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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur dreidimensionalen Formerfassung
eines Körpers oder
eines Teils von diesem, insbesondere eines zahntechnischen Objekts
wie Modells, durch scannende berührungslose
Abstandsmessung unter Verwendung einer optischen Sensoreinrichtung,
wobei unter verschiedenen Einfallswinkeln die Form des Körpers wiedergebende
Bereiche mit Strahlung beaufschlagt (Auftreffstrahlung) und reflektierte
Strahlung (Messstrahlung) gemessen wird, wobei der Körper relativ
zu der optischen Sensoreinrichtung verstellt wird.
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Ein
entsprechendes Verfahren ist der DE-A-43 01 538 zu entnehmen. Mit
diesem werden insbesondere Gebissmodelle gemessen. Hierzu sind zumindest
zwei Lichtschnittsensoren vorgesehen, die das Gebiss unter verschiedenen
Winkeln nach dem Triangulationsprinzip messen. Die entsprechenden
Messergebnisse werden sodann digitalisiert, um auf deren Basis einen
Zahnersatz im CAD/CAM-Verfahren herzustellen.
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Der
DE-A-101 33 568 ist ebenfalls ein Verfahren zur dreidimensionalen
Messung zum Digitalisieren eines Körpers insbesondere eines zahntechnischen
Objekts zu entnehmen. Hierzu wird der Körper in eine Halterung in einer
definierten Orientierung eingespannt, der Körper bestrahlt und reflektierte Strahlung
ausgewertet, wobei zum Messen der Körper sowohl translatorisch
als auch rotatorisch zu einer Strahlenquelle bewegt wird. Bei dieser
handelt es sich insbesondere um einen Streifenrichtscanner.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass auf einfachem
Wege eine Formerfassung eines Körpers,
insbesondere Hinterschneidungen dieses erfolgen kann, wobei der Aufwand
der Bewegung des Körpers
zu der Strahlenquelle gering gehalten werden soll. Gleichzeitig
soll eine präzise
Messung ermöglicht
werden.
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Zur
Lösung
des Problems sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass der Körper mit
der von der optischen Sensoreinrichtung emittierten Strahlung unter
den verschiedenen Einfallswinkeln beaufschlagt (Auftreffstrahlung)
und entlang der einfallenden Strahlung reflektierte Strahlung (Messstrahlung) in
Abhängigkeit
von den verschiedenen Reflexionswinkeln zur Abstandsbestimmung mit
der optischen Sensoreinrichtung gemessen wird und dass zur Formerfassung
des jeweiligen gemessenen Bereichs die von diesem reflektierte Strahlung
(Messstrahlung) berücksichtigt
wird, die zu einer Oberflächennormalen,
die dem jeweiligen Bereich entspricht bzw. zugeordnet wird, einen
Winkel α einschließt, der
zu der Oberflächennormalen
gleich oder kleiner als ein vorgegebener Grenzwinkel αGR ist.
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Zur
Bestimmung der Oberflächennormalen ist
dabei vorgesehen, dass aus aus der reflektierten Strahlung gewonnenen
Messdaten des Bereichs dessen Normale bzw. eine mittlere Normale
berechnet wird, um sodann zur Berechnung der Form des Bereichs,
also dessen Oberflächenverlaufs
nur diejenigen Messdaten zu berücksichtigen,
denen Messstrahlung mit einem Reflexionswinkel zugeordnet ist, die
zu der zuvor berechneten (mittleren) Oberflächennormalen einen Winkel einschließt, der
kleiner oder gleich dem vorgegebenen Grenzwinkel αGR ist. Der
Grenzwinkel αGR liegt vorzugsweise im Bereich zwischen
10° und
20°.
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Ursächlich für die Festlegung
von αGR ist u. a., dass durch die Umlenkung des
emittierten Strahls bedingt eine Verzerrung erfolgt, d. h. z. B.
ein Ausgangsstrahl mit einem punkt- bzw. kreisförmigen Querschnitt wird z.
B. als Ellipse oder Strich auf der Oberfläche im zu messenden Punkt abgebildet.
Dies führt
zu Messverfälschungen.
Um nur Messwerte zur Berechnung der Form zuzulassen, die eine geringe Verzerrung
aufweisen, wird αGR festgelegt.
