf ein zu vermessendes Messobjekt projiziert wird (aktive Verfahren) oder nicht (passive Verfahren). Bei der aktiven Triangulation werden somit Messpunkte zur Winkelmessung auf die Oberfläche des Messobjektes projiziert, wohingegen bei der passiven Triangulation Oberflächenmerkmale des Messobjektes selbst zur Vermessung genutzt werden.
Beispiele für eine aktive Triangulation mittels eines phasenmessenden Verfahrens unter Nutzung eines Streifenmusters, wird in den folgenden US-Patentschriften beschrieben: M. B. Werner H. Moermann, „Verfahren und Vorrichtung für die Herstellung kundenspezifisch geformter Implantate“, US 4 575 805 A , 1984, und G.E. Company, „Kontaktfreie Messung von Oberflächenprofilen“, US 4 349 277 A , 1980.
Weitere Arten der aktiven Triangulation zur 3D-Erfassung von Objekten mittels Streifenprojektion sind beschrieben in: S. D. G. Systems, „3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen“, DE 40 27 328 A1 , 1990; Kaltenbach & Voigt GmbH & Co. KG, „Optische Sonde zur absoluten 3-dimensionalen Vermessung von Einzelzähnen und Zahngruppen in der Mundhöhle“, DE 39 33 994 A1 , 1989; I. G. f. Sondermaschinenbau, „Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Gestaltsabweichungen an Oberflächen“, DE 39 19 893 A1 , 1989; Dr. Paul Heitlinger und Fritz Rödder, „Verfahren zur Herstellung von Zahnersatz und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens“, DE 29 36 847 A1 , 1979; A. D. Becker Dental-Labor GmbH, 1980; und „Verfahren zur dreidimensionalen Messung mit wenigen projizierten Mustern“, US 4 648 717 A , 1985.
Passive triangulierende stereographische Verfahren sind beschrieben in Steinbichler Optotechnik GmbH, „Vorrichtung zur Ermittlung der 3D-Koordinaten eines Objekts, insbesondere eines Zahns“, DE 10 2007 060 263 A1 , 2007.
Aktive triangulierende stereographische Verfahren, aktive und passive Multi-Basislinien-Stereoverfahren sind beschrieben in: B. M. Gregory D. Hager und E. L. Wegbreit, „Aufnahme von dreidimensionalen Bildern durch aktives Stereoverfahren unter Anwendung lokal einzigartiger Muster“, US 7 103 212 B2 , 2003 und M. N. Solid Photography Inc, „Anordnung zum Erfassen der geometrischen Eigenschaften eines Objekts“, US 4 175 862 A , 1975.
Passives triangulierendes Multi-Basislinien-Stereo durch rotierende Aperturblende ist beschrieben in F. Frigerio, „3-Dimensionale Oberflächenabbildung unter Anwendung von aktiver Wellenfrontabtastung“, US 2008/0212838 A1 .
Neben den zuvor zitierten Messverfahren basierend auf Triangulation kommen, ebenfalls konfokale Messverfahren zum Einsatz. Diese basieren anders als die vorgenannten Verfahren auf der Analyse der lokalen Bildschärfe bzw. des lokalen Kontrastes eines mittels eines optischen Systems mit großer Apertur auf das Messobjekt projizierten Lichtpunktes, wie dies beispielsweise beschrieben ist in „Verfahren und Anordnung für eine schnelle und zuverlässige konfokale 3D Messtechnik“, US 7 787 132 B2 , 2007, und S. D. S. GmbH, „Messgerät und Verfahren, die gemäß den grundlegenden Prinzipien der konfokalen Mikroskopie arbeiten“, US 7 679 723 B2 , 2005.
Die genannten aktiven optischen Messverfahren verfügen im Allgemeinen über ein Beleuchtungssystem, welches Licht auf ein zu vermessendes Objekt leitet, und ein Beobachtungssystem, welches das Licht nach seiner Wechselwirkung mit dem Objekt unter Zuhilfenahme einer Rechen- und Auswerteeinheit analysiert. Die vorliegende Erfindung kann grundsätzlich mit irgendeinem der bekannten Verfahren verwendet werden.
In der Dentalbranche werden intraorale Scanner und Tischscanner-Systeme eingesetzt. Beide Systemtypen führen im Ergebnis zu der Erstellung von digitalen 3D-Infomationen von Zähnen oder dentalen Indikationen für die Dentalindustrie für weitere Prozessschritte. Beide Systemtypen unterscheiden sich jedoch aufgrund der Anwendungsfelder und der zu erfassenden Materialtypen sowie der Integration in die Prozesskette in wesentlichen Punkten voneinander und sind daher als zwei unterschiedliche und voneinander getrennte Geräteklassen anzusehen.
Bei intraoralen Aufnahmetechniken werden die 3D-Informationen direkt am lebenden Zahngewebe mit der jeweiligen Indikation intraoral beim Patienten aufgenommen. Hierbei liegt die Herausforderung darin, Messtechniken zu nutzen, welche mit den hier vorhandenen und stark divers streuenden Bedingungen zurechtkommen. Insbesondere die Eigenschaft der Transluzenz von Zahngewebe sowie der Oberflächenglanz mit einer häufig vorhandenen Flüssigkeitsauflage diverser Flüssigkeitstypen und unterschiedlicher Eindringtiefe (Blut/Speichel/Spülflüssigkeiten etc.) und undefinierter Schichtdicken sowie verschiedener Materialien wie Zahngewebe, Füllungen, Implantate etc., behindern eine genaue Erfassung der 3D-Informationen.
Bei Desktopscanner- bzw. Tischscanner-Systemen ist die Integration in die Prozesskette eine andere. Tischscanner-Systeme dienen der Gewinnung von digitalen 3D-Informationen von 3D-Abformungen und 3D-Abgüssen von dentalen Indikationen und nicht von Zahngewebe direkt intraoral. Hierbei wird somit keine Informationsgewinnung intraoral beim Patienten vorgenommen. Von Tischscanner-Systemen erfasste Objekte umfassen folgende dentale Objekte: Abformungen, Modelle, einzelne Stümpfe, Scan-Buddy's, Quetschbisse, Gingiva-Masken etc. Die hierbei zu digitalisierenden Materialien sind somit nicht wie bei einem intraoralen System lebendes humanes Gewebe. Bei Tischscannern bestehen die zu digitalisierenden Objekte aus bekannten und feststehenden definierten Materialien.
Die Prozessintegration der 3D-Scanner in der Audiologie ist vergleichbar mit dem der dentalen Tischscanner-Systeme. Auch hier wird nicht direkt am Patienten eine Messung vorgenommen, sondern Abformungen von Ohrkanälen werden in Tischscanner-Systemen digitalisiert, welche im Anschluss zur weiteren Verarbeitung in der Prozesskette zur Verfügung stehen. Auch bei diesen Audiologie-Tischscannern bestehen die zu digitalisierenden Objekte aus bekannten und feststehenden definierten Materialien.
Im Stand der Technik bekannte und von der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung produzierte 3D-Tischscanner für dentale und audiologische Anwendungen basieren auf der phasenmessenden Triangulations-Methode und gleichen sich messtechnisch. Hierbei wird mittels eines Projektors ein zu messendes Objekt mit einem strukturierten Muster beleuchtet. Eine Kamera nimmt hierbei das projizierte und durch die Oberfläche des zu vermessenden Objektes verzerrte Muster auf. Aus der Verzerrung des Musters im aufgenommenen Kamerabild lässt sich die 3-dimensionale (3D-)Beschaffenheit des zu vermessenden Objektes bestimmen.
