專利名稱：三維光掃描的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，更具體地是涉及一種在三維表面上進(jìn)行顏色和輪廓測(cè)量的方法。
在許多情形中，具有高分辨率的顏色和輪廓數(shù)據(jù)來描繪三維物體是很有用的。例如，經(jīng)常需要在計(jì)算機(jī)中建造實(shí)際物體的虛擬模型以便進(jìn)行數(shù)學(xué)上的分析。這種數(shù)據(jù)也可以被用于例如藝術(shù)品的編目和鑒定。
在National Research Council of Canada使用的激光測(cè)距傳感器是進(jìn)行這種測(cè)量的一種技術(shù)。這種技術(shù)包括一個(gè)用入射激光束掃描表面來形成一個(gè)反射光束的裝置，該反射光束被照射到一個(gè)光敏傳感器線性陣列，特別是一個(gè)CCD(Charge Coupled Device)。在單色的型號(hào)中，當(dāng)入射光束掃描過目標(biāo)表面時(shí)，在傳感器陣列上的反射光束的相對(duì)位置能夠通過三角測(cè)量給出輪廓信息。返回到傳感器陣列的光的數(shù)量也可以被測(cè)量并被用于測(cè)定目標(biāo)表面的反射能力。在彩色的型號(hào)中，通過采用彩色激光并將反射光劈裂成三個(gè)組分的波長(zhǎng)，將它們成像在CCD陣列的不同位置，這樣除了能夠獲得輪廓的信息之外還可以獲得顏色的信息。CCD陣列的輸出信號(hào)包含有相應(yīng)于每個(gè)激光波長(zhǎng)的光點(diǎn)圖象的峰值。假設(shè)每個(gè)峰值的識(shí)別也就是原始波長(zhǎng)已經(jīng)公知的話，目標(biāo)表面的位置可以通過三角計(jì)算而獲得。對(duì)于每一個(gè)波長(zhǎng)，返回到傳感器的光的數(shù)量可以從峰值形狀計(jì)算出來。知道了存在于反射光束中每個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)量就可以使得在傳感器陣列上主要波長(zhǎng)的光強(qiáng)能夠計(jì)算出所述表面的顏色。這樣的技術(shù)例如在美國(guó)專利US5,177,556中有描述。
這種方法的顯著缺點(diǎn)是當(dāng)只有一個(gè)波長(zhǎng)被反射時(shí)，不能識(shí)別在CCD上一個(gè)峰值的原始波長(zhǎng)，從而不能在該點(diǎn)處測(cè)定輪廓。錯(cuò)誤的波長(zhǎng)識(shí)別導(dǎo)致在深度測(cè)定以及顏色測(cè)量中的嚴(yán)重錯(cuò)誤。
盡管用于顏色測(cè)量的另一個(gè)公知技術(shù)采用了一種對(duì)所述三個(gè)波長(zhǎng)中的每個(gè)都敏感的輔助光敏元件來分析返回到傳感器的一部分光從而提取顏色數(shù)據(jù)。這種方法能進(jìn)行精確的測(cè)量，但同時(shí)也失去了第一種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是返回強(qiáng)度的測(cè)定可以被精確地限定到對(duì)應(yīng)于由激光點(diǎn)照亮的表面輪廓部分的被識(shí)別的峰值。光探測(cè)器對(duì)整個(gè)瞬間的視場(chǎng)敏感，能夠很容易地被周圍光或者多次反射污染。激光的波長(zhǎng)邊限之外的周圍光可以用濾光鏡去除。然而，留下來的光照(依賴于周圍光的光譜內(nèi)容)或者由激光光源從除了有光點(diǎn)照射的表面之外的別處而來的間接反射可能也會(huì)影響到測(cè)量。這種方法在美國(guó)專利US 5,708,498中有描述。
在第一個(gè)描述的技術(shù)中，傳感器以類似頻率提供深度和顏色信息，因?yàn)樗龅纳疃扔沙上裨贑CD上的峰值之一或者多個(gè)結(jié)合確定，而所述的顏色從每個(gè)峰值幅峰的分布導(dǎo)出。在每個(gè)測(cè)量周期中，由CCD產(chǎn)生的信號(hào)被分析來提取峰值的位置和幅峰。
另外一個(gè)缺點(diǎn)就是在輪廓測(cè)量中，三維數(shù)據(jù)的獲取在反射率突然變化的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。
對(duì)于所有基于三角計(jì)算的激光感測(cè)系統(tǒng)，一個(gè)眾所周知的困難就是測(cè)量表面反射率的突然變化可能會(huì)在輪廓測(cè)量中產(chǎn)生錯(cuò)誤。這是因?yàn)檫@種測(cè)量是通過將激光照射的細(xì)小區(qū)域成像而獲得。如果所測(cè)量的表面呈現(xiàn)出反射率的變化，那么與平坦的表面相比照射點(diǎn)的成像會(huì)被扭曲。在CCD上的位置測(cè)量可能會(huì)被影響，并導(dǎo)致在輪廓表面的測(cè)定中出現(xiàn)偏差。
