TWM492012U - 三維掃描列印複合裝置 - Google Patents

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TWM492012U
TWM492012U TW103214819U TW103214819U TWM492012U TW M492012 U TWM492012 U TW M492012U TW 103214819 U TW103214819 U TW 103214819U TW 103214819 U TW103214819 U TW 103214819U TW M492012 U TWM492012 U TW M492012U
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鄭正元
林宗翰
陳羿貞
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國立臺灣科技大學
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Description

三維掃描列印複合裝置
本創作係有關於一種多功能複合裝置，且特別是有關於一種具有一三維掃描功能及一三維列印功能的複合裝置。
積層製造(Additive Manufacturing)、三維列印(3D Printing)或快速成型(Rapid Prototyping)是一種快速製造立體物件的技術。利用影像感應器先取得物件的三維空間資料，經電腦處理後，再將材料由點或面堆積成立體物件。傳統實施快速成型方法製造立體物件時，三維掃描與三維列印通常係以互相獨立的兩個設備來分別進行，如此之作法需要較大空間來分別擺置此兩種設備，且較不便利。然而若欲將三維掃描與三維列印整合於同一裝置中，必須要克服：(1)三維掃描及三維列印設備所需之元件多有不同，如何在有限的空間中(同一裝置)配置該等元件(2)習知具有雙影像感應器之三維掃描設備，主要目的為擴大掃描範圍，然而掃描的量測誤差又隨兩影像感應器夾角減少而增加，若為了降低量測誤差而增加兩影像感應器之間的夾角，則兩影像感應器間的距離必須加大，勢必需要較大空間來容置影像感應器，因此如何讓雙影像感應器量測的精確度不受有限空間的限制。因此如何去解決上述問題，一直是本領域技術人士所急迫有待尋求解決方案以及改進之處。
為解決上述問題，本創作提供一種多功能的三維掃描列印複合裝置，同時具備三維列印和三維掃描的功能，透過共用一個數位光源處理器(Digital Light Processing，DLP)投影機並利用分光裝置(如：半反射半穿透鏡、可翻轉反射鏡等)，來達成在同一裝置中配置各種三維掃描及三維列印設備所需之元件，並且使用精確度提高裝置(如：稜鏡、柱狀鏡等非對稱性透鏡)來讓雙影像感應器量測的精確度不受有限的空間的限制。
根據本創作之一構想，提出一種用以掃瞄/列印一物件的三維掃描列印複合裝置，其包含裝置本體、掃描模組、精確度提高裝置、計算機裝置、列印模組及分光裝置。其中，裝置本體與該物件維持一特定相對位置關係；掃描模組設置於該裝置本體上，用以擷取對應該物件之一三維影像資料；精確度提高裝置設置於該掃描模組與該物件之間，用以提高該三維影像資料的精確度；計算機裝置係耦接至該掃描模組，用以儲存及整合該三維影像資料，並經處理後將該三維影像資料轉換成一三維移動控制訊號輸出；列印模組，耦接至該計算機裝置，接收該三維移動控制訊號並據以輸出一立體結構；以及分光裝置，將一光線分配至該物件與該列印模組。
較佳地，上述之三維掃描列印複合裝置，其中該掃描模組包含一俯仰與水平旋轉機構及至少一影像感應器，該俯仰與水平旋轉機構用以放置該物件，該影像感應器係為一電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)或一互補性氧化金屬半導體元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)影像感應器且裝載該精確度提高裝置。
較佳地，上述之三維掃描列印複合裝置，其中該列印模組更包含一座體，其為一框架結構，該座體具有一容置空間，空間大小可達80mm(長)x80mm(寬)x80mm(高)；一架體，其與該座體垂直連接；一承載裝置，其位於該容置空間；以及一移動控制裝置，其與該承載裝置相連接，該移動控制裝置用以使該承載裝置於該容置空間中進行一第一方向或一第二方向之一線性位移運動。
