TWI596359B - 一種抑制雷射光斑雜訊提升穩定性之三維形貌掃描系統 - Google Patents

Description

一種抑制雷射光斑雜訊提升穩定性之三維形 貌掃描系統

本發明是有關於一種三維形貌掃描系統。

三維掃描技術係分析物體之外觀(或幾何形狀)，其掃描到的訊號會進行三維重建計算，以得出實際物體的數位資訊。三角測距法為三維掃描技術的一種，其利用光源照射一物體，再藉由影像擷取裝置得到物體上之光束資訊。因光源、物體上的光束與影像擷取裝置形成一三角形，因此此種技術稱為三角測距法。

在一些三角測距系統上，雷射可作為光源以照射待測物。因雷射具有高指向性、高同調性，因此待測物的特徵較便於識別。然而因雷射的高同調性，因此容易在粗糙表面上形成光斑(Speckle)，其來自於雷射打至粗糙表面形成散射光之間的干涉效應，進而產生不規則的斑點圖形。這些光斑可能會造成影像干擾，使得後續分析數據產生錯誤判斷。

本揭露提供一種三維形貌掃描系統，包含線光源、旋轉鏡與影像擷取裝置。線光源提供線光束。旋轉鏡將線光束反射至待測面，以於待測面上形成照射區域。旋轉鏡旋轉使得照射區域擺動，且不同時刻之照射區域互相重疊。影像擷取裝置用以擷取待測面上之照射區域的影像。

在上述實施方式中，三維形貌掃描系統因線光束於待測面上形成之照射區域會隨著時間擺動，且不同時刻之照射區域互相重疊，因此即使線光束會在待測面上形成光斑，光斑亦會因擺動之照射區域而模糊化。

110‧‧‧線光源

112‧‧‧線光束

114‧‧‧點光源

115‧‧‧第一光束

116‧‧‧柱狀透鏡

120‧‧‧旋轉鏡

900‧‧‧平台

910‧‧‧待測面

D‧‧‧延伸方向

△‧‧‧擺幅

I‧‧‧取像區域

I’‧‧‧影像

122‧‧‧反射鏡

123‧‧‧旋轉軸

124‧‧‧旋轉機構

130‧‧‧影像擷取裝置

202、B-B’‧‧‧線段

A、A’、A1、A2、An‧‧‧照射區域

L1、L2、L3‧‧‧長度

O‧‧‧重疊區域

P1、P1’、P2‧‧‧位置

S‧‧‧掃描方向

T1、T2‧‧‧時間

第1圖為本發明一實施方式之三維形貌掃描系統的立體圖。

第2A圖為照射區域的影像之示意圖。

第2B圖為旋轉鏡未旋轉時照射區域沿線段B-B’的亮度分佈圖。

而第2C圖為旋轉鏡旋轉時照射區域沿線段B-B’的亮度分佈圖。

第3圖為第1圖之照射區域之俯視圖。

第4圖為第1圖之照射區域之位置與影像擷取裝置之取像的時序圖。

第5圖為第1圖之線光源的結構示意圖。

以下將以圖式揭露本發明的複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

第1圖為本發明一實施方式之三維形貌掃描系統的立體圖。三維形貌掃描系統包含線光源110、旋轉鏡120與影像擷取裝置130。線光源110提供線光束112。旋轉鏡120將線光束112反射至待測面910，以於待測面910上形成照射區域A。旋轉鏡120旋轉使得照射區域A擺動，且不同時刻之照射區域A互相重疊。影像擷取裝置130用以擷取待測面910上之照射區域A的影像。為了清楚起見，在第1圖中示意性繪示三個時刻，亦即旋轉鏡120旋轉至三種角度，而於待測面910上形成三個照射區域。

在一些實施方式中，待測面910可為一平台900之表面。然而在其他的實施方式中，一待測物(未繪示)可置於平台900上，而三維形貌掃描系統用以掃描待測物之立體外觀。若三維形貌掃描系統掃描待測物，則待測面為待測物(與平台900)被線光束112照射到之表面。若三維形貌掃描系統掃描平台900之表面，則待測面910為平台900被線光束112照射 到之表面。在此為了清楚起見，以平台900被線光束112照射到之表面作為待測面910之舉例。

藉由本實施方式之三維形貌掃描系統，由線光源110所產生的光斑(Speckle)可被模糊化，以減少後續影像分析時所產生的誤判情形。具體而言，線光源110提供線光束112，線光束112於平台900上形成線形之照射區域A，影像擷取裝置130即可擷取該照射區域A反應出的特徵資訊。若平台900與三維形貌掃描系統之間相對移動(例如平台900移動)，則照射區域A照射至平台900的不同地方，藉此影像擷取裝置130可取得平台900表面的整體特徵資訊。在本實施方式中，三維形貌掃描系統因線光束112於待測面910上形成之照射區域A會隨著時間擺動，且不同時刻之照射區域A互相重疊，因此即使線光束112會在待測面910上形成光斑，光斑會因擺動之照射區域A而移動，且照射區域A上各處之光斑具有不同的分佈圖案，此兩種因素在照射區域A擺動時造成光斑模糊化，藉此抑制或消除光斑對後續影像分析的影響。

