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DE4134117C2 - Verfahren zur optischen Vermessung von Objekten - Google Patents

Verfahren zur optischen Vermessung von Objekten

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DE4134117C2
DE4134117C2 DE4134117A DE4134117A DE4134117C2 DE 4134117 C2 DE4134117 C2 DE 4134117C2 DE 4134117 A DE4134117 A DE 4134117A DE 4134117 A DE4134117 A DE 4134117A DE 4134117 C2 DE4134117 C2 DE 4134117C2
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Joachim Gaessler
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Kaltenbach and Voigt GmbH
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Kaltenbach and Voigt GmbH
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Vermessung von Objekten, insbesondere von künstlichen oder natürlichen Zähnen im oder außerhalb des Mundes von Patienten, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Verfahren und die entsprechende Vorrichtung mit einer den Projektor und die Kamera enthaltenden Meßsonde sind aus der US 49 52 149 bekannt und dort anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels auf der Grundlage der Projektion des Musters mittels paralleler Lichtstrahlen (telezentrische Projektion) beschrieben. Kurz erwähnt ist außerdem als Alternative die Projektion mit Hilfe divergierender Lichtstrahlen (Zentralpro­ jektion).
Sowohl die telezentrische als auch die Zentralprojektion sind hier in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
Wie die Fig. 1 zeigt, wird bei diesem bekannten Verfahren ein in der Projektionsebene PE des Projektors befindliches Strei­ fenmuster MP mit sinusförmiger Helligkeitsverteilung quer zur Streifenrichtung mittels der parallelen Lichtstrahlen L unter dem Einfallswinkel α auf das zu vermessende Objekt, darge­ stellt durch die Objektebene OE, sowie auf eine Referenzebene RE projiziert und das jeweilige Abbild MOE bzw. MRE mit der Kamera aufgenommen, d. h. auf deren Sensorfläche SF abgebildet. Die Differenz zwischen den aus beiden Aufnahmen für jeden kameraseitigen Bildpunkt BPK ermittelten Phasenlagen bzw. der Gangunterschied Δx zwischen den Sinuswellen der beiden Muster MOE und MRE ist entsprechend der Gleichung tgα= Δx/ Δz ein direktes Maß für den Abstand Δz zwischen der Referenzebene RE und dem auf dem Objekt bzw. dem entsprechenden Objekt-Oberflä­ chenpunkt abgebildeten objektseitigen Bildpunkt BPO. Infolge des für sämtliche projizierten Lichtstrahlen gleichen Ein­ fallswinkels α erstreckt sich der Gültigkeitsbereich dieser Gleichung auf sämtliche von den projizierten Lichtstrahlen ge­ troffene Objekt-Oberflächenpunkte.
Aufgrund der telezentrischen Projektion erfordert der verwen­ dete Projektor eine Optik, deren Durchmesser zumindest gleich der Diagonalen der zu beleuchtenden Fläche auf dem Objekt ist. Daraus ergeben sich für die Vermessung von Zähnen im Munde von Patienten unerwünscht große Abmessungen und damit eine ungenü­ gende Handlichkeit der Meßsonde.
Im Gegensatz dazu ist die Meßsonde bzw. der Projektor mit der für die Zentralprojektion ausgebildeten Optik von erheblich kleineren Abmessungen und somit besser für die Vermessung von Zähnen im Munde von Patienten geeignet. Der divergierende Strahlenverlauf dieser Optik ist allerdings insofern nachtei­ lig, als er die Anwendung der oben genannten Beziehung zwi­ schen Phasendifferenz und dem Abstand Δz ausschließt. Das auf die Referenzebene RE oder die Objektebene OE projizierte Streifenmuster MRE bzw. MOE ist nämlich, wie Fig. 2 zeigt, gegenüber dem in der Projektionsebene PE befindlichen Strei­ fenmuster MPE entsprechend den unterschiedlichen Einfallswin­ keln α, β der einzelnen Lichtstrahlen L verzerrt. Mit anderen Worten, die Kamera beobachtet eine Verschiebung der Referenz­ ebene um Δz nicht mehr, wie bei der telezentrischen Pro­ jektion, als alleinige Verschiebung der Phasenlage des Strei­ fenmusters, sondern als eine Mischung von Phasenverschiebung und unterschiedlicher Änderung der Wellenlänge. Somit enthal­ ten die ermittelten Abstandswerte Δz ebenso wie das aus ihnen abgeleitete Konturbild des Objektes unterschiedliche, den un­ terschiedlichen Verzerrungen der Wellenlänge entsprechende Fehleranteile.