較佳地，上述之三維掃描列印複合裝置，更包含一光源投射裝置，其中該光源投射裝置與該掃描模組、該列印模組及該物件維持一特定相對位置關係，投射該光線至該物件且作為一熱源投射至該座體。
較佳地，上述之三維掃描列印複合裝置，其中該光源投射裝置為一數位光源處理器(Digital Light Processing，DLP)投影機。
較佳地，上述之三維掃描列印複合裝置，其中該精確度提高裝置係為一非對稱性透鏡(如：稜鏡、柱狀鏡等)。
較佳地，上述之三維掃描列印複合裝置，其中該分光裝置係一半穿透半反射鏡也可以是一可翻轉反射鏡。
本創作還提供一種三維掃描列印複合裝置，用以掃瞄及列印一物件，其包含：一裝置本體，與該物件維持一特定相對位置關係；一掃描模組，設置於該裝置本體上，用以擷取對應該物件之一三維影像資料；一列印模組，設置於該裝置本體上，根據該三維資料而輸出對應該物件之一立體結構；以及一投影機，與該掃描模組、該列印模組及該物件維持一特定相對位置關係，投射一光線至該物件且作為一熱源投射至該座體。
較佳地，三維掃描列印複合裝置更包含一精確度提高裝置， 設置於該掃描模組與該物件之間，用以提高該三維影像資料的精確度。
本創作還提供一種三維掃描列印複合裝置，用以掃瞄及列印一物件，包含：一裝置本體，與該物件維持一特定相對位置關係；一輸入單元，設置於該裝置本體上，用以擷取對應該物件之一三維影像資料；一精確度提高裝置，設置於該輸入單元與該物件之間，用以提高該三維影像資料的精確度；以及一輸出單元，設置於該裝置本體上，根據該三維資料而輸出對應該物件之一立體結構。
較佳地，上述之三維掃描列印複合裝置，更包含一分光裝置，該分光裝置將一光線分配至該物件與輸出單元。
較佳地，三維掃描列印複合裝置更包含一精確度提高裝置，設置於該輸入單元與該物件之間，用以提高該三維影像資料的精確度。
10‧‧‧三維掃描列印複合裝置
11‧‧‧列印模組
111‧‧‧座體
112‧‧‧架體
113‧‧‧承載裝置
114‧‧‧移動控制裝置
115‧‧‧俯仰與水平旋轉機構
12‧‧‧掃描模組
121‧‧‧影像感應器
122‧‧‧精確度提高裝置
123‧‧‧支架
13‧‧‧計算機裝置
14‧‧‧投影機
15‧‧‧容置空間
16‧‧‧分光裝置
30‧‧‧裝置本體
199‧‧‧光敏樹脂
200‧‧‧物件
201‧‧‧投射光線
202‧‧‧反射光
203‧‧‧折射光
A‧‧‧第一移動方向
B‧‧‧第二移動方向
圖式是用來提供對本創作的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本創作，但並不構成對本創作的限制。在圖式中：第1圖係本創作三維掃描列印複合裝置之其中一實施例之示意圖。
第2圖為第1圖之影像感應器、投影機、分光裝置及物件之相對位置之示意圖。
第3圖為第1圖之列印模組、分光裝置及投影機實施之示意圖。
第4A圖為第1圖投射光線由分光裝置反射及穿透之示意圖。
第4B圖為第1圖投射光線由分光裝置反射之示意圖。
第5圖係說明本創作三維掃描列印複合裝置之另一實施例之示意圖。
第6圖為第5圖之投射光線作為熱源照射座體之示意圖。
將於下文中說明本創作，熟悉本技術者須瞭解下文中的說明僅係作為例證用，而不用於限制本創作。
以下針對本案較佳實施例之三維掃描列印複合裝置10進行描述，但實際架構並不必須完全符合描述之架構，熟習本技藝者當能在不脫離本創作之實際精神及範圍的情況下，做出種種變化及修改。為了方便說明本創作的技術內容，各實施例中相同的元件係使用相同的元件符號表示。而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本創作實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本創作於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
請參照第1圖，其繪示本創作第一較佳實施例之三維掃描列印複合裝置10之示意圖，而第2圖為第1圖中影像感應器121、投影機(或光源投射裝置)14、分光裝置16及物件200之相對位置之示意圖。請合併參照第1圖與第2圖，本實施例之三維掃描列印複合裝置10之取像區域與列印區域係二個獨立不同的區域，其包括：一裝置本體30、一掃描模組12、一精確度提高裝置122、一計算機裝置13、一列印模組11及一分光裝置16所組合而成。三維掃描列印複合裝置10更進一步包含一投影機14。
