专利名称：带有反馈控制的扫描器的制作方法
带有反馈控制的扫描器本发明涉及用于生成被扫描对象的三维表面模型的对象的非接触光学扫描。
背景技术：
激光扫描器广泛用于许多应用，用于物理改变被扫描对象(精细雕刻，焊接)或用于检测表面性质(条形码读取，数字三维表面重建)。激光扫描器的基本原理是将光束引导到被扫描对象。通过使用诸如透镜或反射镜的光学元件，光束可以以某个空间图案(例如线)被引导。一种用于产生物理对象的数字三维模型的方法是将激光束引导到对象的表面上并且用照相机从不同角度记录图像。当光束发生器和照相机的相对位置和内部参数已知时，可以使用三角测量计算对象的被照射部分的三维形状。该原理的改进是使用多个照相机和检查来自每个照相机的三角测量结果的一致性。用于这些目的的扫描器被称为“3D扫
+H Bip，，
抽益ο当由一个或多个快速移动反射镜引导时，激光束将作为线性图案出现在图像中， 假设图像曝光时间足够长。然后可以为整个线性图案(可能被离散化为点或线段)执行以上三角测量，使得可以从较少的图像和因此更快地获得对象的三维模型。更快地获得完整三维模型的另一种方式是在对象被扫描时移动对象，连续地采集图像。光学扫描器遇到的一个典型问题是不能在图像中准确地识别激光束，因此三角测量变得不准确。通常用数字照相机采集图像，其中在每个像素中测量反射光的强度。像素值的动态范围通常被限制，常常限制在2到255之间的值。当被扫描对象不是由单一材料制造时，和/或当光的反射为镜面时，图像强度通常将是非均勻的。图像中的一些像素可能饱和，而其他像素可能不能检测弱反射。激光功率的反馈控制在本领域中是已知的。US6，067，306描述了一种半导体晶片制造系统，然而使用的是光的脉冲而不是连续源。在US5，307，198中光束被分为导向和折射光束，后者提供前者的控制信号。US4，256，959描述了一种带有反馈控制的光学扫描器， 然而仅仅用于二维文件。US6，057，537涉及将激光引导到感光薄膜的鼓式扫描器中的反馈控制。然而调节基于入射光束的一部分而不是反射。W02007/125081涉及一种借助于检测从对象表面反射的光的照相机和光条获得对象的形状的条纹扫描探头。该扫描探头包括用于根据照相机所检测到的强度调节光条的强度的装置。

发明内容
尽管根据W02007/125081的扫描器中的光的强度被调节以解决照相机的有限动态范围，但是可以仅仅在照相机检测到光之后调节光的强度，原因是调节依赖于照相机所检测到的强度。所以本发明的一个目标是提供一种扫描器，其能够调节光的强度以解决图像传感器的有限动态范围，但是不依赖于在图像传感器中检测到的光量。这通过一种用于获得对象的表面的至少一部分的三维几何形状的扫描器实现，所述扫描器包括-至少一个光源，优选带有可调节功率的激光光源，-投射装置，用于将来自所述至少一个光源的光引导到所述对象的所述表面上的移动点，-至少一个图像传感器，适于记录所述表面的至少一部分的至少一个图像，-除了所述至少一个图像传感器以外的检测装置，用于监测从所述表面反射的光的至少一部分，-调节装置，用于基于从所述表面反射的光量调节所述至少一个光源的强度，以及-用于将所述至少一个图像转换为所述表面的三维模型的装置。本发明还涉及一种用于获得对象的表面的至少一部分的三维几何形状的方法，所述方法包括以下步骤-将来自至少一个光源的光投射到所述对象的所述表面上的移动点，所述至少一个光源优选地是可调节激光光源，-借助于至少一个图像传感器记录所述表面的至少一部分的至少一个图像，以及-借助于除了所述至少一个图像传感器以外的至少一个检测器监测从所述表面反射的光的至少一部分，-基于从所述表面反射的光量调节所述至少一个光源的强度，以及-将所述至少一个图像转换为所述表面的三维模型。本发明提供了一种扫描系统和一种方法，其可以调节激光束的功率使得图像中的记录强度可以保持在图像传感器的动态范围内。本发明中的重要方面在于激光功率的反馈控制与图像扫描器(照相机)系统无关，并且在图像采集与强度调节之间没有时滞。该优点例如可以通过使用光电二极管提供反馈控制输入获得。本发明还显著扩展了 3D扫描器的应用范围，S卩，扩展到带有非均勻表面反射率的对象。这样的非均勻性例如出现在由不同材料制造的复合对象或涂有不同颜色的对象中。 甚至最均勻的材料(尤其是金属)也是非朗特的(non-lambertian)，即，它们的反射率实际上是非均勻的，原因是它取决于视角。因此，传统3D扫描器需要许多对象常常通过喷涂被涂覆有漫反射剂。该过程意味着健康风险(小气溶胶微粒，溶剂)，并且施加层的厚度难以控制。在本发明中描述的强度调节在许多情况下可以废弃涂层。所以，本发明对于例如在工业应用、医学应用和其他应用领域中的3D检查是特别有吸引力的。本发明的具体描述不同于在W02007/125081中描述的光学扫描探头，本发明依靠单一元件检测器检测来自单一、连续移动光点的散射光。生成的光线和检测器(一个或多个)都不是像素化的(pixellated)，并且该技术并不依靠来自照相机或光电二极管模块的空间信息。反馈控制与来自照相机图像的信息完全无关。在本发明中“数字”的含义不一定与该单词在TO2007/125081的第19页上使用的含义相同。可以使用包括分立部件的模拟信号处理电子设备，或者可以使用现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品 (ASSP)或PC实现反馈控制的数字形式。混合信号电路实现方式也可以是本发明的实施例。