專利名稱：用于生成對象的三維圖像的設備的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于利用非接觸式激光三角測量傳感器生成對象的表面的三維圖像的設備。
背景技術(shù)：
通常，這種激光掃描設備在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的，且用于例如通過生成表示對象表面上多個點的點云測量對象的表面的三維形狀。因此，能夠生成待測量對象的表面的三維圖像。利用非接觸式傳感器的傳統(tǒng)三維成像設備包括用于利用非接觸式傳感器測量對象的表面的形狀并輸出測量數(shù)據(jù)的形狀測量設備(JP 3554264)、用于處理從形狀測量設備輸出的測量數(shù)據(jù)的計算機和用于利用計算機的控制顯示對象的表面的三維圖像的顯示設備。圖6是傳統(tǒng)形狀測量設備的光學單元的示意圖，該形狀測量設備包括激光二極管 111、擴束器112、第一鏡113、第二鏡114和第三鏡115。從激光二極管111發(fā)射的光經(jīng)過第一鏡到第三鏡113-115并照射待測量對象。從對象的表面反射的光經(jīng)過第三鏡115、第二鏡114、第四鏡116、成像透鏡部分117，并進入作為非接觸式傳感器的CCD線陣傳感器部分118。在形狀測量設備中，容納光學單元的外殼可圍繞X軸旋轉(zhuǎn)，并且第三鏡115可圍繞 Y軸旋轉(zhuǎn)，以利用激光二極管111掃描對象的表面。圖7示出了三維成像設備的原理。從激光二極管111發(fā)射的光照射待測量對象的表面，并且利用成像透鏡部分117的成像透鏡117a匯聚從表面反射的光，并成像到C⑶線陣傳感器部分118的線陣傳感器118a上。線陣傳感器118a上反射光的成像位置從形狀測量設備輸出作為測量數(shù)據(jù)。計算機利用用于測距儀的三角方法計算對象的表面的三維形狀。線陣傳感器118a還測量反射光的量，以獲得對象的表面的對比度信息并產(chǎn)生對象的三維圖像。圖8是三維成像設備的框圖。電氣控制設備150控制激光二極管111，并連接到編碼器121來檢測旋轉(zhuǎn)第三鏡115的電機119的旋轉(zhuǎn)角度。信號從電氣控制設備150輸出到計算機200。信號通過坐標轉(zhuǎn)換部分210和圖像處理部分220轉(zhuǎn)換為圖像信號，以顯示三維圖像。在圖8中所示的三維成像設備中，編碼器121附接到電機119以旋轉(zhuǎn)第三鏡115。 編碼器121產(chǎn)生編碼器脈沖信號以圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)第三鏡115，從而檢測激光的照射位置。在一個編碼器脈沖信號和下一個編碼器脈沖信號之間的時間段中，來自照射位置的反射光被作為電荷累積地存儲在CXD線陣傳感器部分118的線陣傳感器118a的CXD裝置中。測量編碼器脈沖信號之間的時間間隔中存儲在CCD裝置中的電荷的總量，作為從照射位置反射的光的量。C⑶裝置具有重置定時以釋放存儲的電荷。當如圖9所示，在傳統(tǒng)三維成像設備中，編碼器121的編碼器脈沖信號沒有與CCD的重置定時同步時，存儲在CCD裝置中的電荷的總量不表示編碼器脈沖信號之間存儲的累積電荷。因此，傳統(tǒng)三維成像設備沒有測量從照射位置反射的光的正確量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于基于在照射位置從對象的表面反射的激光的正確量的測量生成具有對象的正確位置和對比度信息的三維圖像的改進設備。通過實現(xiàn)獨立權(quán)利要求的特征實現(xiàn)該目的。在從屬權(quán)利要求中描述以替代或有利方式進一步發(fā)展本發(fā)明的特征。根據(jù)本發(fā)明的第一目的，一種用于生成對象的三維圖像的掃描設備包括用于發(fā)射激光的激光源；用于朝向待測量對象的表面照射從激光源發(fā)射的激光的第一光學單元； 用于成像從對象的表面反射的激光的第二光學單元；具有多個傳感器元件的光敏檢測器， 用于檢測來自第二光學單元的激光的成像位置；入射光測量裝置，用于測量與進入光敏檢測器的激光量對應的接收激光量；和處理單元。