DE102020127894B4 - Method and device for the optical three-dimensional measurement of objects - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten (17, 18), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:(a) Aufnehmen von wenigstens zwei zweidimensionalen Bildern des Objekts (17, 18) bei Ausleuchtung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen;(b) Bestimmen einer optimalen Wellenlänge oder eines optimalen Wellenlängenbereichs, wobei der Schritt des Bestimmens folgende Schritte aufweist: (bl) Messen einer Rückstreuintensität der im Schritt (a) aufgenommenen Bilder und (b2) Bestimmen einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs, bei welcher die Rückstreuintensität maximal ist, zum Bestimmen der optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs; und(c) optisches dreidimensionales Vermessen des Objekts (17, 18) mittels der ermittelten optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs, wobei das Verfahren ferner dadurch gekennzeichnet ist, 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; und/oder- 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; und/oder- 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; und/oder- ferner Ermitteln des Kontrasts der wenigstens zwei Bilder im Schritt (b2), 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.Method for the optical three-dimensional measurement of objects (17, 18), the method having the following steps: (a) recording at least two two-dimensional images of the object (17, 18) when illuminated with at least two different wavelengths or wavelength ranges; (b) Determining an optimal wavelength or an optimal wavelength range, the step of determining having the following steps: (bl) measuring a backscatter intensity of the images recorded in step (a) and (b2) determining a wavelength or a wavelength range at which the backscatter intensity is maximum, for determining the optimal wavelength or wavelength range; and (c) optical three-dimensional measuring of the object (17, 18) by means of the determined optimum wavelength or the optimum wavelength range, the method being further characterized in that:- if more than two two-dimensional images are recorded in step (a) and in Step (b2) it is determined that the backscatter intensity for at least two wavelengths or wavelength ranges within a second predetermined threshold range is equal to and greater than the backscatter intensity of the other wavelengths or wavelength ranges, determining one of the at least two wavelengths or wavelength ranges or a combination of the at least two wavelengths or wavelength ranges as the optimum wavelength or wavelength range; and/or- if it is determined in step (b2) that the backscatter intensity for all wavelengths or wavelength ranges is below a first predetermined threshold value, determining broadband or white light as the optimum wavelength range; and/or- if it is determined in step (b2) that the backscatter intensity for all wavelengths or wavelength ranges or the sums of backscatter intensities of combinations thereof is below a second predetermined threshold value, determining a wavelength or a wavelength range in the infrared range or in the UV range as the optimal wavelength or wavelength range; and/or- further determining the contrast of the at least two images in step (b2), wherein if the contrast of one of the at least two images is below a third predetermined threshold value, step (a) is repeated with a different intensity.

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

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.The present invention generally relates to a technique for detecting the surface shape of objects, such as dental objects and objects from audiology, i.e. teeth or dental impressions or the inside of the ear or ear impressions, using methods of optical 3D measurement technology. This is used for three-dimensional (3D) measurement and digitization in the dental or audiology industry.

Technischer HintergrundTechnical background

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.When digitizing tooth and ear impressions, for example, various optical measurement methods based on active or passive triangulation are used. Triangulation is based on the fact that if the distance between two points is known, the relative position to a third point can be determined by measuring the angle. From a metrological point of view, the known positions can be the points between two camera units (stereography) or one camera and one projection unit. The relative position of a point to be measured on a measurement object can be determined here by measuring angles. Many measuring points form a point cloud, which can be networked to form a surface grid. This reflects the surface shape of an object to be measured. The distinction between active and passive methods for triangulation is based on whether a pattern to be evaluated, regardless of what type, is projected onto a measurement object to be measured (active method) or not (passive method). With active triangulation, measuring points for measuring angles are thus projected onto the surface of the measuring object, whereas with passive triangulation surface features of the measuring object itself are used for the measurement.

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.Examples of active triangulation using a phase measurement method using a stripe pattern is described in the following US patents: MB Werner H. Moermann, "Method and device for the manufacture of custom-shaped implants", U.S. 4,575,805 A , 1984, and GE Company, "Non-Contact Measurement of Surface Profiles," U.S.A. 4,349,277 , 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, „Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Kronenteiles“, DE 30 03 435 A1 , 1980; und „Verfahren zur dreidimensionalen Messung mit wenigen projizierten Mustern“, US 4 648 717 A , 1985.Other types of active triangulation for 3D detection of objects using stripe projection are described in: SDG Systems, "3D camera for detecting surface structures", DE 40 27 328 A1 , 1990; Kaltenbach & Voigt GmbH & Co. KG, "Optical probe for the absolute 3-dimensional measurement of individual teeth and groups of teeth in the oral cavity", DE 39 33 994 A1 , 1989; IG f. Special machine construction, "Method and device for non-contact measurement of shape deviations on surfaces", DE 39 19 893 A1 , 1989 Dr. Paul Heitlinger and Fritz Rödder, "Method for the production of dentures and device for carrying out the method", DE 29 36 847 A1 , 1979; AD Becker Dental-Labor GmbH, "Method and device for the production of a crown part", DE 30 03 435 A1 , 1980; and "Procedure for three-dimensional measurement with few projected patterns", U.S.A. 4,648,717 , 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.Passive triangulating stereographic methods are described in Steinbichler Optotechnik GmbH, "Device for determining the 3D coordinates of an object, in particular a tooth", 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.Active triangulating stereographic methods, active and passive multi-baseline stereo methods are described in: BM Gregory D. Hager and EL Wegbreit, "Acquisition of three-dimensional images by active stereo methods using locally unique patterns", U.S. 7,103,212 B2 , 2003 and MN Solid Photography Inc, "Arrangement for detecting the geometric properties of an object", U.S.A. 4,175,862 , 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 .Passive triangulating multi-baseline stereo through rotating aperture stop is described in F. Frigerio, "3-dimensional surface imaging using active wavefront scanning". U.S. 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.In addition to the previously cited measurement methods based on triangulation, confocal measurement methods are also used. In contrast to the methods mentioned above, these are based on the analysis of the local image sharpness or the local contrast of a point of light projected onto the measurement object by means of an optical system with a large aperture, as described, for example, in “Method and arrangement for fast and reliable confocal 3D measurement technology ", U.S. 7,787,132 B2 , 2007, and SDS GmbH, "Measurement device and method that work according to the basic principles of confocal microscopy", U.S. 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.The active optical measurement methods mentioned generally have an illumination system that directs light onto an object to be measured and an observation system that analyzes the light after its interaction with the object with the aid of a computing and evaluation unit. In principle, the present invention can be used with any of the known methods.

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.Intraoral scanners and table scanner systems are used in the dental industry. As a result, both system types lead to the creation of digital 3D information of teeth or dental indications for the dental industry for further process steps. However, both system types differ from each other in essential points due to the fields of application and the types of material to be recorded as well as the integration into the process chain and are therefore to be regarded as two different and separate device classes.

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.With intraoral recording techniques, the 3D information is recorded directly on the living tooth tissue with the respective indication intraorally on the patient. The challenge here is to use measurement techniques that can cope with the prevailing and highly diverse conditions. In particular, the property of the translucency of dental tissue and the surface gloss with a frequently present liquid layer of various liquid types and different penetration depths (blood/saliva/rinsing liquids, etc.) and undefined layer thicknesses as well as different materials such as dental tissue, fillings, implants, etc., prevent an accurate capture of the 3D -Information.

