EP2073751A1 - Verfahren und anordnung zur optischen vermessung des oberflächenprofils von objekten - Google Patents

Verfahren und anordnung zur optischen vermessung des oberflächenprofils von objekten

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Publication number
EP2073751A1
EP2073751A1 EP07787511A EP07787511A EP2073751A1 EP 2073751 A1 EP2073751 A1 EP 2073751A1 EP 07787511 A EP07787511 A EP 07787511A EP 07787511 A EP07787511 A EP 07787511A EP 2073751 A1 EP2073751 A1 EP 2073751A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
particles
camera
light
arrangement
sensors
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07787511A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lucius Remer
Volker Seyfried
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leica Microsystems CMS GmbH
Original Assignee
Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leica Microsystems CMS GmbH filed Critical Leica Microsystems CMS GmbH
Publication of EP2073751A1 publication Critical patent/EP2073751A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/107—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof
    • A61B5/1077—Measuring of profiles
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4538—Evaluating a particular part of the muscoloskeletal system or a particular medical condition
    • A61B5/4542—Evaluating the mouth, e.g. the jaw
    • A61B5/4547—Evaluating teeth
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C9/00—Impression cups, i.e. impression trays; Impression methods
    • A61C9/004—Means or methods for taking digitized impressions
    • A61C9/0046—Data acquisition means or methods
    • A61C9/0053—Optical means or methods, e.g. scanning the teeth by a laser or light beam

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for the optical measurement of the surface profile of objects, in particular of teeth, rows of teeth or tooth stumps.
  • phase map can first be determined, which is then converted into the topography by the so-called phase unwrapping. Under this condition, the pixel coordinates of a stripe image on a CCD camera chip can be converted into the corresponding object coordinates.
  • the fact that the tooth material is translucent has a disadvantageous effect. Due to the translucency, the striped pattern projected onto the surface of the tooth partially penetrates the tooth. In addition, the penetration depth may also depend on the surface condition of the tooth material. The penetration of the stripe pattern into the tooth interior falsifies the image of the surface structure of the tooth, which results in a significant deterioration of the measurement result. To circumvent this problem, it has been proposed to apply to the surface a layer of matting contrast powder or a layer of fluorescent liquid. Although these measures solve the problem that the projected fringe pattern partially penetrates into the tooth.
  • the present invention is based on the object, a
  • the above object is achieved with regard to a method having the features of patent claim 1.
  • the inventive method is characterized in that a structure is applied to the surface of the object, wherein the structure composed of individual, distributed on the surface of the object measuring points, that the object is illuminated by a light source and that emanating from the applied structure Detection light detected by a camera at different observation angles and from the camera image data, the surface profile of the object is calculated.
  • the arrangement according to the invention is characterized by a device for applying a structure of individual, distributed on the surface of the object measuring points, a light source for illuminating the object, a camera for detecting the emanating from the applied structure detection light at different observation angles and an evaluation unit for calculation the surface profile of the object from the camera image data.
  • interpolation points define measuring points in such a way that the light emanating from the structure when the object is illuminated is detected as detection light by means of a camera. Specifically, the detection light emanating from the applied structure is detected at different observation angles and the surface profile of the object is calculated from the camera image data.
  • the method and the arrangement according to the invention operate with high accuracy, since the surface of the object can be measured directly on the basis of the structure applied in physical form to the object.
  • the structure used is a dot structure which is produced by applying individual particles to the surface of the object.
  • Structure reflected and / or scattered and / or polarized light can be detected.
  • the applied particles virtually act as individual scattered light centers.
  • the fluorescence and / or phosphorescence light emanating from the structure as a result of the illumination is detected as detection light.
  • the particles are preferably dissolved in alcohol, since this evaporates rapidly after application.
  • a particularly pleasant application for a patient can be achieved in that the particles, for example, by a (mouth) rinse or as
  • Tincture or by means of a film or a foil. Especially at the
  • the particles are preferably by means of a
  • Chewing gums applied In view of easy removability after completion of the measurement, the particles are advantageously applied in a washable, rinsable and / or peelable form.
  • nanoparticles whose size is less than or equal to 1 ⁇ m. Nanoparticles prove to be particularly advantageous insofar as their size is smaller than the optical resolution.
  • the disadvantage is that nanoparticles can penetrate cells and have a toxic effect.
  • particles having a size in a range between 1 ⁇ m and preferably 200 ⁇ m are advantageously used.
  • they are not toxic, on the other hand they provide more detection light than nanoparticles in view of their larger area, their diameter still being smaller than the optical resolution.
  • the particles can be provided that they are made of metal, which would result in a particularly good reflection of the illumination light from the particles.
  • Beads or with so-called “quantum dots” labeled particles are used.
  • Quantum dots are nanoscopic structures made of semiconductor materials whose optical properties can be tailored by influencing their shape, their size or the number of their electrons.
