EP2812649A1 - Vorrichtung zum erfassen der dreidimensionalen geometrie von objekten und verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

Vorrichtung zum erfassen der dreidimensionalen geometrie von objekten und verfahren zum betreiben derselben

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Publication number
EP2812649A1
EP2812649A1 EP13708646.8A EP13708646A EP2812649A1 EP 2812649 A1 EP2812649 A1 EP 2812649A1 EP 13708646 A EP13708646 A EP 13708646A EP 2812649 A1 EP2812649 A1 EP 2812649A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
handpiece
camera
power supply
operated
projector
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13708646.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Nowak
Horst Koinig
Jürgen Jesenko
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.)
A Tron3d GmbH
Original Assignee
A Tron3d GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by A Tron3d GmbH filed Critical A Tron3d GmbH
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Publication of EP2812649A1 publication Critical patent/EP2812649A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • A61C9/006—Optical means or methods, e.g. scanning the teeth by a laser or light beam projecting one or more stripes or patterns on the teeth
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    • H04N7/18—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast
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    • A61B2560/0204—Operational features of power management
    • A61B2560/0209—Operational features of power management adapted for power saving
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N2213/00—Details of stereoscopic systems
    • H04N2213/001—Constructional or mechanical details

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting the
  • a handpiece having an optical device with at least one camera and at least one light source.
  • the invention further relates to a method for operating a device for detecting the three-dimensional geometry of objects, in particular teeth, with a handpiece, the at least one position sensor for detecting the change in the spatial position of the handpiece and an optical device with at least one camera for recording Images and having at least one light source for a projector.
  • a device of the type mentioned is known for example from AT 508 563 B.
  • the scope of the invention extends to the inclusion of digital dental and Kieferabrange, the help in the diagnosis, the
  • a position sensor is for example from the
  • the object of the invention is to improve such devices so that they are to operate with the lowest possible power supply.
  • the aim is a value of 500mA or 900mA, for example.
  • This object is achieved in a method of the type mentioned in that is determined by the position sensor in the handpiece, how large a change in the spatial position of the device, and it is determined from how many shots are made by the camera in a defined time unit.
  • Fiber optic cable or many deflecting mirrors avoided. It will be between the light source, so anything that can emit light, for example, the end of a fiber optic cable, and the means for generating the light, such as a laser or the
  • a means for generating the light with a lower power can be used to illuminate the object sufficiently, which is a
  • the rigid mounting of all elements of the optical device means that it is not possible to focus the optics of the camera. All calibrations of the optical device thus take place in advance. It is particularly important to achieve an optimal adjustment of the aperture. A smaller aperture is good for a larger depth of field, with larger aperture less illumination is needed for a sufficiently good recording.
  • Depth information can be obtained.
  • the blurred areas can therefore be used as another source of information.
  • blurred dots, areas, lines or the like can be drawn sharply and thus incorporated into the regular, for example stereometric, process of obtaining three-dimensional data.
  • the scanner is arranged in the course of calibration, for example, over a plane plane at various known distances. Distances that change in increments of 50 ⁇ m have proven to be particularly suitable for this purpose. However, other distances can be used for calibration. In general, the expert in the choice of distances or their changes to the resolution of the means used to capture the two-dimensional images oriented. The better changes in the captured two-dimensional image can be detected, the less changes in the distances between scanner and plane are useful in the course of calibration.
  • Calibration recordings are made of a preferably flat surface.
  • the distances hereby change in steps of preferably 50 ⁇ m.
  • the center axes of the field angles of the cameras are preferably in the calibration recordings
  • Brightness history stored from brightest to darkest areas of points, areas, lines or the like therefore, it is no longer necessary to assume a statistical brightness curve in order to sharpen the images, but one can read off probable edges from an empirical table created during the calibration.
  • the edges selected at the sharpening mark therefore have a much greater accuracy than edges selected by conventional methods.
  • Table is chosen, even before the actual evaluation of the two-dimensional images are estimated how far the subject area was away from the camera, as for
  • the power supply is interrupted on the recording side. So be
  • the handpiece has at least one position sensor, in particular one
  • Acceleration sensor, a magnetic field sensor and / or a tilt sensor determines how large the change in the spatial position of the device is, and determines from this how many pictures are to be taken by the camera in a defined time unit. This avoids the need for more images to be taken from one and the same place with less movement than is necessary for optimal detection of the geometry.
  • the frame rate of the recorded images can be changed, preferably the image rate is between 1 and 30 images per second. Additionally or alternatively, according to a preferred embodiment of the method, the frame rate may also be adjusted depending on whether a larger or smaller power supply is available. This means that more light pulses can be emitted and recorded with a larger power supply than with a lower power supply.
