CN105136062A - 基于衰减光的三维扫描装置及三维扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维扫描装置，包括发出多束水平的特定波长的激光的多个激光光源；对特定波长的激光感光的CMOS图像传感器；仅使特定波长的激光到达CMOS图像传感器的波长滤镜；容纳被测物体并填充介质以使特定波长的激光发生衰减的衰减腔体；用于检测各激光到达被测物体表面时的衰减激光功率的测量单元；以及处理单元，其根据各激光光源的二维坐标信息、各激光进入衰减腔体的初始激光功率、测量单元所获得的各激光的衰减激光功率，和介质的衰减系数计算被测物体的三维轮廓信息。本发明能够在快速准确地获得被测物体的三维轮廓信息。

Description

基于衰减光的三维扫描装置及三维扫描方法

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基于衰减光的三维扫描装置和三维扫描方法。

为达成上述目的，本发明提供一种基于衰减光的三维扫描装置，包括多个激光光源，发出多束水平的特定波长的激光；CMOS图像传感器，其对所述特定波长的激光感光；波长滤镜，设置于所述CMOS图像传感器和被测物体之间，用于仅使所述特定波长的激光到达所述CMOS图像传感器；衰减腔体，容纳所述被测物体并填充介质以使所述特定波长的激光发生衰减；测量单元，用于检测各所述激光到达所述被测物体表面时的衰减激光功率；以及处理单元，根据各所述激光光源的二维坐标信息、各所述激光进入所述衰减腔体的初始激光功率、所述测量单元所获得的各所述激光的衰减激光功率，和所述介质的衰减系数计算所述被测物体的三维轮廓信息。

优选的，所述三维扫描装置还包括一旋转机构，使所述被测物体绕其竖直方向的轴线旋转或绕其水平方向的轴线翻转一定角度。

优选的，所述旋转机构使所述被测物体旋转或翻转90度。

优选的，所述处理单元根据所述旋转机构旋转和/或翻转所述被测物体之前及之后分别得到的三维轮廓信息得到所述被测物体的完整三维轮廓信息。

优选的，所述多个激光光源成均匀点阵分布于所述衰减腔体处。

优选的，所述多个激光光源成均匀点阵分布于距离所述衰减腔体预设距离处，各所述激光进入所述衰减腔体的初始激光功率由所述测量单元测量得到。

优选的，所述多个激光光源的二维坐标信息由所述处理单元根据所述CMOS图像传感器所撷取的影像获得。

本发明还提供了一种基于衰减光的三维扫描方法，包括以下步骤：

S1：将被测物体放置于填充有使特定波长的激光发生衰减的介质的衰减腔体内；

S2：通过多个激光光源发出多束水平的所述特定波长的激光；

S3：检测各所述激光到达所述被测物体表面时的衰减激光功率；

S4：根据各所述激光光源的二维坐标信息、各所述激光进入所述衰减腔体的初始激光功率、各所述激光到达所述被测物体表面时的衰减激光功率，和所述介质的衰减系数计算所述被测物体的三维轮廓信息。

优选的，所述三维扫描方法还包括：

将所述被测物体绕其竖直方向轴线旋转或绕其水平方向轴线翻转一定角度；

再次执行步骤S2至S4，获得所述被测物体被旋转或翻转后的三维轮廓信息；

根据所述被测物体旋转和/或翻转前后分别得到的所述三维轮廓信息，获得所述被测物体的完整三维轮廓信息。

优选地，所述多个激光光源的二维坐标信息根据对所述特定波长的激光感光的CMOS图像传感器所撷取的影像获得。

相较于现有技术，本发明的基于衰减光的三维扫描装置采用非接触结构光式扫描技术，利用光的衰减特性，捕捉被照物体轮廓信息与景深，形成被照物体表面三维图像，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一扫描平面上形成的影像图；

图3所示为本发明一实施例的基于衰减光的三维扫描方法的流程图。

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。

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。请参照图1，本发明的基于衰减光的三维扫描装置包括多个激光光源10，CMOS图像传感器20，波长滤镜30，衰减腔体40，测量单元50和处理单元60。如图所示，激光光源10的每个激光光源将产生一束水平的的特定波长激光光束，每一光束的直径非常小，可以达到毫米级及以下。常见的激光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准确波长的水平单色光。

