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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abschirmung für Instrumente
zum Messen optischer Charakteristika – z. B. Farbe, Lichtdurchlässigkeit
und/oder Glanz – von
Objekten, und insbesondere für
solche Instrumente, die bei dentalen Anwendungen verwendet werden.
Eine Abschirmung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 ist in WO-A-97/25913 beschrieben.
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Die
Bestimmung von Schattierung oder Farbe eines Objektes ist ein Vorgang,
der auf dem Gebiet der Zahnheilkunde häufig durchgeführt wird.
Um Zahnwiederherstellungen eines beschädigten Zahnes durchzuführen, vergleicht
ein Zahnarzt visuell die Farbe des zu ersetzenden Zahnes mit einer
Sammlung von Farbmustern. Diese Farbmuster sind physische Muster,
die die Farbe von kommerziell erhältlichem Wiederherstellungsmaterial
wie z. B. Keramiken wiedergeben. Diese Muster umfassen die genaue
Spezifikation von Materialien, die zum Herstellen eines wiederhergestellten
Zahnes mit der Schattierung des ursprünglichen Zahnes, wie sie durch
den visuellen Vergleich des Zahnarztes ermittelt wurde, benötigt wird.
Wenn der Zahnarzt ein Farbmuster ermittelt hat, das mit der Farbe
des Zahnes oder in einigen Fällen
mit der Farbe verbliebener benachbarter Zähne übereinstimmt, ist er in der
Lage, die benötigte
Wiederherstellung anzufertigen. Dieser Vorgang ist jedoch sehr zeitaufwendig
und sehr subjektiv und führt
häufig
zu Zahnwiederherstellungen mit unpassender Schattierung.
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Auf
dem Gebiet der Zahnheilkunde werden häufig intraorale Kameras verwendet,
um Bilder von Zähnen
zu gewinnen und um Behandlungspläne
für Zahnlöcher und
andere mechanische Rekonstruktionen festzulegen. Diese Kameras sind
so gestaltet, daß sie
beweglich und in der Lage sind, Messungen an engen Stellen durchzuführen, die
häufig
im Mund vorgefunden werden, jedoch bewahren sie nicht die Farbtreue – d. h. sie
nehmen nicht die richtige Farbe auf – des zu vermessenden Objektes.
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Einige
Zahnärzte
versuchen, intraorale Kameras zur Unterstützung bei dem Vorgang der Bestimmung der
Schattierung zu verwenden. Leider weisen übliche intraorale Kameras zwei
Nachteile auf: eine Abstandsempfindlichkeit aufgrund der Beleuchtungsgeometrie
und einen Farbunterscheidungsfehler aufgrund von Sensorbeschränkungen.
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Im
Hinblick auf das erste Problem verwenden interorale Kameras üblicherweise
eine faseroptische Beleuchtung, um die Größe des Handgriffes zu verringern.
Eine derartige Einrichtung ist in US-Re. 36.434 von Hamlin et al.,
wiedererteilt am 7. Dezember 1999, beschrieben. Das Ziel von Hamlin
und den meisten interoralen Kameras ist es, an einem Handgriff eine
kleine Meßspitze
bereitzustellen, die zum gründlichen
Untersuchen verwendet werden kann, um Bereiche im Mund zu erreichen.
Obgleich eine faseroptische Beleuchtung zum Bereitstellen hoher
Beleuchtungsgrade sinnvoll und mit kleinen Meßsondenspitzen vereinbar ist,
besteht ein Nachteil jeder kleinen Lichtquelle, die einen größeren Bereich
beleuchtet darin, daß der
Projektionsstrahl aus divergentem Licht sein muß. Die Intensität eines
divergenten Strahls ist gegeben durch das untenstehende fotometrische
Entfernungsgesetz:
wobei
I die Intensität,
D der Abstand von der Lichtquelle und ΔD eine Zunahme des Abstandes
D von der Lichtquelle ist. Gleichung 1 ist in
1 veranschaulicht,
in der eine faseroptische Quelle
115 einen Lichtstrahl
112 bei
Abständen
D und D plus ΔD
projiziert. Dabei ist die Intensität von Strahl
112 bei
Abstand D gemäß der Gleichung
1 bei Abstand D von der Lichtquelle
115 größter als
bei Abstand D plus ΔD.
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Es
ist bekannt, daß dann,
wenn die Abstandsänderung
zu der Lichtquelle in Bezug auf den Abstand zu der Quelle erheblich
ist, sich die Lichtintensität
erheblich ändert,
und eine sogenannte ungleichmäßige Beleuchtung
entsteht. Insbesondere bei Objekten, die in der Nähe der Faseroptiken
angeordnet sind, sind bestimmte Bereiche der Objekte ungleichmäßig beleuchtet, da
das Licht von der Lichtquelle rasch streut, wenn es sich von der
Quelle fortbewegt. Darüber
hinaus kann das Objekt in unterschiedlichen Bereichen ungleichmäßig beleuchtet
sein, wenn mehrere Lichtquellen zum Beleuchten eines Objektes verwendet
werden.
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Ein
Beispiel einer ungleichmäßigen Beleuchtung
der Oberfläche
eines Objektes wird verständlich
bei weiterer Bezugnahme auf 1. Wie es
dort gezeigt ist, wird eine gekrümmte
Oberfläche
eines Zahnes T, der für
Beschreibungszwecke leicht vergrößert dargestellt
ist, im Strahl 112, der von der Lichtquelle 115 projiziert wird,
beleuchtet. Ein Bereich 113 des Zahnes befindet sich bei
Abstand D von der Lichtquelle 115, und ein Bereich 114 befindet
sich bei Abstand D plus ΔD
von der Lichtquelle 115. Wie oben beschrieben, ist die
Lichtintensität
bei Abstand D größer als
bei Abstand D plus ΔD.
Demgemäß werden
die Bereiche 113 und 114 nicht mit der gleichen
Lichtintensität
beleuchtet, d. h. die Beleuchtung ist ungleichmäßig. Von dem Zahn T reflektiertes
Licht messende Sensoren sammeln inkonsistente Farbinformationen
von diesen Bereichen.
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Ein
Beispiel einer ungleichmäßigen Beleuchtung
von Bereichen eines Objekts bei einer Mehrzahl von faseroptischen
Lichtquellen ist in 2 dargestellt. Beispielhafte
faseroptische Lichtquellen 120 und 122 projizieren
Lichtstrahlen 130 und 140 zum Beleuchten des Zahnes
T. Diese Lichtstrahlen werden von dem Zahn reflektiert und von einem
der Einfachheit halber nicht gezeigten Bildsensor gesammelt. Der
Zahnbereich 122 wird, wie es zu sehen ist, hauptsächlich von
dem Lichtstrahl 140 beleuchtet, während Bereich 124 von
einer Kombination der Lichtstrahlen 130 und 140 beleuchtet
wird. Natürlich
ist diese Beleuchtung dreidimensional, auch wenn sie lediglich in
zwei Dimensionen dargestellt ist. Ferner wird der Zahn, wenn mehr
faseroptische Lichtquellen hinzugefügt werden, in noch mehr Bereiche
mit unterschiedlicher Beleuchtungsüberlappung unterteilt. Ausgehend
von dieser ungleichmäßigen Beleuchtung
sammelt ein Farbsensor, der das von dem Zahn reflektierte Licht
mißt,
von Bereich zu Bereich stets inkonsistente Farbinformationen. Was
beispielsweise als "hellere
Schattierung" im Bereich 122 gemessen
wird, kann aufgrund der ungleichmäßigen Beleuchtung als "dunklere Schattierung" in Bereich 124 gemessen
werden.
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Bei
einer ungleichmäßigen Beleuchtung
sind übliche
interorale Kameras kritisch von der Anordnung der Lichtquelle abhängig, welche
bei einer praktischen Anwendung nicht beibehalten werden kann. Dies
führt zu
erheblichen Fehlern, welche die Bestimmung der Zahnfarbe beeinflussen.
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Es
wurden andere, insbesondere für
die Bestimmung der Zahnfarbe ausgelegte Einrichtungen vorgeschlagen,
die eine bidirektionale faseroptische Beleuchtung verwenden. Ein
solches Verfahren ist im US-Patent 6,038,024 von Berner, erteilt
am 14. März
2000, beschrieben. Eine Einschränkung
dieses Beleuchtungsverfahrens ist, daß die Beleuchtungsintensität bei der Überschneidung
der zwei projizierten Strahlen maximal ist. Oftmals werden erhebliche
Abschnitte der vermessenen Bereiche von keinem der beiden Strahlen
beleuchtet und weisen daher einen geringeren und unvorhersehbaren
Beleuchtungswert auf.
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Die
ungleichmäßige Beleuchtung
von Berner ist in 3 gezeigt. Ein Lichtwellenleiterbündel 150 wird an
einem Ende mit Licht beschickt. Vor der Sondenspitze gabelt sich
das Bündel
oder wird in zwei Bündel 152 und 154 geteilt.
Die Bündel
werden mechanisch in einer festen Winkeligkeit auf den Zielzahn
T gerichtet. In den Lichtweg zwischen dem Lichtwellenleiterbündel und
dem Ziel T werden oftmals Kollimatorlinsen 156, 158 eingebracht,
um die Abstandsempfindlichkeit der Lichtintensität zu vermindern. Jedes Bündel erzeugt
einen Lichtstrahl 162 und 164, welche von zwei
Richtungen mit Kollimatorlinsen 156, 158 auf den
Zahn T projiziert werden. Wie zu sehen ist, überschneiden sich die Strahlen 162 und 164 auf
dem Zahn T und führen
dazu, daß die
Intensität
im Bereich 169 größer ist
als die Intensität
im Bereich 167 und 171, da diese Bereiche 167 und 171 sowie
weitere periphäre
Bereiche einzeln von den Lichtstrahlen 164 und 162 beleuchtet
werden. Die von dem Zahn T reflektierten Strahlen sind zur Vereinfachung
nicht gezeigt.
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Bei
dieser ungleichmäßigen Beleuchtung
sammelt ein das von dem Zahn reflektierte Licht messender Farbsensor
von Bereich zu Bereich stets inkonsistente Farbwertinformationen.
Was beispielsweise als "hellere Schattierung" im Bereich 167 gemessen
wird, kann aufgrund der ungleichmäßigen Beleuchtung als "dunklere Schattierung" im Bereich 169 gemessen
werden. Darüber
hinaus ist bei mehreren Lichtquellenwegen ein Glanzartifaktpotenzial
erhöht.
Wo Blendartifakte (glare artifacts) bestehen, ist die Farbe des
Zieles eher von dem Bild der Lichtquelle selber als von dem gewünschten
Zahnsubjekt verwaschen.
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Neben
der ungleichmäßigen Beleuchtung
verwenden heutige interorale Kameras Farbfiltermatrix(CFA)-Bildsensoren,
die häufig
zu einer ungenauen Farbmessung beitragen, da die Filtermatrix auf
das Bild angewendet wird. Viele interorale Kameras umfassen Farbfiltermatrixen
wie beispielsweise Rot-, Grün, Blau(RGB)-Matrixen
und Cyan-, Magenta-, Gelb-, Grün(CMYG)-Matrixen, um ein
paar zu nennen. Üblicherweise
sind diese Farbfiltermatrixen aus einer Mehrzahl von benachbarten "Pixeln" genannten Elementen
(d. h. Bildelementen) gebildet. Jedes Pixel mißt lediglich die Lichtbandbreite,
für deren
Erfassung es ausgelegt ist. Daher wird in einem Bereich eines Bildes,
der einem Pixel entspricht, lediglich die für dieses Pixel spezifische Lichtbandbreite
angezeigt, auch wenn das zu vermessende Objekt in diesem Bereich
andere Farben umfassen mag.
