CN105333837A - 三维扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维扫描装置，包括单光子传感器和处理单元。其中，单光子传感器向被照物表面的各个点发出特定波长和特定相位的单光子的发射激光，并接收这些发射激光被照物反射后的反射激光。处理单元则根据被照物表面每一点的二维坐标信息、每一发射激光与其反射后的反射激光的相位差计算出被照物表面每一点的三维坐标信息，从而也就可以得到被照物的三维轮廓信息。本发明能够在快速准确地获得被照物的三维轮廓信息。

Description

三维扫描装置

技术领域

本发明涉及三维信息技术领域，特别涉及一种基于单光子传感器的三维扫描装置。

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，包括单光子传感器，其向被照物表面各点发出特定波长和特定相位的单光子的发射激光并接收所述发射激光被所述被照物反射后的反射激光；以及处理单元，根据所述被照物表面每一点的二维坐标信息、每一所述发射激光与其反射后的所述反射激光的相位差计算出所述被照物表面每一点的三维坐标信息，以得到所述被照物的三维轮廓信息。

优选的，所述单光子传感器包括：单光子激光光源，用于发出所述特定波长和特定相位的单光子的发射激光；分束器，用于使所述发射激光以水平方向入射至被照物上，以及接收所述发射激光被所述被照物反射后的反射激光；以及单光子接收器，与所述分束器位于同一水平线上，用于接收来自所述分束器的所述反射激光。

优选的，所述单光子传感器被一驱动机构移动以使所述发射激光遍历所述被照物的表面。

优选的，所述处理单元包括：计算模块，其根据每一所述发射激光与其反射后的所述反射激光的相位差计算出该发射激光的传播距离以得到所述被照物对应点的景深信息；存储模块，存储所述被照物每一点的景深信息及所述被照物每一点的二维坐标信息。

优选的，所述被照物每一点的二维坐标信息由接收经该点反射的反射激光的单光子接收器的二维坐标信息获得。

本发明还提供了一种三维扫描方法，包括以下步骤：

S1：向被照物表面各点发出特定波长和特定相位的单光子的发射激光并接收所述发射激光被所述被照物反射后的反射激光；

S2：根据所述被照物表面每一点的二维坐标信息、每一所述发射激光与其反射后的所述反射激光的相位差计算出所述被照物每一点的三维坐标信息，以得到所述被照物的三维轮廓信息。

优选的，步骤S1包括：向所述被照物的各点分别发出所述发射激光；使每一所述发射激光以水平方向入射至所述被照物上；以及接收每一所述发射激光被所述被照物反射后的反射激光。

优选的，通过在不同位置将所述发射激光以水平方向入射所述被照物以使各所述发射激光遍历所述被照物的表面。

优选的，步骤S2包括：根据每一所述发射激光与其反射后的所述反射激光的相位差计算出该发射激光的传播距离以得到所述被照物对应点的景深信息；以及根据所述被照物每一点的二维坐标、所述被照物每一点的景深信息计算出所述被照物每一点的三维坐标信息。

优选的，所述被照物每一点的二维坐标由入射至该点的所述发射激光的二维坐标信息获得。

相较于现有技术，本发明的三维扫描装置利用发射单光子光与反射单光子光的相位差别，形成被照物表面的三维轮廓图像，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处理单元的方块图；

图3所示为本发明一实施例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。

请参照图1，本发明的三维扫描装置包括单光子传感器10和处理单元20。其中，单光子传感器10向被照物表面的各个点发出特定波长和特定相位的单光子的发射激光，并接收这些发射激光被被照物反射后的反射激光。处理单元20则根据被照物表面每一点的二维坐标信息、每一发射激光与其反射后的反射激光的相位差计算出被照物表面每一点的三维坐标信息，从而也就可以得到被照物的三维轮廓信息。

在本实施例中，单光子传感器10包括单光子激光光源11、分束器12和单光子接收器13。其中，单光子激光光源11用于向被照物表面的各点发出特定波长和特定相位的单光子的发射激光，分束器12用于将入射光路和反射光路进行分割，使发射激光以水平方向入射至被照物上并接收发射激光被被照物反射后的反射激光(同样也是水平的)，单光子接收器13与分束器12位于同一水平线上，用于接收来自分束器12的反射激光。通过上述配置，特定波长和相位的单光子激光投射在被照物表面任一点时，该入射光被被照物反射后被单光子接收器接收。值得注意的是，由于物体的折射效应，入射光与反射光的相位并不相同，被照物上距离单光子光源越远，那么被单光子接收器接收到的反射光的相位就和单光子光源发射的发射光的相位差距越大。因此通过判断单光子激光的相位变化，就能计算得到单光子所传播的距离，即可得到被照物的景深。请参照图2，本发明是通过处理单元来计算被照物上每一点的景深。具体来说，处理单元包括计算模块21和存储模块22。假设入射激光具有相位φ1，反射激光具有相位φ2，计算模块21对入射激光和反射激光进行相位差处理。由于每一个固定的相位差对应一个固定的光线传输距离，因此计算模块21根据每一发射激光与其反射后的反射激光的相位差计算出该发射激光的传播距离，从而也就得到了被照物对应点的景深信息。存储模块22则存储被照物每一点的景深信息及被照物每一点的二维坐标信息。本实施例中，由于发射激光经分束器后是以水平方向入射至被照物上，并且反射激光也是水平激光，单光子接收器和分束器都位于反射激光的反射路径上，因此当单光子接收器或分束器接收被照物某一点反射的反射激光时，此时单光子接收器或分束器的二维坐标就等于被照物该点的二维坐标。另一方面，为能获得被照物表面每一点的三维坐标信息，本实施例采用一驱动机构30来移动单光子传感器，从而使得单光子激光光源所发出的激光能够遍历被照物的整个表面。此时，处理单元根据驱动机构对单光子接收器的位置的控制，就能够得到被照物相应点的二维坐标并存储在存储模块中。具体地，驱动机构30驱动单光子接收器/分束器位于(x0，y0)位置，分束器使发射激光水平入射被照物上的相应点(x0，y0)，通过处理单元进行相位计算得到被照物该点的景深信息z0，最终获得该点的三维坐标(x0，y0，z0)并储存。接下来，驱动机构30移动单光子接收器/分束器位于(x1，y1)位置，分束器使发射激光水平入射被照物上的相应点(x1，y1)，通过处理单元进行相位计算得到被照物该点的景深信息z1，最终获得该点的三维坐标(x1，y1，z1)并储存。驱动机构30移动单光子传感器使发射激光遍历被照物整个表面，从而获得被照物表面完整的三维坐标信息。

