[发明专利]三维光扫描

说明书

本发明涉及光学领域，更具体地是涉及一种在三维表面上进行颜色和轮廓测量的方法。

在许多情形中，具有高分辨率的颜色和轮廓数据来描绘三维物体是很有用的。例如，经常需要在计算机中建造实际物体的虚拟模型以便进行数学上的分析。这种数据也可以被用于例如艺术品的编目和鉴定。

在National Research Council of Canada使用的激光测距传感器是进行这种测量的一种技术。这种技术包括一个用入射激光束扫描表面来形成一个反射光束的装置，该反射光束被照射到一个光敏传感器线性阵列，特别是一个CCD(Charge Coupled Device)。在单色的型号中，当入射光束扫描过目标表面时，在传感器阵列上的反射光束的相对位置能够通过三角测量给出轮廓信息。返回到传感器阵列的光的数量也可以被测量并被用于测定目标表面的反射能力。在彩色的型号中，通过采用彩色激光并将反射光劈裂成三个组分的波长，将它们成像在CCD阵列的不同位置，这样除了能够获得轮廓的信息之外还可以获得颜色的信息。CCD阵列的输出信号包含有相应于每个激光波长的光点图象的峰值。假设每个峰值的识别也就是原始波长已经公知的话，目标表面的位置可以通过三角计算而获得。对于每一个波长，返回到传感器的光的数量可以从峰值形状计算出来。知道了存在于反射光束中每个波长的数量就可以使得在传感器阵列上主要波长的光强能够计算出所述表面的颜色。这样的技术例如在美国专利US5,177,556中有描述。

这种方法的显著缺点是当只有一个波长被反射时，不能识别在CCD上一个峰值的原始波长，从而不能在该点处测定轮廓。错误的波长识别导致在深度测定以及颜色测量中的严重错误。

尽管用于颜色测量的另一个公知技术采用了一种对所述三个波长中的每个都敏感的辅助光敏元件来分析返回到传感器的一部分光从而提取颜色数据。这种方法能进行精确的测量，但同时也失去了第一种技术的优点，这个优点就是返回强度的测定可以被精确地限定到对应于由激光点照亮的表面轮廓部分的被识别的峰值。光探测器对整个瞬间的视场敏感，能够很容易地被周围光或者多次反射污染。激光的波长边限之外的周围光可以用滤光镜去除。然而，留下来的光照(依赖于周围光的光谱内容)或者由激光光源从除了有光点照射的表面之外的别处而来的间接反射可能也会影响到测量。这种方法在美国专利US 5,708,498中有描述。

在第一个描述的技术中，传感器以类似频率提供深度和颜色信息，因为所述的深度由成像在CCD上的峰值之一或者多个结合确定，而所述的颜色从每个峰值幅峰的分布导出。在每个测量周期中，由CCD产生的信号被分析来提取峰值的位置和幅峰。

另外一个缺点就是在轮廓测量中，三维数据的获取在反射率突然变化的区域会产生错误。

对于所有基于三角计算的激光感测系统，一个众所周知的困难就是测量表面反射率的突然变化可能会在轮廓测量中产生错误。这是因为这种测量是通过将激光照射的细小区域成像而获得。如果所测量的表面呈现出反射率的变化，那么与平坦的表面相比照射点的成像会被扭曲。在CCD上的位置测量可能会被影响，并导致在轮廓表面的测定中出现偏差。

本发明的一个目的就是减轻现有技术中的上述缺点。

根据本发明的第一方面，提供了一种确定一个目标表面颜色和轮廓的方法，包括下述步骤：用一个入射光束扫描所述的目标表面，所述的入射光束包含多组分的波长；从所述的目标表面反射形成一束光；依据反射光束的组分波长将所述的反射光束形成一个或者多个分离的子光束；将所述的一个或者多个子光束照射到一个传感器阵列上；当所述的入射光束在目标表面上移动时，探测所述一个或者多个子光束在所述传感器阵列上的位置；将至少一部分反射光束照射到波长敏感的光探测器装置上以便获得代表所述反射光束的近似波长组合物的数据；从由位于所述传感器阵列上的所述一个或者多个子光束产生的峰值的相对位置和形状确定目标表面的颜色和轮廓，该传感器使用所述代表着近似波长组分的数据，以减小从所述传感器阵列获得的结果中的潜在的模糊误差。

所提出的颜色测量系统是一种混合系统，该混合系统同时采用在CCD上的颜色分离峰值测量和用一个光敏器件的辅助测量。与现有技术中不同，本发明保留了用传感器阵列可以获得的颜色测量的优点，辅助的光探测器主要用于消除由CCD阵列获得的精确测量中的模糊误差。光探测器优选地应当在一个高于CCD的频率下被采样，这样做的原因在下文中会详细描述。