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.With desktop scanner or table scanner systems, the integration into the process chain is different. Table scanner systems are used to obtain digital 3D information from 3D impressions and 3D casts of dental indications and not of dental tissue directly intraorally. In this case, no information is obtained intraorally from the patient. Objects recorded by table scanner systems include the following dental objects: impressions, models, individual stumps, scan buddies, pinch bites, gingiva masks, etc. The materials to be digitized here are therefore not living human tissue, as is the case with an intraoral system. With desktop scanners, the objects to be digitized consist of known and fixed, defined materials.

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.The process integration of the 3D scanners in audiology is comparable to that of the dental table scanner systems. Here, too, a measurement is not taken directly on the patient, but impressions of ear canals are digitized in table scanner systems, which are then available for further processing in the process chain. With these audiology table scanners, too, the objects to be digitized consist of known and fixed, defined materials.

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.3D desktop scanners for dental and audiological applications that are known in the prior art and are produced by the applicant of the present patent application are based on the phase-measuring triangulation method and are identical in terms of measurement technology. In this case, an object to be measured is illuminated with a structured pattern using a projector. A camera records the projected pattern, which is distorted by the surface of the object to be measured. The 3-dimensional (3D) nature of the object to be measured can be determined from the distortion of the pattern in the recorded camera image.

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.To record the 3D data, it is important to achieve homogeneous illumination of the recorded camera image. The distortion of the structured pattern cannot be determined in areas of the recorded camera image that are too dark or overexposed. Areas that are too dark or overexposed can have various causes. On the one hand, direct reflections from the object to be measured can lead to possible overexposure in the recording camera, on the other hand, the wavelength of the projected pattern used for the measurement has an influence on the intensity to be observed.

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.Broadband white or monochromatic blue light is currently used to project the pattern described in the 3D desktop scanners known in the prior art and produced by the applicant of the present patent application. The use of broadband light when projecting the structured pattern has the advantage of being able to carry out measurements of the 3D structure largely independently of the wavelength that is scattered back from the object surface. When using broadband light, however, unwanted optical effects such as chromatic aberration can occur, which lead to inaccuracies in the projection and detection of the projected structured pattern. When using monochromatic light, the effect of chromatic aberration is minimized. In the further processing, this leads to an increase in the measurement accuracy of the specific 3D condition of the object to be measured.

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.However, the disadvantage of using monochromatic light compared to broadband light is the dependency on the backscattered light intensity of the object surface. If an object surface to be measured, due to its respective color, has a complementary backscattered wavelength compared to the incident monochromatic light, then the detectability of the pattern projected for the measurement is at its maximum weakened. The object may therefore appear too dark for a measurement. When using monochromatic light, this leads to a reduction in the measurement accuracy or non-measurability of the 3D condition of the object to be measured. The choice of using broadband or monochromatic light when measuring the 3D nature of an object using a structured pattern is therefore dependent on the color nature of the object to be measured and the respective indication.

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.In addition to the wavelengths used when projecting the structured pattern when measuring the 3D nature of an object, it is important, as already described at the beginning, to achieve homogeneous illumination of the recorded camera image. The distortion of the pattern cannot be determined in overexposed areas of the recorded camera image. A major cause of overexposure is direct light reflections from the projected pattern into the recording camera. This leads to a loss of data at the point of origin of the reflections of the 3D object to be measured, which means that no 3D information can be created here. Direct reflections occur particularly on metallic and/or smooth and non-matt surfaces. Currently, a so-called scan spray is used to reduce reflections, which results in a matting of the surfaces through a thin application of material on the object to be measured. This reduces reflections.

Bezüglich des Standes der Technik wird ferner auf die JP 2003 - 14 430 A hingewiesen, aus welcher ein dreidimensionales Messverfahren und ein dreidimensionales Messgerät bekannt ist.With regard to the prior art is also on the JP 2003 - 14 430A pointed out, from which a three-dimensional measuring method and a three-dimensional measuring device is known.

Gemäß der DE 10 2017 118 767 A1 werden mit einer ersten Messanordnung an ersten ausgewählten Messpunkten eines Messobjekts 3D-Koordinaten bestimmt. Mit einer zweiten Messanordnung werden an zweiten ausgewählten Messpunkten des Messobjekts Oberflächennormalen bestimmt. Die zweite Messanordnung beinhaltet dafür eine Anzahl an Lichtquellen und eine erste Kamera, die auf das Messobjekt ausgerichtet ist. Die erste Messanordnung kann in einigen Ausführungsbeispielen einen Projektor für eine Streifenlichtprojektion beinhalten. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kalibrierdatensatz bereitgestellt, der individuelle richtungsabhängige Abstrahlcharakteristika der Lichtquellen repräsentiert, und die Oberflächennormalen werden unter Verwendung des Kalibrierdatensatzes und unter Verwendung der 3D-Koordinaten des Messobjekts von der ersten Messanordnung bestimmt.According to the DE 10 2017 118 767 A1 3D coordinates are determined with a first measurement arrangement at first selected measurement points of a measurement object. With a second measurement arrangement, surface normals are determined at second selected measurement points of the measurement object. For this purpose, the second measurement arrangement contains a number of light sources and a first camera, which is aligned with the measurement object. In some exemplary embodiments, the first measurement arrangement can include a projector for a structured light projection. According to a further aspect, a calibration data set is provided which represents the individual direction-dependent emission characteristics of the light sources, and the surface normals are determined by the first measuring arrangement using the calibration data set and using the 3D coordinates of the measurement object.

Ferner ist aus der WO 2012/ 156 448 A1 ein optisches Messverfahren zum Bestimmen von 3D-Koordinaten von einer Vielzahl von Messpunkten einer Messobjekt-Oberfläche bekannt. Dafür erfolgen ein Beleuchten der Messobjekt-Oberfläche mit einer Muster-Sequenz aus unterschiedlichen Mustern durch einen Projektor, ein Aufnehmen einer Bild-Sequenz von der mit der Muster-Sequenz beleuchteten Messobjekt-Oberfläche mit einem Kamerasystem, und ein Bestimmen der 3D-Koordinaten der Messpunkte durch Auswerten der Bild-Sequenz, insbesondere wobei eine Folge von Helligkeitswerten für identische Messpunkte der Messobjekt-Oberfläche in jeweiligen Bildern der aufgenommenen Bild-Sequenz ermittelt wird. Dabei werden translatorische und/oder rotatorische Beschleunigungen des Projektors, des Kamerasystems und/oder des Messobjekts gemessen und in Abhängigkeit von den gemessenen Beschleunigungen das Beleuchten der Messobjekt-Oberfläche und/oder das Aufnehmen der Bild-Sequenz, insbesondere zeitlich im Wesentlichen unmittelbar und live während des Messvorgangs, reaktiv angepasst.Furthermore, from the WO 2012/156 448 A1 an optical measuring method for determining 3D coordinates of a large number of measuring points of a measuring object surface is known. For this purpose, the surface of the measurement object is illuminated with a pattern sequence made up of different patterns by a projector, an image sequence of the surface of the measurement object illuminated with the pattern sequence is recorded with a camera system, and the 3D coordinates of the measurement points are determined by evaluating the image sequence, in particular a sequence of brightness values for identical measurement points of the surface of the measurement object being determined in respective images of the recorded image sequence. In this case, translational and/or rotational accelerations of the projector, the camera system and/or the measurement object are measured and, depending on the measured accelerations, the illumination of the measurement object surface and/or the recording of the image sequence, in particular essentially immediately in time and live during of the measurement process, adjusted reactively.

