DE19929882C2

DE19929882C2 - Verfahren zur Bestimmung der Farbe eines Zahnes

Info

Publication number: DE19929882C2
Application number: DE19929882A
Authority: DE
Inventors: Hubert Hofmann; Henrik Baur; Joachim Mezger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2019-06-30
Also published as: DE19929882A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Bestimmung der Farbe eines Zahnes, mit einem an den Zahn anlegbaren Meßkopf (5), an dessen vorderem Ende (11) ein Bündel von Lichtleitern (0), die ein Meßlicht führendes Sendebündel (S) bilden, mit ihren Austrittsenden das Eintrittsende eines mit ihnen in gemeinsamer Ebene (26) liegenden optischen Empfangskanals umgeben, der zumindest einen Lichtleiter (1, 2, 3) aufweist, der vom Zahn reflektiertes Licht auf eine spektralempfindliche Auswerteeinrichtung überträgt, ist der optische Empfangskanal durch ein Empfangsbündel (E) mit drei Gruppen gemischt angeordneter Lichtleiter (1, 2 und 3) mit in gemeinsamer Ebene (26) liegenden Eintrittsenden gebildet, das Empfangsbündel (E) ist durch eine Trennwand (25) vom umgebenden Sendebündel (S) getrennt und das vordere Ende (11) des Meßkopfes (5) ist durch ein mit seiner vorderen Fläche an den Zahn anlegbares, lichtbrechendes optisches Element (27) abgeschlossen, dessen Werkstoff im Hinblick auf hohe Brechzahl und hohe Oberflächenhärte ausgewählt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Farbe eines Zahnes, mit einem an den Zahn anlegbaren Meßkopf, an dessen vorderem Ende ein Bündel von Lichtleitern, die ein Meßlicht führendes Sendebündel bilden, mit ihren Austrittsenden das Eintrittsende eines mit ihnen in ge meinsamer Ebene liegenden optischen Empfangskanals umgeben, der zu mindest einen Lichtleiter aufweist, der vom Zahn reflektiertes Licht auf eine spektralempfindliche Auswerteeinrichtung überträgt, und mit einem opti schen Element, welches das an den Zahn anlegbare vordere Ende des Meß kopfes bildet.

Vorrichtungen zur Bestimmung von Zahnfarben sollen es dem Zahnarzt oder Dentaltechniker ermöglichen, die Farbe von Kunstzähnen oder von Füllungsmaterialien genau an die Farbe der benachbarten Zähne eines be treffenden Patienten anzupassen. Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 90 12 977.6 U1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß ausreichend genaue Meßergebnisse über längere Be triebsräume hinweg nicht gewährleistet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der betrachte ten Art zu schaffen, die sich demgegenüber durch verbesserte Betriebsei genschaften und eine gleichbleibend höhere Meßgenauigkeit auszeichnet.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfin dungsgemäß dadurch gelöst, daß der optische Empfangskanal durch ein Empfangsbündel mit drei Gruppen gemischt angeordneter Lichtleiter mit in gemeinsamer Ebene liegenden Eintrittsenden gebildet ist, daß das Emp fangsbündel durch eine Trennwand vom umgebenden Sendebündel ge trennt ist, daß das optische Element durch eine kreisrunde, planparallele Platte aus einem Werkstoff mit hoher Brechzahl und hoher Oberflächenhär te gebildet ist, deren Umfangsfläche durch eine die Außenseite des Sende bündels umfassende, opake Schutzhülse eingefaßt ist, und daß die Dicke der plaparallelen Platte, deren Brechzahl und die Wandstärke der zwischen Sendebündel und Empfangsbündel befindlichen Trennwand so gewählt sind, daß Übersprechen durch aufgrund von Reflexion an der Austritts grenzfläche der planparallelen Platte vom Sendebündel zum Empfangsbün del gelangendes Meßlicht verhindert ist.

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Abschluß des vorderen Endes des Meßkopfes mit einem optischen Element hoher Oberflächenhärte er reicht man zum einen einen mechanischen Schutz der empfindlichen, plangeschliffenen Austritts- und Eintrittsenden der Lichtleiter sowohl des Sendebündels als auch des Empfangsbündels, so daß die optische Güte der Auskopplung und der Einkopplung an den Lichtleiterenden über lange Be triebszeiträume hinweg gewährleistet ist und Schwankungen der sensori schen Eigenschaften der Vorrichtung durch mechanische Einflüsse im Be trieb somit vermieden sind. Dadurch, daß erfindungsgemäß außerdem die Dicke der planparallelen Platte, deren Brechzahl und die Wandstärke der zwischen Sendebündel und Empfangsbündel befindlichen Trennwand ent sprechend gewählt sind, wird durch das planparallele optische Element ein Übersprechen durch Meßlicht, das aufgrund einer Reflexion an der Austrittsgrenzfläche unmittelbar vom Sendebündel zum Empfangsbündel ge langt, vollständig vermieden, so daß eine besonders hohe Meßgenauigkeit erreicht wird.

