TW201721179A - 建立物件輪廓影像之掃描裝置及方法 - Google Patents

Abstract

一種建立物件輪廓影像之掃描裝置及方法，該掃描裝置包含一光源、一光感測器及一處理器。該掃描方法包含：提供一投射偏振光束；將該投射偏振光束投射至一待掃描物件，且該待掃描物件依據該投射偏振光束反射對應的一反射偏振光束；拍攝該反射偏振光束；依據該投射偏振光束及該反射偏振光束計算一偏振態資訊，該偏振態資訊具有一法線面角度及一對應點位置；以及依據該偏振態資訊還原該待掃描物件之輪廓影像。

Description

建立物件輪廓影像之掃描裝置及方法

本發明有關於一種掃描裝置及方法，特別是關於一種建立物件輪廓影像之掃描裝置及方法。

按，如圖1及圖2所示，習知對一待掃描物件5進行掃描輪廓的技術中，利用一光束6對該待掃描物件5投射，並進行取像，然而現有的取像方法大多只能取得投射點對應位置資訊，並沒有各對應位置的法線方向資訊，無法有效還原該待掃描物件5之輪廓及提升其精確度。

例如當該光束6沿該掃描方向D(即X軸方向)移動至位置L時，可取得該待掃描物件5之該位置L的輪廓(如圖2所示)，由於只能取得該位置L中每個位置的光束投射方向資訊(圖2中將該位置L所取得的輪廓分為對應點位置L1~L12，且該些對應點位置L1~L12分別具有光束投射方向資訊n1~n12)，也就是說只能取得該些對應點位置L1~L12的三軸座標資訊(X軸、Y軸及Z軸)，但掃描精度取決於平面位置解析，缺少待掃描物件的各對應點的法線資訊，因此所還原出之該待掃描物件5之輪廓較為粗糙。

而習知為了解決輪廓粗糙的問題，一般利用內插法等技術進一步還原、修正輪廓，然而這樣的處理方式仍無法完全精確地還原出待掃描物件輪廓51。

有鑑於此，便有需要提供一種建立物件輪廓影像之掃描裝置及方法，來有效解決前述問題。

本發明的主要目的在於提供一種建立物件輪廓影像之掃描裝置及方法，藉由提供包含S偏振光及/或P偏振光的投射偏振光束對一物件之輪廓進行掃描，以取得包含該物件輪廓對應點位置(例如二維位置)及法線面角度的偏振態資訊，可獲得高精確度的物件輪廓影像。

為達成上述方法目的，本發明係提供一種建立物件輪廓影像之掃描方法，包含：提供一投射偏振光束；將該投射偏振光束投射至一待掃描物件，且該待掃描物件依據該投射偏振光束反射對應的一反射偏振光束；拍攝該反射偏振光束；依據該投射偏振光束及該反射偏振光束計算一偏振態資訊，該偏振態資訊具有一法線面角度及一對應點位置，其中：依據該投射偏振光束之一投射偏振角度資訊及該反射偏振光束之一反射偏振角度資訊的一增益比計算該法線面角度；以及藉由拍攝該反射偏振光束，以三角測量法推導出該對應點位置；以及依據該偏振態資訊還原該待掃描物件之輪廓影像。

為達成上述裝置目的，本發明係提供一種建立物件輪廓影像之掃描裝置，包含：一光源，用以提供一投射偏振光束並投射於一待掃描物件，其中該待掃描物件依據該投射偏振光束反射對應的一反射偏振光束；一光感測器，設置於該反射偏振光束的前進路徑上，用以拍攝該反射偏振光束；以及一處理器，電性連接該光感測器，用以依據該投射偏振光束及該反射偏振光束計算一偏振態資訊，並依據該偏振態資訊還原該待掃描物件之輪廓影像。

