(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オブジェクトの光学特性を決定するための方法において、
共焦点の３次元測定システムの光センサを用いて、前記共焦点の３次元測定システムから任意の距離における前記オブジェクトから反射された第１および第２の放射線の測定データから、前記オブジェクトのスペクトル的に分解されたデータを得ることと、
ここで、前記第１の放射線は、前記オブジェクト上で結像された多焦点照射パターンの複数の焦点から直接に反射され、
前記第２の放射線は、前記多焦点照射パターンの結像された焦点から前記オブジェクト上で距離Δｘ離れた位置において乱反射され、前記光センサによって測定される、
基準体のスペクトル的に分解されたデータを用いて、前記オブジェクトのスペクトル的に分解されたデータを計算することと、
前記オブジェクトと前記共焦点の３次元測定システムとの間の可変距離において、前記オブジェクトのスペクトル的に分解されたデータを決定することと、
前記決定されたスペクトル的に分解されたデータに、共焦点測定条件のもとで測定されていない前記基準体の乱反射から決定されるか、またはコンピュータに保管されているライブラリから取った補正因子を適用することと、
を具備する、方法。
【請求項２】
共焦点の、色分散型の３次元測定システムが提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記焦点に割り当てられ直接に反射された前記第１の放射線と、乱反射された前記第２の放射線との間の距離が、光センサ上で５μｍ乃至３ｍｍである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記スペクトル的に分解されたデータを決定するために、前記共焦点の３次元測定システムによって、前記オブジェクトに、波長範囲Δλ１にある第１の放射線を当て、前記オブジェクトに、波長範囲Δλ２にある第２の放射線を当て、前記オブジェクトによって反射された前記第２の放射線から、前記オブジェクトの２次元画像を生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
３次元画像を、前記オブジェクトの空間的座標に割り当てられる第１のピクセルを有する前記共焦点の３次元測定システムの第１のセンサを用いて測定し、前記２次元画像を、前記オブジェクトの位置座標に割り当てられる第２のピクセルを有する第２のセンサを用いて測定し、前記第１のピクセルおよび第２のピクセルを互いに割り当てる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のセンサを用いて決定された前記スペクトル的に分解されたデータのスペクトル情報および前記第２のセンサを用いて決定された前記スペクトル的に分解されたデータのスペクトル情報によって、異なった視点からのおよび／または異なった時間点における、同一の測定点を示す１つのフレームまたは複数のフレームが、材料分類を計算するために用いられる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記スペクトル的に分解されたデータのスペクトルを、前記補正因子を考慮に入れて、前記オブジェクトの光学特定を表している、ルックアップテーブルに保管されているスペクトルと比較する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
測定点の、共焦点の条件下で得られた測定スペクトルと、前記測定点の範囲のバックグラウンドスペクトルと、の両者から、前記オブジェクトの光学特性を決定する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記距離は、１０μｍ乃至２００μｍである、請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
前記距離は、１０μｍ乃至２００μｍである、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の放射線のスペクトルは、前記測定点の起点として前記コンピュータに保管される、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オブジェクトの材料特性、特に、好ましくは半透明のオブジェクト、例えば、歯、顎領域の光学特性を決定するための方法に関する。
【０００２】
３次元のオブジェクトを光学的に測定する間に、測定される領域の、材料特性、特に光学特性を知ることは、複数の理由から役立つことがある。このことは、表面のデータのみならず、半透明のオブジェクトの場合には、容量における材料特性に関する情報にも関係する。
【０００３】
例えば、種々の材料から構成されているオブジェクトの場合には、これらの材料を３Ｄデータセットにおいても異なって表示すること、あるいは、材料に依存するフィルタアルゴリズムを適用することは有用である。同様に、特殊なフィルタ（またはデータ処理のためのアルゴリズム）が、スキャンされるオブジェクト内での材料の境界に、選択的に適用されるのは、分離線のコースが知られている場合である。
【０００４】
更に、可変形態を有する環境の中に埋設されている幾何学的に不変なオブジェクトでは、オブジェクトを、自らの異なった光学特性が存在する場合、該光学特性によって区分することは、役立つことがある。
【０００５】
３Ｄ再構成のための材料特性の使用のほかに、材料特性の決定を、例えば、材料区分の表現のために、あるいは、歯科分野では、虫歯、炎症、またはコンポジットレジン充填材の状態（色、重合度）の認識のためにも、使用することができる。
【０００６】
特許文献１からは、特に半透明のオブジェクトを、色分散の共焦点技術によって３Ｄで測定する方法が公知である。しかしながら、測定されたスペクトルデータは、多数の測定のＺ座標を決定するために使用される。このことに応じて、Ｚ座標の測定は、材料に係わりなくなされる。同様に、種々の材料のスペクトル乱反射データおよび光学特性が公知である（特許文献２）。
【０００７】
特許文献３は、組織の光学特性を決定するための方法および装置に関する。この目的のために、組織の、異なった領域から、点毎に、共焦点のスペクトロスコープによって、スペクトル撮像が決定される。その目的は、次に、組織の反射特性および吸収特性に関する情報を得るためである。
【０００８】