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Mit
anderen Worten wird aus einer Messdaten- oder -punktewolke, die
einen zumessenden Bereich repräsentiert,
zunächst
die Normale bestimmt, um sodann die zu verwertenden Messdaten auszufiltern,
so dass infolgedessen nur diejenigen berücksichtigt werden, die zu einer
den gestellten Genauigkeitsanforderungen genügenden Formermittlung des Bereichs
führen.
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Dabei
entspricht jeder Messpunkt einer Raumkoordinaten, wobei die z-Koordinate
mittels der vorzugsweise als Abstandssensor ausgebildeten optischen
Sensoreinrichtung bestimmt wird, wohingegen die x- und y-Koordinate
durch die Position des Objektes vorgegeben wird. Um insoweit aufgrund
der dreidimensionalen Geometrie des zu messenden Körpers Verzerrungen
bezüglich
der x-, y-Koordinate auszuschließen, erfolgt zuvor eine Koordinatentransformation
unter Zugrundelegung eines normierten Prüfkörpers, bei dem es sich vorzugsweise
um eine Kugel oder einen eine bekannte Geometrie aufweisenden Raumkörper handelt.
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Um
verschiedene Einfallswinkel einzustellen, ist vorgesehen, dass die
von der optischen Sensoreinrichtung emittierte Strahlung über zumindest ein
Umlenkelement wie einen Spiegel oder über ein Prisma umgelenkt wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass in den Strahlweg eine um eine
Achse drehbare Spiegelanordnung anordbar ist, um so gewünschte Winkel
sowohl senkrecht zur x-/y-Ebene, innerhalb der der Körper verstellbar
ist, als auch unter einen von 90° abweichenden
Winkel zu der Ebene einstellen zu können. Andere Umlenkmittel wie
Prismen sind gleichfalls möglich.
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Mit
diesen Maßnahmen
kann eine Teilformerfassung aus verschiedenen Ansichten des Körpers über das
jeweils genutzte Umlenkmittel wie Spiegel oder Prisma erfolgen.
Gleichzeitig wird der Körper
in der x-/y-Ebene verstellt, um sodann für jede gewünschte x-/y-Position mittels des von dem Körper reflektierten
Messstrahls die z-Position des Körpers zu
bestimmen. Hierdurch ergibt sich sodann die Raumkoordinate des Messpunktes.
Entsprechend werden die x-, y- und z-Werte für jeden Oberflächenmesspunkt
ermittelt.
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Durch
die Verwendung der Umlenkmittel ist die Möglichkeit gegeben, Unterschnitte
bzw. Hinterschneidungen optisch zu erfassen, ohne dass der Körper gekippt
werden muss. Somit kann eine Formerfassung mit mechanisch einfachen
Maßnahmen erfolgen.
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Durch
die Umlenkung der Strahlung erfolgt die Teilformerfassung optisch
verzerrt. Um insoweit eine Korrektur, d. h. Entzerrung der Einzelansichten zu
erreichen, wird zuvor ein Referenzobjekt gemessen, d. h. gescannt,
wobei für
die jeweilige Position des Umlenkelements wie Spiegels ein Vergleich
mit den geometrischen Daten des Referenzobjekts eine Transformation
ermöglicht
wird, die sicherstellt, dass die Messwerte in den tatsächlichen
Raumkoordinaten des festgelegten Raumkoordinatensystems ermittelt
werden. Die Einzelansichten werden sodann zu einem Gesamtbild und
somit zu der dreidimensionalen Form des zu messenden Körpers zusammengesetzt.
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In
hervorzuhebender Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Objekt vor dem scannenden Messen zu einer Schablone ausgerichtet
wird, die eine Fläche
aufspannt, die quer, vorzugsweise senkrecht zu der Ebene verläuft, die
von der von der optischen Sensoreinrichtung emittierten und von
dem jeweiligen Reflexionselement umgelenkten Strahlung aufgespannt
ist. Insbesondere sollte die Schablone derart ausgerichtet sein,
dass die Fläche parallel
zu der von der Sensoreinrichtung emittierten Strahlung verläuft, bevor
diese umgelenkt ist. Die Ausrichtung des Körpers in z-Richtung erfolgt
zu der Schablone derart, dass der Körper die Fläche in zumindest einem Punkt,
vorzugsweise in zumindest zwei zueinander beabstandeten Bereichen
berührt.
