DE19640496A1 - Verfahren zur Oberflächenvermessung mittels Konfokalmikroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenvermessung mittels Konfokal­ mikroskopie im Reflexionsverfahren, insbesondere zur Vermessung des Ober­ flächenprofils von Zähnen im unbearbeiteten und bearbeiteten beziehungsweise ge­ bohrten Zustand.

Grundsätzlich handelt es sich hier um ein Verfahren zur Vermessung von Oberflä­ chen jedweder Art und jedweder Kontur. Aus der Praxis sind bereits unterschiedliche Verfahren zur Oberflächenvermessung bekannt.

So läßt sich beispielsweise mittels eines Lichtschnittsensors eine Lichtlinie auf das Objekt projizieren und mit einer CCD-Kamera unter einem Winkel beobachten. Die geometrische Verformung der Lichtlinie wird dabei gemessen. Aus dieser Verfor­ mung werden die Höhendifferenzen auf dem Objekt berechnet. Durch Verschiebung des Objekts unter dem Sensor - senkrecht zur Lichtlinie - und durch wiederholte Messung eines Profils läßt sich seriell die Oberflächenform vermessen beziehungs­ weise bestimmen.

Zwar handelt es sich bei dem Lichtschnittsensor um einen einfach aufgebauten und dabei robusten Sensor, jedoch führt die hier erforderliche Schrägbeleuchtung zu ei­ ner einseitigen Abschattung steiler Stellen. Dadurch entstehen Asymmetrien in der Abbildung beziehungsweise Ungenauigkeiten. Des weiteren werden durch Streuung von Licht aus verschiedenen Tiefen beispielsweise eines zumindest teiltransparenten Zahnmaterials die Messungen abermals ungenau beziehungsweise verfälscht.

Des weiteren ist es aus der Praxis bereits bekannt, mittels konfokaler Mikroskopie Oberflächen zu scannen und daraus dreidimensionale Aufnahmen der Oberfläche zu generieren. Hierzu wird lediglich beispielhaft auf Johann Engelhardt und Werner Knebel in Physik in unserer Zeit, 24. Jahrg. 1993, Nr. 2 "Konfokale Laserscanning- Mikroskopie" und D.K. Hamilton und T. Wilson in Appl. Phys. B 27, 211-213, 1982 "Three-Dimensional Surface Measurement Using the Confocal Scanning Microscope" verwiesen.

Die konfokale Mikroskopie eignet sich zur Oberflächenvermessung von Zahnober­ flächen ganz besonders, da nach diesem Verfahren lediglich diejenigen Strukturen abgebildet werden, die sich unmittelbar in der Brennebene des Mikroskopobjektivs befinden. Meßfehler aufgrund des teiltransparenten Zahnmaterials sind somit wirk­ sam vermieden. Allerdings versagt die Methode der Reflexionsmessung mit dem herkömmlichen Konfokalmikroskop bei steilen Übergängen beziehungsweise Flan­ ken, wenn deren Winkel größer als der Aperturwinkel des Objektivs ist, da nämlich dann der Rückreflex das Objektiv nicht mehr trifft und somit für die Auswertung verlo­ ren geht (vergleiche P.C. Cheng und R.G. Summers in Confocal Microscopy Hand­ book, Chapter 17).

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Oberflächenvermessung anzugeben, wonach einerseits die Vermessung von Ober­ flächen aus teiltransparenten Materialien und andererseits von Oberflächenprofilen mit steilen Flanken problemlos möglich ist. Dieses Verfahren soll sich zur Anwendung in der Zahnheilkunde, d. h. zur Vermessung des Oberflächenprofils von Zähnen im unbehandelten und behandelten beziehungsweise gebohrten Zustand, ganz beson­ ders eignen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Oberflächenvermessung löst die voranste­ hende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Danach handelt es sich hier um ein Verfahren zur Oberflächenvermessung mittels Konfokalmikroskopie im Reflexionsverfahren, insbesondere zur Vermessung des Oberflächenprofils von be­ arbeiteten beziehungsweise gebohrten Zähnen, welches durch eine konfokale Abbil­ dung mit hoher Dynamik (relative Empfindlichkeit) zur Abbildung einerseits speku­ larer Reflexe und andererseits schwachen Streulichts oder Fluoreszenzlichts der je­ weiligen Brennebene gekennzeichnet ist.