特許文献４の主題は、オブジェクトを迅速に空間分解能で２次元に分光分析するための方法および装置である。ここでは、ピンホールの、格子状の、２次元のアレイが使用される。
【背景技術】
【０００９】
【特許文献１】DE-A-10 2007 019 267
【特許文献２】WO-A-2005/068953
【特許文献３】US-A-2010/0033719
【特許文献４】DE-A-10 2006 007 172
【発明の概要】
【００１０】
オブジェクトの、好ましくは、歯科分野のオブジェクトの材料特性、特に光学特性を決定するための方法を、複雑な測定方法の必要なしに、利用する課題が、本発明の基礎になっている。実際また、簡単な取り扱いを可能にする構造的に簡単な測定装置を用いて、作業を行なうことが意図される。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、材料特性を決定するために、オブジェクトの、共焦点の３Ｄ測定システムを用いて測定された測定データからの、スペクトル的に分解されたデータを、基準体のスペクトル的に分解されたデータで相殺し、複数の測定点から、複数のスペクトル的に分解されたデータを、測定システムと測定点すなわちオブジェクトとの互いに異なる距離で、決定すること、実質的にこのことを意図する。
【００１２】
この場合、共焦点の３Ｄ測定システムは、特に、特許文献１から読み取れるような、共焦点の色分散型の３Ｄ測定システムである。該公報に記載の開示内容を明示的にかつ完全に援用する。
【００１３】
基準体としては、特に、極めて広範に拡散する材料、例えば酸化チタンまたはスペクトラロンからなる基準体が使用される。
【００１４】
本発明によれば、各々の測定点の、３Ｄスキャナの光学原理によってスペクトル的に分解されたデータを用いるのは、材料特性および材料区分のための情報を得るためである。但し、材料は、光学特性、例えば屈折率、異方性因子、散乱係数および吸収係数の点で、または蛍光によって異なっている限りである。
【００１５】
この目的のために、特許文献１に対応して、少なくとも１つの光源、特に、連続的なスペクトルを有する光源、多焦点の照射パターンを発生させるための手段、照射パターンの複数の焦点をオブジェクトに結像するための、大きな色収差を有する対物レンズ、オブジェクトの対物レンズに結像された複数の焦点の波長スペクトルを決定するための検出手段が使用される。各々の波長スペクトルから、各々の焦点のスペクトルピーク位置が決定され、該スペクトルピーク位置から、結像光線（Ｚ座標）の方向におけるオブジェクトの延在が計算される。この場合、対物レンズによって共焦点に結像された焦点の面に、複数の第１の孔を有する第１のホールパターンが設けられている。これらの孔の幾何学的配置は、多焦点の照射パターンの配置と関連がある。
【００１６】
第１の孔の位置によって、結像ビームに対し直角に延びている面（Ｘ，Ｙ座標）におけるオブジェクト上での焦点の位置が、予め設定され、複数の孔に結像された複数の焦点の波長スペクトルは、検出手段によって検出される。この場合、１つの孔に結像された各々の焦点の波長スペクトルは、後置された分散手段によって、横方向に分散される。更に、ホールパターンの第１の孔には、第２の孔が割り当てられている。第２の孔の配置は、多焦点の照射パターンの配置と異なる。従って、第２の孔に、乱反射信号が当たる。というのは、複数の焦点は、対物レンズによっては、第２の孔に結像されないからである。従って、測定方法として、半透明なオブジェクトの場合には測定開口内の測定点の付近の環境からの拡散反射信号と重なり合った測定点（適切な角度ではフレネル反射率を含む）における直接的な後方反射のみならず、例えば５μｍと３ｍｍとの間の、好ましくは１０μｍと２００μｍとの間の範囲にある少ない間隔だけ空間的にずれた後方散乱信号の観測あるいは２つの信号の組み合わせも使用することができる。
【００１７】
直接的な後方反射、従って、結像された複数の焦点のうちの１からの反射された放射線によって、特に、材料の粗さ、すなわち拡散反射特性を推論することができる。というのは、強いフレネル反射は、低い粗さが存在する区域でのみ、検出されるからである。次に、照射されない点から検出されるスペクトルから、表面下散乱に関する情報を得ることができる。
【００１８】
共焦点の条件および色分散光学系によって、狭い波長範囲が、いずれのＺ深度においても支配的である。他の波長範囲は抑制される。３Ｄ測定のＺ深度が知られているときは、共焦点光学系の挙動は知られているので、この効果は算出されることができる。しかしながら、深度の測定にとって極めて重要なこの特性は、材料特性の評価の際には、抑制された波長範囲における信号対雑音比の劣化および使用可能なスペクトル領域の制限をもたらす。
【００１９】
従って、本発明により提案されることは、同一の測定点に関する。しかし、測定装置とオブジェクトとの間の異なった距離における複数のスペクトルを決定し、次に、該スペクトルを重みづけし、すなわち、これらのスペクトルから平均値を計算することである。このことによって、好ましくない信号対雑音比が改善される。
【００２０】
考慮すべきことは、スペクトルにおける所定の特性、例えば、他の影響によるピークのゆがみを、材料特性、例えば、表面の斜め位置として引き起こすことができることである。このことを、特別な評価に晒さねばならない。その目的は、決定される材料特性への誤った推論を回避するためである。
【００２１】
本発明の他の好ましい実施の形態では、材料特性を決定するために、追加の、光学的な、非共焦点の測定がなされることが意図されている。このことを、特許文献１から読み取れる公知の装置において、ライブ画像の生成を可能にする手段によって行なうことができる。
【００２２】
例えば、３Ｄ測定中にライブ画像を実現化するための、１つのまたは複数の、追加の、非共焦点の基準チャネルが存在するときは、該基準チャネルは、光学特性から材料を決定することにおいて共に使用することができる。
【００２３】
測定オブジェクトへの完全に平らな照射を、１つのまたは複数の追加の光源によって行なうことができる。１つのまたは複数の追加の光源の波長範囲が、３Ｄ測定システムの波長範囲の外側にあるとき、２つの測定システムの十分な独立性が得られる。その代わりに、２つのシステムは、交互に測定することができる。基準チャネルにおける複数の波長を、種々のＬＥＤまたはレーザダイオードの、時間的にずれた、交互の起動によって、実現することができる。光源の脈動は、測定センサのフレームレートで同期化されている。従って、２つの光源の場合には、１つおきの画像が、同一の波長によって照射される。
