DE4218219A1 - Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen eines dreidimensionalen Objektes - Google Patents
Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen eines dreidimensionalen ObjektesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen eines schlecht
zugänglichen, dreidimensionalen Objektes auf optischem Wege unter Erstellung von flächigen
Aufnahmen, mit einer optischen Strahlquelle, einer Aufnahmeeinheit zur Aufzeichnung von
optischen Strahlen und einer Auswerteeinheit zur Auswertung der durch die optischen Strahlen
übermittelten Informationen.
Es ist bekannt, Objekte einerseits mechanisch auf klassische Weise und andererseits auch
optisch zu vermessen, z. B. durch Erstellen von 3-D-Aufnahmen. Hier sind zur räumlichen
Erfassung der Objekte unter anderem das Lichtschnittverfahren und das Stereo-Aufnahme-
Verfahren bekannt. Die Vermessung mit derartigen optischen Vorrichtungen hat den Nachteil, daß
das auszumessende Objekt ausreichend optisch zugänglich sein muß, d. h. die zu vermessenden
Flächen direkt sichtbar sein müssen.
Es gibt aber zahlreiche Gegebenheiten, bei denen die Zugänglichkeit des auszumessenden
Objektes so ungünstig ist, daß eine direkte Sichtbarkeit des Objektes, zumindest aus dem zum
Vermessen erforderlichen Blickwinkel, nicht gegeben ist. Der Grund liegt zumeist in der
räumlichen Beschränkung für die Meßvorrichtung, so daß mit anderen Worten der Raum um das
zu vermessende Objekt so klein ist, daß weder die Meßvorrichtung noch eine ausreichend große
Optik mit Umlenkspiegeln und dergleichen zur Durchführung der Vermessung angeordnet bzw.
untergebracht werden können.
Ein solches Beispiel ist die Zahntechnik, bei welcher für kieferorthopädische Zwecke die
Ausmessung eines Gebisses durchgeführt werden soll, wenn z. B. Zahn-Fehlstellungen mit Hilfe
der "Edge-Wise-Drahtbogen-Technik" korrigiert werden sollen. Hierbei werden auf die Zähne
Halteelemente (sogenannte Brackets) aufgeklebt, mit denen ein Drahtbogen befestigt wird. Dieser
wird so geformt, daß er auf die Brackets und damit auf die Zähne die erforderlichen Korrektur
kräfte und -momente ausübt. Zur Einstellung der richtigen Kräfte und Momente muß der
Drahtbogen richtig eingestellt werden, und zwar für jeden Patienten bei jeder Behandlungsstufe
individuell ein speziell angefertigter Drahtbogen. Es ist dabei schon vorgeschlagen worden,
computergesteuerte Biegemaschinen zur Erstellung der richtig geformten Drahtbögen einzusetzen.
Hierzu müssen zumindest die Raumkoordinaten der Brackets exakt bekannt sein. Für den
Behandler wären außerdem genaue Daten über die Kauflächen der Zähne hilfreich, denn das Ziel
der Zahnkorrektur besteht im Erreichen einer Zahnstellung, bei welcher die Kauflächen der
entsprechenden Zähne des Ober- und Unterkiefers korrekt zueinander stehen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Vermessen der eingangs
genannten Art zu schaffen, mit der es möglich ist, Objekte auch in engen Räumen berührungslos,
räumlich exakt zu messen und die Daten der Meßergebnisse aufzuzeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
- a) ein Träger auf wenigstens einer Führungseinrichtung relativ zum Objekt auf einer Führungsbahn gegenüber dem Grundgestell bewegbar ist;
- b) der Träger auf der/den Führungseinrichtung/en mit Hilfe wenigstens eines Aktuators verfahrbar ist;
- c) wenigstens eine Umlenkeinrichtung an dem Träger derart befestigt ist, daß wenigstens ein vom Objekt reflektierter optischer Strahl zur Aufnahmeeinheit gelenkt wird;
- d) Position und Richtung des Grundgestells zum Objekt zu jedem während der Aufnahme relevanten Zeitpunkt eindeutig bestimmt ist;
- e) die Position und Ausrichtung des Trägers gegenüber dem Grundgestell zu jedem während der Aufnahme relevanten Zeitpunkt eindeutig bestimmt ist;
- f) die Auswerteeinheit Einrichtungen zur Speicherung der Informationen der vom Objekt reflektierten Strahlen in Form von Bildpunkten und/oder Bildlinien und/oder Bildflächen aufweist; und
- g) die Auswerteeinheit Einrichtungen zur Verarbeitung der gespeicherten Bildinformation aufweist.
Neben dem zu vermessenden Objekt ist nahezu immer im Abstand von seinen Oberflächen ein
kleiner Raum vorhanden, der von außen durch eine Öffnung sichtbar ist. Ordnet man in diesem
Raum eine Umlenkeinrichtung für am Objekt reflektierte Strahlen an, dann kann man diese zu
einer Aufnahmeeinheit lenken und dort erfassen. Bislang bestand die Schwierigkeit, daß das
Objekt nicht vollständig mit z. B. einem einzigen Spiegel ausgeleuchtet und/oder erfaßt werden
konnte, so daß auch spezielle optische Verfahren zur räumlichen Vermessung nicht eingesetzt
wurden. Dieses Problem überwindet die Erfindung dadurch, daß ein relativ zum Objekt
bewegbarer Träger verwendet wird, an dem eine Umlenkeinrichtung befestigt ist, mit der die
Strahlen zu einer Aufnahmeeinheit gelenkt werden, wo die Daten gespeichert und zur Erstellung
der gesuchten räumlichen Daten ausgewertet werden können. Dabei ist allerdings auch
erforderlich, daß der Ort der Umlenkeinrichtung bezüglich des Objektes in jedem Augenblick der
Messung bzw. in jeder Position des Trägers exakt bekannt ist. Hierfür kann man an sich bekannte
Meßeinrichtungen verwenden oder die Aufgabe konstruktiv lösen.
Der bewegliche Träger wird erfindungsgemäß exakt geführt und trägt eine fest eingestellte oder
einstellbare Umlenkeinrichtung. Die Vorrichtung kann zur Durchführung verschiedener
Meßmethoden verwendet werden, wobei als Strahlquelle im aligemeinen eine Lichtquelle für
sichtbares Licht verwendet wird, in einem später beschriebenen Sonderfall sogar eine das Objekt
allgemein von außen erhellende Strahlquelle verwendet werden kann.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß die Umlenkeinrichtung aufgrund der räumlichen
Verhältnisse neben dem Objekt gegebenenfalls auch nur einen Teilbereich des zu vermessenden
Objektes erfassen kann und erfaßt und mittels der Bewegung des Trägers, in Einzelschritten oder
kontinuierlich, so über die zu vermessende Objektoberfläche verfahren wird, daß mehrere
Teilbereiche abgetastet und vermessen werden mit dem Ergebnis von Teildatenbereichen oder
Teilbildern, die man dann ohne weiteres zusammensetzen kann und aus denen man gegebenen
falls eine räumliche Darstellung des Objektes zusammensetzen kann. Dabei muß darauf geachtet
werden, daß die Position der Führungseinrichtung relativ zu dem zu vermessenden Objekt stets
bekannt ist. Man kann eine starre Koppelung oder feste Verbindung vorsehen, die Koppelung
kann aber auch aus einem formschlüssigen Aneinandersetzen ohne direkte Verbindung bestehen.
Es muß nur stets der genaue Ort des Trägers über seine Führungseinheit zum Objekt meßbar
und bekannt sein.
Die Auswerteeinheit ist mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen in der Lage, die Daten oder
Teilbilder komplett zu speichern und mit Hilfe der Ortsbestimmung der Umlenkeinrichtung
bezüglich des Objektes (mit Hilfe der erwähnten Meßeinrichtungen) anschließend auszuwerten.
Man kann auch bereits direkt im Anschluß an die Aufnahme der Informationen bzw. Daten eine
Vorauswertung vornehmen, um die abzuspeichernde Datenmenge zu reduzieren.
Durch die definierte Bewegung der Umlenkeinrichtung über ein zu vermessendes Objekt ist es
mit Vorteil nicht notwendig, die gesamte zu vermessende Länge des gesamten Objektes zu
vermessen, denn der Träger kann über die Länge des Objektes fahren und nacheinander die
Teilbereiche vermessen. Das gleiche gilt für die zu vermessende Breite, die nicht in ihrer
Gesamtheit durch eine einzige Messung erfaßt werden muß. Vielmehr können auch hier
schmalere Segmente des Objektes aufgenommen werden, die anschließend zu einem Gesamtbild
zusammengesetzt werden, wenn ein Gesamtbild erwünscht ist.
Je nach Anwendungsfall ist es möglich, die Aufnahmeeinheit(en) und/oder die Strahlquelle(n),
sofern letztere zur Erzeugung gerichteter Strahlen erforderlich ist/sind, unbeweglich, also nicht auf
dem Träger mitfahrend anzuordnen. Diese Ausführungsvariante ist bewußt durch die Erfindung
erfaßt, wenngleich bei der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen von einem solchen
Anwendungsfall ausgegangen wird, bei welchem die Aufnahmeeinheit und die Strahlquelle
mitfahren.
Weil es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung um eine flächige (zweidimensionale)
Vermessung des Objektes handelt, auch bei der sogenannten 3D-Vermessung, bei der letztlich
zwei (oder mehrere) flächige Aufnahmen aufgenommen werden, die gemeinsam ausgewertet
werden, kann man auch nur die flächige Vermessung eines schwer zugänglichen Objektes
vornehmen.
Die eindeutige Bestimmung von Position und Richtung des Grundgestells zum Objekt kann
erreicht werden
- - durch starre Kopplung zwischen Objekt und Grundgestell oder
- - durch Vermeidung von Relativbewegungen zwischen Objekt und Grundgestell oder
- - durch Kenntnis der Relativbewegungen zwischen Objekt und Grundgestell oder
- - durch Meßeinrichtungen für die Bestimmung der Position und Richtung des Grundgestells zum Objekt.