Die US 4,802,759 offenbart eine optische Meßvorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung eines Gegenstandes. Dabei ist in einem gemeinsamen Koordinatensystem eine Bildaufnahmevorrichtung, ein Meßobjekt und ein Projektor angeordnet. Die Koordinatenwerte der Bildebene und eines bestimmten Punktes der Bildaufnahmevorrichtung, z. B. das optische Zentrum der Aufnahmeoptik (Kamera- Zentralpunkt), und die Koordinatenwerte einer Punktlichtquelle sowie einzelner Gitterlinien eines Kreuzgitters sind bezüglich des zuvorgenannten Koordinatensystems bekannt. Das Kreuzgitter wird in Zentralprojektion auf das zu vermessende Objekt projiziert und abhängig von der Gestalt des Objekts als phasenverschobenes Liniengitter auf die Bildebene der Bildaufnahmevorrichtung abgebildet, wobei alle Lichtstrahlen im Abbildungsstrahlengang durch den oben beschriebenen optischen Zentralpunkt gehen. Die Berechnung der Koordinaten eines Punktes auf der Oberfläche des zu vermessenden Objekts beruht darauf, daß die Linien, in deren Schnittpunkt der Punkt liegt, aus den gemessenen Koordinaten des dem Punkt zugeordneten Punktes in der Bildebene und den bekannten Koordinaten des optischen Zentralpunktes, der Punktlichtquelle und der projizierten Gitterlinien herleitbar sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß das Konturbild des Objektes fehlerfrei ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Der divergierende Strahlenverlauf der Zentralprojektion, der beim bisherigen Verfahren der Bestimmung der Höhenlage der einzelnen Objekt-Oberflächenpunkte bzw. deren Abstand zur Re­ ferenzebene zu Fehlern geführt hat, ist die Grundlage für das erfindungsgemäße Verfahren und wird durch dieses zur fehler­ freien Bestimmung der Höhenlage der Objekt-Oberflächenpunkte genutzt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch geringen Zeit- und Rechenaufwand aus; beispielsweise entfällt die im Stand der Technik erforderliche Aufnahme des Referenz- Phasenbildes, das die Phasenlage des auf die Referenzebene projizierten Musters auf der Sensorfläche der Kamera zeigt; die Lage der einzelnen Objekt-Oberflächenpunkte wird erfin­ dungsgemäß durch deren Raumkoordinaten direkt angegeben, so daß die im Stand der Technik erforderliche Umrechnung des Ab­ standes Δz auf die Höhen- oder Z-Koordinate und deren Kombi­ nation mit den separat bestimmten x-, y-Koordinaten entfällt. Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt die Zentralprojektion die Verwendung von Meßsonden kleinster Bau­ größe, z. B. in Form von an den Rechner ansgeschlossenen Minia­ tur-Endoskopen, in denen Kamera und Projektor eingebaut sind.
Zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten bei der Zuordnung der ka­ meraseitigen und projektorseitigen Bildpunkte gleicher Phasen­ lage kann ein Muster auf dem Objekt abgebildet werden, das eine Helligkeitsverteilung aufweist, bei deren Auswertung sich unterschiedliche, jeweils nur einmal auftretende Phasenlagen für die projektorseitigen und die kameraseitigen Bildpunkte ergeben. Auf diese Weise wird erreicht, daß die kameraseitigen und damit auch die projektorseitigen Bildpunkte jeweils unter­ schiedliche Phasenlagen aufweisen.
