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CN109211142B - 三维扫描系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维扫描系统包含投影模组、取像模组及分光模组。投影模组包含光源及图案产生器。光源提供波长相异的第一光束及第二光束。图案产生器接收第一光束以投射第一图案，及接收第二光束以投射第二图案。取像模组撷取第一图案及第二图案投射在待测物的影像。分光模组包含第一反射面及第二反射面。第一反射面反射第一光束以将第一图案投射于待测物，并将经待测物反射的第一光束反射至取像模组。第二反射面反射第二光束以将第二图案投射于待测物，并将经待测物反射的第二光束反射至取像模组。

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，特别是指一种能够提高解像深度范围的三维扫描系统。
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。在现有技术当中，扫描装置可通过发射具有固定图案的投影光束至待扫描的物体，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。在现有技术中，倘若使用者欲提高能够有效解像的深度范围，就必须在扫描装置中采用对应规格的物理元件，例如特殊镜片材料或者特殊的曲率形状，导致硬体成本过高，也增加扫描装置的体积，因此在制造及使用上都可能造成不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维扫描系统，提高有效解像的深度范围。
为到达上述目的，本发明提供一种三维扫描系统，包含：投影模组，包含：光源，用以提供第一光束及第二光束，其中该第一光束具有第一波长，及该第二光束具有与该第一波长相异的第二波长；及图案产生器，用以接收该第一光束以投射第一图案，及接收该第二光束以投射第二图案；取像模组，用以撷取该第一图案及该第二图案投射在待测物的影像；及分光模组，包含：第一反射面，用以反射该第一光束以将该第一图案投射于该待测物，并将经该待测物反射的该第一光束反射至该取像模组；及第二反射面，与该第一反射面平行，用以反射该第二光束以将该第二图案投射于该待测物，并将经该待测物反射的该第二光束反射至该取像模组。
较佳的，该光源是在相异时段中提供该第一光束及该第二光束。
较佳的，该光源是同时提供该第一光束及该第二光束。
较佳的，该第一图案及该第二图案具有相同图案结构。
较佳的，该分光模组另包含：镜片，具有第一面及第二面，其中该第一面及该第二面之间具有一厚度；其中：该第一面镀有第一反射膜以形成该第一反射面；及该第二面镀有第二反射膜以形成该第二反射面。
较佳的，该分光模组另包含：第一镜片，镀有第一反射模以形成该第一反射面；及第二镜片，镀有第二反射模以形成该第二反射面；其中该第一镜片及该第二镜片为平行设置且相距一距离。
较佳的，该第一反射面允许该第二波长的该第二光束穿透。
较佳的，该投影模组还包含第一透镜组，该第一透镜组导引该第一光束以入射至该第一反射面，该第一透镜组导引该第二光束以入射至该第二反射面。
较佳的，该投影模组还包含第二透镜组，该第二透镜组传递该第一光束至该影像撷取单元，该第二透镜组传递该第二光束至该影像撷取单元。
较佳的，该第一反射面反射具有该第一波长的该第一光束，且该第一反射面允许具有该第二波长的该第二光束通过。
与现有技术相比，本发明的三维扫描系统可以根据利用投影路径长度相异的第一光束及第二光束来投射图案至待测物，藉以提高解像深度范围。由于本发明所提供的三维扫描系统是通过分光模组的反射膜来反射不同波长的光束，因此无须特殊的光学材料，也无须设置具有特殊曲率的光学元件，使得三维扫描系统在制造及设计上更具有弹性。
附图说明
图1图为本发明一实施例的三维扫描系统的示意图。
图2图为图1的三维扫描系统根据第一光束及第二光束进行扫描时的调制转换函数(Modulation Transfer Function，MTF)曲线。
图3图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包含投影模组110、取像模组120及分光模组130。
投影模组110包含光源112及图案产生器114。光源112可以提供第一光束B1及第二光束B2，其中第一光束B1具有第一波长，而第二光束B2具有与第一波长相异的第二波长。图案产生器114可接收第一光束B1以投射第一图案P1，并接收第二光束B2以投射第二图案P2。