掃描模組12及列印模組11皆設置於裝置本體30上，此二模組 相對之配置方式為列印模組11配置於掃描模組12上方。掃描模組12及列印模組11共用投影機14，於本創作第一較佳實施例中投影機14較佳係使用DLP投影機。掃描模組12進一步包含一俯仰與水平旋轉機構115及二個影像感應器121，於本創作第一較佳實施例中影像感應器121較佳係使用高畫素彩色線型CCD相機，其中投影機14與雙影像感應器121係以相對位置固定在同一個支架123上，於本實施例中該支架123較佳為(但不限於)一金屬支架。由投影機14投射光柵，結合雙影像感應器121掃描擷取影像的技術，並且利用俯仰與水平旋轉機構115來轉動物件200，以獲得物件200的完整三維外型輪廓資料。
本創作採用一種結合了結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術的複合三維非接觸式測量方法。影像感應器121能同時擷取整個面的影像資料，測量過程中，投影機14投射數幅特定編碼的結構光到待測物件上。其中，編碼方式可分成三種方式：(1)投影黑白條紋做為編碼方式，利用不同密度之黑白條紋編碼，欲完成一次整面擷取，需連續拍攝好幾張，每張的條紋密度不一樣，再根據條紋的偏移量計算三維深度；或是(2)投影彩色條紋做為編碼方式，利用顏色編碼，所以事先已經知道每個色塊的顏色代碼；或是(3)投影亂數點做為編碼方式，亂數點為一張固定畫面資料，所以每個區塊點排列方式是已知，可以用區塊比對方式找出在x方向上的差異，再推算深度。因此本實施例可以採用兩組以上的影像感應器121，利用影像處理方式，以區塊對應方式找到相差。然後對圖像進行解碼和相位計算，並利用匹配技術、三角形測量原理，算出兩個影像感應器121共同視區內像素點的三維座標。此外，使用第二組以上的影像感應器121同步取 像亦可以減少測量死角。
此外，本創作第一較佳實施例中所配置的二個影像感應器121為了減少本體30整體所佔空間，因此盡量縮減兩個影像感應器121之間距，使得兩個影像感應器121的夾角相應減少，為避免雙兩個影像感應器121掃描的量測誤差受到兩個影像感應器121夾角減少而增加，因而本實施例於掃描模組12與物件200之間設置精確度提高裝置122，以提高三維影像資料的精確度。於本創作第一較佳實施例中該精確度提高裝置122較佳係為(但不限於)一非對稱性透鏡，如：稜鏡、柱狀鏡等。
本實施例之掃描模組12具有光測量技術的優勢，能夠精確測量出被掃描物件200的全部或局部範圍內複雜曲面，而可以對物件進行快速、精確的在線測量，獲得掃描物件200的三維數據。
請參照第3圖，其為第1圖之列印模組11、分光裝置16及投影機14實施之示意圖。其中，列印模組11更進一步包含：一座體111、一架體112(示出於第1圖)、一承載裝置113、一移動控制裝置114(示出於第1圖)及一供料裝置(未示出)。座體111為具有一容置空間15的框架結構，空間大小可達80mm(長)x80mm(寬)x80mm(高)，該供料裝置所輸出之材料即盛裝在此容置空間15中。架體112與該座體111垂直連接，用於承載座體111之重量，並架出一個距離使座體111與投影機14間存在空間。承載裝置113位於該容置空間15中，與移動控制裝置114相連接，該移動控制裝置114用以使該承載裝置113於該容置空間15中進行一第一方向A或一第二方向B之一線性位移運動，該第一方向A與第二方向B為相互呈180度，在本實施例中，該第一方向A是一垂直地面而朝上之方向，該第二方向B是一垂直地面而朝下之方向。 於本創作第一較佳實施例中，該移動控制裝置114更包括有：至少一第一導桿及至少一第一驅動單元。該第一導桿之數量為二個且相互平行，分別位於該容置空間15之二側。該第一驅動單位為一馬達，且與該第一導桿電訊相連接，用以控制該承載裝置113沿著該第一方向A或第二方向B進行線性位移運動之速度與位置。
該供料裝置與該計算機裝置13相連接，該供料裝置可提供一材料至該座體111中。於本創作第一較佳實施例中，該材料較佳為(但不限於)光敏樹脂199，亦可使用任何受光線照射後可固化之材料。當材料受到投影機14所發出的光線照射而硬化附著於承載裝置113後，承載裝置113上升，此時供料裝置再輸入一定量的材料至容置空間15中，該些材料再受到投影機14所發出的光線照射而硬化附著於承載裝置113，承載裝置113再上升，並反覆進行以完成對應物件200的三維實體工件。
