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Die
vorliegende Erfindung betrifft Instrumente zum Messen optischer
Eigenschaften – zum
Beispiel Farbe, Lichtdurchlässigkeit
und/oder Glanz – von
Objekten und, spezieller, solche Instrumente zur Verwendung bei
zahnmedizinischen Anwendungen.
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Eine
Einrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 ist in
WO-A-97/41767 offenbart.
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Die
Bestimmung des Farbtons oder der Farbe eines Objekts ist ein Prozess,
welcher auf dem Gebiet der Zahnmedizin häufig durchgeführt wird.
Um Zahnrestaurationen eines beschädigten Zahns durchzuführen, vergleicht
ein Zahnarzt die Farbe des zu ersetzenden Zahns visuell mit einem
Sortiment von Zahnfarbmustern. Diese Zahnfarbmuster sind physische
Muster, welche die Farbe von im Handel erhältlichen Restaurationsmaterialien
wie etwa Keramik repräsentieren.
Die Muster enthalten die exakte Spezifikation von Materialien, die benötigt werden,
um einen Ersatzzahn mit dem Farbton des Originalzahns herzustellen,
der durch den visuellen Vergleich des Zahnarztes bestimmt wurde.
Sobald der Zahnarzt ein Zahnfarbmuster gefunden hat, welches mit
der Farbe des Zahns übereinstimmt,
oder in manchen Fällen
mit der Farbe verbliebener benachbarter Zähne, ist er in der Lage, die
geforderten Ersatz herzustellen. Dieser Prozess ist jedoch sehr
zeitaufwendig und recht subjektiv und führt häufig zu Restaurationen mit
schlecht angepasstem Farbton.
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Auf
dem Gebiet der Zahnmedizin werden oft intraorale Kameras verwendet,
um Bilder von Zähnen
zu erfassen und Behandlungspläne
für Kavitäten und
andere mechanische Rekonstruktionen festzulegen. Diese Kameras sind
so konstruiert, dass sie flexibel sind und in der Lage sind, Messergebnisse
an schwer zugänglichen
Stellen zu erfassen, die im Mund oft zu finden sind; sie bewahren
jedoch nicht die Farbtreue, das heißt, sie erfassen nicht die
wahre Farbe des gemessenen Objekts.
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Manche
Zahnärzte
versuchen, intraorale Kameras zur Unterstützung beim Prozess der Farbtonbestimmung
zu verwenden. Leider treten bei herkömmlichen intraoralen Kameras
zwei Probleme auf: Entfernungsempfindlichkeit aufgrund der Beleuchtungsgeometrie
und Fehler der Farbdiskrimination aufgrund von Beschränkungen
des Sensors.
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Was
das erste Problem anbelangt, so verwenden intraorale Kameras gewöhnlich eine
faseroptische Beleuchtung, um die Größe des Handstückes zu
verringern. Eine solche Einrichtung ist in
U.S. Re. 36,434 von Hamlin et al., neu
erteilt am 7. Dezember 1999, offenbart. Das Ziel von Hamlin sowie
der meisten intraoralen Kameras ist es, eine kleine Messspitze an
einem Handstück
zur Verfügung
zu stellen, welche verwendet werden kann, um schwer erreichbare
Bereiche in einem Mund zu sondieren. Obwohl eine faseroptische Beleuchtung
von Nutzen ist, um hohe Beleuchtungsgrade zu gewährleisten, und mit kleinen
Spitzen von Messsonden kompatibel ist, besteht ein Nachteil einer
beliebigen kleinen Beleuchtungsquelle, welche einen größeren Bereich
beleuchtet, darin, dass es sich bei dem projizierten Strahl um divergentes
Licht handeln muss. Für
die Intensität
eines divergenten Strahls gilt die nachfolgend angegebene invers-quadratische
Beziehung:
wobei I die Intensität ist, D
die Entfernung von der Beleuchtungsquelle ist und ΔD ein Zuwachs
des Abstands D von der Lichtquelle ist. Die Idee von Gleichung 1
ist in
1 dargestellt, wobei die faseroptische Quelle
115 einen
Beleuchtungs-Fluss
112 zu
Entfernungen D und D plus ΔD
projiziert. Dabei ist die Intensität des Flusses
112 im
Abstand D gemäß Gleichung
1 in einer Entfernung D von der Lichtquelle
115 größer als
in einer Entfernung D plus ΔD.
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Es
ist bekannt, dass, wenn die Änderung
der Entfernung zur Beleuchtungsquelle wesentlich ist, bezogen auf
den Abstand zur Quelle, die Beleuchtungsleistung sich wesentlich ändert und
dabei eine so genannte ungleichmäßige Beleuchtung
erzeugt. Insbesondere bei Objekten, die nahe an der Faseroptik positio niert
sind, werden gewisse Bereiche des Objekts ungleichmäßig beleuchtet,
da sich das Licht von der Beleuchtungsquelle schnell zerstreut,
wenn es sich von der Quelle entfernt. Außerdem kann, wenn mehrere Lichtquellen
verwendet werden, um ein Objekt zu beleuchten, das Objekt in verschiedenen
Bereichen ungleichmäßig beleuchtet
werden.
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Ein
Beispiel einer ungleichmäßigen Beleuchtung
der Oberfläche
eines Objekts wird unter weiterer Bezugnahme auf 1 verständlich.
Wie dargestellt, wird eine gekrümmte
Fläche
eines Zahns T, die für
Zwecke der Erläuterung
leicht übertrieben
dargestellt ist, innerhalb eines Lichtflusses 112 beleuchtet
der von einer Lichtquelle 115 projiziert wird. Ein Bereich
des Zahns 113 liegt in einer Entfernung D von der Lichtquelle 115, und
ein Bereich 114 liegt in einer Entfernung D plus ΔD von der
Lichtquelle 115. Wie oben erläutert, ist die Intensität des Lichtes
in der Entfernung D größer als
in der Entfernung D plus ΔD.
Dementsprechend werden die Bereiche 113 und 114 nicht
mit derselben Lichtintensität
beleuchtet, das heißt,
die Beleuchtung ist ungleichmäßig. Sensoren,
die von dem Zahn T reflektiertes Licht erfassen, sammeln dann inkonsistente
Farbinformationen von diesen Bereichen.
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Ein
Beispiel einer ungleichmäßigen Beleuchtung
eines Objekts mit mehreren faseroptischen Lichtquellen ist in 2 dargestellt.
Beispielhafte faseroptische Lichtquellen 120 und 122 projizieren
Lichtflüsse 130 und 140,
um den Zahn T zu beleuchten. Diese Lichtflüsse werden von dem Zahn reflektiert
und werden von einem Bildsensor erfasst, welcher der Einfachheit
halber nicht dargestellt ist. Wie ersichtlich, wird der Zahnbereich 122 primär durch
den Lichtfluss 140 beleuchtet, jedoch der Bereich 124 wird
durch eine Kombination der Lichtflüsse 130 und 140 beleuchtet.
Natürlich
ist diese Beleuchtung dreidimensional, auch wenn sie hier nur in
zwei Dimensionen abgebildet ist. Ferner wird, wenn weitere faseroptische
Lichtquellen hinzugefügt werden,
der Zahn sogar in noch mehr Bereiche mit unterschiedlicher Überlappung
der Beleuchtung unterteilt. In Anbetracht dieser ungleichmäßigen Beleuchtung
wird ein Farbsensor, der das von dem Zahn reflektierte Licht er fasst,
zwangsläufig
von Bereich zu Bereich inkonsistente Farbinformationen erfassen.
Zum Beispiel kann das, was im Bereich 122 als "hellerer Farbton" erfasst wird, im
Bereich 124 aufgrund der ungleichmäßigen Beleuchtung als "dunklerer Farbton" erfasst werden.
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Bei
einer ungleichmäßigen Beleuchtung
stützen
sich herkömmliche
intraorale Kameras in entscheidender Weise auf die Positionierung
der Beleuchtungsquelle, welche bei der praktischen Anwendung nicht
aufrechterhalten werden kann. Dies hat wesentliche Fehler zur Folge,
welche die Bestimmung des Zahnfarbtons beeinflussen.
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Es
wurden andere, speziell für
die Bestimmung von Zahnfarbtönen
entwickelte Einrichtungen vorgeschlagen, welche eine bidirektionale
faseroptische Beleuchtung verwenden. Ein solches Verfahren ist in
dem
US-Patent 6,038,024 beschrieben,
das am 14. März
2000 an Berner erteilt wurde. Eine Einschränkung dieses Beleuchtungsverfahrens
ist, dass die Beleuchtungsintensität im Bereich der Überschneidung
der zwei projizierten Strahlen maximiert wird. Oft werden wesentliche
Abschnitte des ausgemessenen Bereiches nicht von beiden Strahlen
beleuchtet und haben daher einen niedrigeren und unvorhersagbaren
Beleuchtungswert.
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Sie
ungleichmäßige Beleuchtung
von Berner ist in 3 dargestellt. Ein faseroptisches
Bündel 150 wird
an einem Ende mit Licht gespeist. Vor der Ankunft an der Sondenspitze
wird das Bündel
in zwei Bündel 152 und 154 verzweigt
oder geteilt.
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Die
Bündel
werden mechanisch unter bestimmten festen Winkeln auf den Zielzahn
T gerichtet. Oft werden Kollimationslinsen 156, 158 in
den Beleuchtungspfad zwischen dem faseroptischen Bündel und
dem Ziel T eingefügt,
um die Entfernungsempfindlichkeit der Beleuchtungsleistung zu verringern.
Jedes Bündel
erzeugt einen Lichtfluss 162 bzw. 164, der aus
zwei Richtungen mit Kollimationslinsen 156, 158 auf
den Zahn T projiziert wird. Wie man sieht, überschneiden sich die Flüsse 162 und 164 am
Zahn T, was zur Folge hat, dass die Intensität im Bereich 169 höher ist
als die Intensitäten
in den Bereichen 167 und 171, da diese Bereiche 167 und 171 sowie
andere per phere Bereiche jeweils nur von einem der Lichtflüsse 164 und 162 beleuchtet werden.
Die von dem Zahn T reflektierten Flüsse sind der Einfachheit halber
nicht dargestellt.
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In
Anbetracht dieser ungleichmäßigen Beleuchtung
wird ein Farbsensor, der das von dem Zahn reflektierte Licht erfasst,
zwangsläufig
von Bereich zu Bereich inkonsistente Farbwertinformationen erfassen.
Zum Beispiel kann das, was im Bereich 167 als "hellerer Farbton" erfasst wird, im
Bereich 169 aufgrund der ungleichmäßigen Beleuchtung als "dunklerer Farbton" erfasst werden.
Außerdem
wird bei mehreren Lichtquellenpfaden das Potential von durch Glanz
verursachen Artefakten erhöht.
Dort, wo Blendartefakte vorhanden sind, wird die Farbe des Ziels
durch das Bild der Lichtquelle selbst anstatt durch das gewünschte Zahnsubjekt ausgewaschen.
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Zusätzlich zu
einer ungleichmäßigen Beleuchtung
verwenden die heutigen intraoralen Kameras Farbfiltermatrix-(Color
Filter Array, CFA) Bildsensoren, welche häufig zu einer ungenauen Farbmessung
beitragen, weil die Filtermatrix auf das Bild angewendet wird. Viele
intraorale Kameras weisen Farbfiltermatrizen wie etwa Rot-, Grün- und Blau-(RGB-)
Matrizen und Cyan-, Magenta-, Gelb- und Grün- (Cyan, Magenta, Yellow,
Green, CMYG-)Matrizen, um nur einige zu nennen, auf. Im Allgemeinen
sind diese Farbfiltermatrizen aus einer Vielzahl von benachbarten
Elementen aufgebaut, die "Pixel" (d.h. Bildelemente)
genannt werden. Jedes Pixel misst nur die Bandbreite des Lichts,
für deren
Erfassung es bestimmt ist. Daher wird in einem Bereich eines Bildes,
der einem Pixel entspricht, nur die Bandbreite des für dieses
Pixel spezifischen Lichtes angezeigt, obwohl das gemessene Objekt
andere Farben in diesem Bereich aufweisen kann.