本发明的一个实施例通过激光功率的反馈控制克服了激光线检测问题，因此获得了这样的图像其中反射光的强度在传感器的动态范围内。它使用用于引导激光束的投射装置，和除了照相机以外的监测反射光的检测装置。关键优点在于调节可以远远比照相机帧速更快，因此在检测和调节之间没有帧延迟。在最佳条件下，甚至没有副帧(图像像素) 延迟。当扫描其表面反射率以小空间尺度变化(相对于激光线性图案的长度)的对象时这样的快速反馈控制是有利的。当正被扫描的对象在扫描期间移动时该优点更加显著。使用在前位置的图像中的信息控制在后位置中的激光强度的尝试在这样的情况下未提供可接受的结果。本发明的各种实施例相对于柱面透镜所生成的激光线具有若干附加好处散斑减小、光束剖面改善、热隔离和当正被扫描的对象在扫描期间移动时运动模糊减小。在本发明的一个优选实施例中光源优选可调节以解决图像传感器的有限动态范围，然而光源的强度的任何调节与图像传感器无关地被提供。光源的强度的调节优选地作为从所述表面反射的光的监测结果被提供，其中光的监测由检测装置提供。检测装置优选地包括至少一个光电二极管。来自所述至少一个光源的光优选地借助于适于执行至少一个旋转运动的至少一个反射镜(例如振镜)被投射作为移动点。可以借助于改变所述移动点的运动来调节在所述表面上的光的局部强度，S卩，在所述表面的区域内的强度。也就是说，点移动越快，局部强度越低。在本发明的一个实施例中所述投射装置可以被调节以改变在所述对象的所述表面上的光的局部强度。该调节优选地可以由所述调节装置提供。改变所述表面上的局部强度的一种方式是通过改变所述至少一个反射镜的角运动。本发明中的所述至少一个图像传感器优选地是所述至少一个照相机的一部分。在本发明的一个优选实施例中所述至少一个光源的功率可以比所述至少一个图像传感器的帧速更快地被调节，比所述至少一个图像传感器的帧速快优选2倍以上、10倍以上、50倍以上，并且最优选100倍以上。这保证了在图像采集与强度调节之间没有时滞。优选地借助于至少一个反馈控制系统调节所述至少一个光源的强度，例如反馈控制系统基于来自测量从所述表面反射的光的至少一部分的至少一个光电二极管的输出调节所述至少一个光源的强度。所述至少一个图像优选地借助于至少一个数据处理器被转换为所述表面的三维模型。为了获取采集整个对象的表面几何形状，所述对象必须相对于投射光和图像传感器移动。优选地这由所述对象的运动提供，因此优选地包括用于相对于投射光和所述至少一个图像传感器平移和/或旋转所述对象的装置。优选地在所述对象的平移和/或旋转期间由图像传感器采集在多个位置的图像，每个图像被转换为所述表面的三维模型的一部分。在所述对象的表面的区域由多个图像表示的特定情况下，优选地应用平均以导出所述表面的唯一模型。尽管所述至少一个图像传感器和所述检测装置独立地操作，但是优选的是检测器和图像传感器的观察点尽可能接近。这可以在所述检测装置是半透明的并且与所述至少一个图像传感器同轴定位的情况下被提供。另一个解决方案可以是所述检测装置是半透明的并且位于所述至少一个图像传感器内部和/或附近，优选地位于透镜之后和至少一个图像传感器之前。又一个解决方案可以是用所述检测装置监测从至少一个分束器反射的光，其中所述分束器优选地与至少一个图像传感器同轴定位。然而图像传感器和检测装置的同轴性不是必要条件。在其他实施例中，多个光电二极管模块以上述布置的任何组合被布置。至少一个光纤可以优选地作为在所述至少一个光源与所述投射装置之间传输光的一种方式被提供。优选地使用单模式光纤。在本发明的一个实施例中通过带尾纤的激光二极管提供空间滤波，优选地在光由所述投射装置投射到所述对象上之前为光提供空间滤波。对象形状的一些信息可以在扫描前已知。该现有信息优选地可以在扫描之前被提供给扫描器。例如在对象的CAD模型方面的现有信息。该现有信息可以优化扫描例程并且可能减少扫描对象所需的时间。在本发明的一个实施例中包括多个光源，所述多个光源优选地提供不同波长的光。优选地所述多个光源可以一次应用一个。例如如果所述滤波器具有的波长透明窗口至少包括所述光源的波长而排斥不需要的背景光，则可以提供至少一个光学带通滤波器。因此基本仅仅允许所述光源的波长通过，由此有可能在环境光条件下使用扫描器。优选地根据本发明的扫描器包括用于仅仅曝光所述至少一个图像传感器的一部分的装置。此外所述至少一个图像传感器优选地与所述投射装置同步。当与优选地与所述移动点的运动同步的滚动快门组合时，提供用于使所述移动点的运动与至少一个图像传感器的读取同步的装置。滚动快门仅仅曝光所述至少一个图像传感器的一部分。所述至少一个图像传感器优选地包括图像传感器阵列。因此，滚动快门将仅仅曝光图像传感器阵列的行和/或列的子集。当图像传感器是像素阵列并且在图像的采集期间对象或扫描器移动时可以实现扫描镜的特殊优点。在该情况下，移动光束点的运动可以与像素阵列内的区段的读取同步。 每个像素的区段于是具有短于完整帧的曝光时间，但是仍然俘获与完整帧的曝光时间基本相同的光量。因此图像中的运动模糊可以被减小。另一个优点在于当光束点在一个帧期间在被成像区域上仅仅进行一次扫描时反馈控制电子设备可以更容易和/或更廉价地实现。


现在将参考附图更详细地描述本发明，在附图中图1是本发明的总图，它表示本发明的一个实施例，其中单一光电二极管模块紧靠照相机布置。图2A是线发生器模块的前视图，所述模块是图1的激光光源102的特定实施例。图2B是线发生器模块的顶视图。图3是光电二极管模块，该模块是带有前置放大器电路的光电二极管。图4是反馈控制系统，其中半透明光电二极管与照相机同轴布置，在照相机的透镜之后，但是在照相机的图像传感器之前。图5是反馈控制系统，其中半透明光电二极管与照相机同轴布置，在照相机的透镜之前。图6是反馈控制系统，其中分束器与照相机同轴布置，并且光电二极管模块沿分束器的反射方向布置。