Die Bestimmung der Position und Ausrichtung des Trägers gegenüber dem Grundgestell wird
bestimmt
- - durch eindeutige Steuerung des/der Aktuators/en oder
- - durch Meßeinrichtungen für die exakte Bestimmung der Position und Ausrichtung des Trägers gegenüber dem Grundgestell. Derartige Meßeinrichtungen weisen beispielsweise ein in einem Servomotor integriertes Meßsystem auf, wobei der Aktuator ein Motor, z. B. rotative oder lineare, elektrische, pneumatische, hydraulische Motoren, z. B. Linearschritt motor, sein kann.
Wenn die gespeicherten Bildinformationen durch die Auswerteeinheit verarbeitet werden, werden
die Informationen des zeitlichen Verlaufs von Position und Ausrichtung der Umlenkeinrichtung
gegenüber dem Objekt bewertet. Diese Position bildet sich aus der Information der Position und
Richtung des Grundgestells zum Objekt und der Position und Ausrichtung des Trägers gegenüber
dem Grundgestell. Insofern können die Informationen der flächigen Aufnahme des wenigstens
einen Bildes des Objektes bereitgestellt werden, die sich aus den vom Objekt reflektierten
optischen Strahlen beim Bewegen der Umlenkeinheit relativ zum Objekt ergeben.
Für die Meßeinrichtungen zur Bestimmung der Position des Trägers und der bewegten
(oszillierenden oder rotierenden) Spiegel, falls nicht deren Position durch eine Steuerstrecke
ohnehin bekannt ist, können lineare oder rotative Sensoren verwendet werden. Zweckmäßig ist
es erfindungsgemäß ferner, wenn die Führungsbahn geradlinig als verdrehgesicherte Linearfüh
rung und der Träger als Linearschlitten ausgebildet ist. Dann ergeben sich für Antrieb und
Messung besonders einfache Bedingungen. Alternativ kann man erfindungsgemäß aber auch die
Führungsbahn kreisförmig und den Träger als Schwenkklappe ausbilden.
Eine besondere Ausführungsform erzeugt einen Lichtpunkt mit Hilfe des gerichteten Strahles: Hier
handelt es sich um die Lichtpunktprojektion; ein anderes Verfahren erzeugt entsprechend eine
Linie: Es handelt sich um das Lichtschnittverfahren; und eine weitere andere Ausführungsform
dient der Erstellung flächiger Bilder: Dort handelt es sich um das Stereo-Aufnahme-Verfahren.
Für die Lichtpunktprojektion ist es vorteilhaft, wenn der optische Strahl in wenigstens einer Ebene
zur Punktabtastung oszillierend verschwenkbar ist. Voraussetzung hierfür ist die Verwendung einer
Strahlquelle, die gerichtete optische Strahlen aussenden kann. Vorzugsweise ist diese Strahlquelle
ebenso wie die Aufnahmeeinheit im Abstand von der Umlenkeinrichtung am Träger befestigt, es
ist aber möglich, Strahlquelle und auch Aufnahmeeinheit ortsfest außerhalb des Trägers
anzubringen. Der optische Strahl wird im allgemeinen ein Lichtstrahl sein, und die Strahlquelle im
allgemeinen eine Lichtquelle. Sie ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, daß ein gerichteter Strahl
erzeugt wird, mit dessen Hilfe auf dem Objekt z. B. ein Lichtpunkt abgebildet wird. Mittels einer
Kamera an der Aufnahmeeinheit, die sich in einem bestimmten Abstand zur Strahlquelle befindet,
wird dieser Punkt auf der Bildebene vermessen. Der Strahl kann durch seine Verschwenkbarkeit
die Objektoberfläche zeilenweise abtasten, denn er wird beispielsweise in Zeilenrichtung oszilliert.
Stellt man sich die Bewegung des Trägers schrittweise vor, dann erfolgt die erste Abtastung in
der ersten Zeile, die nächste Abtastung in der nächsten Zeile, weil sich der Träger um eine Zeile
weiterbewegt hat usw., bis alle Zeilen durchfahren sind, so daß auch spaltenweise Punkte
vorliegen. Mit Hilfe dieser Lichtpunktprojektion kann man die erfindungsgemäße Vorrichtung also
verwenden, um zeilen- und spaltenweise abgetastete Oberflächen des Objektes mit Daten zu
erfassen, aus denen sich die Raumkoordinaten des angeleuchteten Objektpunktes errechnen
lassen. Dabei ist es wichtig,
- 1. den bekannten Winkel des projizierenden optischen Strahls zur Kamera,
- 2. den Abstand zwischen Strahlquelle und Kamera und
- 3. den sich durch die Auswertung des aufgenommenen Bildes gemessenen Winkel zwischen dem projizierenden Punkt und der Strahlquelle
zu erfassen und auszuwerten. Auf diese Weise kann die gesamte zu vermessende Oberfläche
des Objektes durch den Strahl zeilen- und spaltenweise abgetastet werden.
Bei weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß mindestens eine
weitere Umlenkeinheit vorgesehen ist für das oszillierende Ablenken des vom Objekt reflektierten
optischen Strahles in eine weitere Raumrichtung und für das Projizieren desselben in die
Aufnahmeeinheit. Damit kann man mit einer punktförmigen Aufnahmeeinheit pro Position und
Ausrichtung der ersten Umlenkeinheit zeilenförmige Bildinformationen aufnehmen. Mit einer
zeilenförmigen Aufnahmeeinheit kann man pro Position und Ausrichtung der ersten Umlenkeinheit
flächige Bildinformationen erhalten.
Vorteilhaft ist es erfindungsgemäß ferner, wenn ein Drehspiegel vorgesehen ist zur Umlenkung
des vom Objekt reflektierten optischen Strahles und wenn der Drehspiegel am Träger derart
befestigt ist, daß die Drehachse des Drehspiegels orthogonal (rechtwinklig) zur Bewegungs
richtung des Trägers liegt. Über Spiegel kann man einen optischen Strahl mit sehr geringer
Divergenz und geringem Durchmesser auf das Objekt projizieren, und wenn ein Drehspiegel
zwischengeschaltet ist, der vorzugsweise mehrere unter Winkeln zueinander angeordnete
Spiegelebenen aufweist, dann kann man diese Spiegelflächen so auslegen, daß der optische
Strahl die gesamte zu vermessende Objektbreite bestreicht. Dabei ist es zweckmäßig, den
Drehspiegel mittels eines Schrittmotors oder eines Servomotors so anzutreiben, daß die jeweils
aktuelle Winkelstellung des Drehspiegels in Form von Meßdaten vorliegt. Damit ist auch bekannt,
an welcher Stelle der Zeile die Abtastung der Objektoberfläche gerade stattfindet.
Man kann auch andere Antriebe für den Drehspiegel einsetzen, sofern nur die Winkelstellung
bekannt ist, die z. B. auch funktionsgemäß bestimmt werden kann, beispielsweise beim
Sperrklinkenantrieb, oder über einen geeigneten Sensor ermittelt werden kann, z. B. einen
Drehgeber.
Alternativ kann man die Drehbewegung des Drehspiegels auch durch eine mechanische
Koppelung mit der Bewegung des Trägers erreichen. Eine solche Koppelung kann z. B. durch eine
an der Trägerführung angeordnete, nicht mitfahrende Zahnstange verwirklicht werden, in die ein
im Träger gelagertes Zahnrad eingreift, welches über ein Getriebe den Drehspiegel antreibt.
Als Aufnahmeeinheit kann man auch CCD-Flächen-Chips oder CCD-Zeilen-Chips verwenden.
Anstelle des Einsatzes eines Drehspiegels, wie vorstehend erwähnt, kann man bei einer anderen
Ausführungsform auch mit einem Flächenchip arbeiten, wobei dann die Notwendigkeit entfällt, die
Winkelstellung des Drehspiegels zu kennen, da dieser nur noch der seitlichen Auslenkung des
Beleuchtungsstrahls dient und diese Auslenkung auf dem Chip erkennbar ist.
Alternativ zu dem beschriebenen Drehspiegel könnte man auch einen oszillierenden Spiegel
verwenden.
Für das räumliche Vermessen des dreidimensionalen Vermessens ist es erfindungsgemäß
besonders zweckmäßig, wenn
- a) wenigstens eine Umlenkeinrichtung für wenigstens zwei unter einem Winkel zueinander vom Objekt reflektierte Strahlen vorgesehen ist,
- b) wenigstens eine Aufnahmeeinheit vorgesehen ist, welche die Informationen aus den wenigstens zwei getrennten Strahlen an die Auswerteeinheit übermittelt und
- c) die Auswerteeinheit Einrichtungen zur Bildung einer 3D-Information aus wenigstens zwei flächigen Aufnahmen aufweist.
Wenn nur eine Aufnahmeeinheit vorhanden ist, kann beispielsweise die Umlenkeinrichtung
schwenkbar sein, so daß die unter einem Winkel zueinander vom Objekt reflektierten Strahlen
zeitlich nacheinander zur Aufnahmeeinheit gelenkt werden.
Erfindungsgemäß kann es andererseits sehr vorteilhaft sein, wenn beim Vorhandensein nur einer
Aufnahmeeinheit diese in der Höhe und/oder im Winkel beweglich einstellbar ist. Dann nämlich
kann die Einrichtung in die richtige Stellung gebracht werden, um den gewünschten und von der
Umlenkeinrichtung projizierten Strahl aufzunehmen.
3D-Informationen kann man auf zwei Arten erhalten:
- - durch Aufnehmen einer zweiten Draufsicht unter einem anderen Winkel. Die sich ergebenden zwei Aufsichten können sowohl gleichzeitig als auch nacheinander (oder intermittierend) erzeugt werden.
