Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchfuhrung von optischen Aufnahmen, bei dem mindestens zwei Einzelaufnahmen nacheinander erfolgen und für die Einzelaufnahmen die für die Bildwandluπg wirksame Menge der Strahlenergie unterschiedlich gestellt wird Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für ein solches Verfahren

Zum Zweck der Darstellung, Dokumentation oder Vermessung bietet der Einsatz von

Verfahren, die auf optischer Grundlage arbeiten, eine Vielzahl von Vorteilen Eine Vermessung kann schnell und beruhrungsios erfolgen Zum Stand der Technik gehören elektronische Bildwandler, beispielsweise CCD-Arrays, deren

Ausgangssignale unmittelbar nach einer Digitalisierung gespeichert oder ausgewertet werden können

Bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen zur Darstellung und zur optischen dreidimensionalen Vermessung von räumlichen Oberflächen Sie basieren auf

Triangulationsverfahren, bei denen unter einem bestimmten Winkel Punkt-, Linien¬ oder beliebige andere Muster auf die betrachtete Oberflache projiziert werden und die projizierten Muster unter einem anderen Blickwinkel mit einer Optik und einem Bildwandler aufgenommen werden Die bekannte Geometrie zwischen Projektionsrichtung und Aufnahmerichtung erlaubt die dreidimensionale Berechnung von Stutzpunkten der Oberflache

Im Bereich der Zahnmedizin ist unter dem Markennamen CEREC beispielsweise ein System zur Herstellung von Keramikinlays bekannt, bei dem zum Vermessen einer Kavitat eines Zahns eine optische 3D-Meßvorrιchtung verwendet wird

Für kieferorthopadische Anwendungen wird in der deutschen Patentanmeldung P 42 18 219 eine Intraoral-Stereo-Kamera beschrieben Diese wird als Teil eines Medizingerats, das unter dem Markennamen bending art system vertrieben wird, verwendet Die räumlichen Informationen, die mit Hilfe dieser Kamera aus stereoskopischen Teilaufπahmen des Zahnbogens gewonnen werden, werden nachträglich miteinander kombiniert und zu einer räumlichen Gesamtinformation des Zahnbogens zusammengefugt

Bei der Anwendung von optischen Verfahren zu Vermessungs- und

Dokumentationszwecken treten jedoch immer dann Probleme auf, wenn die zu erfassende Oberflache ungunstige Reflexionseigenschaften aufweist Bei Aufnahmen von Zahnen stellt sich beispielsweise gegebenenfalls die Aufgabe, sowohl dunkle und matte Amalgamfullungen als auch stark reflektierende Goldfullungen gleichermaßen mit ausreichendem Informationsgehalt zu erfassen Zudem ist der Dynamikbereich von preiswerten CCD-Arrays eingeschränkt

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung von optischen Aufnahmen der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die die Erfassung eines größeren Umfangs von Bildinformationen über das betrachtete Objekt ermöglicht, als aufgrund der bauartbedingten Grenzen des mindestens einen verwendeten Bildwandlers in einem Einzelbild zur Verfugung stehen

Die Aufgabe wird erfindungsgemaß bei dem Verfahren dadurch gelost, daß

a) ein Aufnahmevorgang unter Verwendung mindestens eines flächigen elektronischen Bildwandlers durchgeführt wird, in dessen Verlauf mindestens zwei Einzelbilder gewonnen werden und

b) für die Einzelaufnahmen die für die Bildwandlung wirksame Menge der Strahlenergie unterschiedlich gestellt wird

Unter "Menge der Strahlenergie" ist im Sinne dieser Erfindung das Integral des Produkts aus Wirkungsdauer und Intensität einer Strahlung zu verstehen

Unter einer Beeinflussung der "für die Bildwandlung wirksamen Menge der

Strahlenergie" ist im Sinne dieser Erfindung ausschließlich eine gezielte Beeinflussung der für die Bildwandlung wirksamen Menge der Strahlenergie seitens der Einrichtungen der Aufnahmevorrichtung selbst zu verstehen Daß zusatzlich das zu erfassende Objekt selbst diese für die Bildwandlung wirksame Menge der Strahlenergie wesentlich - auch im Verlauf des Aufnahmevorgangs unterschiedlich - beeinflußt, ist selbstverständlich

Die für die Einzelaufnahmen wirksame Menge der Strahlenergie kann erfindungsgemaß vorteilhaft in unterschiedlicher Art und Weise verändert werden, indem

a) mindestens eine Strahlquelle in ihrer Intensität und/oder Wirkungsdauer für die Aufnahme der Einzelbilder unterschiedlich gestellt wird,

b) in mindestens einem Strahlengang zwischen einer Strahlquelle und dem zu erfassenden Objekt optische Mittel derart gestellt werden, daß die Intensität und/oder die Wirkungsdauer der Strahlenergie zur Beleuchtung bzw Durchleuchtung des Objekts für die Aufnahme der Einzelbilder verändert wird,

c) in mindestens einem Strahlengang zwischen dem Objekt und einem Bildwandler optische Mittel derart gestellt werden, daß die Intensität und/oder die Wirkungsdauer der vom Objekt reflektierten bzw nicht absorbierten Strahlenergie für die Aufnahme der Einzelbilder verändert wird,

d) sogenannte Shutter-Einπchtungen des Bildwandlers derart angesteuert werden, daß die wirksame Zeitdauer der optoelektronischen Wandlung der für die Bildwandlung in den Bildwandler eingebrachten Strahlenergie für die Einzelaufnahmen unterschiedlich gestellt wird

