Brevet FR2758076A1 — publié le 19980710

Procédé et Dispositif Optoélectroniques de rétrodigitalisation en odontologie La présente invention concerne un procédé et un dispositif optoélectroniques de triangulation spatiochromatique destiné à la numérisation 3D d'empreintes et de contre-empreintes dentaires, notamment en vue de la conception et de la fabrication assistée par ordinateur (CFAO) de prothèses, cette application n'étant toutefois pas limitative en ce sens que le dispositif peut également servir à l'établissement d'un diagnostic médical non nécessairement suivi de la conception et de la réalisation d'une prothèse. L'application de ce procédé de numérisation 3D en matière de prothèses dentaires permet de définir et de situer le rapport exact de la dent (ou des dents) à traiter avec les dents voisines et les dents antagonistes au niveau osseux, la saisie de la forme précise du site d'implantation de la prothèse dentaire, fixe ou mobile, et de son environnement immédiat étant de toute évidence et comme reconnu par l'homme de l'art - tant prothésiste que chirurgien dentiste - une phase primordiale de la réalisation d'une prothèse. L'analyse de l'état de l'art concernant la saisie 3D en matière de prothèses dentaires fait apparaître deux principes fondamentaux différents à savoir la numérisation d'empreintes médicales réalisées au moyen d'une pâte plus ou moins élastique ou de contre-empreintes obtenues par coulée de plâtre (ou de tout autre matériau) dans l'empreinte initiale d'une part, et la saisie directe en bouche généralement réalisée par des procédés d'imagerie ou de vision d'autre part. La présente invention propose un procédé et un dispositif optoélectroniques applicables aux deux principes indifféremment moyennant des mises en oeuvre technologiques appropriées tenant compte des contraintes spécifiques - temporelles et spatiales - rencontrées lors de la numérisation d'une empreinte (ou d'une contre-empreinte) ou de la saisie directe en bouche. Parmi les brevets et articles scientifiques traitant des méthodes, procédés et dispositifs proposés pour la saisie 3D en dentisterie, on relève essentiellement - la méthode du micropalpage proposée par Mushabac en 1977 (US patent n" 4 182 312), puis par Becker (US patent n" 4 411 626), et enfin par Rekow en 1991 (Journal of American Dental Association (Vol. 122, # 3, pages 42-48)), - la méthode d'exploration interne proposée par F. Duret (Brevet Français n" 2 545 349) et basée sur l'acquisition simultanée ou avec un très léger décalage de temps, respectivement avec un rayonnement X et avec d'autres rayonnements - ultrasons, IR ou RMN - puis à traiter ces deux types d'informations en vue d'obtenir une image résultant de la superposition des deux saisies de forme. La superposition des données obtenues à partir des saisies de forme permet la visualisation d'un bon contour osseux grâce aux rayons X et la visualisation des tissus mous grâce à l'autre type de rayonnement, - les méthodes dites d'empreintes optiques, telle que celle de Swinson (US patent n" 3 867 044), proposant un procédé nécessitant de réaliser des séquences photographiques de plusieurs centaines d'images pour obtenir une représentation 3D fidèle de la dent à traiter, ou celle de Heitlinger (US patent n" 4 324 546), basée sur la stéréoscopie ou encore celle de F. Duret (Brevet Français n" 2 525 103) décrivant un procédé d'imagerie interférométrique (source cohérente) ainsi que de moiré (source incohérente) et permettant une saisie directe en bouche, ou enfin celle de F. Duret et JL. Bloin (Brevet Français n" 2 610 821) utilisant le codage de phase qui consiste à projeter sur la région dont la topographie est à déterminer, une grille de profil d'intensité sinusoïdal puis à répéter cette projection au moins deux fois avec un décalage de phase connu d'une valeur égale à 27C/n, n étant le nombre de projections. Les méthodes de micropalpage sont longues et nécessitent une bonne dextérité de l'opérateur, l'exploration interne bi-rayonnement n'est pas absolument exempte de danger pour le patient, la photogrammétrie (photographie et stéréoscopie) manque de résolution et est souvent fastidieuse, l'holographie est complexe et coûteuse, et le codage de phase est trop sensible (speckle, imprécision des déphasages). Le procédé et le dispositif optoélectroniques de rétrodigitalisation par triangulation spatiochromatique décrits ici permettent de numériser une empreinte (ou une contre-empreinte dentaire) avec une résolution, une densité de points échantillonnés et une simplicité de mise en oeuvre compatibles avec le besoin de la CFAO dentaire. La présente invention repose sur un principe optique nouveau dit de codage spectral de l'espace de mesure et est ici appliqué à la triangulation en éclairage structuré. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif optoélectroniques de triangulation spatio-chromatique destinés à la numérisation sans contact et en temps réel de la surface d'empreintes et de contre-empreintes dentaires, caractérisé en ce qu'il comporte . Une voie d'éclairage permettant d'illuminer l'objet sous examen selon un plan de coupe (x,z), et constituée - d'une source lumineuse polychromatique, - d'un élément disperseur, prisme ou réseau de diffraction produisant un ensemble de pinceaux lumineux monochromatiques correspondant à l'éclatement spectral du pinceau incident issu de la source polychromatique, - de moyens de focalisation du spectre ainsi généré dans l'espace de mesure, lequel est ainsi codé chromatiquement selon les deux directions x et z, conformément à une représentation cartésienne dans laquelle la direction y est perpendiculaire au plan de coupe (x,z) considéré. . Une voie d'observation permettant de recueillir le flux rétrodiffusé par l'objet, et constituée - d'une optique afocale télécentrique de grande profondeur de champ et formant l'image de la coupe (x,z) de l'objet sur la fente d'entrée orientée selon l'axe x d'un spectrographe imageur, - dudit spectrographe imageur qui fournit en son plan image une représentation (x,) de la coupe (x,z) de l'objet sous examen, du fait du codage chromatique (X) produit par la voie d'éclairage, - d'un détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel placé dans le plan image du spectrographe imageur pour capter la représentation (x,) de la coupe (x,z). . Des moyens mécaniques de translation/rotation de l'objet sous examen respectivement selon la direction (y) perpendiculaire au plan de coupe ainsi que autour des axes O et (p, associés à leurs moyens électroniques de pilotage et de synchronisation, permettant d'observer successivement l'ensemble des plans de coupe nécessaires à l'examen et/ou à la restitution 3D de l'objet . Des moyens électroniques et informatiques d'enregistrement, de traitement et de visualisation des résultats. Des modes de réalisation préférés du dispositif optoélectronique de triangulation spatiochromatique objet de l'invention sont décrits ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels . la figure I représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, .la figure 2 représente une reconstitution tridimensionnelle de la surface d'un objet par juxtaposition de plans de coupe successifs parallèles entre eux. Le dispositif représenté figure I fonctionne de la façon décrite ci-après . La source lumineuse (10) polychromatique et à spectre continu éclaire au moyen d'une optique de focalisation (11) la fente source (12). . Le réseau de diffraction (13) de forme concave produit un continuum d'images monochromatiques (14) de la fente source (12) créant ainsi un codage chromatique de l'espace de mesure (15) selon un plan de coupe (x,z). L'objet à mesurer est situé pour tout ou partie à l'intérieur de l'espace de mesure (15) et est rendu solidaire d'un ensemble de tables motorisées (16) pilotées par le module électronique (17) de contrôle-commande et de synchronisation et permettant dans sa fonction principale et la plus élémentaire le déplacement relatif du plan de coupe (x,z) par rapport à l'objet suivant une direction y perpendiculaire à (x,z). . L'optique afocale télécentrique (18) de grande profondeur de champ projette l'image de la coupe (x,z) de l'objet sur la fente d'entrée (19) d'un spectrographe imageur (20) lequel forme dans son plan image une représentation (x,) de la coupe (x,z) d'objet ainsi observé. . Le détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel (21) placé dans le plan image du spectrographe imageur (20) fournit à l'aide de son électronique de