本發(fā)明的一個(gè)目的就是減輕現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種確定一個(gè)目標(biāo)表面顏色和輪廓的方法，包括下述步驟用一個(gè)入射光束掃描所述的目標(biāo)表面，所述的入射光束包含多組分的波長(zhǎng)；從所述的目標(biāo)表面反射形成一束光；依據(jù)反射光束的組分波長(zhǎng)將所述的反射光束形成一個(gè)或者多個(gè)分離的子光束；將所述的一個(gè)或者多個(gè)子光束照射到一個(gè)傳感器陣列上；當(dāng)所述的入射光束在目標(biāo)表面上移動(dòng)時(shí)，探測(cè)所述一個(gè)或者多個(gè)子光束在所述傳感器陣列上的位置；將至少一部分反射光束照射到波長(zhǎng)敏感的光探測(cè)器裝置上以便獲得代表所述反射光束的近似波長(zhǎng)組合物的數(shù)據(jù)；從由位于所述傳感器陣列上的所述一個(gè)或者多個(gè)子光束產(chǎn)生的峰值的相對(duì)位置和形狀確定目標(biāo)表面的顏色和輪廓，該傳感器使用所述代表著近似波長(zhǎng)組分的數(shù)據(jù)，以減小從所述傳感器陣列獲得的結(jié)果中的潛在的模糊誤差。
所提出的顏色測(cè)量系統(tǒng)是一種混合系統(tǒng)，該混合系統(tǒng)同時(shí)采用在CCD上的顏色分離峰值測(cè)量和用一個(gè)光敏器件的輔助測(cè)量。與現(xiàn)有技術(shù)中不同，本發(fā)明保留了用傳感器陣列可以獲得的顏色測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，輔助的光探測(cè)器主要用于消除由CCD陣列獲得的精確測(cè)量中的模糊誤差。光探測(cè)器優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)在一個(gè)高于CCD的頻率下被采樣，這樣做的原因在下文中會(huì)詳細(xì)描述。
這種安排的最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，例如，當(dāng)僅僅有一種反射波長(zhǎng)存在時(shí)也能夠確定表面顏色。盡管光敏元件除了受到被激光點(diǎn)照亮的區(qū)域的影響之外還受到光源的影響，但是所述的光敏元件還是會(huì)給出一個(gè)由直接照射到的目標(biāo)表面上的一個(gè)或者多個(gè)波長(zhǎng)起主導(dǎo)作用的測(cè)量方法，也因此在僅僅有一個(gè)光束存在時(shí)能夠識(shí)別照射到CCD的波長(zhǎng)光束。在這種情形，顏色測(cè)量由CCD用與現(xiàn)有技術(shù)中相同的方式實(shí)施，輔助測(cè)量主要是用來消除模糊誤差。
在本發(fā)明的方法中，比較有利但并不是必須地，光敏元件應(yīng)當(dāng)在一個(gè)頻率fp下被采樣，這個(gè)頻率是從傳感器陣列讀取整個(gè)強(qiáng)度曲線的頻率fc的整數(shù)倍。
本發(fā)明的另外一個(gè)方面提供了一種確定一個(gè)目標(biāo)表面的輪廓的方法，包括下述的步驟用一個(gè)入射光束掃描目標(biāo)表面；形成一個(gè)從所述目標(biāo)表面反射回來的光束；將所述的反射光束照射到一個(gè)傳感器陣列上產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度曲線信號(hào)；以一個(gè)第一采樣頻率fc采樣所述的強(qiáng)度曲線信號(hào)產(chǎn)生第一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，這個(gè)第一組數(shù)據(jù)點(diǎn)代表著每個(gè)采樣期間l/fc在所述的陣列上的強(qiáng)度分布；將至少一部分反射光束照射到光探測(cè)器裝置上以便獲得一個(gè)輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)代表著所述反射光束的強(qiáng)度；以一個(gè)明顯比第一采樣頻率fc高的第二采樣頻率fp采樣所述的輸出信號(hào)產(chǎn)生第二數(shù)組據(jù)點(diǎn)，該第二組數(shù)據(jù)點(diǎn)代表著在所述第二采樣頻率下在每個(gè)采樣期間的強(qiáng)度；從所述第一組數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)出一個(gè)第三組數(shù)據(jù)，該第三組數(shù)據(jù)代表著當(dāng)所述的光束掃描所述的表面時(shí)，在所述傳感器陣列上所述反射光束的相對(duì)位置，用所述的第二組數(shù)據(jù)在一個(gè)更高的分辨率下提供關(guān)于所述表面的外觀在每個(gè)采樣期間內(nèi)第一采樣頻率下的輔助信息。
