WO2019185386A1

WO2019185386A1 - Vorrichtung zum dreidimensionalen erfassen einer oberflächenstruktur, insbesondere zum erfassen von zahnoberflächen

Info

Publication number: WO2019185386A1
Application number: PCT/EP2019/056676
Authority: WO
Inventors: Walter Bauer
Original assignee: Dürr Dental SE
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2019-10-03
Also published as: DE102018107710B4; DE102018107710A1

Abstract

Eine Vorrichtung (10) zum dreidimensionalen Erfassen von Zahnoberflächen hat eine chromatisch-konfokalen Optik (14), einer Beleuchtungseinrichtung (12), die ein Raster von zueinander lateral beabstandeten Einzellichtpunkten (34) aufweist, welche jeweils Licht abgeben, dessen Spektrum zeitlich zwischen mindestens zwei Wellenlängenverteilungen variiert. Die Optik (14) bildet die Einzellichtpunkte (34) als ein Raster von Messpunkten auf die Oberflächenstruktur (20) ab, die über eine Sensoreinheit (16) erfasst werden. Um bessere Ergebnisse bei Störlicht zu erhalten, weist die Sensoreinheit (16) einen Lock-In-Sensor (62) auf und eine Steuer- und Auswerteeinheit (18) die Beleuchtungseinrichtung (12) derart an, dass das Spektrum des Lichts an einem Einzellichtpunkt(34) mit einem Wechseltakt (L1, L2) zwischen den mindestens zwei Wellenlängenverteilungen wechselt. Ferner wird das Triggersignal (TR) für den Lock-In-Sensor (62) mit dem gleichen Wechseltakt (L1, L2) erzeugt. Während die Brennweite der Optik (14) nach und nach durchgestimmt wird, wird der Lock-In-Sensor (62) von Zeit zu Zeit ausgelesen, um ein Messsignal in Abhängigkeit der durchgestimmten Brennweite zu erzeugen und eine Tiefeninformation für den jeweiligen Messpunkt aus dem Signalverlauf des jeweiligen Messsignals zu bestimmen.

Description

Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen einer Oberflächenstruktur, insbesondere zum Erfassen von Zahnoberflächen

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen einer Oberflächen struktur, insbesondere zum Erfassen von Zahnoberflächen, mit a) einer chromatisch-konfokalen Optik, die eine optische Achse hat, b) einer Beleuchtungseinrichtung, die ein Raster von zueinander lateral zur optischen Achse beabstandeten Einzellichtpunkten aufweist, welche jeweils Licht abgeben, dessen Spektrum zeitlich zwischen mindestens zwei Wellenlängenverteilungen va riiert, c) wobei die Optik die Einzellichtpunkte derart auf die Oberflächenstruktur abbildet, dass dort ein Raster von Messpunkten erzeugt wird, die voneinander lateral beab- standet sind, d) und mit einer Sensoreinheit, die optisch konjugiert zu den Einzellichtpunkten ange ordnet ist, um das Raster von Messpunkten zu erfassen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

In der Dentalmedizin sind verschiedene 3D-lntraoralscanner zur Erstellung eines digitalen 3D-Abdrucks eines Zahnes bekannt. Dabei kommen verschiedene Prinzipien zur dreidi- mensionalen Erfassung der Oberflächenstruktur des Zahnes zum Einsatz. Viele Systeme ar beiten nach einem Triangulationsverfahren und verwenden Streifen- oder Punktlichtmus ter und einfache CMOS- oder CCD-Kameras zur Bilderfassung.

Andere Systeme verwenden eine Konfokaltechnik zum Ermitteln der Tiefen- bzw. Ab standsinformation. Hierzu wird gewöhnlich ein Raster von Einzellichtpunkten erzeugt, dass mit Hilfe einer chromatisch-konfokalen Optik auf die zu erfassende Oberflächenstruktur abgebildet wird. Die so beleuchtete Oberflächenstruktur wird durch dieselbe Optik wieder zurück auf einen optisch konjugiert angeordneten Sensor abgebildet. Dadurch werden alle auf der Oberflä- chenstruktur scharf abgebildeten Messpunkte auch scharf und mit hoher Intensität in ei nem entsprechend komplementären Raster an der Sensoreinheit abgebildet. Eine solche scharfe Abbildung erfolgt dabei jedoch nur für jene Messpunkte, in welchen der Abstand der Optik zur Oberflächenstruktur für eine bestimmte Wellenlänge des Lichts jeweils die Konfokalbedingung erfüllt. An Messpunkten, an welchen aufgrund des Abstandes die pas- sende Konfokalbedingung nicht erfüllt ist, wird der jeweilige Messpunkt nicht scharf abge bildet, sondern erzeugt als unscharfer Lichtfleck ein breit verteiltes Licht, welches mit deut lich geringerer Intensität in den jeweiligen Pixel der Sensoreinheit zurückfällt.

