DE9013454U1 - 3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke - Google Patents

3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke

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DE9013454U1 DE9013454U DE9013454U DE9013454U1 DE 9013454 U1 DE9013454 U1 DE 9013454U1 DE 9013454 U DE9013454 U DE 9013454U DE 9013454 U DE9013454 U DE 9013454U DE 9013454 U1 DE9013454 U1 DE 9013454U1
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Description

Siemens Aktiengesellschaft GR 90 G 8560 DE
3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke
Aus der US-PS 4,575,805 ist eine 3D-Kamera bekannt, mit der eine Oberflächenstruktur eines Aufnahmeobjektes in Hinsicht auf Höhen- bzw. Tiefen-Unterschiede erfaßt werden kann. Diese bekannte 3D-Kamera besitzt einen Projektions- und einen Beobachtungsstrahlengang, die einen Winkel zu einer optischen Achse der 3D-Kamera einnehmen. Im Projektionsstrahlengang ist eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahlenbündels in Richtung zu einem Aufnahmeobjekt angeordnet. Das vom Aufnahmeobjekt reflektierte Licht wird durch den Beobachtungsstrahlengang zu einem Bildsensor der 3D-Kamera gelenkt. Die Signale des Bildsensors können einer Auswerteeinheit zugeführt werden, so daß ein Bild von der Oberflächenstruktur auf einer Anzeigevorrichtung erstellt werden kann. Diese 3D-Kamera eignet sich insbesondere zur Erfassung einer Kavität eines Zahnes.
Aus der EP-O 250 993 A 2 ist ebenfalls eine solche 3D-Kamera bekannt.
Zur Bestimmung der Höhen- bzw. Tiefen-Unterschiede der Oberflächenstruktur sind Mittel zur Erzeugung eines Referenzmusters vorgesehen, derart, daß das Referenzmuster auf die Oberflächenstruktur projizierbar ist. Anhand des von der Oberflächenstruktur reflektierten Lichtes, das auf den Bildsensor auftrifft, und in Verbindung mit einer Auswerteelektronik zur Ausführung eines in den oben genannten Dokumenten näher erläuterten, mit "phase-shifting Triangulation" bezeichneten Verfahrens, kann die Oberflächenstruktur in Hinsicht auf Höhen- bzw. Tiefen-Unterschiede berechnet und auf einem Monitor als pseudodreidirnensionaies Bild dargestellt werden.
Ti/Hgr / 30.07.1990
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2 GR 90 G 8560 DE
Aus den oben genannten Dokumenten ist offenbart, daß vorzugsweise ein linienförmiges Referenzmuster auf die Oberflächenstruktur projiziert wird, welches von einer LCD-Anordnung oder einem mechanischen Gitter erzeugbar ist. Bei einer vorgegebenen Periode des Referenzmusters ergibt sich der Eindeutigkeitsbereich, d.h. der Bereich, in dem ein Höhenunterschied zweier Objektpunkte eindeutig erfaßt werden kann, nach folgender Formel:
Eindeutigkeitsbereich = Periodendauer des Referenzmusters dividiert durch den Tangens des Winkels, den der Projektionsstrahlengang und der Beobachtungsstrahlengang zueinander einnehmen.
Folglich ist bei einer großen Periodendauer auch der Eindeutigkeitsbereich groß, wobei jedoch der Höhenunterschied zweier Objektpunkte nicht so genau erfaßt werden kann. Bei einer kleinen Periodendauer ist der Eindeutigkeitsbereich klein, jedoch kann der Höhenunterschied zweier Objektpunkte mit großer Genauigkeit erfaßt werden.
Da es wünschenswert ist, auch große Höhenunterschiede zweier Objektpunkte eindeutig und genau erfassen zu können, ist es Aufgabe der Erfindung, eine 3D-Kamera der eingangs genannten Art entsprechend auszuführen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine 3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke, mit Mitteln zum Erzeugen eines Lichtstrahlenbündels, welches über einen Projektionsstrahlengang aus einer ersten Richtung zu einem Aufnahmeobjekt lenkbar ist, mit einem Beobachtungsstrahlengang, der einen Bildsensor zum Empfangen des vom Aufnahmeobjekt reflektierten Lichtes aufweist, wobei der Projektionsstrahlengang und der Beobachtungsstrahlengang einen Winkel zueinander einnehmen und mit Mitteln im Projektionsstrahlengang zum Erzeugen eines Referenzmusters derart, daß ein erstes und ein zweites Referenzmuster auf das Aufnahmeobjekt projizierbar ist, gelöst.