進一步的是，該投射偏振光束包含一S偏振光及/或一P偏振光。

更進一步的是，當該投射偏振光束包含該S偏振光時，該偏振態資訊包含一第一偏振態資訊，該法線面角度包含一第一角度，該對應點位置包含一第一位置，並依據該 第一角度及該第一位置取得該輪廓影像之一第一輪廓影像；及當該投射偏振光束包含該P偏振光時，該偏振態資訊包含一第二偏振態資訊，該法線面角度包含一第二角度，該對應點位置包含一第二位置，並依據該第二角度及該第二位置還原該輪廓影像之一第二輪廓影像。

更進一步的是，當該偏振態資訊同時包含該第一偏振態資訊及該第二偏振態資訊時，該掃描方法更包含依據該第一角度及該第二角度計算一第三角度，用以還原該輪廓影像之一第三輪廓影像。

本發明之特點在於，利用包含S偏振光及/或P偏振光的投射偏振光束投射於一待掃描物件上，使該待掃描物件反射一包含該S偏振光及/或該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態資訊，依據該第一偏振態資訊還原一第一輪廓影像。也可藉由該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態資訊，並依據該第二偏振態資訊還原一第二輪廓影像。該第一輪廓影像及該第二輪廓影像都能精確地還原出該待掃描物件的輪廓影像。

此外，更可將該第一角度及該第二角度計算出最佳化的一第三角度，並取得一第三偏振態資訊，使得依據該第三偏振態資訊還原的第三輪廓影像更符合該待掃描物件的輪廓影像，以提升掃描物件輪廓的精確度。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。

習知：

5‧‧‧待掃描物件

51‧‧‧待掃描物件輪廓

6‧‧‧光束

D‧‧‧掃描方向

L‧‧‧位置

L1~L12‧‧‧對應點位置

n1~n12‧‧‧光束投射方向資訊

本發明：

1‧‧‧掃描方法

2‧‧‧掃描裝置

21‧‧‧光源

211‧‧‧投射偏振光束

212‧‧‧反射偏振光束

22‧‧‧待掃描物件

23‧‧‧光感測器

231‧‧‧第一感光元件

232‧‧‧第二感光元件

233‧‧‧檢偏元件

24‧‧‧處理器

25‧‧‧相位延遲片

26‧‧‧分光元件

A‧‧‧第一輪廓影像

A1‧‧‧第一輪廓

B‧‧‧第三輪廓影像

C1‧‧‧S偏振光

C2‧‧‧P偏振光

E‧‧‧法線

F‧‧‧對應點位置

g1~g12‧‧‧切線方向資訊

L1~L12‧‧‧對應點位置

S101~S105‧‧‧步驟

θ1‧‧‧第一角度

θ2‧‧‧第二角度

圖1為習知物件輪廓之進行掃描的示意圖；圖2為習知物件輪廓之還原示意圖； 圖3為本發明一實施例之建立物件輪廓影像之掃描方法之流程示意圖；圖4為本發明一實施例之建立物件輪廓影像之掃描裝置之示意圖；圖5為本發明之S偏振光及P偏振光之反射係數與入射角之對應關係圖；圖6a為本發明之S偏振光相對該待掃描物件之法線所夾之入射角示意圖；圖6b為本發明之P偏振光相對該待掃描物件之法線所夾之入射角示意圖；圖7為本發明另一實施例之建立物件輪廓影像之掃描裝置之示意圖；圖8為本發明之物件輪廓還原示意圖；以及圖9為本發明應用於口腔掃描所還原之第一輪廓影像與第三輪廓影像之示意圖。

圖3為本發明一實施例之建立物件輪廓影像之掃描方法之流程示意圖，圖4為本發明一實施例之建立物件輪廓影像之掃描裝置之示意圖。

請同時參閱圖3及圖4，本實施例所述之建立物件輪廓影像之掃描方法1，可應用於立體物件之3D掃描，用以還原立體物件的輪廓影像，包含下列步驟：步驟S101：提供一投射偏振光束。

