CN100385199C - 扫描仪和操作扫描仪的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于提供检测物体的表面起伏的可能性的扫描仪，其包括：投影仪，其被配置为在表面起伏上的一条照明线内引导一个光束，从而在该表面起伏上获得一个被照亮的区域，该投影仪还被配置为输出一个投影信号，从中可得出光束在照明线内的位置。另外，该扫描仪包括采集器，其具有一个可以被激励在两个维度上振荡的采集器微镜，还具有一个点状光探测器，该采集器微镜的振荡位于该和照明线相同的第一个方向上和不同于第一个方向的第二个方向上，从而使得在该采集器微镜的扫描区域内的被照亮的区域的反射可以通过它在点状光探测器上成像，并且该采集器被配置为输出一个检测信号，从中可得出被照亮的区域在第一和第二个方向上的位置。
Description
技术领域
本发明涉及对三维物体进行非接触式检测或测量的技术领域。特别地，本发明涉及利用光学扫描来检测表面起伏的扫描仪的子技术领域。
背景技术
已知的用于短距离物体扫描的扫描仪主要使用三角测量的方法，如图7所示。其中，一个合适的光图案从扫描仪700的光源705投影到待检测的物体710上，而一个电子图像接收器720则从一个不同的视角检测生成的图像。如图7所示，物体710的表面轮廓可能分别在不同的方向730和740上扭曲或移位，这将导致投影的光图案在参考平面750上产生偏移，据此就可以通过图像处理算法计算出物体的坐标。当物体710和扫描仪700在所定义的方向上作相对运动时，就可以获得物体710的整个空间模型。这样，图7示出了一个根据三角测量原理工作的三维扫描仪。
根据特定应用，可以使用不同的光源，例如常规的具有阴影屏蔽投影仪用来进行构造(例如DE 000010149750 A1，US 00006501554B1)或者例如对应于DE 000019721688 A1的激光源。具有DE000019615685 A1所述的用于生成光图案的附加光学元件的光源或者具有DMD元件(DMD＝数字微设备)的光源也可以用来产生可通过电子方式控制的光图案，例如EP 000000927334 B1，US 000006611343B1，DE 000019810495 A1所述的光源。任何上述类型的已知装置都使用片状(DE 000010149750 A1或DE 000019615685 A1)或者至少是线形的图像传感器(例如在US 000006501554 B1中所公开的)作为图像接收器，但这是以CCD或CMOS技术为基础的(CCD＝电荷耦合装置＝可以在光线入射时累积电荷、以为一个读取电子装置的可适当控制的电极供电的传感器类型；CMOS＝互补金属氧化物半导体＝广泛使用的、用于在硅片上集成立体电路的电路技术和制造工艺)。
近来，利用所谓的微扫描镜，可获得新的可自如悬浮的微光学元件(这些元件被静电激励时接近它们的自然共振)和相关的控制电子装置，例如下列文献中详细说明的装置：
A new driving principle for micromechanical torsional actuators(一种新的用于微机械扭转执行单元的驱动原理)
H.Schenk，P.Dürr，D.Kunze，H.Kück；Micro-Electro-Mechanical System，MEMS-Vol.1，Conf.：1999 int.Mech.Eng.Congr. & Exh.，1999年11月14日-19日，Nashville，第333-338页，1999
A Novel Electrostatically Driven Torsional Actuator(一种新颖的静电驱动扭转执行单元)
H.Schenk，P.Dürr，H.Kück
Proc.3rd Int.Conf.On Micro Opto Electro Mechanical Systems，Mainz，1999年8月30-9月1日，第3-10页，1999
MicroMirror Spatial Light Modulators(微镜空间光调制器)
P.Dürr，A.Gehner，U.
