DE112009000516T5

DE112009000516T5 - Intraorales Abbildungssystem und Verfahren, das auf der konoskopischen Holographie beruht

Info

Publication number: DE112009000516T5
Application number: DE112009000516T
Authority: DE
Inventors: Syrat Y. Gabriel
Original assignee: Optimet Optical Metrology Ltd
Current assignee: Optimet Optical Metrology Ltd
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2011-02-10
Also published as: US8129703B2; US20090231649A1; WO2009113068A1

Abstract

Verfahren zum Abbilden eines Ortes, der durch eine Oberfläche gekennzeichnet ist, die eine dreidimensionale Form hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
a. Beleuchten des Ortes, um so auf die Oberfläche des Ortes mehrere im Wesentlichen lineare Lichtverteilungen aus einer Beleuchtungsquelle zu projizieren, wobei die mehreren im Wesentlichen lineare Lichtverteilungenein momentanes elementares Objekt definieren, wobei das momentane elementare Objekt mit der Zeit variiert, um so eine Folge von elementaren Objekten zu erzeugen;
b. Abbilden der Folge von elementaren Objekten durch ein optisches Codierungsmodul, um eine Folge von konoskopischen Hologrammen zu erzeugen, wobei jedes konoskopische Hologramm jeweils einem elementaren Objekt aus der Folge der elementaren Objekte entspricht; und
c. Berechnen der dreidimensionalen Form der Oberfläche auf der Grundlage der Folge von konoskopischen Hologrammen.

Description

QUERVERWEIS AUF ÄHNLICHE ANMELDUNGEN
Die aktuelle Patentanmeldung beansprucht die Priorität der Provisorischen US-Patentanmeldung S/N 61/035,894, die am 12. März 2008 angemeldet wurde und die hiermit durch Verweis in Gänze aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontaktlose Messtechnik und insbesondere eine Vorrichtung und Verfahren zum optischen Scannen und Digitalisieren der Koordinaten eines Festkörpers von komplexer Gestalt, insbesondere innerhalb eines abgeschlossenen Raumes, wie zum Beispiel dem Mund einer Person.
STAND DER TECHNIK
Die Bestimmung der Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche eines Objektes wird oft zum Digitalisieren oder Abbilden des Objektes oder für verschiedene Produktionsanwendungen verwendet. Einige der bekannten Koordinatenmesssonden beruhen auf der konoskopischen Holographie.
Die Theorie der konoskopischen Holographie, eines Verfahrens, welches die Interferenz von Licht (welches räumlich inkohärent, unpolarisiert und/oder quasi monochromatisch sein kann), das von einem Objekt ausgeht, für die Zwecke der Gewinnung von Informationen über die Form des Objektes implementiert, ist von Gabriel Sirat et al. (siehe zum Beispiel JOSA A, v. 9, S. 70–90, 1992, und die Verweise darin, die alle hierin durch Verweis aufgenommen werden) entwickelt worden. Die Verwendung von räumlich inkohärentem Licht ermöglicht es, dieses Verfahren in einer großen Zahl von Umgebungen zu verwenden. Außerdem sorgt die räumliche Auflösung der konoskopischen Holographie in Verbindung mit Fotodiodenfeldern für die digitale Verarbeitung der resultierenden Hologramme.
In der grundlegenden Interferenzeinrichtung, die in 1 gezeigt wird, reflektiert ein Objekt 1, das mit einfallendem Licht beleuchtet wird, das Licht (spiegelnd und/oder diffus) innerhalb eines räumlichen Winkels A. Das reflektierte Licht r_i läuft durch einen Zirkularpolarisator P1, wodurch zwei Strahlen r₀ und r_e mit zueinander orthogonalen Polarisationen (um 90° phasenverschoben) erzeugt werden, die sich beide (und die gewöhnliche bzw. die außergewöhnliche Polarisation) durch einen einachsigen Kristall 2, der eine Kristallachse 3 hat, entlang ungefähr desselben geometrischen Weges ausbreiten. Diese zwei Strahlen werden durch einen anschließenden zirkularen Analysator P2, der hinter dem Kristall 2 angeordnet ist, zurück zum selben Polarisationsmodus konvertiert, und interferieren daher in der Beobachtungs-(oder Aufzeichnungs-)Ebene 4. Der zirkulare Analysator P2 kompensiert auch die anfängliche Viertelwellenlängenverzögerung, die der gewöhnliche und der außergewöhnliche Strahl bei der Ausbreitung durch den zirkularen Polarisator P1 erhalten. Das Interferenzmuster, das in der Beobachtungsebene 4 erscheint, ist ein konoskopisches Hologramm und stellt eine Überlagerung der konoskopischen Bilder für jeden Punkt 5 von Objekt 1 dar. Die konoskopischen Bilder für jeden Punkt 5 (oder für eine wohldefinierte Menge von Punkten) werden hierin als ”elementare” konoskopische Bilder bezeichnet. Jedes elementare konoskopische Bild wird durch Interferenz von Licht gebildet, das von einem speziellen Objektpunkt ausgeht, und wird in Teilen entsprechend der Position des emittierenden Objektpunktes relativ zur festen Aufzeichnungsebene 4 geformt. Jeder Punkt des Objektes erzeugt sein eigenes konoskopisches Bild, das die transverse Position des Punktes (auf der Grundlage der Position im Hinblick auf die Mitte des Musters) und den Abstand (auf der Grundlage der Dichte der interferometrischen Ränder) zeigt. Das konoskopische Hologramm enthält daher die vollständigen Informationen über Abstände zwischen den Licht aussendenden Objektpunkten und der Aufzeichnungsebene und daher die räumliche Verteilung des Objektes.
Die konoskopische Holographie, linear oder quadratisch, kann in vielen Anwendungen genutzt werden, wie zum Beispiel Qualitätskontrollmessungen, Digitalisierung, Reverse Engineering und Fertigungskontrolle. Bis heute sind mehrere Verfahren der optischen oder numerischen Rekonstruktion von konoskopischen Hologrammen, die die Rückgewinnung von Informationen über die Form eines beleuchteten Objektes ermöglichen, und die Beschreibung der entsprechenden Systeme publiziert worden. Zum Beispiel sorgen die Lasersensoren ConoProbe^TM und ConoLine^TM, die von Optical Metrology Ltd. (Optimet) aus Jerusalem, Israel (http://optimet.com/optimet_company_profile.htm) auf der Basis der konoskopischen Holographie entwickelt wurden, für die kontaktlose dreidimensionale Messung von Oberflächen mit Auflösungen im Submikrometerbereich. Die konoskopische Holographie ist Gegenstand verschiedener Patente, einschließlich US-Patent Nr. 4,602,844 , 4,976,504 , 5,081,540 , 5,081,541 , and 7,375,827 , von denen jedes hierin durch Verweis aufgenommen wird. Insbesondere sind lineare konoskopische Holographiesysteme im US-Patent Nr. 5,953,137 offenbart worden, welches ebenfalls hierin durch Verweis aufgenommen wird.
Bei Anwendungen, wie zum Beispiel der Profilierung von Zahnoberflächen für Zwecke der Rekonstruktion, Kieferorthopädie usw. würden die relative Bewegung des Mundes des Patienten gegenüber dem Sensor und andere Vibrationen während des Zahnmesszyklus der Leistungsfähigkeit vorhandener Systeme, die nicht für die Anwendung in einem menschlichen Mund ausgelegt sind, praktische Beschränkungen auferlegen. Es ist klar, dass eine automatische und robuste Lösung für das Problem der schnellen Digitalisierung komplexer Körper wünschenswert ist. Im Stand der Technik wurde auch erkannt, dass das Ausführen von Oberflächen- und Abstandsmessungen an durchscheinenden Objekten, wie zum Beispiel Zähnen, mit herkömmlichen Verfahren, wie zum Beispiel einem dreidimensionalen Scannen, zu projizierten Bildern führt, die wegen des Diffusionslichtes durch das Objekt unscharf sind. Um solche Beschränkungen zu überwinden, nutzen Scanner nach dem Stand der Technik das Abdecken des abzubildenden Bereichs durch Auftragen einer geeigneten Beschichtung darauf (siehe zum Beispiel das US-Patent Nr. 7,494,338 für Durbin et al.).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung stellen Verfahren zum Abbilden eines Ortes bereit, der durch eine Oberfläche gekennzeichnet ist, welche eine dreidimensionale Form hat. Solche Verfahren weisen Schritte zum Beleuchten des Ortes auf, um so auf die Oberfläche des Ortes eine räumlich diskontinuierliche Verteilung von Licht zu projizieren, welche ein momentanes elementares Objekt definiert, die sich mit der Zeit verändert, um aufeinander folgende elementare Objekte zu erzeugen, und Abbilden solcher aufeinander folgender elementarer Objekte durch ein optisches Codierungsmodul, um eine Folge von konoskopischen Hologrammen von aufeinander folgenden elementaren Objekten zu bilden. Ferner weisen die Verfahren einen Schritt des Berechnens der dreidimensionalen Form der Oberfläche auf, der auf der Folge von konoskopischen Hologrammen beruht. In einigen Ausführungsformen kann der abgebildete Ort sich in einem Mund einer Person befinden, und das Beleuchten des Ortes kann das Projizieren mehrerer im wesentlichen linearer Verteilungen von Licht auf den Ort umfassen. In speziellen Ausführungsformen können mehrere im Wesentlichen lineare Verteilungen von Licht durch äquidistant verteilte Beleuchtungslinien dargestellt werden.