  • optical element in a preferred embodiment form, the optical
  • Setup at least one projector for the projection of patterns.
  • the projection of patterns enhances the possibilities for Capture of the three-dimensional geometry.
  • the field angle of the camera and the field angle of the projector cover each other to at least 50%, preferably at least 80%, more preferably at least 90%.
  • the field angle is the cone-shaped area in which the projection or the recording takes place.
  • the device has an optionally rechargeable electrical energy store. This can fulfill several functions according to the invention.
  • the device can serve as the sole energy source of the device.
  • the device makes sense if the device further has a data memory or a possibility of wireless data transmission. So the device can be moved completely freely without cables.
  • the data is stored, it is expedient to connect the subsequent transmission of the data, for example via a USB connection, with a charging of the energy store.
  • the energy storage a Alternatively, according to the invention, the energy storage a
  • Be auxiliary power source of the device This can be switched on if necessary.
  • it is first determined how much current of the device is available.
  • it is provided in particular that it is determined whether 500mA or 900mA are available to the device, ie whether the device is connected to a USB 2.0 or a USB 3.0 port. If you want to operate the device in a mode that requires 900mA power supply, but has only a power supply of 500mA available, the energy storage system is drawn according to the method as an additional source of energy.
  • a Power supply can be realized for example 500mA or 900mA.
  • two cameras are preferred in one
  • the data captured by the camera become without further
  • Processing or processing forwarded to a processing unit or a storage medium.
  • a processing unit or a storage medium For a processor or chip that usually performs this processing or processing.
  • the further processing in the arithmetic unit can be carried out at least partially in the CPU, but it has been shown that it is particularly with regard to the speed of the
  • Data processing makes sense to process part of the data collected for the acquisition or calculation of the three-dimensional geometry in the GPU. So it is possible the data,
  • Three-dimensional representation on a display or a file available on a storage medium for example, a 3D file in STL format
  • the device may comprise a thermovoltaic element according to a preferred embodiment. With this can be obtained in accordance with a preferred embodiment of the method from the heat which arises during operation, electrical energy. This can then directly to the operation of the
  • Device can be used, on the other hand but, in particular when cooling the device and an energy storage with the energy obtained are fed.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a
  • Fig. 2 shows a schematic view of the underside of a
  • Fig. 1 shows an exemplary embodiment of the
  • a handpiece 1 in which an optical device 2 is located, which contains a light source 3, a projector 4, a first camera 5, a second camera 6 and a mirror 7.
  • a light source 3 In front of the mirror is located in the housing 15 of the handpiece 1, a recess. This is for hygienic reasons and to protect the handpiece in the first
  • the light source 3 is an LED.
  • a means of producing light (not in the drawing).
  • the projector 4 is used to project patterns onto the object. Depending on how the geometry is detected, it can be either regular patterns, such as stripes, or irregular patterns, such as irregular shapes
  • Point pattern, act After the projector 4, the light beam 8 strikes the mirror 7 and is deflected via this onto the object 9 whose geometry is to be detected.
  • the object 9 is a tooth.
  • Object are aligned can also be on the mirror 7
  • the cameras 5, 6 pick up the pattern projected onto the tooth 9, from which the geometry of the tooth 9 is later calculated.
  • the device may be physically connected both to a cable 14 and wirelessly.
  • a wireless connection for example, Bluetooth or WLAN
  • an optionally rechargeable energy store 11 is provided in the handpiece 1. Im dargestellen
  • the drawing also shows a position sensor 12. With this can be determined, how large the spatial movement of the handpiece 1 is.
  • the position sensor 12 for example, an acceleration sensor, a geomagnetic sensor or a
  • Fig. 2 shows a schematic view of the underside of an embodiment of the invention. In this case, two areas 17 are shown, in which a thermovoltai cal element could be placed.
  • thermovoltaic element is arranged directly on the underside, ie the side on which the cover 13 is located, in the vicinity of the optical device 2. This is advantageous because the optical device 2, in particular the projector 4, produces the most heat during operation and this can be used with the least possible losses.
