Многоракурсные оптико-электронные системы для измерения формы поверхности объектов методом фурье-синтеза

Лощилов, Константин Евгеньевич

Многоракурсные оптико-электронные системы для измерения формы поверхности объектов методом фурье-синтеза тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Лощилов, Константин Евгеньевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Многоракурсные оптико-электронные системы для измерения формы поверхности объектов методом фурье-синтеза»

Автореферат диссертации на тему "Многоракурсные оптико-электронные системы для измерения формы поверхности объектов методом фурье-синтеза"

На правах рукописи

Лощилов Константин Евгеньевич

4847506

МНОГОРАКУРСНЫЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ ФУРЬЕ-

СИНТЕЗА

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 МАЙ 2011

Москва 2011 г.

4847506

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии "Всероссийский научно - исследовательский институт оптико-физических измерений" (ФГУП "ВНИИОФИ")

Научный руководитель: доктор технических наук

Вишняков Геннадий Николаевич

Официальные оппоненты: • доктор технических наук

Овечкис Юрий Натанович

кандидат технических наук Филонов Александр Сергеевич

Ведущая организация: Федеральное государственное

унитарное предприятие «Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем»

Защита состоится «% » 06 2011г. в 1^-00 на заседании диссертационного совета Д308.006.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений по адресу: 119361, г. Москва, ул. Озерная, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП "ВНИИОФИ"

Автореферат разослан « 4»_

2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ^ доктор технических наук

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность проблемы

Оптические профилометры активно используются для бесконтактных измерений формы поверхности трехмерных (3D) объектов в различных областях науки, промышленности и искусства. Профилометры в промышленности служат для контроля формы и размеров деталей, детектирования дефектов на поверхности изделий. В различных областях промышленного дизайна и искусства профилометры применяются для быстрого прототипирования и создания точных копий изделий. Профилометры также используются для каталогизации предметов искусства путем создания виртуальных коллекций.

В настоящее время оптические профилометры находят широкое применение и для биометрических измерений. Например, для получения 3D изображений лица или папиллярных линий на ладонных поверхностях человека. Такие измерения необходимы в современных системах идентификации личности. Оптические профилометры используются в челюстно-лицевой и пластической хирургии для получения 3D изображений различных участков тела, которые необходимы для компьютерного моделирования имплантов и предоперационного планирования. В стоматологических CAD/CAM (Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing) системах цифровые 3D изображения зубов используются для автоматизированного изготовления зубных реставраций (коронок, протезов и т.п.).

В биометрии объектом измерения является живой человек и это накладывает ряд требований на биотехнические системы, в том числе и на профилометры. Общей особенностью биометрических измерений явля-л га нестационарность объекта, поэтому профилометр должен проводить измерения за короткое время, чтобы исключить влияние перемещений объекта на процесс измерения. Сам оптический профилометр должен иметь небольшие габаритные

размеры и быть переносным, чтобы обеспечить доступ к любым частям объекта измерений.

Наиболее наглядно эти требования проявляются при разработке оптических профилометров для стоматологии, где доступ к объекту измерений ограничен размерами ротовой полости пациента. Измерения необходимо проводить за короткое время, чтобы исключить влияние дрожания руки оператора и перемещения пациента на процесс измерения. Особое внимание уделяется точности измерения формы поверхности зуба, т.к. эти данные используются для изготовления зубных реставраций.

Эти особенности накладывают серьезные требования на метод измерения и конструкцию интраорального оптического профилометра, предназначенного для стоматологической CAD/CAM системы. Кроме соответствия техническим требованиям интраоральный профилометр должен удовлетворять медицинским и санитарным требованиям по безопасности работы, обладать высокими эргономическими характеристиками и небольшой стоимостью.

Современные оптические профилометры, как правило, реализуют триангуляционную схему измерения 3D формы поверхности объекта по поперечному смещению положения точки или линии.

В интраоральном профилометре системы CEREC используется структурированный свет в виде набора полос и реализуется многокадровый алгоритм реконструкции формы поверхности объекта, что требует значительного времени на регистрацию этих кадров. Это иногда приводит к искажению изображений из-за относительного смещения пациента и прибора. Специфика алгоритма реконструкции и последующего моделирования реставрации выдвигает жесткие требования к препарированию и подготовке поверхности зубов к измерению. Необходимо, чтобы препарированный зуб имел строго вертикальные стенки, так как профилометр не позволяет измерять боковую поверхность.

Интраоральный профилометр системы E4D Dentist относится к сканирующему типу, поэтому его недостатками являются значительное время сканирования и большой размер светящейся точки на объекте. Это ведет к

уменьшению поперечного пространственного разрешения, а рассеяние света в поверхностном слое зуба ведет к уменьшению продольного пространственного разрешения.

Наличие всего одного ракурса освещения в перечисленных выше интраоральных профилометрах ведет к проблемам при измерении сложных поверхностей из-за возникающих затененных участков на объекте. Эти профилометры являются дорогостоящими и сложными оптико-механическими приборами, чувствительными к вибрациям и ударам.

Малоизученным является вопрос калибровки интраоральных профилометров и исследования их метрологических характеристик. Так как профилометры являются коммерческим продуктом, то в литературе нет данных о методах и средствах калибровки профилометров, теоретических и экспериментальных исследованиях их метрологических характеристик.

Таким образом, необходимость решения описанных проблем является актуальной задачей.

Цель и основные задачи диссертации

Цель настоящей работы: разработка многоракурсной оптико-электронной системы для измерения формы поверхности нестационарных объектов в биометрии и создание на ее базе мобильного интраорального профилометра, а также разработка методики калибровки и исследование метрологических характеристик системы.

Цель определила основные научно-технические задачи, решение которых легло в основу настоящей работы:

1. Выбор оптимальной оптической схемы для измерения формы поверхности биологических объектов и создания малогабаритного оптического профилометра на основе анализа оптических схем освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения.

2. Анализ особенностей оптической схемы освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках с последующим выводом формул для обратного преобразования координат деформированной поверхности объекта.

3. Разработка методики калибровки для оптической схемы освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках.

4. Разработка многоракурсной оптической схемы, на основе которой реализуется метод фурье-синтеза для измерения формы поверхности объекта.

5. Разработка метода измерения формы поверхности объекта с разрывами и большими градиентами профиля поверхности, а также определения теневых участков.

6. Разработка функциональной схемы, принципиальной оптической схемы и конструкции стоматологического интраорального профилометра и профилометра для биометрических измерений лица и других частей тела человека.

7. Оценка точности измерения формы поверхности объекта с помощью стоматологического интраорального оптического профилометра.

Научная новизна работы

1. На основе анализа оптических схем освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения доказано, что при использовании только двух оптических схем есть возможность измерять форму поверхности объекта без масштабных искажений.

пространственного разрешения измеренной поверхности по всем направлениям и уменьшить области затенения на объекте.

3. Разработан метод, при помощи которого можно однозначно реконструировать форму объекта с разрывами и большими градиентами профиля поверхности и определять теневые участки благодаря использованию проецирующих оптических каналов с такой ориентацией полос решетки, при которой на объекте максимальной высоты сдвиг полос не превышает половины их периода.

Практическая ценность и использование результатов работы

Предложенные в диссертации решения реализованы в интраорапьном оптическом профилометре, входящем в состав первой отечественной CAD/CAM системы для компьютерной реставрационной стоматологии, а также в оптическом профилометре для биометрических измерений лица и других частей тела человека. Стоматологическая CAD/CAM система прошла технические и медицинские испытания. Ведется ее апробация на базе Московского государственного медико-стоматологического университета. Также по международным контрактам с фирмами Zhermack S.p.A. (Италия) и Hint-Els GmbH (Германия) были изготовлены опытные партии стоматологических интраоральных оптических профилометров в количестве 20 штук.

Апробация работы, публикации

Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на:

- Всероссийском научно-техническом семинаре «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники», 2002 г.

- Научной сессии МИФИ-2003 г.

- 14-ой научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2004 г.

- Научной сессии МИФИ-2004 г.

- 15-ой научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2005 г.

- Международной конференции «The Second IASTED International MultiConference Signal and Image Processing», 2005 r.

- 16-ой научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2007 г.

- 18-ой научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2009 г.