，微光电机械系统(光MEMS)第三届国际会议Proc.MEMS 1999，Mainz，1999年，第60-65页
A Resonantly Excited 2D-Micro-Scanning-Mirror with LargeDeflection(具有大偏转的共振激励的二维微扫描镜)
H.Schenk，P.Dürr，D.Kunze，H.Lakner，H.Kück
传感器和执行单元，2001 Sensors & Actuators，A 89(2001)，第1-2期，ISSN 0924-4247，第104-111页
Large Deflection Micromechanical Scanning Mirrors for LinearScans and Pattern Generation(用于线性扫描和图案生成的大偏转微机械扫描镜)
H.Schenk，P.Dürr，T.Haase，D.Kunze，U.Sobe，H.Lakher，H.Kück
Journal of Selected Topics of Quantum Electronics 6(2000)，第5期，ISSN 1077-260X，第715-722页
An Electrostatically Excited 2D-Micro-Scanning-Mirror with anIn-Plane Configuration of the Driving Electrodes(一种包含驱动电极的平面结构的静电激励二维微扫描镜)
H.Schenk，P.Dürr，D.Kunze，H.Lakner，H.Kück
Proc.MEMS 2000，第十三届国际微电机械系统大会，宫崎县，日本，第473-478页，2000年
Mechanical and electrical failures and reliability of MicroScanning Mirrors(微扫描镜的机械和电子故障及可靠性)
E.Gaumont，A.Wolter，H.Schenk，G.Georgelin，M.Schmoger
第九届集成电路的物理和故障分析国际讨论会(IPFA 9)，2002年7月8日-12日，Raffles City Convention Centre，新加坡，Proc.纽约，IEEE出版，2002年，ISBN 0-7803-7416-9，第212-217页
Improved layout for a resonant 2D Micro Scanning Mirror withlow operation voltages(用于具有低工作电压的共振二维微扫描镜的改进布图)
A.Wolter，H.Schenk，E.Gaumont，H.Lakner，SPIE Conferenceon MOEMS Display and Imaging Systems(mf07)，2003年1月28-29日，San Jose，加利福尼亚，美国，Proceedings，Bellingham，Wash.：SPIE，2003(SPIE Proceedings Series 4985) ISBN 0-8194-4785-4，第72-74页
US020040183149A1
Micromechanical device(微机械装置)
WO002003010545A1
Mikromechanisches Bauelement(微机械装置)
WO002000025170A1，Mikromechanisches Bauelement MitSchwingkorper(包含振荡体的微机械装置)
EP000001123526B1，US000006595055B1
WO002004092745A1
Mikromechanisches Bauelement Mit EinstellbarerResonanzfrequenz(具有可调谐振频率的微机械装置)
Driver ASIC for synchronized excitation of resonantMicro-Mirror(用于同步激励共振微镜的驱动器ASIC)
K.-U.Roscher，U.Fakesch，H.Schenk，H.Lakner，D.Schlebusch，SPIE Conference on MOEMS Display and ImagingSystems(mf07)，2003年1月28-29日，San Jose，加利福尼亚，美国，Proceedings，Bellingham，Wash.：SPIE，2003(SPIE ProceedingsSeries 4985) ISBN 0-8194-4785-4，第121-130页
MOMES(MOMES＝微光电机械系统)的类型允许以一维或二维的电控方式偏转光束，从而分别利用点状光源或探测器元件相继扫描或扫过一个区域或一个立体角度。
为了投影的目的而使用共振微镜已经代表一种已知的解决方案，下列文献可以作为示例：
DE 000019615685 A1
Low Cost projection device with a 2-dimensional resonant microscanning mirror(包含二维共振维扫描镜的低成本投影装置)
K.-U.Roscher，H.
，H.Schenk，A.Wolter，H.Lakner