Derartige 3D-Dentalscanner sind beispielsweise aus der DE 10 2006 007 172 B4, der DE 10 2016 000 415 A1 und der DE 699 284 53 T3 bekannt. Allen diesen Systemen ist die Tatsache gemeinsam, dass die Messsignale von Störlicht überlagert werden, welches die Erkennung der Linien-, Punkte- oder Konfokalbedin- gungspositionen erschwert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung eingangs genannter Art anzugeben, welche hinsichtlich des Einflusses von Störlicht und vorzugsweise auch hinsichtlich stark überbelichteter oder unterbelichteter Signale verbessert ist.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Vorrichtung eingangs genannter Art erreicht, bei der e) die Optik ein elektrisch verstellbares, optisches Element aufweist, mit dessen Hilfe die Brennweite der Optik durchgestimmt werden kann, f) die Sensoreinheit einen Lock-In-Sensor aufweist, der dazu eingerichtet ist, ein Trig gersignal entgegenzunehmen, um für einen Pixel, in welchem im Wesentlichen das von einem zugehörigen Messpunkt kommende Licht erfasst wird, zwischen zwei unterschiedlichen Erfassungsmodi der Lichtintensität umzuschalten, und dass g) eine Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, die Beleuchtungseinrichtung derart anzusteuern, dass das Spektrum des Lichts an einem Einzellichtpunkt mit einem Wechseltakt zwischen den min destens zwei Wellenlängenverteilungen wechselt, das Triggersignal für den Sensor mit dem gleichen Wechseltakt zu erzeu gen, die Brennweite der Optik nach und nach durchzustimmen und den

Bildsensor dabei von Zeit zu Zeit auszulesen, um für einen jeweiligen Mess punkt ein Messsignal in Abhängigkeit der durchgestimmten Brennweite zu erzeugen, und eine Tiefeninformation für den jeweiligen Messpunkt aus dem Signalverlauf des jeweiligen Messsignals zu bestimmen. Der Erfinder hat erkannt, dass man mithilfe sogenannter Lock-in-Sensoren, wie beispiels weise einem Time-Of-Flight-Sensor (TOF-Sensor) oder einem POCT-Sensor, in Kombina tion mit einer durchstimmbaren Brennweite der Optik und der Einspeisung von gegenpha- sig moduliertem Licht bessere Signal-Rauschverhältnisse zur Auswertung der Tiefeninfor mation erzeugen lassen. Derartige Lock-In-Sensoren können mithilfe eines oft rechteckförmigen Triggersignals zwi schen zwei unterschiedlichen Erfassungsmodi für die Lichtintensität umgeschaltet werden.

Beispielsweise kann in Abhängigkeit des Triggersignals innerhalb eines jeweiligen Pixels zwischen zwei unterschiedlichen Speicherelementen für die Erfassung der Lichtintensität umgeschaltet werden. Für jeden Pixel können dann zwei Intensitätswerte ausgelesen wer- den, die jeweils der Aufsummierung der Lichtintensität während der einen oder der ande ren Phase des Triggersignals entsprechen. Eine andere Möglichkeit eines Lock-In-Sensors besteht darin, in Abhängigkeit des Trigger signals die einfallende Lichtintensität in einem Speicherelement entweder aufzuaddieren oder von diesem zu subtrahieren.

Der während einer Auslesephase vom Lock-In-Sensor ausgelesene Wert entspricht dann einem Signal S=S1 -S2, wobei S1 der Lichtintensitäten während der ersten Phase des Trig gersignals und S2 wiederum derjenigen während der zweiten Phase entspricht.

Ein Erfassungsmodus des Lock-In-Sensors kann somit einem Aufaddieren der Intensität und ein anderer Erfassungsmodus dem Subtrahieren entsprechen.

Unterscheiden sich die Lichtintensitäten des einfallenden Lichts der beiden Triggersignal- phasen nicht, so wird ein Intensitätswert von etwa Null ausgelesen. Dies gilt beispielsweise für Störlicht, das keine Taktung entsprechend dem Wechseltakt des Triggersignals auf weist.

Wird nun zwischen zwei insbesondere im Wechseltakt betriebenen Lichtquellen umge schaltet, wird Licht mit einer zeitlich unterschiedlichen Wellenlängenverteilung erzeugt, das auf einen Messpunkt gerichtet wird.

