DE4034007A1 - METHOD AND DEVICE FOR THE OPTICAL DETECTION OF SURFACE STRUCTURES ON TEETH - Google Patents

Abstract

The method of optically detecting the surface structures of teeth involves coating the measurement structure with a fluorescent colouring and optically measuring it with a 3-D camera. A light source (2) matched to the fluorescent colouring projects a light beam onto the tooth surface via a projection beam path (5a). The scattered light passes to an image sensor (10) via an observation beam path (5b). The sensor is connected to evaluation electronics (11). USE/ADVANTAGE - The method enables improved optical tooth structure measurement, esp. in that it is simpler for the user because of the elimination of unwanted reflections.

Description

Translated fromGerman

Aus der EP-00 54 785 ist ein Verfahren zur Herstellung medizi­nischer, insbesonderer zahntechnischer, Paßkörper bekannt, bei dem die Oberflächenstrukturen, an denen der Paßkörper einge­setzt werden soll, nach der Bearbeitung auf optischem Weg be­rührungsfrei räumlich erfaßt werden. Die dreidimensionale Ver­messung erfolgt mittels einer als Handinstrument ausgebildeten 3 D-Kamera, in der eine Lichtquelle angeordnet ist, von der aus über eine geeignete Optik ein Lichtstrahlenbündel über einen Projektionsstrahlengang auf die zu erfassende Oberflächen­struktur geworfen wird, wobei das an der Oberfläche zurückge­streute Lichtstrahlenbündel über einen Beobachtungsstrahlengang einem Bildsensor zugeführt wird, dem eine entsprechende Aus­werteelektronik vorgeschaltet ist.EP-00 54 785 describes a method for producing medicinal productsAfrican, in particular dental technology, fitting body knownwhich the surface structures on which the fitting body turnedshould be set after processing by optical meansbe recorded spatially without contact. The three-dimensional vermeasurement is carried out using a hand instrument3D camera, in which a light source is arranged, from whicha suitable light beam over a beam of lightProjection beam path on the surfaces to be detectedstructure is thrown, which is reflected on the surfacescattered light beams over an observation beam pathis supplied to an image sensor which has a corresponding offvalue electronics is connected upstream.

Nachdem die Zähne an sich transluszent sind und die Zahnober­flächen relativ glatt sind (Rauhtiefe<1µ), entstehen an der zu erfassenden Oberfläche unerwünschte Reflexionen, die kein bzw. nur ein unzureichendes Vermessen der Zahnoberfläche er­möglichen. Um derartige Reflexionen zu vermeiden, überzieht man bisher die Oberfläche des präparierten Zahnes vor der opti­schen Vermessung mit einem geeigneten Kontrastpuder, z. B. mit Titanoxid-Puder. Mit einem solchen Kontrastpuder, der eine Körnung aufweist, die oberhalb der Rauhigkeit der Zahnober­fläche liegt, kann eine Mattierung der Zahnoberfläche erreicht werden. Das von der mattierten Oberfläche zurückgestreute Licht kann von dem Bildsensor, bei dem bekannten Verfahren ein CCD-Element, besser detektiert und die daraus gewonnenen Signale in der dem Bildsensor vorgeschalteten Auswerteelektronik ge­nauer ausgewertet werden.After the teeth are translucent and the upper teethsurfaces are relatively smooth (roughness depth <1µ), arise at thesurface to be detected unwanted reflections that noor only an insufficient measurement of the tooth surfacepossible. To avoid such reflections, coveredSo far, the surface of the prepared tooth in front of the optical measurement with a suitable contrast powder, e.g. B. withTitanium oxide powder. With such a contrast powder, the oneHas grain that is above the roughness of the tooth surfacesurface, a matting of the tooth surface can be achievedwill. The light scattered back from the matt surfacecan be a CCD from the image sensor, in the known methodElement, better detected and the signals obtained from itin the evaluation electronics upstream of the image sensorbe evaluated more precisely. 

Um Meßfehler zu vermeiden, sollte die Mattierungsschicht gleichmäßig und dünn auf die Zahnoberfläche aufgebracht wer­den.In order to avoid measurement errors, the matting layerevenly and thinly applied to the tooth surfacethe.