Erfindungsgemäß ist hier zunächst erkannt worden, daß sich die Konfokalmikros­ kopie ganz besonders zur Oberflächenvermessung teiltransparenter Materialien eignet, da nämlich bei der Konfokalmikroskopie lediglich diejenigen Strukturen abge­ bildet werden, die sich unmittelbar in der jeweiligen Brennebene des Mikroskopob­ jektivs befinden. Des weiteren ist erkannt worden, daß sich der Nachteil herkömmli­ cher Konfokalmikroskopie im Reflexionsverfahren hinsichtlich der zuvor erörterten Aperturproblematik dadurch beheben läßt, daß man zu der üblichen Auswertung des Rückreflexes nunmehr auch eine Auswertung des Streulichts oder Fluoreszenzlichts der jeweiligen Brennebene vornimmt.

Zur Realisierung einer Auswertung des Streulichts beziehungsweise Fluoreszenz­ lichts erfolgt in weiter erfindungsgemäßer Weise die konfokale Abbildung mit hoher Dynamik, d. h. mit hoher relativer Empfindlichkeit, so daß einerseits eine Abbildung stark reflektierter flacher Flächen und andererseits eine Darstellung des Streulichts oder Fluoreszenzlichts an beispielsweise steilen Flanken möglich ist. Folglich ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Abbildung auch dann möglich, wenn das an steilen Stellen reflektierte Licht am Objektiv vorbei reflektiert wird, so daß - im übli­ chen Reflexionsverfahren - keine Profilometrie betrieben werden kann. Letztendlich wird das Streulicht zur Auswertung stets dann hinzugezogen, wenn eine Abbildung mangels spekularer Reflexe nach herkömmlicher Konfokalmikroskopie nicht mehr möglich ist.

Wie bereits zuvor erwähnt, erfolgt die Digitalisierung der Detektionssignale mit hoher Auflösung, und zwar in ganz besonders vorteilhafter Weise mit einer Dynamik we­ sentlich größer als 8 bit. Zur ganz besonders wirksamen Nutzung des schwachen Streulichts beziehungsweise Fluoreszenzlichts im Bereich steiler Stellen der Oberflä­ che kann die relative Empfindlichkeit beziehungsweise Dynamik der konfokalen Ab­ bildung bei 16 bit liegen. Letztendlich läßt sich hierdurch ein großer Helligkeitsunter­ schied durch Streulichtauswertung im Bereich steiler Flanken erzeugen.

Zur Höhenauswertung beziehungsweise zur Erzeugung des Oberflächenprofils an­ hand des schwachen Streulichts ist ein Algorithmus vorgesehen, der die hohe Dyna­ mik des Systems berücksichtigt beziehungsweise toleriert. Dieser Algorithmus be­ rücksichtigt in ganz besonders vorteilhafter Weise interpolierend nächste bezie­ hungsweise unmittelbare Nachbarebenen, wobei höhere Intensitäten in einem loka­ len Bereich relativ übergewichtet werden, um nämlich die Signaluntergrundabhängig­ keiten zu reduzieren. Letztendlich ist ein geeigneter Algorithmus vorgesehen, der nach Detektion der Streulichtsignale sowie nach Digitalisierung mit hoher Auflösung eine adäquate Höhenauswertung der digitalisierten Signale vornimmt.

An dieser Stelle sei hervorgehoben, daß das Scannen der Oberfläche auch in Dun­ kelfeldanordnung erfolgen kann. Als Lichtquelle könnte entweder eine Punktlicht­ quelle oder eine Lichtquelle mit entsprechender Ausblendung vorgesehen sein.