Die Anforderungen an die Meßgenauigkeit der Sensorfläche und der Helligkeitskontrast können ohne Einbußen der Genauigkeit der ermittelten Phasenlagen reduziert werden, wenn ein Muster mit sich periodisch wiederholenden Werten gleicher Helligkeit, z. B. ein Streifenmuster mit analoger, vorzugsweise sinusförmi­ ger Helligkeitsverteilung quer zur Streifenrichtung auf dem Objekt abgebildet wird. Mit größer werdender Anzahl von Strei­ fen nimmt die Auflösung und damit die Meßdichte, jedoch auch die Gefahr von Mehrdeutigkeiten bei der Zuordnung der kamera­ seitigen und projektorseitigen Bildpunkte zu. In diesem Fall ist es günstig, wenigstens zwei Streifenmuster, ein erstes, grobes Streifenmuster mit einer geringeren und ein zweites, feines Streifenmuster mit einer größeren Anzahl von Streifen nacheinander auf dem Objekt abzubilden und auszuwerten, wobei die durch die höhere Auflösung des zweiten Streifenmusters bedingten Mehrdeutigkeiten der Zuordnung der projektorseitigen und kameraseitigen Bildpunkte gleicher Phasenlage durch Be­ rücksichtigung der projektorseitigen und kameraseitigen Bild­ punkte gleicher Phasenlage des ersten Streifenmusters ausge­ schaltet werden.
Bei der Verwendung eines Streifenmusters ist es vorteilhaft, dieses in der Projektionsebene in in Streifenrichtung verlau­ fende Bildpunktzeilen zu zerlegen und die Raumlage von gedach­ ten, durch die Bildpunktzeilen und den Projektor-Zentralpunkt gelegten Ebenen sowie die Raumkoordinaten der Schnittpunkte derjenigen dieser Ebenen und derjenigen kameraseitigen Geraden zu ermitteln, die durch Bildpunktzeilen bzw. kameraseitige Bildpunkte gleicher Phasenlage gehen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das Streifenmu­ ster wenigstens dreimal mit jeweils um den gleichen Phasenwin­ kel quer zur Streifenrichtung verschobener Phasenlage auf dem Objekt abgebildet und nach der bekannten Phasenschiebe-Methode zur genauen Bestimmung der Phasenlage der kameraseitigen Bild­ punkte ausgewertet.
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 be­ schrieben - die Fig. 1 und 2 zeigen schematische Darstellungen des aus dem Stand der Technik bekannten optischen Meß­ verfahrens mit telezentrischer bzw. mit Zentralprojektion. Es zeigen:
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 5 eine Darstellung der sogen. hierarchischen Methode mit aufeinanderfolgender Projektion mehrerer sinusförmiger Streifenmuster, und
Fig. 6 eine Darstellung der sogen. Phasenschiebe-Methode mit aufeinanderfolgender Projektion mehrerer sinusförmiger Streifenmuster.
Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung umfaßt einen Rechner 1 und eine Meßsonde 2, in der ein Projektor 3 und eine Kamera 4 angeordnet sind. Der Projektor 3 ist zur Zentralprojektion ausgebildet und von herkömmlicher Bauart mit einer nicht ge­ zeigten Lichtquelle, einer ebenfalls nicht gezeigten Optik, die einen Hohlspiegel, einen Kondensor und ein Projektionsob­ jektiv umfaßt, und mit einer in einer Projektionsebene zwi­ schen dem Kondensor und dem Projektionsobjektiv angeordneten, im Durchlicht beleuchteten LCD-Einheit 5. Der Hohlspiegel sam­ melt das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht und bildet die Lichtquelle in sich selbst ab. Der Kondensor erfaßt einen großen Raumwinkel der Strahlung und bildet die Lichtquelle im Projektionsobjektiv ab, dessen Brennpunkt hier als Projektor- Zentralpunkt PZ bezeichnet ist und von dem aus die Lichtstrah­ len in Form eines divergenten Strahlenbündels ausgehen. Der Einfachheit halber ist in den Fig. 3 und 4 dieser Projek­ tor-Zentralpunkt PZ im Strahlengang vor der LCD-Einheit 5 dar­ gestellt. Letztere umfaßt eine LCD-Flächenmatrix mit in X- und Y-Richtung verlaufenden Bildpunktzeilen BPZ(x), BPZ(y) beste­ hend aus projektorseitigen (Matrix-)Bildpunkten BPP, die vom Rechner 1 durch Ansteuern mit Helligkeitssignalen I(x), I(y) über Steuerleitungen 6 bzw. 7 zur Erzeugung unterschiedlicher Muster aktivierbar sind. Die Daten für diese Muster sind im Rechner 1 gespeichert.
Die Kamera 4 ist eine herkömmliche CCD-Kamera mit einer nicht gezeigten Optik und einer in einer Bildebene angeordneten CCD-Einheit 8 als Sensorfläche mit einer CCD-Flächenmatrix, deren Fotosensorelemente 9 in X- und Y-Richtung angeordnet und durch Anlegen von Taktimpulsen T(x), T(y) über Steuerleitungen 10 bzw. 11 vom Rechner 1 ansteuerbar sind. Die am Ausgang der CCD-Einheit 8 sequentiell zur Verfügung stehenden, der In­ tensität I der auf sie auftreffenden Lichtstrahlung proportio­ nalen elektrischen Impulse oder Auswertsignale I(x), I(y) wer­ den über eine Signalleitung 12 dem Rechner 1 zugeleitet. Da die Kamera-Optik ein zu vermessendes Objekt 13, z. B. einen Zahn, umgekehrt auf der CCD-Einheit 8 abbildet und somit der Strahlengang vom Brennpunkt der Optik aus in beiden Richtungen divergiert, ist die Kamera der Einfachheit halber als Lochka­ mera dargestellt, die den gleichen Strahlengang aufweist und in deren Eintrittsöffnung der als Kamera-Zentralpunkt KZ be­ zeichnete Schnittpunkt der Lichtstrahlen L liegt.
Der Projektor-Zentralpunkt PZ, der Kamera-Zentralpunkt KZ so­ wie die LCD-Einheit 5 und die CCD-Einheit 8 sind in einer be­ stimmten Raumlage innerhalb eines bei der vorzugsweise mit Hilfe des sogen. Bündelausgleichs durchgeführten Kalibrierung des Projektors 3 und der Kamera 4 festgelegten Referenz-Koor­ dinatensystems angeordnet. Die optischen Achsen OAP und OAK des Projektors 3 und der Kamera 4 schließen einen Parallaxwin­ kel γ ein.
Die Funktion der Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand der Vermessung von Zähnen im Mund eines Patienten be­ schrieben:
Die Meßsonde 2 wird über den zu vermessenden Zahn 13 gehalten und auf "Funktion" geschaltet, um die Vermessung mit folgendem Ablauf in Gang zu setzen. Mit dem Projektor 3 werden vier erste und vier zweite Streifenmuster M1₁-M1₄ bzw. M2₁-M2₄ (in Fig. 5 als M1 und M2 dargestellt) nacheinander auf dem Zahn 13 abgebildet. Zu diesem Zweck steuert der Rechner 1 die LCD-Ein­ heit 5 des Projektors 3 mit dem jeweiligen Streifenmuster entsprechenden Steuersignalen I(x), I(y) an, so daß die je­ weils zugeordneten Bildpunkte BPP der LCD-Matrix aktiviert werden und das jeweilige Streifenmuster (in Fig. 4 stellver­ tretend für M1₁-M1₄ und M2₁-M2₄ durch MP dargestellt) bilden. Die vom Projektor-Zentralpunkt PZ ausgehenden, durch das von der LCD-Einheit 5 erzeugte Streifenmuster MP modulierten Lichtstrahlen L werden auf den Zahn 13 projiziert und bilden dort das jeweilige Streifenmuster ab, das entsprechend der To­ pographie des Zahnes 13 verzerrt bzw. in den einzelnen Ob­ jekt-Oberflächenpunkten PO entsprechend deren Höhenlage (z-Ko­ ordinate) phasenverschoben ist.