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Der
Betrieb von und Probleme mit Farbfiltermatrixen sind einfacher unter
Bezugnahme auf eine bestimmte Matrix zu verstehen. In 4 sind
einige wenige Pixel eines CFA-RGB-Sensors als R, B, G dargestellt. Diese
R-, G- und B-Pixel erfassen, fangen oder messen roten, grünen bzw.
blauen Wellenlängen
entsprechendes Licht, das auf den Sensor trifft. Der RGB-Sensor
konvertiert diese erfaßten
Wellenlängen
in elektronische Daten und leitet diese Daten zur Darstellung eines
Farbbildes des Zahnes auf einem Monitor an einen Prozessor weiter.
Obgleich RGB-Sensoren ein Mittel zum Erfassen von Farbdaten eines
Zahnes darstellen, stellen diese Daten oftmals keine genaue Darstellung
der wirklichen Farbe oder Farbverteilung des Zahnes dar.
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CFAs
messen die Farbe hauptsächlich
aufgrund von zwei Faktoren nicht genau: Pixelbeabstandung und schlechte
Farbtreue. Der Pixelbeabstandungs-Faktor kann unter Bezugnahme auf
den RGB-Sensor in 4 verstanden werden. Jedes einzelne
R-, G- und B-Pixel
in der RGB-Matrix 100 erfaßt lediglich eine von einem
Punkt auf dem Zahn reflektierte Lichtbandbreite, beispielsweise
nur rot, nur grün
oder nur blau. Wenn daher die Zahnabschnitte 101 und 102 beleuchtet
werden und Licht zu der RGB-Matrix reflektieren und dieses Licht
von den entsprechenden G- bzw. B-Pixeln detektiert wird, werden
lediglich grüne
Bandbreiten von dem grünen
Pixel und lediglich blaue Bandbreiten von dem B-Pixel erfaßt. Auch
wenn Abschnitt 101 in Wirklichkeit blau, grün, rot oder
gelb sein sollte oder eine beliebige andere Farbe des Spektrums
aufweist, und folglich die entsprechenden Bandbreiten reflektiert,
wird lediglich die grüne
Bandbreite, wenn überhaupt,
von dem Pixel G in dem Abschnitt 101 detektiert. Entsprechend
kann Abschnitt 102 grün
sein oder eine beliebige andere Farbe aufweisen, jedoch werden diese
Farben von dem B-Pixel nicht detektiert, da blau die einzige Bandbreite
ist, die dieses erfassen kann.
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Demgemäß erfassen
RGB-Sensoren lediglich eine Bandbreite für jeden Punkt auf dem Zahn,
auch wenn dieser Punkt mehrere Bandbreiten reflektieren sollte.
Daraus folgt, daß sämtliche
Meßdaten
für diesen Punkt
lediglich Daten umfassen, die selektiv von dem diesem Punkt zugeordneten
R-, G-, oder B-Pixel erfaßt wurden.
Ferner reflektieren Prothesen, die nach diesen, mit einem RGB-Sensor
erfaßten
Meßdaten
hergestellt werden, die wahre Farbe eines jeden Punktes des Zahnes
nicht genau. Dieses Phänomen
gilt für
sämtliche CFA-Sensoren.
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Der
zweite, die Farbmessung beeinflussende Faktor ist die schlechte
Farbtreue von CFAs. Der Massenmarkt für Farbsensoren, insbesondere
für CFAs,
betrifft Konsumelektronik und Videoanwendungen. Das Ziel derartiger
Einrichtungen ist es, eine gute Bildauflösung, eine hohe Bilderfassungsgeschwindigkeit
und eine angemessene Farbtreue bereitzustellen, wie es für Rundfunk-
und persönliche
Bildanwendungen benötigt wird.
CFAs sind so gestaltet, daß deren
Herstellung günstig
ist, sie eine direkte Erfassung von RGB-Daten bereitstellen und
eine angemessene Leistung bei geringem Licht liefern. Diese Gestaltungsziele
werden auf Kosten der Farbtreue erreicht. Genauer gesagt, heutige
RGB-CFAs erfassen ausgewählte
Wellenlängen
von auf diesen auftreffendem Licht, jedoch erfassen sie bei diesem
Vorgang nebenher auch ungewollte Wellenlängen. Z. B. ist ein Blaupixel
einer RGB-Matrix mit einem Polymer beschichtet, das so angelegt
ist, daß es
(a) lediglich Licht von blauen Bandbreiten durch den Polymer durchtreten
läßt – und wie
ein Filter fungiert – und
von diesem Pixel gemessen wird und (b) alle übrigen Wellenlängen abschwächt, d.h.
diese daran hindert, von diesem Pixel gemessen zu werden. Übliche CFA-Filter
schwächen
ungewollte Wellenlängen
lediglich um 1/10 des Wertes der maximalen Durchlässigkeit
des Filters. Dieser Mangel an Unterdrückung von Licht außerhalb
der interessierenden Wellenlängen
vermindert die Farbtreue auf ein für eine genaue Farbmessung nicht
akzeptables Ausmaß.
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Aufgrund
von durch Pixelbeabstandung und eine schlechte Farbtreue verursachte
Signalerkennungsprobleme sind Sensoren vom CFA-Typ für eine befriedigende
Bestimmung der Zahnfarbe nicht genau genug.
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Gegenwärtig umfassen
die meisten interoralen Kameras eine Hülle zum Abdecken des Beleuchtungsabschnittes
und/oder des Bildsensors. Übliche
Hüllen
sind Einwegartikel, so daß sie
ersetzt werden können, wenn
sie versehentlich oder absichtlich in Kontakt mit einem Mund eines
Patienten geraten. Durch ein Ersetzen einer Hülle zwischen Messungen bei
verschiedenen Patienten kann ein Zahnarzt eine Ausbreitung von Verunreinigungssubstanzen
wie beispielsweise infektiösen
Wirkstoffen von einem ersten Patienten auf einen nachfolgenden Patienten
verhindern. Obwohl diese schützenden
Hüllen
eine Ausbreitung von Verunreinigungssubstanzen verhindern, ist ihre
Funktionalität
ausschließlich
auf diesen sanitären
Zweck begrenzt.
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Übliche interorale
Kameras umfassen ferner eine handgeführte Sonde, die ein Zahnarzt
in einen Mund eines Patienten einführt und mit dieser Farbbilder
aufnimmt. Über
ein Kabel überträgt die Sonde
erfaßte
Farbmessungen an einen Computer, der anschließend diese Messungen zum Erzeugen
von Bildern und zum Darstellen dieser Bilder auf einem Monitor zur
Ansicht durch den Zahnarzt bearbeitet. Der Nachteil beim Erfassen von
Bildern eines Zahnes mit diesen üblichen
Sonden besteht darin, daß der
Zahnarzt von der Sonde zu dem Monitor hin- und herschauen muß, um sicherzustellen,
daß die
Sonde zum Erhalten des gewünschten
Bildes auf dem Monitor über
dem Zahn angeordnet ist. Dies kann natürlich eine ungewollte Frustration
beim Ausrichten der Sonde zum Erfassen von Messungen des Zahnes
verursachen.
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In
vielen Fällen
geraten interorale Kameras oder Teile davon absichtlich oder versehentlich
in Kontakt mit einem interoralen Hohlraum eines Patienten, wodurch
Verunreinigungssubstanzen einschließlich infektiöser Stoffe,
Speichel und/oder Nahrungsreste auf die Einrichtung übertragen
werden. Zusätzlich
zur Verwendung sanitärer
Hüllen
wie dies oben beschrieben ist, säubern
oder sterilisieren die Betreiber bekannter interoraler Kameras die
Kameras häufig.
Dies ist oft eine ermüdende
Aufgabe, da die Kameras eine Vielzahl von Knöpfen, die schwierig zu säubern sind,
und/oder Lichtwellenleiterbündel
umfassen, die nahezu unmöglich
zu sterilisieren sind, ohne die optischen Charakteristika der Fasern
zu beschädigen,
da Sterilisierungsmittel in die Lichtwellenleiter eintreten und
die Beleuchtungs- oder Meßfähigkeiten
vermindern. Folglich müssen
Benutzer bekannter Kameras beim Betrieb und beim Reinigen dieser
Kameras eine zeitaufwendige Sorgfalt walten lassen.
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Üblicherweise
nimmt ein Zahnarzt eine Farbbestimmung visuell unter Verwendung
von Farbmustern vor. Eine Vorschrift, welche Wiederherstellungsort
und die Farbe beschreibt, wird zu dem Dentallabor gesendet. Dort
versucht ein Techniker, die Zahnfarbe zu kopieren, um aus verfügbaren keramischen
oder synthetischen Materialien eine Prothese anzufertigen. Sobald
die Prothese hergestellt ist, wird diese an den Zahnarzt zur Einbringung
in den Patienten zurückgesendet.
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Nachdem
die Prothese in der Nähe
des beschädigten
Zahnes und/oder benachbarter Zähne
des Patienten angeordnet ist, kann der Zahnarzt bestimmen, ob die
Prothese eine annehmbare Nach bildung des beschädigten Zahnes ist. Natürlich muß der Zahnarzt
eine zweite Prothese zur Verfügung
haben, die von einem Labor unter Verwendung seiner vorgeschlagenen
Veränderungen
angefertigt wurde, wenn die Prothese nicht genau paßt. Es kann
sogar eine zweite Farbbestimmung des Zahnes notwendig sein. Auch
die zweite Prothese muß von
dem Zahnarzt mit dem beschädigten
Zahn verglichen werden, um eine angemessene Übereinstimmung sicherzustellen.
Dieser Vorgang ist sehr kostenintensiv, wenn eine Mehrzahl von Prothesen
hergestellt werden muß,
um eine befriedigende Übereinstimmung
zu erzielen. Darüber
hinaus benötigt
dieser Vorgang die Zeit der Patienten, die für wiederholte Besuche erscheinen
müssen,
bevor eine passende Prothese hergestellt ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt
das optische Meßinstrument
eine multifunktionale sanitäre Abschirmung.
Neben einem Verhindern einer Kontamination durch ein Verbreiten
von einem Patienten zu dem nächsten,
weisen diese Abschirmungen eine vorgegebene Länge auf, um einen optimalen
Abstand zwischen (a) der Lichtquelle und/oder (b) dem Bildsensor
und dem zu vermessenden Objekt zu erreichen. Die Abschirmung umfaßt ferner
einen Referenzstreifen, vorzugsweise hellgrau, welcher in Bildern
enthalten ist, die von dem optischen Meßinstrument aufgenommen werden.
Der diesem Referenzstreifen zugeordnete Meßwert bei den erfaßten Bildern
wird während
der Messung mit Werten verglichen, die während der Instrumentenkalibrierung
erhalten wurden. Dieser Vergleich stellt ein Verfahren nicht nur
zum Bestimmen der Intensitätsschwankung
der Lampe – und
der Beleuchtung im allgemeinen –,
sondern auch ein Verfahren zum Bestimmen von Änderungen der Farbtemperatur
der Lampe bereit. Diese beiden Werte werden verwendet, um genaue
Farbmeßdaten
von dem abgebildeten Zahn zu erhalten. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Einwegabschirmung ferner aus einem undurchsichtigen Material
gefertigt, das verhindert, daß Umgebungslicht
in die Abschirmung eintritt und die von dem optischen Meßinstrument
durchgeführten
Messungen beeinflußt.