Eine Strahlquelle im Sinne dieser Erfindung ist jeder direkte Erzeuger von Strahlenergie Darunter fallen unter anderem Einrichtungen zur Erzeugung von Rontgenstrahlen, sichtbarem infrarotem und ultraviolettem Licht

Optische Mittel im Strahlengang zwischen Strahlquelle und Objekt bzw zwischen

Objekt und Bildwandler, die es erlauben, die Intensität und/oder die Wirkungsdauer der Strahlenergie zur Beleuchtung/Durchleuchtung des Objektes bzw zur Bestrahlung des Bildwandlers für die Aufnahme der Einzelbilder unterschiedlich zu stellen, sind im Sinne dieser Erfindung optische Mittel, die die Intensität der Strahlenergie - bis auf Randeffekte - für die gesamte Flache gleichmaßig verandern, also beispielsweise Blenden, mechanische und LCD-Shutter Optische Mittel, die in veränderlicher Art und Weise Muster auf die Oberflache des Objektes projizieren, fallen nicht unter diese Definition

Es sind Aufnahmeeinheiteπ bekannt, in denen Blenden oder auch Shutter-

Einnchtungen bei Bildwandlern stellbar ausgeführt werden Stand der Technik ist es, diese Einrichtungen in automatischen Regelkreisen zur Steuerung der Belichtung in der Weise anzusteuern daß die Belichtung der Einzelaufnahmen optimiert wird Der Terminus "für die Eiπzelaufnahmen unterschiedlich gestellt" bedeutet im Sinne

dieser Erfindung daß die oben genannten Mittel für aufeinanderfolgende Aufnahmen unterschiedlich gestellt werden, um gezielt im Verlauf des Aufnahmevorgangs den Gehalt der Bildinformationen aufeinanderfolgender Einzelaufnahmen zu variieren

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens eine Strahlquelle für die Einzelaufnahmen in seiner Intensität unterschiedlich gestellt

Es ist erfindungsgemaß vorteilhaft, zusätzlich oder alternativ zur stellbaren Strahlquelle eine stellbare Blende ggf mit geeigneter Optik in den optischen

Strahlengang einzubringen, die hinsichtlich Öffnungszeit und/oder Brennweite für die Einzelaufnahmen unterschiedlich gestellt werden kann Diese Blende kann gleichermaßen vorteilhaft im optischen Strahlengang zwischen einer Strahlquelle und dem Objekt oder zwischen dem Objekt und dem Bildwandler angeordnet sein

Alternativ kann erfindungsgemaß vorteilhaft anstelle der Blende beispielsweise ein mechanischer Shutter oder eine LCD-Einrichtung angeordnet werden, die für die Einzelbilder unterschiedlich gestellt werden können Die LCD-Einπchtung kann erfindungsgemaß vorteilhaft flachig durchlassig, teilweise durchlassig oder auch undurchlässig gestellt werden

Zum Stand'der Technik gehören sogenannte elektronische Shutter-Einπchtungen von CCD-Bildwandlern, mit deren Hilfe die Taktzeit für das Shiften der Ladungen aus den für die Belichtung vorgesehenen Bereichen des CCD-Arrays in optisch abgedeckte Bereiche derart gewählt werden kann, daß die Integrationszeit des Bildwandlers und damit die Helligkeit des aufgenommen Bildes verändert werden kann Entsprechend ist es erfindungsgemaß vorteilhaft, mittels geeigneter Ansteuerung dieser Einrichtung, die für die Bildwandlung wirksame Menge der Strahlenergie für die Einzelbilder unterschiedlich zu stellen

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die gewonnenen Einzelbildinformationen digitalisiert werden und die digitalisierten Daten einer Einrichtung für die elektronische Datenverarbeitung zur Verfugung gestellt werden

Einige handelsübliche CCD-Arrays werden beispielsweise mit einer Bildwechselfrequenz von 50Hz betrieben, es werden also fünfzig Aufnahmen pro Sekunde vorgenommen. Es ist Stand der Technik, mittels elektronischer Datenverarbeitung die erhaltenen Bilder zu speichern und zu verarbeiten Beispielsweise sind sogenannte "Frame-Grabber" preisgünstig als Steckkarten für Arbeitsplatzcomputer erhältlich, die ein Videosignal direkt digitalisieren, in ein geeignetes Datenformat umwandeln und dem Computer als Daten in dessen Hauptspeicher zur Verfugung stellen. Diese Verarbeitung kann in Echtzeit erfolgen.