Im Rahmen der Erfindung sind unter gleichem Wechseltakt für die Lichtquellen und das Triggersignal auch entsprechende Vielfache der Taktung einschließlich etwaiger Signal pausen zu verstehen. Entscheidend ist eine Synchronisierung, wonach Licht einer Licht quelle jeweils nur einem der beiden Erfassungsmodi des Lock-In-Sensors zugeordnet wird. Wird für den Messpunkt weder für die eine noch für die andere Spektralverteilung die Konfokalbedingung erfüllt, so wird das dabei entstehende Störlicht sowie das Umge bungslicht in der einen Triggerphase aufaddiert und in der anderen Triggerphase mit im Wesentlichen identischer Intensität wieder abgezogen. Das an diesem Messpunkt erfasste Messsignal ist dann null. Der Wechseltakt für den Lock-In-Sensor und die entsprechende Modulation des

Lichtspektrums kann dabei zwischen etwa 20 kHz und etwa 10 MHz, vorzugsweise zwi schen etwa 50 kHz und etwa 80 kHz, insbesondere bei etwa 62 kHz liegen. Die Erfassung des Messsignals an einem jeweiligen Pixel erfolgt mit Bildraten zwischen etwa 500 Bildern pro Sekunde (fps) und etwa 10.000 fps, vorzugsweise zwischen etwa 1500 fps und etwa 5000 fps, insbesondere bei etwa 3000 fps.

Wird nun währenddessen die Brennweite der Optik nach und nach verstellt, d.h. durchge- stimmt, sodass beispielsweise ein durch die chromatisch-konfokale Optik vorgegebener Messbereich von zwischen etwa 0.5 mm und etwa 5 mm, insbesondere von etwa 1 mm, Messbereich über einen Gesamtmessbereich von zwischen etwa 5 mm und etwa 30 mm, zwischen etwa 10 mm und etwa 20 mm, insbesondere von etwa 15 mm, verschoben, so wird zu irgendeinem Zeitpunkt zunächst für die eine und dann für die andere Wellenlän- genspektralverteilung die Konfokalbedingung an einem Messpunkt erfüllt.

In diesem Fall überwiegt zunächst die Intensität aufgrund der scharfen Abbildung in der ersten Triggerphase, sodass das Messsignal des Pixels mit der nach und nach Verstellung der Brennweite einen Peak beispielsweise nach oben zeigt. Danach wird über den Scan der Brennweite zu irgendeinem Zeitpunkt die Konfokalbedingung für die andere Wellenlän- genspektralverteilung erfüllt, sodass dann die Intensität der zweiten Triggerphase über wiegt. Das Messsignal zeigt daher einen nach unten weisenden Peak.

Der Nulldurchgang zwischen diesen beiden Peaks des Messsignals lässt sich durch ent sprechende Auswertealgorithmen auch bei schlechteren Lichtverhältnissen wie beispiels weise höherem Störlichtanteil und/oder schlechterer Reflektivität der Zahnoberflächen- Struktur gut bestimmen.

Insbesondere kann der entsprechende Pixel auch überbelichtet werden, da es im Grunde nur auf die Flanke zwischen den beiden nach oben und nach unten ragenden Peaks an kommt. Dementsprechend können kostengünstige Sensoren mit kleinerer Dynamik ver wendet werden. Auch kann die Lichtintensität insgesamt erhöht werden, da das Störlicht von benachbarten Messpunkten sich besser ausmittelt.

Anders gesagt sorgt das oben erläuterte Verfahren über die gegenphasige Einspeisung von Licht mindestens zweier unterschiedlicher Wellenlängen dafür, dass im Lock-In-Sensor bzw. einer nachgelagerten Lock-In-Auswertung nicht nur Umgebungslicht im Messsignal eliminiert wird. Sondern es wird auch nahezu alles von den Lichtquellen selbst im Apparat und außerhalb der Messpunkte erzeugte Licht, außer dem durch die Konfokalbedingung scharf abgebildeten Licht, welches durch die Chromatizität der Optik niemals gleichzeitig, also auslöschend, anliegen kann, sondern immer räumlich in der Tiefe und damit zeitlich getrennt auftritt, ausgemittelt.

Durch Justieren der Helligkeit der mindestens zwei Lichtquellen für einen guten Nullwert des Messsignals und durch die prinzipielle Amplitudenunabhängigkeit des Messsignals ist die Messung relativ unempfindlich gegenüber Überbelichtungen und Unterbelichtungen.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, zum Bestimmen der Tiefeninformation zwei Peak-Kurven, insbesondere zwei Gauß-Kurven, an den Signalverlauf des jeweiligen Messsignals zu fitten, um die Position entsprechender Signalpeaks bezüglich der durchgestimmten Brennweite zu ermitteln.

Dadurch kann Tiefeninformation auch bei höherem Störlicht mit einer ausreichenden Ge nauigkeit erfasst werden. Vorzugsweise wird beim Fitten der Peak-Kurven eine Kappung aufgrund von Überbelichtung (Cut-Off-Intensität) berücksichtigt.