其中，處理單元用于以下述方式控制掃描設備生成具有預定時間間隔的多個定時信號，這些定時信號控制光敏檢測器的傳感器元件的重置定時，在一個定時信號之后從激光源照射驗證激光達短于預定時間間隔的時間段， 利用入射光測量裝置測量從對象的表面反射的驗證激光的量，并且根據(jù)利用入射光測量裝置測量的驗證激光的量確定從激光源發(fā)射的測量激光的量。特別地，激光源被構(gòu)造為激光二極管。特別地，光敏檢測器被構(gòu)造為線陣傳感器(例如，CXD或CMOS線陣傳感器)或被構(gòu)造為面陣傳感器(例如，CCD或CMOS面陣傳感器/矩陣傳感器)。特別地，掃描設備進一步包括用于移動從激光二極管發(fā)射的激光的照射位置的移動裝置和用于檢測移動裝置的移動的檢測裝置。其中，通過從檢測裝置輸出的檢測信號能夠生成多個定時信號。然而，替代地，也可以通過控制單元觸發(fā)所述多個定時信號。特別地，能夠至少從入射光測量裝置的信號獲取對象表面的對比度信息(考慮測量出的驗證激光的量)。因此，入射光測量裝置的輸出可以用于確定待測量對象的表面的對比度信息。替代地或附加地，也可以考慮測量激光的量來確定待測量對象的表面的對比度信息。例示地，能夠根據(jù)由入射光測量裝置測量的接收激光量、由光敏位置檢測器測量的接收激光量和/或由激光源發(fā)射的激光量(根據(jù)本發(fā)明它們本身已彼此依賴)確定對象表面的對比度信息。特別地，利用激光源的發(fā)射時間的長度確定測量激光的量。替代地或附加地，也能夠利用控制激光源的光的強度來確定測量激光的量。特別地，測量激光在預定時間間隔多次照射，利用入射光測量裝置測量一個測量激光的量，并且利用用入射光測量裝置確定的一個測量激光的量來確定從激光源發(fā)射的測量激光的下一光強度。特別地，入射光測量裝置具有對激光的強度做出響應的多個放大器。在本發(fā)明的三維成像設備的特定實施方式中，從檢測裝置輸出的檢測信號生成具有預定時間間隔的多個定時信號，并且這些定時信號控制CCD線陣傳感器部分的CCD的重置定時。進入CXD線陣傳感器的光的量因而對應于照射位置。因此，設備正確地測量從照射位置反射的光的量。
在一個定時信號之后從激光二極管照射驗證激光達短于預定時間間隔的時間段。 利用入射光測量裝置測量驗證激光的量。利用用入射光測量裝置測量的驗證激光的量來確定從激光二極管發(fā)射的測量激光的量。因此，進入CCD線陣傳感器部分的測量激光的量始終處于可存儲在CCD線陣傳感器部分的電荷的范圍中而沒有對象的表面的反射性或?qū)ο蠛托螤顪y量設備之間的距離的影響，從而正確地測量從對象反射的測量激光的量。本發(fā)明的設備通過將對比度信息分配到三維形狀數(shù)據(jù)的正確坐標來生成清楚且正確的對象的三維圖像。利用激光二極管的發(fā)射時間的長度確定測量激光的量，從而設備能夠利用具有恒定強度的測量激光。利用激光二極管的光的強度確定測量激光的量，從而設備能夠利用具有恒定發(fā)射時間的測量激光。利用一個測量激光的量確定從激光二極管發(fā)射的測量激光的下一強度。因此，從對象反射并進入CCD裝置的測量激光的量始終處于可存儲在CCD裝置中的電荷的范圍中而沒有對象的表面的反射性或?qū)ο蠛托螤顪y量設備之間的距離的影響，從而正確地測量從對象反射的測量激光的量。然后將對比度信息與正確的三維形狀數(shù)據(jù)的坐標組合。入射光測量裝置具有對激光的大和小強度做出響應的多個放大器，以確保響應反射光的大和小量的寬動態(tài)范圍。因此設備獲取具有寬動態(tài)范圍的對比度信息。


以下將參照在附圖中示意地示出的可行實施方式的示例更詳細地說明本發(fā)明，其中圖1是本發(fā)明第一實施方式的三維成像設備的形狀測量設備的光學單元的立體圖；圖2示出了圖1的三維成像設備的測量的原理；圖3是示出了圖1的實施方式的形狀測量設備的構(gòu)造的框圖；圖4是圖1的實施方式的形狀測量設備的控制系統(tǒng)的定時圖；圖5是本發(fā)明第二實施方式的三維測量設備的形狀測量設備的控制系統(tǒng)的定時圖；圖6是傳統(tǒng)三維成像設備的形狀測量設備的光學單元的示意圖；圖7示出了圖6的形狀測量設備的測量的原理；圖8是示出了圖6的形狀測量設備的構(gòu)造的框圖；圖9是圖6的形狀測量設備的控制系統(tǒng)的定時圖；圖10是本發(fā)明的第三實施方式的三維成像設備的形狀測量設備的光學單元的立體圖；圖11是本發(fā)明的第四實施方式的三維成像設備的形狀測量設備的光學單元的立體圖；圖12是示出了圖11的實施方式的形狀測量設備的構(gòu)造的框圖；圖13是本發(fā)明的第五實施方式的三維成像設備的形狀測量設備的光學單元的立體圖。