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Bei
einem anderen Aspekt der Erfindung ist das optische Meßinstrument
so gestaltet, daß ein
Benutzer des Instrumentes ein Bild eines Objektes auf einer Anzeige,
vorzugsweise einer Flüssigkristallanzeige (LCD),
entlang einer Sichtlinie betrachten kann, die der Sichtlinie entspricht,
entlang welcher ein Bildsensor des Instrumentes ein Bild des Objektes
aufnimmt. Folglich betrachtet der Benutzer das Objekt mit der gleichen Perspektive,
mit welcher der Bildsensor das Bild des Objektes aufnimmt. Bei dieser
Betrachtung entlang der "Sichtlinie" kann der Benutzer
den Bildsensor des optischen Meßinstrumentes
so ausrichten, daß er
genau das Bild aufnimmt, welches sie wünscht, und zwar einfach durch
Schauen auf den LCD. Sie braucht nicht auf das Objekt zu schauen,
welches sie zu vermessen wünscht,
und dann ihren Kopf zum Betrachten eines gesonderten Monitors zu
drehen, um zu bestätigen,
daß das,
was sie von dem Sensor erwartet aufzunehmen, das ist, was wirklich
auf genommen wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Seitenansicht der Intensität
von Licht, welches von einer faseroptischen Lichtquelle gemäß dem Stand
der Technik projiziert wird;
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2 zeigt
eine Seitenansicht einer ungleichmäßigen Beleuchtung von einer
faseroptischen Lichtquelle gemäß dem Stand
der Technik;
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3 zeigt
eine Seitenansicht einer ungleichmäßigen Beleuchtung von einer
gegabelten faseroptischen Lichtquelle gemäß dem Stand der Technik;
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines RGB-Sensors einer bekannten interoralen
Kamera, welche Farbdaten von einem Zahn erfaßt;
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5 zeigt
eine Seitenansicht einer allgemeinen Searchlight-Leuchtvorrichtung;
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6 zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht eines optischen Meßinstrumentes;
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7 zeigt
eine Seitenansicht eines Bereiches mit einer konstanten Bestrahlung;
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8 zeigt
eine Seitenansicht eines geänderten
Bereiches von konstanter Bestrahlung, verwendet bei der Searchlight-Beleuchtung;
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9 zeigt
einen Graphen, welcher eine Beleuchtungsintensität von verschiedenen Lichtquellen
vergleicht, wenn ein relativer Abstand zu einem Objekt verändert wird;
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10 zeigt
eine Schnittansicht von einer Leuchtvorrichtung;
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11 zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht eines Abbildungssubsystems;
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12 zeigt
ein Ablaufschema eines Ausrichtungsvorganges des Abbildungssubsystems;
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13 zeigt
eine Endansicht einer sanitären
Abschirmung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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14 zeigt
eine Seitenansicht der sanitären
Abschirmung bei Verwendung;
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15 zeigte
eine Seitenansicht eines Sichtlinien-Merkmals des optischen Meßinstrumentes;
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16 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Sichtlinien-Merkmals;
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17 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines abgedichteten Fensters des optischen
Meßinstrumentes;
und
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18 zeigt
eine perspektivische Ansicht des optischen Meßinstrumentes in einer Docking-Station.
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Detaillierte Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Das
optische Meßinstrument 10 wird
nun unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Das optische Meßinstrument 10 umfaßt allgemein
ein Gehäuse 12,
eine Anzeige 18, einen Prozessor 20, ein Abbildungssubsystem 50,
eine Leuchtvorrichtung 80, eine Stromquelle 90 und
eine sanitäre
Abschirmung 300. Das Gehäuse 12 umfaßt Teile 12a und 12b,
um einen einfachen Zusammenbau und einen einfachen Zugriff auf die intern
befindlichen Komponenten zu ermöglichen.
Die Teile des Gehäuses
sitzen ineinander und dichten miteinander ab, um ein Gehäuse zu bilden,
das eine Kontamination sensitiver interner Komponenten durch Staub und
Chemikalien verhindert. Das Gehäuse 12 kann
aus einem be liebigen Material hergestellt sein, jedoch ist ein leichtes,
einfach zu säuberndes,
synthetisches Material wie beispielsweise Kunststoff für eine handgeführte Verwendung
und Stoßfestigkeit
bevorzugt.
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Die
Anzeige 18 und der Prozessor 20 können separat
oder, wie dargestellt, als eine Einheit integriert sein. Die Anzeige 18 ist
vorzugsweise eine Flüssigkristallanzeige
(LCD). Das LCD weist vorzugsweise eine Touch-Screen-Schnittstelle
auf, um eine Bildsteuerung, Datenanzeige und ein Ziel-Feedback durch
einen Videobildsucher zur Verfügung
zu stellen. Es ist ersichtlich, daß beliebige andere Anzeigebildschirme
verwendet werden können.
Wahlweise kann das optische Meßinstrument über ein
(nicht gezeigtes) Kabel an einen Monitor oder eine (nicht gezeigte)
Anzeige angeschlossen sein, die zum Anzeigen von von dem Instrument
aufgenommenen Bildern von dem Instrument entfernt ist.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
steht der Prozessor 20 in einer elektrischen Verbindung
mit der Anzeige 18, der Beleuchtungsanordnung 80 und
dem Abbildungssubsystem 50. Dieser Prozessor ist in der
Lage, digitalisierte Daten, die von dem Abbildungssubsystem 50 erfaßt wurden,
zu bearbeiten und diese so zu formatieren, daß ein Bild dieser digitalisierten
Daten auf dem Anzeigebildschirm 18 ausgegeben wird. Der
Prozessor formatiert vorzugsweise digitalisierte Messungen wie beispielsweise
Normalfarbwertbandbreiten, die von dem Bildsensor 56 erfaßt wurden,
um ein Bild des vermessenen Objektes auf der Anzeige 18 anzuzeigen.
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Der
Prozessor 20 umfaßt
einen Port 22 zum Anschließen des Instruments 10 an
eine Docking-Station, wie sie detaillierter weiter unten beschrieben
ist, um Bilder und/oder Daten, die von dem optischen Meßinstrument
erfaßt
worden sind, auf einen Computer zu laden, der für weitere Analysen mit der
Docking-Station
verbunden ist. Der Port 22 steht ferner in (nicht gezeigter)
elektronischer Verbindung mit der Stromquelle 90, so daß die Stromquelle
wieder aufgeladen werden kann, wenn das Instrument 10 sich
in seiner Docking-Station befindet.
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Die
Leuchtvorrichtung 80 ist vorzugsweise in dem Gehäuse 12 in
einer festen Relation zu dem Abbildungssubsystem 50 befestigt.
Dies wird erreicht über
Anschlüsse 82,
die von beliebiger Konfiguration sein können, zum Halten der zwei Anordnungen
in einer festen Beziehung zueinander. Die feste Beziehung ist vorzugsweise
so konfiguriert, daß die
Leuchtvorrichtung 80 ein Objekt, wie beispielsweise einen
Zahn, mit Licht in einem ausgewählten
Winkel beleuchtet und das von dem Zahn reflektierte Licht von dem
Abbildungssubsystem 50 in einem ausgewählten Winkel erfaßt wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
beleuchtet die Leuchtvorrichtung ein Objekt in einem Winkel von
18 Grad von der Normalen und das Abbildungssubsystem 50 sammelt
von dem Objekt reflektiertes Licht bei einer Orientierung in einer
Normalen zu der Oberfläche
des Objekts. Diese Konfiguration hilft dabei Blendartifakte zu vermindern.
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Natürlich können die
Leuchtvorrichtung 80 und das Abbildungssubsystem 50 in
Abhängigkeit
von der gewünschten
Anwendung in einer beliebigen Winkelkonfiguration ausgerichtet sein.
Beispielsweise können sowohl
die Beleuchtung als auch die Bilderfassung in einer Normalen zu
dem Zahn erfolgen. Es ist ersichtlich, daß die Beziehung zwischen der
Leuchtvorrichtung 80 und dem Abbildungssubsystem 50 so
gestaltet sein kann, daß bei
einer Kombination mit einem bekannten Strahlungsteiler sowohl Beleuchtung
als auch Erfassung von von einem Objekt reflektierten Licht in einer
Normalen zu der Objektoberfläche
erfolgen können.
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Es
ist ersichtlich, daß andere übliche Leuchtvorrichtungen
in das optische Meßsystem
eingesetzt werden können,
wenn dies die Anwendung erfordert. Die Vorrichtungen können ferner
Polarisatoren umfassen, die den Effekt von Spiegelglanz bei dem
erfaßten
Bild begrenzen.
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Searchlight-Beleuchtung
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Das
optische Meßinstrument
verwendet eine Searchlight-Beleuchtung,
um Objekte bei Messungen von optischen Charakteristika zu beleuchten.
Wie hierin verwendet, bedeutet "optische
Charakteristika" Charakteristika
wie beispielsweise Far be, Schattierung, Lichtdurchlässigkeit,
Glanz und/oder Form. "Searchlight-Beleuchtung" bedeutet eine Beleuchtung,
bei welcher das zu vermessende Objekt mit einer konstanten Bestrahlung
beleuchtet wird. Diese Definition ist einfacher zu verstehen unter
Bezugnahme auf die 7 und 8. Die 7 zeigt
das Phänomen
der konstanten Bestrahlung, welches von J. Scheuch in seinem Artikel Modeling
of Constant Irradiance Illumination System, Seiten 22–27, SPIE
Vol. 3428 (1998) beschrieben ist.
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Wie
beschrieben, zeigt 7 eine gebündelte gleichmäßige Lichtquelle 600.
Der Durchmesser der integrierten kugelförmigen Austrittsöffnung 620 ist
bezeichnet mit ∅S, während ∅L den Durchmesser der Bündeloptik 628, in
diesem Falle eine dünne
Linse, bezeichnet. Die effektive Brennweite der Optik ist mit f
bezeichnet. Jeder Punkt der Austrittsöffnung der integrierten Kugel 620 erzeugt
rechts von der Linse 628 einen Strahl gebündelter
Strahlen 640a und 630a. Die ursprünglichen
Lichtstrahlen 630 und 640, gebildet an der oberen
und unteren Kante der Austrittsöffnung 620,
sind gezeigt. Das schattierte Dreieck 650 rechts von der
Linse 628 stellt den Bereich oder Kegel gleichmäßiger Bestrahlung
dar. Obwohl als ein zweidimensionales Dreieck dargestellt, ist offensichtlich,
daß der
Bereich an sich ein dreidimensionaler Kegel ist. Natürlich kann
der Bereich konstanter Bestrahlung Kegel verschiedener Formen annehmen,
wenn dies gewünscht
ist, und zwar abhängig von
der Öffnung 620 und
der Linse 628. Bei jedem Punkt in diesem Bereich 650,
der normal zu der optischen Achse 645 ist, hat die Strahlung
einen konstanten Wert. Bei Punkten außerhalb des Kegels nimmt die
Strahlung ab, wenn der Abstand von dem Kegel zunimmt. Der paraxiale
Abstand von der Linse zu der Spitze des Kegels wird als kritischer
Abstand Zc bezeichnet und ist gegeben zu:
-
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Bei
jedem Punkt z entlang der optischen Achse, an dem z < zc,
kann der Durchmesser des gleichmäßigen Feldes ∅F angenähert
werden durch:
-
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Der
Bereich gleichmäßiger Strahlung
kann in der Länge
entlang der optischen Achse 745 verlängert werden, wie dies in 8 gezeigt
ist. Indem die Austrittsöffnung 720 bei
dem Brennpunkt der achromatischen Doppellinse 738 angeordnet
wird, kann der Bereich gleichmäßiger Strahlung 760 um
einen wesentlichen Abstand entlang der optischen Achse 745 verlängert werden,
wie es detaillierter weiter unten beschrieben ist.
