DE4034007C2 - Method and device for the optical detection of surface structures on teeth - Google Patents

Method and device for the optical detection of surface structures on teeth

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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.The invention relates to a method for optical detection solution of surface structures on a tooth and a front direction for optical detection of surface structures on a tooth according to the preamble of claim 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.EP 00 54 785 A1 describes a process for the production medical, in particular dental technology, fitting body known in which the surface structures on which the Fit body to be used after machining can be detected optically without contact. The three-dimensional measurement is carried out using an as Hand instrument trained 3D camera, in one Light source is arranged from which a suitable optics a beam of light over a projection beam path onto the surface structure to be recorded is thrown, which is scattered back on the surface Beams of light over an observation beam path an image sensor is supplied to which a corresponding Evaluation electronics is connected upstream.

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.From CH 627 069 A5 is a process for optical Er known structure of surface, in which the Coat the surface with a fluorescent paint is tested. The fluorescent color serves the purpose of plaque, To make tartar or carious spots on the tooth visible. This takes advantage of the fluorescence mentioned  colors preferred on plaque, tartar or carious stel len stick.

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.After the teeth are translucent and the tooth surfaces are relatively smooth (roughness depth <1 µ,) unwanted reflections on the surface to be detected, which have no or insufficient measurement of the tooth enable surface. To avoid such reflections up to now, one covers the surface of the prepared one Tooth before optical measurement with a suitable one Contrast powder, e.g. B. with titanium oxide powder. With one Contrast powder that has a grain that is above the Roughness of the tooth surface can cause matting the tooth surface can be reached. That of the frosted Backscattered light can come from the image sensor, in the known method, a CCD element, better detec animals and the resulting signals in the image sor upstream evaluation electronics evaluated more precisely become.

Um Messfehler zu vermeiden, sollte die Mattierungsschicht gleichmäßig und dünn auf die Zahnoberfläche aufgebracht werden.To avoid measurement errors, the matting layer evenly and thinly applied to the tooth surface become.

Die Mattierung mittels des Kontrastpuders stellte jedoch hohe Anforderungen an die Geschicklichkeit des Anwenders, insbesondere um die geforderte gleichmäßige Beschichtung zu erzielen.However, the matting using the contrast powder high demands on the skill of the user, especially to achieve the required uniform coating achieve.

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. The invention is therefore based on the object to achieve improvement, especially under the Aspect, the optical scanning of the tooth surface for the Users even easier and more pleasant than before at Ver avoid unwanted reflections and to provide a suitable device.  

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.This object is achieved by the in claims 1 and 4, respectively given characteristics solved. Advantageous configurations the invention are in the corresponding subclaims specified.

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.In the fluorescent layer proposed according to the invention, which is advantageously in the form of a solution on the tooth surface is applied, light becomes that of light source and then strongly absorbed wavelength emitted isotropic as longer-wave shifted fluorescent light, al so again emitted in all spatial directions.

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.Any non-toxic substance can be used as a fluorescent dye Use material; The Ver Using fluorescein shown which blue light is strong absorbed and fluorescent yellow-green light.

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.In principle, any of the intended light sources can be used Fluorescent dye-matched light source with a ge suitable emission spectrum and sufficiently high beam density can be used. Because of their small size an LED can be used with advantage; such can very well fit into a 3-D Camera can be installed. Even the use of a green e centering light source can be provided, then a green absorbing and yellow or red emitting flu orescent color must be chosen. To the proportion of diffuse to enlarge scattered light in the fluorescent layer and thus to increase the signal strength at the image sensor, it is advantageous to ver light with a relatively short wavelength turn. With a particular advantage and matching the previous one The above-mentioned fluorescein dye therefore becomes a source of light le with more intense emission in the shortwave, visible Area, so "blue light" suggested. To increase the efficiency is according to another advantageous  Embodiment of the invention proposed in the observation switch on a filter, which is for light of the light emitted by the fluorescent color sig, but absorbs light of a different wavelength and / or reflected.

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.What spectral composition the light ultimately has must point, is determined by the available light source len, filters and the fluorescent layer used, which, as already mentioned, on the one hand it must not be toxic, on the other hand, it must be readily soluble and applicable.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das damit umgesetzte Verfahren wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.An embodiment of the device according to the invention and the procedure implemented with it is described below the drawing explained in more detail.