Gemäß anderen Ausführungsformen der Verfahren der vorliegenden Erfindung kann eine Beleuchtungsquelle gegenüber dem Ort verschoben werden, was durch das Zuführen von Licht über mehrere Lichtwellenleiter, wie zum Beispiel Lichtleitfasern, die in einer Faserbündelgruppe angeordnet sind, oder durch Relaisoptik, die optional ein Periskop oder ein Teleskop umfasst, realisiert werden.
Außerdem kann das Abbilden von aufeinander folgenden elementaren Objekten durch das optische Codierungsmodul das Abbilden von aufeinander folgenden elementaren Objekten durch ein Konoskop umfassen, und in einigen Ausführungsformen kann die Auswertung der dreidimensionalen Form der Probe das unabhängige Analysieren von N elementaren konoskopischen Bildern umfassen, wobei N eine Zahl von Linien in den mehreren Beleuchtungslinien ist, wobei jedes elementare konoskopische Bild das Abbild eines einzelnen Emissionspunktes auf einer entsprechenden Linie aus den mehreren Beleuchtungslinien darstellt. In speziellen Ausführungsformen der Erfindung kann die Auswertung der dreidimensionalen Form der Oberfläche des Ortes aus der Folge von konoskopischen Hologrammen das Auswerten der dreidimensionalen Form der Oberfläche des Ortes aus der Folge von exponentiellen optischen konoskopischen Hologrammen umfassen, wobei eine gewichtete Rekonstruktion von realen oder exponentiellen Hologrammen in einer medianen Ebene ausgeführt wird.
Ferner kann das Verfahren der Erfindung das Abbilden jedes aufeinander folgenden elementaren Objektes ohne Verschieben desselben und mit jeweiligen unterschiedlichen Polarisationsanordnungen umfassen, um eine elementare Menge von konoskopischen Hologrammen zu bilden, und kann ferner das Verarbeiten von digitalen Repräsentationen von optischen konoskopischen Hologrammen aus der elementaren Menge in einer externen Verarbeitungseinheit umfassen, um eine systematische Abweichung und ein konjugiertes Bild zu entfernen.
Andere Ausführungsformen der Erfindung sehen ein konoskopisches holographisches System vor, das eine Lichtquelle umfasst, welche für eine räumlich ungleichmäßige Verteilung von Licht sorgt. Hier kann das konoskopische holographische System ferner ein Periskop umfassen, das die räumlich ungleichmäßige Verteilung von Licht auf einen Ort projiziert, der durch eine Oberfläche gekennzeichnet ist, und das in speziellen Ausführungsformen mehrere im wesentlichen lineare Lichtverteilungen darauf projiziert.
Das System anderer Ausführungsformen kann eine Abbildungsoptik umfassen, die so ausgelegt ist, dass sie für eine unabhängige Aufzeichnung von N elementaren konoskopischen Bildern in einer Bildebene sorgt. Optional kann jedes elementare konoskopische Bild das Abbild eines einzelnen Emissionspunktes auf einer entsprechenden im wesentlichen linearen Lichtverteilung aus den mehreren im wesentlichen linearen Lichtverteilungen sein, wobei einzelne Emissionspunkte optisch Konjugierte von fotoempfindlichen Elementen in einem Detektor sind, die in einer Bildebene angeordnet sind, wobei die optischen Konjugierten durch die Abbildungsoptik definiert sind. Einige spezielle Ausführungsformen des Systems der Erfindung können eine anamorphe Abbildungsoptik verwenden.
Wieder andere Ausführungsformen stellen Verfahren zum Bestimmen eines Abstandes von einer beleuchteten Oberfläche mit einem linearen Konoskop bereit, wobei das lineare Konoskop durch eine Bildebene und eine optische Achse gekennzeichnet ist, wobei die beleuchtete Oberfläche mit N im wesentlichen räumlich ungleichmäßigen Lichtverteilungen beleuchtet wird. Solche Verfahren erfordern mehrere Computerprozesse:
in einem ersten Computerprozess das Darstellen eines Bildsignals, welches in einer Bildebene mit einem Detektor gemessen wird, als gewichtete Kombination von N Funktionen, wobei jede Funktion ein elementares Signal repräsentiert, das zum Bildsignal von einem entsprechenden einzelnen Emissionspunkt aus den jeweiligen ungleichmäßigen Lichtverteilungen beigetragen wird;
in einem zweiten Computerprozess für jeden einzelnen Emissionspunkt das Korrelieren einer gewichteten Prüffunktion und der gewichteten Kombination, um eine Korrelationsfunktion zu erzeugen, wobei die gewichtete Prüffunktion mit einem Faktor gewichtet wird, der eine seitliche Verschiebung des jeweiligen einzelnen Emissionspunktes gegenüber der optischen Achse repräsentiert;
in einem dritten Computerprozess für jeden einzelnen Emissionspunkt das Bestimmen einer longitudinalen Trennung zwischen der Bildebene und dem jeweiligen Emissionspunkt aus einem Maximum der Korrelationsfunktion.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorhergehenden Merkmale der Erfindung werden durch Verweis auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verständlich:
1 stellt die Hauptmerkmale eines konoskopischen Systems nach dem Stand der Technik dar;
2A ist eine Teilausschnittsansicht eines konoskopischen Profilometers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B zeigt die Oberflächenbestrahlung eines Zahnes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine Ausführungsart der Beleuchtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4A illustriert zwei quadratisch gechirpte Bestrahlungsverteilungen in der Beobachtungsebene, die zwei diskreten Objektpunkten entsprechen;
4B ist ein Verbundhologramm der Signale von 4A;
Die 5A and 5B zeigen interferometrische Verbundverteilungen, die in der Beobachtungsebene aufgezeichnet wurden, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
Die 6A–6C illustrieren die Ergebnisse der Rekonstruktion der Verbundhologramme der 5A und 5B;
Die 7A and 7B zeigen Wagner-Ville-gefilterte Verteilungen bzw. eine Kurzzeit-Fourier-Transformation der Verteilungen von 4A;
8 ist ein Flussdiagramm, das zwei alternative Konzepte eines Aufzeichnungsalgorithmus gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 stellt schematisch die Übereinstimmung eines Bruchteils eines konoskopischen Hologramms, das von einem momentanen elementaren Objekt erzeugt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar; und
10 ist ein Flussdiagramm, das eine konoskopische Messung mit elementarer Erfassung, voller Erfassung und Zusammenführungsprozessen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
DEFINITION VON BEGRIFFEN

Wenn der Kontext nichts anderes erfordert, haben in der Beschreibung der Erfindung und den begleitenden Ansprüchen die folgenden Begriffe die Bedeutungen, die unten definiert sind:

Begriff	Definition
Intraorale dreidimensionale Kamera	ein System, das einen Zahn, eine Gruppe von Zähnen oder einen vollständigen Kiefer unter Verwendung eines optischen Systems, das in den Mund eines Patienten eingeführt ist, charakterisieren oder abbilden kann
Messraum	ein kartesisches räumliches Koordinatensystem, das auf einen vorgegebenen festen Punkt des Systems, den Ursprung, bezogen ist
Objekt	ein physisches Objekt, das gemessen werden soll. Es gibt viele Informationen, die das Objekt beschreiben und definieren, wie zum Beispiel Form, Farbe, Textur usw.
