DE4034007C2 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Erfassung von Oberflächenstrukturen an Zähnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Erfas­ sung von Oberflächenstrukturen an einem Zahn und eine Vor­ richtung zur optischen Erfassung von Oberflächenstrukturen an einem Zahn nach dem Oberbegriffs des Anspruchs 4.

Aus der EP 00 54 785 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung medizinischer, insbesonderer zahntechnischer, Passkörper bekannt, bei dem die Oberflächenstrukturen, an denen der Passkörper eingesetzt werden soll, nach der Bearbeitung auf optischem Weg berührungsfrei räumlich erfaßt werden. Die dreidimensionale Vermessung erfolgt mittels einer als Handinstrument ausgebildeten 3D-Kamera, in der eine Lichtquelle angeordnet ist, von der aus über eine geeigne­ te Optik ein Lichtstrahlenbündel über einen Projektions­ strahlengang auf die zu erfassende Oberflächenstruktur ge­ worfen wird, wobei das an der Oberfläche zurückgestreute Lichtstrahlenbündel über einen Beobachtungsstrahlengang einem Bildsensor zugeführt wird, dem eine entsprechende Auswerteelektronik vorgeschaltet ist.

Aus der CH 627 069 A5 ist ein Verfahren zur optischen Er­ fassung von Oberflächenstrukturen bekannt, bei dem die zu erfassende Oberfläche mit einer Fluoreszenzfarbe beschich­ tet wird. Die Fluoreszenzfarbe dient zu dem Zweck, Plaque, Zahnstein oder kariöse Stellen am Zahn sichtbar zu machen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die erwähnten Fluoreszenz­ farben bevorzugt an Plaque, Zahnstein oder kariösen Stel­ len haften.

Nachdem die Zähne an sich transluszent sind und die Zahn­ oberflächen relativ glatt sind (Rauhtiefe < 1 µ,), entstehen an der zu erfassenden Oberfläche unerwünschte Reflexionen, die kein bzw. nur ein unzureichendes Vermessen der Zahn­ oberfläche ermöglichen. Um derartige Reflexionen zu vermei­ den, überzieht man bisher die Oberfläche des präparierten Zahnes vor der optischen Vermessung mit einem geeigneten Kontrastpuder, z. B. mit Titanoxid-Puder. Mit einem solchen Kontrastpuder, der eine Körnung aufweist, die oberhalb der Rauhigkeit der Zahnoberfläche liegt, kann eine Mattierung der Zahnoberfläche erreicht werden. Das von der mattierten Oberfläche zurückgestreute Licht kann von dem Bildsensor, bei dem bekannten Verfahren ein CCD-Element, besser detek­ tiert und die daraus gewonnenen Signale in der dem Bildsen­ sor vorgeschalteten Auswerteelektronik genauer ausgewertet werden.

Um Messfehler zu vermeiden, sollte die Mattierungsschicht gleichmäßig und dünn auf die Zahnoberfläche aufgebracht werden.

Die Mattierung mittels des Kontrastpuders stellte jedoch hohe Anforderungen an die Geschicklichkeit des Anwenders, insbesondere um die geforderte gleichmäßige Beschichtung zu erzielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, demgegen­ über eine Verbesserung zu erzielen, insbesondere unter dem Aspekt, die optische Abtastung der Zahnoberfläche für den Anwender noch einfacher und angenehmer als bisher bei Ver­ meidung unerwünschter Reflexionen durchführen zu können und eine dafür geeignete Vorrichtung bereit zustellen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 4 an­ gegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.

In der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fluoreszenzschicht, die vorteilhafterweise in Form einer Lösung auf die Zahn­ oberfläche aufgetragen wird, wird Licht der von der Licht­ quelle emittierten Wellenlänge stark absorbiert und dann als längerwellig verschobenes Fluoreszenzlicht isotrop, al­ so in allen Raumrichtungen wieder emittiert.