MEMS/MOEMS显示和成像系统II(2004)，第22-31页
WO002003032046A1，Projektionsvorrichtung(投影装置)
US020040218155A1，
也是出于投影目的，镜子还以其它方式被使用：例如根据DE000010304187A1，DE000010304188A1和WO002004068211A1或者已经提到的EP 000000927334B1、US00000661134B1或DE000019810495A1描述的用于产生光图案的DMD元件，以一种旋转的方式移动这些镜子。
在A.Wolter，H.Schenk，H.Korth和H.Lackner的“Torsionalstress，fatigue and fracture strength in silicon hinges of a microscanning mirror(微扫描镜的硅铰链中的扭转压力、疲劳和断裂力)”(SPIE Bellingham WA 2004；SPIE学报第5343卷)中提出一种对光束位置进行一维检测的可能性。这种对光束位置的一维检测只提供了一种粗糙的、延迟确定光束位置的可能性，因为所述的方法要求光束完全通过该光束的传播路径的两个最大振幅。
而且，对于下述发明的应用领域，相关地还有如下其他文献：
EP000000999429A1 Messinstrument für 3D Form mit LaserScanner und Digitalkamera(三维形式的带有激光扫描仪和数码相机的测量工具)
US020030202691A1 Calibration of multiple cameras for aturntable-based 3D scanner(基于转盘的三维扫描仪的多个照相机的校准)
US000006486963B1 Precision 3D scanner base and method formeasuring manufactured parts(精密三维扫描仪基板和用于测量人造零件的方法)
DE000019846145A1 Verfahren und Anordnung zur3D-Aufnahme(用于三维记录的方法和系统)
DE000019613978A1 Verfahren zum Zusammenfügen derMessdaten unterschiedlicher Ansichten und Objektbereiche bei deroptischen 3D-Koordinatenmeβtechnik mittelsund auf derBasis von Musterprojekten arbeitenden Triangulationssensoren(在光学三维坐标测量技术中利用以薄片方式工作并基于采样投影的三角测量传感器将不同视角和物体区域的测量数据相联系的方法)
DE 000019536287A1 Verfahren zur geometrischen Kalibrierungvon optischen 3D-Sensoren zur dreidimensionalen Vermessung vonObjekten und Vorrichtung hierzu(对物体进行三维测量的光学三维传感器进行几何校准的方法和装置)
DE000019536294A1 Verfahren zur geometrischen Navigationvon optischen 3D-Sensoren zum dreidimensionalen Vermessen vonObjekten(用于对物体进行三维测量的光学三维传感器进行几何导航的方法)
EP000001371969A1 Ausrichtungsverfahren zum Positionierenvon Sensoren für 3D-Meβsysteme(用于对三维测量系统的传感器进行定位的对准方法)
WO002000077471A1 Vorrichtung zur BerührungslosenDreidimensionalen Vermessung von
und Verfahren zurBestimmung eines Koordinatensystems für Messpunktkoordinaten(用于对主体部分进行非接触式三维测量的装置以及为测量点坐标确定坐标系的方法)
EP000000916071B1 Triangulation-Based 3D Imaging AndProcessing Method And System(基于三角测量的三维成像和处理方法及系统)
US000005546189A Triangulation-Based 3D imaging andprocessing method and system(基于三角测量的三维成像和处理方法及系统)
US000005654800A Triangulation-Based 3D imaging andprocessing method and system(基于三角测量的三维成像和处理方法及系统)
WO 001998005923A1 Triangulation-Based 3D Imaging AndProcessing Method And System(基于三角测量的三维成像和处理方法及系统)
