專利名稱：：掃描儀和操作掃描儀的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及對三維物體進(jìn)行非接觸式檢測或測量的
技術(shù)領(lǐng)域：
。特別地，本發(fā)明涉及利用光學(xué)掃描來檢測表面起伏的掃描儀的子
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：已知的用于短距離物體掃描的掃描儀主要使用三角測量的方法，如圖7所示。其中，一個合適的光圖案從掃描儀700的光源705投影到待檢測的物體710上，而一個電子圖像接收器720則從一個不同的視角檢測生成的圖像。如圖7所示，物體710的表面輪廓可能分別在不同的方向730和740上扭曲或移位，這將導(dǎo)致投影的光圖案在參考平面750上產(chǎn)生偏移，據(jù)此就可以通過圖像處理算法計算出物體的坐標(biāo)。當(dāng)物體710和掃描儀700在所定義的方向上作相對運動時，就可以獲得物體710的整個空間模型。這樣，圖7示出了一個根據(jù)三角測量原理工作的三維掃描儀。根據(jù)特定應(yīng)用，可以使用不同的光源，例如常規(guī)的具有陰影屏蔽投影儀用來進(jìn)行構(gòu)造(例如DE000010149750A1，US00006501554B1)或者例如對應(yīng)于DE000019721688A1的激光源。具有DE000019615685A1所述的用于生成光圖案的附加光學(xué)元件的光源或者具有DMD元件(DMD＝數(shù)字微設(shè)備)的光源也可以用來產(chǎn)生可通過電子方式控制的光圖案，例如EP000000927334B1，US000006611343B1，DE000019810495A1所述的光源。任何上述類型的已知裝置都使用片狀(DE000010149750A1或DE000019615685A1)或者至少是線形的圖像傳感器(例如在US000006501554B1中所公開的)作為圖像接收器，但這是以CCD或CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)的(CCD＝電荷耦合裝置＝可以在光線入射時累積電荷、以為一個讀取電子裝置的可適當(dāng)控制的電極供電的傳感器類型；CMOS＝互補金屬氧化物半導(dǎo)體＝廣泛使用的、用于在硅片上集成立體電路的電路技術(shù)和制造工藝)。近來，利用所謂的微掃描鏡，可獲得新的可自如懸浮的微光學(xué)元件(這些元件被靜電激勵時接近它們的自然共振)和相關(guān)的控制電子裝置，例如下列文獻(xiàn)中詳細(xì)說明的裝置Anewdrivingprincipleformicromechanicaltorsionalactuators(一種新的用于微機(jī)械扭轉(zhuǎn)執(zhí)行單元的驅(qū)動原理)H.Schenk，P.Drr，D.Kunze，H.Kck；Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS-Vol.1，Conf.1999int.Mech.Eng.Congr.&Exh.，1999年11月14日-19日，Nashville，第333-338頁，1999ANovelElectrostaticallyDrivenTorsionalActuator(一種新穎的靜電驅(qū)動扭轉(zhuǎn)執(zhí)行單元)H.Schenk，P.Drr，H.KckProc.3rdInt.Conf.OnMicroOptoElectroMechanicalSystems，Mainz，1999年8月30-9月1日，第3-10頁，1999MicroMirrorSpatialLightModulators(微鏡空間光調(diào)制器)P.Drr，A.Gehner，U.Dauderstdt，微光電機(jī)械系統(tǒng)(光MEMS)第三屆國際會議Proc.MEMS1999，Mainz，1999年，第60-65頁AResonantlyExcited2D-Micro-Scanning-MirrorwithLargeDeflection(具有大偏轉(zhuǎn)的共振激勵的二維微掃描鏡)H.Schenk，P.Drr，D.Kunze，H.Lakner，H.Kck傳感器和執(zhí)行單元，2001Sensors&Actuators，A89(2001)，第1-2期，ISSN0924-4247，第104-111頁LargeDeflectionMicromechanicalScanningMirrorsforLinearScansandPatternGeneration(用于線性掃描和圖案生成的大偏轉(zhuǎn)微機(jī)械掃描鏡)H.Schenk，P.Drr，T.Haase，D.Kunze，U.Sobe，H.Lakner，H.KckJournalofSelectedTopicsofQuantumElectronics6(2000)，第5期，ISSN1077-260X，第715-722頁AnElectrostaticallyExcited2D-Micro-Scanning-MirrorwithanIn-PlaneConfigurationoftheDrivingElectrodes(一種包含驅(qū)動電極的平面結(jié)構(gòu)的靜電激勵二維微掃描鏡)H.Schenk，P.Drr，D.Kunze，H.Lakner，H.KckProc.MEMS2000，第十三屆國際微電機(jī)械系統(tǒng)大會，宮崎縣，日本，第473-478頁，2000年MechanicalandelectricalfailuresandreliabilityofMicroScanningMirrors(微掃描鏡的機(jī)械和電子故障及可靠性)E.Gaumont，A.Wolter，H.Schenk，G.Georgelin，M.Schmoger第九屆集成電路的物理和故障分析國際討論會(IPFA9)，2002年7月8日-12日，RafflesCityConventionCentre，新加坡，Proc.紐約，IEEE出版，2002年，ISBN0-7803-7416-9，第212-217頁Improvedlayoutforaresonant2DMicroScanningMirrorwithlowoperationvoltages(用于具有低工作電壓的共振二維微掃描鏡的改進(jìn)布圖)A.Wolter，H.Schenk，E.Gaumont，H.Lakner，SPIEConferenceonMOEMSDisplayandImagingSystems(mf07)，2003年1月28-29日，SanJose，加利福尼亞，美國，Proceedings，Bellingham，Wash.SPIE，2003(SPIEProceedingsSeries4985)ISBN0-8194-4785-4，第72-74頁US020040183149A1Micromechanicaldevice(微機(jī)械裝置)WO002003010545A1MikromechanischesBauelement(微機(jī)械裝置)WO002000025170A1，MikromechanischesBauelementMitSchwingkorper(包含振蕩體的微機(jī)械裝置)EP000001123526B1，US000006595055B1WO002004092745A1MikromechanischesBauelementMitEinstellbarerResonanzfrequenz(具有可調(diào)諧振頻率的微機(jī)械裝置)DriverASICforsynchronizedexcitationofresonantMicro-Mirror(用于同步激勵共振微鏡的驅(qū)動器ASIC)K.-U.Roscher，U.Fakesch，H.Schenk，H.Lakner，D.Schlebusch，SPIEConferenceonMOEMSDisplayandImagingSystems(mf07)，2003年1月28-29日，SanJose，加利福尼亞，美國，Proceedings，Bellingham，Wash.SPIE，2003(SPIEProceedingsSeries4985)ISBN0-8194-4785-4，第121-130頁MOMES(MOMES＝微光電機(jī)械系統(tǒng))的類型允許以一維或二維的電控方式偏轉(zhuǎn)光束，從而分別利用點狀光源或探測器元件相繼掃描或掃過一個區(qū)域或一個立體角度。為了投影的目的而使用共振微鏡已經(jīng)代表一種已知的解決方案，下列文獻(xiàn)可以作為示例DE000019615685A1LowCostprojectiondevicewitha2-dimensionalresonantmicroscanningmirror(包含二維共振維掃描鏡的低成本投影裝置)K.-U.Roscher，H.Grtz，H.Schenk，A.Wolter，H.LaknerMEMS/MOEMS顯示和成像系統(tǒng)II(2004)，第22-31頁WO002003032046A1，Projektionsvorrichtung(投影裝置)US020040218155A1，也是出于投影目的，鏡子還以其它方式被使用例如根據(jù)DE000010304187A1，DE000010304188A1和WO002004068211A1或者已經(jīng)提到的EP000000927334B1、US00000661134B1或DE000019810495A1描述的用于產(chǎn)生光圖案的DMD元件，以一種旋轉(zhuǎn)的方式移動這些鏡子。