CN106840035B - 建立物件轮廓影像的扫描装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种建立物件轮廓影像的扫描装置及方法，该扫描装置包含一光源、一光感测器及一处理器。该扫描方法包含：提供一投射偏振光束；将该投射偏振光束投射至一待扫描物件，且该待扫描物件依据该投射偏振光束反射对应的一反射偏振光束；拍摄该反射偏振光束；依据该投射偏振光束及该反射偏振光束计算一偏振态信息，该偏振态信息具有一法线面角度及一对应点位置；以及依据该偏振态信息还原该待扫描物件的轮廓影像，以提升扫描物件轮廓的精确度。

Description

建立物件轮廓影像的扫描装置及方法
技术领域
本发明涉及一种扫描装置及方法，特别涉及一种建立物件轮廓影像的扫描装置及方法。
背景技术
如图1及图2所示，现有对一待扫描物件5进行扫描轮廓的技术中，利用一光束6对该待扫描物件5投射，并进行取像，然而现有的取像方法大多只能取得投射点对应位置信息，并没有各对应位置的法线方向信息，无法有效还原该待扫描物件5的轮廓及提升其精确度。
例如当该光束6沿该扫描方向D(即X轴方向)移动至位置L时，可取得该待扫描物件5的该位置L的轮廓(如图2所示)，由于只能取得该位置L中每个位置的光束投射方向信息(图2中将该位置L所取得的轮廓分为对应点位置L1～L12，且该些对应点位置L1～L12分别具有光束投射方向信息n1～n12)，也就是说只能取得该些对应点位置L1～L12的三轴座标信息(X轴、Y轴及Z轴)，但扫描精度取决于平面位置解析，缺少待扫描物件的各对应点的法线信息，因此所还原出的该待扫描物件5的轮廓较为粗糙。
而现有为了解决轮廓粗糙的问题，一般利用内插法等技术进一步还原、修正轮廓，然而这样的处理方式仍无法完全精确地还原出待扫描物件轮廓51。
有鉴于此，便有需要提供一种建立物件轮廓影像的扫描装置及方法，来有效解决前述问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种建立物件轮廓影像的扫描装置及方法，藉由提供包含S偏振光及/或P偏振光的投射偏振光束对一物件的轮廓进行扫描，以取得包含该物件轮廓对应点位置(例如二维位置)及法线面角度的偏振态信息，可获得高精确度的物件轮廓影像。
为达成上述方法目的，本发明提供一种建立物件轮廓影像的扫描方法，包含：提供一投射偏振光束；将该投射偏振光束投射至一待扫描物件，且该待扫描物件依据该投射偏振光束反射对应的一反射偏振光束；拍摄该反射偏振光束；依据该投射偏振光束及该反射偏振光束计算一偏振态信息，该偏振态信息具有一法线面角度及一对应点位置，其中：依据该投射偏振光束的一投射偏振角度信息及该反射偏振光束的一反射偏振角度信息的一增益比计算该法线面角度；以及藉由拍摄该反射偏振光束，以三角测量法推导出该对应点位置；以及依据该偏振态信息还原该待扫描物件的轮廓影像。
为达成上述装置目的，本发明提供一种建立物件轮廓影像的扫描装置，包含：一光源，用以提供一投射偏振光束并投射于一待扫描物件，其中该待扫描物件依据该投射偏振光束反射对应的一反射偏振光束；一光感测器，设置于该反射偏振光束的前进路径上，用以拍摄该反射偏振光束；以及一处理器，电性连接该光感测器，用以依据该投射偏振光束及该反射偏振光束计算一偏振态信息，并依据该偏振态信息还原该待扫描物件的轮廓影像。
进一步的是，该投射偏振光束包含一S偏振光及/或一P偏振光。