  • active particles which emit detection light themselves as a result of irradiation may be fluorophore-labeled particles, fluorescent proteins, for example in the form of bacteria with GFP (Green Fluorescence Proteins) and / or autofluorescent particles, as described, for example, in US Pat. occur in food, act.
  • active particles which emit detection light themselves as a result of irradiation.
  • these may be fluorophore-labeled particles, fluorescent proteins, for example in the form of bacteria with GFP (Green Fluorescence Proteins) and / or autofluorescent particles, as described, for example, in US Pat. occur in food, act.
  • the surface profile of the object is calculated using a triangulation method.
  • the camera comprises two spatially spaced-apart photosensitive sensors or detectors. Each particle on the surface of the object is placed on each of the two sensors, i. double, pictured. The distance between the two sensors can be used as base length in the calculations in the triangulation process.
  • CCD chips, EMCCDs, CMOS sensors, avalanche photodiodes (APDs), MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) -based detectors and / or PSDs (Position Sensitive Devices) can be used as photosensitive sensors / detectors.
  • a cross correlation between the two sensors of the camera or the two halves of the one sensor of the camera carried out.
  • a clear identification of the imaged points on the sensors of the camera is possible.
  • an evaluation of the focus size of the pixels of the particles on the sensors proves to be advantageous.
  • the color information can be used to identify the particles.
  • a plurality of images of the object are recorded at respectively different detection angles, wherein the individual images are taken in quick succession, preferably at a video rate (for example 24 images per second).
  • the light source is operated pulsed for illuminating the object.
  • the sensors of the camera can be operated with shuttem.
  • CCD chips as sensors, preferably, frame transfer CCDs are used.
  • the luminescent light can be detected advantageously with two colors.
  • an interference light suppression can be achieved in this way by separating detection light, which results from a possible autofluorescence of the object, from the actual fluorescent light of the particles.
  • an artificial blur is generated for the image recording.
  • This blurring can be realized, for example, by imposing a vibration movement with a small amplitude on the sensors and / or an upstream imaging optics, which can be embodied, for example, as a microlens array.
  • This approach will be particular then applied if it turns out that the images of the particles on the sensor are too small. Due to the oscillatory motion of the pixel increases and by gravity formation can be determined its exact position.
  • the surface structure of the object can also be determined by means of a holographic method.
  • the illumination light is split by means of a beam splitter into a reference beam and into an object beam. Since the temporal and spatial stability of an interference pattern formed by the superposition of the wave fields is a decisive prerequisite for the creation of holograms, a spatial fixation of object and camera is advantageous. In that regard, this method is particularly suitable for measuring teeth outside the oral cavity.
  • the illumination light can be fed in a conventional manner via optical fibers.
  • the device can be designed for application as a spray nozzle.
  • the spray nozzle is arranged on a probe, which is fed by the illumination light source.
  • a probe-like arrangement could be inserted into any kind of body cavity.
  • FIG. 2 is a schematic view of a second embodiment of an inventive arrangement with a camera with a single photosensitive sensor
  • FIG. 3 is a schematic view of an image taken with the sensor of FIG. 2 and FIG
  • FIG. 4 shows a schematic view of a third exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for carrying out a holographic method.
  • Fig. 1 shows - schematically - a first embodiment of an inventive arrangement for optical measurement of the surface profile of an object 1, wherein it is in the concrete to the measurement of a tooth 2.
  • the tooth 2 has been prepared by applying a dot-shaped structure to the surface.
  • the punctiform structure consists of individual particles 3, which adhere to the surface of the tooth 2.
  • a dot-shaped structure to the surface.
  • the punctiform structure consists of individual particles 3, which adhere to the surface of the tooth 2.
  • Tooth material form the particles 3 an optical contrast and act in the illumination of the tooth 2 by means of an illumination light source 4 as individual scattered light centers.
  • the light source 4 is preferably designed as a laser, as an LED or as a cold light source. Also, the light of a normal lamp or sunlight can be used to illuminate the object 1. Preferably, illumination in the visible wavelength range between 400 and 800 nm is used.
  • the detection light reflected or scattered by the individual particles 3 first passes through a color filter 5 and is then imaged with lenses 6 on two executed as CCD chips 7 sensors 8 a camera, not shown.
  • the lenses 6 and the CCDs 7 are matched to one another such that the resolution of the optics or of the CCDs 7 is sufficient for the detection of the individual particles 3.
  • the vote is chosen so that the detection light of each particle 3 meets a few pixels of a CCD 7.
  • the viewing angle is changed and the dot structure is recorded again.
  • a video sequence is created by consecutively taking a plurality of images of the object 1 from different directions.
  • hidden areas of the object 1 are also detected during an image acquisition from a certain observation angle.