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Der
Vorteil der Searchlight-Beleuchtung gegenüber herkömmlichen Beleuchtungstechniken
ist in dem Graphen von 9 mit dem Titel: "Lichtintensität von verschiedenen
Lichtquellen bei variierenden Abstand" gezeigt. Dieser Graph veranschaulicht
die Lichtintensität
entlang der zentralen Achse von (a) einer theoretischen punktförmigen Beleuchtung 706,
(b) einer üblichen
faseroptischen Leuchtvorrichtung 704 und (c) einer Searchlight-Quelle 702,
welche bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
verwendet wird. In dem Graphen zeigt die Y-Achse die Lichtintensität entlang
einer zentralen Achse der Lichtquellen, wobei sich diese in die
gleiche Richtung erstreckt, in die das Licht projiziert wird. Die
X-Achse stellt den relativen Abstand von dem Ziel, d.h. dem zu vermessenden
Objekt, zu jeder Quelle dar.
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Wie
gezeigt, ist die Intensität
entlang der zentralen Achse von der theoretischen Punktquelle 706 und der
faseroptischen Leuchtvorrichtung 704 sehr stark, wenn das
Ziel diesen Quellen nahe ist, aber die Intensität nimmt rasch ab, wenn der
relative Abstand von der Quelle zu dem Ziel zunimmt. Im Gegensatz
dazu bleibt die Intensität
entlang der optischen Achse bei einer Searchlight-Leuchtvorrichtung 702,
welche per Definition eine konstante Strahlung aufweist, in einem
Abstand innerhalb des Betriebsbereiches der Leuchtvorrichtung im
wesentlichen gleichmäßig, wie
es hier anhand eines Beispiels gezeigt ist, und zwar von einem relativen
Abstand von ungefähr
0,95 bis ungefähr
1,0. Bei einem Abstand von etwas mehr als 1,05 beginnt die Intensität des Searchlights
graduell abzunehmen, jedoch mit einer wesentlich geringeren Rate
als bei der theoretischen Punktlichtquelle 706 und der üblichen
faseroptischen Leuchtvorrichtung 704.
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Natürlich beginnt
auch die Intensität
der Searchlight-Beleuchtung
entlang der optischen Achse abzunehmen, wenn der Abstand der Lichtquelle
vom Ziel wesentlich erhöht
wird (nicht gezeigt auf dem Graphen). Jedoch sind zum Zwecke des
Ausführens
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung beleuchtete Ziele oder Objekte bei einem
vorgewählten
Abstand von der Searchlight-Quelle angeordnet, so daß sie im
wesentlichen innerhalb des Bereichs konstanter Strahlung sind.
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Der
Graph gemäß 9 und
zugehörige
Daten sind lediglich exemplarisch; Ziele, die bei anderen relativen
Abständen
von den Lichtquellen angeordnet sind, können von der Searchlight-Quelle
anders beleuchtet werden, als dies gezeigt ist. Darüber hinaus
kann ein Objekt, das bei relativen Abständen größer als 1 angeordnet ist, noch
als in dem Bereich konstanter Strahlung betrachtet werden, auch
wenn die Lichtintensität
bei Searchlight-Quellen entlang einer zentralen Achse bei relativen
Abständen
größer als
ungefähr "1" abnimmt. Wie hierin unter Bezugnahme
auf die vorliegende Erfindung verwendet, bedeutet "konstante Strahlung" eine Strahlung (oder
Licht), die im wesentlichen eine gleichmäßige Intensität in drei
Dimensionen aufweist, nämlich die
X- und Y-Dimension und die Z-Dimension,
welche vorzugsweise axial zu der zentralen Achse der Lichtquelle
ausgerichtet ist. Wie es hierin unter Bezugnahme auf die vorliegende
Erfindung verwendet wird, bedeutet "im wesentlichen gleichmäßig", daß das Licht
vorzugsweise um ±4%
in einer beliebigen der drei Dimensionen variiert, insbesondere
um ±2%
in einer beliebigen der drei Dimensionen und am bevorzugtesten um ±1% in einer
beliebigen der drei Dimensionen.
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Das
optische Meßinstrument
verwendet zum Beleuchten eines Objekts eine Searchlight-Beleuchtung, während die
optischen Charakteristika des Objektes vermessen werden. 5 zeigt
allgemein eine Searchlight-Leuchtvorrichtung und 10 zeigt
die Searchlight-Leuchtvorrichtung des optischen Meßinstrumentes.
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Es
wird Bezug genommen auf 5. Die Lichtstrahlen 530 und 540 werden
durch eine Austrittsöffnung 520 von
Lichtquelle 518, welche als eine integrierte Kugel dargestellt
ist, aber eine beliebige gleichmäßige diffuse
Quelle sein kann, projiziert. Die Lichtstrahlen werden auf eine
Linse 528 projiziert, die bei einem vorgewählten Abstand
M von der Lichtquelle 518 angeordnet ist. In Abhängigkeit
von der gewünschten
Größe des Bereiches
konstanter Strahlung 560 wird der Abstand M experimentell
bestimmt. Die Lichtstrahlen 530 und 540 werden
durch eine Linse 528 geleitet und bilden einen Bereich
konstanter Strahlung 560, der die Lichtstrahlen 530a und 540a umfaßt. Die
Linse kann natürlich
jede Konfiguration aufweisen, die in der Lage ist, Bereiche von
konstanter Strahlung zu bilden und muß nicht auf die gezeigte achromatische
Doppellinse beschränkt
sein.
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Die
Searchlight-Leuchtvorrichtung 80 einschließlich der
Quelle 518 und der Linse 528 ist vorzugsweise
bei einem vorgewählten
Abstand D von dem Zentrum des Objektes, für welches optische Messungen
durchzuführen
sind, angeordnet. Das Zentrum des nominalen Objektes oder Ziels
kann zwischen ungefähr
50 mm und ungefähr
100 mm von der Linse, vorzugsweise von etwa 60 mm bis etwa 70 mm
von der Linse, insbesondere von ungefähr 63 mm bis ungefähr 67 mm
von der Linse und am bevorzugtsten ungefähr 65 mm von der Linse angeordnet
werden. Der Abstand D legt einen Referenz-Abstand fest, innerhalb
welchem sämtliche Punkte
des optisch zu vermessenden Objektes in dem Bereich konstanter Strahlung 560 beleuchtet
werden. Für
Zwecke des Vornehmens optischer Vermessungen von Zähnen ist
es bevorzugt, einen erheblichen Abschnitt des Zahnes oder verbleibender
Zähne mit
dem Bereich konstanter Strahlung 560 zu beleuchten.
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Um
einen Abstand D festzulegen und sicherzustellen, daß die Punkte
des zu vermessenden Objektes innerhalb des Bereiches konstanter
Strahlung liegen, wird ein Spacer verwendet, um die Leuchtvorrichtung 80 von
dem Zahn zu beabstanden. Vorzugsweise wird eine sanitäre Abschirmung,
welche detaillierter weiter unten beschrieben ist, an dem die Leuchtvorrichtung
umfassenden optischen Meßgerät befestigt,
so daß,
wenn die Abschirmung an oder benachbart zu dem Zahn angeordnet ist,
der Abstand D festgelegt wird und der Zahn in dem Bereich konstanter
Strahlung angeordnet wird. Es ist ersichtlich, daß die Leuchtvorrichtung 80 so
angeordnet wird, daß das
Licht des Bereiches konstanter Strahlung reflektiert wird und durch
das Abbildungssubsystem des im Detail weiter unten beschriebenen
bevorzugten optischen Meßgerätes erfaßt wird.
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Unter
Bezugnahme auf 10 wird nun die Leuchtvorrichtung 80 beschrieben.
Die Leuchtvorrichtung 80 umfaßt im allgemeinen eine Lichtquelle 818,
bei welcher es sich vorzugsweise um eine Halogenlampe handelt, die
weißes
Licht emitiert. Natürlich
kann, abhängig
von der gewünschten
Anwendung, jede übliche
Lampe, Glühlampe
oder gleichmäßige und
diffuse Lichtquelle verwendet werden. Vorzugsweise ist die Lichtquelle 818 in
einem Teilgehäuse 854 umfaßt, das
von dem Hauptgehäuse 850 entfernbar
ist, so daß die
Lichtquelle 818 ersetzt oder gewartet werden kann. Ein
Fokussierungsreflektor 810 fokussiert Licht von der Lichtquelle 818 durch
eine Öffnung 820,
so daß Lichtstrahlen
auf die Linse 828 projiziert werden. Wahlweise kann die Öffnung 820 benachbart
einen strahlformenden Diffusor 816 aufweisen, der eine
gleichmäßige Lichtverteilung
bereitstellt und Lichtstrahlen homogenisiert, um eine gleichmäßige Anwendung
beim Übertragen
von Licht von der Lichtquelle 818 zu der Linse 828 bereitzustellen.
Der bevorzugte strahlformende Diffusor ist bei Physical Optics Corporation
aus Torrance, Kalifornien erhältlich.
Natürlich
kann jeder Diffusor, der die Gleichmäßigkeit des von einer Lichtquelle
zu einer Linsen übertragenden
Lichtes homogenisiert und/oder erhöht, verwendet werden.
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Lichtstrahlen
von der Lichtquelle 818 werden durch eine Öffnung 820 projiziert,
deren Größe von der gewünschten
Anwendung und einer Verteilung der Searchlight-Beleuchtung durch
die Leuchtvorrichtung 80 bestimmt ist. Die Öffnung kann
wahl weise mit einem Wärmeabsorber 814 bedeckt
sein, welcher vorzugsweise in der Form einer wärmeabsorbierenden Glasplatte
oder synthetischen Materials vorliegt. Der Wärmeabsorber 814 absorbiert überschüssige, von
der Lichtquelle 818 erzeugte Wärme. Natürlich kann dieser Wärmeabsorber 814 bei
Anwendungen fortgelassen werden, bei denen es keine Besorgnis über die
Wärmebildung
gibt.
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Die
Leuchtvorrichtung 80 umfaßt ferner einen Lichtbegrenzer 832,
der das Licht von der Öffnung 820 auf
die Linse 828 genau einstellt. Es ist ersichtlich, daß optische
Rückstreuungsmittel 852 in
dem Gehäuse 850 enthalten
sind, um eine übermäßige Rückstreuung
von Licht zu vermeiden, daß das
von der Lichtquelle 818 zu der Linse 828 übertragene
Licht irritieren kann. Natürlich
können
die Mittel 852 eingefärbt
sein, beispielsweise mit einer schwarzen oder dunklen Farbe, um
die Rückstreuung
von Licht weiter zu reduzieren.