更进一步的是，当该投射偏振光束包含该S偏振光时，该偏振态信息包含一第一偏振态信息，该法线面角度包含一第一角度，该对应点位置包含一第一位置，并依据该第一角度及该第一位置取得该轮廓影像的一第一轮廓影像；及当该投射偏振光束包含该P偏振光时，该偏振态信息包含一第二偏振态信息，该法线面角度包含一第二角度，该对应点位置包含一第二位置，并依据该第二角度及该第二位置还原该轮廓影像的一第二轮廓影像。
更进一步的是，当该偏振态信息同时包含该第一偏振态信息及该第二偏振态信息时，该扫描方法更包含依据该第一角度及该第二角度计算一第三角度，用以还原该轮廓影像的一第三轮廓影像。
本发明的特点在于，利用包含S偏振光及/或P偏振光的投射偏振光束投射于一待扫描物件上，使该待扫描物件反射一包含该S偏振光及/或该P偏振光的反射偏振光束，藉由S偏振光取得包含一第一角度及一第一位置的一第一偏振态信息，依据该第一偏振态信息还原一第一轮廓影像。也可藉由该P偏振光取得包含一第二角度及一第二位置的一第二偏振态信息，并依据该第二偏振态信息还原一第二轮廓影像。该第一轮廓影像及该第二轮廓影像都能精确地还原出该待扫描物件的轮廓影像。
此外，更可将该第一角度及该第二角度计算出最佳化的一第三角度，并取得一第三偏振态信息，使得依据该第三偏振态信息还原的第三轮廓影像更符合该待扫描物件的轮廓影像，以提升扫描物件轮廓的精确度。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为现有物件轮廓的进行扫描的示意图；
图2为现有物件轮廓的还原示意图；
图3为本发明一实施例的建立物件轮廓影像的扫描方法的流程示意图；
图4为本发明一实施例的建立物件轮廓影像的扫描装置的示意图；
图5为本发明的S偏振光及P偏振光的反射系数与入射角的对应关系图；
图6a为本发明的S偏振光相对该待扫描物件的法线所夹的入射角示意图；
图6b为本发明的P偏振光相对该待扫描物件的法线所夹的入射角示意图；
图7为本发明另一实施例的建立物件轮廓影像的扫描装置的示意图；
图8为本发明的物件轮廓还原示意图；以及
图9为本发明应用于口腔扫描所还原的第一轮廓影像与第三轮廓影像的示意图。
其中，附图标记
现有技术：
5 待扫描物件
51 待扫描物件轮廓
6 光束
D 扫描方向
L 位置
L1～L12 对应点位置
n1～n12 光束投射方向信息
本发明：
1 扫描方法
2 扫描装置
21 光源
211 投射偏振光束
212 反射偏振光束
22 待扫描物件
23 光感测器
231 第一感光元件
232 第二感光元件
233 检偏元件
24 处理器
25 相位延迟片
26 分光元件
A 第一轮廓影像
A1 第一轮廓
B 第三轮廓影像
C1 S偏振光
C2 P偏振光
E 法线
F 对应点位置
g1～g12 切线方向信息
L1～L12 对应点位置
S101～S105 步骤
θ1 第一角度
θ2 第二角度
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
图3为本发明一实施例的建立物件轮廓影像的扫描方法的流程示意图，图4为本发明一实施例的建立物件轮廓影像的扫描装置的示意图。
请同时参阅图3及图4，本实施例所述的建立物件轮廓影像的扫描方法1，可应用于立体物件的3D扫描，用以还原立体物件的轮廓影像，包含下列步骤：
步骤S101：提供一投射偏振光束。
于本实施例中，该投射偏振光束是由一建立物件轮廓影像的扫描装置2所提供。详言之，该建立物件轮廓影像的扫描装置2包含：一光源21、一光感测器23及一处理器24。