  • this has the advantage that it can be sized larger, but then a heat conductor, which conducts the heat from the optical device 2 to the thermovoltaic element, necessary. Even with a positioning of the
  • thermovoltaic element in the second region 17 is a thermovoltaic element
  • thermovoltaic element Mounting on the underside of the handpiece 1 makes sense, so that according to a preferred embodiment of the invention facing outward, heat-emitting side of the thermovoltaic element is not covered by the hand of the user.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Erfassen der dreidimensionalen Geometrie von Objekten (9), insbesondere Zähnen, weist ein Handstück (1) auf, das wenigstens einen Lagesensor (12) zum Erfassen der Änderung der räumlichen Lage des Handstücks (1) und eine optische Einrichtung (2) mit wenigstens einer Kamera (5, 6) zum Aufnehmen von Bildern und mit wenigstens einer Lichtquelle (3) für wenigstens einen Projektor (4) aufweist. Zunächst wird vom Lagesensor (12) im Handstück (1) ermittelt, wie groß eine Änderung der räumlichen Lage der Vorrichtung ist. Daraus wird bestimmt, wie viele Aufnahmen von der Kamera (5,6) in einer definierten Zeiteinheit gemacht werden.

Description

Vorrichtung zum Erfassen der dreidimensionalen Geometrie von Objekten und Verfahren zum Betreiben derselben
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der
dreidimensionalen Geometrie von Objekten, insbesondere Zähnen, mit einem Handstück, das eine optische Einrichtung mit wenigstens einer Kamera und mit wenigstens einer Lichtquelle aufweist.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Erfassen der dreidimensionalen Geometrie von Objekten, insbesondere Zähnen, mit einem Handstück, das wenigstens einen Lagesensor zum Erfassen der Änderung der räumlichen Lage des Handstücks und eine optische Einrichtung mit wenigstens einer Kamera zum Aufnehmen von Bildern und mit wenigstens einer Lichtquelle für einen Projektor aufweist.
Eine Vorrichtung der Eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der AT 508 563 B bekannt. Der Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich dabei auf die Aufnahme von digitalen Zahn- und Kieferabdrücken, die Hilfestellung bei der Diagnose, die
Überwachung von Zahnbehandlungen sowie die zuverlässige Kontrolle von eingesetzten Implantaten. Neben weiteren Einsatzgebieten im Bereich der Medizin- und Industrietechnik, beispielsweise im Bereich der Endoskopie, können auch Objekte stereometrisch vermessen werden, die schwer zugänglich sind.
Die Verwendung eines Lagesensors ist beispielsweise aus der
US 5,661,519 A bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, solche Vorrichtungen derart zu verbessern, dass sie mit möglichst geringen Stromversorgung zu betreiben sind. Angestrebt wird dabei ein Wert von zum Beispiel 500mA bzw. 900mA.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, dass die optische Einrichtung
ausschließlich starr befestigte Teile aufweist und dass ein Mittel zum Erzeugen von Licht der Lichtquelle im Handstück angeordnet ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass vom Lagesensor im Handstück ermittelt wird, wie groß eine Änderung der räumlichen Lage der Vorrichtung ist, und daraus bestimmt wird, wie viele Aufnahmen von der Kamera in einer definierten Zeiteinheit gemacht werden.
Durch die Anordnung des Mittels zum Erzeugen des Lichts direkt im Handstück werden lange optische Wege, beispielweise über
Glasfaserkabel oder viele Umlenkspiegel, vermieden. Es wird dabei zwischen der Lichtquelle, also allem was Licht aussenden kann, beispielsweise das Ende eines Glasfaserkabels, und dem Mittel zum Erzeugen des Lichts, beispielsweise einem Laser oder dem
Halbleiter einer LED, unterschieden.
Durch den Verzicht auf lange optische Wege kann ein Mittel zum Erzeugen des Lichts mit einer geringeren Leistung verwendet werden um das Objekt ausreichend auszuleuchten, was eine
bemerkenswerte Energieersparnis bedeutet.
Die starre Montage aller Elemente der optischen Einrichtung bedeutet, dass es nicht möglich ist, die Optik der Kamera zu fokussieren. Alle Kalibrierungen der optischen Einrichtung erfolgen also im Vorfeld. Dabei ist es insbesondere wichtig eine optimale Einstellung der Blende zu erreichen. Eine kleinere Blende ist dabei gut für eine größere Schärfentiefe, bei größerer Blende wird eine geringere Ausleuchtung für eine ausreichend gute Aufnahme benötigt.
Mit unscharfen Bereichen in den 2D-Aufnahmen wird dabei auf zweierlei Art verfahren. Zum einen liefern Bereiche, in denen die 2D-Aufnahmen unscharf werden, Informationen über die Entfernung. So können anhand von bereits ermittelten Informationen über die Oberflächenkrümmung aus dem Grad der Unschärfe
Tiefeninformationen gewonnen werden. Die unscharfen Bereiche können also als weitere Informationsquelle verwertet werden. Zum anderen können unscharfe Punkte, Flächen, Linien oder dergleichen scharf gezeichnet werden und so in den regulären, beispielsweise stereometrischen, Prozess der Gewinnung von dreidimensionalen Daten einfließen.