- Bei dem nicht gleichzeitigen Aufnehmen kann die Umlenkoptik z. B. nach der ersten Meßfahrt um den erforderlichen Winkel geschwenkt werden, so daß nur eine einzige Spiegelfläche notwendig ist.
- - Alternativ kann man die Umlenkeinrichtung mit den zwei Spiegeln verwenden, dafür die Aufnahmeeinheit in der Höhe verfahren. Dann reicht eine Aufnahmeeinheit mit einem Zeilenchip aus.
Bei einer anderen Ausführungsform könnte man die eine Aufnahmeeinheit derart
verschwenken, daß die Strahlen in unterschiedlichen Winkeln auf den Spiegel fallen bzw.
der beleuchtende Strahl unter einem anderen Winkel reflektiert wird als der von der
Oberfläche reflektierte Strahl. Dann ist nur eine Spiegelfläche notwendig. Das wird später
anhand Fig. 5 erläutert.
Bei einer weiteren anderen Ausführungsform kann man die Umlenkeinheit mit vier
Planspiegeln versehen und eine Zeilenkamera einsetzen, die in vier unterschiedliche
Höhenpositionen gefahren werden kann.
Für das Lichtschnittverfahren kann man einen in einer Ebene aufgeweiteten Lichtstrahl vorsehen,
der nach linienförmiger Reflexion am Objekt über wenigstens einen am Träger befestigten.
Planspiegel in die eine Flächenkamera aufweisende Aufnahmeeinheit gerichtet wird. Dadurch wird
das oszillierende Verschwenken des optischen Strahles und damit das "Abfahren" der Zeile durch
den Strahl umgangen. Durch die Aufweitung des Strahls in der Zeilenebene kann aus der Sicht
der Strahlquelle eine dünne, gerade Linie auf das Objekt projiziert werden. Wenn der Ort der
Kamera, vorzugsweise einer Flächenkamera, sich außerhalb der Aufweitungsebene des Strahls
befindet, können für jeden von der Linie angeleuchteten Punkt - also für eine komplette Zeile - die
Raumkoordinaten in ähnlicher Weise bestimmt werden, wie vorstehend für das Lichtpunkt
projektionsverfahren beschrieben.
Bei der Verwendung dieses Lichtschnittverfahrens und der Vorrichtung mit dem aufgeweiteten
optischen Strahl, der vorzugsweise ein Lichtstrahl ist, können alle diejenigen Punkte, die für die
relevanten Strahlengänge optisch zugänglich sind, vermessen werden, so daß für die Auswertung
eine hohe Datenmenge zur Verfügung steht.
Beim Lichtschnittverfahren wird auf die Objektoberfläche eine gerade Linie projiziert, die aus der
Sicht der Aufnahmeeinheit (abhängig von den Höhenunterschieden der Oberfläche) mehr oder
weniger stark gekrümmt erscheint. Entsprechend ist beim Punktprojektionsverfahren die
Auslenkung des Punktes aus Sicht der Aufnahmeeinheit mehr oder weniger stark.
Bei Verwendung einer einzigen Umlenkeinheit (d. h. keine getrennte Verfahrbarkeit) für gerichtete
Beleuchtung und Aufnahme wird die Spiegelfläche für die Aufnahmestrahlen vorteilhaft so groß
(hoch) gewählt, daß die entstehende Auslenkung der Linie oder des Punktes vollständig sichtbar
ist.
Sollte diese Auslenkung aufgrund der Höhenunterschiede der zu vermessenden Fläche sehr groß
sein und damit die Höhe des Umlenkspiegels zu groß werden, bietet es sich an, die beiden
Umlenkeinheiten für gerichtete Beleuchtung und Aufnahme getrennt verfahrbar zu gestalten. Dabei
würde die Umlenkeinheit für die Beleuchtung in den bestimmten kleinen Schritten verfahren, und
bei jeder neuen Position dieser Einheit würde die Umlenkeinheit für die Aufnahme (wiederum in
Einzelschritten) um einen solchen Weg verfahren, daß die gesamte notwendige Oberfläche
bestrichen wird. Zum einen kann die Aufnahmeeinheit dann als Zeilenkamera ausgeführt werden,
zum anderen kann die Höhe des Aufnahmespiegels reduziert werden.
Erfindungsgemäß ist es dabei vorteilhaft, eine Einrichtung vorzusehen zur Ausbildung der von der
wenigstens einen Strahlquelle zum Objekt gerichteten optischen Strahlen für die Erzeugung von
zusätzlichen Informationen bei der Auswertung der Aufnahmen. Dadurch können die Strahlen eine
punktförmige und/oder linienförmige und/oder einem beliebigen Muster entsprechende Ausbildung
erhalten.
Zweckmäßig ist erfindungsgemäß auch die Verwendung einer weiteren Umlenkeinheit zur
Umlenkung des optischen Strahles in wenigstens einer Ebene.
Es ist generell jeweils getrennt für die gerichtete Beleuchtung als auch für die Aufnahmeeinheit
möglich, mit Hilfe einer bewegten Umlenkeinrichtung (rotativ, translatorisch oder freie Kinematik)
den Strahlengang im zeitlichen Verlauf schrittweise oder kontinuierlich um eine weitere Raumkoor
dinate (Dimension) aufzuweiten respektive abzutasten. Es ist also z. B. möglich, mittels eines
oszillierenden Spiegeis mit einer Punktstrahlquelle eine Linie abzutasten oder entsprechend auch
mit einer Aufnahmeeinheit für nur einen Punkt (z. B. Fotodiode) eine Linie aufzunehmen. Das gilt
vom Punkt zur Linie genauso wie von der Linie zur Fläche. Wichtig ist nur, daß Position und
Ausrichtung der Umlenkeinheit zum jeweiligen relevanten Zeitpunkt bestimmt ist. Aus einer
Kombination von zwei Umlenkeinheiten kann, sofern deren Freiheitsgrade nicht linear voneinander
abhängig sind, ein einzelner Punkt auf eine Fläche projiziert werden.
Wünscht man eine Verkürzung der Erfassung und Auswertung von Daten und genügt die
Erfassung einer Objektoberfläche nur nach einem groberen Raster, bei dem nur markante Punkte
einer Objektoberfläche vermessen werden, dann bietet sich das Stereo-Bildverfahren an. Hierfür
werden wenigstens zwei Teilbilder erzeugt. Beispielsweise kann die Umlenkeinrichtung für
wenigstens zwei, unter einem Winkel zueinander und zum Objekt gerichtete, vom Objekt
reflektierte Strahlen vorgesehen sein, und die Aufnahmeeinheit weist Einrichtungen für die
getrennte Speicherung und Auswertung der aus den zwei getrennten Strahlen erzeugten
wenigstens zwei Teilbilder auf. Für das Stereo-Aufnahmeverfahren ist es nicht unbedingt
erforderlich, einen gerichteten optischen Strahl geringer Divergenz zu erzeugen und auf das
Objekt zu führen. Vielmehr kann es ausreichen, das Objekt durch allgemeine Heiligkeit
ausreichend zu beleuchten. Wenn insofern von einem zum Objekt gerichteten Strahl gesprochen
wird, dann repräsentiert dieser lediglich einen der beliebig vielen, das Objekt beleuchtenden
Strahlen, nämlich denjenigen, der zu dem entsprechend betrachteten, vom Objekt reflektierten
Strahl führt. Die Gesamtheit der zum Objekt gerichteten Strahlen (wodurch die Objektoberfläche
erhellt wird), führt dann zu einer Vielzahl von vom Objekt reflektierten Strahlen, die in ihrer
Gesamtheit ein Teilbiid ergeben. Zur besseren Beschreibung und für das Verständnis der
Erfindung wird angenommen, daß das eine Teilbild von einem bestimmten mittleren Strahl erzeugt
wird, der unter einem ersten Winkel zum Objekt steht; und das zweite Teilbild von einem
bestimmten zweiten Strahl erzeugt wird, der unter einem bestimmten zweiten Winkel zum Objekt
steht, wobei die beiden bestimmten Strahlen unter einem Winkel zueinander gerichtet sind. Mit
anderen Worten erzeugt die Umlenkeinrichtung in der Aufnahmeoptik beispielsweise eine
Draufsicht des Objektes, während andererseits eine Schrägansicht des Objektes erzeugt wird.
Dabei ist die Draufsicht lediglich ein Sonderfall. Wichtig ist nur, daß man zwei unterschiedliche
Schrägaufsichten hat. In der Aufnahmeeinheit werden beide Aufsichten, d. h. beide Teilbilder,
aufgenommen. Beispielsweise werden die Punkte dieser Teilbilder mittels eines Kameraobjektives
auf einen CCD-Flächen-Chip abgebildet, so daß elektronische Daten für jedes Teilbild getrennt
vorliegen. Diese können dann gespeichert und so ausgewertet werden, daß die räumlichen Daten
abrufbar sind. Aus den aufgenommenen und gespeicherten Teilbildern lassen sich für die zwei
unterschiedlichen Ansichten zwei unterschiedliche Komplettbilder zusammensetzen. Diese
entsprechen beispielsweise der Draufsicht und der Schrägaufsicht. Es ist bekannt, wie man die
Höhenkoordinaten der jeweiligen Punkte aus den unterschiedlichen Koordinaten der erfaßten
markanten Punkte in der Draufsicht und in der Schrägaufsicht errechnet.
Die Aufnahmeeinheit kann anstelle der Verwendung eines einzigen CCD-Flächen-Chips auch zwei
Zeilen-Chips aufweisen sofern der Träger in entsprechend kleinen Schritten verfahren wird.