Aufgabe der Erfindungobject of the invention

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, und insbesondere ein Verfahren zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten anzugeben, welches eine verbesserte Aufnahmequalität und somit Messgenauigkeit der Oberflächenform eines zu vermessenden Objekts ermöglicht.The invention is therefore based on the object of avoiding the disadvantages of the prior art and in particular of specifying a method for the optical three-dimensional measurement of objects that enables improved recording quality and thus measurement accuracy of the surface shape of an object to be measured.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst.The object according to the invention is achieved by a method according to claim 1 or by a device according to claim 10.

Die Erfindung besitzt dabei den Vorteil, dass das Verfahren automatisch durchgeführt werden kann. Insbesondere der Schritt (b) kann über eine Steuereinrichtung, z.B. in Form einer Rechen-/Auswerteeinheit, automatisiert bzw. automatisch realisiert werden. Aktuell ist es bei von der vorliegenden Anmelderin produzierten 3D-Tischscannern sowie allen bekannten Mitbewerbern in der Dental- und Audiologie-Industrie nicht möglich, eine automatische oder adaptive Wellenlängenanpassung an das zu vermessende Objekt gemäß der vorliegenden Erfindung vorzunehmen. Das Vermessen im Schritt c) erfolgt dabei vorzugsweise mittels aktiver oder passiver Triangulation. Bei dem Schritt (b2) wird vorteilhaft die Möglichkeit einer Überbelichtung ausgeschlossen, z.B. durch Ausschluss einer Übersättigung des Empfängers. Der zweite vorbestimmte Schwellenbereich legt dabei ein Intervall der Rückstreuintensität fest, in welchem die Rückstreuintensität als effektiv gleich angesehen wird, so dass eine weitere Festlegung zur Bestimmung der optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs erfolgt. Der Schwellenbereich weist einen oberen und unteren Schwellenwert auf, welche auch zusammenfallen können.The invention has the advantage that the method can be carried out automatically. Step (b) in particular can be automated or automatically implemented via a control device, for example in the form of a computing/evaluation unit. It is currently not possible with the 3D desktop scanners produced by the present applicant and all known competitors in the dental and audiology industry to undertake an automatic or adaptive wavelength adjustment to the object to be measured according to the present invention. The measurement in step c) is preferably carried out by means of active or passive triangulation. In step (b2), the possibility of overexposure is advantageously excluded, for example by excluding oversaturation of the receiver. The second predetermined threshold range defines an interval of the backscatter intensity in which the backscatter intensity is considered to be effectively the same, so that a further definition for determining the optimal wavelength or the optimal wavelength range takes place. The threshold range has an upper and lower threshold, which can also coincide.

Vorzugsweise werden im Schritt (a) drei zweidimensionale Bilder aufgenommen.Three two-dimensional images are preferably recorded in step (a).

Ferner ist bevorzugt, 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. Dabei ist insbesondere ferner ein Schritt d) bevorzugt, wobei der Schritt d) Erstellen einer Farbtexturinformation des Objekts aus den drei zweidimensionalen Bildern aufweist. Eine Textur ist eine Oberflächenstruktur, die als eine Art „Überzug“ für 3D-Modelle eingesetzt werden kann. Durch die Farbtexturinformation, welche durch die Aufnahmen mit Primärfarben des RGB-Farbraums oder Kombinationen davon erhalten wurde, kann das Objekt farbgetreu dargestellt werden. In Kombination mit den aufgenommenen 3D-Daten ist so eine farbgetreue Wiedergabe des zu vermessenden Objektes dreidimensional möglich. Der Schritt d) erfolgt dabei lediglich nach dem Schritt a) und kann daher z.B. auch vor dem Schritt c) vorgesehen sein. Die Aufnahmen des Schritts a) werden bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung daher zum einen zur Bestimmung einer optimalen Wellenlänge oder einem optimalen Wellenlängenbereich für die Vermessung verwendet, dienen aber zum anderen auch zur Farberfassung für ein farbgetreue dreidimensionale Vermessung des Objekts.Furthermore, it is preferred that the three two-dimensional images are each recorded at one of three wavelengths or at one of three wavelength ranges, with the three wavelengths or wavelength ranges corresponding to primary colors of the RGB color space or combinations thereof. In this case, step d) is also particularly preferred, step d) having creation of color texture information of the object from the three two-dimensional images. A texture is a surface structure that can be used as a kind of "cover" for 3D models. The object can be represented true to color by the color texture information, which was obtained by the recordings with primary colors of the RGB color space or combinations thereof. In combination with the recorded 3D data, a true-color three-dimensional reproduction of the object to be measured is possible. Step d) only takes place after step a) and can therefore also be provided before step c), for example. In this embodiment variant of the invention, the recordings of step a) are therefore used to determine an optimal wavelength or an optimal wavelength range for the measurement, but also serve for color detection for a color-accurate three-dimensional measurement of the object.

Besonders bei transparenten Objekten ist bevorzugt, dass im Schritt (a) wenigstens ein Bild des Objekts bei einer Ausleuchtung mit einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich im Infrarotbereich oder im UV-Bereich aufgenommen wird. Eine derartige Wellenlänge oder Wellenlängenbereich ist insbesondere aufgrund der geringen Eindringtiefe in das Objekt bevorzugt.Particularly in the case of transparent objects, it is preferred that in step (a) at least one image of the object is recorded when illuminated with a wavelength or a wavelength range in the infrared range or in the UV range. Such a wavelength or wavelength range is particularly preferred due to the small depth of penetration into the object.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist bevorzugt, 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. Der erste vorbestimmte Schwellenbereich legt dabei ein Intervall der Rückstreuintensität fest, in welchem die Rückstreuintensität als effektiv gleich angesehen wird, so dass eine weitere Festlegung zur Bestimmung der optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs erfolgt. Der Schwellenbereich weist einen oberen und unteren Schwellenwert auf, welche auch zusammenfallen können.According to an advantageous development of the invention, it is preferred that if it is determined in step (b2) that the backscatter intensity is the same for all wavelengths or wavelength ranges within a first predetermined threshold range, determining the shortest wavelength or the wavelength range with the shortest wavelengths as the optimal wavelength or the optimal wavelength range. In this case, the first predetermined threshold range defines an interval of the backscatter intensity in which the backscatter intensity is considered to be effectively the same, so that a further definition for determining the optimal wavelength or the optimal wavelength range takes place. The threshold range has an upper and lower threshold, which can also coincide.

Besonders, wenn das Objekt Bereiche unterschiedlicher Farbe aufweist, ist bevorzugt, dass die Schritte (a) bis (c) sowie die weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens an mehreren bzw. unterschiedlichen Bereichen des Objekts durchgeführt werden. Für jeden dieser Bereiche bzw. Gebiete kann dann eine eigene bzw. spezifische optimale Wellenlänge oder ein eigener bzw. spezifischer optimaler Wellenlängenbereich bestimmt werden.Particularly when the object has areas of different colors, it is preferred that steps (a) to (c) and the further refinements of the method are carried out on a plurality of or different areas of the object. A separate or specific optimal wavelength or a separate or specific optimal wavelength range can then be determined for each of these areas or areas.