图7是反馈控制系统，其中多个光电二极管紧靠照相机布置。图8示出了多个光电二极管(或环形光电二极管)相对于照相机的三种可能布置。图9显示了揭示本发明的效果的一些实验结果。图10显示了也揭示本发明的效果的更多实验结果。
具体实施例方式许多扫描器系统基本以相同方式工作，参见图1 单色或多光谱光图案101(例如激光点、激光线、白色或彩色条纹)从光源102被投射到对象103上。投射光然后被反射 104并且一个或多个照相机105采集投射的图像。对于本发明的一个优选实施例，光源102必须是可以以高频率调节其强度的光源。在本文中，“高”表示是照相机105的帧速的至少100倍。输入功率可以调制的激光器通常满足该要求。在根据本发明的扫描器的各种实施例的以下描述中，因此假设102是激光光源。在3D扫描器中，上述光图案在图像中被检测并且诸如三角测量或立体测定的完善的射影几何学可以用于导出3D坐标，例如，线激光被投射到对象上形成线。然后沿着该特定线重建3D坐标。扫描器可以包含一个或多个光源和一个或多个照相机。在3D扫描器中，下一个步骤然后是相对比彼此移动对象和扫描器，例如通过对象 103的旋转106或线性运动107。这样3D扫描器可以重建在对象的新部分上的表面，例如在线激光例子中的表面上的新线。照相机、光源和运动系统都连接108到与每个部件通信并且对其进行控制的一些控制电子设备(通常是计算机)109。计算机109可以是独立单元或集成到扫描器中。本发明与现有技术的区别在于已知光电二极管模块110所检测到的信号，激光光源102的功率由反馈控制调节。该光电二极管模块也俘获反射光104。光电二极管模块的输出112被发送到信号处理电子设备111，然后该信号处理电子设备经由连接113连续调节光源的功率。如图1中所示的单一光电二极管模块110的布置仅仅是本发明的一个实施例；其他例子在图4、5、6、7和8中示出。光电二极管模块110典型地由光电二极管和通常跨阻抗前置放大器组成。在本发明的一个实施例中，前置放大器被集成到光电二极管自身中，在另一个实施例中前置放大器由分立电路部件制造。运动系统106、107不是本发明的必需部分。例如，本发明的一个实施例可以是由光源102、一个或多个照相机105、光电二极管(一个或多个)110和信号处理电子设备111 以及连接112和113组成的扫描探头。该扫描探头然后可以安装在外部运动系统(例如坐标测量机)上。线发生器模块图1的光源102的特定实施例在下面被详细描述，并且也在图2A和2B中被显示。 它使用振镜扫描镜组件(在下文中被称为扫描镜)以快速地投射点，因此有效地作为准连续光线出现在待扫描对象上。在下面该组件被称为“线发生器模块”。在本发明的一个实施例中线发生器模块由带尾纤的激光二极管201、安装架202、连接到带尾纤的激光二极管201的光纤准直器203及其控制器、可调节支座204、聚焦透镜205 (带有可选的附加透镜 206)、光束转向镜207和提供也在图1中显示的投射光图案101的扫描镜208组成。值得注意的是在图2A中，投射光图案沿垂直于图面的方向离开线发生器模块。光纤209连接激光二极管和光纤准直器203。光纤通常远远长于光的波长，优选长至少10，000倍。在线发生器模块的一个实施例中，光束转向镜207是振镜扫描镜组件，但是它也可以是带有一个或多个小面的旋转镜或一组反射镜。声光调制器/偏转器(AOM)也可以用于快速光束扫描。在线发生器模块的所述实施例中，带尾纤的激光二极管201可以容易地由不同波长的另一个替换，或者激光二极管201和光纤209都可以被替换。除了手动切换光源以外， 一种巧妙的解决方案是在光纤209之后但是优选地在光纤209之前的双色镜上组合两个或多个波长的激光。这使线发生器模块能够以不同波长操作并且临时在这些波长之间切换而不物理地更换模块。以该方式可以利用被扫描材料的吸收和/或反射性质相对于波长的差异。备选地光纤耦合器可以用于代替双色镜(例如2X2耦合器或2X1耦合器)。此外，对于指定聚焦深度，带有较短波长的激光二极管可以获得较窄的束宽，从而改善3D扫描器的三角测量。附加透镜206可以用于补偿不同波长的聚焦性质的差异。例如，它可以被翻转进入和离开光束。备选地，单一电压调谐透镜(例如在移动电话照相机中使用的类型)可以用于代替两个透镜205和206。光电二极管模块在图3中详细显示了光电二极管模块110的一个实施例。它包括带有跨阻抗前置放大器(在图3中典型地示意性电子显示，使用运算放大器302，其中跨阻抗增益由反馈电阻器& 303设置并且反馈电容器Cf 304用于设置放大带宽；输出信号是电压V。ut 305)的光电二极管(PD 301)。在本发明的一个实施例中前置放大器集成在光电二极管自身中，在另一个实施例中前置放大器由分立电路部件制造。反馈控制反馈控制的技术在原子光谱学的领域中是常用的，其中它被称为“光强度稳定”(例如参见[1])。一般而言，利用该技术的目的是稳定入射在受到照射的光谱样本上的光强度。然而，在本发明中采用的替代方法是稳定散射光强度级。在揭示本发明的实验中我们利用一些模拟反馈控制电路系统来稳定入射在光电二极管上的光强度，所述电路系统被设计和开发用于在778nm使用的双光子铷光频率标准[1]。本发明的各种实施例在光电二极管模块(一个或多个)110的布置和/或数量上不同。