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Die
Funktionsweise von Farbfiltermatrizen und mit ihnen zusammenhängende Probleme
werden anhand einer speziellen Matrix besser verständlich.
In 4 sind einige Pixel eines Sensors mit RGB-Farbfiltermatrix
als R, B, G dargestellt. Diese Pixel R, G und B sammeln, erfassen
oder fühlen
auf den Sensor einfallendes Licht, das roten, grünen bzw. blauen Wellenlängen entspricht.
Der RGB-Sensor wandelt diese erfassten Wel lenlängen in elektronische Daten
um und leitet diese Daten zu einem Prozessor weiter, zur Anzeige
eines Farbbildes des Zahns auf einem Monitor. Obwohl RGB-Sensoren
ein Mittel bieten, um Farbdaten für einen Zahn zu erfassen, sind
diese Daten oft keine genaue Darstellung der wahren Farbe oder Farbverteilung
auf dem Zahn.
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Farbfiltermatrizen
messen eine Farbe hauptsächlich
aufgrund von zwei Faktoren nicht genau: Pixelabstands-Trennung und
schlechte Farbtreue. Erstens, der Faktor der Pixelabstands-Trennung
wird unter Bezugnahme auf den RGB-Sensor in 4 verständlich.
Jedes einzelne Pixel R, G und B in der RGB-Matrix 100 erfasst
nur eine Bandbreite von Licht, das von einem Punkt auf einem Zahn
reflektiert wird, zum Beispiel nur rot, nur grün oder nur blau. Daher werden,
wenn Zahnabschnitte 101 und 102 beleuchtet werden
und Licht in Richtung der RGB-Matrix
reflektieren und dieses Licht von den entsprechenden Pixeln G bzw.
B detektiert wird, von dem grünen
Pixel nur grüne
Bandbreiten erfasst und von dem Pixel B nur blaue Bandbreiten erfasst.
Obwohl der Abschnitt 101 in Wirklichkeit blau, grün, rot oder
gelb sein oder irgendeine andere Farbe des Spektrums aufweisen kann,
wird im Abschnitt 101 nur die grüne Bandbreite, wenn überhaupt
eine, von dem Pixel G detektiert. In ähnlicher Weise kann der Abschnitt 102 grün sein oder
irgendeine andere Farbe haben, doch werden diese Farben von dem
Pixel B nicht detektiert, da Blau die einzige Bandbreite ist, welche
es erfassen kann.
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Dementsprechend
erfassen RGB-Sensoren nur eine Bandbreite für jeden Punkt auf dem Zahn,
selbst wenn dieser Punkt viele Bandbreiten reflektieren kann. Infolgedessen
beinhalten beliebige Messdaten für
diesen Punkt nur Daten, die von dem Pixel R, G oder B, das mit diesem
Punkt verknüpft
ist, selektiv erfasst wurden. Außerdem werden Prothesen, die
anhand dieser mit einem RGB-Sensor erfassten Messdaten hergestellt wurden,
die wahre Farbe jedes Punktes auf dem Zahn nicht genau wiedergeben.
Diese Erscheinung tritt bei allen CFA-Sensoren auf.
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Der
zweite Faktor, der die Farbmessung beeinträchtigt, ist die schlechte Farbtreue
von Farbfiltermatrizen (CFAs). Der Massenmarkt für Farbsensoren, insbesondere
CFAs, sind die Unterhaltungselektronik und Videoanwendungen. Das
Ziel solcher Geräte
ist es, eine gute Bildauflösung,
eine hohe Geschwindigkeit der Bilderfassung und eine annehmbare
Farbtreue, wie sie für
Rundfunkanwendungen und Anwendungen im Bereich der Bildverarbeitung
für private
Zwecke benötigt
wird, sicherzustellen. CFAs werden so konstruiert, dass sie kostengünstig hergestellt
werden können,
dass sie eine direkte Erfassung von RGB-Daten gewährleisten und dass sie eine
annehmbare niedrige Lichtleistung liefern. Diese Konstruktionsziele
werden auf Kosten der Farbtreue erreicht. Genauer, die heutigen
RGB CFAs erfassen ausgewählte
Wellenlänge
von auf sie einfallendem Licht, sie erfassen jedoch auch zufällig unerwünschte Wellenlängen in
dem Prozess. Zum Beispiel ist ein blaues Pixel einer RGB-Matrix
mit einem Polymer beschichtet, das dazu bestimmt ist, (a) nur zuzulassen,
dass Licht mit blauen Bandbreiten durch das Polymer hindurch – das wie
ein Filter wirkt – übertragen
wird und von diesem Pixel erfasst wird, und (b) alle anderen Wellenlängen zu
dämpfen,
das heißt
zu verhindern, dass sie von diesem Pixel erfasst werden. Typische
CFA-Filter dämpfen
unerwünschte
Wellenlängen
nur um 1/10 des Wertes der maximalen Durchlässigkeit des Filters. Dieser
Mangel an Zurückweisung
von Licht außerhalb
der Wellenlängen,
die von Interesse sind, beeinträchtigt
die Farbtreue in einem Maße,
wie es für
eine genaue Farbmessung inakzeptabel ist.
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Aufgrund
der Probleme bei der Signaldetektion, die durch Pixelabstand und
schlechte Farbtreue verursacht werden, sind Sensoren vom CFA-Typ
für eine
zufriedenstellende Bestimmung des Zahnfarbtons nicht ausreichend
genau.
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Gegenwärtig weisen
die meisten intraoralen Kameras eine Ummantelung auf, um den beleuchtenden Abschnitt
und/oder Bildsensor abzudecken. Herkömmliche Ummantelungen sind
wegwerfbar, so dass sie ausgewechselt werden können, wenn sie versehentlich
oder absichtlich mit dem Mund eines Patienten in Kontakt kommen.
Durch Auswechseln einer Ummantelung zwischen Messungen an verschiedenen
Patienten kann ein Zahnarzt eine Ausbreitung von verunreinigenden
Substanzen wie etwa von infektiösen
Agenzien von einem ersten Patienten zu einem nachfolgenden Patienten
verhindern. Obwohl diese Schutzummantelungen eine Ausbreitung von
verunreinigenden Substanzen verhindern, ist ihr Funktionsumfang
ausschließlich
auf diesen die Hygiene betreffenden Zweck begrenzt.
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Herkömmliche
intraorale Kameras weisen außerdem
eine Handsonde auf, welche ein Zahnarzt in den Mund eines Patienten
einführt
und mit der er Farbbilder erfasst. Über ein Kabel überträgt die Sonde
erfasste Farbmesswerte zu einem Computer, welcher anschließend die
Messwerte verarbeitet, um Bilder zu erzeugen, und diese Bilder auf
einem Monitor anzeigt, damit der Zahnarzt sie betrachten kann. Der
Nachteil des Erfassens von Bildern eines Zahns mit diesen herkömmlichen
Sonden ist, dass der Zahnarzt zurück und vor von der Sonde zum
Monitor blicken muss, um sicherzustellen, dass die Sonde über dem
Zahn positioniert ist, um das gewünschte Bild auf dem Monitor
zu erhalten. Dies kann natürlich
unnötigen
Frust beim Ausrichten der Sonde zum Erfassen von Messwerten des
Zahns verursachen.
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In
vielen Fällen
kommen intraorale Kameras oder Teile derselben absichtlich oder
versehentlich in Kontakt mit der Mundhöhle eines Patienten, wodurch
verunreinigende Substanzen, darunter infektiöse Agenzien, Speichel und/oder
Speisereste, auf die Einrichtung übertragen werden. Zusätzlich zur
Verwendung von der Hygiene dienenden Ummantelungen, wie oben erläutert, reinigen
oder sterilisieren Anwender von intraoralen Kameras nach dem Stand
der Technik häufig
die Kameras. Dies ist oft eine mühsame
Arbeit, da die Kameras eine Vielzahl von Tasten aufweisen, deren
Umgebung sich schwer reinigen lässt,
und/oder faseroptische Bündel,
deren Sterilisation nahezu unmöglich
ist, ohne die optischen Eigenschaften der Fasern zu beeinträchtigen,
da Sterilisationsmittel in die Faseroptik eindringen und die Beleuchtungs-
oder Erfassungskapazitäten
beeinträchtigen.
Dementsprechend müssen
Benutzer von Kameras nach dem Stand der Technik eine zeitaufwendige
Pflege durchführen,
um diese Kameras zu betreiben und zu reinigen.
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Normalerweise
nimmt ein Zahnarzt eine Farbtonbestimmung visuell unter Verwendung
von Zahnfarbmustern vor. Eine Anweisung, welche den Ort der Restauration
und den Farbton beschreibt, wird an das Dentallabor geschickt. Dort
versucht eine Zahntechnikerin, den Zahnfarbton zu kopieren, um eine
Prothese aus einer verfügbaren
Keramik oder einem synthetischen Material herzustellen. Nachdem
die Prothese hergestellt worden ist, wird sie zum Zahnarzt zurückgeschickt,
um beim Patienten eingesetzt zu werden.
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Der
Zahnarzt kann erst, nachdem er die Prothese in die Nähe des beschädigten Zahns
und/oder der umgebenden Zähne
des Patienten gebracht hat, bestimmen, ob die Prothese eine akzeptable
Kopie des beschädigten
Zahns ist. Falls die Prothese nicht richtig passt, muss der Zahnarzt
natürlich
von einem Labor eine zweite Prothese anfertigen lassen, bei der
die von ihm vorgeschlagenen Änderungen
berücksichtigt
sind. Es kann sogar eine zweite Bestimmung des Farbtons des Zahns
erforderlich sein. Die zweite Prothese muss ebenfalls durch den
Zahnarzt mit dem beschädigten
Zahn verglichen werden, um sicherzustellen, dass sie richtig passt.
Dieser Prozess ist sehr kostenaufwendig, wenn mehrere Auswechslungen
der Prothese vorgenommen werden müssen, um zu einer befriedigenden Übereinstimmung
zu gelangen. Außerdem
kostet dieser Prozess die Zeit von Patienten, welche eventuell zu
mehreren Terminen kommen müssen,
bevor eine passende Prothese hergestellt worden ist.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
Merkmale der Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt.
Optionale Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
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In
der Erörterung
wird hier auf ein "Objekt", ein "Material", eine "Oberfläche" usw. Bezug genommen, und
es versteht sich, dass im Allgemeinen eine solche Erörterung
Zähne,
Zahnersatz, Gummis oder andere Prothesen oder Restaurationen, Zahnfüllungsmaterial,
Zahnversiegler oder Ähnliches
oder ande re zahnmedizinische Objekte sowie irgendwelche anderen
Objekt oder Materialien als das "Objekt", das "Material", die "Oberfläche" usw. betreffen kann.