Beleuchtungsmodul	ein physisches Modul, das eine vorgegebene dreidimensionale Lichtverteilung, nämlich die Beleuchtungslichtverteilung, projiziert
Elementarmuster	Ein Elementarmuster ist die Projektion der Beleuchtungslichtverteilung auf die x-y-Ebene; gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Elementarmuster zum Beispiel eine kleine Zahl von diskreten Linien entlang der y-Achse darstellen.
Beleuchtetes Objekt	eine Schnittmenge der Beleuchtungslichtverteilung mit dem Objekt; in der Praxis kann es zum Beispiel Streifen auf dem Objekt darstellen.
Optisches Codierungsmodul	Ein optisches Codierungsmodul ist ein physisches Modul, das das beleuchtete Objekt in ein optisches konoskopisches Hologramm transformiert. Es ist normalerweise aus Kristallen und Linsen aufgebaut.
Optisches Konoskopisches Hologramm	eine zweidimensionale optische Lichtverteilung, die die Informationen über die dreidimensionale Form des Objektes bewahrt. Es ist eine codierte Version der dreidimensionalen Daten.
Konoskopisches Verbundhologramm	eine mathematische Kombination mehrerer optischer konoskopischer Hologramme, die durch mehrere Werte eines physikalischen Parameters erhalten werden. Zum Beispiel erzeugt die Subtraktion von zwei optischen konoskopischen Hologrammen, bei denen im zweiten eine zusätzliche optische Wegdifferenz von einer halben Wellenlänge hinzugefügt wurde, ein konoskopisches Verbundhologramm ohne systematische Abweichung. Bipolare und quasi-komplexe konoskopische Hologramme sind im französischen Patent FR 8817225 beschrieben worden.
Digitales konoskopisches Hologramm	Eine mathematische Darstellung des optischen konoskopischen Hologramms, das durch Aufzeichnen der Lichtstärke auf einem Detektor, Digitalisieren des sich ergebenden analogen elektronischen Signals und Speichern des Ergebnisses in einer Matrix in einem Computer oder in Signalverarbeitungshardware.
Detektormodul	eine optoelektronische Vorrichtung, die die Gewinnung des digitalen konoskopischen Hologramms aus dem optischen konoskopischen Hologramm ausführt.
Rekonstruktionsalgorithmus	eine Menge von mathematischen Verfahren, die eine Auswertung der Form des Objektes – oder des beleuchteten Objektes für eine unterscheidende Beleuchtung – aus seinem digitalen konoskopischen Hologramm gewinnen kann.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Hardware-Module der Ausführungsformen der Erfindung
Gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein konoskopisches Profilometer bereitgestellt, d. h. eine Vorrichtung zum Bestimmen des Abstandes zwischen einem Justierreferenzpunkt und jedem Punkt aus einer Menge von Punkten auf einer festgelegten Oberfläche. Einige der offenbarten Ausführungsformen sind besonders für intraorale Dentalmessungen geeignet. Typische Bauteile eines konoskopischen Profilometers gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun mit Verweis auf 2A beschrieben.
Ein Beleuchtungsmodul 8 eines konoskopischen Profilometers ist eine optische oder optomechanische Baugruppe, welche detailliert unten beschrieben wird und die ein räumlich ungleichmäßiges Lichtmuster erzeugt und es auf die Oberfläche des Objektes, das gemessen werden soll, projiziert. Wie hierin und in den angehängten Ansprüchen verwendet, bezeichnet ”räumlich ungleichmäßig” ein Muster, bei dem mindestens zwei nicht zusammenhängende Punkte in einer Ebene senkrecht zum Beleuchtungsstrahl beleuchtet werden. Das Beleuchtungsmodul 8 kann einen Halbleiterlaser in Verbindung mit einer holographischen Übertragungsmaske oder einem anderen Mittel zum Erzeugen eines festgelegten Beleuchtungsmusters umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das räumlich ungleichmäßige Lichtmuster in der Form einer Reihe von im Wesentlichen linearen Lichtverteilungen 10 sein, wie schematisch in 3 dargestellt. Um eine solche Lichtverteilung zu erzeugen, verwendet das konoskopische Profilometer der Erfindung vorzugsweise eine Laserdiode mit blauer Wellenlänge (zum Beispiel 405 nm), im Vergleich zu Quellen von 650–685 nm, die herkömmlicherweise in kommerziellen konoskopischen Systemen verwendet werden. Im Ergebnis der Arbeit bei einer solchen kürzeren Wellenlänge sorgt das System der Erfindung, neben anderen Vorteilen, für eine höhere Oberflächendichte von Informationen über das gemessene Objekt (bis zu 50 mehr Informationen, da die Oberflächenauflösung sich gemäß ~1/λ² erhöht).
Mit Verweis auf die 2A und 3 umfasst daher ein schematisch gezeigtes Beleuchtungsmodul 8 einer Ausführungsform der Erfindung im allgemeinen einen Laser 14, der mit geeigneter Abbildungsoptik ausgestattet ist, und eine adäquate optische oder holographische Komponente 16 (Array-Generator oder Strahlformer, in 3), die zum Erzeugen eines Linienfeldmusters 10 im Fernfeld ausgelegt ist. Es versteht sich jedoch, dass verschiedene Beleuchtungsmuster, wie zum Beispiel ein Gitter von Emissionspunkten, vorteilhaft in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt werden können.
Der Array-Generator 16, der auch als Strahlformer bezeichnet werden kann, der die Wellenfront des einfallenden Laserstrahls 18 in eine Wellenfront mit festgelegter Strahlungsstärke und Phasenprofilen modifiziert, erreichte in einigen Ausführungsformen eine Effizienz von mehr als 90%. In Ausführungsformen, die digitale Optik für den Array-Generator verwenden, kann der einzelne einfallende Laserstrahl von einem digitalen optischen Element gebeugt werden, um eine Mehrausgangsstrahlverteilung mit festgelegter Gleichförmigkeit und Zahl der Strahlen (oder Zahl der Beleuchtungslinien pro mm in der Beobachtungsebene mit vorgegebener Länge, Breite usw.) zu erzeugen. In einer speziellen Ausführungsform kann ein Array-Generator, der ein digitales optisches Element umfasst, zum Beispiel eine vorgegebene Zahl von hoch gleichförmigen, äquidistant verteilten, wenig zahlreich auftretenden Streifen oder Beleuchtungslinien erzeugen, wobei die Abweichung der Strahlungsstärke zwischen äquidistanten Linien kleiner als < 10% ist und wobei weniger als 2% der Energie in der Beugung nullter Ordnung bleibt.
Eine Objektivbaugruppe kann in einigen speziellen Ausführungsformen der Erfindung ein Periskop umfassen, um das bequeme Einführen des Systems in den Patientenmund zu ermöglichen. Auf Grund der Kollinearität der konoskopischen Holographie sind konoskopische Sensoren in der Lage, verschiedene Relais-Optikkomponenten aufzunehmen, wie zum Beispiel Teleskope oder Periskope. Wie in 2A und 2B gezeigt, kann eine periskopische Komponente des Objektivs durch einen Faltspiegel 20 dargestellt werden, der äquidistant verteilte Streifen oder Beleuchtungslinien einem intraoralen Ort 21 zuführt, um eine Oberfläche eines Zahns zu bestrahlen. Ein Abschnitt der Oberfläche des Ortes, der zu einem beliebigen Zeitpunkt durch das Objektiv beleuchtet wird, definiert ein momentanes elementares Objekt 22.
Ein Translatormodul (nicht dargestellt) kann zu dem Zweck eingesetzt werden, die räumlich ungleichmäßige Lichtverteilung gegenüber dem beleuchteten Ort (Oberfläche des Objektes) zu verschieben, um die Oberfläche des Objektes optisch abzutasten. Im Ergebnis einer wiederholten vorgegebenen Verschiebung des Beleuchtungslichtmusters gegenüber dem Objekt wird eine Folge von elementaren Objekten gebildet, die durch das optische Codierungsmodul abgebildet werden, um eine Folge von konoskopischen Hologrammen von aufeinander folgenden elementaren Objekten zu bilden, wobei die Hologramme weiter analysiert werden, um die dreidimensionale Form des Objektes zu ermitteln. Eine solche Analyse umfasst einen Zusammenführungsprozess, der ferner das Neupositionieren und das Transformieren jedes der aufeinander folgenden konoskopischen Hologramme in eine Punktwolke beinhaltet, die dann unter Verwendung eines Zusammenführungsalgorithmus zusammengeführt werden. Der Zusammenführungsprozess stellt Daten über die Gesamtform des Objektes bereit, und das Zusammenführen von rekonstruierten Oberflächen unter Verwendung einer Punktwolke ist im Fachgebiet bekannt.
