专利名称：三维激光扫描仪的制作方法
技术领域：
本发明是一种三维激光扫描仪，这是一项通过对三维物体进行激光扫描，将所得信息在计算机内进行数据处理，最终得到物体形状和色彩的三维矢量信息的光机电一体化技术，它可以广泛地应用于CAD(计算机辅助设计)／CAM(计算机辅助制造)反向工程、三维动画制作、计算机虚拟现实、计算机仿真、文物存档、广告宣传、影视制作、公安档案管理、工业生产等领域的三维信息采集。
目前三维扫描技术在国内还处在尚待起步状态，只有工业上使用的三坐标测量仪属于此类产品。但三坐标测量仪由于采用的是探测头与物体接触扫描，因而只能扫描那些表面比较平滑，质地坚硬的物体，而且速度慢，结构复杂，对物体形状要求较为严格，所以虽然具有精度高的优势，但仍然基本上只能应用于工业领域，对于其他应用领域实施起来难度较大。国外目前有少数几家公司(如CYBERWARE，MODELMAKER，REPLICA，DIGIBOT，SURFACER等)从事此项生产，但由于这几家公司的产品在结构、价格、易用性等方面的原因，特别是价格过高，因而至今未能实现普及应用，很多需要进行三维扫描的工作只能采用租用的方式使用该仪器。最相近的对比文献是1998年3月CYBERWARE公司在其站点(www．cyberware．com)上对其产品的介绍，但该产品的问题是适于扫描的物体大小的范围有限，结构复杂，成本高，制造要求高。
为了解决上述问题，本发明以国内的生产能力为基准，旨在提出一种适用性广、精度高、易操作、成本低、易于加工制造的三维扫描仪的设计。
下面结合附图具体描述三维激光扫描仪的设计方案本发明如图1及图2所示，由激光光源(1)、激光波前变换系统(2)、光学成像系统(5)、CCD(电容耦合器)信号采集系统(6)和转台(8)组成。其中激光波前变换系统位于激光光源的前端，激光光源发出的激光经过波前变换系统形成线形激光束(3)，激光光源的发射轴向、激光波前变换系统的光轴、线形激光束与转台中心轴在同一平面上。光学成像系统位于CCD信号采集系统的前端，光学成像系统的光轴、CCD信号采集系统的中心轴与转台的中心轴在同一平面上，反射的激光经过光学成像系统和CCD信号采集系统后可以形成在CCD中看到的信号(7)。激光光源和激光波前变换系统通过滑轨(10)与转台相连，滑轨中心轴线与转台中心轴在同一平面上。CCD信号采集系统通过滑轨(9)与转台相连，滑轨中心轴线与转台中心轴在同一平面上。CCD信号采集系统包括两路CCD摄像头，这两路CCD摄像头分布在激光光源和激光波前变换系统的两边，二者与转台的中心轴距离相等，并且这两路CCD摄像头与转台相连的滑轨(9)与激光光源与转台相连的滑轨(10)的夹角相等。CCD信号采集系统与计算机相连，将信号送入计算机。待扫描物体(4)置于转台上。激光波前变换系统由柱透镜构成。线形激光束宽度小于1．5毫米。滑轨(9)和滑轨(10)均由一根圆轨道和一根方轨道构成，并安装有相应刻度，滑块(11)一端套在圆轨道上，另一端搭在方轨道上，支撑CCD信号采集系统或激光光源的支架(13)垂直地固定在滑块上，滑块可以相对于转台中心作定位精确地远近移动。固定在滑块上的支架由升降轨道组成，升降轨道上标有相应刻度，使得置于支架中的CCD信号采集系统或激光光源可根据需要由手动或计算机控制实现定位精确的升降。用来放置激光光源的滑轨直接安装在转台的底座上，不可转动。用来放置CCD信号采集系统的滑轨(9)在转台的一端将方圆两轨道固定连接在转台下方的转轴上，使滑轨(9)可在垂直转台转轴方向上转动，并在转台圆周上设有相应的角度刻度，在滑轨与转台连接的一端设有沿滑轨径向的可以指示滑轨角度的指针。CCD信号采集系统的CCD摄像头与其支架之间采用可以调整CCD摄像头的俯仰角与转向角的连接接头。CCD信号采集系统中的两路CCD摄像头，其中一路采用黑白摄像头，另一路采用彩色摄像头，并且两路CCD摄像头均装有可打开的滤光片，该滤光片在对激光产生的高亮区域扫描时使得激光光源发出激光的波长±10纳米范围内的光波通过率最高。激光光源由两组激光发射装置构成，装于滑轨(10)上的支架间，在垂直于滑轨的方向上呈一高一低分布，两者的发射轴向与转台的转轴共面。激光光源前装有衰减装置。转台下装有步进电机，由计算机控制步进电机驱动转台旋转。在转台的一侧有照明系统(12)，该照明系统由一组白色灯组成。如图4所示的软件部分处理流程，信号采集系统输出对扫描仪的机械控制信号，同时将CCD送来的信号导入计算机，由三维物体生成软件处理后生成三维文件，存于计算机中。