在本实施例中，激光光源10发出多束水平的特定波长激光，优选的，这些激光光源成均匀点阵分布，由此当激光照射在被测物体上时能够对被测物体的表面进行均匀地扫描。激光光源的数量可根据衰减腔体40的入射面积进行选取。

为了实现识别目标对象三维轮廓的功能，本发明的三维扫描装置设置了CMOS图像传感器20和波长滤镜30。CMOS图像传感器20可识别特定波长的激光。波长滤镜30设置于CMOS图像传感器20和被测物体之间且其与CMOS图像传感器20的连线为水平，用于仅使特定波长的激光到达CMOS图像传感器20被其识别。处理单元60与CMOS图像传感器20相连，从CMOS图像传感器20所撷取的影像信息得到每一束激光在被测物体表面的二维(x，y)坐标信息。

另一方面，被测物体被容纳在衰减腔体40中。衰减腔体具有如下特性，当激光射入衰减腔体内，随着光线在腔体内部的入射距离越深入，被衰减程度越强。具体的，衰减腔体40内均匀填充特定的介质使特定波长的激光发生衰减，而通过测量单元50能够检测每一束到达被测物体表面的激光的衰减激光功率。处理单元60同时还与测量单元50相连，其根据各激光进入衰减腔体的初始激光功率、各激光在被测物体表面的衰减激光功率，以及衰减腔体内填充介质的衰减系数来计算出被测物体的深度信息，再根据先前得到的各个激光光源的二维坐标信息结合被测物体的深度信息就能够计算出三维轮廓信息。在本发明的一实施例中，多个激光光源以均匀点阵分布在衰减腔体处，则各束激光的初始激光功率即为预先设定的激光光源的功率；在本发明的另一实施例中，多个激光光源是以均匀点阵分布在距离衰减腔体预设距离处，那么各激光的初始激光功率可通过测量单元测量得到。

假设特定波长的激光的初始激光功率为P₀，在到达衰减腔体内的入射深度为d处的被测物体表面的激光的衰减激光功率为P_R，衰减腔体内填充的介质的衰减系数为μ，那么初始激光功率为P₀和衰减激光功率P_R之间满足以下关系：

P_R/P₀＝e^-μd

可以看出，激光功率在衰减腔体中的值与入射深度成非线性关系。被测物体置于衰减腔体中时，采用激光光源对被测物体进行照射，以平行光的方式入射到衰减腔体内的一个垂直平面上，假设一束激光的照射面积为a*a，衰减腔体的入射面面积为d*d，那么需要(d/a)²个激光光源。每个a*a区域内的激光在到达被测物体时会受到被测物体的阻挡而截至，因此，通过测量被测物体上某一个a*a区域内的激光的衰减功率，即可以得到被测物体该a*a区域对应的深度信息d，需要说明的是，这里的深度信息d是只在衰减腔体内的深度。而该a*a区域的二维坐标位置则由发出照射在该区域的激光的激光光源的二维坐标信息(x，y)决定，最终处理单元可以计算出被测物体表面每一个a*a区域的三维信息，并综合所有a*a区域的三维信息得到被测物体的三维轮廓信息(x，y，z)。

需要注意的是，当被测物体的表面轮廓均表现为凸出状时，通过该三维扫描装置的一次扫描就能够完成整个被测物体的三维轮廓信息的获取。但当被测物体的表面轮廓表现为有凸出部分、有凹进部分时，一次扫描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。这是因为在一次扫描过程中，如果被测物体的某凹进部分轮廓恰被凸出部分挡住，该部分的三维信息就无法被表现出来。为解决这一问题，本装置还设置了一个旋转机构，可以使被测物体绕其竖直方向轴线旋转或绕其水平方向轴线翻转一定角度。由此，当被测物体的表面轮廓表现为有凸出部分、有凹进部分时，在进行一次扫描后，旋转机构将扫描对象旋转或翻转一定角度，使得被测物体在不同方向上获得新的景深信息。一般旋转机构可旋转一次或两次，较佳的每次将被测物体旋转或翻转90度。处理单元50根据旋转机构旋转和/或翻转被测物体之前及之后分别得到的三维轮廓信息得到被测物体的完整三维轮廓信息。