具體實施例方式參照圖1-4說明本發(fā)明的第一實施方式。一種用于生成三維圖像的設備(也稱為三維成像設備)包括發(fā)射激光的激光二極管2、將從激光二極管2發(fā)射的激光照射到待測量對象的表面的第一光學單元、移動從激光二極管2發(fā)射的激光的照射位置的移動裝置、檢測移動裝置的移動的編碼器6a(檢測裝置)、對從對象的表面反射的激光進行成像的第二光學單元、檢測從第二光學單元接收的激光的成像位置的CCD線陣傳感器部分13和測量進入CCD線陣傳感器部分13的光量的布置在第二光學單元上的入射光測量裝置。利用從檢測裝置輸出的檢測信號生成具有預定時間間隔的多個定時信號。這些定時信號控制CCD線陣傳感器部分13的CXD的重置定時。激光二極管2在一個定時信號之后發(fā)射驗證激光達短于預定時間間隔的時間段。入射光測量裝置測量驗證激光的量。由利用入射光測量裝置測量的驗證激光的量確定從激光二極管2發(fā)射的測量激光的量。從入射光測量裝置輸出的數(shù)據(jù)用作用于生成對象的三維圖像的對比度信息。第一光學單元包括擴束器3、第一鏡4和第二鏡5。第二光學單元包括第三鏡7、第四鏡8、第五鏡9、成像透鏡部分10和半反射鏡(half mirror) 11。根據(jù)三角的測量原理工作的三維掃描設備包括利用CXD線陣傳感器部分13測量對象的表面并輸出測量數(shù)據(jù)的形狀測量設備、處理從形狀測量設備輸出的數(shù)據(jù)的計算機30 和未示出的由計算機控制來顯示三維圖像的顯示裝置。形狀測量設備通常附接到未示出的便攜臂坐標測量機或計算機控制或手動操作的坐標測量機(以下稱為PCMM/CMM)的端部。PCMM/CMM的端部的坐標和定向數(shù)據(jù)輸出到計算機30。圖1是示出三維成像設備的實施方式的形狀測量設備的光學單元1的立體圖。從激光二極管2發(fā)射的光經(jīng)由第一光學單元照射到待測量對象的表面。第一光學單元的擴束器3用于在測量距離的范圍內(nèi)將激光射束的直徑保持小。第一鏡4和第二鏡5被布置為改變激光的方向。第二鏡5附接到回轉(zhuǎn)電機6的旋轉(zhuǎn)軸的一端并可圍繞圖1所示的Y軸旋轉(zhuǎn)。第二鏡5的旋轉(zhuǎn)在對象的表面上水平地移動激光的照射位置。第三鏡7也附接到回轉(zhuǎn)電機6的旋轉(zhuǎn)軸的另一端并與第二鏡5旋轉(zhuǎn)相同的角度。第二鏡5、回轉(zhuǎn)電機6和第三鏡7構(gòu)成移動裝置來移動從激光二極管2發(fā)射的激光的照射位置。利用圍繞接收光學單元的整個外殼 (未示出)的X軸的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對象的表面上垂直方向上的往復移動。關于外殼的旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)也輸出到計算機30。參照圖3，編碼器6a附接到回轉(zhuǎn)電機6作為檢測移動裝置的移動的檢測裝置。編碼器6a輸出回轉(zhuǎn)電機6的旋轉(zhuǎn)位置作為檢測信號。通過圖3中所示的FPGA20(現(xiàn)場可編程門陣列)從檢測信號生成具有預定時間間隔的所述多個定時信號。第二光學單元被布置為對從對象的表面反射的激光進行成像。第三鏡7、第四鏡 8、第五鏡9和半反射鏡11被布置為改變激光的方向并使激光通過。成像透鏡部分10被布置為收集反射光并將該光成像在CCD線陣傳感器部分13的線陣傳感器13a上。第三鏡7 配合第二鏡5并可通過回轉(zhuǎn)電機6圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)，參見圖1，從而從對象的表面反射的激光以與激光到對象的表面的照射角對應的入射角進入第三鏡7。成像透鏡部分10具有成像透鏡IOa和帶通濾波器10b。