DE10356412A1 - Multifokales konfokales Verfahren und konfokale Anordnung für wenig kooperative Objekte - Google Patents

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Klaus Dr. Körner
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    • A61C9/0073Interferometric means or methods, e.g. creation of a hologram

Abstract

Multifokales konfokales Verfahren und konfokale Anordnung insbesondere für die Formmessung wenig kooperativer Objekte, insbesondere auch für die 3-D-Zahnformmessung im Mund eines Patienten, mit einer Lichtquelle, mit einem Prüflingsobjektiv, mit Mitteln zum Durchführen eines Tiefen-Scans, so dass sich im Objektraum die Relativlage der Bilder von Punktlichtquellen zur Objektoberfläche ändert, mindestens einem zusätzlichen, multifokalen Abbildungssystem, das zumindest näherungsweise in der Brennebene des Prüflingsobjektivs, die dem Prüfling abgewandt ist, angeordnet ist, wobei bei diesem konfokalen Verfahren - anstelle eines konfokalen Signals mit nur zwei Flanken - Signale mit einer Vielzahl von Flanken erzeugt werden, so dass über die Tiefe ein konfokales Signal in einer Waveletform entsteht und dieses Signal mit den Methoden der Kreuzkorrelation, den Auswertemethoden der Kurzkohärenz-Interferometrie oder mittels Wavelet-Transformation hinsichtlich der Tiefenposition mindestens eines Objektpunktes ausgewertet wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Das in der Schrift "Signal evaluation for high-speed confocal measurements" Appl. Optics, Vol. 41, No. 35 10. Dez. 2002, S. 7410–S. 7415 von A. K. Ruprecht, T. F. Wiesendanger, H. J. Tiziani beschriebene konfokale Verfahren gestattet die schnelle Messung des Mikroprofils von technischen Oberflächen. Die Anwendung der bekannten konfokalen Technik kann bei der dreidimensionalen Messung, insbesondere von Zähnen im Mund eines Patienten jedoch Probleme bereiten, da menschliche Zähne als Messobjekte wegen ihrer Translucenz besonders wenig kooperativ sind.
  • Außerdem kann die Form und die Halbwertsbreite des konfokalen Signals stark durch die Objektform selbst, beispielsweise durch die Flankenform eines Zahns mitbeeinflusst werden, so dass die signaltechnische Erkennung des allgemein bekannten konfokales Signal als Quadrat der Sinc-Funktion nur bedingt und nur mit größerer Unsicherheit möglich sein kann.
  • Das Ziel der Erfindung ist ein robustes und dennoch genau messendes Verfahren und ein kostengünstiger Sensor, insbesondere auch zur Bestimmung der dreidimensionalen Form von Zahnoberflächen im Mund eines Menschen.
  • Der Abstand der konfokalen Anordnung zum Objekt sollte der Messaufgabe angepasst sein und somit hinreichend groß gemacht sein.
  • Die Aufgabe besteht also darin, wenig kooperative Objekte zwei- oder dreidimensional zu vermessen. Insbesondere soll die dreidimensionale Form von Zähnen im Mund eines Menschen schnell und mit großer Genauigkeit in einem ausgedehnten Tiefenmessbereich gemessen werden. Es sollen aber auch andere, wenig kooperative Objekte, beispielsweise Keramiken oder Kunststoffe, dreidimensional vermessen werden können. Das Messverfahren soll konfokaler Natur sein. Die erreichbare Genauigkeit soll sich dabei der Genauigkeit annähern, die sich an kooperativen Oberflächen gleicher Form ergeben würde. Die erreichbare Tiefenmess-Genauigkeit soll für einen entsprechend ausgelegten konfokalen Sensor beispielsweise bei 5 μm bis 25 μm liegen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung basiert auf der Anwendung des bekannten konfokalen Prinzips. Es soll durch die Erfindung die Informationsmenge im konfokalen Signal deutlich erhöht werden, um auch bei stärker verrauschten Signalen und bei Signalen mit kleinen Signalamplituden eine sichere Auswertung zu ermöglichen. Dies soll durch die Erhöhung der Anzahl der charakteristischen Merkmale, wie die Anzahl der auswertbaren Flanken oder die Erhöhung der Anzahl der Maxima im detektierten Signalverlauf, erfolgen.