CA000002365323A1 Method Of Measuring 3D Object AndRendering 3D Object Acquired By A Scanner(测量三维物体以及通过扫描仪获得三维物体的方法)
DE000019721903C1 Verfahren und Anlage zur meβtechnischen
3D-Lageerfassung von
(用于表面点的测量工艺上的空间三维位置检测的方法和装置)
CA000002376103A1 Active Structural Scanner For Scanning In3D Mode Data of Unknown Structures(用于在未知结构的三维模式数据中进行扫描的有源结构扫描仪)
然而，所有这些现有技术中已知的方法的缺陷在于：它们都需要一个区域照相机或至少一个线形照相机来检测该物体反射的图像，或者只是通过对具备微机械电子马达的微镜的复杂控制来检测该图像的位置，从而由此检测出该三维表面起伏。而且，对微镜进行复杂控制的解决方案还具有如下缺陷：这一控制是机械敏感的、需要占用较大面积的、并且非常昂贵。而且，使用区域或线形照相机需要相当大的空间，而且也是非常昂贵的。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种检测三维表面起伏的可行方案，其中该可行方案与现有技术相比具有更好的分辨率，并且更加便宜、机械上更可靠、需要的空间也更小。
这一目标可以通过根据本发明的扫描仪和操作扫描仪的方法来实现。
本发明提供了一种扫描仪，它提供了检测物体表面起伏的可能性，其包括：
一个投影仪，被配置为将一个光束引导到表面起伏上的照明线内，从而在该表面起伏上获得一个被照亮的区域，该投影仪还被配置为输出一个投影信号，从中可推导出光束在照明线内的位置；以及
一个采集器，其具有一个可以被激励在两个维度上振荡的采集器微镜，还具有一个点状光探测器，所述采集器微镜被振荡设置在该照明线的第一个方向上和不同于第一个方向的第二个方向上，从而使得被照亮的区域在该采集器微镜的扫描区域内的反射可以借此在点状光探测器上成像，而且该采集器还被配置为输出一个检测信号，从中可推导出被照亮的区域在第一和第二个方向上的位置。
另外，本发明还提供了一种操作用来提供检测一个物体的表面起伏的可能性的扫描仪的方法，其中该扫描仪
包括一个投影仪，该投影仪被配置为将一个光束引导到表面起伏上的照明线内，从而在该表面起伏上获得一个被照亮的区域，该投影仪还被配置为输出一个投影信号，从中可推导出光束在照明线内的位置；并且
包括一个采集器，其具有一个可以被激励在两个维度上振荡的采集器微镜，还具有一个点状光探测器，所述采集器微镜被振荡设置在该照明线的第一个方向上和不同于第一个方向的第二个方向上，从而使得被照亮的区域在该采集器微镜的扫描区域内的反射可以借此在点状光探测器上成像，而且该采集器还被配置为输出一个检测信号，从中可推导出被照亮的区域在第一和第二个方向上的位置。
其中该方法包括以下步骤：
以线状提供光束并将其引导到物体的表面起伏上的一条照明线内，从而在该表面起伏上获得一个被照亮的区域，引导光束的步骤还包括确定光束在该照明线内的位置及输出一个投影信号，从中可推导出光束在照明线内的位置；并且
利用被激励在两个维度上振荡的采集器微镜和点状光探测器来检测该被照亮的区域的位置，所述检测步骤还包括借助于该采集器微镜在第一和第二方向上的振荡把该被照亮的区域的反射成像在光探测器上，并且所述检测步骤还包括输出一个检测信号，从中可推导出被照亮的区域在第一和第二个方向上的位置。
本发明基于如下思想：利用投影仪通过照明线内的一个光束以线状形式照亮待检测的表面起伏，从而以线状形式在表面起伏上引导一个光点。现在可以进行借助于具有可被激励在两个维度上振荡的采集器微镜和点状光探测器的采集器来检测表面起伏上的光点在物体参考平面中在照明线方向上、以及在与照明线方向垂直的方向上的位置，其中，借助于该表面起伏的可变的高度轮廓，不但能够在照明线方向上检测出表面起伏上的光点的反射，还能够在垂直于该照明线的方向上进行检测。知道了光束在照明线内的位置，就可以根据该光点与照明线所定义的轴上之间的偏移计算出该表面起伏的高度轮廓。
具有优点的是，一个物体的表面起伏可以通过了解表面起伏上光点的反射的位置以及关于光束在照明线内的位置的信息被检测出来，同时可以用一种节省空间、廉价的、机械可靠的方式来实现对表面起伏的检测。本发明所述方案可以用一种特别节省空间的方式实现，这是因为不必使用区域照相机或线形照相机，而可以通过把可受激振荡的采集器镜和点状光探测器相结合，非常紧凑地装配该采集器。本发明所述方案的另一个优点在于：由于使用可受激振荡的采集器微镜，不再需要对采集器微镜进行复杂而昂贵的控制(例如通过很小的电子马达才能控制)。此外，本发明所述方案还具有如下优点：由于避免了使用区域或线形照相机，从而可以使用便宜得多的检测单元，例如独立的光电二极管形式的检测单元，这可以大大降低相应采集器的制造成本。可以省去使用诸如微机械电子马达所进行的复杂控制，这使得该结构在机械上更加可靠。
附图说明
下面将参考附图详细阐述本发明的一些实施例，其中：
图1示出了本发明的第一个实施例的示意图；
图2示出了对物体的一个表面区域进行采样的示意图；
