JP2012526977A - 物体を３次元的に測定するための方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

物体（８）の、特に、半透明な物体の少なくとも１つの部分の形状、例えば、歯の部分の形状を、好ましくは広帯域スペクトルを有する光を発生させるための光源（１）と、多焦点の照射パターンを作成するための装置（３）と、照射パターンの複数の焦点を物体に結像するための、大きな色収差を有する対物レンズ（６）と、対物レンズを介して物体に共焦点に結像される複数の焦点の波長スペクトルを決定するための検出装置（１０）とを用いて、測定するための方法であって、各々の波長スペクトルから、各々の焦点のスペクトルのピーク位置を決定し、該ピーク位置から、結像光線（Ｚ座標）の方向における物体の広がりを計算し、多焦点の照射パターンを、光源（１）と、大きな色収差を有する対物レンズ（６）との間に設けられた複数のライトガイド（５）によって形成し、対物レンズ（６）は、ライトガイドの、物体側の端部を物体に結像し、物体から反射された光を、ライトガイドの物体側の端部に結像し、ライトガイドによって導かれかつ反射された光を、検出装置（１２）へ向ける。構造的に簡単な措置によって極めて正確な測定を行なうことができ、サンプル上の測定点のできる限り良好な分布のみならず、検出装置における最適なスペクトル分布を可能にすることが意図されることを達成するために、物体側の照射パターンは、物体側の測定点分布が、照射側および検出側のマイクロレンズの分布またはピンホールの分布に依存していないように、ライトガイド（５）を介して、形成されることが提案される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物体の、特に、半透明な物体の少なくとも１つの部分の形状、例えば、歯の少なくとも部分の形状を、好ましくは広帯域スペクトルを有する光を発生させるための光源と、多焦点の照射パターンを作成するための装置と、照射パターンの複数の焦点を物体に結像するための、大きな色収差を有する対物レンズと、該対物レンズを介して物体に共焦点に結像される複数の焦点の波長スペクトルを決定するための検出装置とを用いて、測定するための方法に関する。各々の波長スペクトルから、各々の焦点のスペクトルのピーク位置を決定し、該ピーク位置から、結像光線（Ｚ座標）の方向における物体の広がりを計算し、多焦点の照射パターンを、光源と、大きな色収差を有する対物レンズとの間に設けられた複数のライトガイドによって作成し、対物レンズは、ライトガイドの、物体側の端部を物体に結像し、かつ、物体から反射された光を、ライトガイドの、物体側の端部に結像し、ライトガイドを通って導かれる反射された光を、検出装置へ向ける。

更に、本発明は、物体の、特に、歯または歯の部分のような半透明の物体の、少なくとも一部分を３次元的に測定するための測定装置であって、該測定装置は、連続的な、特に広帯域のスペクトルを有する光源と、多焦点の照射パターンを作成させるための装置と、照射パターンの複数の焦点を物体に結像するための、大きな色収差を有する対物レンズと、対物レンズによって物体に結像された複数の焦点の波長スペクトルを決定するためのカメラチップのような検出ユニットと、物体から反射された光が、対物レンズによって結像される相手であるスペクトル分散装置と、を具備し、光源と対物レンズとの間には、照射パターンを作成する複数のライトガイドが設けられており、該ライトガイドの、物体側の端部は、１つの結像面に、または、対物レンズの、複数の結像面を有する領域に設けられており、ライトガイドの、照射側の端部と、検出装置との間に、ライトガイドから放射されかつ物体から反射される光のための偏向装置が設けられていてなる測定装置に関する。

技術の多くの分野で、物体の３次元構造を測定する課題が提示される。例えば、義歯の製造のために必要である、歯の形状の決定を挙げよう。ここでは、特に、石膏の型取りを不要にする方法が有利である。文献には、物体の３次元構造物を決定するための一連の方法が記載されている。複数の光学的方法では、取り分け、縞投影法、または位相シフト法、光干渉断層法およびホログラフィが挙げられる。口内の歯形の決定のための市販のシステムは、例えば、位相シフト法に基づく。

まさしく、例えば歯が自らの強い体積散乱の故に測定のために非協調的な物体であるが故に、前記方法は、何度も失敗する。縞投影法では、例えば、散乱は、縞模様のぼやけ従ってまた解像度の減少をもたらす。

その代わりに、広帯域の光源の１つのまたは複数の焦点を結像するために、非常に波長依存性のある焦点距離を有する適切な光学系が使用される。このことによって、複数の焦点は、波長に依存して、対物レンズから異なった距離で鮮明に結像される。複数の焦点が対物レンズを介してピンホールまたはピンホールアレイへ背面に結像された後に、強度最大が、このサンプル距離において鮮明に結像される波長に関して検出可能である。スペクトルのピーク位置の決定によって、この点におけるサンプルと対物レンズとの距離が決定され、かつ、最終的に、物体の３次元構造が決定される。この評価は、スペクトロメータによって点毎に、または、カメラチップを有する線スペクトロメータによって線毎に実行される。好ましくはマイクロレンズアレイおよび適切なピンホールアレイと結合している、特に、多焦点に配列された配置は、画像撮影のための、時刻に関する必要条件が、余り予期されないので、特に有望である。

特許文献１、特許文献２および特許文献３には、この原理に基づいて異なって配列された物が記載されている。すべてのコンポーネントが１つの装置に統合されていることが、すべてに共通している。特許文献３にのみ、ライトガイドを介しての光源の可能な供給が記載される。一方では、使用可能な(口の)空間が限定されており、歯科医が器具を手動で操作しなければならない、まさしく、歯の測定の際には、できる限り少ないコンポーネントを有し、できる限りコンパクトかつ軽量なハンドヘルド・ユニットが望ましい。上記の装置の他の欠点は、一方の側での、マイクロレンズのパターンとピンホールのパターンの固定的な割り当ておよびサンプル側での測定点分布である。このことは、サンプル上でのできる限り良い測定点分布と、カメラチップ上のスペクトル分布との妥協である。

