根据共焦显微术的基本原理的高速测量设备和方法技术

本发明专利技术涉及根据共焦显微术的基本原理的测量设备和方法，包括光源（１）、用于限制光束的光阑装置（３）、用于将由光源辐射的并且穿过光阑装置的光（５）聚焦到要测量的物体（６）上的投影光学装置（４）。此外还包括用于在物体上被反向散射并且穿过相同的投影光学装置或者被布置在观测路径（７）中的其他光阑装置的光（５）的接收光学装置（１０）以及具有至少两个对辐射敏感的传感器元件（１３，１４）（像素）的图像接收器（１０）。为了产生包含高度信息的测量照片，在光源（１）和／或图像接收器（１０）与物体（６）之间的光路中布置有用于改变光学路径长度的装置（１１），其中可以以预先给定的方式改变焦点的光学距离（ｄ）。可以如此影响在曝光时间间隔（Ｔ）期间至少两个传感器元件（１３，１４）中的电荷（Ｑ↓［１３］，Ｑ↓［１４］）的累积对观测光路（７）的光强的依赖性，以致可以根据在曝光时间间隔期间从至少两个传感器元件所获得的强度值的分布来重构物体的高度坐标（ｚ↓［ｓ］）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及按照权利要求1的前序部分的、根据共焦显微术的基本原理的测量设备和方法。这样的测量设备被用于测量物体，并且在此不仅允许沿着轴的点的测量(二维测量)而且允许围绕该轴布置的平面的测量(三维测量)。因此，这样的装置适用于点传感器以及适用于面传感器。
技术介绍
共焦的3D测量的基本原理是已知的。根据现有技术通过以下方式实现对物点的高度的确定，即针对光阑装置的多孔格板的每个点确定最大光量在物体相对于投影光学装置或者相对于整个测量设备的哪个位置中反向通过该多孔格板。为此，在物体相对于投影光学装置移动时记录多个单图像，并且针对每个像点确定图序中的强度最大的图像。根据对图序内的单图像的位置的了解，可以确定物体的高度轮廓。然而在此情况下必须典型地记录由数十个至数百个图像所组成的图序，因此测量过程在采用常用的拍摄技术时必须持续几秒或者甚至更长时间。将整个拍摄缩短为对于建立口腔内的牙齿拍摄来说被认为可接受的大约200ms的时间间隔需要采用极其昂贵的视频技术和数据分析或者放弃三维中的至少一维的精度。此外，也对用于产生物镜和投影光学装置之间的相对移动的机械装置提出高的要求。在现有技术中已知的是，通过插入由具有另一光学密度的介质所组成的元件来产生物体和拍摄光学装置之间的距离的快速变化，所述元件具有可变厚度并且被如此移动，使得有效厚度在时间变化过程中被改变。这里例如玻璃适合作为介质。此外，已知在用于测量牙齿的口腔内摄像机时使用3D测量技术，所述口腔内摄像机按照相移三角测量原理工作。此外，对于常用的3D测量方法来说使用点传感器或者行传感器是已知的，其中于是为了测量3D物体而进行物体和传感器的移动，这常常被称为扫描。
技术实现思路
根据本专利技术，根据共焦显微术的基本原理的测量设备具有光源、用于将由光源所辐射的光聚焦到要测量的物体上的投影光学装置、以及此外用于物点的在物体上被反向散射并且穿过相同的投影光学装置的光的图像接收器，该图像接收器具有至少两个对辐射敏感的传感器元件。在此，该测量设备具有以下特性，即至少两个传感器元件被分配给通过投影光学装置被照射的物点。该测量设备包含用于改变光阑装置和物体之间的光路中的光学路径长度的装置，其中可以以预先给定的方式改变投影光学装置的像平面的光学距离。可以如此影响在曝光时间间隔期间至少两个传感器元件中的电荷的累积对观测光路的光强的依赖性，以致可以建立与投影光学装置的像平面的光学距离的关系，使得可以根据在曝光时间间隔期间从至少两个传感器元件所获得的强度值的分布来重构物体的高度坐标。有利地，物体的投影区域在对辐射敏感的传感器元件的平面中至少如此大，以致两个传感器元件中的至少一个在曝光时间间隔期间完全位于投影区域内。该重构可以通过以下方式来实现，即从两个传感器元件获得的信息被分配给每个被改变的光学路径长度。利用根据该原理的设备可以在比较短的时间内利用共焦显微术的方法进行测量。为此只需要唯一的拍摄，在所述拍摄中在曝光时间间隔期间进行所述光学距离的调节。此外，该测量设备可以包含用于在物体上产生亮度分布的光阑装置。由此可以同时检验多于一个的物点。该测量设备的有利的扩展方案的特征在于，可以通过光阑装置产生多个物点，其中应该存在与所检测的物点至少一样多的共同起作用的传感器元件组。以这种方式改善高度坐标的分界。此外，该测量设备可以在物体和接收器之间的光路中具有用于使观测光路偏转的装置。因此，可以实现光和接收光学装置的空间上的分离，所述空间上的分离在狭小的空间情况下使所需要的部件的布置简化。有利地，该偏转装置被构造为分光器。该偏转装置优选地被布置在光阑装置和光源之间。此外，可以布置在投影光学装置和光阑装置之间。该测量设备的有利的扩展方案在于，设有可移动的光阑，该光阑根据移动路径至少部分地遮蔽传感器元件。