- Международной конференции «Russian Bavarian Conference on BioMedical Engineering RBC-2010», 2010 r.

- Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011 г.

По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 1 патент, 4 статьи в журналах «Оптика и спектроскопия», «Оптический журнал», «Измерительная техника» и 13 тезисов докладов на отечественных и международных научно-технических конференциях.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы.

Общий объем составляет 129 страниц печатного текста, в т.ч. 55 рисунков, 5 страниц списка литературы и 1 страница приложения.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Реконструкция формы поверхности объекта без масштабных искажений возможна в конусных пучках, если их вершины находятся на одинаковом расстоянии от базовой плоскости, на которой расположен объект.

2. Для реконструкции формы поверхности объекта методом фурье-синтеза необходимо использовать многоракурсную оптическую схему проекции полос, геометрические параметры которой обеспечивают одинаковые масштабные преобразования фазы в высоту объекта в каждом из ракурсов.

3. Использование проецирующих оптических каналов с такой ориентацией полос решетки, при которой их смещение на максимальной высоте объекта

не превышает половины периода полос, позволяет однозначно реконструировать форму поверхности объектов с разрывами и большими градиентами профиля поверхности и детектировать теневые участки на объекте.

4. Четырехракурсный интраоральный оптический профилометр с триангуляционным углом 5 градусов обеспечивает точность измерения формы поверхности объекта не хуже 40 мкм за время регистрации данных 40 мс при минимальных габаритных размерах профилометра.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ сформулированы актуальность проблемы, цель работы и определены основные научно-технические задачи, решаемые в диссертации, а также представлен обзор стоматологических интраоральных оптических профилометров.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ оптических схем для измерения формы поверхности объекта. Показано, что в оптических схемах освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в параллельных и конусных пучках можно измерять форму поверхности объекта без масштабных искажений. Также описана методика калибровки оптической схемы в конусных, пучках на основе полученных выражений для обратного преобразования координат деформированного объекта.

Для измерения формы поверхности объекта применяют оптическис профилометры, в которых для освещения объекта используется структурированный свет в виде системы параллельных черно-белых, полутоновых или цветных полос. Информация о высоте (глубине) объекта заключена в деформации системы полос. Для извлечения этой информации требуются выражения, связывающие поперечные отклонения полос с высотой объекта, которые зависят от геометрии оптической схемы.

В рамках геометрической оптики рассмотрены четыре варианта оптической схемы и получены выражения, связывающие высоту объекта /г со сдвигом полосы

в плоскости объекта Лх или ее изображения в плоскости регистратора /?• Ахгде /? - коэффициент увеличения оптической системы.

1) В схеме освещения объекта и регистрации его изображения в конусных пучках

где & - угол между оптическими осями проецирующего и регистрирующего каналов (триангуляционный угол); I - расстояние от центров входных зрачков объективов проецирующего и регистрирующего каналов до базовой плоскости.

2) В схеме освещения объекта и регистрации его изображения в параллельных пучках

Ф)

3) В схеме освещения объекта в конусных пучках и регистрации его изображения в параллельных пучках

Ах'

И{х

%(©)-у

(3)

где х - текущая координата полосы. 4) В схеме освещения объекта в параллельных пучках и регистрации его изображения в конусных пучках

ч Р-Ьх'

х р-Ы- (4)

В схемах с конусными пучками используются обычные объективы, а в схемах с параллельными пучками - телескопические оптические системы, состоящие из двух объективов с общей фокальной плоскостью. Недостатком оптических схем в параллельных пучках является то, что входная апертура объективов должны быть не меньше размеров объекта.

Из формул (1) - (4) следует, что в схемах 3, 4 сдвиг полосы Ас на объекте зависит от текущей координаты х этой полосы. В этом случае преобразование сдвига полос Ах в высоту к приведет к масштабным искажениям реконструированной формы поверхности объекта. Для автоматической обработки

системы таких полос необходима их идентификация (маркировка цветом, формой полос, например, пунктирными линиями и т.п.), что усложняет задачу реконструкции формы поверхности объекта в целом.

В схемах 1 и 2 высота /г не зависит от координаты полосы х, а только от величины сдвига полосы Ах, т.е. масштабное преобразование при переводе сдвига полос Дх в высоту И будет одинаково для всех точек х. Поэтому в схемах 1 и 2 изображения объекта с проецированными полосами можно рассматривать как двумерную интерферограмму, фаза которой прямо пропорциональна сдвигу полосы Ах и, соответственно, она несет информацию о высоте объекта. В этом случае можно использовать хорошо разработанные алгоритмы автоматической расшифровки интерферограмм.

Геометрическая интерпретация этого утверждения показана на рисунке 1. Если отобразить лучи проецирующего и регистрирующего каналов в виде прямых линий, соответствующие штрихам решетки, то получившаяся картина пересечения лучей образует муаровую картину. Причем поверхности, на которых полосы имеют одинаковый сдвиг и, соответственно, на которых фаза одинакова, проходят через точки пересечения лучей проецирующего и регистрирующего каналов.

Рисунок Поверхности равной фазы

В схемах в параллельных и конусных пучках на рисунках 1а и 16, соответственно, поверхности равной фазы представляют собой плоскости, параллельные базовой плоскости. В схемах на рисунках 1г и 1д поверхности равной фазы не являются плоскостью, и преобразование сдвига полос в высот}1

приведет к масштабным искажениям реконструированной формы поверхности объекта. Такая же картина возникает и для случая схемы в конусных пучках, когда их вершины расположены на разных расстояниях от базовой плоскости, как показано на рисунке 1в.

Таким образом, реконструкция формы поверхности объекта без масштабных искажений возможна в конусных пучках, если их вершины находятся на одинаковом расстоянии от базовой плоскости, на которой расположен объект.

Расстояние между базовой линией и линиями равной фазы, по аналогии с интерферометрией в полосах бесконечной ширины, можно принять за эффективную длину волны, эквивалентную длине волны света в интерферометрии.

Зависимость эффективной длины волны от параметров оптической схемы имеет вид:

л Р'Р' (5)

ЭФФ cos(a)■tg(@),

где р' - период полос решетки-транспаранта; а - угол поворота решетки относительно плоскости, проходящей через оптические оси проецирующего и регистрирующего каналов.

Из рисунка 1а следует, что для схемы проекции и отображения полос в параллельных пучках эффективная длина волны Аэфф не зависит от координат х,у,г. Для схемы проекции и отображения полос в конусных пучках (рисунок 16) эффективная длина волны Аэ фф также постоянна для поперечных координат х,у, но уже зависит от продольной координаты г, что приводит к деформации реконструированного объекта по закону центральной проекции. Поэтому для реконструкции истинной формы поверхности объекта необходима операция обратного преобразования координат по законам проективной оптики.

На рисунке 2 показана деформация координат регистрируемого объекта в оптической схеме в конусных пучках.

Схема деформации координат объекта.

Выражение для обратного преобразования координат деформированного объекта имеет вид:

у1=(А'г+В'г-г,)-пг ' где г, - высота объекта в точке с координатами (х,-,^);

2 1 1

А'у=-уАу, В'х=уАх, В'г=уАу - коэффициенты деформации объекта; Ах, Ау -

расстояние между чувствительными элементами ПЗС матрицы; пх, пу -количество пикселей, которые укладывается в изображение объекта на ПЗС матрице вдоль осей^и У, соответственно.

Коэффициенты А' я В' получают экспериментальным путем в процессе калибровки оптической системы.

Таким образом, разработана методика калибровки для оптической схемы освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены основы методов фурье-профилометрш. и описан разработанный метод фурье-синтеза для реконструкции формы поверхности объекта по его изображениям с проецированными полосами, полученных с разных ракурсов, который позволяет достичь более высокого

Интенсивность света в изображении (интерферограмме) объекта для каждогоу'-го ракурса в одномерном случае можно записать в виде:

/Дх) = яДх) + бДх)-соз[2л£ + Д<р;(х)], (7)

где а; - амплитудный фон; - видность полос, которая зависит от профиля поверхности; $ - частота полос на объекте, которая обратно пропорциональна периоду полос на объекте р/, Ащ - фаза интерферограммы, которая зависит от сдвига полосы Ах как А^=2п//Ах. Тогда из (1) следует, что фаза связана с высотой к профиля поверхности объекта следующим выражением:

(8)

Р, 1-Ь\х) Уравнение (7) можно переписать комплексном виде:

1; (х) = (х) + су (х) ■ ехр(/ • 2ф) + с] (х) ■ ехр(- / • 2 тфс), (9)

где су(х,у) = ^ЬДх)-ехр[(-Д£>Д;с)], и значок «звездочка» соответствует

операции комплексного сопряжения.