特許文献４からは、大きな色収差を有する対物レンズと、物体との距離を測定するための測定装置が公知である。検出のために、モノクロのＣＣＤエリアカメラが用いられる。このエリアカメラには、入射スリットを有するスペクトル分散装置が前置されている。このことによって、各点の波長情報が、位置情報に変換される。その目的は、物体の表面のプロファイル画像を得るためである。

特許文献５は、同時的な共焦点の画像を作成するための装置に関する。この目的のために、ニポウディスクのようなホール・マトリックス・スクリーン（Lochrasterblende）によって、物体に合焦して結像される光点が発生される。検出ユニットとしては、ＣＣＤアレイカメラが使用される。

特許文献６からは、色収差を有する結像光学系を具備する共焦点距離センサが公知である。該共焦点距離センサは、エレクトロニクス分野での監視のために定められている。光源としては、複数の点光源を有する光源を用いることができる。受光器としては、点検出器が用いられる。夫々１つの点検出器および１つの点光源は、共に割り当てられておりかつ共焦点に互いに設けられている。

特許文献７からは、有彩色の深度解像度で物体を３次元的に測定するための、共焦点の測定装置が公知である。該測定装置では、マイクロレンズアレイによって、複数の焦点が発生され、かつ物体に結像される。反射光は、マイクロレンズの焦点の面に合焦される。装置によって、測定物体の２次元または３次元のマイクロプロファイルあるいは２次元または３次元の透過物体プロファイル（Transparenzprofile）または反射プロファイルが測定される。

DE-A-10 2006 007 172 WO-A-2007/090865 DE-A-10 2007 019 267 EP-B-0 321 529 EP-B-0 466 979 DE-A-102 42 374 DE-A-103 21 885

本発明の課題は、明細書の最初の部分に記載のタイプの測定装置および方法を、構造的に簡単な処置で非常に正確に測定を行なうことができ、サンプル上でのできる限り良い測定分布と、検出装置における最適なスペクトル分布とを可能にするように、改善することである。更に、測定のために、特に口腔測定の際に、簡単な操作を可能にするコンパクトな装置を提供することが意図される。

上記課題を解決するために、明細書の最初の部分に記載のタイプの測定装置は、照射側および検出側のマイクロレンズの分布またはピンホールの分布に依存しない測定点分布が、物体側に結像可能であるように、ライトガイドの検出側の端部が、設けられていることを提案する。

方法に関しては、本発明は、基本的には、物体側の測定点分布が、照射側および検出側のマイクロレンズの分布またはピンホールの分布に依存していないように、物体側に異なって配列された、ライトガイド(５)の端部と、照射側および検出側に配列されたライトガイドの端部とを製造することを特徴とする。

本発明に係わる教示は、大部分長さに依存するインタフェースが、ライトガイドの本発明に係わる使用によって、提供されるので、評価部と測定部を互いに分離することを可能にする。

このことは、測定部と評価部が、個々のアセンブリで終わるライトガイドによって接続されていることを意味する。

更に、本発明によれば、マイクロレンズの分布またはピンホールの分布と必ずしも一致させる必要がなくて、その結果、簡単な評価が可能となる測定分布が用いられる。

従って、本発明に係わる測定装置の本質的な要素は、
ｏ適切な光源からの光がライトガイドに入力されてなる照射ユニットと、
ｏ照射光路と検出光路を分割するための要素と、
ｏ照射側および検出側で適切に空間的に配列したライトガイドと、サンプル側で適切に配列したライトガイドとからなるガイドハンドルと、
ｏライトガイドの端部を測定物体に結像するための、および、測定物体から反射された光をライトガイドの端部へ結像させるための、強い色収差を有する対物レンズと、
ｏ各々のピーク位置従ってまた測定点と対物レンズとの距離を決定するための色測定ユニットと、である。

この色測定ユニットは、１つのラインに沿って各々のライトガイドの光をスペクトル拡散するための分散素子と、スペクトル拡散された測定点が結像される相手であるカメラチップとから構成される。ライトガイドの、照射側および検出側での配列は、一方では光源からの効率的な光入力および他方ではカメラチップのできる限り効率的な空間利用が保証されているように、選択される。本発明に係わる教示では、多数のライトガイドを用い、従ってまた、十分なスペクトル精度でできる限り多くの測定点を測定することができる、という可能性がある。

ハンドヘルド・ユニット従ってまた測定物体側でのライトガイドの配列は、個別画像の後続の重なりと組み合わせて、測定物体上で測定点のできる限り有利な分布を得るように、選択されている。

複数の測定点の間の間隔が、必要な解像度より大きいときは、照射パターンは、これに応じてシフトされる。このことは、測定装置の中の適切な要素によって、または測定装置の連続的な動きによって実行されることができる。結果として結像から生じる個別画像は、適切な方法で組み合わせて、全体像を形成させることができる。

光が、ライトガイドの、照射側および検出側での端部にライン状に合焦されることが、特に提案されている。このことによって、反射光は、検出装置に、ライン状に結像され、その結果、評価は、簡略化されるだけでなく、正確になされる。

