本發(fā)明是有關(guān)于一種三維形貌掃描系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

三維掃描技術(shù)是分析物體的外觀(或幾何形狀)，其掃描到的信號會進行三維重建計算，以得出實際物體的數(shù)字信息。三角測距法為三維掃描技術(shù)的一種，其利用光源照射一物體，再通過影像擷取裝置得到物體上的光束信息。因光源、物體上的光束與影像擷取裝置形成一三角形，因此此種技術(shù)稱為三角測距法。

在一些三角測距系統(tǒng)上，激光可作為光源以照射待測物。因激光具有高指向性、高同調(diào)性，因此待測物的特征較便于識別。然而因激光的高同調(diào)性，因此容易在粗糙表面上形成光斑(speckle)，其來自于激光打至粗糙表面形成散射光之間的干涉效應(yīng)，進而產(chǎn)生不規(guī)則的斑點圖形。這些光斑可能會造成影像干擾，使得后續(xù)分析數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤判斷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本揭露提供一種三維形貌掃描系統(tǒng)，包含線光源、旋轉(zhuǎn)鏡與影像擷取裝置。線光源提供線光束。旋轉(zhuǎn)鏡將線光束反射至待測面，以于待測面上形成照射區(qū)域。旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)使得照射區(qū)域擺動，且不同時刻的照射區(qū)域互相重疊。影像擷取裝置用以擷取待測面上的照射區(qū)域的影像。

在一些實施方式中，待測面上的照射區(qū)域具有延伸方向。旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)使得照射區(qū)域?qū)嵸|(zhì)沿延伸方向擺動。

在一些實施方式中，待測面上的照射區(qū)域具有延伸方向。照射區(qū)域沿著延伸方向具有第一長度，照射區(qū)域擺動的擺幅小于照射區(qū)域的第一長度。

在一些實施方式中，待測面上的照射區(qū)域具有延伸方向。照射區(qū)域沿著延伸方向具有第一長度，且影像擷取裝置于待測面上具有取像區(qū)域，取像區(qū)域沿著延伸方向具有第二長度，第二長度小于第一長度。

在一些實施方式中，旋轉(zhuǎn)鏡具有旋轉(zhuǎn)頻率，且影像擷取裝置具有取像頻率，旋轉(zhuǎn)頻率等于取像頻率。

在一些實施方式中，旋轉(zhuǎn)鏡具有旋轉(zhuǎn)頻率，且影像擷取裝置具有取像頻率，旋轉(zhuǎn)頻率大于取像頻率。

在一些實施方式中，旋轉(zhuǎn)鏡包含反射鏡與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。反射鏡具有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸實質(zhì)位于反射鏡的中心。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)連接反射鏡，使得反射鏡沿著旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。

在一些實施方式中，線光源包含點光源與柱狀透鏡。點光源提供第一光束。柱狀透鏡用以將第一光束變形為線光束。

在一些實施方式中，線光束為激光光束。

在上述實施方式中，三維形貌掃描系統(tǒng)因線光束于待測面上形成的照射區(qū)域會隨著時間擺動，且不同時刻的照射區(qū)域互相重疊，因此即使線光束會在待測面上形成光斑，光斑亦會因擺動的照射區(qū)域而模糊化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施方式的三維形貌掃描系統(tǒng)的立體圖；

圖2a為照射區(qū)域的影像的示意圖；

圖2b為旋轉(zhuǎn)鏡未旋轉(zhuǎn)時照射區(qū)域沿線段b-b’的亮度分布圖；

而圖2c為旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時照射區(qū)域沿線段b-b’的亮度分布圖；

圖3為圖1的照射區(qū)域的俯視圖；

圖4為圖1的照射區(qū)域的位置與影像擷取裝置的取像的時序圖；

圖5為圖1的線光源的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下將以附圖揭露本發(fā)明的復(fù)數(shù)個實施方式，為明確說明起見，許多實務(wù)上的細節(jié)將在以下敘述中一并說明。然而，應(yīng)了解到，這些實務(wù)上的細節(jié)不應(yīng)用以限制本發(fā)明。也就是說，在本發(fā)明部分實施方式中，這些實務(wù)上的細節(jié)是非必要的。此外，為簡化附圖起見，一些已知慣用的結(jié)構(gòu)與元件在附圖中將以簡單示意的方式繪示。

圖1為本發(fā)明一實施方式的三維形貌掃描系統(tǒng)的立體圖。三維形貌掃描系統(tǒng)包含線光源110、旋轉(zhuǎn)鏡120與影像擷取裝置130。線光源110提供線光束112。旋轉(zhuǎn)鏡120將線光束112反射至待測面910，以于待測面910上形成照射區(qū)域a。旋轉(zhuǎn)鏡120旋轉(zhuǎn)使得照射區(qū)域a擺動，且不同時刻的照射區(qū)域a互相重疊。影像擷取裝置130用以擷取待測面910上的照射區(qū)域a的影像。為了清楚起見，在圖1中示意性繪示三個時刻，亦即旋轉(zhuǎn)鏡120旋轉(zhuǎn)至三種角度，而于待測面910上形成三個照射區(qū)域。

