CN104359405A - 三维扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维扫描装置，包括：多个激光光源，位于一扫描平面且分布于扫描对象的四周，发出特定波长的激光；CMOS图像传感器；波长滤镜，其与CMOS图像传感器的连线垂直于扫描平面，仅使特定波长的激光到达CMOS图像传感器；推进机构，使扫描对象在垂直扫描平面的方向上步进移动，扫描对象在扫描平面上切断多个激光光源发出的激光而形成激光空白区域；处理单元，根据扫描对象的步进移动的距离以及在该步进移动距离处CMOS图像传感器撷取的影像信息得到该扫描平面上激光空白区域的轮廓的三维坐标信息，以及根据扫描对象每次步进移动得到的三维坐标信息获得扫描对象的三维轮廓信息。本发明能够快速准确地获得扫描对象的三维轮廓信息。

Description

三维扫描装置

技术领域

本发明涉及三维信息技术领域，特别涉及一种三维扫描装置。

背景技术

随着信息通信技术的发展，获取图像的方法不仅仅限于使用各种摄像机、照相机等只能得到物体的平面图像，即物体的二维信息的图像扫描手段。在许多领域，需要获得物体的三维信息。三维扫描用于创建物体几何表面，是实现三维信息数字化的一种极为有效的工具。三维扫描的扫描点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点越可以创建更精确的模型。三维扫描仪可模拟为照相机，它们的视线范围都体现圆锥状，信息的搜集皆限定在一定的范围内。两者不同之处在于相机所抓取的是颜色信息，而三维扫描仪测量的是距离。

三维扫描属于非接触式测量，主要分两类。一类是被动方式，就是不需要特定的光源，完全依靠物体所处的自然光条件进行扫描，常采用双目技术，但是精度低，只能扫描出有几何特征的物体，不能满足很多领域的要求。另一类是主动方式，就是向物体投射特定的光，其中代表技术为激光线式的扫描，精度比较高，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。

因此，有必要提供一种能够高速、高精度进行三维扫描的装置。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种扫描速度快、精度高且结构简便的三维扫描装置。

为达成上述目的，本发明提供一种三维扫描装置，包括多个激光光源，位于一扫描平面且分布于扫描对象的四周，发出特定波长的激光；CMOS图像传感器，与所述扫描平面相对设置，其仅对所述特定波长的激光感光，用于撷取所述扫描平面上形成的影像；波长滤镜，设置于所述CMOS图像传感器和所述扫描平面之间且其与所述CMOS图像传感器的连线垂直于所述扫描平面，用于仅使所述特定波长的激光到达所述CMOS图像传感器；推进机构，使所述扫描对象在垂直所述扫描平面的方向上步进移动以穿过所述扫描平面，所述扫描对象在所述扫描平面上切断所述多个激光光源发出的激光而形成一激光空白区域；处理单元，根据所述扫描对象的步进移动的距离以及在该步进移动距离处所述CMOS图像传感器所撷取的影像信息得到该扫描平面上所形成的激光空白区域的轮廓的三维坐标信息，以及根据所述扫描对象每次步进移动而得到的所述三维坐标信息获得所述扫描对象的三维轮廓信息。