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Durch
diese Maßnahme
wird sichergestellt, dass der zu messende Körper in Bezug auf die z-Achse,
die über
den Messstrahl und optische Sensoreinrichtung gemessen wird, optimal
ausgerichtet ist. Zuvor wird der Körper wie ein negatives oder
positives zahntechnisches Modell auf einen Modellhalter befestigt,
der seinerseits von einem in x- und y-Richtung des Koordinatensystems
verstellbaren Messtisch ausgeht.
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Nach
einer eigenerfinderischen Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass
von dem zu messenden Körper
vor dem eigentlichen scannenden Messen ein Übersichtsbild angefertigt wird,
um sodann Scanbereiche festzulegen, die nach einer gewünschten
Scanstrategie gemessen werden. Ein entsprechendes insbesondere zweidimensionales Übersichtsbild
kann mit einem gesonderten optischen Sensor – gegebenenfalls jedoch auch
mit der optischen Sensoreinrichtung – aufgenommen werden, wobei
das Bild auf einem Monitor darstellbar ist. In dem Übersichtsbild
werden sodann von dem Anwender der bzw. die Scanbereiche mittels
eines Eingabegerätes
festgelegt. Dies kann z. B. bei MS WORD per Mouse durch Öffnen eines
Rechtecks und über „DRAG" und „ZOOM" erfolgen, um den
Messbereich festzulegen. Des Weiteren werden die Scanbereiche klassifiziert.
Bei zahntechnischen Objekten kann der Restaurationstyp bzw. die
geometrische Struktur für jeden
Scanbereich entsprechend der Dental-Fachnomenklatur mittels Eingabegerät festgelegt
werden. So kann z. B. nach Festlegen eines Rechtecks der Restaurationstyp
unter den möglichen
Vorgaben wie Käppchen,
Inlay, Onlay, Krone, Brückenpfeiler,
Brückenponti,
Implantat, Gingiva, Nachbarzahn, konfektionierte, teilkonfektionierte
oder individualisierte Abutments (Pfosten), etc. ausgewählt werden.
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Für jeden
Scanbereich wird sodann unter Berücksichtigung des Restaurationstyps
bzw. der angegebenen geometrischen Struktur die Scanstrategie festgelegt,
die aus in einem Rechner zuvor abgelegten mehreren Scanstrategien
automatisch ausgewählt
wird. Für
jeden Scanbereich werden die x-/y-Verfahrwege des Messtisches berechnet
und die Auswahl der Umlenkelemente wie Spiegel festgelegt. Für die jeweilige
x-/y-Messwerte erfolgte zuvor eine Kalibrierung durch Scannen eines
Kalibrationselementes wie Kalibrationskugel.
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Der
zum Messen benutzte Auftreff- und damit Messstrahl muss nicht zwingend
einen punkt- bzw. kreisförmigen
Querschnitt aufweisen. Ein linien- oder flächenförmiger Quer schnitt ist gleichfalls
möglich.
Hierdurch erfolgt eine Messwerteverfälschung nicht, da entsprechend
ein gleicher Auftreffstrahl beim Kalibrieren, also beim Scannen
des Kalibrationselementes verwendet wurde.
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Eine
Kalibrierung muss nicht notwendigerweise vor jeder Messung durchgeführt werden.