Wenn nun in erfindungsgemäß vorteilhafter Art und Weise unter Zugrundelegung der vorstehend beschriebenen Aufnahmeeinheit eine Beleuchtungsquelle in wiederholter Folge für eine 1/50stel Sekunde mit geringer Helligkeit und anschließend für eine weitere 1/50stel Sekunde mit hoher Helligkeit synchron zur Bildwechselfrequenz des CCD-Arrays die zu erfassende Oberfläche beleuchtet, erhält man als Ergebnis abwechselnd Bilder mit einer geringen und einer starken Belichtung. Die gering belichteten Bilder werden die Teile der Oberfläche mit hohem Reflexionsgrad zufriedenstellend abbilden, während die Teile der Oberfläche mit geringem Reflexionsgrad nur sehr dunkel und ohne nennenswerten Informationsgehalt abgebildet werden. Umgekehrt werden bei den stark belichteten Bildern die schwach reflektierenden Oberflächenanteile ausreichend hell und mit hohem Informationsgehalt abgebildet, während die stark reflektierenden Oberflächenteile durchgängig extrem hell und damit überstrahlt erscheinen.

Es ist erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, die genannten optischen Mittel zur

Beeinflussung der für die Bildwandlung wirksamen Menge der Strahlenergie synchron zur Bildwechselfrequenz anzusteuern.

Es ist zusätzlich erfindungsgemaß besonders vorteilhaft, wenn die mindestens zwei einzelnen Bildern zugehörigen Daten teilweise oder vollständig mittels geeigneter

Algorithmen in der Einrichtung für die elektronische Datenverarbeitung kombiniert werden

Beispielsweise ist es erfindungsgemaß vorteilhaft möglich, die digitalisierten Daten zweier aufeinanderfolgender Bilder mittels entsprechender Software dergestalt zu kombinieren daß aus dem oben beschriebenen niedrig belichteten Einzelbild diejenigen Bildbereiche mit hohem Reflexionsgrad und aus dem oben beschriebenen stark belichteten Einzelbild die Bildbereiche mit niedrigem Reflexionsgrad ausgewählt und in eine gemeinsame Helligkeitsskala transformiert werden Als Ergebnis erhalt man ein Bild, das alle Bildbereiche mit ausreichendem Kontrast darstellt

Erfindungsgemaß vorteilhaft ist es, eine feinere Abstufung der Beleuchtungsstärke vorzusehen Dabei können weitere Helhgkeitsstufen eingesetzt werden Das kombinierte Bild wird dann aus den Bildinformationen mehrerer Einzeiaufnahmen zusammengesetzt

Es ist erfindungsgemaß nicht erforderlich, ausschließlich direkt aufeinanderfolgende Bilder auszuwerten oder nur Einzelbilder zu kombinieren, die mit unterschiedlicher

Strahlenergie aufgenommen wurden

Erfindungsgemaß besonders vorteilhaft ist eine automatische Regelung der genannten optischen Mittel zur Beeinflussung der für die Bildwandlung wirksamen Menge der Strahlenergie, abhangig von der Auswertung der tatsächlichen

Reflexionsverhaltnisse in den vorher aufgenommenen Bildern der jeweiligen Oberflache' Durch diesen Regelkreis wird erfindungsgemaß sichergestellt, daß für alle Bereiche der zu erfassenden Oberflache die Beleuchtungsstarke jeweils optimiert wird

Ebenfalls erfindungsgemaß vorteilhaft ist die Verwendung mehrerer Strahlquellen Beispielsweise kann dann mittels einer Strahlqueile und geeigneter optischer Mittel ein Muster auf die zu vermessende Oberflache projiziert werden Wenn der Projektionswinkel unterschiedlich vom Aufπahmewinkel ist, können in bekannter Weise aus der Abbildung des Musters auf dem Bildwandler 3D-lnformatιonen errechnet werden Die andere Strahlquelle leuchtet dabei alternierend die zu vermessende Oberflache vollständig aus Dann können aus den Einzelbildern sowohl 3D-lnformatιonen als auch Ansichten der erfaßten Oberflache gewonnen werden Der erfindungsgemaße Vorteil liegt dann, daß sich eine entsprechende Vorrichtung ohne

mechanische Bewegung der optischen Mittel, bei einfacher Ausbildung des Strahlengangs und unter Verwendung marktüblicher Einzelteile aufbauen läßt.

Auf diese Art und Weise können erfindungsgemaß vorteilhaft optische Strahlengänge sowohl für die Beleuchtung bzw. Durchleuchtung des zu erfassenden Objekts als auch für die Abbildung des Objekts auf dem oder den Bildwandlern durch die Ansteuerung der hierfür in dieser Erfindung als geeignet benannten optischen Mittel (beispielsweise stellbare Strahlquellen oder Blenden ggf. mit geeigneten Optiken) wirksam bzw. unwirksam geschaltet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung verwendet mindestens zwei Strahlquellen und mindestens zwei Bildwandler, wobei durch geeignete optische Einrichtungen, z. B. durch einen Strahlteiler erreicht wird, daß die jeweilige Bildinformation auf beide Bildwandler projiziert wird. Wenn einer der beiden Bildwandler nicht für sichtbares Licht, sondern für beispielsweise infrarotes oder ultraviolettes Licht ausgelegt ist und einer der beiden Strahlquellen ebensolches Licht liefert, kann durch alternierendes Ansteuern der einen oder anderen Strahlquelle und durch die entsprechende Auswahl des Bildsignals des korrespondierenden Bildwandlers erreicht werden, daß abwechselnd Bildinformationen aus dem sichtbaren Lichtbereich und Bildinformationen aus einem nicht sichtbaren Bereich akquiriert werden.