Sämtliche Streifenmuster M1₁-M1₄ und M2₁-M2₄ weisen eine ana­ loge Helligkeitsverteilung mit in X-Richtung der LCD-Einheit 5 sinusförmigem Verlauf auf. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist die Wellenzahl oder Repetenz der zweiten Streifenmuster M2₁-M2₄ (dargestellt als M2) 4fach größer als die Wellenzahl mit dem Wert 1 der ersten Streifenmuster M1₁-M1₄ (dargestellt als M1). Die zweiten Streifenmuster M2₁-M2₄ sind, wie in Fig. 6 ge­ zeigt, identisch, jedoch gegeneinander um jeweils 90° phasen­ verschoben. Gleiches gilt für die ersten Streifenmuster M1₁-M1₄ (nicht dargestellt).
Jedes der auf dem Zahn 13 abgebildeten Streifenmuster M1₁-M1₄ und M2₁-M2₄ wird von der Kamera 4 aufgenommen, d. h. auf deren CCD-Einheit 8 abgebildet (es ist in Fig. 4 als MK bezeichnet) und durch die Sensorelemente 9 in einzelne kameraseitige Bild­ punkte BPK zerlegt. Der Rechner 1 steuert über die Steuerlei­ tungen 10, 11 diese Sensorelemente 9 an, die dadurch der Lichtstärke I der sie jeweils überlagernden Bildpunkte BPK entsprechende elektrische Impulse I(x), I(y) erzeugen, die Über die Signalleitung 12 dem Rechner 1 sequentiell zugeleitet und dort nach der hierarchischen Phasenschiebe-Methode ausge­ wertet werden.
Nach der Formel
I(x,y) = Im(x,y)[1+K(x,y)cos(Φ(x,y)+ΔΦ)]
ist die für jeden kameraseitigen Bildpunkt BPK gemessene Lichtstärke I(x,y) ein Maß für die Phasenlage Φ dieses Bild­ punktes, die ihrerseits ein Maß für die Höhenlage (z-Koordina­ te) des Objekt-Oberflächenpunktes PO ist, auf den der betref­ fende objektseitige Bildpunkt BPO abgebildet ist.
Obwohl zur Bestimmung der drei Unbekannten I, Im = Grundhel­ ligkeit, d. h. Helligkeit des Objektes ohne auf ihm abgebilde­ tes Muster) und K (Kontrast des Musters) nur drei Gleichungen, d. h. die Lichtstärkenmessungen von drei jeweils phasenverscho­ benen ersten bzw. zweiten Streifenmustern M1₁-M1₃ bzw. M2₁-M2₃ erforderlich ist, wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach dem sogenannten 4-Phasenschiebe-Verfahren jeweils ein viertes phasenverschobenes Streifenmuster, nämlich M1₄ bzw. M2₄ in die Vermessung bzw. Auswertung einbezogen, wodurch sich die Rechenvorgänge zur Ermittlung der Phasenlage Φ erheblich vereinfachen.
