TWI655405B - Non-contact surface contour scanning device - Google Patents

Abstract

本發明為有關一種非接觸式表面輪廓掃描裝置，其包括有至少一雷射光產生裝置、至少一設於該雷射光產生裝置上之光學元件、複數個包含於該光學元件之開口部、一設於待測物側處之第一接收元件、及一設於該第一接收元件側處且與該第一接收元件資訊連結之運算裝置，其中雷射光產生裝置會發射雷射光，雷射光通過光學元件上之開口部，該些開口部之間距係為0.3微米(μm)至10毫米(mm)，以雷射光掃描待測物後反射至第一接收元件，而該第一接收元件距離該待測物之垂直高度係為40毫米(mm)至5000毫米(mm)，且該待測物反射雷射光至該第一接收元件之夾角係為10度至85度，其中光學元件可將雷射光變成一條至複數條雷射光，使第一接收元件可一次接收到一個至複數個立體資訊，而第一接收元件接收雷射光後將資訊傳至運算裝置以三角量測法快速且準確地建構該待測物之輪廓。

Description

非接觸式表面輪廓掃描裝置

本發明為提供一種非接觸式表面輪廓掃描裝置，尤指一種可快速且準確地掃描物體，並透過三角量測法建構受掃描物體之輪廓的非接觸式表面輪廓掃描裝置。

按，日常生活中往往有值得紀錄的畫面，以往記錄物體的型態係利用照相機，透過光線照射物體後反射至照相機之鏡頭內的感光元件，以記錄物體的色彩資訊，作為構成照片所需的像素成分，而照相的技術只能取得物體的平面資訊，無法得到物體的立體資訊，隨著科技的發展，便發展出各種三維掃描儀，主要有分為接觸式和非接觸式量測兩種類，其中接觸式量測為利用機械或電子式探頭接觸待測物表面，以取得三維資料。量測精度較高，但量測速度最慢，且接觸式掃描需處理探頭幾何偏差補正，量測資料需作後段資料修正，其中接觸式量測儀大多使用三次元座標量床為主。第二類非接觸式量測種類繁多，原理為利用雷射或投影搭配照相方式，不接觸待測物而能量測三維資料方式，非接觸量測時間短，比起三次元座標量測等接觸式量測精度較差，但其無可取代的優點為非接觸式掃描可以快速量測物體表面大量點資料，對於曲面重建迅速，且無接觸式探頭幾何偏差的問題，非接觸式掃瞄有使用結構光產生條紋圖案投影於待測物上量測的方式，其精度較低，也有使用線型雷射光照射於待測物上量測方式，其精度比使用結構光投影的方式更高，原理為使用線型雷射光線照射移動之物體，並利用攝影機接收反射光源，而計算反射光之位移以三角量測法計算物體輪廓之技術，而有如中華民國專利證書號第M382112號「線型光學式三角量測系統」一案，利用光學式三角量測原理所建立之非接觸式光學檢測系統，可量測物體表面移動振幅及頻率資訊，並應用於中醫把脈之數據量測系統 ，其系統結構簡單，符合物美價廉之優點。

然上述線型光學式三角量測系統於使用時，為確實存在下列問題與缺失尚待改進：

一、線型光源係利用光源投射至圓柱透鏡，來產生一條線型光束，並投射在待測物體上，其線性光源之發散度大，線寬較粗，使得透過影像擷取裝置接收之資訊較差，得到之解析度亦較差，因此解決雷射光源之問題直接影響三維資料之精度。

二、線型光源需要完整掃描物體且僅能取得其單一的立體資訊，而若是掃描方式之不同導致影像擷取裝置接收之資訊較差，則需要對物體重複掃描。

三、此種光學式三角量測之掃描難以使用於鏡面之待測物，但鏡面物體之量測需求漸增，因此解決鏡面量測材質為非接觸式量測之重要指標。

是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

故，本發明之發明人有鑑於上述缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種可快速且準確地掃描物體，並透過三角量測法建構受掃描物體之輪廓的非接觸式表面輪廓掃描裝置的發明專利者。