Ferner ist bevorzugt, dass beim optischen dreidimensionalen Vermessen des Objekts eine Triangulationsmethode, insbesondere eine phasenmessende Triangulationsmethode, verwendet wird.Furthermore, it is preferred that a triangulation method, in particular a phase-measuring triangulation method, is used during the optical three-dimensional measurement of the object.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Objekt mit einem strukturierten Muster, wie z.B. einem Streifenlichtmuster, aus polarisiertem Licht beleuchtet. Gemäß dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt, dass eine Kamera mit davor angeordnetem, justierbarem polarisationsselektiven optischen Element, wie beispielsweise einem Polarisationsfilter, das projizierte Muster aufnimmt. Dabei ist bevorzugt, dass das polarisationsselektive optische Element 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.In accordance with another aspect of the present invention, the object is illuminated with a structured pattern, such as a structured light pattern, of polarized light. According to the further aspect of the present invention, it is preferred that a camera with an adjustable polarization-selective optical element arranged in front of it, such as a polarization filter, records the projected pattern. In this case, it is preferable for the polarization-selective optical element to be adjusted with regard to the polarization orientation of the polarized light of the structured pattern in order to avoid overexposure or dazzling of the camera. Since often only individual parts of an object to be scanned reflect strongly, e.g. because they are metallic, overexposure cannot usually be compensated for by reducing the lighting intensity, since the other parts of the object are then not illuminated well enough.

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.The beam path of the polarized light provided for illumination and the camera are advantageously arranged in one plane, with the polarization-selective optical element being adjusted in such a way that the polarized light is essentially blocked. With such a planar arrangement of lighting equipment, beam path and camera, the polarization orientation (linear, circular or elliptical) remains unchanged, especially with metallic surfaces that act like a mirror, which is why blocking this polarization orientation leads to overexposure due to reflection on metallic surfaces can be avoided with constant illumination. If, for example, linearly polarized light is used for illumination, then the polarization-selective optical element only lets through to the camera light components that are linearly polarized orthogonally thereto.

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.The invention has the advantage that direct reflections of the object to be measured are greatly or completely reduced in the recorded camera image. This exemplary embodiment of the invention therefore discloses the use of polarization during illumination and recording to reduce reflections during the measurement process. The invention therefore makes it possible to measure matt and/or reflective objects.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung Mittel zur Durchführung aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Insbesondere ist dabei bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Schritts (b) eine Steuereinrichtung und/oder eine Auswerteeinrichtung aufweist.In a device of the type mentioned at the outset, this object is achieved in that the device has means for carrying out all the steps of the method according to the invention. In particular, it is preferred that the device for carrying out step (b) has a control device and/or an evaluation device.

Dabei 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.It is preferred that the device has at least two means of illumination, preferably LEDs, for at least two wavelengths or wavelength ranges. The at least two means of illumination can be individual single-color LEDs, but can also be structurally combined, for example in the form of a multi-colored (segment) LED, in particular a multi-colored (segment) RGB light-emitting 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.Advantageously, the device also has at least one dichroic mirror in order to combine the light emitted by the at least two illumination means to form a beam path. If there are more than two means of illumination, a number of dichroic mirrors are used accordingly.

Eine in der Praxis bevorzugte Realisierung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung ferner einen polarisierenden Strahlteiler und eine Photodiode aufweist, wobei der polarisierende Strahlteiler die einfallenden Lichtanteile in zwei zueinander orthogonale, z.B. in horizontale und vertikale, Polarisationskomponenten aufteilt, wobei eine Polarisationskomponente direkt durch den polarisierenden Strahlteiler zur Intensitätskontrolle auf die Photodiode geleitet wird. Der polarisierende Strahlteiler teilt daher einfallendes Licht in eine Polarisationskomponente und eine dazu komplementäre Polarisationskomponente auf.An implementation of the invention that is preferred in practice provides that the device also has a polarizing beam splitter and a photodiode, with the polarizing beam splitter dividing the incident light components into two mutually orthogonal, e.g. horizontal and vertical, polarization components, with one polarization component being directly polarizing beam splitter is directed to the photodiode for intensity control. The polarizing beam splitter therefore divides incident light into a polarization component and a polarization component complementary thereto.

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.The device preferably also has an imaging lens, the other polarization component emerging from the beam splitter, i.e. the polarization component complementary (to the one polarization component) being guided in the direction of the imaging lens.

Zur Verbesserung der Aufnahmequalität ist bevorzugt, 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 30×30 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.
In order to improve the recording quality, it is preferred that the device also has a camera with a polarization-selective optical element, such as a polarization filter, arranged in front of the camera. By suitably setting the polarization-selective optical element, it is possible in particular to minimize the impairment of the recording due to undesirable reflections, such as those that occur on metallic surfaces, for example. The state of the art provides a remedy in this regard through the use of a so-called scan spray. Until now, a full-surface application had to be carried out over the entire object (with a thickness in the single-digit µm range, 3-5 µm). However, this layer thickness changes the expansion of the object. A 5 µm thick layer makes the object 10 µm larger in its extent (sum of the opposite surfaces of the object). The invention can completely eliminate or greatly reduce the use of a scanning spray. According to the invention, it is not necessary to apply the scan spray over the entire surface, since disruptive reflections are optically eliminated. It is only necessary to apply individual measuring points (grains/spray points) with an average distance in the range of the longitudinal resolution of the respective scanner. This does not change the geometric extent of the object to be scanned, since the measuring points do not have to form a full-surface layer with a specific thickness in order to eliminate reflections. This thus increases the accuracy of the determined scan data. For the applicant's scanner, this means the following in a calculation example:
  • With an assumed longitudinal resolution of 30 μm, which is customary in the prior art and produced by the applicant of the present patent application, there is only one measuring point in a square of 30×30 μm 2 over the surface with the method presented here of the object distributed necessary. A size of the respective scattering points of 1 µm is sufficient here. This means that only an application of 1×1 µm 2 is required on an area of 30×30 µm 2 . This corresponds to a factor of 900 times less application compared to full-surface application. However, it must be taken into account that this assumption has so far only assumed an application of a particle with a size of 1 µm. However, an application in the range of 3-5 µm is necessary for a previously used full-surface covering layer without reflection. Thus, the factor increases from 900 to 2700 to 4500 times less application compared to a full-surface application to eliminate reflections. In the case of the invention, if a scan spray is used, preferably only a layer thickness of the scan spray of less than 1 micrometer is applied.

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.A preferred application of the present invention is in desktop scanners. Undefined liquid pads with different Optical penetration depths and layer thicknesses or living tooth tissue with different translucent properties are not present in models that are measured by table scanners. This brings about an advantageous interaction and the use of the described polarization filter technology within 3D desktop scanners. In particular, the clearly defined relation of the projection of a structured pattern to the measured surface of an object and the recording camera system within a table scanner enables the almost complete reduction of the light components originating from reflections by using polarization-selective optical elements such as polarization filters.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.Further preferred developments of the invention are disclosed in the dependent claims.