Aus jeder der beiden Sequenzen der mit der Kamera 4 aufgenom­ menen, ersten bzw. zweiten Streifenmuster M1₁-M1₄ und M2₁-M2₄ ermittelt der Rechner 1 für jeden kameraseitigen Bildpunkt BPK die vom Kontrast und von der Grundhelligkeit unabhängige Pha­ senlage Φ bzw. für die Gesamtheit aller kameraseitigen Bild­ punkte BPK das entsprechende Phasenbild nach der Gleichung
Bereiche dieser so ermittelten Phasenbilder, deren Grundhel­ ligkeit und Kontrast außerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegen, werden vom Rechner 1 ausmaskiert, d. h. die Phasenlage der betreffenden Bildpunkte BPK wird durch ein entsprechendes Codewort ersetzt und dadurch von der weiteren Auswertung aus­ geschlossen. Hierfür sind das Helligkeitsbild Im(x,y) und das Kontrastbild K(x,y) erforderlich. Beide werden direkt aus den vier jeweils phasenverschobenen ersten bzw. zweiten Streifen­ mustern M1₁-M1₄ bzw. M2₁-M2₄ wie folgt berechnet:
Durch diese Ausmaskierung wird verhindert, daß sämtliche Un­ gültigkeitsbereiche, wie z. B. Randbereiche, Schattenzonen, übermäßig stark reflektierende Stellen u. dgl., in die Auswer­ tung eingehen und zu Fehlern der optischen Vermessung führen.
Der Rechner 1 berechnet die auf das Referenz-Koordinatensystem bezogene Raumlage von gedachten, durch die Bildpunkte BPK und den Kamera-Zentralpunkt KZ gehenden Geraden G. Weiterhin er­ mittelt der Rechner 1 die auf das Referenz-Koordinatensystem bezogene Raumlage von gedachten, durch die Bildpunktzeilen BPZ(y) der LCD-Matrix und den Projektor-Zentralpunkt PZ gehenden Ebenen E (in Fig. 4 durch Geraden dargestellt), um daraufhin für jedes der beiden ausmaskierten Phasenbilder aus den Geraden- bzw. Ebenengleichungen die Raumkoordinaten x, y, z der Schnittpunkte derjenigen Ebenen E und derjenigen Geraden G zu ermitteln, die durch projektorseitige Bildpunktzeilen BPZ(y) bzw. kameraseitige Bildpunkte BPK gleicher Phasenlage gehen. Die Berechnungen beruhen auf bekannten mathematischen Verfahren. Die Gesamtheit der aus jedem Phasenbild ermittelten Schnittpunkte ergibt je ein topographisches Bild der vermesse­ nen Zahnoberfläche, da jeder Schnittpunkt identisch ist mit dem Objekt-Oberflächenpunkt PO, auf dem der längs der jeweils zugeordneten Ebene E einfallende und längs der jeweils zuge­ ordneten Geraden G reflektierte Lichtstrahl auftrifft und den jeweils zugeordneten projektorseitigen Bildpunkt BPK als ob­ jektseitigen Bildpunkt BPO abbildet. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 4 dargestellt, allerdings anhand des Streifenmusters MP, das eine sinusförmige Helligkeitsverteilung mit jeweils un­ terschiedlichen, lediglich einmal auftretenden Helligkeitswer­ ten aufweist. Mit anderen Worten, die das Streifenmuster dar­ stellende Sinuswelle erstreckt sich über einen Winkelbereich von 180°, und zwar von dem Punkt maximaler positiver bis zum Punkt maximaler negativer Auslenkung. Bei einem solchen Strei­ fenmuster kennzeichnen die Ebenen E und die Geraden G projek­ torseitige Bildpunktzeilen BPZ(y) bzw. kameraseitige Bildpunk­ te BPK jeweils unterschiedlicher Phasenlage, so daß keine Mehrdeutigkeiten bei der Zuordnung der Geraden G und der Ebe­ nen E auftreten, d. h. Geraden und Ebenen jeweils paarweise einander zugeordnet werden können, um ihre Schnittpunkte zu ermitteln.