本發明之主要目的在於：透過雷射光產生裝置的設計，得以產生發散度極小，且亮度高的光源以掃描待測物。

本發明之再一主要目的在於：透過光學元件及開口部的設計，使雷射光變成一條至多條雷射光束，得以快速且準確地掃描待測物。

本發明之又一主要目的在於：透過第一接收元件及運算裝置的設計，得以接收物體反射之雷射光，並以三角量測法建構該待測物之輪廓。

本發明能夠達成上述目的之主要結構包括至少一雷射光產生裝置，係供以雷射光掃描一待測物，該雷射光產生裝置上設有至少一光學元件，而該光學元 件包含複數個開口部，且該些開口部之間距係為0.3微米(μm)至10毫米(mm)，該待測物側處設有一第一接收元件，該第一接收元件距離該待測物之垂直高度係為40毫米(mm)至5000毫米(mm)，且該待測物反射雷射光至該第一接收元件之夾角係為10度至85度，並且該第一接收元件側處設有一與該第一接收元件資訊連結之運算裝置，係供以三角量測法建構該待測物之輪廓，雷射光產生裝置發射雷射光穿過光學元件上之開口部，使雷射光變成一條至多條雷射光束，當完整掃描待測物時，第一接收元件可一次得到多組的立體資訊，便可以三角量測法建構該待測物之輪廓。

藉由上述技術，可針對習用之線型光學式三角量測系統所存在之線性光源之發散度大，且完整掃描物體僅能取得其單一的立體資訊的問題加以突破，達到本發明如上述優點之實用進步性。

1、1a‧‧‧雷射光產生裝置

11‧‧‧光學元件

111‧‧‧開口部

2、2a‧‧‧第一接收元件

3‧‧‧運算裝置

31‧‧‧顯示元件

4、4a‧‧‧置物件

41、41a‧‧‧第一移動件

42a‧‧‧軸體

5、5a‧‧‧待測物

6a‧‧‧第二接收元件

7a‧‧‧反射元件

8a‧‧‧第二移動件

d‧‧‧間距

Z‧‧‧高度

θ‧‧‧夾角

第一圖 係為本發明較佳實施例之結構示意圖。

第二圖 係為本發明較佳實施例之實施示意圖(一)。

第三圖 係為本發明較佳實施例之實施示意圖(二)。

第四圖 係為本發明較佳實施例之實施示意圖(三)。

第五圖 係為本發明再一較佳實施例之結構示意圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。

請參閱第一圖所示，係為本發明較佳實施例之結構示意圖，由圖中可清楚看出本發明係包括：至少一雷射光產生裝置1，係供以雷射光掃描一待測物；至少一設於該雷射光產生裝置1上之光學元件11，該光學元件11包含複數個開口部111，且該些開口部111之間距d係為0.3微米(μm)至10毫米(mm)，係供該雷射光由點光源變成線光源；一設於該待測物側處之第一接收元件2，該第一接收元件2係為變焦鏡頭 或定焦鏡頭其中之一者，而該第一接收元件2距離該待測物之垂直高度Z係為40毫米(mm)至5000毫米(mm)，且該待測物反射雷射光至該第一接收元件2之夾角θ係為10度至85度；一設於該第一接收元件2側處且與該第一接收元件2資訊連結之運算裝置3，係供以三角量測法建構該待測物之輪廓，該運算裝置3側處設有一與該運算裝置3資訊連結之顯示元件31；及一設於該雷射光產生裝置1下方之置物件4，係供置放該待測物，而該置物件4側處設有一第一移動件41，係供該置物件4移動。

請同時配合參閱第一圖至第四圖所示，係為本發明較佳實施例之結構示意圖至實施示意圖(三)，由圖中可清楚看出，由雷射光產生裝置1發射一道雷射光，而光學元件11係為光柵，光學元件11上之開口部111彼此之間距係為一固定間距，以供該雷射光繞射，當雷射光穿過光學元件11上之開口部111會變成一條至複數條較細長的雷射光，並且照射至位於雷射光產生裝置1下方的待測物5，待測物5係置於置物件4上，該置物件4係為托盤，而第一移動件41係為滑軌，而該第一移動件41可使置物件4於二維平面中自由移動，讓整個待測物5受到一條至複數條雷射光完整地掃描，使用光學元件11的優點為以複數條雷射光掃描待測物5一次便可得到複數個立體資訊，而雷射光照射到待測物5後會反射至第一接收元件2，第一接收元件2係為變焦鏡頭或定焦鏡頭其中之一者，可接收訊號微弱之光源，並且將接收的雷射光資訊傳給運算裝置3處理，當雷射光照射到待測物5時，會受到待測物5表面有高度落差的影響，使反射至第一接收元件2的雷射光產生偏移的狀況，而該運算裝置3係為電腦，可將第一接收元件2接收之雷射光資訊以三角量測法建構該待測物5之輪廓，並將待測物5之輪廓顯示至顯示元件31供使用者觀看。

再者，開口部111之間距d係為0.3微米(μm)至10毫米(mm)，第一接收元件2距離待測物5之垂直高度Z係為40毫米(mm)至5000毫米(mm)，而待測物5反射雷射光至第一接收元件2之夾角θ係為10度至85度，在此條件下可確保由待測物5反射至第一接收元件2的雷射光能量依舊充足，其所提供待測物5的立體資訊不易失真，使得運算裝置3可精準地建構該待測物5之輪廓。

