DE4027328A1 - 3d-kamera zur erfassung von oberflaechenstrukturen, insbesondere fuer zahnmedizinische zwecke - Google Patents

Description

Aus der US-PS 45 75 805 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 Aufnahme­ objekt reflektierte Licht wird durch den Beobachtungsstrahlen­ gang 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 Anzeigevor­ richtung erstellt werden kann. Diese 3D-Kamera eignet sich insbesondere zur Erfassung einer Kavität eines Zahnes.

Aus der EP-02 50 993 A2 ist ebenfalls eine solche 3D-Kamera bekannt.

Zur Bestimmung der Höhen- bzw. Tiefen-Unterschiede der Ober­ flächenstruktur sind Mittel zur Erzeugung eines Referenzmusters vorgesehen, derart, daß das Referenzmuster auf die Oberflächen­ struktur projizierbar ist. Anhand des von der Oberflächenstruk­ tur 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 pseudodrei­ dimensionales Bild dargestellt werden.

Glanzstellen, die bei einer ungünstigen Oberflächenstruktur auftreten können, machen eine Vermessung der Oberflächen­ struktur an dieser Stelle unmöglich, da das dort stark reflek­ tierte Licht zu einer Übersteuerung des Bildwandlers in einem Bereich führt, auf dem dieses Licht auftrifft. Außerdem können Objektflächen, deren Normale senkrecht zur optischen Achse des Projektions- und Beobachtungsstrahlenganges ausgerichtet sind, nicht erfaßt werden, da sie im optischen Schatten liegen. Auch ergeben sich an Kanten in den 3D-Meßdaten Artefakte, die aus der einseitigen Beleuchtung resultieren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine 3D-Kamera der eingangs genannten Art so auszuführen, daß die Oberflächenstruktur eines Aufnahmeobjektes in allen Einzelheiten gut darstellbar und er­ faßbar ist. Es soll also eine korrekte Vermessung der Ober­ flächenstruktur ermöglicht werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine 3D-Kamera zur Er­ fassung von Oberflächenstrukturen, insbesondere für zahnmedi­ zinische Zwecke, mit Mitteln, durch die ein erstes und ein zweites Lichtstrahlenbündel erzeugbar ist, wobei das erste Lichtstrahlenbündel über einen ersten Projektionsstrahlengang aus einer ersten Richtung und das zweite Lichtstrahlenbündel über einen zweiten Projektionsstrahlengang aus einer zweiten Richtung auf ein Aufnahmeobjekt lenkbar ist und mit einem Beobachtungsstrahlengang, der einen Bildsensor zum Empfangen des vom Aufnahmeobjekt reflektierten Lichtes aufweist, gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß zwei Projek­ tionsstrahlengänge vorgesehen sind, so daß ein Aufnahmeobjekt aus verschiedenen Richtungen beleuchtet werden kann. Alle Einzelheiten der Struktur der Oberfläche des Aufnahmeobjektes sind somit gut und eindeutig darstellbar und somit erfaßbar.

Zur Vermessung der Oberflächenstruktur des Aufnahmeobjektes ist es vorteilhaft, wenn Mittel zum Erzeugen eines Referenzmusters vorgesehen sind, die in wenigstens einen Projektionsstrahlen­ gang schaltbar sind, derart, daß das Referenzmuster auf die Oberflächenstruktur projizierbar ist.

Wird durch die Mittel zum Erzeugen eines Referenzmusters vor­ zugsweise ein Gitter auf die Oberflächenstruktur projiziert, so hängt die Genauigkeit der Erfassung eines Strukturbereiches und die Höheninformation des Strukturbereiches von der Gitter­ periode des Gitters ab. Bei einer vorgegebenen Gitterperiode kann also nur ein bestimmter Höhenbereich der Oberflächenstruk­ tur eindeutig erfaßt werden. Vorteilhaft ist es daher, wenn die Mittel zum Erzeugen eines Referenzmusters so ausgeführt sind, daß unterschiedliche Referenzmuster auf die Oberflächenstruktur projizierbar sind. Hierdurch wird die Größe des Eindeutigkeits­ bereiches, d. h. der Bereich, in dem die Höhe einer Struktur eindeutig bestimmt werden kann, wesentlich erhöht. Insbesondere kann die Kavität eines Zahnes besonders exakt erfaßt werden, so daß ein Restaurationskörper erstellt werden kann, der sich optimal, d. h. mit geringster Spaltgröße, in die Kavität ein­ paßt. Hierzu kann insbesondere für jeden Projektionsstrahlen­ gang ein Mittel zum Erzeugen eines Referenzmusters vorgesehen sein.

