用于物体的三维测量的测量组件和方法

专利名称：用于物体的三维测量的测量组件和方法
用于物体的三维测量的测量组件和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于物体、尤其是半透明物体的至少 一部分的三 维测量的测量组件，包括带有连续光谱的光源、用于产生多焦
(multifokalen)照明图案(Beleuchtungsmuster)的装置、带有大色像差 (chromatische Aberration,有时或称色差)用于将照明图案的焦点成像 (abbilden)到物体上的物镜、用于确定通过物镜共焦地成像在物体上的 焦点的波长光谱的检测单元(例如CCD面检测器)，以及布置在共焦地 被成像的焦点和检测装置之间的光语色散装置。
此外，本发明还涉及一种通过使用用于产生带有连续光谱的光线 的光源、用于产生多焦照明图案的装置、带有大色像差用于将照明图 案的焦点成像到物体上的物镜、用于确定通过物镜共焦地成像在物体 上的焦点的波长光谱的检测装置以用于物体尤其是半透明物体的至 少一截段(例如牙齿的至少一截段)的形状的测量的方法，其中，基于 相应的波长光谱确定每个焦点的光谱峰值位置(Peaklage)，从其中计算 在成像光束方向上(Z-坐标)的物体的延伸(Erstreckung)。
在许多技术领域中，必须确定也就是说测量物体的三维结构。其 中包括对于假牙制作而言所必需的牙齿形状的确定。如果根据常规方 法借助石膏复制来制作牙齿仿制品，则须致力于抛弃相应的传统的方 法而以无接触的方式来确定牙齿形状的几何尺寸。
由现有技术可知很多用于获取形体三维结构的方法。如果使用光 学方法，则应该提及条紋投影方法或者说相移方法、光学相干断层摄 像或全息摄像。在牙科技术领域中，相移方法已经得到应用。
但已证实，相应的光学方法尤其是在强散射的物体情形下(例如其 用于牙齿时就是这种情况)，不能显示出所期望的结果。在条紋投影方法中，散射例如会导致条紋模糊且因此导致分辨率降低。
如下方法也是已知的，在该方法中在使用共焦成像情形下不是整 个物体而仅在 一 定区域中以 一 个清晰的焦点或若干个焦点而#皮照射。
为了拍摄完整的二维图像，该一个焦点或多个焦点须扫描越过该物 体。如果要获取三维结构，则须轴向移动焦平面。
备选地可使用合适的带有高度地依赖于波长的焦距的光学系统
的宽带光源以用于该一个焦点或多个焦点的成^f象。由此，焦点依赖于 波长在到物镜的不同距离处被清晰地成像。在焦点通过物镜反向地成 像之后，在相应的物距下被清晰地成像的颜色的焦平面中可检测强度
最大值(Intensitaetsmaximum)。因此，通过确定光谱峰值位置可确定在 该点上物体至物镜的距离且因此最终确定物体的三维结构。在此，通 过光谱计以点方式或通过带有摄像机芯片的线光谱计以线方式实现评价。
由文件EP-B-0 321 529可知一种用于测量带有大色#^差的物#:和 物体之间距离的测量组件。使用布置在具有入口狭缝的光谱色散仪之 前的黑白CCD面才聂l象机来进行检测。由此，针对每个点的波长信息 都被转换成位置信息，以便获得物体表面的轮廓图像。
文件EP-B-0 466 979涉及一种用于同步共焦地产生图像的装置。 为此，通过孔光栅光圈(例如尼普柯夫圆盘)产生被聚焦地成像到物体 上的光点。CCD阵列摄像机被用作检测单元。
由文件DE-A-102 42 374可知一种带有成像光学系统(该成像光学 系统带有色像差)的共焦的距离传感器，其被用于电子领域中的检查。 作为光源，可使用带有数个点光源的这样的光源。作为光线接收器使 用点检测器，其中，每个点检测器与一个点光源彼此相关联且被布置 成4皮此共焦。
由文件DE-A-103 21 885可知一种利用彩色深度分裂用于物体的 三维测量的共焦测量组件，在该组件中借助于微透镜阵列产生大量焦 点并将其成像到物体上。反射光线被返回聚焦到微透镜焦点的平面中。通过该装置可测量被测物体的二维或三维纟鼓观轮廓或二维或三维 的透明度或反射率轮廓。
本发明的目的在于，如此地改进用于尤其是半透明的、例如牙齿 等的物体的形状的三维确定的测量组件和方法，即，即使在运动的物
体的情形下也可在相对较短的时间内生成具有高精度的表面轮廓。尤 其地应可测量散射的或强散射的、提供非常高的白光背景的物体，从 而使得在牙医或牙科技术领域中的应用也成为可能。
为了实现该目的，先前所述类型的测量组件主要作如下设置，即， 在共焦地被成像的焦点的平面中布置有带有第一多个孔的第一孔图