每次的輪廓測(cè)量都是在CCD上第一采樣頻率的一個(gè)周期上，從目標(biāo)表面上反射的時(shí)間積分。返回強(qiáng)度的過采樣使得表面特性，即顏色或者強(qiáng)度在一個(gè)比輪廓高的分辨率下確定。原則上，過采樣的測(cè)量的總和，該總和被適當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)于在一個(gè)周期中由CCD測(cè)量的強(qiáng)度。這個(gè)總和可以用上述的方式來消除模糊誤差。而且，過采樣測(cè)量在掃描方向上給出表面特性空間分布的分辨率優(yōu)于輪廓測(cè)量。
強(qiáng)度測(cè)量的過采樣也可以被用于糾正由目標(biāo)表面反射的不連續(xù)引起的不正常。通過在一個(gè)周期的表面點(diǎn)測(cè)量期間進(jìn)行反射的時(shí)間分布測(cè)量，能夠在過采樣測(cè)量中在測(cè)量的分布中的單個(gè)點(diǎn)的測(cè)量期間，在被照亮的表面部分中探測(cè)到這種不連續(xù)的存在，因此能夠至少部分地抵消由估計(jì)測(cè)量帶來的影響。
這里應(yīng)當(dāng)指出最后兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)涉及到過采樣的使用，不論是在單色還是在彩色測(cè)量中都存在這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠適用于上文提到的混合系統(tǒng)中，也能夠適用于僅采用一個(gè)對(duì)不同波長(zhǎng)敏感的光探測(cè)器的系統(tǒng)中，如在美國(guó)專利US5,708,498中描述的那種。
本發(fā)明所解決的主要問題是當(dāng)僅僅存在一個(gè)峰值時(shí)的波長(zhǎng)模糊誤差。本發(fā)明的方法用輔助的光敏元件消除了這個(gè)問題。這解決了一個(gè)非常重要的問題，該問題限制著顏色分離峰值技術(shù)的使用。這個(gè)技術(shù)與過采樣原理的結(jié)合也使得以比輪廓的分辨率高的分辨率測(cè)量顏色成為可能，從而使得以顯示為目的而模擬和建造形狀、顏色模型很有吸引力，在這種情況中所需要的特性強(qiáng)度通常比幾何測(cè)量中所需要的大。而且，能夠從過采樣的強(qiáng)度中來糾正由強(qiáng)度的不連續(xù)產(chǎn)生的公知的錯(cuò)誤。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種用于確定一個(gè)目標(biāo)表面的顏色和輪廓的裝置，該裝置包括一個(gè)光源，該光源采用一個(gè)包含多種組分波長(zhǎng)的入射光束掃描目標(biāo)表面；一個(gè)透鏡，用于形成一個(gè)從所述目標(biāo)表面反射回來的光束；一個(gè)光束分裂器，用于依據(jù)反射光束的各組分波長(zhǎng)將反射光束分裂成一個(gè)或者多個(gè)子光束；一個(gè)傳感器陣列，用于感測(cè)所述的一個(gè)或者多個(gè)子光束，并能夠在所述的入射光束在目標(biāo)表面移動(dòng)時(shí)探測(cè)所述一個(gè)或者多個(gè)子光束的位置；一個(gè)波長(zhǎng)敏感的光探測(cè)器，該光探測(cè)器接收所述反射光束的至少一部分來獲得代表著所述反射光束的近似波長(zhǎng)組合物的數(shù)據(jù)；從而目標(biāo)表面的顏色和輪廓可以從下述峰值的位置和形狀上得以確定，所述峰值由位于所述傳感器陣列上的一個(gè)或者多個(gè)子光束產(chǎn)生，一個(gè)或者多個(gè)子光束使用所述的代表著近似的波長(zhǎng)組合物的數(shù)據(jù)來消除從所述傳感器陣列獲得的結(jié)果中的潛在的模糊誤差。
現(xiàn)在，將參照附圖以舉例的方式對(duì)本發(fā)明做更加詳細(xì)的說明，其中
圖1為一個(gè)示意圖，所示的是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的顏色測(cè)試系統(tǒng)；圖2為一個(gè)示意圖，所示的是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的顏色測(cè)試系統(tǒng)；圖3為一個(gè)示意圖，所示的是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的顏色測(cè)試系統(tǒng)；圖4為一個(gè)示意圖，所示的是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的顏色測(cè)試系統(tǒng)；圖5所示的是在一個(gè)采樣的階段中一個(gè)CCD陣列輸出的強(qiáng)度曲線；圖6所示的是正在掃描一個(gè)目標(biāo)表面的激光點(diǎn)；圖7所示的是由表面膺象引起的強(qiáng)度曲線的變化；圖8示出了具有區(qū)分不同波長(zhǎng)能力的光探測(cè)器的詳細(xì)情況。