优选的，所述三维扫描装置还包括一旋转机构，使所述扫描对象相对于所述扫描平面旋转一定角度。

优选的，所述旋转机构使所述扫描对象相对于所述扫描平面旋转90度。

优选的，所述处理单元根据所述旋转机构旋转所述扫描对象之前及之后分别得到的三维轮廓信息得到所述扫描对象的完整三维轮廓信息。

优选的，所述激光光源为激光点光源，每一所述激光点光源发出一束所述特定波长的激光。

优选的，多个所述激光点光源分为四组，分别在所述扫描平面的水平方向和竖直方向平行相对设置，其中相对设置的两组激光点光源具有相同的分布密度。

优选的，相对设置的两组所述激光点光源彼此交错。

优选的，所述三维扫描装置还包括多个列方向点光栅，与所述多个激光光源对应设置，用于将每一所述激光光源发出的光改变为朝向所述扫描对象的平行激光光束。

优选的，所述激光光源为点光源或平行光源。

优选的，所述激光光源为四个，分别在所述扫描平面的水平方向和竖直方向两两相对设置。

相较于现有技术，本发明的三维扫描装置基于激光面阵捕捉扫描对象的轮廓信息，进而得到扫描对象表面三维图像，具有速度快、精度高，且结构简便的优势。

附图说明

图1所示为本发明一实施例的三维扫描装置的示意图；

图2所示为本发明一实施例的三维扫描装置扫描时在扫描平面上形成的影像图；

图3所示为本发明另一实施例的三维扫描装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的三维扫描装置包括多个激光光源，CMOS图像传感器，波长滤镜，推进机构和处理单元。多个激光光源位于一扫描平面内且分布于扫描对象的四周，发出特定波长的激光。CMOS图像传感器与扫描平面相对设置，仅对所述特定波长的激光感光，用于撷取扫描平面上形成的影像。波长滤镜设置于CMOS图像传感器和扫描平面之间且其与CMOS图像传感器的连线垂直于扫描平面，用于仅使特定波长的激光到达CMOS图像传感器。推进机构使扫描对象在垂直扫描平面的方向上步进移动以穿过该扫描平面，扫描对象在扫描平面上切断多个激光光源发出的激光而形成一激光空白区域。处理单元根据扫描对象的步进移动的距离以及在该步进移动距离处CMOS图像传感器所撷取的影像信息得到该扫描平面上所形成的激光空白区域的轮廓的三维坐标信息，然后根据扫描对象每次步进移动而得到的三维坐标信息就能够获得扫描对象的三维轮廓信息。

以下将结合图1与图2对本发明一实施例的三维扫描装置加以说明。如图所示，激光光源10为激光点光源，每个激光点光源将产生一束特定波长的光束，光束的直径非常小，可以达到毫米级及以下。常见的激光源可以分为以下几种：氩氟激光(紫外光)λ＝193nm；氪氟激光(紫外光)λ＝248氙氯激光(紫外光)λ＝308nm；氮激光(紫外光)λ＝337nm；氩激光(蓝光)λ＝488nm；氩激光(绿光)λ＝514nm；氦氖激光(绿光)λ＝543nm；氦氖激光(红光)λ＝633nm；罗丹明6G染料(可调光)λ＝570-650nm；红宝石(CrAlO3)(红光)λ＝694nm；钕-钇铝石榴石(近红外光)λ＝1064nm；二氧化碳(远红外光)λ＝10600nm等。本实施例中，具有特定波长λ的激光采用单色光，也就是说，例如对于氮激光来说，发出的光是具有337nm准确波长的单色光。当两个激光点光源发出的两束激光光束相交时将产生共振现象，即相交处有较大的能量，表现为出现明显的激光光斑。如两束红宝石(λ＝694nm)激光相交时将会出现亮红色激光斑。当没有扫描对象时，扫描平面内位于四周的激光点光源形成一个激光斑网络。当存在扫描对象时，扫描对象将在这一个激光斑网络切断激光点光源所发出的光线的通路，从而形成一个激光空白区域，如图2所示。

在本实施例中，扫描对象的四周均有激光点光源，具体的，这些激光点光源分为四组，分别在扫描平面的水平方向和竖直方向平行相对设置。其中，每一侧的激光点光源均非常密集，且相对设置的两组激光点光源具有相同的分布密度。通常每一侧激光点光源的分布密度大于5束/cm。较佳的，相对设置的两组激光点光源彼此交错开，进一步增加激光照射的密度。例如，上侧的激光点光源的分布密度为5束/cm，下侧的激光点光源分布密度也为5束/cm，上下两侧的激光点光源错开1mm，那么上下两侧组成的点光源束的密度为1束/mm。

为了实现识别激光空白区域的功能，本发明的三维扫描装置设置了CMOS图像传感器30和波长滤镜20。CMOS图像传感器30与扫描平面相对设置，并且仅识别特定波长的激光。波长滤镜20设置于CMOS图像传感器30和扫描平面之间，仅使特定波长的激光到达CMOS图像传感器被其识别，由此激光空白区域处发出的光线不会到达CMOS图像传感器。波长滤镜20与CMOS图像传感器30的连线应当垂直于扫描平面。处理单元50与CMOS图像传感器30相连，从CMOS图像传感器30所撷取的影像信息得到该扫描平面上所形成的激光空白区域的轮廓上每一点的坐标信息，获得一个二维数据。

另一方面，推进机构40使扫描对象在垂直于扫描平面的方向(即沿着CMOS图像传感器与波长滤镜的连线方向)上步进移动以穿过扫描平面。推进机构40可缓慢推动扫描推向，步长例如为1mm。因此，在扫描对象穿过扫描平面的过程中，在垂直于扫描平面的方向上，每隔一个步长的距离可在扫描平面上形成激光空白区域。处理单元50跟你局当前扫描对象步进移动的距离，已经在该步进移动处获得的二维数据最终得到该步进移动距离处扫描对象在扫描平面上所形成的激光空白区域的轮廓的三维坐标信息。而扫描对象穿过扫描平面的过程中，每次步进移动处理单元50都能得到这样一个三维坐标信息。处理单元50将这些三维坐标信息汇总计算以获得扫描对象的三维轮廓信息。