Zur Aufnahme der 3D-Daten ist es wichtig, eine homogene Ausleuchtung des aufgenommenen Kamerabildes zu erreichen. In zu dunklen oder überbelichteten Bereichen des aufgenommenen Kamerabildes kann die Verzerrung des strukturierten Musters nicht bestimmt werden. Zu dunkle oder überbelichtete Bereiche können verschiedene Ursachen haben. Zum einen können direkte Reflexionen von dem zu vermessenden Objekt zu möglichen Überbelichtungen in der aufnehmenden Kamera führen, zum anderen hat die zur Vermessung genutzte Wellenlänge des projizierten Musters Einfluss auf die zu beobachtende Intensität.
Zur Projektion des beschriebenen Musters wird dabei bei im Stand der Technik bekannten und von der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung produzierte 3D-Tischscanner aktuell breitbandiges weißes oder monochromatisches blaues Licht genutzt. Die Verwendung von breitbandigem Licht bei der Projektion des strukturierten Musters hat hierbei den Vorteil, weitestgehend unabhängig von der Wellenlänge, welche von der Objektoberfläche zurückgestreut wird, Messungen der 3D-Beschaffenheit durchführen zu können. Bei der Verwendung von breitbandigem Licht können jedoch ungewollte optische Effekte wie chromatische Aberration auftreten, welche zu Ungenauigkeiten in der Projektion und Detektion des projizierten strukturierten Musters führen. Bei der Verwendung von monochromatischem Licht wird der Effekt der chromatischen Aberration minimiert. Dies führt hierbei in der weiteren Verarbeitung zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit der bestimmten 3D-Beschaffenheit des zu vermessenden Objektes.
Nachteil bei der Verwendung von monochromatischem gegenüber breitbandigem Licht ist jedoch die Abhängigkeit von der zurückgestreuten Lichtintensität der Objektoberfläche. Weist eine zu vermessende Objektoberfläche, bedingt durch ihre jeweilige Farbe, eine komplementäre zurückgestreute Wellenlänge im Vergleich zum eingestrahlten monochromatischen Licht auf, so ist die Detektierbarkeit des zur Vermessung projizierten Musters maximal geschwächt. Das Objekt erscheint somit möglicherweise zu dunkel für eine Messung. Dies führt bei der Verwendung von monochromatischem Licht zu einer Reduktion der Messgenauigkeit oder Nichtmessbarkeit der 3D-Beschaffenheit des zu vermessenden Objektes. Die Wahl der Nutzung von breitbandigem oder monochromatischem Licht bei der Vermessung der 3D-Beschaffenheit eines Objektes mittels eines strukturierten Musters ist somit von der farblichen Beschaffenheit des zu vermessenden Objektes und der jeweiligen Indikation abhängig.
Neben den verwendeten Wellenlängen bei der Projektion des strukturierten Musters bei Vermessung der 3D-Beschaffenheit eines Objektes, ist es, wie bereits eingangs beschrieben, wichtig, eine homogene Ausleuchtung des aufgenommenen Kamerabildes zu erreichen. In überbelichteten Bereichen des aufgenommenen Kamerabildes kann die Verzerrung des Musters nicht bestimmt werden. Ein Hauptgrund, welcher zu einer Überbelichtung führt, sind direkte Licht-Reflexionen des projizierten Musters in die aufnehmende Kamera. Dies führt zu einem Datenverlust am Ursprungsort der Reflexionen des zu vermessenden 3D-Objektes, wodurch hier keine 3D-Information erstellt werden kann. Insbesondere bei metallischen und/oder glatten und nicht-matten Oberflächen kommt es zu direkten Reflexionen. Aktuell wird zur Reduktion von Reflexionen ein sogenanntes Scan-Spray verwendet, welches durch einen dünnen Materialauftrag auf dem zu vermessenden Objekt zu einer Mattierung der Oberflächen führt. Hierdurch werden Reflexionen reduziert.
Ferner wird bezüglich des Standes der Technik auf die US 2011 / 0 287 387 A1 hingewiesen, aus welcher ein System und Verfahren zum Erkennen von Zahnrissen bekannt ist.
Aus der EP 2 258 254 A1 ist eine Vorrichtung zur Abbildung von Zahnoberflächenform und - farbton bekannt.
Ferner ist aus der WO 2008/ 033 218 A1 eine Vorrichtung zur Karieserkennung bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten anzugeben bzw. zu schaffen, welche eine verbesserte Aufnahmequalität und somit Messgenauigkeit der Oberflächenform eines zu vermessenden Objekts ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung nach Anspruch 4 gelöst.
Erfindungsgemäß wird beim optischen dreidimensionalen Vermessen des Objekts eine Triangulationsmethode, insbesondere eine phasenmessende Triangulationsmethode, verwendet.
Dabei ist bevorzugt, dass das polarisationsselektive optische Element, wie z.B. ein Polarisationsfilter, zur Vermeidung einer Überbelichtung oder Blendung der Kamera im Hinblick auf die Polarisationsorientierung des polarisierten Lichtes des strukturierten Musters justiert wird. Da oftmals nur einzelne Teile eines zu scannenden Objekts stark reflektieren, weil sie z.B. metallisch sind, kann eine Überbelichtung durch Verringerung der Beleuchtungsintensität in der Regel nicht ausgeglichen werden, da dann die anderen Teile des Objekts nicht gut genug ausgeleuchtet sind.
Vorteilhafterweise sind der Strahlengang des zur Beleuchtung vorgesehenen polarisierten Lichts und die Kamera in einer Ebene angeordnet, wobei das polarisationsselektive optische Element derart justiert wird, dass das polarisierte Licht im Wesentlichen geblockt wird. Bei einer derartigen planaren Anordnung von Beleuchtungsmitteln, Strahlengang und Kamera, bleibt insbesondere bei metallischen Oberflächen, welche wie ein Spiegel wirken, die Polarisationsorientierung (linear, zirkular oder elliptisch) unverändert erhalten, weshalb durch Blocken eben dieser Polarisationsorientierung eine Überbelichtung durch die Reflexion an metallischen Oberflächen bei gleichbleibender Ausleuchtung vermieden werden kann. Wird beispielsweise zur Ausleuchtung linear polarisiertes Licht verwendet, so lässt das polarisationsselektive optische Element nur orthogonal dazu linear polarisierte Lichtanteile zur Kamera durch.
Die Erfindung besitzt dabei den Vorteil, dass direkte Reflexionen des zu vermessenden Objektes stark bis vollständig im aufgenommenen Kamerabild reduziert werden. Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung offenbart daher die Anwendung von Polarisation bei Beleuchtung und Aufnahme zur Reduktion von Reflexionen beim Messvorgang. Die Erfindung ermöglicht es daher matte und/oder spiegelnde Objekte zu vermessen.
Beispielsweise sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die zwei zueinander orthogonalen Polarisationskomponenten horizontale und vertikale Polarisationskomponenten. Der polarisierende Strahlteiler teilt daher einfallendes Licht in eine Polarisationskomponente und eine dazu komplementäre Polarisationskomponente auf.