pilotage une image instantanée de la coupe observée. . Les moyens électroniques et informatiques (22) permettent l'acquisition et le traitement des signaux ainsi que le calcul pour chaque point x de l'altitude zi correspondante au moyen de tableaux de conversion des Xj en zj lesquels tableaux sont préétablis au cours de la calibration du dispositif. La figure 2 représente la reconstitution tridimensionnelle de la surface d'un objet par juxtaposition de plans de coupe successifs parallèles entre eux. La source lumineuse polychromatique (10) peut être par exemple choisie parmi les sources suivantes correspondant à différents modes préférés de réalisation de l'invention - une source à incandescence - une lampe à Arc donnant un spectre continu et relativement uniforme sur une large bande spectrale, telle qu'une lampe à Arc au Xénon, utilisée en mode continu ou en mode flash, - une ou plusieurs sources élémentaires à spectre étroit, couplées optiquement. Ces sources peuvent être de type diode électroluminescente ou superradiante. Selon un autre mode de réalisation, le réseau concave de diffraction (13) de la voie d'éclairage peut être avantageusement remplacé par une lentille diffractive. Selon un autre mode de réalisation l'optique afocale télécentrique peut être avantageusement remplacée par un objectif d'imagerie classique avec adjonction d'un transport pupillaire placé devant la fente (19) d'entrée du spectrographe imageur. REVENDICATIONS 1- Dispositif Optoélectronique de rétrodigitalisation par triangulation spatio-chromatique destiné à la numérisation 3D d'empreintes et de contre-empreintes dentaires, caractérisé en ce qu'il comporte - une voie d'éclairage permettant d'illuminer l'objet sous examen selon un plan de coupe (x,z) et constituée . d'un bloc source incluant une source lumineuse polychromatique et à spectre continu (10), éclairant au moyen d'une optique de focalisation (11) une fente source (12) . d'un réseau concave de diffraction (13) produisant un continuum d'images monochromatiques (14) de la fente source, créant ainsi un codage chromatique de l'espace de mesure (15) selon un plan de coupe (x,z) - une voie d'observation permettant de recueillir le flux rétrodiffusé par les points de la surface de l'objet situés dans le plan de coupe (x,z) illuminé par la voie d'éclairage et constituée: . d'une optique afocale télécentrique (18) de grande profondeur de champ permettant de projeter l'image de la coupe (x,z) de l'objet sur la fente d'entrée (19) d'un spectrographe imageur (20) ladite fente étant orientée parallèlement à l'axe x . dudit spectrographe imageur (20) qui fournit en son plan image une représentation (x,) de la coupe (x,z) de la surface de l'objet sous examen et ce du fait du codage chromatique produit par la voie d'éclairage . d'un détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel (21) placé dans le plan image du spectrographe imageur et délivrant à l'aide de son électronique de pilotage une image instantanée de la coupe observée - des moyens mécaniques (16) de translation et de rotation de l'objet sous examen respectivement selon la direction (y) perpendiculaire au plan de coupe et autour des axes (x) et (y) afin d'observer séquentiellement l'ensemble des plans de coupe nécessaires à l'examen 3D de tout ou partie de la surface de l'objet - des moyens électroniques (17) de pilotage et de synchronisation des moyens mécaniques de translation et de rotation et de l'ensemble du dispositif - des moyens électroniques et informatiques (22) d'acquisition et de traitement des signaux ainsi que de calcul des altitudes zi au moyen des tableaux de conversion des Xi observés en zi réels résultant d'une calibration initiale du dispositif. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse polychromatique et à spectre continu (10) est réalisée par couplage optique de plusieurs sources élémentaires à spectre étroit. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau concave de diffraction (13) est remplacé par une lentille diffractive. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optique afocale télécentrique est remplacée par un objectif d'imagerie classique avec adjonction d'un transport pupillaire placé devant la fente d'entrée (19) du spectrographe imageur.