線状の合焦は、特に円柱レンズによって実行される。

光源としては、広帯域の光源、例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプおよび特にＬＥＤ、白光ＬＥＤまたはＲＧＢ-ＬＥＤが用いられる。この場合、ライトガイドを、変調照射、パルス照射または閃光照射する可能性がある。従って、光源に同期した検出と組み合わせて、効率的な迷光抑制を達成することができる。

更に、複数の光源を使用することも可能である。このことによって、光の総量が増加される。この場合、個々の光源の空間配列は、ライトガイドの空間的配列に適合されていてもよい。

検出装置としてカラーカメラを用いることは好ましい。測定精度への要求に応じて、ワンチップ・カラーカメラ、スリーチップ・カラーカメラ、あるいはフィルタホイール技術を用いたカラーカメラを用いることができる。

独自発明的な提案によれば、複数のライトガイドは照射側および検出側で列またはラインに設けられていることが提案されている。ライトガイドは、該ライトガイドがサンプル側で均等な分布を有するように、いわばはねじれる。にもかかわらず、正確な測定が可能であるのは、個々のライトガイドの、サンプル側での位置の、照射側の端部への割り当てを、較正によって、実行することによってである。

更に、本発明は、背景割合を減じるためには、個別の測定の場合、ライトガイドのうちの、１部分のみ、例えば半分が、実際の測定のために用いられ、照明されない他方の部分が、背景の測定のために用いられることを特徴とする。照明の変化は、例えば、ＬＣＤモジュレータを介して、あるいは、傾動可能なガラスプレートの可変のビーム移動によって、なされる。個別測定の場合、任意の或るラインのライトガイドのすべては、夫々、距離測定または背景測定のために用いられる。

更に、本発明は、測定装置が、物体を照射する第２の光を有することを提案する。この場合、第２の光源のスペクトル範囲は、測定のために使用される光源の波長範囲の外に位置していることが可能である。このことによって、ライブ画像を作成することが可能である。

ライブ画像を作成するために、カメラチップと対物レンズとの統合が考慮されねばならない。かようなコンポーネントは、次に、測定のために用いられる測定装置の一部に、従って、通常はライトガイドを介して評価ユニットに接続されているハンドヘルド・ユニット部分に統合されている。

従って、本発明は、物体の３次元形状を測定するための装置に関し、該装置は、特に、
ａ）広帯域のスペクトルを有する光を発生させるための光源と、
ｂ）光をライトガイドバンドルに入力するための光学系と、
ｃ）ライトガイドバンデルと、
ｄ）ライトガイドの出力端を測定される物体に結像するための、および、物体から反射された光をライトガイドの出力端に後方結像するための、大きな色収差を有する対物レンズと、
ｅ）各々の波長スペクトルを同時に記録するための色測定ユニットと、
ｆ）各々の焦点におけるスペクトルピーク位置を決定するための評価ユニットと、を具備し、該ピーク位置からは、最終的に、出力端の各々の位置と対物レンズとの距離、従ってまた、物体の３次元構造を決定する。

更に、本発明は、このような装置によって実行可能な測定法に関する。

本発明の複数の他の詳細、利点および特徴は、複数の請求項と、これらの請求項から読み取れる、単独および／または組合せで生じる複数の特徴とからのみならず、複数の好ましい実施の形態の以下の記述および特に以下の補足的な説明からも明らかである。

照射側および検出側に配列されたライトガイドの実施の形態を示す。 配列されたライトガイドを示す。 配列されたライトガイドを示す。

以下、物体の形状を測定するために本発明の本質的な特徴を説明する。この場合、例として、歯を記載する。しかし、このことによって、本発明に係わる教示は限定されない。

このこととは別に、本発明は、出願人の国際特許出願WO2008/129073（PCT/EP2008/054982）の開示内容を明示的に引き合いに出す。特に、スペクトルの評価と、測定のために必要な、配列されたコンポーネントとに関する、該出願に開示された特徴は、本願中に開示されているものと見なされている。それ故に、以下に更なる言及を必要としない。

図１には、歯を測定するために好適な実施の形態が例示されている。白色光源としては、ここでは、ハロゲンランプ１が用いられる。ハロゲンランプの光は、レンズ２によって、平行にされる。

平行にされた光ビームは、例えば１０個の円柱レンズ３を配列したものに、続いて、ビームスプリッタ４に当たる。従って、透過された光成分は、１０個のレンズに合焦され、かつ、そこで、例えば２０００のライトガイド５に入力される。該ライトガイドは、ラインごとに、２００のライトガイドで配列されている。

ハンドヘルド・ユニットにおける、測定物体側に配列されたライトガイド５または該ライトガイドの部分は、例えば４０×５０の測定点の規則的な正方形のパターンに対応する。該パターンは、測定点同士の間の２２０μｍの間隔および約８．６×１０．８ｍｍの測定領域の広がりを有する。

測定用サンプル８上へのライトガイド端部の結像は、強い色依存性の焦点距離を有する対物レンズ６と、ビーム偏向手段７とを介してなされる。この場合、ライトガイド５の端部は、対物レンズ６の、１つの結像面、または１つの領域を形成する複数の結像面に位置している。

対物レンズ６の強い色収差によって、只１つの特定の色のみが、各々の測定点で、測定点と対物レンズ６との間隔に従って、鮮明に結像され、すなわち、特定の波長のみが、共焦点条件を満たす。換言すれば、ライトガイド５の、焦点を形成する、結像された、物体側の端部は、異なる波長の光を有する。ある波長では、物体側の端部は、物体６に鮮明に結像されており、従って、共焦点条件を満たしている。このことに対応して、測定用サンプルの表面から反射された光を後方で結像する場合に、スペクトル成分のみが、鮮明に結像されるライトガイド５に当たることは好ましい。すなわち、該ライトガイドでは、共焦点条件が満たされている。