本實施例之列印模組11中的投影機14較佳(但不限於)使用高解析度的DLP投影機，為一種光固化立體成型法，與立體光刻技術(Stereo Lithography Appearance，SLA)之差別在於：SLA使用雷射使樹脂硬化成型，因為雷射光為細長的直線，因此會延長整個製造過程，而以雷射為激發源的成本也較高。而DLP投影機則使用金屬鹵化物所發出的投射光線201(第3圖中的投射光線201有部份與反射光線202重疊)，再經由數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device，DMD)控制光線是否照射到光硬化樹脂，由於DLP投影機製程所使用的光源可以在同一時間內照射一片區域，所以能大幅縮短加工時間，而DLP製程可經由DMD裝置控制精度。
請參照第第4A圖及第4B圖，其分別為第1圖投射光線201(第 4A圖中的投射光線201有部份與反射光線202重疊)由分光裝置16反射及穿透之示意圖；與第1圖投射光線201(第4B圖中的投射光線201有部份與反射光線202重疊)由分光裝置16反射之示意圖。如上所述，本實施例之掃描模組12放置於列印模組11之下方，兩模組間並共用一投影機14，為使投影機14所發出之投射光線201得以分別投射至物件200(取像區域)及列印模組11之座體111，本創作之三維掃描列印複合裝置10並包含一分光裝置16，其中該分光裝置16較佳為(但不限於)一半穿透半反射鏡也可以是一可翻轉反射鏡。
舉例來說，於本創作第一較佳實施例中，在使用掃描功能時，投影機14所發出之投射光線201可透過半穿透半反射鏡投射出穿透光203至物件200(取像區域)，或是翻轉反射鏡使反射鏡平行於地面而使投影機14所發出之投射光線201可直接投射至物件200(取像區域)，且被影像感應器121所擷取，並進一步由計算機裝置13或其他運算單元計算出一個面向的三維模型。亦可再透過俯仰與水平旋轉機構115將待掃描之物件200轉動擺置姿態，以取得物件200的完整三維模型資料，例如物件200的各切層影像。當使用列印模組11時，投影機14所發出之投射光線201可由半穿透半反射鏡也可以由可翻轉反射鏡反射出反射光202至列印模組11之座體111，再由計算機裝置13控制投射各切層影像，並逐步帶動承載裝置113於容置空間15中進行一第一方向A或一第二方向B之線性位移運動，依據各切層影像逐層堆疊出對應物件200實體的三維模型。
於本創作第一較佳實施例中，該計算機裝置13分別與該影像感應器121、投影機14、移動控制裝置114、俯仰與水平旋轉機構115及該供料裝置電訊連接，用以作為三維掃描列印複合裝置10的運作核心，亦即用 以儲存及整合掃描模組12所擷取之三維影像資料，並經處理後將之轉換成三維移動控制訊號輸出。其中，該計算機裝置13與該影像感應器121電訊連接以接收、儲存並整合被掃描物件200之三維影像資料，該計算機裝置13與該投影機14電訊連接以控制該投影機14投射光線至物件200及作為一熱源投射至座體111之時間，該計算機裝置13與該移動控制裝置114電訊連接以控制該承載裝置113於該容置空間15中所進行之線性位移運動，該計算機裝置13與該俯仰與水平旋轉機構115電訊連接以轉動擺置待掃描物件200之姿態，以及與該供料裝置電訊連接以控制該供料裝置提供材料至該座體111之數量。
另外，請參閱第5圖及第6圖，其分別為本創作三維掃描列印複合裝置10之第二較佳實施例之示意圖及其之投射光線201作為熱源照射座體111之示意圖。此實施例之三維掃描列印複合裝置10與第一較佳實施例中所述者之結構相似，其不同之處在於此係利用取像區域與列印區域重疊模式，故無須分光裝置16之輔助。三維掃描模組12配置於三維列印模組11下方。其中該座體111底部為透明材質，允許DLP投影機投射光線201穿透，且投射後的影像可被兩個影像感應器121所擷取。在使用掃描功能時，必須將物件200放置於座體111底部的上方位置，亦可以透過懸臂支撐之俯仰與水平旋轉機構115，藉由投射結構光產生的影像進行分析取得單一面向的物件200三維資料，經過多次掃描取得完整三維模型。
本創作之三維掃描列印複合裝置10確實可達到在有限的空間中(同一裝置)配置三維掃描及三維列印設備所需之元件，並且成功地使雙影像感應器121在精確度提高裝置122的輔助下，其量測的精確度不受雙影 像感應器121夾角減少之限制。減少三維掃描列印所需之空間配置並且提升其作用效能。
以上所述係利用較佳實施例詳細說明本創作，而非限制本創作的範圍，因此熟知此技藝的人士應能明瞭，適當而作些微的改變與調整，仍將不失本創作之要義所在，亦不脫離本創作之精神和範圍，故都應視為本創作的進一步實施狀況。謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
10‧‧‧三維掃描列印複合裝置
11‧‧‧列印模組
111‧‧‧座體
112‧‧‧架體
113‧‧‧承載裝置
114‧‧‧移動控制裝置
