专利名称：立体扫瞄装置及其立体扫瞄方法
技术领域：
本发明有关一种扫瞄装置，特别关于一种可建立具有待测物体的表面轮廓信息及颜色信息的立体扫瞄装置、及关于立体扫瞄装置的立体扫瞄方法。
背景技术：
传统的3维成像技术对待测物品进行外观扫瞄后再进行运算成像，其扫瞄所使用的方法包含3维量测平台或扫描器以进行物品的外观尺寸信息的搜集，用以作为后续3维影像模型建构的基础。一般来说，扫描器是采用接触式探针扫描器以搭配旋转平台。待测物品置于旋转平台以转动，故接触式探针扫描器可得到2维的相对位置信息，并综合于待测物品的不同视角所取得的2维信息，便可通过电脑运算而建立3维的立体模型。然而此技术的缺点是量测设备体积相当庞大且不易携带，量测速度缓慢。再者，传统的3维成像技术仅能针对待测物品的轮廓尺寸进行运算成像，并无法提供物体表面的外观颜色及组成材质的信息，因此无法满足精密量测的严苛需求。有鉴于此，提供一种可改善至少一种上述缺失的，乃为此业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可建立具有待测物体的表面轮廓信息及颜色信息的立体扫瞄装置、及关于立体扫瞄装置的立体扫瞄方法。为达上述目的，本发明所揭露的一种立体扫猫装置，包含一光源组、一扫描镜兀件、一测距元件与一颜色分析元件。该光源组用以发射一可见光束及一非可见光束。该扫描镜元件光学地耦合该光源组，用来反射该可见光束及该非可见光束，以使该可见光束及该非可见光束投射至一待测物体的表面并沿着一预定扫瞄轨迹移动。该测距元件用以接收自该待测物体的表面所反射的一非可见反射光束。该颜色分析元件，用以接收自该待测物体的表面所反射的一可见反射光束。为达上述目的，本发明所揭露的一种立体扫瞄方法，包含步骤发射一可见光束及一非可见光束；沿着一预定扫瞄轨迹将该可见光束及该非可见光束投射至一待测物体的表面；接收自该待测物体的表面所反射的一非可见反射光束；计算对应该待测物体表面的一距离信息；接收自该待测物体的表面所反射的一可见反射光束；以及计算该待测物体表面的一颜色信息。为让上述目的、技术特征及优点能更明显易懂，下文以较佳的实施例配合附图进行详细说明。
图1为本发明的实施例的立体扫瞄装置的功能方块示意图；图2为本发明的实施例的立体扫瞄装置的部份光路示意图3为本发明的另一实施例的立体扫瞄装置的使用说明图；图4为本发明的实施例的立体扫瞄方法的流程图；以及图5为本发明的另一实施例的立体扫瞄方法的流程图。主要元件符号说明:10立体扫瞄装置12光源组121可见光光源121B蓝色可见激光光源121G绿色可见激光光源121R红色可见激光光源1211可见光束121IB蓝色可见激光光束1211G绿色可见激光光束1211R红色可见激光光束1212可见反射光束1213彩度信号122非可见光光源1221非可见光束1222非可见反射光束1223第一相位信号1224第二相位信号13旋转平台14扫瞄镜元件141反射镜16分光镜组161a、161b、161c、161d 分光镜18测距元件181非可见光感测元件182相位比较元件19聚光透镜20颜色分析元件22分析单元A待测物体L 光点P可见光点Q非可见光点400 420、500 520 步骤
具体实施方式
本发明提出一种立体扫瞄装置，及一套关于立体扫瞄装置的立体扫瞄方法。立体扫瞄装置通过投射可见光束与非可见光束，及接收来自待测物体的可见反射光束及非可见反射光束，以计算该待测物体表面的距离信息与颜色信息，藉此建立相对应该待测物体的具有颜色的立体轮廓模型。本发明的实施例并非用以限制本发明需在如实施例所述的任何特定环境、应用或特殊方式方能实施。在以下说明中，这些图式均为简化或稍夸大比例的示意图，所显示的元件并非实施时的数目、形状及尺寸比例，而仅为一种选择性设计，故实际元件布局型态可能更为复杂，于此合先叙明。请参阅图1与图2，图1为本发明的实施例的一立体扫瞄装置10的功能方块示意图，图2为本发明的实施例的立体扫瞄装置10的部份光路示意图。立体扫瞄装置10可用来对一待测物体A的颜色与外型尺寸进行扫瞄量测。