CN109186493B - 三维扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维扫描系统包含投影装置、影像撷取模组及成像装置。投影装置包含照明模组及图案产生器。照明模组提供光束，而图案产生器接收光束且投射预定图案。成像装置将预定图案成像于待测物体，并将包含预定图案及待测物体的投影图像成像于影像撷取模组以使影像撷取模组撷取对应影像。成像装置成像预定图案的最佳成像焦平面与成像装置撷取投影图像的最佳取像焦平面为两相异平面。借此，能够扩增三维扫描系统实际所能够扫描的有效景深范围。

Description

三维扫描系统

技术领域

本发明是有关于一种三维扫描系统，特别是指一种能够增加有效扫描景深的一种三维扫描系统。

背景技术

扫描装置可用来建立物体三维模型，并可被应用在许多不同的范畴当中。例如动画师可利用扫描装置建立物体的三维模型，以减少手动绘图的时间，又例如齿模师可利用扫描装置取得病患牙齿的三维模型，以制作适合病患的假牙。在先前技术当中，扫描装置可通过发射具有固定图案的光至待扫描的物体，并根据经物体反射后的光所呈现的图案来建立物体的三维模型。由于物体的表面可能具有花纹或凹凸等特征，因此经过待扫描物体反射后的光所呈现的图案会与原本的固定图案有所差异，而扫描装置即可根据两者的差异取得待扫描物体的特征以建立其三维模型。

然而，受限于其内部元件的物理特性，扫描装置对于在特定景深范围内的物体虽能解析并取得有效的深度资讯，然而对于在特定景深范围外的物体则只能取得误差较大的深度资讯，而无法有效地使用在后续的应用。在先前技术中，倘若使用者欲增加有效的扫描景深范围，则必须在扫描装置中采用对应规格的物理元件，因此不仅所需的硬件成本较高，在制造的流程上也缺乏弹性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维扫描系统以解决上述扫描景深范围局限的问题。

为达到上述目的，本发明提供一种三维扫描系统，该三维扫描系统包含：投影装置、影像撷取模组以及成像装置；该投影装置包含照明模组及图案产生器，该照明模组用以提供光束，该图案产生器用以接收该光束且投射预定图案；该影像撷取模组用以撷取影像；该成像装置用以将该预定图案成像于待测物体，该成像装置将包含该待测物体及该预定图案的投影图像成像于该影像撷取模组；其中该成像装置成像该预定图案的最佳成像焦平面与该成像装置撷取该投影图像的最佳取像焦平面为两相异平面。

较佳的，该最佳成像焦平面与该三维扫描系统的预设扫描中心点的距离大于该最佳取像焦平面与该预设扫描中心点的距离。

较佳的，该预设扫描中心点位于该最佳取像焦平面。

较佳的，该投影装置及该成像装置成像该预定图案的焦比大于或等于该影像撷取模组及该成像装置撷取该投影图像的焦比。

较佳的，该投影装置及该成像装置的成像解析度小于或等于该成像装置及该影像撷取模组的取像解析度。

较佳的，该成像装置包含：投影成像模组，用以将该预定图案成像于该待测物体；及取像成像模组，用以将该投影图像成像于该影像撷取模组；其中该投影成像模组及该取像成像模组具有相异的光轴。

较佳的，该三维扫描系统还包含调整机构，其中该图案产生器承靠于该调整机构，而该调整机构用以调整该图案产生器与该投影成像模组之间的距离以调整该最佳成像焦平面的位置。

较佳的，该调整机构包含定位承靠件及至少一垫片。

较佳的，该调整机构包含可旋动螺丝。

较佳的，该成像装置包含：分光模组，用以使该预定图案投影至该待测物体的投影路径与该投影图像投射至该影像撷取模组的投影路径分离；及镜头模组，用以传递该预定图案及该投影图像。

较佳的，该三维扫描系统还包含调整机构，其中该图案产生器承靠于该调整机构，而该调整机构用以调整该图案产生器与该镜头模组之间的距离以调整该最佳成像焦平面的位置。

较佳的，该调整机构包含定位承靠件及至少一垫片。

较佳的，该调整机构包含可旋动螺丝。

较佳的，该两相异平面互相平行。

与现有技术相比，本发明所提供的三维扫描系统会具有相异的最佳成像焦平面与最佳取像焦平面，因此能够扩增三维扫描系统实际所能够扫描的有效景深范围。

附图说明

图1为本发明的实施例的三维扫描系统的示意图。

图2为先前技术的三维扫描系统的投影、取像及扫描时的调制转换函数曲线。

图3为图1的三维扫描系统的投影、取像及扫描时的调制转换函数曲线。

图4为本发明另一实施例的三维扫描系统的示意图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

图1为本发明一实施例的三维扫描系统100的示意图。三维扫描系统100包含投影装置110、影像撷取模组120及成像装置130。

投影装置110包含照明模组112及图案产生器114。照明模组112可提供光束S1，而图案产生器114则可根据光束S1投射预定图案。在本发明的一实施例中，图案产生器114可包含数位微镜装置(Digital Micromirror Device,DMD)、动态光栅产生装置或固定光栅产生装置以投射预定图案P1，而预定图案P1则例如但不限于方格图案。

