CN106255864A - 3d粗略激光扫描仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于测量对象的模块，其中，所述模块配置用于产生初级光束，其中，所述模块具有扫描镜结构，其中，所述扫描镜结构这样配置用于偏转所述初级光束，使得由所述初级光束实施扫描运动，其中，所述模块这样配置，使得当在所述扫描镜结构的偏转中，所述次级信号通过所述初级光束与所述对象的相互作用而产生时，可探测所述次级信号，其中，所述模块配置用于产生取决于所述扫描镜结构的定位信号，其特征在于，所述模块具有用于产生所述对象的基于位态的测量的传感器信号的传感器装置。

Description

3D粗略激光扫描仪
技术领域
本发明由根据权利要求1的前序部分的模块出发。
背景技术
激光扫描仪是众所周知的。激光扫描仪例如可以被用于检测对象的三维(3D)形状。这种激光扫描仪也称作3D扫描仪。
发明内容
本发明的任务在于提出一种用于3D激光扫描仪的模块、一种电设备和一种用于运行模块的方法，其中，跟现有技术相比提供一种模块，该模块比较紧凑且成本有利。
根据并列的权利要求的根据本发明的模块、电设备和用于运行模块的根据本发明的方法与现有技术相比具有如下优点：所述模块具有传感器装置，通过该传感器装置，可以提供或者提供对象的基于位态的测量的传感器信号。“对象的基于位态的测量”优选地表示：在扫描过程期间不仅使用定位信号还使用位态信息(Lageinformation)来检测对象。所述位态信息例如包括关于所述模块的位置和/或定向和/或速度和/或其他位态参数的信息。另外，有利地可能的是，所述模块在扫描运动期间可以围绕对象来回运动或者相对于对象运动，以便检测对象，其中，由所述定位信号和所述传感器信号还可以产生或者产生关于对象的三维构型或者三维表面轮廓的比较精确的扫描数据。
本发明的有利的构型和扩展方案可以由从属权利要求和参考附图的描述中获知。
根据一种优选的扩展方案设置，所述模块配置用于根据定位信号和传感器信号来产生扫描数据，其中，由所述扫描数据尤其可以导出关于对象的三维形状的图像信息。
由此有利地可能的是，通过使用定位信号与传感器信号能够实现对象的基于位态的测量，使得所述图像信息可以由定位数据及传感器数据来构造。
根据另一种优选的扩展方案设置，
-所述传感器装置具有至少一个微机电惯性传感器，其中，所述至少一个惯性传感器尤其包括加速度传感器和/或转速传感器，其中，所述传感器信号尤其包括关于所述模块的位置和/或定向的位态信息；和/或，
-所述传感器装置具有至少一个磁场传感器；和/或
-所述传感器装置具有至少一个视频传感器，尤其一个相机。
由此有利地可能的是，能够实现对象的尤其精确的、基于位态的测量。通过使用微机电系统(MEMS)，在此能够实现所述模块的尤其紧凑的结构形状，使得模块可以集成在大量不同的电设备——尤其便携式电设备中。所述微机电惯性传感器在此能够实现特别精确的位态确定，使得相比于由定位信号通过信号处理重构图像信息减小开销。
根据一种另外的优选扩展方案设置，扫描镜结构这样配置，使得通过所述扫描运动将线状的投影投影到所述对象上，其中，所述投影尤其具有直线形状。
由此有利地可能的是，提供特别简单和紧凑地构造的模块，使得仅需产生扫描线并且还能够实现具有比较高的精确性的对象检测。
根据一种另外的优选扩展方案设置，所述扫描镜结构是微机电扫描镜结构。根据一种另外的优选扩展方案设置，所述扫描镜结构具有扫描镜元件，该扫描镜元件具有可围绕第一和/或第二轴线摆动的镜机构，其中，所述第二轴线与第一轴线尤其垂直。
