CN103913118A

CN103913118A - 三维扫描装置

Info

Publication number: CN103913118A
Application number: CN201410143429.6A
Authority: CN
Inventors: 宋展; 吕建成; 焦国华
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2014-07-09

Abstract

本发明公开一种三维扫描装置，包括：支撑框，包括投射器；光源，与所述投射器相对设置；旋转式承载台，具有多个沿圆周设置的第一结构光图案，并相对于所述支撑框以预定角度旋转，以使所述第一结构光图案位于所述光源和所述投射器之间；成像器，相对于所述支撑框固定；其中，当所述光源将所述第一结构光图案通过所述投射器投射到物体上时，所述成像器获取所述物体的表面图像。本发明的三维扫描装置集成度高、体积小、可靠性高，并能够应用于内窥镜等微小装置中。

Description

三维扫描装置

技术领域

本发明涉及一种三维扫描装置。

背景技术

由于工业内窥镜能够无损的检测到物体的状态，同时还能观察到人无法到达的地方，已经广泛应用到许多工业领域中，例如在建筑业中墙壁，光缆的检测，在油气工业中管道内部情况的检测，以及在汽车工业中发动机维修，安防领域中的***物检测等领域都广泛的使用了工业内窥镜。

现有的三维内窥镜采用的三维扫描装置主要分两种：第一种是基于双目视觉的三维扫描装置，其包括在三维内窥镜前端集成的两个***头，通过立体匹配和三角测量原理，得到若干点的三维信息。然而，第一种方法的问题在于，需要两个摄像头，因而产品体积无法做到很小，而且这种以立体匹配的三维重构方法，无法获得高密度的三维形貌信息，只能测量若干点处的三维深度信息。

第二中基于光学投影的三维扫描装置，其包括在内窥镜前端集成的一个***头和一个用于光学条纹投射的镜头，通过***头拍摄光纤投射出的条纹图像，实现目标物体的三维重建。然而，第二中方法的问题在于，由于内窥镜尺寸有限，能够放置的光纤投射镜头有限，因而无法实现高精度的三维测量功能。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种集成度高、体积小、可靠性高的三维扫描装置。

根据本发明的一方面，提供了一种三维扫描装置，包括：支撑框，包括投射器；光源，与所述投射器相对设置；旋转式承载台，具有至少一个第一结构光图案，并相对于所述支撑框以预定角度旋转，以使所述第一结构光图案位于所述光源和所述投射器之间；成像器，相对于所述支撑框固定；其中，当所述光源将所述第一结构光图案通过所述投射器投射到物体上时，所述成像器获取所述物体的表面图像。

进一步地，所述支撑框具有投射窗口，其中，所述投射器设置在所述投射窗口中。

进一步地，所述旋转式承载台包括一第二结构光图案，其中，所述第二结构光图案沿圆周设置在相邻的两个所述第一结构光图案之间。

进一步地，所述多个第一结构光图案与所述第二结构光图案沿圆周均匀设置。

进一步地，所述旋转式承载台包括第三结构光图案，其中，所述第三结构光图案设置在所述第二结构光图案和与所述第二结构光图案相邻的任一第一结构光图案之间，或者所述第三结构光图案设置在相邻的两个所述第一结构光图案之间。

进一步地，所述旋转式承载台包括承载基板，其中，所述多个第一结构光图案、所述第二结构光图案和所述第三结构光图案均设置在所述承载基板上。

进一步地，所述承载基板为透明基板。

进一步地，所述三维扫描装置还包括：轴承，设置在所述支撑框与所述旋转式承载台之间，用于将所述支撑框与所述旋转式承载台进行连接。

进一步地，所述三维扫描装置还包括：驱动器；其中，所述旋转式承载台的内侧表面上设置传动器，其中，通过所述驱动器与所述传动器的配合，使得所述旋转式承载台以所述预定角度相对于所述支撑框旋转。

进一步地，所述成像器固定在所述支撑框的中间部分。

本发明的三维扫描装置集成度高、体积小、可靠性高，并能够应用于内窥镜等微小装置中。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的旋转式承载台的正视示意图。

图2是根据本发明的实施例的三维扫描装置的侧向剖视示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

图1是根据本发明的实施例的旋转式承载台的正视示意图。图2是根据本发明的实施例的三维扫描装置的侧向剖视示意图。

参照图1和图2，根据本发明的实施例的三维扫描装置可应用于内窥镜等微小装置中。根据本发明的实施例的三维扫描装置可包括支撑框10、光源20、旋转式承载台30、成像器40、轴承50和驱动器60。