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，一個(gè)要被測(cè)量顏色和輪廓的表面以10標(biāo)識(shí)。比較典型地，這個(gè)表面是一個(gè)采集輪廓和顏色數(shù)據(jù)的三維物體的輪廓表面。一個(gè)彩色激光光源12(例如，由紅，黃，綠光構(gòu)成)通過一個(gè)傾斜一定角度的反射鏡18、20發(fā)出一個(gè)彩色光束14到位于表面10上的一點(diǎn)16處。反射鏡18搖擺而引起光束14掃描表面10。反射鏡20被固定。
反射光束22通過一個(gè)固定傾斜反射鏡24、擺動(dòng)反射鏡18的背面?zhèn)?、校正透鏡26返回。在通過了校正透鏡26之后，反射光束碰到一個(gè)部分反射鏡28，該反射鏡使反射光30的第一部分到達(dá)一個(gè)光敏探測(cè)器31，該光敏探測(cè)器能夠測(cè)量存在于入射光束中的每個(gè)波長(zhǎng)的反射光的數(shù)量，所述的反射鏡使反射光30的第二部分通過波長(zhǎng)分離器34，例如一個(gè)棱鏡，而到達(dá)傾斜的CCD陣列36。
共同的透鏡18使得反射光束22與入射光束14同步移動(dòng)通過表面10。如果位于表面10上被照亮點(diǎn)16的位置相對(duì)于系統(tǒng)而變化，那么這種變化會(huì)轉(zhuǎn)變成CCD陣列36的表面上的子光束的位移。任何一個(gè)信號(hào)的位置，與反射鏡18的回轉(zhuǎn)角度一起通過采用三角計(jì)算技術(shù)就表明了位于被光束照亮的表面10上的點(diǎn)16的位置。輪廓信息由子光束的一個(gè)或者多個(gè)結(jié)合而導(dǎo)出。為了正確地推導(dǎo)輪廓信息，必須知道子光束的波長(zhǎng)識(shí)別。已知的位移能夠使得輪廓的高度通過采用三角計(jì)算技術(shù)而獲得。三維測(cè)量系統(tǒng)通常具有如美國(guó)專利US5,708,498中的功能，該文獻(xiàn)這里引入作為參考。
假設(shè)有多于一個(gè)的光束存在的話，相應(yīng)光束的強(qiáng)度能夠以很高的精度導(dǎo)出關(guān)于所述表面的顏色信息。在現(xiàn)有技術(shù)中，如果僅僅有一個(gè)光束的話，就不能提取顏色和位置信息，因?yàn)橄到y(tǒng)沒有辦法識(shí)別哪個(gè)光束存在。如果有兩個(gè)光束存在，那么能否提取顏色和位置信息視情況而定。然而，光探測(cè)器31能夠提供返回光在三個(gè)波長(zhǎng)31R，31G，31B的強(qiáng)度測(cè)量，所述的三個(gè)波長(zhǎng)被用于在少于三個(gè)光束存在時(shí)來識(shí)別一個(gè)峰值的原始波長(zhǎng)，這是通過比較光探測(cè)器31以及在CCD36上峰值上獲得的測(cè)量結(jié)果來實(shí)現(xiàn)的。
圖2示出了一種類似于圖1中的結(jié)構(gòu)，只是光電二級(jí)管32接受到一個(gè)直接從表面10而來穿過校正透鏡40的反射光束。光探測(cè)器32不再與CCD 36分享同一個(gè)鏡片。
在圖3中，光探測(cè)器31接受到從CCD陣列36的表面上反射的光使得被分開的波長(zhǎng)在光探測(cè)器31上結(jié)合成一個(gè)復(fù)合光束。
圖4示出一種類似于圖3的結(jié)構(gòu)，但是采用了多于一個(gè)的光探測(cè)器31來測(cè)量不同方向上的反射光。光探測(cè)器31產(chǎn)生出代表反射光束不同組分波長(zhǎng)強(qiáng)度的輸出信號(hào)。但是由于光探測(cè)器31將比CCD陣列更寬視場(chǎng)內(nèi)的光結(jié)合起來，所以也就更會(huì)受到周圍的光和目標(biāo)表面的其它部分反射光的影響，尤其是，目標(biāo)表面具有高度異形的表面的情形。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，光探測(cè)器31的輸出主要不是用于直接導(dǎo)出顏色信息，而是主要用來在CCD陣列36的更精確的輸出中解決潛在的不確定。因此，例如如果由一個(gè)只反射藍(lán)色波長(zhǎng)的表面產(chǎn)生的僅僅一個(gè)光束存在于CCD陣列36中的話，光探測(cè)器31將會(huì)給出一個(gè)具有很強(qiáng)藍(lán)色組分的信號(hào)，然而該組分可能被周圍的光所污染。在這個(gè)例子中，反射光束將會(huì)被正確地鑒別為純藍(lán)。