案(Lochmuster)，其中，第一多个孔的几何布置与多焦照明图案的焦点 的几何布置相对应(entsprechen)。
不同于已知组件，在具有大的色像差的物镜的焦平面(轰击 (auftreffen)在物体上的焦点成像在该焦平面处)中布置有孔图案或针孔 阵列，因此，照明图案被反向地从被测物体共焦地成像到该孔图案或 针孔阵列上。在此，第一孔图案的第一多个孔的几何关系如此地相对 于照明图案而调整，即，实现明确的分配，以4吏得由此可将垂直于穿 过物镜的光路而伸延的平面中的位置坐标分配给孔图案的孔中的焦 点。
根据本发明，在面上分布的多个孔或针孔布置在物镜的焦平面 中，照明图案被从物体反向地共焦地成像到其中。在此，被成像在物 体上的焦点以依赖于波长并依赖于物镜和物体之间的距离的方式而 被成像到针孔中，然后通过检测装置以光谱的方式读取焦点。在此， 根据本发明尤其地作如下设置，即，在光谱线轰击到检测装置的像素 上之前，检测装置上游的色散装置将成像在相应的孔中的焦点的光谱 线(Spektrallinien)横向地扩展开(aufspreizen)。对此作如下设置，即， 检测装置包括布置在面中的CCD面传感器的像素，其中，色散装置 相对第一孔图案或检测装置如此地相对倾斜地伸延，即，使得可将被横向地扩展开的光谱无重叠地成像在像素面上。在此，尤其地作如下 设置，即，使得被扩展开的光谱如此地轰击到像素面上，即，相继地
横向地被扩展开的光谱无像素地过渡到彼此中(pixelfrei ineinander uebergehen)。
关于光谱色散装置的倾斜须作如下说明。光谱色散装置的光谱扩 展方向与相邻点的连接线构成例如6.5。的角度，以使得可供光谱扩张 和评价所用的像素线段大于相邻针孔间的距离。光i普色散装置(例如色 散棱镜)之后的光轴的倾斜为例如15°。
因此，根据本发明建议了一种色彩测量单元(Farbmesseinheit),其 包括用于沿着一直线的每个针孔的光线的光谱扩展的色散元件和在 其上成像有被以光谱的方式扩展开的测量点的CCD芯片。因此得出 与线光镨计相似的但带有如下区别的装置，即，测量点并不是布置在 线上而是均匀地布置在整个测量面上。针孔阵列的各个孔与线光谱计 的长狭缝相对应。
在此，照明图案如此地-故与色彩测量单元相协调，也就是"i兌，如 此地被选择，即，使得各个焦点之间的空隙被用于光线的光谱分解和 沿直线的测量。
相应于照明图案通过图像拍摄得到若干在测量场上分布的网格 点，也就是测量点。如果网格点间的距离大于所要求的分辨率，须相 应地移动照明图案。这可通过测量組件中的合适的光学元件(例如平面 平行板(planparallele Platte))或是通过测量组件自身的连续的运动来实 现，其中，将所产生的单张图像结合成总的图像。
如果孔图案或在针孔阵列中的多个孔的布置可给出在垂直于穿 过物镜的光路而伸延的平面中的位置坐标，则所须的高度信息可作为 Z坐标轴而通过成像在相应的孔中的焦点的光谱评价而被确定，因为， 焦点依赖于波长在离物镜的不同距离处被清晰地成像且仅有这样的 焦点被成像到针孔阵列的孔中 一 一 这种焦点在其 一侧被成像到物体 上。
ii为了产生照明图案，可例如作如下设置，即，微透镜阵列布置在 光源之后，用于在物镜的在光源侧伸延的第 一焦平面中产生多焦照明 图案。但是，也可以将这样的第二孔图案布置在物镜的第一焦平面中， 即，多焦照明图案的焦点可被成像到该第二孔图案的多个孔中，或者， 该第二孔图案的多个孔本身限定了该多焦照明图案。
为了将焦点成像到第一孔图案的平面中，在物镜和检测装置之间
布置有第一分束器(Strahlteiler)。另外，第二分束器可布置在物镜和照 明图案之间，尤其是在物镜和第一分束器之间，以便获得物体的实时 图像(Live-Bild)。在此，优选地作如下设置，即，利用第二光源来照 射物体，其中，第二光源的光谱范围同样可位于第一光源的波长范围
之外，该波长范围主要可被评价以用于物体的形状获取。实时图像可 通过摄像机而被拍摄。
与此无关地，第二分束器应在光学上如此地设计，即，得到针对 用于焦点的共焦成像的光的高透射。如果使用位于第 一光源波长范围 外的光谱范围来生成实时图像，则第二分束器优选地为二向性滤光器 (dichroitischer Filter),其除了对第一照明源的光的高透射外还具有对 第二光源的光的高反射。为了获得尽可能清晰的实时图像，有利的是， 拍摄所用的光谱范围尽可能地为窄带的，这可通过使用布置在摄像机 或摄像机芯片之前的滤谱器和/或通过使用窄带式的第二光源来实现。