Figurenlistecharacter list

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).
The invention, as well as further features, aims, advantages and possible applications of the same, will be explained in more detail below using a description of preferred exemplary embodiments with reference to the attached drawings. In the drawings, the same or similar reference characters designate the same or corresponding elements. All of the features described and/or illustrated form the subject matter of the present invention, either alone or in any meaningful combination, regardless of their summary in the claims or their back-reference. The drawings show in a highly schematic representation:
  • 1 in a highly schematic representation of the structure of a first embodiment of the present invention;
  • 2 in a highly schematic representation of the structure of a second embodiment of the present invention;
  • 3 in a highly schematic representation of the structure of a third embodiment of the present invention;
  • 4a a recording without suppression of direct reflections (material: gypsum with high-gloss partial model casting made of cobalt-chromium-molybdenum);
  • 4b a recording with suppression of direct reflections (material: plaster with high-gloss partial model casting made of cobalt-chromium-molybdenum);
  • 5a a recording without suppression of direct reflections (material: gypsum, basic structure made of high-gloss, non-precious metal alloy with partial ceramic veneer);
  • 5b a recording with suppression of direct reflections (material: gypsum, basic structure made of high-gloss, non-precious metal alloy with partial ceramic veneer);
  • 6a a recording without suppression of direct reflections, material: zirconium(IV) oxide with high-gloss glaze on one side; right side of the jaw in the picture);
  • 6b a recording with suppression of direct reflections (material: zirconium(IV) oxide with high-gloss glaze on one side; right side of jaw in the picture);
  • 7a a recording without suppression of direct reflections (material: plastic);
  • 7b a recording with suppression of direct reflections (material: plastic);
  • 8a a strip light recording without suppression of direct reflections (material: plaster with high-gloss partial model casting made of cobalt-chromium-molybdenum; with scan spray);
  • 8b a stripe light photograph with suppression of direct reflections (material: plaster with high-gloss partial model casting made of cobalt-chromium-molybdenum; with scan spray);
  • 9a a 3D point cloud without suppression of direct reflections (material: plaster with high-gloss partial model casting made of cobalt-chromium-molybdenum; with scan spray);
  • 9b a 3D point cloud with suppression of direct reflections (material: plaster with high-gloss partial model casting made of cobalt-chromium-molybdenum; with scan spray);
  • 10a a finished 3-dimensional surface grid from a complete jaw scan without the suppression of direct reflections, with artefacts on the metal surface under consideration (material: plaster with high-gloss partial model casting made of cobalt-chromium-molybdenum; with scan spray); and
  • 10b a finished 3-dimensional surface grid from a complete jaw scan with suppression of direct reflections, with reduced artefacts on the metal surface under consideration (material: plaster with high-gloss partial model casting made of cobalt-chromium-molybdenum; with scan spray).

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention

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.The subject of the preferred embodiments of the present invention is a measurement of the 3D texture that automatically adapts to an object to be measured using the projection of a structured pattern with a wavelength or wavelength range that is automatically adapted in each case, using one or more recording cameras and/or a fixed one Polarization orientation of the optical beam paths.

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).According to a preferred exemplary embodiment of the invention, three 2D RGB images provide color texture information on the surface of the object to be measured with 3D desktop scanners. This information includes the respective backscatter intensities of the object as a function of the incident wavelength. In this way, a wavelength or a wavelength range which has a relative maximum backscatter intensity can be automatically determined for the object surface to be measured. This enables an automated selection of an optimal monochromatic wavelength when projecting the structured pattern used to measure the respective object. Underexposed areas on the surface of the object are minimized because the wavelength used automatically adapts to the wavelength scattered back from the surface of the object. At the same time, optical effects such as chromatic aberration, which lead to inaccuracies in the projection and detection of the projected structured pattern, are minimized. With regard to the selection of the wavelength used for the measurement, this enables the measurement accuracy to be optimized independently of the present indication (see the first in connection with 1 and the second in connection with 2 described embodiment).

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.The present invention is adaptable to multiple cameras and projection lights. In addition, an extended modular adaptation of the respectively used wavelengths or wavelength ranges to an object to be measured is also possible. The RGB wavelengths used in the application example can also be replaced or extended by other wavelengths in the infrared (IR) and ultraviolet (UV) wavelength spectrum. This leads to an expansion of the possible range of applications and scannable indications with optimized wavelengths or wavelength ranges for 3D acquisition.

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).In addition to the property of a wavelength, light also has a respective polarization. This can be isolated using polarization-selective optical elements. If, for example, a smooth and/or metallic surface is irradiated with light that has a fixed polarization orientation, the respective polarization orientation of the light is retained upon reflection. This also applies in particular to the disruptive direct reflections described above when measuring the 3D nature of an object using a structured pattern. Matt surfaces, on the other hand, largely degenerate due to scattering of the existing polarization orientation of the incident light. This leads to a selectability of polarized light, which comes from reflection from smooth and/or metallic surfaces, and largely non-polarized, scattered light from matt surfaces. If a polarization-selective optical element is used to detect the distortions of the structured pattern, polarized light components that originate from direct reflections can be suppressed in an isolated manner. This leads to a suppression of overexposed areas in the recorded structured patterns and thus to a further increase in measurement accuracy, regardless of the indication given in relation to the respective surface condition (see the first in connection with 1 and the third in connection with 3 described embodiment, and the 4a until 10b and the associated description).

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. 1 shows schematically a first preferred embodiment of a measurement system based on the phase-measuring triangulation method for a measurement of the 3D condition that automatically adapts to an object to be measured using the projection of a structured pattern with a wavelength that is automatically adapted in each case using a recording camera and a fixed polarization orientation of the optical beam paths.

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.Here, the light from three monochromatic light-emitting diodes (LEDs) 1, 2 and 3, in the red (1), green (2) and blue (3) wavelength spectrum is collimated by means of a collimating lens 4, 5 and 6 parallelized. The beam paths of the individual LEDs collimated in this way are combined into one beam path via three dichroic mirrors 7, 8a and 8b. Here, the reflection spectra of these dichroic mirrors 7, 8a and 8b are optimized with a high degree of reflection in the red wavelength spectrum for mirror 7 and in the blue wavelength spectrum for mirror 8a, 8b. This leads to a combination of the beam paths of the individual LEDs 1, 2 and 3 to form a further beam path running together (example for LED 3 in 1 shown). Instead of the LEDs 1, 2 and 3 and the three dichroic mirrors 7, 8a and 8b, a single multicolored segment LED can also be provided. The beam path combined in this way is then homogenized in intensity via a microlens arrangement 9 (also known as a “fly-eye lens array”) and imaged over a lens 10 onto an individually controllable array 11 of micromirrors. By tilting individual micromirrors, incident light from LEDs 1, 2 and 3 is deflected orthogonally to field 11 of the micromirrors. Depending on which micromirrors are controlled, a light pattern is generated, which in the application example shown here is reflected via a triangular prism 12 to a polarizing beam splitter cube 13 . This cube splits the incident light into horizontal and vertical polarization components. A polarization component is transmitted directly through the polarizing beam splitter cube 13 and impinges on a photodiode 14. This photodiode 14 is used to control the intensity of the light pattern generated. The complementary part of the polarization component is reflected at the polarizing beam splitter cube 13 in the direction of an imaging lens 15 . This lens 15 images the generated light pattern onto an object 17 to be measured. In this application example, these are teeth 18 of a dental impression model with a partially smooth and/or metallic surface. The imaging distance and Scheimpflug angle on the object to be measured can be set by moving the lens 15 longitudinally along the optical axis and by tilting the lens 15 . The triangulation angle used is set using a mirror 16 . A camera 21 uses a lens 20 to record the light pattern that is projected and distorted by the surface of the object to be measured. A polarization filter 19 arranged in front of the lens 20 selects the incoming and recorded polarization orientation of the incident light.