Ferner ist bevorzugt, dass die Vorrichtung wenigstens zwei Ausleuchtungsmittel, vorzugsweise LEDs, für wenigstens zwei Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche aufweist. Die wenigstens zwei Ausleuchtungsmittel können einzelne einfarbige LEDs sein, aber auch baulich zusammengefasst sein, wie etwa in Form einer mehrfarbigen (Segment-)LED, insbesondere einer mehrfarbigen (Segment-)RGB Licht emittierenden Diode.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung ferner wenigstens einen dichroitischen Spiegel auf, um das von den wenigstens zwei Ausleuchtungsmitteln emittierte Licht zu einem Strahlengang zu kombinieren. Für mehr als zwei Ausleuchtungsmittel werden entsprechend mehrere dichroitische Spiegel verwendet.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ferner eine abbildende Linse auf, wobei die aus dem Strahlteiler austretende andere, d.h. (die zu der einen Polarisationskomponente) komplementäre, Polarisationskomponente in Richtung der abbildenden Linse geleitet wird.
Zur Verbesserung der Aufnahmequalität ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung ferner eine Kamera mit einem vor der Kamera angeordneten polarisationsselektiven optischen Element, wie z.B. einem Polarisationsfilter, aufweist. Durch geeignete Einstellung des polarisationsselektiven optischen Elements kann insbesondere die Beeinträchtigung der Aufnahme durch unerwünschte Reflexionen, wie sie z.B. an metallischen Flächen auftreten, minimiert werden. Der Stand der Technik schafft durch den Einsatz eines sog. Scan-Sprays diesbezügliche Abhilfe. Bisher muss ein vollflächiger Auftrag über das gesamte Objekt erfolgen (mit einer Dicke im einstelligen µm-Bereich, 3-5 µm). Diese Schichtdicke verändert jedoch die Ausdehnung des Objektes. Eine 5 µm dicke Schicht macht das Objekt somit um 10 µm in seiner Ausdehnung größer (Summe der gegenüberliegenden Oberflächen des Objektes). Die Erfindung kann den Einsatz eines Scan-Sprays vollständig vermeiden oder in hohem Maße verringern. Erfindungsgemäß ist kein vollflächiger Auftrag des Scan-Sprays nötig, da störende Reflexionen optisch eliminiert werden. Es ist lediglich ein Auftrag einzelner Messpunkte (Körner/Sprühpunkte) mit einem mittleren Abstand im Bereich der longitudinalen Auflösung des jeweiligen Scanners nötig. Dies verändert nicht die geometrische Ausdehnung des zu scannenden Objektes, da die Messpunkte keine vollflächige Schicht mit einer bestimmten Dicke bilden müssen, um Reflexionen zu eliminieren. Dies erhöht somit die Genauigkeit der ermittelten Scandaten. Für Scanner der Anmelderin bedeutet dies in einem Rechenbeispiel Folgendes:

Bei einer angenommenen, und im Stand der Technik üblichen und von der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung produzierte 3D-Tischscanner vorliegenden, longitudinalen Auflösung von 30 µm ist mit der vorliegend vorgestellten Methode nur ein Messpunkt jeweils in einem Quadrat von 30×30 µm² über die Oberfläche des Objektes verteilt nötig. Hier reicht eine Größe der jeweiligen Streupunkte von 1 µm. Somit ist auf einer Fläche von 30x30 µm² nur noch ein Auftrag von 1×1 µm² nötig. Dies entspricht einem Faktor von 900 mal weniger Auftrag im Vergleich zum vollflächigen Auftrag. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass in dieser Annahme bisher nur ein Auftrag von einem Partikel der Größe 1 µm angenommen wurde. Für eine bisher genutzte vollflächig deckende Schicht ohne Reflexion ist jedoch ein Auftrag im Bereich von 3-5 µm nötig. Somit vergrößert sich der Faktor von 900 auf 2700 bis 4500 mal weniger Auftrag im Vergleich zu einem vollflächigen Auftrag zur Reflexions-Eliminierung. Bevorzugt wird bei der Erfindung, falls ein Scanspray verwendet wird, lediglich eine Schichtdicke des Scansprays von kleiner als 1 Mikrometer aufgetragen.

Eine bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung ergibt sich bei Tischscannern. Undefinierte Flüssigkeitsauflagen mit unterschiedlichen optischen Eindringtiefen und Schichtdicken oder lebendes Zahngewebe mit unterschiedlichen transluzenten Eigenschaften sind bei Modellen, welche von Tischscannern vermessen werden, nicht vorhanden. Dies bewirkt ein vorteilhaftes Zusammenwirken und den Einsatz der beschriebenen Polarisationsfiltertechnik innerhalb von 3D-Tischscannern. Insbesondere die fest definierte Relation von Projektion eines strukturierten Musters zur vermessenen Oberfläche eines Objektes und dem aufnehmenden Kamerasystem innerhalb eines Tischscanners ermöglicht die nahezu vollständige Reduktion der von Reflexionen stammenden Lichtanteile durch Nutzung von polarisationsselektiven optischen Elementen, wie z.B. Polarisationsfiltern.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung, sowie weitere Merkmale, Ziele, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten derselben, wird bzw. werden nachfolgend anhand einer Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben oder ähnliche Bezugszeichen dieselben bzw. entsprechende Elemente. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, und zwar unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. In den Zeichnungen zeigen in stark schematischer Darstellung:

1 in stark schematischer Darstellung den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 in stark schematischer Darstellung den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 in stark schematischer Darstellung den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4a eine Aufnahme ohne Unterdrückung von direkten Reflexionen (Material: Gips mit hochglänzendem partiellem Modellguss aus Kobalt-Chrom-Molybdän);
4b eine Aufnahme mit Unterdrückung von direkten Reflexionen (Material: Gips mit hochglänzendem partiellem Modellguss aus Kobalt-Chrom-Molybdän);
5a eine Aufnahme ohne Unterdrückung von direkten Reflexionen (Material: Gips, Grundgerüst aus hochglänzender edelmetallfreier Legierung mit teilweiser Verblendung aus Keramik);
5b eine Aufnahme mit Unterdrückung von direkten Reflexionen (Material: Gips, Grundgerüst aus hochglänzender edelmetallfreier Legierung mit teilweiser Verblendung aus Keramik);
6a eine Aufnahme ohne Unterdrückung von direkten Reflexionen, Material: Zirconium(IV)-oxid mit hochglänzender halbseitiger Lasur; im Bild rechte Kieferseite);
6b eine Aufnahme mit Unterdrückung von direkten Reflexionen (Material: Zirconium(IV)-oxid mit hochglänzender halbseitiger Lasur; im Bild rechte Kieferseite);
7a eine Aufnahme ohne Unterdrückung von direkten Reflexionen (Material: Kunststoff);
7b eine Aufnahme mit Unterdrückung von direkten Reflexionen (Material: Kunststoff);
8a eine Streifenlichtaufnahme ohne Unterdrückung von direkten Reflexionen (Material: Gips mit hochglänzendem partiellem Modellguss aus Kobalt-Chrom-Molybdän; mit Scan-Spray);
8b eine Streifenlichtaufnahme mit Unterdrückung von direkten Reflexionen (Material: Gips mit hochglänzendem partiellem Modellguss aus Kobalt-Chrom-Molybdän; mit Scan-Spray);
9a eine 3D-Punktwolke ohne Unterdrückung von direkten Reflexionen (Material: Gips mit hochglänzendem partiellem Modellguss aus Kobalt-Chrom-Molybdän; mit Scan-Spray);
9b eine 3D-Punktwolke mit Unterdrückung von direkten Reflexionen (Material: Gips mit hochglänzendem partiellem Modellguss aus Kobalt-Chrom-Molybdän; mit Scan-Spray);
10a ein fertiges 3-dimensionales Oberflächengitter aus Komplettkieferscan ohne Unterdrückung von direkten Reflexionen, mit Artefakten auf der betrachteten Metalloberfläche (Material: Gips mit hochglänzendem partiellem Modellguss aus Kobalt-Chrom-Molybdän; mit Scan-Spray); und
10b ein fertiges 3-dimensionales Oberflächengitter aus Komplettkieferscan mit Unterdrückung von direkten Reflexionen, mit reduzierten Artefakten auf der betrachteten Metalloberfläche (Material: Gips mit hochglänzendem partiellem Modellguss aus Kobalt-Chrom-Molybdän; mit Scan-Spray).