立体扫瞄装置10包含有一光源组12、一扫瞄镜元件14、一分光镜组16、一测距元件18、一颜色分析元件20与一分析单元22。光源组12包含有一可见光光源121与一非可见光光源122,用以分别发射一可见光束1211及一非可见光束1221。如图2所绘示，可见光光源121可包含一红色可见激光光源121R、一绿色可见激光光源121G与一蓝色可见激光光源121B，用以分别发射出蓝色可见激光光束1211B、绿色可见激光光束1211G或红色可见激光光束1211R。其中，蓝色可见激光光束1211B、绿色可见激光光束121IG或红色可见激光光束121 IR行进的光路实际上经设计为彼此平行且极为接近(或重达)，以便于组合成一可见光光束1211。于此实施例中，可见光光源121可同时选用上述三种原色的可见激光光源，或从其中任选一种，以提供单色的蓝色可见激光光束1211B、绿色可见激光光束1211G或红色可见激光光束1211R。于其他可供选择的操作模式上，可见光光源121可依序发出三原色的可见光束，并配合时间间隔以跳打的方式进行轮廓扫瞄，但不以此为限。至于非可见光光源122则可包含一红外光源或一紫外光源二者其中之一。更进一步来说，前揭以跳打方式进行轮廓扫瞄的具体模式可举例为，当可见光光源121于第一、第四及第七时间间隔内，仅发射出蓝色可见激光光束1211B ;当可见光光源121于第二、第五及第八时间间隔内，仅发射出绿色可见激光光束1211G ;当可见光光源121于第三、第六及第九时间间隔内，仅发射出红色可见激光光束1211R。也因此，颜色分析元件20于每一时间间隔内仅需接收并处理该时间间隔内所接收的可见反射单色光束，可避免因其它色光干扰所导致不必要的误侦测。于此跳打模式下，本实施例更可选择性地采用简易型且结构复杂度低的颜色分析元件20，进而达到降低立体扫瞄装置整体成本及体积的目的。扫瞄镜元件14光学地耦合于光源组12，用来反射可见光束1211及非可见光束1221，以将可见光束1211与非可见光束1221投射至待测物体A的表面，并沿着一预定扫瞄轨迹移动以对待测物体A进行全面性的结构扫瞄。详言之，扫猫镜兀件14为一微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)，其具有一可电驱动的反射镜141。而该反射镜141可沿着两相互交错的轴(图未示)旋转、摆动。当可见光束1211与非可见光束1221抵达至扫瞄镜元件14的反射镜141，然后被反射至待测物体A的表面上形成一可见光点P与非可见光点Q。当反射镜141沿着两相互交错的轴旋转时，形成于待测物体A的表面上的可见光点P及非可见光点Q会沿着预定扫瞄轨迹移动而对待测物体A的轮廓进行扫描。上述的扫瞄镜元件14、反射镜141、及扫瞄轨迹等相关说明可至少经由参考下列美国专利申请案而获得:US 2011/0164223、US 2005/0280331、US 6359718 及 US2009/0284622。分光镜组16可设置于光源组12与扫瞄镜元件14之间。光源组12所发射的可见光束1211与非可见光束1221通过分光镜组16以聚光至扫猫镜兀件14,接着扫猫镜兀件14始可将可见光束1211与非可见光束1221同步投射至待测物体A以进行扫瞄量测。值得一提的是，由于分光镜组16可使可见光束1211与非可见光束1221行进的光路彼此平行且极为接近(或重达)，因此可见光点P及非可见光点Q两者的移动轨迹原则上趋于一致且同步。换言之，配合分光镜组16的使用可使经光路转换后的可见光束1211及与可见光束1211极为靠近的非可见光束1221汇聚集合成一光点(亦即是可见光点P及非可见光点Q可视为一光点L)以投射至扫瞄镜元件14。于此实施例中，分光镜组16可包含有数个分光镜161a、161b、161c及161d,其中各分光镜分别用来转换光源组12的可见光光源121与非可见光光源122的光路，但其应用方面不以此为限。测距元件18可为一非可见光束感测器，例如一红外光感测器或一紫外光感测器，其可耦合于分析单元22。测距元件18用来接收自待测物体A的表面所反射的一非可见反射光束1222，并将感测信息传递至分析单元22，以供计算测距元件18与该测物体A表面的