Im Rahmen einer Anwendung in der Zahnheilkunde, insbesondere zur Herstellung paßgenauer Inlays anstelle herkömmlicher Amalgamfüllungen, ist es von ganz be­ sonderem Vorteil, wenn zunächst die Oberfläche des unbearbeiteten Zahnes abge­ scannt und die detektierten Werte - vorzugsweise digitalisiert und bereits zum Hö­ henprofil umgerechnet - gespeichert werden. In einem nächsten Schritt wird der Zahn bearbeitet beziehungsweise gebohrt. Danach erfolgt ein abermaliges Scannen des nunmehr bearbeiteten beziehungsweise gebohrten Zahnes sowie ebenfalls ein Ab­ speichern der das Oberflächenprofil des bearbeiteten Zahnes ergebenden Werte. Aus der sich ergebenden Differenz beider Oberflächenprofile beziehungsweise der die Oberflächenprofile aufspannenden Werte ergibt sich die Oberfläche beziehungs­ weise ergeben sich die genauen Maße des benötigten Inlays für eine optimale Ok­ klusion des behandelten Zahnes.

Hinsichtlich einer besonders hohen Präzision bei der Bearbeitung des Inlays ist es von ganz besonderem Vorteil, wenn das zu fertigende Inlay nach einer ersten Bear­ beitung gescannt wird und wenn die weitere Bearbeitung unter Hinzuziehung der an­ hand eines Soll/Ist-Vergleichs gewonnenen Korrekturwerte erfolgt. Insoweit ist eine Korrektur zur Verifizierung der Inlayform möglich, so daß bei Wiederholung dieses Vorgangs eine hohe Präzision der Fertigung des Inlays und somit eine optimale Ok­ klusion möglich ist. Durch die voranstehende Maßnahme lassen sich obendrein ge­ räte- beziehungsweise werkzeugbedingte Ungenauigkeiten, beispielsweise aufgrund von Abnutzungserscheinungen am Werkzeug berücksichtigen, so daß auch bei einer Dynamik in der Bearbeitungsstation eine optimale Anpassung des Inlays und somit eine optimale Okklusion möglich ist.

Des weiteren ist es möglich, daß - in einem weiteren Schritt - die im Zahn angelegte Bohrung mit einer plastischen Masse gefüllt wird, wobei durch Draufbeißen des Pa­ tienten die Berührungspunkte mit den gegenüberliegenden Zähnen in der plastischen Masse markiert werden. Das sich dabei ergebende Oberflächenprofil wird anschlie­ ßend abgescannt, die erhaltenen Meßwerte betreffend das Oberflächenprofil werden gespeichert und bei der Berechnung der Oberfläche beziehungsweise der Maße des zu bearbeitenden Inlays berücksichtigt.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nach­ folgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeich­ nung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltun­ gen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer An­ wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen Verfahrens in Dunkelfeldanordnung.

Die Figuren zeigen in schematischer Darstellung das Prinzip eines Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenvermessung mittels Kon­ fokalmikroskopie, wobei hier im konkreten das Oberflächenprofil 1 eines schematisch angedeuteten Zahnes 2 vermessen wird.

Erfindungsgemäß ist eine konfokale Abbildung mit hoher Dynamik, d. h. mit hoher re­ lativer Empfindlichkeit zur Abbildung einerseits spekularer Reflexe und andererseits schwachen Streulichts 3 der jeweiligen Brennebene vorgesehen. Die Digitalisierung der Detektionssignale erfolgt mit hoher Auflösung bei einer Dynamik größer als 8 bit.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 trifft das von einer Lichtquelle 4 ausgesandte Licht beziehungsweise der Lichtstrahl 5 auf einen Strahlteiler 6 und wird von dort durch ein Objektiv 7 auf die Oberfläche beziehungsweise das Oberflächenprofil 1 des Zahnes 2 gerichtet. Bei der hier gewählten Darstellung liegt die Brennebene 8 an einer derart steilen Flanke, daß das gerichtete Reflexionslicht 9 das Objektiv 7 nicht mehr trifft.

Dies ist darauf zurückzuführen, daß der hier vorliegende Winkel der Flanken größer ist als der Aperturwinkel des Objektivs 7.