Die Realisierung von Ausführungsformen des Translatormoduls kann variieren. Während zum Beispiel der Laser 14 innerhalb des Profilometers 8 fixiert ist, kann der Beleuchtungsstrahl 18 gegenüber dem Array-Generator 16 oder dem Objekt, das gemessen werden soll, mit einem rotierenden Spiegel oder optischen Keil oder Prisma verschoben werden. Alternativ kann ein Mikropositionierungsgestell eingesetzt werden, um den Laser gegenüber dem Ort zu verschieben. Oder die Zufuhr von Laserlicht zum Array-Generator 16 kann stattdessen durch mehrere Lichtwellenleiter realisiert werden. Andere spezielle Ausführungsformen können zum Beispiel Lichtleitfasern nutzen, die in einer Faserbündelgruppe angeordnet sind, wie zum Beispiel eine Faserbündelgruppe von N Fasern, die nacheinander beleuchtet werden.
Ein optisches Codierungsmodul wird in verschiedenen Ausführungsformen des Profilometers der Erfindung eingesetzt und transformiert das Licht von jedem Punkt des momentanen elementaren Objektes in ein elementares optisches konoskopisches Hologramm, wodurch in der Beobachtungsebene für jedes momentane elementare Objekt ein konoskopisches Verbundhologramm erzeugt wird, welches ein interferometrisches Bild ist, das eine Überlagerung von mehreren elementaren konoskopischen Systemen darstellt. Ein typisches optisches Codierungsmodul der Erfindung ist im allgemeinen einer Vorrichtung ähnlich, die in den oben genannten Patenten beschrieben und in 1 illustriert wird. Es umfasst eine Baugruppe von optischen Kristallen, Linsen und Polarisatoren und wird nicht detaillierter beschrieben.
Jedes der konoskopischen Verbundhologramme aus der Folge von Verbundhologrammen, die in der Beobachtungsebene durch das optische Codierungsmodul im Ergebnis der Arbeit des Translatormoduls gebildet werden, wird ferner aufgezeichnet und mit einem Detektormodul digitalisiert, was digitale Repräsentationen von konoskopischen Hologrammen erzeugt. In einigen der Ausführungsformen kann ein Detektor eine CCD- oder CMOS-Matrix mit einer Standardauflösung (VGA oder Megapixel) sein, wie zum Beispiel eine bei der Betriebswellenlänge ausreichend empfindliche Kodak KAI-340, was für eine Auflösung von 648·484 Pixeln und eine Bildwiederholrate von 120 Hz sorgt. Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung ist das Detektormodul mit einem anamorphen optischen System ausgestattet, welches so ausgelegt ist, dass es für die unabhängige Erfassung der konoskopischen Hologramme, die von jeder Teilmenge von elementaren Objekten erzeugt werden, welche als optisches Abbild einer speziellen Pixelreihe in einer CCD im Objektraum definiert ist, in der eindeutig entsprechenden Pixelreihe sorgt. Dieses Konzept wird schematisch in 9 illustriert, wo jedes Pixel in einer Pixelreihe R1 eines Detektors 24 einen entsprechenden Bruchteil eines konoskopischen Hologramms erfasst, der von nur diesem Abschnitt des momentanen elementaren Objektes erzeugt wird, welches durch Beleuchten einer Oberfläche eines Ortes 26 mit dem Muster 10 aus äquidistant angeordneten Lichtstreifen, das einen linearen Bereich 28 schneidet, welcher als optisches Konjugiertes der Reihe R1 definiert ist, durch ein optisches System 30 der Ausführungsform der Erfindung gebildet wird. Mit anderen Worten, stellt die anamorphe Optik der Ausführungsform der Erfindung sicher, dass nur Abschnitte r1 bis r4 zum konoskopischen Hologramm beitragen, das durch die Pixel der Detektorreihe R1 betrachtet wird, die optisch von anderem Licht isoliert bleibt, welches von einem anderen Abschnitt des momentanen elementaren Objektes emittiert wird. Analog empfängt eine andere Reihe Q1 von Pixeln im CCD 24 interferierendes Licht nur von Flächen q1 bis q4, die sich an den Schnittpunkten eines optischen Konjugierten 32 der Reihe Q1 mit dem Beleuchtungsmuster 10 befinden. Zum Optimieren der Erfassung von interferometrischen Informationen mit dem Detektormodul ist das optische System der Erfindung so ausgelegt, dass es für jede Reihe des Detektors ein entsprechendes konoskopisches Hologramm liefert.
Außerdem kann das konoskopische Profilometer mit einer externen Verarbeitungseinheit 120 (in 2A gezeigt) ausgestattet sein, die Signalverarbeitungshardware bereitstellt, welche die Informationen zur Form der beleuchteten Oberfläche des Objektes aus den digitalen konoskopischen Hologrammen oder spärlichen Rekonstruktionen, den Bewegungsparametern und den bewegungskorrigierten Daten der Form des momentanen elementaren Objektes und Daten zur Gesamtform des Objektes, die vom Zusammenführungsalgorithmus geliefert werden, gewinnen kann. Die externe Verarbeitungseinheit 120 kann einen Computer umfassen. Ausführungsformen des konoskopischen Profilometers der Erfindung können auch mit einer Telemetrieeinheit 130 ergänzt werden, die die erforderliche elektronische Hardware und Software umfasst, welche den Datentransfer und die Steuerung von Funktionen des konoskopischen Profilometers 8 und die externe Verarbeitungseinheit 120 stützt.
Beispiele für bestimmte Ausführungsformen der Erfindung
Als Erläuterung, die nun mit Bezug auf das Flussdiagramm von 10 beschrieben wird, kann eine intraorale Messung unter Verwendung eines konoskopischen Profilometers gemäß einer Ausführungsform der aktuellen Erfindung elementare Erfassungs-, vollständige Erfassungs- und Zusammenführungsprozesse umfassen.
In einem elementaren optischen Erfassungsprozess 140 kann der intraorale Ort in Schritt 142 mit einem Muster beleuchtet sein, das zum Beispiel aus 16 Linien besteht, die voneinander einen Abstand von etwa 1 mm haben, mit 480 Beleuchtungspunkten pro Linie und unter Bildung eines einzelnen elementaren Objektes, das in Schritt 144 ein konoskopisches Hologramm erzeugt, welches eine schwach ausgeprägte Ansicht des gesamten Objektes darstellt, das gemessen wird, wie zum Beispiel eines Zahns. Die vollständige Ansicht des gesamten Objektes durch jede elementare Erfassung, selbst wenn sie mit einer geringen Umdrehung ausgeführt wird, ermöglicht es, Parameter für die relative Bewegung des Objektes gegenüber dem Sensor zu gewinnen. Typische Abmessungen eines solchen optischen Hologramms in der Beobachtungsebene können zum Beispiel 16 × 17 mm² sein. In Schritt 146 wird das elementare optische konoskopische Hologramm vom Detektormodul aufgezeichnet, um ein digitales konoskopisches Hologramm zu erzeugen, das eine digitale Darstellung des optischen Hologramms ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das System ferner in Schritt 148a eine schwach ausgeprägte Rekonstruktion der Oberfläche des beleuchteten intraoralen Ortes durch Gewinnen von Auswertungsdaten, die die Form der beleuchteten Oberfläche repräsentieren, aus dem digitalen konoskopischen Hologramm (dann mit Verwendung eines Rekonstruktionsalgorithmus der Erfindung) ausführen. Alternativ kann in Schritt 148b das System eine digitale Repräsentation des elementaren optischen konoskopischen Hologramms zur weiteren Verarbeitung aufbewahren. Die Daten, die den digitalen konoskopischen Hologrammen oder den schwach ausgeprägten Rekonstruktionen entsprechen, werden auf einem geeigneten Speichermedium, wie zum Beispiel einem Computerspeicher, gespeichert.