Auch bei der Auswertung des aus der Sequenz der ersten Strei­ fenmuster M1₁ bis M1₄ ermittelten Phasenbildes treten bei ent­ sprechend eingestellter, geringer Wellenzahl dieser Streifen­ muster keine Mehrdeutigkeiten (Phasensprünge) bezüglich der Phasenlage der projektorseitigen und der kameraseitigen Bild­ punkte auf, jedoch ist die Auflösung des sich ergebenden topo­ graphischen Bildes zu gering für die gestellten Anforderungen. Zur Erzielung der geforderten Auflösung dient die Sequenz der zweiten Streifenmuster M2₁-M2₄ mit entsprechend hoher Wellen­ zahl, bei deren Auswertung in der vorbeschriebenen Weise je­ doch Mehrdeutigkeiten bei der Zuordnung der Geraden und der Ebenen jeweils gleicher Phasenlage auftreten können. Diese Mehrdeutigkeiten werden durch hierarchische Entfaltung bzw. Verknüpfung beider Phasenbilder beseitigt, wobei der Rechner die mehrdeutig zuordbaren Geraden und Ebenen einander so zu­ ordnet, daß die sich ergebenden Schnittpunkte innerhalb des Erwartungsbereichs der zuvor auf der Grundlage der ersten Streifenmuster M1₁-M1₄ ermittelten Zahntopographie liegen. Diese Schnittpunkte, die in ihrer Gesamtheit ein endgültiges, eindeutiges topographisches Bild der Zahnoberfläche ergeben, werden vom Rechner 1 über die Signalleitung 14 ausgegeben, beispielsweise an eine NC-Fräsmaschine zur Herstellung etwa einer Kopie des vermessenen Zahnes.
Zur Erzeugung der Muster können statt der LCD-Einheit auch Streifengitter, mechanisch verschiebbare interferometrische Laseranordnungen mit verstellbaren Umlenkspiegeln und andere bekannte Vorrichtungen Verwendung finden.
Zur Aufnahme von mehreren, zu einer Gesamtansicht zusammen­ setzbaren Teilansichten des zu vermessenden Objektes ist es vorteilhaft, eine Meßsonde einzusetzen, die statt einer Kamera und einen Projektor mehrere, jeweils paarweise einander zuge­ ordnete Projektoren und Kameras enthält.

Claims (6)

1. Verfahren zur optischen Vermessung von Objekten, insbeson­ dere von künstlichen oder natürlichen Zähnen im oder außerhalb des Mundes von Patienten, mit den folgenden Schritten:
  • a) mittels wenigstens eines Projektors wird mit einem von einem Projektor-Zentralpunkt aus divergierenden Strah­ lengang wenigstens ein in der Projektionsebene angeord­ netes Muster mit wenigstens zwei Bereichen unterschied­ licher Helligkeit auf dem zu vermessenden Objekt abge­ bildet;
  • b) das auf dem Objekt abgebildete Muster wird auf der Sen­ sorfläche wenigstens einer in bestimmter Raumlage dem Projektor zugeordneten und diesem gegenüber unter einem Parallaxwinkel auf das Objekt gerichteten Kamera mit einem in Richtung eines Kamera-Zentralpunktes konvergie­ rendem Strahlengang abgebildet und durch Sensorelemente der Sensorfläche in einzelne kameraseitige Bildpunkte zerlegt, deren Lichtstärken gemessen und in einem Rech­ ner gespeichert werden;
  • c) mittels des Rechners wird aus der Lichtstärke jedes ka­ meraseitigen Bildpunktes dessen mit der Phasenlage des jeweils zugeordneten, auf dem Objekt abgebildeten ob­ jektseitigen Bildpunktes übereinstimmende, von dessen Höhenlage abhängige Phasenlage ermittelt und im Rechner gespeichert,
    dadurch gekennzeichnet,
  • d) daß die auf ein Referenz-Koordinatensystem bezogene Raumlage des Projektor-Zentralpunktes (PZ) und des Kame­ ra-Zentralpunktes (KZ) sowie der Sensorelemente (9) der Sensorfläche (8) ermittelt und im Rechner (1) gespei­ chert wird,