一距离信息。详言之，测距元件18的一非可见光感测元件181用来接收非可见反射光束1222。测距元件18的一相位比较器182自非可见光光源122接收一第一相位信号1223，及自非可见光感测元件181接收一第二相位信号1224，并比照数位信号处理方式比较两相位信号(例如方波时脉信号、等间距时脉的周期性信号)的相位差，以计算测距元件18与该测物体A表面的距离信息。此外，由于扫瞄镜元件14针对垂直该距离信息的向量的一平面，沿着该预定扫瞄轮廓投射非可见光束1221以执行回返式扫瞄，因此立体扫瞄装置10可有效地取得待测物体A的一平面界限内的各区块的距离信息，从而组合出一精确的表面轮廓信息。颜色分析元件20可为一可见光束感测器，其可耦合于分析单元22。颜色分析元件20用来接收自待测物体A的表面的一可见反射光束1212，并分析此可见反射光束1212的彩度值，及接收来自红色可见激光光源121R、绿色可见激光光源121G与蓝色可见激光光源121B的一彩度信号1213，其中彩度信号1213包含可见反射光束1211的初始彩度值。换言之，颜色分析元件20依据可见反射光束1212与可见光束1211的彩度值，并通过分析单元22，以计算该待测物体A表面的一颜色信息。值得留意，由于包含初始彩度值的彩度信号1213及可见反射光束1212的彩度值可以是不以方波型态显示的类比信号来呈现，因此颜色分析元件20及分析单元22以类比信号方式进行分析处理，但不以此为限。举例来说，当扫瞄镜元件14沿着该预定扫瞄轨迹，投射可见光束1211至待测物体A垂直该距离信息的向量的该平面时，分析单元22可通过颜色分析元件20接收可见反射光束1212，以计算出待测物体A于该平面界限内的各区块的颜色信息，并配合测距元件18所取得的该表面轮廓信息，以建立一标示颜色的立体轮廓模型。为确保测距元件18及颜色分析元件20可获得绝佳感测能力，立体扫瞄装置10另可选择性包含有一聚光透镜19，设置于测距元件18与颜色分析元件20的接收光束端之前。聚光透镜19可为一凸透镜，用来协助非可见反射光束1222与可见反射光束1212集中聚焦以分别投射至测距元件18与颜色分析元件20。除此之外，立体扫瞄装置10可另包含有一旋转平台13，用以承载并转动待测物体A。立体扫瞄装置10仅能扫瞄待测物体A面对扫瞄镜元件14、测距元件18及一颜色分析元件20的该侧面的立体轮廓信息，故随着旋转平台13的转动，扫瞄镜元件14始可将可见光束1211及非可见光束1221投射至待测物体A的不同表面，藉此取得待测物体A于各个不同角度的表面轮廓信息，并将其统合接续而建立待测物体A完整的立体轮廓模型。值得一提的是，旋转平台13为选择性的元件配置。请参阅图3，图3为本发明的另一实施例的立体扫瞄装置10的使用说明图。使用者可利用数个不具有旋转平台的立体扫瞄装置10，将其分别环绕设置于待测物体A的各个角度上。数个立体扫瞄装置10各自建立于其视角的待测物体A的表面轮廓信息，最后再将数个表面轮廓信息依序接合，亦可建立待测物体A完整的立体轮廓模型。更进一步，测距元件18或颜色分析元件20另可进一步配合分析出非可见反射光束1222及可见反射光束1212的光谱信息，以取得待测物体A的表面材质信息。其应用及操作原理如前所述，故于此不再详述。请参阅图4，图4为本发明的实施例的立体扫瞄方法的流程图。该方法包含有:步骤400:光源组12发射可见光束1211及非可见光束1221。步骤402:分光镜组16将可见光束1211及非可见光束1221聚合成一光点L以投射至扫瞄镜元件14。步骤404:扫瞄镜元件14沿着该预定扫瞄轨迹将可见光束1211及非可见光束1221所形成的光点L投射至待测物体A的表面。步骤406:测距元件18接收自待测物体A的表面所反射的非可见反射光束1222。步骤408:分析单元22依据测距元件18所接收的数据，计算出对应待测物体A的
表面的距离信息。步骤410:分析单元22依据待测物体A的数个组距离信息，取得待测物体A的表