在各种实施例中光电二极管110的类型可以不同。在所有实施例中，光电二极管模块(一个或多个)110用于检测来自正被激光光源102的输出扫描的对象103的散射光，其中所述光源102的特定实施例是图2A和2B的线发生器模块。在所有实施例中，光电二极管模块(一个或多个)110的输出(一个或多个)将反馈信号117提供给信号处理电子设备111。下面公开了各种实施例的细节。光电二极管模块(一个或多个)110的放大带宽、反馈信号带宽和激光二极管调制带宽紧密地匹配以用于获得关于总信号带宽的最佳信噪比(SNR)。该带宽将确定对于指定空间分辨率可获得的最快照相机帧速。检测到的DC光级与参考级(由操作者或者由PC/ FPGA预设)比较，并且反馈信号通过激光二极管驱动器的调制端口对激光输出功率进行实时校正。反馈控制函数是比例、积分和微分控制项(其可以包括二次积分器和三次积分器， 例如参见[2])的线性求和，并且想到用两个基本带宽限制(光电二极管前置放大器带宽和二极管调制带宽)来优化增益和时间常数。模拟信号处理电子设备可以由在FPGA、ASIC或 ASSP中(或通过PC)执行的等效反馈控制函数代替。在有多个照相机105的情况下，每个可以具有它自己的光电二极管模块110。到信号处理电子设备111的输入应当是这些光电二极管模块110中的一个的输出(由操作者或 PC/FPGA指定)或光电二极管信号的求和(以由操作者或PC/FPGA设置的比率求和)。数字监控反馈控制的数字监控可以用于保证当检测到中断时(例如当激光点消失在被扫描对象103中的孔并且没有散射光入射在光电二极管上时)将信号处理电子设备输出设置到“保持”模式。可以通过监测光电二极管模块110的输出或监测反馈信号来检测这些中断。当光在光电二极管110上恢复时，反馈控制继续正常操作。当扫描吸收性高并且因此将很少的光散射回到照相机(一个或多个)105的对象时，上述常规反馈控制可能不能在照相机图像中提供足够的强度。在这样的情况下，信号处理电子设备输出将在它的最大允许值被检测相当长的一段时间。然后，作为最后手段的方法，数字监控可以减小光束转向镜207的运动的角范围。这将减小投射线的长度(因此增加执行3D扫描所需的时间)，但是也在照相机图像中提供较大强度的外观。相反地，数字监控可以增加高反射材料的投射线的长度(当信号处理电子设备输出将在它的最小允许值被检测相当长的一段时间时)。值得注意的是不同于前述激光功率的反馈控制，运动角范围的变化将仅仅在随后的图像帧中生效。而且，并非本发明的所有实施例允许运动角范围的变化(例如旋转镜不允许)。在3D激光扫描器的一些应用中，如果例如提供被扫描对象103的CAD模型，可以至少大致知道被扫描对象的几何形状。例如关于可以预期从其无反射的孔的位置的这样的知识可以在数字监控中被利用。然而必须小心现有信息不会支配扫描结果，尤其在实际对象103的几何形状偏离CAD模型的情况下。同轴检测在许多方面中本发明的技术最巧妙的实施例是在照相机的有源阵列402之前、透镜401的后面使用半透明光电二极管403(图4)。半透明光电二极管403可以独立于照相机阵列402，或者它可以作为阵列的一体化部分被包含(作为紧排在阵列之前的薄膜层状装置)。用于半透明光电二极管403的前置放大器必须被布置使得它不会阻挡光路。作为参考，值得注意的是半透明光电二极管403和前置放大器404在该实施例中组成光电二极管模块110。在图4的配置中光电二极管模块因此不同于图1，是照相机105的一体化部分。在实施例中半透明光电二极管403设在紧排在照相机透镜401之前(图5)。与先前的实施例相同，用于光电二极管404的前置放大器必须被布置使得它不会阻挡光路。再次作为参考，半透明光电二极管403和前置放大器404在该实施例中组成光电二极管模块 110。如果半透明光电二极管不可获得并且必须使用不透明光电二极管模块，则分束器 406可以紧排在照相机透镜401之后布置以将入射光束分为去往照相机阵列402的部分和去往不透明光电二极管407的另一部分(图6)。备选地，选截分束器406可以紧排在照相
10机透镜401之前布置(与图4和5之间的区别的意义相同)。在使用分束器的情况下，可选透镜可以被加入以增加不透明光电二极管407的光收集。再次作为参考，不透明光电二极管407和前置放大器404在该实施例中组成光电二极管模块110。离轴检测如果光电二极管模块110的同轴定位不是可行的选择，可接受的是稍微偏离到照相机的光路紧靠照相机布置它(图1)。可选透镜可以被加入以增加光电二极管模块110的光收集。使用围绕照相机位置分组的光电二极管模块110的阵列预期提供改善的性能(图 7和8(a) ,8(b)，图8从正面显示了照相机透镜401)。可选地，透镜408可以被加入以增加光电二极管模块110的光收集。另一个实施例使用与照相机透镜401同轴的环形光电二极管模块110(图8(c))。散斑减小观察到线发生器模块与其中柱面透镜用于生成线的激光器相比减小了散斑。在本文中，散斑作为激光线的图像中的像素值的方差被测量。该方差减小20%以上。该减小可能是由于当在一帧期间光束若干次扫描相同表面时的平均效果，每次扫描的路径的差异很小(由于振镜扫描镜中的机械瑕疵)。散斑减小有利于3D扫描，原因是图像中的光束的检测和因此最终三角测量变得更精确。空间滤波在线发生器模块之前本发明的一个实施例使用光源的空间滤波以便改善扫描点的光束品质和因此生成线的光学性质。该改善品质导致更佳的空间分辨率和总光学扫描的精度，导致散射减小和表面的三维模型中的尺度不确定性。