但需说明的是，使用第二光源并不是强制必须的。相反，成像在 物体上的焦点可能已足够用于产生实时图像。
在本发明的改进方案中可作如下设置，即，第一孔图案具有与第 一多个孔相关联的用于测量结果的背景确定的第二多个孔，其位于照 明图案外。
为了得到紧凑的结构单元可作如下设置，即，在物镜和物体之间 设置有光束转向装置(例如镜子)，从而得到构造上简单的、用于该测 量组件在口腔内的使用的结构形式。
第一光源尤其地为卣素灯。但是，也可使用白光LED或若千个彩色LED。
备选地存在如下可能性，即，第一光源的辐射可通过这样的光导 体而被供应，即，其退耦端(Auskoppelende,有时或称输出端)位于物镜 的第 一物平面中且因此作为微透镜阵列的焦点的替代而自身表现为 焦点。备选地，优选地一个光导体的退耦端位于平行一交正光学系统的 焦平面中，其后被平行校正的光导体光束落到微透镜阵列上。
为了实现图像样片和第一孔图案及布置在它们之间的第一分束 器的明确的几何关系，作如下设置，即，微透镜阵列、第一孔图案和 第一分束器构造成一个结构单元。在此，尤其地得出立方体几何形状。
为了能以方便的方式测量物体的不同的部分区域，在第一分束器 和物镜之间布置有可相应地转动或摆动的一个或多个平面平行板。尤 其地，在存在一平面平行板时，其布置成可绕两个在由平板所张成 (aufgespannt)的平面中伸延的轴而转动。
转向装置(例如转向镜)也可被可移动地或可转动地布置以便测量 物体的不同的部分区域。
开头所述类型的方法因如下原因而出众，即，在共焦地被成像的 焦点的平面中布置有带有第一多个孔的第一孔图案，其几何布置与多 焦照明图案的几何布置相关，并且，通过第一多个孔的位置来定义垂 直于成像光束而伸延的平面(X-， Y-坐标)中的物体上的焦点的位置， 其中，成像在孔中的焦点的波长光谱同时被检测装置所获取。
在此作如下设置，即，利用布置在第一孔图案下游的色散装置将 每个成像在孔中的焦点的波长光i普横向地扩展开。
本发明尤其建议，检测装置具有获取波长光谱的CCD传感器的 像素面，像素面和/或色散装置相对于第一孔图案如此地倾斜地取向， 即，使得成像在第一多个孔中的焦点的波长光谱无重叠地轰击在像素 面上。
在此应如此地进行像素面和色散装置相对于第一孔图案的取向， 即，使得成像在第一多个孔中的焦点的波长光谱无重叠地过渡到彼此中。
为了在适当的范围内并以所需的精度来确定被清晰地成像在各 个孔中的焦点的波长，作如下设置，即，由焦点获得第一光谱，改变 光路路径长度的光学元件被布置到焦点的光路中，获得带有改变的光 路的焦点的第二光谱，将这两个光谱彼此相减且基于所产生的不同符 号的相等的峰值来确定焦点光辐射的波长。
根据另外的用于确定代表焦点的波长或波长范围特征的测量曲 线中的峰值的建议，作如下设置以用于确定背景，即，通过确定轰击 到第二多个孔(其与第 一 多个孔相关联)中的光线的光i普来确定焦点的 光谱的背景的光谱曲线，其中，第二多个孔的布置偏离多焦照明图案 的布置。在此，优选地，与一个第一孔相关联的若干个第二孔的光线 的光谱被平均以用于背景确定。
如果依次地测量物体的部分区域以测量物体，则相继的部分区域
应包括共同的子部分区域，其占相应的部分区域的50%至95%。因此， 各次测量之间方便的关联是可能的。另外，可作如下设置，即，为了 确定物体的至少一截段的形状，以每秒25到50幅图像之间的图像频 率依次地拍摄这些部分区域。
该测量方法优选地设置用于牙齿或者说牙齿区域的口腔内测量。 为此，可将带有转向装置的物镜插入到口部区域中以进行测量。
本发明另外的细节、优点和特征不仅可从各权利要求以及从这些 权利要求所获悉的特征(独立地和/或組合地)中得出，还可从由附图描 述所获悉的优选的实施例中得出。
其中
图l以原理图显示了测量组件的第一实施形式， 图2显示了照明图案， 图3显示了光谱分布 图4显示了测量曲线
14图5显示了带有第一和第二多个孔的孔布置
图6显示了带有分束器的微透镜阵列和针孔阵列的单体式 (monolithisch)实施形式。
图7显示了测量组件的第二实施形式,且
图8显示了通过两个测量曲线相减所确定的峰值位置。
在这些其中基本相同的元件设有相同参考标号的图中，显示了测 量组件的不同实施形式，从而尤其地以在口腔内的方式扫描 一颗牙齿 或其区域或若干颗牙齿或它们的区域，以便获取三维形状。在此，代 表形状的数据可以数字的形式提供被使用，从而可以通常的方式用 CAD/CAM方法从尤其经预烧结的陶覺坯中制造出牙齿仿制品。