Als Werkstoff für das optische Element kommt beispielsweise ein Spezial glas hoher Brechzahl in Frage, insbesondere Saphirglas, das sich nicht nur durch eine verhältnismäßig hohe Brechzahl, sondern auch durch besonders gute Oberflächenhärte auszeichnet.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist das optische Element durch eine kreisrunde, planparallele Platte gebildet, deren Umfangsfläche durch eine die Außenseite des Sendebündels umfassende Schutzhülse eingefaßt ist, die beispielsweise aus Edelstahl gefertigt ist und ein griffelartiges Griffstück für die Handhabung des Meßkopfes bildet.

Vorzugsweise ist das Empfangsbündel durch eine die Trennwand gegen über dem Sendebündel bildende runde Trennhülse umfaßt, die zur äußeren Schutzhülse des umgebenden Sendebündels im wesentlichen konzentrisch ist.

Innerhalb des Empfangsbündels sind die Lichtleiter in statistisch durch mischter Verteilung drei Hauptfarben zugeordnet. Am hinteren Ende der Trennhülse sind die Lichtleiter jeder der Farben sodann zu je einem jeder Farbe zugeordneten Farbbündel aufgeteilt, die jedes zu je einem eine ent sprechende Farbempfindlichkeit aufweisenden Sensor führen, der sich in der der Vorrichtung zugehörigen Meßeinheit befindet. Diese enthält auch die Lichtquelle, die das Meßlicht in das Sendebündel einkoppelt, das als weiterer vierter Strang, zusätzlich zu den Strängen der drei Farbbündel, zur Meßeinheit geführt ist. Diese vier Stränge verlaufen vorzugsweise in ge meinsamer, biegsamer Schutzhülle.

Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit der Meßergebnisse ermöglicht es die Erfindung, den verfälschenden Einfluß durch Umgebungslicht, das als Fremdlicht in das Empfangsbündel eintritt, dadurch zu eliminieren, daß zur Erzeugung des Meßlichtes eine Lichtquelle vorgesehen ist, deren Intensität mit vorgegebener Frequenz modulierbar ist, und daß den Farbsensoren, die ein elektrisches Sensorsignal erzeugen, je ein Bandfilter elektrisch nachge schaltet ist, das auf die Frequenz der Modulation abgestimmt ist. Die so gefilterten Sensorsignale sind somit frei von durch das Umgebungslicht be einflußten Signalanteilen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine stark schematisch vereinfacht gezeichnete Darstellung eines Ausführungsbeispieles der gesamten Vorrichtung;

Fig. 2 einen in stark vergrößerter Darstellung und abgebrochen ge zeichneten Längsschnitt des vorderen Endes des Meßkopfes der Vorrichtung von Fig. 1, wobei die Anordnung von Lichtlei tern unvollständig dargestellt ist;

Fig. 3A einen Querschnitt entsprechend der Linie III-III von Fig. 2, ebenfalls mit unvollständiger Darstellung der Lichtleiter;

Fig. 3B Querschnitte durch Hüllen eines Sendebündels und dreier Farbbündel mit Lichtleitern, die jeweils unvollständig einge zeichnet sind;

Fig. 4 einen der Fig. 2 ähnlichen Schnitt, ohne eingezeichnete Licht leiter, wobei ein Teil des Umrisses eines Zahnes angedeutet ist;

Fig. 5 eine Diagrammdarstellung zur Verdeutlichung der Gesetzmä ßigkeiten der Brechung beim Übergang zwischen optischen Medien;

Fig. 6 und 7 schematisierte Diagrammdarstellungen zur Verdeutlichung der Brechungsverhältnisse an einem üblichen Meßkopf bzw. am Meßkopf der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 8 und 9 Teilquerschnitte des an einer planparallelen Platte aus Saphir glas anliegenden Endes der Trennwand zwischen Sendebün del und Empfangsbündel des Meßkopfes der erfindungsgemä ßen Vorrichtung;

Fig. 10 eine der Fig. 4 ähnliche, stark schematisch vereinfacht ge zeichnete Darstellung mit zwischen Meßkopf und Zahnfläche befindlicher Immersionsflüssigkeit und