在本发明的一个实施例中空间滤波通过带尾纤的激光二极管的使用实现。有利的是使用单模式光纤而不是多模式光纤。滚动快门可能有利的是使由扫描镜208实现的激光束的运动和照相机阵列402的读取同步。这是可能的，如果所述照相机阵列402可以用滚动快门读取，在帧的采集期间仅仅顺序地曝光像素的行的子集。在该情况下，可以使行的子集跟随被扫描对象103上的光束点的图像。每个窗口因此具有小于帧时间的曝光时间，但是仍然收集(几乎)与当快门曝光整个照相机阵列时将收集的同样多的光。使快门和扫描镜同步的一种方式是将扫描镜扫描频率设置为等于照相机阵列的帧速，并且然后调节在扫描镜的相移直到收集最大的光。当激光束和快门被同步时，光束在一帧期间仅仅扫描相同表面一次，S卩，以可以获得全图像的最小可能速度。因此，对于带有非均勻反射率的指定对象103，由光电二极管模块110检测到的信号的变化率也最小。因此，当光束和快门被同步时处理电子设备111的带宽要求最小。当被扫描对象103在被扫描的同时移动时滚动快门是特别有利的，原因是由照相机(一个或多个)105采集的图像中的运动模糊的程度可以被减小。在扫描期间移动对象是期望的，原因是可以减小总扫描时间。热隔离本发明的一个实施例实现与激光光源201 (及其关联电子设备)关联的热发生和线发生器模块的其余部分的很有效的热隔离。这通过使用光到线发生器的纤维光学输送209实现，允许激光光源的远程定位，并且最终热隔离在线发生器模块的尺度稳定性和从 3D扫描器的测量体积移除热源方面都是有利的。它也使热源与本发明的其他热敏感部件， 尤其是照相机(一个或多个)隔离。偏振光学器件对于发光对象，将偏振光学器件布置在光路中会是有利的。偏振光学器件可以被设置为增强光电二极管(一个或多个)110所检测到的信号中的镜面反射的相对分布和由照相机(一个或多个)105记录的图像。优选地，一些偏振光学器件用于控制发射光101 的偏振状态，并且其他偏振光学器件被插入以对反射光104滤波。对于照相机(一个或多个)105和光电二极管(一个或多个)110的滤波效果必须至少很类似以便反馈控制机构正常工作。样本结果使用稍微偏移的光电二极管模块110(图1)获得的一些结果在图9中被显示。在该情况下被扫描对象是印刷有明和暗交替图案的纸张(图9(a))。在没有激光功率的反馈控制的情况下(图9(b))，图像仅仅显示在明区域中的激光线，其中有足够的反射。在应用反馈控制的情况下(图9(c))，记录光线的均勻性明显改善。也观察到各种材料和表面修饰有该改善。图9(d)显示了室内灯打开、与(b)中同样在没有反馈控制的情况下被照明、但是利用较高激光功率的图案。在该情况下，在暗区域上的线也变得可见，但是在明区域中， 许多像素图像饱和，由此线看上去较宽并且因此不太适合于三角测量目的。在图10中显示了本发明用于生成小玩具的3D模型的好处，所述小玩具具有表面的补片(patch)，所述补片带有从玩具的传统2D图像看上去不同的反射率(图10(a))。使用带有固定预设激光强度的传统3D扫描器，用户必须在两个差的备选方案之间选择。要么用户可以选择低强度，产生高反射补片的良好3D表面模型，但是带有用于暗补片的孔(图 10(b))。备选地，用户可以选择高强度，避免任何孔，但是由于下层扫描器图像的饱和，以高反射补片的噪声(粗糙)表面表示为代价(图10(c))。与之相比，根据本发明的扫描器很好地捕捉所有表面并且因此产生良好的完整3D模型(图10(d))。参考文献[1]C. S. Edwards, G. P. Barwood, H. S. Margolis, P. Gill and W. R. C. Rowley, "Development and absolute frequency measurement of a pair of 778nm two-photon rubidium standards", Metrologia,42,464-467(2005).[2] J. Helmcke , S.A.Lee and J. L. Hal 1, " Dye laser spectrometer for ultrahigh resolution :design and performance，，，Applied Optics, 21, 1686-1694(1982).本发明的更多细节现在将借助于以下项目更详细地描述本发明1. 一种用于获得对象的表面的至少一部分的三维几何形状的扫描器，所述扫描器包括a.至少一个光源，优选带有可调节功率的激光光源，b.投射装置，用于将来自所述至少一个光源的光引导到所述对象的所述表面上的移动点，
12
c.至少一个图像传感器，适于记录所述表面的至少一部分的至少一个图像，d.除了所述至少一个图像传感器以外的检测装置，用于监测从所述表面反射的光的至少一部分，e.调节装置，用于基于从所述表面反射的光量调节所述至少一个光源的强度，以及f.用于将所述至少一个图像转换为所述表面的三维模型的装置。2.根据项目1所述的扫描器，其中所述检测装置与所述至少一个图像传感器无关地监测光，和/或其中所述光源的强度的调节与所述图像传感器无关地被提供。3.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中光借助于适于执行至少一个旋转运动的至少一个反射镜被投射作为移动点。4.根据项目3所述的系统，其中所述至少一个反射镜是振镜。5.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述投射装置可以被调节以改变所述对象的所述表面上的光的局部强度。6.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述投射装置可以由所述调节
