三維掃描裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種三維掃描裝置，包括：支撐框，包括投射器；光源，與所述投射器相對設置；旋轉式承載臺，具有多個沿圓周設置的第一結構光圖案，并相對于所述支撐框以預定角度旋轉，以使所述第一結構光圖案位于所述光源和所述投射器之間；成像器，相對于所述支撐框固定；其中，當所述光源將所述第一結構光圖案通過所述投射器投射到物體上時，所述成像器獲取所述物體的表面圖像。本發明的三維掃描裝置集成度高、體積小、可靠性高，并能夠應用于內窺鏡等微小裝置中。
【專利說明】三維掃描裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種三維掃描裝置。
【背景技術】
[0002]由于工業內窺鏡能夠無損的檢測到物體的狀態，同時還能觀察到人無法到達的地方，已經廣泛應用到許多工業領域中，例如在建筑業中墻壁，光纜的檢測，在油氣工業中管道內部情況的檢測，以及在汽車工業中發動機維修，安防領域中的爆炸物檢測等領域都廣泛的使用了工業內窺鏡。
[0003]現有的三維內窺鏡采用的三維掃描裝置主要分兩種:第一種是基于雙目視覺的三維掃描裝置，其包括在三維內窺鏡前端集成的兩個微型攝像頭，通過立體匹配和三角測量原理，得到若干點的三維信息。然而，第一種方法的問題在于，需要兩個攝像頭，因而產品體積無法做到很小，而且這種以立體匹配的三維重構方法，無法獲得高密度的三維形貌信息，只能測量若干點處的三維深度信息。
[0004]第二中基于光學投影的三維掃描裝置，其包括在內窺鏡前端集成的一個微型攝像頭和一個用于光學條紋投射的鏡頭，通過微型攝像頭拍攝光纖投射出的條紋圖像，實現目標物體的三維重建。然而，第二中方法的問題在于，由于內窺鏡尺寸有限，能夠放置的光纖投射鏡頭有限，因而無法實現高精度的三維測量功能。
【發明內容】
[0005]為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種集成度高、體積小、可靠性高的三維掃描裝置。
[0006]根據本發明的一方面，提供了一種三維掃描裝置，包括:支撐框，包括投射器；光源，與所述投射器相對設置；旋轉式承載臺，具有至少一個第一結構光圖案，并相對于所述支撐框以預定角度旋轉，以使所述第一結構光圖案位于所述光源和所述投射器之間；成像器，相對于所述支撐框固定；其中，當所述光源將所述第一結構光圖案通過所述投射器投射到物體上時，所述成像器獲取所述物體的表面圖像。
[0007]進一步地，所述支撐框具有投射窗口，其中，所述投射器設置在所述投射窗口中。
[0008]進一步地，所述旋轉式承載臺包括一第二結構光圖案，其中，所述第二結構光圖案沿圓周設置在相鄰的兩個所述第一結構光圖案之間。
[0009]進一步地，所述多個第一結構光圖案與所述第二結構光圖案沿圓周均勻設置。
[0010]進一步地，所述旋轉式承載臺包括第三結構光圖案，其中，所述第三結構光圖案設置在所述第二結構光圖案和與所述第二結構光圖案相鄰的任一第一結構光圖案之間，或者所述第三結構光圖案設置在相鄰的兩個所述第一結構光圖案之間。
[0011]進一步地，所述旋轉式承載臺包括承載基板，其中，所述多個第一結構光圖案、所述第二結構光圖案和所述第三結構光圖案均設置在所述承載基板上。
[0012]進一步地，所述承載基板為透明基板。[0013]進一步地，所述三維掃描裝置還包括:軸承，設置在所述支撐框與所述旋轉式承載臺之間，用于將所述支撐框與所述旋轉式承載臺進行連接。
[0014]進一步地，所述三維掃描裝置還包括:驅動器；其中，所述旋轉式承載臺的內側表面上設置傳動器，其中，通過所述驅動器與所述傳動器的配合，使得所述旋轉式承載臺以所述預定角度相對于所述支撐框旋轉。
[0015]進一步地，所述成像器固定在所述支撐框的中間部分。
[0016]本發明的三維掃描裝置集成度高、體積小、可靠性高，并能夠應用于內窺鏡等微小裝置中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]通過結合附圖進行的以下描述，本發明的實施例的上述和其它方面、特點和優點將變得更加清楚，附圖中:
[0018]圖1是根據本發明的實施例的旋轉式承載臺的正視示意圖。
[0019]圖2是根據本發明的實施例的三維掃描裝置的側向剖視示意圖。
【具體實施方式】
[0020]以下，將參照附圖來詳細描述本發明的實施例。然而，可以以許多不同的形式來實施本發明，并且本發明不應該被解釋為限制于這里闡述的具體實施例。相反，提供這些實施例是為了解釋本發明的原理及其實際應用，從而使本領域的其他技術人員能夠理解本發明的各種實施例和適合于特定預期應用的各種修改。