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.The figure shows a 3D sectional view Camera with assignment to a schematically represented Tooth, whose surface structures are recorded three-dimensionally should be. After building the 3D camera prinzi piell known and be for example in US-PS 45 75 805 is written below, only those for understanding necessary elements of the present invention 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.The main components of the projection and Abbil training system of the 3D camera, generally designated 1, a light source 2, a Kondensorglied 3, a lattice mask 4, a beam splitter 5, the beam path a Projektionsstrah 5 a and an observation beam path 5b forms, one from a plurality of lenses existing lens 6 , an axially connected to it, the elongated prism 7 , a lens 8 located at the light exit end, a filter 9 arranged in the observation beam path, an image sensor 10 and an adjoining evaluation electronics 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.The beam of rays emanating from the light source 2 initially leads via the projection beam path 5 a and the optics 6 , 7 and 8 onto the surface of the tooth 13 to be measured, designated 12. The surface 12 of the Zah Nes 13 to be measured is provided with a thin, evenly applied fluorescent layer designated 14, which in a suitable manner, for. B. is applied as a solution using a brush or Sprühvor direction. The light impinging on the fluorescent layer 14 is shifted in the fluorescent layer at longer wavelengths, and then isotropically, ie emitting in all spatial directions, thrown back, picked up by the optics and passed via the observation beam path 5 b to the image sensor 10 , where it is converted into a line-locked video signal and finally processed accordingly in the electronics 11 . The processed video signal is fed via a cable, not specified, to a computer arranged externally to the camera and to an image display unit. An LED can advantageously be provided as the light source. The image sensor can be a CCD element that is sufficiently sensitive not only for near infrared, but also for visible light.

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.The fluorescent dye of the fluorescent color layer 14 is matched to the light source 2 , ie if a green-emitting light source is used as the light source, then a fluorescent color is to be used which absorbs green and then typically emits yellow or red. A particularly good efficiency with regard to signal evaluation can be achieved if a light source is used which emits in the range 450 to 500 nm, that is to say "blue light". Accordingly, a fluorescent color is to be provided which absorbs blue and then typically emits green.

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.In order to eliminate stray light that cannot be used, the filter 9 is provided, which absorbs or reflects light of the wavelength emitted by the light source, but is permeable to light of the other wavelengths, in particular the wavelength emitted by the fluorescent dye.

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.1. A method for the optical detection of surface structures on a tooth, in which the surface to be detected is first coated uniformly with a fluorescent color and then measured optically with the aid of a 3D camera by using a light source ( 2 ) matched to the fluorescent color Projection beam path ( 5 a) a light beam directed onto the surface of the tooth and the scattered light reflected there is directed via an observation beam path ( 5 b) to an image sensor ( 10 ), which is connected to an evaluation electronics ( 11 ). 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.2. The method according to claim 1, characterized in that in the observation beam path ( 5 b) light of the wavelength emitted by the fluorescent color is transmitted, light of the wavelength emitted by the light source, however, is not transmitted. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzfarbe den Farbstoff Fluorescein enthält.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Fluorescent paint contains the dye fluorescein. 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.4. Device for the optical detection of surface structures on a tooth, comprising a light source ( 2 ), a projection beam path ( 5 a), an observation beam path ( 5 b) and an image sensor ( 10 ), characterized in that the observation beam path ( 5 b) Contains filter ( 9 ) which is opaque to light of the wavelength emitted by the light source ( 2 ), but is permeable to light of the wavelength emitted by a fluorescent color covering the surface to be detected. 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.5. The device according to claim 4, characterized in that the light source ( 2 ) emits in the blue spectral range and the filter ( 9 ) is transparent in the green or yellow spectral range. 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.6. The device according to claim 4, characterized in that the light source ( 2 ) emits in the green spectral range and the filter ( 9 ) is transparent in the yellow or red spectral range. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtquelle eine LED ist.7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in net that the light source is an LED. 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.8. Device according to one of claims 4 to 7, characterized in that the image sensor ( 10 ) is a CCD element sensitive in the near infrared and visible spectral range.
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