具体而言，支撑框10包括支撑前体11及由支撑前体11的两端分别沿垂直于支撑前体11所在方向的方向延伸形成的两个支撑侧体12。支撑前体11上开设有一投射窗口13，但是本发明并不限制投射窗口的数量，可以根据实际需求来增设投射窗口的数量。在投射窗口13中设置一投射器14，该投射器14用于将结构光图案投射到物体的表面上。在本实施例中，投射器14可以是投射镜头或者其他合适类型的能够将结构光图案投射到物体的表面上的器件。

光源20与投射窗口13邻近相对设置，即光源20与投射器14相对设置。这样，可使得光源20将结构光图案通过投射窗口13中的投射器14投射到物体的表面上。在本实施例中，光源20可为发光二极管（LED），并且LED的发光颜色可根据实际需求来选择，本发明并不对其进行具体限定。但在本发明中，光源20并不局限于LED，例如光源20也可为光纤、有机发光二极管（OLED）、激光器或者其他合适类型的光源。在本实施例中，利用一个光源20与投射器14相对设置，但是本发明并不限制光源的数量，可以根据实际需求来增加光源的数量。

旋转式承载台30呈圆环形，其包括圆环形的承载基板31、沿圆周设置在承载基板31上的多个第一结构光图案32（即至少两个第一结构光图案32）及设置在承载基板31的内侧表面上的传动器33（例如传动齿轮等）。其中，承载基板31的材料可为透明材料，例如玻璃、有机玻璃（PMMA）或者其他合适类型的透明材料；当然，承载基板31的材料也可为不透明材料，但是需在形成第一结构光图案32的位置处使用透明材料。在本实施例中，可通过光刻技术等微小加工技术在承载基板31上形成多个第一结构光图案32。该第一结构光图案32可以是二值光栅图案，也可以是正弦光栅图案或者也可以是二值光栅图案和正弦光栅图案的混合光栅图案。在本发明中，可根据所采用的结构光算法来设计第一结构光图案32的类型和数量。

此外，为了标定光源20、投射器14和承载基板31上的光刻区域（即形成第一结构光图案32的区域）的几何参数，旋转式承载台30可包括至少一第二结构光图案34，其中，第二结构光图案34在承载基板31上沿圆周设置在相邻的两个第一结构光图案32之间。优选的，在本实施例中，多个第一结构光图案32与第二结构光图案34沿圆周均匀设置在承载基板31上。其中，该第二结构光图案34可例如为不同于第一结构光图案31的黑白棋盘结构光图案。如此，多个第一结构光图案31和所述第二结构光图案34沿着圆环形承载基板31的圆周均匀设置在承载基板31上。

此外，为了使得根据本发明的实施例的三维扫描装置能够进行普通的二维扫描，旋转式承载台30可包括至少一第三结构光图案35。在本实施例中，第三结构光图案35可沿圆周设置在第二结构光图案34和在第二结构光图案34左侧的第一结构光图案32之间。本发明并不局限于此，第三结构光图案35可以沿圆周设置在第二结构光图案34和在第二结构光图案34右侧的第一结构光图案32之间，或者也可以沿圆周设置在相邻的两个相邻的第一结构光图案32之间。第三结构光图案35可为全白（即全透明）的结构光图案。当根据本发明的实施例的三维扫描装置处于非三维扫描工作状态时，光源20通过第三结构光图案35投射出光，此时，通过第三结构光图案35投射出的光通过投射窗口13中的投射器14投射到物体的表面上。

轴承50设置在支撑框10的支撑侧体12与旋转式承载台30之间。轴承50用于将支撑框10与旋转式承载台30进行活动连接。驱动器60驱动传动器33，以使旋转式承载台30可相对于支撑框10以预定角度旋转，进而使旋转式承载台30的每个第一结构光图案32或者第二结构光图案34能够位于光源20和投射器14之间。驱动器60可例如是微型马达。驱动器60上可例如设置有与传动器33配合的齿轮。

