[发明专利]三维非接触式扫描系统的场校准

说明书

提供一种三维非接触式扫描系统(100)。系统(100)包括台(110)和至少一个扫描仪(102)，该扫描仪(102)被配置成扫描台(110)上的物体(112)。运动控制系统被配置为在至少一个扫描仪(102)与台(110)之间产生相对运动。控制器(118)耦合到至少一个扫描仪(102)和运动控制系统。控制器(118)被配置为执行场校准，其中利用至少一个扫描仪(102)以多个不同的取向扫描具有特征的制品(130)，以生成与该特征对应的感测测量数据(120)，该特征带有已知位置关系。确定感测测量数据(120)与已知位置关系之间的偏差。基于所确定的偏差，针对至少一个扫描仪(102)中的每一个计算坐标变换(124)，其中坐标变换(124)减小所确定的偏差。

背景技术

在三维空间中准确复制制品的外表面的能力在各种领域中变得越来越有用。工业和商业应用包括反向工程、零件检查和质量控制，以及用于提供适合于在诸如计算机辅助设计和自动化制造等应用中进一步处理的数字数据。教育和文化应用包括三维艺术品、博物馆文物和历史物品的复制，从而促进对有价值且通常脆弱的物体的详细研究，而无需实际上处理该物体。用于人体的全部和部分扫描的医疗应用继续扩展，以及向互联网零售目录提供高细节分辨率的产品的3D表示的商业应用。

通常，三维非接触式扫描涉及将辐射能量(例如以图案构造的激光或投射的白光)投射到物体的外表面上，并且然后使用CCD阵列、CMOS阵列或其他合适的感测设备来检测由外表面反射的辐射能量。能量源和能量检测器通常相对于彼此固定并且间隔开已知的距离，以便于通过三角测量法来定位反射点。在一种被称为激光线扫描的方法中，激光能量的平面片作为线投射到物体的外表面上。可以相对于表面移动物体或扫描仪以扫过线，从而将能量投射到限定的表面区域上方。在另一种被称为白光投射或被更广泛地称为结构光的方法中，将光图案(通常为图案化的白光条纹)投射到物体上以限定表面区域，而不需要物体和扫描仪的相对移动。

三维非接触式扫描系统获得物体(诸如微米级的制造组件)的测量结果。这种三维非接触式扫描系统的一个示例由明尼苏达州黄金谷CyberOptics Corp.的业务部门LaserDesign Inc.以商品名360出售。期望这些和其他扫描系统提供测量稳定性。然而，目前很难创建一种在频繁的成像使用、老化的组件以及在如此精细的粒度下成像所带来的诸多挑战的情况下进行拷贝的同时持续地产生准确的测量结果的三维非接触式扫描系统。扫描仪及其组件(诸如相机和投射仪)经常在其出厂设置方面经历机械漂移。温度和使用年限对相机和投射仪两者的影响可能对精度产生显著的影响。例如，温度可能影响相机的放大率，这可能负面地影响测量结果的几何精度。这些和其他传感器光机械漂移最终渗透扫描系统并影响成像性能。此外，在使用多个传感器的系统中，机械漂移的影响更加严重。

发明内容

提供了一种三维非接触式扫描系统。该系统包括台和至少一个扫描仪，该至少一个扫描仪被配置成扫描台上的物体。运动控制系统被配置为在至少一个扫描仪和台之间产生相对运动。控制器耦合到至少一个扫描仪和运动控制系统。控制器被配置为执行场校准，其中利用至少一个扫描仪以多个不同的取向扫描具有特征的制品，以生成与该特征对应的感测测量数据，该特征带有已知位置关系。确定感测测量数据与已知位置关系之间的偏差。基于所确定的偏差，针对至少一个扫描仪中的每一个计算坐标变换，其中坐标变换减小所确定的偏差。

附图说明

图1A示例性地示出了三维非接触式扫描系统的简化框图，本发明的具有该三维非接触式扫描系统的实施例是特别有用的。

图1B示例性地示出了根据本发明的实施例的旋转台的示意图，该旋转台带有用于改进的校准特征的校准制品。

图1C-图1F示例性地示出了可以如何观察校准中的误差。

图2A示例性地示出了根据本发明的实施例的用于扫描系统的改进的校准制品的示意图。

图2B示出了根据本发明的实施例的放置在旋转台上用于校准三维非接触式扫描系统的球板校准制品。