在A.Wolter，H.Schenk，H.Korth和H.Lackner的“Torsionalstress，fatigueandfracturestrengthinsiliconhingesofamicroscanningmirror(微掃描鏡的硅鉸鏈中的扭轉(zhuǎn)壓力、疲勞和斷裂力)”(SPIEBellinghamWA2004；SPIE學(xué)報第5343卷)中提出一種對光束位置進(jìn)行一維檢測的可能性。這種對光束位置的一維檢測只提供了一種粗糙的、延遲確定光束位置的可能性，因為所述的方法要求光束完全通過該光束的傳播路徑的兩個最大振幅。而且，對于下述發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域，相關(guān)地還有如下其他文獻(xiàn)EP000000999429A1Messinstrumentfr3DFormmitLaserScannerundDigitalkamera(三維形式的帶有激光掃描儀和數(shù)碼相機(jī)的測量工具)US020030202691A1Calibrationofmultiplecamerasforaturntable-based3Dscanner(基于轉(zhuǎn)盤的三維掃描儀的多個照相機(jī)的校準(zhǔn))US000006486963B1Precision3Dscannerbaseandmethodformeasuringmanufacturedparts(精密三維掃描儀基板和用于測量人造零件的方法)DE000019846145A1VerfahrenundAnordnungzur3D-Aufnahme(用于三維記錄的方法和系統(tǒng))DE000019613978A1VerfahrenzumZusammenfgenderMessdatenunterschiedlicherAnsichtenundObjektbereichebeideroptischen3D-KoordinatenmeβtechnikmittelsflchenhaftundaufderBasisvonMusterprojektenarbeitendenTriangulationssensoren(在光學(xué)三維坐標(biāo)測量技術(shù)中利用以薄片方式工作并基于采樣投影的三角測量傳感器將不同視角和物體區(qū)域的測量數(shù)據(jù)相聯(lián)系的方法)DE000019536287A1VerfahrenzurgeometrischenKalibrierungvonoptischen3D-SensorenzurdreidimensionalenVermessungvonObjektenundVorrichtunghierzu(對物體進(jìn)行三維測量的光學(xué)三維傳感器進(jìn)行幾何校準(zhǔn)的方法和裝置)DE000019536294A1VerfahrenzurgeometrischenNavigationvonoptischen3D-SensorenzumdreidimensionalenVermessenvonObjekten(用于對物體進(jìn)行三維測量的光學(xué)三維傳感器進(jìn)行幾何導(dǎo)航的方法)EP000001371969A1AusrichtungsverfahrenzumPositionierenvonSensorenfr3D-Meβsysteme(用于對三維測量系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行定位的對準(zhǔn)方法)WO002000077471A1VorrichtungzurBerhrungslosenDreidimensionalenVermessungyonKrpernundVerfahrenzurBestimmungeinesKoordinatensystemsfrMesspunktkoordinaten(用于對主體部分進(jìn)行非接觸式三維測量的裝置以及為測量點坐標(biāo)確定坐標(biāo)系的方法)EP000000916071B1Triangulation-Based3DImagingAndProcessingMethodAndSystem(基于三角測量的三維成像