專利名稱：三維激光掃描儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種三維激光掃描儀，這是一項(xiàng)通過對(duì)三維物體進(jìn)行激光掃描，將所得信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到物體形狀和色彩的三維矢量信息的光機(jī)電一體化技術(shù)，它可以廣泛地應(yīng)用于CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))／CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)反向工程、三維動(dòng)畫制作、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真、文物存檔、廣告宣傳、影視制作、公安檔案管理、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的三維信息采集。
目前三維掃描技術(shù)在國內(nèi)還處在尚待起步狀態(tài)，只有工業(yè)上使用的三坐標(biāo)測量儀屬于此類產(chǎn)品。但三坐標(biāo)測量儀由于采用的是探測頭與物體接觸掃描，因而只能掃描那些表面比較平滑，質(zhì)地堅(jiān)硬的物體，而且速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)物體形狀要求較為嚴(yán)格，所以雖然具有精度高的優(yōu)勢，但仍然基本上只能應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)于其他應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵤┢饋黼y度較大。國外目前有少數(shù)幾家公司(如CYBERWARE，MODELMAKER，REPLICA，DIGIBOT，SURFACER等)從事此項(xiàng)生產(chǎn)，但由于這幾家公司的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、價(jià)格、易用性等方面的原因，特別是價(jià)格過高，因而至今未能實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用，很多需要進(jìn)行三維掃描的工作只能采用租用的方式使用該儀器。最相近的對(duì)比文獻(xiàn)是1998年3月CYBERWARE公司在其站點(diǎn)(www．cyberware．com)上對(duì)其產(chǎn)品的介紹，但該產(chǎn)品的問題是適于掃描的物體大小的范圍有限，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，制造要求高。
為了解決上述問題，本發(fā)明以國內(nèi)的生產(chǎn)能力為基準(zhǔn)，旨在提出一種適用性廣、精度高、易操作、成本低、易于加工制造的三維掃描儀的設(shè)計(jì)。
下面結(jié)合附圖具體描述三維激光掃描儀的設(shè)計(jì)方案本發(fā)明如圖1及圖2所示，由激光光源(1)、激光波前變換系統(tǒng)(2)、光學(xué)成像系統(tǒng)(5)、CCD(電容耦合器)信號(hào)采集系統(tǒng)(6)和轉(zhuǎn)臺(tái)(8)組成。其中激光波前變換系統(tǒng)位于激光光源的前端，激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過波前變換系統(tǒng)形成線形激光束(3)，激光光源的發(fā)射軸向、激光波前變換系統(tǒng)的光軸、線形激光束與轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸在同一平面上。光學(xué)成像系統(tǒng)位于CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的前端，光學(xué)成像系統(tǒng)的光軸、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的中心軸與轉(zhuǎn)臺(tái)的中心軸在同一平面上，反射的激光經(jīng)過光學(xué)成像系統(tǒng)和CCD信號(hào)采集系統(tǒng)后可以形成在CCD中看到的信號(hào)(7)。激光光源和激光波前變換系統(tǒng)通過滑軌(10)與轉(zhuǎn)臺(tái)相連，滑軌中心軸線與轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸在同一平面上。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)通過滑軌(9)與轉(zhuǎn)臺(tái)相連，滑軌中心軸線與轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸在同一平面上。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)包括兩路CCD攝像頭，這兩路CCD攝像頭分布在激光光源和激光波前變換系統(tǒng)的兩邊，二者與轉(zhuǎn)臺(tái)的中心軸距離相等，并且這兩路CCD攝像頭與轉(zhuǎn)臺(tái)相連的滑軌(9)與激光光源與轉(zhuǎn)臺(tái)相連的滑軌(10)的夾角相等。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相連，將信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。待掃描物體(4)置于轉(zhuǎn)臺(tái)上。激光波前變換系統(tǒng)由柱透鏡構(gòu)成。線形激光束寬度小于1．5毫米?；?9)和滑軌(10)均由一根圓軌道和一根方軌道構(gòu)成，并安裝有相應(yīng)刻度，滑塊(11)一端套在圓軌道上，另一端搭在方軌道上，支撐CCD信號(hào)采集系統(tǒng)或激光光源的支架(13)垂直地固定在滑塊上，滑塊可以相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)中心作定位精確地遠(yuǎn)近移動(dòng)。固定在滑塊上的支架由升降軌道組成，升降軌道上標(biāo)有相應(yīng)刻度，使得置于支架中的CCD信號(hào)采集系統(tǒng)或激光光源可根據(jù)需要由手動(dòng)或計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)定位精確的升降。