CN114485458A - 一种结构光三维扫描装置、方法、系统 - Google Patents

Abstract

一种结构光三维扫描装置、方法、系统。本发明采用一个大功率的LD二极管，配合中高速振镜电机，将激光器发射的激光束，通过电机上一个反射镜的摆动，形成余弦结构光面阵信号，再经过光学棱镜修正后，形成密集平行的结构光束投射到物体表面，然后被传感器获取到光源形变数据，经过滤光片摒弃环境光干扰后，在电脑软件上由结构光相移算法进行点云重建，从而得出物体表面的三维特征数据，根据本发明做出的扫描装备，具有强烈的抗干扰性，可以直接扫描黑色，亮面，反光物体，且将点云数据噪声降到最低，同时，也将结构光扫描范围扩大至1米以上，进一步扩宽三维扫描应用场景到船舶，大型机械，神龛，建筑物等领域。

Description

一种结构光三维扫描装置、方法、系统

技术领域

本发明涉及三维扫描领域，具体而言，涉及一种结构光三维扫描装置、方法、系统。

背景技术

目前，国内外市面上已有较多的结构光三维扫描仪产品，这些三维扫描仪大多采用LED光源，经过数字光学处理后，借助三角测距的原理，投射光源到物体表面，再被扫描仪自带的传感器接收，系统根据接收回来的光源编码、纹理形变等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线，面，体等各种物件数据；

就扫描原理来看，由于黑色物体吸光，亮面物体反光，故传统的结构光扫描仪无法应对黑色及亮面物体回传的信息，这已然是业内最大的痛点；

从光源来看，这些扫描仪大多是可见光源，如白光，蓝光等，无法实现不可见光源的投射，且一种光源对应一种设计电路，很难实现批量生产；

就扫描范围而论，受LED光学元件的影响，这些扫描仪的扫描幅面最大不超过50*40cm，一般应用在2米以下尺寸的扫描件上；

就使用环境而论，这些扫描仪均不能在室外作业，室内工作时，也容易受到环境光和电磁波干扰；

针对上述情况，目前尚未有人提出有效的解决方案。本发明解决了光源受制，扫描范围小，抗干扰性差的问题，从硬件装置，到扫描方法都做了适应性调整。

发明内容

首先，核心装置上，区别于传统的DLP投光技术，本发明采用一个大功率的LD二极管，配合中高速振镜电机，将激光器发射的激光束，通过电机上一个反射镜的摆动，形成余弦结构光面阵信号，达到结构光扫描成像效果。该装置所述及的LD二极管，经实验证明，须使用大功率LD二极管,一方面，因大功率激光器供电充足，延长了激光的传播距离，可将单幅扫描范围扩展至1米以上，且经过高速振镜后产生的余弦面阵光学信号，仍可通过FPGA进一步编译调制，从而打破了单线传播的限制；另一方面，大功率供电保证了激光的高相干性，将环境光的干扰相对减少；

然后，调制激光器的亮度，使余弦结构光面阵随着扫描时间呈现不同的排列，通过测量相位差来间接完成测距，获取物体表面的点云三维坐标来完成重建过程。

根据本发明实施的一个方面，提供了一种扫描装置，包括：大功率LD二极管发散扇形光路，发散后的扇形光路经过光学透镜聚焦后散射出更宽的光路，并呈现出线形效果，由此将光源扩散成若干条线形相干光，线形光束经过整形棱镜修整后，可投出若干条密集，平整，规律，的平行光束；此处再次重申大功率LD二极管的作用，即：激光束在经过透镜和整形棱镜修整后，仍可保证较高的相干性及亮度；

同时，本发明可以通过选择LD二极管的类别来控制光源类型，如红外LD二极管，蓝光LD二极管，不仅保留了激光的高相干性，还可以搭配滤色片实现更好的单色性，以此灵活定制更加高效、低成本的结构光源。