Hierbei kann das Objekt bzw. dessen Teilansicht entweder mittels eines einzigen Objektivs auf
zwei nebeneinander angeordnete Zeilen-Chips projiziert werden oder mittels zweier getrennter
Objektive, erforderlichenfalls unter Einsatz eines Strahlteilers, auf die beiden dann räumlich
getrennt anzuordnenden Zeilen-Chips.
Bei Verwendung zweier getrennter Aufnahmeeinheiten bietet es sich an, diese beiden Einheiten
unter einem Winkel zueinander so anzuordnen, daß ein einziger Planspiegel in der Umlenk
einrichtung ausreicht.
Zur Aufnahme von Bildinformationen können CCD-Kameras (Zeilen- wie Flächenkameras) ebenso
wie Röhrenkameras oder auch Kameras eingesetzt werden, die mit Filmmaterial arbeiten, wobei
im letztgenannten Fall die notwendige Auswertung der aufgenommenen Teilbiider aufwendiger
sein kann. Anstelle einer CCD-Zeilenkamera kann man auch ein lichtempfindliches Element zur
Aufnahme eines einzelnen Punktes verwenden, z. B. eine Fotodiode, wenn eine mechanische
Zeilenabtastung, z. B. durch einen drehenden oder oszillierenden Spiegel, realisiert wird.
Durch die beschriebenen Meß- und Auswerteinrichtungen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Durchführung des Stereo-Bildverfahrens können besonders markante Punkte auf Objektober
flächen vermessen werden, im Falle der Zahntechnik z. B. Punkte an Halteelementen für die
Kieferorthopädie.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen der Strahlquelle und dem Objekt ein Raster
angeordnet ist. Beispielsweise kann dies ein Gitternetz oder jede andere Rasterfläche sein, wie
z. B. eine Glasplatte mit eingeätztem Muster. Auf die Objektoberfläche ist somit vorteilhaft ein
Raster projizierbar, so daß die Anzahl der zu vermessenden Punkte entsprechend der Feinheit
des Rasters erhöht werden kann.
Punktmuster, Rasterflächen usw. erzeugen bei Verwendung statischer gerichteter Beleuchtung
markante Punkte. Die Projektion von Querlinien (d. h. senkrecht zur Verfahrrichtung) erlaubt bereits
das Erstellen eines Höhenprofils entlang jeder Linie, sofern der Winkel des Aufnahmestrahls ein
anderer ist als der Projektionswinkel. Dieses Höhenprofil ist zur Vermessung der Kauflächen in
der Zahntechnik sehr nützlich.
Die 3D-Informationen erhält man auch durch Projizieren von Punkten bzw. Linien oder auch
Mustern auf die Objektoberfläche unter einem anderen Winkel, nämlich wenn man bewegte
gerichtete Beleuchtung verwendet. Die Projektion der Punkte bzw. Linien ist eine getrennte
Aufgabe und muß keineswegs durch eine am Träger angebrachte Umlenkoptik erfolgen. Ebenso
ist ein zweiter Träger denkbar, welcher die Umlenkoptik für die Projektion trägt.
Wenn beispielsweise ein menschliches Gebiß zu kieferorthopädischen Zwecken vermessen
werden soll, reicht es aus, zum einen einige markante Punkte (in diesem Fall die Brackets) zu
vermessen - wozu das Stereo-Bildverfahren geeignet ist - und zum anderen ein relativ grobes
Linienraster der Oberfläche (in diesem Fall der Kauflächen der Zähne) zu erhalten, wozu sich das
Lichtschnittverfahren anbietet. Wünscht man eine Kombination aus Lichtschnittverfahren und
Stereo-Bildverfahren, dann ist es besonders vorteilhaft, wenn die Vorrichtung erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet ist, daß neben der Strahlquelle zur Erzeugung eines in einer Ebene
aufgeweiteten optischen Strahles eine eine Flächenkamera aufweisende Aufnahmeeinheit und im
Abstand von dieser eine am Träger befestigte Umlenkeinrichtung angeordnet sind, welche für
wenigstens zwei, unter einem Winkel zueinander und zum Objekt gerichtete, vom Objekt
reflektierte Strahlen vorgesehen ist. Mit dieser Ausführungsform werden also einerseits die zwei
Teilbilder über die gesamte Länge des Objektes hin hergestellt, und außerdem wird eine
Datenmenge durch das Überfahren, Vermessen und Auswerten der dünnen Linie erhalten, welche
nach der Methode des Lichtschnittverfahrens auf das Objekt projiziert wird.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine an einem weiteren
Träger befestigte Umlenkeinrichtung zum Richten des optischen Strahles zum Objekt hin, wobei
dieser weitere Träger auf einer weiteren Bahn getrennt verfahrbar ist. Es gibt also einen ersten
Träger für die Strahlquelle und einen weiteren Träger für die Umlenkeinrichtung, und jeder Träger
ist auf einer bestimmten Bahn getrennt verfahrbar. Man kann sowohl für die beleuchtende Seite
als auch für die Aufnahmeseite jeweils einen separaten Träger vorsehen.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine
Umlenkeinrichtung auf zum Richten des optischen Strahles zum Objekt, wobei diese Umlenk
einrichtung an dem Träger für die Aufnahmeumlenkeinheit befestigt ist und gemeinsam mit dieser
verfahrbar ist. Für jede Einheit ist also bei dieser Ausführungsform ein gesonderter Träger mit
Antrieb usw. vorgesehen. Alternativ kann man den optischen Strahl auch statt durch seine eigene
Umlenkeinrichtung direkt mittels der Aufnahmeumlenkeinheit zum Objekt richten.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, wenn ein Drehspiegel am Träger derart befestigt
ist, daß die Drehachse des Drehspiegels orthogonal zur Bewegungsrichtung des Trägers liegt.
Dabei sollte beachtet werden, daß der Drehspiegel durch die Drehbewegung charakterisiert ist.
Unter dieser Bewegung versteht man ein kontinuierliches oder intermittierendes Drehen fortlaufend
in einer Richtung oder auch ein oszillierendes Drehen in entgegengesetzten Richtungen. Der
Spiegel sorgt selbstverständlich für die Umlenkung des optischen Strahles. Dabei kann der
Drehspiegel an dem für die beleuchtende Seite einerseits und die reflektierende Seite andererseits
gemeinsamen Träger befestigt sein. Der Drehspiegel dient vorzugsweise sowohl der Umlenkung
des gerichteten Projektionsstrahles als auch der Umlenkung des zur Aufnahme dienenden
Strahles.
Die Erfindung ist auch vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß die Strahlquelle Einrichtungen aufweist
zur Erzeugung eines in einer Ebene aufgeweiteten optischen Strahls und die Umlenkeinrichtung
für das Richten des linienförmig am Objekt reflektierten Strahles in die eine Flächenkamera
aufweisende Aufnahmeeinheit ausgebildet ist.
Es wurde schon die Ausführungsform beschrieben, bei welcher die Umlenkeinrichtung wenigstens
einen am Träger befestigten Planspiegel aufweist. Alternativ kann es aber besonders zweckmäßig
sein, wenn erfindungsgemäß die Umlenkeinrichtung zwei unter unterschiedlichem Winkel am
Träger befestigte Planspiegel aufweist. Eine solche Umlenkeinrichtung kann räumlich kompakt
aufgebaut sein und vom Träger definiert und einfach bewegt werden.
Alternativ kann es bei anderen Ausführungsformen aber auch zweckmäßig sein, wenn
erfindungsgemäß die Strahlrichtung der optischen Quelle unter einem Winkel zur optischen Achse
der Aufnahmeeinheit festgelegt ist, wobei vorzugsweise die Umlenkeinrichtung einen am Träger
befestigten Planspiegel aufweist. Wenn es die räumlichen Verhältnisse zulassen, diese Anordnung
zu wählen, ergibt sich der erforderliche Winkel zwischen dem Strahl aus der optischen Quelle und
der Aufnahmeachse der Kamera direkt und von selbst, und sowohl die Projektion des Strahls auf
das Objekt als auch die Aufnahme der projizierten Linie kann über denselben einzigen Planspiegel
erfolgen.
Günstig ist es auch, wenn erfindungsgemäß die Auswerteeinheit Einrichtungen zur Bildung einer
3D-Information aus der gerichteten optischen Bestrahlung des Objekts aufweist.
Bei dem speziellen Einsatz der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zum Vermessen eines
Gebisses kann durch eine Verdoppelung der Wirkelemente der Umlenkeinrichtung die Möglichkeit
geschaffen werden, gleichzeitig Ober- und Unterkiefer zu vermessen. Gegebenenfalls müssen
dann auch die Strahlquellen und Aufnahmeeinheiten verdoppelt werden.
Besonders günstig ist erfindungsgemäß die Verwendung der Vorrichtung der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen zum berührungslosen Vermessen von wenigstens einem Zahn
eines Gebisses und/oder von Lage und/oder Form wenigstens eines auf dem Zahn angebrachten
Halteelementes für orthodontische Drähte, sogenannten Brackets. Die oben beschriebene
Meßvorrichtung gemäß der Erfindung erzeugt bei Anwendung des Stereo-Bildverfahrens zwei
Abbildungen des Objektes aus verschiedenen Ansichten. Das Vermessen markanter Punkte in
beiden Ansichten ermöglicht die Bestimmung der Raumkoordinaten dieser Punkte.