该光源21用以提供该投射偏振光束211。该投射偏振光束211包含一S偏振光及/或一P偏振光，详言之，该投射偏振光束211可以仅为S偏振光，也可以仅为P偏振光，或者可以包含S偏振光及P偏振光的两种偏振态的偏振光。
举例，该S偏振光及该P偏振光可为一入射光经过两个偏振元件(图未示，例如线偏振片)分别反射出电场振动方向互相垂直的水平偏振光(例如P偏振光)及一垂直偏振光(例如S偏振光)。由于产生S偏振光及P偏振光为既有技术，在此不另详述。
其中，该投射偏振光束211的该S偏振光包含一第一投射偏振角度信息。该投射偏振光束211的该P偏振光包含一第二投射偏振角度信息。
步骤S102：将该投射偏振光束投射至一待扫描物件，且该待扫描物件依据该投射偏振光束反射对应的一反射偏振光束。
详言之，当该投射偏振光束211包含S偏振光时，该投射偏振光束211投射于一待扫描物件22后，该待扫描物件22会反射一对应该投射偏振光束211的反射偏振光束212，且该反射偏振光束212包含该S偏振光。其中该反射偏振光束212的该S偏振光包含一第一反射偏振角度信息。
同理，当该投射偏振光束211包含P偏振光时，该投射偏振光束211投射于一待扫描物件22后，该待扫描物件22会反射一对应该投射偏振光束211的反射偏振光束212，且该反射偏振光束212包含该P偏振光。其中该反射偏振光束212的该P偏振光包含一第二反射偏振角度信息。
步骤S103：拍摄该反射偏振光束。
本实施例的光感测器23设置于该反射偏振光束212的前进路径上，主要用以拍摄该反射偏振光束212。
由于该待扫描物件22为一立体物件，具有多个不同斜度的表面区域，因此当该投射偏振光束211经该待扫描物件22反射后所得反射偏振光束212会改变偏振方向(即偏振角度)，为了解析出该偏振方向，必须先取得该反射偏振光束212的偏振方向，也就是说，当该反射偏振光束212包含S偏振光与P偏振光时，必须先取得该S偏振光的第一反射偏振角度信息及该P偏振光的第二反射偏振角度信息。
因此，该光感测器23包含一检偏元件233，该检偏元件233为检偏器，当该反射偏振光束212包含该S偏振光与该P偏振光时，用以检测出该S偏振光的第一反射偏振角度信息及该P偏振光的第二反射偏振角度信息。
就以S偏振光为举例，假设该反射偏振光束212的S偏振光的光强度为Iin，当S偏振光进入该检偏元件233之后，若该S偏振光的偏振方向与该检偏元件233的一透射轴(图未示)夹θ角时，可计算出通过该检偏元件233的S偏振光的光强度Iout＝Iin×cos2θ，此即马勒定律(Malus’s Law)。由此可知，当θ＝0°时，该S偏振光均可通过该检偏元件233，反之，当θ＝90°时，通过该检偏元件233的光强度为零，代表该S偏振光无法通过该该检偏元件233，因此，可通过旋转该检偏元件233来检测该S偏振光的偏振方向。
步骤S104：依据该投射偏振光束及该反射偏振光束计算一偏振态信息，该偏振态信息具有一法线面角度及一对应点位置，其中：依据该投射偏振光束的一投射偏振角度信息及该反射偏振光束的一反射偏振角度信息的一增益比计算该法线面角度；以及藉由拍摄该反射偏振光束，以三角测量法推导出该对应点位置(例如二维位置)。
在该光感测器23拍摄该反射偏振光束212之后，当该反射偏振光束212包含S偏振光时，该处理器24可取得该第一反射偏振角度信息，且当该反射偏振光束212包含P偏振光时，该处理器24可取得该第二反射偏振角度信息，若该反射偏振光束212同时包含S偏振光及P偏振光时，该处理器24可取得该第一反射偏振角度信息及该第二反射偏振角度信息。
