WO1991003988A1 - Device for the production of tooth replacement parts - Google Patents

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WO1991003988A1
WO1991003988A1 PCT/DE1990/000728 DE9000728W WO9103988A1 WO 1991003988 A1 WO1991003988 A1 WO 1991003988A1 DE 9000728 W DE9000728 W DE 9000728W WO 9103988 A1 WO9103988 A1 WO 9103988A1
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focus error
error detection
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laser beam
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Peter Rohleder
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Peter Rohleder
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C13/00—Dental prostheses; Making same
    • A61C13/0003—Making bridge-work, inlays, implants or the like
    • A61C13/0004—Computer-assisted sizing or machining of dental prostheses
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    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C19/00—Dental auxiliary appliances
    • A61C19/04—Measuring instruments specially adapted for dentistry

Definitions

  • the invention relates to a device of the type specified in the preamble of claim 1.
  • the invention is based on the object of facilitating operation in the case of a device of the type mentioned at the outset, the visual control or evaluation of a monitor image of the measured jaw area possibly having to be simplified.
  • the invention is based on the knowledge that a scanning scan of the jaw region of interest by means of a laser beam allows a precise assignment of the control signal of the scanner and the distance measurement value determined by focus error detection. It is particularly advantageous that this enables simple storage and largely electronic evaluation of the value pairs of control signal / distance measurement value.
  • the control signals form the address values for storing the assigned measured values, which are fed to an evaluation unit for determining the surface coordinates of the dental replacement part to be produced and adapted to the format of the input data of a numerically controlled machine tool via a converter.
  • the focus error detection is based on the astigmatic effect of a cylindrical lens arranged in the beam path of the reflected laser light.
  • the cylindrical lens designs an image that is distorted in a certain way on a matrix-shaped diode target.
  • the intensity distribution of the photodiodes which can be evaluated via a differential amplifier circuit, is a direct measure of the distance of the imaging objective from the object point
  • a 90 ′′ prism is provided in the beam path of the reflected laser light. Only a parallel beam is deflected by 90 ° over the entire beam cross-section. Divergent or convergent beams are caused by Reflection fanned out according to the critical angle of the prism, so that downstream photodiodes arranged symmetrically to the optical axis are illuminated differently. The difference in intensity, again determined via a differential amplifier circuit, is a measure of the distance to be determined.
  • a focus error detection there is a reference edge in the beam path of the reflected light between a converging lens and a matrix-shaped diode target.
  • a change in the distance between the object and the converging lens causes a shift in the focal point on the image side, as a result of which the light field diaphragm effect of the reference edge becomes stronger or weaker.
  • the intensity distribution between the diodes changes accordingly and a downstream differential amplifier circuit enables an assignment to the distance change causing it.
  • the methods for focus error detection described above can also be used to control a focus servo control loop, which causes the imaging lens to be tracked.
  • the lens movement corresponds exactly to the height differences of the tooth or jaw area to be measured. This movement can easily be measured by means of a conventional inductive probe.
  • Such a somewhat more complex measuring method has the advantage that the laser beam is sharply imaged on the object at all object distances. As a result, the measuring points can be very close to one another, as a result of which the measuring accuracy increases and even the smallest differences in distance can be determined.
  • a laser beam preferably generated by means of a laser diode, is guided according to the invention by a scanning device which has a controlled beam deflection unit, via the object points to be scanned, the control signals simultaneously forming address values for storing the assigned measured values.
  • the control means force a certain movement of the deflection elements and thus a scanning of the surface according to the principle of a scanner. Since the control signals are uniquely assigned plane coordinates (x; y) of the projection of the measurement beam onto the tooth or jaw area to be measured, each pair of control signal / measurement values [(x; y) / (z)] corresponds exactly to one point in space.
  • the pairs of values are advantageously stored in a RAM read-only memory, the drive signals forming the address values. This is the prerequisite for convenient further processing of the data.
  • the controlled deflection element is preferably a deflection mirror or a prism, which is guided in a meandering manner over the surface to be scanned, in particular by means of a slide guide according to the plotter principle.
  • FIG. 1 shows a top view of a scanning device in a schematic representation, Figures 2 to c a measuring beam path according to the "astigmatism principle" and
  • Figure 3 is an assembly overview for processing measured values for the automatic production of a dental prosthesis.
  • the scanning device shown in FIG. 1 essentially consists of two parallel guides in the form of rails 1 and 2, which are rigidly connected to one another by struts 3 and 4 in the form of spacers, a carriage which can move on the rails 1 and 2 and forms a traverse 5 and a slider 6 which is displaceable on this crossbeam and which can be displaced on the carriage 5 perpendicular to the course of the rails 1 and 2. Due to its own displaceability on the carriage 5 and the displaceability of the carriage 5, the traverse 6 can reach any point on a plane spanned between the rails 1 and 2.
  • Both the radiation source and the receiver of the measuring beam 8 with one on the rotor element 6 are in a common housing 9 via a beam guide channel 7, which is firmly connected to the rotor 6 and has approximately the length of a rail 1 or 2 Measuring unit 10 connected.
  • the radiation source and receiver are consequently moved with the rotor.