Nach dem Positionieren erfolgt sodann das Messen, also Scannen des
jeweils ausgewählten
Bereichs des Körpers,
wobei entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre allein die Messwerte berücksichtigt
werden, die aus Messstrahlen ermittelt werden, die in Bezug auf
den zu messenden Bereich des Körpers zu
der Oberflächennormalen
des Bereichs einen vorher festgelegten Grenzwinkel αGR nicht überschreiten.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Lehre
werden einzelne Bereiche eines Körpers,
dessen Formen erfasst werden sollen, gescant, wobei die x-/y-Koordinate
des jeweiligen Messpunktes durch die Position des Messtisches, der
zu der optischen Sensoreinrichtung verstellt wird, und die Z-Koordinate
durch die optische Sensoreinrichtung selbst bestimmt werden. Dabei
wird für
jeden zu messenden, d. h. zu scannenden Bereich zunächst der
Umlenkwinkel der emittierten Strahlung festgelegt und sodann der
Körper
in die den gewünschten
Messpunkten entsprechenden x-/y-Positionen verfahren. Die Messungen
werden dabei so durchgeführt,
dass Überlappungsbereiche
auftreten, d. h. Randbereiche von einzelnen zu messenden Bereichen
werden bei verschiedenen Umlenkwinkeln und somit Auftreff- und Reflexionswinkeln
gemessen. Messpunkte, die diesen Überlappungsbereichen Messstrahlen
zugeordnet werden, deren Reflexionswinkel zur jeweiligen Oberflächennormale
des jeweiligen gemessenen Bereichs den vorgegebenen bzw. festgelegten Grenzwinkel αGR nicht überschreiten,
können
sodann dahingehend selektiert werden, dass nur diejenigen weiterverarbeitet
werden, die aus Messstrahlen ermittelt wurden, die zu der jeweiligen
Bereichsoberflächennormale
den kleineren Winkel einschließen.
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Nach
Messen sämtlicher
Bereiche und der sich hieraus rechnerisch ergebenden Gesamtformerfassung
werden die entsprechend digitalisierten Daten einer CAD/CAM-Software
zur weiteren Verarbeitung zugeführt,
um z. B. auf dem zahntechnischen Bereich einen gewünschten
Zahnersatz herstellen zu können.
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Ist
bevorzugterweise vorgesehen, dass der Messstrahl in den Auftreffstrahl
hinein zurückreflektiert
wird, wie dies typischerweise bei Laserabstandsmessungen oder bei
conoskopischen Messungen der Fall ist, so besteht selbstverständlich auch
die Möglichkeit,
dass nach dem Triangulationsverfahren eine z-Koordinatenmessung
erfolgt. Bevorzugterweise wird jedoch mit Hilfe eines Laserstrahls
eine Laserabstandsmessung durchgeführt, um die z-Koordinate zu bestimmen.
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht
nur aus den Ansprüchen,
den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-,
sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung
zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsformen.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Messgerätes,
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2 ein Übersichtsbild
eines zu messenden Objektes,
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3 Scanbereiche
des Objektes gemäß 2,
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4a–4h Darstellungen zur Verdeutlichung des
Messprinzips,
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5 eine
Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung der Messdatenbewertung und
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6a–6e weitere Prinzipdarstellungen zur Verdeutlichung
der Messdatenbewertung.
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Die
erfindungsgemäße Lehre
soll anhand der Formerfassung eines zahntechnischen Modells erläutert werden,
ohne dass hierdurch eine Einschränkung
der erfindungsgemäßen Lehre
erfolgt. Das zahntechnische Modell – sei es ein positives Modell,
sei es ein Abdruck (negatives Modell) – wird nach der nachfolgend
beschriebenen Lehre gescant, um sodann aus den gewonnenen und digitalisierten Daten
eine gewünschte
zahntechnische Restauration mittels CAD/CAM-Software herzustellen.
Dabei kann ein Verfahren zur Herstellung des Zahnersatzes zur Anwendung
gelangen, wie dieses aus der WO-A-99/47065 bekannt ist, auf deren
Offenbarung ausdrücklich
Bezug genommen wird.
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In 1 ist
rein prinzipiell ein Messgerät 10 dargestellt,
mit der ein zahntechnisches Modell 12 scannend gemessen
werden soll.
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Das
Gerät 10 umfasst
einen in x- und y-Richtung verfahrbaren Messtisch 14, auf
dem z. B. von einem Modellhalter 16 das zahntechnische
Modell 12 aufgenommen ist. Der Messtisch 14 ist
entlang der in x- und y-Richtung verlaufenden Führungsbahnen verstellbar, die
von einem Rahmen 17 des Gerätes 10 ausgehen. Oberhalb
des Messtisches 16 und vorzugsweise mit dem Rahmen 17 verbunden
ist eine optische Sensoreinrichtung angeordnet, die im Ausführungsbeispiel
als Laserabstandssensor 18 ausgebildet ist.