在此，测量组件包括作为基本元件的光源10，例如卣素灯，其光 线通过透镜12被进行平行校正。被平行校正的光线束落到微透镜阵 列14上，其在大色像差的物镜18的焦平面中成像出照明图案16。由 樣丈透镜阵列14产生的照明图案可例如具有20mmx 15mm的大小(带有 约1600个焦点)，或例如具有5mm x 6.5mm的大小，带有约2000个 焦点(成250pm间距)。在图2中纯粹示范性地显示了相应的照明图案 14，其中通过参考标号20,22示范性地指出了两个焦点。
照明图案16可如此地/没计，即，4吏得所得到的焦点20，22的直径 相应地约为25lam或约为12pm。
为了改善照明结构可将微透镜阵列14与位于物镜18的物平面中 的与之相协调的针孔阵列相结合。在此，针孔阵列的孔与通过焦点 20,22构成的照明图案在几何上或根据位置而相协调。
根据

图1的图示，源自光源IO的光线在照明图案16后落到分束 器24上，透射的部分自其而落到带有大色像差的物镜18上。
根据所绘图示，分束器24显示为带有部分反光层的板。备选地 也可为其它分光元件。举例来说，例如分束器立方体。也可考虑环状 的镜子或较小的镜子，其中，分别地，外侧或内侧的光束部分用于下文所说明的4企测或用于照明。
通过转向装置26(例如转向镜)将穿过物镜18的光束成像到4寺测 量的物体28(例如牙齿)上。在此，照明图案16的平面和物体28之间 的距离如此地选择，即，焦点在通过转向装置26转向后被成像到物 体28的表面上，其中，视物体表面至物镜18的距离而定，不同的颜 色(也就是说，波长)被清晰地成像。在此，所选择的图像比例 (Abbildungsmassstab)决定了测量场的大小和分辨率。
由物体28所发出的辐射或者说光线部分地落回到物镜18中且在 分束器24处的部分反射后落到第一孔图案或针孔阵列30上，其多个 孔在孔的彼此间距离、大小和总体几何布置方面与照明图案16相对 应。
换句话说，针孔阵列30的(也就是，其多个孔的)轴向和横向位置 如此地选择，即，使得在物体28的表面上的焦点共焦地被成像到针 孔阵列30的孔中。因此，针孔阵列30的每个孔限定了被成像的焦点 (在物体28的表面上)的X-, Y-坐标。
在图5中示出了针孔阵列30的设计方案，其中，空心的圆圈32 在其布置和延伸方面与照明图案16的焦点的图案相对应。
通过物镜18的大色像差，在相应的由照明图案16的焦点的位置 所限定的测量点处，根据其至物镜18的距离，仅一种确定的颜色清 晰地被成像出，也就是说，仅一种确定的波长满足共焦条件。相应地， 在透射穿过针孔阵列30的相应的孔32的光线的光谱中在该波长处出 现强度最大值。
随着测量点密度的增加和物体28的光线辐射的增加，除了峰值 波长外，越来越多的白光部分也穿过孔或针孔。为了尽管如此仍能在 适当的范围内并以所要求的精度确定代表焦点的峰值波长，作如下设 置，即，在针孔阵列30之后布置有与照明图案16且因此与针孔阵列 30的孔图案相协调的光谱计组件，其在实施例中由光学系统34,36和 布置在这两者之间的可为棱镜38的光谱色散元件组成。通过可由一个或多个透镜构成的光学系统34,36将针孔阵列30成 像到作为检测装置40的CCD面传感器上。光谱色散元件，也就是棱 镜38，引起带有强度最大值的出现在孔中的焦点的光线的波长范围的 横向光谱扩展，从而使得，针孔阵列30的每个孔被成像到CCD面传 感器40(也就是布置在平面中的像素)上的一条直线上，其中，如同在 行列光谱计中，沿该直线的位置与特定的波长相关。在此，由光学系 统34,36和棱镜30构成的光谱色散单元和CCD传感器40相对于针孔 阵列30如此地定位，即，使得针孔阵列30的相继的多个孔的横向地 被扩展开的光语线 一 一 其现在形成了在像素上的线 一 一 无空隙或几 乎无空隙地过渡到彼此中而不发生重叠。
因此由图3可看出，测量点间的所有像素由于该原因均被用于光 语扩展且由此用于峰值位置的确定。实心圓圏42代表测量点且伸延 向下一测量点44的箭头46代表了成像在与测量点42相对应的针孔 阵列的孔中的焦点的被横向地扩展开的光谱线。
如果示范性地选择上面所述的带有所述尺寸的照明图案和带有1 百万像素(像素大小6.7pm x 6.7pm)的6.4mm x 4.8mm大小的CCD芯 片或摄像机芯片，则每个测量点有186个像素可供光谱扩展使用。在 线宽为2个像素时(与针孔直径相对应)对于大约2000个背景点和大约 2000个测量点中的每个点实现了用于光谱扩展的带有各93个元素的 行列光谱计。拍^l图像后，图像信息或测量数据的评价在CCD传感 器上已完成或是在外部单元上完成。为此，在每个测量点中通过合适 的算法确定光语的峰值位置且由此确定每个测量点到物体28的距离。 因此，利用一张图像可在网格点或测量点中获得物体28的三维结构， 其中，分辨率依赖于所选择的焦点距离和物镜18的图像比例。