Выполняя преобразование Фурье над (9), а также используя теорему о сдвиге, получаем:

/;(м) = 0;(и) + сди-и;) + с'(и+и;), (Ю)

где и - частотная координата, сопряженная с пространственной

координатой х, г<у = 2л • /у.

Далее в каждом _/-ом ракурсе осуществляется полосовая частотная фильтрация +1-го порядка фурье-спектра для выделения части спектра с;-(к-«у),

сдвиг его в начало координат частотной плоскости и обратное преобразование Фурье. В результате этих операций получается набор комплексных чисел с/х).

СМ) = ^Д*)ехр['-Д?>;М]. (11)

Суть метода фурье-синтеза состоит в суммировании спектров с ¡(и) в частотной плоскости или набора комплексных чисел с/х) в пространственной плоскости для всех ракурсов:

С(*) = Ф = (*) ехр[''' ¿4 (*)]■ (12)

1 1 1

Искомая фаза, полученная методом фурье-синтеза, является аргументом суммарного набора комплексных чисел С(х), т.е.

У__ I

Д ср{х) = arg[C(x)] = arctg■

(13)

Отсюда видно, что метод фурье-синтеза можно применять только в том случае, когда фазы в каждом ракурсе одинаковы, т.е. Дtpj(x) = const для всехj.

Как следует из (8) это возможно только в случае выполнения следующего условия:

const. (14)

Данный инвариант (14) фактически является масштабным коэффициентом преобразования, связывающего фазу и высоту объекта соотношением (8). Отметим, что инвариант (14) и эффективная длина волны (5) обратно пропорциональны. Поэтому условие (14) можно интерпретировать как необходимость равенства эффективной длины волны в каждом ракурсе.

Из выражений (5) и (14) следует, что основным требованием к оптической схеме, реализующей метод фурье-синтеза, является такой выбор ее геометрических параметров 0,р и а, при которых эффективная длина волны ХЭфф одинакова для каждого ракурса (проецирующего оптического канала).

В общем случае оптическая схема устройства для измерения формы трехмерных объектов методом фурье-синтеза состоит из N проецирующих каналов и одной регистрирующего канала.

Геометрия освещения и наблюдения объекта показана на рисунке 3. Система координат (x,y,z) жестко связана с объектом 4. Высота профиля поверхности объекта h(x,y) отсчитывается от базовой плоскости (х,у).

Проецирующий оптический канал состоит из источника света 1, который освещает решетку 2, и объектива 3, с помощью которого строится изображение решетки 2 в области объекта 4. Выходные зрачки проецирующих объективов 3,

3', 3" должны находиться на одном расстоянии Ь от базовой плоскости. Проецирующий оптический канал состоит из объектива 5, который строит изображение объекта 4 в плоскости регистратора 6. При построении малогабаритной системы триангуляционный угол 0 должен быть минимальным и одинаковым для всех проецирующих каналов. Проекция оптической оси /-го ракурса на плоскость (х,у) может составлять любой угол ру с осью х. Соотношение периода полос решетки 2 и их ориентации относительно плоскости, проходящей через оптическую ось /-го ракурса и ось г (на рисунке 3 эта плоскость выделена штриховкой), должно удовлетворять инварианту (14).

Рисунок 3

Геометрия освещения и наблюдения объекта, используемая в методе фурье-синтеза с многоракурсной проекцией полос.

Таким образом, для реконструкции формы поверхности объекта методом фурье-синтеза необходимо использовать многоракурсную оптическую схему проекции полос, геометрические параметры которой обеспечивают одинаковые масштабные преобразования фазы в высоту объекта в каждом из ракурсов.

Если максимальные размеры объекта превышают эффективную длину волны Х3фф, то фаза реконструируется с разрывами на величину 2к. Для устранения разрывов реконструированной фазы требуется операция разворачивания или «сшивки» фазы.

В работе предложен двухдлиноволновый программно-аппаратный метод разворачивания фазы, при помощи которого можно измерять форму поверхности объекта с изолированными областями, т.е. не ограниченную замкнутым контуром, и определять теневые участки па объекте. Также при помощи разработанного двухдлиноволнового метода можно измерять поверхность объекта с большими градиентами, когда невозможно отличить сдвиг спроецированной на объект полосы на долю половины периода полос от сдвига полосы на величину больше половины периода полос.

Для его реализации необходимо наличие в измерительной системе проецирующих оптических каналов с двумя разными эффективными длинами волн. Первый проецирующий канал имеет минимальную эффективную длину волны и является основным измерительным каналом, так как имеет максимальную точность реконструкции фазы. Второй канал является вспомогательным с увеличенной эффективной длиной волны и более низкой точностью реконструкции фазы. Настройка требуемой эффективная длина волны осуществляется подбором соответствующих геометрических параметров 0, р и а оптического канала.

Операция разворачивания реконструированной фазы от измерительного канала осуществляется путем поточечного сравнения с реконструированной фазой от вспомогательного канала, которая используется в качестве априорно!! информации.

Таким образом, использование проецирующих оптических каналов с такой ориентацией полос решетки, при которой их смещение на максимальной высоте объекта не превышает половины периода полос, позволяет однозначно реконструировать форму поверхности объектов с разрывами и большими градиентами профиля поверхности и детектировать теневые участки на объекте.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ описывается стоматологический интраоральный • 1 оптический профилометр. В нем используется четырехракурсная оптическая схема проекции полос и регистрации изображения объекта в конусных пучках. В профилометре реализован метод фурье-синтеза в совокупности с двухдлиноволновым методом разворачивания реконструированной фазы.

Интраоральный оптический профилометр выполняет следующие операции:

• последовательное проецирование полос решетки на поверхность объекта измерений (зуба) от каждого проецирующего канала;

• последовательная регистрация изображений зуба с проецированными полосами;

• передача видеоизображения зуба на экран монитора в режиме «реального времени».

Основные технические характеристики разработанного интраорального оптического профилометра:

• точность измерения трехмерной формы поверхности объекта - не хуже 40 мкм;

• триангуляционный угол <9 составляет 5 градусов, что обеспечивает небольшие габаритные размеры профилометра и свободный доступ к любому зубу в ротовой полости пациента;

• время измерения, не более 40 мс, исключает влияние дрожания руки оператора;

• поле зрения - не менее 14x19 мм;

• глубина фокусировки - не менее 10 мм.

Принципиальная схема интраорального оптического профилометра показана на рисунке 4.

Оптические оси проецирующих каналов совпадают с образующими круглого конуса. Точки пересечения оптических осей проецирующих каналов с основанием конуса являются вершинами квадрата, вписанного в основание конуса. Оптическая ось отображающего канала совпадает с высотой конуса. Плоскости фокусировки всех каналов проходят через вершину конуса.

Рисунок 4

Принципиальная оптическая схема интраорального профилометра.

Каждый из проецирующих каналов содержит источник света - светодиод, линзу-конденсор, диффузор, решетку-транспарант, проекционный объектив.

Период полос решетки-транспаранта р в каждом из проецирующих каналов составляет 80 мкм. Угол поворота полос решетки-транспаранта а в основных измерительных проецирующих каналах составляет 0 градусов, в дополнительных проецирующих каналах - 82 градуса.

Регистрирующий канал включает в себя узкополоснын интерференционный светофильтр с центром полосы пропускания, совпадающим с длиной волны источников света проецирующих каналов, для устранения внешней засветки и проекционный объектив, который строит изображение измеряемого зуба в плоскости чувствительного элемента ПЗС камеры.

Направление оптической оси изменяется при помощи зеркала, что обеспечивает доступ к любому зубу в ротовой полости.

Система вспомогательной подсветки содержит четыре светодиода без проекционной оптики с рабочей длиной волны как у источников света проецирующих каналов.