CCD陣列36和光探測(cè)器31的輸出在實(shí)際中是在一個(gè)計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)字處理。CCD陣列為一個(gè)線性的單色陣列。當(dāng)反射光束落在其上時(shí)，它就產(chǎn)生一個(gè)如圖5所示的輸出信號(hào)，該信號(hào)顯示沿著陣列的強(qiáng)度分布。峰值表示三個(gè)分光束紅、綠、藍(lán)。其中任何之一在陣列上的位置給出了目標(biāo)的范圍，它們的相對(duì)強(qiáng)度給出目標(biāo)表面的顏色。強(qiáng)度曲線事實(shí)上有一系列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)表示，所述的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)代表著在CCD的每個(gè)象素處的強(qiáng)度。
整個(gè)CCD陣列以一個(gè)預(yù)定的頻率被讀取，典型的頻率為10KHz，即，在每次掃描時(shí)每0.1毫秒10000個(gè)時(shí)隙。在每個(gè)時(shí)隙中，一個(gè)計(jì)算機(jī)決定峰值的位置和幅度并保持與之相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
在一個(gè)實(shí)際的實(shí)踐中，如圖6中所示，由于一個(gè)時(shí)隙的有限長(zhǎng)度，激光點(diǎn)在目標(biāo)上移動(dòng)ΔL的距離。落在CCD陣列36上的光是在這個(gè)時(shí)隙中所反射的光的積分。采樣頻率受到設(shè)備的敏感度的限制，并能夠容易地由本領(lǐng)域技術(shù)人員針對(duì)具體的結(jié)構(gòu)選擇。
根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)方面，光探測(cè)器31以一個(gè)頻率被采樣，該頻率高于，優(yōu)選整數(shù)倍于，CCD陣列36的采樣頻率并與之同步。用于光電探測(cè)器的采樣頻率比CCD陣列頻率的4-10倍還高很多。結(jié)果就是通過一個(gè)等于采樣頻率倍數(shù)的頻率，所述表面的特性信息，顏色和強(qiáng)度信息能以比幾何信息高幾倍的分辨率測(cè)量。圖6示出了為什么在CCD陣列36的每個(gè)采樣期間，有多個(gè)(n)重疊的光點(diǎn)區(qū)域38，它們的整個(gè)包跡線相應(yīng)于CCD測(cè)量。反射光的總量是由光探測(cè)器在采樣次數(shù)a，b，c，d時(shí)采樣，所述的采樣次數(shù)相應(yīng)于在每個(gè)CCD采樣期間的采樣數(shù)目n(這里例如為4)。通過將CCD上的曲線和從光電二極管上的n個(gè)采樣的結(jié)合，所述表面的顏色信息可以被計(jì)算到這樣一個(gè)分辨率程度，該分辨率高于僅使用CCD陣列可獲得的分辨率。在分辨率上的增加僅僅適用于顏色或者強(qiáng)度信息上，而不適用于幾何信息上，所述的幾何信息依然受到CCD陣列的采樣頻率的限制。由光傳感器進(jìn)行的過采樣也可以被很好地應(yīng)用于單色結(jié)構(gòu)中，例如在一個(gè)單一波長(zhǎng)光束中測(cè)量表面特性。
在光亮和黑暗之間突然的變化能夠扭曲位于CCD陣列上的峰值，使得所述的設(shè)備在CCD陣列上探測(cè)到峰值中心的變化。這導(dǎo)致目標(biāo)表面輪廓變化的錯(cuò)誤探測(cè)。圖7示出為什么對(duì)于一個(gè)平坦的表面，峰值50將會(huì)具有一個(gè)如圖7所示的均勻強(qiáng)度的分布。如果與左半部分54是明亮的而右半部分是黑暗的情況相反，那么強(qiáng)度曲線52由于更多的光被從光亮的表面反射從而失真，所述的強(qiáng)度曲線描繪的是在采樣期間上強(qiáng)度的時(shí)間積分。計(jì)算機(jī)將此解釋為峰值的移動(dòng)，這種峰值的移動(dòng)又接著被錯(cuò)誤地解釋為目標(biāo)表面的輪廓和范圍的變化。
實(shí)際上，由于光探測(cè)器31在CCD陣列的每個(gè)采樣期間上提取了多個(gè)強(qiáng)度采樣，所以強(qiáng)度上劇烈的變化可以探測(cè)到，并被考慮來補(bǔ)償峰值曲線的形狀變化。在單色和彩色系統(tǒng)中都可以實(shí)現(xiàn)。
因此，本發(fā)明提供了一種以高于幾何信息的分辨率獲取特性信息的方法，該方法彌補(bǔ)了由于表面強(qiáng)度突然變化而產(chǎn)生的膺象，以及在不失精確性的前提下解決了顏色模糊等問題。
除了上文描述的結(jié)構(gòu)之外，可以使用多個(gè)光探測(cè)器，這些光探測(cè)器可以處于不同的方向，包括三角平面的外部。每個(gè)光探測(cè)器將會(huì)測(cè)量在一個(gè)具體方向上的反射光。每個(gè)光探測(cè)器可以以上述的方式被采樣和使用。采用多個(gè)光探測(cè)器提供了多個(gè)由目標(biāo)表面反射的光的角度分布采樣。這樣一種結(jié)構(gòu)的例子示出在圖4中，在例子中采用了兩個(gè)不同的光探測(cè)器。