和處理方法及系統(tǒng))US000005546189ATriangulation-Based3Dimagingandprocessingmethodandsystem(基于三角測量的三維成像和處理方法及系統(tǒng))US000005654800ATriangulation-Based3Dimagingandprocessingmethodandsystem(基于三角測量的三維成像和處理方法及系統(tǒng))WO001998005923A1Triangulation-Based3DImagingAndProcessingMethodAndSystem(基于三角測量的三維成像和處理方法及系統(tǒng))CA000002365323A1MethodOfMeasuring3DObjectAndRendering3DObjectAcquiredByAScanner(測量三維物體以及通過掃描儀獲得三維物體的方法)DE000019721903C1VerfahrenundAnlagezurmeβtechnischenrumlichen3D-LageerfassungvonOberflchenpunkten(用于表面點的測量工藝上的空間三維位置檢測的方法和裝置)CA000002376103A1ActiveStructuralScannerForScanningIn3DModeDataofUnknownStructures(用于在未知結(jié)構(gòu)的三維模式數(shù)據(jù)中進(jìn)行掃描的有源結(jié)構(gòu)掃描儀)然而，所有這些現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法的缺陷在于它們都需要一個區(qū)域照相機(jī)或至少一個線形照相機(jī)來檢測該物體反射的圖像，或者只是通過對具備微機(jī)械電子馬達(dá)的微鏡的復(fù)雜控制來檢測該圖像的位置，從而由此檢測出該三維表面起伏。而且，對微鏡進(jìn)行復(fù)雜控制的解決方案還具有如下缺陷這一控制是機(jī)械敏感的、需要占用較大面積的、并且非常昂貴。而且，使用區(qū)域或線形照相機(jī)需要相當(dāng)大的空間，而且也是非常昂貴的。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的在于提供一種檢測三維表面起伏的可行方案，其中該可行方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具有更好的分辨率，并且更加便宜、機(jī)械上更可靠、需要的空間也更小。這一目標(biāo)可以通過權(quán)利要求1所述的掃描儀和權(quán)利要求10所述的操作掃描儀的方法來實現(xiàn)。本發(fā)明提供了一種掃描儀，它提供了檢測物體表面起伏的可能性，其包括一個投影儀，被配置為將一個光束引導(dǎo)到表面起伏上的照明線內(nèi)，從而在該表面起伏上獲得一個被照亮的區(qū)域，該投影儀還被配置為輸出一個投影信號，從中可推導(dǎo)出光束在照明線內(nèi)的位置；以及一個采集器，其具有一個可以被激勵在兩個維度上振蕩的采集器微鏡，還具有一個點狀光探測器，所述采集器微鏡被振蕩設(shè)置在該照明線的第一個方向上和不同于第一個方向的第二個方向上，從而使得被照亮的區(qū)域在該采集器微鏡的掃描區(qū)域內(nèi)的反射可以借此在點狀光探測器上成像，而且該采集器還被配置為輸出一個檢測信號，從中可推導(dǎo)出被照亮的區(qū)域在第一和第二個方向上的位置。另外，本發(fā)明還提供了一種操作用來提供檢測一個物體的表面起伏的可能性的掃描儀的方法，其中該掃描儀包括一個投影儀，該投影儀被配置為將一個光束引導(dǎo)到表面起伏上的照明線內(nèi)，從而在該表面起伏上獲得一個被照亮的區(qū)域，該投影儀還被配置為輸出一個投影信號，從中可推導(dǎo)出光束在照明線內(nèi)的位置；并且包括一個采集器，其具有一個可以被激勵在兩個維度上振蕩的采集器微鏡，還具有一個點狀光探測器，所述采集器微鏡被振蕩設(shè)置在該照明線的第一個方向上和不同于第一個方向的第二個方向上，從而使得被照亮的區(qū)域在該采集器微鏡的掃描區(qū)域內(nèi)的反射可以借此在點狀光探測器上成像，而且該采集器還被配置為輸出一個檢測信號，從中可推導(dǎo)出被照亮的區(qū)域在第一和第二個方向上的位置。