Внешний вид интраорального оптического профилометра показан на рисунке 5. Основным несущим элементом профилометра является деталь,

показанная на рисунке 6, с установочными отверстиями для крепления оптических каналов, расположенными под требуемыми углами.

На основе методов и алгоритмов, отработанных в интраоральном оптическом профилометре, был создан трехракурсный оптический профилометр для биометрических измерений лица и других частей тела человека, который показан на рисунке 9.

В биометрическом профилометре используются три проецирующих канала с одинаковой эффективной длиной волны, т.е. все три канала являются измерительными.

Компоновка внешних и внутренних элементов интраорального оптического профилометра показана на рисунках 7 и 8, соответственно.

Рисунок 7 Компоновка внешних элементов профилометра.

Рисунок 8 Компоновка внутренних элементов профилометра.

Рисунок 5

Изображение интраорального оптического профилометра.

Рисунок б Основной несущий элемент профилометра - барабан.

Рисунок 9

Изображение биометрического оптического профилометра.

Оптическая схема биометрического профилометра показана на рисунке 3 и состоит из трех проецирующих каналов и одного отображающего канала. Оптические оси проецирующих каналов совпадают с образующими круглого конуса. Точки пересечения оптических осей проецирующих каналов с основанием конуса являются вершинами равностороннего треугольника, вписанного в основание конуса. Оптическая ось отображающего канала совпадает с высотой конуса. Плоскости фокусировки всех систем проходят через вершину конуса.

Каждый из проецирующих каналов содержит источник света - светодиод, линзу-конденсор, диффузор, решетку-транспарант, проекционный объектив. Регистрирующий к:":! включает в себя регистратор (ПЗС камеру), проекционный объектив и узкополосный светофильтр для устранения внешней засветки.

Таким образом, впервые в России был разработан отечественный стоматологический интраоральиый оптический профилометр, не уступающий по своим техническим и эксплуатационным характеристикам зарубежным аналогам.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приводится теоретический анализ и оценка погрешности измерения формы поверхности объекта и ее составляющих.

Теоретическая оценка погрешности измерения формы поверхности объекта была подтверждена на практике при помощи тестовых объектов.

Зависимость высоты объекта И от геометрических параметров оптической схемы и реконструированной фазы в соответствии с (8) имеет вид:

к =--. (15)

2■7r■tgl@)■cos(a)+ р -<р Измеряемой величиной является фаза А(р, а высота к вычисляется

косвенным методом. Поэтому для оценки погрешности измерения формы

поверхности объекта границы каждой ее составляющей вычислялась через

соответствующие частные производные.

Среднее квадратическое отклонение (СКО) суммарной погрешности

измерения формы поверхности объекта 5 интраоральным оптическим

профилометром составила 0,042 мм.

Для выбора оптимальных геометрических параметров 0, р и а оптической

схемы были построены зависимости СКО суммарной погрешности измерения

формы поверхности объекта 5 от этих параметров, которые показаны на рисунках

10-12.

0, градусы Рисунок 10

Зависимость СКО суммарной погрешности измерения формы поверхности объекта 5 от триангуляционного угла 0.

а. градусы

Рисунок 1 1 Зависимость СКО суммарной погрешности измерения формы поверхности объекта 5 от угла поворота а полос решетки-транспаранта.

°0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 11

р. мкм

Рисунок 12 Зависимость СКО суммарной погрешности измерения формы поверхности объекта 5 от периода полос р решетки-транспаранта.

Экспериментальная оценка точности измерения формы поверхности объекта состоит из следующих этапов:

1) Измерение формы поверхности тестового объекта при помощи интраорального оптического профилометра.

2) Измерение параметров поверхности тестового объекта на координатно-измерительной машине и создание по измеренным данным эталонной математической модели тестового объекта.

3) Сравнение цифровых 3D моделей.

В первом эксперименте использовался тестовый объект в виде усеченного конуса из оксида циркония. Размеры тестового объекта: основание - 10x10 мм, высота усеченного конуса - 6 мм, угол между образующей поверхностью конуса и его высотой - 10°.

Поверхность тестового объекта, измеренная при помощи интраорального оптического профилометра показана на рисунке 13. Эталонная математическая модель показана на рисунке 14. Для измерения параметров поверхности тестового объекта использовалась координатно-измерительная машина Carl Zeiss UPMC 850 с точностью измерения координат точек поверхности объекта 2 мкм.

Рисунок 13 Поверхность тестового объекта,

Рисунок 14 Эталонная математическая модель.

измеренная при помощи интраорального оптического профилометра.

Сравнение двух поверхностей тестового объекта осуществляется путем пространственного совмещения данных измерений с минимизацией погрешности совмещения. Среднее квадратическое отклонение одной измеренной поверхности тестового объекта от другой составляет 38,6 мкм, максимальное отклонение - 68,7 мкм.

Во втором эксперименте в качестве тестового объекта использовался металлический паз с сечением в виде равнобедренной трапеции. Размеры тестового объекта: глубина - 6 мм, угол наклона боковых сторон - 6°.

измеренная при помощи интраорального оптического профилометра.

Для измерения формы зеркальной поверхности тестового объекта требуется напыления специальным мелкодисперсным диффузно-отражающим порошком, что вносит дополнительную погрешность в измерения, однако приближает эксперимент к реальным условиям, так как измерение формы поверхности зуба

Рисунок 15 Поверхность тестового объекта,

Рисунок 16 Эталонная математическая модель.

осуществляется с использованием этого порошка. Поверхность тестового объекта, измеренная при помощи интраорального оптического профилометра, показана на рисунке 15. Эталонная математическая модель показана на рисунке 16.

Среднее квадратическое отклонение одной измеренной поверхности тестового объекта от другой составляет 45,5 мкм, максимальное отклонение - 74,5 мкм.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования точности измерения формы поверхности объекта подтверждают достоверность заявленных технических характеристик разработанного стоматологического четырехракурсного интраорального оптического профилометра. А именно, интраоральный оптический профилометр с триангуляционным углом 5 градусов обеспечивает точность измерения формы поверхности объекта не хуже 40 мкм за время регистрации данных 40 мс при минимальных габаритных размерах профилометра.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ описана CAD/CAM система для компьютерной реставрационной стоматологии, в состав которой входит разработанный интраоральный оптический профилометр.

Процесс изготовления реставрации при помощи стоматологической CAD/CAM системы состоит из следующих этапов:

1) измерение формы поверхности отпрепарированного зуба;

2) компьютерное моделирование реставрации на основе результатов измерений;

3) автоматическое изготовление смоделированной реставрации на станке с числовым программным управлением (ЧПУ).

В состав стоматологической CAD/CAM системы входят:

1) интраоральный оптический профилометр;

2) программно-аппаратный комплекс (ПАК);

3) станок с числовым программным управлением (ЧПУ).

В главе описывается процесс съемки зуба при помощи интраорального оптического профилометра, в результате которого в память компьютера

записываются четыре изображения измеряемого зуба с проецированными полосами. Реконструкция поверхности зуба осуществляется при помощи ПАК.

Примеры изображений зуба с проецированными полосами и реконструированная по ним форма поверхности зуба показаны на рисунке 17.

Рисунок 17

Изображения зуба с проецированными полосами и реконструированная по ним форма поверхности зуба.

Программно-аппаратный комплекс предназначен для:

• управления электронными компонентами интраорального оптического профилометра;

• расчета трехмерной формы отпрепарированного зуба по его изображениям с проецированными полосами;

• компьютерного моделирования реставрации на основе измеренной ЗЭ формы поверхности отпрепарированного зуба;

• автоматической подготовки управляющей программы и управления процессом изготовления смоделированной реставрации на станке с ЧПУ.

Компьютерное моделирование реставрации осуществляется при помощи CAD модуля в 3D пространстве на основе измеренной поверхности отпрепарированного зуба и виртуального каталога цифровых трехмерных моделей здоровых зубов.

При помощи САМ модуля на основе смоделированной реставрации в автоматическом режиме производится расчет параметрических траекторий для обработки поверхностей заготовки изделия заданными инструментами, и формируется управляющая программа для станка с ЧПУ.