In diesem Zusammenhang ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, die Daten des Bildwandlers für sichtbares Licht auf einem Monitor anzuzeigen und die Daten des Bildwandlers für nicht sichtbares Licht durch Datenverarbeitung so zu bearbeiten, daß sie in aussagekräftiger Form ebenfalls am Monitor dargestellt werden können. Bei Verwendung von infrarotem Licht können die erhaltenen unterschiedlich starken Signale beispielsweise durch unterschiedliche Farben gekennzeichnet werden, so wie dies bei der Auswertung von Infrarotbildern zur Überprüfung der Wärmeabstrahlung von Gebäuden üblich ist. Der Benutzer kann für die Monitordarstellung dann wählen zwischen dem Färb- bzw. Kontrastbild und der Auswertung der nicht sichtbaren Strahlen

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung verwendet mindestens eine Strahlquelle mit extrem kurzer Leuchtdauer, vorzugsweise im Bereich von 0,001 bis 0,01 s, und großer Helligkeit Die für die Belichtung des zu erfassenden Objekts abgestrahlte Energiemenge kann in diesem Fall durch die Strahldauer variiert werden Zudem wird der Einfluß von Verwackelungseffekten bei unruhiger Handhabung der Aufnahmevorrichtung minimiert Solche Strahlquellen sind beispielsweise bekannt als Stroboskoplicht, Blitzlampe, Blitzrohr oder Flash-LED und werden beispielsweise (ebenfalls extern getaktet) zum Einstellen des Zundzeitpunktes bei Ottomotoren mit mechanischem Unterbrecherkontakt verwendet

Beim Aufnahmevorgang können "abgeschattete" Bereiche entstehen, wenn die zu erfassende Oberflache bezüglich des Strahlengangs des projizierten Musters Hinterschneidungen aufweist Hinterschneidungen in diesem Sinne heißen Ausbildungen der dreidimensionalen Kontur, die bezüglich der Betrachtungs- oder der Projektionsrichtung durch Teile des Objekts selbst verdeckt sind und insofern für eine

Betrachtung oder Projektion nicht zugänglich sind Für solche Falle ist es erfindungsgemaß besonders vorteilhaft, mindestens eine weitere Strahlquelle vorzusehen, die alternierend zu den verwendeten anderen Strahlquellen mit Hilfe geeigneter optischer Mittel ein Muster aus einer weiteren Raumrichtung auf die Oberflache projiziert Damit können Informationen über diejenigen vorher abgeschatteten Bereiche der Oberflache gewonnen werden, die unter dem neuen Projektionswinkel optisch zuganglich sind Mittels entsprechender Software können die unter den unterschiedlichen Projektionswinkeln erhaltenen 3D-lnformatιoneπ der zu erfassenden Oberflache dergestalt kombiniert werden, daß sich die 3D- Informationen gegenseitig erganzen

Sämtliche in dieser Erfindung beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung können erfindungsgemaß besonders vorteilhaft in vielfaltiger Art und Weise miteinander kombiniert werden

Beim Vermessen von schlecht zugänglichen Stellen ist die Baugroße desjenigen Teils der Vorrichtung, der sich im schlecht zugänglichen Bereich befindet, begrenzt Ein Beispiel hierfür sind Aufnahmen in der Mundhohle Es ist aus diesem Grunde nicht ohne weiteres möglich eine Aufnahme beispielsweise eines kompletten Kiefers

anzufertigen. Bewegt man nun die erfindungsgemäße Aufnahmevorπchtung relativ zur vermessenen Oberfläche, erhält man in Folge unterschiedliche Bilder. Die sich an die Einzelaufnahmen anschließende Datenverarbeitung bietet dann die Möglichkeit, benachbarte Einzelbilder zusammenzufügen, sofern ein ausreichender Uberdeckungsgrad der Einzelbilder gewährleistet ist.

Es ist bekannt, daß aus einer relativ zur betrachteten Oberfläche veränderten Position und Ausrichtung der Aufnahmevorrichtung eine mehr oder weniger starke Abweichung der Abbilder für ein und dieselben betrachteten Oberflächensegmente resultiert Insofern ist es Stand der Technik, numerische Näherungsverfahren zur

Kombination und Ergänzung von benachbarten Bildern bzw. Bildfolgen einzusetzen. Geeignete numerische Algorithmen erlauben es, die Verzeichnungsfehler der ebenen Abbildung der realen, meist räumlich ausgebildeten Oberfläche teilweise zu kompensieren. Dem kontinuierlichen Zusammenfügen ebener Bilder räumlicher Objekte sind jedoch Grenzen gesetzt. Die unterschiedlichen Methoden zur ebenen

Darstellung der Erdoberfläche geben hier ein anschauliches Beispiel.

Es liegt deshalb in diesem Zusammenhang nahe, daß nicht nur die zweidimensionalen Abbilder zu einem Gesamtbild zusammengefügt werden, sondern ermittelte 3D-lnformationen. Entsprechende sogenannte Matchiπg-Algorithmen, die es erlauben, Teilinformationen über dreidimensionale Oberflächen anhand von 3D- Koordinaten übereinstimmender Oberflachensegmente zu einer Gesamtinformation zu kombinieren, sind bekannt.