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Mit
dem Abstandssensor 18 soll in nachstehend beschriebener
Weise die z-Koordinate von Bereichen des Modells 12 bestimmt
werden, also eine Formerfassung durch Bestimmung der Raumkoordinaten
x, y, z. Die x- und y-Koordinate des Messpunktes wird durch die
Position des Messtisches 14 vorgegeben.
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Der
Laserabstandssensor 18 weist eine nicht dargestellte Laserlichtquelle
auf. In dem optischen Weg der emittierten Strahlung 20 ist
eine revolverartig ausgebildete Spiegelanordnung 22 angeordnet, die
im Ausführungsbeispiel
fünf Spiegel 24, 26, 28, 30, 32 umfasst.
Die Spiegel 24, 26, 28, 30, 32 weisen zu
der optischen Achse der Lichtquelle, also zu dem emittierten Strahl 20,
unterschiedliche Neigungswinkel in Bezug auf die x- und y-Ebene
auf. Der von dem jeweiligen Spiegel – im Ausführungsbeispiel von dem Spiegel 24 – reflektierte
Strahl 34 trifft sodann auf das Modell 12 in einer
festgelegten x-/y-Position auf. Der von dem Modell 12 in
den abgelenkten Strahl 34 zurückreflektierte Strahl, der
der eigentliche Messstrahl ist, wird sodann von dem Laserabstandsmesser 18 gemessen,
um so die z-Position des Auftreffpunkts des abgelenkten Strahls 34 bestimmen
zu können. Insoweit
wird jedoch auf hinlänglich
bekannte Messverfahren und Auswertemöglichkeiten verwiesen, die aus
der Koordinatenmesstechnik bekannt sind.
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Die
Reflexionsfläche
der Spiegel 24, 26, 28, 30, 32 ist
derart ausgelegt, dass der umgelenkte Strahl 34 auch Hinterschnitte
des zu messenden Modells 12 erfasst. Somit trifft der umgelenkte
Strahl 34 in Abhängigkeit
von dem jeweilig zum Einsatz gelangenden Spiegel 24, 26, 28, 30, 32 bzw.
dessen Ausrichtung zur von dem Laserabstandssensor emittierten Strahlung 20 zu
der x-/y-Ebene gewünschten Winkel α auf, so
dass infolgedessen auch Unterschnitte bzw. Hinterschneidungen des
Modells 12 problemlos gemessen werden können, ohne dass ein Kippen
des Modells 12 erforderlich ist. Vielmehr wird dieses ausschließlich in
der x-/y-Ebene des Messgerätes 10 zum
Einstellen des jeweiligen Messpunktes verstellt, dessen z-Koordinate
mittels des Laserabstandssensors 18 gemessen wird.
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Um über den
gesamten Tiefenschärfenbereich
T des Messsensors 18 Messpunkte des Modells 12 aufzunehmen,
wird das Modell 12 vor Beginn der Messung zu einer Schablone 36 ausgerichtet,
die eine Bezugsfläche 38 aufweist,
die parallel zur x-/y-Ebene verläuft.
Dabei wird der Messtisch 16 derart zu der Schablone 36,
d. h. der Bezugsfläche 38 ausgerichtet,
dass das Modell 12 die Fläche 18 berührt. Bei
einem Modell, mit dem ein Käppchen
oder eine Krone hergestellt werden soll, wird das Modell 12 die
Fläche 38 in
einem Punkt berühren.
Bei der Herstellung von Brücken
werden die dem Modell zu entnehmenden Brückenpfeiler jeweils die Fläche 38 berühren. Durch
diese Vorjustage ist erkennbar sichergestellt, dass der z-Messbereich
des Laserabstandssensors 18 voll ausgenutzt werden kann.
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Sodann
wird vorzugsweise mittels eines weiteren optischen Sensors 40 wie
CCD-Kamera ein Übersichtsbild
des justierten Modells 12 aufgenommen. Das Übersichtsbild
wird auf einem Monitor dargestellt, um sodann durch den Anwender
Scanbereiche festzulegen bzw. zu definieren. Dies soll anhand der 2 prinzipiell
verdeutlicht werden. So werden bei einem für die Herstellung einer Brücke bestimmten
Modell Bereiche 42, 44, 46 des Übersichtsbilds mittels
eines Eingabegerätes
festgelegt. Dies kann bei MS WORD per Maus durch Öffnen eines
Rechtecks und über „Drag" und „Zoom" zur Festlegung des Messbereichs 42, 44, 46 erfolgen.