Um dem Bediener, z. B. einer Helferin in einem zahntechnischen Labor, diesen Meßvorgang zu
erleichtern oder sogar eine automatische Erkennung relevanter Punkte durchführen zu können,
kann man auf den Halteelementen, den sogenannten Brackets, mit denen Drahtbögen gehalten
werden, für die kieferorthopädische Behandlung Markierungen anbringen und/oder deren
Formgebung so wählen, daß eine automatische Erkennung möglich ist. Solche Markierungen
können beispielsweise aufgedruckt, eingeätzt, vertieft oder auch erhaben sein. Zur leichteren
Identifikation der Halteelemente (Brackets) ist es auch möglich, mit farbigen Markierungen zu
arbeiten. Bei vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß ein mit
geeigneten Maßen und Oberflächen versehener Meßhilfskörper zum Einsetzen in die Mittelnut des
Halteelementes vorgesehen ist. Mit Hilfe der Halteelemente, die im allgemeinen eine in Richtung
der Zahnreihe verlaufende Mittelnut aufweisen, wird der erwähnte Drahtbogen gehalten. Das
manuelle Verbiegen des Drahtbogens ist nur eingeschränkt möglich und in hohem Maße vom
Geschick des Behandlers abhängig. Durch die richtige Formgebung des Drahtbogens werden
erwünschte Kräfte und Momente auf die Halteelemente und damit auf die Zähne bewirkt. Will man
die beschränkten Möglichkeiten des manuellen Biegens des Drahtbogens kompensieren, dann
kann man entweder verschiedene Drahtquerschnitte verwenden, so daß sich die Größenordnung
der Kräfte durch die Eigensteifigkeit des Drahtes ergibt. Der Querschnitt der Mittelnut (Aufnahmer
achen) im Halteelement entspricht deshalb dem Querschnitt des größten einzusetzenden Drahtes.
Zwei gebräuchliche Maße liegen bei einer Nuthöhe von 0,47 mm bzw. 0,56 mm und einer Nuttiefe
von 0,76 mm. Die beschriebene Vorrichtung gemäß der Erfindung zur optischen Vermessung von
kieferorthopädischen Drahthalteelementen ermöglicht den Einsatz einer computergesteuerten
Biege- bzw. Tordiermaschine für das Anpassen des Drahtbogens an die aktuelle Gebißform des
Patienten. Beim Einsatz einer solchen Vorrichtung in Verbindung mit der beschriebenen optischen
Vermessung der Halteelemente sind sowohl deren Lage als auch die entspannte Form des
einzusetzenden Drahtbogens bekannt. Dadurch können mittels der aus der Statik bekannten
Berechnungsverfahren die aufgrund der elastischen Verformung des eingesetzten Drahtbogens
auf die Halteelemente wirkenden Kräfte und Momente genau vorherbestimmt bzw. ausgewählt
werden. Bei Kenntnis der Erfindung braucht man also nicht mehr verschiedene Querschnitt für
Drahtbögen vorzusehen, so daß auf die Lagerhalterung und Handhabung von Drahtbögen
verschiedener Querschnitte verzichtet werden kann. Der unter anderem gebräuchliche
quadratische Querschnitt von 0,41 mm×0,41 mm ist ausreichend, um bei einem Drahtbogen, der
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung exakt angepaßt sein kann, die erforderlichen Kräfte und
Momente aufzubringen.
Es ist deshalb sinnvoll, Halteelemente einzusetzen, deren Mittelnut an einen solchen Draht mit
relativ kleinem Querschnitt angepaßt ist. Dies wäre im oben genannten Beispiel ein Nutenmaß
von 0,43 mm×0,43 mm. Durch diese kleinere Nut können die Abmessungen des Halteelementes
vermindert werden, insbesondere wird das Bracket flacher, was den Tragekomfort für den
Patienten erhöht.
Die bisher in der Kieferorthopädie eingesetzten Drahthaltelemente sind im allgemeinen nicht
ausreichend zur einfachen bzw. automatisierbaren optischen Vermessung geeignet. In diesem
Falle ist es sinnvoll, in die Halteelemente (Brackets) für die Vermessung anstelle des Drahtbogens
die erwähnten Meßhilfskörper einzusetzen, deren Form und Ausführung eine gute Identifizierung
ermöglichen.
Der Antrieb des Trägers der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung erfolgt vorzugsweise über einen
Schritt- oder Servomotor, kann aber auch wie bei Filmprojektoren über ein Malteserkreuz oder
über einen einfachen Sperrklinkenmechanismus erfolgen. Möglich ist auch die Verwendung eines
Antriebes in Verbindung mit einem Wegmeßsystem, so daß der aktuelle Ort des Trägers erfaßbar
ist.
Erfolgt ein schrittweiser Antrieb des Trägers, dann gilt die Überlegung, daß je kleiner die
Verfahrensschritte von einer Aufnahmeposition zur nächsten gewählt werden, umso kleiner dann
der zu erfassende Bereich des Objektes ist, und umso kleiner wird die dazu notwendige Höhe der
Umlenkspiegel, wodurch die erforderliche Bauhöhe der Meßvorrichtung reduziert werden kann.
Dieser Verringerung sind dadurch Grenzen gesetzt, daß durch eine extreme Verkleinerung der
Umlenkspiegel der Effekt einer Schlitzblende entsteht mit der Folge, daß die erforderliche
Beleuchtungsstärke zunimmt. Die Länge der Verfahrensschritte wird vorzugsweise an die mögliche
Auflösung einer lichtempfindlichen Fläche in der Aufnahmeeinheit angepaßt. Bei der Verwendung
einer CCD-Kamera ist es sinnvoll, die Verfahrensschritte so auszulegen, daß ein Verfahrensschritt
auf der Bildebene dem Zeilenabstand des Chips entspricht, so daß jeweils nur eine Chipzeile je
Spiegelansicht ausgewertet wird. Es sind in der Praxis Bewegungsschritte für den Träger im
Bereich zwischen 1/100 bis 1 mm als zweckmäßig verwendet worden. Besonders bevorzugt in
der Kieferorthopädie ist eine Schrittlänge von 1110 mm.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den
anliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Meßvorrichtung mit Träger und an
diesem befestigter Umlenkeinrichtung einerseits sowie Aufnahmeeinheit
andererseits,
Fig. 2 die gleiche Vorrichtung wie Fig. 1, wobei jedoch Mittel zur Abbildung eines
Rasters zusätzlich dargestellt sind,
Fig. 2a eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, wobei jedoch andere Mittel zur Abbildung eines
Rasters auf der Objektoberfläche als bei Fig. 2 vorgesehen sind,
Fig. 3 eine ähnliche schematische Ansicht der Meßvorrichtung wie bei Fig. 1, wobei
jedoch ein Drehspiegel und Strahlquelle mit Aufnahmeeinheit zur Durchführung
des Lichtpunktprojektionsverfahrens angeordnet sind,
Fig. 4 eine schematische weitere andere Ausführungsform der Meßvorrichtung zur
Durchführung des Lichtschnittverfahrens,
Fig. 4a die gleiche Vorrichtung wie bei der Fig. 4, wobei jedoch von den wesentlichen
Teilen (unter Weglassung des Trägers) perspektivische Darstellungen gegeben
sind,
Fig. 5 eine weitere andere Ausführungsform der Meßvorrichtung mit vereinfachter
Umlenkeinrichtung und unter einem Winkel zueinander angeordnete Strahlrichtun
gen aus der Strahlquelle einerseits und zur Aufnahmeeinheit andererseits,
Fig. 6 eine ähnliche schematische Ansicht wie in den vorhergehenden Figuren, jedoch
einer anderen Ausführungsform mit dem kombinierten Stereo-Bild- und Licht
schnittverfahren,
Fig. 7 eine weitere andere Ausführungsform der Meßvorrichtung unter Verdoppelung der
Meßbereiche,
Fig. 8 perspektivisch drei Zähne einer Zahnreihe mit auf deren äußerer Oberfläche
aufgeklebten Halteelementen (Brackets),
Fig. 8a die perspektivische Darstellung eines Halteelementes an einem Zahn mit Maßen
in perspektivischer Darstellung,
Fig. 8b eine Ansicht des Halteelementes in Richtung der Zahnreihe mit Maßangaben,
Fig. 9 perspektivisch die Darstellung eines Halteelementes mit einem eingesetzten
Meßhilfskörper,
Fig. 9a perspektivisch die Darstellung eines Halteelementes mit einer anderen Form von
eingesetztem Meßhilfskörper und
Fig. 10 und 10a weitere Ausführungsformen, bei welchen der Träger Drehbewegungen ausführt.
Die Meßvorrichtung der Fig. 1 ist zur Vereinfachung der Beschreibung und für die bessere
Verständlichkeit ohne bekannte, selbstverständliche Vorrichtungsteile nur schematisch
wiedergegeben. An einem Grundgestell 1 ist über eine Kugelführung 2 ein geradlinig in Richtung
des Doppelpfeiles 3 verfahrbarer Träger 4 gelagert und wird mit einer Spindel 5 bewegt gelagert.
Diese wird von einem ebenfalls am Grundgestell 1 befestigten Motor 7 (Schritt- oder Servomotor)
mittels eines Zahnriemens 6 und einer allgemein mit 8 bezeichneten Spindelmutter mit
Riemenscheibe angetrieben. 7′ veranschaulicht ein gegebenenfalls für den Motor 7 vorgesehenes
integriertes Meßsystem.
Das Objekt 9 ist hier als eine mit dem Grundgestell 1 verbundene Oberfläche mit dreidimensiona
len Erstreckungen dargestellt, z. B. könnte es sich um die Reihe Zähne eines menschlichen
Gebisses handeln. In engem Abstand vom Objekt 9 erstreckt sich der Träger 4 in Richtung der
Mundöffnung, und man kann sich leicht vorstellen, daß der Träger mit seinen Aufbauten im
Bereich des Objektes 9 innerhalb der Mundhöhle untergebracht werden kann. In diesem Bereich
befinden sich zwei unter unterschiedlichem Winkel zueinander und zum Objekt 9 angestellte
Planspiegel 12 und 13, während am anderen Ende des länglich ausgebildeten Trägers 4, also
außerhalb der Mundhöhle, die Aufnahmeeinrichtung am Träger befestigt ist, im vorliegenden Falle
ein Kamera-Objektiv 10 mit einem CCD-Flächen-Chip 11.