三维激光扫描仪的具体使用操作步骤如下1、打开计算机，启动扫描软件。
2、将物体放置在转台上，使物体最高点通过转台的中轴线，并保证物体平稳放置。
3、将装置调节到适当的位置，并调节焦距，恰好可在CCD中观测到整个物体，图像清晰，位置正确。激光束高度合适，且粗细适当，两路CCD摄像头距转台中心间距相等。
4、打开转台电机开关，转动转台，计算机开始进行处理。
4·1、形体扫描即采集形状信息时，需要加上滤波片。物体旋转两周，经软件处理后即可得到物体的三维形状信息，并以文件的形式存储在硬盘上。其中第一周由黑白CCD摄像头进行观测，第二周由另一部CCD摄像头进行观测。这些过程由计算机控制。
4·2、色彩扫描即采集彩色信息时，关掉激光光源，打开照明系统，物体旋转一周，由彩色CCD摄像头(此时需卸下滤波片)进行扫描，经软件处理即可得到物体表面的色彩信息。
5、在各种三维软件中，打开前面得到的物体形体信息或表面贴图信息，即可进行诸如CAD、CAM、三维动画制作、计算机虚拟现实、计算机仿真等之类的三维工作了。
本发明的优点与积极效果本发明适用性广，对扫描物体的表面、质地没有要求。可以根据需要调节，扫描一定范围内大小不等的物体。通过激光扫描，并采用计算机控制操作和处理信息，保证了相当高的精度(优于1．0毫米)。大部分的调节和步骤由计算机完成，操作原理简单，对操作者要求宽松。由于在开发中是完全独立地以国内的生产能力为基准而非参照外国产品，因而实现了只需较低加工制造水平即可实施的方案，成本低廉。而国外产品的结构对机械加工的要求往往达到了纳米级，因而价格极高，与本发明相比约高出10倍之多。本发明可以广泛地应用于CAD／CAM反向工程、三维动画制作、计算机虚拟现实、计算机仿真、文物存档、广告宣传、影视制作、公安档案管理、工业生产等领域的三维信息采集。
图1是三维激光扫描仪原理图1-激光光源 2-激光波前变换系统3-线形激光束 4-物体5-光学成像系统 6-CCD信号采集系统7-在CCD中看到的信号图2是三维激光扫描仪结构图1-激光光源 2-激光波前变换系统4-物体 5-光学成像系统6-CCD信号采集系统 8-转台9-CCD与转台相连的滑轨 10-激光光源与转台相连的滑轨11-滑块 12-照明系统13-支架图3是三维激光扫描仪俯视图1-激光光源 2-激光波前变换系统4-物体 5-光学成像系统6-CCD信号采集系统 8-转台9-CCD与转台相连的滑轨 10-激光光源与转台相连的滑轨11-滑块 12-照明系统13-支架图4是软件处理框图。
下面结合前述的操作步骤说明最佳实施例如下激光光源采用633nm的He-Ne激光器两台。激光波前变换系统(2)由柱透镜构成，柱透镜直径1mm，长5．0mm。线形激光束(3)宽度小于1．5毫米。滑轨(9)和滑轨(10)均由一根圆轨道和一根方轨道构成，并安装有相应刻度，滑块(11)一端套在圆轨道上，另一端搭在方轨道上，支撑CCD信号采集系统(6)或激光光源(1)的支架(13)垂直地固定在滑块上，滑块可以相对于转台(8)中心作定位精确地远近移动。固定在滑块上的支架由升降轨道组成，升降轨道上标有相应刻度，使得置于支架中的CCD信号采集系统或激光光源可根据需要由手动或计算机控制实现定位精确的升降。用来放置激光光源的滑轨(10)直接安装在转台的底座上，不可转动。用来放置CCD信号采集系统的滑轨(9)在转台的一端将方圆两轨道固定连接在转台下方的转轴上，使滑轨(9)可在垂直转台转轴方向上转动。转台圆周上设有相应的角度刻度，在滑轨(9)与转台连接的一端设有沿滑轨径向的可以指示滑轨角度的指针。CCD信号采集系统的CCD摄像头与其支架之间采用可以调整CCD摄像头的俯仰角与转向角的连接接头。CCD信号采集系统中的两路CCD摄像头，其中一路采用黑白摄像头，另一路采用彩色摄像头。CCD信号采集系统采用的两路CCD摄像头均装有可打开的滤光片，该滤光片在对激光产生的高亮区域扫描时使得激光光源发出激光的波长±10纳米范围内的光波通过率最高。激光光源由两组激光发射装置构成，装于滑轨(10)上的支架间，在垂直于滑轨的方向上呈一高一低分布，两者的发射轴向与转台的转轴共面。激光光源前装有衰减装置。转台为台面直径400mm、厚1．5mm的钢板，中心有一个直径为20mm的圆孔。转台下装有步进电机，由计算机控制步进电机驱动转台旋转。在转台的一侧有照明系统(12)，该照明系统由一组白色灯组成。