Die Voraussetzung übereinstimmender Oberflächensegmente ist für den oben beschriebenen beispielhaften Einsatzzweck der Erfindung gegeben. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung bei Verwendung eines Bildwandlers mit einer Bildwechselfrequenz von 50Hz alle 0,02 s Einzelaufnahmen anfertigt, kann davon ausgegangen werden, daß selbst dann, wenn die Vorrichtung beispielsweise von Hand für eine Aufnahme des Zahnbogens eines Patienten geführt wird, jedes Bild aus einer ähnlichen Position aufgenommen wird wie die Vorgängeraufnahme und daß damit ein hoher Uberdeckungsgrad zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmen gewährleistet ist, sowohl für die 2D-lnformatιonen als auch für die gewonnenen SD- Informationen. Eine typische Größe des innerhalb einer Aufnahme erfaßten Teils der

zu vermessenden Oberflache liegt bei etwa 10mm x 10mm, so daß sich selbst bei einer hoch angesetzten Bewegungsgeschwindigkeit einer handgefuhrten Vorrichtung von ca 30mm/s ein Uberdeckungsgrad von mehr als 90% ergibt Auch wenn davon ausgegangen wird, daß von den weiter oben beschriebenen Möglichkeiten der alternierenden Belichtung und Auswertung Gebrauch gemacht und beispielsweise nur jedes vierte Bild tatsächlich für eine dreidimensionale Berechnung herangezogen wird resultiert daraus immer noch ein Uberdeckungsgrad von über 75%

Bei einer solchen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird durch Bewegen der Vorrichtung entlang der Zahnreihen mit jedem ausgewerteten Bild eine neue

Information über die dreidimensionale Gestalt der zu vermessenden Oberflache an die bereits vorhandene angefugt Zudem kann durch numerische Kombination der auf die Einzelbilder bezogenen 3D-Daten hinsichtlich des sich jeweils überdeckenden Bereichs die resultierende Information optimiert werden Sie wird dabei durch Anwendung statistischer Verfahren genauer oder durch eine Vergrößerung der

Anzahl der enthaltenen Stutzpunkte dichter Die Quantität der solcherart zu gewinnenden Informationen ist nicht durch das Verfahren oder die Vorrichtung selbst, sondern lediglich durch die Große des zur Verfugung stehenden Speichers der Datenverarbeitungseinheit begrenzt

Die Verwendung der oben beschriebenen Strahlquellen für kurze Strahlimpulse ist im vorstehend beschriebenen Zusammmenhang erfindungsgemaß besonders vorteilhaft einzusetzen, um die Verwackelungseffekte einer beispielsweise von Hand geführten Aufnahmevorrichtung zu minimieren

Die erfindungsgemaß vorteilhafte Verwendung mindestens einer Strahlquelle, die mitteis geeigneter optischer Mittel ein Muster unter einem ausreichenden Triangulationswinkel zur Aufnahmeπchtung auf die zu erfassende Oberflache projiziert und mindestens einer weiteren Strahlquelle, die das Objekt beispielsweise alternierend farbgetreu beleuchtet, sowie die anschließende Kombination der den

Einzelbildern zugehörigen 3D-lnformatιonen mit den den Einzelbildern zugeordneten Farbinformationen erlaubt eine äußerst realitatsnahe Einfarbung einer resultierenden 3D-Gιtternetzdarstellung

Im vorstehenden Zusammenhang ist es erfindungsgemaß besonderes vorteilhaft, diejenige Strahlquelle, die beispielsweise mittels Kondensor Maske und Optik ein Linienmuster auf die zu erfassende Oberflache projiziert, mit hoher Strahlmtensitat zu betreiben, damit für die Gewinnung der 3D-lnformatιon das projizierte Muster in allen Bereichen der Oberflache hinreichend hell ist Dabei ergibt sich, daß diejenigen

Bereiche der Oberflache mit einer starken Reflexion unzureichende Kontrast¬ und/oder Farbinformationen zum Zweck einer anschaulichen Darstellung beinhalten Die fehlenden Informationen können wie oben beschrieben durch Kombination von Einzelbildinformationen ergänzt werden, die mit reduzierter Bestrahlung beispielsweise aus derselben Strahlquelle oder vermittels der ebenfalls beschriebenen Strahlquelle für die flächige Bestrahlung der zu erfassenden Oberflache gewonnen werden

Es ist im vorstehenden Zusammenhang erfindungsgemaß besonders vorteilhaft, die Strahlenergie für die Projektion des Musters für die Einzelaufnahmen unterschiedlich zu stellen, um auch bei der Aufnahme des Linienmusters - wie bereits oben für die flächige Bildaufnahme beschrieben - die Bildinformationen des Linienmusters bezogen auf die partiellen Reflexionseigenschaften der Oberflache des Objekts durch eine Kombination der Einzelaufnahmen insgesamt zu optimieren

Es ist in diesem Zusammenhang erfindungsgemaß besonders vorteilhaft, einen Farbbildwandler und für die Projektion des Linienmusters weißes Licht zu verwenden Variiert man nun beispielsweise unter Verwendung einer Blitzlampe die Strahlenergie wie vorstehend beschrieben, erhalt man in der Folge der Einzelbilder sowohl optimale Färb- und Kontrastinformationen entlang der projizierten Linien als auch optimale