この場合、対物レンズ６の、選択された結像の倍率は、測定領域のサイズおよび解像度を決定する。

測定点の密度が増加するにつれて、および測定物体８の光散乱が増加するにつれて、ピーク波長、すなわち、ライトガイドの、物体側の端部が鮮明に結像されていてなる波長のほかに、増加する迷光成分がライトガイドに当たる。しかしながら、このことによって増加する白色光成分によって、スペクトルピーク位置の決定が困難にされる。従って、白色光成分が１％を越えれば、カラーカメラによるピーク位置の適切な決定が不可能である。従って、本発明によれば、以下のような分光測定装置が選択される。すなわち、該分光測定装置では、ライトガイド５から出る光が、ビームスプリッタ４および光学系９を介して、カメラチップ１２上に結像され、他方、プリズム１０は光のスペクトル分散を引き起こす。この場合、プリズム１０は、光学系９と１１との間に設けられている。従って、WO2008/129703から読み取れる装置が、生じる。前述のように、このような開示内容は、明示的に引き合いに出され、本願に開示されているものと見なされる。

このような装置によって、各々のライトガイド端部は、１つのライン上で、カメラチップ１２に結像される。従来のライン分光計(Zeilen-Spektrometer）の場合のように、このラインに沿った位置は、特定の波長と関連がある。各々２００のライトガイド５からなる１０のラインの間の間隔は、各々のライトガイド５の、ビームスプリッタ４で反射されかつカメラチップ１２に入射する光が、次のラインまで重なり合うことなく、例えば１００のピクセルに沿ってスペクトル分散されるように、選択されている。１０２４ピクセル×１０２４ピクセルを有するカメラチップでは、かくして、各々の測定点、すなわち各々のライトガイドにおいて、約５ピクセルの幅のおよび１００ピクセルの長さのストリップが、スペクトル分散のために用いられる。

画像の記録後に、画像情報または測定データの評価は、カメラチップ１２上でまたは外部のユニット上でなされる。この目的のために、各々の測定点では、適切なアルゴリズムによって、スペクトルピークが決定され、このことから、各々の測定点と対物レンズ６との間の間隔が決定される。かくして、１つの画像によって、２０００の測定点における測定物体８の３次元構造が得られる。

これらの測定点の間の間隔が、必要な解像度より大きくおよび／または３次元構造が斜視図から検出できないときは、照射パターンを、相応にシフトしなければならない。図示した実施の形態では、このことは、ハンドヘルド・ユニットの移動によってなされる。結果として生じる個別画像は、適切な方法で、纏められて、全体画像に形成される。

位置決め補助具のために、および全体画像の作成のための個別画像の割り当てのために、図示した実施の形態では、ライブ画像を記録するための他のカメラチップ１４が設けられている。ライブ画像の記録のために、１つまたは複数の光源１５が、実際の測定のために使用された波長範囲の外側にあるスペクトル範囲に設けられている。実施の形態では、複数の光源１５およびカメラチップ１４は、ハンドヘルド・ユニットに統合されている。ビームの分割は、適切なビームスプリッタ１３によってなされる。カメラチップ１４の軸方向の位置は、ライブ画像が測定領域のほぼ真中に鮮明であるように、選択されている。

前記ハンドヘルド・ユニットは、実施の形態では、ライトガイド５の部分と、物体側で続いて設けられたコンポーネントすなわちビームスプリッタ１３と、カメラチップ１４と、対物レンズ６と、追加光源１５と、ビーム偏向手段７とを有する。評価ユニットは、残りの部分を有する。ハンドヘルド・ユニットおよび評価ユニットは、ライトガイドを介して互いに接続されている。従って、対物レンズ６の１つのまたは複数の結像面に延びている、物体側の端部は、ハンドヘルド・ユニットに位置しており、照射側および検出側の端部は、ハンドヘルド・ユニットとは別個に設けられた評価ユニットに位置している。

広帯域の光源としては、特に、ハロゲンランプ、キセノンランプ、特に、ＬＥＤ、白色光ＬＥＤまたはＲＧＢ-ＬＥＤが、適切である。ＬＥＤの使用は、(連続作動でよりもパルスでの高い出力を有する)変調照射またはパルス照射または閃光照射の可能性を供する。このことによって、光源に同期化された検出と共に、効果的な迷光抑制を達成することができる。

実際また、複数の光源の使用も可能である。このことによって、ＬＥＤの場合、光の全量を増加させることができる。この場合、個々の光源の空間的配列は、ガイドライトの空間的配列に適合されていることができる。従って、個々の光源は、夫々、ライトガイドの或る部分のみを照射する。

特に、迷光の背景のレベルが弱いときの測定課題では、色測定ユニットとして、カラーカメラが使用可能である。測定精度への要求に従って、ワンチップ・カラーカメラまたはスリーチップ・カラーカメラまたはフィルタホイール技術を用いたカラーカメラが可能である。

散乱によっておよび／または外部からの迷光によって測定信号において迷光背景の割合が増えれば増えるほど、ピーク位置の正確な決定のために、背景のスペクトル曲線を同様に測定することは、一層重要になる。このことが可能となるのは、ライトガイド５の一部分が照射されておらず、従って、サンプル側に、背景割合の、反射された光のみが検出される場合である。

図２ａに示した実施の形態では、背景の決定１６のためのライトガイド５は、すべて、照射側および検出側で、照射されていない１つのラインに位置している。サンプル側（図２ｂ）には、背景を決定１６するためのライトガイド５が、他のライトガイドの間で、均等に分配されている。