[0021]圖1是根據本發明的實施例的旋轉式承載臺的正視示意圖。圖2是根據本發明的實施例的三維掃描裝置的側向剖視示意圖。
[0022]參照圖1和圖2，根據本發明的實施例的三維掃描裝置可應用于內窺鏡等微小裝置中。根據本發明的實施例的三維掃描裝置可包括支撐框10、光源20、旋轉式承載臺30、成像器40、軸承50和驅動器60。
[0023]具體而言，支撐框10包括支撐前體11及由支撐前體11的兩端分別沿垂直于支撐前體11所在方向的方向延伸形成的兩個支撐側體12。支撐前體11上開設有一投射窗口13，但是本發明并不限制投射窗口的數量，可以根據實際需求來增設投射窗口的數量。在投射窗口 13中設置一投射器14，該投射器14用于將結構光圖案投射到物體的表面上。在本實施例中，投射器14可以是投射鏡頭或者其他合適類型的能夠將結構光圖案投射到物體的表面上的器件。
[0024]光源20與投射窗口 13鄰近相對設置，即光源20與投射器14相對設置。這樣，可使得光源20將結構光圖案通過投射窗口 13中的投射器14投射到物體的表面上。在本實施例中，光源20可為發光二極管(LED)，并且LED的發光顏色可根據實際需求來選擇，本發明并不對其進行具體限定。但在本發明中，光源20并不局限于LED，例如光源20也可為光纖、有機發光二極管(OLED)、激光器或者其他合適類型的光源。在本實施例中，利用一個光源20與投射器14相對設置，但是本發明并不限制光源的數量，可以根據實際需求來增加光源的數量。
[0025]旋轉式承載臺30呈圓環形，其包括圓環形的承載基板31、沿圓周設置在承載基板31上的多個第一結構光圖案32 (即至少兩個第一結構光圖案32)及設置在承載基板31的內側表面上的傳動器33 (例如傳動齒輪等)。其中，承載基板31的材料可為透明材料，例如玻璃、有機玻璃(PMMA)或者其他合適類型的透明材料；當然，承載基板31的材料也可為不透明材料，但是需在形成第一結構光圖案32的位置處使用透明材料。在本實施例中，可通過光刻技術等微小加工技術在承載基板31上形成多個第一結構光圖案32。該第一結構光圖案32可以是二值光柵圖案，也可以是正弦光柵圖案或者也可以是二值光柵圖案和正弦光柵圖案的混合光柵圖案。在本發明中，可根據所采用的結構光算法來設計第一結構光圖案32的類型和數量。
[0026]此外，為了標定光源20、投射器14和承載基板31上的光刻區域(即形成第一結構光圖案32的區域)的幾何參數，旋轉式承載臺30可包括至少一第二結構光圖案34，其中，第二結構光圖案34在承載基板31上沿圓周設置在相鄰的兩個第一結構光圖案32之間。優選的，在本實施例中，多個第一結構光圖案32與第二結構光圖案34沿圓周均勻設置在承載基板31上。其中，該第二結構光圖案34可例如為不同于第一結構光圖案31的黑白棋盤結構光圖案。如此，多個第一結構光圖案31和所述第二結構光圖案34沿著圓環形承載基板31的圓周均勻設置在承載基板31上。
[0027]此外，為了使得根據本發明的實施例的三維掃描裝置能夠進行普通的二維掃描，旋轉式承載臺30可包括至少一第三結構光圖案35。在本實施例中，第三結構光圖案35可沿圓周設置在第二結構光圖案34和在第二結構光圖案34左側的第一結構光圖案32之間。本發明并不局限于此，第三結構光圖案35可以沿圓周設置在第二結構光圖案34和在第二結構光圖案34右側的第一結構光圖案32之間，或者也可以沿圓周設置在相鄰的兩個相鄰的第一結構光圖案32之間。第三結構光圖案35可為全白(即全透明)的結構光圖案。當根據本發明的實施例的三維掃描裝置處于非三維掃描工作狀態時，光源20通過第三結構光圖案35投射出光，此時，通過第三結構光圖案35投射出的光通過投射窗口 13中的投射器14投射到物體的表面上。
[0028]軸承50設置在支撐框10的支撐側體12與旋轉式承載臺30之間。軸承50用于將支撐框10與旋轉式承載臺30進行活動連接。驅動器60驅動傳動器33，以使旋轉式承載臺30可相對于支撐框10以預定角度旋轉，進而使旋轉式承載臺30的每個第一結構光圖案32或者第二結構光圖案34能夠位于光源20和投射器14之間。驅動器60可例如是微型馬達。驅動器60上可例如設置有與傳動器33配合的齒輪。