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.By switching the individual LEDs 1, 2 and 3 sequentially and tilting the individual micromirrors 11 arranged in the field over the entire surface, it is possible to use the camera 21 to record 2D color texture information of the object 17, 18 to be measured over the entire surface. As described above, an automated analysis of the color texture information recorded in this way can be used to determine the optimal wavelength or an optimal wavelength range for a 3D measurement of the object using structured patterns. With this information, individual LED wavelengths or color combinations can be generated automatically by controlling several LEDs 1, 2 and 3 in order to achieve the optimal wavelength or an optimal wavelength range for a 3D measurement and thus a 3D measurement using a structured to be able to carry out the pattern.

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.Furthermore, the exemplary embodiment shown makes it possible to use polarized light to measure the object 17, 18, since the polarizing beam splitter cube 13 only selects light of one polarization orientation. The light pattern polarized in this way thus impinges on the object 17, 18 to be measured, which has, for example, metallic surfaces 18 (for example telescope work) and matt surfaces 17 (for example plaster model). As described, the polarization direction of the light is preserved on metallic surfaces during reflection and scattered on largely matt surfaces.

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.By using a second polarization-selective element or polarization filter 19 in front of the recording optics 20 of the camera 21 used to record the distortions of the stripe pattern, individual polarization orientations can be selectively filtered. By appropriately adjusting the polarization orientation of filter 19 in relation to the orientation of polarizing beam splitter cube 13, direct reflections originating from smooth and/or metallic surfaces 18 can thus be selectively filtered out. Overexposure to the recorded camera image can thus be reduced. When using the scan spray described at the beginning, which leads to a matting of the surfaces due to a thin application of material on the object to be measured, the contrast is increased by the light scattered by the application of material. The reason for this is that direct reflections emanating from the underlying smooth and/or metallic surfaces 18 are filtered by the method described here, using polarized light, and are therefore greatly reduced. The light intensities of matt surfaces 17, on the other hand, are reduced only slightly in comparison, since only greatly reduced polarized residual light components are present here due to scattering. This results in an additional optical matting of the object to be recorded in the recorded camera image and thus to improved data layers when obtaining the 3D information.

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. 2 shows schematically a second preferred embodiment of a measurement system based on the phase-measuring triangulation method for a measurement of the 3D condition that automatically adapts to an object to be measured using the projection of a structured pattern with a wavelength that is automatically adapted in each case using a recording camera, however without a fixed polarization orientation.

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.Here, the light from three monochromatic light-emitting diodes (LEDs) 1, 2 and 3, in the red (1), green (2) and blue (3) wavelength spectrum is collimated by means of a collimating lens 4, 5 and 6 parallelized. The beam paths of the individual LEDs collimated in this way are combined into one beam path via three dichroic mirrors 7, 8a and 8b. Here, the reflection spectra of these dichroic mirrors 7, 8a, 8b are optimized with a high degree of reflection in the red wavelength spectrum for mirror 7 and in the blue wavelength spectrum for mirror 8a, 8b. This leads to a combination of the beam paths of the individual LEDs 1, 2 and 3 to form a further beam path running together (example for LED 3 in 2 shown). Instead of the LEDs 1, 2 and 3 and the three dichroic mirrors 7, 8a and 8b, a single multicolored segment LED can also be provided. The beam path combined in this way is then homogenized in intensity via a micro-lens arrangement 9 (also known as a “fly-eye lens array”) and imaged over an area-filling via a lens 10 on an individually controllable array of micro-mirrors 11 . By tilting individual micromirrors, incident light from LEDs 1, 2 and 3 is deflected orthogonally to the field of the micromirrors. Depending on which micromirror is controlled, a light pattern is generated, which is reflected in the application example shown here via a prism in the form of a parallelogram 22 in the direction of an imaging lens 15 . This lens 15 images the generated light pattern onto an object 17 to be measured. In this application example, these are teeth of a dental impression model with a partially smooth and/or metallic surface 18. The imaging distance and Scheimpflug angle on the object to be measured can be adjusted by moving the lens 15 longitudinally along the optical axis and by tilting the lens 15 . The triangulation angle used is set using a mirror 16 . A camera 21 uses a lens 20 to record the light pattern that is projected and distorted by the surface of the object to be measured.

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. 3 FIG. 12 shows schematically a third preferred embodiment of a measurement system based on the phase measurement triangulation method for measuring the 3D condition using the projection of a structured pattern by means of a recording camera and a fixed polarization orientation.

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.In this case, the light from a light-emitting diode (LED) 23 is parallelized by means of a collimating lens 24 placed in the optical axis. The emission spectrum of this LED 23 can be monochromatic or have a broadband wavelength spectrum, or the LED can be a multicolored segment LED. The intensity of the collimated beam path of the light from the LED 23 is then homogenized using a micro-lens array 9 (also known as a “fly-eye lens array”) and imaged over a surface area using a lens 10 on an individually controllable array of micro-mirrors 11 . Incident light from the LED 23 is deflected orthogonally to the field of the micromirrors by tilting individual micromirrors. Depending on which micromirrors are controlled, a light pattern is generated, which in the application example shown here is reflected via a triangular prism 12 to a polarizing beam splitter cube 13 . This cube splits the incident light into horizontal and vertical polarization components. A polarization component is transmitted directly through the polarizing beam splitter cube 13 and impinges on a photodiode 14. This photodiode 14 is used to control the intensity of the light pattern generated. The complementary part of the polarization component is reflected at the polarizing beam splitter cube 13 in the direction of an imaging lens 15 . This lens 15 images the generated light pattern onto an object 17 to be measured. In this application example, these are teeth of a dental impression model with a partially smooth and/or metallic surface 18. The imaging distance and Scheimpflug angle on the object to be measured can be adjusted by moving the lens 15 longitudinally along the optical axis and by tilting the lens 15 . The triangulation angle used is set using a mirror 16 . A camera 21 uses a lens 20 to record the light pattern that is projected and distorted by the surface of the object to be measured. A polarization filter 19 arranged in front of the lens 20 selects the incoming and recorded polarization orientation of the incident light.

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.3D scanners currently produced by the present applicant are based on the phase-measuring triangulation method. Here, a projector is used to illuminate an object to be measured with a structured pattern, such as a striped light pattern. A camera records the projected pattern, which is distorted by the surface of the object to be measured. The 3-dimensional (3D) nature of the object to be measured can be determined from the distortion of the pattern in the recorded camera image. In order to be able to capture the entire object, it is important to achieve homogeneous illumination of the recorded camera image. The distortion of the pattern cannot be determined in areas of the recorded camera image that are too dark or overexposed. A major reason that leads to overexposure is direct Light reflections of the projected pattern into the recording camera. This leads to a loss of data at the point of origin of the reflections of the 3D object to be measured, which means that no 3D information can be created here. Direct reflections occur particularly on metallic, smooth and non-matt surfaces. Currently, a so-called scan spray is used to reduce reflections, which results in a matting of the surfaces through a thin application of material on the object to be measured. This reduces reflections.

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.One aspect of the present invention relates to an optical method for reducing the previously described direct reflections and thus overexposed areas of the recorded camera image of a 3D scanner, which is based on the use of one or more projection lights and one or more recording cameras. This method is based on the structured illumination of an object to be measured in a 3D scanner with polarized light and subsequent renewed filtering of the light components reflected and scattered by the object in relation to their polarization orientation.