在本发明的有些实施例中，图案产生器114可包含数位微镜装置(DigitalMicromirror Device,DMD)、动态光栅产生装置或固定光栅产生装置以投射第一图案P1及第二图案P2。在本发明的有些实施例中，第一图案P1及第二图案P2可例如但不限于方格图案，且第一图案P1及第二图案P2可具有相同图案结构。
分光模组130包含第一反射面RS1及第二反射面RS2，且第二反射面RS2与第一反射面RS1平行。第一反射面RS1可反射第一光束B1以将第一图案P1投射于待测物O，并将经待测物O反射的第一光束B1反射至取像模组120。在图1的实施例中，投影模组110还可包含透镜组116，透镜组116可将第一光束B1导引至适合的光路以入射第一反射面RS1。此外，取像模组120可包含影像撷取单元122及透镜组124。影像撷取单元122能够撷取影像，而透镜组124能够使第一光束B1依照所需的路径传递至影像撷取单元122以确保影像撷取单元122能够接收待测物O反射而来的第一光束B1。
如此一来，取像模组120就可以撷取第一图案P1投射在待测物O的影像。由于待测物O的表面可能具有花纹或凹凸等特征，因此经过待测物O反射后的第一光束B1所呈现的第一图案P1可能会产生形变，而三维扫描系统100就可比较原始及形变的第一图案P1，以取得待测物O的特征且建立其三维模型。
在本发明的部分实施例中，第一反射面RS1会反射具有第一波长的光线，并且可允许具有第二波长的光线通过。也就是说，第一反射面RS1可允许第二光束B2穿透。第二光束B2在穿透第一反射面RS1之后会继续入射第二反射面RS2，而第二反射面RS2则会反射第二光束B2以将第二图案P2投射于待测物O，并将经待测物O反射的第二光束B2反射至取像模组120。如此一来，取像模组120就可以撷取第二图案P2投射在待测物O的影像，并据以取得待测物O的特征以建立其三维模型。
在图1的实施例中，第一反射面RS1及第二反射面RS2为平行且相异的平面，且两者间会相距固定的距离d。在此情况下，第一光束B1在投射至待测物O，并经过待测物O反射至取像模组120的路径长度会与第二光束B2在投射至待测物O，并经过待测物O反射至取像模组120的路径长度相异。也就是说，三维扫描系统100在根据待测物O所反射的第一光束B1及第二光束B2以取得待测物O的特征时，其最佳的解像景深并不相同。
图2为三维扫描系统100根据第一光束B1进行扫描时的调制转换函数(ModulationTransfer Function，MTF)曲线CA1及三维扫描系统100根据第二光束B2进行扫描时的调制转换函数曲线CA2。在图2中，横轴为景深，纵轴则为还原程度或解像能力。在图1的实施例中，由于第二光束B2是在穿透了第一反射面RS1的后才被第二反射面RS2所反射，因此第二光束B2在三维扫描系统100中的行进路径较长，导致利用第二光束B2所投射出的第二图案P2主要的投影成像焦平面会在较浅处。相较之下，第一光束B1在三维扫描系统100中的行进路径较短，因此利用第一光束B1所投射出的第一图案P1主要的投影成像焦平面会在较深处。举例来说，在图2中，曲线CA1会在景深为6毫米处具有峰值，而曲线CA2则会在景深为4毫米处具有峰值。
在现有技术中，倘若扫描系统的后续影像处理系统只能够处理解像程度在0.4以上的影像，则若只根据第一光束B1来取得待测物O的特征，将只能够取得深度范围在4-8毫米的部分待测物O特征。然而，由于三维扫描系统100还可以另外根据第二光束B2取得待测物O的特征，因此整体而言，三维扫描系统100就能够取得深度范围在2毫米～8毫米的部分待测物O特征，明显提高了有效的解像深度范围。
在本发明的有些实施例中，光源112可以在相异时段中提供第一光束B1及第二光束B2，因此取像模组120会在相异的时段撷取相异波长的反射光束，并分别取得待测物O的特征。然而在本发明的部分实施例中，倘若取像模组120能够在相同的影像中分辨出相异波长的光束，则光源112也可以同时提供第一光束B1及第二光束B2。在此情况下，取像模组120可将影像中第一图案P1投影在待测物O的影像及第二图案投影在待测物O的影像分别提供给后续的影像处理系统，以缩短解像程序。
在图1的实施例中，分光模组130可包含镜片132。镜片132具有第一面132A及第二面132B，而第一面132A及第二面132B之间具有厚度d。在本发明的有些实施例中，第一面132A可镀有第一反射膜以形成第一反射面RS1，而第二面132B可镀有第二反射膜以形成第二反射面RS2。也就是说，第一反射面RS1及第二反射面RS2可以通过在镜片132的两面镀上能够反射特定波长的反射膜来形成。在本发明的有些实施例中，镜片132可为平面镜片。