CXD線陣傳感器部分13具有測量反射光的成像位置的線陣傳感器 13a。光電二極管12被布置為接收從半反射鏡11的表面反射的光并檢測反射光的量。圖2示出了三維成像設備的測量原理。從激光二極管2發(fā)射的激光照射在待測量對象的表面上。利用成像透鏡部分10的成像透鏡IOa匯聚從對象的表面反射的光并將該光成像在CCD線陣傳感器部分13的線陣傳感器13a上。在線陣傳感器13a上的反射光的成像位置被輸出作為來自形狀測量設備的測量數(shù)據(jù)。計算機將在距離測量中應用的三角方法應用到測量數(shù)據(jù)并計算對象的三維形狀。圖3示出了三維成像設備的控制系統(tǒng)。由FPGA 20和由自動功率控制控制的反饋來控制驅(qū)動激光二極管2的激光二極管驅(qū)動器加。利用由鄰近激光二極管2中發(fā)光體布置的光電傳感器測量的光的量的檢測值實現(xiàn)自動功率控制。由光電傳感器檢測的激光二極管2的光的量輸入到放大器2b并進一步輸入到比較器2c。由FPGA 20控制從激光二極管 2發(fā)射的光的量和發(fā)射時間。從FPGA 20輸出的數(shù)字信號被利用D/A轉(zhuǎn)換器20a轉(zhuǎn)換為模擬信號并被輸入到比較器2c。比較器2c接收自動功率控制的反饋控制信號和FPGA 20的控制信號，并將這兩種信號輸入到激光二極管驅(qū)動器加。附接到回轉(zhuǎn)電機6的編碼器6a檢測回轉(zhuǎn)電機6的旋轉(zhuǎn)位置作為檢測信號，并將檢測信號經(jīng)過編碼轉(zhuǎn)換器6b輸入到FPGA 20。經(jīng)過CCD驅(qū)動器13b將CCD線陣傳感器部分13連接到FPGA 20。FPGA 20控制線陣傳感器I3a的各(XD的重置定時。光電二極管12連接到第一放大器1 和第二放大器12c。第一放大器1 經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換器12b連接到FPGA 20，并且第二放大器12c經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器12d連接到FPGA 20。 光電二極管12、第一和第二放大器12a、12c和A/D轉(zhuǎn)換器12b、12d構(gòu)成入射光測量裝置。第一放大器1 設置在高放大因數(shù)，并且第二放大器12c設置在低放大因數(shù)。當利用光電二極管12檢測的反射光線是小量時，檢測信號經(jīng)過第一放大器1 和A/D轉(zhuǎn)換器 12b輸入到FPGA 20。當利用光電二極管12檢測的反射光是大量時，檢測信號經(jīng)過第二放大器12c和A/D轉(zhuǎn)換器12d輸入到FPGA 20。因而設備具有對反射光的大量和小量做出響應的寬動態(tài)范圍。圖4示出了形狀測量設備的控制系統(tǒng)的定時圖。編碼器6a(檢測裝置)將在圖4中表示為“編碼器脈沖”的檢測信號發(fā)送到FPGA 20，并且FPGA 20從檢測信號生成定時信號。從編碼器6a的一個檢測信號生成一個定時信號，并且從下一個檢測信號生成下一個定時信號。定時信號之間的時間間隔是預定時間間隔。在一個定時信號的生成之后利用定時信號控制激光二極管驅(qū)動器2a，并且從激光二極管2發(fā)射圖4中表示為“驗證激光”的驗證激光。預先確定驗證激光的強度，從而驗證激光的反射光的量處于第一和第二放大器12a、12c和A/D轉(zhuǎn)換器12b、12d的動態(tài)范圍之間。驗證激光的照射時間短于預定時間間隔。這是因為需要在預定時間間隔期間照射驗證激光和測量激光。從激光二極管2向?qū)ο蟮谋砻姘l(fā)射驗證激光并且反射光經(jīng)過半反射鏡11進入光電二極管12。利用入射光測量裝置(參照由圖4的“PD輸入”表示的波形)測量驗證激光的反射光的量。當對象的表面暗或?qū)ο蠛托螤顪y量設備之間的距離長時，反射光的量減少。 當對象的表面亮或為金屬，或者對象和形狀測量設備之間的距離短時，反射光的量增加。利用A/D轉(zhuǎn)換器12b、12d數(shù)字化驗證激光的反射光的量的測量值，并將其輸入到 FPGA 20。