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Diese
und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden
anhand der ausführlichen Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
und der Zeichnungen besser verständlich
und einschätzbar.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Seitenansicht der Intensität
von Licht, das von einer faseroptischen Beleuchtungsquelle nach
dem Stand der Technik projiziert wird;
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2 ist
eine Seitenansicht einer ungleichmäßigen Beleuchtung von einer
faseroptischen Beleuchtungsquelle nach dem Stand der Technik;
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3 ist
eine Seitenansicht einer ungleichmäßigen Beleuchtung von einer
verzweigten faseroptischen Beleuchtungsquelle nach dem Stand der
Technik;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines RGB-Sensors einer intraoralen
Kamera 15 nach dem Stand der Technik, welche Farbdaten
von einem Zahn erfasst;
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5 ist
eine Seitenansicht einer typischen Suchlicht-Beleuchtungseinrichtung der vorliegenden
Erfindung;
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6 ist
eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines optischen
Messinstruments;
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7 ist
eine Seitenansicht eines Bereiches konstanter Beleuchtungsstärke;
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8 ist
eine Seitenansicht eines modifizierten Bereiches konstanter Beleuchtungsstärke, der
bei Suchlichtbeleuchtung verwendet wird;
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9 ist
ein Diagramm, das die Beleuchtungsintensität verschiedener Lichtquellen
vergleicht, wenn die relative Entfernung zu einem Objekt geändert wird;
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10 ist
eine Schnittansicht einer bevorzugten Beleuchtungseinrichtung;
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11 ist
eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Bildgebungs-Teilsystems;
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12 ist
ein Flussdiagramm eines Ausrichtungsprozesses des Bildgebungs-Teilsystems;
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13 ist
eine Endansicht einer Hygieneabschirmung;
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14 ist
eine Seitenansicht einer Hygieneabschirmung während der Verwendung;
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15 ist
eine Seitenansicht eines Sichtlinienmerkmals des optischen Messinstruments;
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16 ist
eine perspektivische Ansicht des Sichtlinienmerkmals;
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17 ist
eine perspektivische Ansicht eines abgedichteten Fensters des optischen
Messinstruments; und
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18 ist
eine perspektivische Ansicht des optischen Messinstruments in einer
in einer Dockingstation.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme auf 6 wird nun die bevorzugte Ausführungsform
des optischen Messinstruments 10 beschrieben. Das optische
Messinstrument 10 weist im Allgemeinen ein Gehäuse 12,
eine Anzeigeeinrichtung 18, einen Prozessor 20,
ein Bildgebungs-Teilsystem 50, eine Beleuchtungseinrichtung 80,
eine Stromquelle 90 und eine Hygieneabschirmung 300 auf.
Das Gehäuse
umfasst Gehäuseteile 12a und 12b,
um einen einfachen Zusammenbau und Zugang zu den darin angebrachten
inneren Bauteilen zu ermöglichen.
Die Gehäuseteile
lassen sich so zusammensetzen und abdichten, dass ein Gehäuse erzeugt
wird, welches eine Verunreinigung empfindlicher innerer Bauteile
durch Staub und Chemikalien verhindert. Das Gehäuse 12 kann aus einem
beliebigen Material hergestellt sein; es ist jedoch ein leichtes,
einfach zu reinigendes, synthetisches Material wie etwa Kunststoff
für den
Gebrauch als Handgerät
und zur Gewährleistung
der Stoßfestigkeit
zu bevorzugen.
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Die
Anzeigeeinrichtung 18 und der Prozessor 20 können separat
oder, wie abgebildet, in einer Einheit integriert sein. Die Anzeigeeinrichtung 18 ist
vorzugsweise eine Flüssigkristallanzeige
(Liquid Crystal Display, LCD). Die LCD-Anzeige weist vorzugsweise
eine Berührungsbildschirm-Schnittstelle
auf, um Bildsteuerung, Datenanzeige und Zielerfassungs-Rückinformation über einen
Video-Bildsucher zu gewährleisten.
Selbstverständlich
können
auch beliebige andere Anzeigebildschirme verwendet werden. Stattdessen
kann das optische Messinstrument auch über ein Kabel (nicht dargestellt)
mit einem Monitor oder einer Anzeigeeinrichtung (nicht dargestellt)
verbunden sein, welche von dem Instrument getrennt ist, zum Anzeigen
von durch das Instrument erfassten Bildern.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist der Prozessor 20 elektrisch mit der Anzeigeeinrichtung 18, der
Beleuchtungsanordnung 80 und dem Bildgebungs-Teilsystem 50 verbunden.
Dieser Prozessor ist in der Lage, digitalisierte Daten zu verarbeiten,
die von dem Bildgebungs-Teilsystem 50 erfasst wurden, und
sie zu formatieren, so dass ein Bild dieser digitalisierten Daten
zum Anzeigebildschirm 18 ausgegeben wird. Der Prozessor
formatiert vorzugsweise digitalisierte Messwerte, wie etwa Tristimuluswert-Bandbreiten,
die durch den Bildsensor 56 erfasst wurden, um ein Bild
des gemessenen Objekts auf der Anzeigeeinrichtung 18 herzustellen.
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Der
Prozessor 20 weist einen Anschluss 22 zum Anschließen des
Instruments 10 an eine Dockingstation auf, die weiter unten
ausführlicher
beschrieben ist, um Bilder und/oder Daten, die von dem optischen Messinstrument
erfasst wurden, auf einen an die Dockingstation angeschlossenen
Computer herunterzuladen, zur weiteren Analyse. Der Anschluss 22 ist
außerdem
mit der Stromquelle 90 elektrisch verbunden (nicht dargestellt),
so dass die Stromquelle wiederaufgeladen werden kann, wenn sich
das Instrument 10 in seiner Dockingstation befindet.
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Die
Beleuchtungseinrichtung 80 ist vorzugsweise in dem Gehäuse 12 in
einer festen Position relativ zu dem Bildgebungs-Teilsystem 50 angebracht.
Dies wird über
Verbinder 82 bewerkstelligt, welche eine beliebige Gestalt
haben können,
so dass sie die zwei Baugruppen in einer festen Position relativ
zueinander halten. Die feste relative Position ist vorzugsweise
so geartet, dass die Beleuchtungseinrichtung 80 ein Objekt,
wie etwa einen Zahn, mit Licht unter einem gewählten Winkel beleuchtet und
das von dem Zahn reflektierte Licht durch das Bildgebungs-Teilsystem 50 unter
einem gewählten
Winkel erfasst wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beleuchtet die Beleuchtungseinrichtung
ein Objekt unter einem Winkel von 18 Grad zur Senkrechten, und das
Bildgebungs-Teilsystem 50 erfasst Licht, das von dem Objekt
reflektiert wurde, in einer zur Oberfläche des Objekts senkrechten
Richtung. Diese Anordnung hilft, Blendartefakte zu reduzieren.
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Natürlich können die
Beleuchtungseinrichtung 80 und das Bildgebungs-Teilsystem 50 mit
einer beliebigen Winkelkonfiguration gestaltet sein, in Abhängigkeit
von der gewünschten
Anwendung. Zum Beispiel können
sowohl die Beleuchtung als auch die Bilderfassung senkrecht zum
Zahn erfolgen. Wie ebenfalls leicht ersichtlich ist, kann die relative
Position zwischen der Beleuchtungsanordnung 80 und dem
Bildgebungs-Teilsystem 50 so
geartet sein, dass bei Kombination mit einem Strahlteiler, wie er
in der Technik bekannt ist, sowohl die Beleuchtung als auch die
Erfassung des von einem Objekt reflektierten Lichts senkrecht zur
Oberfläche eines
Objekts erfolgen können.
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Selbstverständlich können auch
andere herkömmliche
Beleuchtungsanordnungen in dem optischen Messinstrument angebracht
werden, entsprechend den Erfordernissen der Anwendung. Die Anordnungen können auch
Polarisatoren beinhalten, welche den Spiegelglanzeffekt in dem erfassten
Bild begrenzen.
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Suchlichtbeleuchtung
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
des optischen Messinstruments wird eine Suchlichtbeleuchtung verwendet,
um Objekte während
der Messungen optischer Eigenschaften zu beleuchten. Der Begriff "optische Eigenschaften" wird hier in dem
Sinne verwendet, dass er Eigenschaften wie Farbe, Farbton, Licht durchlässigkeit,
Glanz und/oder Form bezeichnet. "Suchlichtbeleuchtung" bedeutet Beleuchtung,
wobei das gemessene Objekt mit konstanter Beleuchtungsstärke beleuchtet
wird. Diese Definition wird anhand der 7 und 8 besser
verständlich. 7 veranschaulicht
die Erscheinung der konstanten Beleuchtungsstärke, die von J. Scheuch in
seinem Artikel, Modeling of Constant Irradiance Illumination System,
S. 22-27, SPIE, Bd. 3428 (1998), erläutert wird.
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Wie
dargelegt, zeigt
1 eine kollimierte gleichförmige Lichtquelle
600.
Der Durchmesser der Austrittsöffnung
620 der
Ulbrichtkugel wird mit ∅
s bezeichnet,
während ∅
L, den Durchmesser der Kollimationsoptik
628 bezeichnet,
die hier eine dünne
Linse ist. Die wirksame Brennweite der Optik wird mit f bezeichnet.
Ein beliebiger Punkt an der Austrittsöffnung der Ulbrichtkugel
620 erzeugt
einen Fluss von kollimierten Strahlen
640a und
630a rechts
von der Linse
628. Es sind auch die ursprünglichen
Lichtflüsse
630 und
640 dargestellt, die
durch den oberen und unteren Rand der Austrittsöffnung
620 gebildet
werden. Das schraffierte Dreieck
650 rechts von der Linse
628 stellt
den Bereich, oder Kegel, gleichmäßiger Beleuchtungsstärke dar.
Obwohl der Bereich als ein zweidimensionales Dreieck dargestellt
ist, ist er in Wirklichkeit selbstverständlich ein dreidimensionaler
Kegel. Natürlich
kann in Abhängigkeit
von der Apertur
620 und der Linse
628 der Bereich
konstanter Beleuchtungsstärke
die Form von Kegeln mit unterschiedlicher gewünschter Gestalt annehmen. In
einem beliebigen Punkt innerhalb dieses Bereiches
650,
senkrecht zur optischen Achse
645, hat dann die Beleuchtungsstärke einen
konstanten Wert. In Punkten außerhalb
des Kegels nimmt die Beleuchtungsstärke mit zunehmender Entfernung
vom Kegel ab. Die entlang der Achse gemessene Entfernung von der
Linse zur Spitze des Kegels wird als die kritische Entfernung Z
c bezeichnet und ist gegeben durch:
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In
einem beliebigen Punkt z entlang der optischen Achse mit z < Z
c kann
der Durchmesser des gleichförmigen
Feldes ∅
F approximiert werden durch:
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Der
Bereich gleichmäßiger Beleuchtungsstärke kann
in seiner Länge
entlang der optischen Achse 745 ausgedehnt werden, wie
in 8 dargestellt. Durch Positionieren der Austrittsöffnung 720 im
Brennpunkt der achromatischen Dublettlinse 738 kann der
Bereich gleichmäßiger Beleuchtungsstärke 760 über eine
erhebliche Entfernung entlang der optischen Achse 745 ausgedehnt
werden, wie weiter unten ausführlicher
erläutert wird.
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Der
Vorteil einer Suchlichtbeleuchtung gegenüber herkömmlichen Beleuchtungsverfahren
wird in dem Diagramm von 9 mit dem Titel "Beleuchtungsintensität verschiedener
Lichtquellen, wenn die Entfernung geändert wird" veranschaulicht. Das Diagramm zeigt
die Beleuchtungsintensität
entlang der Mittelachse für
(a) eine theoretische Beleuchtung durch eine punktförmige Quelle 706,
(b) eine herkömmliche
faseroptische Beleuchtungseinrichtung 704 und (c) eine
Suchlichtquelle 702, die bei der bevorzugten Ausführungsform
verwendet wird. In dem Diagramm stellt die Y-Achse die Lichtintensität entlang
einer Mittelachse der Beleuchtungsquellen dar, die auf dieselbe
Weise projizieren, wenn das Licht projiziert wird. Die X-Achse stellt
die relative Entfernung vom Ziel, das heißt dem gemessenen Objekt, zu
der jeweiligen Quelle dar.