  • Dazu werden bei einer konfokalen Anordnung mit einer Lichtquelle, einem Prüflingsobjektiv, also ein Objektiv, welches dem Prüfling zugeordnet ist, einer Kamera mit mindestens einem Kamera-Chip, einem Punktlichtquellen-Array geeignete Mittel zum Durchführen eines Tiefen-Scans eingesetzt, so dass im Objektraum die Relativlage der Bilder von Punktlichtquellen zur Objektoberfläche veränderbar ist. Das Punktlichtquellen-Array kann vorzugsweise als ein Mikrolinsen-Array ausgebildet sein.
  • Erfindungsgemäß ist in der konfokalen Anordnung ein multifokales Abbildungssystem in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüflingsobjektivs ausgebildet. Dabei ist das multifokale Abbildungssystem zur optischen Achse des Prüflingsobjektivs zentriert. Das multifokale Abbildungssystem kann vorzugsweise als Zonenlinse und vorzugsweise in der Art eines Phasenhologramms oder auch in der Art eines Amplitudenhologramms ausgebildet sein. So entsteht beim konfokalen Scan aufgrund der Diffraktion in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüflingsobjektivs ein konfokales Signal mit mindestens zwei Signalmaxima, die im Tiefen-Scan zeitlich nacheinander entstehen. Die unterschiedlichen Brechkräfte des multifokalen Abbildungssystems sind dabei so gewählt, dass die Signalmaxima vorzugsweise mindestens um die Halbwertsbreite voneinander getrennt sind. Mehrere lokale Maxima im Signal verbessern die Wiedererkennbarkeit oder Detektierbarkeit eines so ausgebildeten Signals besonders bei schwachen Signalen im Vergleich zu einem konfokalen Signal mit nur einem einzigen Signalmaximum. Im Falle eines trifokalen Abbildungssystem entsteht so beim konfokalen Scan in der Tiefe ein Signal mit mindestens zwei zeitlich aufeinander folgenden Signalmaxima. Für die Signalauswertung können die aus der kurzkohärenten Interferometrie bekannten Methoden benutzt werden. Es kann die Signalauswertung aber auch mit Wavelet- und/oder mit den Kreuzkorrelationsmethoden erfolgen.
  • Gemäß dem bekannten konfokalen Prinzip zur flächenhaften Detektion kann eine rotierende Nipkowscheibe oder eine rotierende Mikrolinsenscheibe oder auch ein Mikrolinsen-Array mit der Lichtquelle beleuchtet werden.
  • Es kann die Zonenlinse vorzugsweise als ein bifokales, diffraktives Objektiv oder ein bifokales Objektiv mit diffraktiv-optischem Element oder als ein einzelnes bifokales, diffraktiv-optisches Element ausgebildet sein. Dann entsteht beim konfokalen Scan über der Tiefe in jedem beleuchteten Pixel des Kamera-Chips ein Signal mit zwei Signalmaxima.
  • Weiterhin kann die Zonenlinse vorzugsweise als ein tifokales, diffraktives Objektiv oder ein tifokales Objektiv mit diffraktiv-optischem Element oder als ein einzelnes tifokales, diffraktiv- optisches Element ausgebildet sein. Dann entsteht beim konfokalen Scan über der Tiefe in jedem beleuchteten Pixel des Kamera-Chips ein Signal mit drei Signalmaxima.
  • Weiterhin kann die Zonenlinse vorzugsweise als ein quadrofokales, diffraktives Objektiv oder ein quadrofokales Objektiv mit diffraktiv-optischem Element, das nur eine sehr geringe Intensität in der nullten Beugungsordnung erzeugt, oder als ein einzelnes quadrofokales, diffraktiv-optisches Element ausgebildet sein. In diesem Fall entsteht beim konfokalen Scan über der Tiefe in jedem beleuchteten Pixel des Kamera-Chips ein Signal mit vier Signalmaxima.