用來放置激光光源的滑軌直接安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)的底座上，不可轉(zhuǎn)動(dòng)。用來放置CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的滑軌(9)在轉(zhuǎn)臺(tái)的一端將方圓兩軌道固定連接在轉(zhuǎn)臺(tái)下方的轉(zhuǎn)軸上，使滑軌(9)可在垂直轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，并在轉(zhuǎn)臺(tái)圓周上設(shè)有相應(yīng)的角度刻度，在滑軌與轉(zhuǎn)臺(tái)連接的一端設(shè)有沿滑軌徑向的可以指示滑軌角度的指針。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的CCD攝像頭與其支架之間采用可以調(diào)整CCD攝像頭的俯仰角與轉(zhuǎn)向角的連接接頭。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)中的兩路CCD攝像頭，其中一路采用黑白攝像頭，另一路采用彩色攝像頭，并且兩路CCD攝像頭均裝有可打開的濾光片，該濾光片在對(duì)激光產(chǎn)生的高亮區(qū)域掃描時(shí)使得激光光源發(fā)出激光的波長±10納米范圍內(nèi)的光波通過率最高。激光光源由兩組激光發(fā)射裝置構(gòu)成，裝于滑軌(10)上的支架間，在垂直于滑軌的方向上呈一高一低分布，兩者的發(fā)射軸向與轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸共面。激光光源前裝有衰減裝置。轉(zhuǎn)臺(tái)下裝有步進(jìn)電機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)臺(tái)的一側(cè)有照明系統(tǒng)(12)，該照明系統(tǒng)由一組白色燈組成。如圖4所示的軟件部分處理流程，信號(hào)采集系統(tǒng)輸出對(duì)掃描儀的機(jī)械控制信號(hào)，同時(shí)將CCD送來的信號(hào)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，由三維物體生成軟件處理后生成三維文件，存于計(jì)算機(jī)中。
三維激光掃描儀的具體使用操作步驟如下1、打開計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)掃描軟件。
2、將物體放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，使物體最高點(diǎn)通過轉(zhuǎn)臺(tái)的中軸線，并保證物體平穩(wěn)放置。
3、將裝置調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)奈恢茫⒄{(diào)節(jié)焦距，恰好可在CCD中觀測到整個(gè)物體，圖像清晰，位置正確。激光束高度合適，且粗細(xì)適當(dāng)，兩路CCD攝像頭距轉(zhuǎn)臺(tái)中心間距相等。
4、打開轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)開關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，計(jì)算機(jī)開始進(jìn)行處理。
4·1、形體掃描即采集形狀信息時(shí)，需要加上濾波片。物體旋轉(zhuǎn)兩周，經(jīng)軟件處理后即可得到物體的三維形狀信息，并以文件的形式存儲(chǔ)在硬盤上。其中第一周由黑白CCD攝像頭進(jìn)行觀測，第二周由另一部CCD攝像頭進(jìn)行觀測。這些過程由計(jì)算機(jī)控制。
4·2、色彩掃描即采集彩色信息時(shí)，關(guān)掉激光光源，打開照明系統(tǒng)，物體旋轉(zhuǎn)一周，由彩色CCD攝像頭(此時(shí)需卸下濾波片)進(jìn)行掃描，經(jīng)軟件處理即可得到物體表面的色彩信息。
5、在各種三維軟件中，打開前面得到的物體形體信息或表面貼圖信息，即可進(jìn)行諸如CAD、CAM、三維動(dòng)畫制作、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真等之類的三維工作了。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果本發(fā)明適用性廣，對(duì)掃描物體的表面、質(zhì)地沒有要求?？梢愿鶕?jù)需要調(diào)節(jié)，掃描一定范圍內(nèi)大小不等的物體。通過激光掃描，并采用計(jì)算機(jī)控制操作和處理信息，保證了相當(dāng)高的精度(優(yōu)于1．0毫米)。大部分的調(diào)節(jié)和步驟由計(jì)算機(jī)完成，操作原理簡單，對(duì)操作者要求寬松。由于在開發(fā)中是完全獨(dú)立地以國內(nèi)的生產(chǎn)能力為基準(zhǔn)而非參照外國產(chǎn)品，因而實(shí)現(xiàn)了只需較低加工制造水平即可實(shí)施的方案，成本低廉。而國外產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械加工的要求往往達(dá)到了納米級(jí)，因而價(jià)格極高，與本發(fā)明相比約高出10倍之多。本發(fā)明可以廣泛地應(yīng)用于CAD／CAM反向工程、三維動(dòng)畫制作、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真、文物存檔、廣告宣傳、影視制作、公安檔案管理、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的三維信息采集。


