[发明专利]带有反馈控制的扫描器

说明书

本发明涉及用于生成被扫描对象的三维表面模型的对象的非接触光学扫描。

背景技术

激光扫描器广泛用于许多应用，用于物理改变被扫描对象(精细雕刻，焊接)或用于检测表面性质(条形码读取，数字三维表面重建)。激光扫描器的基本原理是将光束引导到被扫描对象。通过使用诸如透镜或反射镜的光学元件，光束可以以某个空间图案(例如线)被引导。

一种用于产生物理对象的数字三维模型的方法是将激光束引导到对象的表面上并且用照相机从不同角度记录图像。当光束发生器和照相机的相对位置和内部参数已知时，可以使用三角测量计算对象的被照射部分的三维形状。该原理的改进是使用多个照相机和检查来自每个照相机的三角测量结果的一致性。用于这些目的的扫描器被称为“3D扫描器”。

当由一个或多个快速移动反射镜引导时，激光束将作为线性图案出现在图像中，假设图像曝光时间足够长。然后可以为整个线性图案(可能被离散化为点或线段)执行以上三角测量，使得可以从较少的图像和因此更快地获得对象的三维模型。更快地获得完整三维模型的另一种方式是在对象被扫描时移动对象，连续地采集图像。

光学扫描器遇到的一个典型问题是不能在图像中准确地识别激光束，因此三角测量变得不准确。通常用数字照相机采集图像，其中在每个像素中测量反射光的强度。像素值的动态范围通常被限制，常常限制在2到255之间的值。当被扫描对象不是由单一材料制造时，和/或当光的反射为镜面时，图像强度通常将是非均匀的。图像中的一些像素可能饱和，而其他像素可能不能检测弱反射。

激光功率的反馈控制在本领域中是已知的。US6,067,306描述了一种半导体晶片制造系统，然而使用的是光的脉冲而不是连续源。在US5,307,198中光束被分为导向和折射光束，后者提供前者的控制信号。US4,256,959描述了一种带有反馈控制的光学扫描器，然而仅仅用于二维文件。US6,057,537涉及将激光引导到感光薄膜的鼓式扫描器中的反馈控制。然而调节基于入射光束的一部分而不是反射。

WO2007/125081涉及一种借助于检测从对象表面反射的光的照相机和光条获得对象的形状的条纹扫描探头。该扫描探头包括用于根据照相机所检测到的强度调节光条的强度的装置。

发明内容

尽管根据WO2007/125081的扫描器中的光的强度被调节以解决照相机的有限动态范围，但是可以仅仅在照相机检测到光之后调节光的强度，原因是调节依赖于照相机所检测到的强度。

所以本发明的一个目标是提供一种扫描器，其能够调节光的强度以解决图像传感器的有限动态范围，但是不依赖于在图像传感器中检测到的光量。这通过一种用于获得对象的表面的至少一部分的三维几何形状的扫描器实现，所述扫描器包括：

-至少一个光源，优选带有可调节功率的激光光源，

-投射装置，用于将来自所述至少一个光源的光引导到所述对象的所述表面上的移动点，

-至少一个图像传感器，适于记录所述表面的至少一部分的至少一个图像，

-除了所述至少一个图像传感器以外的检测装置，用于监测从所述表面反射的光的至少一部分，

-调节装置，用于基于从所述表面反射的光量调节所述至少一个光源的强度，以及

-用于将所述至少一个图像转换为所述表面的三维模型的装置。

本发明还涉及一种用于获得对象的表面的至少一部分的三维几何形状的方法，所述方法包括以下步骤：

-将来自至少一个光源的光投射到所述对象的所述表面上的移动点，所述至少一个光源优选地是可调节激光光源，

-借助于至少一个图像传感器记录所述表面的至少一部分的至少一个图像，以及

-借助于除了所述至少一个图像传感器以外的至少一个检测器监测从所述表面反射的光的至少一部分，

-基于从所述表面反射的光量调节所述至少一个光源的强度，以及

-将所述至少一个图像转换为所述表面的三维模型。

本发明提供了一种扫描系统和一种方法，其可以调节激光束的功率使得图像中的记录强度可以保持在图像传感器的动态范围内。本发明中的重要方面在于激光功率的反馈控制与图像扫描器(照相机)系统无关，并且在图像采集与强度调节之间没有时滞。该优点例如可以通过使用光电二极管提供反馈控制输入获得。