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Wie
dargestellt, ist die Intensität
entlang der Mittelachse von der theoretischen punktförmigen Quelle 706 und
der faseroptischen Beleuchtungseinrichtung 704 sehr hoch,
wenn sich das Ziel nahe an diesen Quellen befindet; die Intensität nimmt
jedoch schnell ab, wenn sich die relative Entfernung von der Quelle
zum Ziel vergrößert. Dagegen
bleibt bei einer Suchlicht-Beleuchtungseinrichtung 702,
welche per Definition eine konstante Beleuchtungsstärke aufweist,
die Intensität
entlang der optischen Achse bei einer Entfernung innerhalb des Betriebsbereiches
der Beleuchtungseinrichtung im Wesentlichen gleichmäßig, wie
hier beispielhaft dargestellt ist, von einer relativen Entfernung
von ungefähr
0,95 bis ungefähr
1,0. In einer Entfernung, die etwas größer als 1,05 ist, beginnt sich
die Intensität
vom Suchlicht allmählich
zu verringern, jedoch mit einer Geschwindigkeit, die wesentlich
niedriger ist als bei der theoretischen punktförmigen Quelle 706 und
der herkömmlichen faseroptischen
Beleuchtungseinrichtung 704.
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Natürlich wird,
wenn die Entfernung von der Beleuchtungsquelle zum Ziel erheblich
vergrößert wird (im
Diagramm nicht dargestellt), sogar die Beleuchtungsintensität des Suchlichtes
anfangen, sich entlang der optischen Achse zu verringern. Für die Zwecke
der Realisierung der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung sind jedoch beleuchtete Ziele oder Objekte in einer vorgewählten Entfernung
von der Suchlichtquelle positioniert, so dass sie sich im Wesentlichen
innerhalb des Bereichs konstanter Beleuchtungsstärke befinden.
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Das
Diagramm von 9 und die zugehörigen Daten
sind lediglich beispielhaft; Ziele, die in anderen relativen Entfernungen
von den Lichtquellen angeordnet sind, können durch die Suchlichtquelle
anders als dargestellt beleuchtet werden. Außerdem kann, selbst wenn die
Beleuchtungsintensität
für Suchlichtquellen entlang
einer Mittelachse in relativen Entfernungen, die größer sind
als ungefähr
1, scheinbar abnimmt, ein Objekt, das sich in einer relativen Entfernung
befindet, die größer als
1 ist, noch immer als innerhalb des Bereiches konstanter Beleuchtungsstärke beleuchtet
angesehen werden. Der Begriff "konstante
Beleuchtungsstärke" wird im Rahmen der
vorliegenden Erfindung in dem Sinne verwendet, dass er eine Beleuchtungsstärke (oder
Licht) bezeichnet, welche im Wesentlichen eine gleichmäßige Intensität in drei
Dimensionen aufweist, den Dimensionen X und Y und der Dimension
Z, welche vorzugsweise axial mit der Mittelachse einer Lichtquelle
ausgerichtet ist. Der Begriff "im
Wesentlichen gleichmäßig" wird im Rahmen der
vorliegenden Erfindung in dem Sinne verwendet, dass er bedeutet,
dass das Licht vorzugsweise um etwa ± 4% in jeder der drei Dimensionen,
besser um etwa ± 2%
in jeder der drei Dimensionen und am besten um etwa ± 1% in
jeder der drei Dimensionen schwankt.
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Bei
dem optischen Messinstrument der vorliegenden Ausführungsform
wird eine Suchlichtbeleuchtung verwendet, um ein Objekt zu beleuchten,
während
die optischen Eigenschaften des Objekts gemessen werden. 5 zeigt
allgemein eine Suchlicht-Beleuchtungseinrichtung, und 10 zeigt
die Suchlicht-Beleuchtungseinrichtung, wie sie bei der bevorzugten
Ausführungsform
des optischen Messinstruments gestaltet ist.
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Es
wird auf 5 Bezug genommen; Lichtflüsse 530 und 540 werden
durch eine Austrittsöffnung 520 einer
Beleuchtungsquelle 518 hindurch projiziert, welche als
eine Ulbrichtkugel dargestellt ist, jedoch eine beliebige Quelle
von gleichmäßigem diffusem
Licht sein kann. Die Lichtflüsse
werden auf eine Linse 528 projiziert, die in einer vorgewählten Entfernung
M von der Beleuchtungsquelle 518 positioniert ist. In Abhängigkeit von
der gewünschten
Größe des Bereichs
konstanter Beleuchtungsstärke 560 wird
diese Entfernung M experimentell bestimmt. Die Lichtflüsse 530 und 540,
die durch die Linse 528 geleitet werden, bilden einen Bereich konstanter
Beleuchtungsstärke 560,
der die durchgeleiteten Lichtflüsse 530a und 540a enthält. Die
Linse kann natürlich
eine beliebige Gestalt aufweisen, die in der Lage ist, Bereiche
konstanter Beleuchtungsstärke
zu bilden, und muss nicht auf die dargestellte achromatische Dublettlinse
beschränkt
sein.
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Die
Suchlicht-Beleuchtungseinrichtung 80, welche die Quelle 518 und
die Linse 528 enthält,
wird vorzugsweise in einer vorgewählten Entfernung D vom Mittelpunkt
des Objekts angeordnet, für
welches optische Messwerte erfasst werden sollen. Der Mittelpunkt
des Nennobjekts oder Ziels kann ungefähr 50 Millimeter bis ungefähr 100 Millimeter
von der Linse entfernt angeordnet sein, besser ungefähr 60 Millimeter
bis ungefähr
70 Millimeter von der Linse entfernt, noch besser ungefähr 63 Millimeter
bis ungefähr
67 Millimeter von der Linse entfernt und am besten ungefähr 65 Millimeter
von der Linse entfernt. Diese Entfernung D legt eine Bezugsentfernung
fest, innerhalb welcher alle Punkte des Objekts, das optisch gemessen
wird, in dem Bereich konstanter Beleuchtungsstärke 560 beleuchtet
werden. Für
die Zwecke der Durchführung
optischer Messungen von Zähnen
ist es wünschenswert,
einen wesentlichen Teil des Zahns oder verbliebener Zähne mit
dem Bereich konstanter Beleuchtungsstärke 560 zu beleuchten.
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Um
die Entfernung D festzulegen und sicherzustellen, dass sich die
Punkte des gemessenen Objekts innerhalb des Bereichs konstanter
Beleuchtungsstärke
befinden, wird ein Abstandshalter verwendet, um die Beleuchtungseinrichtung 80 von
dem Zahn zu trennen. Vorzugsweise ist eine Hygieneabschirmung, die
weiter unten ausführlicher
beschrieben ist, an dem optischen Messinstrument befestigt, welches
die Beleuchtungseinrichtung enthält,
so dass, wenn die Abschirmung an dem Zahn oder diesem benachbart
angeordnet ist, die Entfernung D hergestellt ist und der Zahn in
dem Bereich konstanter Beleuchtungsstärke positioniert ist. Es ist klar,
dass die Beleuchtungseinrichtung 80 so positioniert wird,
dass das Licht des Bereiches konstanter Beleuchtungsstärke reflektiert
wird und von dem Bildgebungs-Teilsystem des bevorzugten optischen
Messinstruments erfasst wird, das weiter unten ausführlicher
beschrieben wird.
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Unter
Bezugnahme auf 10 wird nun die bevorzugte Konfiguration
der Beleuchtungseinrichtung 80 beschrieben. Die Beleuchtungseinrichtung 80 weist
im Allgemeinen eine Lichtquelle 818 auf, welche vorzugsweise
eine Halogenlampe ist, die weißes
Licht emittiert. Natürlich
kann eine beliebige herkömmliche
Lampe, Glühlampe
oder Quelle von gleichmäßigem und
diffusem Licht verwendet werden, in Abhängigkeit von der gewünschten
Anwendung. Vorzugsweise ist die Lichtquelle 818 in ein
Teilgehäuse 854 eingebaut,
welches von einem Hauptgehäuse 850 demontierbar
ist, so dass die Lichtquelle 818 ausgewechselt oder gewartet
werden kann. Ein fokussierender Reflektor 810 fokussiert
Licht von der Lichtquelle 818 durch die Apertur 820 hindurch, so
dass Lichtstrahlen auf eine Linse 828 projiziert werden.
Optional kann die Apertur 820 einen ihr benachbarten lichtformenden
Diffusor 816 aufweisen, welcher eine gleichmäßige Lichtverteilung
gewährleistet
und die Lichtflüsse
homoge nisiert, um eine gleichmäßige Anwendung
bei der Übertragung
von Licht von der Lichtquelle 818 zur Linse 828 sicherzustellen.
Der bevorzugte lichtformende Diffusor kann bei Physical Optics Corporation
of Torrance, California, bezogen werden. Natürlich kann ein beliebiger Diffusor
bezogen werden, der in der Lage ist, Licht zu homogenisieren und/oder
die Gleichmäßigkeit
von Licht zu verbessern, das von einer Lichtquelle zu einer Linse
gesendet wird.
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Lichtstrahlen
von der Lichtquelle 818 werden durch die Apertur 820 hindurch
projiziert, deren Größe von der
gewünschten
Anwendung und der Verteilung der Suchlichtbeleuchtung durch die
Beleuchtungseinrichtung 80 bestimmt wird. Die Apertur kann
optional mit einem Wärmeabsorber 814 bedeckt
sein, welcher vorzugsweise die Form einer wärmeabsorbierenden Glasplatte
oder von synthetischem Material hat. Der Wärmeabsorber 814 absorbiert überschüssige Wärme, die
von der Lichtquelle 818 erzeugt wird. Natürlich kann
bei Anwendungen, bei denen nicht die Gefahr eines Wärmestaus
besteht, auf diesen Wärmeabsorber 814 verzichtet
werden.
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Die
Beleuchtungseinrichtung 80 weist außerdem eine Lichtbegrenzungssperre 832 auf,
welche das Licht, das von der Apertur 820 auf die Linse 828 projiziert
wird, exakt konfiguriert. Wie leicht einzusehen ist, sind Lamellen
gegen die optische Rückstreuung 852 im
Gehäuse 850 enthalten,
um eine übermäßige Rückstreuung
von Licht zu verhindern, welches sich mit dem Licht vermengen könnte, das
von der Lichtquelle 818 zur Linse 828 gesendet
wird. Natürlich
können
diese Lamellen 852 gefärbt
sein, etwa mit einer schwarzen oder dunklen Farbe, um die Rückstreuung
von Licht noch weiter zu reduzieren.
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Das
Gehäuse
der Beleuchtungseinrichtung hält
die Linse 828 in einer vorgegebenen Entfernung von der
Lichtquelle 818, um die Suchlichtbeleuchtung, die von der
Beleuchtungseinrichtung 80 projiziert wird, zu optimieren.
Natürlich
kann, wie oben unter Bezugnahme auf 5 erläutert wurde,
die Entfernung von der Linse zur Lichtquelle geändert werden, um die gewünschte Suchlichtbeleuchtung
zu erhalten. Die Linse ist vorzugsweise eine achromatische Dublettlinse,
doch kann selbstverständlich
eine beliebige Linse verwendet werden, die in der Lage ist, für einen
Bereich konstanter Beleuchtungsstärke über erhebliche Entfernungen
entlang der optischen Achse der Linse zu sorgen.
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Es
wird auf 6 Bezug genommen; die Beleuchtungseinrichtung 80 ist
so konfiguriert, dass sie sich in einer festen Position relativ
zu dem optischen Bildgebungs-Teilsystem 50 befindet, so
dass die von dem gemessenen Objekt reflektierte Beleuchtung zurück zu dem
Bildgebungs-Teilsystem 50 zur Erfassung und anschließenden Messung
optischer Eigenschaften eines Objekts reflektiert wird. Die Funktionsweise
der in 10 dargestellten Beleuchtungseinrichtung
ist dieselbe wie die, welche oben unter Bezugnahme auf die in 5 dargestellte
typische Beleuchtungseinrichtung der vorliegenden Erfindung erläutert wurde.