  • the three-dimensional image of the tooth 2 to be measured is calculated by means of a triangulation method.
  • the distance of the two CCD chips 7 of the camera serves as a base length.
  • FIG. 2 and 3 show a second embodiment of an inventive arrangement, wherein - in contrast to the arrangement of FIG. 1 - the detection light of the individual particles 3 is detected only with a CCD 7.
  • the same reference numerals designate the same components as in FIG. 1.
  • a plurality of exposures of the object 1 are taken from different positions, i. taken at different viewing angles.
  • the recordings are preferably made at a video rate, i. for example, with 24 frames per second, recorded.
  • the relative position of the camera can be determined either from the relative camera position or, similar to the GPS principle, directly from the 3-D position.
  • Position of the individual particles 3 are calculated.
  • Fig. 4 finally shows - also schematically - a third embodiment of an inventive arrangement, wherein the three-dimensional structure of the tooth 2 to be measured is determined there by means of a holographic method.
  • the illumination light beam emitted by an illumination light source 4 designed as a laser 9 first passes through a lens 10 and is then split into two partial beams by means of a beam splitter 11.
  • the one partial beam reference beam 12 is directed via a first deflecting mirror 13 directly onto a photosensitive sensor 8 of a camera.
  • the second partial beam - object beam 14 - is directed via a second deflection mirror 15 to the object 1 to be measured and serves to illuminate the applied to the surface of the object 1 point-like structure.
  • each particle 3 generates Fresnel zone plates on the sensor 8 designed as a CCD 7. Its phase is stored on the CCD 7 by superposition with the reference beam 12.

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Abstract

Ein Verfahren und eine Anordnung zum optischen Vermessen des Oberflächenprofils von Objekten, insbesondere von Zähnen, Zahnreihen oder Zahnstümpfen, sind im Hinblick auf das Erreichen einer hohen Messgenauigkeit mit einfachen Mitteln dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur auf die Oberfläche des Objekts (1) aufgebracht wird, wobei sich die Struktur aus einzelnen, auf der Oberfläche des Objekts (1) verteilten Messpunkten zusammensetzt, dass das Objekt (1) mittels einer Lichtquelle (4) beleuchtet wird und dass von der aufgebrachten Struktur ausgehendes Detektionslichts mittels einer Kamera unter verschiedenen Beobachtungswinkeln detektiert und aus den Kamerabilddaten das Oberflächenprofil des Objekts (1) berechnet wird.

Description

Verfahren und Anordnung zur optischen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten, insbesondere von Zähnen, Zahnreihen oder Zahnstümpfen.
Verfahren und Anordnungen der hier in Rede stehenden Art sind seit geraumer Zeit in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und werden insbesondere eingesetzt, um eine hohe Passgenauigkeit bzw. Randschlussgenauigkeit von Zahnkronen zu erzielen. Einige der bekannten Verfahren arbeiten nach dem Streifenprojektionsverfahren, wobei ein Streifenmuster bzw. eine Gitterstruktur optisch auf die Oberfläche des zu vermessenden dreidimensionalen Objekts projiziert wird. Aus einer um einen Triangulationswinkel verkippten Blickrichtung erscheinen die Streifen durch die Topografie verbogen, d.h. die Höheninformation wird in die Phase des detektierten und verformten Streifenmusters übersetzt. Durch einen aus der Interferometrie bekannten statischen oder dynamischen Algorithmus der Phasengewinnung kann zunächst die Phasenkarte ermittelt werden, die dann durch das sog. Phase-Unwrapping in die Topografie umgerechnet wird. Unter dieser Voraussetzung lassen sich die Pixelkoordinaten eines Streifenbildes auf einem CCD-Kamerachip in die entsprechenden Objektkoordinaten umrechnen.
Bei den bekannten Verfahren, die nach dem Streifenprojektionsverfahren arbeiten, wirkt sich der Umstand nachteilig aus, dass das Zahnmaterial transluzent ist. Aufgrund der Transluzenz dringt das auf die Oberfläche des Zahns projizierte Streifenmuster teilweise in den Zahn ein. Dabei kann die Eindringtiefe zusätzlich auch von der Oberflächenbeschaffenheit des Zahnmaterials abhängen. Durch das Eindringen des Streifenmusters in das Zahninnere wird das Abbild der Oberflächenstruktur des Zahns verfälscht, was eine deutliche Verschlechterung des Messergebnisses zur Folge hat. Zur Umgehung dieses Problems ist vorgeschlagen worden, auf die Oberfläche eine Schicht aus Kontrastpuder zur Mattierung oder eine Schicht einer fluoreszierenden Flüssigkeit aufzubringen. Durch diese Maßnahmen wird zwar das Problem gelöst, dass das projizierte Streifenmuster teilweise in den Zahn eindringt. Allerdings bringt das Vorsehen einer zusätzlichen Schicht einen Nachteil dahingehend mit sich, dass es sich auch bei hoher Geschicklichkeit des Anwenders nicht vermeiden lässt, dass die Schicht unterschiedliche Dicken aufweist. Unterschiedliche Schichtdicken führen allerdings beim anschließenden Projizieren der Streifenstruktur wiederum zu Messungenauigkeiten.