Fig. 11 eine stark schematisch vereinfachte Blockdarstellung der opti schen Sende- und Empfangskanäle und elektrischer Kanäle von Sensoren für die optischen Empfangskanäle.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Gesamtdarstellung der Vorrichtung gemäß ei nem Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit einem seitens der Bedienungs person handhabbaren Meßkopf 5, der faseroptisch mit einer Meßeinheit 7 verbunden ist. Diese enthält, wie unten näher erläutert wird, eine Lichtquel le zur Erzeugung von polychromatischem Meßlicht, dessen Intensität mit vorgegebener Frequenz moduliert ist, sowie eine Sensoreinrichtung. Diese erzeugt für drei Farbkanäle eines optischen Empfangskanals, der sich zwi schen dem Meßkopf 5 und der Meßeinheit 7 erstreckt, je ein elektrisches Farbsignal, die nach entsprechender Aufbereitung einem an der Meßeinheit 7 angeschlossenen Computer 6 zugeführt werden, an dem wiederum ein Drucker 8 angeschlossen ist. Zur Fernauslösung des mittels des Meßkopfes 5 durchzuführenden Meßvorganges ist an der Meßeinheit 7 ein Fernauslö ser, beim Ausführungsbeispiel ein Fußschalter 9, angeschlossen. An dem griffelartigen Meßkopf 5 bildet das vordere Ende einer Schutzhülse 11 aus Edelstahl die eigentliche Meßspitze, die an den betreffenden Zahn anzule gen ist. Innerhalb des Schutzhülse 11 befinden sich faseroptische Lichtlei ter, die in der Schutzhülse so angeordnet sind, daß sie am vorderen Ende des Meßkopfes 5 ein Sendebündel S mit Meßlicht führenden Lichtleitern 0 sowie ein Empfangsbündel E mit Lichtleitern 1, 2 und 3 bilden, siehe Fig. 2 und 3A.

An die Schutzhülse 11 schließt sich ein biegsamer Schutzschlauch 13 an. Innerhalb des Schutzschlauches 13 sind die Lichtleiter in drei Farbbündel und ein Sendebündel so aufgeteilt, daß sich die Lichtleiter 1 in einer Schutzhülle 17, die Lichtleiter 2 in einer Schutzhülle 19 und sich die Licht leiter 3 in einer Schutzhülle 21 befinden. Die Farbbündel sind zusammen mit den in einer Schutzhülle 23 befindlichen Lichtleitern 0 des Sendebün dels S über eine vierpolige Steckeranordnung 15 optisch an die Meßeinheit 7 angekoppelt.

Fig. 2 und 3A zeigen die Anordnung der Lichtleiter innerhalb der Schutzhül se 11 im Bereich des vorderen Endes des Meßkopfes 5. Wie insbesondere aus Fig. 3A zu ersehen, sind die Lichtleiter 0 des Sendebündels S im Rin graum zwischen Innenwand der Schutzhülse 11 und einer eine optische Trennwand bildenden, zur Schutzhülse 11 konzentrischen Hülse 25 so an geordnet, daß der die Hülse 25 umgebende Ringraum vollständig durch die Lichtleiter 0 ausgefüllt ist, deren Austrittsenden in einer gemeinsamen Ebe ne 26 (Fig. 2) liegen. Innerhalb der Hülse 25 sind die Lichtleiter 1, 2 und 3, in statistischer Verteilung durchmischt, so angeordnet, daß der Raum inner halb der Hülse 25 durch die Lichtleiter ausgefüllt ist und die Eintrittsenden der Lichtleiter 1, 2 und 3 in der gleichen Ebene 26 liegen.

Fig. 2 zeigt, daß ein optisches Element in Form einer an der Ebene 26 anlie genden planparallelen Platte 27 den vorderen Abschluß am Ende des Meß kopfes 5 bildet. Die Schutzhülse 11 bildet hierbei die Einfassung des Um fangsrandes der kreisrunden Platte 27.

Fig. 3B zeigt die Aufteilung der Lichtleiter nach Austritt aus dem hinteren Ende des Meßkopfes 5 im Verlauf innerhalb des Schutzschlauches 13 und vor ihrer Ankopplung an die Meßeinheit 7 über die Steckeranordnung 15, nämlich die Aufteilung in drei Farbbündel, bei denen die Lichtleiter 1 in der Schutzhülle 17, die Lichtleiter 2 in der Schutzhülle 19 und die Lichtleiter 3 in der Schutzhülle 21 angeordnet sind, wobei die weitere Schutzhülle 23 die Lichtleiter 0 des Sendebündels S umfaßt.