成像装置130可将预定图案P1成像于待测物体OB。接着，成像装置130会将包含待测物体OB及预定图案P1的投影图像IMGP成像于影像撷取模组120，使得影像撷取模组120能够对应地撷取投影图像IMGP。也就是说，投影图像IMGP会呈现出预定图案P1投射在待测物体OB上的情况。

在图1中，成像装置130在投射预定图案P1时，根据其物理特性，会在最佳成像焦平面FP1处具有最佳的解析度，亦即，在最佳成像焦平面FP1上，成像装置130将能够最清楚地呈现预定图案P1。此外，成像装置130在撷取投影图像IMGP时，则会在最佳取像焦平面FP2上具有最佳的解像能力，亦即在最佳取像焦平面FP2上，成像装置130将能够取得最清晰的影像。

在先前技术中，成像装置的最佳成像焦平面与最佳取像焦平面会相重合，因此影像撷取模组能够以最佳的解像能力撷取包含最清晰图案的影像。图2为先前技术的三维扫描系统的投影、取像及扫描时的调制转换函数(Modulation Transfer Function，MTF)曲线CA1、CA2及CA3，其中横轴为景深，纵轴则为还原程度或解像能力。在图2中，由于先前技术的成像装置的最佳成像焦平面与最佳取像焦平面会相重合，因此对应于投影能力的曲线CA1与对应于取像能力的曲线CA2会在景深为6毫米时具有峰值。由于最终扫描的解像能力即相当于投影及取像两者的加乘，因此对应于扫描能力的曲线CA3同样会在景深为6毫米时具有峰值，且曲线CA3的形状分布会较为集中高耸。倘若后续的影像处理系统只能够处理解像程度在0.4以上的影像，则实际上，先前技术的三维扫描系统仅能够对位于景深4毫米至8毫米之间的物体进行有效的扫描。

然而，在图1的实施例中，成像装置130的最佳取像焦平面FP2与最佳成像焦平面FP1为两个相异的平面，也就是说，成像装置130的最佳取像焦平面FP2与最佳成像焦平面FP1并不会重合。图3为三维扫描系统100的投影、取像及扫描时的调制转换函数曲线CB1、CB2及CB3，其中横轴为景深，纵轴则为还原程度或解像能力。

在图3中，由于成像装置130的最佳成像焦平面FP1与最佳取像焦平面FP2并不会相重合，因此对应于投影能力的曲线CB1与对应于取像能力的曲线CB2会分别在相异的景深上具有峰值，而对应于扫描能力的曲线CB3则会具有较为平坦的形状。也就是说，虽然三维扫描系统100无法以其最佳的解析度取得最清晰的影像，因此在曲线CB3的峰值可能会略为下降，然而整体而言，三维扫描系统100却能够有效地扫描景深范围较大的物体。举例来说，对位于景深3毫米至8毫米之间的物体来说，三维扫描系统100的还原程度都能够大致符合后续处理系统所要求的0.4，而景深3毫米至8毫米所涵盖的范围会大于先前技术的三维扫描系统所能支援的景深范围，亦即景深4毫米至8毫米。

在本发明的部分实施例中，在成像装置130的最佳成像焦平面FP1与最佳取像焦平面FP2并不相重合的情况下，为使三维扫描系统100仍然能够取得相对清晰的影像，可使成像装置130的最佳成像焦平面FP1与最佳取像焦平面FP2互相平行。

由于三维扫描系统100主要的功能是取得物体的深度资讯以产生物体的三维立体模型，因此在实际操作上，三维扫描系统100只要能够提供符合系统需求的还原程度，就足以计算产生出可用的深度资讯，而无须强调局部景深的影像清晰程度。通过将成像装置130的最佳成像焦平面FP1与最佳取像焦平面FP2相分离，三维扫描系统100就能够在不变动投影装置110及影像撷取模组120的硬体规格的情况下，扩增可支援的景深范围，使得三维扫描系统100能够同时对景深差距较大的物体进行有效的扫描，并建立对应的立体模型，提升使用上的便利性。