【００２４】
センサとしては、特に、複数の光源による逐次的な照射の場合には、モノクロセンサまたはカラーセンサ、例えば、ＲＧＢチップを使用することができる。複数のモノクロセンサが、適切なカラー分割器と組み合わされていることも可能である。
【００２５】
追加の画像センサは、自らの対物レンズを用いてしかもビーム出力によって、
クロマチック対物レンズの手前に位置決めされていており、あるいは、結像のためのクロマチック対物レンズを用いて、クロマチック対物レンズ後に位置決めされていてもよい。実際また、自らの光学結像による第２の測定も可能である。該光学結像は、クロマチック対物レンズの結像と同軸上にある。
【００２６】
クロマチック対物レンズが結像のために使用されるとき、カラーセンサが、１つの波長が明瞭に結像され、かつ構造の分解能を供するように、位置決めされていることができる。他の波長は、スペクトル情報を提供するが、但し、減少された空中分解能をもってである。あるいは、複数のモノクロセンサが、適切な干渉フィルタとの組み合わせで使用される。クロマチック対物レンズの分散に対応して、複数のセンサの個々の軸方向位置が、各々の結像面に適合されていることは好ましい。
【００２７】
この代わりに、より高いフレームレートでモノクロセンサを使用することができる。例えば、３つのＬＥＤを、フレームレートと同期化することができる。第１の画像は、構造の分解能を鮮明な結像で供給する。この画像に続く複数の画像は、色の決定に寄与する。この場合、不明瞭な結像は、最終解像度のための尺度である。効果的な、調整可能なフレームレートは、カラーチャネルの数によって減少される。というのは、効果的なフレームレート＝カラーチャネルの数によって割られたフレームレートが、成り立つからである。
【００２８】
適用に応じて、照射波長の変形例の代わりに、白色光源およびフィルタホイール（Filterrad）の組み合わせが選択される。
【００２９】
当然ながら、蛍光分析も、適切なフィルタを基準チャネルの中で使用することによって、使用することができる。
【００３０】
表面の粗さまたは表面の滑らかさを、必要な場合には、複数のフレームすなわち画像によって、決定することができる。何故ならば、フレネル反射が、測定システムの測定表面および光軸が直交しているときにのみ、発生し、かつ、この条件が、スキャンの最中に、散発的に満たされるだけであるからである。記録とも呼ばれるマッチング、すなわちオブジェクトの複数の録画−好ましくは、１秒に３０のフレームが録画される−によって、個々のスキャンの個々の表面点の代表的なものを、センサ上に再結合することができる。照射角度および視野角は異なっている。何故ならば、スキャナが動かされるからである。しかしながら、このことにも係わらず、如何なるフレームにおいても、１つのフレームが約３５ｍｓ続くので、測定装置とオブジェクトとの間の相対運動がなされないことが仮定される。個々のフレームでは、直接的な後方反射において、少なくとも１つの測定点で強い輝度変動が生じるとき、各々の領域における滑らかな表面を前提とすることができる。当然ながら、センサおよび測定オブジェクトにおける慣性プラットフォームによっても、位置関係の決定を行なうことができる。
【００３１】
特に意図されていることは、スペクトル的に分解されたデータを決定するために、３Ｄ測定システムによって、オブジェクトに、波長範囲Δλ１にある第１の放射線を当てること、オブジェクトに、波長範囲Δλ２にある第２の放射線を当てること、および、オブジェクトによって反射された第２の放射線から、オブジェクトの２Ｄ画像を決定し、但し、特にΔλ１≠Δλ２であることである。この場合に意図されているのは、３Ｄ測定システムは、オブジェクトの空間的座標に割り当てられる第１のピクセルを有する第１のセンサと、オブジェクトの空間的座標に割り当てられる第２のピクセルを有する第２のセンサを用いて測定される２Ｄ画像とを有すること、および、第１のおよび第２のピクセルを互いに割り当てることである。従って、空間的座標と材料特性との間の明確な割り当てが可能である。特に、波長範囲Δλ２における反射された放射線によって、オブジェクトの材料の自己蛍光に関する情報が得られる。
【００３２】
本発明は、測定されたスペクトルに、基準体の複数のスペクトルから決定される補正因子を加え、該基準体の乱反射を、共焦点の測定条件なしに測定し、あるいは、基準体のスペクトルを、コンピュータに保管されたライブラリから読み取ること、特にこのことを特徴とする。
【００３３】
この場合に意図されていることは、複数の測定点を、補正因子を用いて、ルックアップテーブルに保管されておりかつ材料特性を表わしているスペクトルと比較することである。
【００３４】
更に、以下のことが意図されていることは好ましい。すなわち、任意の或る測定点の、共焦点の条件下で決定された測定スペクトルからのみならず、測定点の付近のバックグラウンドスペクトルからも、材料特性を決定することである。
【００３５】
本発明の複数の他の詳細、利点および特徴は、複数の請求項と、これらの請求項から読み取れる、単独および／または組合せで生じる複数の特徴とからのみならず、複数の好ましい実施の形態の以下の記述および特に以下の補足的な説明からも明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】３Ｄ測定装置の原理図を示す。
【図２】第１のおよび第２の孔を有するホールパターンを示す。
【図３】オブジェクトの材料特性を決定するための原理図を示す。
【図４】図１に示した装置の変形例を示す。
【図５】材料データを決定するための原理図を示す。
【図６】補正因子を決定するためのスペクトルを示す。
【図７】オブジェクトの材料特性を決定するためのスペクトルを示す。
【図８】測定されるオブジェクトとの間隔Ｚ１およびＺ２における、本発明に係わる測定装置により録画されたスペクトルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明によれば、同時に記録される多数の測定点の各々の測定点のデータに基づいて、オブジェクトの、特に半透明なオブジェクトの、例えば、歯の領域または顎の領域の表面形状に関する情報が使用され、同時に、オブジェクトの空間座標を提供するスペクトル的に分解されたデータを評価しつつ、オブジェクトの材料特性が決定される。この場合、特許文献１から読み取れる装置が、利用される。前述のように、該公報の開示内容が明示的に引き合いに出される。図１の測定装置は、特許文献１の測定装置に対応する。