Изготовление реставрации производится на станке с ЧПУ по управляющей программе в автоматическом режиме. Точность изготовления реставрации на станке с ЧПУ составляет не более 40 мкм, что является достаточным для стоматологических целей.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты: 1. Получены аналитические зависимости высоты объекта от сдвига спроецированной полосы для различных оптических схем освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения, на основе которых:

" показано, что реконструкция формы поверхности объекта без масштабных искажений возможна в конусных пучках, если их вершины находятся на одинаковом расстоянии от базовой плоскости, на которой расположен объект; ■ выбрана оптимальная оптическая схема освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках для измерения формы поверхности биологических (динамических) объектов и создания на ее базе малогабаритного оптического профилометра.

Разработана методика калибровки оптической схемы освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках, которая позволяет получить массив калибровочных коэффициентов для обратного преобразования координат точек поверхности реконструированного объекта и устранения геометрические искажения формы поверхности объекта.

На основе полученного аналитического выражения, связывающего геометрические параметры оптической схемы, разработана многоракурсная оптическая схема, на основе которой реализуется метод фурье-синтеза для измерения формы поверхности объекта по его многоракурсным изображениям с проецированными полосами, что позволяет:

■ достичь более высокого пространственного разрешения измеренной поверхности объекта;

■ уменьшить области затенения на объекте.

Разработан двухдлиноволновый программно-аппаратный метод с использованием в измерительной системе проецирующих оптических каналов с такой ориентацией полос решетки-транспаранта, при которой их сдвиг на максимальной высоте объекта не превышает половины периода полос, что позволяет однозначно реконструировать форму объекта с разрывами и большими градиентами профиля поверхности и определять теневые участки.

Проведен теоретический анализ и оценка погрешности измерения формы поверхности объекта, на основе которых:

■ были выбраны геометрические параметры оптической схемы, позволяющие создать малогабаритный четырехракурсный оптический профилометр с точностью измерения формы поверхности объекта не хуже 40 мкм;

■ сформулированы требования к точности изготовления механических деталей и юстировке оптических каналов малогабаритного четырехракурсного оптического профилометра.

6. Разработан стоматологический интраоральный оптический профилометр для измерения формы поверхности зуба внутри ротовой полости пациента, в основе которого лежит четырехракурсная оптическая схема проекции полос и регистрации изображения объекта в конусных пучках, и реализован метод фурье-синтеза в совокупности с двухдлиноволновым методом разворачивания реконструированной фазы:

■ Разработана функциональная схема измерительной системы для оптического профилометра.

■ Сформирована временная диаграмма работы электронного блока управления измерительной системой, в соответствие с которой время регистрации измерительных данных для интраорального оптического профилометра составляет 40 мс.

■ Разработана принципиальная оптическая схема интраорального оптического профилометра.

■ Произведен расчет оптической схемы (габаритный, аберрационный, энергетический) интраорального оптического профилометра для трех рабочих длин волн 455, 525 и 860 нм.

■ Разработана конструкция интраорального оптического профилометра. Угол между оптическими осями проецирующих и регистрирующего каналов профилометра составляет 5 градусов.

7. Проведена оценка точности измерения формы поверхности объекта с помощью стоматологического интраорального оптического профилометра:

■ Разработаны тестовые объекты для экспериментальных исследований метрологических характеристик.

■ Экспериментально показано соответствие точности измерения формы поверхности объекта требуемым характеристикам.

8. Произведен расчет оптической схемы и разработана конструкция трехракурсного оптического профилометра для измерения формы поверхности динамических объектов, в том числе биометрических измерений лица и других частей тела человека.

9. Проведены технические и медицинские испытания первой отечественной стоматологической CAD/CAM системы, в состав которой входит разработанный интраоральный оптический профилометр. Ведется апробация стоматологической CAD/CAM системы на базе Московского государственного медико-стоматологического университета.

10. Изготовлены опытные партии стоматологических интраоральных оптических профилометров в количестве 20 штук по международным контрактам с фирмами Zhermack S.p.A. (Италия) и Hint-Els GmbH (Германия).

Таким образом, в настоящей работе решена актуальная научно-техническая задача разработки многоракурсной оптико-электронной системы для измерения формы поверхности нестационарных объектов в биометрии и создания на ее базе стоматологического интраорапьного оптического профилометра, что имеет существенное значение для оптической профилометрии, биометрии и стоматологии.

4. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вишняков Г.Н., Лощилов К.Е. Оптические схемы измерения формы трехмерных объектов методом проекции полос //Оптический журнал. 2011. -№2. - С.42-47.

2. Левин Г.Г., Вишняков Г.Н., Лощилов К.Е., Ибрагимов Т.И., Лебеденко И.Ю., Цаликова H.A. Современные стоматологические CAD/CAM системы с интраоральными 3D профилометрами //Измерительная техника. 2010. - №2. - С.52-54.

3. Лощилов К.Е. Стоматологический CAD/CAM-комплекс «OptikDent» //Измерительная техника. 2006. -№ 12. - С. 58-61.

4. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Лощилов К.Е., Сухоруков К.А. Фурье-синтез профиля поверхности трехмерных объектов методом многоракурсной проекции полос //Оптика и спектроскопия. 2005. - Т.99. - №.4. - С.680-684.

5. Лощилов К.Е. Применение методов оптической профилометрии в стоматологии. Оптико-электронные измерения //Сборник статей / Под ред. B.C. Иванова. - М.: Университетская книга, 2005. - С.406-419.

6. Левин Г.Г., Вишняков Г.Н., Лощилов К.Е. Способ оптического измерения формы поверхности трехмерного объекта (варианты) //Пат. 2232373 РФ, МПК G01B11/25. - 2004. - Бюллетень №19.

7. Лощилов К.Е. Метод улучшения реконструкции трехмерной формы объекта в оптической профилометрии //Тезисы докладов научно-технической конференции-семинара по фотонике и информационной оптике «Научной сессии НИЯУ МИФИ-2011». 2011. - С. 45-46.

8. G. Levin, G. Vishnyakov, К. Loshchilov, A. Lomakin. Biometry in CAD/CAM systems //Proc. of the Russian Bavarian Conference on Bio-Medical Engineering (RBC-2010). 2010.

9. Лощилов К.Е. Исследование метрологических характеристик оптического профилометра //18-я конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» Тезисы докладов. М., ВНИИОФИ. 2009. - С. 156.

10. Лощилов К.Е., Вишняков Г.Н. Профилометрия методом активной оптической триангуляции //18-я конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» Тезисы докладов. М., ВНИИОФИ. 2009. - С. 153.

11. Лощилов К.Е., Левина Э.Ю.. 3D сканер для биометрических измерений //16-я конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» Тезисы докладов. М., ВНИИОФИ. 2007. - С.193.

12. G.N. Vishnyakov, G.G. Levin, К.Е. Loshchilov, К.А. Sukhorukov. Fourier-Synthesis Profilometry //Proc. of the Second IASTED International MultiConference Signal and Image Processing (ACIT-SIP). 2005. - P.21-23.

13. G.N. Vishnyakov, G.G. Levin, K.E. Loshchilov, S.V. Kornisheva. Dental CAD/CAM system «OptikDent» //Proc. of the Second IASTED International Multi-Conference Signal and Image Processing (ACIT-SIP). 2005. - P.337-338.

14. Лощилов К.Е.. Профилометрия методом проекции полос //15-я конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» Тезисы докладов. М., ВНИИОФИ. 2005.

15. Сухорукое К.А., Минаев В.Л., Лощилов К.Е. Метод исследования метрологических характеристик многоракурсной 3D оптической камеры //14-я конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» Тезисы докладов. М., ВНИИОФИ. 2004. - СЛ 39-141.

16. Лощилов К.Е., Сухоруков К.А., Пирогов В.В., Пирогов И.В. Метод создания цифровых ЗБ-моделей зубов для стоматологического CAD/CAM-комплекса //14-я конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» Тезисы докладов. М„ ВНИИОФИ. 2004. - С.131-133.

17. Лощилов К.Е. Калибровка оптических систем для измерения формы поверхности трехмерных объектов методом проекции полос //Тезисы докладов «Научной сессии МИФИ-2004». 2004. - С. 234-235.

18. Лощилов К.Е., Корнышева C.B., Вишняков Г.Н., Левин Г.Г. Трехракурсная оптическая система для измерения формы поверхности трехмерных объектов //Тезисы докладов «Научной сессии МИФИ-2003». 2003. - С.208-209.

19. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Лощилов К.Е. Метрологические проблемы в компьютерной реставрационной . стоматологии //Тезисы докладов III Всероссийского научно-технического семинара «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники». 2002.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Лощилов, Константин Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы.

Цель и основные задачи диссертации.

Научная новизна работы.

Практическая ценность и использование результатов работы.

Апробация работы, публикации.

Структура и объем работы.

Основные положения, выносимые на защиту.

ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТОВ.

1.1 Анализ оптических схем для измерения трехмерной формы поверхности объектов.

1.1.1 Оптическая схема освещения объекта структурированным светом и регистрации изображения объекта в конусных пучках.16'

1.1.2 Оптическая схема освещения объекта структурированным светом и регистрации изображения объекта впараллельныхпучках.

1.1.3 Оптическая схема освещения объекта структурированным светом в конусных пучках и регистрации изображения объекта в параллельных пучках.

1.1.4 Оптическая схема освещения объекта структурированным светом в параллельных пучках и регистрации изображения объекта в конусных пучках.

1.1.5 Анализ оптических схем освещения объекта структурированным светом и регистрации изображения объекта.

1.2 Пространственное распределение реконструированной фазы.

1.2.1 Поверхности постоянной фазы.

1.2.2 Эффективная длина волны проецирующего оптического канала.

1.3 Деформация реконструированной поверхности объекта.

1.3.1 Обратное преобразование координат точек поверхности деформированного объекта.

1.3.2 Калибровка оптической системы.

1.4 Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. МЕТОД ФУРЬЕ-СИНТЕЗА В ОПТИЧЕСКОЙ ПРОФИЛОМЕТРИИ.

2.1 Основы метода фурье-профилометрии.

2.2 Метод фурье-синтеза.

2.3 Оптическая схема для метода фурье-синтеза.

2.4 Двухдлиноволновый метод разворачивания реконструированной фазы.

2.5 Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. МНОГОРАКУРСНЫЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТОВ.

3.1 Стоматологический интраоральный оптический профилометр.

3.1.1 Общие требования для интраорального оптического профилометра.

3.1.2 Функциональная оптическая схема интраорального профилометра

3.1.3 Принципиальная оптическая схема интраорального профилометра

3.1.4 Расчет оптической схемы интраорального профилометра.

3.1.4.1 Габаритный расчет оптической схемы интраорального профилометра.

3.1.4.2 Аберрационный расчет оптической схемы интраорального профилометра.

3.1.4.3 Энергетический расчет оптической схемы интраорального профилометра.

3.1.5 Конструкция интраорального оптического профилометра.

3.2 Биометрический оптический профилометр.

3.2.1 Функциональная схема биометрического оптического профилометра

3.2.2 Принципиальная схема биометрического оптического профилометра

3.2.3 Габаритный расчет оптической схемы биометрического оптического профилометра.

3.2.4 Конструкция биометрического оптического профилометра.

3.3 Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОМАТОЛОГИЧЕСКОГО ИНТРАОРАЛЬНОГО ОПТИЧЕСКОГО ПРОФИЛОМЕТРА.

4.1 Теоретические исследования метрологических характеристик интраорального оптического профилометра.

4.1.1 Анализ составляющих погрешности измерения формы поверхности объекта.

4.1.2 Оценка суммарной неисключенной систематической составляющей погрешности измерения формы поверхности объекта.

4.1.3 Оценка случайной составляющей погрешности измерения формы поверхности объекта.

4.1.4 Суммарная погрешность измерения формы поверхности объекта.

4.2 Выбор геометрических параметров оптической схемы интраорального профилометра.93,

4.3 Требования к точности изготовления механических деталей интраорального профилометра.

4.4 Требования к точности юстировки оптических каналов интраорального профилометра.

4.5 Экспериментальные исследования метрологических характеристик интраорального оптического профилометра.

4.6 Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. СТОМАТОЛОГИЧЕСКАЯ CAD|САМ СИСТЕМА.

5.1 Назначение и состав стоматологической CAD/CAM системы.

5.2 Принцип работы интраорального оптического профилометра.

5.3 Принцип работы программно-аппаратного комплекса.

5.4 Принцип работы станка с числовым программным управлением.

5.5 Выводы к главе 5.

Введение диссертация по физике, на тему "Многоракурсные оптико-электронные системы для измерения формы поверхности объектов методом фурье-синтеза"

Актуальность проблемы

В настоящее время оптические профилометры активно используются для бесконтактных измерений формы поверхности трехмерных (3D) объектов в различных областях науки, промышленности и искусства. Профилометры в машиностроении служат для контроля формы и размеров деталей, детектирования дефектов на поверхности изделий. В различных областях промышленного дизайна и искусства профилометры применяются для быстрого прототипирования, детального сканирования и создания точных копий изделий, предметов или отдельных их частей. Профилометры в областях археологии и искусства используются для каталогизации предметов искусства путем создания виртуальных коллекций. Для решения этих задач используются как стационарные измерительные системы, так и малогабаритные ручные оптические профилометры, преимуществом которых является мобильность и возможность проводить измерения труднодоступных

К ' г поверхностей.

Оптические профилометры также находят широкое применение для измерения формы поверхности биологических объектов. Данная задача актуальна в системах идентификации личности, системах контроля доступа, системах паспортно-визового контроля при создании документов, удостоверяющих личность, с использованием биометрических данных. Важной областью применения оптических профилометров является медицина. В челюстно-лицевой и пластической хирургии цифровые 3D модели участков тела необходимы для компьютерного моделирования имплантов и предоперационного планирования. В стоматологических CAD/CAM (Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing) системах цифровые 3D модели зубов используются в ортопедической стоматологии для автоматизированного изготовления зубных реставраций (коронок, мостовидных протезов, вкладок, виниров и т.п.) и в ортодонтии для автоматизированного изготовления пластин, корректирующих положение зубов.

В биометрии объектом измерения является живой человек и это накладывает ряд требований на биотехнические системы, в том числе и на профилометры. Общей особенностью биометрических измерений является нестационарность объекта, поэтому профилометр должен проводить измерения за короткое время, чтобы исключить влияние перемещений объекта на процесс измерения. Также, независимо от размеров объекта измерения, как правило, сам оптический профилометр должен иметь небольшие габаритные размеры и в некоторых случаях быть переносным, чтобы обеспечивать доступ к труднодоступным частям объекта измерений.

Применение оптических профилометров в стоматологии имеет ряд дополнительных особенностей:

Доступ к объекту измерений ограничен размерами ротовой полости пациента.

Измерения должны проводиться за короткое время. В данном случае необходимо учитывать не только нестационарность объекта измерения, но и то, что профилометр находится в руке врача-(оператора), и требуется также исключить влияние дрожания руки на процесс измерения.

Особое внимание уделяется точности измерения формы поверхности зуба, т.к. эти данные используются для изготовления зубных реставраций.

Эти особенности накладывают серьезные требования на метод измерения и конструкцию интраоральных оптических профилометров, предназначенных для стоматологических CAD/CAM систем. Кроме соответствия техническим требованиям интраоральный профилометр должен удовлетворять медицинским и санитарным требованиям по безопасности работы, обладать высокими эргономическими характеристиками и небольшой стоимостью.

Современные оптические профилометры для стоматологии реализуют триангуляционную схему измерения 3D формы поверхности объекта по поперечному смещению положения точки или линии.

Существует два типа интраоральных оптических профилометров:

• Без сканирования, освещающих объект измерения структурированным светом - системой черно-белых параллельных полос. Данный тип оптического профилометра используются в CAD/CAM системе CEREC (Sirona Dental Systems GmbH, Германия). На стадии разработки находится оптический профилометр directScan фирмы Hint-Els GmbH (Германия).

• Сканеры, проецирующие на объект светящуюся точку. Данный тип оптического профилометра используется в CAD/CAM системах E4D Dentist (D4D Technologies, США) и iTero (Cadent Ltd., Израиль).