此外，当该投射偏振光束211包含该S偏振光时，该偏振态信息包含一第一偏振态信息，使该法线面角度包含一第一角度，且使该对应点位置包含一第一位置，意即该第一偏振态信息包含该第一角度及该第一位置，并依据该第一角度及该第一位置还原该轮廓影像的一第一轮廓影像。而当该投射偏振光束包含该P偏振光时，该偏振态信息包含一第二偏振态信息，使该法线面角度包含一第二角度，且使该对应点位置包含一第二位置，意即该第二偏振态信息包含该第二角度及该第二位置并依据该第二角度及该第二位置还原该轮廓影像的一第二轮廓影像。
其中，该第一位置及该第二位置的计算方式是利用现有以镜头成像特性为基础的几何关系，作为物体厚度量测与轮廓描绘的三角测量法(即三角测距)。该三角测量法的基本量测原理在物件表面利用光束投射一亮点或直线，由于投射条纹会依据轮廓表面起伏与曲度而产生扭曲变形的情况，藉由光感测器撷取光束影像(即反射偏振光束)，以三角几何关系推导出待测点的距离以及对应点位置座标等数据，藉以计算出该第一位置与该第二位置的座标(x,y,z)。而由于该三角测量法为现有现有技术，在此不另详述。
在本实施例中，该当该偏振态信息包含该第一偏振态信息时，该扫描方法更包含：依据该投射偏振光束的该第一投射偏振角度信息及该反射偏振光束的该第一反射偏振角度信息的一第一增益比计算该第一角度。且当该偏振态信息包含该第二偏振态信息时，该扫描方法更包含：依据该投射偏振光束的该第二投射偏振角度信息及该反射偏振光束的该第二反射偏振角度信息的一第二增益比计算该第二角度。
详言之，本实施例计算该第一角度的方式，主要利用该处理器24计算该投射偏振光束211的S偏振光的第一投射偏振角度信息及该反射偏振光束212的S偏振光的第一反射偏振角度信息的一第一增益比(例如光强度增益比)，以换算出该第一角度。举例，如图5所示，在设定该投射偏振光束211及该反射偏振光束212的光波长为633nm的情况下，假设该投射偏振光束211的光强度为Is_in，且其S偏振光的偏振角度为θs1，再假设取得该反射偏振光束的光强度为Is_out，且其S偏振光的偏振角度为θs2，此时，可计算该投射偏振光束211的S偏振光的光强度增益为Is_in cosθs1，该反射偏振光束212的S偏振光的光强度增益为Is_out cosθs2，因此可藉由该投射偏振光束211的S偏振光的光强度增益与该反射偏振光束212的S偏振光的光强度增益的比值，来取得该第一增益比(光强度增益比，即图5中的反射系数)。当该第一增益比在0.4时，该第一角度θ1(即图5中的入射角)约在76度。如图6a所示，其中该第一角度θ1为在该待扫描物件22的某一对应点位置F上，其投射的S偏振光C1与该对应点位置F的法线E的夹角。
而计算该第二角度的方式，主要利用该处理器24计算该投射偏振光束211的P偏振光的第二投射偏振角度信息及该第二反射偏振角度信息的一第二增益比(例如光强度增益比)，以换算出该第二角度。举例，再如图5所示，在设定该投射偏振光束211及该反射偏振光束212的光波长为633nm的情况下，假设该投射偏振光束211的光强度为Ip_in，且其P偏振光的偏振角度为θp1，再假设取得该反射偏振光束的光强度为Ip_out，且其P偏振光的偏振角度为θp2，此时，可计算该投射偏振光束211的P偏振光的光强度增益为Ip_in cosθp1，该反射偏振光束212的P偏振光的光强度增益为Ip_out cosθp2，因此可藉由该投射偏振光束211的P偏振光的光强度增益与该反射偏振光束212的P偏振光的光强度增益的比值，来取得该第二增益比(光强度增益比，即图5中的反射系数)。当该第二增益比在0.1时，该第二角度θ2(即图5中的入射角)约在75度。如图6b所示，其中该第二角度θ2为在该待扫描物件22的某一对应点位置F上，其投射的P偏振光C2与该对应点位置F的法线E的夹角。