由此有利地可能的是，使用微机电系统(MEMS)提供特别紧凑和成本有利的模块，使得所述模块可集成在大量不同的电设备——尤其是便携式电设备中。优选地，所述扫描镜元件仅仅可以围绕恰好一个轴线摆动，使得在扫描运动期间尤其通过初级光束的偏转——通过可围绕恰好一个轴线摆动的镜元件——产生直线的投影。
根据另一种优选的扩展方案设置，所述模块这样配置用于产生定位信号，使得所述定位信号具有关于通过初级光束在对象表面上产生的投影点的定位的定位信息与扫描镜结构的偏转姿态之间的尤其唯一的分配，其中，所述模块尤其具有用于定位信息与偏转姿态的时间相关的同步单元。根据一种另外的优选扩展方案设置，所述传感器装置这样配置用于产生传感器信号，使得所述传感器信号具有关于所述模块在空间中的位态的位态信息与所述扫描镜结构的偏转姿态之间的尤其唯一的分配，其中，所述模块尤其具有用于位态信息和所述偏转姿态的时间相关的同步单元。
由此有利地可能的是，所述定位信号这样配置，使得由定位信号可以导出关于对象表面轮廓的轮廓信息。所述轮廓信息尤其包括关于对象表面的在沿(行状的或直线的)扫描运动(扫描线)期间由初级光束照射或者采样的那个对象表面部分的高度轮廓的轮廓信息。
根据本发明的方法的一种优选扩展方案设置，根据定位信号和传感器信号这样产生扫描数据，使得由所述扫描数据可以导出关于对象的三维形状的图像信息。
由此有利地可能的是，所述模块在扫描运动期间可以围绕所述对象来回运动，以便检测对象，其中，还产生关于对象的三维构型或者关于对象的表面轮廓的比较精确的图像。
根据本发明的方法的一种优选扩展方案设置，在扫描运动期间探测模块的位态信息——尤其模块的位置和/或定向，其中，根据所探测的位态信息产生传感器信号。
由此有利地可能的是，能够实现对象的特别精确的、基于位态的测量，并且通过使用微机电系统(MEMS)同时能够实现模块的尤其紧凑的结构形状，使得所述模块可以集成在大量不同的电设备——尤其便携式电设备中。通过使用微机电惯性传感器尤其在此能够达到特别精确的位态确定，通过该位态确定，与通过信号处理来重构图像信息相比，用于由定位信号重构所检测的对象的三维图像的开销减少。
根据本发明的方法的一种优选扩展方案设置，通过定位信息与偏转姿态的时间相关来产生定位信号，和/或，通过位态信息与偏转姿态的时间相关来产生位态信号。
由此有利地可能的是，通过模块能够实现对象的比较精确的检测，该模块是这样紧凑，使得所述模块可以集成在大量不同的电设备中——尤其便携电设备中，或者可以与其一起使用。
附图说明
在附图中示出并且在以下说明中进一步阐述本发明的实施例。
附图示出：
图1至3：根据本发明的不同实施方式的模块；
图4：关于对象的一种示例性测量的图；
图5：根据本发明的一种实施方式的模块的扫描镜结构；
图6至10：根据本发明的不同实施方式的模块。
在不同的附图中，相同的部分总是设有相同的附图标记并且因此通常也分别仅仅命名或提及一次。
具体实施方式
在图1中以示意图示出根据本发明的一种实施例的模块2。模块2配置用于测量对象4，其中，该测量尤其用于产生关于对象的空间物理构型或者形状的3D图像信息。模块2在此具有用于产生初级光束3——尤其激光束3的光源6。另外，模块2包括扫描镜结构7、7’，其中，扫描镜结构7、7’这样配置用于偏转初级光束3，使得由初级光束3实施扫描运动。优选地，在扫描运动期间这样偏转初级光束3，使得通过初级光束3与对象4的相互作用在对象4的表面(对象表面)上产生的投影点4’基本上以线的方式——例如直线地或者曲线地——例如逐行地或者逐面地——扫描对象表面。模块2另外具有用于探测由投影点4’出发的次级信号5的光学探测装置9，其中，当在扫描镜结构7、7’的一个偏转姿态中通过初级光束3与对象4的相互作用产生次级信号5时，通过模块2探测该次级信号5。另外，通过模块2根据扫描镜结构7、7’的偏转姿态产生关于’定位的定位信号——也就是说尤其对象表面上的投影点4’的距离探测和/或位置确定。