舉例而言，請參照第2A圖至第2C圖之實施例說明。第2A圖為照射區域A’的影像I’之示意圖，第2B圖為旋轉鏡未旋轉時照射區域A’沿線段B-B’的亮度分佈圖，而第2C圖為旋轉鏡旋轉時照射區域A’沿線段B-B’的亮度分佈圖。第2A圖中顯示待測物(未繪示)為平面之照射區域A’。若待測物具有不同高度之表面，則照射區域A’便會變形，亦即照射區域A’各點的位置會隨待測物之表面特徵(如高度)而偏移，藉由分析照射區域A’各點的偏移量可推算待測物之表面特徵。當旋轉鏡 未旋轉時，光斑具有明顯的亮度，因此在第2B圖之亮度分佈圖中產生多個高峰。當分析該處的偏移量(例如取亮度分佈曲線之重心)時，這些高峰會成為雜訊，使得分析之偏移量位置不準確。然而當旋轉鏡旋轉時，光斑被模糊化，第2C圖之亮度分佈曲線較平滑，因此分析之偏移量位置較為準確。藉由上述說明，可證明旋轉鏡旋轉可使光斑模糊化，藉此得到較準確之分析數據。

接著請一併參照第1圖與第3圖，其中第3圖為第1圖之照射區域A之俯視圖。在本實施方式中，旋轉鏡120隨時間旋轉，因此線光束112於不同時刻在待測面910上形成照射區域A1、A2、...、An(以下簡稱為A1~An)。待測面910上之照射區域A1~An具有一延伸方向D(或者更精確地說，為照射區域A1~An之長度延伸方向)，旋轉鏡120旋轉使得照射區域A1~An實質沿延伸方向D擺動。

在本文中，「實質」係用以修飾任何可些微變化的關係，但這種些微變化並不會改變其本質(另外，本文所提到之「實質」皆可應用上述解釋，因此便不再贅述)。舉例來說，「旋轉鏡120旋轉使得照射區域A1~An實質沿延伸方向D擺動」，此一描述除了代表旋轉鏡120旋轉使得照射區域A1~An確實沿延伸方向D擺動外，只要能夠達到改善光斑的目的，照射區域A1~An之排列方向可與延伸方向D略為不平行。

因照射區域A1~An隨時間擺動，因此每一照射區域A1~An上之光斑亦跟著擺動，使得光斑模糊化。如此一來，影像擷取裝置130所取得之影像中，光斑的資訊便可被抑制。 再加上，因照射區域A1~An實質沿延伸方向D擺動，因此在模糊化光斑的同時，照射區域A1~An仍能保持掃描方向S(即實質垂直延伸方向D之方向)的精度。

請參照第3圖。每一照射區域A1~An沿著延伸方向D具有長度L1，照射區域A1~An擺動的擺幅△小於照射區域A1~An之長度L1。換言之，照射區域A1~An之間會形成一重疊區域O，在第3圖中以網點表示。在一些實施方式中，不論照射區域A1~An如何擺動，照射區域A1~An皆部分位於重疊區域O中。舉例而言，照射區域A1~An之長度L1可為約100毫米，而擺幅△為約10毫米，因此重疊區域O之長度L2為約80毫米，然而本發明不以上述之數值為限。

在一些實施方式中，第1圖之影像擷取裝置130於待測面910上具有一取像區域I。取像區域I沿著延伸方向D具有一長度L3。取像區域I之長度L3小於照射區域A1~An之長度L1。另外，取像區域I之長度L3可實質等於或小於重疊區域O之長度L2。以上述之例子而言，取像區域I之長度L3可實質等於或小於80毫米，然而本發明不以上述之數值為限。換言之，取像區域I於延伸方向D的相對兩端可位於重疊區域O中，如此一來影像擷取裝置130便不會取到重疊區域O外的影像，因此可避免擷取因照射區域A1~An擺動而產生之閃爍影像。