  • the measuring unit 10 forms a complete distance measuring device which determines the distance of an obstacle located below the measuring unit and outputs a signal which is representative of this distance related to a point of the runner.
  • FIG. 1 shows two different positions of the measuring arrangement displaced with carriage 5 and rotor 6.
  • the carriage 5 and the runner 6 can be driven, for example, by stepper motors 11 and 12, the drivers 13 and 14 of which in each case set a spindle-shaped worm 15 or 16 adapted to the rail length or the carriage length, the carriage 5 and the rotor 6 engage in the screws 15 and 16 by means of toothed racks and are thereby moved.
  • the voltage profiles of the control voltages for the motors 11 and 12, which are assigned to the x / y values to be set for the position to be maintained in each case, are supplied by an external module 17 and in the form of coded control signals 17a ( x-position) and 17b (y-position) are coded so that they can advantageously simultaneously form the address values for later storage of the measured values (z-position) which are obtained at the output 17c.
  • the design of the rotor 6 with the measuring system 10 and the crossbar of the carriage 5 corresponds to the guidance of a scanner in a conventional CD player, so that the corresponding miniaturized components available on the market can largely be used in the construction .
  • FIG. 2 shows a measurement beam path for determining the distance using the astigmatism method.
  • the one Laser diode 18 generated laser light is directed via a deflecting prism 19 and an objective 20 onto the tooth to be measured.
  • a dividing cube 21 with a partially mirrored surface 22 for separating the reflected and illuminating light is also arranged in the beam path.
  • a cylindrical - astigmatic - lens is located behind the division cube 21 in the beam path of the reflected laser light in front of a photodetector 23. At a certain distance between the objective and the tooth, the cylindrical lens focuses a circular shape (FIG. 2b) on the four diodes of the photodetector 23 arranged in matrix form.
  • a focus error arises, which arises from the cylindrical lens as an elliptical light spot the photodiodes is imaged (Fig. 2a and 2c).
  • the different illumination of the photodiodes is measured via a differential amplifier 25. This value is proportional to the distance to be determined.
  • FIG. 3 shows a control circuit for the device of FIGS. 1 and 2 in a block diagram. Furthermore, assemblies for the fully automated manufacture of dentures are shown.
  • the scanner of a scanning device 38 connected to a radiation source 37 is controlled by an external controller 39 in such a way that the measuring beam moves over the tooth area to be measured with a specific movement sequence to be led.
  • Each control signal is assigned a unique point on the scanning plane, so that when a point to be measured is selected, the electric motors effect a corresponding setting of the scanner 10.
  • the corresponding Corresponding control lines are again designated 17a and b.
  • the outputs of the control circuit 39 are also connected via a recoding device 40 to the address input 41 of a RAM read-only memory 42.
  • the x and y control signals are converted directly into address signals of a memory and can, for example, form two parts of a word within a longer address word.
  • the measurement signals containing the distance information then arrive via a circuit for converting the measured values 43 directly into the assigned memory locations 44, each of which is addressed with the setting of the position of the measuring head 10. After the scanning process has been completed, all coordinate information describing the surface is contained in the memory.
  • a computer 45 connected to the memory 42 processes the determined and stored coordinate values of the surfaces for a closed graphic structure description, such as is used, for example, as a program language for CAD / CAM systems, as a result of which the tooth area of interest is displayed as a graphic on a connected one Monitor 46 can be displayed.
  • the computer 35 is connected to an evaluation unit 47 for determining the contours of the tooth replacement part to be produced, the data of an ideal tooth contained in the memory 42 being used to complete the outline of the replacement part.
  • the monitor graphic can also be completed manually in order to determine the missing boundary surface of the Inley, Onley or the like.
  • the connections between the memory 42 and the evaluation unit 47 as well as the monitor 46 and the evaluation unit 47 are shown in dashed lines because of the alternative or parallel use.
  • the output data of the evaluation unit 47 characterize a measured negative impression of a tooth defect, which was completed manually or by comparison in such a way that the outlines of the tooth replacement part to be produced are given.
  • These data are fed to a converter 48 for adaptation to the format of the input data of a numerically controlled machine tool 49 and are then used to control the machine tool 49, in particular a milling machine, which cuts the dental prosthetic item in a suitable form from a corresponding raw material. ling out.
  • the embodiment of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiment specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown, even in the case of fundamentally different types.

Abstract

Disclosed is a device for the production of tooth replacement parts, in particular inlays, onlays and facings, with an optical scanning device for the detection of tooth imperfections and a digitally controlled machine tool. The control signals are generated by computer from measurements of the tooth imperfections. The surface is scanned using dynamic-focusing techniques. A distance-measurement instrument is used as the measurement device, plus a laser-light source, a focusing defect detector and a measurement-head guide which can be inserted in the mouth and can be controlled so that every point on the surface to be scanned is swept by the laser beam.

Description

Vorrichtung zur Herstellung von Zahnersatzteilen Device for the production of dental prostheses
B e s c h r e i b u n gDescription
Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a device of the type specified in the preamble of claim 1.