Hierfür wird der Scanner im Zuge des Kalibrierens beispielsweise über einer planen Ebene in verschiedenen bekannten Abständen angeordnet. Abstände die sich, die sich in Schritten von jeweils 50μm ändern, haben sich hierfür als besonders geeignet erwiesen. Es können aber auch andere Abstände zum Kalibrieren verwendet werden. Generell kann sich der Fachmann bei der Wahl der Abstände bzw. deren Änderungen an der Auflösung der verwendeten Mittel zum Erfassen der zweidimensionalen Bilder orientieren. Je besser Änderungen im erfassten zweidimensionalen Bild erkannt werden können, umso geringere Änderungen der Abstände zwischen Scanner und Ebene sind im Zuge des Kalibrierens sinnvoll.
Vor dem eigentlichen Erfassen der dreidimensionalen Geometrie von Objekten folgt daher bevorzugt der Verfahrensschritt, dass aus verschiedenen bekannten Abständen mit dem Scanner
Kalibrieraufnahmen einer vorzugsweise planen Fläche gemacht werden. Die Abstände ändern sich dabei sich dabei in Schritten von bevorzugt 50μm. Weiters sind die Mittelachsen der Feldwinkel der Kameras während der Kalibrieraufnahmen bevorzugt im
wesentlichen normal zu der planen Fläche ausgerichtet.
Für jeden Abstand wird dabei jeweils ein mittlerer
Helligkeitsverlauf von hellsten zu dunkelsten Bereichen der Punkte, Flächen, Linien oder dergleichen gespeichert. Bei einem späteren Aufbereiten von unscharfen zweidimensionalen Aufnahmen muss daher nicht mehr von einem statistischen Helligkeitsverlauf ausgegangen werden, um die Aufnahmen scharf zu zeichnen, sondern man kann wahrscheinliche Ränder aus einer beim Kalibrieren erstellten empirischen Tabelle ablesen. Die beim Scharfzeichen gewählten Ränder haben daher eine sehr viel größere Genauigkeit als aufgrund von herkömmlichen Verfahren gewählte Ränder. Weiters kann, da für einen Helligkeitsverlauf in einer zweidimensionalen Aufnahme ein möglichst ähnlicher Helligkeitsverlauf in der
Tabelle gewählt wird, bereits vor der eigentlichen Auswertung der zweidimensionalen Aufnahmen abgeschätzt werden, wie weit der betreffende Bereich von der Kamera entfernt war, da für
verschiedene Helligkeitsverläufe beim Kalibrieren verschiedene Abstände in der Tabelle hinterlegt wurden.
Kalibrieraufnahmen bei denen die Mittelachsen der Feldwinkel der Kameras um bekannte Winkel zur Fläche geneigt sind, sind ebenso denkbar .
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die
Vorrichtung eine Einrichtung zum Synchronisieren der
Energieversorgung von Lichtquelle und Kamera auf. So werden
Kamera und Lichtquelle entsprechend einer bevorzugten
Durchführungsform des Verfahrens synchron betrieben. Durch das Pulsen von Licht können punktuell große Leistungen bei
verhältnismäßig geringem Energieaufwand erreicht werden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird auch auf Seiten der Aufnahme die Energieversorgung unterbrochen. So werden
unbeleuchtete Aufnahmen vermieden und weiter Energie eingespar
In einer weiters bevorzugten Aus führungs form weist das Handstück wenigstens einen Lagesensor, insbesondere einen
Beschleunigungssensor, einen Magnetfeldsensor und/oder einen Neigungssensor auf. Mit diesem wird verfahrensgemäß ermittelt, wie groß die Änderung der räumlichen Lage der Vorrichtung ist, und daraus bestimmt, wie viele Aufnahmen von der Kamera in einer definierten Zeiteinheit gemacht werden sollen. So kann vermieden werden, dass bei geringer Bewegung mehr Bilder von ein und der selben Stelle gemacht werden, als für eine optimale Erfassung der Geometrie notwendig ist.
In diesem. Sinne kann in einer bevorzugten Durchführungsform die Bildrate der aufgenommenen Bilder verändert werden, bevorzugt liegt die Bildrate zwischen 1 und 30 Bildern pro Sekunde. Zusätzlich oder alternativ kann gemäß einer bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens die Bildrate auch abhängig davon angepasst werden, ob eine größere oder geringere Stromversorgung zur Verfügung steht . So können bei größerer Stromversorgung mehr Lichtpulse ausgesendet und aufgenommen werden als bei niedrigerer Stromversorgung .