在該實施方式中，F(xiàn)PGA 20基于驗證激光的量確定激光二極管2的測量激光的照射時間。當驗證激光的反射光的量大時，測量激光的照射時間縮短，而當其反射光的量小時，測量激光的照射時間延長。測量激光的照射時間的調(diào)整控制其反射光的量，使得反射光的量處于CCD線陣傳感器部分13的線陣傳感器13a的各CCD的電荷的適當范圍內(nèi)。當測量激光的反射光的量大于可存儲在CCD裝置中的電荷的量時，CCD裝置不能正確地測量光的量。當其反射光的量太小時，很難區(qū)分反射光和噪聲。CCD裝置的電荷的適當范圍在可存儲在CCD裝置中的電荷(上限)和大于噪聲水平的電荷(下限)之間。FPGA 20控制激光二極管驅(qū)動器2a，使得激光二極管2基于確定的測量激光的照射時間發(fā)射光。預先確定激光二極管2的光強度并且調(diào)整其發(fā)射時間。因此，激光二極管 2的發(fā)射具有脈沖波形(參照由圖4中的“測量激光開1，，表示的波形)。當測量激光從對象的表面反射并進入CCD線陣傳感器部分13的線陣傳感器13a 的CCD裝置時，接收測量激光的CCD裝置被指定并且反射光的成像位置被確定。通過CCD 驅(qū)動器1 利用FPGA 20測量測量激光的反射光的量。由于進入C⑶裝置的反射光的量處于可存儲在C⑶裝置中的電荷的范圍中，而與對象的表面的反射性以及對象和形狀測量設備之間的距離無關，所以正確地測量測量激光的反射光的量。激光二極管2發(fā)射作為脈沖激光的測量激光和驗證激光。因而減少了熱產(chǎn)生，并且因而防止了由于熱導致的激光二極管2的光的量的變化。激光二極管2的脈沖發(fā)射允許改進光電二極管12的S/N比的激光二極管2的大量的光。在該實施方式中，從激光二極管2發(fā)射的測量激光具有預定光強度并且測量激光的發(fā)射時間被調(diào)整。還可行的是，預先確定發(fā)射時間并且利用FPGA 20調(diào)整光強度。線陣傳感器13a的CCD裝置的電荷的適當范圍處于可存儲在CCD裝置的電荷(上限)和高于噪聲水平的電荷(下限)之間。需要控制激光二極管2的發(fā)射時間和強度以不超過該范圍。 由圖4的“測量激光開2”表示的波形屬于這種情況。測量激光開1和測量激光開2均具有發(fā)射時間和光強度的產(chǎn)品的相同值。根據(jù)從CCD裝置輸出的數(shù)據(jù)獲得對象的表面的正確三維形狀。根據(jù)從入射光測量裝置獲得的數(shù)據(jù)生成對象的表面的對比度信息。入射光測量裝置包括光電二極管12、第一和第二放大器12a、12c和A/D轉(zhuǎn)換器 12b、12d，并且具有對反射光的大量和小量做出響應的寬動態(tài)范圍。因而正確地獲得對比度信息而與反射光的量無關。利用線陣傳感器13a的每個CCD裝置測量的亮度也能夠用于對比度信息。在這種情況下，預先確定測量激光的發(fā)射時間并且僅調(diào)整光強度(參照由“測量激光開2”表示的波形)，并且從校正的光強度獲得對比度信息。利用輸入到計算機30的CMM的坐標數(shù)據(jù)、形狀測量設備的整個外殼的旋轉(zhuǎn)角的數(shù)據(jù)、編碼器6a的旋轉(zhuǎn)位置的數(shù)據(jù)和利用線陣傳感器13a的各CXD測量的距離，計算機30生成正確的三維形狀數(shù)據(jù)。計算機30組合三維形狀數(shù)據(jù)和對比度信息以生成對象的三維圖像。因此，該實施方式的三維成像設備通過將對比度信息分配到三維形狀數(shù)據(jù)的正確坐標來生成非常清楚和正確的三維圖像。圖5示出了本發(fā)明的第二實施方式。第二實施方式具有與第一實施方式相同的構(gòu)造。第一實施方式和第二實施方式的不同如下。測量激光在預定時間間隔期間照射多于一次，并且入射光測量裝置測量一個測量激光的量。利用用入射光測量裝置測量的一個測量激光的量確定由激光二極管2照射的下一個測量激光的強度。從編碼器6a輸出的檢測信號輸入到FPGA 20以生成類似于第一實施方式的定時信號(參照圖5的由“編碼器脈沖”表示的波形)。利用定時信號控制激光二極管驅(qū)動器 2a，并且從激光二極管2發(fā)射驗證激光(參照圖5的“激光輸出”的“脈沖1”)。與第一實施方式類似地預先確定驗證激光的光強度。當驗證激光的反射光進入光電二極管12并且測量驗證激光的反射光的量時， FPGA 20從測量值確定第一測量激光的光強度。照射第一測量激光的激光二極管2的發(fā)射是脈沖波形并且發(fā)射時間是預先確定的。第一測量激光被照射到待測量的對象的表面，并且從對象的表面反射的激光進入光電二極管12。測量第一測量激光的反射光的量，并且FPGA 20從測量值確定第二測量激光的光強度。第二測量激光也是與第一測量激光相同的脈沖波形并且預先確定其發(fā)射時間。照射第二測量激光并且測量反射光的量以確定第三測量激光的光強度?！獋€測量激光用作驗證激光以確定下一測量激光的光強度。在第二實施方式中， 多個測量激光用作多個驗證激光。正確地測量測量激光的反射光的量，而沒有對象的表面的反射性以及對象與形狀測量設備之間的距離的影響。進入CCD裝置的測量激光的反射光的量始終處于可存儲在CCD裝置中的電荷的范圍中。因此，這樣正確地測量測量激光的反射光的量。與第一實施方式類似地，第二實施方式也通過組合由CXD裝置獲得的表面的正確三維形狀和對象的表面的對比度信息來生成三維圖像。與第一實施方式相反地，在編碼器6a的一個定時信號和下一定時信號之間的預定時間間隔期間，入射光測量裝置接收多個測量激光。利用光電二極管12測量的測量激光的反射光的量包含不同光強度。同樣在第二實施方式中，首先以編碼器的定時發(fā)射驗證激光并且與優(yōu)化反饋無關的輸入變?yōu)閷Ρ榷刃畔?。第二實施方式的計算機30利用輸入到計算機30的CMM的坐標數(shù)據(jù)、形狀測量設備的整個外殼的旋轉(zhuǎn)角的數(shù)據(jù)、編碼器6a的旋轉(zhuǎn)位置的數(shù)據(jù)和利用線陣傳感器13a的各 CXD測量的距離生成正確的三維形狀數(shù)據(jù)。計算機30通過組合正確的三維形狀數(shù)據(jù)和對比度信息生成對象的三維圖像。因此，本實施方式的三維成像設備通過將對比度信息分配到三維形狀數(shù)據(jù)的正確坐標生成非常清楚和正確的三維圖像。與圖1中所描繪的實施方式類似地，圖10示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的掃描設備。然而，代替如圖1中所示的CCD線陣傳感器，使用面陣傳感器13b，特別地，使用CCD矩陣陣列或面陣CMOS傳感器，作為光敏位置檢測器，用于測量由第二光學單元接收的反射激光的成像位置。而且，存在激光二極管2作為激光源，以便于發(fā)射激光，即驗證激光和測量激光。第一光學單元至少包括擴束器3和鏡5，其中鏡5通過回轉(zhuǎn)電機6在給定角度范圍內(nèi)來回回轉(zhuǎn)。因此，回轉(zhuǎn)電機6是移動裝置的用于來回往復從激光二極管發(fā)射的激光的照射位置的部分。角編碼器6a用作檢測裝置，用于檢測往復電機的移動。在描繪的簡化實施方式中，第二光學單元包括部分透射鏡11和成像透鏡部分。因為面陣傳感器1 在該實施方式中用作光敏位置檢測器，所以接收反射激光的第二光學單元不包括也連接到回轉(zhuǎn)電機6的軸的回轉(zhuǎn)鏡。為了確定到由測量激光照射的對象的表面的點，面陣傳感器1 能夠被逐行讀出(并且能夠根據(jù)三角原理獲得距離)。光電二極管12布置為接收從部分透射鏡11反射的光，并且檢測反射光的量。根據(jù)本發(fā)明，生成具有預定時間間隔的多個定時信號，其中定時信號控制面陣傳感器13b的傳感器元件的重置定時。為了控制從激光源發(fā)射的測量激光的量，從激光源照射驗證激光達短于預定時間間隔的時間段，并且利用入射光測量裝置測量從對象的表面反射的驗證激光的量。因此，能夠根據(jù)利用入射光測量裝置測量的驗證激光的量確定從激光源發(fā)射的測量激光的量。圖11和12示意地示出了根據(jù)本發(fā)明的掃描設備，與圖10中所描繪的實施方式類似地，其進一步包括至少一個引導光源，具體地第二激光二極管43，其被構(gòu)造和布置為將可見光譜范圍內(nèi)的引導束44照射到對象的表面上。從而，引導束44的發(fā)射位置與由激光二極管2發(fā)射的測量激光45的發(fā)射位置隔開。此外，引導束以下述方式相對于測量激光傾斜照射引導束44和激光45以預定最優(yōu)掃描偏移距離(例如大約IOcm)交叉，該預定最優(yōu)掃描偏移距離由光敏檢測器13b的布置給出，并且可由光敏檢測器1 檢測反射測量激光內(nèi)的距離范圍。