图3示出了在采集器内处理的信号的一个实施例的示意图；
图4a示出了采集器的快门(shutter)的一个实施例的示意图；
图4b示出了用于描述当使用图4a中所示的快门时一个光电二极管接收到的信号的曲线图；
图5示出了投影仪的快门的一个实施例；
图6a示出了使用图4a和图5所示的快门的本发明所述扫描仪的另一个实施例的平面图；
图6b示出了对应于交叉线AA’的一个截面的另一个实施例的剖面图；
图6c示出了本发明所述的用于操作扫描仪的方法的一个实施例的流程图；以及
图7示出了常规扫描仪的三角测量原理的示意图。
在附图中，相同或相似的元件使用相同或相似的附图标记来表示，其中省去了对那些元件的重复描述。
具体实施方式
图1示意性地描述了本发明所述扫描仪的第一个实施例。其中图1包括一个具有光源12和投影仪微扫描镜14的投影仪10，以及一个具有采集器微镜14和光传感器18的采集器16。投影仪10和采集器16的两个微镜14彼此相隔一段距离放置，作为三角测量的基础。通过光源12(最好是点状光源)，一束光被引向投影仪10的微镜14，其中该微镜把光束20反射到物体710上，从而可以分别得到光点或被照亮的区域22。被照亮的区域22于是形成一个反射24，该反射从采集器16的微镜14被映射到最好为点状的光探测器18(例如一个光电二极管)上。相应地，光源12可以是一个LED(LED＝发光二极管)或激光二极管。如果现在移动物体71，例如在图中所示的运动方向73和74上移动，那么随着光束20的持续照明，被照亮的区域22的位置就会移向区域22’，从而形成另一个反射24’，该反射在采集器16的微镜14上产生一个偏转，与反射24形成一个夹角26。下面利用采集器16的微镜14的二维振荡，就可以扫描物体710的表面或表面起伏的特定部分，还可以记录下被照亮的区域22到移位后的被照亮区域22’的移动，从而就可以在一个图1中没有示出的信号处理单元中确定物体710的表面起伏。
根据本发明的第一个实施例，在应用已知的三角测量法时，可以使用多个微镜作为对物体进行三维检测的扫描仪。根据第一个实施例，微扫描镜具有如下应用：不仅可以用于把经过构造的照明投影到物体上，而且可以在光接收器(即采集器16)内检测后向散射光。
特别具有新颖性的是：为了在采集器内获得图像，点状光探测器18(或光传感器)和一个二维振荡的微镜结合使用，其中该微镜通过它的瞬时移位定义了探测器的各个“观察方向”。根据图1，诸如激光二极管的点状光源例如可以用在投影仪一侧，而诸如光电二极管的探测器则可以用在采集器一侧。然而，值得注意的是，由于二维振荡(即为了检测该参考平面上的一个区域，微镜在两个维度中移动)，在探测器一侧结合使用振荡微镜和点状光探测器特别具有如下优点：性价比很高、提高了可靠性并节省了空间，这是因为特殊的二维倾斜和对常规微扫描镜的相应控制必须付出很大的代价和成本，而且机械上也容易发生故障，并由于使用相应的控制元件而需要大量的空间。但是，具有点状光源和相应可以做一维振荡的微扫描镜的投影仪的实现仅仅是一个优选实施例，而不是获得所希望的优点的必不可少的条件，因为一维控制不会付出和二维控制同样多的代价。换句话说，为了实现本发明预期的优点，可以受激进行一维振荡的微镜在投影仪中并不是必需的，投影仪也可以通过不同方式被构造为使照明线内的光束扫过表面起伏。但是在随后的讨论中，出于示意性说明的目的，将继续描述使用微扫描镜的实施例，但并不限制本发明的通用性。由于上述优点，现在可以实现低成本、设计紧凑的三维扫描仪。
为了检测待扫描的物体的表面起伏，还要进一步使用一个流程，下面将详细阐述该流程。当使用微镜时(例如用于对物体进行照明以及用于检测后向散射光)，主要必须考虑的是每个振荡的微镜子在任何时刻都只精确地指向该物体的一点(光斑)。因此，最好对两个镜子都进行控制，使得探测器可以检测该物体的表面起伏上的由投影仪产生的光斑。
为了检测这个所生成的光斑(即图1中分别用附图标记22或22’来表示的的被照亮的区域)，如图2所述，可以使用下述方法控制微扫描镜。值得注意的是，这个具有微扫描镜的投影仪的实施例代表一个优选实施例，然而实际上也可以使用这样一个投影仪：利用该投影仪，可以对物体表面起伏进行具有不同设计的线状照明。但是，下面将利用微扫描镜详细阐述下列方法。
图2示出了一个用于对需要扫描的物体的表面起伏的一个区域30进行线形照明的投影仪10。光束20沿着位移角32扫过表面起伏的区域30，使得光束20照亮照明线34内的表面起伏。当照亮区域30内的表面起伏时，高度轮廓就会产生一条光点22和22’的轨迹36，其水平位移可以通过采集器16来确定。换句话说，光束20可以在图2所示的坐标系38的y方向上扫过照明线34中的表面起伏，其中z方向上的高度轮廓会导致光点22在x方向上发生位移。这一位移可以由采集器16通过受激进行二维振荡的微镜来检测，从而可以按照图2所示的Lissajous图40的形式对区域30进行光栅扫描。这种二维位移从而导致由采集器16的微镜在点状光探测器上形成的区域30中的点发生旋转(图2中没有示出)。
最好有两个镜子平行于三角测量平面进行扫描的原理可以按如下方式表述：其中术语“三角测量平面”表示由参考平面和两个镜子中的图像域的中心和/或三角测量角所定义的平面：
1.投影仪的镜子只在一个振荡方向y(这里是垂直方向)上发生位移，因此光斑22表示参考平面上的一条虚拟线(垂直箭头和/或照明线34)。