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Gegenstand der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist eine sich automatisch an ein zu vermessendes Objekt anpassende Messung der 3D-Beschaffenheit unter Verwendung der Projektion eines strukturierten Musters mit einer jeweils automatisch angepassten Wellenlänge oder Wellenlängenbereich, unter Verwendung einer oder mehrerer aufnehmender Kameras und/oder einer festen Polarisationsorientierung der optischen Strahlengänge.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, liegen durch drei 2D-RGB-Aufnahmen Farb-Texturinformationen der Oberfläche des zu vermessenden Objektes bei 3D-Tischscannern vor. Diese Informationen beinhalten die jeweiligen Rückstreuintensitäten des Objektes in Abhängigkeit von der einstrahlenden Wellenlänge. Hierdurch lässt sich automatisiert für die zu vermessende Objektoberfläche eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenbereich bestimmen, welcher eine relative maximale Rückstreuintensität aufweist. Dies ermöglicht eine automatisierte Wahl einer optimalen monochromatischen Wellenlänge bei der Projektion des zur Vermessung des jeweiligen Objektes genutzten strukturierten Musters. Unterbelichtete Bereiche auf der Objektoberfläche werden hierbei minimiert, da sich die genutzte Wellenlänge auf die von der Objektoberfläche zurückgestreute Wellenlänge automatisch anpasst. Gleichzeitig werden optische Effekte wie chromatische Aberration minimiert, welche zu Ungenauigkeiten in der Projektion und Detektion des projizierten strukturierten Musters führen. Dies ermöglicht in Bezug auf die Wahl der zur Vermessung genutzten Wellenlänge eine Optimierung der Messgenauigkeit unabhängig von der vorliegenden Indikation (siehe hierzu das erste in Verbindung mit 1 und das zweite in Verbindung mit 2 beschriebene Ausführungsbeispiel).
Die vorliegende Erfindung lässt sich auf mehrere Kameras und Projektionslichter adaptieren. Darüber hinaus ist auch eine erweiterte modulare Anpassung der jeweils genutzten Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche an ein zu vermessendes Objekt möglich. Hierbei können die im Anwendungsbeispiel genutzten RGB-Wellenlängen auch durch andere Wellenlängen im infraroten (IR) und ultravioletten (UV) Wellenlängenspektrum ersetzt oder erweitert werden. Dies führt zu einer Erweiterung des möglichen Anwendungsspektrums und scanbarer Indikationen mit jeweils optimiert angepassten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen bei der 3D-Erfassung.
Licht besitzt neben der Eigenschaft einer Wellenlänge auch eine jeweilige Polarisation. Diese lässt sich über polarisationsselektive optische Elemente isolieren. Wird beispielsweise eine glatte und/oder metallische Oberfläche mit Licht, das eine feste Polarisationsorientierung aufweist, bestrahlt, bleibt bei Reflexion die jeweilige Polarisationsorientierung des Lichtes erhalten. Dies gilt auch im Speziellen für die zuvor beschriebenen störenden direkten Reflexionen bei der Vermessung der 3D-Beschaffenheit eines Objektes unter Nutzung eines strukturierten Musters. Matte Oberflächen hingegen degenerieren jedoch weitestgehend durch Streuung die vorhandene Polarisationsorientierung des einstrahlenden Lichts. Dies führt zu einer Selektierbarkeit von polarisiertem Licht, welches durch Reflexion von glatten und/oder metallischen Oberflächen stammt, und weitestgehend nicht polarisiertem, gestreuten Licht von matten Oberflächen. Wird bei der Detektion der Verzerrungen des strukturierten Musters ein polarisationsselektives optisches Element genutzt, können somit polarisierte Lichtanteile, welche aus direkten Reflexionen stammen, isoliert unterdrückt werden. Dies führt zu einer Unterdrückung von überbelichteten Bereichen in den aufgenommenen strukturierten Mustern und somit zu einer weiteren Erhöhung der Messgenauigkeit unabhängig von der vorliegenden Indikation in Bezug auf die jeweilige Oberflächenbeschaffenheit (siehe hierzu das erste in Verbindung mit 1 und das dritte in Verbindung mit 3 beschriebene Ausführungsbeispiel, sowie die 4a bis 10b und die zugehörige Beschreibung).
1 zeigt schematisch ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines auf der phasenmessenden Triangulations-Methode basierenden Messsystems für eine sich automatisch an ein zu vermessendes Objekt anpassende Messung der 3D-Beschaffenheit unter Verwendung der Projektion eines strukturierten Musters mit einer jeweils automatisch angepassten Wellenlänge unter Verwendung einer aufnehmenden Kamera und einer festen Polarisationsorientierung der optischen Strahlengänge.