Als Alternative zu dem Streifenprojektionsverfahren ist der Einsatz von konfokalen Laserscan-Mikroskopen zur Zahnvermessung bekannt. Der Einsatz eines Konfokalmikroskops ist allerdings nicht nur äußerst kostenintensiv, sondern weist zudem gravierende Nachteile im Hinblick auf die zu erzielende Aufnahmegeschwindigkeit sowie im Hinblick auf die Komplexität des Systems auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Anordnung zur optischen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten, insbesondere von Zähnen, Zahnreihen oder Zahnstümpfen, derart auszugestalten und weiterzubilden, dass mit einfachen Mitteln eine hohe Messgenauigkeit erreicht ist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur auf die Oberfläche des Objekts aufgebracht wird, wobei sich die Struktur aus einzelnen, auf der Oberfläche des Objekts verteilten Messpunkten zusammensetzt, dass das Objekt mittels einer Lichtquelle beleuchtet wird und dass von der aufgebrachten Struktur ausgehendes Detektionslichts mittels einer Kamera unter verschiedenen Beobachtungswinkeln detektiert und aus den Kamerabilddaten das Oberflächenprofil des Objekts berechnet wird.
Des Weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf eine Anordnung zur optischen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten durch die Merkmale des Patentanspruchs 28 gelöst. Danach ist die erfindungsgemäße Anordnung gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Aufbringen einer Struktur aus einzelnen, auf der Oberfläche des Objekts verteilten Messpunkten, eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Objekts, eine Kamera zur Detektion des von der aufgebrachten Struktur ausgehenden Detektionslichts unter verschiedenen Beobachtungswinkeln sowie eine Auswerteeinheit zur Berechnung des Oberflächenprofils des Objekts aus den Kamerabilddaten.
In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass sowohl bei einer Mattierungsschicht zur Erzeugung eines Untergrunds für ein zu projizierendes Streifenmuster, als auch bei einer Fluoreszenzschicht, welche die Oberfläche des zu vermessenden Objektes vollständig abdecken, Messungenauigkeiten aufgrund ungleichmäßiger Schichtdicken unvermeidbar sind. In weiter erfindungsgemäßer Weise ist sodann erkannt worden, dass zur 3D-Messung eines Objekts keine die Oberfläche des Objekts vollständig oder zumindest bereichsweise abdeckende Schicht notwendig ist, sondern dass vielmehr einzelne, die Oberfläche des Objekts repräsentierende Markierungen ausreichen. Erfindungsgemäß wird daher eine Struktur auf die Oberfläche des Objekts aufgebracht, wobei sich die Struktur aus einzelnen, auf der Oberfläche des Objekts verteilten Messpunkten zusammensetzt. Mit anderen Worten werden durch das Aufbringen der Struktur zufällig verteilte Stützpunkte auf der Oberfläche des Objekts generiert. Diese Stützpunkte definieren Messpunkte in der Weise, dass das bei Beleuchtung des Objekts von der Struktur ausgehende Licht als Detektionslicht mittels einer Kamera nachgewiesen wird. Im Konkreten wird das von der aufgebrachten Struktur ausgehende Detektionslicht unter verschiedenen Beobachtungswinkeln detektiert und aus den Kamerabilddaten das Oberflächenprofil des Objekts berechnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung arbeiten mit hoher Genauigkeit, da die Oberfläche des Objekts unmittelbar anhand der in physischer Form auf das Objekt aufgebrachten Struktur vermessen werden kann.
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung wird als Struktur eine Punktstruktur verwendet, die durch Aufbringen einzelner Partikel auf die Oberfläche des Objekts erzeugt wird. Als Detektionslicht kann das von der - A -
Struktur reflektierte und/oder gestreute und/oder polarisierte Licht detektiert werden. Die aufgebrachten Partikel fungieren dabei quasi jeweils als individuelle Streulichtzentren. Im Falle der Verwendung einer lumineszierenden Struktur wird als Detektionslicht das in Folge der Beleuchtung von der Struktur ausgehende Fluoreszens- und/oder Phosphoreszenzlicht detektiert.
Im Hinblick auf eine problemlose Verteilung der Partikel auf der Oberfläche des Objekts bietet sich ein Aufbringen der Partikel als Lösung an. Bevorzugt sind die Partikel dabei in Alkohol gelöst, da dieser nach der Applikation schnell verdunstet. Alternativ ist auch ein Aufbringen der Partikel als Emulsion oder als Suspension möglich.