В интраоральном профилометре системы CEREC [1-3] для освещения объекта измерения (зуба) используется структурированный свет в виде системы параллельных черно-белых полос. Для реконструкции формы поверхности объекта применяется многокадровый метод фазовых шагов [4], который требует регистрации как минимум трех изображений объекта с проецированными и сдвинутыми друг относительно друга. Сдвиг полос в профилометре осуществляется за счет смещений решетки-транспаранта с помощью пьезопривода. Значительное время (более 100 мс) регистрации изображений объекта часто приводит к их искажению из-за дрожания руки оператора и смещений пациента. Полутоновое изображение получается при подсветке зуба через этот же транспарант, но при его быстром возвратно-поступательно движении. Специфика алгоритма реконструкции формы поверхности объекта и последующего моделирования зубной реставрации выдвигает жесткие требования к препарированию и подготовке поверхности зуба к измерению. Необходимо, чтобы препарированный зуб имел строго вертикальные стенки и острые края препарированной области.

Интраоральный профилометр системы E4D Dentist [5,6] относится к сканирующему типу, и в нем реализован метод поточечной триангуляции [7,8] с помощью тонкого лазерного луча. Для прохода луча по всей области измерения отпрепарированного зуба используется двухкоординатный зеркальный сканер, выполненный по технологии MEMS (Microelectromechanical systems - Микроэлектромеханические системы). Недостатками профилометра являются значительное время сканирования и большой размер светящейся точки на объекте, что ведет к уменьшению поперечного пространственного разрешения. Надо отметить положительную особенность этого профилометра, он позволяет проводить измерения формы поверхности отпрепарированного зуба без предварительного напыления диффузно-отражающего покрытия - специального мелкодисперсного порошка, однако рассеяние света в поверхностном слое зуба может, приводить к уменьшению продольного пространственного разрешения.

В профилометре iTero [9-15] реализован метод конфокальной микроскопии с вращающимся диском Нипкова (Nipkow)[17,18]. Недостатками данного профилометра являются значительное время измерения формы поверхности объекта и большие габаритные размеры.

В разрабатываемом профилометре directScan [16] реализован метод фазовой корреляции в комбинации со стереофотограммометрией и методом проекции полос. Оптическая схема камеры содержит один проецирующий и два регистрирующих стереоканала. Формирование и сдвиг полос в проецирующем канале выполняются с помощью цифрового пространственно-временного модулятора света типа LCOS (Liquid Crystal on Silicon - жидкий кристалл на кремнии), освещаемого излучением синего светодиода. По регистрирующим стереоканалам строятся изображения зуба под двумя разными ракурсами на две половинки одной ПЗС-матрицы. Всего регистрируется 8 изображений за большое время около 240 мс. Недостатком профилометра directScan также являются большие габаритные размеры.

Наличие всего одного ракурса освещения зуба структурированным светом в перечисленных выше интраоральных профилометрах ведет к проблемам при измерении сложных поверхностей из-за возникающих затененных участков на объекте. Эти профилометры являются дорогостоящими и сложными оптико-механическими приборами, чувствительными к вибрациям и ударам.

Таким образом, необходимость решения описанных проблем является актуальной задачей.

Цель и основные задачи диссертации

Цель определила основные научно-технические задачи, решение которых легло в основу настоящей работы:

Научная новизна работы

2. Разработана многоракурсная оптическая схема, на основе которой реализуется метод фурье-синтеза для измерения формы поверхности объекта по его изображениям с проецированными полосами, полученными с разных ракурсов, что позволяет достичь более высокого пространственного разрешения измеренной поверхности по всем направлениям и уменьшить области затенения на объекте.

Практическая ценность и использование результатов работы

Предложенные в диссертации решения реализованы в интраоральном оптическом профилометре, входящем в состав первой отечественной CAD/CAM системы для компьютерной реставрационной стоматологии, а также в оптическом профилометре для биометрических измерений лица и других частей тела человека. Стоматологическая CAD/CAM система прошла технические и медицинские испытания. Ведется ее апробация на базе Московского государственного медико-стоматологического университета. Также по международным контрактам с фирмами Zhermack S.p.A. (Италия) и Hint-Els GmbH (Германия) были изготовлены опытные партии стоматологических интраоральных оптических профилометров в количестве 20 штук.

Апробация работы, публикации

Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на:

- Научной сессии МИФИ-2003 г.

- 14-ой научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2004 г.

- Научной сессии МИФИ-2004 г.

- 15-ой научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2005 г.

- Международной конференции «The Second IASTED International Multi-Conference Signal and Image Processing», 2005 г.

- 16-ой научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2007 г.

- 18-ой научно-техиической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2009 г.

- Международной конференции «Russian Bavarian Conference on BioMedical Engineering RBC-2010», 2010 r.

- Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011 г.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

5.5 Выводы к главе 5

Описан состав, принцип и порядок работы CAD/CAM системы, предназначенной для компьютерной реставрационной стоматологии, и в состав которой входит разработанный интраоральный оптический профилометр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Получены аналитические зависимости высоты объекта от сдвига спроецированной полосы для различных оптических схем освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения, на основе которых: показано, что реконструкция формы поверхности объекта без масштабных искажений возможна в конусных пучках, если их вершины находятся на одинаковом расстоянии от базовой плоскости, на которой расположен объект; выбрана оптимальная оптическая схема освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках для измерения формы поверхности биологических (динамических) объектов и создания на ее базе малогабаритного оптического профилометра.

2. Разработана методика калибровки оптической схемы освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках, которая позволяет получить массив калибровочных коэффициентов для обратного преобразования координат точек поверхности реконструированного объекта и устранения геометрические искажения формы поверхности объекта.

3. На основе полученного аналитического выражения, связывающего геометрические параметры оптической схемы, разработана многоракурсная оптическая схема, на основе которой реализуется метод фурье-синтеза для измерения формы поверхности объекта по его многоракурсным изображениям с проецированными полосами, что позволяет: достичь более высокого пространственного разрешения измеренной поверхности объекта; уменьшить области затенения на объекте.

4. Разработан двухдлиноволновый программно-аппаратный метод с использованием в измерительной системе проецирующих оптических каналов с такой ориентацией полос решетки-транспаранта, при которой их сдвиг на максимальной высоте объекта не превышает половины периода полос, что позволяет однозначно реконструировать форму объекта с разрывами и большими градиентами профиля поверхности и определять теневые участки.

5. Проведен теоретический анализ и оценка погрешности измерения формы поверхности объекта, на основе которых: были выбраны геометрические параметры оптической схемы, позволяющие создать малогабаритный четырехракурсный оптический профилометр с точностью измерения формы поверхности объекта не хуже 40 мкм; сформулированы требования к точности изготовления механических деталей и юстировке оптических каналов малогабаритного четырехракурсного оптического профилометра.

Разработана функциональная схема измерительной системы для оптического профилометра.

Сформирована временная диаграмма работы электронного блока управления измерительной системой, в соответствие с которой время регистрации измерительных данных для интраорального оптического профилометра составляет 40 мс.

Разработана принципиальная оптическая схема интраорального оптического профилометра.

Произведен расчет оптической схемы (габаритный, аберрационный, энергетический) интраорального оптического профилометра для трех рабочих длин волн 455, 525 и 860 нм.

Разработана конструкция интраорального оптического профилометра. Угол между оптическими осями проецирующих и регистрирующего каналов профилометра составляет 5 градусов.

Разработаны тестовые объекты для экспериментальных исследований метрологических характеристик.

Экспериментально показано соответствие точности измерения формы поверхности объекта требуемым характеристикам.

Таким образом, в настоящей работе решена актуальная научно-техническая задача разработки многоракурсной оптико-электронной системы для измерения формы поверхности нестационарных объектов в биометрии и создания на ее базе стоматологического интраорального оптического профилометра, что имеет существенное значение для оптической профилометрии, биометрии и стоматологии.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Лощилов, Константин Евгеньевич, Москва

1. W. Moermann, M. Brandestini. Method and apparatus for the fabrication of custom-shaped implants // US Patent 4575805, 1986

2. M. Brandestini, W. Moermann. Method and apparatus for the three-dimensional registration and display of prepared teeth // US Patent 4837732, 1989.

3. F. Thiel, J. Pfeiffer. Apparatus and method for optical 3D measurement // US Patent 2009/0279103, 2009.

4. Larkin K.G. A self-calibrating phase-shifting algorithm based on the natural demodulation of two-dimensional fringe patterns// Optics Express. 2001. V.9. №5. P.236-253.