Die vollständige optische Erfassung wird ferner in Schritt 150 durch Kombinieren von N verschobenen und ineinander geschachtelten elementaren Erfassungen durch geeignetes Verschieben des Beleuchtungsmusters mit dem Translatormodul erreicht, um ein nachfolgendes elementares konoskopisches Hologramm in der Beobachtungsebene, zum Beispiel um eine ganze Zahl von CCD-Pixeln gegenüber dem vorherigen Hologramm, zu verschieben. In einigen Ausführungsformen kann das Verschieben des oben genannten Beleuchtungsmusters um 75 μm gegenüber dem abgebildeten Ort innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde eine Folge von 12 elementaren Objekten in 12 Schritten über eine Strecke von 1 mm entlang der Oberfläche des Objektes sowie 12 jeweils entsprechende elementare optische konoskopische Hologramme erzeugen, die vom Detektor in der Beobachtungsebene mit einer Ein-Pixel-Verschiebung erfasst werden. In solchen Ausführungsformen kann eine laterale Abbildungsauflösung in der Größenordnung von 50·100 μm² oder besser erreicht werden.
Und schließlich werden im Zusammenführungsprozess von Schritt 160 entweder die aufeinander folgenden schwach ausgeprägten Rekonstruktionen oder die aufeinander folgenden digitalen Darstellungen unter Verwendung des Zusammenführungsprozesses der Erfindung in der externen Verarbeitungseinheit zu einer einzigen Datenmenge zusammengeführt, die die Auswertung der Objektform repräsentiert.
Optional kann ein Erfassungsalgorithmus verwendet werden, der in jedem digitalen konoskopischen Hologramm oder jeder schwach ausgeprägten Rekonstruktion ermöglicht, die relative Bewegung des Objektes selbst, die während des Prozesses des Messens der Form des Objektes auftrat, auszuwerten, wie mit gestrichelter Linie in Schritt 162 gezeigt wird. Hier positioniert der Algorithmus zur Bewegungskompensation, falls erforderlich, die Ergebnisse jeder elementaren Erfassung gegenüber einem globalen Koordinatensystem (wie zum Beispiel einem kartesischen) neu, wobei die räumlichen Bewegungsparameter verwendet werden, die vorher durch den Algorithmus zur Bewegungsauswertung gewonnen wurden.
In einigen Ausführungsformen kann eine Menge von mehreren (zum Beispiel zwei, drei oder vier) elementaren optischen konoskopischen Hologrammen desselben momentanen elementaren Objektes, die durch Beleuchten des Ortes mit einer räumlich ungleichmäßigen Lichtverteilung gebildet werden, sequentiell in verschiedenen Polarisationsanordnungen ohne Verschiebung des elementaren Objektes durch Verschieben des Beleuchtungsmusters gegenüber dem Ort aufgezeichnet werden. Es kann eine Verarbeitung der Daten, die mehreren optischen konoskopischen Hologrammen desselben elementaren Objektes, das mit Licht gebildet wird, welches eine unterschiedliche Polarisation hat, erforderlich sein, um parasitäre Informationen zu beseitigen, die aus einem kohärenten kontinuierlichen Hintergrund (der auch als systematische Abweichung bezeichnet wird) und aus einem konjugierten Bild gesammelt wurden. Das Aufzeichnen der Menge von Hologrammen in unterschiedlichen Polarisationen kann zum Beispiel unter Verwendung eines geeigneten Lichtventilschalters erreicht werden, wie zum Beispiel dem im französischen Patent 88-17225 beschriebenen oder im US-Patent Nr. 5,081,541 für Sirat et al., von denen jedes hierin in Gänze aufgenommen wird. Mittel auf der Grundlage veränderlicher Polarisation zum Beseitigen von systematischer Abweichung und konjugierten Bildern sind vorher im US-Patent Nr. 5,081,541 beschrieben worden.
Algorithmen der Ausführungsformen der Erfindung
Das konoskopische Hologramm ist eine optische Lichtverteilung, die in einem zweidimensionalen Format die vollständigen Informationen über die dreidimensionale Form des Objektes bewahrt. Ein allgemeines exponentielles konoskopisches Hologramm, wie von G. Sirat (in JOSA A, v. 9, S. 73, 1992) definiert und beschrieben, enthält alle dreidimensionalen Informationen eines konvexen Objektes mit derselben Größe und Auflösung. Es ist daher mathematisch äquivalent zum rekonstruierten konvexen Objekt, wodurch das mathematische Problem lösbar gemacht wird.
Auf Grund des Vorhandenseins von Rauschen physikalischen und digitalen Ursprungs erfahren die Daten, die aus dem Hologramm des vollständigen Objektes gewonnen werden, Nachteile und Ungenauigkeiten. Algorithmen zur Gewinnung und Wiederherstellung der Daten, wie zum Beispiel die von L. M. Mugnier beschriebenen (siehe "Conoscopic holography: toward three-dimensional reconstructions of opaque objects" [Konoskopische Holographie: [Für die dreidimensionalen Rekonstruktionen von lichtundurchlässigen Objekten], Appl. Opt., v. 34, S. 1363–1371, 1995), sind im Fachgebiet bekannt, sind aber nicht notwendigerweise robust und erfordern iterative Lösungen.
Zur Vereinfachung des mathematischen Problems und um die Ergebnisse genauer und robuster zu machen, muss die Zahl der unabhängigen Variablen reduziert werden. Zu diesem Zweck beschränken die oben genannten kommerziellen Systeme ConoProbe^TM und ConoLine^TM zum Beispiel die Messung des Objektes auf einen einzigen Punkt aus jeder Zeile von Daten durch Beleuchten des Objektes mit Licht, das von einem einzigen Punkt (ConoProbe^TM) oder einer einzigen Zeile (ConoLine^TM) ausgeht. Diese Systeme sind jedoch recht langsam, weil sie eine vollständige Zeile für jeden Messpunkt oder ein vollständiges Bild für eine einzelne Zeile aufzeichnen. Insbesondere beleuchtet bei ConoProbe^TM ein einziger Punkt das ganze Feld; bei ConoLine^TM wird eine geeignete Optik verwendet, um in der zweiten transversen Dimension den Beitrag von verschiedenen Punkten der Beleuchtungszeile zu getrennten Zeilen in einem CCD-Feld zu trennen.
Das intraorale System, das die aktuelle Erfindung implementiert, ist schnell genug und verschlechtert die metrologische Qualität von konoskopischen Sensoren nicht. Die Ausführungsformen des Systems nutzen ein Mehrpunktschema, bei dem mehrere verschiedene Punkte derselben Beleuchtungszeile aus der Menge der im Wesentlichen äquidistant verteilten Linien gleichzeitig aufgezeichnet werden. Die Ausführungsformen erfordern nicht das Abbilden einer vollständigen durchgängigen Oberfläche des Objektes, was die Redundanz der Informationen zu der Oberfläche des Objektes erhöht, die im konoskopischen Verbundhologramm gespeichert sind, und die Komplexität der erforderlichen algorithmischen Lösung reduziert.
In der intraoralen 3D-Kamera bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung projizieren für jede Zeile von Pixeln in einer CCD 8 bis 16 beleuchtete Objektpunkte Licht auf dieselbe Detektorpixelreihe und das Licht auf dem Pixel stellt eine Überlagerung des Beitrags dieser Punkte dar. Der Rekonstruktionsalgorithmus muss zuerst eine Trennung des Beitrags jedes Emissionspunktes zur Detektorintensität vornehmen, wobei eine Messung des metrologischen Gehalts, der äquivalent oder fast gleich dem der ConoProbe^TM oder der ConoLine^TM ist, bewahrt wird.
Dieses Problem stellt ein theoretisch lösbares, schwach eingeschränktes mathematisches Problem dar, weil eine Anzahl der Emissionspunkte und eine Zahl der freien Parameter kleiner als eine Zahl der Pixel des Detektors ist. Ein gewählter Algorithmus muss die vollständige Dekorrelation der Signal- und Rauschterme sicherstellen. Der Rekonstruktionsalgorithmus der Erfindung beruht auf dem allgemeinen Formalismus, der von Sirat, Mugnier und Mitarbeitern entwickelt wurde [siehe zum Beispiel den oben genannten Verweis auf Mugnier und den Verweis darin]. Im Vergleich mit dem allgemeinen Formalismus jedoch, der auf das Analysieren des kontinuierlichen zweidimensionalen elementaren Objektes anwendbar ist, nicht jedoch auf im wesentlichen lineare elementare Objekte, ermöglicht der Algorithmus, der in den Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird, die Rekonstruktion diskreter Punkte von im wesentlichen eindimensionalen Objekten.