背景の割合を減じるためには、各々の個別測定の場合、ライトガイド５の半分のみが実際の測定のために用いられ、照射されない他方の部分は、背景の測定のために用いられる。照射の変化は、例えば、ＬＣＤモジュレータ、または傾動可能なガラスプレートの可変のビーム変位によって、なされる。１つのラインのライトガイドは、各々すべて、個々の測定の際には、間隔の測定のためにまたは背景の測定のために用いられる。

背景の決定は、測定後に、画像面が、光学素子によって、例えばガラスプレートの挿入によって移動され、かつ、測定が繰り返されることによっても、なされることができる。このことによって、スペクトルのピークが、一定の値だけ、他方の波長領域に移動する。２つのスペクトルの適切な計算によって、背景は、著しく削除される。この場合、不明な間隔を,２つのスペクトルのピーク位置から決定することができる。

線状に設けられたライトガイドを照射するために個々の円柱レンズを使用することのほかに、特別に適合された（マイクロ）円柱レンズアレイの使用も可能である。

線状の焦点が光入力のために発生されるとき、入力効率を、ライトガイドの使用によって、入力側におけるファイバシースなしに増加させることができる。何故ならば、そのとき、ライトガイドは、間隔なしに、互いに接するように並んでいるからである。

しかしまた、入力効率を改善するために、円柱レンズと、マイクロレンズアレイとの組み合わせが可能であり、あるいは、交差円柱レンズの使用は、個々の焦点のパターンを発生させるために可能である。このことに対応して、各々の焦点に対し、１つのファイバが位置決めされていなくてはならない。

サンプル側に均等に正方形に配列した複数のライトガイドのほかに、他の配列した物も考えられる。例えば、製造技術的な利点を有する、回転対称的に配列したライトガイドも考えられる。単位表面当たりのライトガイドの異なった密度も考えられる。その目的は、例えば、境界領域での個々の画像の、境界領域の外より少ない重なり度を、測定点の境界領域の外より高い密度によって、調整するためである。その代わりに、測定点密度が境界領域で減少し、同時に測定領域が拡大することが可能である。その目的は、複数のずれた個別画像の間の傾きをより良く検出するためである。ランダムに配列したライトガイドは、特に容易に製造される。複数のライトガイドの平均的な間隔を、ファイバシース自体によって、またはランダムに混入されたダミーファイバまたは他の(円筒状の)コンポーネントによって調整することができる。個々のライトガイドの、サンプル側における位置の、検出器上の、対応のスペクトル位置への割り当ては、知られた形状の適切な試験体を用いての較正によって実行される。

ファイバシースの中で誤った光伝導を避けるために、サンプル側および／または入力側で、シースの代わりに、吸収材を用いてもよい。標準のファイババンドルのライトガイドの数が十分でないとき、複数の標準のファイババンドルの併用も考えられる。

個々のライトガイドの直径または光の量が少なすぎるとき、１つの測定点当たりの複数のライトガイドの使用も考えられる。

実際また、複数のライトガイドのサブバンドルへの機能分解が可能である。このことによって、例えば、背景の測定のためにのみ使用されるライトガイドの光を、固有のカメラチップへ写像することができる。その目的は、例えば、カメラの拡大を、別々に、実際の間隔測定および背景の測定のために適合させることができるためである。従って、複数の光源との組み合わせで、間隔測定を、夫々に適切な光源（ＬＥＤ）と、適切なカメラと、場合によっては適切なカラーフィルタと有する複数のスペクトル領域へ分割することができる。

測定領域の大きさをほぼ変えずに、対物レンズの直径の減少従ってまたハンドヘルド・ユニットの更なる縮小を達成するために、テレセントリック結像を有する対物レンズの代わりに、非テレセントリック対物レンズも考えられる。

各々の課題または測定サンプルへの測定器の簡単な調整のために特に有用なのは、偏光可能な有彩色対物レンズによる構造物の実現化である。結像倍率、色調欠陥および他の光学特性に応じて、従って、測定装置は、特に、測定点の大きさおよび密度、測定間隔、測定領域およびテレメトリーに関して、測定の課題へ適合される。

同様に、各々の測定課題への適合のために、異なったビーム・ディフレクタ、例えば、種々の形態および機能を有する偏光ミラーまたはプリズムを使用することができる。これらは、有彩色対物レンズの下流でサンプル側に設けられている。しかしまた、ビーム偏向は、対物レンズ内で、またはファイバ端部と対物レンズとの間で可能である。

間隔の測定を基準化するために、例えば偏向プリズムの光の出力面における、所定の後方反射を用いることができる。この目的のために、例えば各々の測定実行前に、サンプルなしで測定がなされる。これらのスペクトルにおける各々のピーク位置を、後方反射に割り当てることができる。測定サンプルの実際の測定では、各々の基準スペクトルを測定スペクトルから取り除くことは有利かもしれない。

ライブ画像を作成するために、ハンドヘルド・ユニットにおける、カメラチップの、独自の対物レンズとの統合も考えられる。このことは、内視鏡における「先端上のチップ」（Chip on the Tip）技術に類似している。

測定点をよく見渡すために、ライブ画像にとってできる限り大きな被写界深度が望ましい。該被写界深度が改善されるのは、測定およびライブ画像の共通の光路の中で、例えば、好ましくは有彩色対物レンズの開口絞り面において、ダイクロイック開口部が使用され、該ダイクロイック開口部が、ライブ画像のスペクトル範囲に対してのみ作用する場合である。ライブ画像用の対物レンズの開口数を減らすことによって、かくして、被写界深度の増加を達成することができる。