Fig. 1 läßt des weiteren erkennen, daß von dem Brennpunkt 10 aus ungerichtetes diffuses Streulicht 3 zum Objektiv 7 beziehungsweise durch das Objektiv 7 hindurch, durch den Strahlteiler 6 hindurch zum Detektor 11 gelangt. Der Einfachheit halber ist auf die Darstellung etwa vorgeschalteter Bauteile wie Pinholes beziehungsweise Blenden oder dergleichen verzichtet worden. Jedenfalls werden die vom Detektor 11 erfaßten Meßwerte mit hoher Auflösung digitalisiert und anschließend einer Höhen­ auswertung zur Gewinnung des Oberflächenprofils 1 zugeführt. Die Digitalisierung sowie Höhenauswertung kann in unabhängigen Funktionsgruppen 12, 13 bezie­ hungsweise in einem Computer 14 erfolgen.

Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gewählten Darstellung handelt es sich bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel um die Anwendung der Konfokalmikroskopie bei Dunkelfeldanordnung. Von der Punktlichtquelle 15 gelangt der Lichtstrahl 16 über einen Reflektor 17 durch das Objektiv 7 hindurch auf die Oberfläche des Zahns 2, wobei der Lichtstrahl 16 auf eine derart geneigte Fläche trifft, daß der Reflexions­ strahl 18 nicht wieder das Objektiv 7 trifft. Ansonsten wird zur Vermeidung von Wie­ derholungen auf die Fig. 1 betreffende Beschreibung verwiesen.

Schließlich sei darauf hingewiesen, daß für das erfindungsgemäße Verfahren die Nutzung schwachen Streulichts oder Fluoreszenzlichts zur konfokalen Abbildung er­ forderlich ist. Dazu ist eine hohe Empfindlichkeit beziehungsweise Dynamik zur Aus­ wertung des Streulichts und somit zur Profilometrie zumindest unter Hinzuziehung des Streulichts bei steilen Flanken möglich.

Claims (11)

1. Verfahren zur Oberflächenvermessung mittels Konfokalmikroskopie im Refle­ xionsverfahren, insbesondere zur Vermessung des Oberflächenprofils (1) von Zäh­ nen (2), gekennzeichnet durch eine konfokale Abbildung mit hoher Dynamik (relative Empfindlichkeit) zur Abbildung einerseits spekularer Reflexe und anderer­ seits schwachen Streulichts (3) oder Fluoreszenzlichts der jeweiligen Brennebene (8).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Digitalisierung der Detektionssignale mit hoher Auflösung bei einer Dynamik wesentlich größer als 8 bit (1 : 256) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dynamik bei 16 bit liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenauswertung mittels eines die hohe Dynamik berücksichtigenden Algorith­ mus erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Algorithmus interpolierend nächste beziehungsweise unmittelbare Nachbarebenen berücksichtigt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Algorithmus hö­ here Intensitäten in einem lokalen Bereich relativ übergewichtet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Scannen der Oberfläche in Dunkelfeldanordnung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine Punktlichtquelle (15) oder eine Lichtquelle mit entsprechender Ausblendung vorge­ sehen ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Anwendung in der Zahnheil­ kunde, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Oberfläche des unbearbeiteten Zahnes und danach die Oberfläche des bearbeiteten beziehungsweise gebohrten Zahnes abgescannt und jeweils gespeichert wird und daß aus der sich ergebenden Differenz die Oberfläche beziehungsweise die genauen Maße des benötigten Inlays berechnet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt die Bohrung im Zahn mit einer plastischen Masse gefüllt wird, wobei durch Draufbeißen die Berührungspunkte mit den gegenüberliegenden Zähnen (2) mar­ kiert werden, und daß das sich dabei ergebende Oberflächenprofil (1) abgescannt, abgespeichert und bei der Berechnung der Oberfläche beziehungsweise Maße des Inlays berücksichtigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zu fer­ tigende Inlay nach einer ersten Bearbeitung gescannt wird und daß die weitere Bear­ beitung unter Hinzuziehung der anhand eines Soll/Ist-Vergleichs gewonnenen Kor­ rekturwerte erfolgt.