In einer möglichen Aus führungs form der Erfindung kann zusätzlich bestimmt werden, wie viele Bilder von einem definierten Bereich erfasst wurden. Aus diesem Wert kann einem aufgenommenen Bereich des Objektes eine Qualität zugeordnet werden, die gegebenenfalls in der 3D-Darstellung der Geometrie des Objektes wiedergegeben werden kann, so dass der Nutzer darauf reagieren kann. Bereiche, von denen nur wenige Daten erfasst wurden, die also eine größere Gefahr von Abweichungen von der Geometrie des Objektes aufweisen, können beispielsweise rot dargestellt werden. Bereiche, in denen die Anzahl der Aufnahmen bereits bei einem für die gewünschte Qualität ausreichenden Wert liegt, können beispielsweise grün dargestellt werden. Weitere Farben für Zwischenstufen sind ebenso denkbar wie für Bereiche, in denen bereits ein optimaler Wert erreicht ist, also weitere Aufnahmen keine wesentliche
Verbesserung der erfassten Daten mehr bringen. Man kann natürlich auch nur Bereiche, die eine mindere Qualität haben, einfärben.
Im Sinne einer Energieersparnis kann nach einem zusätzlichen oder alternativen Verfahrensschritt für einen definierten Bereich ermittelt werden, wie viele Aufnahmen von diesem Bereich bereits gemacht wurden und ab Erreichen einer definierten Anzahl von Aufnahmen keine weiteren Aufnahmen dieses Bereiches machen.
Dieses Maßnahme eignet sich außerdem dazu, die benötigten
Verarbeitungsschritte in einer Recheneinheit, welche die
aufgenommenen Daten verarbeitet, zu optimieren, bzw. benötigte Rechenleistung einzusparen.
In einer bevorzugten Ausführungs form weist die optische
Einrichtung wenigstens einen Projektor zur Projektion von Mustern auf. Die Projektion von Mustern verbessert die Möglichkeiten zur Erfassung der dreidimensionalen Geometrie.
In einer weiters bevorzugten Ausführungsform überdecken der Feldwinkel der Kamera und der Feldwinkel des Projektors einander zu wenigstens 50%, bevorzugt zu wenigstens 80%, besonders bevorzugt zu wenigstens 90%. Der Feldwinkel ist der kegelförmige Bereich, in dem die Projektion bzw. die Aufnahme erfolgt. Durch eine möglichst große Überschneidung wird ein möglichst großer Anteil der aufgewendeten Energie genutzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen gegebenenfalls wieder aufladbaren elektrischen Energiespeicher auf. Dieser kann erfindungsgemäß mehrere Funktionen erfüllen.
Zum einen kann er in einer bevorzugten Ausführungsform als alleinige Energiequelle der Vorrichtung dienen. In diesem Fall ist es sinnvoll, wenn die Vorrichtung weiters einen Datenspeicher oder eine Möglichkeit der kabellosen Datenübertragung aufweist. So kann das Gerät vollkommen frei ohne Kabel bewegt werden. In einer Ausführungs form , bei der die Daten gespeichert werden, ist es zweckmäßig, die spätere Übertragung der Daten, beispielsweise über einen USB-Anschluss , mit einem Aufladen des Energiespeichers zu verbinden.
Alternativ kann erfindungsgemäß der Energiespeicher eine
Hilfsstromquelle der Vorrichtung sein. Diese kann bei Bedarf zugeschalten werden. Dazu wird nach einem bevorzugten Verfahren zunächst ermittelt, wie viel Strom der Vorrichtung zur Verfügung steht. Im Ausführungsbeispiel ist im Speziellen vorgesehen, dass ermittelt wird, ob dem Gerät 500mA oder 900mA zur Verfügung stehen, also ob das Gerät an einem USB 2.0 oder einem USB 3.0 Port angeschlossen ist. Möchte man das Gerät also in einem Modus betreiben, der 900mA Stromversorgung benötigt, hat aber nur eine Stromversorgung von 500mA zur Verfügung, wird der Energiespeicher verfahrensgemäß als zusätzliche Energiequelle hinzu gezogen.
Ähnlich kann analog dazu auch beim Anschluss an einen Low Power USB-Port, der üblicherweise mit 100mA betrieben wird, eine Stromversorgung beispielsweise 500mA oder 900mA realisiert werden .
Alternativ oder zusätzlich kann in einer weiteren bevorzugten Durchführungs form der Erfindung aus dem ermittelten Wert der zur Verfügung stehenden Stromversorgung bestimmt werden, ob das Gerät gegebenenfalls mit zwei oder drei oder mehr Kameras betrieben werden soll. So werden für unterschiedliche Leistungen der
Stromversorgung unterschiedliche Betriebsmodi geschaffen.