圖1是三維激光掃描儀原理圖1-激光光源　　　　2-激光波前變換系統(tǒng)3-線形激光束　　　4-物體5-光學(xué)成像系統(tǒng)　　6-CCD信號(hào)采集系統(tǒng)7-在CCD中看到的信號(hào)圖2是三維激光掃描儀結(jié)構(gòu)圖1-激光光源　　　　　 　　 2-激光波前變換系統(tǒng)4-物體　　　　　　 　　 　5-光學(xué)成像系統(tǒng)6-CCD信號(hào)采集系統(tǒng)　　　　8-轉(zhuǎn)臺(tái)9-CCD與轉(zhuǎn)臺(tái)相連的滑軌　 10-激光光源與轉(zhuǎn)臺(tái)相連的滑軌11-滑塊　　　　　　　　 　12-照明系統(tǒng)13-支架圖3是三維激光掃描儀俯視圖1-激光光源　　　　　 　　2-激光波前變換系統(tǒng)4-物體　　　　　　　　　 5-光學(xué)成像系統(tǒng)6-CCD信號(hào)采集系統(tǒng)　　　　8-轉(zhuǎn)臺(tái)9-CCD與轉(zhuǎn)臺(tái)相連的滑軌　　10-激光光源與轉(zhuǎn)臺(tái)相連的滑軌11-滑塊　　　　　　　　　 12-照明系統(tǒng)13-支架圖4是軟件處理框圖。
下面結(jié)合前述的操作步驟說明最佳實(shí)施例如下激光光源采用633nm的He-Ne激光器兩臺(tái)。激光波前變換系統(tǒng)(2)由柱透鏡構(gòu)成，柱透鏡直徑1mm，長5．0mm。線形激光束(3)寬度小于1．5毫米?；?9)和滑軌(10)均由一根圓軌道和一根方軌道構(gòu)成，并安裝有相應(yīng)刻度，滑塊(11)一端套在圓軌道上，另一端搭在方軌道上，支撐CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)或激光光源(1)的支架(13)垂直地固定在滑塊上，滑塊可以相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)(8)中心作定位精確地遠(yuǎn)近移動(dòng)。固定在滑塊上的支架由升降軌道組成，升降軌道上標(biāo)有相應(yīng)刻度，使得置于支架中的CCD信號(hào)采集系統(tǒng)或激光光源可根據(jù)需要由手動(dòng)或計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)定位精確的升降。用來放置激光光源的滑軌(10)直接安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)的底座上，不可轉(zhuǎn)動(dòng)。用來放置CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的滑軌(9)在轉(zhuǎn)臺(tái)的一端將方圓兩軌道固定連接在轉(zhuǎn)臺(tái)下方的轉(zhuǎn)軸上，使滑軌(9)可在垂直轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)圓周上設(shè)有相應(yīng)的角度刻度，在滑軌(9)與轉(zhuǎn)臺(tái)連接的一端設(shè)有沿滑軌徑向的可以指示滑軌角度的指針。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的CCD攝像頭與其支架之間采用可以調(diào)整CCD攝像頭的俯仰角與轉(zhuǎn)向角的連接接頭。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)中的兩路CCD攝像頭，其中一路采用黑白攝像頭，另一路采用彩色攝像頭。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)采用的兩路CCD攝像頭均裝有可打開的濾光片，該濾光片在對(duì)激光產(chǎn)生的高亮區(qū)域掃描時(shí)使得激光光源發(fā)出激光的波長±10納米范圍內(nèi)的光波通過率最高。激光光源由兩組激光發(fā)射裝置構(gòu)成，裝于滑軌(10)上的支架間，在垂直于滑軌的方向上呈一高一低分布，兩者的發(fā)射軸向與轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸共面。激光光源前裝有衰減裝置。轉(zhuǎn)臺(tái)為臺(tái)面直徑400mm、厚1．5mm的鋼板，中心有一個(gè)直徑為20mm的圓孔。轉(zhuǎn)臺(tái)下裝有步進(jìn)電機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)臺(tái)的一側(cè)有照明系統(tǒng)(12)，該照明系統(tǒng)由一組白色燈組成。
權(quán)利要求
1.一種三維激光掃描儀，由激光光源(1)、激光波前變換系統(tǒng)(2)、光學(xué)成像系統(tǒng)(5)、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)和轉(zhuǎn)臺(tái)(8)組成，其特征是1·1、激光波前變換系統(tǒng)(2)位于激光光源(1)的前端，激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過波前變換系統(tǒng)形成線形激光束(3)，激光光源的發(fā)射軸向、激光波前變換系統(tǒng)的光軸、線形激光束與轉(zhuǎn)臺(tái)(8)中心軸在同一平面上；1·2、光學(xué)成像系統(tǒng)(5)位于CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)的前端，光學(xué)成像系統(tǒng)的光軸、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的中心軸與轉(zhuǎn)臺(tái)(8)的中心軸在同一平面上；1·3、激光光源(1)和激光波前變換系統(tǒng)(2)通過滑軌(10)與轉(zhuǎn)臺(tái)(8)相連，滑軌中心軸線與轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸在同一平面上；1·4、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)通過滑軌(9)與轉(zhuǎn)臺(tái)(8)相連，滑軌中心軸線與轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸在同一平面上；1·5、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)包括兩路CCD攝像頭，這兩路CCD攝像頭分布在激光光源(1)和激光波前變換系統(tǒng)(2)的兩邊，二者與轉(zhuǎn)臺(tái)(8)的中心軸距離相等，并且這兩路CCD攝像頭與轉(zhuǎn)臺(tái)相連的滑軌(9)與激光光源與轉(zhuǎn)臺(tái)相連的滑軌(10)的夾角相等；1·6、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)與計(jì)算機(jī)相連，將信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。