Sodann wird zum jeweiligen Messbereich 42, 44, 46 ein
Restaurationstyp bzw. eine geometrische Struktur entsprechend der
Dentalfachnomenklatur mittels eines Eingabegerätes bestimmt. Im Ausführungsbeispiel
wird der Messbereich 42 als Restaurationstyp Brückenpfeiler Nr.
1, der Messbereich 44 als Zwischenglied und der Messbereich 46 als
Restaurationstyp Brückenpfeiler Nr.
2 festgelegt. Sodann wird unter Zugrundelegung des Messbereichs
und des festgelegten Restaurationstyps bzw. der geometrischen Struktur
die Scanstrategie entsprechend abgelegter Daten in einem Rechner
festgelegt. Scanstrategie bedeutet dabei, dass für jeden Scanbereich 42, 44, 46 die
Verfahrwege des Messtisches 14 in x- und y-Richtung und
die Messpunktdichte festgelegt wird. Des Weiteren erfolgt eine Unterteilung
des jeweiligen Gesamtmessbereichs 42, 44, 46 in
diskrete Bereiche, die jeweils mit unterschiedlichen Auftreffwinkeln,
also unterschiedlicher Umlenkung der emittierten Strahlung 20 durch
Einstellen verschiedener Spiegel 24, 26, 28, 30, 32 festgelegt
werden. Selbstverständlich
besteht die Möglichkeit,
von einer Unterteilung des jeweiligen Messbereichs 42, 44, 46 abzusehen
und den jeweiligen Messbereich 42, 44, 46 jeweils
vollständig
mit unterschiedlich umgelenkten Auftreffstrahlen zu beaufschlagen.
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Die
in 3 noch einmal prinzipiell dargestellten Messbereiche 42, 44, 46 gemäß 2 werden
mit Licht beaufschlagt, die mittels verschiedener Spiegelstellungen
umgelenkt werden.
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So
wird im Ausführungsbeispiel
der Messbereich 42 und damit die Fläche A nacheinander unter Berücksichtigung
der jeweiligen x-/y-Position unter Verwendung nachstehender Spiegel
mit Strahlung beaufschlagt:
Spiegel 26 für einen
schrägen
Lichteinfall in Richtung x-Achse,
Spiegel 28 für einen
schrägen
Lichteinfall in Richtung – y-Achse,
Spiegel 30 für einen
schrägen
Lichteinfall in Richtung y-Achse,
Spiegel 32 für einen
schrägen
Lichteinfall in Richtung – y-Achse.
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Entsprechend
wird der Messbereich 46 und damit die Fläche C gemessen.
Die Fläche
B (Messbereich 44) wird ausschließlich mittels durch den Spiegel 24 umgelenkter
Strahlung gemessen, die senkrecht zur x-/y-Ebene verläuft, also
dem Strahl 34 entspricht.
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Die
Messpunktdichte des jeweiligen Messbereichs 42, 44, 46 wird
gleichfalls von der Scanstrategie festgelegt und durch die gewünschte Messgenauigkeit
bestimmt.
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Um
bei der Teilformerfassung die durch die Spiegel bedingte optische
Verzerrung zu korrigieren, wird zuvor der Laserabstandssensor 18 kalibriert. Hierzu
ist ein Kalibrierelement, im Ausführungsbeispiel der 1 eine
Kalibrierkugel 42 vorgesehen, die für jede Spiegelstellung gemessen
wird. Hierdurch ist eine Transformation der tatsächlichen x-y-z-Koordinaten des gemessenen
Punktes zu der realen Position im x-y-z-Koordinatensystem möglich, die
bei den Messungen des Modells 12 einfließt.
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Um
nur die Messpunkte, also x-, y- und z-Koordinaten zu berücksichtigen,
die hinreichend genau die Form des Modells 12 repräsentieren,
erfolgt eine Identifikation und Filterung der Messdaten wie folgt.
