DE4027328B4

DE4027328B4 - 3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke

Info

Publication number: DE4027328B4
Application number: DE4027328A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr.rer.nat. Pfeiffer; Axel Dipl.-Ing. Schwotzer; Marco Dr.Sc.Techn. Brandestini
Original assignee: Sirona Dental Systems GmbH
Current assignee: Sirona Dental Systems GmbH
Priority date: 1990-08-29
Filing date: 1990-08-29
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2010-08-30
Also published as: DE4027328A1

Abstract

3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke, mit Mitteln (18), durch die ein erstes und ein zweites Lichtstrahlenbündel erzeugbar ist, wobei das erste Lichtstrahlenbündel über einen ersten Projektionsstrahlengang (13) aus einer ersten Richtung und das zweite Lichtstrahlenbündel über einen zweiten Proektionsstrahlen an (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, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Projektionsstrahlengang (13, 14) ein Mittel (19, 20) zum Erzeugen eines Referenzmusters vorgesehen ist, und beide Projektionsstrahlengänge über eine Dreilochblende (24) oder über eine zumindest teilweise gemeinsame Strahlführungsoptik verlaufen.

Description

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-0 250 993 A2 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.

Tiefenunterschiede berechnet und auf einem Monitor als pseudodreidimensionales Bild dargestellt werden.

Glanzstellen, die bei einer ungünstigen Oberflächenstruktur auftreten können, machen eine Vermessung der Oberflächenstruktur an dieser Stelle unmöglich, da das dort stark reflektierte 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.

Aus US 4 705 401 ist es ferner bekannt, zwei Lichtquellen vorzusehen, die aus zwei verschiedenen Richtungen ein Lichtstrahlenbündel auf das Aufnahmeobjekt lenken, wobei das vom Aufnahmeobjekt reflektierte Licht über einen Beobachtungsstrahlengang von einem Bildsensor empfangen wird. Die bekannte Einrichtung weist keine Mittel zur Erzeugung eines Referenzmusters auf.

Aus DE 40 07 502 A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Vermessung von Oberflächen aus dem Bereich der industriellen Fertigung bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden mit Hilfe von zwei beabstandeten Lichtquellen und in deren Strahlengang angeordneten Gittern auf der Oberfläche des zu vermessenden Objekts Streifenmuster projiziert, die von einer Kamera detektiert und anschließend in einem Bildverarbeitungsrechner ausgewertet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine 3D-Kamera der eingangs genannten Art so auszuführen, dass eine korrekte Vermessung der Oberflächenstruktur ermöglicht und die Oberflächenstruktur eines Zahnes in allen Einzelheiten gut darstellbar und erfassbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebenen Mittel gelöst.

Wird durch die Mittel zum Erzeugen eines Referenzmusters vorzugsweise ein Gitter auf die Oberflächenstruktur projiziert, so hängt die Genauigkeit der Erfassung eines Strukturbereiches und die Höheninformation des Strukturbereiches von der Gitterperiode des Gitters ab. Bei einer vorgegebenen Gitterperiode kann also nur ein bestimmter Höhenbereich der Oberflächenstruktur 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 Eindeutigkeitsbereiches, 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 einpasst.

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 zum Beobachtungsstrahlengang als Mittelachse einnehmen. Bei dieser Ausführungsform der 3D Kamera können optische Abbildungsfehler optimal kompensiert werden.