Eine für einen Patienten besonders angenehme Applikation kann dadurch erreicht werden, dass die Partikel bspw. durch eine (Mund-)Spülung oder als
Spray aufgebracht werden. Weiter denkbar ist ein Aufbringen der Partikel als
Tinktur oder mittels eines Films oder einer Folie. Insbesondere bei der
Vermessung von Zähnen werden die Partikel bevorzugt mittels eines
Kaugummis aufgebracht. Im Hinblick auf eine leichte Entfernbarkeit nach Abschluss der Messung werden die Partikel in vorteilhafter Weise in einer abwaschbaren, abspülbaren und/oder abziehbaren Form aufgebracht.
Im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung der Partikel kann vorgesehen sein, dass es sich um Nanopartikel handelt, deren Größe in einem Bereich kleiner gleich 1 μm liegt. Nanopartikel erweisen sich insoweit als besonders vorteilhaft, als ihre Größe kleiner als die optische Auflösung ist. Nachteilig ist allerdings, dass Nanopartikel in Zellen eindringen und toxisch wirken können. Zur Vermeidung dieses Problems werden in vorteilhafter Weise Partikel mit einer Größe in einem Bereich zwischen 1 μm und vorzugsweise 200 μm verwendet. Partikel in dieser Größenordnung vereinen mehrere Vorteile: Zum einen sind sie nicht toxisch, zum anderen liefern sie angesichts ihrer größeren Fläche mehr Detektionslicht als Nanopartikel, wobei ihr Durchmesser immer noch kleiner ist als die optische Auflösung.
Hinsichtlich der konkreten Art der Partikel kann vorgesehen sein, dass diese aus Metall sind, wodurch sich eine besonders gute Reflexion des Beleuchtungslichts von den Partikeln ergeben würde. Alternativ können sog. „Beads" oder mit sog. „quantum dots" markierte Partikel eingesetzt werden. „Quantum dots" (Quantenpunkte) sind nanoskopische Strukturen aus Halbleitermaterialien, deren optische Eigenschaften durch Beeinflussung ihrer Form, ihrer Größe oder der Anzahl ihrer Elektronen maßgeschneidert werden können.
Im Hinblick auf eine einfache Identifizierung der einzelnen Partikel kann vorgesehen sein, dass mehrfarbige Partikel eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu Partikeln, welche das Beleuchtungslicht im Wesentlichen reflektieren und/oder streuen, können auch aktive Partikel eingesetzt werden, die in Folge von Bestrahlung selbst Detektionslicht emittieren. Im Konkreten kann es sich dabei um mit Fluorophoren markierte Partikel, um fluoreszierende Proteine, bspw. in Form von Bakterien mit GFP (Green Fluorescence Proteins) und/oder um autofluoreszierende Partikel, wie sie z.B. in Lebensmitteln vorkommen, handeln.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Oberflächenprofil des Objekts unter Anwendung eines Triangulationsverfahrens berechnet wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Kamera zwei räumlich voneinander beabstandete photosensitive Sensoren bzw. Detektoren umfasst. Jeder Partikel auf der Oberfläche des Objekts wird auf jedem der beiden Sensoren, d.h. doppelt, abgebildet. Der Abstand zwischen den beiden Sensoren kann dabei als Basislänge in die Berechnungen im Rahmen des Triangulationsverfahrens einfließen. Als photosensitive Sensoren/Detektoren können bspw. CCD-Chips, EMCCDs, CMOS-Sensoren, Lawinenfotodioden (APDs), MEMS (Micro-Electro- Mechanical System)-basierte Detektoren und/oder PSDs (Position Sensitive Devices) eingesetzt werden.
Anstelle einer Kamera mit zwei voneinander separierten photosensitiven Sensoren ist auch die Verwendung einer Kamera mit nur einem Sensor möglich. Dabei wird das von einem Punkt der Struktur ausgehende Detektionslicht zu gleichen Teilen auf je eine Hälfte des Sensors abgebildet.
In vorteilhafter Weise wird zwischen den beiden Sensoren der Kamera bzw. den beiden Hälften des einen Sensors der Kamera eine Kreuzkorrelation durchgeführt. Auf diese Weise ist eine eindeutige Identifikation der abgebildeten Punkte auf den Sensoren der Kamera möglich. Als zusätzliches Hilfsmittel zur eindeutigen Identifikation der abgebildeten Punkte erweist sich eine Auswertung der Fokusgröße der Bildpunkte der Partikel auf den Sensoren als vorteilhaft. Bei der Verwendung mehrfarbiger Partikel kann darüber hinaus die Farbinformation zur Identifikation der Partikel herangezogen werden.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden mehrere Bilder des Objekts unter jeweils verschiedenen Detektionswinkeln aufgenommen, wobei die einzelnen Bilder schnell hintereinander, vorzugsweise mit einer Videorate (bspw. 24 Bilder pro Sekunde), aufgenommen werden. Diese Maßnahmen erlaubt ein Tracking bzw. eine
Nachverfolgung der einzelnen Punkte der Struktur über die einzelnen Bilder hinweg, so dass die unterschiedlichen digitalen Bilder korrekt zu einem dreidimensionalen Bild des Objekts zusammengefügt werden können.