於本實施例中，該投射偏振光束是由一建立物件輪廓影像之掃描裝置2所提供。詳言之，該建立物件輪廓影像之掃描裝置2包含：一光源21、一光感測器23及一處理器24。

該光源21用以提供該投射偏振光束211。該投射偏振光束211包含一S偏振光及/或一P偏振光，詳言之， 該投射偏振光束211可以僅為S偏振光，也可以僅為P偏振光，或者可以包含S偏振光及P偏振光之兩種偏振態之偏振光。

舉例，該S偏振光及該P偏振光可為一入射光經過兩個偏振元件(圖未示，例如線偏振片)分別反射出電場振動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)。由於產生S偏振光及P偏振光為既有技術，在此不另詳述。

其中，該投射偏振光束211之該S偏振光包含一第一投射偏振角度資訊。該投射偏振光束211之該P偏振光包含一第二投射偏振角度資訊。

步驟S102：將該投射偏振光束投射至一待掃描物件，且該待掃描物件依據該投射偏振光束反射對應的一反射偏振光束。

詳言之，當該投射偏振光束211包含S偏振光時，該投射偏振光束211投射於一待掃描物件22後，該待掃描物件22會反射一對應該投射偏振光束211的反射偏振光束212，且該反射偏振光束212包含該S偏振光。其中該反射偏振光束212之該S偏振光包含一第一反射偏振角度資訊。

同理，當該投射偏振光束211包含P偏振光時，該投射偏振光束211投射於一待掃描物件22後，該待掃描物件22會反射一對應該投射偏振光束211的反射偏振光束212，且該反射偏振光束212包含該P偏振光。其中該反射偏振光束212之該P偏振光包含一第二反射偏振角度資訊。

步驟S103：拍攝該反射偏振光束。

本實施例之光感測器23設置於該反射偏振光束212的前進路徑上，主要用以拍攝該反射偏振光束212。

由於該待掃描物件22為一立體物件，具有多個不同斜度的表面區域，因此當該投射偏振光束211經該待掃 描物件22反射後所得反射偏振光束212會改變偏振方向(即偏振角度)，為了解析出該偏振方向，必須先取得該反射偏振光束212之偏振方向，也就是說，當該反射偏振光束212包含S偏振光與P偏振光時，必須先取得該S偏振光的第一反射偏振角度資訊及該P偏振光的第二反射偏振角度資訊。

因此，該光感測器23包含一檢偏元件233，該檢偏元件233為檢偏器，當該反射偏振光束212包含該S偏振光與該P偏振光時，用以檢測出該S偏振光的第一反射偏振角度資訊及該P偏振光的第二反射偏振角度資訊。

就以S偏振光為舉例，假設該反射偏振光束212之S偏振光之光強度為I _in ，當S偏振光進入該檢偏元件233之後，若該S偏振光的偏振方向與該檢偏元件233之一透射軸(圖未示)夾θ角時，可計算出通過該檢偏元件233之S偏振光的光強度I _out =I _in ×cos² θ，此即馬勒定律(Malus’s Law)。由此可知，當θ=0°時，該S偏振光均可通過該檢偏元件233，反之，當θ=90°時，通過該檢偏元件233的光強度為零，代表該S偏振光無法通過該該檢偏元件233，因此，可透過旋轉該檢偏元件233來檢測該S偏振光的偏振方向。

步驟S104：依據該投射偏振光束及該反射偏振光束計算一偏振態資訊，該偏振態資訊具有一法線面角度及一對應點位置，其中：依據該投射偏振光束之一投射偏振角度資訊及該反射偏振光束之一反射偏振角度資訊的一增益比計算該法線面角度；以及藉由拍攝該反射偏振光束，以三角測量法推導出該對應點位置(例如二維位置)。

在該光感測器23拍攝該反射偏振光束212之後，當該反射偏振光束212包含S偏振光時，該處理器24可取得該第一反射偏振角度資訊，且當該反射偏振光束212包含P偏振光時，該處理器24可取得該第二反射偏振角度資訊，若該反射偏振光束212同時包含S偏振光及P偏振光時， 該處理器24可取得該第一反射偏振角度資訊及該第二反射偏振角度資訊。