圖8示出了一種可以用于本發(fā)明中的光探測(cè)器的可能實(shí)施例。所述的光探測(cè)器設(shè)置了產(chǎn)生下述信號(hào)的裝置，所述的信號(hào)代表每個(gè)組分波長(zhǎng)的光的數(shù)量。在這個(gè)具體結(jié)構(gòu)中，進(jìn)來的光束60被一個(gè)棱鏡分解成其組分的波長(zhǎng)，它們被照射到不同的光探測(cè)器上，所述不同的光探測(cè)器產(chǎn)生代表相應(yīng)波長(zhǎng)光的數(shù)量的信號(hào)。
盡管本發(fā)明被相對(duì)于自動(dòng)同步掃描來描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其同樣適用于通常的三角測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種確定目標(biāo)表面顏色和輪廓的方法，包含有下述步驟用一個(gè)入射光束掃描所述的目標(biāo)表面，所述的入射光束包含多組分的波長(zhǎng)；從所述的目標(biāo)表面反射形成一束光；將所述的反射光束形成一個(gè)或者多個(gè)分離的子光束，這個(gè)或這些子光束相應(yīng)于反射光束的組分波長(zhǎng)；將所述的一個(gè)或者多個(gè)子光束照射到一個(gè)傳感器陣列上；在所述的入射光束在目標(biāo)表面上移動(dòng)時(shí)，探測(cè)所述一個(gè)或者多個(gè)子光束在所述傳感器陣列上的位置；將反射光束的至少一部分照射到波長(zhǎng)敏感的光探測(cè)器裝置上獲得代表著所述反射光束的近似波長(zhǎng)組合物的數(shù)據(jù)；使用所述的代表著所述反射光束的近似波長(zhǎng)組合物的數(shù)據(jù)，從下述峰值的相對(duì)位置和形狀確定目標(biāo)表面的顏色和輪廓，從而消除從所述傳感器陣列獲得的結(jié)果中的潛在的模糊誤差，所述的峰值由位于所述傳感器陣列上的所述一個(gè)或者多個(gè)子光束產(chǎn)生。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，通過一個(gè)局部反射鏡，所述部分在形成一個(gè)或多個(gè)子光束前，被從所述反射光束中分裂出來。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中所述部分的反射光通過將從所述傳感器陣列的表面上反射出來的所述一個(gè)或多個(gè)子光束重新結(jié)合起來獲得。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中所述的光探測(cè)器裝置包括多個(gè)光探測(cè)器，這多個(gè)光探測(cè)器對(duì)所述反射光束的相應(yīng)組分波長(zhǎng)敏感，所述部分的反射光被分裂成被照射到相應(yīng)的光探測(cè)器上的組分波長(zhǎng)。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中所述的反射光束與所述的入射光束同步。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述傳感器陣列為一個(gè)傾斜的CCD陣列。
7.一種確定目標(biāo)表面的輪廓的方法，包含有下述步驟用一個(gè)入射光束掃描目標(biāo)表面；形成一個(gè)從所述目標(biāo)表面反射回來的光束；將所述的反射光束照射到一個(gè)傳感器陣列上產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度曲線信號(hào)；以一個(gè)第一采樣頻率fc采樣所述的強(qiáng)度曲線信號(hào)產(chǎn)生第一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，該組數(shù)據(jù)點(diǎn)代表著在每個(gè)采樣期間所述陣列上的強(qiáng)度分布；將反射光束的至少一部分照射到光探測(cè)器裝置上以獲得一個(gè)輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)代表著所述反射光束的強(qiáng)度；以一個(gè)明顯比第一采樣頻率fc高的第二采樣頻率fp采樣所述的輸出信號(hào)產(chǎn)生第二組數(shù)據(jù)點(diǎn)，該第組二數(shù)據(jù)點(diǎn)代表著在所述第二采樣頻率下在每個(gè)采樣期間的強(qiáng)度；從所述第一組數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)出第三組數(shù)據(jù)，該第三組數(shù)據(jù)代表著當(dāng)所述的光束掃描所述的表面時(shí)，在所述傳感器陣列上所述反射光束的相對(duì)位置，與此同時(shí)用所述的第二組數(shù)據(jù)在一個(gè)更高的分辨率下提供輔助信息，該信息是關(guān)于所述表面的外觀在每個(gè)采樣期間內(nèi)第一采樣頻率下的輔助信息。