【００３８】
測定装置は、この場合、重要な要素として、ハロゲンランプのような光源１０を有する。該光源の光は、レンズ１２を介して平行にされる。平行光線は、マイクロレンズアレイ１４に当たる。該マイクロレンズアレイは、大きな色収差を有する対物レンズ１８の焦点面に、照射パターンを結像する。
【００３９】
照射パターンは、例えば約１６００の焦点を持つ２０ｍｍ×１５ｍｍの大きさ、あるいは、例えば、２５０μｍの間隔で約２０００の焦点を持つ５ｍｍ×６．５ｍｍの大きさを有することができる。照射パターンは、マイクロレンズアレイ１４によって発生される。
【００４０】
照射パターン１６は、各々約２５μｍまたは約１２μｍの焦点２０，２２の直径が生じるように、構想されていてもよい。
【００４１】
照射パターンを改善するために、マイクロレンズアレイ１４を、該マイクロレンズアレイに適合されておりかつ対物レンズ１８の対物面に位置しているピンホールアレイと、組み合わせることができる。この場合、ピンホールアレイの複数の孔が、複数の焦点によって形成される照射パターンへ、幾何学的にまたは位置的に適合されている。
【００４２】
図１に示すように、光源１０から来る光は、照射パターン１６の後に、ビームスプリッタ２４に当たる。ビームスプリッタによって、透過された成分は、大きな色収差を有する対物レンズ１８に当たる。
【００４３】
ビームスプリッタ２４は、図面では、部分反射型の層を有するプレートとして示されている。その代わりに、他のビーム分割要素も可能である。例えば、ビームスプリッタキューブとも呼ばれている。環状のミラー、または該環状のミラーよりも小型のミラーも考えられる。外側のビーム成分または内側のビーム成分が、以下に説明される検出のためにまたは照射のために用いられる。
【００４４】
対物レンズ１８を貫通する放射線は、偏向ミラーのような偏向手段２６を介して、歯のような、測定されるオブジェクト２８に結像される。この場合、照射パターン１６の面とオブジェクト２８との間の距離は、複数の焦点が、偏向手段２６による偏向後に、オブジェクト２８の表面に結像されるように、選択されている。オブジェクトの表面と対物レンズ１８との間の距離に応じて、他の色、すなわち波長が鮮明に結像される。選択された結像基準は、この場合、測定領域の大きさおよび分解能を規定する。
【００４５】
オブジェクト２８から反射されたビームすなわち光は、部分的に、対物レンズ１８に戻り、かつ、ビームスプリッタ２４における部分反射後に、第１のホールパターンまたはピンホールアレイ３０に当たる。ホールパターンの複数の孔は、これらの孔同士の距離、大きさおよび幾何学的な配列に関して、全体で、照射パターン１６のホールパターンに対応する。
【００４６】
換言すれば、ピンホールアレイ３０の、すなわち該ピンホールアレイの孔の軸方向および横方向の位置は、複数の焦点が、オブジェクト２８の表面上で、ピンホールアレイ３０の複数の孔に共焦点に結像されるように、選択されている。従って、ピンホールアレイ３０の各々の孔によって、オブジェクト２８の表面上での、結像された焦点のＸ座標，Ｙ座標が予め設定される。
【００４７】
図２には、ピンホールアレイ３０が示されている。該ピンホールアレイでは、空いている円形３２の配置および延在は、照射パターン１６の複数の焦点のパターンに対応している。
【００４８】
対物レンズ１８の強い色収差によって、照射パターン１６の複数の焦点の位置によって予め設定された各々の測定点では、該測定点と、対物レンズ１８との距離に対応して、その時々に、只１つの所定の色が、鮮明に結像され、すなわち、只１つの所定の波長が共焦点条件を満たす。これに応じて、ピンホールアレイ３０の各々の孔３２を通って伝達された光のスペクトルにおいて、この波長で、強度最大が生じる。
【００４９】
測定点の密度の増大につれて、およびオブジェクト２８への光放射線が増加するにつれて、ピーク波長のほかに、増加する白色光成分が、孔すなわちピンホールを通って差し込む。このことにも係わらず、焦点に特徴的なピーク波長を、十分な程度におよび必要な精度をもって決定するために、ピンホールアレイ３０の後方には、照射パターン１６に従ってまたピンホールアレイ３０のホールパターンに適合された分光装置が設けられており、該分光装置は、実施の形態では、光学系３４，３６と、両者の間に設けられておりかつ実施の形態ではプリズム３８であるスペクトル分散要素とから構成されていることが意図されている。
【００５０】
１つまたは複数のレンズから構成されることができる光学系３４，３６を介して、ピンホールアレイ３０は、検出装置４０としてのＣＣＤ表面センサに結像される。スペクトル分散要素すなわちプリズム３８は、強度最大をもって複数の孔に生じる、焦点の光の波長範囲の、その横方向のスペクトル分散を引き起こす。従って、ピンホールアレイ３０の各々の孔は、一直線に、ＣＣＤ表面センサ４０、すなわち１つの面に設けられたピクセルに結像される。ライン分光計(Zeilen-Spektrometer）の場合のように、この直線に沿った結像の位置は、所定の波長と関連がある。この場合、光学系３４，３６およびプリズム３８からなるスペクトル分散ユニットおよびＣＣＤセンサ４０は、ピクセル上に線を形成するところの、ピンホールアレイ３０の連続孔の、横方向に分散されたスペクトル線が、自由空間なしにまたはほぼ自由空間なしに、重なり合いなしに、互いに移行し合うように、ピンホールアレイ３０に対し整列される。
【００５１】
例えば、上記寸法を有する上記照射パターン、および６．４ｍｍ×４．８ｍｍの寸法を有しかつ１００万ピクセル（ピクセルの大きさ６．７μｍ×６．７μｍ）を有するＣＣＤチップまたはカメラチップが選択されるとき、１つの測定点当たり、スペクトル分散のための１８６ピクセルが用いられる。ピンホールの直径に対応して、線幅が２ピクセルの場合に、かくして、約２０００の測定点および約２０００のバックグラウンド点の各々につき、スペクトル分散のための夫々９３の画素を有するライン分光計が実現される。撮像後に、画像情報すなわち測定データの評価が、既にＣＣＤセンサでまたは外部ユニットでなされる。この目的のために、各々の測定点で、適切なアルゴリズムによって、スペクトルピーク位置および、該スペクトルピーク位置から、各々の測定点とオブジェクト２８との距離が決定される。１つの画像によって、かくして、支持点または測定点におけるオブジェクト２８の３次元構造が、得られる。分解能は、焦点同士の距離、および対物レンズ１８の結像基準に依存している。