2.现在对采集器的镜子进行激励，使之也在这个方向上振荡，最好和投影仪同步，即可以在上面提到的那条线上“看到”投影的光斑的瞬时高度位置。为此，投影仪的微镜和采集器的微镜的两个y振荡在频率、幅度和相位上应当尽可能匹配。
3.虚拟线(即照明线34)被物体的表面轮廓和/或表面起伏扭曲成图2中可见的一条曲线36，作为白色轨迹。根据三角测量原理，这也会导致光斑22或22’分别在x方向上发生位移，通过同时进行水平振荡的采集器微镜可以检测出该位移。如果两个镜子的y振荡继续同步进行，应当可以在扫描的x方向上找到所期望的光斑位置，如果它在垂直振幅所确定的可接受范围内的话。
4.由于x和y振荡的相互叠加，在点状光探测器上的采集器微镜的“观察方向”描述了一个Lissajous图，其形状取决于在x和y方向上的振荡频率和相位关系的比率。Lissajous图40的扩展与x和y方向上的振荡幅度相关联。为了获得物体的细节，必须在Lissajous图40中获得最大线密度。为了获得所得到的Lissajous图40这样的线密度，还要进一步实现对镜子在x和y方向上振荡的控制，使得振幅、振荡相位和振荡频率的比率可以通过对镜子的控制(例如通过一个数字控制器)来调节。
5.如果物体的表面起伏具有对投影光斑进行漫反射的性质，那么根据Lambert法则，光功率就会在反射区域前面的整个立体角度上传播。因此原则上只有直接到达的辐射功率可以被小面积的探测器(例如图1或2中所示的点状光探测器18)所使用。如图1或2所示，当辐射的光束20的功率只有几毫瓦时，反向散射功率为每平方毫米几毫微瓦的数量级。因此，最好使用一个高度敏感的光传感器，其能够以低噪声处理并放大光探测器所接收到的模拟输出信号。为了实现这一任务，例如可以使用图3中详细示出的一个电子电路。
图3示出了一个用于处理非常微弱的光信号的电路，其首先包括一个用于提供电压(例如约为200伏特)的偏压生成单元32。接着把该偏压传递到一个雪崩式光电二极管APD上，其中该APD顺次连接到由一个电阻器52和一个放大器54组成的并联结构上。电阻器52和放大器54组成的并联结构(例如可以实现为OPA657型的运算放大器)被称为跨导放大器56。该跨导放大器56进一步与第一个低通滤波器58耦合，其中该低通滤波器顺次连接到一个电压放大器60(例如一个OPA656型的运算放大器)上。另一个低通滤波器62和电压放大器60相连，但其不必与跨导放大器56和电压放大器60之间的低通滤波器具有相同的特性。最后，在第二个低通滤波器62后面连接有一个模-数转换器(例如其分辨率为12个比特，最大时钟频率为20MHz)，从而可以把微弱的光信号66转换成一个放大的数字输出信号68，该信号由传感器信号扫描的数字流组成。根据这一数据流，可以分别检测出被照亮的区域22或22’的位置，然后通过与相应的镜子位置进行相关，可以确定三维形式的物体坐标(即物体的表面起伏)。
6.为了使两个镜子(即投影仪的微扫描镜和探测器的微扫描镜)的y振荡精确同步，可以在扫描仪中分别添加用于测量投影仪的微镜或采集器的微镜的振荡的幅度、相位和频率的测量装置。为此，如图4A所示，例如可以在采集器处使用带有多个LED的类似于方框形式的快门70。在对着采集器的微扫描镜14的一侧，采集器16的类似于方框形式的快门70包括一个或多个置于快门70的内光圈74的一个边缘处的LED 72。根据图4A所示，一个LED 72置于快门70的光圈74的四个内侧之一上，其中这个LED 72也可以实现为一条沿着相应的光圈部分的整个内侧的LED线。还可以只在光圈74的边缘处的两个相对的侧面上实现一个LED或一条LED线。
图4B详细示出了快门70是如何工作的。为此，图4B上方的子图首先示出了随时间在x和y坐标中的扫描区域的曲线76。需要注意的是，对于基本操作模式，只在一个方向上的扫描(即x方向或y方向)必须被表示为在类似执行的相应的另一个方向上扫描。如果在图4B所示的光圈74内的一个检测点被微扫描镜1 4扫描到，则曲线76在光圈区域78内移动。如果微扫描镜14把快门方框上的一个位置映射到光电探测器APD上，那么当光圈74的边缘处设置了光电二极管时它就会扫过该光电二极管72，从而可以在光探测器APD上检测到相应的光信号和/或相应提高了的光探测器亮度。对于限制信号80，从图4B下方的子图可以明显看到：LED 72是否像图4B上方的子图所示那样置于LED坐标82上。如果扫描区域(即光圈74)内检测到一个光信号，就像图4B上方的子图中坐标84的情况那样，这将产生更多光信号86(如图4B下方子图所示)。特别是利用参考光源72和/或LED产生的限制信号80的瞬时位置，就可以推断出微扫描镜14的振荡频率、相位和已知光圈74的尺寸时的振幅，而不必利用已定义的相位、幅度或频率信号对扫描镜本身进行相应的控制。这样，可以对微扫描镜14的振荡进行非常简单的检测。
类似地，图1所示的投影仪10的微扫描镜14的一维振荡也可以通过相应的快门来检测，例如如图5所示。然而，为此必须相应地将光发送元件和光检测元件互换，使得光电二极管92和/或其他相应的适当的光探测器置于相应的快门90的内部边缘上，接收来自光源12的光束20(例如来自一个激光二极管的激光束)的碰撞，并以和图4B类似的方式对其进行分析，以获得投影仪10的微扫描镜14的振荡幅度、振荡频率和振荡相位。投影仪快门的具体设计可以和采集器快门的设计类似。