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Bildgebungs-Teilsystem
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf 6 und 11 das
Bildgebungs-Teilsystem 50 beschrieben. Das Bildgebungs-Teilsystem ist elektrisch
mit dem Prozessor 22 verbunden, um eine Übertragung
von optische Eigenschaften beinhaltenden Daten in digitalisierter
Form, die von dem Bildgebungs-Teilsystem 50 erfasst
wurden, zum Prozessor 20 zu ermöglichen. Die elektrischen Stiftklemmen 52 können mit
einem Kabel (nicht dargestellt) verbunden werden, welches diese
elektrische Verbindung mit dem Prozessor 20 gewährleistet.
Zusätzlich
kann der Verbinder 52 mit einem weiteren Kabel (nicht dargestellt)
verbunden werden, welches eine elektrische Verbindung mit der Stromquelle 90 herstellt,
um den Betrieb des Motors 54 und des Bildsensors 56,
die in 11 dargestellt sind, zu ermöglichen.
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Es
wird insbesondere auf 11 Bezug genommen; das bevorzugte
Bildgebungs-Teilsystem beinhaltet eine Linse 58, die in
einer Abdeckung 59 angebracht ist; eine Filterrad-Baugruppe 60,
die drehbar an einem Schrittmotor 54 angebracht ist und
von diesem angetrieben wird, welcher an einer Stützplatte 66 befestigt
ist; einen Positionssensor 62 zum Weiterschalten (Indexieren)
der Rotation des Filterrades 60 und einen Bildsensor 56.
Das Teilsystem kann optional eine Infrarot-Sperrlinse 64 enthalten, um
zu verhindern, das Infrarotbandbreiten den Bildsensor erreichen.
Alle diese Elemente sind ausgerichtet, so dass Licht L, das von
einem Zahn reflektiert wird, durch die Linse 58, eines
der Filterelemente 60a-f und die Infrarot-Sperrlinse 64 geleitet
wird und schließlich
auf den Bildsensor 56 auftrifft und von diesem erfasst
oder gesammelt wird. Der Bildsensor 56 wandelt dieses Licht
in eine digitalisierte Form um und überträgt die digitale Form zum Prozessor 20.
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Stattdessen
kann das Bildgebungs-Teilsystem so konfiguriert sein, dass die Filterbaugruppe
zwischen einer Beleuchtungsquelle und dem gemessenen Objekt (nicht
dargestellt) positioniert ist. Auf diese Weise würde Licht von der Beleuchtungsquelle
durch die Elemente der Filterbaugruppe geleitet, bevor es von dem
Zahn reflektiert wird; reflektiertes Licht, das auf den Bildsensor
auftrifft, würde
jedoch nach wie vor Bandbreiten angehören, die von den Filterelementen
selektiv übertragen
werden.
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Die
Linse 58 weist vorzugsweise eine geringe chromatische Aberration über dem
sichtbaren Lichtspektrum aus dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis
700 nm auf. Die Linse fokussiert Licht L zu dem Bildsensor 56 hin
und bewirkt, dass das Licht in dem Prozess durch die Elemente des
Filterrades 60a–60f hindurch
geleitet wird. Die Filterradbaugruppe der bevorzugten Ausführungsform
ist ein Sektor von 180 Grad, der sechs Elemente enthält. Natürlich kann
die Baugruppe von beliebiger Form sein und eine beliebige Anzahl
von Filterelementen enthalten.
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Die
Filterradbaugruppe 60 der bevorzugten Ausführungsform
enthält
Filterelemente 60a–f,
wobei die Filterelemente 60a–d vorgewählte Bandpassfunktionen haben. "Bandpassfunktion" bedeutet Informationen, welche
verwendet werden, um festzulegen, wie ein Filter spezielle Wellenlängen von
Licht absorbiert, wenn dieses Licht, auch als "Strahlungsfluss" bezeichnet, durch ein Material geleitet
wird. Noch besser hat das Filterelement 60a eine Bandpassfunktion,
welche ihm ermöglicht,
nur X-Tristimuluswert-Bandbreiten zu übertragen und alle anderen
Bandbreiten zu dämpfen; 60b hat
eine Bandpassfunktion, welche ihm ermöglicht, nur Y-Tristimuluswert-Bandbreiten
zu übertragen
und alle anderen Bandbreiten zu dämpfen; 60c hat eine
Bandpassfunktion, welche ihm ermöglicht,
nur Z-Tristimuluswert-Bandbreiten
zu übertragen
und alle anderen Bandbreiten zu dämpfen; und 60d hat
eine Bandpassfunktion, welche ihm ermöglicht, nur X'-Tristimuluswert-Bandbreiten
zu übertragen
und alle anderen Bandbreiten zu dämpfen. Diese Filter dämpfen konsistent
Bandbreiten außerhalb
gewählter
Bandbreiten auf weniger als ungefähr 1/40, besser auf weniger
als 1/100 und noch besser auf weniger als 1/1000 des Wertes der
maximalen Durchlässigkeit
des Filters. Natürlich
können
die Filterelemente 60a–d
eine beliebige Bandpassfunktion haben und eine wunschgemäße Dämpfung haben,
und ihre Anzahl kann geändert
werden, so dass nur eine ausgewählte
Anzahl von Filtern bei der Messung verwendet wird.
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Optional
kann die Filterbaugruppe 60 ein lichtundurchlässiges Element 60e aufweisen,
um Dunkelstrominformationen des Bildsensors 56 festzustellen.
Dunkelstrominformationen sind Strom, welcher in einem Bildsensor
fließt,
wenn keine optische Strahlung auf den Sensor auftrifft. Dieser Strom
verzerrt im Grunde die elektronischen Signale, die durch den Sensor
zu dem Prozessor übertragen
werden. Dementsprechend ist es wünschenswert,
diese Dunkelstrominformationen zu messen und von den elektronischen
Signalen zu subtrahieren, die während
der Erfassung von zu dem Sensor übertragenen
Bandbreiten erzeugt werden, so dass die anschließenden Messungen optischer
Eigenschaften diese Dunkelstrominformationen nicht mit beinhalten. Das
Filterrad kann außerdem
einen offenen Element-Bereich 60f aufweisen, welcher alle
Lichtwellenlängen zu
dem Bildsensor durchlässt.
Das Durchlassen aller Lichtwellenlängen zu dem Bildsensor kann
gewünscht werden,
wenn ein Bild eines Objekts erstmals erfasst wird, um zu helfen,
Bereiche des Zahns zu identifizieren, die einen hohen Glanz aufweisen.
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Es
wird auf 11 Bezug genommen; das Filter
wird mit einem Indexierstift 69 weitergeschaltet (indexiert),
welcher mit dem Positionssensor zusammenwirkt, um den Takt der Bildabtastung
durch den Bildsensor 56 und die Ausrichtung der einzelnen
Filterelemente 60a–f über dem
Bildsensor 56 zu synchronisieren. Der Positionssensor kann
ein Photodioden-Positionssensor
sein, oder ein beliebiger anderer Sensor, der in der Lage ist, die
Bewegung des Filterrades 60 durch Detektion der Position
des Indexierstiftes 69 zu erfassen. Der Positionssensor 62 ist
mit dem Prozessor 20 elektrisch verbunden, so dass der
Prozessor den Schrittmotor 54 in Gang setzen kann. Der
Schrittmotor 54 dreht die Filterradbaugruppe in vorgewählten Winkelelementen schrittweise
zu Positionselementen des Filterrades 60a–f über dem
Bildsensor, so dass Licht durch die Lichtleitelemente hindurch zu
dem Bildsensor 56 geleitet wird.
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Der
Schrittmotor 54 ist an der Rückseite der Stützplatte 66 auf
eine Weise befestigt, welche eine Kontamination, Magnetfeld-Wechselwirkung
und Wärmeübertragung
vom Motor zum Bildsensor 56 begrenzt. Der Schrittmotor
dreht vorzugsweise das Sektoren aufweisende Filterrad 60 durch
Indexieren (Weiterschalten) und nicht auf eine frei drehende Art
und Weise.
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Der
Bildsensor 56 ist vorzugsweise ein komplementärer Metalloxid-Halbleiter
(CMOS). Es versteht sich, dass anstelle des CMOS ein beliebiger
monochromatischer Sensor oder Photodetektor verwendet werden kann,
darunter unter anderem ein als ladungsgekoppeltes Bauteil (Charged
Coupling Instrument) ausgeführter
Sensor (CCD-Sensor). Es ist klar, dass der Bildsensor Bandbreiten
des Lichts L sammelt oder erfasst, welches durch jeweilige Filterelemente 60a–d geleitet
wird, diese Funktionen in eine digitalisierte Form umwandelt und
die digitalisierte Form, die auch als elektronische Signale bezeichnet
wird, zu dem Prozessor 20 überträgt.
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Der
Schrittmotor 54 und der Bildsensor 56 sind vollständig synchronisiert,
vorzugsweise durch den Prozessor 20, so dass der Bildsensor 56 die
Bandbreiten erfasst, die durch das jeweilige Filterelement 60a–d übertragen
werden, wenn diese Filter eines nach dem anderen über dem
Bildsensor 56 ausgerichtet werden. Der Positionssensor
liefert eine Rückmeldung
durch Interaktion mit dem Indexierstift 69 an den Prozessor 20, um
den Schrittmotor 54 auf eine gewünschte Art und Weise in Gang
zu setzen und zu deaktivieren.
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Unter
Bezugnahme auf 11 wird nun die bevorzugte Funktionsweise
des Bildgebungs-Teilsystems beschrieben. Von einem Objekt, vorzugsweise
einem Zahn, reflektiertes Licht breitet sich entlang eines Pfades L
durch die Linse 58 hindurch aus. Die Linse 58 fokussiert
das von dem Zahn reflektierte Licht zum Bildsensor 56 hin.
Hierbei werden ausgewählte
Bandbreiten des Lichtes L durch eines der Filterradelemente 60a–f geleitet.
Jedes Hindurchleiten von Licht L durch ein einzelnes Filter, und
jeder Fall, in dem kein Licht durch das lichtundurchlässige Element
geleitet wird, und jeder Fall, in dem das gesamte Licht durch das
offene Element geleitet wird, wird als ein "Frame" (Teilbild, Rahmen) bezeichnet. Der
Schrittmotor 56 richtet nacheinander jedes der Filterelemente 60a–60d und
optional das lichtundurchlässige
und das offene Filterelement 60e bzw. 60f über dem
Bildsensor 56 aus. Der Bildsensor 56 erfasst einen
Frame, wenn ein jeweiliges Filterelement über dem Sensor positioniert
ist. Dementsprechend erfasst der Bildsensor 56 bei der
bevorzugten Ausführungsform Frame
für Frame
verschiedene Tristimuluswert-Bandbreiten, welche durch die Elemente
des Filterrades 60 hindurch übertragen werden.
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Die
Ausrichtung der Elemente 60a–f wird durch den Schrittmotor 54 gesteuert,
welcher von dem Prozessor 20 gesteuert wird. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
befindet sich, wenn eine Farbmessung von Licht L, das von einem
Zahn reflektiert wurde, ausgelöst
wird, der Schrittmotor in einem "Park"-Modus; das heißt, der
Indexstift 69 ist mit dem Positionssensor 62 ausgerichtet.