Bei dem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auszuführenden Meßver fahren ist es wesentlich, daß der sog. Übersprecheffekt vermieden wird, nämlich ein optischer Kurzschluß, bei dem Licht aus dem Sendebündel S unmittelbar das Empfangsbündel E erreicht, ohne in gewünschter Weise vom Zahn reflektiert worden zu sein. Fig. 4 verdeutlicht drei typische Fälle der im vorliegenden Zusammenhang auftretenden Reflexionen. Bei dem Fall a handelt es sich um Reflexion an der Austrittsgrenzfläche der Platte 27. Hier handelt es sich um einen unerwünschten Übersprecheffekt. Fall b ist die Reflexion an der äußeren Oberfläche (Glanz) des Zahnschmelzes des betreffenden Zahnes 31. Diese Lichtspiegelung an der Zahnoberfläche ist ebenfalls unerwünscht, weil für die Zahnfarbe wenig repräsentativ. Es ist vielmehr wünschenswert, daß das Licht in das transluzente Zahnmaterial eindringt und im Inneren reflektiert wird, siehe Reflexionsfall c in Fig. 4. Wie anhand der Fig. 5 bis 9 näher erläutert, ermöglicht es die Erfindung, die Fälle a und b im wesentlichen auszuschließen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dies durch die Abstimmung der Geometrie am vorderen Ende 11 des Meßkopfes 5 in Verbindung mit der optischen Brechkraft des Werkstoffes der planparallelen Platte 27 er reicht. Fig. 6 zeigt das vordere Ende eines Lichtleiters 0 des Sendebündels, wobei das Austrittsende, ohne vorgeschaltetes optisches Element, unmittel bar an Luft angrenzt. Bei handelsüblichen Lichtleitern beträgt der größte Winkelbereich, unter dem das Licht weitergeleitet wird, etwa 20° bis 22° Neigung gegenüber der Lichtleiterlängsachse. Demgemäß kann, wenn, wie in Fig. 6 dargestellt, beispielsweise von einer größten Neigung von ±21,5°, also einem größten Winkelintervall von 43°, ausgegangen wird, das Licht bei an Luft angrenzendem Lichtleiter 0 in einem größten Winkelintervall von etwa 68° (Neigungsbereich ±34° gegenüber dem Flächenlot 33) austre ten. Bei einem solchen Winkelbereich ist mit sämtlichen der drei in Fig. 4 verdeutlichten Reflexionsfällen a, b und c zu rechnen.

Entsprechend dem in Fig. 5 verdeutlichten Brechungsgesetz verringert sich beim Medienübergang das Winkelintervall, innerhalb dem das Licht auftre ten kann, um so stärker, je höher die Brechzahl des Mediums ist, in das das Licht vom Lichtleiter eingekoppelt wird. Bei einem Saphirglas mit der Brechzahl von etwa 1,765 und bei üblichem Lichtleiter mit einem maxima len Winkelintervall α von etwa 43° (±21,5° bezogen auf das Flächenlot 33) verringert sich das Winkelintervall β auf etwa 37°, siehe Fig. 5 und 7.

Ausgehend von diesem Winkelbereich verdeutlicht Fig. 8 die Reflexions möglichkeiten im Verhältnis zur Wandstärke d₁, der die optische Trenn wand bilden Hülse 25 und der Glasdicke d₂ des Saphirglases. Wie zu erse hen ist, gelangt kein reflektiertes Licht unmittelbar vom Sendebündel S zum Empfangsbündel E, wenn bei gegebener Wanddicke d₁ die Glasdicke d₂ ausreichend klein gewählt ist. Bei dem bezifferten Beispiel von Fig. 9 ist ge zeigt, daß bei einer Wanddicke d₁ = 0,15 mm eine Größtdicke des Saphir glases von etwa 0,2 mm zugelassen werden kann, ohne ein Übersprechen von Sendebündel S zu Empfangsbündel E zu erhalten. Es versteht sich, daß auf Basis des Brechungsgesetzes beliebige andere Kombinationen der geo metrischen Verhältnisse, abhängig von der Brechzahl des jeweiligen opti schen Elementes, beispielsweise des Saphirglases, zum Erfolg führen.

Mit Hilfe einer sog. Immersionsflüssigkeit kann die Auswirkung des Glanzes des Zahnes, also der Lichtspiegelung an der Oberfläche des Zahnschmel zes, noch weiter reduziert werden. Ein zwischen dem Ende 11 des Meßkopfes 5 und dem Zahn 31 vorhandener geringer Restspalt wird hierbei durch eine Flüssigkeit 37 überbrückt, deren Brechzahl der des Zahnes 31 und des Austrittsmediums an dem Meßkopf 5 nahekommt. Vorteilhaft ist z. B. Was ser oder wässrige Desinfektionslösung.