Ein besonders schneller Bildaufbau läßt sich erreichen, wenn der Bildsensor als Frame-Transfer-CCD-Wandler ausgeführt ist.

Ein besonders kompakter Aufbau der 3D-Kamera wird erreicht, wenn der erste und der zweite Projektionsstrahlengang den gleichen Winkel zu einer Mittelachse einnehmen, die durch die Winkelhalbierende des Winkels definiert ist, den die Projek­ tionsstrahlengänge zueinander einnehmen. Hierbei ist der Beobachtungsstrahlengang vorzugsweise parallel zur oder auf der Mittelachse ausgerichtet. Bei dieser Ausführungsform der 3D- Kamera können optische Abbildungsfehler optimal kompensiert werden.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 1 ein Strahlengang einer 3D-Kamera nach dem Stand der Technik und anhand der

Fig. 2 und 3 nach der Erfindung erläutert.

Fig. 4 dient zur Erläuterung.

Fig. 1 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung eine Licht­ quelle 1 zum Aussenden eines Lichtstrahlenbündels, das über einen Projektionsstrahlengang 2 zu einem Aufnahmeobjekt 3 lenkbar ist. Der Lichtweg führt hierbei über optische Linsen­ systeme L1, L3 und L4, ein im Projektionsstrahlengang 2 ver­ stellbares Gitter 4 zum Erzeugen eines linienförmigen Referenz­ musters, ein Prisma 5 und eine erste Öffnung 6 einer Zweiloch­ blende 7. Das vom Aufnahmeobjekt 3 reflektierte Licht ist durch einen Beobachtungsstrahlengang 8 zu einem Bildsensor 9 lenkbar. Im Beobachtungsstrahlengang 8 sind ein Prisma 10, die optischen Linsensysteme L3, L4 und die Zweilochblende 7 angeordnet, wobei der Lichtweg des vom Aufnahmeobjekt 3 reflektierten Lichtes durch eine zweite Öffnung 11 der Zweilochblende 7 führt. Die Prismen 5, 10 dienen zur Teilung des Lichtbündels des Projek­ tions- und Beobachtungsstrahlenganges 2, 8 und sind so ausge­ richtet, daß der Projektionsstrahlengang 2 und der Beobach­ tungsstrahlengang 8 einen Winkel Alpha zueinander einnehmen. Eine optische Achse 12 dieser Anordnung ist durch die Winkel­ halbierende des Winkels Alpha definiert. Die Oberflächenstruk­ tur des Aufnahmeobjektes 3 ist somit sowohl darstellbar als auch durch das Verfahren der "phase shifting Triangulation" berechenbar.

Ein prinzipieller Strahlengang einer 3D-Kamera nach der Erfin­ dung ist in der Fig. 2 als Ausführungsbeispiel gezeigt.

Gekennzeichnet ist dieses Ausführungsbeispiel und im Unter­ schied zum Stand der Technik durch einen ersten und zweiten Projektionsstrahlengang 13, 14 zum Lenken eines erzeugbaren Lichtstrahlenbündels aus verschiedenen Richtungen zu einem Aufnahmeobjekt 15. Das vom Aufnahmeobjekt 15 reflektierte Licht ist über einen Beobachtungsstrahlengang 16 zu einem Bildsensor 17 lenkbar. Die Ausgangssignale des Bildsensors 17 werden einer aus dem Stand der Technik bekannten Rechenvorrichtung zur Er­ stellung eines Bildes von der Oberflächenstruktur des Aufnahme­ objektes 15 zugeführt.