Während
der Messung veranlasst der Prozessor den Schrittmotor, aus dem "Park"-Modus durch eine
Vielzahl von Teilbewegungen zu rotieren und demzufolge die Filterradbaugruppe 60 um
eine Vielzahl von vorgewählten
Winkeln zu drehen. Diese Winkel sind so beschaffen, dass jedes Filterradelement 60a–60f über dem
Bildsensor positioniert wird, so dass der Bildsensor 56 jeweils
einen Datenframe für
Licht erfasst, das durch die einzelnen Filterelemente geleitet wird, bzw.
für Dunkelstrominformationen,
wenn das Element 60e über
dem Sensor positioniert ist. Auf diese Weise wird zu einem gegebenen
Zeitpunkt oder in einem einzelnen Rahmen nur eine Bandbreite zu
dem Bildsensor geleitet und von ihm erfasst.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
nimmt der Bildsensor 56 drei Farbmesswerte eines Zahns
auf. Jeder Messwert umfasst neun Datenframes, welche anschließend in
einem Prozessor 20 gespeichert werden und so kombiniert
werden, dass sie eine einzige Messung oder ein "Bild" des
Zahns ergeben. Diese Frames repräsentieren
zwei Übertragungen
von X-Bandbreiten von Licht L durch das Filter 60a, zwei Übertragungen von
Y-Bandbreiten von
Licht L durch das Filter 60b, zwei Übertragungen von Z-Bandbreiten
von Licht L durch das Filter 60c, zwei Übertragungen von X'-Bandbreiten von
Licht L durch das Filter 60d und einen einzelnen Frame
für Dunkelstrominformationen,
wenn das lichtundurchlässige
Element 60e über
dem Bildsensor 56 positioniert ist. Diese Duplizierung
von Frames hilft, die erfassten Bandbreiten über die Zeit zu integrieren,
und kann Daten liefern, die zur Stabilisierung des Bilds benötigt werden.
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Der
Begriff "Stabilisierung" wird hier in dem
Sinne verwendet, dass er das Kombinieren der zu verschiedenen Zeitpunkten
erfassten Datenframes bezeichnet, derart, dass an dem resultierenden
Bild nicht zu erkennen ist, dass das optische Messinstrument zwischen
den Zeitpunkten, zu denen die Frames erfasst wurden, bewegt wurde.
Mehrere Frames, die von dem Sensor erfasst wurden, sind zeitlich
voneinander getrennt, da ein kleiner Zeitabschnitt benötigt wird,
um einen ersten Frame zum Beispiel durch das Filterelement 60a hindurch
zu erfassen, die Filterradbaugruppe 60 mit dem Schrittmotor 54 zu
bewegen und den nächsten
Frame zum Beispiel durch das Filterelement 60b hindurch
zu erfassen. Während
dieses kleinen Zeitabschnitts kann der Bediener des optischen Messinstruments
das Instrument versehentlich bewegen, indem er es verdreht oder
erschüttert.
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Dementsprechend
kann sich der Frame, der für
ein Filterelement erfasst wurde, geringfügig von anderen Frames unterscheiden,
und die Frames stimmen dann nicht an jedem Punkt überein.
Um dies zu korrigieren, wendet der Prozessor, nachdem die Daten
von dem Sensor in eine digitalisierte Form umgewandelt und zu dem
Prozessor übermittelt
wurden, spezielle Algorithmen an, um die Frames zueinander auszurichten, so
dass eine wesentliche Anzahl von Punkten auf einem erfassten Frame
mit einer wesentlichen Anzahl von Punkten auf den anderen erfassten
Frames übereinstimmt.
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Ein
Flussdiagramm, welches die Grundkonzeption des Prozesses des Ausrichtens
der Frames umreißt,
ist in 12 dargestellt. Dieser Prozess
wird vorzugsweise durch den Prozessor des Instruments ausgeführt, kann
jedoch, falls gewünscht,
auch durch einen separaten Computer ausgeführt werden. Das Ausrichten
von Frames kann mit der Auswahl von zwei oder mehr auszurichtenden
Bildern beginnen 1002. Ein Teilbereich beider 15 Bilder,
welcher das gewünschte
Objekt enthält,
wird bestimmt 1004. Die Helligkeiten dieser bezeichneten
Bilder werden normalisiert 1005. Es wird ein Anfangswert
der Korrelation zwischen den Bildern berechnet, und ein Schleifenzähler wird
auf null gesetzt 1006. In Makroschritt 1 erfolgt eine Abfrage:
Hat die Korrelation zwischen den Bildern einen akzeptablen Wert 1008?
Falls ja, springt der Prozess zu Makroschritt 2 und Schritt 1030,
wo er den endgültigen
Korrelationswert, den Schleifenzählwert
sowie die Werte von Zeilenversatz, Spaltenversatz und Winkeldrehung
zurückgibt.
Von diesem Schritt aus verläuft
der Prozess weiter zu "beendet" 1032.
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Falls
die Antwort auf die Abfrage 1008 "nein" lautet,
wird der Prozess mit Schritt 1010 fortgesetzt, wo eine
Fehlerfunktion berechnet wird, welche die Spalten-Fehlausrichtung
der zwei Bilder bewertet. In Schritt 1012 wird ein Bild
umpositioniert, um die Spalten-Fehlausrichtung zu beseitigen. In
Schritt 1014 wird eine Fehlerfunktion berechnet, welche
die Zeilen-Fehlausrichtung bewertet. In Schritt 1016 wird
die Korrelation beurteilt; wenn sich die Korrelation verschlechtert
hat, wird die Zeilenbewegung rückgängig gemacht.
In Schritt 1018 wird ein Bild umpositioniert, um die Zeilen-Fehlausrichtung zu
beseitigen. In Schritt 1020 wird die Korrelation beurteilt;
wenn sie sich verschlechtert hat, wird die Spaltenbewegung rückgängig gemacht.
In Schritt 1024 wird eine Fehlerfunktion berechnet, welche
die Winkel-Fehlausrichtung bewertet. In Schritt 1026 wird
die Korrelation beurteilt. Wenn sich die Korrelation verschlechtert
hat, wird die Drehbewegung rückgängig gemacht.
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In
Schritt 1028 erfolgt eine Abfrage: Ist die Schleifengrenze
erreicht? Falls ja, springt der Prozess zu Makroschritt 2 und 1030,
wo er den endgültigen
Korrelationswert, den Schleifenzählwert
sowie die Werte von Zeilenversatz, Spaltenversatz und Winkeldrehung
zurückgibt.
Der Prozess verläuft
dann weiter zu "beendet" 1032. Falls
in Schritt 1028 die Antwort "nein" lautet,
wird ein Wert der Korrelation zwischen den Bildern berechnet 1034;
und der Prozess springt wieder zu Makroschritt 1, um alle Schritte
zu wiederholen, falls erforderlich, beliebig viele Male, bis der
Prozess "beendet" erreicht 1032.
Natürlich
kann der bevorzugte Prozess in der Reihenfolge modifiziert werden.
Schritte können
geändert
und/oder selektiv wiederholt werden. Es können auch verschiedene Schritte
hinzugefügt
werden, in Abhängigkeit
von der gewünschten
Anwendung.
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Wenn
die Punkte jedes Frames mit allen Punkten aller anderen Frames ausgerichtet
sind, werden die Frames gemeinsam angezeigt, so dass ein Bild des
Objekts hergestellt wird, welches das von dem Sensor erfasste Licht
reflektiert hat. Vorzugsweise weist dann eine wesentliche Anzahl
der Punkte dieses Bildes, wenn nicht alle, sämtliche Tristimuluswert-Bandbreiten
auf, das heißt
die X-, Y-, Z- und X'-Tristimuluswert-Bandbreite, welche
von dem Bildsensor erfasst wurden. Dieses Bild wird vorzugsweise
auf der Anzeigeeinrichtung 18 angezeigt und im Mikroprozessor 20 gespeichert.
Das Bild kann von dem Mikroprozessor 20 auf einen Personalcomputer
heruntergeladen werden. Bei Ausführungsformen,
bei denen nur Tristimuluswert-Bandbreiten von
dem Bildgebungssystem erfasst werden, ist klar, dass keine Notwendigkeit
besteht, aufwendige Berechnun gen durchzuführen, um Tristimuluswerte abzuleiten,
wenn der Ausgang des Systems im Tristimuluswert-Format vorliegt.
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Wie
ebenfalls leicht einzusehen ist, können die von dem Bildsensor
erfassten Bandbreiten in einem Bild des Objekts kombiniert und gemittelt
werden, zu Bereichen von einheitlichen Bandbreiten. Es ist außerdem möglich, diejenigen
benachbarten Bildpunkte arithmetisch zu Farbzonen zu kombinieren,
wo die Farbabweichung zwischen diesen benachbarten Bildpunkten einen
vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Auf diese Weise kann die gemessene Zahnfarbe in mehrere Farbzonen
unterteilt werden, die unterschiedliche Farben oder Bandbreiten
aufweisen. Die maximale Anzahl solcher Farbzonen bei einer Prothese
kann begrenzt sein, da ein Zahnarzt oder Prothesenhersteller gewöhnlich eine
Prothese nur in eine begrenzte Anzahl von Farbzonen unterteilt.
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Zusätzlich zum
Abgleichen von Punkten, um die Frames zu stabilisieren und/oder
zueinander auszurichten, um ein Bild des Zahns herzustellen, kann
der Prozessor auch Messfehler detektieren, wenn Frames ungenau erfasst
worden sind. Wenn zum Beispiel der Bediener des optischen Messinstruments
das Messinstrument heftig schwenkt oder nach oben und unten oder
von einer Seite zur anderen bewegt, während aufeinanderfolgende Frames
erfasst werden, kann einer oder können mehrere der erfassten
Frames sich stark von den anderen unterscheiden. Zum Beispiel kann
ein Frame einem Zahn entsprechen, und der nächste kann Zahnfleisch entsprechen,
aufgrund der heftigen Bewegung des optischen Messinstruments zwischen
den Frames. Dementsprechend wäre
es schwierig, die Punkte eines Rahmens mit den entsprechenden Punkten
anderer Rahmen auszurichten, da die Frames recht unterschiedlich
wären.
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In
Fällen,
in denen der Prozessor erkennt, dass sich die erfassten Frames ausreichend
stark voneinander unterscheiden, so dass entsprechende Punkte unterschiedlicher
Frames nicht angeglichen werden können, um ein Bild des Zahns
herzustellen, zeigt der Prozessor dem Bediener an, dass die Messung
wiederholt werden muss. Diese Anzeige kann über Display-Mittel oder beliebige
andere herkömmliche
Alarmmittel übermittelt
werden.
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Dementsprechend
führt der
Bediener nochmals die Messung der optischen Eigenschaft des Zahns durch,
um zufrieden stellende Daten zu erfassen. Infolgedessen stellt das
optische Messinstrument sicher, dass genaue und vollständige Bilder
für eine
weitere Verarbeitung und Herstellung von Zahnprothesen erfasst werden.
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Zusätzlich verfügt der Prozessor
vorzugsweise über
die Fähigkeit,
drei oder mehr Bilder eines Objekts zu speichern. Diese Bilder können rekombiniert
oder unter Verwendung geeigneter Schweiß-Software zusammengeschweißt werden,
um mehrere Bilder zu einem einzigen Bild zu kombinieren. Zum Beispiel
können Zahnärzte Schweiß-Software
anwenden, um einzelne Bilder, die von dem optischen Messinstrument
heruntergeladen wurden, in Form eines einzigen Bildes anzuordnen,
welches die Konfiguration von Zähnen
wiedergibt, die einen beschädigten
Zahn im Mund eines Patienten umgeben.
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Hygieneabschirmung
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Die
in Verbindung mit dem bevorzugten optischen Messinstrument verwendete
Abschirmung ist in 13 und 14 allgemein
dargestellt. Die Abschirmung 300 ist im Allgemeinen ein
Hohlkörper,
der einen konisch zulaufenden Abschnitt 320 aufweist; die
Abmessungen und die Größe der Abschirmung
und ihrer Bestandteile können
jedoch für
unterschiedliche Anwendungen variiert werden. Die Abschirmung ist
vorzugsweise hohl, so dass sie Licht frei passieren lässt, das
heißt,
das erste Ende 322 steht in "beleuchtungstechnischer Verbindung" mit dem zweiten
Ende 310. An einem Ende des konisch zulaufenden Abschnitts
ist das erste Ende 310 angeordnet, welches eine Apertur 312 definiert.