在本发明的部分实施例中，成像装置130可设计成将其预设扫描中心点设置于最佳取像焦平面FP2上，因此当使用者依三维扫描系统100的使用方式调整与待测物体OB的间距时，待测物体OB的中心点OBC便可落在接近成像装置130的最佳取像焦平面FP2上。举例来说，预设扫描中心点可设定在5毫米的深度，而在图1的实施例中，待测物体OB的中心点OBC则正与预设扫描中心点重合。此外，成像装置130的最佳成像焦平面FP1与预设扫描中心点的距离会大于最佳取像焦平面FP2与预设扫描中心点的距离。举例来说，在图1中，待测物体OB的中心点OBC会落在成像装置130的最佳取像焦平面FP2上，而成像装置130的最佳成像焦平面FP1则会位在最佳取像焦平面FP2的上方，亦即待测物体OB较浅的位置。然而本发明并不以此为限，在本发明的其他实施例中，成像装置130的最佳成像焦平面FP1也可根据系统的需求而设计成位在最佳取像焦平面FP2的下方，亦即待测物体OB较深的位置。

在此情况下，虽然预定图案P1在待测物体OB的中心点OBC上可能会显得稍微模糊，然而影像撷取模组120将能够清晰地取得待测物体OB的中心点OBC上显得较为模糊的预定图案P1的影像。就是说，三维扫描系统100所取得的影像中，其内容物的模糊边缘主要是由投影预定图案P1的过程所造成，而非撷取投影图像IMGP的过程所致，因此三维扫描系统100可以通过后续的影像处理，对模糊的边缘进行优化，而有助于产生较为精准的物体深度资讯。

换言之，在三维扫描的应用中，为了让影像处理能够有效地优化影像内容，在投射预定图案P1与撷取投影图像IMGP两者间，可优先选择让撷取投影图像IMGP的过程具有较高的解析度。因此，在本发明的部分实施例中，投影装置110及成像装置130成像预定图案P1的焦比(F-number)亦可大于或等于影像撷取模组120及成像装置130在撷取投影图像IMGP时的焦比，亦即，投影装置110及成像装置130在投影成像时的光圈可小于或等于成像装置130及影像撷取模组120在撷取影像时的光圈。又或者在本发明的部分实施例中，投影装置110及成像装置130的成像解析度可小于或等于成像装置130及影像撷取模组120的取像解析度。

在图1中，成像装置130包含投影成像模组132、取像成像模组134及反射元件136。投影成像模组132可将预定图案P1经由反射元件136反射后成像于待测物体OB，而由待测物体OB所反射的光线在经过反射元件136反射后会入射取像成像模组134，取像成像模组134则可将投影图像IMGP成像于影像撷取模组120。也就是说，在图1的实施例中，成像装置130可分别通过投影成像模组132及取像成像模组134来投射预定图案P1与撷取投影图像IMGP。投影成像模组132及取像成像模组134可各自包含所需的镜片组以便将预定图案P1及投影图像IMGP成像在所需的位置上，且投影成像模组132及取像成像模组134可具有相异的光轴。

此外，三维扫描系统100还可包含调整机构140。在图1中，图案产生器114可承靠于调整机构140，而调整机构140可调整图案产生器114与投影成像模组132之间的距离以调整最佳成像焦平面FP1的位置。举例来说，调整机构140可包含定位承靠件142及至少一垫片144。在此情况下，在制造三维扫描系统100时，便可根据不同需求，于定位承靠件142上增加或减少垫片144的数量，以调整最佳成像焦平面FP1的位置。当垫片144的数量较少时，图案产生器114与投影成像模组132之间的距离较远，因此最佳成像焦平面FP1会向三维扫描系统100偏移，反之，当垫片144的数量较多时，图案产生器114与投影成像模组132之间的距离较近，因此最佳成像焦平面FP1会远离三维扫描系统100(向待测物体OB底部偏移)。如此一来，在制造三维扫描系统100时，就可以通过增加或减少垫片144的数量来进行校正以符合系统需求，增加了设计及生产上的弹性。

此外，本发明并不限定利用定位承靠件142及垫片144来作为调整机构140。在本发明的其他实施例中，调整机构140亦可包含可旋动螺丝。此时，图案产生器114可承靠于可旋动螺丝，而通过将可旋动螺丝旋紧或旋松就能够调整图案产生器114与投影成像模组132之间的距离，进而调整最佳成像焦平面FP1的位置。

应了解的是，调整机构140亦可承靠于投影成像模组132，以调整图案产生器114与投影成像模组132之间的距离，进而调整最佳成像焦平面FP1的位置。于具体实施时，为避免遮蔽光路，定位承靠件142及垫片144以环型为佳或可旋动螺丝设置于光路外。

在图1的实施例中，成像装置130可包含具有不同光轴的投影成像模组132及取像成像模组134，然而在本发明的其他实施例中，成像装置也可利用相同的镜片组以相同的光轴进行投影及取像。