面轮廓信息。步骤412:颜色分析元件20接收自待测物体A的表面所反射的可见反射光束1212。步骤414:分析单元22依据颜色分析元件20所接收的数据，计算出对应待测物体A的表面的颜色信息。步骤416:利用旋转平台13转动待测物体A，以使扫瞄镜元件14可将可见光束1211及非可见光束1221投射至待测物体A的不同表面。步骤418:分析单元22组合待测物体A的距离信息、表面轮廓信息及颜色信息，建立对应于待测物体A的立体轮廓模型。步骤420:结束。于此对上述步骤进行详细说明。立体扫瞄装置10通过扫瞄镜元件14与分光镜组16，将光源组12所发射的可见光束1211及非可见光束1221聚合成光点L以投射至待测物体A的表面。接着扫瞄镜元件14可沿着该预定扫瞄轨迹移动，例如沿着S型曲线，以使该光点L可依序且逐步地投射至待测物体A的表面的各个区块。当该光点L投射至待测物体A的表面时，测距元件18与颜色分析元件20可分别接收来自待测物体A的非可见反射光束1222及可见反射光束1212，并通过分析单元22以计算出待测物体A的距离信息、表面轮廓信息与颜色信息。详细来说，投射至待测物体A的非可见光束1221、及自待测物体A表面所反射的非可见反射光束1222之间具有相位差，分析单元可通过测距元件18侦测所得的相位变化量计算光束往返的延迟量，藉此得出扫瞄镜元件14、待测物体A与测距元件18之间的距离信息关系，并可进一步沿着该预定扫瞄路径取得待测物体A的表面轮廓信息。此外，可见光束1211可为混杂数个种颜色光束的白光光束。当该白光光束投射至待测物体A时，相应于待测物体A表面的该区块颜色的光束会被吸收，因此颜色分析元件20可用来分析可见反射光束1212相较可见光束1211缺乏何种颜色的光束，意即缺乏何种波段的光线，即可有效判断待测物体A的该区块的颜色信息，进而搭配测距元件18所取得的表面轮廓信息，建立待测物体A完整的立体轮廓模型。请参阅图5，图5为本发明的另一实施例的立体扫瞄方法的流程图。该方法包含有:步骤500:光源组12发射可见光束1211及非可见光束1221。步骤502:分光镜组16将可见光束1211及非可见光束1221聚合成一光点L以投射至扫瞄镜元件14。步骤504:扫瞄镜元件14沿着该预定扫瞄轨迹将可见光束1211及非可见光束1221所形成的光点L投射至待测物体A的表面。步骤506:测距元件18接收自待测物体A的表面所反射的非可见反射光束1222。步骤508:分析单元22依据测距元件18所接收的数据，计算出对应待测物体A的
表面的距离信息。步骤510:分析单元22依据待测物体A的数个组距离信息，取得待测物体A的表
面轮廓信息。步骤512:颜色分析元件20接收自待测物体A的表面所反射的可见反射光束1212。步骤514:分析单元22依据颜色分析元件20所接收的数据，计算出对应待测物体A的表面的颜色信息。步骤516:扫瞄镜元件14从至少二不同的位置，将可见光束1211及非可见光束1221投射至待测物体A的不同表面。步骤518:分析单元22组合待测物体A的距离信息、表面轮廓信息及颜色信息，建立对应于待测物体A的立体轮廓模型。步骤520:结束。此实施例相对前述实施例的差异在于，本实施例的立体扫瞄装置10可从至少二不同的位置，扫瞄待测物体A以取得不同视角的表面轮廓信息，接着再经由拼装来自不同视角的表面轮廓信息，以组成待测物体A的立体轮廓模型。
举例来说，使用者可设置数个立体扫瞄装置10于待测物体A的四周的不同视角位置，各立体扫瞄装置10执行距离信息、表面轮廓信息及颜色信息的计算与分析方式如前述实施例所述，故于此不再说明。本实施例的特色在于，各立体扫瞄装置10各自取得待测物体A于不同视角的表面轮廓信息，而后再组合该些表面轮廓信息以建立完整的立体轮廓模型。以上为本发明较佳实施例的立体扫瞄装置、及应用于立体扫瞄装置的立体扫瞄方法的流程说明。本发明具有下列优点:1.本发明提供一物件扫瞄技术与立体模型成像技术，此等技术可以同时对待测物体的颜色及外型尺寸进行量测，并可进一步包含对待测物体的外观色彩信息与组成材质信息等细部信息的量测技术。2.本发明提供即时的立体模型成像技术，此立体模型成像技术可提供待测物体的尺寸及相关位置的检验，以快速地得到精确的立体轮廓模型。3.本发明的立体扫瞄装置具有体积轻巧、量测时间快速及携带方便等优点，可弹性地运用于各种型态的待测物的立体轮廓模型建立上。上述的实施例仅用来例举本发明的实施方面，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的保护范畴。任何熟悉此技术者可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以权利要求书为准。