因此，引導束44投射到對象的表面上以便表示正確或最優(yōu)的測量距離。其中，能夠也代表回轉(zhuǎn)電機6 (移動裝置)和回轉(zhuǎn)鏡5，來回往復引導束44的照射位置，類似于測量激光45。引導束44然后由第三光學單元沿第三光學路徑導向并從鏡41向?qū)ο蟮谋砻嬲丈洹Ｒ栽摲绞缴傻囊龑?4用作調(diào)整目標以使掃描設備位于相對于待測量對象的最優(yōu)位置(距離和地點)。如所示的，當由測量光45生成到對象表面上的線與由往復引導束44投射的引導線一起下降時，提供該條件。因此，引導束44以下述方式來回往復并投射到對象的表面上投射作為對象的表面上的引導線出現(xiàn)(即，用于人眼)，特別地作為虛線的導引線，以允許容易地將引導線與由測量激光45投射的測量線區(qū)分。例如可以通過隨著時間適當?shù)乜刂埔龑Ч庠吹陌l(fā)射時間間隔來生成虛線的導引線。例示地，用于提供使用便利，引導光源43的引導束44和激光源2的激光45可以具有不同顏色(例如，分別為橙色和紅色)。圖13示出了圖1和圖11中所示的實施方式的組合。在該實施方式中，掃描設備再次包括用作引導光源的第二激光二極管43。然而，引導激光束44被導向在第二光學單元的鏡7上并且由第二光學單元的鏡7照射，該鏡被設計為接收從對象的表面反射的激光并且代表回轉(zhuǎn)電機6前后擺動。因此，弓丨導束44自動地生成相等長度的假想引導線作為由測量激光45投射的測量線，其中引導線和測量線是平行的?？蛇x地，如結(jié)合圖11所述的，通過隨著時間的引導光源43的功率控制的開/關調(diào)制可以將引導線投射為虛線。綜上所述，提供該特征用于在掃描時引導用戶。掃描設備投射示出最優(yōu)掃描偏移距離的準確虛線。這使用戶能夠快速熟悉良好的掃描實踐。雖然部分地參照一些優(yōu)選實施方式在上面已示出了本發(fā)明，但是應該理解能夠進行實施方式的不同特征的大量修改和組合。所有這些修改都落在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于生成待測量對象的表面的三維圖像的掃描設備，所述掃描設備包括 激光源，用于發(fā)射激光； 第一光學單元，用于將從所述激光源發(fā)射的激光朝向所述對象的表面照射； 第二光學單元，用于成像從所述對象的表面反射的激光；眷具有多個傳感器元件的光敏檢測器，用于檢測來自所述第二光學單元的激光的成像位置； 入射光測量裝置，用于測量與進入所述光敏檢測器的激光量對應的接收激光量；和 處理單元，用于以下述方式控制所述掃描設備-生成具有預定時間間隔的多個定時信號，-所述定時信號控制所述光敏檢測器的傳感器元件的重置定時，-在一個定時信號之后從所述激光源照射驗證激光達短于所述預定時間間隔的時間段，-利用所述入射光測量裝置測量從所述對象的表面反射的所述驗證激光的量，和 -根據(jù)利用所述入射光測量裝置測量的所述驗證激光的量確定從所述激光源發(fā)射的所述測量激光的量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其中，所述激光源被構(gòu)造為激光二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設備，其中，所述光敏檢測器被構(gòu)造為線陣傳感器，特別地為CCD線陣傳感器，或者被構(gòu)造為面陣傳感器，特別地為CCD矩陣陣列或面陣CMOS傳感ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項所述的設備，所述設備進一步包括 移動裝置，用于移動從所述激光二極管發(fā)射的激光的照射位置； 檢測裝置，用于檢測所述移動裝置的移動；并且 