如果网格点的间距大于所要求的分辨率且/或无法从透视中获取 三维结构，则可相应地移动照明图案16。如果测量组件为手动操纵的 设备，则可通过测量组件的连续的运动来实现物体28的完全获取， 其中，将所生成的单张图像以合适的方式结合成总的图像。
17就如所提到的，当物体28强烈散射时，不仅被清晰地成像的焦 点的波长而且连相当大量的白光也被成像到针孔阵列30的孔32中， 所以，必须采取方法以消除或降低由此引起的背景。
为了说明在测量和评价中白光背景的意义，在图4中显示了作为 该物体28的牙齿处的典型的测量信号48。在测量信号48处的白光背 景的部分越高，则每个测量点中背景52的光谱曲线须被知道得越精 确，以用于确定代表焦点的波长的峰值50的位置。为此可使用如下 方法，其纯原理性地通过图5而被说明。那么，针孔阵列30除了焦 点被成像到其中的孔32外还具有另外的不与照明图案14相一致的孔 54。与根据图5的优选的布置相应，不与照明图案14相一致的孔54 位于与照明图案14相应的孔32之间。在焦点不被成像到其中的孔54 中的光语大致代表了邻近的、其中成像有焦点且因此形成测量点的孔 32的背景信号。在此，备选地，单个邻近的基本上仅包含白光的孔 54的测量信号可被用作背景，或者，若干个邻近的孔54的平均值被 用于背景52的确定。在此，孔54可被称为未被照亮的孔或针孔而孔 32可被称为被照亮的孔或针孔。
相应于其中成像有焦点的被照亮的孔或第一多个孔32以及被用 于背景确定的第二多个孔54(其也被称为未被照亮的孔)的布置，则与 在其中焦点的数量与针孔或孔32的数量相一致的变型相比，对每个
测量点而言仅有一半的像素可供光谱扩展使用。
用于确定白光部分的另 一的可能性是使用平面平行板56，其布置 到位于第一分束器24和光束转向装置26之间、尤其位于物镜18和 第一分束器24之间的光路中。在光路中的平面平行板56引起焦点的 轴向移动，其最终在测量信号中引起峰值位置的移动。通过在一个位 置处的带有和没有平面平行板56的连续的图像拍摄，对每个测量点 而言可获得带有不同峰值位置和相同背景的两个光谱。由此，通过两 个光谱的相减，可消除背景。在图8中显示了通过两个光谱相减所得 到的典型信号曲线。人们可清楚地看到由相减所确定的峰值58,60,其距离由平面平行板56来确定。
对于用于确定未知的物距的进一步的评价而言，可使用不同的特
性参数，尤其是两个极值(也就是峰值58,60)和/或交零的光语位置。
可设置有实时图像获取以用于辅助定位并用于各单个图像的关 联(用于产生总图像)。为此，在实施例中设置有另外的摄像机芯片62, 物体28成像到其上。额外地可设置有另外的光源64,其优选地通过 转向装置26而照射物体28。作为一个光源64的替代，也可设置若干 个光源。对于实时图像拍摄，光源64应发射出在这样的光谱范围中 的光线，该光谱范围位于原本的测量所使用的波长范围之外。由此， 实时图像和测量彼此独立是可能的。
为了分光，可将具有对于测量信号的高透射和对于实时图像信号 的高反射的第二分束器66(例如二向性滤光器)应用到物镜18和第一 分束器24之间的光路中。
如所提到的，同样使用物镜18以用于将物体28成像到摄像机芯 片62上，其中，摄像机芯片62的轴向位置如此地选择，即，使得大 约在测量区域的中部中，实时图像是清晰的。
尤其地在用于牙齿测量的口腔内应用中，测量组件或测量仪器的 结构大小和结构形式非常重要。因此，在本发明的设计方案中，可仅 将物镜18和光束转向装置26布置在手持仪器的可插入到口腔空间中 的口腔内部分中。其它部件可被集成在手持仪器的口腔外部分中或集 成在单独的仪器单元中。在光源紧凑的情形下，在手持仪器中的集成 是可行的。
作为卣素灯10的替代，也可考虑其它光源，例如带有合适的平 行校正光学系统的若干个不同颜色的LED或一个白光LED。
光源10可备选地被集成在外部仪器中且光线通过纤维而被引导 到该手持仪器中，其中，光导体的退耦端位于平行校正透镜12的焦 点处，或若干个相应的光导体的退耦端本身扮演了照明图案的焦点(代 替微透镜阵列的焦点)。为了产生多焦照明图案16,作为微透镜阵列14的替代或补充， 还可使用可布置在各图中所示的照明图案16的平面中的针孔阵列。