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Y GR 90 G 8560 DE
Vorteil der Erfindung ist, daß somit Referenzmuster mit vorzugsweise unterschiedlicher Periode auf das Aufnahmeobjekt projizierbar sind, wodurch gegenüber der Verwendung nur eines Referenzmusters ein wesentlich größerer Höhenunterschied zweier Objektpunkte eindeutig erfaßt werden kann.
Vorteilhafterweise werden linienförmige Referenzmuster auf das Aufnahmeobjekt projiziert, weil sich somit der Höhenunterschied zweier Objektpunkte nach dem Verfahren der "phaseshifting Xriangulation" erfassen läßt.
Sollten Glanzstellen, die bei einer ungünstigen Oberflächenstruktur auftreten können, eine Vermessung der Oberflächenstruktur an dieser Stelle unmöglich machen, da das dort stark reflektierte Licht zu einer Übersteuerung des Bildwandlers in einem Bereich führt, auf dem dieses Licht auftrifft oder sollten Objektflächen, deren Normale senkrecht zur optischen Achse des Projektions- oder Beobachtungsstrahlenganges ausgerichtet sind, nicht erfaßt werden können, da sie im optischen Schatten liegen, so ist es besonders vorteilhaft, wenn weitere Mittel zum Erzeugen eines weiteren Lichtstrahlenbündels vorgesehen sind, derart, daß das weitere Lichtstrahlenbündel aus einer zweiten, zur ersten unterschiedlichen Richtung über einen weiteren Projektionsstrahlengang zu dem Aufnahmeobjekt lenkbar ist. Hierdurch kann die Oberflächenstruktur aus verschiedenen Richtungen ausgeleuchtet werden, so daß sie gut darstellbar und erfaßbar ist. Hierzu kann insbesondere in jedem Projektionsstrahlengang ein Mittel zum Erzeugen eines Referenzmusters angeordnet werden.
In einer Weiterbildung der 3D-Kamera nach der Erfindung sind die Mittel zum Erzeugen der Referenzmuster derart ausgeführt, daß ein erstes, verstellbares Referenzmuster und ein zweites, ortsfestes Referenzmuster auf das Aufnahmeobjekt projizierbar ist, was vorteilhaft erreicht wird, wenn ein erstes Mittel zum
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Erzeugen des ersten Referenzmusters verstellbar und ein zweites Mittel zum Erzeugen des zweiten Referenzmusters ortsfest angeordnet ist. Es ergibt sich somit ein äußerst kompakter Aufbau der 3D-Kamera, bei dem auf Mittel zum Verstellen des zweiten Referenzmusters verzichtet werden kann. Die Oberflächenstruktur läßt sich durch das Verfahren der statischen und der phaseshifting Triangulation erfassen.
Besonders kostengünstig kann das erste und das zweite Referenzmuster mittels eines mechanischen Gitters erzeugt werden.
Zur Erfassung der Oberflächenstruktur eines Aufnahmeobjektes eignen sich Mittel zum Erzeugen des ersten und des zweiten Referenzmusters besonders gut, wenn sie als optisches Gitter derart ausgeführt sind, daß sie Bereiche mit einer unterschiedlichen Lichttransmission aufweisen. Solche optischen Gitter können besonders einfach hergestellt werden. Zudem sind die durch ein solches Gitter erzeugbaren Signale, die vom Bildsensor empfangen werden, besonders gut auswertbar.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
In den Figuren 1 und 3 ist jeweils ein prinzipieller Strahlengang einer 3D-Kamera nach der Erfindung gezeigt. Die Figur 2 dient zur Erläuterung.