Als Fluoreszenzfarbstoff kann an sich jedes nicht toxisches Material Verwendung finden; vorteilhaft hat sich die Ver­ wendung von Fluorescein gezeigt, welches blaues Licht stark absorbiert und gelb-grünes Licht fluoresziert.

Als Lichtquelle kann prinzipiell jede auf den vorgesehenen Fluoreszenzfarbstoff abgestimmte Lichtquelle mit einem ge­ eigneten Emissionsspektrum und ausreichend hoher Strah­ lungsdichte verwendet werden. Wegen ihrer kleinen Baugröße kann mit Vorteil eine LED verwendet werden; eine solche kann sehr gut in ein als Handinstrument ausgebildete 3-D- Kamera eingebaut werden. Auch die Verwendung einer grün e­ mittierenden Lichtquelle kann vorgesehen werden, wobei dann eine grün absorbierende und gelb oder rot emittierende Flu­ oreszenzfarbe gewählt werden muß. Um den Anteil des diffus gestreuten Lichts in der Fluoreszenzschicht zu vergrößern und damit die Signalstärke am Bildsensor, zu erhöhen, ist es von Vorteil, Licht mit relativ kurzer Wellenlänge zu ver­ wenden. Mit besonderem Vorteil und passend zu dem vorer­ wähnten Fluorescein-Farbstoff wird deshalb eine Lichtquel­ le mit intensiverer Emission im kurzwelligeren, sichtbaren Bereich, also "blaues Licht" vorgeschlagen. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, im Beobachtungs­ strahlengang ein Filter einzuschalten, welches für Licht des von der Fluoreszenzfarbe emittierenden Lichts durchläs­ sig ist, dagegen Licht anderer Wellenlänge absorbiert und/oder reflektiert.

Welche spektrale Zusammensetzung das Licht letztlich auf­ weisen muß, bestimmt sich nach den verfügbaren Lichtquel­ len, Filtern sowie der verwendeten Fluoreszenzschicht, die, wie bereits erwähnt, einerseits nicht toxisch sein darf, andererseits aber gut löslich und applizierbar sein muß.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das damit umgesetzte Verfahren wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt in einer Längsschnittdarstellung eine 3D- Kamera mit Zuordnung zu einem schematisiert dargestellten Zahn, dessen Oberflächenstrukturen dreidimensional erfaßt werden sollen. Nachdem der Aufbau der 3D-Kamera prinzi­ piell bekannt und beispielsweise in der US-PS 45 75 805 be­ schrieben ist, werden nachfolgend nur die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendigen Elemente beschrie­ ben.

Die wesentlichsten Komponenten des Projektions- und Abbil­ dungssystems der allgemein mit 1 bezeichneten 3D-Kamera sind eine Lichtquelle 2, ein Kondensorglied 3, eine Gitter­ maske 4, ein Strahlenteiler 5, der einen Projektionsstrah­ lengang 5a und einen Beobachtungsstrahlengang 5b bildet, ein aus mehreren Linsen bestehendes Objektiv 6, ein sich axial daran anschließen­ des, langgestrecktes Prisma 7, eine am Lichtaustrittsende be­ findliche Linse 8, ein im Beobachtungsstrahlengang angeordnetes Filter 9, ein Bildsensor 10 sowie eine sich daran anschließende Auswerteelektronik 11.