光阑可以被如此构造，使得光阑的移动导致对至少一个传感器元件的遮蔽的减少，并且同时导致对至少另一传感器元件的遮蔽的增加。此外，光阑可以在起始位置中完全遮蔽所述传感器元件的一部分，而在最终位置中完全遮蔽所述传感器元件的另一部分，并且在中间位置中不仅遮蔽一个传感器元件的一部分而且还遮蔽另外的传感器元件的一部分。这可以利用光阑的相同的不透光部件来实现。因此，可以实现传感器元件的最大可能的强度差，并且因此提高信号噪声比。在此，所述传感器元件的一部分的遮蔽程度有利地对应于所述传感器元件的另一部分的照射面积的程度。以这种方式，能够实现根据至少两个传感器元件的强度值的分布所获得的关系的线性化，并且简化系统的校准。本专利技术的有利的改进方案在于，光阑装置被构造用于物体的二维扫描。为此，该光阑装置被构造为二维的，并且具有多个单个的彼此相间隔的光阑孔径。各个光阑孔径彼此的距离决定光阑装置的占空比。这样的光阑装置根据共焦测量是充分已知的。有利地，设有调节装置，以便如此调节光阑装置，使得在第二测量中也由光阑装置的占空比检测在第一测量中未被投影的区域。这导致分辨率被提高超出由占空比所给定的标准(Mass)。行传感器适合作为用于创建二维照片的图像接收器，其中该照片是尺寸、尤其是高度坐标。对于具有高度坐标的三维照片来说，面传感器适合作为图像接收器。有利地，图像接收器被实施为CCD传感器。替代于此，图像接收器可以被构造为CMOS传感器。可以通过被布置在观测光路中的分光器来改变传感器元件的灵敏度，所述分光器将相同的图像传输给第二传感器元件，其中在测量时间间隔期间在两个传感器元件之间借助于电子和/或光学辅助装置来叠化。这允许两个独立的传感器的运行。有利地，至少两个共同起作用的传感器元件的灵敏度随着光学路径长度的继续改变而在一个传感器元件中增加并且在另一传感器元件中下降。由此，可以建立传感器元件的信息和要确定的高度之间的简单关系。有意义的是，使光阑装置的平均占空比(Tastabstand)匹配于所期望的测量精度。本专利技术方法在于，根据共焦显微术的基本原理使光从光源辐射到要测量的物体上，其中所述光通过投影光学装置被聚焦，并且其中此外物点的在物体上被反向散射并且穿过相同的投影光学装置的光借助于具有至少两个对辐射敏感的传感器元件的图像接收器来接收。该测量的特征在于，将至少两个传感器元件分配给被照射的物点。此外，像平面的光学距离可以以预先给定的方式经由被布置在光阑装置和物体之间的光路中的装置来改变，并且在曝光时间间隔期间通过装置如此来改变在至少两个传感器元件中所产生的电荷的累积对观测光路中的光强的依赖性，以致建立该累积与投影光学装置的像平面的光学距离之间的关系，使得可以根据在曝光时间间隔期间从至少两个传感器元件所获得的强度值的分布来重构物体的高度坐标。物体在对辐射敏感的传感器元件的平面中的投影区域至少如此大，以致两个传感器元件中的至少一个在曝光时间间隔期间完全位于该投影区域内。附图说明借助附图来阐述本专利技术方法。图1示出具有本专利技术构造的、按照共焦显微术的基本原理的测量设备的基本结构，图2示出借助于牙齿所示的所基于的测量问题，图3借助于凹槽示出测量问题的说明，图4A示出在改变d期间在处于观测光路中的光阑装置之后由物点反向散射的光的时间强度分布(强度最大值的时间位置包含关于物点的高度z的信息)，图4B示出在扫描物体期间光学路径的改变的强度分布，图5示出本专利技术光阑本文档来自技高网...

【技术保护点】
根据共焦显微术的基本原理的测量设备，包括光源（１）、用于使由所述光源（１）所辐射的光（５）聚焦到要测量的物体（６）上的投影光学装置（４），此外还包括用于物点（６′）的在所述物体（６）上被反向散射并且穿过相同的投影光学装置（４）的光（７）的图像接收器（１０），该图像接收器具有至少两个对辐射敏感的传感器元件（１３，１４）（像素），其特征在于，－至少两个传感器元件（１３，１４）被分配给通过投影光学装置（４，９）被照射的物点，－用于改变光学路径长度（ｄ）的装置（１１）被布置在光阑装置（３）和所述物体（６）之间的光路中，其中可以以预先给定的方式改变像平面的光学距离（ｄ），以及－设有装置，该装置如此影响在曝光时间间隔（Ｔ）期间所述至少两个传感器元件（１３，１４）中的电荷（Ｑ↓［１３］，Ｑ↓［１４］）的累积与观测光路（７）的光强，以致建立与所述投影光学装置（４）的像平面的光学距离（ｄ）的关系，使得可以根据在曝光时间间隔（Ｔ）期间从所述至少两个传感器元件（１３，１４）所获得的强度值的分布来重构所述物体（６）的高度坐标（ｚ↓［ｓ］）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J普菲菲尔，
申请(专利权)人：塞隆纳牙科系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]