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Die
Selektion und Filterung der Messdaten soll anhand der 4 und 5 prinzipiell
erläutert werden.
In den 4a) bis 4f) wird
zunächst
veranschaulicht, welche Teilbereiche eines Objekts 44 mit welchen
Spiegeln 24, 26, 28, 30, 32 gemessen
werden sollen. Im Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem Objekt 44 um eine Kugel. Entsprechend
zuvor erfolgter Erläuterungen
wurde dabei zunächst
der dem Objekt 44 zuzuordnende Scanbereich 46 festgelegt.
Sodann wird gemäß 4b) ein Teilbereich des Scanbereichs 46 und
somit ein Abschnitt 47 (schraffierter Bereich) der Oberfläche der
Kugel 44 gemessen, und zwar im Ausführungsbeispiel mit dem Spiegel 26,
der in Richtung x-Achse misst. Sodann wird der den Abschnitt 48 enthaltende
Teilbereich 48 mit dem Spiegel 28 in Richtung – x-Achse gemessen.
Anschließend
erfolgt ein Messen des Abschnitts 50 mit den Spiegel 30 in
Richtung y-Achse. Der der 4e) zu entnehmende
Abschnitt 52 wird mit dem Spiegel 32 in Richtung – y-Achse
gemessen. Schließlich
erfolgt gemäß 4f) ein Messen 6 mit dem Spiegel 24 senkrecht
zur x-/y-Ebene (schraffierter Bereich 54).
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Die
Messdaten der Abschnitte 47, 48, 50, 52, 54 werden
sodann verknüpft,
wie dies durch die 4g) prinzipiell
verdeutlicht wird, um sodann aus den Messwerten bzw. -daten die
Form des Objektes 44 zu ermitteln, was in der 4h) in 3D-Ansicht wiedergegeben ist.
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Um
nur die Messwerte zu berücksichtigen, die
hinreichend genau sind, erfolgt in nachstehender Weise eine Selektierung
und damit ein Filtern.
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So
wird der jeweilige Bereich des gemessenen Objekts in diskrete Bereiche
unterteilt, von denen rein beispielhaft einige in der 4h) eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 54, 56, 58, 60 gekennzeichnet
sind. Von jedem diskreten Teilbereich 54, 56, 58, 60 wird
aufgrund der Messwerte eine Normale 62, 64, 66, 68 berechnet.
Sodann werden nur diejenigen Messwerte des jeweiligen diskreten
Messbereichs 54, 56, 58, 60 zur
Bestimmung der Form des Objekts 44 berücksichtigt, denen Messstrahlen
zuzuordnen sind, die zu der jeweiligen Normalen 62, 64, 66, 68 einen
Winkel einschließen,
der kleiner als ein vorgegebner Grenzwinkel αGR ist.
Dies wird prinzipiell aus der 5 ersichtlich.
So wird ein Messbereich eines zu messenden Objekts 72 in
diskrete Teilbereiche 72, 74, 76 unterteilt.
Jedem diskreten Teilbereich 72, 74, 76 wird
eine mittlere Normale 80, 82, 84 zugeordnet,
die erwähntermaßen aus
den Messdaten der jeweiligen Teilbereiche 72, 74, 76 berechnet
wird. Sodann wird für
jeden Messpunkt des diskreten Messbereichs 74, 76, 78,
dem die Normale 80, 82, 84 zugeordnet
ist, der zugehörige
Messstrahl 86, 88, 90 dahingehend bewertet,
ob der zu der Normalen 80, 82, 84 eingeschlossene
Winkel α1, α2, α3 gleich
oder kleiner bzw. größer als
ein vorgegebener Grenzwinkel ist. Die Messstrahlen und damit die
Messpunkte, bei denen der Winkel α größer als
der vorgegebene Grenzwinkel αGR ist, werden missachtet, wohingegen die
Messpunkte der Messstrahlen, die einen Winkel α ≤ αGR zu
der jeweiligen Normalen einschließen, bei der Berechnung des
Objekts 72, also bei der Formerfassung ausgewertet werden.