ライブ画像の大きな被写体深度によって、正しい測定距離の制御が面倒にされるとき、追加の軸方向の位置決め補助手段として、距離指示器の、ライブ画像への重畳が考えられる。表示値を、３Ｄ測定データから生成することができる。

１つのまたは複数のファイババンドルの僅かなライトガイドのみを測定のために用いるとき、特にそのとき、未使用のライトガイドをライブ画像のために用いることができる。その代わりに、追加のファイババンドルの、ライブ画像のための使用が可能である。測定用光路とライブ画像光路との、測定サンプル側での組み合わせは、適切な光学系を介してなされる。

その代わりに、追加のカメラチップなしに、つまり、測定画像の信号値からおよび複数の個別画像の組み合わせにより、十分な解像度を有するライブ画像を作成することができる。このことは、例えば、各々の測定点スペクトルにおける各々のピーク振幅を用いて、あるいは、各々のスペクトルのすべての値と、各々の輝度値との統合によって、実行される。

その代わりに、検出側では、測定光の一部分が、他の分離ミラーを介して、スペクトル分割なしに、直接、他のカメラチップに結像される。次に、複数の個別画像から、適切な精算によって、より高い解像能を有するライブ画像を作成することができる。３Ｄデータの使用によって、個別画像の計算を改善することができる。測定物体の性質に応じて、個別画像の質が、追加の狭帯域の光源の使用によって、または、ライブ画像の検出のための測定光のスペクトル範囲の一部分のみの使用によって改善される。スペクトル範囲の選択は、ダイクロイック分割ミラーの使用によって実行される。

１ 光源
３ 装置
６ 対物レンズ
８ 物体
１２ 検出装置

本発明は、物体の、特に、半透明な物体の少なくとも１つの部分の形状、例えば、歯の少なくとも部分の形状を、好ましくは広帯域スペクトルを有する光を発生させるための少なくとも１つの光源と、多焦点の照射パターンを作成するための装置と、照射パターンの複数の焦点を物体に結像するための、大きな色収差を有する対物レンズと、該対物レンズを介して物体に共焦点に結像される複数の焦点の波長スペクトルを決定するための検出装置とを用いて、測定するための方法に関する。各々の波長スペクトルから、各々の焦点のスペクトルのピーク位置を決定し、該ピーク位置から、結像光線（Ｚ座標）の方向における物体の広がりを計算し、多焦点の照射パターンを、光源と、大きな色収差を有する対物レンズとの間に設けられた複数のライトガイドによって作成し、対物レンズは、ライトガイドの、物体側の端部を物体に結像し、かつ、物体から反射された光を、ライトガイドの、物体側の端部に結像し、ライトガイドを通って導かれる反射された光を、検出装置へ向ける。物体側の測定点分布が、照射側および検出側のマイクロレンズの分布またはピンホールの分布に依存していないように、物体側に異なって配列された、ライトガイドの端部と、照射側および検出側に配列されたライトガイドの端部とを製造する。

更に、本発明は、物体の、特に、歯または歯の部分のような半透明の物体の、少なくとも一部分を３次元的に測定するための測定装置であって、該測定装置は、連続的な、特に広帯域のスペクトルを有する少なくとも１つの光源と、多焦点の照射パターンを作成させるための装置と、照射パターンの複数の焦点を物体に結像するための、大きな色収差を有する対物レンズと、対物レンズによって物体に結像された複数の焦点の波長スペクトルを決定するためのカメラチップのような検出ユニットと、物体から反射された光が、対物レンズによって結像される相手であるスペクトル分散装置と、を具備し、光源と対物レンズとの間には、照射パターンを作成する複数のライトガイドが設けられており、該ライトガイドの、物体側の端部は、１つの結像面に、または、対物レンズの、複数の結像面を有する領域に設けられており、ライトガイドの、照射側の端部と、検出装置との間に、ライトガイドから放射されかつ物体から反射される光のための偏向装置が設けられており、ライトガイドの、物体側の端部は、照射側および検出側のマイクロレンズの分布またはピンホールの分布に依存しない測定点分布が、物体側に結像可能であるように、設けられていてなる測定装置に関する。

特許文献７からは、有彩色の深度解像度で物体を３次元的に測定するための、共焦点の測定装置が公知である。該測定装置では、マイクロレンズアレイによって、複数の焦点が発生され、かつ物体に結像される。反射光は、マイクロレンズの焦点の面に合焦される。装置によって、測定物体の２次元または３次元のマイクロプロファイルあるいは２次元または３次元の透過物体プロファイル（Transparenzprofile）または反射プロファイルが測定される。
特許文献８からは、複数のワークピースの境界面または表面を測定するための測定システムが公知である。この文献では、ライトガイドファイババンドルによって、大きな色収差を有する対物レンズを介し、照射パターンが、測定される物体に結像される。物体から反射される放射線は、次に、ライトガイドファイバおよびビームスプリッタキューブを介して、スペクトログラフへ導かれる。この場合、反射された放射線は、光を個々の波長に分解するために、回折格子を通過することができる。用いられたライトガイドファイバは、更に、互いによじられていてもよい。
特許文献９の主題は、共焦点内視顕微鏡である。マイクロレンズを介して、光がライトガイドへ結像される。
共焦点顕微鏡は、特許文献１０から公知である。

DE-A-10 2006 007 172 WO-A-2007/090865 DE-A-10 2007 019 267 EP-B-0 321 529 EP-B-0 466 979 DE-A-102 42 374 DE-A-103 21 885 DE-A-10 2005 052 743 WO-A-2005/031435 US-A-2002/0027708