此外，當該投射偏振光束211包含該S偏振光時，該偏振態資訊包含一第一偏振態資訊，使該法線面角度包含一第一角度，且使該對應點位置包含一第一位置，意即該第一偏振態資訊包含該第一角度及該第一位置，並依據該第一角度及該第一位置還原該輪廓影像之一第一輪廓影像。而當該投射偏振光束包含該P偏振光時，該偏振態資訊包含一第二偏振態資訊，使該法線面角度包含一第二角度，且使該對應點位置包含一第二位置，意即該第二偏振態資訊包含該第二角度及該第二位置並依據該第二角度及該第二位置還原該輪廓影像之一第二輪廓影像。

其中，該第一位置及該第二位置的計算方式是利用現有以鏡頭成像特性為基礎的幾何關係，作為物體厚度量測與輪廓描繪之三角測量法(即三角測距)。該三角測量法的基本量測原理在物件表面利用光束投射一亮點或直線，由於投射條紋會依據輪廓表面起伏與曲度而產生扭曲變形的情況，藉由光感測器擷取光束影像(即反射偏振光束)，以三角幾何關係推導出待測點的距離以及對應點位置座標等資料，藉以計算出該第一位置與該第二位置之座標(x,y,z)。而由於該三角測量法為現有習知技術，在此不另詳述。

在本實施例中，該當該偏振態資訊包含該第一偏振態資訊時，該掃描方法更包含：依據該投射偏振光束之該第一投射偏振角度資訊及該反射偏振光束之該第一反射偏振角度資訊的一第一增益比計算該第一角度。且當該偏振態資訊包含該第二偏振態資訊時，該掃描方法更包含：依據該投射偏振光束之該第二投射偏振角度資訊及該反射偏振光束之該第二反射偏振角度資訊的一第二增益比計算該第二角度。

詳言之，本實施例計算該第一角度的方式，主要 利用該處理器24計算該投射偏振光束211之S偏振光之第一投射偏振角度資訊及該反射偏振光束212之S偏振光之第一反射偏振角度資訊的一第一增益比(例如光強度增益比)，以換算出該第一角度。舉例，如圖5所示，在設定該投射偏振光束211及該反射偏振光束212的光波長為633nm之情況下，假設該投射偏振光束211之光強度為I _{s_in} ，且其S偏振光的偏振角度為θ _s1，再假設取得該反射偏振光束的光強度為I _{s_out} ，且其S偏振光的偏振角度為θ _s2，此時，可計算該投射偏振光束211之S偏振光的光強度增益為I _{s_in} cos θ _s1，該反射偏振光束212之S偏振光的光強度增益為I _{s_out} cos θ _s2，因此可藉由該投射偏振光束211之S偏振光的光強度增益與該反射偏振光束212之S偏振光的光強度增益的比值，來取得該第一增益比(光強度增益比，即圖5中的反射係數)。當該第一增益比在0.4時，該第一角度θ 1(即圖5中的入射角)約在76度。如圖6a所示，其中該第一角度θ 1為在該待掃描物件22之某一對應點位置F上，其投射的S偏振光C1與該對應點位置F之法線E之夾角。

而計算該第二角度的方式，主要利用該處理器24計算該投射偏振光束211之P偏振光之第二投射偏振角度資訊及該第二反射偏振角度資訊的一第二增益比(例如光強度增益比)，以換算出該第二角度。舉例，再如圖5所示，在設定該投射偏振光束211及該反射偏振光束212的光波長為633nm之情況下，假設該投射偏振光束211之光強度為I _{p_in} ，且其P偏振光的偏振角度為θ _p1，再假設取得該反射偏振光束的光強度為I _{p_out} ，且其P偏振光的偏振角度為θ _p2，此時，可計算該投射偏振光束211之P偏振光的光強度增益為I _{p_in} cos θ _p1，該反射偏振光束212之P偏振光的光強度增益為I _{p_out} cos θ _p2，因此可藉由該投射偏振光束211之P偏振光的光強度增益與該反射偏振光束212之P偏振光的光強度增益的比值，來取得 該第二增益比(光強度增益比，即圖5中的反射係數)。當該第二增益比在0.1時，該第二角度θ 2(即圖5中的入射角)約在75度。如圖6b所示，其中該第二角度θ 2為在該待掃描物件22之某一對應點位置F上，其投射的P偏振光C2與該對應點位置F之法線E之夾角。