Die Funktion eines aus einer Druckschrift der Firma Siemens ("CEREC - Computer-Reconstruction, Druckvermerk: 0589) bekannt gewordenen Kompaktgerätes für die computer¬ gestützte Herstellung von Inlays, Onlays und Schalenver¬ blendungen beruht auf einem ähnlichen optischen Vermes¬ sungsprinzip. Dabei wird mittels einer manuell positio- nierten Videoeinheit ein periodisches, bewegtes Muster pa¬ ralleler Streifen auf den auszumessenden Zahn- oder Kie¬ ferbereich projiziert und die tiefentypischen Verzerrungen mit einer eingebauten Kamera aufgenommen. Nachteilig hier¬ bei ist neben der manuellen Kameraführung vor allem die das Videobild überlagernde Darstellung der MeßInformation, die nicht unmittelbar auswertbar ist. Die Interpretation der resultierenden graphischen Muster stellt hohe Anforde¬ rungen an das räumliche Vorstellungsvermögen des behan¬ delnden Zahnarztes. Wegen seiner transparenten Struktur und seiner spiegelnden Oberfläche muß der Zahnschmelz vor Anwendung des CEREC-Verfahrens mit einer dünnen Pulver¬ schicht vorpräpariert sein.The function of a from a Siemens publication ("CEREC - Computer-Reconstruction, print note: 0589) compact device which has become known for the computer-assisted production of inlays, onlays and shell veneers is based on a similar optical measurement principle. Using a manually positioned video unit, a periodic, moving pattern of parallel strips is projected onto the tooth or jaw area to be measured, and the depth-typical distortions are recorded with a built-in camera. A disadvantage of this, in addition to the manual camera control, is above all the display of the measurement information overlaying the video image, which cannot be evaluated directly. The interpretation of the resulting graphic pattern places high demands on the spatial imagination of the treating dentist. Because of its transparent structure and its reflecting surface, the tooth enamel must be prepared with a thin powder layer before using the CEREC process.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vor- richtung der eingangs genannten Gattung die Bedienung zu erleichtern, wobei gegebenenfalls die visuelle Kontrolle bzw. Auswertung eines Monitorbildes des vermessenen Kie¬ ferbereiches zu vereinfachen ist. Außerdem besteht die Aufgabe, Unsicherheitsfaktoren, die die Paßform des herzu- stellenden Zahnersatzteiles beeinträchtigen zu minimieren sowie das mit einem Meßvorgang erfaßbare Objektfeld bei hoher Meßgeschwindigkeit wesentlich zu vergrößern.The invention is based on the object of facilitating operation in the case of a device of the type mentioned at the outset, the visual control or evaluation of a monitor image of the measured jaw area possibly having to be simplified. In addition, there is the task of minimizing uncertainty factors which impair the fit of the tooth replacement part to be produced and of significantly increasing the object field which can be detected with a measuring process at high measuring speed.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine scannen¬ de Abtastung des interessierenden Kieferbereiches mittels eines Laserstrahles eine präzise Zuordnung des Steuersi¬ gnals des Scanners und des durch Fokusfehlererkennung er- mittelten Abstandsmeßwertes gestattet. Besonders vorteil¬ haft ist, daß dadurch eine einfache Speicherung und eine weitgehend elektronische Auswertung der Wertepaare An- steuersignal/Abstandsmeßwert möglich ist. Die Ansteuer- signale bilden die Adreßwerte für die Speicherung der zu- geordneten Meßwerte, welche einer Auswerteeinheit zur Er¬ mittlung der Oberflächenkoordinaten des herzustellenden Zahnersastzteiles zugeführt und über einen Wandler an das Format der Eingangsdaten einer numerisch gesteuerten Werk¬ zeugmaschine angepaßt werden.This object is achieved with the characterizing features of claim 1. The invention is based on the knowledge that a scanning scan of the jaw region of interest by means of a laser beam allows a precise assignment of the control signal of the scanner and the distance measurement value determined by focus error detection. It is particularly advantageous that this enables simple storage and largely electronic evaluation of the value pairs of control signal / distance measurement value. The control signals form the address values for storing the assigned measured values, which are fed to an evaluation unit for determining the surface coordinates of the dental replacement part to be produced and adapted to the format of the input data of a numerically controlled machine tool via a converter.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Er¬ findung beruht die Fokusfehlererkennung auf die astigmati- sche Wirkung einer in den Strahlengang des reflektierten Laserlichts angeordneten Zylinderlinse. Die Zylinderlinse entwirft in Abhängigkeit von der Strahldivergenz oder -konvergenz ein in bestimmter Weise verzerrtes Bild auf ein matrixförmiges Diodentarget. Die über eine Differenz¬ verstärkerschaltung auswertbare Intensitätsverteilung der Fotodioden ist ein unmittelbares Maß für den Abstand des Abbildungsob ektivs vom ObjektpunktAccording to an advantageous embodiment of the invention, the focus error detection is based on the astigmatic effect of a cylindrical lens arranged in the beam path of the reflected laser light. Depending on the beam divergence or convergence, the cylindrical lens designs an image that is distorted in a certain way on a matrix-shaped diode target. The intensity distribution of the photodiodes, which can be evaluated via a differential amplifier circuit, is a direct measure of the distance of the imaging objective from the object point