【００５２】
必要とされる分解能および／または３次元構造よりも大きい支持点同士の距離が、１つの斜視図から検出不可能であるとき、照射パターン１６が、これに対応して、シフトされることができる。
【００５３】
測定装置が、手動で作動される装置であるときは、測定装置の連続的な動きによって、オブジェクト２８の完全な検出がなされる。連続的な動きから結果として生じるシングルフレーム画像が、適切な方法で、纏められて、画像全体が形成される。
【００５４】
前述のように、オブジェクト２８が強く散乱されたときは、ピンホールアレイ３０の孔３２には、明瞭に結像された焦点の波長のみならず、かなりの程度で、白光も結像されるので、このことによって引き起こされたバックグラウンドを除去または減少させるための方法が、使用される。
【００５５】
白光のバックグラウンドの割合が増えれば増えるほど、焦点の波長に関して特徴的なピークの位置の決定のためには、各々の測定点におけるバックグラウンドのスペクトル曲線が、一層正確に知られねばならない。この場合、図２によって全く原理的に示される方法が、使用されることができる。例えば、ピンホールアレイ３０は、焦点が結像される相手である孔３２のほかに、照射パターン１４と一致しない他の孔５４も有する。図２に示した好ましい装置に対応して、照射パターン１４に一致しない孔５４は、照射パターン１４に対応する孔３２の間に位置している。焦点が結像されていない相手である孔５４におけるスペクトルは、次に、隣り合う孔３２のバックグラウンド信号をほぼ示す。該孔では、焦点が結像されており、従って、測定点を形成する。この場合、この代わりに、基本的には白光のみを含む個々の隣接した孔５４の測定点を、バックグラウンドとして使用し、あるいは複数の隣接した孔５４の平均値を、バックグラウンド５２を決定するために使用することができる。この場合、孔５４を、照射されない孔と呼び、孔３２を、照射された孔またはピンホールとも呼ぶことができる。
【００５６】
焦点が結像される相手である照射されたまたは第１の孔３２の、および、バックグラウンドの判定のために使用されかつ照射されない孔とも呼ばれる第２の孔５４の配列に応じて、１つの測定点につき、スペクトル分割のためには、焦点の数がピンホールまたは孔３２の数と一致してなる変形例と比較して、ピクセルの半分しか使用されない。
【００５７】
位置決め補助のために、および全体画像の作成のためのシングルフレーム画像の割り当てのために、ライブ画像評価手段が設けられている。この目的のために、実施の形態では、他のカメラチップ６２が設けられている。該カメラチップ上に、オブジェクト２８が結像される。更に、他の光源６４も設けられていてよい。該光源は、オブジェクト２８を、好ましくは偏向手段２６を介して照射する。１つの光源６４の代わりに、複数の光源も設けられていることができる。ライブ画像の撮像のためには、光源６４が、実際の測定のために使用された波長範囲の外側に位置しているスペクトル領域にある光を発するほうがよい。このことによって、ライブ画像および測定が別個に可能である。
【００５８】
ビーム分割のために、対物レンズ１８と、第１のビームスプリッタ２４との間の光路には、２色性のフィルタのような第２のビームスプリッタ６６を使用することができる。後者のビームスプリッタは、測定信号のための高い伝送およびライブ画像信号のための高い反射を有する。
【００５９】
前述のように、オブジェクト２８をカメラチップ６２上に結像するために、同様に、対物レンズ１８が使用される。カメラチップ６２の軸方向位置は、ライブ画像が測定領域のほぼ真中で鮮明であるように、選択されている。
【００６０】
特に、複数の歯を測定するための口腔内の使用の際には、測定装置または測定ユニットの寸法および形状は、非常に重要である。例えば、本発明の実施の形態では、対物レンズ１８およびビーム偏向手段２６のみが、ハンドヘルド装置の、口腔に挿入可能な口腔内部分に設けられていることができる。他の構成要素は、ハンドヘルド装置の口腔外部分にまたは別個の装置ユニットに統合されていてもよい。コンパクトな光源では、ハンドヘルド装置の中での統合も可能である。
【００６１】
ハロゲンランプ１０の代わりに、適切なコリメーション光学系を有する、例えば白色光用ＬＥＤまたは複数の色とりどりのＬＥＤのような他の光源も考えられる。
【００６２】
この代わりに、光源１０は、外部装置に統合されていてもよいし、光は、ファイバを通って、ハンドヘルド装置に導かれることができる。光ファイバの出力端は、コリメーションレンズ１２の焦点に延びている。
【００６３】
多焦点の照射パターン１６を発生させるために、マイクロレンズアレイ１４の代わりに、あるいは、マイクロレンズアレイに追加して、図示された照射パターン１６の平面に設置可能なピンホールアレイも使用することができる。
【００６４】
オブジェクト２８が、只１つの撮像によってではなく、多数の撮像すなわち個々の画像によって、測定すなわちスキャンされるならば、簡単な評価を可能にするためには、個々の画像が、互いに対して明確な割り当てを有しなければならない。この目的のために特に意図されていることは、シングルフレーム画像が、個々の画像の５０％ないし９５％を占める部分で重なり合っていることである。この代わりにまたは補足的に、シングルフレーム画像を重ね合わせるための補助手段として、オブジェクト２８上での固定点の導入も用いられてもよい。
【００６５】
前述のように好ましくはハンドヘルド装置として形成された測定装置を手動でシフトすることの代わりに、測定点を移動させるために、調節部が、測定装置に統合されていてもよい。この場合、最大限に必要なシフト距離は、所望の解像度、説明される実施の形態では、すなわち２２５μｍの所望の解像度(２５０μｍの孔同士の距離マイナス２５μｍの解像度)を差し引いた測定点の距離に対応する。
【００６６】
図１および２を参照して略述された測定装置は、図３で全く概略的に示すように、オブジェクトの材料特性を決定するためにも、使用される。この場合、照射パターン１６、ビームスプリッタ２４、大きな色収差を有する対物レンズ１８およびホールパターン３０を有する共焦点システムが使用される。
【００６７】