In der Figur 1 wird ein Projektionsstrahlengang 1 durch ein Lichtstrahlenbündel definiert, das von Mitteln 2 erzeugbar ist. Die Mittel 2 können beispielsweise eine LED und eine Optik aufweisen. Im Projektionsstrahlengang 1 ist erfindungsgemäß ein Mittel zum Erzeugen eines ersten und zweiten Referenzmusters vorgesehen, das beispielsweise als erstes und zweites optisches 35
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Gitter 3, 4 ausgeführt ist. Diese Gitter 3, 4 können vorzugsweise ein linienförmiges Muster aufweisen, welches aus einzelnen Linien, die die Gitterperiode definieren, gebildet ist. Die einzelnen Linien können sich in ihrer Breite, ihrem Abstand und ihrer Lichttransmission unterscheiden. Die Gitter 3, A können als mechanische Gitter ausgeführt sein. Es ist auch möglich, eine LCD-Anordnung vorzusehen, durch die bei entsprechender Ansteuerung vorzugsweise linienförmige Referenzmuster erzeugbar sind. Es ist gezeigt, daß das Lichtstrahlenbündel des Projektionsstrahlenganges 1 von einem Prisma 5 durch eine erste Öffnung 6 einer Zweilochblende 7 aus einer ersten Richtung auf eine Oberflächenstruktur eines Aufnahmeobjektes 8, beispielsweise eines Zahnes, gelenkt ist. Das vom Aufnahmeobjekt 8 reflektierte Licht wird über einen Beobachtungsstrahlengang 9, durch eine zweite Öffnung 10 der Zweilochblende 7 zu einem Prisma 11 und von dort zu einem Bildsensor 12 gelenkt. Der Bildsensor 12 wandelt die empfangenen Lichtsignale in elektrische Signale, die einer aus den eingangs genannten Dokumenten bekannten Vorrichtung zur Verarbeitung der Signale zugeführt werden, so daß Daten erhalten werden, aus denen ein Bild der Oberflächenstruktur des Aufnahmeobjektes 8 erstellt werden kann.
Wesentlich für den Gegenstand der vorliegenden Anmeldung sind die Mittel zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Referenzmusters, wobei die vorzugsweise linienförmigen Referenzmu^ster eine unterschiedliche Gitterperiode haben. Zur Erfassung eines Höhenunterschiedes zweier Objektpunkte der Oberflächenstruktur des Aufnahmeobjektes 8 kann beispielsweise das Gitter 3 in den Projektionsstrahlengang 1 verstellt werden, so daß ein erstes Referenzmuster auf das Aufnahmeobjekt 8 projiziert wird. Zur Erfassung der Oberflächenstruktur wird das Gitter 3 um wenigstens eine Gitterperiode, d.h. um 360° verstellt, wobei beispielweise bei jeder Verstellung des Gitters von 90° der Gitterperiode die vom Biidsensor 12 erfaßten Signa-
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C GR 90 G 8560 DE
le einer Verarbeitungsvorrichtung zugeführt werden, die anhand des im Stand der Technik beschriebenen Berechnungsverfahrens den Höhenunterschied der Objektpunkte berechnet.
Überschreitet der Höhenunterschied dieser beiden Objektpunkte den Eindeutigkeitsbereich, so wiederholen sich die im Eindeutigkeitsbereich erfaßten Werte. Der Höhenunterschied dieser beiden Objektpunkte ist daher nicht mehr eindeutig erfaßbar.
Zur eindeutigen Erfassung des tatsächlichen Höhenunterschiedes dieser beiden Objektpunkte wird dann das Gitter 3 aus dem Projektionsstrahlengang 1 genommen und das Gitter 4, welches eine andere Gitterperiode hat, in den Projektionsstrahlengang geschaltet. Die Gitterperiode des Gitters 4 kann größer oder kleiner sein als die Gitterperiode des Gitters 3. Zur Ermittlung des Höhenunterschiedes dieser beiden Objektpunkte wird auch das Gitter 4 um jeweils 90° der Gitterperiode im Projektionsstrahlengang 1 verstellt und die vom Bildsensor 12 erfaßten Signale ebenfalls der Verarbeitungsvorrichtung zugeführt.
Anhand der durch das Gitter 3 und 4 ermittelten Werte kann ein großer Höhenunterschied dieser beiden Objektpunkte erfaßt werden, was nachfolgend anhand der Figur 2 näher erläutert werden soll.