In weiter vorteilhafter Weise wird die Lichtquelle zur Beleuchtung des Objekts gepulst betrieben. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, Bildaufnahme und Detektion zu synchronisieren, wobei die Sensoren der Kamera in diesem Fall mit Shuttem betrieben werden können. Im Falle des Einsatzes von CCD- Chips als Sensoren werden bevorzugt Frame Transfer CCDs eingesetzt.
Für den Fall, dass eine Struktur aus fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Partikeln auf das zu vermessende Objekt aufgebracht wird, kann das Lumineszenzlicht in vorteilhafter Weise mit zwei Farben detektiert werden. Durch Lineares Unmixing kann auf diese Weise eine Störlichtunterdrückung erreicht werden, indem Detektionslicht, das von einer möglichen Autofluoreszenz des Objekts herrührt, von dem eigentlichen Fluoreszenzlicht der Partikel getrennt wird.
Im Hinblick auf eine besonders effiziente Auswertung kann vorgesehen sein, dass für die Bildaufnahme eine künstliche Unscharfe erzeugt wird. Diese Unscharfe kann bspw. dadurch realisiert werden, dass den Sensoren und/oder einer vorgeschalteten Abbildungsoptik, die bspw. als Mikrolinsenarray ausgeführt sein kann, eine Schwingungsbewegung mit kleiner Amplitude aufgeprägt wird. Diese Vorgehensweise wird insbesondere dann angewandt, wenn sich herausstellt, dass die Abbildungen der Partikel auf dem Sensor zu klein sind. Durch die Schwingungsbewegung vergrößert sich der Bildpunkt und durch Schwerpunktsbildung kann seine genaue Position ermittelt werden.
Die Oberflächenstruktur des Objekts kann auch mittels eines holografischen Verfahrens bestimmt werden. Dazu wird das Beleuchtungslicht mittels eines Strahlteilers in einen Referenzstrahl und in einen Gegenstandsstrahl aufgeteilt. Da für die Erstellung von Hologrammen die zeitliche und räumliche Stabilität eines durch die Überlagerung der Wellenfelder ausgebildeten Interferenzmusters eine entscheidende Voraussetzung ist, ist eine räumliche Fixierung von Objekt und Kamera vorteilhaft. Insoweit bietet sich dieses Verfahren insbesondere zur Vermessung von Zähnen außerhalb der Mundhöhle an.
Prinzipiell ist die Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten in jeglicher Art von Körperhöhle, so bspw. im Ohr, möglich. Auch eine Vermessung von Objekten innerhalb des Körpers unter Einsatz von endoskopischen Verfahren ist denkbar. Das Beleuchtungslicht kann dabei in an sich bekannter Weise über Lichtleitfasern eingespeist werden.
Im Hinblick auf ein besonders einfaches Aufbringen der Struktur auf das zu vermessende Objekt kann die Einrichtung zum Aufbringen als Sprühdüse ausgeführt sein. In besonders vorteilhafter Weise ist die Sprühdüse an einer Sonde angeordnet, welche von der Beleuchtungslichtquelle gespeist wird.
Eine sondenartige Anordnung ließe sich in jegliche Art von Körperhöhle einführen.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Patentansprüchen 1 und 29 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 in einer schematischen Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Kamera mit zwei photosensitiven Sensoren,
Fig. 2 in einer schematischen Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Kamera mit einem einzigen photosensitiven Sensor,
Fig. 3 in einer schematischen Ansicht ein mit dem Sensor aus Fig. 2 aufgenommenes Bild und
Fig. 4 in einer schematischen Ansicht ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung eines holografischen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt - schematisch - ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur optischen Vermessung des Oberflächenprofils eines Objekts 1 , wobei es sich im Konkreten um die Vermessung eines Zahns 2 handelt. Zunächst ist der Zahn 2 präpariert worden, indem eine punktförmige Struktur auf die Oberfläche aufgebracht worden ist. Die punktförmige Struktur besteht aus einzelnen Partikeln 3, die an der Oberfläche des Zahns 2 anhaften. Vor dem Hintergrund des transluzenten
Zahnmaterials bilden die Partikel 3 einen optischen Kontrast und fungieren bei der Beleuchtung des Zahns 2 mittels einer Beleuchtungslichtquelle 4 als individuelle Streulichtzentren.