图4为本发明一实施例的三维扫描系统200的示意图。三维扫描系统100与三维扫描系统200具有相似的结构及操作原理，两者主要的差别在于三维扫描系统200的成像装置230可包含分光模组232及镜头模组234。镜头模组234可以传递预定图案P1及投影图像IMGP，而分光模组232则可将预定图案P1投影至待测物体OB的投影路径与投影图像IMGP投射至影像撷取模组220的投影路径分离。

举例来说，分光模组232可包含分光元件232A、232B、反射元件232C及四分之一波片232D。分光元件232A、232B可允许具有特定偏振方向的光线通过，并反射具有与该特定偏振方向垂直的偏振方向的光线。四分之一波片232D则可将通过光线的偏振方向偏转45度。在此情况下，投影装置210所投射的光线L1会先通过分光元件232A，并经由反射元件232C反射，再通过分光元件232B及四分之一波片232D最终成像在待测物体OB上。投影装置110投射于待测物体OB上的光线L1在经过待测物体OB反射之后会产生反射光线L2，反射光线L2会先通过四分之一波片232D，此时反射光线L2的偏振方向会与原先光线L1的偏振方向相垂直，因此分光元件232B、232A都会反射反射光线L2，使得影像撷取模组220可以在相异于投影装置210的位置上撷取到投影图像IMGP。

通过分光模组232，三维扫描系统200就能够使用镜头模组234中的单一镜片组，使得投影及取像的过程可共用镜头模组234并共用相同的光轴。

此外，在图4的实施例中，三维扫描系统200亦可包含调整机构240。图案产生器214可承靠于调整机构240，而调整机构240则可调整图案产生器214与镜头模组234之间的距离以调整最佳成像焦平面FP1的位置。调整机构240可与调整机构140以相同的方式实施，也可利用可旋动螺丝，或根据系统需求以其他适合的元件来实施。如此一来，在制造三维扫描系统200时，就可以通过调整机构240来进行校正以符合系统需求，大大增加了设计及生产上的弹性。

综上所述，本发明的实施例所提供的三维扫描系统会具有相异的最佳成像焦平面与最佳取像焦平面，因此能够扩增三维扫描系统实际所能够扫描的有效景深范围。此外，通过三维扫描系统中的调整机构，就可以简化在制造过程中的校正程序，增加了设计及生产上的弹性。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (14)

1.一种三维扫描系统，其特征在于，包含：

投影装置，包含：

照明模组，用以提供光束；及

图案产生器，用以接收该光束且投射预定图案；

影像撷取模组，用以撷取影像；及

成像装置，用以将该预定图案成像于待测物体，及将包含该待测物体及该预定图案的投影图像成像于该影像撷取模组；

其中该成像装置成像该预定图案的最佳成像焦平面与该成像装置撷取该投影图像的最佳取像焦平面为两相异平面。

2.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该最佳成像焦平面与该三维扫描系统的预设扫描中心点的距离大于该最佳取像焦平面与该预设扫描中心点的距离。

3.如权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于，该预设扫描中心点位于该最佳取像焦平面。

4.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该投影装置及该成像装置成像该预定图案的焦比大于或等于该影像撷取模组及该成像装置撷取该投影图像的焦比。

5.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该投影装置及该成像装置的成像解析度小于或等于该成像装置及该影像撷取模组的取像解析度。

6.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该成像装置包含：

投影成像模组，用以将该预定图案成像于该待测物体；及

取像成像模组，用以将该投影图像成像于该影像撷取模组；

其中该投影成像模组及该取像成像模组具有相异的光轴。

7.如权利要求6所述的三维扫描系统，其特征在于，还包含调整机构，该调整机构承靠于该图案产生器或该投影成像模组，而该调整机构用以调整该图案产生器与该投影成像模组之间的距离以调整该最佳成像焦平面的位置。

8.如权利要求7所述的三维扫描系统，其特征在于，该调整机构包含定位承靠件及至少一垫片。

9.如权利要求7所述的三维扫描系统，其特征在于，该调整机构包含可旋动螺丝。

10.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该成像装置包含：

分光模组，用以使该预定图案投影至该待测物体的投影路径与该投影图像投射至该影像撷取模组的投影路径分离；及

镜头模组，用以传递该预定图案及该投影图像。

11.如权利要求10所述的三维扫描系统，其特征在于，还包含调整机构，其中该图案产生器承靠于该调整机构，而该调整机构用以调整该图案产生器与该镜头模组之间的距离以调整该最佳成像焦平面的位置。

12.如权利要求11所述的三维扫描系统，其特征在于，该调整机构包含定位承靠件及至少一垫片。

13.如权利要求12所述的三维扫描系统，其特征在于，该调整机构包含可旋动螺丝。

14.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该两相异平面互相平行。

Images