Der Algorithmus wird getrennt auf Daten angewendet, die von jeder Zeile des digitalen konoskopischen Hologramms erhalten werden, welche als Signal bezeichnet werden, führt eine gewichtete Rekonstruktion des exponentiellen Hologramms in einer medianen Ebene aus, die sich in der Mitte des Messbereichs befindet, und verarbeitet ein Datenfeld, das von jedem Emissionspunkt des momentanen elementaren Objektes getrennt erhalten wird. Bei Wellenlängen, bei denen das Material des Ortes zumindest teilweise lichtdurchlässig ist (d. h. Licht durch die Oberfläche dringen lässt, dieses aber zerstreut), filtern die Algorithmen der Erfindung die Daten heraus, die mit Objektreflexionen verbunden sind, welche jenseits der Oberfläche des Ortes ihren Ursprung haben, was unter anderem auf den bekannten Eigenschaften des Materials beruht.
Das mathematische Problem besteht daher darin, longitudinale Positionen und Energie in einem konoskopischen Hologramm aus einer kleinen Zahl von Punkten zu gewinnen, deren laterale Positionen bekannt sind. Im Fall eines eindimensionalen exponentiellen Hologramms ist die eindimensionale Verteilung der Intensität in der Bildebene S(x)
wobei S(x) die Signalstärke ist, die in jedem Bild gemessen wird; A_i and α_i die unbekannten Parameter sind, die unten definiert werden, α_i eine Funktion der longitudinalen Position jedes Punktes ist, der durch eine laterale Position x_i gekennzeichnet ist, und x_i and φ_i(x) Parameter sind, die während der Kalibrierung des Systems gemessen werden und von daher bekannt sind.
Ausführungsformen der aktuellen Erfindung wenden drei Strategien zum Lösen des oben genannten mathematischen Problems an, dazu gehören ein modifizierter Sirat-Mugnier-Algorithmus (Wellenrekonstruktionsformalismus), Zeit-Frequenz-Algorithmen und der Ansatz des maximalen Erwartungswertes der Wahrscheinlichkeit.
(1) Rekonstruktionsalgorithmus:
Wellenausbreitungsformalismus
Der Rekonstruktionsalgorithmus wird separat auf jede Zeile des digitalen konoskopischen Hologramms angewendet, auch als Signal bezeichnet. Die Analyse jeder Zeile wird separat ausgeführt und im Ergebnis dessen wird das mathematische zweidimensionale Problem in N Mengen von eindimensionalen Daten transformiert, wobei N die Zahl der Zeilen im Hologramm ist, wodurch die Zahl der Variablen stark reduziert wird und die Unsicherheit über die Stetigkeit eines allgemeinen unbekannten Musters beseitigt wird.
Die Lichtstärke, die von jedem Punkt des elementaren Objektes reflektiert wird, welches durch Beleuchten der Oberfläche des Ortes mit mehreren äquidistant verteilten Streifen oder Lichtlinien definiert ist, wobei die Punkte auf der jeweiligen Linie dieselbe Position haben, erzeugt ein Muster in einer Spalte der Matrix, das durch folgendes ausgedrückt wird: I(x) = Σ i A_i[cos(α_i(x – x_i))]² (2)
Oder allgemeiner durch eine Exponentialfunktion, wie in Gl. (1) oben ausgedrückt, wobei α_i eine Funktion von z ist, wobei z der longitudinale Abstand zwischen der Beobachtungsebene und dem jeweiligen Emissionspunkt ist, A_i die Strahlungsstärke ist, die vom Emissionspunkt erzeugt wird, und X_i die laterale Position des Punktes gegenüber der geometrischen Achse des Profilometers ist.
In Ausführungsformen mit einem telezentrisch ausgelegten optischen Codierungsmodul ist x_i konstant; bei nicht telezentrischer Auslegung variiert x_i mit dem Abstand z gemäß einer bekannten Funktion. Das Signal des optischen Verbundhologramms würde einem diskretisierten Signal entsprechen, das durch eine Summe (Überlagerung) von N (wobei in einigen Ausführungsformen N = 16 ist) quadratisch gechirpten Strahlungsstärkesignalen repräsentiert wird, die mit optischen konoskopischen Hologrammen verknüpft sind, welche durch diskrete Emissionspunkte gebildet werden. Ein quadratischer Chirp, der einer linearen Modulation der räumlichen Frequenz der entsprechenden Strahlungsstärkeverteilung in der Beobachtungsebene entspricht, ist proportional zu z, während die Position der Mitte des interferometrischen Musters eine Position des entsprechenden emittierenden Objektpunktes in der xy-Ebene bezeichnet. Zum Beispiel illustriert 4A zwei quadratisch gechirpte Verteilungen der Strahlungsstärke in der Beobachtungsebene, I1 bzw. I2, die zwei diskreten emittierenden Objektpunkten, E1 und E2 (nicht dargestellt), entsprechen, die lateral gegenüber der geometrischen Achse des quadratischen Konoskops der Erfindung verschoben sind. Wie der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen würde, sind die Abstände zwischen den beiden Punkten und der Beobachtungsebene unterschiedlich (d. h. z₁ ≠ z₂), wie aus der unterschiedlichen Zahl der Ränder in den entsprechenden interferometrischen Verteilungen folgt. 4B stellt ein Verbundhologramm I12 dar, das den Verteilungen I1 und I2 von 4A entspricht, und zeigt eine Überlagerung der zwei Signale in der Beobachtungsebene. Die 5A bzw. 5B zeigen interferometrische Verbundverteilungen (optische konoskopische Hologramme) I34 und I56, die in der Beobachtungsebene aufgezeichnet wurden und jeweils durch Licht gebildet wurden, das von den jeweilig entsprechenden Paaren von Objektpunkten (E3, E4) und (E5, E6) (nicht dargestellt) ausgeht. Die Emissionspunkte in jedem Paar werden lateral und symmetrisch zur geometrischen Achse des Konoskops um 24 Pixel verschoben. Während jedoch E3 und E4 äquidistant zur Beobachtungsebene sind (individuelle Verteilungen I3 und I4, nicht dargestellt, enthalten jeweils 64 Ränder), sind E5 und E6 mit unterschiedlichen Abständen angeordnet (die individuellen Verteilungen 15 und 16, nicht dargestellt, enthalten 60 bzw. 64 Ränder). Wie sowohl in 5A wie auch in 5B gezeigt, stellen die Spuren a die realen Teile der jeweiligen Verteilungen dar, während die Spuren b den imaginären Teilen entsprechen.
Der Algorithmus rekonstruiert die zwei Hologramme in einer medianen Ebene, in der die Verteilungen der zwei Signale räumlich getrennt sind, und verarbeitet jedes der Signale separat. Die Signalverarbeitung wird durch Entfernen eines Realteils der holographischen Daten und Anwenden eines Wiener-Filters auf den Imaginärteil ausgeführt. Die 6(A, B, C) illustrieren die Ergebnisse der Rekonstruktion der Verbundhologramme der 5A bzw. 5B. In 6A und 6B sind die Signale 60, 62 und 64, 66, die mit den entsprechenden Objektpunkten verknüpft sind, gut getrennt und die Störinterefernz wird in den zentralen Abschnitten der Rekonstruktionsmuster optimiert (obwohl sie in den Randbereichen immer noch vorhanden ist). 6C, welche eine Nahansicht von 6B ist, zeigt das Verschwinden der Störinterferenz im Bereich der Signale.