给定微透镜阵列14和针孔阵列30的精确的几何和空间关系对于 测量组件的精确测量和方便的手持性而言是重要的。为了使这一点成 为现实，可选择原理上可由图6获悉的单体式实施形式。在可具有立 方体几何形状的该单体式实施形式中还进一步集成了第一分束器24。
如果物体28不是通过单次的拍摄，而是通过大量的拍摄(也就是 通过单独的多个图像)而被测量或扫描，则各个图像须具有彼此间的明 确的关联以使方便的评价成为可能。为此，尤其地可作如下设置，即， 各个图像部分地重叠，重叠部分占每个图像的50 %至95 %。在物体 28上引入固定点可备选地或补充地作为对于各个图像的重叠的辅助 手段。
作为对所提到的优选地构造成手持仪器的测量仪器的手工移动 的备选，可将控制元件集成在测量组件中以便移动测量点。在此，最 大的需要的移动路径相应于测量点距离扣除所期望的分辨率，即，在 所说明的实施例中在所期望的分辨率下为225(im(250,孔间距离 -25pm分辨率)。
由图7得出用于获得单个图像的一种可能性。那么，可在测量光 束中——更确切地说在实施例中在物镜18前——布置平面平行板 70,72,其中，也可使用带有两个转动轴(见箭头74,76)的一个板。在此， 转动轴优选地在由平面平行板70,72所限定的平面中伸延。另外一种 可能的实施形式是使用可移动或可转动的转向镜(例如转向装置26)作 为可变的光束转向系统。
关于实时图像需作如下说明，即，尤其地当照明图案在用于实时 图像获取的光谱范围中不清晰时，备选地可弃用额外的光源。
此外，可使用衍射元件以用于产生大色像差，和/或使用衍射元件 或光栅作为色散元件，和/或使用CMOS检测器作为CCD芯片的替代， 和/或使用LCD调制器或DMD作为微透镜阵列的替代以用于产生照明图案。
权利要求
1.一种用于物体(28)、尤其是半透明物体的至少一部分的三维测量的测量组件，包括带有连续光谱的光源(10)、用于产生多焦照明图案(16)的装置(14)、带有大色像差用于将所述照明图案的焦点成像到所述物体上的物镜(18)、例如CCD面检测器等的用于确定通过所述物镜共焦地被成像到所述物体上的焦点的波长光谱的检测单元(40)，以及布置在共焦地被成像的焦点和检测装置之间的光谱色散装置(34，36，38)，其特征在于，在共焦地被成像的焦点的平面中布置有带有第一多个孔(32)的第一孔图案(30)，其中，所述第一多个孔的几何布置与所述多焦照明图案的焦点的几何布置相对应。
2. 根据权利要求1所述的测量组件，其特征在于，所述色散装置 (34,36,38)包括将成像在所述第一多个孔(32)中的焦点成像到所述检测 装置(40)上的光学系统，其带有将每个焦点的相应的光谱横向地扩展 开的色散元件，例如棱镜。
3. 根据权利要求1或2所述的测量组件，其特征在于，所述成像 光学系统包括带有布置在其间的所述色散元件(38)的、例如透镜或透 镜系统等的两个光学系统(34,36)。
4. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述检测装置(40)包括CCD面传感器的布置在面中的像素，并且，所 述光i普色散装置(34,36，38)相对于所述第一孔图案(30)和/或所述检测 装置相对于所述色散装置如此地布置，即，使得被横向地扩展开的光 语无重叠地轰击在像素面上。
5. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 被扩展开的光语如此地轰击到像素面上，即，相继地被横向地扩展开 的光谱无像素地过渡到彼此中。
6. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 在所述物镜(18)的在光源侧伸延的第一焦平面中在所述光源(10)之后布置有微透镜阵列(14)，用于产生所述多焦照明图案(16)。
7. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 在所述物镜(l8)的第一焦平面中布置有第二孔图案，所述多焦照明图 案的焦点可被成像在该第二孔图案的多个孔中，或，该第二孔图案的 多个孔限定了所述多焦照明图案。
8. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 在所述物镜(28)和所述检测装置(40)之间布置有将光转向到所述第一 孔图案(30)上的第 一分束器(24)。
9. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述测量组件具有照射所述物体(28)的第二光源(64)。
10. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述第二光源(64)的光谱范围位于所述第一光源(10)的波长范围之夕卜， 其主要可被评价以用于所述物体(28)的形状获取。
11. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 在所述第一分束器(24)和所述物镜(18)之间布置有第二分束器(66)，通 过它可将对所述物体(28)进行成像的所述第二光源(64)的光成像到获 取装置(62)上。
12. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述获取装置(62)为摄像机。
13. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述第二分束器(66)在光学上作如下设计，即，得到针对用于所述焦 点的共焦成像的光的高透射和针对所述第二光源(64)的光的高反射。
14. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述第二分束器(66)是二向性滤光器。
15. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述第 一孔图案(30)具有与所述第 一多个孔(32)相关联的用于确定测 量结果的背景的第二多个孔(54)。
16. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于，在所述物镜(18)和所述物体(28)之间布置有光束转向装置(26)。
17. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 带有所述光束转向装置(26)的物镜(18)是所述测量组件的在口腔内使 用的截段。
18. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述第一光源(10)是卣素灯。
19. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述第一光源(10)包括白光LED或若干个彩色LED或由它们所组成。
20. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述第一光源(10)的辐射可通过这样的光导体而^f皮供应，该光导体的 退耦端位于平行校正光学系统(12)的焦平面中。
21. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述第一光源(10)的辐射可通过这样的光导体而被供应，其退耦端位 于所述物镜(l8)的第一物平面中且由此作为所述^t透镜阵列的焦点的 替代而本身形成所述照明图案的焦点。
22. 4艮据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述第一光源(10)的辐射可通过这样的一个或多个光导体而被供应， 其退耦端位于平行校正光学系统(12)的焦平面中，在其之后，所述光 导体的经平行校正的光束落到所述微透镜阵列(14)上。
23. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述第一光源(10)的辐射可通过这样的光导体而被供应，其退耦端位 于所述物镜(18)的第一物平面中。
24. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述微透镜阵列(14)、所述第一孔图案(30)、以及所述第一分束器(24) 构造成结构单元。
25. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 所述单元具有立方体几何形状。
26. 根据前述权利要求中至少一项所迷的测量组件，其特征在于，在所述第一分束器(24)和所述物镜(18)之间布置有至少一个平面平行中伸延的轴而转动。
27. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 例如转向镜等的所述转向装置(26)构造成可移动和/或可翻转的。
28. 根据前述权利要求中至少一项所述的测量组件，其特征在于， 可通过将所述平面平行板(56)推入到光路中来改变测量光束的光程。