装置调节。7.根据项目3-6中的任一项所述的扫描器，其中借助于改变所述至少一个反射镜的角运动来调节所述投射装置。8.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述移动点作为图案，例如线性图案出现在所述对象的所述表面上。9.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述图像传感器是照相机的一部分。10.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述至少一个光源的功率可以比所述至少一个图像传感器的帧速更快地被调节，比所述至少一个图像传感器的帧速快优选2倍以上、10倍以上、50倍以上，并且最优选100倍以上。11.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中从所述表面反射的光借助于至少一个光电二极管被检测。12.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述至少一个光源的强度借助于至少一个反馈控制系统被调节。13.根据项目12所述的扫描器，其中所述反馈控制系统基于来自测量从所述表面反射的光的至少一部分的至少一个光电二极管的输出调节所述至少一个光源的强度。14.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述至少一个图像借助于至少一个数据处理器被转换为所述表面的三维模型。15.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，还包括用于相对于投射光和所述至少一个图像传感器平移和/或旋转所述对象的装置。16.根据项目15所述的扫描器，其中在所述对象的平移和/或旋转期间采集在多个位置的图像，并且所有图像用于重建所述表面的三维模型。17.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述检测装置是半透明的并且与所述至少一个图像传感器同轴定位。18.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述检测装置是半透明的并且位于所述至少一个图像传感器内部和/或附近，优选地位于透镜之后和图像传感器之前19.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述检测装置监测从至少一个分束器反射的光，所述至少一个分束器优选地与至少一个图像传感器同轴定位。20.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中优选在所述投射装置之前将空间滤波应用到至少一个光源。21.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中至少一个光纤用于所述至少一个光源和所述投射装置之间。22.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，还包括关于所述对象的几何形状的现有信息，例如在所述对象的CAD模型中提供的现有信息。23.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，包括优选地以不同波长提供光的多个光源。24.根据项目23所述的扫描器，其中所述多个光源可以一次应用一个。25.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述检测装置包括带有波长透明窗口的至少一个光学带通滤波器，所述波长透明窗口至少包括所述光源的波长而排斥不需要的背景光。26.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，其中所述至少一个图像传感器与所述投射装置同步。27.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，还包括用于仅仅曝光所述至少一个图像传感器的一部分的装置。28.根据前述项目中的任何一项所述的扫描器，还包括滚动快门，用于仅仅曝光所述至少一个图像传感器的一部分，例如仅仅曝光图像传感器阵列的行和/或列的子集。29.根据项目观所述的扫描器，其中所述滚动快门与所述移动点的运动同步。30.根据项目1- 中的任何一项所述的扫描器，还包括优选地位于所述光源与所述检测装置之间的偏振光学器件。31. 一种用于获得对象的表面的至少一部分的三维几何形状的方法，所述方法包括以下步骤a.将来自至少一个光源的光投射到所述对象的所述表面上的移动点，所述至少一个光源优选地是可调节激光光源，b.借助于至少一个图像传感器记录所述表面的至少一部分的至少一个图像，c.借助于除了所述至少一个图像传感器以外的至少一个检测器监测从所述表面反射的光的至少一部分，d.基于从所述表面反射的光量调节所述至少一个光源的强度，以及e.将所述至少一个图像转换为所述表面的三维模型。32.根据项目31所述的方法，由此所述检测器与所述至少一个图像传感器无关地监测光，和/或其中所述光源的强度的调节与所述图像传感器无关地被提供。33.根据项目31-32中的任何一项所述的方法，由此光借助于适于执行至少一个旋转运动的至少一个反射镜被投射作为移动点。34.根据项目33所述的方法，其中所述至少一个反射镜是振镜。