在另一实施例中，如图7所示，当该投射偏振光束211及对应的反射偏振光束212同时包含有该S偏振光C1及P偏振光C2时，为了方便该光感测器23区分并拍摄该S偏振光C1及该P偏振光C2，该建立物件轮廓影像的扫描装置2更可包含：一分光元件26、一第一感光元件231及一第二感光元件232。
该分光元件26可为一分光镜，用以将该反射偏振光束212的该S偏振光及该P偏振光分为两道前进方向相互垂直的光束。该第一感光元件231及该第二感光元件232为光感测器，用以拍摄分别该S偏振光C1及该P偏振光C2，以利该处理器24计算该第一角度、该第一位置、该第二角度及该第二位置。
步骤S105：依据该偏振态信息还原该待扫描物件的轮廓影像。
该处理器24可内建一影像处理软件或可外接一影像处理器，用以将第一偏振态信息及该第二偏振态信息分别绘制出对应该待扫描物件22的该第一轮廓影像及该第二轮廓影像。
举例，若本实施例的投射偏振光束211的S偏振光投射于图1的待扫描物件5的位置L时，由于处理器24可计算出包含该第一角度及第一位置的第一偏振态信息，使得该处理器24或外接的影像处理器依据该第一偏振态信息而绘制出一第一轮廓A1(如图8所示)。且可发现该第一轮廓A1的每个对应点位置L1～L12都有其分别的切线方向信息，使该第一轮廓A1可精确地还原出该待扫描物件轮廓51。举例，如图6a所示，该切线方向信息可由该第一角度θ1及该对应点位置F计算出该第一位置的法线E，进而取得该对应点位置F的切线方向信息。
再举例，如图9所示，显示该第一轮廓影像A为实际扫描口腔内部的牙床而绘制出对应该第一偏振态信息的轮廓影像。
在另一实施例中，当该偏振态信息同时包含该第一偏振态信息及该第二偏振态信息时，该处理器24可依据该第一角度及该第二角度计算一第三角度，用以还原该轮廓影像的一第三轮廓影像。详言之，为了取得该待扫描物件22的表面轮廓更精确的法线面角度信息，可对该S偏振光的第一角度及P偏振光的第二角度做平均或内插法等技术计算一最佳化的第三角度，使得利用包含该第三角度的偏振态信息所绘制出的第三轮廓影像B更符合待扫描物件的轮廓影像，如图9所示。
因此，本发明是利用包含S偏振光及/或P偏振光的投射偏振光束投射于一待扫描物件上，使该待扫描物件反射一包含该S偏振光及/或该P偏振光的反射偏振光束，藉由S偏振光取得包含一第一角度及一第一位置的一第一偏振态信息，依据该第一偏振态信息还原一第一轮廓影像。也可藉由该P偏振光取得包含一第二角度及一第二位置的一第二偏振态信息，并依据该第二偏振态信息还原一第二轮廓影像。该第一轮廓影像及该第二轮廓影像都能精确地还原出该待扫描物件的轮廓影像。
此外，更可将该第一角度及该第二角度计算出最佳化的一第三角度，并取得一第三偏振态信息，使得依据该第三偏振态信息还原的第三轮廓影像更符合该待扫描物件的轮廓影像，以提升扫描物件轮廓的精确度。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种建立物件轮廓影像的扫描方法，其特征在于，包含下列步骤：
提供一投射偏振光束；
将该投射偏振光束投射至一待扫描物件，且该待扫描物件依据该投射偏振光束反射对应的一反射偏振光束；
拍摄该反射偏振光束；