29. —种用于物体、尤其是半透明物体的至少一个截段、例如牙 齿的至少一截段的形状的测量的方法，使用用于产生带有连续光谱的 光线的光源、用于产生多焦照明图案的装置、带有大色像差用于将所 述照明图案的焦点成像到所述物体上的物镜、用于确定通过所述物镜 共焦地成像到所述物体上的焦点的波长光谱的检测装置，其中，基于 相应的波长光谱确定每个焦点的光i普峰值位置，基于该峰值位置而计 算在成像光束方向(Z-坐标)上所述物体的延伸，其特征在于，在共焦 地被成像的焦点的平面中布置有带有第 一多个孔的第 一孔图案，该第 一多个孔的几何布置与所述多焦照明图案的布置相关，并且，通过所 述第一多个孔的位置而限定垂直于成像光束而伸延的平面(X-,Y-坐标) 中的物体上的焦点的位置，其中，被成像在所述多个孔中的焦点的波 长光谱同时地被所述检测装置所获取。
30. 根据权利要求29所述的方法，其特征在于，利用布置在所述 第 一孔图案之后的色散装置将每个成像在孔中的焦点的波长光谱横 向地扩展开。
31. 根据权利要求29或30所述的方法，其特征在于，所述检测 装置具有获取所述波长光谱的CCD传感器的像素面，所述像素面和/ 或所述色散装置相对于所述第一孔图案如此倾斜地取向，即，使得成 像在所述第一多个孔中的焦点的波长光谱无重叠地轰击在所述像素 面上。
32. 根据权利要求29至31中至少一项所述的方法，其特征在于，所述像素面和/或所述色散装置相对于所述第一孔图案如此倾斜地取向，即，使得成像在所述第一多个孔中的焦点的波长光谱无像素地过渡到彼此中。
33. 根据权利要求29至32中至少一项所述的方法，其特征在于，由焦点确定第一光谱，将改变所述光路的路径长度的光学元件布置到所述焦点的光if各中，由带有改变的光路的焦点确定第二光谱，将所述两个光谱彼此相减，并且，基于所产生的不同符号的相等的峰值确定所述焦点的光的波长。
34. 根据权利要求29至33中至少一项所述的方法，其特征在于，通过确定在与所述第 一多个孔相关联的第二多个孔中轰击的光线的光语来确定所述焦点的光谱的背景的光谱曲线，其中，所述第二多个孔的布置偏离所述多焦照明图案的布置。
35. 根据权利要求29至34中至少一项所述的方法，其特征在于，将与一个第一孔相关联的若干个第二孔的光线的光谱加以平均以用于背景确定。
36. 根据权利要求29至35中至少一项所述的方法，其特征在于，所述物体以在口月空内的方式净皮测量。
37. 根据权利要求29至36中至少一项所述的方法，其特征在于，为了测量所述物体，依次地测量所述物体的部分区域，其中，相继的部分区域包括共同的子部分区域，其占所述部分区域的50%至95%。
38. 才艮据权利要求29至37中至少一项所述的方法，其特征在于，为了确定所述物体的至少一个截段的形状，以在每秒25和50个图像之间的图像频率依次地拍摄所述所述部分区域。
39. 根据权利要求29至38中至少一项所述的方法，其特征在于，将布置在所述物体和所述物镜之间的转向装置移位以用于所述部分区域的成像。
40. 根据权利要求29至39中至少一项所述的方法，其特征在于，将所述转向装置与所述物体作为单元进行移位以用于所述部分区域的成像。
41. 根据权利要求29至40中至少一项所述的方法，其特征在于， 为确定所述部分区域，将所述多焦照明图案移位，并且，所述第一孔 图案同步地被移位。
42. 根据权利要求29至41中至少一项所述的方法，其特征在于， 通过例如CCD芯片等的图像获取装置将所述物体成像，其中，为了 成像选用这样的光谱范围，在该光谱范围中，成像在物体上的照明图 案模糊地被成像。
全文摘要
本发明涉及一种用于物体(28)的至少一部分的三维测量的测量组件和方法，包括带有连续光谱的光源(10)、用于产生多焦照明图案(16)的装置(14)、带有大色像差的用于将照明图案的焦点成像到物体上的物镜(18)、用于确定通过物镜共焦地被成像在物体上的焦点的波长光谱的检测单元(40)、和布置在共焦地被成像的焦点和检测装置之间的光谱色散装置(34，36，38)。为了在运动的物体的情形下也能在相对短的时间内生成具有高精度的表面轮廓，作如下建议，即，在共焦地被成像的焦点的平面中布置有带有第一多个孔(32)的第一孔图案(30)，其中，第一多个孔的几何布置与多焦照明图案的焦点的几何布置相对应。
文档编号G01B11/24GK101688771SQ200880013077
公开日2010年3月31日 申请日期2008年4月24日 优先权日2007年4月24日
发明者K·斯托克, M·米勒, R·希布斯特, R·格拉泽 申请人:德固萨有限责任公司