Bei einer anderen Fokusfehlererkennung ist ein im Strah¬ lengang des reflektierten Laserlichts angeordnetes 90"-Prisma vorgesehen. Nur ein paralleles Strahlenbündel wird über den gesamten Bündelquerschnitt um 90° abgelenkt. Divergente oder konvergente Strahlenbündel werden durch Reflexion entsprechend dem kritischen Winkel des Prismas aufgefächert, so daß nachgeordnete, symmetrisch zur opti¬ schen Achse angeordnete Fotodioden unterschiedlich ausge¬ leuchtet werden. Der wiederum über eine Differenzverstär- kerschaltung ermittelte Intensitätsunterschiede ist ein Maß für den zu ermittelnden Abstand.In another focus error detection, a 90 ″ prism is provided in the beam path of the reflected laser light. Only a parallel beam is deflected by 90 ° over the entire beam cross-section. Divergent or convergent beams are caused by Reflection fanned out according to the critical angle of the prism, so that downstream photodiodes arranged symmetrically to the optical axis are illuminated differently. The difference in intensity, again determined via a differential amplifier circuit, is a measure of the distance to be determined.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform einer Fokusfehlerer- kennung befindet sich im Strahlengang des reflektierten Lichtes zwischen einer Sammellinse und einem matrixförmi- gen Diodentarget eine Bezugskante. Eine Änderung des Ab- standes zwischen dem Objekt und der Sammellinse bewirkt eine Verschiebung des bildseitigen Brennpunktes, wodurch die Leuchtfeldblendenwirkung der Bezugskante stärker oder schwächer wird. Die Intensitätsverteilung zwischen den Dioden ändert sich entsprechend und eine nachgeschaltete Differenzverstärkerschaltung ermöglicht eine Zuordnung zu der verursachenden Abstandsänderung.According to a further embodiment of a focus error detection, there is a reference edge in the beam path of the reflected light between a converging lens and a matrix-shaped diode target. A change in the distance between the object and the converging lens causes a shift in the focal point on the image side, as a result of which the light field diaphragm effect of the reference edge becomes stronger or weaker. The intensity distribution between the diodes changes accordingly and a downstream differential amplifier circuit enables an assignment to the distance change causing it.
Die vorstehend beschriebenen Methoden zur Fokusfehlerer¬ kennung können auch zur Ansteuerung eines Fokus-Servore- gelkreis genutzt werden, wodurch eine Nachführung des Ab¬ bildungsobjektivs bewirkt wird. Die Objektivbewegung ent¬ spricht genau den Höhenunterschieden des auszumessenden Zahn- oder Kieferbereiches. Diese Bewegung ist mittels ei¬ nes herkömmlichen Induktivmeßtasters leicht meßbar. Ein derartiges, etwas aufwendigeres Meßverfahren hat den Vor¬ teil, daß der Laserstrahl bei allen Objektabständen scharf auf das Objekt abgebildet wird. Die Meßpunkte können da- durch sehr dicht beieinanderliegen, wodurch die Meßgenau¬ igkeit steigt und auch kleinste Abstandsunterschiede fest¬ stellbar sind. Ein vorzugsweise mittels einer Laserdiode erzeugter Laser strahl wird erfindungsgemäß durch eine Abtastvorrichtung die eine angesteuerte Strahlumlenkeinheit aufweist, übe die abzutastenden Objektpunkte geführt, wobei die Ansteu ersignale gleichzeitig Adreßwerte für die Speicherung de zugeordneten Meßwerte bilden.The methods for focus error detection described above can also be used to control a focus servo control loop, which causes the imaging lens to be tracked. The lens movement corresponds exactly to the height differences of the tooth or jaw area to be measured. This movement can easily be measured by means of a conventional inductive probe. Such a somewhat more complex measuring method has the advantage that the laser beam is sharply imaged on the object at all object distances. As a result, the measuring points can be very close to one another, as a result of which the measuring accuracy increases and even the smallest differences in distance can be determined. A laser beam, preferably generated by means of a laser diode, is guided according to the invention by a scanning device which has a controlled beam deflection unit, via the object points to be scanned, the control signals simultaneously forming address values for storing the assigned measured values.
Die Ansteuermittel erzwingen einen bestimmten Bewegungsab lauf der Umlenkelemente und damit ein Durchmustern de Oberfläche nach dem Prinzip eines Scanners. Da den Ansteu ersignalen in eindeutiger Weise ebene Koordinaten (x; y) der Projektion des Meßstrahles auf den auszumessende Zahn- oder Kieferbereich zugeordnet sind, entspricht jede Wertepaar Ansteuersignal/Meßwert [(x; y)/(z)] genau ei Raumpunkt. Die Speicherung der Wertepaare erfolgt vorteil hafterweise in einem RAM-Festwertspeicher, wobei die An- steuersignale die Adreßwerte bilden. Damit ist die Voraus¬ setzung für eine bequeme Weiterverarbeitung der Daten ge¬ geben.The control means force a certain movement of the deflection elements and thus a scanning of the surface according to the principle of a scanner. Since the control signals are uniquely assigned plane coordinates (x; y) of the projection of the measurement beam onto the tooth or jaw area to be measured, each pair of control signal / measurement values [(x; y) / (z)] corresponds exactly to one point in space. The pairs of values are advantageously stored in a RAM read-only memory, the drive signals forming the address values. This is the prerequisite for convenient further processing of the data.
