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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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Der
Abstand der konfokalen Anordnung zum Objekt sollte der Messaufgabe
angepasst sein und somit hinreichend groß gemacht sein.
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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.
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Beschreibung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
Zähnen
mit einer hohen Reflexion kann durch Einsprühen die Messbarkeit verbessert
werden.
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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.
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Beschreibung der Figuren
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.