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Das
Leuchtvorrichtungsgehäuse
hält die
Linse 828 bei einem vorgegebenen Abstand von der Lichtquelle 818,
um die von der Leuchteinrichtung 80 projizierte Searchlight-Beleuchtung
zu optimieren. Natürlich kann,
wie es oberhalb unter Bezugnahme auf 5 beschrieben
ist, der Abstand von der Linse zu der Lichtquelle verändert werden,
um die gewünschte
Searchlight-Beleuchtung
zu erhalten. Die Linse ist vorzugsweise eine achromatische Doppellinse,
aber, wie ersichtlich ist, kann jede Linse verwendet werden, die
in der Lage ist, einen Bereich konstanter Strahlung bei erheblichen
Abständen
entlang der optischen Achse der Linse zur Verfügung zu stellen.
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Es
wird Bezug genommen auf 6. Die Leuchtvorrichtung 80 ist
in einer festen Ausrichtung zu dem optischen Abbildungssubsystem 50 angeordnet,
so daß das
von dem zu vermessenden Objekt reflektierte Licht zurück auf das
Abbildungssubsystem 50 zum Erfassen und anschließenden Vermessen
von optischen Charakteristika eines Objektes reflektiert wird. Im
Betrieb verhält
sich die in 10 gezeigte Leuchtvorrichtung wie
es oben unter Bezugnahme auf die allgemeine, in 5 gezeigte
erfindungsgemäße Leuchtvorrichtung beschrieben
ist.
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Abbildungssubsystem
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Unter
Bezugnahme auf die 6 und 11 wird
nun das Abbildungssubsystem 50 beschrieben. Das Abbildungssubsystem
steht in elektrischer Verbindung mit dem Prozessor 22,
um eine Übertragung
von Daten optischer Charakteristika in digitalisierter Form, erfaßt von dem
Abbildungssubsystem 50, zu dem Prozessor 20 zu
ermöglichen.
Die elektrischen Stifte 52 können mit einem (nicht gezeigten)
Kabel verbunden sein, das diese elektrische Verbindung mit dem Prozessor 20 zur
Verfügung
stellt. Darüber
hinaus kann der Anschluß 52 mit
einem zusätzlichen
(nicht gezeigten) Kabel verbunden sein, das eine elektrische Verbindung
mit der Stromquelle 90 zur Verfügung stellt, um den Betrieb
von Motor 54 und Bildsensor 56, dargestellt in 11, zu
ermöglichen.
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Es
wird insbesondere auf 11 Bezug genommen. Das Abbildungssubsystem
umfaßt
eine in einer Abdeckung 59 befestigte Linse 58,
eine Filterradanordnung 60, welche drehbar an einem auf
einer Trägerplatte 66 befestigten
Schrittmotor 54 befestigt ist und von diesem angetrieben
wird, einen Positionssensor 62 zum Indizieren einer Drehung
des Filterrades 60 und einen Bildsensor 56. Das
Subsystem kann wahlweise eine Infrarotblockierlinse 64 umfassen,
um zu verhindern, daß Infrarotbandbreiten
den Bildsensor erreichen. Sämtliche
dieser Elemente sind so ausgerichtet, daß von einem Zahn reflektiertes
Licht L durch die Linse 58, eines der Filterelemente 60a–f und den
Infrarotblocker 64 übertragen
wird und schließlich
auf den Bildsensor 56 trifft und von diesem aufgefangen
oder erfaßt
wird. Der Bildsensor 56 wandelt dieses Licht L in eine
digitalisierte Form um und überträgt die digitalisierte
Form an den Prozessor 20.
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Wahlweise
kann das Abbildungssubsystem so ausgebildet sein, daß die Filteranordnung
zwischen einer Lichtquelle und dem (nicht gezeigten) zu vermessenden
Objekt angeordnet ist. Auf diese Weise würde Licht von der Lichtquelle
durch die Filteranordnungselemente übertragen werden, bevor es
von dem Zahn reflektiert wird, jedoch würde reflektiertes, auf den
Bildsen sor treffendes Licht nach wie vor Bandbreiten aufweisen,
die selektiv von den Filterelementen übertragen werden.
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Die
Linse 58 weist vorzugsweise über das Spektrum des sichtbaren
Lichtes in dem Wellenlängenbereich
von 380–700
nm eine geringe chromatische Abberation auf. Die Linse fokussiert
Licht L in Richtung auf den Bildsensor 56 und bewirkt,
daß bei
diesem Vorgang das Licht durch die Elemente 60a–60f des
Filterrades übertragen
wird. Die Filterradanordnung gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist ein 180°-Ausschnitt und
umfaßt
sechs Elemente. Natürlich
kann die Anordnung eine beliebige Form haben und eine beliebige
Anzahl von Filterelementen umfassen.
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Die
Filterradanordnung 60 des bevorzugten Ausführungsbeispiels
umfaßt
Filterelemente 60a–f,
wobei die Filterelemente 60a–d eine vorgewählte Bandpaßfunktion
haben. "Bandpaßfunktion" meint eine Information,
die verwendet wird, um zu spezifizieren, wie ein Filter spezifische
Lichtwellenlängen
absorbiert, wenn das Licht, auch als "Strahl" bezeichnet, durch ein Material übertragen
wird. Vorzugsweise weist das Filterelement 60a eine Bandpaßfunktion
auf, welche es ihm ermöglicht,
nur X-Normalfarbwert-Bandbreiten
zu übertragen und
sämtliche
anderen Bandbreiten abzuschwächen; 60b weist
eine Bandpaßfunktion
auf, die es ihm ermöglicht,
lediglich Y-Normalfarbwert-Bandbreiten zu übertragen und sämtliche
anderen Bandbreiten abzuschwächen; 60c weist
eine Bandpaßfunktion
auf, die es ihm ermöglicht,
lediglich Z-Normalfarbwert-Bandbreiten zu übertragen und sämtliche
anderen Bandbreiten abzuschwächen;
und 60d weist eine Bandpaßfunktion auf, die es ihm ermöglicht,
lediglich X'-Normalfarbwert-Bandbreiten
zu übertragen
und sämtliche
anderen Bandbreiten abzuschwächen.
Diese Filter schwächen
gleichbleibend Bandbreiten außerhalb
gewählter
Bandbreiten auf weniger als ungefähr 1/40, vorzugsweise weniger
als 1/100 und insbesondere auf weniger als ungefähr 1/1000 des Wertes der maximalen
Durchlässigkeit
des Filters. Natürlich
können
die Filterelemente 60a–d
eine beliebige gewünschte
Bandpaßfunktion
und Abschwächung
aufweisen und ihre Anzahl kann geändert werden, so daß lediglich
eine gewählte
Anzahl von Filtern bei der Messung verwendet wird.
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Wahlweise
kann die Filteranordnung 60 ein undurchlässiges Element 60e zum
Festlegen einer Dunkelstrominformation des Bildsensors 56 aufweisen.
Die Dunkelstrominformation stellt den Strom dar, der in einem Bildsensor
fließt,
wenn keine optische Strahlung auf den Sensor trifft. Dieser Strom
verzerrt die elektronischen Signale, die von dem Sensor zu dem Prozessor übertragen
werden. Daher ist es bevorzugt, diese Dunkelstrominformation zu
messen und sie von den zu dem Sensor übertragenen elektronischen
Signalen, die während
des Erfassens von Bandbreiten erzeugt werden, zu subtrahieren, so
daß nachfolgende
Messungen einer optischen Charakteristik diese Dunkelstrominformationen
nicht enthalten. Das Filterrad kann ferner einen offenen Elementfreiraum 60f umfassen,
welcher sämtliche
Lichtwellenlängen
zu dem Bildsensor übertragt.
Ein Übertragen
sämtlicher
Lichtwellenlängen
zu dem Bildsensor kann wünschenswert
sein, wenn zu Beginn ein Bild eines Objektes aufgenommen wird, um
beim Identifizieren von Bereichen des Zahnes mit hohem Glanz zu
unterstützen.
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Es
wird Bezug genommen auf 11. Der
Filter ist indiziert mit einem Index 69, der mit einem
Positionssensor 62 zusammenwirkt, um das Timing der Bilderfassung
des Bildsensors 56 und ein Ausrichten von individuellen
Filterelementen 60a–f über dem
Bildsensor 56 zu synchronisieren. Der Positionssensor kann
ein Photodioden-Positionssensor oder ein beliebiger anderer Sensor
sei, der in der Lage ist, eine Bewegung des Filterrades 60 durch
Erkennen der Position des Indexes 69 zu erfassen. Der Positionssensor 62 steht
in elektrischer Verbindung mit dem Prozessor 20, so daß der Prozessor
den Schrittmotor 54 starten kann. Der Schrittmotor 24 dreht
die Filterradanordnung sequentiell in vorgewählten Winkelinkrementen, um
Elemente 60a–60f des
Filterrades über
den Bildsensor anzuordnen, so daß Licht durch die lichtübertragenden
Elemente zu dem Bildsensor 56 übertragen wird.
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Der
Schrittmotor 54 ist auf der Rückseite der Trägerplatte 66 derart
befestigt, daß eine
Kontamination, eine Magnetfeld wechselwirkung und ein Wärmeaustausch
von dem Motor zu dem Bildsensor 56 begrenzt ist. Der Schrittmotor
dreht das sektorierte Filterrad 60 auf eine "indexed versus free-spinning"-Art.
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Der
Bildsensor 56 ist vorzugsweise ein komplementärer Metalloxidhalbleiter
(CMOS). Es ist ersichtlich, daß ein
beliebiger monochromatischer Sensor oder Photodetektor anstelle
des CMOS verwendet werden kann, einschließlich aber nicht begrenzt auf
einen ladungsgekoppeltes Bauelement(CCD)-Sensor. Es ist ersichtlich,
daß der
Bildsensor Bandbreiten des Lichtes L, das durch entsprechende Filterelemente 60a–d übertragen
wird, erfaßt
oder auffängt,
diese Funktionen in eine digitalisierte Form konvertiert und die
digitalisierte Form, auch als elektronische Signale bezeichnet,
zu dem Prozessor 20 überträgt.
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Der
Schrittmotor 54 und der Bildsensor 56 sind beide
synchronisiert, vorzugsweise durch den Prozessor 20, so
daß der
Bildsensor 56 die durch jedes Filterelement 60a–d übertragenen
Bandbreiten erfaßt,
wenn diese Filter nacheinander über
dem Bildsensor 56 ausgerichtet werden. Der Positionssensor
stellt eine Rückmeldung über eine
Wechselwirkung mit Index 69 an den Prozessor 20 bereit,
um den Schrittmotor 54 auf eine gewünschte weise zu starten und
zu deaktivieren.
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Unter
Bezugnahme auf 11 wird nun der Betrieb des
Abbildungssubsystems beschrieben. Von einem Objekt, vorzugsweise
von einem Zahn, reflektiertes Licht bewegt sich entlang eines Weges
L durch die Linse 58. Die Linse 58 fokussiert
von dem Zahn reflektiertes Licht auf den Bildsensor 56.
Dabei werden durch eines der Filterradelemente 60a–f ausgewählte Bandbreiten
des Lichtes L übertragen.
Jede Übertragung
von Licht L durch einen einzelnen Filter und jeder Vorgang, bei
welchem kein Licht durch das undurchlässige Element übertragen
wird, und jeder Vorgang, bei dem sämtliches Licht durch das offene
Element übertragen
wird, wird als ein "Einzelbild" bezeichnet. Der
Schrittmotor 54 richtet sequentiell jedes der Filterelemente 60a–60d und
wahlweise das undurchlässige
bzw. das offene Filterelement 60e bzw. 60f über dem
Bildsensor 56 aus. Der Bildsensor 56 erfaßt bei Anordnung
jedes Filterelements über
dem Sensor ein Einzelbild. So erfaßt der Bildsensor 56 bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
Bild für
Bild verschiedene Normalfarbwertbandbreiten, die durch die Elemente
des Filterrades 60 durchgelassen werden.