权利要求
1.一种立体扫瞄装置，包含: 一光源组，用以发射一可见光束及一非可见光束； 一扫描镜兀件，光学地稱合该光源组，该扫描镜兀件用来反射该可见光束及该非可见光束，以使该可见光束及该非可见光束投射至一待测物体的表面并沿着一预定扫瞄轨迹移动； 一测距元件，用以接收自该待测物体的表面所反射的一非可见反射光束；以及 一颜色分析元件，用以接收自该待测物体的表面所反射的一可见反射光束。
2.如权利要求1所述的立体扫瞄装置，更包含有: 一分光镜组，该光源组所发射的该可见光束及该非可见光束经由该分光镜组聚光于该扫描镜元件，以进行投射至该待测物体。
3.如权利要求1所述的立体扫瞄装置，其中该测距元件更利用该扫描镜元件沿着该预定扫瞄轨迹投射该非可见光束，而取得该待测物体的一表面轮廓信息。
4.如权利要求1所述的立体扫瞄装置，其中该光源组包含一红外光源或一紫外光源二者其中之一。
5.如权利要求1所述的立体扫瞄装置，更包含有: 一旋转平台，用以承载并转动该待测物体，该扫描镜元件随着该旋转平台的转动，而将该可见光束及该非可见光束投射至该待测物体的不同表面。
6.如权利要求1所述的立体扫瞄装置，其中该测距元件依据该非可见反射光束与该非可见光束的相位差，以计 算该待测物体表面的一距离信息。
7.如权利要求1所述的立体扫瞄装置，其中该颜色分析元件依据该可见反射光束与该可见光束的彩度值，以计算该待测物体表面的一颜色信息。
8.—种立体扫瞄方法，包含步骤: 发射一可见光束及一非可见光束； 沿着一预定扫瞄轨迹将该可见光束及该非可见光束投射至一待测物体的表面； 接收自该待测物体的表面所反射的一非可见反射光束； 计算对应该待测物体表面的一距离信息； 接收自该待测物体的表面所反射的一可见反射光束；以及 计算该待测物体表面的一颜色信息。
9.如权利要求8所述的方法，更包含步骤: 将该可见光束及该非可见光束聚合成一光点后，将该光点沿着该预定扫瞄轨迹投射至该待测物体的表面。
10.如权利要求9所述的方法，更包含步骤: 沿着该预定扫瞄轨迹投射该非可见光束，以取得该待测物体的表面轮廓信息。
11.如权利要求9所述的方法，更包含步骤: 旋转该待测物体，并将该可见光束及该非可见光束投射至该待测物体的不同表面。
12.如权利要求9所述的方法，更包含步骤: 从至少二不同的位置，将该可见光束及该非可见光束投射至该待测物体的不同表面。
13.如权利要求9所述的方法，其中计算对应该待测物体表面的该距离信息包含有: 依据该非可见反射光束与该非可见光束的相位差，以计算该待测物体表面的该距离信息。
14.如权利要求9所述的方法，其中计算该待测物体表面的该颜色信息包含有:依据该可见反射光束与该可见光束的彩度值，以计算该待测物体表面的该颜色信息。
全文摘要
本发明提供一种立体扫瞄装置，包含一光源组、一扫描镜元件、一测距元件及一颜色分析元件。光源组，用以发射一可见光束及一非可见光束。扫描镜元件，光学地耦合该光源组，用来反射该可见光束及该非可见光束，以使该可见光束及该非可见光束投射至一待测物体的表面并沿着一预定扫瞄轨迹移动。测距元件，用以接收自该待测物体的表面所反射的一非可见反射光束，以计算该待测物体表面的一距离信息。颜色分析元件，用以接收自该待测物体的表面所反射的一可见反射光束，以计算该待测物体表面的一颜色信息。此外，本发明还涉及一种立体扫瞄方法。
文档编号G02B26/10GK103196385SQ20121010431
公开日2013年7月10日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年1月10日
发明者沈宏祥, 林旻进, 姜崇义 申请人:华新丽华股份有限公司