Mit dem Bezugszeichen h soll der Höhenunterschied zweier Objektpunkte a, b angegeben sein. Mit einem Gitter g, und einer Verschiebung des Gitters g, um 360°, was einer Gitterperiode entspricht, kann beispielsweise der Bereich a, eindeutig erfaßt werden. Für die Bereiche a? bis a. wiederholen sich die Werte, die bereits zum Bereich a, ermittelt wurden. Mit einem Gitter §2 un<^ einer Verschiebung des Gitters g« um 360°, was einer Gitterperiode entspricht, kann der Bereich b, eindeutig erfaßt werden. Für die Bereiche b~ bis b, wiederholen sich die Werte, die bereits zum Bereich b-^ ermittelt wurden. Der Höhenunterschied h der Objektpunkte a, b kann also mit nur einem
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Gitter g^ oder g2 nicht eindeutig erfaßt werden. Durch die Verwendung der beiden Gitter g,, g2 mit unterschiedlicher Gitterperiode ist es aber möglich, über den Eindeutigkeitsbereich eines Gitters g,, g2 hinaus den Höhenunterschied h eindeutig zu erfassen. Da dem Bereich a, eine erste Wertegruppe c·, aus b, dem Bereich a2 eine zweite Wertegruppe C2 aus b, dem Bereich a, eine dritte Wertegruppe c, aus b und dem Bereich a^ eine vierte Wertegruppe c, aus b eindeutig zugeordnet ist, kann der tatsächliche Höhenunterschied der Objektpunkte a, b eindeutig ermittelt werden. Durch die Verwendung dieser beiden Gitter g-p g2 kann gegenüber der Verwendung beispielsweise nur des Gitters g, der vierfache Eindeutigkeitsbereich erfaßt werden. Der Eindeutigkeitsbereich ist also viermal größer als er bei der Verwendung nur des Gitters g-, ist.
Zur Erfassung und Berechnung des Höhenunterschiedes der Objektpunkte a, b kann das Gitter 3 auch unverstellbar im Projektionsstrahlengang 1 angeordnet sein, so daß ein ortsfestes Referenzmuster auf das Aufnahmeobjekt 8 projiziert wird.
Die vom Bildsensor 12 erfaßten Signale werden einer Rechenvorrichtung zugeführt, die aufgrund von Intensitätsunterschieden des reflektierten Lichtes auf den Höhenunterschied der Objektpunkte a, b schließt. Dieses Meßverfahren ist relativ ungenau, führt aber in Verbindung mit der Verwendung eines zweiten Gitters mit kleinerer Gitterperiode und dem Verfahren der phase-shifting Triangulation zur Erfassung des tatsächlichen Höhenunterschiedes der Objektpunkte a, b.
Die Figur 3 zeigt den prinzipiellen Strahlengang eines weiteren Ausführungsbeispieles einer 3D-Kamera nach der Erfindung. Gekennzeichnet ist dieser Strahlengang durch einen ersten und einen zweiten Projektionsstrahlengang 13, IA, durch die ein Lichtstrahlenbündel aus verschiedenen Richtungen auf ein Aufnahmeobjekt 15 lenkbar ist. Das vom Aufnahmeobjekt 15 reflektierte Licht wird über einen Beobachtungsstrahlengang 16
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zu einem Bildsensor 17 gelenkt. Der Bildsensor 17 wandelt Lichtsignale in elektrische Signale, die zur Erstellung eines Bildes der Oberflächenstruktur des Aufnahmeobjektes 15 einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zur Verarbeitung zugeführt werden. Das Lichtstrahlenbündel jedes Projektionsstrahlenganges 13, 14 kann durch Mittel 18, 19 erzeugt werden, die beispielsweise aus einer LED und einer Optik bestehen. Selbstverständlich kann hierzu auch nur ein Mittel vorgesehen sein, wobei das so erzeugte Lichtstrahlenbündel über ein nicht gezeigtes Umlenkelement in jeden Projektionsstrahlengang 13, IA lenkbar ist. Im Projektionsstrahlengang 13 ist ein Prisma 20 angeordnet, durch das das Lichtbündel durch eine erste Öffnung 21 einer Dreilochblende 22 aus einer ersten Richtung zum Aufnahmeobjekt 15 gelenkt wird. Zudem ist im ersten Projektionsstrahlengang 13 ein erstes Gitter 23 mit einer ersten Gitterperiode angeordnet. Das Lichtstrahlenbündel des zweiten Projektionsstrahlenganges 14 ist durch ein Prisma 24 durch eine zweite Öffnung 25 der Dreilochblende 22 aus einer zweiten Richtung zum Aufnahmeobjekt 15 gelenkt. Im zweiten Projektionsstrahlengang 14 ist ein zweites Gitter 26 mit einer zweiten Gitterperiode angeordnet. Die Gitter 23, 26 dienen zur Erfassung der Oberflächenstruktur des Aufnahmeobjektes 15, wobei beide Gitter 23, 26 verstellbar sein können oder wobei beispielsweise das erste Gitter 23 ortsfest im Projektionsstrahlengang 18 angeordnet ist zum Erzeugen eines ortsfesten Referenzmusters auf dem Aufnahmeobjekt 15 und wobei das zweite Gitter 26 verstellbar im Projektionsstrahlengang 14 angeordnet ist zum Erzeugen eines verstellbaren Referenzmusters auf dem Aufnahmeobjekt 15. Selbstverständlich können die beiden Gitter 23, 26 auch in nur einem Projektionsstrahlengang 13 oder 14 angeordnet sein.