Im Ausführungsbeispiel weist jeder Projektionsstrahlengang 13, 14 Mittel 18 zum Erzeugen des Lichtstrahlenbündels auf, die beispielsweise aus einer LED in Verbindung mit einer Optik bestehen. Selbstverständlich kann auch nur ein einziges Mittel 18 zum Erzeugen eines Lichtstrahlenbündels vorgesehen sein, wobei dann das Lichtstrahlenbündel über ein nicht gezeigtes Umlenkelement entweder in den einen oder in den anderen Projektionsstrahlengang 13, 14 lenkbar ist. Im ersten und zwei­ ten Projektionsstrahlengang 13, 14 können zum Lenken des Licht­ strahlenbündels nicht näher gezeigte optische Elemente, bei­ spielsweise optische Linsensysteme L1 bis L4, angeordnet sein, wenn dies erforderlich ist.

Im Lichtweg jedes Projektionsstrahlenganges 13, 14 ist ein Mittel zum Erzeugen eines Referenzmusters vorgesehen, das beispielsweise als LCD-Anordnung oder als Gitter 19, 20 zum Erzeugen eines Linienmusters ausgeführt ist. Durch ein Prisma 21, das ebenfalls im Lichtweg jedes Projektionssstrah­ lenganges 13, 14 vorgesehen ist, wird das Lichtstrahlenbündel des ersten Projektionsstrahlenganges 13 durch eine erste Öffnung 22 und das Lichtstrahlenbündel des zweiten Projek­ tionsstrahlenganges 14 durch eine zweite Öffnung 23 einer Dreilochblende 24 aus verschiedenen Richtungen auf das Auf­ nahmeobjekt 15 gelenkt. Der Zentralstrahl des Lichtstrahlen­ bündels des ersten Projektionsstrahlenganges 13 soll mit dem Bezugszeichen 25 und der Zentralstrahl des Lichtstrahlenbündels des zweiten Projektionsstrahlenganges 14 soll mit dem Bezugs­ zeichen 26 gekennzeichnet sein. Es ist gezeigt, daß die Zentralstrahlen 25, 26 der Lichtstrahlenbündel einen Winkel Beta zueinander einnehmen. Die Winkelhalbierende des Winkels Beta definiert eine optische Achse 27 dieser Anordnung. Im Ausführungsbeispiel ist der Zentralstrahl des Beobachtungs­ strahlenganges 16 deckungsgleich zur optischen Achse 27.

Zur Darstellung der Oberflächenstruktur des Aufnahmeobjektes 15 kann wahlweise das Lichtstrahlenbündel des ersten oder zweiten Projektionsstrahlenganges 13, 14 zur Ausleuchtung dienen. Selbstverständlich können auch beide Lichtstrahlen­ bündel gleichzeitig auf das Aufnahmeobjekt 15 gelenkt werden. Hierdurch wird die Oberflächenstruktur des Aufnahmeobjektes 15 besonders gut ausgeleuchtet, so daß Details und Einzelheiten gut darstellbar sind.

Zur Erfassung der Höhen- bzw. Tiefenunterschiede und zur Er­ stellung eines Bildes der Oberflächenstruktur des Aufnahmeob­ jektes 15 kann besonders vorteilhaft ein Frame-Transfer-CCD- Bildsensor zur Anwendung kommen. Diese Bildsensoren werden im Halbbildbetrieb (even- und odd-Frame) verwendet, wobei während eines Halbbildes die gesamte Sensorfläche, die von einzelnen Fotozellen gebildet wird, aktiv ist. Zwei Halbbilder unter­ scheiden sich durch einen Versatz in Spaltenrichtung des Bild­ sensors von einer halben Fotozelle. Solche Bildsensoren be­ sitzen ein gutes Signal/Rauschsignal-Verhältnis, eine gute Auflösung und die Signale der Fotozellen können schnell aus­ gelesen werden.

Während der Meßphase werden abwechselnd die Mittel 18 zum Erzeugen des Lichtstrahlenbündels des ersten und zweiten Projektionsstrahlenganges 13, 14 aktiv geschaltet und das jeweilige Gitter 19, 20 kontinuierlich um eine Gitterperiode weiterbewegt. Eine geringere Störanfälligkeit kann dadurch er­ reicht werden, daß jeweils nur das Gitter 19 oder 20 verstellt wird, das in dem Projektionsstrahlengang 13 oder 14 angeordnet ist, dessen Mittel 18 zur Erzeugung des Lichtstrahlenbündels aktiv geschaltet ist, während das andere Gitter 19 oder 20 ortsfest ist. Hierbei wird beispielsweise das vom Aufnahmeob­ jekt 15 reflektierte Licht des Lichtstrahlenbündels des ersten Projektionsstrahlenganges 13 vom even-Frame und das vom Auf­ nahmeobjekt 15 reflektierte Licht des Lichtstrahlenbündels des zweiten Projektionsstrahlenganges 14 vom odd-Frame des Bildsensors 17 erfaßt. Während der Auslesephase der Signale des Bildsensors 17 sind die Mittel 18 zum Erzeugen der Lichtstrah­ lenbündel inaktiv, d. h., es wird kein Lichtbündel gesendet. Es werden somit jeweils vier Halbbilder erstellt, aus denen mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der "phase­ shifting Triangulation" jeweils ein separates "Höhenbild" (even-Höhenbild und odd-Höhenbild) der Oberflächenstruktur des Aufnahmeobjektes 15 berechnet und erstellt werden kann.