Auch kann vorgesehen sein, dass Referenzkurven zur Auswertung des Messsignals heran gezogen werden. Insbesondere können derartige Referenzkurven ab Werk für jede Vor richtung individuell bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Referenzkur ven auch wiederholt beim Endkunden ermittelt werden. Beispielsweise, indem während die Vorrichtung in einer Ablagehalterung liegt, dort anhand einer Referenzstruktur wie einer schrägen Fläche, die im Erfassungsbereich der Vorrichtung angeordnet ist und eine defi nierte Reflektivität hat, die Referenzkurven der einzelnen Messpunkte ermittelt werden.

Alternativ oder zusätzlich zu dieser Art des Fittens kann vorgesehen sein, dass zum Be stimmen der Tiefeninformation mindestens eine Flankenposition mindestens eines Signal- peaks im Signalverlauf des jeweiligen Messsignals, insbesondere der Nulldurchgang einer Flanke zwischen zwei entgegengesetzten Signalpeaks, ermittelt wird. Dies stellt eine einfachere Auswertemethode dar. Zudem ist beispielsweise der Nulldurch gang genau definiert. Gegebenenfalls kann dabei die Nulllinie des Nulldurchgangs durch Fitten des vor und hinter den Signalpeaks liegenden Hintergrundsignals definiert werden.

Auch die am Anfang und am Ende des Signals liegenden Flanken können in die Berech- nung miteinbezogen werden.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Beleuchtungseinrichtung mindestens zwei Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenverteilungen aufweist, die so angeordnet sind, dass sich deren Licht in den Einzellichtpunkten überlagert, und die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, zwischen den beiden Lichtquellen im Wechseltakt umzuschalten. Dadurch wird auf einfache Weise in den Einzellichtpunkten zwischen den beiden Wellen längenverteilungen gewechselt. Die beiden Lichtquellen müssen dazu zumindest teilweise, insbesondere jedoch vollständig, im Gegentakt betrieben werden.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Lichtquellen monochromatische Lichtquellen, insbesondere Laserdioden, sind. Monochromatische Laserdioden eignen sich besonders gut, da deren Wellenlängenvertei lungen sich kaum überlappen. Dadurch kann beispielsweise eine Kombination von blauem und violettem Licht gewählt werden, welches nicht in den Zahnschmelz eindringt.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die Beleuchtungseinrichtung während einer Auslesephase des Lock-In-Sensors zu deaktivie- ren.

Bei einem Lock-In-Sensor, der während des Auslesens ohnehin keine Lichtintensität erfas sen kann, kann so Energie eingespart werden bzw. die Wärmeentwicklung der Vorrichtung insgesamt verringert werden.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das elektrisch verstellbare, optische Element der Optik zum Durchstimmen der Brennweite eine Flüssiglinse ist. Eine Flüssiglinse ist vorteilhaft, da diese keine mechanisch bewegten Bauteile hat. Zur Er höhung der Durchstimmgeschwindigkeit der Brennweite können vorteilhaft zwei Flüssig linsen in Kombination eingesetzt werden.

Unabhängig von der Verwendung einer Flüssiglinse kann das Durchstimmen der Brenn- weite über einen Gesamtmessbereich von zwischen etwa 5 mm und etwa 30 mm, vorzugs weise zwischen etwa 10 mm und etwa 20 mm, insbesondere von etwa 15 mm, erfolgen. Dabei kann der Konfokal-Messbereich, der sich aus den gewählten Wellenlängen der Lichtquellen und der Chromatizität der Optik ergibt, zwischen etwa 0.5 mm und etwa 5 mm, insbesondere bei etwa 1 mm, liegen. Das Durchstimmen der Brennweite kann bei der Erfindung allgemein so erfolgen, dass der gesamte Durchstimmbereich der Brennweite, welcher dem Gesamtmessbereich entspricht, zwischen etwa 50 Bilder und etwa 200 Bilder, vorzugsweise zwischen etwa 100 Bilder und etwa 150 Bilder, insbesondere etwa 130 Bilder umfasst. Der Durchstimmbereich wird daher etwa 10-30 mal pro Sekunde durchgestimmt. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Durchstimmen der Brennweite der Optik in Hin- und Rückrichtung erfolgt, insbesondere entsprechend einem Dreiecksverlauf.

Grundsätzlich wären für das Durchstimmen der Brennweite auch ein Sägezahnverlauf oder andere Durchstimmverläufe beispielsweise sinusförmige Verläufe möglich. Ein im Wesent lichen dreiecksförmiger Verlauf ist jedoch im Hinblick auf eine einfache Auswertbarkeit vorteilhaft. Auch im Hinblick auf im Vergleich zum Triggern und Auslesen des Sensors eher langsamere Einstellzeiten des verstellbaren optischen Elements, insbesondere der Flüssig linse, ist solch ein Verlauf vorteilhaft. Das entsprechende Steuersignal für das optische Ele ment kann zum Erhalt eines möglichst optimalen Verlaufs spezielle Über- oder Unter schwingbereiche umfassen. Durch die Hin- und Rückrichtung des Durchstimmens erschei- nen die Signalpeaks der Konfokalbedingungen der beiden Wellenlängen jeweils gespie gelt. Daher muss die Steuer- und Auswerteeinheit dies berücksichtigen. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass zusätzlich zu dem Sensor zum Erfassen des Messsignals ein Farbbildsensor vorgesehen ist, mit welchem ein Farbbild der gesamten Oberflächen struktur erfasst wird.