Bezüglich dieser Teile sind die Ausführungsformen der Meßvorrichtung nach den Fig. 2 und
2a gleich aufgebaut, weshalb die gleichen Teile dort nicht numeriert sind.
In Fig. 2 ist als Besonderheit eine ebenfalls am Grundgestell 1 befestigte Strahlquelle 14
vorgesehen, die bei der Ausführungsform der Fig. 1 und analogen Ausführungsformen eine
Strahlquelle zur Erzeugung "allgemeiner Helligkeit" ist, weil es z. B. bei der Ausführungsform der
Fig. 1 genügt, daß die Oberfläche des Objektes 9 hell ist und reflektierte Strahlen abgeben kann.
Hingegen ist bei anderen dargestellten Ausführungsformen, wie z. B. in Fig. 2, die Strahlquelle
14 gesondert dargestellt als eine solche zur Erzeugung von gerichteten Strahlen. In Fig. 2 ist
dieser Strahl als strichpunktierte Linie dargestellt und mit 15 bezeichnet. Es handelt sich bei den
hier beschriebenen konkreten Ausführungsformen um Lichtstrahlen aus dem sichtbaren Bereich.
(Man kann sich alternativ auch Strahlen im Infrarot- oder Umtraviolettbereich mit entsprechenden
Sende- und Empfangseinrichtungen vorstellen). Die Strahlquelle 14 enthält ein nicht näher
dargestelltes Linsensystem, und zwischen diesem und einem weiteren Linsensystem 16 ist ein
Raster 17 oder ein Gitternetz so angeordnet, daß dessen Projektion auf die Oberfläche des
Objektes 9 zur Erzeugung markanter Punkte auf der Oberfläche gelingt. Dieses Raster 17 kann
auch eine Glasplatte mit eingeätzten Mustern sein.
In Fig. 2a ist eine andere ähnliche Alternative der Ausführungsform gezeigt, bei welcher das
Raster 17 am Grundgestell 1 direkt über der Oberfläche des Objekts 9 befestigt wird, so daß
beispielsweise durch eine entsprechende Optik ein Schattenmuster auf die Objektoberfläche
geworfen wird.
Ähnlich Fig. 8a ist Pfeil 3 in einer X-Achse liegend zu denken. Eine gedachte Y-Achse verläuft
senkrecht zu dieser X-Achse und senkrecht zur Zeichnungsebene.
Durch die entsprechende Beleuchtung der Oberfläche des Objektes 9 werden reflektierte Strahlen
erzeugt und zur Aufnahmeeinheit 10, 11 geführt. Beispielsweise verläuft der reflektierte Strahl 18
(Draufsicht) senkrecht zu einer in X-Y-Ebene liegenden Hauptfläche auf den äußeren Planspiegel
12, wo er abgelenkt und in Form des reflektierten Strahles 18′ in das Objektiv 10 und mit
geeigneter Abbildung auf den Flächenchip 11 geführt wird. Hierdurch entsteht ein erstes Teilbild.
Repräsentativ für die anderen reflektierten Strahlen zur Erzeugung des anderen Teilbildes ist ein
anderer reflektierter Strahl 19 zum Planspiegel 13 gerichtet und wird dort nach Umlenkung als
Strahl 19′ ebenso zum Kameraobjektiv 10 geführt. Der Strahl 18′ bildet also in der Aufnahme
einheit 10, 11 eine Draufsicht, und mit dem anderen Spiegel 13 wird durch den reflektierten Strahl
19′ eine Schrägaufsicht gebildet. Die elektronische Verarbeitung des hier nicht weiter be
schriebenen Ausgangssignals des Chips 11 ermöglicht die getrennte Speicherung und Auswertung
der beiden Teilbilder. Außerdem ist durch den beschriebenen Antrieb des Trägers 4 dessen
jeweiliger exakter Ort und damit der der Umlenkeinrichtung 12, 13 relativ zum Objekt 9 bekannt.
Die aufgenommenen und gespeicherten Teilbilder werden zu zwei Komplettbildern zusammen
gesetzt, welche den Bildern der Draufsicht und der Schrägaufsicht entsprechen. Wie oben schon
gesagt, lassen sich aus den unterschiedlichen Koordinaten markanter Punkte in den beiden
Ansichten die Höhenkoordinaten errechnen. Der Träger 4 wird vorzugsweise in kleinen Schritten
von 1/10 mm in Richtung des Doppelpfeiles 3 verschoben, beispielsweise von hinten nach vorn,
d. h. in den Figuren von links nach rechts zur Messung von einer Anfangsposition (links) in die
Endposition (rechts), in welcher die reflektierten Strahlen 18 und 19 von der in den Figuren
dargestellten rechten äußersten Kante des Objektes 9 stammen. Die Auswerteeinheit ist mit 11a
bezeichnet und am Chip 11 angeschlossen. Sie ist zwar nur in Fig. 1 dargestellt, ist aber auch
bei den anderen Ausführungsformen vorhanden zu denken.
Mit den vorstehenden Fig. 1 bis 2a ist das Stereo-Bildverfahren beschrieben worden.
Das Lichtpunktprojektionsverfahren wird nun anhand Fig. 3 beschrieben.
Auf dem hinteren äußeren Ende des Trägers 4 befinden sich wieder die beiden Spiegel 12 und
13, und mitfahrbar mit dem Träger 4 sind weiter rechts an der mit 20 angedeuteten Befestigungs
stange (nur schematisch) die Lichtquelle 14 und darüber das Kameraobjektiv 10 mit dem dahinter
angeordneten CCD-Zeilen-Chip 11 angebracht.
Außerdem ist über einen zweiten Schritt- oder Servomotor 21 ein Drehspiegel 22 mitfahrbar am
Träger 4 so befestigt, daß die Achse 23 des Drehspiegels 22 senkrecht zur translatorisch
geradlinigen Bewegung gemäß Doppelpfeil 3 liegt. Der von der Strahlquelle 14 gerichtete Strahl
mit geringer Divergenz und kleinem Durchmesser 15 wird am Drehspiegel 22 umgelenkt und trifft
als Strahl 15′ auf den äußeren Planspiegel 12, der diesen Strahl auf die Oberfläche des Objektes
9 wirft, von wo er ähnlich wie bei Fig. 1 als reflektierter Strahl 19 zu dem anderen Planspiegel
13 geführt und dort umgelenkt und als Strahl 19′ auf den Drehspiegel 22 geführt wird, wo er
umgelenkt und in das Objektiv 10 geleitet wird.
Die Ablenkung der Strahlen erfolgt über den Drehspiegel 22 mit den angedeuteten mehreren
Spiegelflächen. Durch dessen Bewegung ist der Strahl in wenigstens einer Ebene oszillierend so
verschwenkbar, daß der Lichtstrahl 15′ nach Ablenkung über den Planspiegel 12 die gesamte zu
vermessende Breite des Objektes 9 bestreicht. Auch die Aufnahme des reflektierten Strahles 19′
erfolgt über den Drehspiegel 22. Dadurch reicht der Einsatz eines nur vertikal stehenden CCD-
Zeilen-Chips 11, auf den über das Kameraobjektiv 10 der Lichtpunkt projiziert wird. Die aktuelle
Winkelstellung des Drehspiegels 22 und damit auch die Information, an welcher Stelle der Zeile
die Abtastung gerade stattfindet, ist exakt bekannt.
Der in Fig. 3 dargestellte Drehspiegel 22 erfüllt also zwei Funktionen: Zum einen wird der in der
Strahlquelle (hier Lichtquelle) 14 erzeugte Strahl 15 seitlich abgelenkt (oszillierend verschwenk
bar), zum anderen wird auch der vom Objekt 9 reflektierte Strahl 19, 19′ über die gleiche
Spiegelfläche des Drehspiegels 22 zurück in die Kameraoptik 10 gelenkt, so daß aus Sicht der
Kamera die seitliche Ablenkung des auf das Objekt projizierten Strahls 15′ nicht zu bemerken ist.
Aus diesem Grunde muß für die rechnerische Verarbeitung diese seitliche Auslenkung (gemessen
über den momentanen Drehwinkel des Spiegels 22) bekannt sein. Alternativ dazu kann jedoch
die Aufnahme des projizierten Lichtpunktes über eine Kamera erfolgen, welche direkt auf den
Planspiegel 13 gerichtet ist. Hier müßte allerdings eine Flächenkamera eingesetzt werden, da
sowohl die seitliche Ablenkung des Strahls, welche durch den Drehspiegel 22 hervorgerufen ist,
als auch die in Planspiegel 13 erscheinende Höhenauslenkung aufgenommen werden muß. Durch
die direkt in der Kamera (Chipkamera 11) sichtbare seitliche Auslenkung des Strahls entfällt die
Notwendigkeit, den momentanen Drehwinkel des Drehspiegels 22 zu messen.
Fig. 5 zeigt für das Lichtschnittverfahren eine andere Ausführungsform der Meßvorrichtung. Man
kann anhand dieser Fig. 5 aber auch verschiedene Aufnahmemethoden beschreiben. Es ist z. B.
nicht erforderlich, den für das Meßverfahren notwendigen Winkel zwischen dem Lichtstrahl 15 und
der optischen Achse (die im Falle der Fig. 5 mit dem reflektierten Strahl 19′ zusammenfällt bzw.
mindestens parallel zu diesem liegt) der Kamera 10 durch zwei in unterschiedlichem Winkel
angeordnete Planspiegel, wie in den vorhergehenden Figuren die Spiegel 12 und 13, zu
realisieren, sondern es ist auch möglich, die Strahlquelle 14 deutlich höher oder tiefer als die
Kamera 10 anzuordnen, so daß der notwendige Winkel von vornherein bzw. durch diese
Anordnung von selbst entsteht. In diesem Falle kommt man mit einem einzigen Umlenkspiegel
12′ aus (anstelle der zwei separaten Umlenk-Planspiegel 12 und 13).