図３では、構成要素は、色分散型の共焦点レンズ系１００と呼ばれる。放射線は、必要な場合には多点光源ＴＸ１０２によって発生される。対物レンズ１８の後方には、必要な場合には、偏向要素１０４を設けることができる。該偏向要素を介して、放射線は、歯のようなオブジェクト１０６へ転向される。
【００６８】
図１によれば、色分散型の共焦点レンズ系１００の後方には、センサ１０８を有しかつスペクトル分割するための装置、例えばプリズムが設けられる。センサには、オブジェクト１０６の後方反射されたまたは後方散乱された光のスペクトルが示される。この場合、直接に照射された測定点のスペクトルＳＰ１、ならびに、共焦点系１００によっては照射されないスペクトルＳＰ２がセンサ１０８上に発生される。このような点は、５μｍと３ｍｍとの間の範囲に、特に、１０μｍと２００μｍとの間の範囲にある間隔Δｘだけずれている。オブジェクト１０６の、共焦点系によって照射されない点従ってまたスペクトルＳＰ２は、ピンホールアレイ３０に形成されかつバックグラウンドの判定のために使用される孔５４を通過する光によって発生される点従ってまたスペクトルである。
【００６９】
スペクトルＳＰ１およびＳＰ２は、次に、ルックアップテーブルからのデータで相殺される。ルックアップテーブルのためのデータを生成するために、知られたサンプが、本発明に係わるシステムによって測定される。スペクトル情報ＳＰ１、ＳＰ２および、必要な場合には、更なるチャネル、例えば、ライブ画像光学系からなる基準チャネルが、記憶され、かつ、データセットとして、ルックアップテーブルに格納される。データが、既にｚ方向の距離値が補正された形態で、格納されることは好ましい。知られていない材料の測定データは、次に、同様に距離が補正された形態で、ルックアップテーブルのデータセットと、例えば、１つのスペクトル測定点につき距離の二乗の最小誤差を算出する「ベストフィット」のアルゴリズムと、比較される。システムを較正するためには、図６ないし図８を参照して説明するように、極めて広範に拡散する材料、例えば酸化チタンまたはスペクトラロンからなる基準本体の、スペクトル的に分解されたデータが、使用される。
【００７０】
このようなスペクトルＳＰ１とＳＰ２の間の相違が、スペクトルＳＰ２におけるフレネル反射の不在、および、半透明のオブジェクトの場合のボリューム情報における、スペクトルＳＰ１より高い割合にある。
【００７１】
スペクトルＳＰ２は、スペクトルＳＰ１よりも低い材料範囲に関するより多い情報を含む。しかしながら、スペクトルＳＰ２は、個別には、多数のかような対応の測定点の代りをすることができる。
【００７２】
これに対し、スペクトルＳＰ１が情報を提供することは、スペクトルＳＰ１の材料が非常に僅かな浸透深さを有する材料であるときである。何故ならば、直ぐ隣の環境からの乱反射信号が評価されるからである。
【００７３】
従って、２つのスペクトルが比較されるときは、評価の関連のある可能性が生じる。例えば、滑らかな金属面が、強烈なスペクトルＳＰ１を発生させるのは、フレネル反射を有する表面の、視線方向に対する位置が垂直であるときである。スペクトルＳＰ２では、強度は、理想的にはゼロである。
【００７４】
半透明の材料が、広範に拡散する表面を有する場合には、スペクトルＳＰ１は、主として、材料表面情報を含む。しかしながら、スペクトルＳＰ２は、次に、ゼロではなく、オブジェクトにおいて散乱された光により得られた情報を含む。この光は、光学材料特性への推論を可能にする。従って、スペクトルＳＰ１とＳＰ２の間の差は、材料の吸収特性および散乱特性従ってまた材料の区別への推論を可能にする。
【００７５】
滑らかな材料表面（例えば、液膜を有する組織）の場合、発生するフレネル反射が干渉をする。しかし、フレネル反射は一定の視角でのみ発生するので、反射は、認識され、かつ、別個に処理されることができる。何故ならば、フレネル反射の発生の際には、センサの過負荷を行なうことができるからである。
【００７６】
共焦点の条件および色分散光学系によって、狭い波長範囲が、いずれのＺ深度においても支配的である。他の波長範囲は抑制される。３Ｄ測定のＺ深度が知られているときは、共焦点光学系の挙動は知られているので、この効果は算出されることができる。しかしながら、深度の測定にとって極めて重要なこの特性は、材料特性の評価の際には、抑制された波長範囲における信号対雑音比の劣化および使用可能なスペクトル領域の制限をもたらす。
【００７７】
しかしながら、このことは、同一の測定点に対し複数のフレーム、しかも種々の距離で撮像されたフレームを、を組み合わせることによって、埋め合わされる。
【００７８】
センサ１０８は、材料Ｓｉ、Ｇｅで強化されたＳｉまたはＩｎＧａＡｓによるＣＭＯＳ技術、ＣＣＤ技術に基づいた表面センサまたはマルチラインセンサであってもよい。
【００７９】
図４からは、本発明に係わる測定装置の好ましい実施の形態が見て取れる。かように、図１に記述したライブ画像生成の原理を用いて、材料特性を決定するために、オブジェクト１０６の更なる測定を実行することができる。オブジェクト１０６には、複数の光源ＴＸλ１，λ２．．．λｎを介して、検出方向ＲＸとは異なる角度で、光を当てることができ、この光は波長範囲Δλ２にある。この波長範囲が、図３に示した測定すなわち３Ｄ測定が実行されてなる波長範囲と、一致しないことは好ましい。この場合、２色性のビームスプリッタ１１０、または対物レンズ１８とビームスプリッタ２４との間に設けられたビームスプリッタ１１２を介して、関連のある波長（ｎ）が、他のセンサ１１４または１１６に向けられる。該センサは、ライブ画像の決定のために用いられる、図１のセンサ６２であってもよい。２色性のビームスプリッタ１１０およびセンサ１１４からなるユニットが用いられることは好ましい。何故ならば、色分散型の光学系１８が必要とされないからである。複数の波長λ１，λ２．．．λｎが順次使用されるとき、モノクロセンサを用いて、離散スペクトルＤＳｐ３またはＤＳｐ４が記録される。該離散スペクトルは、好ましくは、３Ｄ測定のために使用された波長範囲の外側にある、測定用オブジェクト１０６の光学特性に関する情報を含む。
【００８０】
センサ１１４ないし１１６のピクセルは、センサ１０８のピクセルに正確にまたはほぼ正確に割り当てられる。それ故に、図３の構成に従って決定される各々の測定点に対し、拡張された波長範囲における情報が追加される。該情報を、例えば、強度基準として用いることができる。
【００８１】