Das angesteuerte Umlenkelement ist bevorzugt ein Umlenk¬ spiegel oder ein Prisma, welches insbesondere mittels ei¬ ner Schlittenführung nach dem Plotterprinzip mäanderförmig über die abzutastende Oberfläche geführt wird.The controlled deflection element is preferably a deflection mirror or a prism, which is guided in a meandering manner over the surface to be scanned, in particular by means of a slide guide according to the plotter principle.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un¬ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu¬ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to the figures. Show it:
Figur 1 eine Draufsicht einer Abtastvorrichtung in sche¬ matisierter Darstellung, Figuren 2 bis c einen Meßstrahlengang nach dem "Astig¬ matismusprinzip" sowieFIG. 1 shows a top view of a scanning device in a schematic representation, Figures 2 to c a measuring beam path according to the "astigmatism principle" and
Figur 3 eine Baugruppenübersicht zur Meßwertverarbeitung für die automatische Herstellung eines Zahnersatzteiles.Figure 3 is an assembly overview for processing measured values for the automatic production of a dental prosthesis.
Die in Figur 1 wiedergegebene Abtastvorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei parallelen Führungen in Form von Schienen 1 und 2, die durch in Form von Abstandhaltern ausgebildeten Streben 3 und 4 starr miteinander verbunden sind, einem auf den Schienen l und 2 beweglichen, eine Traverse bildenen Wagen 5 und einem auf dieser Traverse verschieblichen Läufer 6, welcher auf dem Wagen 5 senk¬ recht zum Verlauf der Schienen 1 und 2 verschiebbar ist. Die Traverse 6 kann durch seine eigene Verschiebbarkeit auf dem Wagen 5 und durch die Verschiebbarkeit des Wagens 5 jeden Punkt einer zwischen den Schienen 1 und 2 aufge¬ spannten Ebene erreichen. Über einen mit dem Läufer 6 fest verbundenen Strahlführungskanal 7, der etwa die Länge ei- ner Schiene 1 bzw. 2 aufweist, ist in einem gemeinsamen Gehäuse 9 sowohl die Strahlungsquelle als auch der Empfän¬ ger des Meßstrahles 8 mit einer auf dem Läuferelement 6 befindlichen Meßeinheit 10 verbunden. Strahlungsquelle und Empfänger werden demzufolge mit dem Läufer mitbewegt. Die Meßeinheit 10 bildet eine komplette Entfernungsmeßeinrich¬ tung, welche den Abstand eines unterhalb der Meßeinheit befindlichen Hindernisses ermittelt und ein Signal aus¬ gibt, welches repräsentativ für diese, auf einen Punkt des Läufers bezogene Entfernung, ist. Bei dem Prinzip der dy- namischen Fokussierung wird ein System, wie es dem Abta¬ ster eines CD-Spielers entspricht, dynamisch nachgeführt und die bei Scharfeinstellung sich ergebende Positionsin- formation als Abstandsmeßwert übermittelt.The scanning device shown in FIG. 1 essentially consists of two parallel guides in the form of rails 1 and 2, which are rigidly connected to one another by struts 3 and 4 in the form of spacers, a carriage which can move on the rails 1 and 2 and forms a traverse 5 and a slider 6 which is displaceable on this crossbeam and which can be displaced on the carriage 5 perpendicular to the course of the rails 1 and 2. Due to its own displaceability on the carriage 5 and the displaceability of the carriage 5, the traverse 6 can reach any point on a plane spanned between the rails 1 and 2. Both the radiation source and the receiver of the measuring beam 8 with one on the rotor element 6 are in a common housing 9 via a beam guide channel 7, which is firmly connected to the rotor 6 and has approximately the length of a rail 1 or 2 Measuring unit 10 connected. The radiation source and receiver are consequently moved with the rotor. The measuring unit 10 forms a complete distance measuring device which determines the distance of an obstacle located below the measuring unit and outputs a signal which is representative of this distance related to a point of the runner. With the principle of dynamic focusing, a system as it corresponds to the scanner of a CD player is dynamically tracked and the position information resulting from focusing is transmitted as a measured distance value.