Die Mattierung mittels des Kontrastpuders stellte jedoch hohe Anforderungen an die Geschicklichkeit des Anwenders, insbeson­dere um die geforderte gleichmäßige Beschichtung zu erzielen.However, the matting with the contrast powder was highRequirements for the skill of the user, in particularto achieve the required uniform coating.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu­grunde, demgegenüber eine Verbesserung zu erzielen, insbeson­dere unter dem Aspekt, die optische Abtastung der Zahnober­fläche für den Anwender noch einfacher und angenehmer als bis­her bei Vermeidung unerwünschter Reflexionen durchführen zu können.The invention specified in claim 1 has the objectreasons to achieve an improvement, in particularfrom the point of view, the optical scanning of the upper toothsurface for the user even easier and more pleasant than up toforth to avoid unwanted reflectionscan.

In der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fluoreszenzschicht, die vorteilhafterweise in Form einer Lösung auf die Zahnoberfläche aufgetragen wird, wird Licht der von der Lichtquelle emittier­ten Wellenlänge stark absorbiert und dann als längerwellig ver­schobenes Fluoreszenzlicht isotrop, also in allen Raumrichtun­gen wieder emittiert.In the fluorescent layer proposed according to the invention, theadvantageously in the form of a solution on the tooth surfaceis applied, light is emitted from the light sourceth wavelength is strongly absorbed and then used as a longer wavelengthpushed fluorescent light isotropic, i.e. in all spatial directionsemitted again.

Als Fluoreszenzfarbstoff kann an sich jedes nicht toxisches Material Verwendung finden; vorteilhaft hat sich die Verwendung von Fluorescein gezeigt, welches blaues Licht stark absorbiert und gelb-grünes Licht fluoresziert.Any non-toxic substance can be used as a fluorescent dyeUse material; The use has been advantageousshown by fluorescein, which strongly absorbs blue lightand fluorescent yellow-green light.

Als Lichtquelle kann prinzipiell jede auf den vorgesehenen Fluoreszenzfarbstoff abgestimmte Lichtquelle mit einem geeigneten Emissionsspektrum und ausreichend hoher Strah­lungsdichte verwendet werden. Wegen ihrer kleinen Baugröße kann mit Vorteil eine LED verwendet werden; eine solche kann sehr gut in ein als Handinstrument ausgebildete 3-D-Kamera eingebaut werden. Auch die Verwendung einer grün emittierenden Lichtquelle kann vorgesehen werden, wobei dann eine grün absorbierende und gelb oder rot emittierende Fluores­ zenzfarbe gewählt werden muß. Um den Anteil des diffus ge­streuten Lichts in der Fluoreszenzschicht zu vergrößern und damit die Signalstärke am Bildsensor zu erhöhen, ist es von Vorteil, Licht mit relativ kurzer Wellenlänge zu verwenden. Mit besonderem Vorteil und passend zu dem vorerwähnten Fluorescein-Farbstoff wird deshalb eine Lichtquelle mit inten­siverer Emission im kurzwelligeren, sichtbaren Bereich, also "blaues Licht" vorgeschlagen. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­findung vorgeschlagen, im Beobachtungsstrahlengang ein Filter einzuschalten, welches für Licht des von der Fluoreszenzfarbe emittierenden Lichts durchlässig ist, dagegen Licht anderer Wellenlänge absorbiert und/oder reflektiert.In principle, any of the provided light sources can be usedFluorescent dye-matched light source with asuitable emission spectrum and sufficiently high beamdensity can be used. Because of their small sizean LED can be used with advantage; such a canvery good in a 3-D camera designed as a hand instrumentto be built in. Even the use of a green emittingLight source can be provided, then a green oneabsorbing and yellow or red emitting fluorescence must be chosen. To the proportion of diffuse gescattered light in the fluorescent layer to enlarge andin order to increase the signal strength at the image sensor, it is fromAdvantage to use light with a relatively short wavelength.With a particular advantage and to match the aforementionedFluorescein dye will therefore become a light sourcemore emission in the shortwave, visible range, so"blue light" suggested. To increase efficiencyaccording to a further advantageous embodiment of the Erproposed a filter in the observation beam pathturn on, which is for light of the fluorescent coloremitting light is permeable, but light of othersWavelength absorbed and / or reflected.