进一步的，密集的平行光束，投射到物体表面后再被搭配滤色镜片的传感器获取处理，在过滤掉外界不相干光源后，将获取更稳定，更少干扰的数据信息；如扫描亮面物体时，可通过滤色镜片过滤特定反射方向的光源，减少数据噪音；如扫描黑色物体时，可通过滤色镜片过滤漫反射光源；因LD二极管功率较大，散发出更大磁场的光电信号，不易受外界磁波干扰，故此，滤色镜片作为本发明中降噪的元器件，是行之有效的。

进一步的，上述该结构，可以作为一套完整的光学模块，包括LD二极管和镜头滤色光片互为补充，保证投射在物体表面的光源，和传感器获取的波段信息高度一致，且将外界不相干光源的干扰降到最低限度；

以此可根据应用场景定制特种零配件，搭配相关相机系统，用于三维扫描，三维测量的其他方面，作为一套完整的扫描系统。

根据本发明实施的一个方面，提供了一种三维扫描方法，即传感器获取投射在物

体表面的机构光形变信息时，仅允许特定波长的光通过；包括通过以上光学模块采集完单面数据以后，仍然通过三角测距法返回至CMOS感光元件，对物体表面信息使用相移法进行光强解码，不仅能获得目标物体表面形变对应的三维坐标系，也能获得物体的三维测量结果。

由以上扫描装置和方法组成的扫描系统，可以视为特定光源结构光扫描系统，如红外结构光扫描系统，蓝光结构光扫描系统等，有别于市面上同类型产品，本发明涉及的扫描系统具有不受环境光干扰、不受扫描范围限制，不受黑色，亮面物体制约，无扫描对象要求等优势，且必须搭配大功率LD二极管和滤色光片以获取相应的扫描结果。

四：本发明创造的优点：

本发明解决了目前三维扫描仪幅面小，光源单一，光源受限，易受电磁干扰等问题，将大功率LD二极管，振镜电机，和相移法测量方法相结合，在延续了原有优势的基础上，不仅可以灵活的选择光源，更维持了光源稳定性，经过修正后的光源，在相同时间内，可以获取更多，更有效，更稳定的成像数据，同时扩大了应用场景，如船舶、大型机械、神龛、建筑物等。

五：具体实施例及附图说明：

图1是本发明装置图；

图2是本发明扫描系统图；

图3是本发明流程图；

图4为图3 S5步骤中拍摄的一个周期内的部分条纹图。

附图1和图2为本发明作为一种光学模块和扫描装置所做的进一步阐述，就硬件装置的工作原理做了结构指示，用来提供对本发明的结构装置作进一步理解，构成本申请的一部分，用于解释本发明，但不限制各模块之间位置设定，也不构成对本发明的不当限定；

根据本发明所提供的三维扫描系统实施例，在附图3的流程图示的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤；

图4为图3 S5步骤中拍摄的一个周期内的部分条纹图，解释了投影条纹在S4一个周期内不同亮度时刻体现的光学形态，以被传感器实时获取。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.本发明采用一个大功率的LD二极管，配合中高速振镜电机，将激光器发射的激光束，通过电机上一个反射镜的摆动，形成余弦结构光面阵信号，再经过光学棱镜修正后，形成密集平行的结构光束投射到物体表面，然后被传感器获取到光源形变数据，经过滤光片摒弃环境光干扰后，在电脑软件上由结构光相移算法进行点云重建，从而得出物体表面的三维特征数据。

2.根据权利要求1所述的激光器，本质上是一种光源，可以是点激光，也可以是线激光。

3.根据权利要求1所述的LD二极管，其特征在于，必须是大功率LD二极管。

4.根据权利要求1所述的滤色光片，可以和二极管互为补充，也可以作为单独的元件用在相机镜头上。

5.根据权利要求1所述的LD二极管发光体，可以设定为不同波长的光源。

6.根据权利要求1所述的结构光装置，可以是一体化光机，也可以是互相独立的上述零配件组合。

7.根据权利要求1所述的装置，可以配合不同的软件算法，形成特定的结构光扫描系统。

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