Kontrastsignale für die einzelnen Linien zur Berechnung der 3D-Stutzpunkte Bewegt man nun mit geringer Geschwindigkeit die Aufnahmevorrichtung gegenüber dem Objekt, kann durch geeignete Kombination der den Einzelbildern zugeordneten Informationen sowohl die 3D-lnformatιonen verdichtet als auch ein Farbbild des Objekts ohne Lucken generiert werden In diesem Sinne kann die vorstehend noch beschriebene einheitlich flachige Beleuchtung des Objekts entfallen

Die Vorrichtung zur Durchfuhrung von optischen Aufnahmen der eingangs beschriebenen Art lost die Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Merkmale, daß

a) mindestens ein flächiger elektronischer Bildwandler unter Verwendung einer zur Aufnahme von Bildern geeigneten Optik verwendet wird, der sich für die

Aufnahme von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Bildern eignet und

b) mindestens ein stellbares optisches Mittel vorgesehen wird, das sich für die Aufnahme der Einzelbilder hinsichtlich der für die Bildwandlung wirksam eingebrachten Menge der Strahlenergie unterschiedlich stellen laßt

Eine erfindungsgemaß besonders vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung sieht Einrichtungen vor, die die Digitalisierung der Ausgangssignale des mindestens einen Bildwandlers bewirken und diese Daten einer Datenverarbeitungsanlage zur Verfugung stellt

Eine erfindungsgemaß besonders vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung sieht Einrichtungen vor, die die Daten von mindestens zwei Einzelbildern speichern können

Eine erfindungsgemaß besonders vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung sieht Einrichtungen vor, die die Daten von mindestens zwei Einzelbildern verarbeitet und in der Lage ist, diese mittels geeigneter Algorithmen zu kombinieren

Eine erfindungsgemaß besonders vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung sieht optische Mittel im Strahlengang zwischen der mindestens einen Strahlquelle und dem zu erfassenden Objekt vor, die die Projektion eines Musters erlauben

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmoglichkeiten der vorliegenden

Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele in Verbindung mit der anliegenden Zeichnung

Es zeigt die anliegende Zeichnung (Fig 1) die Ansicht einer Vorrichtung zur Durchfuhrung von optischen Aufnahmen nach der Erfindung, teilweise schematisiert

Die Aufnahmevorrichtung gemäß der Fig 1 ist zur Vereinfachung der Beschreibung ohne bekannte, selbstverständliche Vorrichtungstelle nur schematisch wiedergegeben Zur Vereinfachung der Beschreibung wurde zudem darauf verzichtet, Ausfuhrungsformen von Vorrichtungstellen, die zum Stand der Technik gehören, wie bestimmte Ausfuhrungsformen von Verbindungen oder der Fixierung von Teilen, im Detail zu beschreiben

An einem Grundgestell (9) sind alle Mittel (8 und 10 bis 15) starr befestigt Die Befestigung des Tragers (8) gegenüber dem Grundgestell (9) ist losbar und in der hier gezeigten Ausfuhrungsform derart ausgebildet, daß sich bei einem erneuten Zusammenbau die vorgesehene geometrische Anordnung dieser Teile zueinander ohne Justagearbeiten ergibt Zudem sind der Trager (8) und die mit diesem starr verbundenen optischen Mittel (2 bis 4) in der hier gezeigten Ausfuhrungsform derart ausgebildet, daß sie sich für eine von den übrigen Mitteln (9 bis 20) separate Desinfektion bzw Sterilisation eignen

Bei dem Objekt (1) handelt es sich um eine Oberflache mit dreidimensionalen

Erstreckungen Beispielsweise kann es sich um einen Zahn bzw um eine Reihe von Zahnen dds menschlichen Gebisses handeln In engem Abstand erstreckt sich der Trager (8) mit seinen Aufbauten, und man kann sich leicht vorstellen, daß der in Richtung Objekt (1) weisende Teil des Tragers (8) mit seinen Aufbauten innerhalb der Mundhohle untergebracht werden kann Es ist weiter leicht vorstellbar, daß der aus den Mittein (2 bis 15) bestehende Teil der Aufnahmevorrichtung von Hand gehalten wird und der Benutzer der Vorrichtung einen intraoralen Aufnahmevorgang von einem Teil des Gebisses eines Patienten, in Fig 1 gezeigt als Objekt (1 ), ausfuhrt

in der hier gezeigten Ausfuhrungsform handelt es sich bei dem Trager (8) um einen prismatischen Korper aus optischem Glas der Gute BK 7 mit einem Querschnitt von 15 mm x 15 mm Die Längsseiten sind parallel geschliffen, poliert und eignen sich in dieser Ausfuhrung als ebene optische Umlenkeinrichtungen unter Ausnutzung der Totalreflexion, in Fig 1 gezeigt als Spiegel (3 und 4) Der zum Objekt (1 ) weisende

Teil des Glasprismas, in Fig. 1 gezeigt als Träger (8), ist unter 45° abgeschrägt. Diese Fläche ist ebenfalls geschliffen, poliert und zudem verspiegelt und dient als ebener Spiegel (2) zur Umlenkung der Strahlen in Richtung des Objekts (1 ).

Aus Platzgründen kann es vorteilhaft sein, auf der vom Objekt (1 ) abweisenden Seite des Trägers (8) ebenfalls Umlenkeinheiten anzuordnen, damit die Mittel (10 bis 15) nicht in einer Ebene angeordnet werden müssen.