其中該方法包括以下步驟以線狀提供光束并將其引導(dǎo)到物體的表面起伏上的一條照明線內(nèi)，從而在該表面起伏上獲得一個被照亮的區(qū)域，引導(dǎo)光束的步驟還包括確定光束在該照明線內(nèi)的位置及輸出一個投影信號，從中可推導(dǎo)出光束在照明線內(nèi)的位置；并且利用被激勵在兩個維度上振蕩的采集器微鏡和點狀光探測器來檢測該被照亮的區(qū)域的位置，所述檢測步驟還包括借助于該采集器微鏡在第一和第二方向上的振蕩把該被照亮的區(qū)域的反射成像在光探測器上，并且所述檢測步驟還包括輸出一個檢測信號，從中可推導(dǎo)出被照亮的區(qū)域在第一和第二個方向上的位置。本發(fā)明基于如下思想利用投影儀通過照明線內(nèi)的一個光束以線狀形式照亮待檢測的表面起伏，從而以線狀形式在表面起伏上引導(dǎo)一個光點。現(xiàn)在可以進(jìn)行借助于具有可被激勵在兩個維度上振蕩的采集器微鏡和點狀光探測器的采集器來檢測表面起伏上的光點在物體參考平面中在照明線方向上、以及在與照明線方向垂直的方向上的位置，其中，借助于該表面起伏的可變的高度輪廓，不但能夠在照明線方向上檢測出表面起伏上的光點的反射，還能夠在垂直于該照明線的方向上進(jìn)行檢測。知道了光束在照明線內(nèi)的位置，就可以根據(jù)該光點與照明線所定義的軸上之間的偏移計算出該表面起伏的高度輪廓。具有優(yōu)點的是，一個物體的表面起伏可以通過了解表面起伏上光點的反射的位置以及關(guān)于光束在照明線內(nèi)的位置的信息被檢測出來，同時可以用一種節(jié)省空間、廉價的、機(jī)械可靠的方式來實現(xiàn)對表面起伏的檢測。本發(fā)明所述方案可以用一種特別節(jié)省空間的方式實現(xiàn)，這是因為不必使用區(qū)域照相機(jī)或線形照相機(jī)，而可以通過把可受激振蕩的采集器鏡和點狀光探測器相結(jié)合，非常緊湊地裝配該采集器。本發(fā)明所述方案的另一個優(yōu)點在于由于使用可受激振蕩的采集器微鏡，不再需要對采集器微鏡進(jìn)行復(fù)雜而昂貴的控制(例如通過很小的電子馬達(dá)才能控制)。此外，本發(fā)明所述方案還具有如下優(yōu)點由于避免了使用區(qū)域或線形照相機(jī)，從而可以使用便宜得多的檢測單元，例如獨立的光電二極管形式的檢測單元，這可以大大降低相應(yīng)采集器的制造成本?？梢允∪ナ褂弥T如微機(jī)械電子馬達(dá)所進(jìn)行的復(fù)雜控制，這使得該結(jié)構(gòu)在機(jī)械上更加可靠。下面將參考附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的一些實施例，其中圖1示出了本發(fā)明的第一個實施例的示意圖；圖2示出了對物體的一個表面區(qū)域進(jìn)行采樣的示意圖；圖3示出了在采集器內(nèi)處理的信號的一個實施例的示意圖；圖4a示出了采集器的快門(shutter)的一個實施例的示意圖；圖4b示出了用于描述當(dāng)使用圖4a中所示的快門時一個光電二極管接收到的信號的曲線圖；圖5示出了投影儀的快門的一個實施例；圖6a示出了使用圖4a和圖5所示的快門的本發(fā)明所述掃描儀的另一個實施例的平面圖；圖6b示出了對應(yīng)于交叉線AA’的一個截面的另一個實施例的剖面圖；圖6c示出了本發(fā)明所述的用于操作掃描儀的方法的一個實施例的流程圖；以及圖7示出了常規(guī)掃描儀的三角測量原理的示意圖。在附圖中，相同或相似的元件使用相同或相似的附圖標(biāo)記來表示，其中省去了對那些元件的重復(fù)描述。具體實施例方式圖1示意性地描述了本發(fā)明所述掃描儀的第一個實施例。其中圖1包括一個具有光源12和投影儀微掃描鏡14的投影儀10，以及一個具有采集器微鏡14和光傳感器18的采集器16。投影儀10和采集器16的兩個微鏡14彼此相隔一段距離放置，作為三角測量的基礎(chǔ)。通過光源12(最好是點狀光源)，一束光被引向投影儀10的微鏡14，其中該微鏡把光束20反射到物體710上，從而可以分別得到光點或被照亮的區(qū)域22。被照亮的區(qū)域22于是形成一個反射24，該反射從采集器16的微鏡14被映射到最好為點狀的光探測器18(例如一個光電二極管)上。相應(yīng)地，光源12可以是一個LED(LED＝發(fā)光二極管)或激光二極管。如果現(xiàn)在移動物體71，例如在圖中所示的運動方向73和74上移動，那么隨著光束20的持續(xù)照明，被照亮的區(qū)域22的位置就會移向區(qū)域22’，從而形成另一個反射24’，該反射在采集器16的微鏡14上產(chǎn)生一個偏轉(zhuǎn)，與反射24形成一個夾角26。下面利用采集器16的微鏡14的二維振蕩，就可以掃描物體710的表面或表面起伏的特定部分，還可以記錄下被照亮的區(qū)域22到移位后的被照亮區(qū)域22’的移動，從而就可以在一個圖1中沒有示出的信號處理單元中確定物體710的表面起伏。