  • Weiterhin kann das multifokales Abbildungssystem in der Art einer Zonenlinse vorzugsweise als ein pentafokales, diffraktives Objektiv oder ein pentafokales Objektiv mit diffraktiv-optischem Element oder als ein einzelnes pentafokales, diffraktiv-optisches Element ausgebildet sein. Dann entsteht beim konfokalen Scan über der Tiefe in jedem beleuchteten Pixel des Kamera-Chips ein Signal mit fünf Signalmaxima.
  • Vorzugsweise sind auch multifokale Objektive mit einer noch höheren Anzahl von Fokalebenen einsetzbar. Dabei ist es für die Signalauswertung von Vorteil, wenn die Signalmaxima jeweils mindestens um die Halbwertsbreite voneinander getrennt sind. Die auf das multifokale Objektiv einfallenden Wellenfronten sind dabei vorzugsweise nur schwach gekrümmt oder zumindest näherungsweise eben.
  • Im Folgenden wird eine Variante für die flächenhafte konfokale Detektion betrachtet. Der konfokale Scan kann hierbei durch das mechanische Verschieben der rotierenden Nipkowscheibe oder der rotierenden Mikrolinsenscheibe oder des Mikrolinsen-Arrays in der Tiefe erfolgen. Es kann bekannterweise aber zur Erzeugung des konfokalen Tiefen-Scans auch ein Pentaprisma entlang seiner Symmetrielinie mechanisch, vorzugsweise schwingend, verschoben werden. So wird die geometrisch-optische Weglänge im Strahlengang der konfokalen Anordnung verändert.
  • Nun kann beispielsweise bei einem Signal mit fünf Signalmaxima, erzeugt durch ein pentafokales Objektiv in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüflingsobjektivs, durch die optische Wechselwirkung des Lichtes mit der Objektoberfläche, beispielsweise eine Zahnoberfläche, die Form der fünf Einzelsignale z. T. stark verändert sein. Die Halbwertsbreite kann vergrößert sein. Es kann im Extremfall auch eine Schiefe in den einzelnen Signalen auftreten, so dass die Flankenform gegenüber dem Signal einer kooperativen Oberfläche verändert ist. Auch zusätzliche Nebenmaxima sind im Signalverlauf möglich. Der Abstand der Hauptmaxima der fünf Signale ist jedoch zumindest näherungsweise konstant und wird durch die Wechselwirkung des Lichtes mit der Objektoberfläche vergleichsweise wenig oder gar nicht beeinflusst. So besitzen diese Mehrfach-Maxima-Signale im Vergleich zum Ein-Maxima-Signal einen deutlich höheren Wiedererkennungswert. Dies kann durch moderne Signalverarbeitungstechniken, wie beispielsweise mit Wavelet- oder Kreuzkorrelations verfahren, für die Verbesserung der Signallokalisation im Signal eines Pixels auf der Tiefenskala genutzt werden.
  • Weiterhin kann in der konfokalen Anordnung mit einer rotierenden Mikrolinsenscheibe oder einem Mikrolinsen-Array ein multifokales Objektiv in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüflingsobjektivs ausgebildet sein und das multifokale Objektiv vorzugsweise durch mindestens eine elektronisch-steuerbare diffraktive Struktur in der An eines Phasenhologramms oder in der An eines Amplitudenhologramms dargestellt sein. So bildet sich beim Scan in der Tiefe ein konfokales Signal mit mindestens zwei Signalmaxima aus. Dies ist der Fall, wenn ein bifokales Objektiv mit gleichzeitig einer positiven und einer negativen Brechkraft dargestellt wird. Diese zwei Signalmaxima entstehen im konfokalen Scan zeitlich nacheinander und sind mindestens um die Halbwertsbreite voneinander getrennt.