2.按照權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀，其特征是激光波前變換系統(tǒng)(2)由柱透鏡構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀，其特征是線形激光束(3)寬度小于1．5毫米。
4.按照權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀，其特征是滑軌(9)和滑軌(10)均由一根圓軌道和一根方軌道構(gòu)成，并安裝有相應(yīng)刻度，滑塊(11)一端套在圓軌道上，另一端搭在方軌道上，支撐CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)或激光光源(1)的支架(13)垂直地固定在滑塊上，滑塊可以相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)(8)中心作定位精確地遠(yuǎn)近移動(dòng)。
5.按照權(quán)利要求4所述的三維激光掃描儀，其特征是固定在滑塊(11)上的支架(13)由升降軌道組成，升降軌道上標(biāo)有相應(yīng)刻度，使得置于支架中的CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)或激光光源(1)可根據(jù)需要由手動(dòng)或計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)定位精確的升降。
6.按照權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀，其特征是用來放置激光光源(1)的滑軌(10)直接安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)的底座上，不可轉(zhuǎn)動(dòng)。
7.按照權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀，其特征是用來放置CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)的滑軌(9)在轉(zhuǎn)臺(tái)(8)的一端將方圓兩軌道固定連接在轉(zhuǎn)臺(tái)下方的轉(zhuǎn)軸上，使滑軌(9)可在垂直轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，并在轉(zhuǎn)臺(tái)圓周上設(shè)有相應(yīng)的角度刻度，在滑軌與轉(zhuǎn)臺(tái)連接的一端設(shè)有沿滑軌徑向的可以指示滑軌角度的指針。
8.按照權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀，其特征是CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)的CCD攝像頭與其支架(13)之間采用可以調(diào)整CCD攝像頭的俯仰角與轉(zhuǎn)向角的連接接頭。
9.按照權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀，其特征是CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)中的兩路CCD攝像頭，其中一路采用黑白攝像頭，另一路采用彩色攝像頭，并且兩路CCD攝像頭均裝有可打開的濾光片，該濾光片在對(duì)激光產(chǎn)生的高亮區(qū)域掃描時(shí)使得激光光源發(fā)出激光的波長±10納米范圍內(nèi)的光波通過率最高。
10.按照權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀，其特征是激光光源(1)由兩組激光發(fā)射裝置構(gòu)成，裝于滑軌(10)上的支架(13)間，在垂直于滑軌的方向上呈一高一低分布，兩者的發(fā)射軸向與轉(zhuǎn)臺(tái)(8)的轉(zhuǎn)軸共面。
11.按照權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀，其特征是激光光源(1)前裝有衰減裝置。
12.按照權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀，其特征是轉(zhuǎn)臺(tái)(8)下裝有步進(jìn)電機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。
13.按照權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀，其特征是在轉(zhuǎn)臺(tái)的一側(cè)有照明系統(tǒng)(12)，該照明系統(tǒng)由一組白色燈組成。
全文摘要
本發(fā)明是一種三維激光掃描儀,這是一項(xiàng)用激光掃描三維物體,并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的數(shù)據(jù)處理,最終得到物體形狀和色彩的三維矢量信息的光機(jī)電一體化技術(shù)。本發(fā)明采用波前變換系統(tǒng)將激光源發(fā)出的激光變成線形激光束照射物體,用CCD(電容耦合器)采集經(jīng)反射、光學(xué)成像后的激光信號(hào),并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)導(dǎo)入計(jì)算機(jī),由軟件處理后生成三維信息文件。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于影視制作、廣告宣傳、三維動(dòng)畫制作、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G03C9/00GK1205453SQ98102408
公開日1999年1月20日 申請(qǐng)日期1998年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月8日
發(fā)明者張明, 李新章, 陳旭 申請(qǐng)人:北京大學(xué)