Die Lichtquelle 4 ist bevorzugt als Laser, als LED oder als Kaltlichtquelle ausgeführt. Auch das Licht einer normalen Lampe oder Sonnenlicht kann zur Beleuchtung des Objekts 1 verwendet werden. Vorzugsweise wird eine Beleuchtung im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 800 nm verwendet.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel durchläuft das von den einzelnen Partikeln 3 reflektierte bzw. gestreute Detektionslicht zunächst einen Farbfilter 5 und wird sodann mit Linsen 6 auf zwei als CCD-Chips 7 ausgeführte Sensoren 8 einer nicht näher dargestelltenKamera abgebildet. Die Linsen 6 und die CCDs 7 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass die Auflösung der Optik bzw. der CCDs 7 zur Detektion der einzelnen Partikel 3 ausreichend ist. Im Konkreten ist die Abstimmung so gewählt, dass das Detektionslicht jedes einzelnen Partikels 3 auf wenige Pixel einer CCD 7 trifft.
Nach erfolgter Bildaufnahme wird der Betrachtungswinkel verändert und die Punktstruktur erneut aufgenommen. Mit anderen Worten wird eine Videosequenz erstellt, indem nacheinander mehrere Bilder des Objekts 1 aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommen werden. Auf diese Weise werden auch bei einer Bildaufnahme aus einem bestimmten Beobachtungswinkel verdeckte Bereiche des Objekts 1 erfasst. Aus den vorliegenden Bildern wird über ein Triangulationsverfahren das dreidimensionale Bild des zu vermessenden Zahns 2 errechnet. Für die Berechnungen im Rahmen des Triangulationsverfahrens dient der Abstand der beiden CCD-Chips 7 der Kamera als Basislänge.
Fig. 2 und 3 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, wobei - im Gegensatz zu der Anordnung gemäß Fig. 1 - das Detektionslicht der einzelnen Partikel 3 nur mit einer CCD 7 detektiert wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile wie in Fig. 1 .
Wie bereits in Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, werden mehrere Aufnahmen des Objekts 1 aus verschiedenen Positionen, d.h. unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln aufgenommen. Die Aufnahmen werden vorzugsweise mit einer Video-Rate, d.h. bspw. mit 24 Bildern pro Sekunde, aufgenommen. Unter Ausnutzung der Überbestimmtheit bzw. Redundanz des Systems kann aus der Gesamtheit der Aufnahmen entweder die relative Kamera-Position oder - ähnlich dem GPS-Prinzip - direkt die 3-D-
Position der einzelnen Partikel 3 errechnet werden.
Bei dem beschriebenen Verfahren erhält man einen weiteren
Informationsgewinn dadurch, dass - wie in Fig. 2 schematisch angedeutet - die Fokusgröße der Bildpunkte der einzelnen Partikel 3 auf der CCD 7 ausgewertet werden. Die aus dieser Auswertung resultierenden Zusatzinformationen können zur eindeutigen Identifikation der abgebildeten Punkte in den einzelnen Aufnahmen verwendet werden.
Fig. 4 zeigt schließlich - ebenfalls schematisch - ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, wobei die dreidimensionale Struktur des zu vermessenden Zahnes 2 dort mittels eines holographischen Verfahrens ermittelt wird. Dabei passiert der von einer als Laser 9 ausgeführten Beleuchtungslichtquelle 4 emittierte Beleuchtungslichtstrahl zunächst eine Linse 10 und wird dann mittels eines Strahlteilers 1 1 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Der eine Teilstrahl - Referenzstrahl 12 - wird über einen ersten Umlenkspiegel 13 direkt auf einen photosensitiven Sensor 8 einer Kamera gelenkt. Der zweite Teilstrahl - Gegenstandsstrahl 14 - wird über einen zweiten Umlenkspiegel 15 auf das zu vermessende Objekt 1 gerichtet und dient zur Beleuchtung der auf die Oberfläche des Objekts 1 aufgebrachten punktförmigen Struktur.
Wie in Fig. 4 schematisch angedeutet, erzeugt jedes Partikel 3 Fresnelsche Zonenplatten auf dem als CCD 7 ausgeführten Sensor 8. Deren Phase wird durch Überlagerung mit dem Referenzstrahl 12 auf der CCD 7 gespeichert.