  • Wird vorzugsweise jedoch eine besonders feine, elektronisch-steuerbare diffraktive Struktur, die vorzugsweise ebenfalls als Phasengitter ausgebildet ist, verwendet, kann vorzugsweise auch ein tifokales, ein quadrofokales oder auch ein pentafokales, diffraktiv-arbeitendes Objektiv gebildet werden. Vorzugsweise können auch multifokale Objektive mit einer noch höheren Anzahl von Fokalebenen eingesetzt werden. So besteht eine elektronisch-steuerbare Linse oder ein Objektiv in der konfokalen Anordnung in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüflings-Objektivs. Dabei kann das elektronisch-steuerbare multifokale Objektiv vorzugsweise gleichzeitig sowohl mindestens eine positive als auch mindestens eine negative Brechkraft sowie die Brechkraft null aufweisen.
  • Vorzugsweise kann das multifokale Objektiv in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüflingsobjektivs auch als eine Kopplung von starren refraktiven oder diffraktiven und elektronisch-steuerbaren, diffraktiven Komponenten ausgebildet sein.
  • Vorzugsweise kann auch die Anwendung eines Laserdioden-Arrays als Lichtquelle für die konfokale Anordnung erfolgen. Dies ermöglicht ebenfalls eine laterale Strukturierung des Lichtes bei hoher Lichtleistung.
  • Für eine konfokale Anordnung mit einem besonders langbrennweitigen Fokussierobjektiv kann ein großer Tiefenmessbereich mit einer vergleichsweise geringen Tiefenempfindlichkeit realisiert werden. So kann mit einer entsprechend schnellen Kamera eine Erfassung von vergleichsweise groben 3D-Profilen auch aus der Hand oder mittels eines Roboterarms im Bereich einer Fertigungsanlage erfolgen.
  • Dabei kann die numerische Apertur des Prüflingsobjektivs im Objektbereich vorzugsweise nur etwa 0,04 bis 0,02 betragen, um auch kleinere Löcher mit einer größeren Tiefe oder Details mit einem höheren Aspektverhältnis detektieren zu können.
  • Bei Zähnen mit einer hohen Reflexion kann durch Einsprühen die Messbarkeit verbessert werden.
  • Bei einem konfokalen Verfahren kann vorzugsweise mittels Kreuzkorrelation pixelweise die Lage des Mehrfach-Signals, bestehend aus mehreren Einzelsignalen, in der Tiefen-Koordinate möglichst genau bestimmt werden. Dazu ist in der Auswerte-Software eine Bibliothek mit mehreren eingelernten Referenz-Wavelets, beispielsweise Wavelets, die von Flächen mit unterschiedlich großen Gradienten experimentell gewonnen wurden, angelegt. Es wird pixelweise jeweils das Wavelet mit dem höchsten Kreuzkorrelations-Koeffizienten bestimmt. Zu diesen eingelernten Referenz-Wavelets wurden vorab an typischen Testzähnen Korrekturbeiwerte experimentell ermittelt. Die durch Kreuzkorrelation errechneten Tiefen-Positionen werden vorzugsweise jeweils in Abhängigkeit von der – mittels größtem Kreuzkorrelations-Koeffizienten – zugeordneten Wavelet-Form korrigiert. So kann eine vergleichsweise geringe Messunsicherheit bei der Bestimmung der Zahnform erreicht werden.
  • Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird nachstehend in den 1 bis 5 beschrieben. 1 zeigt die Applikation der Erfindung für eine Zahnmesskamera zur Erfassung der dreidimensionalen Form von Zähnen in einem vergleichsweise großen Tiefenbereich mit vergleichsweise großer Messgenauigkeit. Das von einem lichtstarken Laser ausgehende, monochromatische Licht mit der Wellenlänge 532 nm wird über eine Faser eingekoppelt und durch das Objektiv 2 kollimiert, am Strahlenbündelteiler 3 abgelenkt und trifft auf eine etwas geneigt angeordnete, rotierende Pinhole-Scheibe 4 mit in bekannter Weise spiralig verteilten Pinholes. Der effektive Transmissionsgrad der Pinhole-Scheibe 4 beträgt etwa 5%. Die Pinhole-Scheibe 4 wird durch einen Motor in Rotation versetzt. Der Pinhole-Durchmesser auf der Scheibe 4 beträgt im Mittel um 10 μm. Das durch die Pinholes jeweils hindurchtretende Licht gelangt in eine Abbildungsstufe, die aus den Objektiven 6 und 9 besteht. Die numerische Apertur des Objektivs 6 beträgt näherungsweise 0,08 und die des Objektivs 9 beträgt näherungsweise 0,025, wobei das Brennweitenverhältnis der Objektive 6 und 9 hier 1 : 3 beträgt.