Spiegel sind im Sinne dieser Erfindung optische Umlenkeinrichtungen unabhängig davon, ob die relevanten Flächen verspiegelt sind oder die Fähigkeit zur Umlenkung optischer Strahlen unter Ausnutzung der Totalreflexion erfolgt.

Der als Glasprisma ausgeführte Träger (8) kann erfindungsgemäß vorteilhaft beheizt werden, damit er bei invasiv durchgeführten Aufnahmen nicht beschlägt. Alternativ kann ein Luftstrom derart geführt werden, daß der intraoral eingesetzte und für die

Aufnahme relevante Teil des Glaskörpers trocken gehalten wird.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Vorichtung wird der Träger (8) derart ausgebildet, daß er sich für endoskopische Untersuchungen eignet. Zudem ist es, erfindungsgemäß vorteilhaft, möglich weitere optische Mittel, beispielsweise Linsen, zusätzlich zum bzw. anstelle des Spiegels (2) auf dem Träger (8) anzuordnen.

Die Strahlquellen (13 und 14), jeweils versehen mit den optischen Mitteln (10 und 11), dienen zur Beleuchtung des Objekts (1 ). Die Strahlen werden über die ebenen Spiegel (2 bis 4) umgelenkt. Bei der hier gezeigten Ausführungsform bestehen die optischen Mittel (10) aus einem Kondensor, einer Maske und einem Objektiv. Vermittels der Mittel (13, 10, 4, 2) wird flächig ein Linienmuster auf das Objekt (1) projiziert. Als optisches Mittel (11 ) findet ein Kondensor Verwendung. Vermittels der Mittel (14, 1 1 und 2) läßt sich das Objekt flächig beleuchten. Als Strahlquelle (13 und 14) kommen Blitzlampen zum Einsatz. Die Strahlquellen (13 und 14) sind vermittels elektrischer Verbindungen (20) mit einer Ansteuereiπheit (19) verbunden.

Die vom Objekt (1 ) reflektierten Strahlen werden über die Spiegel (2 und 3) gelenkt und vermittels der optischen Mittel (12) auf dem Bildwandler (15) abgebildet. Bei der

hier gezeigten Ausfuhrungsform bestehen die optischen Mittel (12) aus einem Objektiv Der elektronische Bildwandler (15) ist als CCD-Array ausgebildet und über elektrische Verbindungen (20) mit einer Aπsteuereinnchtung (18) und einer Einrichtung zur Digitalisierung des Ausgangssignals des Bildwandlers (16) verbunden Die digitalisierten Bilddaten werden über die elektische Verbindung (20) einer Datenverarbeitungseinheit (17) zur Verfugung gestellt In der hier gezeigten Ausfuhrungsform wird für die Einheit (16) ein sogenannter Frame-Grabber mit eigenem Signalprozessor für die schnelle Verarbeitung der Bilddaten und für die Einheit (17) ein handelsüblicher PC verwendet

Die elektrischen Verbindungen (20) zwischen den Einrichtungen (18) und (19) sowie zwischen den Einrichtungen (17) und (19) dienen zur Synchronisation der Ansteuerung der Strahlquellen (13 und 14) mit der Bildwechselfrequenz des Bildwandlers (15) bzw zur Rückführung der Bildmformation in einem Regelkreis zur Optimierung der Ansteuerung der Strahlquellen

Die Mittel (13, 10 und 4) einerseits und (15, 12 und 3) andererseits sind bezüglich ihrer optischen Achsen (7 und 5) derart ausgerichtet, daß sich zwischen der Projektionsrichtung des Musters und der Richtung der Bildaufnahme ein Tnangulationswinkel von 20 Grad ergibt Die optische Achse (6) für die flächige

Beleuchtung liegt in diesem Ausfuhrungsbeispiel in der Winkelhalbierenden der beiden anderen optischen Achsen (5 und 7) Um für die 3D-Berechnung relevante Informationen zu bekommen, ist das projizierte Linienmuster quer zu der von dem

Tnangulationswinkel aufgespannten Ebene gestreift

In der hier gezeigten Ausfuhrungsform wird das Objekt (1 ) synchron zur Bildwechselfrequenz des Bildwandlers (15) alternierend einerseits mit einem Linienmuster und andererseits flächig/einheitlich beleuchtet Die Bildwechselfrequenz liegt in dem hier gezeigten Ausfuhrungsbeispiel bei 50 Hz

Für die optische dreidimensionale Erfassung beispielsweise des Zahnbogens eines Menschen fuhrt man den vorderen Teil des Tragers (8) mit seinen Aufbauten in den Mund des Patienten ein, startet den Aufnahmevorgang durch ein in der Fig 1 nicht gezeigtes, im Rahmen der Datenverarbeitungseinheit (17) verfugbares

Betätigungselement, und führt im Verlauf des Aufnahmevorgangs den Vorrichtuπgsteil, bestehend aus den Mitteln (2 bis 15) von Hand derart, daß nach und nach alle relevanten Oberflächenbereiche des Objekts (1 ) sowohl auf dem Bildwandler (15) abgebildet als auch gleichermaßen von der Projektion des Linienmusters erfaßt werden. Man beendet den Aufnahmevorgang durch eine weitere

Betätigung des vorstehend genannten Betätigungselements.