方法に関しては、本発明は、基本的には、ライトガイドの一部分が照射されていないこと、および、ライトガイドの照射されていない部分によって、背景の測定を実行することを特徴とする。

Claims (39)

1. 物体（８）の、特に、半透明な物体の少なくとも１つの部分の形状、例えば、歯の少なくとも部分の形状を、好ましくは広帯域スペクトルを有する光を発生させるための少なくとも１つの光源（１）と、多焦点の照射パターンを作成するための装置（３）と、前記照射パターンの複数の焦点を前記物体に結像するための、大きな色収差を有する対物レンズ（６）と、該対物レンズを介して前記物体に共焦点に結像される複数の焦点の波長スペクトルを決定するための検出装置（１６）とを用いて、測定するための方法であって、前記各々の波長スペクトルから、各々の焦点のスペクトルのピーク位置を決定し、該ピーク位置から、結像光線（Ｚ座標）の方向における前記物体の広がりを計算し、前記多焦点の照射パターンを、前記光源（１）と、大きな色収差を有する前記対物レンズ（６）との間に設けられた複数のライトガイド（５）によって作成し、前記対物レンズ（６）は、前記ライトガイドの、物体側の端部を前記物体に結像し、かつ、前記物体から反射された光を、前記ライトガイドの、物体側の端部に結像し、前記ライトガイドを通って導かれる反射された光を、前記検出装置（１２）へ向ける方法において、
   物体側の測定点分布が、照射側および検出側のマイクロレンズの分布またはピンホールの分布に依存していないように、物体側に異なって配列された、前記ライトガイド（５）の端部と、照射側および検出側に配列された前記ライトガイドの端部とを製造することを特徴とする方法。
2. 前記ライトガイドの、照射側および検出側での配列を、一方では前記少なくとも１つの光源（１）からの効率的な光入力および他方では前記検出装置（１２）の効率的な空間利用が保証されているように、選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ライトガイド（５）の、物体側での配列を、複数の個別画像の後続の重ね合わせとの組み合わせで前記物体（８）上で最適な測定点分布が保証されているように、選択することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記照射パターンを、物体側で、個別画像を記録するために移動させ、結像から結果として生じる個別画像を組み合わせて全体像を形成させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ライトガイド（５）を、照射側および検出側で、列またはラインに配列し、サンプル側で前記ライトガイド(５)の均等な分布が実行されるように、前記ライトガイドを好ましくはねじることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記個々のライトガイド（５）の、物体側およびサンプル側での位置の、前記ライトガイドの、照射側の端部への割り当てを、較正によって実行することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 各々のライトガイド（５）の前記反射された光を、１つのラインに沿って広げることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
8. １つのラインに沿って広げられた光を、カメラチップ（１２）へ導くことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記１つのライトガイド（５）から放出される光を、分散装置（９，１０，１１）によって、横方向に広げることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記検出装置は、ＣＣＤセンサのようなチップ（１２）の、波長スペクトルを検出する画素面を有すること、および、該画素面および／または前記分散装置（９，１０，１１）を、前記ライトガイドから放出される放射線が、重ならずに、画素面に当たるように、前記ガイドライト（５）の、１つの面を設定する、照射側および検出側の端部に対し、傾斜させることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記光を、前記ライトガイド（５）の、照射側および検出側の端部に合焦させることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記光を円柱レンズ（３）によって線状に合焦させることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 共焦点条件を満たしかつ任意の或るライトガイド（５）を通過する光線束から、第１のスペクトルを決定すること、前記物体（８）と前記ライトガイドとの間の光路に、該光路を変更する光学素子を設けること、変更された光路を有する前記光線束から、第２のスペクトルを決定すること、および、これらのスペクトルを互いに減算し、かつ、反対の符号を有する、前記共焦条件より生じる同一のピークから、前記光線束の波長を決定することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 物体の、特に、歯または歯の部分のような半透明の物体（８）の、少なくとも一部分を３次元的に測定するための測定装置であって、該測定装置は、連続的な、特に広帯域のスペクトルを有する少なくとも１つの光源（１）と、多焦点の照射パターンを作成させるための装置（３，５）と、前記照射パターンの複数の焦点を前記物体に結像するための、高い色収差を有する対物レンズ（６）と、前記対物レンズによって前記物体に結像された前記複数の焦点の波長スペクトルを決定するためのカメラチップのような検出ユニット（１２）と、前記物体から反射された光が、前記対物レンズによって結像される相手であるスペクトル分散装置（９，１０，１１）と、を具備し、前記光源（１）と前記対物レンズ（６）との間には、前記照射パターンを作成する前記ライトガイド（５）が設けられており、該ライトガイドの、物体側の端部は、１つの結像面に、または、前記対物レンズの、複数の結像面を有する領域に設けられており、前記ライトガイドの、照射側の端部と、前記検出装置（１２）との間に、前記ライトガイドから放射されかつ前記物体から反射される光のための偏向装置（４）が設けられていてなる測定装置において、