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 (P1) 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.As mentioned above, the polarization of light can be selected using polarization filters, for example. For example, if a metallic surface is irradiated with polarized light, the respective polarization orientation of the light is retained upon reflection. This also applies in particular to the disruptive direct reflections described above. Matt surfaces, on the other hand, largely destroy the existing polarization orientation of the incident light through scattering. This leads to a selectability of polarized light, which comes from reflection from metallic surfaces, and largely unpolarized, scattered light from matt surfaces. This effect can be used directly in the application of the 3D scanner produced by the present applicant. Here, polarized light can be used to project the pattern. This can be done by using a selective, inexpensive polarization filter (P1) in the beam path of the projector used to generate the pattern. The light polarized in this way hits the object to be measured, which has, for example, metallic surfaces (e.g. telescope work) and matt surfaces (e.g. plaster models). As described, the polarization orientation (e.g. horizontal polarization, vertical polarization, left-hand circular or right-hand circular polarization) of the light is retained on metallic surfaces during reflection and is scattered on largely matt surfaces. Individual polarization orientations can be selectively filtered by using a second polarization filter (P2) in front of the recording optics of the camera used to record the distortions of the striped pattern. A corresponding adjustment of the polarization orientation generated in filter P1 in relation to filter P2 can thus selectively filter out the direct reflections originating from metallic surfaces. Overexposure to the recorded camera image can thus be reduced. When using the scan spray described above, which leads to a matting of the surfaces due to a thin application of material on the object to be measured, the contrast of the light scattered by the application of material is increased. The reason for this is that the method described here, using polarized light, filters out direct reflections from the underlying smooth surfaces and thus greatly reduces them. The light intensities of matt surfaces, on the other hand, are only slightly reduced in comparison, since only greatly reduced polarized residual light components are present here due to scattering. This results in an additional optical matting of the object to be recorded in the recorded camera image and thus improved data layers when obtaining the 3D information.

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.The results of experiments are presented below, which generally explain in more detail the advantages of using polarization filters (cf. the first and third exemplary embodiments of the present invention) when recording.

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.The recordings according to 4a until 7b show different, usually high-gloss dental models, consisting of different materials. These were recorded with and without the method of reducing direct reflections by using polarization filters. Two linear polarization filters were used to implement the method: one in the beam path of the projection light and one in the beam path of the recording camera.

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.The results 4a until 7b show a strong reduction in direct reflections on the materials viewed in the 3D scanner: plaster with partial model casting made of cobalt-chromium-molybdenum, basic framework made of high-gloss, non-precious metal alloy with partial veneering made of ceramic, zirconium(IV) oxide with and without glaze and plastic .

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.For a further test, a model made of plaster with partial model casting made of cobalt-chromium-molybdenum was scanned from one scanning direction. An angle was deliberately chosen that leads to a strong direct reflection into the recording camera. To simulate the usual work process runs, the metallic part of the model to be measured was matted with scan spray. Two linear polarization filters were again used to implement the method: one in the beam path of the projection light and one in the beam path of the recording camera.

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.As per the recording 8a observed, despite the matting effect of the scan spray, there are strong direct reflections in the stripe image recorded on the metallic surface of the model under consideration.

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.The recording according to 8b shows the same model recorded with the same sensor, but using polarization filters to suppress direct reflections. In direct comparison with the recording according to 8a shows an almost complete suppression of the direct reflections in the recording 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.The other recordings according to 9a and 9b each show the stripe patterns from the recorded patterns (in the recordings according to 8a and 8b representative) determined 3D information as raw data PCM with a confidence level of 0.2. The recording according to 9a shows the situation without suppression of direct reflections and the recording according to 9b with suppression of direct reflections. It is clear in 9a a loss of 3D information can be seen in the area of direct reflections. On the other hand at 9b an almost completely closed surface can be seen in the 3D information, also at the location of the direct reflections of the model.

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.Overall, the recording shows according to 9b in the first analysis a better and more robust data situation compared to 9a . In the recording according to 9a Existing holes (also on non-metallic surfaces) are shown in the photo 9b closed. The possible reason for this may be that the method used here to reduce direct reflections greatly reduces any direct reflections and thus also eliminates disruptive reflections on plaster surfaces in the model considered here, which can lead to additional matting.

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.The recording according to 10a shows the finished 3-dimensional surface grid calculated from the scan strategy complete jaw scan. Artifact formation on the observed metal surface can be seen in detail here if the direct reflections are not suppressed. With the suppression of direct reflections, on the other hand, the picture shows accordingly 10b a significant reduction in observable artifacts.

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.The invention was explained in more detail above on the basis of preferred embodiments thereof. However, it is obvious to a person skilled in the art that various alterations and modifications can be made without departing from the idea on which the invention is based.

Claims (10)