另外，模块2在此尤其具有用于产生用于对象4的基于位态(lagegestützt)的测量的传感信号的传感器装置10。
定位信号的定位信息优选地涉及定位——也就是说模块2与对象表面上的投影点4’(也就是说由初级光束3产生的在对象4’的表面上的点状区域意义上的投影点4’)之间的位置确定和/或距离确定。所述位置确定替代地或者累积地涉及确定投影点4’相对于其他投影点(未示出)的位置，其中，分别在扫描运动期间的不同时刻产生所述投影点与所述其他投影点。
模块2优选具有第一部分模块21、第二部分模块22、第三部分模块23、第四部分模块24、第五部分模块25、第六部分模块26、第七部分模块27、第八部分模块28和/或其他部分模块。由此，提供模块化构造的模块2，其例如根据模块化原则可以与大量不同电设备1和/或应用情形灵活地匹配。
在模块2的一种示例性的实施方式中，第一部分模块21是配置用于产生初级光束3和/或另一初级光束3’的光模块21，和/或，第二部分模块22是配置用于产生初级光束3的扫描运动和/或另一初级光束3’的另一扫描运动的扫描模块22，和/或，第三部分模块23是配置用于根据次级信号5和/或其他次级信号5’产生探测信号的第一控制和/或探测模块23，和/或，第四部分模块24是用于产生定位信息的分析处理模块24，和/或，第五部分模块25是第二个控制和/或探测模块25，和/或，第六部分模块26是用于控制能量供给的控制模块26，和/或，第七部分模块27是传感器模块，和/或，第八部分模块28是配置用于与电设备1通信的和/或用于向电设备1传输数据的通信模块28。
所述光模块21尤其配置用于产生初级光束3。光模块21例如具有光源6，优选具有发光二极管，特别优选具有激光二极管或者表面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser(垂直腔表面发射激光器)-VCSEL)。由光源6产生的初级光束3尤其是可见光束3——也就是说波长为大约380纳米(nm)至780纳米的光——或者红外(IR)光束。光源6例如既配置用于产生初级光束3，又配置用于探测次级信号3(也就是说，光源6包括与光源单片集成的光学探测元件)。替代地或者累积地，模块2尤其具有用于探测次级信号5的光学探测装置9——例如光电二极管。
扫描模块22在此具有扫描镜结构7、7’，所述扫描镜结构7、7’具有微机电扫描镜元件7。所述模块2尤其这样配置，使得初级光束3通过扫描镜结构7以如下方式被偏转：初级光束3实施(行状的)扫描运动，使得通过所述扫描运动将(直线的或者曲线的)扫描线或者扫描图(投影)投影到对象4的表面上。微机电扫描镜元件7可被调节到(扫描镜元件7或者另一扫描镜元件7’的)两个最大偏转姿态之间的区域中的多个偏转姿态中。在两个最大偏转姿态的第一最大偏转姿态中，通过扫描镜结构7朝沿定位区域30的第一发射方向101’(在此尤其定位平面或者发射面)发射初级光束3。在两个最大偏转姿态的第二最大偏转姿态中，通过扫描镜结构7朝沿定位区域30的第二发射方向101”发射初级光束3。在此，通过第一发射方向101’和第二发射方向101”定义定位区域30的定位界限101’、101”。
在图2中示出根据本发明的一种实施方式的模块2，其中，在此示出的实施方式尤其与其他根据本发明的实施方式基本上相同。模块2在此这样配置，使得通过扫描运动将直线的投影31(扫描线)投影到对象4上。微机电扫描镜结构7、7’这样配置用于偏转初级光束3，使得产生直线的投影31。投影点4’在此例如沿示出的直线的扫描线31沿投影面200(在该投影面200中例如布置有对象4的表面)运动。尤其借助控制信号这样加载扫描镜结构7、7’，使得产生扫描线31。