Dadurch kann neben dem Erfassen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur ein Farb- bild von dieser aufgenommen werden, welches hauptsächlich dem Bediener als Orientie rungshilfe dienen kann. Je nach Ansteuerung kann diese Aufnahme zeitgleich oder quasi zeitgleich mit der 3D-Erfassung erfolgen. Ferner kann dazu eine weitere Lichtquelle, insbe sondere eine Weißlichtquelle, vorgesehen sein. Vorteilhaft wird diese Lichtquelle und der Farbbildsensor im Umkehrpunkt des verstellbaren optischen Elements und/oder während des Auslesens des Lock-In-Sensors aktiviert.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Beleuchtungseinrichtung mindestens vier monochro matische Lichtquellen aufweist, und die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die vier Lichtquellen abwechselnd zu betreiben.

Da durch die vier Lichtquellen die Tiefeninformation überbestimmt ist, kann man aus den Verhältnissen der Signalpeaks die Farbe der Oberflächenstruktur im Messpunkt bestim men. Die Lichtquellen können beispielsweise nacheinander jeweils alleine angeschaltet werden, wobei das Triggersignal jeweils beim Weiterschalten den Zustand wechselt.

Dadurch erhält man beispielsweise ein Signal S=S1 -S2+S3-S4, das dann zu vier abwech selnden Signalpeaks im Messsignalverlauf führt. Für diesen Gedanken können ggf. auch nur drei Lichtquellen verwendet werden. Allerdings ist hierbei die Ansteuerung hinsichtlich dreier Ansteuersignale in Kombination mit dem Triggersignal schwieriger.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dentalscanners; Figur 2 ein Diagramm, in welchem die Signalverläufe eines Messsignals einer Sensorein heit des Dentalscanners sowie ein Durchstimmsignal der Optik des Dentalscan ners dargestellt sind;

Figur 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit vier mo- nochromatischen Lichtquellen;

Figur 4 ein Diagramm mit den zugehörigen Signalverläufen bei vier Lichtquellen.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFUHRUNGSBEISPIELE

In Figur 1 ist stark vereinfacht eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen einer Oberflächenstruktur 20, insbesondere zur Erfassung eines Zahnabdrucks, gezeigt. Diese Vorrichtung wird nachfolgend kurz als Dentalscanner 10 bezeichnet. Als Hauptkomponenten weist der Dentalscanner 10 eine Beleuchtungseinrichtung 12, eine chromatisch-konfokale Optik 14, eine Sensoreinheit 1 6 sowie eine Steuer- und Auswer teeinheit 18 auf. Diese Hauptkomponenten sind in einem länglichen Intraoralkamerage häuse angeordnet, dass hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Je nach Aus gestaltung können jedoch vor allem die Steuer- und Auswerteeinheit 18 oder Teile davon außerhalb des Intraoralkameragehäuses beispielsweise in Form eines PCs angeordnet sein, der ohnehin für die weitere Verarbeitung des Zahnabdruckes erforderlich ist.

Die Beleuchtungseinrichtung 12 weist zunächst zwei Lichtquellen 22 und 24 auf, welche Licht mit unterschiedlichen Spektren erzeugen. Die beiden Spektren haben dabei einen möglichst geringen Überlapp zueinander. Das heißt, bevorzugt werden Lichtquellen 22, 24 monochromatische Lichtquellen 22, 24 wie Laserdioden unterschiedlicher Wellenlänge verwendet. Das Licht der zweiten Lichtquelle 24 wird dabei über einen Strahlteiler 26, vor zugsweise einen dichroitischen Spiegel, weitestgehend auf den Lichtweg der ersten Licht quelle 22 eingekoppelt.

Im weiteren Verlauf des Strahlengangs ist eine nur schematisch dargestellte Kondensor- linse 28 angeordnet, welche das von den beiden Lichtquellen 22, 24 kommende Licht kolli- miert und auf ein Mikrolinsenarray 30 richtet. In den Lichtquellen 22, 24 oder an deren Ausgang und/oder wie hier angedeutet im weite ren Verlauf des Strahlengangs kann ein strahlhomogenisierendes Element 21 , wie bei spielsweise eine Zylinderlinse und/oder ein homogenisierendes Linsenarray, vorgesehen sein, um eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung des Mikrolinsenarrays 30 zu gewähr- leisten.