图6A示出了为投影仪和采集器中的每一个使用一个快门的本发明所述扫描仪的一个实施例的平面图。
在采集器中，使用了一个如图4A所示的带有LED的类似方框形式的快门，其每个侧面都可根据它们的亮度独立控制和/或改变，从而限制了采集器的观察范围。如果这一Lissajous图通过一个接通的LED，就会产生一个传感器信号(即限制新号)，利用这一信号以及LED的已知位置，就可以计算出采集器镜的振荡的幅度和相位。此外，还可以实现其它优点：例如，对应于被照亮的区域的待检测的反射光的颜色和/或不同强度的驱动、以及不同强度的光源，使用相应的不同颜色的LED，从而可以唯一地、毫无疑义地检测到一个非常接近光圈74的光斑位置。而且，例如通过打开和关闭各个快门边缘上的LED(或LED线)，也可以检测振荡的相位。如果在每个快门边缘一侧使用多个LED(或其它诸如激光二极管的光源或光导终端)，那么通过对各个LED和/或其它在快门各个边缘上的光源的亮度进行不同的调节就可以执行精确的位置确定。此外，发射不同亮度或波长的光也可以使两个相对的光源不同，从而可以确定“扫描光束”的移动和/或振荡的精确相位。
一个类似的快门连接到投影仪上，只是它包含两个相对的光电二极管，而不是LED，接着当被光斑照亮时，其提供一个用于计算投影仪微镜的y振荡的幅度和相位的信号，同时限制光斑的位移。
图6A接着示出了一个光源12，此光源可以输出一个垂直于制图平面的光束，此光束被投影仪10的微扫描镜14投影到快门90上，接着被投影到可通过马达驱动器100和马达102所转动的物体710上。这将产生一个亮斑22，其反射24通过采集器的快门70、微扫描镜14和置于微扫描镜14下方的光探测器APD被投射。马达驱动器100可以通过带有投影仪10和采集器16的扫描仪来控制，从而可以完全检测出物体710的表面起伏。
图6B示出了一个沿着图6A中的点A和A’之间的剖面线分开的剖面图。所示的外壳104封装了该扫描仪。在外壳104内，放置了一块导线板106，在该导线板上安装了一个光源12，例如一个激光二极管。光源12输出一个光束20，该光束在微扫描镜14上反射。图6B还示出了一个用于微扫描镜14的激励单元108，其相应地对微扫描镜14进行激励，以使其进行一维振荡。
图6C示出了一个用于操作一个扫描仪的本发明所述方法的实施例。第一个步骤110包括提供一个光束，使该光束扫过表面起伏，并确定光束在照明线(在该照明线中光束扫过表面起伏)中的位置。
第二个步骤112包括输出一个投影信号，由该投影信号可得出光束在照明线中的位置。
接着，第三个步骤114包括利用被激励振荡的采集器中的微镜来检测表面起伏的被照亮的区域。
第四个步骤116包括输出一个检测信号，由该检测信号可得出表面起伏上被照亮的区域的位置。本发明所述方法的该实施例的最后一个步骤118包括处理投影信号和检测信号，以由此获得表面起伏。
总之，可以说本文所公开的新颖的三维扫描仪带有一个投影仪(最好包含点状光源和一个微扫描镜)和一个采集器，其中采集器包括一个微扫描镜和一个点状光探测器，来自待检测的物体的表面起伏的一个光点的反射可以被微扫描镜投影到该探测器上。此外，还可提供一个带有连接到主机计算机的接口的一个相应的电子电路，用于控制和进一步处理所获得的数据。此外，本文还进一步公开了一种用于激励该三维扫描仪的两个微扫描镜的方法，从而可以通过采集器微扫描镜和光探测器在探测区域内实际找到由投影仪微扫描镜所产生的光斑，这是通过如下方式实现的：投影仪镜只在一个垂直于三角测量平面的方向上以限定的频率和幅度振荡，采集器微镜最好被同步激励，并具有相同的幅度，且最好和三角测量平面垂直，另外采集器微镜还在三角测量平面上同时执行第二个振荡，以检测根据测量原理产生的光斑位移。
此外，本文所公开的一个装置(例如用于上述三维扫描仪)最好允许对两个镜子依据激励方法在垂直于三角测量平面的方向上的振荡进行同步，该装置包括一个位于投影仪的光学链路中的、包含光电二极管的快门，和/或一个位于采集器的光学链路中的、具有类似设计但使用LED的快门，利用所述快门，可以获得关于微扫描镜的一个或两个振荡的瞬时幅度和相位的信号。另外，还公开了一种电子电路，它可以以一种调节方式对这些镜子进行控制，例如对一个微镜的激励频率、相位或幅度进行控制，例如用于提高Lissajous图的线密度，从而可以提高发现光点反射的概率。
这里所述的发明从而具备以下优点：无需区域或线形照相机就可以操作，因此也不需要区域或线形图像传感器以及对应的相关的复杂的映射光学器件。而且，微扫描镜的尺寸很小，机械上是可靠的，而且可以以低成本生产制造。因此，本发明的主要优点在于其本身可以减少空间需求和生产成本，同时也可以提高了机械可靠性。上述用于处理微弱光信号的电路还能提高光学分辨能力。因此，上述三维扫描仪可以不断地以一种空间上非常紧凑的方式来装配。所需的信号处理(例如检测传感器数据流中的激光光斑)至少有一部分可以用硬件实现，例如可以集成在扫描仪中，从而可以显著减少处理控制主机获得的数据的相应运算开销，因此可以显著加快对相应物体的表面起伏的检测，而且减小了在主机计算机中执行的相应算法的复杂度。这样，无需为了从二维图像中提取感兴趣的区域而进行图像处理操作。