模块2优选地这样配置用于产生关于扫描镜元件7的偏转姿态和/或另一扫描镜元件7’的另一偏转姿态的偏转姿态探测信号，使得尤其通过借助同步单元的时间相关根据(关于次级信号的探测的)探测信号和(关于扫描镜结构7，7’的偏转姿态的)偏转姿态信号’来产生定位信号。所述定位信号尤其包括关于投影点4’相对于模块2的位置和/或距离，和/或，尤其包括关于投影点4’在对象4的对象表面(在此通过投影面200示出)上的位置的位置坐标。
此外，模块2在此具有用于产生用于对象4的基于位态的测量的传感器信号的传感器装置10。传感器装置10优选地包括至少一个微机电惯性传感器，其中，所述至少一个惯性传感器尤其包括加速度传感器和/或转速传感器，其中，所述传感器信号包括关于模块2的位置和/或定向的位态信息。
在图3中示出根据本发明的一种实施方式的模块2，其中，在此示出的实施方式尤其与其他根据本发明的实施方式基本上相同。模块2例如在扫描运动期间围绕对象4来回运动或者说相对于对象4运动，以便检测或者测量对象4，其中，由定位信号和传感器信号还可以产生或者产生关于对象4的三维构型或者三维表面轮廓的比较精确的扫描数据。例如，模块2在此围绕垂直于初级光束3的发射方向的轴线这样摆动一个角度，使得根据模块2的位态将不同的投影(扫描线31’、31”)投影到对象4上，使得根据模块2的位态探测对象轮廓。
图4示出关于通过根据本发明的一种实施方式的模块2示例性地测量对象4的图，其中，在此描述的实施方式尤其基本上与根据本发明的其他实施方式相同。在此示例性地示出所测量的对象4的可由所述定位信号导出的高度轮廓，其中，在此根据定位——或者扫描镜结构7、7’的偏转姿态(见标记201)示出模块2与投影点4’之间的’距离(见标记301)。
在图5中示出根据本发明的一种实施方式的模块2的扫描镜结构7、7’的扫描镜元件7，其中，在此示出的实施方式与根据本发明的其他实施方式尤其基本上相同。扫描镜结构7、7’的扫描镜元件7具有可摆动的镜机构71、弹簧结构72、可运动的梁结构73和另一弹簧结构74。在此，弹簧结构72和另一弹簧结构74主要沿第一轴线701延伸。镜机构71通过弹簧结构72间接连接在梁元件73上并且梁元件73通过另一弹簧结构74间接连接在基底75上。弹簧结构72和/或另一弹簧结构74尤其是扭簧和/或弯曲弹簧。在此，扫描镜元件7这样配置，使得镜机构71可以围绕第一轴线701和/或第二轴线702摆动，其中，第一轴线701与第二轴线702基本上垂直，其中，第一轴线701和/或第二轴线与基底75的主延伸平面尤其基本上平行地延伸。
在图6中示出了根据本发明的一种实施方式的模块2，其中，在此示出的实施方式尤其与根据本发明的其他实施方式基本上相同。初级光束3在此通过光模块21产生，其中，初级光束3指向扫描镜元件7。通过扫描镜元件7这样偏转初级光束3，使得初级光束3射到另一扫描镜元件7’上。接下来，通过另一扫描镜元件7’这样偏转初级光束3，使得将所述初级光束朝发射方向101发射到发射面30中。
优选地，可以这样控制和/或调节扫描镜结构7、7’(也就是说扫描镜元件7和/或另一扫描镜元件7’)，使得初级光束3以示出的方式实施扫描运动，其中，所述扫描运动尤其是行状的(单行的)或者网格状的(多行的)扫描运动。在此优选地，将(直线的或曲线的)投影(扫描线或扫描图)投影到投影面200上。