Mit den so berechneten Höhenbildern kann der gesamte Objektbe­ reich, d. h. die gesamte Oberflächenstruktur erfaßt werden. Schattenbereiche und Glanzstellen, die zur Übersteuerung eines Bereiches des Bildsensors 17 in einem Höhenbild führen, können durch das andere Höhenbild erfaßt werden.

Vorzugsweise erzeugen die Gitter 19, 20 Linienmuster mit ver­ schiedener Gitterperiode. Hierdurch ergibt sich, da der Umrechnungsfaktor von der gemessenen Phase in Höheninformation von der Gitterperiode abhängt, wobei die Gitterperiode auch den Eindeutigkeitsbereich bestimmt, daß sich der Höhenunterschied zweier Objektpunkte bei Verwendung des ersten Gitters mit einer ersten Gitterperiode in der Berechnung aus beispielsweise dem even-Höhenbild nicht unterscheidet, er sich bei der Verwendung des zweiten Gitters mit einer zweiten Gitterperiode in der Berechnung aus beispielsweise dem odd-Höhenbild um den prozen­ tualen Unterschied der beiden Gitterperioden unterscheidet. Mit Hilfe des even- und des odd-Höhenbildes kann also über den Ein­ deutigkeitsbereich eines Höhenbildes hinaus der Höhenunter­ schied eindeutig gemessen werden. Die Vervielfachung des Ein­ deutigkeitsbereichs ist reziprok zum prozentualen Unterschied der jeweiligen Gitterperioden. Beispielsweise ergibt sich bei einem Unterschied der Gitterperioden von 20% eine Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereichs um den Faktor 5. Zur Erläuterung wird hierzu auf die Fig. 4 verwiesen. Mit dem Bezugszeichen h sei der Höhenunterschied zweier Objektpunkte gekennzeichnet. Aufgrund des Meß- und Berechnungsverfahrens kann mit einem ersten Gitter g₁ mit einer Gitterperiode x nur der Bereich a₁ eindeutig erfaßt werden. Für die Bereiche a₂ bis a₄ wiederholen sich die Werte, die bereits zum Bereich a₁ ermittelt wurden. Mit einem Gitter g₂ mit einer Gitterperiode y, die größer ist als x, kann beispielsweise der Bereich b₁ eindeutig, jedoch weniger genau erfaßt werden. Für die Bereiche b₂ bis b₃ wieder­ holen sich die Werte, die bereits im Bereich b₁ ermittelt wurden. Aufgrund dessen, daß dem Bereich a₂ ein bestimmter Wertebereich c₁ aus den Werten von b, dem Bereich a₃ ein anderer Wertebereich c₂ aus b und dem Bereich a₄ ein weiterer Wertebereich c₃ aus b zugeordnet ist, kann mittels dieser bei­ den Gitter g₁, g₂ der gesamte Höhenunterschied h erfaßt werden.

Dieses Ziel läßt sich sinngemäß auch erreichen, wenn man die Gitter g₁, g₂ gleich wählt, aber, wie in der Fig. 3 gezeigt, der Zentralstrahl 25 des ersten Projektionsstrahlenganges 13 einen ersten Winkel Gamma₁ und der Zentralstrahl 26 des zweiten Projektionsstrahlenganges 14 einen zweiten Winkel Gamma₂, der unterschiedlich zum Winkel Gamma₁ ist, zur optischen Achse 27 einnimmt. Die parallaxen Winkel der Projektionsstrahlengänge 13, 14 sind somit unterschiedlich gewählt. Im übrigen besitzen Elemente, die bereits in der Fig. 2 erläutert wurden, in der Fig. 3 dieselben Bezugszeichen.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, den Beobachtungsstrahlen­ gang beispielsweise nur auf den ersten Projektionsstrahlengang 13 optimal abzustimmen. Der zweite Projektionsstrahlengang 14 wird dann aktiviert, wenn sich Objektbereiche beispielsweise durch Glanzstellen oder Schattenbereiche nicht durch den ersten Projektionsstrahlengang 13 erfassen lassen.