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Die
Ausrichtung der Elemente 60a–f wird durch den Schrittmotor 54 gesteuert,
welcher von dem Prozessor 20 gesteuert wird. Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
befindet sich der Schrittmotor, wenn eine Farbmessung von Licht
L, welches von einem Zahn reflektiert wird, initialisiert wird,
in einem Park-Modus, d. h. Index 69 ist mit dem Positionssensor 62 ausgerichtet.
Während
der Messung weist der Prozessor den Schrittmotor an, über eine
Mehrzahl von partiellen Bewegungen aus dem Park-Modus zu drehen,
wobei die Filterradanordnung 60 folglich mehrfach um vorgewählte Winkel
gedreht wird. Diese Winkel sind so gewählt, daß jedes Filterradelement 60a–60f über dem
Bildsensor angeordnet wird, so daß der Bildsensor 56 ein
Einzelbild von Daten für
Licht erfaßt,
welches individuell durch je eines der Filterelemente oder bei Dunkelstrom in
Bewegung wenn Element 60e über dem Sensor angeordnet ist.
Auf diese Weise wird zu einer bestimmten Zeit oder bei einem einzigen
Einzelbild lediglich eine Bandbreite zu dem Bildsensor übertragen
und von diesem erfaßt.
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Der
Bildsensor 56 nimmt drei Farbmessungen für einen
Zahn vor. Jede Messung weist neun Einzelbilder von Daten auf, welche
nachfolgend in einem Prozessor 20 gespeichert werden und
zum Bilden einer einzigen Messung bzw. eines einzigen "Bildes" des Zahnes kombiniert
werden. Diese Einzelbilder stellen zwei Transmissionen von X-Bandbreiten
von Licht L durch einen Filter 60a, zwei Transmissionen
von Y-Bandbreiten von Licht L durch Filter 60b, zwei Transmissionen
von Z-Bandbreiten von Licht L durch Filter 60c, zwei Transmissionen
von X'-Bandbreiten von Licht
L durch Filter 60d und ein einziges Dunkelstrominformations-Einzelbild
dar, wenn das undurchlässige
Element 60e über
dem Bildsensor 56 angeordnet ist. Diese Verdopplung von
Einzelbildern hilft dabei, die mit der Zeit gesammelten Bandbreiten
zu integrieren und kann Daten, die für eine Stabilisierung des Bildes
benötigt
werden, bereitstellen.
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Wie
hierin verwendet, bedeutet "Stabilisierung" eine Kombination
der Einzelbilder von Daten, die zu verschiedenen Zeitpunkten erfaßt worden
sind, so daß das
resultierende Bild nicht anzeigt, daß das optische Meßinstrument
zwischen den Zeitpunkten bewegt wurde, während deren die Einzelbilder
aufgenommen wurden. Mehrere von dem Sensor erfaßte Einzelbilder werden rechtzeitig
separiert, da es einen kleinen Zeitraum dauert, um ein erstes Einzelbild über beispielsweise
Filterelement 60a zu erfassen, die Filterradanordnung 60 mit
dem Schrittmotor 54 zu bewegen und das nächste Einzelbild
durch Filterelement 60b zu erfassen. Während dieses geringen Zeitraums
kann der Benutzer des optischen Meßinstrumentes versehentlich
das Instrument durch Drehen oder Schütteln bewegen. Demgemäß kann das
Einzelbild, welches für
ein Filterelement erfaßt
wurde, von anderen Einzelbildern geringfügig abweichen und die Einzelbilder
passen nicht Punkt für Punkt
zusammen. Um dies zu korrigieren, verwendet der Prozessor, sobald
die Daten von dem Sensor in die digitalisierte Form konvertiert
wurden und an den Prozessor übertragen
wurden, einen speziellen Algorithmus, um die Einzelbilder auszurichten,
so daß eine
wesentliche Anzahl von Punkten von einem erfaßten Einzelbild mit einer wesentlichen
Anzahl von Punkten der anderen erfaßten Einzelbildern übereinstimmen.
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Ein
Flußschema,
welches konzeptuell den Vorgang des Ausrichtens von Einzelbildern
aufzeigt, ist in 12 gezeigt. Dieser Vorgang wird
vorzugsweise von dem Prozessor des Instrumentes ausgeführt, kann aber
wahlweise, wenn gewünscht,
von einem separaten Computer ausgeführt werden. Ein Ausrichten
der Einzelbilder kann mit der Auswahl von zwei oder mehr auszurichtenden
Bildern beginnen; 1002. Ein Teilbereich beider Bilder,
welcher das gewünschte
Objekt enthält,
wird gekennzeichnet; 1004. Die Helligkeit dieser gekennzeichneten
Bilder wird normalisiert; 1005. Ein anfänglicher Korrelationswert zwischen
Bildern wird berechnet und ein Schleifenzähler wird auf Null gesetzt; 1006.
Bei dem Makroschritt 1 wird eine Rückfrage angeboten: Weist die
Korrelation zwischen den Bildern einen annehmbaren Wert auf; 1008?
wenn ja springt der Vorgang zu Ma kroschritt 2 und Schritt 1030,
bei dem die entgültigen
Werte für
den Korrelationswert-Schleifenzähler, Schleifenzähler, Zeilen-Offset,
Spalten-Offset und Winkelrotation zurückgegeben werden. Ab diesem
Schritt geht der Vorgang weiter zu "Fertig"; 1032.
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Wenn "Nein" die Antwort auf
die Rückfrage 1008 ist,
geht der Vorgang mit Schritt 1010 weiter, bei dem eine
Fehlerfunktion, die eine Spaltenfehlausrichtung der beiden Bildern
auswertet, berechnet wird. Bei Schritt 1012 wird ein Bild
neu angeordnet, um die Spaltenfehlausrichtung zu beseitigen. Bei
Schritt 1014 wird eine Fehlerfunktion, die eine Zeilenfehlausrichtung
auswertet, berechnet. Bei Schritt 1016 wird eine Korrelation
ausgewertet; wenn sich die Korrelation vermindert hat, wird die
Zeilenbewegung rückgängig gemacht.
Bei Schritt 1018 wird ein Bild neu angeordnet, um die Zeilenfehlausrichtung
zu beheben. Bei 1020 wird eine Korrelation ausgewertet;
wenn sie sich vermindert hat, wird die Spaltenbewegung rückgängig gemacht.
Bei Schritt 1024 wird eine Fehlerfunktion berechnet, die
eine Winkelfehlausrichtung auswertet. Bei Schritt 1026 wird
die Korrelation ausgewertet. Wenn sich die Korrelation vermindert
hat, wird die Drehung rückgängig gemacht.
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Bei
Schritt 1028 wird eine Rückfrage angeboten Wurde die
Schleifengrenze erreicht? Wenn ja springt der Vorgang zu Makroschritt 2 und 1030,
wo er endgültige
Werte für
Korrelationswertschleifenzähler,
Schleifenzähler,
Zeilen-Offset, Spalten-Offset und Winkelrotation zurückgibt.
Der Vorgang geht weiter zu "Fertig"; 1032.
Bei Schritt 1028 wird ein Korrelationswert zwischen Bildern
berechnet, wenn die Antwort nein ist; 1034, und der Vorgang
springt wieder zu Makroschritt 1, um, wenn notwendig, sämtliche
Schritte beliebig oft zu wiederholen, so daß der Vorgang zu "Fertig" weitergehen kann; 1032.
Natürlich
kann die Abfolge des bevorzugten Vorganges verändert werden. Schritte können verändert und/oder
selektiv wiederholt werden. Andere Schritte können in Abhängigkeit von der gewünschten
Anwendung hinzugefügt
werden.
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Wenn
die Punkte jedes Einzelbildes mit sämtlichen der Punkte aller anderen
Einzelbilder ausgerichtet sind werden die Einzelbilder gemeinsam
angezeigt, um ein Bild des Objektes zu erzeugen, welches das von dem
Sensor erfaßte
Licht wiedergibt. Vorzugsweise umfassen eine wesentliche Anzahl,
wenn nicht sogar alle Punkte dieses Bildes sämtliche der Normalfarbwertbandbreiten,
d. h. die X-, Y-, Z- und X'-Normalfarbwertbandbreiten,
welche von dem Bildsensor erfaßt
wurden. Das Bild wird vorzugsweise auf der Anzeige 18 angezeigt und
in dem Mikroprozessor 20 gespeichert. Das Bild kann von
dem Mikroprozessor auf einen Personalcomputer geladen werden. Bei
Ausführungsbeispielen,
bei denen von dem Abbildungssystem lediglich Normalfarbwertbandbreiten
erfaßt
werden, ist ersichtlich, daß kein
Bedarf zum Ausführen
langer Berechnungen zum Herleiten der Normalfarbwerte besteht, wenn
die Ausgabe des Systems im Normalfarbwertformat stattfindet.
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Es
ist ferner ersichtlich, daß von
dem Bildsensor erfaßte
Bandbreiten zu einem Bild des Objektes in Bereiche gleichmäßiger Bandbreiten
kombiniert und gemittelt werden können. Es ist ferner möglich, solche
benachbarten Bildpunkte arithmetisch in Farbzonen zu kombinieren,
deren Farbabweichung zwischen diesen benachbarten Bildpunkten einen
vorbestimmten Wert nicht übersteigt.
Auf diesem Wege kann der vermessene Zahn in mehrere Farbzonen mit
verschiedenen Farben oder Bandbreiten unterteilt werden. Bei einer
Prothese kann die maximale Anzahl solcher Farbzonen begrenzt sein,
da ein Zahnarzt oder ein Hersteller von Wiederherstellungen üblicherweise
eine Prothese in eine begrenzte Anzahl von Farbzonen unterteilt.
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Neben
dem Abgleichen von Punkten zum Stabilisieren und/oder Ausrichten
der Einzelbilder zum Bilden eines Bildes des Zahnes, kann der Prozessor
ferner Meßfehler
erkennen, wenn Einzelbilder ungenau erfaßt worden sind. Wenn der Benutzer
des optischen Meßinstrumentes
das Meßinstrument
beispielsweise beim Erfassen nachfolgender Einzelbilder stark dreht
oder hoch und runter oder zur Seite bewegt, kann sich eins oder
mehrere dieser erfaßten
Einzelbilder stark von den anderen unterscheiden. Beispielsweise
kann aufgrund der starken Bewegung des optischen Meßinstrumentes
zwischen Einzelbildern ein Einzelbild von einem Zahn und das nächste von
einem Gummi sein. Folglich wäre
es schwierig, die Punkte eines Einzelbildes mit den entsprechenden
Punkten der anderen Einzelbilder auszurichten, da die Einzelbilder
sich stark unterscheiden würden.
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In
Fällen,
in denen der Prozessor erkennt, daß die erfaßten Einzelbilder sich so stark
voneinander unterscheiden, daß entsprechende
Punkte verschiedener Einzelbilder nicht zum Erzeugen eines Bildes
des Zahnes kombiniert werden können,
zeigt der Prozessor dem Benutzer an, daß die Messung wiederholt werden muß. Der Hinweis
kann mit einem Anzeigemittel oder mit einem beliebigen anderen üblichen
Alarmmittel mitgeteilt werden. Entsprechend wiederholt der Benutzer
die Messung der optischen Charakteristika des Zahnes, um zufriedenstellende
Daten zu erfassen. Folglich gewährleistet
das optische Meßinstrument,
daß genaue
und vollständige
Bilder zur weiteren Bearbeitung und Herstellung von dentalen Prothesen
erfaßt
werden.