Das Lichtschnittverfahren wird anhand der Fig. 4 und 4a beschrieben. Durch die per
spektivische Darstellung der Fig. 4a erkennt man den aufgeweiteten Strahl 15, der aus der
Strahlquelle 14 kommt und darüber den reflektierten, aufgeweiteten Strahl 19′, welcher in die
Kamera 10 geführt wird. Die Strahlquelle 14 erzeugt einen Lichtstrahl wie bei der oben
beschriebenen Lichtpunktprojektion, dieser Strahl ist jedoch in der aus Fig. 4a unten ersichtlichen
Ebene aufgeweitet, so daß über den hinteren Planspiegel 12 eine dünne Linie 24 auf das Objekt
9 projiziert wird, die über den anderen Planspiegel 13 als reflektierte Strahlebene 19′ von der
Kamera 10, 11 aufgenommen wird. Hier ist der Einsatz einer Flächenkamera erforderlich, denn
die auf das Objekt projizierte dünne Linie 24 erscheint nur in der Draufsicht des senkrecht von
oben auftreffenden Strahles 15′ als gerade Linie, in Richtung der reflektierten Strahlen ist es eine
geschwungene Linie.
Die Anordnung der Lichtquelle 14 bezüglich des Kameraobjektivs 10 kann auch unter einem
anderen Winkel erfolgen, wobei dann der aufgeweitete Strahl 15 über nicht dargestellte
Umlenkspiegel und/oder Strahlteiler im geforderten Winkel auf den hinteren, äußeren Planspiegel
12 gerichtet wird.
Um nochmals auf die Darstellung der Fig. 5 zurückzukommen, auch das Lichtschnittverfahren
kann unter Verwendung nur eines einzigen Planspiegels 12′ als Umlenkeinrichtung eingesetzt
werden. Wenn die räumlichen Verhältnisse eine solche Anordnung zulassen, wie in Fig. 5
dargestellt, dann ergibt sich der erforderliche Winkel zwischen der Strahlquelle 14 und der
Aufnahmeachse (parallel zum Strahl 19′) der Kamera 10, 11 direkt. Somit kann die Projektion des
Lichtstrahls 15, 15′ auf das Objekt 9 ebenso über denselben Planspiegel 12′ erfolgen, wie auch
die Aufnahme der projizierten Linie 19′.
Anhand Fig. 6 wird die Kombination aus Lichtschnittverfahren und Stereo-Biidverfahren
beschrieben.
Dem Vorteil des Lichtschnittverfahrens, alle Punkte einer Oberflächen vermessen zu können (im
Gegensatz zum Stereo-Verfahren, bei welchem nur markante Punkte vermessen werden können),
steht die Bedingung der höheren Datenmenge beiseite, welche bei der Aufnahme anfällt, denn
für jede abzutastende Zeile, also bei schrittweisem Antrieb für jeden Verfahrensschritt des Trägers
4, muß ein flächiges Bild aufgenommen werden. Beim Stereo-Bildverfahren reicht die Aufnahme
einer einzigen Zeile aus.
Bei der Ausführungsform der Fig. 6 handelt es sich im wesentlichen um die gleiche Vorrichtung
wie die in Fig. 1. In Fig. 6 ist nur zusätzlich eine einen gerichteten Strahl erzeugende
Strahlquelle 14 angeordnet, die ähnlich wie bei der Ausführungsform der Fig. 4 einen
aufgeweiteten Lichtstrahl 15 erzeugt. Über den äußeren Planspiegel 12 wird dieser aufgeweitete
Lichtstrahl 15 wieder auf die Oberfläche des Objektes 9 projiziert. Außerdem ist dieses
Lichtschnittverfahren mit dem Stereo-Bildverfahren kombiniert, so daß außerdem reflektierte
Strahlen 19, 19′ über den vordersten inneren Planspiegel 13′ von der Aufnahmeeinheit 10, 11
aufgenommen werden oder alternativ von der Objektoberfläche reflektierte Strahlen 25 und nach
Reflexion am mittleren Umlenkplanspiegel 13 die Strahlen 25′ aufgenommen werden. Über die
Planspiegel 13 und 13′ wird also wieder ein Stereo-Bild aufgenommen, wozu zwei Planspiegel
erforderlich sind.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform der Fig. 5 ist es unter entsprechend räumlichen
Bedingungen aber auch möglich, die Strahlquelle 14 wieder unter dem in Fig. 5 gezeigten Winkel
zur optischen Achse der Kamera anzuordnen, so daß dann der Planspiegel 12 entfallen kann.
Auch bei dem reinen Stereo-Bildverfahren kann man bei der Anordnung der optischen Achse des
einen Objektivs oder beider Objektive unter einem Winkel zur Richtung der Strahlquelle auch mit
nur einem einzigen Planspiegel 13 oder 13′ auskommen.
Fig. 7 zeigt eine ähnliche Vorrichtung wie Fig. 1, wobei jedoch lediglich die Meßverhältnisse
verdoppelt sind. Diese Ausführungsform dient der gleichzeitigen Vermessung des Ober- und
Unterkiefers eines Gebisses 9, 9′. Im allgemeinen wird dieses bei Anwendung in der Zahntechnik
über eine Glasplatte starr mit dem Grundgestell 1 gekoppelt, z. B. durch Berühren oder Klemmen,
denn die Zähne sind am Kiefer befestigt und nicht auf der nur schematisch hier dargestellten
Grundplatte 1 unter dem Objekt 9 und über dem Objekt 9′.
Hier werden vier Planspiegel 12, 13, 12′′, 13′′ spiegelsymmetrisch zur Mittelebene verwendet,
welche durch den gemeinsamen Träger 4 verläuft. Auf diese Weise kann man Ober- und
Unterkiefer gleichzeitig vermessen.
Hinsichtlich der besonderen Verwendung der Meßvorrichtung nach einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen wird anhand der Fig. 8 bis 9a die Gestaltungsmöglichkeit
der Drahthalteelemente 26 und der Meßhilfskörper 33 bzw. 33′ für die Kieferorthopädie
beschrieben.
Durch die vorstehend beschriebene Meßvorrichtung kann man die optische Erkennbarkeit der
schon erwähnten Halteelemente 26 (sogenannte Brackets) verbessern.
In Fig. 8 sieht man die aus drei Zähnen 27 bestehende Reihe eines Gebisses, wobei über
Klebeflächen 28 auf der äußeren Oberfläche des Zahnes 27 jeweils ein Halteelement 26
aufgebracht ist.
Das Halteelement hat die in Fig. 8b im Querschnitt (in Z-Y-Ebene der Fig. 8a) dargestellte
Pilzform, wobei das Halteelement 26 außen in seiner Längsrichtung (X-Richtung) von einer
Mittelnut 29 durchzogen ist. Diese dient der Aufnahme des Drahtbogens 41. Zu beiden Seiten
schließen sich hakenförmige Stege 30 an die Mittelnut 29 an, um welche ein Gummiring 31 in der
linken Darstellung der Fig. 8 zur Befestigung des Drahtbogens 41 am Halteelement 26 befestigt
bzw. umgelegt wird.
Die Geometrie wird anhand Fig. 8a erläutert. Auf den äußeren Enden der hakenförmigen Stege
30 sind auf der Oberfläche des Halteelementes 26 zwei Markierungspunkte angebracht,
beispielsweise durch Aufdrucken, Einsetzen, Anbohren oder Auflöten. Diese Markierungen 31
heben sich von der übrigen Oberfläche des Halteelementes 26 optisch ausreichend ab, so daß
eine eindeutige und automatisierbare Erkennung und Vermessung dieses markanten Punktes 31
möglich ist.
Aus der Kenntnis der Raumkoordinaten dieser Punkte ergeben sich die X-, Y- und Z-Koordinaten
des Halteelementes 26 sowie dessen Winkelstellung um die Y- und Z-Achse. Aus dem Abstand
dieser Punkte 31 von der Kante des Halteelementes, die in der Projektion der Z-Richtung als Linie
erscheint und durch die Begrenzungslinie 32 in Fig. 8b (bzw. 32′ für ein anderes Maß) dargestellt
ist, ergibt sich die Winkellage um die X-Achse, in Fig. 8b dargestellt durch die Winkel α1 bzw.
α2 bzw. α3. Um eine genaue Messung dieser Winkelstellung zu ermöglichen, kann man die
Kontur der Außenfläche des Halteelementes 26, also die vom Zahn 27 abgewandte Fläche, so
wählen, daß sich innerhalb eines vorgegebenen, anatomisch sinnvollen Winkelbereiches für jeden
gemessenen horizontalen Abstand A1 bzw. A2 bzw. A3 (Fig. 8b) von der Außenfläche des
Halteelementes, der Linie gemäß Projektion 32 bzw. 32′ usw., zu den Markierungspunkten eine
eindeutig zugeordnete Winkelstellung ergibt.
In Fig. 8a erkennt man auch die gebräuchlichen Maße der Höhe H der Mittelnut 29 von 0,47 mm
bzw. 0,56 mm (für das Maß H) und der Tiefe T der Mittelnut 29 von z. B. 0,76 mm.
Zwei verschiedene Ausführungsformen von Meßhilfskörpern 33 bzw. 33′ erkennt man aus den
Fig. 9 bzw. 9a.
Nach Fig. 9 hat der Meßhilfskörper 33 in Draufsicht T-Form mit abgerundeten Verdickungen 34
an den Schenkelenden. Die Dicke des Meßhilfskörpers entspricht der Höhe der Mittelnut 29 und
wird durch zwei in entsprechendem Abstand voneinander liegenden parallelen Ebenen gebildet.
Dadurch sind die Meßhilfskörper in der X-Y-Ebene plattenförmig und haben eine flache, ebene
Oberfläche.