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中所述的光探測(cè)器裝置對(duì)波長(zhǎng)敏感，所述的輔助信息為所述表面在掃描過一個(gè)區(qū)域并在一個(gè)分辨率下的顏色變化，所述區(qū)域的尺寸有所述第一采樣頻率fc確定，而所述的分辨率由所述的第二采樣頻率fp確定。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中所述反射光束在碰到構(gòu)成所述光探測(cè)器裝置的相應(yīng)光探測(cè)器之前被分裂成組分波長(zhǎng)。
10.如權(quán)利要求7的方法，其中所述的第二采樣頻率fp為所述第一采樣頻率的整數(shù)倍并與之同步。
11.如權(quán)利要求10的方法，其中所述的第二采樣頻率為所述第一采樣頻率的4到10倍。
12.如權(quán)利要求7的方法，其中使用所述的輔助信息導(dǎo)出第三組數(shù)據(jù)，用來提供在一個(gè)采樣期間內(nèi)有關(guān)反射光束的強(qiáng)度分布的信息從而彌補(bǔ)所述表面反射的不連續(xù)性。
13.一種確定目標(biāo)表面的顏色和輪廓的裝置，包括一個(gè)光源，用來采用一個(gè)包含多種組分波長(zhǎng)的入射光束掃描目標(biāo)表面；一個(gè)透鏡，用于形成一個(gè)從所述目標(biāo)表面反射回來的光束；一個(gè)光束分裂器，用于將反射光束分裂成一個(gè)或者多個(gè)子光束，這個(gè)或者這些子光束相應(yīng)于反射光束的各組分波長(zhǎng)；一個(gè)傳感器陣列，用于感測(cè)所述的一個(gè)或者多個(gè)子光束，并能夠在所述的入射光束在目標(biāo)表面移動(dòng)時(shí)探測(cè)所述一個(gè)或者多個(gè)子光束的位置；一個(gè)波長(zhǎng)敏感的光探測(cè)器，該光探測(cè)器接收所述反射光束的至少一部分來獲得代表著所述反射光束的近似波長(zhǎng)組合物的數(shù)據(jù)；從而目標(biāo)表面的顏色和輪廓可以從下述峰值的位置和形狀上得以確定，使用所述的代表著近似的波長(zhǎng)組合物的數(shù)據(jù)來減少?gòu)乃鰝鞲衅麝嚵蝎@得的結(jié)果中的潛在的模糊誤差，所述峰值由位于所述傳感器陣列上的一個(gè)或者多個(gè)子光束產(chǎn)生。
14.如權(quán)利要求13的裝置，其中進(jìn)一步還包括一個(gè)部分反射的反射鏡用于將所述反射光束的一部分反射到光探測(cè)器上。
15.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述的光探測(cè)器裝置包括多個(gè)光探測(cè)器，這些光探測(cè)器對(duì)所述的反射光束的相應(yīng)組分波長(zhǎng)敏感。
16.如權(quán)利要求13的裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)回轉(zhuǎn)反射鏡將所述的反射光束與所述的入射光束自動(dòng)同步。
17.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述的傳感器陣列為一種傾斜的CCD陣列。
18.一種用于確定一個(gè)目標(biāo)表面的輪廓的裝置，包括一個(gè)光源，用來采用一個(gè)入射光束掃描目標(biāo)表面；一個(gè)透鏡，用于將所述目標(biāo)表面的反射光形成一個(gè)光束，并將所述的反射光束照射到一個(gè)傳感器陣列上產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度曲線信號(hào)；一個(gè)下述裝置，即用于在第一采樣頻率fc下采樣所述強(qiáng)度曲線信號(hào)從而產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，該組數(shù)據(jù)點(diǎn)代表著在每個(gè)采樣期間中在所述的陣列上的強(qiáng)度分布；一個(gè)下述裝置，即用于將反射光束的至少一部分照射到光探測(cè)器裝置上從而獲得一個(gè)代表著所述反射光束強(qiáng)度的輸出信號(hào)；一個(gè)下述裝置，即用于以一個(gè)明顯比第一采樣頻率fc高的第二采樣頻率fp采樣所述的輸出信號(hào)產(chǎn)生第二組數(shù)據(jù)點(diǎn)，該第二組數(shù)據(jù)點(diǎn)代表著在所述第二采樣頻率下在每個(gè)采樣期間的強(qiáng)度；一個(gè)下述裝置，即用于從所述第一組數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)出一個(gè)第三組數(shù)據(jù)，該第三組數(shù)據(jù)代表著當(dāng)所述的光束掃描所述的表面時(shí)，在所述傳感器陣列上所述反射光束的相對(duì)位置，與此同時(shí)用所述的第二數(shù)據(jù)在一個(gè)更高的分辨率下提供關(guān)于所述表面的外觀在每個(gè)采樣期間內(nèi)第一采樣頻率下的輔助信息。