Die Ansteuerung des Wagens 5 und des Läufers 6 erfolgt entsprechend einem Plotter über miniaturisierte elektri¬ sche Antriebsmotore. Figur 1 zeigt zwei unterschiedliche Positionen der mit Wagen 5 und Läufer 6 verschobenen Meßa¬ nordnung. Der Antrieb des Wagens 5 und des Läufers 6 kann beispielsweise über Schrittmotoren 11 und 12 vorgenommen werden, deren Mitnehmer 13 und 14 jeweils eine der Schie¬ nenlänge bzw. der Wagenlänge angepaßte, spindelförmige Schnecke 15 bzw. 16 in Drehung versetzen, wobei der Wagen 5 und der Läufer 6 mittels Zahnstangen in die Schnecken 15 und 16 eingreifen und dadurch bewegt werden. Die Span- nungsverläufe der Steuerspannungen für die Motoren 11 und 12, die den einzustellenden x/y-Werten der jeweils einzu¬ haltenden Position zugeordnet sind, werden von einer ex¬ ternen Baugruppe 17 her zugeführt und in Form von codier¬ ten Steuersignalen 17a (x-Position) und 17b (y-Position) codiert zugeführt, so daß sie vorteilhafterweise gleich¬ zeitig die Adressenwerte für die spätere Speicherung der ermittelten Meßwerte (z-Position) , die am Ausgang 17c er¬ halten werden, bilden können. Der Läufer 6 mit dem Meßsy¬ stem 10 und der Traverse des Wagens 5 entspricht in seiner Ausgestaltung der Führung eines Abtasters bei einem übli¬ chen CD-Spieler, so daß die entsprechenden am Markt er¬ hältlichen miniaturisierten Bauelemente großteils bei der Konstruktion benutzt werden können.The control of the carriage 5 and the rotor 6 takes place in accordance with a plotter via miniaturized electrical drive motors. FIG. 1 shows two different positions of the measuring arrangement displaced with carriage 5 and rotor 6. The carriage 5 and the runner 6 can be driven, for example, by stepper motors 11 and 12, the drivers 13 and 14 of which in each case set a spindle-shaped worm 15 or 16 adapted to the rail length or the carriage length, the carriage 5 and the rotor 6 engage in the screws 15 and 16 by means of toothed racks and are thereby moved. The voltage profiles of the control voltages for the motors 11 and 12, which are assigned to the x / y values to be set for the position to be maintained in each case, are supplied by an external module 17 and in the form of coded control signals 17a ( x-position) and 17b (y-position) are coded so that they can advantageously simultaneously form the address values for later storage of the measured values (z-position) which are obtained at the output 17c. The design of the rotor 6 with the measuring system 10 and the crossbar of the carriage 5 corresponds to the guidance of a scanner in a conventional CD player, so that the corresponding miniaturized components available on the market can largely be used in the construction .
Figur 2 zeigt einen Meßstrahlenverlauf zur Ermittlung des Abstandes nach dem Astigmatismus-Verfahren. Das von einer Laserdiode 18 erzeugte Laserlicht wird über ein Umlenk¬ prisma 19 und ein Objektiv 20 auf den zu vermessenden Zahn gelenkt. Im Strahlengang ist außerdem ein Teilungswürfel 21 mit einer teilverspiegelten Fläche 22 zur Trennung des reflektierten und des beleuchtenden Lichtes angeordnet. Hinter dem Teilungswürfel 21 befindet sich im Strahlengang des reflektierten Laserlichtes vor einem Fotodetektor 23 eine zylindrische - astigmatische - Linse. Bei einem be¬ stimmten Abstand zwischen Objektiv und Zahn fokussiert die zylindrische Linse eine Kreisform (Fig. 2b) auf die vier in Matrixform angeordneten Dioden des Fotodetektors 23. Verändert sich der Abstand, so entsteht ein Fokusfehler, der von der Zylinderlinse als elliptischer Leuchtfleck auf den Fotodioden abgebildet wird (Fig. 2a und 2c). Die unterschiedliche Ausleuchtung der Fotodioden wird über ei¬ nen Differenzverstärker 25 gemessen. Dieser Wert ist dem zu ermittelnden Abstand proportional.FIG. 2 shows a measurement beam path for determining the distance using the astigmatism method. The one Laser diode 18 generated laser light is directed via a deflecting prism 19 and an objective 20 onto the tooth to be measured. A dividing cube 21 with a partially mirrored surface 22 for separating the reflected and illuminating light is also arranged in the beam path. A cylindrical - astigmatic - lens is located behind the division cube 21 in the beam path of the reflected laser light in front of a photodetector 23. At a certain distance between the objective and the tooth, the cylindrical lens focuses a circular shape (FIG. 2b) on the four diodes of the photodetector 23 arranged in matrix form. If the distance changes, a focus error arises, which arises from the cylindrical lens as an elliptical light spot the photodiodes is imaged (Fig. 2a and 2c). The different illumination of the photodiodes is measured via a differential amplifier 25. This value is proportional to the distance to be determined.