図５からは、材料分類装置１１８が見て取れる。該材料分類装置に、図３のスペクトルＳＰ１，ＳＰ２のスペクトル情報および図４の離散スペクトル線ＤＳｐ３またはＤＳｐ４が供給されるとき、材料分類装置は、異なった態様でおよび異なった時間で同一の測定点を示す１つのフレームまたは複数のクレームから、材料の割り当てを算出する。この場合、分類装置Ｒでは、或る材料サンプル（エナメル質または歯肉または充填材、例えばアマルガムまたは金）の、ルックアップテーブルに格納された複数のデータセットのうちの１つに対する「ベストフィット」が算出される。スペクトルＳＰ１，ＳＰ２は、次に、ルックアップテーブルからのデータで相殺される。ルックアップテーブル用のデータを生成するためには、知られたサンプが、本発明に係わるシステムによって測定される。スペクトル情報ＳＰ１、ＳＰ２および、必要な場合には、更なるチャネル、例えば、ライブ画像光学系からなる基準チャネルが記憶され、かつデータセットとして、ルックアップテーブルに格納される。データは、既にｚ方向の距離値が補正された形態で、格納されることは好ましい。知られていない材料の測定データは、次に、同様に距離が補正された形態で、ルックアップテーブルのデータセットと、例えば、１つのスペクトル測定点につき距離の二乗の最小誤差を算出する「ベストフィット」のアルゴリズムと、比較される。システムを較正するためには、極めて広範に拡散する材料、例えば酸化チタンまたはスペクトラロンからなる基準本体の、スペクトル的に分解されたデータが、使用される。基準チャネルが使用されるとき、該基準チャネルは、追加的に使用されることができる（Ｒｅｆ１．．．Ｒｅｆｎ）。例えば、３Ｄ測定中のライブ画像の実現化のための、１つまたは複数の追加的な、非共焦点の基準チャネルが存在するときは、該基準チャネルを、光学特性から材料を決定するために、共に使用することができる。
【００８２】
図６から見て取れるスペクトルを基にして、スペクトルを距離補正の形態で如何に較正するかを説明する。次に、該スペクトルを、ルックアップテーブルに保管されておりかつ材料特性への推論を可能にするスペクトルと比較することができる。
【００８３】
図６を参照して、システム較正を原理的に説明する。かくして、図６（ａ）のスペクトルは、バックグラウンドスペクトル（左図）および測定スペクトル（右図）を全く概略的に表わす。両者は、測定される点から一定の距離Ｚをあけて撮像される。ピンホールアレイ３０を有する、本発明に係わる装置が使用される。該ピンホールアレイは、複数の焦点が結像されてなる複数の孔３２、および照射パターン１４と一致しない複数の孔５４を有する。バックグラウンドスペクトルは、複数の孔５４の少なくとも１つｎを通過する放射線によって、測定される。測定スペクトルは、複数の孔３２のうちの１つを通過する放射線によって測定される。該１つの孔は、１つのまたは複数の孔に隣り合っている。これらの孔によって、バックグラウンド放射線が決定される。この場合、試験体が測定される。図６（ａ）の右図には、所定の波長のピークが認められる。該ピークは、距離に依存（Ｚ依存）している。しかしながら、実際には、本発明に係わる共焦点測定装置なしの、すなわち、波長λに基づく純粋の乱反射測定の際の、試験体の測定スペクトルは、図６（ｂ）に従ったコース、すなわち右図を有するだろう。この場合、試験体として、例えばスペクトロンが使用される。該スペクトロンは、測定信号の中で、滑らかな真っ直ぐのコースを有する。何故ならば、スペクトロンは、可視のスペクトル範囲内のすべての波長において、ほぼ均等に反射するからである。
【００８４】
従って、基準体（図６（ａ）の右図）の実際に測定されたスペクトルには、補正因子が備えられねばならない。その目的は、図６（ｂ）の右図のコースに対応するコースを達成するためである。補正因子（ｃ＝ｂ：ａ）は、図６（ｃ）の右図に示されている。かようにして、補正因子を用いて、実際の測定スペクトル（図６（ａ）の右図）は、スペクトル６ｂ）の右図に移行される。
【００８５】
従って、共焦点測定システムの影響を補償する補正データセットが得られる。
【００８６】
対応のプロセスが、図６（ａ），（ｂ）および（ｃ）の左のスペクトルによって表わされるバックグラウンドの測定結果に該当する。
【００８７】
対応のスペクトルは、多数の間隔Ｚに対して測定され、但し、Ｚは、Ｚ＝０と、Ｚ＝ＺＭＡＸとの間にある。それ故に、全セットのスペクトルが、種々の深度（間隔Ｚ）で記憶され、かつ、補正因子Ｃは、λを用いて、計算および記憶される。
【００８８】
これらの補正因子を、次に、任意の物体（オブジェクト）、例えば歯、充填材、組織等のスペクトルに適用することができる。それ故に、材料に対する乱反射のスペクトルが得られ、次に、該スペクトルは、格納された（ルックアップテーブル）試験スペクトルと比較される。その目的は、材料の分類を実行するためである。比較の際に、例えば、距離の二乗の最小誤差は、試験スペクトルおよび測定されたスペクトルに対し使用される。
【００８９】
１つの測定点につき種々の距離のための多数の測定を有するこのようなデータセットが、かなりの冗長を含むのであるから、低い信号対雑音比を有する、スペクトルの複数の部分が、破棄され、かつ、信号ピークに近い範囲のみが使用される。
【００９０】
図７から例えば見て取れるスペクトルは、測定されるオブジェクトから、所定の距離Ｚで記録された。その目的は、次に、補正されたスペクトルを、格納されたスペクトル（ルックアップテーブル）と比較し、かつ、材料特性に関する推論を引き出すことができるためである。
【００９１】
例えば、図７（ａ）の右図には、オブジェクトとしての歯に関する測定スペクトルが示されている。図７（ａ）の左図は、同一の距離Ｚにおけるバックグラウンドスペクトルを表わす。
【００９２】
図６に関する説明によれば、測定されたスペクトル７（ａ）は、スペクトル７（ｂ）に対応する、図６（ｃ）の補正因子によって補正される。その目的は、次に、図７（ｃ）の歯の補正されたスペクトルを得るためである。対応のスペクトルは、次に、予め保管されたスペクトルと比較される。かような測定は、本発明に関する教示に従って、本発明に係わる測定装置の種々の間隔で、同一の測定点に関してなされることができる。
【００９３】
図８は、以下のことを全く原理的に示す。すなわち、測定スペクトルおよびバックグラウンドスペクトルが、距離に応じて変化することである。何故ならば、共焦点条件が、各々の測定点からの距離に応じて、所定の波長に対して満たされ、従って、波長に従ってピークが発生するからである。このことを、図８（ａ）を参照して、説明する。例えば、第１の測定曲線を、距離Ｚ１で記録し、かつ、第２の測定曲線を、距離Ｚ２で記録した。ピークは、異なった波長λ１およびλ２で生じる。