在此，扫描镜元件7可以围绕第一轴线701摆动，并且另一扫描镜元件7’可以围绕第二轴线702摆动，其中，第一轴线701和第二轴线702尤其基本上彼此垂直地定向。根据扫描镜元件7围绕所述第一轴线的摆动运动，产生初级光束3的沿Y方向的Y扫描运动。根据另一扫描镜元件7’围绕第二轴线702的摆动运动，产生初级光束3的沿与Y方向基本上垂直的X方向的X扫描运动。
另外，在此有利地尤其可能的是，将图像信息投影到投影面200上。因此，根据本发明的模块2以有利的方式也配置成作为激光投影仪来使用。则光模块21尤其是激光模块21，例如红绿蓝(RGB)模块21。
在图7和图8中示出了根据本发明的不同实施方式的模块2，其中，在此示出的实施方式尤其与其他根据本发明的实施方式基本上相同。在图7中示出的模块2在此具有光模块21和扫描模块22。光模块21尤其包括多个光源6、6’、6”、6”’。光模块21例如是RGB模块，其中，光模块21配置用于产生初级光束3，其中，初级光束3具有红光、绿光、蓝光和/或红外光。在图8中示出的实施方式基本上相应于在图14中示出的实施方式，其中，在此额外示出配置用于提供人机接口的探测元件9并且尤其示出透镜元件9”。
在图9中，以立体图的方式示出了根据本发明的一种实施方式的模块2，其中，在此示出的实施方式与根据本发明的其他实施方式尤其基本上相同。在此，模块2包括光模块21和扫描模块22，其中，扫描模块22在此包括扫描镜结构7、7’。另外，扫描模块22尤其具有用于固定扫描镜结构7、7’的支架32。扫描镜结构7、7’在此具有微机电扫描镜元件7与另一扫描镜元件7’。所述另一扫描镜元件7’尤其也是微机电扫描镜元件。替代地，代替所述另一扫描镜元件7’，模块2具有’与支架32不能相对彼此运动地连接的广角光学器件8(未示出)，其中，广角光学器件8包括凸地或凹地弯曲的微镜和/或透镜。在此尤其进一步示出光束出发区域34，通过该光束出发区域34，初级光束3被发射到发射区域30中。模块2优选地包括用于固定其他部分模块的另一支架32’。
在图10中以立体图的方式示出了根据本发明的一种实施方式的模块2，其中，在此示出的实施方式与其他根据本发明的实施方式尤其基本上相同。扫描模块22在此基本上沿扫描模块高22’且主要沿扫描模块长22”延伸。扫描模块高22’优选为1毫米(mm)至15mm之间，尤其优选为3mm至9mm之间，完全特别优选为大约5.9mm。扫描模块长22”优选为5mm至50mm之间，尤其优选为10mm至30mm之间，完全特别优选为大约20mm。在此，所述模块具有扫描镜元件7——该扫描镜元件也被称作MEMS镜——和所述另一扫描镜元件7’。在此，所述模块尤其包括用于在模块2中固定扫描模块2的磁体元件33、33’和/或用于在电设备1(未示出)中固定模块2的固定机构35、35’。

Claims (13)

1.一种用于测量对象(4)的模块(2)，其中，所述模块(2)配置用于产生初级光束(3)，其中，所述模块(2)具有扫描镜结构(7，7’)，其中，所述扫描镜结构(7，7’)这样配置用于偏转所述初级光束(3)，使得由所述初级光束(3)实施扫描运动，其中，所述模块(2)这样配置，使得当在所述扫描镜结构(7，7’)的偏转姿态中，通过所述初级光束(3)与所述对象(4)的相互作用产生次级信号(5)时，能够探测所述次级信号(5)，其中，所述模块(2)配置用于根据所述扫描镜结构(7，7’)的偏转姿态产生定位信号，其特征在于，所述模块(2)具有用于产生所述对象(4)的基于位态的测量的传感器信号的传感器装置(10)。
2.根据权利要求1所述的模块(2)，其特征在于，所述模块(2)配置用于根据所述定位信号和所述传感器信号产生扫描数据，其中，由所述扫描数据尤其能够导出关于所述对象(4)的三维形状的图像信息。