  • e) daß das Muster (MP; M1, M2; M1₁-M1₄, M2₁-M2₄) in der Projek­ tionsebene des Projektors (3) in projektorseitige Bild­ punkte (BPP) zerlegt und die jeweilige, auf das Refe­ renz-Koordinatensystem bezogene Raumlage dieser Bild­ punkte bestimmt und im Rechner (1) gespeichert wird,
  • f) daß mittels des Rechners (1) kameraseitige Bildpunkte (BPK) und projektorseitige Bildpunkte (BPP) gleicher Phasenlage einander zugeordnet werden, und
  • g) daß der Rechner (1) die auf das Referenz-Koordinatensy­ stem bezogene Raumlage von gedachten, durch die einander zugeordneten projektor- und kameraseitigen Bildpunkte (BPP, BPK) gleicher Phasenlage und den Pro­ jektor-Zentralpunkt (PZ) bzw. den Kamera-Zentralpunkt (KZ) gehenden projektorseitigen bzw. kameraseitigen Ge­ raden (G) sowie die Raumkoordinaten (x, y, z) der Schnittpunkte dieser Geraden (G) und damit die Raumlage der jeweils zugeordneten objektseitigen Biidpunkte (BPO) bzw. Objekt-Oberflächenpunkte (PO) ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Muster ein Streifenmuster (MP; M1, M2; M1₁-M1₄, M2₁-M2₄) auf dem Objekt (13) abgebildet und in der Projektionsebene in in Streifenrichtung verlau­ fende Bildpunktzeilen (BPZ(y)) zerlegt und die Raumlage von gedachten, durch die Bildpunktzeilen (BPZ(y)) und den Pro­ jektor-Zentralpunkt (PZ) gelegten Ebenen (E) sowie die Raumkoordinaten (x, y, z) der Schnittpunkte derjenigen die­ ser Ebenen (E) und derjenigen kameraseitigen Geraden (G) ermittelt werden, die durch Bildpunktzeilen (BPZ(y)) bzw. kameraseitige Bildpunkte (BPK) gleicher Phasenlage gehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster (MP; M1, M2; M1₁-M1₄, M2₁-M2₄) mit analoger Hel­ ligkeitsverteilung auf dem Objekt (13) abgebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster (MP; M1, M2; M1₁-M1₄, M2₁-M2₄) mit sinusförmiger Helligkeitsverteilung auf dem Objekt (13) abgebildet wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Streifenmuster, ein erstes, grobes Streifenmuster (M1) mit einer geringeren und ein zweites, feines Streifenmuster (M2) mit einer größeren Anzahl von Streifen nacheinander auf dem Objekt (13) abgebildet und ausgewertet werden, und daß die durch die höhere Auflösung (größere Anzahl von Bildpunkten gleicher Phasenlage) des zweiten Streifenmusters (M2) bedingten Mehrdeutigkeiten der Zuordnung der kameraseitigen und projektorseitigen Bild­ punkte (BPK, BPP) bzw. Bildpunktzeilen (BPZ(y)) gleicher Phasenlage durch Berücksichtigung der kameraseitigen und projektorseitigen Bildpunkte (BPK, BPP) bzw. Bildpunktzei­ len (BPZ(y)) gleicher Phasenlage des ersten Streifenmusters (M1) ausgeschaltet werden.
6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Streifenmuster (M1, M2) wenigstens dreimal (M1₁-M1₄, M2₁-M2₄) mit jeweils um den gleichen Phasenwinkel (ΔΦ) quer zur Streifenrichtung verschobener Phasenlage auf dem Objekt (13) abgebildet und nach der bekannten Phasen­ schiebe-Methode zur genauen Bestimmung der Phasenlage der kameraseitigen Bildpunkte (BPK) ausgewertet wird.
DE4134117A 1991-10-15 1991-10-15 Verfahren zur optischen Vermessung von Objekten Expired - Fee Related DE4134117C2 (de)

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