In einem modifizierten Sirat-Mugnier-Rekonstruktionsalgorithmus ist S(x) aus Gl. (1) mit m gewichteten Exponentialfunktionen korreliert, T_mn(x) = (x – x_n)exp|jα_m(x – x_n)² + φ_mn] (3) und für jeden Emissionspunkt n werden die korrelierenden Werte U_mn U_mn = ∫(x – x₀)T_mn(x)S(x) (4) analysiert, wobei (x – x_n) eine laterale Verschiebung des Emissionspunktes n gegenüber der optischen Achse des Konoskops ist. Der Maximalwert U_mn stellt die beste Korrelation dar und entspricht daher dem optimal bestimmten longitudinalen Abstand, der mit dem Parameter m verbunden ist. Um die Genauigkeit der Bestimmung des longitudinalen Abstandes zu erhöhen, wird eine zusätzliche parabolische Anpassung vorgenommen, die durch Interferenzeffekte korrigiert wird. Dabei wird U_mn durch die Intensität in den n – 1 und n + 1 Punkten geeignet berücksichtigt. Diese Ausführungsform der Algorithmen der Erfindung unterscheidet sich von dem ursprünglichen zweidimensionalen Sirat-Mugnier-Algorithmus, der in dem oben angeführten Artikel von Mugnier beschrieben wird, um einen Faktor (x – x_n). Die Notwendigkeit des zusätzlichen Faktors ist aus der Energieverteilung in jedem Zyklus zu verstehen. In 2D ist die Energie, die in einem Zyklus vorhanden ist, auf Grund der Gleichung für die Oberfläche eines Rings gleich der Energie, die in einem anderen Zyklus vorhanden ist. Um den Gleichgewichtszustand in 1D zu erreichen, müssen wir eine lineare Gewichtungsfunktion hinzufügen.
(2) Rekonstruktionsalgorithmus: Zeit-Frequenz-Formalismus
In einem Zeit-Frequenz-Algorithmus wird zuerst ein allgemeiner Zeit-Frequenz-Algorithmus auf Daten angewendet; zusätzlich werden die unbekannten A_i und α_i parametrisch aus der 2D-Zeit-Frequenz-Oberfläche unter Verwendung der bekannten Parameter x_i und φ_i(x) gewonnen.
Mehrere Zeit-Frequenz-Algorithmen für die Signalverarbeitung sind im Fachgebiet bekannt, wie zum Beispiel die Wigner-Ville-Verteilung oder die Kurzzeit-Fourier-Transformation. Die 7(A, B) stellen zweidimensionale bzw. dreidimensionale Ansichten der Wigner-Ville-Transformation der Verteilungen 11 und 12 von 4A dar, die ohne weiteres zwei symmetrische Linienmuster zeigen.
(3) Rekonstruktionsalgorithmus: Maximum Likelihood-Ansatz
Und schließlich können bei der Bestimmung von A_i und α_i durch den Ansatz des Maximalen Erwartungswertes der Wahrscheinlichkeit (Maximum Likelihood Expectation) die Ergebnisse von einem der vorherigen Algorithmen als Ausgangspunkt zum Minimieren des Suchraums für die Parameter A_i und α_i verwendet werden.
(4) Erfassungsalgorithmus (Repositionierung und Zusammenführung)
Der Erfassungsalgorithmus von bevorzugten Ausführungsformen der aktuellen Erfindung beruht auf der kontinuierlichen Messung der relativen Position des Objektes gegenüber dem Instrument. Der Algorithmus kann sich nur auf die aufgezeichneten Daten stützen, ohne Rückgriff auf zusätzliche externe Referenzstellen, jedoch liegt die Verwendung eines separaten Mechanismus zum Aufstellen einer relativen Verschiebung ebenfalls innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung.
Der Erfassungsalgorithmus nutzt einen linearen Unterschied von Bild zu Bild. Bei einem als Beispiel dienenden Profilieren des Ortes mit einer Rate von etwa 10 mm für 1 s ist die Abtastgeschwindigkeit annähernd konstant (innerhalb eines Bereichs von 25%, bei einer volumetrischen Änderung unter 20 μm von Datenblock zu Datenblock). Die Ansicht des vollständigen Objektes bei jeder elementaren Erfassung sorgt für eine größere Basis für die Berechnung der relativen Bewegungen des Objektes selbst. Bei einer Implementierung können die globalen Positionsparameter direkt aus den Hologrammunterschieden gewonnen werden. 8 illustriert zwei alternative Konzepte des Erfassungsalgorithmus gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Algorithmen zum Zusammenführen der rekonstruierten Oberflächen, die eine Punktwolke verwenden, sind im Fachgebiet bekannt.
Messung von Objekten, die aus durchscheinendem Material bestehen
Im Zusammenhang mit dieser Offenbarung, wie oben diskutiert und wenn nicht anders gefordert, impliziert das optische Messen eines dreidimensionalen Objektes das Messen der räumlichen Lage einer Lichtverteilung, die durch eine adäquate Beleuchtungsquelle erzeugt wird, am physischen Objekt. Nimmt man an, dass das Objekt undurchsichtig ist, ist die Licht reflektierende Oberfläche die äußere physische Oberfläche des Objektes. Diese Annahme gilt für die meisten Objekte, trifft aber nicht für diejenigen zu, die halbdurchlässige oder durchscheinende Objekte sind. Das Licht dringt in die physische Oberflächengrenzschicht eines durchscheinenden Objektes bis zu der Tiefe ein, die definiert, was im Fachgebiet als ”Oberflächenschicht” bekannt ist. Daher stammt reflektiertes Licht nicht nur von den Punkten der Oberfläche, sondern auch aus einem Raumbereich, der sich unterhalb der Oberfläche befindet. Mit anderen Worten, an jedem Punkt an der Oberfläche des durchscheinenden Objektes gibt es eine Gruppe von Punkten in der Tiefe des Objektes, die auch beleuchtet werden, was zur effektiven Verbreiterung der Lichtverteilung führt, die als momentanes elementares Objekt für die Ausführungsformen der Erfindung dient. Für durchscheinende Materialien, die durch einen gewissen Extinktionswert gekennzeichnet sind, ist die Stärke der Lichtverteilung innerhalb des Objektes abhängig von der Tiefe, es kann eine durchschnittliche Eindringtiefe zum Kennzeichnen einer solchen Abhängigkeit verwendet werden.
Es versteht sich, dass die konoskopischen Systeme, bei denen die Stärke des vom Objekt reflektierten Signals proportional zum Kosinus der longitudinalen Position des beleuchteten Flecks des Objektes ist, sich ideal für die Arbeit mit durchscheinenden Materialien eignen. Bei solchen Systemen ähnelt die von der Eindringtiefe abhängige Lichtverteilung der Oberflächenlichtverteilung von Gl. (2) bis zur zweiten Größenordnung O(z₀ ²) in einer Variablen z₀, bezogen auf einen gewichteten Durchschnitt der longitudinalen Position z:
Es versteht sich, dass der Betrieb der Ausführungsformen der Erfindung Anweisungen für programmierbare Computer, Konfigurieren und Support erfordert, der die gesamte oder einen Teil der Funktionalität einschließt, die vorher in Bezug auf die Erfindung beschrieben wurde, und die in einen Computer geladen werden. Fachleute auf diesem Gebiet sollten erkennen, dass solche Computerbefehle und Support in einer Reihe von Programmiersprachen zur Verwendung mit vielen Computerarchitekturen oder Betriebssystemen geschrieben werden können. Zum Beispiel können einige Ausführungsformen vollständig als Software (zum Beispiel als Computerprogrammpaket) in einer prozeduralen Programmiersprache (zum Beispiel ”C”) oder einer objektorientierten Programmiersprache (zum Beispiel ”C++”) implementiert werden. Ferner können solche Anweisungen in einer Speichervorrichtung gespeichert werden, wie zum Beispiel Halbleiter-, magnetischen, optischen oder anderen Speichervorrichtungen, und können entweder auf den Computer unter Verwendung von Kommunikationstechnik (wie zum Beispiel optische, Infrarot-, Mikrowellen- oder andere Übertragungstechnologien) übertragen werden oder darin in Form eines programmierbaren Hardware-Chips mit einem Computerprogrammprodukt, das damit verbunden ist, eingebettet werden. Es wird erwartet, dass solch ein Computerprogramm als herausnehmbares Speichermedium mit begleitender gedruckter oder elektronischer Dokumentation (z. B. eingeschweißte Software) verteilt werden kann, auf dem Computer (z. B. auf System-ROM oder Festplatte) vorinstalliert, oder von einem Server oder elektronischen Schwarzen Brett über ein Netz verteilt (z. B. das Internet oder World Wide Web). Natürlich können einige Ausführungsformen der Erfindung als Kombination aus Software und Hardware implementiert werden. Noch weitere alternative Ausführungsformen der Erfindung können als vorprogrammierte, ganz hardwaremäßige Elemente implementiert werden.