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。

图3所示为本发明的三维扫描方法的流程图，其包括以下步骤：

S1：向被照物表面各点发出特定波长和特定相位的单光子的发射激光并接收发射激光被被照物反射后的反射激光。

本步骤进一步包括：向被照物的各点分别发出发射激光；使每一发射激光以水平方向入射至被照物上；以及接收每一发射激光被被照物反射后的反射激光。其中，通过在不同位置将发射激光以水平方向入射被照物以使各发射激光能够遍历被照物的整个表面。

S2：根据被照物表面每一点的二维坐标信息、每一发射激光与其反射后的反射激光的相位差计算出被照物每一点的三维坐标信息，以得到被照物的三维轮廓信息。

本步骤进一步包括：根据每一发射激光与其反射后的反射激光的相位差计算出该发射激光的传播距离以得到被照物对应点的景深信息；以及根据被照物每一点的二维坐标、被照物每一点的景深信息计算出被照物每一点的三维坐标信息。其中由于发射激光及反射激光均为水平的，那么被照物每一点的二维坐标由入射至该点的发射激光的二维坐标信息获得。

综上所述，本发明利用发射单光子光与反射单光子光的相位差别，形成被照物表面三维图像，其优点在于速度快、精度高，且结构简便。

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：

单光子传感器，其向被照物表面各点发出特定波长和特定相位的单光子的发射激光并接收所述发射激光被所述被照物反射后的反射激光；以及

处理单元，根据所述被照物表面每一点的二维坐标信息、每一所述发射激光与其反射后的所述反射激光的相位差计算出所述被照物表面每一点的三维坐标信息，以得到所述被照物的三维轮廓信息。

2.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，所述单光子传感器包括：

单光子激光光源，用于发出所述特定波长和特定相位的单光子的发射激光；

分束器，用于使所述发射激光以水平方向入射至被照物上，以及接收所述发射激光被所述被照物反射后的反射激光；以及

单光子接收器，与所述分束器位于同一水平线上，用于接收来自所述分束器的所述反射激光。

3.根据权利要求2所述的三维扫描装置，其特征在于，所述单光子传感器被一驱动机构移动以使所述发射激光遍历所述被照物的表面。

4.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，所述处理单元包括：

计算模块，其根据每一所述发射激光与其反射后的所述反射激光的相位差计算出该发射激光的传播距离，以得到所述被照物对应点的景深信息；

存储模块，存储所述被照物每一点的景深信息及所述被照物每一点的二维坐标信息。

5.根据权利要求2所述的三维扫描装置，所述被照物每一点的二维坐标信息由接收经该点反射的反射激光的单光子接收器的二维坐标信息获得。

6.一种三维扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：向被照物表面各点发出特定波长和特定相位的单光子的发射激光并接收所述发射激光被所述被照物反射后的反射激光；

S2：根据所述被照物表面每一点的二维坐标信息、每一所述发射激光与其反射后的所述反射激光的相位差计算出所述被照物每一点的三维坐标信息，以得到所述被照物的三维轮廓信息。

7.利用权利要求6所述的三维扫描方法，其特征在于，步骤S1包括：

向所述被照物的各点分别发出所述发射激光；

使每一所述发射激光以水平方向入射至所述被照物上；以及

接收每一所述发射激光被所述被照物反射后的反射激光。

8.利用权利要求7所述的三维扫描方法，其特征在于，通过在不同位置将所述发射激光以水平方向入射所述被照物以使各所述发射激光遍历所述被照物的表面。

9.利用权利要求6所述的三维扫描方法，其特征在于，步骤S2包括：

根据每一所述发射激光与其反射后的所述反射激光的相位差计算出该发射激光的传播距离以得到所述被照物对应点的景深信息；以及

根据所述被照物每一点的二维坐标、所述被照物每一点的景深信息计算出所述被照物每一点的三维坐标信息。

10.利用权利要求6所述的三维扫描方法，其特征在于，所述被照物每一点的二维坐标由入射至该点的所述发射激光的二维坐标信息获得。