Welche spektrale Zusammensetzung das Licht letztlich aufweisen muß, bestimmt sich nach den verfügbaren Lichtquellen, Filtern sowie der verwendeten Fluoreszenzschicht, die, wie bereits er­wähnt, einerseits nicht toxisch sein darf, andererseits aber gut löslich und applizierbar sein muß.Which spectral composition the light ultimately hasmust be determined by the available light sources, filtersand the fluorescent layer used, which, like himthinks, on the one hand, must not be toxic, but on the other handmust be readily soluble and applicable.

Das erfindungsgemäße Verfahren und eine danach arbeitende Vor­richtung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.The method according to the invention and a working according to itDirection is explained in more detail with reference to the drawing.

Die Figur zeigt in einer Längsschnittdarstellung eine 3 D-Kamera mit Zuordnung zu einem schematisiert dargestellten Zahn, dessen Oberflächenstrukturen dreidimensional erfaßt werden sollen. Nachdem der Aufbau der 3 D-Kamera prinzipiell bekannt und bei­spielsweise in der US-PS 45 75 805 beschrieben ist, werden nachfolgend nur die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendigen Elemente beschrieben.The figure shows a 3D camera in a longitudinal sectionwith assignment to a schematically represented tooth, theSurface structures are to be recorded three-dimensionally.After the structure of the 3D camera is known in principle and atfor example, in US-PS 45 75 805 is describedbelow only those for understanding the present inventionnecessary elements described.

Die wesentlichsten Komponenten des Projektions- und Abbildungs­systems der allgemein mit1 bezeichneten 3 D-Kamera sind eine Lichtquelle2, ein Kondensorglied3, eine Gittermaske4, ein Strahlenteiler5, der einen Projektionsstrahlengang5a und einen Beobachtungsstrahlengang5b bildet, ein aus mehreren Linsen bestehendes Objektiv6, ein sich axial daran anschließen­des, langgestrecktes Prisma7, eine am Lichtaustrittsende be­findliche Linse8, ein im Beobachtungsstrahlengang angeordnetes Filter9, ein Bildsensor10 sowie eine sich daran anschließende Auswerteelektronik11.The most important components of the projection and imaging system of the 3D camera, generally designated1 , are a light source2 , a condenser element3 , a grating mask4 , a beam splitter5 , which forms a projection beam path5 a and an observation beam path5 b, one of several Lenses existing lens6 , an axially connected to it, the elongated prism7 , a lens8 located at the light exit end, a filter9 arranged in the observation beam path, an image sensor10 and an adjoining evaluation electronics11 .

Das von der Lichtquelle2 ausgehende Strahlenbündel führt zunächst über den Projektionsstrahlengang5a und die Optiken6,7 und8 auf die mit12 bezeichnete Oberfläche des zu vermes­senden Zahnes13. Die Oberfläche12 des zu vermessenden Zah­nes13 ist mit einer mit14 bezeichneten dünnen, gleichmäßig aufgetragenen Fluoreszenzschicht versehen, die in geeigneter Weise z. B. als Lösung mittels Pinsel oder mittels Sprühvor­richtung aufgetragen wird. Das auf die Fluoreszenzschicht14 auftreffende Licht wird in der Fluoreszenzschicht längerwellig verschoben, und anschließend isotrop, d. h. in allen Raumrich­tungen emittierend, zurückgeworfen, von der Optik aufgenommen und über den Beobachtungsstrahlengang5b zum Bildsensor10 geleitet, wo es in ein zeilengerastetes Videosignal umgewandelt und schließlich in der Elektronik11 entsprechend verarbeitet wird. Das verarbeitete Videosignal wird über ein nicht näher bezeichnetes Kabel einem extern der Kamera angeordneten Rechner und einer Bilddarstellungseinheit zugeführt. Als Lichtquelle kann vorteilhafterweise eine LED vorgesehen werden. Der Bild­sensor kann ein CCD-Element sein, welches nicht nur für nahes Infrarot, sondern auch für sichtbares Licht ausreichend empfind­lich ist.The beam of rays emanating from the light source2 initially leads via the projection beam path5 a and the optics6 ,7 and8 onto the surface of the tooth13 to be measured, designated12 . The surface12 of the Zah Nes13 to be measured is provided with a thin, evenly applied fluorescent layer designated14 , which in a suitable manner, for. B. is applied as a solution using a brush or Sprühvor direction. The light impinging on the fluorescent layer14 is shifted in the fluorescent layer at longer wavelengths, and then isotropically, ie emitting in all spatial directions, thrown back, picked up by the optics and passed via the observation beam path5 b to the image sensor10 , where it is converted into a line-locked video signal and is finally processed accordingly in the electronics11 . The processed video signal is fed via a cable, not specified, to a computer arranged externally to the camera and to an image display unit. An LED can advantageously be provided as the light source. The image sensor can be a CCD element that is sufficiently sensitive not only for near infrared, but also for visible light.