根据具体环境，本发明所述的用于操作扫描仪的方法可以用硬件或软件来实现。这一实现可以在一个数字存储介质(特别是磁盘或包含电子可读的控制信号的CD)上执行，该介质可以和一个可编程计算机系统协同工作，从而可以执行相应的方法。通常说来，本发明也可以实现在一个计算机程序产品中，该计算机程序产品包含存储在机器可读取的载体中的程序代码，当该计算机程序产品在计算机上运行时，所述代码可用于执行本发明的方法。换句话说，本发明也可以实现为一个包含程序代码的计算机程序，当该计算机程序在计算机上运行时，所述代码可用于执行该方法。
Claims (11)
1.一种用于提供检测物体(71)的表面起伏的可能性的扫描仪，其包括：
投影仪(10)，其被配置为在表面起伏上的一条照明线(34)内引导一个光束(20)，从而在该表面起伏上获得一个被照亮的区域(22)，该投影仪(10)还被配置为输出一个投影信号，从中得出光束(20)在照明线(34)内的位置；以及
采集器(16)，其具有一个被激励在两个维度上振荡的采集器微镜(14)，还具有一个点状光探测器(18)，该采集器微镜(14)的振荡位于该照明线(34)的第一个方向上和不同于第一个方向的第二个方向上，从而使得在该采集器微镜(14)的扫描区域(30)内的被照亮的区域(22)的反射通过该采集器微镜(14)在点状光探测器(18)上成像，并且该采集器(16)被配置为输出一个检测信号，从中得出被照亮的区域(22)在第一和第二个方向上的位置。
2.根据权利要求1所述的扫描仪，其中投影仪(10)包括一个点状光源(12)和一个被激励进行一维振荡的投影仪微镜(14)。
3.根据权利要求1所述的扫描仪，还包括一个信号处理单元，该信号处理单元被配置为根据投影信号、检测信号、以及投影仪(10)和采集器(16)相互之间的已知几何结构来检测表面起伏。
4.根据权利要求3所述的扫描仪，其中信号处理单元至少有一部分是通过硬件实现的。
5.根据权利要求1所述的扫描仪，其中点状光探测器(18)包括一个雪崩式光电二极管APD，采集器(16)还包括一个跨导放大器、一个低通滤波器、一个电压放大器和一个模-数转换器，它们与雪崩式光电二极管相耦合。
6.根据权利要求1所述的扫描仪，其中投影仪(10)和采集器(16)相耦合，以使得照明线(34)内的光束(20)的引导与该照明线(34)的第一个方向上的采集器微镜(14)的振荡同步。
7.根据权利要求1所述的扫描仪，其中投影仪(10)包括一个用于限定照明线(34)的快门(90)，所述快门包括一个光学传感器(92)，如此设置该光学传感器：使得当移动光束(20)时建立光束(20)在照明线(34)内的位置的信息，并且投影仪(10)进一步被配置为根据所建立的信息形成投影信号。
8.根据权利要求1所述的扫描仪，其中采集器(16)包括一个用于限定扫描区域(30)的快门(70)，所述快门(70)包括一个参考光源(72)，如此设置该参考光源：使得在采集器微镜(14)振荡时，来自参考光源(72)的光束被偏转到点状光探测器(18)上，并且该点状光探测器被配置为在接收到来自参考光源(72)的光束时输出一个参考信号(80)，从中得出关于采集器微镜(14)的振荡特性的信息，采集器(16)还被配置为根据关于采集器微镜(14)的振荡特性的信息确定该检测信号。
9.根据权利要求8所述的扫描仪，还包括一个用于激励采集器微镜(14)的振荡的振荡激励单元和一个控制单元，该控制单元被配置为根据参考信号来控制采集器微镜(14)振荡的振荡频率、振荡幅度或振荡相位。
10.一种用于操作提供检测物体(71)的表面起伏的可能性的扫描仪的方法，该扫描仪
包括一个投影仪(10)，其被配置为引导表面起伏上方的照明线(34)内的一个光束(20)，从而在该表面起伏上获得一个被照亮的区域(22)，该投影仪(10)还被配置为输出一个投影信号，从中得出光束(20)在照明线(34)内的位置；开且
包括一个采集器(16)，其具有一个被激励在两个维度上振荡的采集器微镜(14)，还具有一个点状光探测器(18)，该采集器微镜(14)的振荡位于照明线(34)的第一个方向上和不同于第一个方向的第二个方向上，从而使得在该采集器微镜(14)的扫描区域(30)内的被照亮的区域(22)的反射通过该采集器微镜(14)在点状光探测器(18)上成像，而且该采集器(16)还被配置为输出一个检测信号，从中得出被照亮的区域(22)在第一和第二个方向上的位置；
其中该方法包括以下步骤：
以线状方式在物体的表面起伏上方的一条照明线(34)内提供并引导光束(20)，从而在该表面起伏上获得一个被照亮的区域(22)，引导光束的步骤还包括确定光束(20)在该照明线(34)内的位置并输出一个投影信号，从中获得光束(20)在照明线(34)内的位置；并且
利用被激励在两个维度上振荡的采集器微镜(14)和所述点状光探测器(18)来检测该被照亮的区域(22)的位置，检测步骤还包括通过采集器微镜(14)在第一和第二方向上的振荡，把该被照亮的区域(22)的反射(24)成像到点状光探测器(18)上，检测步骤还包括输出一个检测信号，从中得出被照亮的区域(22)在第一和第二个方向上的位置。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
处理投影信号和检测信号，以提供检测物体(71)表面起伏的可能性。
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