在一些實施方式中，待測面910可為一平臺900的表面。然而在其他的實施方式中，一待測物(未繪示)可置于平臺900上，而三維形貌掃描系統(tǒng)用以掃描待測物的立體外觀。若三維形貌掃描系統(tǒng)掃描待測物，則待測面為待測物(與平臺900)被線光束112照射到的表面。若三維形貌掃描系統(tǒng)掃描平臺900的表面，則待測面910為平臺900被線光束112照射到的表面。在此為了清楚起見，以平臺900被線光束112照射到的表面作為待測面910的舉例。

通過本實施方式的三維形貌掃描系統(tǒng)，由線光源110所產(chǎn)生的光斑(speckle)可被模糊化，以減少后續(xù)影像分析時所產(chǎn)生的誤判情形。具體而言，線光源110提供線光束112，線光束112于平臺900上形成線形的照射區(qū)域a，影像擷取裝置130即可擷取該照射區(qū)域a反應(yīng)出的特征信息。若平臺900與三維形貌掃描系統(tǒng)之間相對移動(例如平臺900移動)，則照射區(qū)域a照射至平臺900的不同地方，借此影像擷取裝置130可取得平臺900表面的整體特征信息。在本實施方式中，三維形貌掃描系統(tǒng)因線光束112于待測面910上形成的照射區(qū)域a會隨著時間擺動，且不同時刻的照射區(qū)域a互相重疊，因此即使線光束112會在待測面910上形成光斑，光斑會因擺動的照射區(qū)域a而移動，且照射區(qū)域a上各處的光斑具有不同的分布圖案，此兩種因素在照射區(qū)域a擺動時造成光斑模糊化，借此抑制或消除光斑對后續(xù)影像分析的影響。

舉例而言，請參照圖2a至圖2c的實施例說明。圖2a為照射區(qū)域a’的影像i’的示意圖，圖2b為旋轉(zhuǎn)鏡未旋轉(zhuǎn)時照射區(qū)域a’沿線段b-b’的亮度分布圖，而圖2c為旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時照射區(qū)域a’沿線段b-b’的亮度分布圖。圖2a中顯示待測物(未繪示)為平面的照射區(qū)域a’。若待測物具有不同高度的表面，則照射區(qū)域a’便會變形，亦即照射區(qū)域a’各點的位置會隨待測物的表面特征(如高度)而偏移，通過分析照射區(qū)域a’各點的偏移量可推算待測物的表面特征。當旋轉(zhuǎn)鏡未旋轉(zhuǎn)時，光斑具有明顯的亮度，因此在圖2b的亮度分布圖中產(chǎn)生多個高峰。當分析該處的偏移量(例如取亮度分布曲線的重心)時，這些高峰會成為雜訊，使得分析的偏移量位置不準確。然而當旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時，光斑被模糊化，圖2c的亮度分布曲線較平滑，因此分析的偏移量位置較為準確。通過上述說明，可證明旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)可使光斑模糊化，借此得到較準確的分析數(shù)據(jù)。

接著請一并參照圖1與圖3，其中圖3為圖1的照射區(qū)域a的俯視圖。在本實施方式中，旋轉(zhuǎn)鏡120隨時間旋轉(zhuǎn)，因此線光束112于不同時刻在待測面910上形成照射區(qū)域a1、a2、…、an(以下簡稱為a1～an)。待測面910上的照射區(qū)域a1～an具有一延伸方向d(或者更精確地說，為照射區(qū)域a1～an的長度延伸方向)，旋轉(zhuǎn)鏡120旋轉(zhuǎn)使得照射區(qū)域a1～an實質(zhì)沿延伸方向d擺動。

在本文中，“實質(zhì)”是用以修飾任何可些微變化的關(guān)系，但這種些微變化并不會改變其本質(zhì)(另外，本文所提到的“實質(zhì)”皆可應(yīng)用上述解釋，因此便不再贅述)。舉例來說，“旋轉(zhuǎn)鏡120旋轉(zhuǎn)使得照射區(qū)域a1～an實質(zhì)沿延伸方向d擺動”，此一描述除了代表旋轉(zhuǎn)鏡120旋轉(zhuǎn)使得照射區(qū)域a1～an確實沿延伸方向d擺動外，只要能夠達到改善光斑的目的，照射區(qū)域a1～an的排列方向可與延伸方向d略為不平行。

因照射區(qū)域a1～an隨時間擺動，因此每一照射區(qū)域a1～an上的光斑亦跟著擺動，使得光斑模糊化。如此一來，影像擷取裝置130所取得的影像中，光斑的信息便可被抑制。再加上，因照射區(qū)域a1～an實質(zhì)沿延伸方向d擺動，因此在模糊化光斑的同時，照射區(qū)域a1～an仍能保持掃描方向s(即實質(zhì)垂直延伸方向d的方向)的精度。