    前記ライトガイド（５）の、物体側の端部は、照射側および検出側のマイクロレンズの分布またはピンホールの分布に依存しない測定点分布が、物体側に結像可能であるように、設けられていることを特徴とする測定装置。
15. 前記ライトガイド（５）の、照射側および検出側の端部は、一方では前記少なくとも１つの光源（１）からの効率的な光入力が、他方では前記検出装置（１２）の効率的な空間利用が保証されているように、設けられていること、および、前記ライトガイド（５）の、物体側の端部は、前記物体（８）上での前記測定点の最適な分布が保証されているように、設けられていることを特徴とする請求項１４に記載の測定装置。
16. 前記測定装置は、複数の光源（７）を有し、個々のライトガイド（１）の空間的な配列が、前記ライトガイド（５：１６）の空間的な配列に適合されていることを特徴とする請求項１４または１５に記載の測定装置。
17. 前記ライトガイド（５）は照射側および検出側で列またはラインに設けられていること、および／または、前記ライトガイド（５）は、該ライトガイドがサンプル側で均等な分布を有するように、好ましくはねじれていることを特徴とする請求項１４ないし１６のいずれか１項に記載の測定装置。
18. 前記ライトガイド（５）は、複数のサブバンドルからなるバンドルに組み合わされており、１つのサブバンドルによって背景測定が実行可能であることを特徴とする請求項１４ないし１７のいずれか１項に記載の測定装置。
19. 背景を前記照射側および前記検出側で決定（１６）するための前記ライトガイド（５）は、すべて、照射されていない１つのラインに位置していること、および、サンプル側で背景を決定（１６）するためのライトガイド（５）は、他のライトガイドの間で、均等に分配されていることを特徴とする請求項１４ないし１８のいずれか１項に記載の測定装置。
20. 前記ライトガイドの端部は、前記サンプル側で、均等に、正方形におよび／または回転対称的に設けられていること、および／または、前記ライトガイドは、単位面積当たり、異なった密度を有し、および／または、境界領域には、減少する測定点密度があり、同時に、測定領域の拡大があることを特徴とする請求項１４ないし１９のいずれか１項に記載の測定装置。
21. 前記ライトガイド（５）はランダムに設けられており、前記複数のライトガイド（５）の間の（平均的な）距離は、ファイバシース自体によって、あるいは、ランダムに混合されたダミーファイバまたは他の（円筒形の）コンポーネントによって調整可能であることを特徴とする請求項１４ないし２０のいずれか１項に記載の測定装置。
22. 前記個々のライトガイド（５）の、サンプル側での位置の、前記検出装置（１２）上の対応のスペクトル位置への割り当てが、知られた形状を有する適切な試験体における較正によって、実行可能であることを特徴とする請求項１４ないし２１のいずれか１項に記載の測定装置。
23. 前記ライトガイドの端部は、回転対称的に設けられていることを特徴とする請求項１４ないし２２のいずれか１項に記載の測定装置。
24. 前記光は、円柱レンズ（３）を介して、前記ライトガイド（５）の、照射側の端部に結像可能であることを特徴とする請求項１４ないし２３のいずれか１項に記載の測定装置。
25. 線状に合焦された光が、前記ライトガイド（５）の、照射側の端部に結像可能であることを特徴とする請求項１４ないし２４のいずれか１項に記載の測定装置。
26. 前記測定装置は、ハンドヘルド・ユニットと、該ハンドヘルド・ユニットから間隔をあけて配置可能な測定部分とからなり、両者は、前記ライトガイド（５）を介して接続されていることを特徴とする請求項１４ないし２５のいずれか１項に記載の測定装置。
27. 前記ハンドヘルド・ユニットは、前記ライトガイド（５）の、物体側の端部と、大きい色収差を有する前記対物レンズ（６）と、少なくとも１つの偏向手段（７）とを具備することを特徴とする請求項１４ないし２６のいずれか１項に記載の測定装置。
28. 前記測定装置は、交換可能な有彩色対物レンズ（６）を有することを特徴とする請求項１４ないし２７のいずれか１項に記載の測定装置。
29. 前記対物レンズ（６）は、テレセントリックに結像することを特徴とする請求項１４ないし２８のいずれか１項に記載の測定装置。
30. 前記ライトガイド（５）は、入力側で、ファイバシースを有しないことを特徴とする請求項１４ないし２９のいずれか１項に記載の測定装置。
31. 前記放射線は、マイクロレンズアレイを有する円柱レンズ（３）または交差円柱レンズを介して、前記ライトガイドの端部に結像可能であることを特徴とする請求項１４ないし３０のいずれか１項に記載の測定装置。
32. 前記ライトガイドの端部は、少なくとも物体側では、好ましくは四角形の横断面を有するバンドルとして統合されていることを特徴とする請求項１４ないし３１のいずれか１項に記載の測定装置。
33. 前記複数のライトガイド（５）は、複数のサブバンドルからなる１つのバンドルに統合されており、１つのサブバンドルによって、１つの背景測定が実行可能であることを特徴とする請求項１４ないし３２のいずれか１項に記載の測定装置。
34. 前記測定装置、特にハンドヘルド・ユニットは、ライブ画像を作成するためのカメラチップ（１４）を有することを特徴とする請求項１４ないし３３のいずれか１項に記載の測定装置。
35. 前記光源(１)は、ハロゲンランプ、キセノンランプあるいは１つのまたは複数のＬＥＤであることを特徴とする請求項１４ないし３４のいずれか１項に記載の測定装置。
36. 前記光源(１)は、発光ＬＥＤまたはＲＧＢ-ＬＥＤであることを特徴とする請求項１４ないし３５のいずれか１項に記載の測定装置。
37. 前記ＬＥＤは、変調放射線またはパルス放射線を放射することを特徴とする請求項１４ないし３６のいずれか１項に記載の測定装置。
38. 前記ＬＥＤは、前記ライトガイドの端部を閃光照射することを特徴とする請求項１４ないし３７のいずれか１項に記載の測定装置。
39. 前記検出装置(１２)は、ワンチップ・カラーカメラ、スリーチップ・カラーカメラまたはフィルタホイール技術を用いたカラーカメラを有することを特徴とする請求項１４ないし３８のいずれか１項に記載の測定装置。

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