其中，通過從所述檢測裝置輸出的檢測信號生成所述多個定時信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項所述的設備，其中，所述多個定時信號由所述控制單元觸發(fā)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項所述的設備，其中，所述入射光測量裝置的輸出用于確定所述待測量對象的表面的對比度信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任一項所述的設備，其中，所述測量激光的量用于確定所述待測量對象的表面的對比度信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任一項所述的設備，其中，根據(jù)所述激光源的發(fā)射時間的長度確定所述測量激光的量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中的任一項所述的設備，其中，根據(jù)所述激光源的光的強度確定所述測量激光的量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任一項所述的設備，其中 所述測量激光在所述預定時間間隔被照射多次， 利用所述入射光測量裝置測量一個測量激光的量，并且 根據(jù)利用所述入射光測量裝置確定的所述一個測量激光的量確定從所述激光源發(fā)射的所述測量激光的下一光強度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中的任一項所述的設備，其中，所述入射光測量裝置具有響應于激光的強度的多個放大器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中的任一項所述的設備，所述設備進一步包括至少一個引導光源，特別是第二激光二極管，其被構(gòu)造和布置為將可見光譜范圍內(nèi)的引導束照射到所述對象的表面上， 其中，所述引導束的發(fā)射位置與由所述激光源發(fā)射的激光的發(fā)射位置隔開，并且 其中，所述引導束相對于所述測量激光傾斜照射，使得所述引導束和所述激光以最優(yōu)掃描偏移距離交叉。
13.根據(jù)引用權(quán)利要求4時的權(quán)利要求12所述的設備，其中，代表所述移動裝置，來回往復所述引導束的照射位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設備，其中，所述引導束以下述方式照射并投射到表面上 通過隨著時間控制所述引導光源的發(fā)射間隔，所述引導束作為引導線出現(xiàn)在所述對象的表面上，特別地作為虛線引導線。
15.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的設備，其中 從所述第二光學單元的鏡發(fā)射所述引導，所述鏡被設計為接收從所述對象的表面反射的激光， 或者從第三光學單元發(fā)射所述引導，所述第三光學單元用于朝向所述對象的表面照射所述弓I導光源的所述弓I導束。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-14中的任一項所述的設備，其中，所述引導光源的所述引導束和所述激光源的所述激光具有不同顏色。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于基于3D表面位置和表面對比度信息生成對象的表面的三維圖像的非接觸式激光三角掃描設備。該設備包括激光源、第一光學單元、第二光學單元、具有多個傳感器元件的光敏位置檢測器和入射光測量裝置。根據(jù)生成的具有預定時間間隔的定時信號，控制光敏位置檢測器的傳感器元件的重置定時。入射光測量裝置測量一個定時信號之后的驗證激光的量。根據(jù)測量到的驗證激光的量確定測量激光的量。通過組合從位置檢測器的信號獲得的位置數(shù)據(jù)和至少從入射光測量裝置的信號，獲得的對比度數(shù)據(jù)生成三維圖像(考慮測量出的驗證激光的量)。
文檔編號G01B11/25GK102483326SQ200980160259
公開日2012年5月30日 申請日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者佐野陽一, 鈴木健吾, 鈴木敏, 鈴木雅大, 高林正樹 申請人:?？怂箍禍y量技術(shù)株式會社, 萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司