Hierbei wird das Licht dreier monochromatisches Licht emittierenden Dioden (LEDs) 1, 2 und 3, im roten (1), im grünen (2) bzw. im blauen (3) Wellenlängenspektrum mittels einer jeweils in der optischen Achse platzierten Kollimationslinse 4, 5 bzw. 6 parallelisiert. Die so kollimierten Strahlengänge der einzelnen LEDs werden über drei dichroitische Spiegel 7, 8a und 8b zu einem Strahlengang kombiniert. Hierbei sind die Reflexionsspektren dieser dichroitischen Spiegel 7, 8a und 8b mit einem hohen Reflexionsgrad im roten Wellenlängenspektrum für Spiegel 7 und im blauen Wellenlängenspektrum für Spiegel 8a, 8b optimiert. Dies führt zu einer Kombination der Strahlengänge der einzelnen LEDs 1, 2 und 3 zu einem gemeinsam verlaufenden weiteren Strahlengang (exemplarisch für LED 3 in 1 gezeigt). Anstelle der LEDs 1, 2 und 3 und der drei dichroitischen Spiegel 7, 8a und 8b kann auch eine einzige mehrfarbige Segment-LED vorgesehen sein. Der so kombinierte Strahlengang wird im Folgenden über eine Microlinsenanordnung 9 (auch „Fly-Eye Lens Array“ genannt) in der Intensität homogenisiert und flächenfüllend über eine Linse 10 auf ein einzeln ansteuerbares Feld 11 aus Microspiegeln abgebildet. Durch eine Verkippung einzelner Microspiegel wird einfallendes Licht der LEDs 1, 2 und 3 orthogonal zum Feld 11 der Microspiegel abgelenkt. Abhängig davon, welche Microspiegel angesteuert werden, wird so ein Lichtmuster erzeugt, welches im hier gezeigten Anwendungsbeispiel über ein Dreiecks-Prisma 12 hin zu einem polarisierenden Strahlteilerwürfel 13 gespiegelt wird. Dieser Würfel teilt die einfallenden Lichtanteile in horizontale und vertikale Polarisationskomponenten auf. Eine Polarisationskomponente wird hierbei direkt durch den polarisierenden Strahlteilerwürfel 13 transmittiert und trifft auf eine Photodiode 14. Diese Photodiode 14 dient der Intensitätskontrolle des generierten Lichtmusters. Der komplementäre Anteil der Polarisationskomponente wird am polarisierenden Strahlteilerwürfel 13 in Richtung einer abbildenden Linse 15 gespiegelt. Diese Linse 15 bildet das generierte Lichtmuster auf ein zu vermessendes Objekt 17 ab. In diesem Anwendungsbeispiel sind dies Zähne 18 eines dentalen Abdruckmodells mit teilweise glatter und/oder metallischer Oberfläche. Der Abbildungsabstand und Scheimpflug-Winkel auf dem zu vermessenden Objekt kann über eine longitudinale Bewegung der Linse 15 entlang der optischen Achse sowie eine Verkippung der Linse 15 eingestellt werden. Der genutzte Triangulationswinkel wird über einen Spiegel 16 eingestellt. Eine Kamera 21 nimmt hierbei mit einem Objektiv 20 das projizierte und durch die Oberfläche des zu vermessenden Objektes verzerrte Lichtmuster auf. Ein dem Objektiv 20 vorgelagerter Polarisationsfilter 19 selektiert hierbei die einstrahlende und aufgenommene Polarisationsorientierung des einfallenden Lichtes.
Durch sequentielles Schalten der einzelnen LEDs 1, 2 und 3 und vollflächiges Verkippen der einzelnen im Feld angeordneten Microspiegel 11 ist es möglich, mit der Kamera 21 2D-Farb-Texturinformationen des zu vermessenden Objektes 17, 18 vollflächig aufzunehmen. Durch eine automatisierte Analyse der so aufgenommenen Farb-Texturinformationen kann, wie eingangs beschrieben, die optimale Wellenlänge oder ein optimaler Wellenlängenbereich für eine 3D-Vermessung des Objektes mittels strukturierter Muster ermittelt werden. Mit dieser Information können nun im Anschluss automatisiert einzelne LED-Wellenlängen oder durch Ansteuerung mehrerer LEDs 1, 2 und 3 Farbkombinationen generiert werden, um die optimale Wellenlänge oder einen optimalen Wellenlängenbereich für eine 3D-Vermessung zu erzielen und somit eine 3D-Messung mittels eines strukturierten Musters durchführen zu können.
Des Weiteren ermöglicht das gezeigte Ausführungsbeispiel, polarisiertes Licht zur Vermessung des Objektes 17, 18 zu nutzen, da durch den polarisierenden Strahlteilerwürfel 13 nur Licht einer Polarisationsorientierung selektiert wird. Das so polarisierte Licht-Muster trifft somit auf das zu vermessende Objekt 17, 18, welches beispielsweise metallische Oberflächen 18 (beispielsweise Teleskoparbeiten) und matte Oberflächen 17 (beispielsweise Gipsmodell) besitzt. Wie beschrieben, wird auf metallischen Oberflächen die Polarisationsrichtung des Lichtes bei Reflexion erhalten und bei weitestgehend matten Oberflächen zerstreut.
Durch Nutzung eines zweiten polarisationsselektiven Elementes bzw. Polarisationsfilters 19 vor der aufnehmenden Optik 20 der zur Aufnahme der Verzerrungen des Streifenmusters eingesetzten Kamera 21 können einzelne Polarisationsorientierungen selektiv gefiltert werden. Durch eine entsprechende Justage der Polarisationsorientierung von Filter 19 in Relation zur Orientierung des polarisierenden Strahlteilerwürfels 13 können somit selektiv die direkten Reflexionen, welche von glatten und/oder metallischen Oberflächen 18 stammen, herausgefiltert werden. Eine Überstrahlung des aufgenommenen Kamerabildes kann somit reduziert werden. Bei der Verwendung des eingangs beschriebenen Scan-Sprays, welches durch einen dünnen Materialauftrag auf dem zu vermessenden Objekt zu einer Mattierung der Oberflächen führt, kommt es hierbei zu einer Kontrastanhebung durch das vom Materialauftrag gestreute Licht. Grund hierfür ist, dass durch die hier beschriebene Methode, unter Verwendung von polarisiertem Licht, von den unterliegenden glatten und/oder metallischen Oberflächen 18 ausgehende direkte Reflexionen gefiltert werden und somit stark reduziert sind. Die Lichtintensitäten von matten Oberflächen 17 werden hingegen im Verhältnis nur gering reduziert, da hier durch Streuung nur stark reduzierte polarisierte Restlichtanteile vorhanden sind. Hierdurch kommt es im aufgenommenen Kamerabild zu einer zusätzlichen optischen Mattierung des aufzunehmenden Objektes und somit zu verbesserten Datenlagen bei der Gewinnung der 3D-Informationen.
2 zeigt schematisch ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines auf der phasenmessenden Triangulations-Methode basierenden Messsystems für eine sich automatisch an ein zu vermessendes Objekt anpassenden Messung der 3D-Beschaffenheit unter Verwendung der Projektion eines strukturierten Musters mit einer jeweils automatisch angepassten Wellenlänge unter Verwendung einer aufnehmenden Kamera, jedoch ohne eine feste Polarisationsorientierung.
Hierbei wird das Licht dreier monochromatisches Licht emittierenden Dioden (LEDs) 1, 2 und 3, im roten (1), im grünen (2) bzw. im blauen (3) Wellenlängenspektrum mittels einer jeweils in der optischen Achse platzierten Kollimationslinse 4, 5 bzw. 6 parallelisiert. Die so kollimierten Strahlengänge der einzelnen LEDs werden über drei dichroitische Spiegel 7, 8a und 8b zu einem Strahlengang kombiniert. Hierbei sind die Reflexionsspektren dieser dichroitischen Spiegel 7, 8a, 8b mit einem hohen Reflexionsgrad im roten Wellenlängenspektrum für Spiegel 7 und im blauen Wellenlängenspektrum für Spiegel 8a, 8b optimiert. Dies führt zu einer Kombination der Strahlengänge der einzelnen LEDs 1, 2 und 3 zu einem gemeinsam verlaufenden weiteren Strahlengang (exemplarisch für LED 3 in 2 gezeigt). Anstelle der LEDs 1, 2 und 3 und der drei dichroitischen Spiegel 7, 8a und 8b kann auch eine einzige mehrfarbige Segment-LED vorgesehen sein. Der so kombinierte Strahlengang wird im Folgenden über eine Microlinsenanordnung 9 (auch „Fly-Eye Lens Array“ genannt) in der Intensität homogenisiert und flächenfüllend über eine Linse 10 auf einem einzeln ansteuerbaren Feld aus Microspiegeln 11 abgebildet. Durch eine Verkippung einzelner Microspiegel wird einfallendes Licht der LEDs 1, 2 und 3 orthogonal zum Feld der Microspiegel abgelenkt. Abhängig davon, welche Microspiegel angesteuert werden, wird so ein Lichtmuster erzeugt, welches im hier gezeigten Anwendungsbeispiel über ein Prisma in der Form eines Parallelogramms 22 in Richtung einer abbildenden Linse 15 gespiegelt wird. Diese Linse 15 bildet das generierte Lichtmuster auf ein zu vermessendes Objekt 17 ab. In diesem Anwendungsbeispiel sind dies Zähne eines dentalen Abdruckmodells mit teilweise glatter und/oder metallischer Oberfläche 18. Der Abbildungsabstand und Scheimpflug-Winkel auf dem zu vermessenden Objekt kann über eine longitudinale Bewegung der Linse 15 entlang der optischen Achse sowie eine Verkippung der Linse 15 eingestellt werden. Der genutzte Triangulationswinkel wird über einen Spiegel 16 eingestellt. Eine Kamera 21 nimmt hierbei mit einem Objektiv 20 das projizierte und durch die Oberfläche des zu vermessenden Objektes verzerrte Lichtmuster auf.