3.根据上述权利要求之一所述的模块(2)，其特征在于，
所述传感器装置(10)具有至少一个微机电惯性传感器，其中，所述至少一个惯性传感器尤其包括加速度传感器和/或转速传感器，其中，所述传感器信号尤其包括关于所述模块(2)的位置和/或定向的位态信息；和/或
所述传感器装置(10)具有至少一个磁场传感器；和/或
所述传感器装置(10)具有至少一个视频传感器，尤其具有相机。
4.根据上述权利要求之一所述的模块(2)，其特征在于，所述扫描镜结构(7，7’)这样配置，使得通过所述扫描运动将线状的投影(31)投影到所述对象(4)上，其中，所述投影(31)尤其具有直线的形状。
5.根据上述权利要求之一所述的模块(2)，其特征在于，所述扫描镜结构(7，7’)是微机电扫描镜结构(7，7’)。
6.根据上述权利要求之一所述的模块(2)，其特征在于，所述扫描镜结构(7，7’)具有扫描镜元件(7)，该扫描镜元件(7)具有能够围绕第一轴线(701)和/或第二轴线(702)摆动的镜机构(71)，其中，所述第二轴线(702)尤其与所述第一轴线(701)垂直。
7.根据上述权利要求之一所述的模块(2)，其特征在于，所述模块(2)配置用于产生所述定位信号，所述定位信号具有关于通过所述初级光束(3)在所述对象(4)的表面产生的投影点(4’)的定位的定位信息与所述扫描镜结构(7，7’)的偏转姿态之间的尤其唯一的分配，其中，所述模块(2)尤其具有用于所述定位信息与所述偏转姿态的时间相关的同步单元。
8.根据上述权利要求之一所述的模块(2)，其特征在于，所述传感器装置(10)这样配置用于产生所述传感器信号，使得所传感器信号具有关于所述模块(2)在空间中的位态与所述扫描镜结构(7，7’)的偏转姿态之间的尤其唯一的分配，其中，所述模块(2)尤其具有用于所述位态信息与所述偏转姿态的时间相关的同步单元。
9.一种电设备(1)，其具有根据上述权利要求之一所述的模块(2)，其特征在于，所述模块(2)集成在所述电设备中，其中，所述电设备(1)是3D激光扫描仪，其中，所述电设备(1)尤其是激光投影仪和/或移动电信终端设备。
10.一种用于运行根据上述权利要求1至8之一所述的模块(2)的方法，其特征在于，在第一运行步骤中，产生所述初级光束(3)，其中，所述初级光束(3)指向所述扫描镜结构(7，7’)，其中，在第二运行步骤中，通过所述扫描镜结构(7，7’)这样偏转所述初级光束(3)，使得由所述初级光束(3)实施扫描运动，其中，在第三运行步骤中，探测在所述扫描镜结构(7，7’)的偏转姿态中通过所述初级光束(3)与所述对象(4)的相互作用产生的次级信号(5)，其中，在第四运行步骤中，产生定位信号，其中，通过所述传感器装置(10)产生用于所述对象(4)的基于位态的检测的传感器信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，根据所述定位信号和所述传感器信号这样产生扫描数据，使得由所述扫描数据能够导出关于所述对象(4)的三维形状的图像信息。
12.根据权利要求10或11之一所述的方法，其特征在于，在所述扫描运动期间探测所述模块(2)的位态信息，尤其所述模块(2)的位置和/或定向，其中，根据所探测的位态信息产生所述传感器信号。
13.根据权利要求10至12之一所述的方法，其特征在于，通过定位信息与所述偏转姿态的时间相关来产生所述定位信号，和/或，通过所述位态信息与所述偏转姿态的时间相关来产生所述位态信号。
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