根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例，在應(yīng)用已知的三角測量法時，可以使用多個微鏡作為對物體進(jìn)行三維檢測的掃描儀。根據(jù)第一個實施例，微掃描鏡具有如下應(yīng)用不僅可以用于把經(jīng)過構(gòu)造的照明投影到物體上，而且可以在光接收器(即采集器16)內(nèi)檢測后向散射光。特別具有新穎性的是為了在采集器內(nèi)獲得圖像，點狀光探測器18(或光傳感器)和一個二維振蕩的微鏡結(jié)合使用，其中該微鏡通過它的瞬時移位定義了探測器的各個“觀察方向”。根據(jù)圖1，諸如激光二極管的點狀光源例如可以用在投影儀一側(cè)，而諸如光電二極管的探測器則可以用在采集器一側(cè)。然而，值得注意的是，由于二維振蕩(即為了檢測該參考平面上的一個區(qū)域，微鏡在兩個維度中移動)，在探測器一側(cè)結(jié)合使用振蕩微鏡和點狀光探測器特別具有如下優(yōu)點性價比很高、提高了可靠性并節(jié)省了空間，這是因為特殊的二維傾斜和對常規(guī)微掃描鏡的相應(yīng)控制必須付出很大的代價和成本，而且機(jī)械上也容易發(fā)生故障，并由于使用相應(yīng)的控制元件而需要大量的空間。但是，具有點狀光源和相應(yīng)可以做一維振蕩的微掃描鏡的投影儀的實現(xiàn)僅僅是一個優(yōu)選實施例，而不是獲得所希望的優(yōu)點的必不可少的條件，因為一維控制不會付出和二維控制同樣多的代價。換句話說，為了實現(xiàn)本發(fā)明預(yù)期的優(yōu)點，可以受激進(jìn)行一維振蕩的微鏡在投影儀中并不是必需的，投影儀也可以通過不同方式被構(gòu)造為使照明線內(nèi)的光束掃過表面起伏。但是在隨后的討論中，出于示意性說明的目的，將繼續(xù)描述使用微掃描鏡的實施例，但并不限制本發(fā)明的通用性。由于上述優(yōu)點，現(xiàn)在可以實現(xiàn)低成本、設(shè)計緊湊的三維掃描儀。為了檢測待掃描的物體的表面起伏，還要進(jìn)一步使用一個流程，下面將詳細(xì)闡述該流程。當(dāng)使用微鏡時(例如用于對物體進(jìn)行照明以及用于檢測后向散射光)，主要必須考慮的是每個振蕩的微鏡子在任何時刻都只精確地指向該物體的一點(光斑)。因此，最好對兩個鏡子都進(jìn)行控制，使得探測器可以檢測該物體的表面起伏上的由投影儀產(chǎn)生的光斑。為了檢測這個所生成的光斑(即圖1中分別用附圖標(biāo)記22或22’來表示的的被照亮的區(qū)域)，如圖2所述，可以使用下述方法控制微掃描鏡。值得注意的是，這個具有微掃描鏡的投影儀的實施例代表一個優(yōu)選實施例，然而實際上也可以使用這樣一個投影儀利用該投影儀，可以對物體表面起伏進(jìn)行具有不同設(shè)計的線狀照明。但是，下面將利用微掃描鏡詳細(xì)闡述下列方法。圖2示出了一個用于對需要掃描的物體的表面起伏的一個區(qū)域30進(jìn)行線形照明的投影儀10。光束20沿著位移角32掃過表面起伏的區(qū)域30，使得光束20照亮照明線34內(nèi)的表面起伏。當(dāng)照亮區(qū)域30內(nèi)的表面起伏時，高度輪廓就會產(chǎn)生一條光點22和22’的軌跡36，其水平位移可以通過采集器16來確定。換句話說，光束20可以在圖2所示的坐標(biāo)系38的y方向上掃過照明線34中的表面起伏，其中z方向上的高度輪廓會導(dǎo)致光點22在x方向上發(fā)生位移。這一位移可以由采集器16通過受激進(jìn)行二維振蕩的微鏡來檢測，從而可以按照圖2所示的Lissajous圖40的形式對區(qū)域30進(jìn)行光柵掃描。這種二維位移從而導(dǎo)致由采集器16的微鏡在點狀光探測器上形成的區(qū)域30中的點發(fā)生旋轉(zhuǎn)(圖2中沒有示出)。最好有兩個鏡子平行于三角測量平面進(jìn)行掃描的原理可以按如下方式表述其中術(shù)語“三角測量平面”表示由參考平面和兩個鏡子中的圖像域的中心和/或三角測量角所定義的平面1.投影儀的鏡子只在一個振蕩方向y(這里是垂直方向)上發(fā)生位移，因此光斑22表示參考平面上的一條虛擬線(垂直箭頭和/或照明線34)。2.現(xiàn)在對采集器的鏡子進(jìn)行激勵，使之也在這個方向上振蕩，最好和投影儀同步，即可以在上面提到的那條線上“看到”投影的光斑的瞬時高度位置。為此，投影儀的微鏡和采集器的微鏡的兩個y振蕩在頻率、幅度和相位上應(yīng)當(dāng)盡可能匹配。3.