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Darüber hinaus
weist der Prozessor vorzugsweise die Fähigkeit auf, drei oder mehr
Bilder des Objektes zu speichern. Diese Bilder können unter Verwendung geeigneter
Welding-Software
zum Kombinieren einer Mehrzahl von Bildern zu einem einzigen Bild
rekombiniert oder verschmolzen werden. Beispielsweise kann der Zahnarzt
die Welding-Software zum Anordnen einzelner, von dem optischen Meßinstrument
geladener Bilder zu einem einzigen Bild verwenden, das die Anordnung
von einem der Zähne
im Mund eines Patienten wiedergibt, die den beschädigten Zahn
umgeben.
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Die
verwendete erfindungsgemäße Abschirmung
in Verbindung mit dem optischen Meßinstrument ist allgemein in
den 13 und 14 dargestellt.
Die Abschirmung 300 weist üblicherweise einen Hohlkörper mit
einem konischen Abschnitt 320 auf, jedoch können die
Dimensionen und Größe der Abschirmung
und ihrer Komponenten für
verschiedene Anwendungen verändert
werden. Die Abschirmung ist vorzugsweise hohl, so daß sie Licht
ungehindert durchleitet, d. h. ein erstes Ende 322 steht
in "Lichtverbindung" mit einem zweiten Ende 310.
An einem Ende des konischen Abschnittes ist das erste Ende 310 gelegen,
welches eine Öffnung 312 definiert.
Die Öffnung 312 kann
von beliebiger Größe sein,
abhängig
von der Lichtquelle und der Lichtmen ge, die von dem zu vermessenden
Objekt reflektiert wird. Referenz-Farbstreifen 330 begrenzen
die Ränder
der Öffnung.
Diese Streifen sind benachbart zu der Öffnung oder zumindest so angeordnet,
daß sie
in dem Bildfeld 350 sind. Das Bildfeld ist das Feld, welches
mit einem Bild erfaßt
wird, welches von einem Bildsensor des optischen Meßinstrumentes
aufgenommen wird. Die Referenz-Streifen können auf dem konischen Abschnitt 320 sein,
solange sie sich in den aufgenommenen Bildern befinden. Vorzugsweise
ist die Farbe der Referenz-Streifen gebrochen weiß, jedoch
kann jede andere Farbe verwendet werden, solange der Streifen eine
definierte Farbe aufweist.
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Beim
Betrieb ist der Referenz-Streifen in dem Bildfeld 350 umfaßt, wenn
das optische Meßinstrument ein
Bild eines Objektes erfaßt.
Die vermessenen Referenz-Streifenwerte werden mit Werten, die während einer Instrumentenkalibrierung
bestimmt wurden, verglichen. Dieser Vergleich stellt ein Verfahren
zum Bestimmen nicht nur der Lampenintensitätsvariation bereit, sondern
stellt auch ein Verfahren zum Bestimmen von Änderungen der Lampenfarbtemperatur
bereit. Diese beiden Werte müssen
bekannt sein, um genaue Farbmeßdaten
von dem abgebildeten Zahn bereitzustellen. Auf alle anderen Objekte
in dem Bildfeld 350, wie beispielsweise einen Zahn, werden
Lampenkompensationsfaktoren angewendet, um die wirklichen Farben
dieser Objekte zu bestimmen. Ein Echtfarbenbild des Objektes kann
dann anhand dieser Echtfarben erstellt werden.
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Das
Innere des Abschirmungshohlkörpers
ist vorzugsweise lichtundurchlässig
oder anderweitig mit einem dunklen Material eingefärbt, welches
Umgebungslicht außerhalb
der Abschirmung am Eintritt in die Abschirmung und der Verfälschung
der in dem Gesichtsfeld 350 erfaßten Daten hindert.
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Die
Abschirmung 300 kann ferner an dem ersten Ende 310 angeordnete
Bestimmungsmittel 340 aufweisen. Die Bestimmungsmittel
sind vorzugsweise so an dem Ende 310 angeordnet, daß sie in
dem Bildfeld 350 umfaßt
sind, wenn ein Bild aufgenommen wird. Diese Bestimmungsmittel können von
beliebiger Art sein, aber vorzugsweise weisen sie auf Herkunftsangaben,
wie beispielsweise den Hersteller oder Vertreiber der Einwegabschir mung
hin, um eine Fälschung
zu verhindern. Die Bestimmungsmittel 340 können ferner
Patienteninformationen, eine Postennummer der Abschirmung, ein Verfallsdatum
oder beliebige andere Informationen, die relevant für den Patienten
oder das optische Meßinstrument
sind, enthalten. Die Bestimmungsmittel können aufgedruckt, umfaßt, befestigt
oder auf eine beliebige andere übliche
Art der Abschirmung zugeordnet sein. Beispielsweise können die
Bestimmungsmittel ein gedrucktes klebendes Label oder ein Barcode
sein.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
legt die Abschirmung einen vorgegebenen Abstand eines Objektes von
einer Lichtquelle 80 oder einen Bildsensor 56 fest,
wie es in 14 gezeigt ist. Die Länge der Abschirmung
L ist voreingestellt, so daß,
wenn die Öffnung 312 benachbart
zu oder in Kontakt mit dem zu vermessenden Objekt, beispielsweise
dem Zahn T, angeordnet ist, sich die Lichtquelle 80 oder
der Bildsensor 56 in einem spezifischen Abstand D zu dem
Objekt T befindet. Demzufolge kann die genaue Beleuchtung oder Erfassung
durch die Leuchtvorrichtung 80 oder den Sensor 56 bei
jeder Messung genau wiederholt werden. Dieser spezielle Abstand
ist auch voreingestellt, um eine Diffusion oder Streuung des von
der Lichtquelle 80 zum Zeitpunkt, an dem das Licht die Öffnung oder
das zu vermessende Objekt erreicht, erzeugten Lichts zu verhindern.
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Die
Abschirmung 300 kann an dem optischen Meßinstrument
auf jede bekannte übliche
Art befestigt sein, wie es in 17 gezeigt
ist. Vorzugsweise umfaßt
die Abschirmung Klemmen 324, die lösbar an Stiften 224 des
optischen Meßgerätes anklemmen.
Natürlich
kann die Abschirmung mit jeder üblichen
Befestigung an dem optischen Meßinstrument
befestigt sein, wenn dies die Anwendung erfordert.
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Es
ist ersichtlich, daß die
Abschirmung aus Papier oder Kunststoff oder einem anderen Material
sein kann, welches verwerfbar, säuberbar,
wiederverwendbar oder ähnliches
ist, um sämtlichen
Kontaminationsbedenken entgegenzutreten, die bei einer bestimmten
Anwendung bestehen können.
Die Abschirmung kann ferner verwerfbar oder wiederverwendbar sein.
Im Falle von wiederverwertbaren Abschirmungen ist die Abschirmung
vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das einer Sterilisation
in einem üblichen
Autoklaven, heißem Dampf,
einer chemische Behandlung oder einem Sterilisationssystem wiederstehen
kann.
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Sichtlinien-Betrachtung
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15 und 16 veranschaulichen
das Sichtlinien-Betrachten
gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel.
Das optische Meßinstrument 10 umfaßt ein Gehäuse 12 und
eine darin befestigte Anzeige 18. Wie oberhalb beschrieben,
ist ferner ein Bildsensor in dem Gehäuse enthalten. Der Bildsensor
erfaßt
Bilder von einer Bildsensorsicht 402, auch bezeichnet als "Abtastlinie". Die Abtastlinie
erstreckt sich aus dem Gehäuse 12 durch
die installierte Abschirmung 300 zu dem Objekt, von welchem
ein Bild aufgenommen werden soll, beispielsweise dem Zahn 4.
Das Objekt sollte derart in der Abtastlinie 402 angeordnet
sein, daß das
optische Meßinstrument
die optischen Charakteristika des Objektes abtasten und messen kann.
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Sobald
der Bildsensor eine Messung des Objektes in der Abtastlinie 402 vornimmt,
wird diese Messung von dem Prozessor des Instrumentes (siehe 6)
bearbeitet und zu dem LCD 18 übermittelt. Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
zeigt das LCD die Daten als Bild an. Das Bild kann vergrößert oder
verkleinert werden, wenn dies gewünscht ist. Natürlich kann
jede übliche
dynamische Anzeige anstelle eines LCD verwendet werden.
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Ist
das Bild auf der Anzeige 18 angezeigt, kann ein Benutzer 6 die
Anzeige entlang einer Sichtlinie 400 betrachten. Diese
Sichtslinie 400 ist an der Abtastlinie 402 ausgerichtet,
so daß der
Benutzer 6 den Zahn auf der Anzeige in der gleichen Perspektive
sieht, wie der Bildsensor den Zahn abtastet. Eine Manipulation der Abtastlinie 402 entspricht
vorzugsweise einem anderen, auf der Anzeige 18 ausgegebenem
Bild. Wenn ein Benutzer beispielsweise die Einrichtung und folglich
die Abtastlinie 402 zur Rechten des Zahnes 4 bewegt,
entspricht die Bildausgabe auf dem Bildschirm 18 diesem
Objekt, egal welches Objekt sich rechts von dem Zahn befindet. Grundsätzlich kann
ein Benutzer die Einrichtung zum Neuausrichten der Abtastlinie manipulieren,
indem er ein Bild auf dem Bildschirm betrachtet, und zwar ohne seinen
normalen Denkprozeß zum
Erfassen und Betrachten eines Bildes umzukehren oder anderweitig
zu ändern.
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Es
wird Bezug genommen auf 15. Die
Anzeige 18 ist vorzugsweise parallel hinter dem Bildsensor 56 in
dem Gehäuse 12 ausgerichtet,
und vorzugsweise ist die Anzeige 18 im allgemeinen rechtwinklig
zu der Abtastlinie 402 und/oder der Sichtlinie 400.
Natürlich
können
der Bildschirm 18, der Sensor 56, die Abtastlinie oder
die Sichtlinie in anderen Anordnungen ausgerichtet sein, so daß die Sichtlinie 400 achsfluchtend
mit der Abtastlinie 402 ist.
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Das
optische Meßinstrument 10 ist
auf eine beliebige Art konfiguriert, die es dem Benutzer ermöglicht, das
Instrument 10 zu manipulieren und gleichzeitig das gleiche
Bild, daß von
dem Sensor abgetastet wird, auf einer Anzeige des Instruments zu
betrachten, ohne periodisch von dem Bildschirm wegschauen und die
Abtastlinie des Bildsensors neu ausrichten zu müssen. Folglich kann der Benutzer
nur die Anzeige entlang der Gesichtslinie 400 betrachten,
um die Abtastlinie 402 genau so auszurichten, daß das Instrument
das Bild von dem Zahn wie gewünscht
aufnimmt.
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Verschlossene
Einheit
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Es
wird Bezug genommen auf die 16 und 17.
Das optische Meßinstrument
umfaßt
im allgemeinen das Gehäuse 12,
welches in zwei Teile 12a und 12b unterteilt ist,
die Anzeige 18 und ein Fenster 230. Es wird insbesondere
auf 17 Bezug genommen. Der vordere Abschnitt des Gehäuses 12 definiert
eine von dem Fenster 230 abgedeckte Öffnung 240. Die Öffnung ermöglicht es,
daß Licht
aus dem Inneren des Gehäuses 12 projiziert
wird, und ermöglicht
es, daß von
einem Objekt reflektiertes Licht zurück in das Gehäuse 12 treten
kann und von einem (nicht gezeigten) Bildsensor abgetastet wird.