Nachfolgend werden anhand der
1 ein Strahlengang einer 3D-Kamera nach dem Stand der Technik und anhand der
2 und 3 Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Die 4 dient zur Erläuterung eines weiter unten beschriebenen Effekts.
1 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung eine Lichtquelle 1 zum Aussenden eines Lichtstrahlenbündels, das über einen Projektionsstrahlengang 2 zu einem Aufnahmeobjekt 3 lenkbar ist. Der Lichtweg führt hierbei über optische Linsensysteme L1, L3 und L4, ein im Projektionsstrahlengang 2 verstellbares Gitter 4 zum Erzeugen eines linienförmigen Referenzmusters, ein Prisma 5 und eine erste Öffnung 6 einer Zweilochblende 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 Projektions- und Beobachtungs-strahlenganges 2, 8 und sind so ausgerichtet, dass der Projektionsstrahlengang 2 und der Beobachtungsstrahlengang 8 einen Winkel Alpha zueinander einnehmen. Eine optische Achse dieser Anordnung ist durch die Winkelhalbierende des Winkels Alpha definiert. Die Oberflächenstruktur des Aufnahmeobjektes 3 ist somit sowohl darstellbar als auch durch das Verfahren der "phase shifting triangulation" berechenbar.
Ein prinzipieller Strahlengang einer 3D-Kamera als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der 2 gezeigt.
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt 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 Erstellung eines Bildes von der Oberflächenstruktur des Aufnahmeobjektes 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 in den einen und anderen Projektionsstrahlengang 13, 14 lenkbar ist.
Zum Lenken des Lichtstrahlenbündels können im ersten und zweiten Projektionsstrahlengang 13, 14 nicht näher gezeigte optische Elemente, beispielsweise 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 Projektonsstrahlenganges 13, 14 vorgesehen ist, wird das Lichtstrahlenbündel des ersten Projektionsstrahlenganges 13 durch eine erste Öffnung 22 und das Lichtstrahlenbündel des zweiten Projektionsstrahlenganges 14 durch eine zweite Öffnung 23 einer 30 Dreilochblende 24 aus verschiedenen Richtungen auf das Aufnahmeobjekt 15 gelenkt. Der Zentralstrahl des Lichtstrahlenbündels des ersten Projektionsstrahlenganges 13 soll mit dem Bezugszeichen 25 und der Zentralstrahl des Lichtstrahlenbündels des zweiten Projektionsstrahlenganges 14 soll mit dem Bezugszeichen 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 Mittelachse 27 dieser Anordnung. Im Ausführungsbeispiel ist der Zentralstrahl des Beobachtungsstrahlenganges 16 deckungsgleich zur Mittelachse 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 Lichtstrahlenbündel 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 Erstellung eines Bildes der Oberflächenstruktur des Aufnahmeobjektes 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 unterscheiden sich durch einen Versatz in Spaltenrichtung des Bildsensors von einer halben Fotozelle. Solche Bildsensoren besitzen ein gutes Signal/Rauschsignal Verhältnis, eine gute Auflösung und die Signale der Fotozellen können schnell ausgelesen 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 erreicht 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 Aufnahmeobjekt 15 reflektierte Licht des Lichtstrahlenbündels des ersten Projektionsstrahlenganges 13 vom even-Frame und das vom Aufnahmeobjekt 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 Lichtstrahlenbündel 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 Objektbereich, 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 verschiedener 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 prozentualen Unterschied der beiden Gitterperioden unterscheidet. Mit Hilfe des even- und des odd-Höhenbildes kann also über den Eindeutigkeitsbereich eines Höhenbildes hinaus der Höhenunterschied eindeutig gemessen werden. Die Vervielfachung des Eindeutigkeitsbereichs 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 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 als 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 wiederholen 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 beiden 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 3 gezeigt, der Zentralstrahl 25 des ersten Projektionsstrahlenganges 13 einen ersten Winkel Gamma ₁ und der Zentralstrahl 26 des zweiten Projektionsstrahlenganges 14 einen zweiten Winkel Gamma ₂ , der unterschiedlich zum Winkel Gamma ₁ ist, zum Beobachtungsstrahlengang 16 einnimmt. Die parallaxen Winkel der Projektionsstrahlengänge 13, 14 sind somit unterschiedlich gewählt. Im übrigen besitzen Elemente, die bereits in der 2 erläutert wurden, in der 3 dieselben Bezugszeichen.
Es ist auch möglich, den Beobachtungsstrahlengang 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.
Es ist möglich, eine LCD-Anordnung zur Erzeugung eines Referenzmusters vorzusehen. Mit dieser LCD-Anordnung können Referenzmuster mit unterschiedlicher Gitterperiode erzeugt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann im Projektionsstrahlengang ein erstes statisches Gitter mit einer ersten Gitterperiode und ein weiteres, im selben Projektionsstrahlengang verstellbares Gitter mit einer anderen Gitterperiode angeordnet werde. Durch das Verfahren der "statischen" und der "phase shifting triangulation" kann ein grober Höhenunterschied zweier Objektpunkte eindeutig erfasst werden.
Im weiteren kann das Lichtstrahlenbündel der Projektionsstrahlengänge 13, 14 auch durch eine Lichtleitfaser zum Aufnahmeobjekt 15 gelenkt werden. Das Lichtstrahlenbündel kann dann beispielsweise nach den Gittern 19, 20 durch geeignete Mittel in die jeweilige Lichtleitfaser des ersten oder zweiten Projektionsstrahlenganges 13, 14 eingekoppelt werden. Es kann somit auf die Prismen 21, 22, die Dreilochblende 24 und das optische Linsensystem L3 verzichtet werden.