  • Zumindest näherungsweise befindet sich in der gemeinsamen inneren Brennebene der Objektive 6 und 9 eine telezentrische Blende 7 und eine trifokale diffraktive Linse 8, die gleichzeitig die Brechkraft null, eine negative und eine positive Brechkraft aufweist. Die Brechkraft null entspricht der nullten Beugungsordnung. Die negative Brechkraft entspricht der Beugungsordnung –1 und die positive Brechkraft die der Beugungsordnung +1. Das Objektiv 6 lenkt die von den Lichtquellpunkten ausgehenden einzelnen Bündel auf die trifokale, diffraktive Linse 6. Es entstehen gebeugte Bündel in drei Ordnungen. So entstehen hierbei aus jedem Einzelbündel drei Teilbündel. Dargestellt in der 1 ist jedoch nur der Strahlengang für das Bündel nullter Ordnung und das divergierende Bündel. Die Bündel der drei Ordnungen passieren das Objektiv 9, dessen numerische Apertur durch die telezentrische Blende 7 hier auf etwa 0,025 begrenzt ist.
  • Die gesamte Pinhole-Scheiben-Baugruppe ist hierbei an einem präzisen Translationsschlitten 10 angeordnet. Hierbei sind der Pinhole-Scheibe 4 der präzise Translationsschlitten 10 und ein rechnergesteuerter Schrittmotor 11, der eine Präzisionsspindel antreibt, zugeordnet. Das Drehmoment zum Antrieb der Pinhole-Scheibe 4 wird über eine axial-ausgleichende Kupplung vom Motor 5 übertragen. Die Bündel werden am Umlenkspiegel 13 auf den anzumessenden Zahn 14 gelenkt.
  • Jedes Teilbündel bildet nun durch die fokussierende Wirkung des Objektivs 9 und der trifokalen, diffraktiven Linse 8 von jedem Lichtquellpunkt drei Bilder im Objektraum, die sich in drei unterschiedlichen Tiefe auf einem gemeinsamen Schwerstrahl befinden.
  • Das vom Zahn 14 rückgestreute Licht passiert die konfokale Anordnung bis zur trifokalen, diffraktiven Linse 8. Das Licht, welches in die Ordnungen gebeugt wird, denen es ursprünglich entstammt, kann die Pinholes 4A, 4B, den Strahlenbündelteiler 3 und auch die konfokale Blende 16 in der Abbildungsstufe 15 je nach Fokussierung mehr oder weniger gut passieren. Licht, welches unerwünschterweise in andere Ordnungen gebeugt wird, wird an der konfokalen Blende 16 weitgehend gesperrt. Licht welches auf dem anzumessenden Zahn 14 ein scharfes Bild des Lichtquellpunktes erzeugt hatte, kann im Rücklauf anschließend die konfokale Blende 16 weitgehend passieren und gelangt auf die Flächenkamera 17. Diese weist eine Bildfolgefrequenz von 500 Hz auf. Für den Tiefen-Scan werden 0,2 s benötigt.