Die Öffnung 240 kann
eine Vielzahl von Konfigurationen und Größen haben, die eine Beleuchtung
und Abtastung von Charakteristika wie gewünscht vereinfachen.
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Die Öffnung ist
von einer inneren Lippe 210 kreisförmig umfangen, die vorzugsweise
als Teil des Gehäuses 12 ausgebildet
ist. Über
der Lippe ist ein Fenster oder eine Abdeckplatte 230 angeordnet.
Vorzugsweise ist diese Abdeckung aus Kunststoff, Glas oder einem
anderen synthetischen Material hergestellt, das eine hocheffiziente
Transmission von Licht durch dieses ermöglicht. Zwischen der Lippe 210 und
dem Fenster 230 ist eine Dichtung 220 angeordnet.
Die Dichtung kann ein beliebiges Dichtungsmittel oder Dichtung,
beispielsweise ein versiegelnder Kleber, sein, die "Verunreinigungen" – d. h. Staub, Schmutz, Verunreinigungen,
Reinigungsmittel und Chemikalien, an einem Eindringen in das Innere
des Gehäusekörpers 12 durch
und um die Öffnung 240 hindert.
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Die
Anzeige 18 ist vorzugsweise an oder mit dem Gehäuse 12 auf
eine Art versiegelt, die verhindert, daß Verschmutzungen ins Innere
eindringen. Es ist bevorzugt, daß die Anzeige berührungsempfindlich
und in der Lage ist, ein Mittel zum Steuern und Betreiben der Einrichtung
zur Verfügung
zu stellen. Auf diese Weise gibt es keine Schwierigkeit, um externe,
in dem Gehäuse
umfaßte
Knöpfe
herum zu reinigen.
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Die
Teile 12a und 12b sind vorzugsweise auf eine Art
zusammengefügt,
die ebenfalls Verschmutzungen am Eindringen in das Innere des Gehäusekörpers entlang
der Abschnitte der Teile, an denen die Unterteile miteinander verbunden
oder zusammengefügt
sind, hindert.
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Wie
beschrieben hindern sämtliche
der oben beschriebenen Elemente, nämlich das versiegelte Fenster 240,
die zusammengepaßten
Teile 12a, 12b und die Anzeige 18 Verschmutzungen
am Eindringen in das Innere der Einrichtung, wenn die Verschmutzungen
in Kontakt mit dieser Einrichtung kommen, beispielsweise wenn die
Einrichtung mit Reinigungs- oder Sterilisierungsmitteln abgewischt
wird oder wenn die Einrichtung auf einem schmutzigen Boden fallengelassen
wird. Jedoch verhindern diese Elemente ein Eintreten der Verschmutzungen
ins Innere der Einrichtung nur bedingt, wenn die Einrichtung vollständig in
Verschmutzungen getaucht wird, beispielsweise wenn die Einrichtung
in flüssige
Reinigungsmittel getaucht wird.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
kann bei einigen Ausführungsbeispielen
einen Port 22 oder eine Verbindung zum Kommunizieren mit
einer Docking-Station (18), eine Berechnungseinrichtung
und/oder eine (nicht gezeigte) Stromquelle umfassen. Üblicherweise
ist es schwierig, diesen Port abzudichten und zu verhindern, daß Verschmutzungen
in das Innere des Gehäuses 12 eintreten.
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Das
optische Meßinstrument
wird einfach keimfrei gemacht und/oder sterilisiert. Benutzer können es ohne
erhebliche Bedenken, daß Entkeimungs-
oder Sterilisierungsmittel oder andere Reinigungsmittel in das Innere
des Gehäuses 12 laufen,
wodurch evtl. die inneren Komponenten des Instrumentes beschädigen werden
können,
durch Abreiben reinigen. Natürlich
ist Vorsicht geboten, um eine Verbindung oder einen Anschluß nicht übermäßigen Verschmutzungen
auszusetzen, um zu vermeiden, daß diese Verschmutzungen in
das Innere der Einrichtung eindringen. Bei Zeiten der Nichtbenutzungen
oder Benutzung in staubigen Regionen ist das Risiko, daß Staub
oder Verschmutzungen in das Gehäuse
eindringen, erheblich erhöht.
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Herstellung einer dentalen
Prothese
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Der
Vorgang des Erzeugens einer dentalen Wiederherstellung oder Prothese
aus optischen Messungen, die von einem beschädigten Zahn oder umliegenden
Zähnen
stammen, wird nun beschrieben. Zu Beginn verwendet ein Zahnarzt
das optische Meßinstrument,
um die optischen Charakteristika eines Zahnes oder von Zähnen, die
eine Zone umgeben, die zuvor durch einen Zahn besetzt war, zu vermessen.
Diese optischen Messungen werden in dem optischen Meßinstrument
in ein Bild oder eine Mehrzahl von Bildern umgewandelt. Die Bilder
können
von dem optischen Meßinstrument
auf einen Computer geladen werden, wo sie gespeichert werden können. Natürlich kann
das Bild in einem beliebigen geeigneten Dateiformat gespeichert
werden. Sobald das Bild auf dem Computer gespeichert ist, bildet
es die sogenannte Wiederherstellungsdatei. Wie es dem Fachmann ersichtlich
ist, können
ausgehend von dieser Wiederherstellungsdatei die gemessenen optischen Charakteristika
von dem Computer mathematisch manipuliert werden, um als ein durchschnittliches
Kennfeld, ein Raster von individuellen Charakteristika, als konturiertes
Kennfeld oder beliebiges anderes gewünschtes Format betrachtet zu
werden.
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Anschließend überträgt der Zahnarzt über beliebige
geeignete Mittel die Wiederherstellungsdatei an ein Prothesen herstellendes
Labor. Vorzugsweise wird die Datei jedoch unter Verwendung einer
elektronischen Netzwerkkorrespondenz weitergeleitet.
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In
dem Labor lädt
ein Techniker die Wiederherstellungsdatei herunter, um den Mund
des Patienten und insbesondere die neue Prothese für den beschädigten oder
fehlenden Zahn zu rekonstruieren. Zu dieser Wiederherstellung fähige Software
ist von X-Rite, Incorporated of Grandville, Michigan, erhältlich.
Nachdem der Techniker die Prothese hergestellt hat, wird ein Bild
der Prothese, vorzugsweise mit dem optischen Meßinstrument, auf genommen.
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Das
Bild der Prothese wird in ein Bild des Mundes des Patienten, welches
aus der Wiederherstellungsdatei erhalten wurde, zum Bestimmen der
Qualität
und Genauigkeit der Wiederherstellung eingefügt. Dies kann auf verschiedenen
Wegen erfolgen. Zunächst
kann der Techniker sein eigenes optisches Meßinstrument verwenden, um Messungen
an der Prothese zum Erzeugen eines Bildes, auch bezeichnet als "Prothesendaten", vorzunehmen. Dann
nimmt er dieses Bild und fügt
es in ein aus der Wiederherstellungsdatei stammendes Bild des Mundes
des Patienten ein. Natürlich
kann der Techniker ebenfalls die Prothesendaten mit dem Bild des
ursprünglichen
Zahnes vergleichen, sofern eins existiert. Der Techniker führt einen
Vergleich zwischen dem Bild des Zahnes und dem Bild des Mundes des
Patienten oder des beschädigten
Zahnes durch, bevor die Wiederherstellung von dem Labor ausgeliefert
wird. Der Techniker kann dann die Qualität und Genauigkeit der Wiederherstellung
bestimmen und entscheiden, ob oder ob sie nicht an den Zahnarzt
zur Einbringung in den Mund des Patienten versendet wird.
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Der
Techniker kann auch die optische Meßeinrichtung zum Vornehmen
von Messungen der Prothese verwenden, um ein Bild der Prothese zu
erzeugen und dieses Bild an den Zahnarzt senden. Der Zahnarzt kann das
neue Zahnbild dann visuell in ein bestehendes Bild des Mundes des
Patienten einfügen,
um die Qualität und
Genauigkeit der Wiederherstellung zu bestimmen. Auf der Grundlage
seiner oder ihrer Beurteilung kann der Zahnarzt dann das Labor kontaktieren,
um die Wiederherstellung zu bestätigen
oder abzulehnen. In Fällen, in
denen die Wiederherstellung bestätigt
wird, versendet das Labor die Wiederherstellung zur Einbringung
in den Mund des Patienten an den Zahnarzt. In Fällen, in denen der Zahnarzt
die Wiederherstellung ablehnt, weil sie nicht genau genug übereinstimmt,
stellt das Labor eine weitere Wiederherstellung her und nimmt ein
neues Bild dieser Wiederherstellung auf. Das neue Bild wird an den
Zahnarzt zum Vergleich des neuen Bildes mit dem Bild des beschädigten Zahnes
weitergeleitet. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, bis eine
genaue Wiederherstellung hergestellt worden ist.
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Wahlweise
kann der Techniker die Prothese einfach herstellen und an den Zahnarzt
senden. Der Zahnarzt verwendet sein eigenes optisches Meßinstrument,
um ein Bild der Prothese zu erhalten. Diese Prothesendaten werden
visuell in ein Bild des Mundes des Patienten eingefügt oder
mit einem Bild des beschädigten
Zahnes verglichen, um die Qualität
und Genauigkeit der Wiederherstellung zu bestimmen. Wenn die Wiederherstellung
annehmbar ist, wird der Zahnarzt sie in den Mund des Patienten einbringen.
Wenn die Wiederherstellung nicht annehmbar ist, kann der Zahnarzt
bei dem Labor anfragen, eine weitere Wiederherstellung herzustellen
oder die Wiederherstellung derart zu verändern, daß sie ein genaues Duplikat
des ursprünglichen
Zahnes ist, für
dessen Ersetzung sie gedacht war.
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Docking-Station
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Es
wird Bezug genommen auf 18. Das
optische Meßinstrument 10 liegt
oder ruht in der Docking-Station 14, wenn es nicht in Benutzung
ist oder wenn Bilder von dem Instrument 10 auf einen (nicht
gezeigten) Computer geladen werden, der mit der Docking-Station
für weitere
Analysen dieser Bilder oder zum weiterleiten dieser Bilder an eine
dritte Person verbunden ist. Die Docking-Station 14 umfaßt eine
Stütze 15 zum
Halten des Instruments in einer griffbereiten Stellung. Das Instrument
ruht ferner in Port 24, der einen (nicht gezeigtes) Stecker
zum Koppeln an Portal 22 (siehe 6) zum Laden
von Bildern oder Wiederaufladen der Stromquelle 19 des
Instrumentes 10 umfaßt.
Die Docking-Station kann ferner eine Datenverbindung zum herunterladen/heraufladen
von Patienteninformationen und/oder herunterladen/heraufladen eines
Bildes und veränderter
Patienteninformationen an/von dem Instrument 10 aufweisen.
Natürlich
kann jede gewünschte
Information herauf-/heruntergeladen
werden.
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Wahlweise
kann das Instrument einen Sender und/oder Empfänger umfassen, so daß es mit
einem anderen Instrument, mit einer Docking-Station und/oder direkt
mit einer Computereinrichtung unter Verwendung einer drahtlosen
Verbindung kommunizieren kann, wobei Daten über Radiofrequenzen, Lichtmodulationen
oder andere drahtlose Kommunikationsmittel übertragen werden können.