Die Apertur 312 kann von einer beliebigen Größe sein,
in Abhängigkeit
von der Beleuchtungsquelle und der von dem gemessenen Objekt reflektierten
Lichtmenge, die man erfassen möchte.
Referenzfarbstreifen 330 umrahmen die Ränder der Apertur. Diese Streifen
sind der Apertur benachbart oder wenigstens so positioniert, dass
sie sich in dem Bildfeld 350 befinden. Das Bildfeld ist
das Feld, welches in einem Bild enthalten ist, das von einem Bildsensor
des optischen Messinstruments erfasst wird. Die Referenzstreifen
können
sich auf dem konisch zulaufenden Abschnitt 320 befinden,
solange sie in erfassten Bildern enthalten sind. Vorzugsweiße ist die
Farbe der Referenzstreifen gebrochenes Weiß, jedoch kann eine beliebige
Farbe verwendet werden, solange der Streifen von einer bekannten
Farbe ist.
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Während des
Betriebs ist der Referenzstreifen in dem Bildfeld enthalten, wenn
das optische Messinstrument ein Bild eines Objekts erfasst. Die
gemessenen Referenzstreifen-Werte werden mit Werten verglichen, die
während
der Eichung des Instruments erfasst wurden. Dieser Vergleich liefert
nicht nur ein Verfahren, um die Schwankung der Intensität der Lampe
zu bestimmen, sondern liefert auch ein Verfahren, um Änderungen der
Farbtemperatur der Lampe zu bestimmen. Diese Werte müssen beide
bekannt sein, um genaue Farbmessdaten von dem abgebildeten Zahn
zu liefern. Auf alle anderen Objekte in dem Bildfeld 350,
wie etwa einen Zahn, werden Lampen-Kompensationsfaktoren angewendet,
um die wahren Farben dieser Objekte zu bestimmen. Aus diesen wahren
Farben kann dann ein wahres Farbbild des Objekts hergestellt werden.
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Das
Innere des Hohlkörpers
der Abschirmung ist vorzugsweise lichtundurchlässig oder auf andere Weise
mit einem dunklen Material gefärbt,
welches verhindert, dass Umgebungslicht von außerhalb der Abschirmung in
die Abschirmung eindringt und die Daten verfälscht, die in dem Bildfeld 350 erfasst
wurden.
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Die
Abschirmung 300 kann außerdem Hinweise 340 aufweisen,
die am ersten Ende 310 angebracht sind. Die Hinweise sind
vorzugsweise am Ende 310 so gestaltet, dass sie im Bildfeld 350 enthalten
sind, wenn ein Bild erfasst wird. Diese Hinweise können von
beliebiger Art sein, geben jedoch vorzugsweise die Herkunft wie
etwa den Hersteller oder Lieferanten der Wegwerf-Abschirmung an, um eine Fälschung
derselben zu verhindern. Die Hinweise 340 können auch
Patienteninformationen, eine Losnummer der Abschirmung, ein Datum
des Ablaufs der Verwendbarkeitsdauer oder irgendwelche anderen Informationen,
die den Patienten oder das optische Messinstrument betreffen, umfas sen.
Die Hinweise können
auf die Abschirmung gedruckt, in ihr enthalten, an ihr befestigt
oder auf andere Weise auf irgendeine herkömmliche Weise mit der Abschirmung
verbunden sein. Zum Beispiel können
die Hinweise in Form eines bedruckten Aufklebers oder eines Strichcodes angebracht
sein.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
stellt die Abschirmung einen vorgegebenen Abstand von einer Beleuchtungsquelle 80 oder
einem Bildsensor 56 zu einem Objekt her, wie in 14 dargestellt.
Die Länge der
Abschirmung L ist so vorgewählt,
dass, wenn Letztere dem zu messenden Objekt, zum Beispiel dem Zahn T,
benachbart ist oder sich mit ihm in Kontakt befindet, die Beleuchtungsquelle 80 und
der Bildsensor 56 sich in einer bestimmten Entfernung D
von dem Objekt T befinden. Dementsprechend kann die präzise Beleuchtung
oder Abtastung durch die Beleuchtungseinrichtung 80 oder
den Sensor 56 bei jeder Messung reproduziert werden. Diese
bestimmte Entfernung ist außerdem
so vorgewählt,
dass, wenn die Apertur 312 angebracht ist, eine Diffusion
oder Streuung des von der Beleuchtungsquelle 80 erzeugten
Lichts bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Licht die Apertur oder das
gemessene Objekt erreicht, verhindert wird.
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Die
Abschirmung 300 kann an dem optischen Messinstrument auf
irgendeine herkömmliche
Art und Weise befestigt werden, wie in 17 dargestellt.
vorzugsweise weist die Abschirmung Clips 324 auf, welche lösbar an
Stiften 224 des optischen Messinstruments angebracht werden.
Natürlich
kann die Abschirmung auch durch ein beliebiges herkömmliches
Anschlussstück
an dem optischen Messinstrument befestigt werden, je nach den Erfordernissen
der Anwendung.
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Es
ist klar, dass die Abschirmung aus Papier oder Kunststoff oder einem
anderen Material hergestellt sein kann, welches wegwerfbar, reinigungsfähig, wiederverwendbar
oder Ähnliches
sein kann, um einer eventuellen Kontaminationsgefahr Rechnung zu
tragen, welche bei einer bestimmten Anwendung bestehen kann. Die
Abschirmung kann auch wegwerfbar oder wiederverwendbar sein. Im
Falle von wiederverwendbaren Abschirmungen ist die Abschirmung vorzugsweise
aus einem Material herge stellt, welches einer Sterilisation in einem
typischen Autoklaven, Heißdampf-,
Chemiclave- oder Sterilisationssystem standhalten kann.
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Betrachtungslinie
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15 und 16 zeigen
die Betrachtungslinie der bevorzugten Ausführungsform. Das optische Messinstrument 10 weist
ein Gehäuse 12 und
eine darin angebrachte Anzeigeeinrichtung 18 auf. Wie oben erläutert, ist
ein Bildsensor ebenfalls in dem Gehäuse 12 enthalten.
Der Bildsensor erfasst Bilder von einem Bildsensor-Blickfeld 402,
auch als "Abtastlinie" bezeichnet. Die
Abtastlinie verläuft
von dem Gehäuse 12 nach außen, durch
die installierte Abschirmung 300 hindurch zu dem Objekt
hin, für
welches ein Bild erfasst werden soll, zum Beispiel dem Zahn 4.
Das Objekt sollte in dieser Abtastlinie 402 so angeordnet
sein, dass das optische Messinstrument die optischen Eigenschaften
des Objekts abtasten und messen kann.
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Sobald
der Bildsensor eine Messung des Objekts in der Abtastlinie 402 durchführt, wird
dieses Messergebnis von dem Prozessor des Instruments (siehe 6)
verarbeitet und zu der LCD-Anzeigeeinrichtung 18 übertragen.
Die LCD-Anzeigeeinrichtung
zeigt bei der bevorzugten Ausführungsform
die Daten als ein Bild auf ihr an. Das Bild kann, falls gewünscht, vergrößert oder
verkleinert sein. Natürlich
kann eine beliebige herkömmliche
dynamische Anzeigeeinrichtung anstelle einer LCD verwendet werden.
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Wenn
das Bild auf der Anzeigeeinrichtung 18 angezeigt wird,
kann ein Bediener 6 die Anzeigeeinrichtung entlang einer
Blicklinie 400 betrachten. Diese Blicklinie 400 ist
mit der Abtastlinie 402 ausgerichtet, so dass der Bediener 6 den
Zahn auf der Anzeigeeinrichtung in derselben Perspektive sieht,
aus welcher der Bildsensor den Zahn abtastet. Eine Beeinflussung
der Abtastlinie 402 entspricht vorzugsweise einem anderen Bild,
das auf der Anzeigeeinrichtung 18 ausgegeben wird. Wenn
zum Beispiel ein Bediener das Gerät und demzufolge die Abtastlinie 402 zu
dem Bereich rechts vom Zahn 4 bewegt, entspricht dann das
auf dem Bildschirm 18 ausgegebene Bild dem wie auch immer
gearteten Objekt, das sich rechts von dem Zahn befindet. Allgemeiner
ausgedrückt,
kann ein Benutzer das Gerät
handhaben, um die Abtastlinie neu auszurichten, indem er ein Bild
auf dem Bildschirm betrachtet, ohne seinen normalen Denkprozess
umkehren oder auf andere Weise ändern
zu müssen,
um ein Bild zu erfassen und zu betrachten.
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Es
wird auf 15 Bezug genommen; die Anzeigeeinrichtung 18 ist
vorzugsweise parallel zu und hinter dem Bildsensor 56 im
Gehäuse 12 ausgerichtet.
Und vorzugsweise ist die Anzeigeeinrichtung 18 im Allgemeinen
senkrecht zur Abtastlinie 402 und/oder Blicklinie 400.
Natürlich
können
der Bildschirm 18, der Sensor 56, die Abtastlinie
und die Blicklinie auch in anderen Konfigurationen ausgerichtet
sein, so dass die Blicklinie 400 axial mit der Abtastlinie 402 ausgerichtet
ist.
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Das
optische Messinstrument 10 ist auf eine beliebige Art und
Weise konfiguriert, welche es dem Bediener ermöglicht, das Instrument 10 zu
handhaben und gleichzeitig dasselbe Bild, welches der Sensor abtastet,
auf einer Anzeigeeinrichtung an dem Instrument zu betrachten, ohne
zeitweise von der Anzeigeeinrichtung wegschauen und die Abtastlinie
des Bildsensors neu ausrichten zu müssen. Dementsprechend kann
der Bediener allein die Anzeigeeinrichtung entlang der Blicklinie 400 betrachten,
um die Abtastlinie 402 genau auszurichten, so dass das
Instrument das Bild des Zahns wie gewünscht erfasst.
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Abgedichtete Einheit
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Es
wird auf 16 und 17 Bezug
genommen; das optische Messinstrument weist im Allgemeinen ein Gehäuse 12,
das in Gehäuseteile 12a und 12b geteilt
ist, eine Anzeigeeinrichtung 18 und ein Fenster 230 auf.
Es wird speziell auf 17 Bezug genommen; der vordere
Abschnitt des Gehäuses 12 definiert
eine Apertur 240, die durch das Fenster 230 abgedeckt
ist. Die Apertur ermöglicht,
dass Beleuchtung aus dem Inneren des Gehäuses 12 hinaus projiziert
wird, und ermöglicht,
dass Licht, welches von einem Objekt reflektiert wurde, zurück in das
Ge häuse 12 eintritt
und von einem Bildsensor (nicht dargestellt) erfasst wird. Die Apertur 240 kann
vielfältige
Konfigurationen und Größen aufweisen,
welche die Beleuchtung und das Erfassen von Merkmalen wie gewünscht ermöglichen.
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Die
Apertur wird von einer inneren Lippe 210 umrandet, welche
vorzugsweise als Teil des Gehäuses 12 ausgebildet
ist. Über
der Lippe ist ein Fenster oder eine Abdeckplatte 230 angeordnet.
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Diese
Abdeckung ist vorzugsweise aus Kunststoff, Glas oder einem anderen
synthetischen Material hergestellt, welches einen Durchgang von
Licht durch sie hindurch mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht.