在另一實施例中，如圖7所示，當該投射偏振光束211及對應的反射偏振光束212同時包含有該S偏振光C1及P偏振光C2時，為了方便該光感測器23區分並拍攝該S偏振光C1及該P偏振光C2，該建立物件輪廓影像之掃描裝置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。

該分光元件26可為一分光鏡，用以將該反射偏振光束212之該S偏振光及該P偏振光分為兩道前進方向相互垂直的光束。該第一感光元件231及該第二感光元件232為光感測器，用以拍攝分別該S偏振光C1及該P偏振光C2，以利該處理器24計算該第一角度、該第一位置、該第二角度及該第二位置。

步驟S105：依據該偏振態資訊還原該待掃描物件之輪廓影像。

該處理器24可內建一影像處理軟體或可外接一影像處理器，用以將第一偏振態資訊及該第二偏振態資訊分別繪製出對應該待掃描物件22的該第一輪廓影像及該第二輪廓影像。

舉例，若本實施例之投射偏振光束211之S偏振光投射於圖1之待掃描物件5之位置L時，由於處理器24可計算出包含該第一角度及第一位置之第一偏振態資訊，使得該處理器24或外接的影像處理器依據該第一偏振態資訊而繪製出一第一輪廓A1(如圖8所示)。且可發現該第一輪廓A1的每個對應點位置L1~L12都有其分別的切線方向資訊，使該 第一輪廓A1可精確地還原出該待掃描物件輪廓51。舉例，如圖6a所示，該切線方向資訊可由該第一角度θ 1及該對應點位置F計算出該第一位置的法線E，進而取得該對應點位置F的切線方向資訊。

再舉例，如圖9所示，顯示該第一輪廓影像A為實際掃描口腔內部之牙床而繪製出對應該第一偏振態資訊的輪廓影像。

在另一實施例中，當該偏振態資訊同時包含該第一偏振態資訊及該第二偏振態資訊時，該處理器24可依據該第一角度及該第二角度計算一第三角度，用以還原該輪廓影像之一第三輪廓影像。詳言之，為了取得該待掃描物件22之表面輪廓更精確的法線面角度資訊，可對該S偏振光的第一角度及P偏振光的第二角度做平均或內插法等技術計算一最佳化的第三角度，使得利用包含該第三角度的偏振態資訊所繪製出的第三輪廓影像B更符合待掃描物件的輪廓影像，如圖9所示。

因此，本發明係利用包含S偏振光及/或P偏振光的投射偏振光束投射於一待掃描物件上，使該待掃描物件反射一包含該S偏振光及/或該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態資訊，依據該第一偏振態資訊還原一第一輪廓影像。也可藉由該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態資訊，並依據該第二偏振態資訊還原一第二輪廓影像。該第一輪廓影像及該第二輪廓影像都能精確地還原出該待掃描物件的輪廓影像。

此外，更可將該第一角度及該第二角度計算出最佳化的一第三角度，並取得一第三偏振態資訊，使得依據該第三偏振態資訊還原的第三輪廓影像更符合該待掃描物件的輪廓影像，以提升掃描物件輪廓的精確度。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

2‧‧‧掃描裝置

21‧‧‧光源

211‧‧‧投射偏振光束

212‧‧‧反射偏振光束

22‧‧‧待掃描物件

23‧‧‧光感測器

233‧‧‧檢偏元件

24‧‧‧處理器

Claims (10)