5. H. Quadling et al. Laser digitizer system for dental applications // US Patent 7184150. 2007.

6. H. Quadling et al. Laser digitizer system for dental applications // US Patent 2007/0146726. 2007.

7. Русинов M.M. Инженерная фотограмметрия. // M.: Изд-во «Недра». -1966.

8. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Наумов А.А. Измерение поверхности трехмерных объектов методом проекции интерференционных полос //Оптика и спектроскопия, 1998, т.85, №6, с. 1015-1019.

9. N. Babayoff et al. Method and apparatus for imaging three-dimensional structure // US Patent 2005/0264828, 2005.

10. N. Babayoff et al. Method and apparatus for imaging three-dimensional structure // US Patent 2006/0158665, 2006.

11. N. Babayoff et al. Method and apparatus for imaging three-dimensional structure // US Patent 2007/0109559, 2007.

12. N. Babayoff et al. Dental imaging instrument having air stream auxiliary // US Patent 7255558, 2007.

13. N. Babayoff et al. Method and apparatus for colour imaging a three-dimensional structure // US Patent 2008/0024768, 2008.

14. N. Babayoff et al. Method and apparatus for imaging three-dimensional structure // US Patent 2009/0148807, 2009.

15. N. Babayoff et al. Method and apparatus for imaging three-dimensional structure // US Patent 2009/0153879, 2009.

16. P.Kuhmstedt, C. Brauer-Burchardt, C. Munkelt, M. Heinze, M. Palme, I. Schmidt, J. Hintersehr, G. Notni. Intraoral 3D scanner // Proc SPIE. 2007. Vol. 6762, pp. 67620E-1 67620E-9

17. T. Tanaami, S. Otsuki, N. Tomosada, Y. Kosugi, M. Shimizu, H. Ishida. High-speed 1-frame/ms scanning confocal microscope with a microlens and Nipkow disks // Applied Optics. 2002. - Vol.41. - P.4704-4708.

18. A. Egner, V. Andersen, S.W. Hell. Comparison of the axial resolution of practical Nipkow-disk confocal fluorescence microscopy with that of multifocal multiphoton microscopy: theory and experiment // J. Microscopy. -2002. Vol.206. - Pt.l. - P.24-32.

19. Г. H. Вишняков, К. E. Лощилов. Оптические схемы измерения формы трехмерных объектов методом проекции полос. Оптический журнал. 2011, №2, С. 42-47.

20. D. Malacara, M. Servin, Z. Malacara. Interferogram analysis for optical testing. Second Edition // Boca Raton, FL: Taylor & Francis Group. 2005. -P.546.

21. Takasaki H. Generation of surface contours by moiré pattern // Appl. Opt. -1970. Vol.9. - №4. - P.942.22. 4. Вест. Голографическая интерферометрия. Пер. с англ. // М.: Мир, 1982. 504 с.

22. Yoshizawa Т. The recent trend of moiré metrology // J. Robustic Mech. -1991.-Vol.3.-№3.-P.80.

23. Лощилов К.Е. Калибровка оптических систем для измерения формы поверхности трехмерных объектов методом проекции полос // Научная сессия МИФИ, М., 2004.

24. Takeda.M., Mutoh К. Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes // Appl. Opt.- 1983. Vol. 22. - № 24. - P. 3977-3982.

25. Xianyu S., Wenjing C. Fourier transform profilometry: a review // Optics and Lasers in Engineering. 2001. - V.35. - P.263-284.

26. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. М.: Мир, 1982. - том 1. -С.239-245.

27. Левин Г.Г., Вишняков Г.Н., Лощилов К.Е.: Способ оптического измерения формы поверхности трехмерного объекта (варианты). Патент RU2232373, 19, 2004.

28. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Лощилов К.Е., Сухоруков К.А. Фурье-синтез профиля поверхности трехмерных объектов методом многоракурсной проекции полос. Оптика и спектроскопия. 2005. Т;99. -№.4. - С.680.

29. G.N, Vishnyakov, G.G. Levin, К.Е. Loshchilov, К.А. Sukhorukov. Fourier-Synthesis Profilometry. Proc. of the Second IASTED International MultiConference Signal and Image Processing (ACIT-SIP). Novosibirsk, Russia. 2005, p. 21-23.

30. Levin G., Vishnyakov G., Loshchilov K., Lomakin A. Biometry in CAD/CAM systems. Russian Bavarian Conference on Bio-Medical Engineering (the RBC-2010), 2010.

31. Cusack R., Huntley J.M., Goldrein H.T. Improved noise-immune phase-unwrapping algorithm//Appl.Opt.-1995.-V.34.-№5.-P.781.

32. Ковалев А.А., Сухоруков К.А. Восстановление формы волнового фронта при больших изменениях фазы //Измерительная техника. 2004. - № 4 -С. 17-19.

33. Борн М., Вольф Э. Основы оптики // Перевод с англ. / Под ред. Г.П. Мотулевича. М.: Изд-во «Наука». 1970.

34. Гужов В.И., Солодкин Ю.Н. Использование свойств целых чисел для расшифровки интерферограмм // Оптика и спектроскопия. 1988. -Т.65.-В.5.-С.1123-1128.

35. Гужов В.И., Солодкин Ю.Н. Оценка точности целочисленного интерферометра // Оптика и спектроскопия. 1988. - Т.65. - В.6. -С.1313-1316.

36. Гужов В.И., Ильиных С.П., Картавых Е.В. Коррекция систематических погрешностей при определении полной фазы в целочисленной интерферометрии // Автометрия. 2008. - Т.44. - №6. - С.96-102.

37. Wansong Li, Xianyu Su. Real-time calibration algorithm for phase shifting in phase-measuring profilometry // Opt. Eng. 2001. - Vol.40. - №5. - P.761-766.

38. Hong Guo, Peisen S. Huang. Absolute phase technique for the Fourier transform mehtod // Opt. Eng. 2009. - Vol.48. - №4. - P.043609-1.

39. Saldner H.O., Huntley J.M. Profilometry using temporal phase unwrapping and a spatial light modulator-based fringe projector //Opt. Eng. 1997. -Vol.36. - №2,-P.610-615.

40. Свешникова И.С., Запрягаева JI.A. Расчет и проектирование оптических систем. М.:Логос,2000. 584с.

41. Г.Г. Слюсарев Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение, 1975.-640с.

42. R. Cordero, A. Martinez, J. Rayas, F. Labbe. Necking progression in tensile specimens monitored in real-time by using fringe projection // Optics and Lasers in Engineering. 2010. - №48. - P.1285-1290.

43. A.M. Bronstein, M.M. Bronstein, R. Kimmel. Three-dimensional face recognition // Intl. Journal of Computer Vision (IJCV). 2005. - Vol.64. -№1. - P.5-30.

44. С. Busch, A. Nouak. 3D Face Recognition for Unattended Access Control // DuD Datenschutz und Datensicherheit. - 2008. - Vol.32. - №7. - P.126-136.

45. F. Chen. 3D Fingerprint and palm print data model and capture devices using multi structured lights and cameras // US Patent 20060120576. 2006.

46. V. Kanhangad, D. Zhang, L. Nan. A multimodal biométrie authentication system based on 2D and 3D palmprint features // Proc. of SPIE Biométrie Technology for Human Identification V, Orlando. 2008. - Vol.6944. -P.69440C-69440C.

47. D. Zhang, V. Kanhangad, N. Luo, A. Kumar. Robust Palmprint Verification Using 2D and 3D Features // Pattern Recognition. 2010. - Vol.43. - №1. -P.358-368.

48. F. Berryman, P. Pynsent, J. Fairbank, S. Disney. A new system for measuring three-dimensional back shape in scoliosis // Eur Spine J. 2008. - №17. -P.663-672

49. B.A. Елхов, H.В. Кондратьев, Ю.Н. Овечкис, JI. В. Паутова. Анализ параметров многообъективной съёмки в системе безочкового кинопоказа многоракурсных стереоизображений // Мир техники кино. -2010. -№17. С.2-7.

50. В.А. Елхов, Н.В. Кондратьев, Ю.Н. Овечкис, JI. В. Паутова. Безочковая система показа объемных многоракурсных изображений // Мир техники кино. 2009. -№11.- С.2-7.

51. РМГ 43-2001 Государственная система обеспечения единства измерений. Применение «Руководства по выражению неопределенностей измерений».