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In 5 sind
die Messpunkte, auf deren Basis die Normalen 80, 82, 84 berechnet
werden, durch einen offenen Kreis dargestellt, wohingegen die in zuvor
beschriebener Weise klassifizierten Messpunkte durch einen geschlossenen
Kreis gekennzeichnet. Ferner ist aus der Darstellung der 5 ersichtlich,
dass Auftreffstrahl und Messstrahl ineinander fallen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Selektieren und Filtrieren von Messwerten soll auch anhand der 6 verdeutlicht
werden. In 6 sind Messpunkte dargestellt,
die mittels Messstrahlen L1 bzw. L2 ermittelt werden, die in Abhängigkeit
von der Abweichung zu der jeweiligen einem Bereich zugeordneten
Normalen n1 bzw. n2 unterschiedlich genau die Form des zu messenden
Körpers 92 repräsentieren,
der im Ausführungsbeispiel
eine Kugel ist. So wird mit dem Messstrahl L1 ein Gesamtbereich 94 gemessen,
der in Teilbereiche 96, 98 100 unterteilt wird.
Jedem Bereich 96, 98, 100 wird eine Normale n1,
n1' und n1'' zugeordnet, die aus den Messwerten errechnet
wird, die in dem jeweiligen Bereich 96, 98, 100 gemessen
werden. Sodann wird der Winkel zwischen Messstrahl L1 und der jeweiligen
Normalen n1, n1' und
n1'' bestimmt. Liegt
der Winkel außerhalb des
Grenzwinkels αGR, so werden die entsprechenden Messdaten
ausgefiltert und somit zur Berechnung der Form des Körpers nicht
berücksichtigt.
Im Ausführungsbeispiel
der 6a werden ausschließlich die
Messdaten des Bereichs 98 verarbeitet.
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In
der Darstellung der 6b) wird zur Messung
des Formkörpers 92 ein
Messstrahl L2 benutzt, der von dem Messstrahl L1 in der Richtung
abweicht. Entsprechend der Erläuterung
gemäß 6a) wird der gesamte gemessene Bereich 102 in
diskrete Bereiche 104, 106, 108 unterteilt
und jedem Bereich eine Normale n2, n2' und n2'' aus
den gewonnenen Messdaten zugeordnet. Sodann erfolgt die Bestimmung
der Winkeldifferenz zwischen dem Messstrahl L2 und der jeweiligen
Normalen n2, n2' und
n2''. Im Ausführungsbeispiel
der 6b) werden sodann ausschließlich die
Messdaten des Bereichs 106 berücksichtigt.
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Die
Messungen der Bereiche 96, 98, 100, 106, 108 ergeben
insgesamt eine Messdatenwolke, die der 6c) zu
entnehmen ist. Dabei stimmen die Teilbereiche 98 und 104 sowie 100 und 106 überein. Man
erkennt, dass von den gesamten Messdaten unter Berücksichtigung
des zuvor genannten Auswahlkriteriums bezüglich des Grenzwinkelns zwischen Teilbereichsnormalen
und Messstrahl entsprechend der 6d) allein
die Messdaten als hinreichend genau bewertet werden, die in den
Bereich 98 bzw. 104 mit dem Messstrahl L1 und
in dem Bereich 100 bzw. 106 mit dem Messstrahl
L2 gemessen worden sind, da der Messstrahl zu der dem Bereich 98, 104 bzw. 100, 106 zugeordnete
Normalen n1 bzw. n2 einen Winkel einschließt, der kleiner als der Grenzwinkel ist.
Aus den Messdaten wird sodann die Form des Körpers 92 errechnet.
Man erkennt entsprechend der 6e),
dass die verarbeiteten Messdaten den Messkörper 92 hinreichend
genau wiedergeben. Die digitalisierten Messdaten werden sodann mit
einer geeigneten Software verarbeitet, um anschließend im
CAD/CAM-Verfahren einen gewünschten
Körper herzustellen.
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Anzumerken
ist, dass die erfindungsgemäße Lehre
zur Formerfassung insbesondere mittels einer einzigen optischen
Sensoreinrichtung durchgeführt werden
kann, wenn man von dem Sensor für
das Übersichtsbild
absieht. Selbstverständlich
wird die erfindungsgemäße Lehre auch
dann nicht verlassen, wenn mehr als eine Sensoreinrichtung zur Messung der
Z-Koordinate benutzt
wird.