請參照圖3。每一照射區(qū)域a1～an沿著延伸方向d具有長度l1，照射區(qū)域a1～an擺動的擺幅δ小于照射區(qū)域a1～an的長度l1。換言之，照射區(qū)域a1～an之間會形成一重疊區(qū)域o，在圖3中以網(wǎng)點表示。在一些實施方式中，不論照射區(qū)域a1～an如何擺動，照射區(qū)域a1～an皆部分位于重疊區(qū)域o中。舉例而言，照射區(qū)域a1～an的長度l1可為約100毫米，而擺幅δ為約10毫米，因此重疊區(qū)域o的長度l2為約80毫米，然而本發(fā)明不以上述的數(shù)值為限。

在一些實施方式中，圖1的影像擷取裝置130于待測面910上具有一取像區(qū)域i。取像區(qū)域i沿著延伸方向d具有一長度l3。取像區(qū)域i的長度l3小于照射區(qū)域a1～an的長度l1。另外，取像區(qū)域i的長度l3可實質(zhì)等于或小于重疊區(qū)域o的長度l2。以上述的例子而言，取像區(qū)域i的長度l3可實質(zhì)等于或小于80毫米，然而本發(fā)明不以上述的數(shù)值為限。換言之，取像區(qū)域i于延伸方向d的相對兩端可位于重疊區(qū)域o中，如此一來影像擷取裝置130便不會取到重疊區(qū)域o外的影像，因此可避免擷取因照射區(qū)域a1～an擺動而產(chǎn)生的閃爍影像。

接著請一并參照圖1與圖4，其中圖4為圖1的照射區(qū)域a的位置與影像擷取裝置130的取像的時序圖。在圖4中，線段202表示照射區(qū)域a的位置。在一些實施方式中，旋轉(zhuǎn)鏡120具有旋轉(zhuǎn)頻率，且影像擷取裝置130具有一取像頻率。舉例而言，在圖4中，旋轉(zhuǎn)鏡120于一秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)了五次，因此旋轉(zhuǎn)頻率為約5hz。而影像擷取裝置130于時間t1與t2各取了一次像，而時間t1大約于0.38秒，因此取像頻率為約(1秒/0.38秒)＝約2.6hz，然而本發(fā)明不以上述的數(shù)值為限。另一方面，影像擷取裝置130于時間t1到時間t2(曝光時間)所取得的影像，包含照射區(qū)域a(或光斑)由位置p1到位置p2的累積變化，借此達到光斑模糊化的效果。因此，若旋轉(zhuǎn)鏡120的旋轉(zhuǎn)頻率等于影像擷取裝置130的取像頻率，所取得影像可包含由位置p1到位置p1’(亦即旋轉(zhuǎn)鏡120旋轉(zhuǎn)一次)的所有位置變化，若旋轉(zhuǎn)鏡120的旋轉(zhuǎn)頻率大于影像擷取裝置130的取像頻率，也就是影像擷取裝置130在一次取像期間，旋轉(zhuǎn)鏡120旋轉(zhuǎn)大于一次，所取得影像包含的位置變化越多。當旋轉(zhuǎn)鏡120旋轉(zhuǎn)越快，則光斑擺動的速度也越快，其模糊化的程度也就更明顯。

請參照圖5，其為圖1的線光源110的結(jié)構(gòu)示意圖。在一些實施方式中，線光源110包含點光源114與柱狀透鏡116。點光源114提供第一光束115。柱狀透鏡116用以將第一光束115變形為線光束112。在本文中，點光源114所提供的第一光束115的光點實質(zhì)上非線形，例如為圓形、橢圓形。點光源114例如可為激光。柱狀透鏡116的透鏡曲面呈單一軸向彎曲，因此可將第一光束115作單一軸向的變形(例如收斂后擴散)，使得第一光束115變?yōu)榫€光束112。然而上述的線光源110的結(jié)構(gòu)僅為示例，并非用以限制本發(fā)明。本發(fā)明的通常知識者，可依實際需求，彈性設(shè)計線光源110的組成結(jié)構(gòu)。

接著請回到圖1。在一些實施方式中，旋轉(zhuǎn)鏡120包含反射鏡122與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)124。反射鏡122具有旋轉(zhuǎn)軸123，旋轉(zhuǎn)軸123實質(zhì)位于反射鏡122的中心。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)124連接反射鏡122，使得反射鏡122沿著旋轉(zhuǎn)軸123轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)124例如可為步進馬達或磁鐵，利用機械力或磁力驅(qū)使反射鏡122轉(zhuǎn)動。

綜合上述，本發(fā)明各實施方式的三維形貌掃描系統(tǒng)因線光束于待測面上形成的照射區(qū)域會隨著時間擺動，且不同時刻的照射區(qū)域互相重疊，因此即使線光束會在待測面上形成光斑，光斑亦會因擺動的照射區(qū)域而被模糊化。如此一來，可不需額外增加擴散板來消除光斑。

雖然本發(fā)明已以實施方式揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準。