Das von der Lichtquelle 2 ausgehende Strahlenbündel führt zunächst über den Projektionsstrahlengang 5a und die Optiken 6, 7 und 8 auf die mit 12 bezeichnete Oberfläche des zu vermes­ senden Zahnes 13. Die Oberfläche 12 des zu vermessenden Zah­ nes 13 ist mit einer mit 14 bezeichneten dünnen, gleichmäßig aufgetragenen Fluoreszenzschicht versehen, die in geeigneter Weise z. B. als Lösung mittels Pinsel oder mittels Sprühvor­ richtung aufgetragen wird. Das auf die Fluoreszenzschicht 14 auftreffende Licht wird in der Fluoreszenzschicht längerwellig verschoben, und anschließend isotrop, d. h. in allen Raumrich­ tungen emittierend, zurückgeworfen, von der Optik aufgenommen und über den Beobachtungsstrahlengang 5b zum Bildsensor 10 geleitet, wo es in ein zeilengerastetes Videosignal umgewandelt und schließlich in der Elektronik 11 entsprechend verarbeitet wird. Das verarbeitete Videosignal wird über ein nicht näher bezeichnetes Kabel einem extern der Kamera angeordneten Rechner und einer Bilddarstellungseinheit zugeführt. Als Lichtquelle kann vorteilhafterweise eine LED vorgesehen werden. Der Bild­ sensor kann ein CCD-Element sein, welches nicht nur für nahes Infrarot, sondern auch für sichtbares Licht ausreichend empfind­ lich ist.

Der Fluoreszenzfarbstoff der Fluoreszenzfarbschicht 14 ist auf die Lichtquelle 2 abgestimmt, d. h. wenn als Lichtquelle eine grün emittierende Lichtquelle verwendet wird, dann ist eine Fluoreszenzfarbe zu verwenden, die grün absorbiert und dann typischerweise gelb oder rot emittiert. Ein besonders guter Wirkungsgrad hinsichtlich der Signalauswertung läßt sich erzielen, wenn eine Lichtquelle verwendet wird, die im Bereich 450 bis 500 nm, also "blaues Licht", emittiert. Dem­ entsprechend ist eine Fluoreszenzfarbe vorzusehen, die blau absorbiert und typischerweise dann grün emittiert.

Um nicht verwertbares Streulicht zu eliminieren, ist das Filter 9 vorgesehen, welches Licht der von der Lichtquelle emittierten Wellenlänge absorbiert oder reflektiert, dagegen für Licht der übrigen Wellenlängen, insbesondere der vom Fluoreszenzfarbstoff emittierten Wellenlänge, durchlässig ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur optischen Erfassung von Oberflächenstrukturen an einem Zahn, bei dem die zu erfassende Oberfläche zunächst gleichmäßig mit einer Fluoreszenzfarbe beschichtet und danach mit Hilfe einer 3D-Kame­ ra optisch vermessen wird, indem mittels einer auf die Fluoreszenzfarbe abgestimmten Lichtquelle (2) über einen Projektionsstrahlengang (5a) ein Lichtstrahlenbündel auf die Oberfläche des Zahnes gerichtet und das dort zurückgeworfene Streulicht über einen Beobachtungsstrahlengang (5b) auf einen Bildsensor (10) gelenkt wird, dem eine Auswerteelek­ tronik (11) vorgeschaltet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Beobach­ tungsstrahlengang (5b) Licht der von der Fluoreszenzfarbe emittierten Wellenlänge durchgelassen, Licht der von der Lichtquelle emittierten Wellenlänge dagegen nicht durchgelassen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzfarbe den Farbstoff Fluorescein enthält.

4. Vorrichtung zur optischen Erfassung von Oberflächenstrukturen an einem Zahn, aufweisend eine Lichtquelle (2), einen Projektionsstrahlengang (5a), einen Beobachtungsstrahlengang (5b) und einen Bildsensor (10), dadurch gekennzeichnet, daß der Beobachtungsstrahlengang (5b) ein Filter (9) enthält, welches für Licht der von der Lichtquelle (2) emit­ tierten Wellenlänge undurchlässig ist, dagegen für Licht der von einer die zu erfassende Oberfläche bedeckenden Fluoreszenzfarbe emittierten Wellenlänge durchlässig ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht­ quelle (2) im blauen Spektralbereich emittiert und das Filter (9) im grünen oder gelben Spektralbereich durchlässig ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lich­ quelle (2) im grünen Spektralbereich emittiert und das Filter (9) im gelben oder roten Spektralbereich durchlässig ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtquelle eine LED ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Bildsensor (10) ein im nahen infraroten und sichtbaren Spektralbereich empfindliches CCD-Element ist.