3 zeigt schematisch ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines auf der phasenmessenden Triangulations-Methode basierenden Messsystems zur Messung der 3D-Beschaffenheit unter Verwendung der Projektion eines strukturierten Musters mittels einer aufnehmenden Kamera und einer festen Polarisationsorientierung.
Hierbei wird das Licht einer Licht emittierenden Diode (LED) 23 mittels einer in der optischen Achse platzierten Kollimationslinse 24 parallelisiert. Das Emissionsspektrum dieser LED 23 kann hierbei monochromatisch sein oder ein breitbandiges Wellenlängenspektrum aufweisen oder die LED kann eine mehrfarbige Segment-LED sein. Der kollimierte Strahlengang des Lichtes der LED 23 wird im Folgenden über eine Microlinsenanordnung 9 (auch „Fly-Eye Lens Array“ genannt) in der Intensität homogenisiert und flächenfüllend über eine Linse 10 auf einem einzeln ansteuerbaren Feld aus Microspiegeln 11 abgebildet. Durch eine Verkippung einzelner Microspiegel wird einfallendes Licht der LED 23 orthogonal zum Feld der Microspiegel abgelenkt. Abhängig davon, welche Microspiegel angesteuert werden, wird so ein Lichtmuster erzeugt, welches im hier gezeigten Anwendungsbeispiel über ein Dreiecks-Prisma 12 hin zu einem polarisierenden Strahlteilerwürfel 13 gespiegelt wird. Dieser Würfel teilt die einfallenden Lichtanteile in horizontale und vertikale Polarisationskomponenten auf. Eine Polarisationskomponente wird hierbei direkt durch den polarisierenden Strahlteilerwürfel 13 transmittiert und trifft auf eine Photodiode 14. Diese Photodiode 14 dient der Intensitätskontrolle des generierten Lichtmusters. Der komplementäre Anteil der Polarisationskomponente wird am polarisierenden Strahlteilerwürfel 13 in Richtung einer abbildenden Linse 15 gespiegelt. Diese Linse 15 bildet das generierte Lichtmuster auf ein zu vermessendes Objekt 17 ab. In diesem Anwendungsbeispiel sind dies Zähne eines dentalen Abdruckmodells mit teilweise glatter und/oder metallischer Oberfläche 18. Der Abbildungsabstand und Scheimpflug-Winkel auf dem zu vermessenden Objekt kann über eine longitudinale Bewegung der Linse 15 entlang der optischen Achse sowie eine Verkippung der Linse 15 eingestellt werden. Der genutzte Triangulationswinkel wird über einen Spiegel 16 eingestellt. Eine Kamera 21 nimmt hierbei mit einem Objektiv 20 das projizierte und durch die Oberfläche des zu vermessenden Objektes verzerrte Lichtmuster auf. Ein dem Objektiv 20 vorgelagerter Polarisationsfilter 19 selektiert hierbei die einstrahlende und aufgenommene Polarisationsorientierung des einfallenden Lichtes.
Aktuell von der vorliegenden Anmelderin produzierte 3D-Scanner basieren auf der phasenmessenden Triangulations-Methode. Hierbei wird mittels eines Projektors ein zu vermessendes Objekt mit einem strukturierten Muster, wie z.B. einem Streifenlichtmuster, beleuchtet. Eine Kamera nimmt hierbei das projizierte und durch die Oberfläche des zu vermessenden Objektes verzerrte Muster auf. Aus der Verzerrung des Musters im aufgenommenen Kamerabild lässt sich die 3-dimensionale (3D-)Beschaffenheit des zu vermessenden Objektes bestimmen. Um hierbei das gesamte Objekt erfassen zu können, ist es wichtig, eine homogene Ausleuchtung des aufgenommenen Kamerabildes zu erreichen. In zu dunklen oder überbelichteten Bereichen des aufgenommenen Kamerabildes kann die Verzerrung des Musters nicht bestimmt werden. Ein Hauptgrund, welcher zu einer Überbelichtung führt, sind direkte Licht-Reflexionen des projizierten Musters in die aufnehmende Kamera. Dies führt zu einem Datenverlust am Ursprungsort der Reflexionen des zu vermessenden 3D-Objektes, wodurch hier keine 3D-Information erstellt werden kann. Insbesondere bei metallischen und glatten und nicht-matten Oberflächen kommt es zu direkten Reflexionen. Aktuell wird zur Reduktion von Reflexionen ein sogenanntes Scan-Spray verwendet, welches durch einen dünnen Materialauftrag auf dem zu vermessenden Objekt zu einer Mattierung der Oberflächen führt. Hierdurch werden Reflexionen reduziert.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein optisches Verfahren zur Reduktion der zuvor beschriebenen direkten Reflexionen und somit überstrahlten Bereichen des aufgenommenen Kamerabildes eines 3D-Scanners, welcher auf der Nutzung von einem oder mehreren Projektionslichtern und einer oder mehreren aufnehmenden Kameras basiert. Diese Methode basiert auf der strukturierten Beleuchtung eines zu vermessenden Objektes in einem 3D-Scanner mit polarisiertem Licht und anschließender erneuter Filterung der vom Objekt reflektierten und gestreuten Lichtanteile in Bezug auf deren Polarisationsorientierungen.