  • Es wird im Messvorgang mittels Linearmotor 11 ein Tiefen-Scan über etwa 3,3 mm durchgeführt. Durch die zeitliche Synchronisierung des rechnergesteuerten Linearmotors 11 mit der Flächenkamera 17 erfolgt die Auslesung der Bilder im Tiefenscan in äquidistanten Schritten. Durch den Abbildungsmaßstab werden im Objektraum nun über eine Gesamt-Tiefe von 30 mm etwa 100 Bilder aufgenommen. Die Halbwertsbreite des konfokalen Signals liegt – bezogen auf den Objektraum – in der Größenordnung von 1 mm. Jedes einzelne konfokale Signal wird mit mindestens vier Signalwerten abgetastet. Insgesamt werden beim Tiefen-Scan so drei konfokale Signale erfasst. Dies führt für jeden Objektpunkt des zu vermessenden Zahnes zu etwa 12 Signalwerten. Der Abstand der einzelnen konfokalen Signale liegt – bezogen auf den Objektraum – in der Größenordnung von 3 mm. Die auszuwertende Tiefe liegt für die Zahnformmessung so bei etwa 20 mm, da die Gesamt-Tiefenausdehnung des komplexen Dreifach-Signals (Wavelet) etwa 7 mm beträgt. Das Mikrolinsen-Array wird auf den Kamerachip einer logarithmisch arbeitenden CMOS-Kamera 17 mit dem Abbildungsmaßstab 1 × durch die Abbildungsstufe 15 mit der konfokalen Blende 16 abgebildet. Das erfasste Objektfeld beträgt bei dieser Dimensionierung etwa 20 mm × 20 mm. Dieses wird mit 670 × 670 Pixeln von der Kamera abgetastet. Die Kamera besitzt einen Pixel-Pitch von näherungsweise 10 μm, der Pinhole-Abstand auf der rotierenden Pinhole-Scheibe beträgt näherungsweise 30 μm bis 50 μm und der Fokusfleckdurchmesser auf dem Objekt näherungsweise 20 μm bis 30 μm.
  • Mittels Kreuzkorrelation wird pixelweise die Lage des Dreifach-Signals, bestehend aus den drei Einzelsignalen, in der Tiefen-Koordinate möglichst genau bestimmt. Dazu gibt es in der Auswerte-Software eine Bibliothek mit mehreren eingelernten Referenz-Wavelets, beispielsweise Wavelets, die von Flächen mit unterschiedlich großen Gradienten experimentell gewonnen wurden. Es wird pixelweise jeweils das Wavelet mit dem höchsten Kreuzkorrelations-Koeffizienten bestimmt. Zu diesen eingelernten Referenz-Wavelets wurden vorab an typischen Testzähnen Korrekturbeiwerte experimentell ermittelt. Die mittels Kreuzkorrelation errechneten Tiefen-Positionen werden jeweils in Abhängigkeit von der – mittels größtem Kreuzkorrelations-Koeffizienten – zugeordneten Wavelet-Form korrigiert. So wird eine vergleichsweise geringe Messunsicherheit bei der Bestimmung der Zahnform erreicht. Die gewonnenen Daten der Punktwolke werden anschließend kalibriert. Dies verringert die technischen Anforderungen an die optischen Komponenten ganz erheblich.
  • 2 zeigt eine Anordnung, bei der dem Linearmotor 11 ein Längenmesssystem 12 zugeordnet ist, um eine präzise Bewegung der Abbildungsstufe zur Realisierung des Tiefen-Scans zu ermöglichen. Dabei ist das Objektiv 9 als diffraktive Linse oder mit einer diffraktiven Komponenten zur Gewichtsersparnis ausgebildet.
  • 3 zeigt eine Anordnung für die Vermessung der globalen Zahnform, bzw. Zahnstellung im Mund eines Patienten. Es wird mit einem Laser im blauen Bereich gearbeitet. Die Mikrolinsen weisen eine numerische Apertur von 0,25 auf. Der Mikrolinsen-Durchmesser beträgt 12 μm. Die numerische Apertur des Objektivs 6 beträgt 0,25 und die des Objektivs 9 beträgt 0,04. Die CMOS-Kamera weist 1,3 Mpixel auf. Das erfasste Objektfeld, entsprechend einem Abbildungsmaßstab der Abbildungsstufe mit den Objektiven 6 und 9 von 6,3 ×, beträgt 101 mm × 76 mm. Die Verwendung von Mikrolinsen verbessert in diesem Dimensionierungsfall die Lichtausbeute der Anordnung ganz wesentlich. Die Zahn-Szene wird für eine Tiefe von 50 mm mit 500 Bildern abgetastet. Es wird die gesamte Abbildungsstufe mit den Objektiven 6 und 9 verschoben. In 3 wurde auf die Darstellung der Fokigruppen in der Tiefe verzichtet.