Im Fokus des Mikrolinsenarrays 30 ist eine nicht zwingend notwendige Beleuchtungsloch rasterblende 32 angeordnet, deren Blendenöffnungen 34 ein Raster von lateral zur opti schen Achse beabstandeten Einzellichtpunkten definieren.

Im weiteren Verlauf des Strahlengangs werden diese Einzellichtpunkte der Blendenöffnun- gen 34 mit der chromatisch-konfokalen Optik 14 auf die zu erfassende Oberflächenstruk tur 20 hier in Form eines Zahnes 40 als konjugierte Messpunkte 42 abgebildet.

Die chromatisch-konfokale Optik 14 hat eine optische Achse 43 und umfasst im Strahlen gang zunächst einen Strahlteilerwürfel 44, von welchem das Licht in eine chromatisch-kon fokale Linsengruppe 46 eintritt. Dabei kann der Strahlteilerwürfel 44 auch polarisierend ausgeführt sein.

Die chromatisch-konfokale Linsengruppe 46 ist hier nur rein beispielhaft durch eine ein gangsseitige und eine ausgangsseitige Sammellinse 48, 50 sowie zwei plankonkave Zwi schenlinsen 52, 54 repräsentiert, die zwischen sich eine Flüssiglinse 56 als elektrisch ver stellbares optisches Element einbinden. Dadurch kann die Brennweite der Optik 14 durch- gestimmt werden. Ferner kann die chromatisch-konfokale Linsengruppe 46 gezielt eine gewünschte Chromatizität der Optik 14 vorgeben.

Im weiteren Verlauf umfasst die Optik 14 eine Relaisoptik 58 oder im einfachsten Fall ei nen Umlenkspeigel zur Verlängerung und Abwinkelung des Strahlengangs auf den Zahn 40 sowie optional ein l/4-Plättchen 60. Die Sensoreinheit 16 weist einen Time-Of-Flight-Kamerasensor (TOF-Sensor) 62 mit einer Vielzahl von Pixeln auf, der seitlich des Strahlteilerwürfels 44 derart optisch konjugiert zur Beleuchtungslochrasterblende 32 angeordnet ist, dass die Einzellichtpunkte bzw. die Messpunkte auf der Oberflächenstruktur 20 scharf abgebildet werden, wenn die Konfokal- bedingung bei der jeweiligen Wellenlänge erfüllt ist. Aufgrund des Rasterabstands zwi schen den Messpunkten wird dabei nur ein Teil der Pixel des TOF-Sensors 62 zur Erfassung herangezogen. Optional kann vor dem TOF-Sensor 62 noch eine Sensorlochrasterblende 64 vorgesehen sein, deren Raster bis auf eine gegebenenfalls vorhandene Skalierung auf grund der Optik 14 mit der Beleuchtungslochrasterblende 32 übereinstimmen kann.

Für die betreffende Wellenlänge und den betreffenden Abstand der Konfokalbedingung sind die Pixel des TOF-Sensors 62 somit optisch konjugiert zu den Messpunkten und da mit optisch konjugiert zu den Einzellichtpunkten angeordnet. Die Steuer- und Auswerteeinheit 18 ist mit den beiden Lichtquellen 22, 24 verbunden, wo bei in Figur 1 neben den entsprechenden Verbindungsleitung ein exemplarisches Dia gramm mit den entsprechenden Ansteuersignalen L1 und L2 gezeigt ist.

Ferner ist die Steuer- und Auswerteeinheit 18 mit dem TOF-Sensor 62 über eine Trigger signalleitung für ein Triggersignal TR und eine Ausleseleitung zum Auslesen der Pixel ver- bunden.

Schließlich weist der Dentalscanner 10 nach Figur 1 einen zusätzlichen Farbbildsensor 66, einen vorzugsweise dichroitischen Strahlteiler 68 und eine Weißlichtquelle 70 zur quasi gleichzeitigen Erfassung eines Farbbildes der Oberflächenstruktur 20 auf. Nicht gezeigt ist eine gegebenenfalls noch notwendig Abbildungsoptik. Der Dentalscanner 10 arbeitet wie folgt:

Der Dentalscanner 10 wird von der Steuer- und Auswerteeinheit 16 entsprechend dem in der Beschreibungseinleitung ausgeführten Verfahren betrieben.

Daraus ergibt sich dann für einen einzelnen Messpunkt beispielweise der in Figur 2 er sichtlicher Signalverlauf. In dem Diagramm der Figur 2 ist eine nach rechts weisende Zeitachse t gezeigt, gegen über welcher im unteren Bereich des Diagramms die durchgestimmte Brennweite als Sig- nal 80 und im oberen Bereich der Verlauf eines Messsignals 82 für einen einzelnen Mess punkt aufgetragen ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit 18 erfasst somit für jeden Mess punkt dem oberen Messsignal 82 entsprechende Signale, die hier nicht gezeigt sind.