Wie oben erwähnt wurde, lässt sich die Polarisation von Licht beispielsweise über Polarisationsfilter selektieren. Wird beispielsweise eine metallische Oberfläche mit polarisiertem Licht bestrahlt, bleibt bei Reflexion die jeweilige Polarisationsorientierung des Lichtes erhalten. Dies gilt auch im Speziellen für die zuvor beschriebenen störenden direkten Reflexionen. Matte Oberflächen hingegen zerstören jedoch weitestgehend durch Streuung die vorhandene Polarisationsorientierung des einstrahlenden Lichts. Dies führt zu einer Selektierbarkeit von polarisiertem Licht, welches durch Reflexion von metallischen Oberflächen stammt, und weitestgehend nichtpolarisiertem, gestreuten Licht von matten Oberflächen. Dieser Effekt lässt sich direkt in der Anwendung der von der vorliegenden Anmelderin produzierten 3D-Scanner einsetzen. Hierbei kann zur Projektion des Musters polarisiertes Licht verwendet werden. Dies kann durch Verwendung eines selektiven, kostengünstigen Polarisationsfilters (P 1) im Strahlengang des zur Generierung des Musters genutzten Projektors erfolgen. Das so polarisierte Licht trifft auf das zu vermessende Objekt, welches beispielsweise metallische Oberflächen (beispielsweise Teleskoparbeiten) und matte Oberflächen (beispielsweise Gipsmodelle) besitzt. Wie beschrieben, wird auf metallischen Oberflächen die Polarisationsorientierung (z.B. horizontale Polarisation, vertikale Polarisation, linkszirkulare oder rechtszirkulare Polarisation) des Lichtes bei Reflexion erhalten und bei weitestgehend matten Oberflächen zerstreut. Durch Nutzung eines zweiten Polarisationsfilters (P2) vor der aufnehmenden Optik der zur Aufnahme der Verzerrungen des Streifenmusters eingesetzten Kamera können einzelne Polarisationsorientierungen selektiv gefiltert werden. Durch eine entsprechende Justage der generierten Polarisationsorientierung bei Filter P1 in Relation zu Filter P2 können somit selektiv die direkten Reflexionen, welche von metallischen Oberflächen stammen, herausgefiltert werden. Eine Überstrahlung des aufgenommenen Kamerabildes kann somit reduziert werden. Bei der Verwendung des zuvor beschriebenen Scan-Sprays, welches durch einen dünnen Materialauftrag auf dem zu vermessenden Objekt zu einer Mattierung der Oberflächen führt, kommt es hierbei zu einer Kontrastanhebung des vom Materialauftrag gestreuten Lichtes. Grund hierfür ist, dass durch die hier beschriebene Methode, unter Verwendung von polarisiertem Licht, von den unterliegenden glatten Oberflächen ausgehende direkte Reflexionen gefiltert werden und somit stark reduziert sind. Die Lichtintensitäten von matten Oberflächen werden hingegen im Verhältnis nur gering reduziert, da hier durch Streuung nur stark reduzierte polarisierte Restlichtanteile vorhanden sind. Hierdurch kommt es im aufgenommenen Kamerabild zu einer zusätzlichen optischen Mattierung des aufzunehmenden Objektes und somit verbesserten Datenlagen bei der Gewinnung der 3D-Informationen.
Im Folgenden werden Ergebnisse von Versuchen vorgestellt, welche allgemein die Vorteile der Verwendung von Polarisationsfiltern (vgl. hierzu das erste und dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung) bei der Aufnahme näher erläutern.
Die Aufnahmen gemäß 4a bis 7b zeigen verschiedene, in der Regel hochglänzende dentale Modelle, bestehend aus verschiedenen Materialien. Diese wurden ohne und mit der Methode zur Reduktion von direkten Reflexionen durch Verwendung von Polarisationsfiltern aufgenommen. Zur Umsetzung der Methode wurden zwei lineare Polarisationsfilter genutzt: einer im Strahlengang des Projektionslichtes und einer im Strahlengang der aufnehmenden Kamera.
Die Ergebnisse 4a bis 7b zeigen eine starke Reduktion der direkten Reflexionen auf den im 3D-Scanner betrachteten Materialien: Gips mit partiellem Modellguss aus Kobalt-Chrom-Molybdän, Grundgerüst aus hochglänzender edelmetallfreier Legierung mit teilweiser Verblendung aus Keramik, Zirconium(IV)-oxid mit und ohne Lasur sowie Kunststoff.
Für einen weiteren Test wurde ein Modell aus Gips mit partiellem Modellguss aus Kobalt-Chrom-Molybdän aus einer Scanrichtung erfasst. Hierbei wurde bewusst ein Winkel gewählt, welcher zu einer starken direkten Reflexion in die aufnehmende Kamera führt. Zur Simulation der üblichen Arbeitsabläufe wurde der metallische Anteil des zu vermessenden Modells mit Scan-Spray mattiert. Zur Umsetzung der Methode wurden erneut zwei lineare Polarisationsfilter genutzt: einer im Strahlengang des Projektionslichtes und einer im Strahlengang der aufnehmenden Kamera.
Wie in der Aufnahme gemäß 8a zu beobachten, kommt es trotz der mattierenden Wirkung des Scan-Sprays zu starken direkten Reflexionen im aufgenommenen Streifenbild bei der betrachteten metallischen Oberfläche des Modells.
Die Aufnahme gemäß 8b zeigt dasselbe Modell mit gleichem Sensor aufgenommen, jedoch unter Verwendung von Polarisationsfiltern zur Unterdrückung der direkten Reflexionen. Im direkten Vergleich mit der Aufnahme gemäß 8a zeigt sich so eine fast vollständige Unterdrückung der direkten Reflexionen in der Aufnahme gemäß 8b.
Die weiteren Aufnahmen gemäß 9a und 9b zeigen jeweils die aus den aufgenommenen Streifenmustern (in den Aufnahme gemäß 8a und 8b repräsentativ gezeigt) bestimmten 3D-Informationen als Rohdaten PCM mit einer Konfidenz von 0,2. Die Aufnahme gemäß 9a zeigt die Situation ohne Unterdrückung der direkten Reflexionen und die Aufnahme gemäß 9b mit Unterdrückung der direkten Reflexionen. Deutlich ist in 9a im Bereich der direkten Reflexionen ein Verlust der 3D-Informationen zu erkennen. Hingegen bei 9b zeigt sich eine nahezu komplett geschlossene Oberfläche in den 3D-Informationen auch am Ort der direkten Reflexionen des Modells.
Insgesamt zeigt die Aufnahme gemäß 9b in erster Analyse eine bessere und robustere Datenlage im Vergleich zu 9a. In der Aufnahme gemäß 9a vorhandene Löcher (auch auf nicht-metallischen Oberflächen) sind in der Aufnahme gemäß 9b geschlossen. Der mögliche Grund hierfür kann der sein, dass die hier angewendete Methode zur Reduktion von direkten Reflexionen jegliche direkten Reflexionen stark reduziert und somit auch auf Gipsoberflächen im hier betrachteten Modell störende Reflexionen eliminiert werden, was zu einer zusätzlichen Mattierung führen kann.
Die Aufnahme gemäß 10a zeigt das fertige 3-dimensionale Oberflächengitter aus der Scanstrategie Komplettkieferscan errechnet. Hier zeigt sich im Detail eine Artefaktbildung auf der betrachteten Metalloberfläche, wenn die direkten Reflexionen nicht unterdrückt sind. Mit Unterdrückung der direkten Reflexionen zeigt sich hingegen bei der Aufnahme gemäß 10b eine deutliche Verringerung der beobachtbaren Artefakte.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsformen derselben näher erläutert. Für einen Fachmann ist es jedoch offensichtlich, dass unterschiedliche Abwandlungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne von dem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken abzuweichen.
Die Erfindung kann folgendermaßen zusammengefasst werden:

1. Verfahren zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
1. (a) Aufnehmen von wenigstens zwei zweidimensionalen Bildern des Objekts bei Ausleuchtung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen;
2. (b) Bestimmen einer optimalen Wellenlänge oder eines optimalen Wellenlängenbereichs; und
3. (c) optisches dreidimensionales Vermessen des Objekts mittels der ermittelten optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs.
2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (a) drei zweidimensionale Bilder aufgenommen werden.
3. Verfahren nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drei zweidimensionalen Bilder bei jeweils einer von drei Wellenlängen oder jeweils einem von drei Wellenlängenbereichen aufgenommen werden, wobei die drei Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche Primärfarben des RGB-Farbraums oder Kombinationen davon entsprechen.