115‧‧‧俯仰與水平旋轉機構
12‧‧‧掃描模組
121‧‧‧影像感應器
122‧‧‧精確度提高裝置
123‧‧‧支架
13‧‧‧計算機裝置
14‧‧‧投影機
15‧‧‧容置空間
16‧‧‧分光裝置
30‧‧‧裝置本體
200‧‧‧物件
202‧‧‧反射光
203‧‧‧折射光
A‧‧‧第一移動方向
B‧‧‧第二移動方向

Claims (12)

  1. 一種三維掃描列印複合裝置，用以掃瞄/列印一物件，其包含：一裝置本體，與該物件維持一特定相對位置關係；一掃描模組，設置於該裝置本體上，用以擷取對應該物件之一三維影像資料；一精確度提高裝置，設置於該掃描模組與該物件之間，用以提高該三維影像資料的精確度；一計算機裝置，耦接至該掃描模組，用以儲存及整合該三維影像資料，並將整合後的該三維影像資料轉換成一三維移動控制訊號輸出；一列印模組，耦接至該計算機裝置，接收該三維移動控制訊號並據以輸出一立體結構；以及一分光裝置，將一光線分配至該物件與該列印模組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之三維掃描列印複合裝置，其中該掃描模組包含至少一影像感應器，該影像感應器是一電荷耦合元件(Charge-Coupled Device，CCD)或是一互補性氧化金屬半導體元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)影像感應器且裝載該精確度提高裝置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之三維掃描列印複合裝置，其中該列印模組更包含：一座體，其為一框架結構，該座體具有一容置空間；一架體，其與該座體垂直連接；一承載裝置，其位於該容置空間；以及一移動控制裝置，其與該承載裝置相連接，該移動控制裝置用以使該承載裝置於該容置空間中進行一第一方向或一第二方向之一線性位移運動。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之三維掃描列印複合裝置，更包含一光源投射 裝置，其中該光源投射裝置與該掃描模組、該列印模組及該物件維持一特定相對位置關係，以投射該光線至該物件且作為一熱源投射至該座體。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之三維掃描列印複合裝置，其中該光源投射裝置是一數位光源處理器(Digital Light Processing，DLP)投影機。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之三維掃描列印複合裝置，其中該精確度提高裝置係為一非對稱性透鏡。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之三維掃描列印複合裝置，其中該分光裝置係一半穿透半反射鏡或是一可翻轉反射鏡。
  8. 一種三維掃描列印複合裝置，用以掃瞄/列印一物件，其包含：一裝置本體，與該物件維持一特定相對位置關係；一掃描模組，設置於該裝置本體上，用以擷取對應該物件之一三維影像資料；一列印模組，設置於該裝置本體上，根據該三維影像資料而輸出對應該物件之一立體結構；以及一投影機，與該掃描模組、該列印模組及該物件維持一特定相對位置關係，投射一光線至該物件且作為一熱源投射至該列印模組的一座體。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之三維掃描列印複合裝置，更包含一精確度提高裝置，設置於該掃描模組與該物件之間，用以提高該三維影像資料的精確度。
  10. 一種三維掃描列印複合裝置，用以掃瞄/列印一物件，包含：一裝置本體，與該物件維持一特定相對位置關係；一輸入單元，設置於該裝置本體上，用以擷取對應該物件之一三維影像資料；以及 一輸出單元，設置於該裝置本體上，根據該三維影像資料而輸出對應該物件之一立體結構。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之三維掃描列印複合裝置，更包含一分光裝置，該分光裝置將一光線分配至該物件與該輸出單元。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之三維掃描列印複合裝置，更包含一精確度提高裝置，設置於該輸入單元與該物件之間，用以提高該三維影像資料的精確度。
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