然而本发明并不限定将镀膜镀在相同的镜片132上。图3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200与三维扫描系统100具有相似的结构及操作原理，然而三维扫描系统200的分光模组230可包含第一镜片232及第二镜片234。第一镜片232及第二镜片234可平行设置。第一镜片232的其中一面镀有第一反射模以形成第一反射面RS1，而第二镜片234的其中一面镀有第二反射模以形成第二反射面RS2。在本发明的有些实施例中，第一镜片232及第二镜片234可为平面镜片。在此情况下，通过调整第一镜片232及第二镜片234之间的距离d，就可以调整所需的解像深度范围，因此在设计及制造上能够更具弹性。
综上所述，本发明的实施例所提供的三维扫描系统可以根据利用投影路径长度相异的第一光束及第二光束来投射图案至待测物，藉以提高解像深度范围。由于本发明的实施例所提供的三维扫描系统是通过分光模组的反射膜来反射不同波长的光束，因此无须特殊的光学材料，也无须设置具有特殊曲率的光学元件，使得三维扫描系统在制造及设计上更具有弹性。
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 (10)

1.一种三维扫描系统，其特征在于，包含：
投影模组，包含：
光源，用以提供第一光束及第二光束，其中该第一光束具有第一波长，及该第二光束具有与该第一波长相异的第二波长；及
图案产生器，用以接收该第一光束以投射第一图案，及接收该第二光束以投射第二图案；
取像模组，用以撷取该第一图案及该第二图案投射在待测物的影像；及
分光模组，包含：
第一反射面，用以反射该第一光束以将该第一图案投射于该待测物，并将经该待测物反射的该第一光束反射至该取像模组；及
第二反射面，与该第一反射面平行并相距一距离，用以反射该第二光束以将该第二图案投射于该待测物，并将经该待测物反射的该第二光束反射至该取像模组。
2.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该光源是在相异时段中提供该第一光束及该第二光束。
3.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该光源是同时提供该第一光束及该第二光束。
4.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该第一图案及该第二图案具有相同图案结构。
5.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该分光模组另包含：
镜片，具有第一面及第二面，其中该第一面及该第二面之间具有一厚度；
其中：
该第一面镀有第一反射膜以形成该第一反射面；及
该第二面镀有第二反射膜以形成该第二反射面。
6.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该分光模组另包含：
第一镜片，镀有第一反射模以形成该第一反射面；及
第二镜片，镀有第二反射模以形成该第二反射面；
其中该第一镜片及该第二镜片为平行设置且相距一距离。
7.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该第一反射面允许该第二波长的该第二光束穿透。
8.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该投影模组还包含第一透镜组，该第一透镜组导引该第一光束以入射至该第一反射面，该第一透镜组导引该第二光束以入射至该第二反射面。
9.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该投影模组还包含第二透镜组，该第二透镜组传递该第一光束至该影像撷取单元，该第二透镜组传递该第二光束至该影像撷取单元。
10.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，该第一反射面反射具有该第一波长的该第一光束，且该第一反射面允许具有该第二波长的该第二光束通过。
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