接著請一併參照第1圖與第4圖，其中第4圖為第1圖之照射區域A之位置與影像擷取裝置130之取像的時序圖。在第4圖中，線段202表示照射區域A之位置。在一些實施方式中，旋轉鏡120具有旋轉頻率，且影像擷取裝置130具有一取 像頻率。舉例而言，在第4圖中，旋轉鏡120於一秒內旋轉了五次，因此旋轉頻率為約5Hz。而影像擷取裝置130於時間T1與T2各取了一次像，而時間T1大約於0.38秒，因此取像頻率為約(1秒/0.38秒)=約2.6Hz，然而本發明不以上述之數值為限。另一方面，影像擷取裝置130於時間T1到時間T2(曝光時間)所取得的影像，包含照射區域A(或光斑)由位置P1到位置P2的累積變化，藉此達到光斑模糊化的效果。因此，若旋轉鏡120之旋轉頻率等於影像擷取裝置130之取像頻率，所取得影像可包含由位置P1到位置P1’(亦即旋轉鏡120旋轉一次)的所有位置變化，若旋轉鏡120之旋轉頻率大於影像擷取裝置130之取像頻率，也就是影像擷取裝置130在一次取像期間，旋轉鏡120旋轉大於一次，所取得影像包含的位置變化越多。當旋轉鏡120旋轉越快，則光斑擺動的速度也越快，其模糊化的程度也就更明顯。

請參照第5圖，其為第1圖之線光源110的結構示意圖。在一些實施方式中，線光源110包含點光源114與柱狀透鏡116。點光源114提供第一光束115。柱狀透鏡116用以將第一光束115變形為線光束112。在本文中，點光源114所提供之第一光束115的光點實質上非線形，例如為圓形、楕圓形。點光源114例如可為雷射。柱狀透鏡116之透鏡曲面呈單一軸向彎曲，因此可將第一光束115作單一軸向的變形(例如收斂後擴散)，使得第一光束115變為線光束112。然而上述之線光源110的結構僅為示例，並非用以限制本發明。本發明之通常知識者，可依實際需求，彈性設計線光源110的組成結構。

接著請回到第1圖。在一些實施方式中，旋轉鏡120包含反射鏡122與旋轉機構124。反射鏡122具有旋轉軸123，旋轉軸123實質位於反射鏡122之中心。旋轉機構124連接反射鏡122，使得反射鏡122沿著旋轉軸123轉動。旋轉機構124例如可為步進馬達或磁鐵，利用機械力或磁力驅使反射鏡122轉動。

綜合上述，本發明各實施方式之三維形貌掃描系統因線光束於待測面上形成之照射區域會隨著時間擺動，且不同時刻之照射區域互相重疊，因此即使線光束會在待測面上形成光斑，光斑亦會因擺動之照射區域而被模糊化。如此一來，可不需額外增加擴散板來消除光斑。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧線光源

112‧‧‧線光束

120‧‧‧旋轉鏡

122‧‧‧反射鏡

123‧‧‧旋轉軸

124‧‧‧旋轉機構

130‧‧‧影像擷取裝置

900‧‧‧平台

910‧‧‧待測面

A、A1、An‧‧‧照射區域

I‧‧‧取像區域

O‧‧‧重疊區域

Claims (9)

1. 一種三維形貌掃描系統，包含：一線光源，提供一線光束；一旋轉鏡，將該線光束反射至一待測面，以於該待測面上形成一照射區域，其中該旋轉鏡旋轉使得該照射區域擺動，且該照射區域於不同時刻互相重疊，以模糊該線光束在該待測面上形成之光斑；以及一影像擷取裝置，用以擷取該待測面上之該照射區域的影像。
2. 如請求項1所述之三維形貌掃描系統，其中該待測面上之該照射區域具有一延伸方向，該旋轉鏡旋轉使得該照射區域實質沿該延伸方向擺動。
3. 如請求項1所述之三維形貌掃描系統，其中該待測面上之該照射區域具有一延伸方向，該照射區域沿著該延伸方向具有一第一長度，該照射區域擺動的擺幅小於該照射區域之該第一長度。
4. 如請求項1所述之三維形貌掃描系統，其中該待測面上之該照射區域具有一延伸方向，該照射區域沿著該延伸方向具有一第一長度，且該影像擷取裝置於該待測面上具有一取像區域，該取像區域沿著該延伸方向具有一第二長度，該第二長度小於該第一長度。
5. 如請求項1所述之三維形貌掃描系統，其中該旋轉鏡具有一旋轉頻率，且該影像擷取裝置具有一取像頻率，該旋轉頻率等於該取像頻率。
6. 如請求項1所述之三維形貌掃描系統，其中該旋轉鏡具有一旋轉頻率，且該影像擷取裝置具有一取像頻率，該旋轉頻率大於該取像頻率。
7. 如請求項1所述之三維形貌掃描系統，其中該旋轉鏡包含：一反射鏡，具有一旋轉軸，該旋轉軸實質位於該反射鏡之中心；以及一旋轉機構，連接該反射鏡，使得該反射鏡沿著該旋轉軸轉動。
8. 如請求項1所述之三維形貌掃描系統，其中該線光源包含：一點光源，提供一第一光束；以及一柱狀透鏡，用以將該第一光束變形為該線光束。
9. 如請求項1所述之三維形貌掃描系統，其中該線光束為雷射光束。