Verfahren zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten (17, 18), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Aufnehmen von wenigstens zwei zweidimensionalen Bildern des Objekts (17, 18) bei Ausleuchtung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen; (b) Bestimmen einer optimalen Wellenlänge oder eines optimalen Wellenlängenbereichs, wobei der Schritt des Bestimmens folgende Schritte aufweist: (bl) Messen einer Rückstreuintensität der im Schritt (a) aufgenommenen Bilder und (b2) Bestimmen einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs, bei welcher die Rückstreuintensität maximal ist, zum Bestimmen der optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs; und (c) optisches dreidimensionales Vermessen des Objekts (17, 18) mittels der ermittelten optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs, wobei das Verfahren ferner dadurch gekennzeichnet ist, 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; und/oder - 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; und/oder - 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; und/oder - ferner Ermitteln des Kontrasts der wenigstens zwei Bilder im Schritt (b2), 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. Method for the optical three-dimensional measurement of objects (17, 18), the method having the following steps: (a) recording at least two two-dimensional images of the object (17, 18) when illuminated with at least two different wavelengths or wavelength ranges; (b) determining an optimal wavelength or an optimal wavelength range, wherein the step of determining comprises the following steps: (bl) measuring a backscatter intensity of the images recorded in step (a) and (b2) determining a wavelength or a wavelength range at which the backscatter intensity is maximum for determining the optimal wavelength or wavelength range; and (c) optical three-dimensional measuring of the object (17, 18) by means of the determined optimum wavelength or the optimum wavelength range, the method being further characterized in that: - if more than two two-dimensional images are recorded in step (a) and in Step (b2) it is determined that the backscatter intensity for at least two wavelengths or wavelength ranges within a second predetermined threshold range is equal to and greater than the backscatter intensity of the other wavelengths or wavelength ranges, determining one of the at least two wavelengths or wavelength ranges or a combination of the at least two wavelengths or wavelength ranges as the optimum wavelength or wavelength range; and/or - if it is determined in step (b2) that the backscatter intensity for all wavelengths or wavelength ranges is below a first predetermined threshold value, determining broadband or white light as the optimum wavelength range; and/or - if it is determined in step (b2) that the backscatter intensity for all wavelengths or wavelength ranges or the sums of backscatter intensities of combinations thereof is below a second predetermined threshold value, determining a wavelength or a wavelength range in the infrared range or in the UV range as the optimal wavelength or wavelength range; and/or - further determining the contrast of the at least two Images in step (b2), wherein if the contrast of one of the at least two images is below a third predetermined threshold, step (a) is repeated with a different intensity. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (a) drei zweidimensionale Bilder aufgenommen werden.procedure after claim 1 , characterized in that in step (a) three two-dimensional images are recorded. Verfahren nach Anspruch 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.procedure after claim 2 , characterized in that the three two-dimensional images are each recorded at one of three wavelengths or at one of three wavelength ranges, the three wavelengths or wavelength ranges corresponding to primary colors of the RGB color space or combinations thereof. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner folgenden Schritt aufweist: d) Erstellen einer Farbtexturinformation des Objekts (17, 18) aus den drei zweidimensionalen Bildern.procedure after claim 3 , characterized in that it further comprises the following step: d) creating color texture information of the object (17, 18) from the three two-dimensional images. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (a) wenigstens ein Bild des Objekts (17, 18) bei Ausleuchtung mit einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich im Infrarotbereich oder im UV-Bereich aufgenommen wird.procedure after claim 1 , characterized in that in step (a) at least one image of the object (17, 18) is recorded when illuminated with a wavelength or a wavelength range in the infrared range or in the UV range. Verfahren nach Anspruch 1, 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.procedure after claim 1 , characterized in that if it is determined in step (b2) that the backscatter intensity is the same for all wavelengths or wavelength ranges within a first predetermined threshold range, determining the shortest wavelength or the wavelength range with the shortest wavelengths as the optimal wavelength or the optimal ones wavelength range. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Durchführen der Schritte (a) bis (c) an mehreren Bereichen des Objekts (17, 18).Method according to one or more of the Claims 1 until 6 , characterized by performing steps (a) to (c) on a plurality of regions of the object (17, 18). Verfahren zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten (17, 18) nach einem nach der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 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, wie beispielsweise einem Polarisationsfilter (19), das projizierte Muster aufnimmt.Method for the optical three-dimensional measurement of objects (17, 18) according to one of the preceding claims, characterized in that the optical three-dimensional measurement of the object (17, 18) is carried out by means of a triangulation method, the object (17, 18) with a structured pattern of polarized light is illuminated, a camera (21) with an adjustable, polarization-selective optical element arranged in front of it, such as a polarization filter (19), recording the projected pattern. Verfahren nach Anspruch 8, 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.procedure after claim 8 , characterized in that the beam path of the polarized light provided for illumination and the camera (21) are arranged in one plane, the polarization-selective optical element being adjusted in such a way that the polarized light is essentially blocked. Vorrichtung zur optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten (17, 18), wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: (a) Mittel zum Aufnehmen von wenigstens zwei zweidimensionalen Bildern des Objekts (17, 18) bei Ausleuchtung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen; (b) Mittel zum Bestimmen einer optimalen Wellenlänge oder eines optimalen Wellenlängenbereichs, wobei die Mittel zum Bestimmen folgendes aufweisen: (b1) Mittel zum Messen einer Rückstreuintensität der von den Mitteln zum Aufnehmen aufgenommenen Bilder und (b2) Mittel zum Bestimmen einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs, bei welcher die Rückstreuintensität maximal ist, zum Bestimmen der optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs; und (c) Mittel zum optischen dreidimensionalen Vermessen des Objekts (17, 18) mittels der ermittelten optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs; dadurch gekennzeichnet, dass: - die Mittel zum Bestimmen der optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs eine der wenigstens zwei Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche oder einer Kombination der wenigstens zwei Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen als die optimale Wellenlänge oder den optimalen Wellenlängenbereich bestimmen, falls durch die Mittel zum Aufnehmen von wenigstens zwei zweidimensionalen Bildern des Objekts mehr als zwei zweidimensionale Bilder aufgenommen werden und durch die Mittel zum Bestimmen einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs, bei welcher die Rückstreuintensität maximal ist, 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; und/oder - die Mittel zum Bestimmen der optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs breitbandiges oder weißes Licht als den optimalen Wellenlängenbereich bestimmen, falls durch die Mittel zum Bestimmen einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs, bei welcher die Rückstreuintensität maximal ist, bestimmt wird, dass die Rückstreuintensität für alle Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche unter einem ersten vorbestimmten Schwellenwert liegt; und/oder - die Mittel zum Bestimmen der optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich im Infrarotbereich oder im UV-Bereich als die optimale Wellenlänge oder den optimalen Wellenlängenbereich bestimmen, falls durch die Mittel zum Bestimmen einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs, bei welcher die Rückstreuintensität maximal ist, bestimmt wird, dass die Rückstreuintensität für alle Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche oder die Summen von Rückstreuintensitäten von Kombinationen davon unter einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert liegt; und/oder - die Mittel zum Bestimmen einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs, bei welcher die Rückstreuintensität maximal ist, zum Bestimmen der optimalen Wellenlänge oder des optimalen Wellenlängenbereichs ferner folgendes aufweisen: Mittel zum Ermitteln des Kontrasts der wenigstens zwei Bilder, wobei, falls der Kontrast von einem der wenigstens zwei Bilder unter einem dritten vorgegebenen Schwellenwert liegt, die Mittel zum Aufnehmen von wenigstens zwei zweidimensionalen Bildern des Objekts bei Ausleuchtung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen das Aufnehmen von wenigstens zwei zweidimensionalen Bildern des Objekts bei Ausleuchtung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen mit einer anderen Intensität wiederholen.Device for the optical three-dimensional measurement of objects (17, 18), the device having the following: (a) means for recording at least two two-dimensional images of the object (17, 18) when illuminated with at least two different wavelengths or wavelength ranges; (b) means for determining an optimal wavelength or an optimal wavelength range, the means for determining comprising: (b1) means for measuring a backscatter intensity of the images recorded by the means for recording and (b2) means for determining a wavelength or a wavelength range , at which the backscatter intensity is maximum, for determining the optimum wavelength or wavelength range; and (c) means for optically three-dimensionally measuring the object (17, 18) using the determined optimal wavelength or the optimal wavelength range; characterized in that: - the means for determining the optimum wavelength or wavelength range determines one of the at least two wavelengths or wavelength ranges or a combination of the at least two wavelengths or wavelength ranges as the optimum wavelength or wavelength range, if by the means for receiving at least two two-dimensional images of the object, more than two two-dimensional images are recorded and it is determined by the means for determining a wavelength or a wavelength range at which the backscatter intensity is maximum that the backscatter intensity for at least two wavelengths or wavelength ranges within a second predetermined threshold range is the same is large and greater than the backscatter intensity of the other wavelengths or wavelength ranges; and/or - the means for determining the optimum wavelength or the optimum wavelength range determine broadband or white light as the optimum wavelength range if it is determined by the means for determining a wavelength or a wavelength range at which the backscatter intensity is maximum that the backscatter intensity is below a first predetermined threshold for all wavelengths or wavelength ranges; and/or - the means for determining the optimal wavelength or the optimal wavelength range a wavelength or a wavelength range in the infrared range or in the UV range as the opti determine the optimum wavelength or wavelength range if it is determined by the means for determining a wavelength or a wavelength range at which the backscatter intensity is maximum that the backscatter intensity for all wavelengths or wavelength ranges or the sums of backscatter intensities of combinations thereof is below a second predetermined threshold is; and/or - the means for determining a wavelength or a wavelength range at which the backscatter intensity is maximum, for determining the optimum wavelength or the optimum wavelength range further have the following: means for determining the contrast of the at least two images, wherein if the contrast of one of the at least two images is below a third predetermined threshold value, the means for recording at least two two-dimensional images of the object when illuminated with at least two different wavelengths or wavelength ranges, recording at least two two-dimensional images of the object when illuminated with at least two different wavelengths or wavelength ranges repeat with a different intensity.
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