Abschließend sei angemerkt, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich der beispielhaften Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
B e z u g s z e i c h e n l i s t e
1 Objekt
2 Zahn
3 Partikel
4 Beleuchtungslichtquelle
5 Farbfilter
10 6 Linse
7 CCD-Chip
8 photosensitiver Sensor
9 Laser
10 Linse
15 11 Strahlteiler
12 Referenzstrahl
13 Umlenkspiegel
14 Gegenstandsstrahl
15 Umlenkspiegel

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur optischen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten, insbesondere von Zähnen, Zahnreihen oder Zahnstümpfen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Struktur auf die Oberfläche des Objekts (1) aufgebracht wird, wobei sich die Struktur aus einzelnen, auf der Oberfläche des Objekts (1) verteilten Messpunkten zusammensetzt, dass das Objekt (1) mittels einer Lichtquelle (4) beleuchtet wird und dass von der aufgebrachten Struktur ausgehendes Detektionslichts mittels einer Kamera unter verschiedenen Beobachtungswinkeln detektiert und aus den Kamerabilddaten das Oberflächenprofil des Objekts (1) berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Struktur eine Punktstruktur verwendet wird, die durch Aufbringen einzelner Partikel (3) auf die Oberfläche des Objekts (1) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Detektionslicht von der Struktur reflektiertes und/oder gestreutes und/oder polarisiertes Licht detektiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Detektionslicht infolge der Beleuchtung von der Struktur ausgehendes Fluoreszenz- und/oder Phosphoreszenzlicht detektiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) als Lösung, vorzugsweise in Alkohol, aufgebracht werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) als Emulsion oder als Suspension aufgebracht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) durch Spülung oder als Spray aufgebracht werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) als Tinktur, mittels eines Films oder einer Folie oder mittels eines Kaugummis aufgebracht werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) in einer abwaschbaren, abspülbaren und/oder abziehbaren Form aufgebracht werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Partikeln (3) um Nanopartikel mit einer Größe im Bereich kleiner als 1 μm handelt.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Partikeln (3) um Partikel mit einer
Größe im Bereich zwischen einem 1 μm und vorzugsweise 200 μm handelt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Partikeln (3) um Metallpartikel, um Beads und/oder um Quantendots handelt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrfarbige Partikeln (3) eingesetzt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Partikeln (3) um mit Fluorophoren markierte Partikel, um fluoreszierende Proteine und/oder um autofluoreszierende Partikel handelt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil des Objekts (1 ) unter Anwendung eines Triangulationsverfahrens berechnet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Kamera eine Kamera mit mindestens zwei voneinander getrennten photosensitiven Sensoren (8) verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass für das Triangulationsverfahren der Abstand zwischen den beiden Sensoren (8) als Basislänge verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Kamera nur einen Sensoren (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das von einem Punkt der Struktur ausgehende Detektionslicht zu gleichen Teilen auf je eine Hälfte des Sensors (8) abgebildet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kreuzkorrelation zwischen den beiden Sensoren (8) der Kamera bzw. zwischen den beiden Hälften des einen Sensors (8) der Kamera durchgeführt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusgröße der Bildpunkte auf den Sensoren (8) ausgewertet wird.
21 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bilder in zeitlich kurzen Intervallen hintereinander, vorzugsweise mit Video-Rate, aufgenommen werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) zur Beleuchtung des Objekts (1 ) gepulst betrieben wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahme und die Detektion synchronisiert werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluoreszenzlicht mit zwei Farben detektiert wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Störlichtunterdrückung durch Lineares Unmixing durchgeführt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufnahme eine künstliche Unscharfe erzeugt wird und die Schwerpunkte der Bildpunkte berechnet werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil des Objekts (1 ) unter Anwendung eines holographischen Verfahrens bestimmt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Objekte (1 ) in Körperhöhlen oder endoskopisch vermessen werden.
29. Anordnung zur optischen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten, insbesondere von Zähnen, Zahnreihen oder Zahnstümpfen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Einrichtung zum Aufbringen einer Struktur aus einzelnen, auf der Oberfläche des Objekts (1 ) verteilten Messpunkten, eine Lichtquelle (4) zur Beleuchtung des Objekts (1 ), eine Kamera zur Detektion des von der aufgebrachten Struktur ausgehenden Detektionslichts unter verschiedenen Beobachtungswinkeln sowie eine Auswerteeinheit zur Berechnung des Oberflächenprofils des Objekts (1 ) aus den Kamerabilddaten.
30. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Aufbringen der Struktur als Sprühdüse ausgeführt ist.
31 . Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühdüse an einer oder in einer in eine Körperhöhle einführbaren, von der Lichtquelle (4) gespeisten Sonde angeordnet ist.
32. Anordnung nach einem der Ansprüche 29 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera einen oder mehrere CCD-Chips (7), EMCCDs, CMOS-Sensoren, Lawinenfotodioden (APDs), MEMS (Micro- Electro-Mechanical System)-basierte Detektoren und/oder PSDs (Position Sensitive Devices) umfasst.
33. Anordnung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, gekennzeichnet durch eine geeignete Optik zur Abbildung des Detektionslichts auf die Kamera.
34. Anordnung nach einem der Ansprüche 29 bis 33, gekennzeichnet durch ein der Kamera vorgeschaltetes Mikrolinsenarray.
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