[0029]當旋轉式承載臺30的每個第一結構光圖案32或者第二結構光圖案34位于光源20和投射器14之間時，光源20發射光照射到每個第一結構光圖案32或者第二結構光圖案34之上，以將每個第一結構光圖案32或者第二結構光圖案34的結構光圖案通過投射器14投射到物體的表面上。在本實施例中，承載基板31上沿其圓周均勻的形成11個第一結構光圖案32和I個第二結構光圖案34，其中，第一結構光圖案32是采用常用的格雷碼結構光圖案，但本發明并不局限于此。為了使每個第一結構光圖案32和第二結構圖案34能夠位于光源20和投射器14之間，使旋轉式承載臺30相對于支撐框10以30度的預定角度進行旋轉。換句話說，當旋轉式承載臺30相對于支撐框10旋轉30度時，11個第一結構光圖案32中的其中一個或者第二結構光圖案34位于光源20和投射器14之間，此時光源20打開，其發射光照射到該11個第一結構光圖案32中的其中一個或者第二結構光圖案34之上，以將11個第一結構光圖案32中的其中一個或者第二結構光圖案34的結構光圖案通過投射器14投射到物體的表面上。此外，由于第三結構光圖案35沿圓周設置在第二結構光圖案34和在第二結構光圖案34左側的第一結構光圖案32之間，因此在進行三維掃描時，不會使得第三結構光圖案35位于光源20和投射器14之間，
[0030]成像器40相對于支撐框10固定。在本實施例中，成像器40可以是電荷耦合器件(CXD)、互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件或者其他合適類型的成像器件。成像器40可固定在支撐框10的支撐前體11的中間部分，但本發明并不局限于此，例如在另一實施方式中，成像器40可固定在旋轉式承載臺30的中間部分，但是不跟隨旋轉式承載臺30進行旋轉。例如，當光源20發射光照射到該11個第一結構光圖案32中的其中一個或者第二結構光圖案34之上，并將11個第一結構光圖案32中的其中一個或者第二結構光圖案34的結構光圖案通過投射器14投射到物體的表面上時，成像器40獲取物體的表面圖像。此外，成像器40可依次將獲取的11張物體的表面圖像傳輸到計算機中，計算機對每張物體的表面圖像進行分析，并利用結構光三維重建方法等來提取物體的三維形狀。
[0031]此外，在本發明的實施例的三維掃描裝置處于非三維掃描工作狀態的情況下，可將第三結構光圖案35固定在光源20與投射器14之間，光源20通過第三結構光圖案35投射出的光通過投射窗口 13中的投射器14投射到物體的表面上，成像器40獲取物體表面的二維圖像。也就是說，根據本發明的實施例的三維掃描裝置可實現二維圖像觀察。
[0032]根據本發明的實施例的三維掃描裝置集成度高、體積小、可靠性高，并能夠應用于內窺鏡等微小裝置中。
[0033]雖然已經參照特定實施例示出并描述了本發明，但是本領域的技術人員將理解:在不脫離由權利要求及其等同物限定的本發明的精神和范圍的情況下，可在此進行形式和細節上的各種變化。
【權利要求】
1.一種三維掃描裝置，包括: 支撐框，包括投射器； 光源，與所述投射器相對設置； 旋轉式承載臺，具有多個沿圓周設置的第一結構光圖案，并相對于所述支撐框以預定角度旋轉，以使所述第一結構光圖案位于所述光源和所述投射器之間； 成像器，相對于所述支撐框固定； 其中，當所述光源將所述第一結構光圖案通過所述投射器投射到物體上時，所述成像器獲取所述物體的表面圖像。
2.根據權利要求1所述的三維掃描裝置，其特征在于，所述支撐框具有投射窗口，其中，所述投射器設置在所述投射窗口中。
3.根據權利要求1所述的三維掃描裝置，其特征在于，所述旋轉式承載臺包括第二結構光圖案，其中，所述第二結構光圖案沿圓周設置在相鄰的兩個所述第一結構光圖案之間。
4.根據權利要求3所述的三維掃描裝置，其特征在于，所述多個第一結構光圖案與所述第二結構光圖案沿圓周均勻設置。
5.根據權利要求4所述的三維掃描裝置，其特征在于，所述旋轉式承載臺包括第三結構光圖案，其中，所述第三結構光圖案設置在所述第二結構光圖案和與所述第二結構光圖案相鄰的任一所述第一結構光圖案之間，或者所述第三結構光圖案設置在相鄰的兩個所述第一結構光圖案之間。
6.根據權利要求5所述的三維掃描裝置，其特征在于，所述旋轉式承載臺包括承載基板，其中，所述多個第一結構光圖案、所述第二結構光圖案和所述第三結構光圖案均設置在所述承載基板上。
7.根據權利要求6所述的三維掃描裝置，其特征在于，所述承載基板為透明基板。
8.根據權利要求1所述的三維掃描裝置，其特征在于，還包括: 軸承，設置在所述支撐框與所述旋轉式承載臺之間，用于將所述支撐框與所述旋轉式承載臺進行連接。
9.根據權利要求1所述的三維掃描裝置，其特征在于，還包括:驅動器； 其中，所述旋轉式承載臺的內側表面上設置傳動器，其中，通過所述驅動器與所述傳動器的配合，使得所述旋轉式承載臺以所述預定角度相對于所述支撐框旋轉。
10.根據權利要求1所述的三維掃描裝置，其特征在于，所述成像器固定在所述支撐框的中間部分。
【文檔編號】G01B11/00GK103913118SQ201410143429
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】宋展, 呂建成, 焦國華 申請人:深圳先進技術研究院