In der Folge der aufgenommenen Einzelbildinformationen befinden sich jetzt abwechselnd Abbilder des aufgrund der Oberflächengestalt des Objekts (1) verzeichneten Linienmusters und Abbilder des flächig beleuchteten Objekts (1 ). Aus der Verzeichnung des Linienmusters lassen sich bei Kenntnis des optischen Strahlengangs und unter Berücksichtigung der geometrischen Ausbildung des projizierten Linienmusters für die entsprechenden Einzelaufnahmen für eine Vielzahl von Stützpunkten 3D-Koordinaten errechnen. Aus der Folge der den Einzelbildern zugeordneten Bildinformationen und 3D-Koordinaten lassen sich im weiteren sowohl die ebenen Bildinformationen als auch die 3D-Koordinaten in der oben beschriebenen Art und Weise kombinieren, so daß im Ergebnis trotz des Sichtfelds der Aufnahmeeinheit in einer Größenordnung von 15 mm x 15 mm sowohl die SD- Koordinaten als auch ein einheitliches Farbbild des gesamten Zahnbogens vorliegen. Hierbei sind Lücken aufgrund von Hinterschneidungen, störenden optischen

Reflexionen oder dunklen Bildbereichen ohne nennenswerten Kontrast nicht mehr vorhanden ¹ . Durch eine online-Berechnung und -Anzeige der jeweiligen Zwischenergebnisse kann der Bediener zudem die Führung der Aufnahmevorrichtung von Hand optimieren.

Die für die 3D-Berechnung erforderliche Kenntnis des optischen Strahlengangs und der geometrischen Ausbildung des projizierten Linienmusters erhält man erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch, daß man nacheinander in unterschiedlichem Abstand parallel zu der zum Objekt (1) weisenden Fläche des Trägers (8) ein ebenes, jn seiner Detailausbildung in der Fig. 1 nicht gezeigtes Objekt (1 ) positioniert, das quer zum projizierten Linienmuster ebenfalls ein Linienmuster aufweist. Werden nun zwei Bildaufnahmen angefertigt und ist sowohl das Referenz-Objekt (1) eben und das Linienmuster in seiner geometrischen Ausbildung als auch der Abstand zwischen Träger und Referenz-Objekt (8) für beide Aufnahmen bekannt, kann man für eine

Vielzahl von Stutzpunkten sowohl den Strahlengang als auch die geometrische Ausbildung des projizierten Musters exakt errechnen Die errechneten Werte berücksichtigen bereits etwaige Verzeichnungen aufgrund der Fertigungstoieranzen der verwendeten Mittel Die Zwischenwerte können dann im weiteren bei der SD- Berechnung interpoliert werden

Die hier gezeigte Ausfuhrungsform zeichnet sich dadurch aus, daß

a) in der Aufnahmeeinheit keine bewegten Teile Verwendung finden,

b) der optische Aufbau einfach ausgebildet ist,

c) durch die Verwendung eines langgestreckten Glaskörpers eine einfache Möglichkeit gewählt wurde, die Strahlen zur Erzeugung eines Musters auf der zu vermessenden Oberflache gezielt ein- oder mehrfach an den Wänden des

Glaskörpers reflektieren zu lassen, so daß sich eine größere Winkeldifferenz relativ zu den Aufnahmestrahlen ergibt, als wenn alle Strahlen geradlinig durch den Trager gefuhrt werden, wobei sich der relative Winkel der Strahlen zueinander ja lediglich als arcus tangens des Verhältnisses vom Abstand zwischen Objekt und Aufnahme- bzw Beleuchtungseinheiten einerseits und dem Abstand der Optiken untereinander andererseits ergibt Eine Winkeldifferenz im Bereich zwischen 15° und 45° zwischen den mustererzeugenden Strahlen und den Strahlen für die Aufnahme ist vorteilhaft für die Durchfuhrung der Vermessung Größere Winkel vergrößern die Gefahr der "Schattenbildung" bei gestuften Oberflächen, kleinere Winkel vermindern die

Genauigkeit der Vermessung, da das Auswertungsverfahren auf Triangulationsberechnungen beruht,

d) sich außer für Trager (8), Grundgestell (9), Maske zur Projektion des Musters und Ansteuereinheiten (18 und 19) handelsübliche Hardware-Komponenten verwenden lassen,

e) sich die Fehler aufgrund der Fertigungstoleranzen der eingesetzten Mittel durch die oben beschriebene "Kalibrierung" der Aufnahmeeinheit kompensieren

lassen und insofern insgesamt geπngere Anforderungen an die Fertigungstoieranzen der eingesetzten Mittel gestellt werden müssen

Bezugszeichenliste

Objekt , 3 , 4 Spiegel , 6 , 7 optische Achsen

Träger (hier ausgeführt als Körper aus optischem Glas)

Grundgestell 0, 1 1 , 12 optische Mittel (Linsensystem, Blende etc.) 3, 14 Strahlquelle (hier ausgeführt als Blitzlampe) 5 elektronischer Bildwandler (CCD-Array) 6 Einrichtung zur Digitalisierung analoger Signale (Frame-Grabber) 7 Datenverarbeitungseinheit (PC) 8 Ansteuereinheit für den Bildwandler 9 Ansteuereinheit für die Strahlquellen elektrische Verbindungen