依据该投射偏振光束及该反射偏振光束计算一偏振态信息，该偏振态信息具有一法线面角度及一对应点位置，其中：
依据该投射偏振光束的一投射偏振角度信息及该反射偏振光束的一反射偏振角度信息的一增益比计算该法线面角度；及
藉由拍摄该反射偏振光束，以三角测量法推导出该对应点位置；以及依据该偏振态信息还原该待扫描物件的轮廓影像。
2.根据权利要求1所述的建立物件轮廓影像的扫描方法，其特征在于，该投射偏振角度信息及该反射偏振角度信息的该增益比为光强度增益比。
3.根据权利要求1所述的建立物件轮廓影像的扫描方法，其特征在于，该投射偏振光束包含一S偏振光及/或一P偏振光。
4.根据权利要求3所述的建立物件轮廓影像的扫描方法，其特征在于：
当该投射偏振光束包含该S偏振光时，该偏振态信息包含一第一偏振态信息，该法线面角度包含一第一角度，该对应点位置包含一第一位置，并依据该第一角度及该第一位置还原该轮廓影像的一第一轮廓影像；及
当该投射偏振光束包含该P偏振光时，该偏振态信息包含一第二偏振态信息，该法线面角度包含一第二角度，该对应点位置包含一第二位置，并依据该第二角度及该第二位置还原该轮廓影像的一第二轮廓影像。
5.根据权利要求4所述的建立物件轮廓影像的扫描方法，其特征在于：
当该偏振态信息包含该第一偏振态信息时，该扫描方法更包含：依据该投射偏振光束的一第一投射偏振角度信息及该反射偏振光束的一第一反射偏振角度信息的一第一增益比计算该第一角度；及
当该偏振态信息包含该第二偏振态信息时，该扫描方法更包含：依据该投射偏振光束的一第二投射偏振角度信息及该反射偏振光束的一第二反射偏振角度信息的一第二增益比计算该第二角度。
6.根据权利要求4所述的建立物件轮廓影像的扫描方法，其特征在于，当该偏振态信息同时包含该第一偏振态信息及该第二偏振态信息时，该扫描方法更包含依据该第一角度及该第二角度计算一第三角度，用以还原该轮廓影像的一第三轮廓影像。
7.一种建立物件轮廓影像的扫描装置，其特征在于，包含：
一光源，用以提供一投射偏振光束并投射于一待扫描物件，其中该待扫描物件依据该投射偏振光束反射对应的一反射偏振光束；
一光感测器，设置于该反射偏振光束的前进路径上，用以拍摄该反射偏振光束；以及
一处理器，电性连接该光感测器，用以依据该投射偏振光束及该反射偏振光束计算一偏振态信息，并依据该偏振态信息还原该待扫描物件的轮廓影像，该偏振态信息具有一法线面角度及一对应点位置；
其中：依据该投射偏振光束的一投射偏振角度信息及该反射偏振光束的一反射偏振角度信息的一增益比计算该法线面角度；及藉由拍摄该反射偏振光束，以三角测量法推导出该对应点位置。
8.根据权利要求7所述的建立物件轮廓影像的扫描装置，其特征在于，该投射偏振光束包含一S偏振光及/或一P偏振光。
9.根据权利要求8所述的建立物件轮廓影像的扫描装置，其特征在于，该光感测器包含一检偏元件；
当该反射偏振光束包含该S偏振光时，该检偏元件用以检测出一第一反射偏振角度信息；及
当该反射偏振光束包含该P偏振光时，该检偏元件用以检测出一第二反射偏振角度信息。
10.根据权利要求9所述的建立物件轮廓影像的扫描装置，其特征在于，当该投射偏振光束同时包含该S偏振光及该P偏振光时，该光感测器更包含：
一分光元件，用以将该反射偏振光束的该S偏振光及该P偏振光分为两道前进方向相互垂直的光束；
一第一感光元件，用以拍摄该S偏振光；以及
一第二感光元件，用以拍摄该P偏振光。
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