图3所示为本发明的基于衰减光的三维扫描方法的流程图，三维扫描方法包括以下步骤：

S1：将被测物体放置于填充有使特定波长的激光发生衰减的介质的衰减腔体内；

S2：通过多个激光光源发出多束水平的特定波长的激光；

S3：检测各激光到达被测物体表面时的衰减激光功率；

S4：根据各激光光源的二维坐标信息、各激光进入衰减腔体的初始激光功率、各激光到达被测物体表面时的衰减激光功率，和填充介质的衰减系数计算被测物体的三维轮廓信息。

其中，当被测物体的表面轮廓表现为有凸出部分、有凹进部分时，在进行一次扫描之后，将被测物体绕其竖直方向轴线旋转或绕其水平方向轴线翻转一定角度，重复执行步骤S2至S4进行再次扫描，从而获得被测物体被旋转或翻转后的三维轮廓信息。之后根据被测物体旋转和/或翻转前后分别得到的三维轮廓信息获得被测物体的完整三维轮廓信息。

综上所述，本发明利用激光衰减信息捕捉被测物体的三维轮廓信息，进而得到被测物体表面三维图像，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)

1.一种基于衰减光的三维扫描装置，其特征在于，包括：

多个激光光源，发出多束水平的特定波长的激光；

CMOS图像传感器，其对所述特定波长的激光感光；

波长滤镜，设置于所述CMOS图像传感器和被测物体之间，用于仅使所述特定波长的激光到达所述CMOS图像传感器；

衰减腔体，容纳所述被测物体并填充介质以使所述特定波长的激光发生衰减；

测量单元，用于检测各所述激光到达所述被测物体表面时的衰减激光功率；以及

处理单元，根据各所述激光光源的二维坐标信息、各所述激光进入所述衰减腔体的初始激光功率、所述测量单元所获得的各所述激光的衰减激光功率，和所述介质的衰减系数计算所述被测物体的三维轮廓信息。

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，使所述被测物体绕其竖直方向的轴线旋转或绕其水平方向的轴线翻转一定角度。

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被测物体旋转或翻转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和/或翻转所述被测物体之前及之后分别得到的三维轮廓信息得到所述被测物体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，所述多个激光光源成均匀点阵分布于所述衰减腔体处。

6.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，所述多个激光光源成均匀点阵分布于距离所述衰减腔体预设距离处，各所述激光进入所述衰减腔体的初始激光功率由所述测量单元测量得到。

7.根据权利要求1所述的三维扫描装置，所述多个激光光源的二维坐标信息由所述处理单元根据所述CMOS图像传感器所撷取的影像获得。

8.一种基于衰减光的三维扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将被测物体放置于填充有使特定波长的激光发生衰减的介质的衰减腔体内；

S2：通过多个激光光源发出多束水平的所述特定波长的激光；

S3：检测各所述激光到达所述被测物体表面时的衰减激光功率；

S4：根据各所述激光光源的二维坐标信息、各所述激光进入所述衰减腔体的初始激光功率、各所述激光到达所述被测物体表面时的衰减激光功率，和所述介质的衰减系数计算所述被测物体的三维轮廓信息。

9.利用权利要求8所述的三维扫描方法，其特征在于，还包括：

将所述被测物体绕其竖直方向轴线旋转或绕其水平方向轴线翻转一定角度；

再次执行步骤S2至S4，获得所述被测物体被旋转或翻转后的三维轮廓信息；

根据所述被测物体旋转和/或翻转前后分别得到的所述三维轮廓信息，获得所述被测物体的完整三维轮廓信息。

10.利用权利要求8所述的三维扫描方法，其特征在于，所述多个激光光源的二维坐标信息根据对所述特定波长的激光感光的CMOS图像传感器所撷取的影像获得。