請參閱第五圖所示，係為本發明再一較佳實施例之結構示意圖，由圖中可 清楚看出，本實施例之第一移動件41a上活動設有至少一第二接收元件6a，該第二接收元件6a係為變焦鏡頭或定焦鏡頭其中之一者，而該第二接收元件6a一側處設有至少一反射元件7a，本實施例之反射元件7a係以鏡子為舉例，並於第一接收元件2a側處設有至少一第二移動件8a，該第二移動件8a係為滑軌，如此，雷射光產生裝置1a及第一接收元件2a係活動設於該第二移動件8a上，使得雷射光產生裝置1a與第一接收元件2a可分別藉由第二移動件8a而可以一固定高度於二維平面中自由移動，並且置物件4a與第二接收元件6a同樣可藉由第一移動件41a於二維平面中自由移動，使得雷射光產生裝置1a、第一接收元件2a、置物件4a、及第二接收元件6a可任意改變位置，並可改變第一接收元件2a與待測物5a之間的傾斜角度，以增加掃描待測物5a之便利性，再者，第二接收元件6a之位置低於該第一接收元件2a之位置，當雷射光產生裝置1a對待測物5a發出雷射光時，雷射光照射到待測物5a後會反射至第一接收元件2a及反射元件7a，而反射元件7a會將雷射光再反射至第二接收元件6a，使得第一接收元件2a及第二接收元件6a皆可取得待測物5a的立體資訊，使用者可藉由將第一接收元件2a及第二接收元件6a所取得的立體資訊整合，便可使待測物5a的立體資訊更為精準，並且該置物件4a上界定有一軸體42a，可供待測物5a旋轉，使得待測物5a於掃描時不會產生死角。

惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

故，請參閱全部附圖所示，本發明使用時，與習用技術相較，著實存在下列優點：

一、透過雷射光產生裝置1的設計，得以產生發散度極小，且亮度高的光源以掃描待測物5。

二、透過光學元件11及開口部111的設計，使雷射光變成一條至多條雷射光束，得以快速且準確地掃描待測物5。

三、透過第一接收元件2及運算裝置3的設計，得以接收物體反射之雷射光，並以三角量測法建構該待測物5之輪廓。

四、透過第二接收元件6a及反射元件7a的設計，藉由第二接收元件6 a可輔助第一接收元件2a接收待測物5a的立體資訊，使得經過整合後之待測物5a的立體資訊更為精準。

五、透過第一移動件41a及第二接收元件6a的設計，使得雷射光產生裝置1a、第一接收元件2a、置物件4a、及第二接收元件6a可任意改變位置，以增加掃描待測物5a之便利性。

六、透過軸體42a的設計，使得待測物5a於掃描時不會產生死角。

綜上所述，本發明之非接觸式表面輪廓掃描裝置於使用時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之創作，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本發明，以保障創作人之辛苦創作，倘若 鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，創作人定當竭力配合，實感德便。

Claims (7)

1. 一種非接觸式表面輪廓掃描裝置，主要包括：至少一雷射光產生裝置，係供以雷射光掃描一待測物，並該雷射光產生裝置下方設有一置物件，係供置放該待測物，該置物件側處設有一第一移動件，係供該置物件移動，該第一移動件上活動設有至少一第二接收元件，且該第二接收元件之位置低於該第一接收元件之位置；至少一設於該雷射光產生裝置上之光學元件，該光學元件包含複數個開口部，且該些開口部之間距係為0.3微米(μm)至10毫米(mm)；一設於該待測物側處之第一接收元件，該第一接收元件距離該待測物之垂直高度係為40毫米(mm)至5000毫米(mm)，且該待測物反射雷射光至該第一接收元件之夾角係為10度至85度；及一設於該第一接收元件側處且與該第一接收元件資訊連結之運算裝置，係供以三角量測法建構該待測物之輪廓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式表面輪廓掃描裝置，其中該第二接收元件一側處設有至少一反射元件，係供反射該雷射光至該第二接收元件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式表面輪廓掃描裝置，其中該第一接收元件及該第二接收元件係為變焦鏡頭或定焦鏡頭其中之一者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式表面輪廓掃描裝置，其中該置物件上界定有一軸體，係供該待測物旋轉。
5. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式表面輪廓掃描裝置，其中該運算裝置側處設有一與該運算裝置資訊連結之顯示元件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式表面輪廓掃描裝置，其中該第一接收元件側處設有至少一第二移動件，係供該第一接收元件移動。
7. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式表面輪廓掃描裝置，其中各該開口部之間距係為一固定間距，係供該雷射光由點光源變成線光源。