4. Verfahren nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner folgenden Schritt aufweist:
- d) Erstellen einer Farbtexturinformation des Objekts aus den drei zweidimensionalen Bildern.
5. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (a) wenigstens ein Bild des Objekts bei Ausleuchtung mit einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich im Infrarotbereich oder im UV-Bereich aufgenommen wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (b) ferner folgenden Schritt aufweist:
- (b1) Messen einer Rückstreuintensität der im Schritt (a) aufgenommenen Bilder.
7. Verfahren nach Punkt 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (b) ferner folgenden Schritt aufweist:
- (b2) Bestimmen einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs, bei welcher die Rückstreuintensität maximal ist, zum Bestimmen der optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs.
8. Verfahren nach Punkt 7, dadurch gekennzeichnet, dass, falls im Schritt (b2) bestimmt wird, dass die Rückstreuintensität für alle Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche innerhalb eines ersten vorbestimmten Schwellenbereichs gleich groß ist, Bestimmen der kürzesten Wellenlänge oder des Wellenlängenbereichs mit den kürzesten Wellenlängen als die optimale Wellenlänge oder den optimalen Wellenlängenbereich.
9. Verfahren nach Punkt 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass, falls im Schritt (a) mehr als zwei zweidimensionale Bilder aufgenommen werden und im Schritt (b2) bestimmt wird, dass die Rückstreuintensität für wenigstens zwei Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche innerhalb eines zweiten vorbestimmten Schwellenbereichs gleich groß und größer als die Rückstreuintensität der weiteren Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche ist, Bestimmen einer der wenigstens zwei Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen oder einer Kombination der wenigstens zwei Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen als die optimale Wellenlänge oder den optimalen Wellenlängenbereich.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Punkte 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass, falls im Schritt (b2) bestimmt wird, dass die Rückstreuintensität für alle Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche unter einem ersten vorbestimmten Schwellenwert liegt, Bestimmen von breitbandigem oder weißem Licht als den optimalen Wellenlängenbereich.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Punkte 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass, falls im Schritt (b2) bestimmt wird, dass die Rückstreuintensität für alle Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche oder die Summen von Rückstreuintensitäten von Kombinationen davon unter einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert liegt, Bestimmen von einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich im Infrarotbereich oder im UV-Bereich als die optimale Wellenlänge oder den optimalen Wellenlängenbereich.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (b2) ferner der Kontrast der wenigstens zwei Bilder ermittelt wird, wobei, falls der Kontrast von einem der wenigstens zwei Bilder unter einem dritten vorgegebenen Schwellenwert liegt, der Schritt (a) mit einer anderen Intensität wiederholt wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 12, gekennzeichnet durch Durchführen der Schritte (a) bis (c) an mehreren Bereichen des Objekts.
14. Verfahren zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten, insbesondere nach einem der vorhergehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das optische dreidimensionale Vermessen des Objekts mittels einer Triangulationsmethode durchgeführt wird, wobei das Objekt mit einem strukturierten Muster aus polarisiertem Licht beleuchtet wird, wobei eine Kamera mit davor angeordnetem, justierbarem polarisationsselektiven optischen Element, wie beispielsweise einem Polarisationsfilter, das projizierte Muster aufnimmt.
15. Verfahren nach Punkt 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang des zur Beleuchtung vorgesehenen polarisierten Lichts und die Kamera in einer Ebene angeordnet sind, wobei das polarisationsselektive optische Element derart justiert wird, dass das polarisierte Licht im wesentlichen geblockt wird.
16. Vorrichtung zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten, wobei die Vorrichtung Mittel zur Durchführung aller Schritte des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Punkte aufweist.
17. Vorrichtung nach Punkt 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens zwei Ausleuchtungsmittel, vorzugsweise LEDs, für wenigstens zwei Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche aufweist.
18. Vorrichtung nach Punkt 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner wenigstens einen dichroitischen Spiegel aufweist, um das von den wenigstens zwei Ausleuchtungsmitteln emittierte Licht zu einem Strahlengang zu kombinieren.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Punkte 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner einen polarisierenden Strahlteiler und eine Photodiode aufweist, wobei der polarisierende Strahlteiler die einfallenden Lichtanteile in zwei zueinander orthogonale Polarisationskomponenten aufteilt, wobei eine Polarisationskomponente direkt durch den polarisierenden Strahlteiler zur Intensitätskontrolle auf die Photodiode geleitet wird.
20. Vorrichtung nach Punkt 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine abbildende Linse aufweist, wobei die aus dem Strahlteiler austretende komplementäre Polarisationskomponente in Richtung der abbildenden Linse geleitet wird.
21. Vorrichtung nach Punkt 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine Kamera mit einem vor der Kamera angeordneten polarisationsselektiven optischen Element, wie beispielsweise einem Polarisationsfilter, aufweist.

Claims

Verfahren zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten (17, 18), wobei das optische dreidimensionale Vermessen des Objekts (17, 18) mittels einer Triangulationsmethode durchgeführt wird, wobei das Objekt (17, 18) mit einem strukturierten Muster aus polarisiertem Licht beleuchtet wird, wobei eine Kamera (21) mit davor angeordnetem, justierbarem polarisationsselektiven optischen Element das projizierte Muster aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass ein polarisierender Strahlteiler die einfallenden Lichtanteile in zwei zueinander orthogonale Polarisationskomponenten aufteilt, wobei eine Polarisationskomponente direkt durch den polarisierenden Strahlteiler zur Intensitätskontrolle auf eine Photodiode (14) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang des zur Beleuchtung vorgesehenen polarisierten Lichts und die Kamera (21) in einer Ebene angeordnet sind, wobei das polarisationsselektive optische Element derart justiert wird, dass das polarisierte Licht im wesentlichen geblockt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsselektive optische Element ein Polarisationsfilter (19) ist.
Vorrichtung zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten (17, 18) mittels einer Triangulationsmethode, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: - Beleuchtungsmittel zur Beleuchtung des Objekts (17, 18) mit einem strukturierten Muster aus polarisiertem Licht; - eine Kamera (21) mit davor angeordnetem, justierbarem polarisationsselektiven optischen Element zur Aufnahme des projizierten Musters; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner einen polarisierenden Strahlteiler und eine Photodiode (14) aufweist, wobei der polarisierende Strahlteiler die einfallenden Lichtanteile in zwei zueinander orthogonale Polarisationskomponenten aufteilt, wobei eine Polarisationskomponente direkt durch den polarisierenden Strahlteiler zur Intensitätskontrolle auf die Photodiode (14) geleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens zwei Ausleuchtungsmittel, vorzugsweise LEDs, für wenigstens zwei Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner wenigstens einen dichroitischen Spiegel aufweist, um das von den wenigstens zwei Ausleuchtungsmitteln emittierte Licht zu einem Strahlengang zu kombinieren.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine abbildende Linse aufweist, wobei die aus dem Strahlteiler austretende komplementäre Polarisationskomponente in Richtung der abbildenden Linse geleitet wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang des zur Beleuchtung vorgesehenen polarisierten Lichts und die Kamera (21) in einer Ebene angeordnet sind, wobei das polarisationsselektive optische Element derart justiert wird, dass das polarisierte Licht im wesentlichen geblockt wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsselektive optische Element ein Polarisationsfilter (19) ist.