Bevorzugt werden dabei zum Beispiel zwei Kameras in einem
Betriebsmodus für 500mA und drei oder mehr Kameras in einem
Betriebsmodus für 900mA betrieben.
In einer besonders bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens werden die von der Kamera erfassten Daten ohne weitere
Verarbeitung bzw. Aufbereitung an eine Recheneinheit oder ein Speichermedium weitergeleitet. So wird der Energieaufwand, der sonst für einen Prozessor bzw. Chip, der diese Verarbeitung bzw. Aufbereitung üblicherweise durchführt, vollkommen vermieden. Die weitere Verarbeitung in der Recheneinheit kann wenigstens teilweise in der CPU erfolgen, allerdings hat es sich gezeigt, dass es insbesondere im Hinblick auf die Schnelligkeit der
Datenverarbeitung sinnvoll ist, einen Teil der für die Erfassung bzw. Berechnung der dreidimensionalen Geometrie erhobenen Daten in der GPU zu verarbeiten. So ist es möglich die Daten,
insbesondere mittels der Kameras aufgenommene zweidimensionale Bilder ohne nennenswerten Zeitverlust direkt in eine
dreidimensionale Darstellung auf einem Display bzw. eine auf einem Speichermedium verfügbare Datei (beispielsweise ein 3D-File im STL- Format) umzuwandeln.
Die Vorrichtung kann nach einer bevorzugten Ausführungsform ein thermovoltaisches Element aufweisen. Mit diesem kann gemäß einer bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens aus der Wärme, welche beim Betrieb entsteht, elektrische Energie gewonnen werden. Diese kann dann zum Einen direkt zum Betreiben der
Vorrichtung verwendet werden, zum Anderen kann aber, insbesondere beim Auskühlen des Gerätes auch ein Energiespeicher mit der gewonnenen Energie gespeist werden.
Weitere bevorzugte Aus- und Durchführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen ünteransprüche.
Die Erfindung wird in der Folge unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer
Ausführungs form der Erfindung und
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht der Unterseite einer
Ausführungs form der Erfindung.
Die Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der
Vorrichtung, bestehend aus einem Handstück 1, in welchem sich eine optische Einrichtung 2 befindet, welche eine Lichtquelle 3, einen Projektor 4, eine erste Kamera 5, eine zweite Kamera 6 sowie einen Spiegel 7 enthält. Vor dem Spiegel befindet sich im Gehäuse 15 des Handstücks 1 eine Ausnehmung. Diese ist aus hygienischen Gründen und zum Schutz der im Handstück 1
befindlichen Bauteile mit einer transparenten Abdeckung 13 versehen .
In dieser Ausführungsform ist die Lichtquelle 3 eine LED. Ein Mittel zum erzeugen des Lichts (in der Zeichnung nicht
dargestellt) befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel also in Form eines Halbleiters direkt in der Lichtquelle 3. Der weitere Verlauf des Lichts innerhalb und außerhalb der Vorrichtung ist durch einen beispielhaften Lichtstrahl 8 dargestellt.
Dieser durchläuft dabei zunächst den Projektor 4. Der Projektor 4 dient dabei der Projektion von Mustern auf das Objekt. Dabei kann es sich, abhängig von der Art der Erfassung der Geometrie, sowohl um regelmäßige Muster, wie beispielsweise Streifen, als auch um unregelmäßige Muster, wie beispielsweise unregelmäßige
Punktemuster, handeln. Nach dem Projektor 4 trifft der Lichtstrahl 8 auf den Spiegel 7 und wird über diesen auf das Objekt 9, dessen Geometrie erfasst werden soll, umgelenkt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Objekt 9 um einen Zahn. In einer in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsform, bei der die
Lichtquelle 3 und der Projektor 4 bereits in Richtung des
Objektes ausgerichtet sind, kann auch auf den Spiegel 7
verzichtet werden.
Die Kameras 5,6 nehmen das auf den Zahn 9 projiziere Muster auf, aus welchem später die Geometrie des Zahns 9 errechnet wird.
Gemäß einer bevorzugten Durchführungsform finden alle
diesbezüglichen Berechnungen in einer Außerhalb des Handstücks 1 befindlichen Recheneinheit statt, wodurch der Stromverbrauch interner Chipsätze bzw. Prozessoren minimiert wird. Zu dieser Recheneinheit kann die Vorrichtung sowohl physisch mit einem Kabel 14 als auch drahtlos verbunden sein. Im Ausführungsbeispiel ist eine drahtlose Verbindung (beispielsweise Bluetooth oder WLAN) vorgesehen. Zu diesem Zweck befindet sich im Handstück ein Mittel zur dratlosen Datenübertragung 10, insbesondere ein Sender und gegebenenfalls ein Empfänger.