1. 一種建立物件輪廓影像之掃描方法，包含下列步驟：提供一投射偏振光束；將該投射偏振光束投射至一待掃描物件，且該待掃描物件依據該投射偏振光束反射對應的一反射偏振光束；拍攝該反射偏振光束；依據該投射偏振光束及該反射偏振光束計算一偏振態資訊，該偏振態資訊具有一法線面角度及一對應點位置，其中：依據該投射偏振光束之一投射偏振角度資訊及該反射偏振光束之一反射偏振角度資訊的一增益比計算該法線面角度；以及藉由拍攝該反射偏振光束，以三角測量法推導出該對應點位置；以及依據該偏振態資訊還原該待掃描物件之輪廓影像。
2. 如請求項1所述之建立物件輪廓影像之掃描方法，其中該投射偏振角度資訊及該反射偏振角度資訊的該增益比為光強度增益比。
3. 如請求項1所述之建立物件輪廓影像之掃描方法，其中該投射偏振光束包含一S偏振光及/或一P偏振光。
4. 如請求項3所述之建立物件輪廓影像之掃描方法，其中：當該投射偏振光束包含該S偏振光時，該偏振態資訊包含一第一偏振態資訊，該法線面角度包含一第一角度，該對應點位置包含一第一位置，並依據該第一角度及該第一位置還原該輪廓影像之一第一輪廓影像；及當該投射偏振光束包含該P偏振光時，該偏振態資訊包含一第二偏振態資訊，該法線面角度包含一第二角度，該對應點位置包含一第二位置，並依據該第二角度及該第二位置還原該輪廓影像之一第二輪廓影像。
5. 如請求項4所述之建立物件輪廓影像之掃描裝置，其中：當該偏振態資訊包含該第一偏振態資訊時，該掃描方法更包含：依據該投射偏振光束之一第一投射偏振角度資訊及該反射偏振光束之一第一反射偏振角度資訊的一第一增益比計算該第一角度；及當該偏振態資訊包含該第二偏振態資訊時，該掃描方法更包含：依據該投射偏振光束之一第二投射偏振角度資訊及該反射偏振光束之一第二反射偏振角度資訊的一第二增益比計算該第二角度。
6. 如請求項4所述之建立物件輪廓影像之掃描裝置，其中當該偏振態資訊同時包含該第一偏振態資訊及該第二偏振態資訊時，該掃描方法更包含依據該第一角度及該第二角度計算一第三角度，用以還原該輪廓影像之一第三輪廓影像。
7. 一種建立物件輪廓影像之掃描裝置，包含：一光源，用以提供一投射偏振光束並投射於一待掃描物件，其中該待掃描物件依據該投射偏振光束反射對應的一反射偏振光束；一光感測器，設置於該反射偏振光束的前進路徑上，用以拍攝該反射偏振光束；以及一處理器，電性連接該光感測器，用以依據該投射偏振光束及該反射偏振光束計算一偏振態資訊，並依據該偏振態資訊還原該待掃描物件之輪廓影像。
8. 如請求項7所述之建立物件輪廓影像之掃描裝置，其中該投射偏振光束包含一S偏振光及/或一P偏振光。
9. 如請求項8所述之建立物件輪廓影像之掃描裝置，其中該光感測器包含一檢偏元件；當該反射偏振光束包含該S偏振光時，該檢偏元件用以檢測出該第一反射偏振角度資訊；及 當該反射偏振光束包含該P偏振光時，該檢偏元件用以檢測出該第二反射偏振角度資訊。
10. 如請求項9所述之建立物件輪廓影像之掃描裝置，其中當該投射偏振光束同時包含該S偏振光及該P偏振光時，該光感測器更包含：一分光元件，用以將該反射偏振光束之該S偏振光及該P偏振光分為兩道前進方向相互垂直的光束；一第一感光元件，用以拍攝該S偏振光；以及一第二感光元件，用以拍攝該P偏振光。