14
35.根据项目31-34中的任何一项所述的方法，其中所述投射装置可以被调节以改变所述对象的所述表面上的光的局部强度。36.根据项目31-35中的任何一项所述的方法，其中所述投射装置可以由所述调节装置调节。37.根据项目33-36中的任一项所述的方法，其中借助于改变所述至少一个反射镜的角运动来调节所述投射装置。38.根据项目31-37中的任何一项所述的方法，其中所述移动点作为图案，例如线性图案出现在所述对象的所述表面上。39.根据项目31-38中的任何一项所述的方法，其中所述图像传感器是照相机的一部分。40.根据项目31-39中的任何一项所述的方法，其中所述至少一个光源的功率可以比所述至少一个图像传感器的帧速更快地被调节，比所述至少一个图像传感器的帧速快优选2倍以上、10倍以上、50倍以上，并且最优选100倍以上。41.根据项目31-40中的任何一项所述的方法，其中从所述表面反射的光借助于至少一个光电二极管被检测。42.根据项目31-41中的任何一项所述的方法，其中所述至少一个光源的强度借助于至少一个反馈控制系统被调节。43.根据项目42所述的方法，其中所述反馈控制系统基于来自测量从所述表面反射的光的至少一部分的至少一个光电二极管的输出调节所述至少一个光源的强度。44.根据项目31-43中的任何一项所述的方法，其中所述至少一个图像借助于至少一个数据处理器被转换为所述表面的三维模型。45.根据项目31-44中的任何一项所述的方法，还包括用于相对于投射光和所述至少一个图像传感器平移和/或旋转所述对象的装置。46.根据项目45所述的方法，其中在所述对象的平移和/或旋转期间采集在多个位置的图像，并且所有图像用于重建所述表面的三维模型。47.根据项目31-46中的任何一项所述的方法，其中所述检测装置是半透明的并且与所述至少一个图像传感器同轴定位。48.根据项目31-47中的任何一项所述的方法，其中所述检测装置是半透明的并且位于所述至少一个图像传感器内部和/或附近，优选地位于透镜之后和图像传感器之
、r -49.根据项目31-48中的任何一项所述的方法，其中所述检测装置监测从至少一个分束器反射的光，所述至少一个分束器优选地与至少一个图像传感器同轴定位。50.根据项目31-49中的任何一项所述的方法，其中优选在所述投射装置之前将空间滤波应用到至少一个光源。51.根据项目31-50中的任何一项所述的方法，其中至少一个光纤用于所述至少一个光源和所述投射装置之间。52.根据项目31-51中的任何一项所述的方法，还包括关于所述对象的几何形状的现有信息，例如在所述对象的CAD模型中提供的现有信息。53.根据项目31-52中的任何一项所述的方法，包括优选地以不同波长提供光的多个光源。54.根据项目53所述的方法，其中所述多个光源可以一次应用一个。55.根据项目3144中的任何一项所述的方法，其中所述检测装置包括带有波长透明窗口的至少一个光学带通滤波器，所述波长透明窗口至少包括所述光源的波长而排斥不需要的背景光。56.根据项目31-55中的任何一项所述的方法，其中所述至少一个图像传感器与所述投射装置同步。57.根据项目31-56中的任何一项所述的方法，还包括用于仅仅曝光所述至少一个图像传感器的一部分的装置。58.根据项目31-57中的任何一项所述的方法，还包括滚动快门，用于仅仅曝光所述至少一个图像传感器的一部分，例如仅仅曝光图像传感器阵列的行和/或列的子集。59.根据项目58所述的方法，其中所述滚动快门与所述移动点的运动同步。60.根据项目31-59中的任何一项所述的方法，其中从所述光源发射的光在被投射到所述对象上之前至少部分被滤波，例如借助于偏振光学器件被滤波。61.根据项目31-60中的任何一项所述的方法，其中从所述对象反射的光至少部分被滤波，例如借助于偏振光学器件被滤波。
权利要求
1.一种用于获得对象的表面的至少一部分的三维几何形状的扫描器，所述扫描器包括至少一个光源，优选为带有可调节功率的激光光源，投射装置，用于将来自所述至少一个光源的光引导到所述对象的所述表面上的移动占，至少一个图像传感器，适于记录所述表面的至少一部分的至少一个图像， 除了所述至少一个图像传感器以外的检测装置，用于监测从所述表面反射的光的至少一部分，调节装置，用于基于从所述表面反射的光量调节所述至少一个光源的强度，以及用于将所述至少一个图像转换为所述表面的三维模型的装置。
2.根据权利要求1所述的扫描器，其中所述检测装置与所述至少一个图像传感器无关地监测光，和/或其中所述光源的强度的调节与所述图像传感器无关地被提供。
3.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中光借助于适于执行至少一个旋转运动的至少一个反射镜被投射作为移动点。
4.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中所述投射装置可以被调节以改变所述对象的所述表面上的光的局部强度。
5.根据权利要求3-4中的任一项所述的扫描器，其中借助于改变所述至少一个反射镜的角运动来调节所述投射装置。