Erfindungsgemäß ist es möglich, eine LCD-Anordnung zur Erzeugung eines Referenzmusters in nur einem Projektions­ strahlengang anzuordnen. Mit dieser LCD-Anordnung können Referenzmuster mit unterschiedlicher Gitterperiode erzeugt werden. Dann dient dieser Projektionsstrahlengang zur Erstel­ lung eines Höhenbildes einer Objektstruktur, der andere Projektionsstrahlengang kann beispielsweise zur Darstellung der Oberflächenstruktur aktiviert werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann in einem Projek­ tionsstrahlengang ein erstes statisches Gitter mit einer ersten Gitterperiode und ein weiteres, in diesem Projektionsstrahlen­ gang verstellbares Gitter mit einer anderen Gitterperiode angeordnet werden. Durch das Verfahren der "statischen" und der "phaseshifting Triangulation" kann ein großer Höhenunterschied zweier Objektpunkte eindeutig erfaßt werden.

Im weiteren kann das Lichtstrahlenbündel der Projektionsstrah­ lengänge 13, 14 auch durch eine Lichtleitfaser zum Aufnahmeob­ jekt 15 gelenkt werden. Das Lichtstrahlenbündel kann dann bei­ spielsweise nach den Gittern 19, 20 durch geeignete Mittel in die jeweilige Lichtleitfaser des ersten oder zweiten Projek­ tionsstrahlenganges 13, 14 eingekoppelt werden. Es kann somit auf die Prismen 21, 22, die Dreilochblende 24 und das optische Linsensystem L3 verzichtet werden.

Claims (8)

1. 3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbeson­ dere für zahnmedizinische Zwecke,
mit Mitteln (18), durch die ein erstes und ein zweites Licht­ strahlenbündel erzeugbar ist, wobei das erste Lichtstrahlenbün­ del über einen ersten Projektionsstrahlengang (13) aus einer ersten Richtung und das zweite Lichtstrahlenbündel über einen zweiten Projektionsstrahlengang (14) aus einer zweiten Richtung auf ein Aufnahmeobjekt (15) lenkbar ist, und
mit einem Beobachtungsstrahlengang (16), der einen Bildsensor (17) zum Empfangen des vom Aufnahmeobjekt (15) reflektierten Lichtes aufweist.

2. 3D-Kamera nach Anspruch 1 mit Mitteln (19, 20) zum Erzeugen eines Referenzmusters, die in wenigstens einen Projektions­ strahlengang (13, 14) schaltbar sind, derart, daß das Referenz­ muster auf das Aufnahmeobjekt (15) projizierbar ist.

3. 3D-Kamera nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel (19, 20) zum Erzeugen eines Referenzmusters so ausgeführt sind, daß unterschiedliche Referenzmuster auf das Aufnahmeobjekt (15) projizierbar sind.

4. 3D-Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für jeden Projektionsstrahlengang (13, 14) ein Mittel (19, 20) zum Erzeugen eines Referenzmusters vorgesehen ist.

5. 3D-Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Bild­ sensor (17) als Frame-Transfer-CCD ausgeführt ist.

6. 3D-Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste und der zweite Projektionsstrahlengang (13, 14) den gleichen Winkel zu einer Mittelachse (27) einnehmen, die durch die Winkelhalbierende des Winkels definiert ist, den die Projek­ tionsstrahlengänge (13, 14) zueinander einnehmen.

7. 3D-Kamera nach Anspruch 1, 2 und 4, 5, wobei beide Projektionsstrahlengänge (13, 14) einen leicht unterschied­ lichen Winkel zum Beobachtungsstrahlengang (16) bilden.

8. 3D-Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Beobachtungsstrahlengang (16) deckungsgleich zur Mittel­ achse (27) ausgerichtet ist.