虛擬線(即照明線34)被物體的表面輪廓和/或表面起伏扭曲成圖2中可見的一條曲線36，作為白色軌跡。根據(jù)三角測量原理，這也會導(dǎo)致光斑22或22’分別在x方向上發(fā)生位移，通過同時進(jìn)行水平振蕩的采集器微鏡可以檢測出該位移。如果兩個鏡子的y振蕩繼續(xù)同步進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)可以在掃描的x方向上找到所期望的光斑位置，如果它在垂直振幅所確定的可接受范圍內(nèi)的話。4.由于x和y振蕩的相互疊加，在點狀光探測器上的采集器微鏡的“觀察方向”描述了一個Lissajous圖，其形狀取決于在x和y方向上的振蕩頻率和相位關(guān)系的比率。Lissajous圖40的擴(kuò)展與x和y方向上的振蕩幅度相關(guān)聯(lián)。為了獲得物體的細(xì)節(jié)，必須在Lissajous圖40中獲得最大線密度。為了獲得所得到的Lissajous圖40這樣的線密度，還要進(jìn)一步實現(xiàn)對鏡子在x和y方向上振蕩的控制，使得振幅、振蕩相位和振蕩頻率的比率可以通過對鏡子的控制(例如通過一個數(shù)字控制器)來調(diào)節(jié)。5.如果物體的表面起伏具有對投影光斑進(jìn)行漫反射的性質(zhì)，那么根據(jù)Lambert法則，光功率就會在反射區(qū)域前面的整個立體角度上傳播。因此原則上只有直接到達(dá)的輻射功率可以被小面積的探測器(例如圖1或2中所示的點狀光探測器18)所使用。如圖1或2所示，當(dāng)輻射的光束20的功率只有幾毫瓦時，反向散射功率為每平方毫米幾毫微瓦的數(shù)量級。因此，最好使用一個高度敏感的光傳感器，其能夠以低噪聲處理并放大光探測器所接收到的模擬輸出信號。為了實現(xiàn)這一任務(wù)，例如可以使用圖3中詳細(xì)示出的一個電子電路。圖3示出了一個用于處理非常微弱的光信號的電路，其首先包括一個用于提供電壓(例如約為200伏特)的偏壓生成單元32。接著把該偏壓傳遞到一個雪崩式光電二極管APD上，其中該APD順次連接到由一個電阻器52和一個放大器54組成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)上。電阻器52和放大器54組成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)(例如可以實現(xiàn)為OPA657型的運算放大器)被稱為跨導(dǎo)放大器56。該跨導(dǎo)放大器56進(jìn)一步與第一個低通濾波器58耦合，其中該低通濾波器順次連接到一個電壓放大器60(例如一個OPA656型的運算放大器)上。另一個低通濾波器62和電壓放大器60相連，但其不必與跨導(dǎo)放大器56和電壓放大器60之間的低通濾波器具有相同的特性。最后，在第二個低通濾波器62后面連接有一個模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(例如其分辨率為12個比特，最大時鐘頻率為20MHz)，從而可以把微弱的光信號66轉(zhuǎn)換成一個放大的數(shù)字輸出信號68，該信號由傳感器信號掃描的數(shù)字流組成。根據(jù)這一數(shù)據(jù)流，可以分別檢測出被照亮的區(qū)域22或22’的位置，然后通過與相應(yīng)的鏡子位置進(jìn)行相關(guān)，可以確定三維形式的物體坐標(biāo)(即物體的表面起伏)。6.為了使兩個鏡子(即投影儀的微掃描鏡和探測器的微掃描鏡)的y振蕩精確同步，可以在掃描儀中分別添加用于測量投影儀的微鏡或采集器的微鏡的振蕩的幅度、相位和頻率的測量裝置。為此，如圖4A所示，例如可以在采集器處使用帶有多個LED的類似于方框形式的快門70。在對著采集器的微掃描鏡14的一側(cè)，采集器16的類似于方框形式的快門70包括一個或多個置于快門70的內(nèi)光圈74的一個邊緣處的LED72。根據(jù)圖4A所示，一個LED72置于快門70的光圈74的四個內(nèi)側(cè)之一上，其中這個LED72也可以實現(xiàn)為一條沿著相應(yīng)的光圈部分的整個內(nèi)側(cè)的LED線。還可以只在光圈74的邊緣處的兩個相對的側(cè)面上實現(xiàn)一個LED或一條LED線。圖4B詳細(xì)示出了快門70是如何工作的。為此，圖4B上方的子圖首先示出了隨時間在x和y坐標(biāo)中的掃描區(qū)域的曲線76。需要注意的是，對于基本操作模式，只在一個方向上的掃描(即x方向或y方向)必須被表示為在類似執(zhí)行的相應(yīng)的另一個方向上掃描。