6.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中所述移动点作为图案，例如线性图案出现在所述对象的所述表面上。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中所述至少一个光源的功率可以比所述至少一个图像传感器的帧速更快地被调节，比所述至少一个图像传感器的帧速快优选2倍以上、10倍以上、50倍以上，并且最优选100倍以上。
8.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中从所述表面反射的光借助于至少一个光电二极管被检测。
9.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中所述至少一个光源的强度借助于至少一个反馈控制系统被调节。
10.根据权利要求9所述的扫描器，其中所述反馈控制系统基于来自测量从所述表面反射的光的至少一部分的至少一个光电二极管的输出调节所述至少一个光源的强度。
11.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，还包括用于相对于投射光和所述至少一个图像传感器平移和/或旋转所述对象的装置。
12.根据权利要求11所述的扫描器，其中在所述对象的平移和/或旋转期间采集在多个位置的图像，并且所有图像用于重建所述表面的三维模型。
13.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中所述检测装置是半透明的并且与所述至少一个图像传感器同轴定位。
14.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中所述检测装置是半透明的并且位于所述至少一个图像传感器内部和/或附近，优选地位于透镜之后和图像传感器之、r -
15.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中所述检测装置监测从至少一个分束器反射的光，所述至少一个分束器优选地与至少一个图像传感器同轴定位。
16.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中优选在光由所述投射装置朝着所述对象引导之前将空间滤波应用到至少一个光源。
17.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，还包括用于利用关于在扫描之前和在扫描期间所述对象的几何形状的信息的装置，例如借助于所述对象的CAD模型提供的 fn息ο
18.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，还包括多个光源，所述光源优选地以不同波长提供光和/或所述光源优选地一次可应用一个。
19.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中所述检测装置包括带有波长透明窗口的至少一个光学带通滤波器，所述波长透明窗口至少包括所述光源的波长而排斥不需要的背景光。
20.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，其中所述至少一个图像传感器与所述投射装置同步。
21.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，还包括用于仅仅曝光所述至少一个图像传感器的一部分的装置。
22.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，还包括滚动快门，用于仅仅曝光所述至少一个图像传感器的一部分，例如仅仅曝光图像传感器阵列的行和/或列的子集。
23.根据权利要求22所述的扫描器，其中所述滚动快门与所述移动点的运动同步。
24.根据前述权利要求中的任何一项所述的扫描器，还包括位于所述光源与所述投射装置之间和/或位于所述对象和所述检测装置之间的滤光装置，例如偏振光学器件。
25.一种用于获得对象的表面的至少一部分的三维几何形状的方法，所述方法包括以下步骤将来自至少一个光源的光投射到所述对象的所述表面上的移动点，所述至少一个光源优选地是可调节激光光源，借助于至少一个图像传感器记录所述表面的至少一部分的至少一个图像，以及借助于除了所述至少一个图像传感器以外的至少一个检测器监测从所述表面反射的光的至少一部分，基于从所述表面反射的光量调节所述至少一个光源的强度，以及将所述至少一个图像转换为所述表面的三维模型。
全文摘要
本发明涉及一种对象的非接触光学扫描，其用于生成被扫描对象的三维表面模型。特别地本发明涉及一种用于获得对象的表面的至少一部分的三维几何形状的扫描器，所述扫描器包括至少一个光源，优选带有可调节功率的激光光源，投射装置，用于将来自所述至少一个光源的光引导到所述对象的所述表面上的移动点，至少一个图像传感器，适于记录所述表面的至少一部分的至少一个图像，除了所述至少一个图像传感器以外的检测装置，用于监测从所述表面反射的光的至少一部分，调节装置，用于基于从所述表面反射的光量调节所述至少一个光源的强度，以及用于将所述至少一个图像转换为所述表面的三维模型的装置。
文档编号G01N21/88GK102203550SQ200980143227
公开日2011年9月28日 申请日期2009年10月28日 优先权日2008年10月28日
发明者R·费斯克, 亨里克·奥杰伦德, 克里斯多夫·西蒙·爱德华兹, 卡尔-约瑟夫·霍伦贝克, 阿尔弗雷多·查韦斯·普拉萨歇尔 申请人:3形状股份有限公司