Durch diese Anordnung kann, da das Licht aus zwei verschiedenen Richtungen auf das Aufnahmeobjekt 15 lenkbar ist, die Oberflächenstruktur besonders gut ausgeleuchtet werden, so daß
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diese gut und eindeutig erfaßt werden kann. Glanzstellen, die beispielsweise durch die Beleuchtung der Oberflächenstruktur mit nur einem Projektionsstrahlengang zu einer Übersteuerung des Bildsensors führen, können bei der Beleuchtung der Oberflächenstruktur durch den zweiten Projektionsstrahlengang erfaßt werden.
Vorzugsweise sind die Bildsensoren 12, 17 als Frame Transfer CCD-Wandler ausgeführt, da diese ein besonders schnelles Auslesen der erfaßten Signale ermöglichen.
Die 3D-Kameras können zur Erfassung der Oberflächenstruktur insbesondere einer Kavität eines Zahnes eingesetzt werden, wobei die ermittelten Daten der Oberflächenstruktur bzw. der Kavität zur Erstellung eines Restaurationskörpers des Zahnes dienen.
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Claims (8)

■.0 GR 90 G 8560 DE Schutzansprüche
1. 3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbes. für zahnmedizinische Zwecke,
mit Mitteln (2,18,19) zum Erzeugen eines Lichtstrahlenbündels, welches über einen Projektionsstrahlengang (1, 13, 14) aus einer ersten Richtung zu einem Aufnahmeobjekt (8, 15) lenkbar ist,
mit einem Beobachtungsstrahlengang (9, 16), der einen Bildsensor (12, 17) zum Empfangen des vom Aufnahmeobjekt (8, 15) reflektierten Lichtes aufweist, wobei der Projektionsstrahlengang (1, 13, 14) und der Beobachtungsstrahlengang (9, 16) einen Winkel zueinander einnehmen und mit Mitteln (3, 4; 23, 26) im Projektionsstrahlengang (1; 13, 14) zum Erzeugen eines Referenzmusters derart, daß ein erstes und ein zweites Referenzmuster auf das Aufnahmeobjekt (8, 15) projizierbar ist.
2. 3D-Kamera nach Anspruch 1, wobei die Mittel (3, 4; 23, 26) zum Erzeugen des Referenzmusters derart ausgeführt sind, daß ein erstes linienförmiges Referenzmuster mit einer ersten Periode und ein zweites linienförmiges Referenzmuster mit einer zweiten Periode auf das Aufnahmeobjekt (8, 15) projizierbar ist.
3. 3D-Kamera nach Anspruch 1 oder 2, wobei weitere Mittel (18; 19) zum Erzeugen eines weiteren Lichtstrahlenbündels vorgesehen sind, derart, daß das weitere Lichtstrahlenbündel aus einer zweiten, zur ersten unterschiedlichen Richtung über einen weiteren Projektionsstrahlengang (13; 14) zu dem Aufnahmeobjekt
(15) lenkbar ist.
4. 3D-Kamera nach Anspruch 3, wobei in jedem Projektionsstrahlengang (13; 14) ein Mittel (23; 26) zum Erzeugen des Referenzmusters angeordnet ist.
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11 . GR 90 G 8560 DE
5. 3D-Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mittel zum Erzeugen des ersten Referenzmusters derart ausgeführt sind, daß ein erstes, ortsfestes Referenzmuster und ein zweites, verstellbares Referenzmuster auf das Aufnahmeobjekt (8, 15) projizierbar ist.
6. 3D-Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein erstes Mittel (3, 23) zum Erzeugen des ersten Referenzmusters ortsfest angeordnet ist, während ein zweites Mittel (4, 26) zum Erzeugen des zweiten Referenzmusters verstellbar ist.
7. 3D-Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Mittel zum Erzeugen des ersten und des zweiten Referenzmusters als mechanisches Gitter (3, 4; 23, 26) ausgeführt sind.
8. 3D-Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Mittel (3, 4; 23, 26) zum Erzeugen des ersten und des zweiten Referenzmusters als optisches Gitter ausgeführt sind, welches Bereiche mit einer unterschiedlichen Transmission aufweist.
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DE9013454U 1990-08-29 1990-09-24 3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke Expired - Lifetime DE9013454U1 (de)

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