Zwischen der Lippe 210 und dem Fenster 230 ist
eine Dichtung 220 angeordnet. Die Dichtung kann ein beliebiger Dichtring
oder eine Abdichtung, zum Beispiel ein Dichtklebstoff, sein, welche
verhindert, dass "Verunreinigungssubstanzen" – das heißt Staub, Schmutz, Materialreste,
Feuchtigkeit, Reinigungsmittel und Chemikalien – durch die Apertur 240 hindurch
oder an ihrem Rand in das Innere das Gehäusekörpers 12 gelangen.
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Die
Anzeigeeinrichtung 18 ist vorzugsweise zum Gehäuse 12 oder
in ihm auf eine Weise abgedichtet, welche ebenfalls das Eindringen
von Verunreinigungssubstanzen ins Innere verhindert. Es ist wünschenswert, dass
die Anzeigeeinrichtung berührungsempfindlich
ist und in der Lage ist, ein Mittel bereitzustellen, um die Einrichtung
zu steuern und zu betreiben. Auf diese Weise treten beim Gehäuse keine
Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Reinigung um äußere Tasten
herum auf.
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Die
Gehäuseteile 12a und 12b werden
vorzugsweise auf eine Weise zusammengesetzt, welche ebenfalls verhindert,
dass Verunreinigungssubstanzen entlang der Abschnitte der Gehäuseteile,
an denen die Gehäuseteile
miteinander verbunden oder aneinander angesetzt werden, in das Innere
des Gehäusekörpers eindringen.
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Wie
erläutert,
verhindern alle oben genannten Elemente, das abgedichtete Fenster 240,
die zusammengefügten
Gehäuseteile 12a, 12b und
die Anzeigeeinrichtung 18, dass Verunreinigungssubstanzen
in das Innere der Einrichtung eindringen, wenn die Verunreinigungssubstanzen
mit der Einrichtung in Kontakt kommen, wie etwa wenn die Einrichtung
mit Reinigungs- oder Sterilisationsmitteln abgewischt wird oder
wenn die Einrichtung auf einen verschmutzten Fußboden fallen gelassen wird.
Diese Elemente verhindern jedoch im Wesentlichen nicht, dass die
Verunreinigungssubstanzen in das Innere der Einrichtung eindringen,
wenn die Einrichtung vollständig
in Verunreinigungssubstanzen eingetaucht wird, zum Beispiel wenn
die Einrichtung in flüssige
Reinigungsmittel eingetaucht wird.
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Die
Einrichtung der vorliegenden Erfindung kann bei manchen Ausführungsformen
einen Anschluss 22 oder eine andere Verbindung zur Kommunikation
mit einer Dockingstation (18), einer
Recheneinrichtung und/oder einer Stromquelle (nicht dargestellt)
aufweisen. Normalerweise ist es schwierig, diesem Anschluss abzudichten,
um zu verhindern, dass Verunreinigungssubstanzen in das Innere des
Gehäuses 12 gelangen.
Das optische Messinstrument kann leicht desinfiziert und/oder sterilisiert
werden. Benutzer können
es reinigen, indem sie es abwischen, ohne dass eine nennenswerte
Gefahr besteht, dass Desinfektions- oder Sterilisationsmittel oder
andere Reinigungsmittel in das Innere des Gehäuses 12 durchsickern,
eine Folge, welche potentiell die inneren Bauteile des Instruments
beschädigen
könnte.
Natürlich
muss darauf geachtet werden, dass verhindert wird, dass eine Verbindung
oder ein Anschluss einer übermäßigen Einwirkung
von Verunreinigungssubstanzen ausgesetzt wird, um zu verhindern,
dass diese Verunreinigungssubstanzen in das Innere der Einrichtung
gelangen. In Zeitabschnitten der Nichtbenutzung oder der Benutzung
in staubreicher Umgebung ist die Gefahr, dass Staub oder Materialreste
in das Gehäuse
eindringen, wesentlich vermindert.
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Herstellung von Zahnprothesen
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Im
Folgenden wird der bevorzugte Prozess der Herstellung einer Zahnrestauration
oder Zahnprothese anhand von optischen Messungen, die an einem beschädigten Zahn
oder umgebenden Zäh nen
vorgenommen wurden, beschrieben. Zu Beginn verwendet ein Zahnarzt
das bevorzugte optische Messinstrument, um die optischen Eigenschaften
eines Zahns oder von Zähnen,
welche einen Bereich umgeben, der früher von einem Zahn eingenommen
wurde, zu messen. Diese optischen Messwerte werden in dem optischen
Messinstrument in ein Bild oder mehrere Bilder umgewandelt. Die
Bilder können
von dem optischen Messinstrument auf einen Computer heruntergeladen
werden, wo sie gespeichert werden können. Natürlich kann das Bild in einem
beliebigen geeigneten elektronischen Dateiformat gespeichert werden.
Sobald das Bild auf dem Computer gespeichert ist, bildet es eine
so genannte Restaurationsdatei. Ausgehend von dieser Restaurationsdatei
können die
gemessenen optischen Eigenschaften durch den Computer mathematisch
verarbeitet werden, um als eine Karte mittlerer Eigenschaften, als
ein Gitter von einzelnen Eigenschaften, als eine Konturenkarte von
Eigenschaften oder in einem beliebigen anderen gewünschten
Format betrachtet zu werden, wie für Fachleute klar ist.
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Anschließend sendet
der Zahnarzt die Restaurationsdatei mit einem beliebigen geeigneten
Mittel an ein Labor, welches restaurative Prothesen herstellt. Vorzugsweise
wird die Datei jedoch per E-Mail weitergesendet.
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Im
Labor lädt
eine Zahntechnikerin die Restaurationsdatei herunter, um den Mund
des Patienten zu rekonstruieren, und insbesondere den neuen prothetischen
Ersatz für
den beschädigten
oder fehlenden Zahn. Software, mir der diese Rekonstruktion vorgenommen
werden kann, kann bei X-Rite, Incorporated mit Sitz in Grandville,
Michigan bezogen werden. Anschließend erzeugt die Zahntechnikerin
die restaurative Prothese, ein Bild der Prothese, vorzugsweise mit
dem optischen Messinstrument der bevorzugten Ausführungsform.
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Das
Bild der Prothese wird in ein Bild des Mundes des Patienten eingefügt, das
aus der Restaurationsdatei abgeleitet wurde, um Qualität und Genauigkeit
der Restauration zu bestimmen. Dies kann auf unterschiedliche Weisen
geschehen. Erstens kann die Zahntechnikerin ihr eigenes optisches
Messinstrument verwenden, um Messungen an der Prothese vorzunehmen,
um ein Bild der Prothese zu erzeugen, das auch als "Prothesedaten" bezeichnet wird.
Sie nimmt dann dieses Bild und setzt es in ein Bild des Mundes des
Patienten ein, das aus der Restaurationsdatei entnommen wurde. Natürlich kann
die Zahntechnikerin auch die Prothesedaten mit dem Bild des ursprünglichen
Zahns vergleichen, falls eines existiert. Die Zahntechnikerin führt einen
Vergleich des Bildes des Zahns mit dem Bild des Mundes des Patienten
oder des beschädigten
Zahns durch, bevor die Restauration vom Labor abgesendet wird. Die
Zahntechnikerin kann dann die Qualität und Genauigkeit der Restauration
bestimmen und entscheiden, ob sie zum Zahnarzt geschickt werden
soll, um in den Mund des Patienten eingesetzt zu werden, oder nicht.
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Bei
einer zweiten alternativen Ausführungsform
kann die Zahntechnikerin das optische Messinstrument verwenden,
um Messungen der prothetischen Restauration vorzunehmen, um ein
Bild der Prothese zu erzeugen, und das Bild an den Zahnarzt senden.
Der Zahnarzt kann dann das Bild des neuen Zahns visuell in ein vorhandenes
Bild des Mundes des Patienten einsetzen, um die Qualität und Genauigkeit
der Restauration zu bestimmen. Ausgehend von seinem eigenen Urteil
kann der Zahnarzt dann mit dem Labor Kontakt aufnehmen, um die Restauration
zu bestätigen
oder abzulehnen. In Fällen,
in denen die Restauration bestätigt
wird, sendet das Labor dann die Restauration an den Zahnarzt, zum
Einsetzen im Mund des Patienten. In Fallen, in denen der Zahnarzt
die Restauration zurückweist,
da sie nicht ausreichend gut passt, konstruiert das Labor eine andere
Restauration und fertigt ein neues Bild dieser Restauration an.
Das neue Bild wird an den Zahnarzt geschickt, damit er dieses neue
Bild mit dem Bild des beschädigten
Zahns vergleicht. Dieser Prozess kann so lange wiederholt werden,
bis eine genaue Restauration erzeugt worden ist.
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Bei
einer dritten alternativen Ausführungsform
kann die Zahntechnikerin einfach die Prothese herstellen und sie
an den Zahnarzt schicken. Der Zahnarzt verwendet sein eigenes optisches
Messinstrument, um ein Bild der Prothese zu erhalten. Diese Prothesedaten
werden visuell in ein Bild des Mundes des Patienten eingesetzt oder
mit einem Bild des beschädigten
Zahns verglichen, um die Qualität
und Genauigkeit der Restauration zu bestimmen. Falls die Restauration
akzeptabel ist, setzt der Zahnarzt sie dann in den Mund des Patienten
ein. Falls die Restauration nicht akzeptabel ist, kann der Zahnarzt
das Labor ersuchen, eine andere Restauration anzufertigen oder die
Restauration auf eine solche Weise zu verändern, dass sie zu einer genauen
Kopie des ursprünglichen
Zahns wird, welchen sie ersetzen sollte.
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Dockingstation
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Es
wird auf 18 Bezug genommen; das optische
Messinstrument 10 ist in der Dockingstation 14 angedockt
oder ruht in ihr, wenn es nicht in Gebrauch ist oder wenn Bilder
von dem Instrument 10 auf einen Computer (nicht dargestellt)
heruntergeladen werden, der an die Dockingstation angeschlossen
ist, zwecks weiterer Analyse dieser Bilder, oder um diese Bilder
an einen Dritten weiterzuleiten. Die Dockingstation 14 weist
eine Abstützung 15 auf,
um das Instrument 10 in einer Position zu halten, in der
es leicht ergriffen werden kann. Das Instrument ruht außerdem in
einem Anschluss 24, welcher einen Stecker (nicht dargestellt)
zum Herstellen einer Verbindung mit dem Eingang 22 (siehe 6)
aufweist, zum Herunterladen von Bildern und Wiederaufladen der Stromquelle 90 des
Instruments 10. Die Dockingstation kann außerdem eine
Datenverbindung zum Herunterladen/Hochladen von Patienteninformationen
und/oder Herunterladen/Hochladen von Bild- und geänderten
Patienteninformationen zu/von dem Instrument 10 zur Verfügung stellen.
Natürlich
können auch
beliebige andere gewünschte
Informationen heruntergeladen/hochgeladen werden.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
kann das Instrument einen Sender und/oder Empfänger aufweisen, derart, dass
es mit einem anderen Instrument, mit einer Dockingstation und/oder
direkt mit einer Recheneinrichtung unter Verwendung einer drahtlosen
Verbindung kommunizieren kann, wobei Daten durch Funkfrequenzen,
Lichtmodulationen oder andere Mittel zur drahtlosen Fernübertragung
transportiert werden können.
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Die
obigen Beschreibungen sind diejenigen der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung. Es können
verschiedene Änderungen
vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen,
der durch die beigefügten
Ansprüche
definiert ist, welche entsprechend den Prinzipien des Patentrechts
zu interpretieren sind. Eventuelle Verweise auf Elemente der Ansprüche im Singular,
zum Beispiel unter Verwendung der Artikel "ein", "eine", "der/die/das" oder "besagter", dürfen nicht
als das Element auf die Einzahl beschränkend ausgelegt werden.