权利要求
1.一种三维激光扫描仪，由激光光源(1)、激光波前变换系统(2)、光学成像系统(5)、CCD信号采集系统(6)和转台(8)组成，其特征是1·1、激光波前变换系统(2)位于激光光源(1)的前端，激光光源发出的激光经过波前变换系统形成线形激光束(3)，激光光源的发射轴向、激光波前变换系统的光轴、线形激光束与转台(8)中心轴在同一平面上；1·2、光学成像系统(5)位于CCD信号采集系统(6)的前端，光学成像系统的光轴、CCD信号采集系统的中心轴与转台(8)的中心轴在同一平面上；1·3、激光光源(1)和激光波前变换系统(2)通过滑轨(10)与转台(8)相连，滑轨中心轴线与转台中心轴在同一平面上；1·4、CCD信号采集系统(6)通过滑轨(9)与转台(8)相连，滑轨中心轴线与转台中心轴在同一平面上；1·5、CCD信号采集系统(6)包括两路CCD摄像头，这两路CCD摄像头分布在激光光源(1)和激光波前变换系统(2)的两边，二者与转台(8)的中心轴距离相等，并且这两路CCD摄像头与转台相连的滑轨(9)与激光光源与转台相连的滑轨(10)的夹角相等；1·6、CCD信号采集系统(6)与计算机相连，将信号送入计算机。
2.按照权利要求1所述的三维激光扫描仪，其特征是激光波前变换系统(2)由柱透镜构成。
3.按照权利要求1所述的三维激光扫描仪，其特征是线形激光束(3)宽度小于1．5毫米。
4.按照权利要求1所述的三维激光扫描仪，其特征是滑轨(9)和滑轨(10)均由一根圆轨道和一根方轨道构成，并安装有相应刻度，滑块(11)一端套在圆轨道上，另一端搭在方轨道上，支撑CCD信号采集系统(6)或激光光源(1)的支架(13)垂直地固定在滑块上，滑块可以相对于转台(8)中心作定位精确地远近移动。
5.按照权利要求4所述的三维激光扫描仪，其特征是固定在滑块(11)上的支架(13)由升降轨道组成，升降轨道上标有相应刻度，使得置于支架中的CCD信号采集系统(6)或激光光源(1)可根据需要由手动或计算机控制实现定位精确的升降。
6.按照权利要求1所述的三维激光扫描仪，其特征是用来放置激光光源(1)的滑轨(10)直接安装在转台的底座上，不可转动。
7.按照权利要求1所述的三维激光扫描仪，其特征是用来放置CCD信号采集系统(6)的滑轨(9)在转台(8)的一端将方圆两轨道固定连接在转台下方的转轴上，使滑轨(9)可在垂直转台转轴方向上转动，并在转台圆周上设有相应的角度刻度，在滑轨与转台连接的一端设有沿滑轨径向的可以指示滑轨角度的指针。
8.按照权利要求1所述的三维激光扫描仪，其特征是CCD信号采集系统(6)的CCD摄像头与其支架(13)之间采用可以调整CCD摄像头的俯仰角与转向角的连接接头。
9.按照权利要求1所述的三维激光扫描仪，其特征是CCD信号采集系统(6)中的两路CCD摄像头，其中一路采用黑白摄像头，另一路采用彩色摄像头，并且两路CCD摄像头均装有可打开的滤光片，该滤光片在对激光产生的高亮区域扫描时使得激光光源发出激光的波长±10纳米范围内的光波通过率最高。
10.按照权利要求1所述的三维激光扫描仪，其特征是激光光源(1)由两组激光发射装置构成，装于滑轨(10)上的支架(13)间，在垂直于滑轨的方向上呈一高一低分布，两者的发射轴向与转台(8)的转轴共面。
11.按照权利要求1所述的三维激光扫描仪，其特征是激光光源(1)前装有衰减装置。
12.按照权利要求1所述的三维激光扫描仪，其特征是转台(8)下装有步进电机，由计算机控制步进电机驱动转台旋转。
13.按照权利要求1所述的三维激光扫描仪，其特征是在转台的一侧有照明系统(12)，该照明系统由一组白色灯组成。
全文摘要
本发明是一种三维激光扫描仪,这是一项用激光扫描三维物体,并用计算机进行信息的数据处理,最终得到物体形状和色彩的三维矢量信息的光机电一体化技术。本发明采用波前变换系统将激光源发出的激光变成线形激光束照射物体,用CCD(电容耦合器)采集经反射、光学成像后的激光信号,并转换成电信号导入计算机,由软件处理后生成三维信息文件。本发明可广泛应用于影视制作、广告宣传、三维动画制作、工业生产等领域。
文档编号G03C9/00GK1205453SQ98102408
公开日1999年1月20日 申请日期1998年6月8日 优先权日1998年6月8日
发明者张明, 李新章, 陈旭 申请人:北京大学