Über die Zeitachse t sind die beiden Signale 80 und 82 korreliert, sodass man im Grunde auch eine Auftragung des Messsignals 82 gegenüber der durchgestimmten Brennweite wählen könnte. Die Analyse in der Steuer- und Auswerteeinheit 18 kann derart arbeiten.

Zu Veranschaulichungszwecken ist die gewählte Darstellung jedoch einfacher nachvoll ziehbar.

Wie man an dem zunächst linear ansteigenden Verlauf des Signals 80 erkennen kann, wird die Brennweite der Optik, hier beispielhaft ausgehend von kurzer zu weiter Brennweite, durchgestimmt. Bei der Position 84 wird dann, wie durch die Darstellung des Zahnes un terhalb des Diagramms skizziert, für das Licht der ersten Lichtquelle 22 die Konfokalbedin- gung erfüllt (L1 an Zahnoberfläche).

Dadurch überwiegt im entsprechenden Pixel des TOF-Sensors 62 die Intensität während der Anschaltphase der ersten Lichtquelle 22 (Ansteuersignal L1 "an") gegenüber der Inten sität während der Anschaltphase der zweiten Lichtquelle 24 (Ansteuersignal L2 "an").

Das Messsignal 82 steigt daher bis zu einem Maximum in einem Aufwärtspeak 90 an und fällt danach aufgrund des weiteren Durchstimmens der Brennweite wieder ab. Denn die Konfokalbedingung wird dann weder für das Licht der ersten Lichtquelle 22 noch für das Licht der zweiten Lichtquelle 24 erfüllt. Die auf den Pixel des TOF-Sensors 62 fallenden In tensitäten von den beiden Lichtquellen sind etwa gleich groß bzw. im Vergleich zu einer Konfokalbedingung gleich klein. Umgebungslicht oder anderes Störlicht mittelt sich eben falls auf. Das Messsignal 82 ist daher klein.

Bei Position 86 ist die Konfokalbedingung für Licht der zweiten Lichtquelle 24 erfüllt (L2 an Zahnoberfläche). Dadurch überwiegt im entsprechenden Pixel des TOF-Sensors 62 die In tensität während der Anschaltphase der zweiten Lichtquelle 24 (Ansteuersignal L2 "an") gegenüber der Intensität während der Anschaltphase der zweiten Lichtquelle 22 (Ansteu ersignal L1 "an"). Das Messsignal 82 sinkt ins Negative und zeigt einen Abwärtspeak 92. Am Übergang zwischen dem Aufwärtspeak 90 und dem Abwärtspeak 92 entsteht so eine Art Nulldurchgang 100, der sich relativ gut beispielsweise durch Fitten von Gauß-Kurven an einen oder beide Peaks bestimmen lässt. Die Position des Nulldurchgangs 100 in Ab hängigkeit der durchgestimmten Brennweite lässt dann einen Rückschluss auf die Entfer- nung der Zahnoberfläche von der Optik zu, sodass die notwendige Tiefeninformation in dem Messpunkt bestimmt werden kann.

Im weiteren Verlauf erreicht die durchgestimmte Brennweite ihr Maximum und läuft da raufhin wieder in umgekehrter Richtung, wie aus dem linear abfallenden Signal 80 erkenn bar ist. Die oben beschriebenen Situationen werden nun ebenfalls in umgekehrter Richtung durchlaufen, sodass bei Position 85 zunächst ein Abwärtspeak 93 und dann bei Position 87 ein Aufwärtspeak 91 im Messsignal 82 entsteht.

Je nach Geschwindigkeit des Durchstimmens der Brennweite und der angestrebten Bild wiederholraten bzw. Erfassungsraten können die Ergebnisse mehrerer Nulldurchgänge o- der mehrere Fittings an die Peaks gemittelt werden, um genauere Tiefeninformationen zu erhalten.

Figur 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit vier Lichtquellen 22, 23, 24 und 25 sowie mit entsprechenden vorzugsweise dichroitischen Strahlteilern 26, 27, 29 zum Ein koppeln in den Strahlengang. Ferner fehlen dem Dentalscanner 10 nach Figur 3 der Farbbildsensor 66, der Strahlteiler 68 und die Weißlichtquelle 70.

Die übrigen Komponenten entsprechen jenen des ersten Ausführungsbeispiels, sodass die entsprechenden Bezugsziffern beibehalten wurden.