In Figur 3 ist eine Ansteuerschaltung für die Vorrichtung der Figuren 1 und 2 in Blockdarstellung wiedergegen. Wei¬ terhin sind Baugruppen zur vollautomatisierten Herstellung von Zahnersatz dargestellt. Der Scanner einer mit einer Strahlungsquelle 37 verbundenen Abtastvorrichtung 38, bei¬ spielsweise auf der Basis der in den Figuren 2 bis 2c dar- gestellten Bauart, wird von einer externen Steuerung 39 derart angesteuert, daß der Meßstrahl mit einem bestimmten Bewegungsablauf über das zu vermessende Zahngebiet geführt wird. Jedem Ansteuersignal ist dabei ein eindeutiger Punkt der Scanningebene zugeordnet, so daß die Elektromotoren bei Auswahl eines zu vermessenden Punktes eine entspre¬ chende Einstellung des Abtasters 10 bewirken. Die entspre- chenden Steuerleitungen sind wiederum mit 17a und b be¬ zeichnen. Die Ausgänge der Steuerschaltung 39 ist auch über eine Umcodiereinrichtung 40 mit dem Adresseneingang 41 eines RAM-Festwertspeichers 42 verbunden. Die x- und y- Steuersignale werden direkt in Adressensignale eines Spei¬ chers umgesetzt und können dabei beispielsweise zwei Wort¬ teile innerhalb eines längeren Adressenworts bilden.FIG. 3 shows a control circuit for the device of FIGS. 1 and 2 in a block diagram. Furthermore, assemblies for the fully automated manufacture of dentures are shown. The scanner of a scanning device 38 connected to a radiation source 37, for example on the basis of the type of construction shown in FIGS. 2 to 2c, is controlled by an external controller 39 in such a way that the measuring beam moves over the tooth area to be measured with a specific movement sequence to be led. Each control signal is assigned a unique point on the scanning plane, so that when a point to be measured is selected, the electric motors effect a corresponding setting of the scanner 10. The corresponding Corresponding control lines are again designated 17a and b. The outputs of the control circuit 39 are also connected via a recoding device 40 to the address input 41 of a RAM read-only memory 42. The x and y control signals are converted directly into address signals of a memory and can, for example, form two parts of a word within a longer address word.
Die die Abstandsinformation enthaltenden Meßsignale gelan- gen dann über eine Schaltung zur Meßwertumsetzung 43 di¬ rekt in die zugeordneten, jeweils mit der Einstellung der Position des Meßkopfes 10 adressierten Speicherplätze 44. In dem Speicher sind nach abgeschlossenem Abtastvorgang sämtliche die Oberfläche beschreibenden Koordinatenangaben enthalten.The measurement signals containing the distance information then arrive via a circuit for converting the measured values 43 directly into the assigned memory locations 44, each of which is addressed with the setting of the position of the measuring head 10. After the scanning process has been completed, all coordinate information describing the surface is contained in the memory.
Ein mit dem Speicher 42 verbundener Rechner 45 verarbeitet zu einer geschlossenen grafischen Strukturbeschreibung, wie sie beispielsweise als Programmsprache für CAD/CAM-Sy- steme Anwendung findet, die ermittelten und gespeicherten Koordinatenwerte der Oberflächen, wodurch das interessie¬ rende Zahngebiet als Grafik auf einem angeschlossenen Mo¬ nitor 46 darstellbar ist. Der Rechner 35 ist mit einer Auswerteeinheit 47 zur Ermittlung der Konturen des herzu- stellenden Zahnersatzteiles verbunden, wobei dazu die in dem Speicher 42 enthaltenen Daten eines Idealzahnes zur Vervollständigung des Ersatzteilumrisses herangezogen wer¬ den. Gleichzeitig oder stattdessen kann auch die Monitor¬ grafik manuell vervollständigt werden, um die fehlende Be- grenzungsfläche des Inleys, Onleys oder dergleichen fest¬ zulegen. Die Verbindungen zwischen dem Speicher 42 und der Auswer¬ teeinheit 47 sowie dem Monitor 46 und der Auswerteeinheit 47 sind wegen der alternativen oder parallelen Nutzung ge¬ strichelt dargestellt. Die Ausgangsdaten der Auεwerteein- heit 47 charakterisieren einen vermessenen Negativabdruck eines Zahndefektes, der nach dentologischen Gesichtspunk¬ ten manuell oder durch Vergleich derart vervollständigt wurde, daß die Umrisse des herzustellenden Zaheresatztei- les damit gegeben sind. Diese Daten werden einem Wandler 48 zur Anpassung an das Format der Eingangsdaten einer nu¬ merisch gesteuerten Werkzeugmaschine 49 zugeführt und die¬ nen dann zur Ansteuerung der Werkzeugmaschine 49, insbe¬ sondere einer Fräsmaschine, welche das Zahnersatzteil in individuell passender Form aus einem entsprechenden Roh- ling herausfräst.A computer 45 connected to the memory 42 processes the determined and stored coordinate values of the surfaces for a closed graphic structure description, such as is used, for example, as a program language for CAD / CAM systems, as a result of which the tooth area of interest is displayed as a graphic on a connected one Monitor 46 can be displayed. The computer 35 is connected to an evaluation unit 47 for determining the contours of the tooth replacement part to be produced, the data of an ideal tooth contained in the memory 42 being used to complete the outline of the replacement part. At the same time or instead, the monitor graphic can also be completed manually in order to determine the missing boundary surface of the Inley, Onley or the like. The connections between the memory 42 and the evaluation unit 47 as well as the monitor 46 and the evaluation unit 47 are shown in dashed lines because of the alternative or parallel use. The output data of the evaluation unit 47 characterize a measured negative impression of a tooth defect, which was completed manually or by comparison in such a way that the outlines of the tooth replacement part to be produced are given. These data are fed to a converter 48 for adaptation to the format of the input data of a numerically controlled machine tool 49 and are then used to control the machine tool 49, in particular a milling machine, which cuts the dental prosthetic item in a suitable form from a corresponding raw material. ling out.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei- spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.The embodiment of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiment specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown, even in the case of fundamentally different types.