  • 4 stellt einen konfokalen Sensorkopf an einer Drei-Koordinaten-Messmaschine für die Formmessung dar. Die für den konfokalen Sensorkopf benötigte z-Positionierung leistet die Drei-Koordinaten-Messmaschine. Es wird ein Laser 1 mit Kollimator mit der Laser-Wellenlänge 680 nm und einer Laserleistung von bis zu 5 W eingesetzt. Der Durchmesser der Mikrolinsen beträgt 40 μm und die numerische Apertur der Mikrolinsen ist etwa gleich der dem Objektiv 6 und beträgt 0,15. Der Abbildungsmaßstab ist 2,5 × und die numerische Apertur des Objektivs 9 beträgt 0,06. Das multifokale Abbildungssystem 85 ist als fünffach-fokale diffraktive Linsengruppe ausgebildet. Es wird eine CMOS-Kamera mit 512 × 512 Pixeln und logarithmischer Kennlinie eingesetzt, deren Pixel-Pitch 10 μm beträgt. Der Abbildungsmaßstab der Abbildungsstufe 15 auf den Kamerachip beträgt 0,25 ×, wobei die Brennweiten der einzelnen Objektive 50 nun und 12,5 mm betragen. So ergibt sich im Objektraum ein Objektfeld von 51,2 nun × 51,2 mm. Das z-Abtastintervall im Objektraum beträgt 0,03 mm bis 0,1 mm. Der laterale Stützstellenabstand im Objektraum beträgt 0,1 mm. Die Positionsgenauigkeit der z-Achse sollte im rms-Wert um 0,2 μm liegen. Mit einer 30 Hz-Kamera können 1 mm/s bis 3 mm/s in der Tiefe erreicht werden und mit einer 500 Hz-Kamera sogar 30 mm/s bis 100 mm/s. Die numerische Tiefenauflösung sollte mindestens 0,2 μm betragen. Die z-Messgenauigkeit an kooperativen Oberflächen sollte unter besten Messbedingungen um 0,3 μm rns betragen. In 3 wurde auf die Darstellung der Fokigruppen in der Tiefe ebenfalls verzichtet.
  • 5 zeigt eine konfokale Anordnung mit einem feststehenden Mikrolinsen-Array für die intraorale 3D-Zahnvermessung. Hierbei kann das Einsprühen mit einer dünnen Schicht das Streuverhalten der Zahnoberfläche und damit auch die Messbarkeit derselben ggf. noch verbessern. Es wird ein Laser 1 mit Kollimator mit einer Laser-Wellenlänge im blauen oder violetten Bereich eingesetzt. Der ML- Durchmesser beträgt jeweils etwa 15 μm bis 25 μm. Die numerische Apertur der Mikrolinsen ist hier gleich der des Objektivs 6 und beträgt etwa 0,12. Der Abbildungsmaßstab beträgt hier näherungsweise 2.