需要注意的是，当扫描对象的表面轮廓均表现为凸出状时，通过推进机构的一次推送就能够完成整个扫描对象的三维轮廓信息的获取。但当扫描对象的表面轮廓表现为有凸出部分、有凹进部分时，一次推送得到的三维轮廓信息的准确性有所降低，不足以记录其完整的三维轮廓信息。这是因为在一次推送过程中，如果扫描对象的某凹进部分轮廓恰被凸出部分挡住而处于激光空白区域时，该部分信息就无法被表现出来，也就无法被CMOS图像传感器记录下来。因此，本装置还设置了一个旋转机构，可以使扫描对象相对于扫描平面旋转一定角度。当扫描对象的表面轮廓表现为有凸出部分、有凹进部分时，在推进机构一次推进扫描对象后，旋转机构将扫描对象旋转一定角度，或将扫描面及激光光源旋转一定角度，使得扫描对象在不同方向上与扫描平面相交而形成新的激光空白区域。一般旋转机构可旋转一次或两次，较佳的每次将扫描对象相对于扫描平面旋转90度。处理单元50根据旋转机构旋转扫描对象之前及之后分别得到的三维轮廓信息得到扫描对象的完整三维轮廓信息。

接下来，请参照图3，其所示为本发明另一实施例的三维扫描装置。本实施例中，三维扫描装置还包括多个列方向点光栅12，这些列方向点光栅与激光光源11一一对应设置，将激光光源11发出的光收集后改变为朝向扫描对象的平行激光光束，平行激光光束的间隔由列方向点光栅决定，一般小于2mm。本实施例中，激光光源可以是点光源，也可以是平行光源。如图所示，激光光源为四个，分别在扫描平面的水平方向和竖直方向两两相对设置，由此经列方向点光栅后在扫描平面的上、下、左、右均形成朝向扫描对象的平行激光光束。当没有扫描对象时，四周的平行激光光束形成一个激光斑网络，当存在扫描对象时，扫描对象将在这一激光斑网络切断部分平行激光光束的通路，从而形成激光空白区域。

三维扫描装置的其他部分，如波长滤镜20、CMOS图像传感器30、推进机构40和处理单元50，以及可选择的旋转单元均与上述实施例描述的一致，在此不另作赘述。

综上所述，本发明利用激光面阵捕捉扫描对象的轮廓信息，进而得到扫描对象表面三维图像，具有速度快、精度高，且结构简便的优势。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种三维扫描装置，其特征在于，包括：

多个激光光源，位于一扫描平面且分布于扫描对象的四周，发出特定波长的激光；

CMOS图像传感器，与所述扫描平面相对设置，其仅对所述特定波长的激光感光，用于撷取所述扫描平面上形成的影像；

波长滤镜，设置于所述CMOS图像传感器和所述扫描平面之间且其与所述CMOS图像传感器的连线垂直于所述扫描平面，用于仅使所述特定波长的激光到达所述CMOS图像传感器；

推进机构，使所述扫描对象在垂直所述扫描平面的方向上步进移动以穿过所述扫描平面，所述扫描对象在所述扫描平面上切断所述多个激光光源发出的激光而形成一激光空白区域；

处理单元，根据所述扫描对象的步进移动的距离以及在该步进移动距离处所述CMOS图像传感器所撷取的影像信息得到该扫描平面上所形成的激光空白区域的轮廓的三维坐标信息，以及根据所述扫描对象每次步进移动而得到的所述三维坐标信息获得所述扫描对象的三维轮廓信息。

2.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，还包括一旋转机构，使所述扫描对象相对于所述扫描平面旋转一定角度。

3.根据权利要求2所述的三维扫描装置，其特征在于，所述旋转机构使所述扫描对象相对于所述扫描平面旋转90度。

4.根据权利要求2所述的三维扫描装置，其特征在于，所述处理单元根据所述旋转机构旋转所述扫描对象之前及之后分别得到的三维轮廓信息得到所述扫描对象的完整三维轮廓信息。

5.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，所述激光光源为激光点光源，每一所述激光点光源发出一束所述特定波长的激光。

6.根据权利要求5所述的三维扫描装置，其特征在于，多个所述激光点光源分为四组，分别在所述扫描平面的水平方向和竖直方向平行相对设置，其中相对设置的两组激光点光源具有相同的分布密度。

7.根据权利要求6所述的三维扫描装置，其特征在于，相对设置的两组所述激光点光源彼此交错。

8.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，还包括多个列方向点光栅，与所述多个激光光源对应设置，用于将每一所述激光光源发出的光改变为朝向所述扫描对象的平行激光光束。

9.根据权利要求8所述的三维扫描装置，其特征在于，所述激光光源为点光源或平行光源。

10.根据权利要求8所述的三维扫描装置，其特征在于，所述激光光源为四个，分别在所述扫描平面的水平方向和竖直方向两两相对设置。