【００９４】
図８（ｂ）には、バックグラウンドの測定（左図）および測定スペクトル（右図）は、距離Ｚ１に関して補正されている。補正因子は、図６に関する説明に従って、使用された。図８（ｃ）には、距離Ｚ２に関する、補正された測定スペクトル（右図）すなわち補正されたバックグラウンドスペクトルが示されている。隣接した波長λ１およびλ２に関して、ビニング（Binning）が実行されるとき、図８（ｄ）に示すように、雑音抑圧がなされる。
【００９５】
測定スペクトル（右図）からのみならず、バックグラウンドスペクトル（図面における左図）からも、保管された基準スペクトル（ルックアップテーブル）との比較の際に、材料特性への推論を引き出すことができる。
【００９６】
測定スペクトルの測定されたピークからは、例えば、オブジェクトの表面の滑らかさに関する情報を導き出し、バックグラウンドスペクトルからは、特に、オブジェクトの深度情報を導き出すことができる。測定装置の異なった距離におけるオブジェクトの点の測定に基づき、材料特性が、波長に従って決定される。
【００９７】
特には、測定スペクトルからは、表面粗さまたは滑らかさに関する材料特性、屈折率および吸収特性を導き出し、バックグラウンドスペクトルからは、材料特性、例えば、散乱および吸収を導き出すことができる。
【００９８】
ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）の中で、「リアルタイム」またはほぼ「リアルタイム」で計算がなされることは好ましい。その目的は、ホストコンピュータのＣＰＵに負荷をかけないためである。リアルタイムの分類が可能であるのは、必要な情報が只１つのフレームに含まれている場合である。しかしながら、例えば稀にしか発生しないフレネル反射を含むことができる追加のフレームを待たねばならないとき、この情報の到着後に、最終的な評価がなされる。時間的な間隔が小さい、例えば３０ＦＰＳ（Frames Per Second）であるとき、情報は、通常は、数秒の範囲で利用可能である。
【００９９】
材料に関する情報を、次に、例えば測定点の異なった着色によって、ＧＵＩ（Graphical User Interface）で、３Ｄ情報の上に重ねて表示し、および／または、材料に対応して、スキャンされたオブジェクトの選択的処理のために使用することができる。歯科用の適用の場合には、例えば、歯の硬組織から、軟組織、コットンロールまたは圧排糸への移行を明瞭に決定することができる。軟組織の幾何学的に異なった部分を、個々のフレームの登録前に削除することができる。実際また、充填材または虫歯を、健康な硬組織と、区別することができる。更に、光学特性μａ，μｓおよびｇの決定を含む３Ｄ歯色決定を実行することができる。
以下に、本願出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１]オブジェクトの材料特性、特に、好ましくは半透明のオブジェクトの光学特性を決定するための方法において、
前記材料特性を決定するために、前記オブジェクトの、共焦点の３Ｄ測定システムを用いて測定された測定データからの、スペクトル的に分解された測定データを、基準体のスペクトル的に分解されたデータで相殺し、複数の測定点から、複数のスペクトル的に分解された測定データを、前記測定システムと前記オブジェクトとの互いに異なる距離で、決定することを特徴とする方法。
[２]共焦点の、色分散型の３Ｄ測定システムを用いることを特徴とする前記[１]に記載の方法。
[３]前記材料特性を決定するために、多焦点の照射パターンの、前記オブジェクト上に結像された複数の焦点から発せられる、直接に反射された第１の放射線の、スペクトル的に分解されたデータのみならず、各々の結像された焦点から距離Δｘで乱反射された第２の放射線も測定することを特徴とする前記[１]または[２]に記載の方法。
[４]任意の或る焦点に割り当てられた直接に反射された第１の放射線と、乱反射された第２の放射線との間の距離が、５μｍと３ｍｍの間に、特に、１０μｍと２００μｍとの間にあることを特徴とする前記[１]ないし[３]の少なくとも１つに記載の方法。
[５]前記スペクトル的に分解されたデータを決定するために、前記３Ｄ測定システムによって、前記オブジェクトに、波長範囲Δλ１にある第１の放射線を当てること、前記オブジェクトに、波長範囲Δλ２にある第２の放射線を当てること、および、前記オブジェクトによって反射された第２の放射線から、前記オブジェクトの２Ｄ画像を決定することを特徴とする前記[１]ないし[４]の少なくとも１つに記載の方法。
[６]３Ｄ画像を、前記オブジェクトの空間的座標に割り当てられる第１のピクセルを有する第１のセンサを用いて、および、前記２Ｄ画像を、前記オブジェクトの空間的座標に割り当てられる第２のピクセルを有する第２のセンサを用いて測定すること、および、前記第１のおよび第２のピクセルを互いに割り当てることを特徴とする前記[１]ないし[５]の少なくとも１つに記載の方法。
[７]前記第１のセンサによって決定されたスペクトル情報および前記第２のセンサによって決定されたスペクトル情報を用いて、異なった挙動でおよび／または異なった時間で同一の測定点を示す１つのフレームまたは複数のクレームから、材料分類を計算することを特徴とする前記[１]ないし[６]の少なくとも１つに記載の方法。
[８]測定されたスペクトルに、基準体の複数のスペクトルから決定される補正因子を加え、該基準体の乱反射を、共焦点の測定条件なしに測定し、あるいは、前記基準体のスペクトルを、コンピュータに保管されたライブラリから読み取ることを特徴とする前記[１]ないし[７]の少なくとも１つに記載の方法。
[９]前記複数の測定点を、前記補正因子を用いて、ルックアップテーブルに保管されておりかつ材料特性を表わしているスペクトルと比較することを特徴とする前記[１]ないし[８]の少なくとも１つに記載の方法。
[１０]任意の或る測定点の、共焦点の条件下で決定された測定スペクトルからのみならず、前記測定点の或る範囲のバックグラウンドスペクトルからも、材料特性を決定することを特徴とする前記[１]ないし[９]の少なくとも１つに記載の方法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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