  • Die numerische Apertur des Objektivs 9 beträgt um 0,06. Die Linsengruppe 8 ist diffraktiv und trifokal ausgebildet und weist also durch dieses Design drei Brennweiten auf, einschließlich der Brennweite unendlich, bzw. der Brechkraft null. Die CMOS-Kamera 17 mit 512 × 512 Pixeln besitzt einen Pixel-Pitch von 12 μm. Die Abbildungsstufe 15 mit der konfokalen Blende 16 weist einen Abbildungsmaßstab auf den Kamerachip von 0,33 × auf, wobei die Brennweiten 50 mm und 17 mm betragen. So ergibt sich ein Objektfeld von mindestens 15,3 mm × 15,3 mm. Hierbei werden mehrere Mikrolinsenbilder gleichzeitig auf ein Pixel der Kamera 17 abgebildet. Das z-Abtastintervall im Objektraum beträgt etwa 0,04 mm. Der laterale Stützstellenabstand im Objektraum beträgt näherungsweise 0,03 mm. Es ist ein z-Positionssystem bestehend aus den Komponenten 10, 11, 12 angeordnet. Die Positionsgenauigkeit des z-Positionssystems sollte einen rms-Wert um 0,5 μm aufweisen. Mit einer 1000 Hz-Kamera können 40 mm/s Geschwindigkeit beim Tiefen-Scan erreicht werden. Somit beträgt die Aufnahmezeit für eine Tiefe von etwa 15 mm etwa 375 ms. Mit einer derartigen Anordnung kann eine numerische Tiefenauflösung von näherungsweise 1 μm erreicht werden. In 3 wurde auf die Darstellung der Fokigruppen in der Tiefe ebenfalls verzichtet.

Claims (11)

  1. konfokale Anordnung mit einer Lichtquelle (1), einem Prüflings-Objektiv (9), mit Mitteln zum Durchführen eines Tiefen-Scans, so dass sich im Objektraum die Relativlage der Bilder von Punktlichtquellen zur Objektoberfläche ändert und einer Kamera (17) mit einem Kamera-Chip, gekennzeichnet dadurch, dass ein zentriertes, multifokales Abbildungssystem in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüflingsobjektivs (9) ausgebildet ist.
  2. konfokale Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das zentrierte multifokale Abbildungssystem als eine Zonenlinse in der Art eines Phasenhologramms oder in der Art eines Amplitudenhologramms ausgebildet ist.
  3. konfokale Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Zonenlinse als ein bifokales, diffraktives Objektiv oder ein bifokales Objektiv mit diffraktiv-optischem Element oder als ein einzelnes bifokales, diffraktiv-optisches Element ausgebildet ist.
  4. konfokale Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Zonenlinse als ein tifokales, diffraktives Objektiv oder ein tifokales Objektiv mit diffraktiv-optischem Element oder als ein einzelnes tifokales, diffraktiv-optisches Element (8) ausgebildet ist.
  5. konfokale Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Zonenlinse vorzugsweise als ein quadrofokales, diffraktives Objektiv oder ein quadrofokales Objektiv mit diffraktiv-optischem Element, das nur eine sehr geringe Intensität in der nullten Beugungsordnung erzeugt, oder als ein einzelnes quadrofokales, diffraktiv-optisches Element ausgebildet ist.
  6. konfokale Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass das multifokales Abbildungssystem in der Art einer Zonenlinse als ein pentafokales, diffraktives Objektiv oder ein pentafokales Objektiv mit diffraktiv-optischem Element oder als ein einzelnes pentafokales, diffraktiv-optisches Element (85) ausgebildet ist.
  7. konfokale Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das zentrierte multifokale Abbildungssystem als ein elektronisch-steuerbares, diffraktives, multifokales Objektiv in der Art eines Phasenhologramms oder in der Art eines Amplitudenhologramms ausgebildet ist.
  8. Konfokales Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass bei der konfokalen Detektion durch Diffraktion in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüflingsobjektivs ein konfokales Signal mit mindestens zwei Signalmaxima in jedem auswertbaren Pixel der Kamera gebildet wird und die Methoden der kurzkohärenten Interferometrie zur Signalauswertung benutzt werden.
  9. Konfokales Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass bei der konfokalen Detektion durch Diffraktion in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüflingsobjektivs ein konfokales Signal mit mindestens zwei Signalmaxima in jedem auswertbaren Pixel der Kamera gebildet wird und die Signalauswertung mit Wavelet- oder Kreuzkorrelations-Verfahren erfolgt.
  10. Konfokales Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Signalmaxima mindestens um die Halbwertsbreite voneinander getrennt sind.
  11. Konfokales Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass mittels Kreuzkorrelation pixelweise die Lage eines Mehrfach-Signals, bestehend aus mehreren Einzelsignalen, in der Tiefen-Koordinate möglichst genau bestimmt wird.
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Cited By (7)

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