Mit dem Dentalscanner 10 nach diesem Ausführungsbeispiel können zusätzlich zur Tiefe- ninformation aus der Auswertung des Messsignals zugleich Informationen über die Farbe der Oberflächenstruktur in einem jeweiligen Messpunkt bestimmt werden. Figur 4 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf mit vier jeweils abwechselnden positiven und negativen Signalpeaks, aus deren Höhenverhältnissen sich Aussagen über die Farbe am Messpunkt treffen lassen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 . Vorrichtung (10) zum dreidimensionalen Erfassen einer Oberflächenstruktur (20), ins besondere zum Erfassen von Zahnoberflächen, mit a) einer chromatisch-konfokalen Optik (14), die eine optische Achse (43) hat, b) einer Beleuchtungseinrichtung (12), die ein Raster von zueinander lateral zur opti- sehen Achse (43) beabstandeten Einzellichtpunkten (34) aufweist, welche jeweils

Licht abgeben, dessen Spektrum zeitlich zwischen mindestens zwei Wellenlän genverteilungen variiert, c) wobei die Optik (14) die Einzellichtpunkte (34) derart auf die Oberflächenstruktur (20) abbildet, dass dort ein Raster von Messpunkten erzeugt wird, die voneinan der lateral beabstandet sind, d) und mit einer Sensoreinheit (16), die optisch konjugiert zu den Einzellichtpunkten (34) angeordnet ist, um das Raster von Messpunkten zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass e) die Optik (14) ein elektrisch verstellbares, optisches Element (56) aufweist, mit dessen Hilfe die Brennweite der Optik (14) durchgestimmt werden kann, f) die Sensoreinheit (1 6) einen Lock-In-Sensor (62) aufweist, der dazu eingerichtet ist, ein Triggersignal (TR) entgegenzunehmen, um für einen Pixel, in welchem im Wesentlichen das von einem zugehörigen Messpunkt kommende Licht erfasst wird, zwischen zwei unterschiedlichen Erfassungsmodi der Lichtintensität umzu- schalten, und dass g) eine Steuer- und Auswerteeinheit (18) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, die Beleuchtungseinrichtung (12) derart anzusteuern, dass das Spektrum des Lichts an einem Einzellichtpunkt (34) mit einem Wechseltakt (L1 , L2) zwischen den mindestens zwei Wellenlängenverteilungen wechselt, das Triggersignal (TR) für den Lock-In-Sensor (62) mit dem gleichen Wech seltakt (L1 , L2) zu erzeugen, die Brennweite der Optik (14) nach und nach durchzustimmen und den Lock- In-Sensor (62) dabei von Zeit zu Zeit auszulesen, um für einen jeweiligen Messpunkt ein Messsignal (82) in Abhängigkeit der durchgestimmten Brenn weite zu erzeugen, und eine Tiefeninformation für den jeweiligen Messpunkt aus dem Signalverlauf des jeweiligen Messsignals (82) zu bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswer- teeinheit (18) dazu eingerichtet ist, zum Bestimmen der Tiefeninformation zwei Peak-

Kurven, insbesondere zwei Gauß-Kurven, an den Signalverlauf des jeweiligen Messsig nals zu fitten, um die Position entsprechender Signalpeaks bezüglich der durchge stimmten Brennweite zu ermitteln.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Tiefeninformation mindestens eine Flankenposition mindes tens eines entsprechenden Signalpeaks im Signalverlauf des jeweiligen Messsignals, insbesondere der Nulldurchgang einer Flanke zwischen zwei entgegengesetzten Sig nalpeaks, ermittelt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) mindestens zwei Lichtquellen (22, 24) mit un terschiedlichen Wellenlängenverteilungen aufweist, die so angeordnet sind, dass sich deren Licht in den Einzellichtpunkten (34) überlagert, und die Steuer- und Auswer teeinheit (18) dazu eingerichtet ist, zwischen den beiden Lichtquellen (22, 24) im Wechseltakt (L1 , L2) umzuschalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei

Lichtquellen (22, 24) monochromatische Lichtquellen, insbesondere Laserdioden, sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (18) dazu eingerichtet ist, die Beleuchtungsein richtung (12) während einer Auslesephase des Lock-In-Sensors (62) zu deaktivieren.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch verstellbare, optische Element (56) der Optik (14) zum Durchstim men der Brennweite eine Flüssiglinse (56) ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchstimmen der Brennweite der Optik in Hin- und Rückrichtung erfolgt, insbesondere entsprechend einem Dreiecksverlauf.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum dem Lock-In-Sensor (62) zum Erfassen des Messsignals ein Farb bildsensor (66) vorgesehen ist, mit welchem ein Farbbild der gesamten Oberflächen struktur (20) erfasst wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) mindestens vier monochromatische Lichtquel len (22, 23, 24, 25) aufweist, und die Steuer- und Auswerteeinheit (18) dazu eingerich tet ist, die vier Lichtquellen (22, 23, 24, 25) abwechselnd zu betreiben.