Der Fluoreszenzfarbstoff der Fluoreszenzfarbschicht14 ist auf die Lichtquelle2 abgestimmt, d. h. wenn als Lichtquelle eine grün emittierende Lichtquelle verwendet wird, dann ist eine Fluoreszenzfarbe zu verwenden, die grün absorbiert und dann typischerweise gelb oder rot emittiert. Ein besonders guter Wirkungsgrad hinsichtlich der Signalauswertung läßt sich erzielen, wenn eine Lichtquelle verwendet wird, die im Bereich 450 bis 500 nm, also "blaues Licht", emittiert. Dem­entsprechend ist eine Fluoreszenzfarbe vorzusehen, die blau absorbiert und typischerweise dann grün emittiert.The fluorescent dye of the fluorescent color layer14 is matched to the light source2 , ie if a green-emitting light source is used as the light source, then a fluorescent color is to be used which absorbs green and then typically emits yellow or red. A particularly good efficiency with regard to the signal evaluation can be achieved if a light source is used which emits in the range 450 to 500 nm, that is to say "blue light". Accordingly, a fluorescent color is to be provided which absorbs blue and then typically emits green.

Um nicht verwertbares Streulicht zu eliminieren, ist das Filter9 vorgesehen, welches Licht der von der Lichtquelle emittierten Wellenlänge absorbiert oder reflektiert, dagegen für Licht der übrigen Wellenlängen, insbesondere der vom Fluoreszenzfarbstoff emittierten Wellenlänge, durchlässig ist.In order to eliminate stray light that cannot be used, the filter9 is provided, which absorbs or reflects light of the wavelength emitted by the light source, but is permeable to light of the other wavelengths, in particular the wavelength emitted by the fluorescent dye.

Claims (5)

Translated fromGerman

1. Verfahren zur optischen Erfassung von Oberflächenstrukturen an einem Zahn, bei dem die zu erfassende Oberfläche zunächst mit einer Fluoreszenzfarbe beschichtet und danach mit Hilfe einer 3 D-Kamera optisch vermessen wird, indem mittels einer auf die Fluoreszenzfarbe abgestimmten Lichtquelle (2) über einen Projektionsstrahlengang (5a) ein Lichtstrahlenbündel auf die Oberfläche des Zahnes gerichtet und das dort zurückgewor­fene Streulicht über einen Beobachtungsstrahlengang (5b) auf einen Bildsensor (10) gelenkt wird, dem eine Auswerte­elektronik (11) vorgeschaltet ist.1. A method for the optical detection of surface structures on a tooth, in which the surface to be detected is first coated with a fluorescent color and then measured optically with the aid of a 3D camera by using a light source (2 ) matched to the fluorescent color via a projection beam path (5 a) a light beam directed onto the surface of the tooth and the scattered light returned there is directed via an observation beam path (5 b) to an image sensor (10 ) which is preceded by an evaluation electronics (11 ).2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine LED verwendet ist.2. Device for carrying out the method according to claim 1,characterized in that an LEDis used.3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine im Spektralbereich zwischen 450 und 500 nm emittierende Licht­quelle verwendet ist.3. Device for performing the method according to claim 1characterized in that an imSpectral range between 450 and 500 nm emitting lightsource is used.4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Farb­stoff für die Fluoreszenzfarbe Fluorescein verwendet ist.4. Device for carrying out the method according to claim 1,characterized in that as a colormaterial for the fluorescent color fluorescein is used.5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Beobachtungsstrahlen­gang (5b) ein Filter (9) eingesetzt ist, welches Licht der von der Lichtquelle (2) emittierenden Wellenlänge absorbiert oder reflektiert, dagegen für Licht der von der Fluoreszenzfarbe emittierenden Wellenlänge durchlässig ist.5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that in the observation beam (5 b), a filter (9 ) is used, which absorbs or reflects light of the wavelength emitted by the light source (2 ), on the other hand for light of the wavelength emitting fluorescent color is transparent.