Die Ausführungsformen der Erfindung, die bisher beschrieben wurden, sollen lediglich als Beispiel dienen, und zahlreiche Abwandlungen und Modifizierungen sind für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich, einschließlich verschiedener Kombinationen von vier verschiedenen Verfahren, die beschrieben worden sind. Alle solche Abwandlungen und Modifizierungen sollen innerhalb des Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung liegen, wie in den angehängten Ansprüchen definiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein konoskopisches holographisches System und ein Verfahren zum Abbilden eines Ortes, der durch eine Oberfläche gekennzeichnet ist, die eine dreidimensionale Form hat. Das System verwendet eine Lichtquelle, die den Ort mit im Wesentlichen linearen Lichtverteilungen beleuchtet, und eine unabhängige Erfassung mehrerer elementarer konoskopischer Hologramme in der Bildebene. Jedes elementare konoskopische Hologramm stellt das Abbild eines einzelnen Emissionspunktes des beleuchteten Ortes dar. Die Lichtquelle wird gegenüber dem Ort verschoben, um eine Folge von optischen Hologrammen zu erzeugen, und eine gewichtete Rekonstruktion der Hologramme wird in einem Computerprozess in einer medianen Ebene ausgeführt, um die dreidimensionale Form des abgebildeten Ortes zu konstruieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4602844 [0006]
- US 4976504 [0006]
- US 5081540 [0006]
- US 5081541 [0006, 0045, 0045]
- US 7375827 [0006]
- US 5953137 [0006]
- US 7494338 [0007]
- FR 8817225 [0028]
- FR 88-17225 [0045]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Gabriel Sirat et al [0004]
- JOSA A, v. 9, S. 70–90, 1992 [0004]
- http://optimet.com/optimet_company_profile.htm [0006]
- JOSA A, v. 9, S. 73, 1992 [0046]
- ”Conoscopic holography: toward three-dimensional reconstructions of opaque objects” [Konoskopische Holographie: [Für die dreidimensionalen Rekonstruktionen von lichtundurchlässigen Objekten], Appl. Opt., v. 34, S. 1363–1371, 1995 [0047]

Claims

Verfahren zum Abbilden eines Ortes, der durch eine Oberfläche gekennzeichnet ist, die eine dreidimensionale Form hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a. Beleuchten des Ortes, um so auf die Oberfläche des Ortes mehrere im Wesentlichen lineare Lichtverteilungen aus einer Beleuchtungsquelle zu projizieren, wobei die mehreren im Wesentlichen lineare Lichtverteilungenein momentanes elementares Objekt definieren, wobei das momentane elementare Objekt mit der Zeit variiert, um so eine Folge von elementaren Objekten zu erzeugen; b. Abbilden der Folge von elementaren Objekten durch ein optisches Codierungsmodul, um eine Folge von konoskopischen Hologrammen zu erzeugen, wobei jedes konoskopische Hologramm jeweils einem elementaren Objekt aus der Folge der elementaren Objekte entspricht; und c. Berechnen der dreidimensionalen Form der Oberfläche auf der Grundlage der Folge von konoskopischen Hologrammen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ort im Inneren eines Mundes einer Person liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche durchscheinendes Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beleuchten des Ortes das Variieren einer relativen Position zwischen der Beleuchtungsquelle und dem Ort beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Variieren der relativen Position das Verschieben einer Beleuchtungsquelle gegenüber dem Ort beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beleuchten des Ortes ferner das Zuführen von Licht aus einer Beleuchtungsquelle durch mehrere Lichtwellenleiter beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Lichtwellenleiter Lichtleitfasern aufweisen, die in einer Faserbündelgruppe angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beleuchten des Ortes das Beleuchten des Ortes durch Relais-Optik beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Beleuchten des Ortes das Beleuchten des Ortes durch ein Periskop beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Beleuchten des Ortes das Beleuchten des Ortes durch ein Teleskop beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abbilden der aufeinander folgenden elementaren Objekte durch das optische Codierungsmodul das Abbilden der aufeinander folgenden elementaren Objekte durch ein Konoskop beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auswerten der dreidimensionalen Form der Oberfläche des Ortes ferner das unabhängige Analysieren von N elementaren konoskopischen Bildern beinhaltet, wobei N eine Zahl von Linien unter den mehreren Beleuchtungslinien ist, wobei jedes elementare konoskopische Bild das Abbild eines einzelnen Emissionspunktes auf einer entsprechenden Linie aus den mehreren Beleuchtungslinien darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auswerten der dreidimensionalen Form der Oberfläche des Ortes aus der Folge der konoskopischen Hologramme das Auswerten der dreidimensionalen Form der Oberfläche des Ortes aus der Folge der exponentiellen optischen konoskopischen Hologramme beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner eine gewichtete Rekonstruktion von exponentiellen Hologrammen in einer medianen Ebene beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abbilden der aufeinander folgenden elementaren Objekte durch das optische Codierungsmodul, um die Folge von optischen konoskopischen Hologrammen der Aufeinanderfolge von elementaren Objekten zu bilden, das Abbilden eines in einer Folge befindlichen elementaren Objektes ohne Verschieben desselben und mit entsprechenden unterschiedlichen Polarisationsanordnungen beinhaltet, um eine elementare Menge von konoskopischen Hologrammen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner in einer externen Verarbeitungseinheit das Verarbeiten von digitalen Darstellungen von optischen konoskopischen Hologrammen aus der elementaren Menge beinhaltet, um eine systematische Abweichung und ein konjugiertes Bild zu entfernen.
Konoskopisches holographisches System, umfassend: eine Lichtquelle, die mehrere im Wesentlichen lineare Lichtverteilungen bereitstellt; und einen kontaktlosen Sensor zum Messen eines Abstandes zwischen einem festgelegten Punkt auf der Oberfläche eines Körpers und einer Justierreferenzposition und zum Erzeugen eines Signals, das den Abstand repräsentiert.
Konoskopisches holographisches System nach Anspruch 17, das ferner ein Periskop aufweist, welches die mehreren im Wesentlichen parallelen linearen Verteilungen von Licht auf einen Ort projiziert, der durch eine Oberfläche gekennzeichnet ist.
Konoskopisches holographisches System nach Anspruch 17, das ferner Abbildungsoptiken aufweist, welche dafür ausgelegt sind, für die unabhängige Erfassung von N elementaren konoskopischen Bildern in einer Bildebene zu ermöglichen.
Konoskopisches holographisches System nach Anspruch 19, wobei jedes elementare konoskopische Bild das Abbild eines einzelnen Emissionspunktes auf einer entsprechenden, im Wesentlichen linearen Lichtverteilung aus den mehreren im Wesentlichen linearen Lichtverteilungen darstellt, wobei einzelne Emissionspunkte optische Konjugierte von fotoempfindlichen Elementen in einem Detektor sind, die in einer Bildebene angeordnet sind, wobei die optischen Konjugierte durch die Abbildungsoptiken definiert sind.
Konoskopisches holographisches System nach Anspruch 19, wobei die Abbildungsoptiken anamorph sind.
Verfahren zum Bestimmen eines Abstandes von einer beleuchteten Fläche mit einem linearen Konoskop, wobei das lineare Konoskop durch eine Bildebene und eine optische Achse gekennzeichnet ist, wobei die beleuchtete Fläche mit N im Wesentlichen linearen Lichtverteilungen beleuchtet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: in einem ersten Computerprozess das Darstellen einer Bildstrahlstärke, welche in der Bildebene mit einem Detektor als gewichtete Kombination von N Funktionen gemessen wird, wobei jede Funktion ein elementares Signal repräsentiert, das von einem entsprechenden einzelnen Emissionspunkt aus einer jeweiligen linearen Lichtverteilung zum Bildsignal beigetragen wird; in einem zweiten Computerprozess das Korrelieren einer gewichteten Prüffunktion und der gewichteten Kombination für jeden einzelnen Emissionspunkt, um eine Korrelationsfunktion zu erzeugen, wobei die gewichtete Prüffunktion mit einem Faktor gewichtet wird, der eine seitliche Verschiebung des jeweiligen einzelnen Emissionspunktes gegenüber der optischen Achse repräsentiert; und in einem dritten Computerprozess das Bestimmen einer longitudinalen Trennung zwischen der Bildebene und einem entsprechenden Emissionspunkt für jeden einzelnen Emissionspunkt aus einem Maximum der Korrelationsfunktion.