Wie bereits erwähnt, läßt sich der störende Einfluß von Umgebungslicht auf das Meßergebnis völlig vermeiden, wenn die das Meßlicht erzeugende Lichtquelle 41 (Fig. 11) mittels einer Ansteuereinrichtung 43 so betrieben wird, daß die Intensität des ausgesandten, polychromatischen Meßlichtes mit vorgegebener Frequenz moduliert wird. Das reflektierte, modulierte Meßlicht wird über die Lichtleiter 1, 2 und 3 der Farbbündel und über op tisch vorgeschaltete Farbfilter 45, 46 bzw. 47 Fotorezeptoren 49, 51 bzw. 53 zugeführt. Diese Fotorezeptoren enthalten jeweils einen elektrisch nachgeschalteten Bandfilter, der auf die Frequenz der Modulation abge stimmt ist, so daß die elektrischen Ausgangssignale ausschließlich für reflek tiertes Meßlicht repräsentativ sind, also keine Signalanteile aufgrund von Fremdlicht enthalten.

Es versteht sich, daß anstelle der Verwendung von Fotorezeptoren mit vor geschalteten Farbfiltern 45, 46 und 47 andere Sensoreinrichtungen vorgese hen sein könnten, beispielsweise ein Spektrometer zur spektralen Analyse.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Farbe eines Zahnes (31), mit einem an den Zahn (31) anlegbaren Meßkopf (5), an dessen vorderem Ende ein Bündel von Lichtleitern (0), die ein Meßlicht führendes Sendebündel (S) bilden, mit ihren Austrittsenden das Eintrittsende eines mit ihnen in ge meinsamer Ebene (26) liegenden optischen Empfangskanals umgeben, der zumindest einen Lichtleiter (1, 2, 3) aufweist, der vom Zahn (31) re flektiertes Licht auf eine spektralempfindliche Auswerteeinrichtung (49, 51, 53) überträgt, und mit einem optischen Element (27), welches das an den Zahn (31) anlegbare vordere Ende (11) des Meßkopfes (5) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Empfangskanal durch ein Empfangsbündel (E) mit drei Gruppen gemischt angeordneter Licht leiter (1, 2, und 3) mit in gemeinsamer Ebene (26) liegenden Eintrittsen den gebildet ist, daß das Empfangsbündel (E) durch eine Trennwand (25) vom umgebenden Sendebündel (S) getrennt ist, daß das optische Ele ment durch eine kreisrunde, planparallele Platte (27) aus einem Werk stoff mit hoher Brechzahl und hoher Oberflächenhärte gebildet ist, de ren Umfangsfläche durch eine die Außenseite des Sendebündels (S) um fassende, opake Schutzhülse (11) eingefaßt ist, und daß die Dicke (d₂) der planparallelen Platte (27), deren Brechzahl und die Wandstärke (d₁) der zwischen Sendebündel (S) und Empfangsbündel (E) befindlichen Trennwand (25) so gewählt sind, daß Übersprechen durch aufgrund von Reflexion an der Austrittsgrenzfläche der planparallelen Platte (27) vom Sendebündel (S) zum Empfangsbündel (E) gelangendes Meßlicht verhin dert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Werk stoff der planparallelen Platte (27) ein Spezialglas hoher Brechzahl, bei spielsweise Saphirglas, vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangsbündel (E) durch eine die Trennwand bildende runde Trenn hülse (25) umfaßt ist, die zur äußeren Schutzhülse (11) des umgebenden Sendebündels (S) im wesentlichen konzentrisch ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht leiter des Empfangsbündels (E) am Austrittsende der Trennhülse (25) in drei jeweils dem Kanal einer Hauptfarbe zugeordnete Farbbündel (17, 19, 21) aufgeteilt sind und zu je einem eine entsprechende Farbemp findlichkeit aufweisenden Sensor führen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Senso ren Fotorezeptoren (49, 51, 53) mit vorgeschaltetem Farbfilter (45, 46, 47) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeu gung des über das Sendebündel (S) zu übertragenden Meßlichtes eine Lichtquelle (41) vorgesehen ist, deren Intensität mit vorgegebener Fre quenz modulierbar ist, und daß den Fotorezeptoren (49, 51, 53) Bandfil ter elektrisch nachgeschaltet sind, die auf die Frequenz der Modulation abgestimmt sind.