当旋转式承载台30的每个第一结构光图案32或者第二结构光图案34位于光源20和投射器14之间时，光源20发射光照射到每个第一结构光图案32或者第二结构光图案34之上，以将每个第一结构光图案32或者第二结构光图案34的结构光图案通过投射器14投射到物体的表面上。在本实施例中，承载基板31上沿其圆周均匀的形成11个第一结构光图案32和1个第二结构光图案34，其中，第一结构光图案32是采用常用的格雷码结构光图案，但本发明并不局限于此。为了使每个第一结构光图案32和第二结构图案34能够位于光源20和投射器14之间，使旋转式承载台30相对于支撑框10以30度的预定角度进行旋转。换句话说，当旋转式承载台30相对于支撑框10旋转30度时，11个第一结构光图案32中的其中一个或者第二结构光图案34位于光源20和投射器14之间，此时光源20打开，其发射光照射到该11个第一结构光图案32中的其中一个或者第二结构光图案34之上，以将11个第一结构光图案32中的其中一个或者第二结构光图案34的结构光图案通过投射器14投射到物体的表面上。此外，由于第三结构光图案35沿圆周设置在第二结构光图案34和在第二结构光图案34左侧的第一结构光图案32之间，因此在进行三维扫描时，不会使得第三结构光图案35位于光源20和投射器14之间，

成像器40相对于支撑框10固定。在本实施例中，成像器40可以是电荷耦合器件（CCD）、互补金属氧化物半导体（CMOS）器件或者其他合适类型的成像器件。成像器40可固定在支撑框10的支撑前体11的中间部分，但本发明并不局限于此，例如在另一实施方式中，成像器40可固定在旋转式承载台30的中间部分，但是不跟随旋转式承载台30进行旋转。例如，当光源20发射光照射到该11个第一结构光图案32中的其中一个或者第二结构光图案34之上，并将11个第一结构光图案32中的其中一个或者第二结构光图案34的结构光图案通过投射器14投射到物体的表面上时，成像器40获取物体的表面图像。此外，成像器40可依次将获取的11张物体的表面图像传输到计算机中，计算机对每张物体的表面图像进行分析，并利用结构光三维重建方法等来提取物体的三维形状。

此外，在本发明的实施例的三维扫描装置处于非三维扫描工作状态的情况下，可将第三结构光图案35固定在光源20与投射器14之间，光源20通过第三结构光图案35投射出的光通过投射窗口13中的投射器14投射到物体的表面上，成像器40获取物体表面的二维图像。也就是说，根据本发明的实施例的三维扫描装置可实现二维图像观察。

根据本发明的实施例的三维扫描装置集成度高、体积小、可靠性高，并能够应用于内窥镜等微小装置中。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims

1.一种三维扫描装置，包括：

支撑框，包括投射器；

光源，与所述投射器相对设置；

旋转式承载台，具有多个沿圆周设置的第一结构光图案，并相对于所述支撑框以预定角度旋转，以使所述第一结构光图案位于所述光源和所述投射器之间；

成像器，相对于所述支撑框固定；

其中，当所述光源将所述第一结构光图案通过所述投射器投射到物体上时，所述成像器获取所述物体的表面图像。

2.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，所述支撑框具有投射窗口，其中，所述投射器设置在所述投射窗口中。

3.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，所述旋转式承载台包括第二结构光图案，其中，所述第二结构光图案沿圆周设置在相邻的两个所述第一结构光图案之间。

4.根据权利要求3所述的三维扫描装置，其特征在于，所述多个第一结构光图案与所述第二结构光图案沿圆周均匀设置。

5.根据权利要求4所述的三维扫描装置，其特征在于，所述旋转式承载台包括第三结构光图案，其中，所述第三结构光图案设置在所述第二结构光图案和与所述第二结构光图案相邻的任一所述第一结构光图案之间，或者所述第三结构光图案设置在相邻的两个所述第一结构光图案之间。

6.根据权利要求5所述的三维扫描装置，其特征在于，所述旋转式承载台包括承载基板，其中，所述多个第一结构光图案、所述第二结构光图案和所述第三结构光图案均设置在所述承载基板上。

7.根据权利要求6所述的三维扫描装置，其特征在于，所述承载基板为透明基板。

8.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，还包括：

轴承，设置在所述支撑框与所述旋转式承载台之间，用于将所述支撑框与所述旋转式承载台进行连接。

9.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，还包括：驱动器；

其中，所述旋转式承载台的内侧表面上设置传动器，其中，通过所述驱动器与所述传动器的配合，使得所述旋转式承载台以所述预定角度相对于所述支撑框旋转。

10.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，所述成像器固定在所述支撑框的中间部分。