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Claims

A n s p r ü c h e Expectations
1. Vorrichtung zur Herstellung von Zahnersatzteilen, insbesondere Inlays, Onlays und Schalenverblendungen, mit einer berührungslos arbeitenden optischen Meßeinrichtung zur Oberflächenerfassung und einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, wobei die Steuersignale computergestützt von der erfaßten Oberfläche abgeleitet werden,1. Device for the production of dental prosthetic items, in particular inlays, onlays and shell veneers, with a non-contact optical measuring device for surface detection and a numerically controlled machine tool, the control signals being derived from the detected surface in a computer-assisted manner,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,characterized ,
daß die Oberflächenerfassung nach dem Prinzip der dynami¬ schen Fokussierung erfolgt, wobei die Abstandsmeßein- richtung eine Laserlichtquelle und eine Fokusfehlerer¬ kennung aufweist und eine in den Mund einbringbare scan¬ nende Laserstrahlführung vorgesehen ist, welche derart an¬ steuerbar ist, daß jeder abzutastende Oberflächenpunkt vom Laserstrahl (8) überstrichen wird.that the surface detection is carried out according to the principle of dynamic focusing, the distance measuring device having a laser light source and a focus error detection and a scanning laser beam guide which can be inserted into the mouth and which can be controlled such that each surface point to be scanned is provided is swept by the laser beam (8).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Fokusfehlererkennung eine im Strahlengang des reflektierten Laserlichts ange- ordnete Zylinderlinse (24) und ein nachgeordnetes matrix- förmiges Diodentarget (23) als Fotodetektor aufweist (Astigmatismusprinzip) .2. Apparatus according to claim 1, so that the focus error detection has a cylindrical lens (24) arranged in the beam path of the reflected laser light and a downstream matrix-shaped diode target (23) as a photodetector (principle of astigmatism).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Fokusfehlererkennung ein im Strahlengang des reflektierten Laserlichts angeord¬ netes 90"-Prisma und nachgeordnet, symmetrisch zur opti¬ schen Achse zwei Fotodioden als Fotodetektor aufweist (Prinzip des "kritischen Winkels").3. Apparatus according to claim 1, dadurchge ¬ indicates that the focus error detection a 90 "prism arranged in the beam path of the reflected laser light and arranged downstream, symmetrical to the optical axis, has two photodiodes as a photodetector (principle of the" critical angle ").
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Fokusfehlererkennung im Strahlengang des reflektierten Laserlichts eine Sammellin- se, eine in deren bildseitigem Brennpunkt angeordnete Be- zugskante und ein nachgeordnetes matrixförmiges Diodentar¬ get als Fotodetektor aufweist ("Knife Edge"-Prinzip) .4. The device according to claim 1, dadurchge ¬ indicates that the focus error detection in the beam path of the reflected laser light has a converging lens, a reference edge arranged in its focal point on the image side and a downstream matrix-shaped diode target as a photodetector ("knife edge" principle) ).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4 , d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fokus¬ fehlererkennung eine dem Fotodetektor nachgeordnete Ab¬ standsermittlung, insbesondere auf der Basis eines die Ausgangssignale der Fotodioden vergleichenden Differenz- Verstärkers (25) aufweist.5. Device according to one of claims 2 to 4, that the focus error detection has a distance determination downstream of the photodetector, in particular on the basis of a differential amplifier (25) comparing the output signals of the photodiodes.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4 , d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein dem Fo- todetektor (23) nachgeordneter Fokus-Servoregelkreis zur Nachführung eines den Laserstrahl auf das Meßobjekt abbil¬ denden Objektivs (20) und eine Einrichtung zur Ermittlung der Bewegung des Objektivs (20), insbesondere ein Induk¬ tivmeßtaster vorgesehen ist. 6. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that a focus servo control loop arranged downstream of the photo detector (23) for tracking a lens (20) that images the laser beam onto the measurement object and a device for determining the movement of the objective (20), in particular an inductive measuring probe is provided.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die La¬ serlichtquelle eine Laserdiode (18) ist.7. Device according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the laser light source is a laser diode (18).
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Füh¬ rung des Laserstrahles mindestens ein scannend mit Hilfe der Ansteuermittel (27) bewegbarer Umlenkspiegel oder/und mindestens ein Prisma vorgesehen ist.8. Device according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that at least one scanning mirror movable with the help of the control means (27) and / or at least one prism is provided for the guidance of the laser beam.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Doppelschlittenführung zur Führung des Laserstrahles (8) nach Art eines Plotters vorgesehen ist, wobei eine über die Ansteuermittel (27) bestimmte, insbesondere mäander- förmige Abtastung erfolgt.9. Device according to one of the preceding claims, that a double slide guide is provided for guiding the laser beam (8) in the manner of a plotter, with a particular meandering scanning being carried out via the control means (27).
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein RAM- Festwertspeicher (30) für die Speicherung der Abstandswer¬ te vorgesehen ist.10. The device as claimed in one of the preceding claims, that a RAM read-only memory (30) is provided for storing the distance values.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der RAM-Festwertspeicher (30) Speicherplätze zur Speicherung von Oberflächenkoordi- naten defektloser "Idealzahnformen" aufweist.11. The device according to claim 10, so that the RAM read-only memory (30) has memory locations for storing surface coordinates of defect-free "ideal tooth shapes".
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