Bei dem Meßhilfskörper 33 der Fig. 9a sind die Schenkelenden ohne die erwähnten
Verdickungen der Ausführungsform der Fig. 9 ausgestaltet, also einfach in Form eines T in
Draufsicht in Z-Richtung auf den Meßhilfskörper 33′.
Sowohl die in Draufsicht teilkreisförmige Abrundung des Meßhilfskörpers 33′ als auch die verdickte
Ausführungsform 34 bei dem Meßhilfskörper nach Fig. 9 bestimmt eine Außenkontur, durch
welche drei Mittelpunkte ausgemessen werden können. Aus den Raumkoordinaten dieser drei
Mittelpunkte kann man dann wieder eindeutig die Lage des Halteelementes 26 bestimmen.
Alternativ kann man anstelle der Mittelpunkte auch Markierungen 35 an den Schenkelenden
anbringen, wie bei dem Meßhilfskörper 33′ der Fig. 9a angedeutet ist.
Fig. 10 zeigt eine andere Ausführungsform für die Anwendung der Vorrichtung für das
Lichtschnittverfahren. Hier kann auch auf Fig. 4 Bezug genommen werden.
Der Träger 4 ist über den Drehpunkt 42 im Grundgestell 1 gelagert. Entsprechend führt er eine
Drehbewegung gemäß der zwei in entgegengesetzter Richtung zeigenden Pfeile 3 aus. Der
Antrieb wird hier über ein Zahnsegment 37 ausgeführt, welches mit dem Träger 4 fest verbunden
ist. In dieses Zahnsegment 37 greift das Ritzel 38 eines Getriebemotors 39 ein. Der Getriebemotor
39 ist vorzugsweise als Schrittmotor mit Untersetzungsgetriebe ausgeführt, kann aber auch ein
Servomotor mit Untersetzungsgetriebe sein. Motor 39 ist ebenfalls am Grundgestell 1 befestigt.
Die Umlenkeinrichtung führt eine Bewegung auf einem Kreisbogen um den Drehpunkt 42 aus, so
daß sich bei den gezeigten geometrischen Verhältnissen auch der Abstand zum Objekt 9 ändert.
Das ist nicht nachteilig, wenn nur ein kleiner Bereich (am Objekt 9 mit dem Doppelpfeil links unten
angedeutet) ausgemessen werden soll, beispielsweise ein einzelner Zahn. Der erforderliche
Schwenkwinkel des Trägers 4 wäre nur klein, entsprechend gering auch die Abstandsänderung
der Umlenkeinrichtung zur Objektoberfläche.
Da zudem aufgrund der bekannten Geometrieverhältnisse die Bewegung der Umlenkeinrichtung
12, 13 in dieser Richtung bekannt ist, kann sie problemlos bei der Auswertung der Bild-
Informationen rechnerisch kompensiert werden.
In Fig. 10a ist eine weitere andere Ausführungsform dargestellt, bei der ebenfalls die
Umlenkeinrichtung eine Drehbewegung ausführt. Über das Grundgestell 1, welches hier eine
ortsfeste längliche Stange ist, wird der Drehpunkt 42 ganz nah an die Umlenkeinheit herangeführt.
Der Träger 4 ist nur noch ein kleiner, kurzer Hebel, welcher die Umlenkeinrichtung trägt. Der
Antrieb erfolgt über eine Schubstange 43, die analog zu Fig. 10 über einen Getriebemotor
angetrieben wird.
Claims (21)
1. Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen eines schlecht zugänglichen, dreidimensio
nalen Objektes (9) auf optischem Wege unter Erstellung von flächigen Aufnahmen, mit
einer optischen Strahlquelle (14), einer Aufnahmeeinheit (10, 11) zur Aufzeichnung von
optischen Strahlen (15, 18, 19, 25) und einer Auswerteeinheit (11 a) zur Auswertung der
durch die optischen Strahlen übermittelten Informationen, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) ein Träger (4) auf wenigstens einer Führungseinrichtung (2) relativ zum Objekt (9) auf einer Führungsbahn (3) gegenüber dem Grundgestell (1) bewegbar ist;
- b) der Träger auf der/den Führungseinrichtungen (2) mit Hilfe wenigstens eines Aktuators (7) verfahrbar ist,
- c) wenigstens eine Umlenkeinrichtung (12, 13, 13′) an dem Träger (4) derart befestigt ist, daß wenigstens ein vom Objekt reflektierter optischer Strahl (18, 19, 25; 18′, 19′, 25′) zur Aufnahmeeinheit (10, 11) gelenkt wird;
- d) daß Position und Richtung des Grundgestells (1) zum Objekt (9) zu jedem während der Aufnahme relevanten Zeitpunkt eindeutig bestimmt ist;
- e) daß die Position und Ausrichtung des Trägers (4) gegenüber dem Grundgestell (1) zu jedem während der Aufnahme relevanten Zeitpunkt eindeutig bestimmt ist;
- f) daß die Auswerteeinheit (11a) Einrichtungen zur Speicherung der Informationen der vom Objekt (9) reflektierten Strahlen (18′, 19′, 25′) in Form von Bildpunkten und/oder Bildlinien und/oder Bildflächen aufweist; und
- g) daß die Auswerteeinheit (11a) Einrichtungen zur Verarbeitung der gespeicherten Bildinformationen aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbahn (3)
geradlinig als verdrehgesicherte Linearführung (2) und der Träger (4) als Linearschlitten
ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbahn (3)
kreisförmig und der Träger (4) als Schwenkklappe ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
eine weitere Umlenkeinrichtung (22) vorgesehen ist für das oszillierende Ablenken des
vom Objekt (9) reflektierten optischen Strahles (18′, 19′, 25′) in einer weiteren Raumrich
tung und für das Projizieren desselben in die Aufnahmeeinheit (10, 11).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehspiegel (22)
vorgesehen ist zur Umlenkung des vom Objekt (9) reflektierten optischen Strahles (18′,
19′, 25′) und daß der Drehspiegel (22) am Träger (4) derart befestigt ist, daß die
Drehachse (23) des Drehspiegels (22) orthogonal zur Bewegungsrichtung (3) des Trägers
(4) liegt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) wenigstens eine Umlenkeinrichtung für wenigstens zwei unter einem Winkel zueinander vom Objekt (9) reflektierte Strahlen (18, 19, 25) vorgesehen ist;
- b) wenigstens eine Aufnahmeeinheit (10, 11) vorgesehen ist, welche die Informatio nen aus den wenigstens zwei getrennten Strahlen (18′, 19′, 25′) an die Auswerte einheit (11a) übermittelt, und
- c) die Auswerteeinheit (11a) Einrichtungen zur Bildung einer 3D-Information aus wenigstens zwei flächigen Aufnahmen aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Aufnahmeeinheit (10, 11) in der Höhe und/oder im Winkel beweglich einstellbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung
zur Ausbildung der von der wenigstens einen Strahlquelle (14) zum Objekt (9) gerichteten
optischen Strahlen (15) für die Erzeugung von zusätzlichen Informationen bei der
Auswertung der Aufnahmen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine weitere Umlenkeinheit (12, 13,
13′, 22, 36) zur Umlenkung des optischen Strahles (15, 15′) in wenigstens einer Ebene.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strahlquelle
(14) und dem Objekt (9) ein Raster (17) angeordnet ist (Fig. 2, 2a).
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine an einem weiteren Träger (4)
befestigte Umlenkeinrichtung (12, 13, 13′) zum Richten des optischen Strahles (15, 15′)
zum Objekt (9), wobei der weitere Träger (4) auf einer weiteren Bahn (3) getrennt
verfahrbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Umlenkeinrichtung (12, 13, 13′)
zum Richten des optischen Strahles (15, 15′) zum Objekt (9), wobei die Umlenkeinrichtung
(12, 13, 13′) an dem Träger (4) für die Aufnahme-Umlenkeinrichtung befestigt ist und
gemeinsam mit dieser verfahrbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehspiegel (22) für die
Umlenkung des optischen Strahls (15′) am Träger (4) derart befestigt ist, daß die
Drehachse (23) des Drehspiegels (22) orthogonal zur Bewegungsrichtung (3) des Trägers
(4) liegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlquelle (14) zur
Erzeugung eines in einer Ebene aufgeweiteten optischen Strahls (15) vorgesehen ist und
die Umlenkeinrichtung (12, 13, 13′) für das Richten des linienförmig am Objekt (9)
reflektierten Strahles (15) in die eine Flächenkamera aufweisende Aufnahmeeinheit (10,
11) ausgebildet ist (Fig. 4, 4a, 5).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die
Umlenkeinrichtung (12, 13, 13′) wenigstens einen am Träger (14) befestigten Planspiegel
aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Umlenkeinrichtung (12, 13, 13′) zwei unter unterschiedlichem Winkel an einem Träger (4)
befestigte Planspiegel aufweist (Fig. 3).
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlrichtung der
optischen Quelle (14) unter einem Winkel zur optischen Achse der Aufnahmeeinheit (10,
11) festgelegt ist (Fig. 5).
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auswerteeinheit (11a) Einrichtungen zur Bildung einer 3D-Information aus der gerichteten
optischen Bestrahlung (15) des Objektes aufweist.
19. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zum berührungslosen
Vermessen von wenigstens einem Zahn (27) eines Gebisses und/oder von Lage und/oder
Form wenigstens eines auf dem Zahn (27) aufgebrachten Halteelementes (26) für
orthodontische Drähte, sogenannte Brackets (Fig. 8).
20. Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine
Markierung (31) an der Oberfläche des Halteelementes (26) angebracht ist (Fig. 8a,
8b).
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit geeigneten
Maßen (H) und Oberflächen versehener Meßhilfskörper (33, 33′) zum Einsetzen in die
Mittelnut (29) des Halteelementes (26) vorgesehen ist (Fig. 9, 9a).
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