Claims

3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke, mit Mitteln (18), durch die ein erstes und ein zweites Lichtstrahlenbündel erzeugbar ist, wobei das erste Lichtstrahlenbündel über einen ersten Projektionsstrahlengang (13) aus einer ersten Richtung und das zweite Lichtstrahlenbündel über einen zweiten Proektionsstrahlen an (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, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Projektionsstrahlengang (13, 14) ein Mittel (19, 20) zum Erzeugen eines Referenzmusters vorgesehen ist, und beide Projektionsstrahlengänge über eine Dreilochblende (24) oder über eine zumindest teilweise gemeinsame Strahlführungsoptik verlaufen.
3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke, mit Mitteln (18), durch die ein erstes und ein zweites Lichtstrahlenbündel erzeugbar ist, wobei das erste Lichtstrahlenbündel über einen ersten Projektionsstrahlengang (13) aus einer ersten Richtung und das zweite Lichtstrahlenbündel über einen zweiten Projektionsstrahlengang (14) aus einer zweiten Richtung auf Aufnahmeobjekt (15) lenkbar ist und mit einem Beobachtungsstrahlengang (16), der einen Bildsensor (17) zum Empfangen des vom Aufnahmeobjekt (15) reflektierten Lichtes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Projektionsstrahlengang (13, 14) ein Mittel (19, 20) zum Erzeugen eines Referenzmusters vorgesehen ist, und beide Projektionsstrahlengänge über Lichtleitfasern verlaufen.
3D-Kamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (19, 20) zum Erzeugen eines Referenzmusters so ausgeführt sind, dass unterschiedliche Referenzmuster auf das Aufnahmeobjekt (15) projizierbar sind.
3D-Kamera nach einem des Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (17) als Frame-Transfer-CCD ausgeführt ist.
3D-Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Projektionsstrahlengang (13, 14) den gleichen Winkel zum Beobachtungsstrahlengang (16) als Mittelachse (27) einnehmen.
3D-Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Projektionsstrahlengänge (13, 14) einen leicht unterschiedlichen Winkel zum Beobachtungsstrahlengang (16) bilden.
3D-Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (19, 20) zum Erzeugen des Referenzmusters verstellbar angeordnet und die Mittel zur Erzeugung der Lichtstrahlenbündel wechselweise aktiv schaltbar sind, wobei die Verstellung so erfolgt, dass während einer Messphase jeweils nur dasjenige Mittel (19 oder 20) verstellt wird, welches in dem Projektionsstrahlengang (13 oder 14) angeordnet ist, dessen Mittel zur Erzeugung des Lichtbündels aktiv geschaltet ist, während das andere Mittel (20 oder 19) ortsfest bleibt.