Weiters ist im Handstück 1 ein gegebenenfalls wieder aufladbarer Energiespeicher 11 vorgesehen. Im dargestellen
Aus führungsbeispiel dient sie als Hilfsstromquelle der
Vorrichtung. Es kann aber auch vollständig auf ein Kabel am Handstück 1 verzichtet werden, wodurch optimale Bewegungsfreiheit gegeben ist .
Die Zeichnung zeigt außerdem einen Lagesensor 12. Mit diesem kann ermittelt werden, wie groß die räumliche Bewegung des Handstücks 1 ist. Zu diesem Zweck kann der Lagesensor 12 beispielsweise ein Beschleunigungssensor, ein Erdmagnetfeldsensor oder ein
Neigungssensor sein. Kombinationen unterschiedlicher Sensortypen erhöhen dabei die Genauigkeit mit der die Änderung der räumlichen Lage bzw. die Bewegung des Handstücks 1 ermittelt wird. Die Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht der Unterseite auf eine Ausführungsforrm der Erfindung. Dabei sind zwei Bereiche 1 17 gezeigt, in denen ein thermovoltai sches Element platziert werden könnte.
Im ersten Bereich 16, wird das thermovoltaische Element direkt an der Unterseite, also der Seite auf welcher sich die Abdeckung 13 befindet, in der Nähe der optischen Einrichtung 2 angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da die optische Einrichtung 2, insbesondere der Projektor 4, während des Betriebs am meisten Wärme produziert und diese so mit möglichst geringen Verlusten genutzt werden kann .
Wird das thermovoitaische Element im zweiten Bereich 17
platziert, hat dies den Vorteil, dass es größer dimensioniert werden kann, allerdings wird dann ein Wärmeleiter, der die Wärme von der optischen Einrichtung 2 zum thermovoltaischen Element leitet, notwendig. Auch bei einer Positionierung des
thermovoltaischen Elements im zweiten Bereich 17 ist eine
Anbringung an der Unterseite des Handstücks 1 sinnvoll, damit eine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach außen zeigende, Wärme abgebende Seite des thermovoltaischen Elementes nicht von der Hand des Nutzers abgedeckt wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Erfassen der dreidimensionalen Geometrie von Objekten (9) , insbesondere Zähnen, mit einem Handstück (!) , das eine optische Einrichtung (2) mit wenigstens einer
Kamera (5, 6) und mit wenigstens einer Lichtquelle (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische
Einrichtung (2) ausschließlich starr befestigte Teile aufweist und dass ein Mittel zum Erzeugen von Licht der Lichtquelle (3) im Handstück (1) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (2) wenigstens einen Projektor (4) zur Projektion von Mustern aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch
gekennzeichnet, dass eine transparente Abdeckung (13) in einer Ausnehmung in einem Gehäuse (15} des Handstücks (1) vorgesehen ist, welche die optische Einrichtung (2) abdeckt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Synchronisieren der
Energieversorgung von Lichtquelle (3) und Kamera (5 ,6).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch
gekennzeichnet, dass das Handstück (1) wenigstens einen Lagesensor (12) , insbesondere einen Beschleunigungssensor, einen Magnetfeldsensor und/oder einen Neigungssensor
aufweist .
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch
gekennzeichnet, dass der Feldwinkel der Kamera (5, 6) und der Feldwinkel des Projektors (4) einander zu wenigstens 50%, bevorzugt zu wenigstens 80% überdecken, besonders bevorzugt zu wenigstens 90%.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen gegebenenfalls wieder aufladbaren elektrischen Energiespeicher (11) aufweist .
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der gegebenenfalls wieder aufladbare elektrische Energiespeicher (11) alleinige Stromquelle der Vorrichtung ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der gegebenenfalls wieder aufladbare elektrische Energiespeicher (11) eine Hilfsstroraquelle der Vorrichtung ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Mittel (10) zur drahtlosen Datenübertragung aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein thermovoltaisches Element aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärme aufnehmende Seite des thermovoltaischen Elements dem Innenraum des Handstücks (1), insbesondere den
elektrischen Einbauten im Handstück (1) zugewandt ist, und dass eine Wärme abgebende Seite des thermovoltaischen
Elements der Außenseite des Handstücks (1), zugewandt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12 dadurch
gekennzeichnet, dass die wärmeabgebende Seite des
thermovoltaischen Elements mit dem Gehäuse (15) des
Handstücks (1) thermisch leitend verbunden ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 dadurch
gekennzeichnet, dass das thermovoltaische Element mit einer Stromversorgung des Handstücks (1) und/oder mit dem
Energiespeicher (11) verbunden ist.
15. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Erfassen der dreidimensionalen Geometrie von Objekten (9), insbesondere Zähnen, mit einem Handstück (1) , das wenigstens einen
Lagesensor (12) zum Erfassen der Änderung der räumlichen Lage des Handstücks (1) und eine optische Einrichtung (2) mit wenigstens einer Kamera {5, 6) zum Aufnehmen von Bildern und mit wenigstens einer Lichtquelle (3) für wenigstens einen Projektor (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass vom Lagesensor (12) im Handstück (1) ermittelt wird, wie groß eine Änderung der räumlichen Lage der Vorrichtung ist, und daraus bestimmt wird, wie viele Aufnahmen von der Kamera (5 ,6) in einer definierten Zeiteinheit gemacht werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (5, 6) synchron zur Lichtquelle (3) des Projektors (4) betrieben wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16 dadurch
gekennzeichnet, dass die von der Kamera (5, 6) erfassten Daten ohne weitere Verarbeitung bzw. Aufbereitung an eine Recheneinheit oder ein Speichermedium weitergeleitet werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17 dadurch
gekennzeichnet, dass ermittelt wird, wie viel Strom der Vorrichtung zur Verfügung steht .
19. Verfahren nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass
abhängig von der Stromversorgung der Vorrichtung zwei, drei oder mehr Kameras (5, 6) betrieben werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kameras (5, 6) betrieben werden, wenn eine geringere
Stromversorgung beispielsweise von 500mA zur Verfügung steht, und dass drei oder mehr Kameras (5, 6) betrieben werden, wenn eine höhere Stromversorgung beispielsweise von 900mA zur Verfügung steht.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20 dadurch
gekennzeichnet, dass abhängig von der Stromversorgung der Vorrichtung ein, zwei oder mehr Projektoren (4) betrieben werden .
22. Verfahren nach Anspruch 121 dadurch gekennzeichnet, dass ein Projektor betrieben wird, wenn eine geringere
Stromversorgung beispielsweise von 500mA zur Verfügung steht, und dass zwei oder mehr Projektoren {4) betrieben werden, wenn eine höhere Stromversorgung beispielsweise von 900mA zur Verfügung steht
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22 dadurch
gekennzeichnet, dass abhängig von der Stromversorgung der Vorrichtung eine Batterie (11) als zusätzlicher Hilfsstrom verwendet wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23 dadurch
gekennzeichnet, dass die Bildrate der aufgenommenen Bilder zwischen 1 und 30 Bildern pro Sekunde liegt.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24 dadurch
gekennzeichnet, dass für einen definierten
Oberflächenbereich des Objektes (9) ermittelt wird, wie viele Aufnahmen von diesem Bereich bereits gemacht wurden, und dass ab Erreichen einer definierten Anzahl von Aufnahmen keine weiteren Aufnahmen dieses Bereiches mehr gemacht werden .
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25 dadurch
gekennzeichnet, dass bei einer höheren Stromversorgung
Bilder mit einer höheren Bildrate aufgenommen werden und bei einer geringeren Stromversorgung Bilder mit einer geringeren Bildrate aufgenommen werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26 dadurch
gekennzeichnet, dass aus Wärme, welche beim Betrieb der Vorrichtung entsteht, mittels eines thermovoltaischen
Elementes elektrische Energie gewonnen wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27 dadurch gekennzeichnet, dass die mittels des thermovoltaischen Elements gewonnene Energie zum Betreiben der Vorrichtung verwendet wird.
29. Verfahren nach Anspruch 27 dadurch gekennzeichnet, dass die mittels des thermovoltaischen Elements gewonnene Energie im Energiespeicher {11) gespeichert wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 29, dadurch
gekennzeichnet, dass vor dem Erfassen der dreidimensionalen Geometrie von Objekten aus verschiedenen bekannten Abständen Kalibrieraufnahmen eines Musters auf einer vorzugsweise ebenen Fläche gemacht werden, dass dabei ermittelte, von den Abständen abhängige Helligkeitsverläufe gemeinsam mit empirischen Werten von Rändern des Musters in einer Tabelle hinterlegt werden und dass die Tabelle bei einem
Scharfzeichnen zweidimensionaler Aufnahmen im Zuge des Erfassens der dreidimensionalen Geometrie verwendet wird.
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