19.如權(quán)利要求18的裝置，其中所述的光探測(cè)器裝置對(duì)波長(zhǎng)敏感，所述的輔助信息為所述表面在一個(gè)區(qū)域并在一個(gè)分辨率下的顏色變化，所述區(qū)域的尺寸由所述第一采樣頻率fc確定，而所述的分辨率由所述的第二采樣頻率fp確定。
20.如權(quán)利要求18的裝置，其中所述的第二采樣頻率fp為所述第一采樣頻率的整數(shù)倍并與之同步。
21.一種用于確定一個(gè)目標(biāo)表面的顏色和輪廓的方法，包含下述的步驟用一個(gè)入射光束掃描一個(gè)目標(biāo)表面，所述的入射光束包含多種組分的波長(zhǎng)；形成一束從所述目標(biāo)表面反射的光；將所述的反射光束形成一個(gè)或者多個(gè)分離的子光束，這個(gè)或者這些子光束相應(yīng)于組分波長(zhǎng)或反射光束的波長(zhǎng)；將所述一個(gè)或者多個(gè)子光束照射到一個(gè)傳感器陣列上形成一個(gè)或者多個(gè)強(qiáng)度曲線信號(hào)；在第一采樣頻率fc下采樣所述一個(gè)或者多個(gè)強(qiáng)度曲線信號(hào)從而產(chǎn)生第一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，該組數(shù)據(jù)點(diǎn)代表著在每個(gè)采樣期間中在所述的陣列上的強(qiáng)度分布；將反射光束的至少一部分照射到對(duì)波長(zhǎng)敏感的光探測(cè)器裝置上從而獲得一個(gè)輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)代表著所述反射光束的近似波長(zhǎng)組合物，以一個(gè)明顯比第一采樣頻率fc高的第二采樣頻率fp采樣所述的輸出信號(hào)產(chǎn)生第二數(shù)據(jù)點(diǎn)，該第二數(shù)據(jù)點(diǎn)代表著在所述第二采樣頻率下在每個(gè)采樣期間的強(qiáng)度；從下述峰值的位置和形狀上確定所述目標(biāo)表面的顏色和輪廓，所述的峰值由位于所述陣列上的所述的一個(gè)或者多個(gè)子光束產(chǎn)生，同時(shí)使用所述代表著近似的波長(zhǎng)組合物的數(shù)據(jù)來消除從所述傳感器陣列獲得的結(jié)果中的潛在模糊誤差；從所述第一組數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)出第三組數(shù)據(jù)，該第三組數(shù)據(jù)代表著當(dāng)所述的光束掃描所述的表面時(shí)，在所述傳感器陣列上所述一個(gè)或者多個(gè)子光束的位置，與此同時(shí)用所述的第二數(shù)據(jù)在一個(gè)更高的分辨率下提供關(guān)于所述表面的外觀在每個(gè)采樣期間內(nèi)第一采樣頻率下的輔助信息。
22.如權(quán)利要求21的方法，其中所述的傳感器陣列為一種傾斜的CCD陣列。
23.如權(quán)利要求22的方法，其中所述的反射光束與所述的入射光束自動(dòng)同步。
全文摘要
一種確定目標(biāo)表面顏色和輪廓的方法,包含有下述步驟:用一個(gè)入射光束掃描所述的目標(biāo)表面,所述的入射光束包含多組分的波長(zhǎng);將所述的反射光束分裂形成一個(gè)或者多個(gè)不同波長(zhǎng)的分離子光束;將所述的一個(gè)或者多個(gè)子光束照射到一個(gè)傳感器陣列上確定它們的相對(duì)位置。將反射光束的一部分照射到顏色敏感的光探測(cè)器裝置上獲得代表著所述反射光束的近似顏色組合物的數(shù)據(jù)。目標(biāo)表面的顏色和輪廓從位于所述傳感器陣列上的子光束的相對(duì)位置得以確定,采用所述代表著所述反射光束的近似波長(zhǎng)組合物的數(shù)據(jù)消除位于結(jié)果中的模糊誤差。反射光束的被分離出來的部分也可以在一個(gè)比傳感器陣列更高的頻率下被采樣來獲得比僅采用所述傳感器陣列能獲得的分辨率更高的分辨率下的關(guān)于目標(biāo)表面的信息。
文檔編號(hào)G01B11/24GK1364230SQ00810850
公開日2002年8月14日 申請(qǐng)日期2000年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月1日
發(fā)明者G·D·戈丁 申請(qǐng)人:加拿大國(guó)家研究委員會(huì)