如果在圖4B所示的光圈74內(nèi)的一個檢測點被微掃描鏡14掃描到，則曲線76在光圈區(qū)域78內(nèi)移動。如果微掃描鏡14把快門方框上的一個位置映射到光電探測器APD上，那么當(dāng)光圈74的邊緣處設(shè)置了光電二極管時它就會掃過該光電二極管72，從而可以在光探測器APD上檢測到相應(yīng)的光信號和/或相應(yīng)提高了的光探測器亮度。對于限制信號80，從圖4B下方的子圖可以明顯看到LED72是否像圖4B上方的子圖所示那樣置于LED坐標(biāo)82上。如果掃描區(qū)域(即光圈74)內(nèi)檢測到一個光信號，就像圖4B上方的子圖中坐標(biāo)84的情況那樣，這將產(chǎn)生更多光信號86(如圖4B下方子圖所示)。特別是利用參考光源72和/或LED產(chǎn)生的限制信號80的瞬時位置，就可以推斷出微掃描鏡14的振蕩頻率、相位和已知光圈74的尺寸時的振幅，而不必利用已定義的相位、幅度或頻率信號對掃描鏡本身進(jìn)行相應(yīng)的控制。這樣，可以對微掃描鏡14的振蕩進(jìn)行非常簡單的檢測。類似地，圖1所示的投影儀10的微掃描鏡14的一維振蕩也可以通過相應(yīng)的快門來檢測，例如如圖5所示。然而，為此必須相應(yīng)地將光發(fā)送元件和光檢測元件互換，使得光電二極管92和/或其他相應(yīng)的適當(dāng)?shù)墓馓綔y器置于相應(yīng)的快門90的內(nèi)部邊緣上，接收來自光源12的光束20(例如來自一個激光二極管的激光束)的碰撞，并以和圖4B類似的方式對其進(jìn)行分析，以獲得投影儀10的微掃描鏡14的振蕩幅度、振蕩頻率和振蕩相位。投影儀快門的具體設(shè)計可以和采集器快門的設(shè)計類似。圖6A示出了為投影儀和采集器中的每一個使用一個快門的本發(fā)明所述掃描儀的一個實施例的平面圖。在采集器中，使用了一個如圖4A所示的帶有LED的類似方框形式的快門，其每個側(cè)面都可根據(jù)它們的亮度獨立控制和/或改變，從而限制了采集器的觀察范圍。如果這一Lissajous圖通過一個接通的LED，就會產(chǎn)生一個傳感器信號(即限制新號)，利用這一信號以及LED的已知位置，就可以計算出采集器鏡的振蕩的幅度和相位。此外，還可以實現(xiàn)其它優(yōu)點例如，對應(yīng)于被照亮的區(qū)域的待檢測的反射光的顏色和/或不同強(qiáng)度的驅(qū)動、以及不同強(qiáng)度的光源，使用相應(yīng)的不同顏色的LED，從而可以唯一地、毫無疑義地檢測到一個非常接近光圈74的光斑位置。而且，例如通過打開和關(guān)閉各個快門邊緣上的LED(或LED線)，也可以檢測振蕩的相位。如果在每個快門邊緣一側(cè)使用多個LED(或其它諸如激光二極管的光源或光導(dǎo)終端)，那么通過對各個LED和/或其它在快門各個邊緣上的光源的亮度進(jìn)行不同的調(diào)節(jié)就可以執(zhí)行精確的位置確定。此外，發(fā)射不同亮度或波長的光也可以使兩個相對的光源不同，從而可以確定“掃描光束”的移動和/或振蕩的精確相位。一個類似的快門連接到投影儀上，只是它包含兩個相對的光電二極管，而不是LED，接著當(dāng)被光斑照亮?xí)r，其提供一個用于計算投影儀微鏡的y振蕩的幅度和相位的信號，同時限制光斑的位移。圖6A接著示出了一個光源12，此光源可以輸出一個垂直于制圖平面的光束，此光束被投影儀10的微掃描鏡14投影到快門90上，接著被投影到可通過馬達(dá)驅(qū)動器100和馬達(dá)102所轉(zhuǎn)動的物體710上。這將產(chǎn)生一個亮斑22，其反射24通過采集器的快門70、微掃描鏡14和置于微掃描鏡14下方的光探測器APD被投射。馬達(dá)驅(qū)動器100可以通過帶有投影儀10和采集器16的掃描儀來控制，從而可以完全檢測出物體710的表面起伏。圖6B示出了一個沿著圖6A中的點A和A’之間的剖面線分開的剖面圖。所示的外殼104封裝了該掃描儀。在外殼104內(nèi)，放置了一塊導(dǎo)線板106，在該導(dǎo)線板上安裝了一個光源12，例如一個激光二極管。光源12輸出一個光束20，該光束在微掃描鏡14上反射。圖6B還示出了一個用于微掃描鏡14的激勵單元108，其相應(yīng)地對微掃描鏡14進(jìn)行激勵，以使其進(jìn)行一維振蕩。圖6C示出了一個用于操作一個掃描儀的本發(fā)明所述方法的實施例。第一個步驟110包括提供一個光束，使該光束掃過表面起伏，并確定光束在照明線(在該照明線中光束掃過表面起伏)中的位置。第二個步驟112包括輸出一個投影信號，由該投影信號可得出光束在照明線中的位置。接著，第三個步驟114包括利用被激勵振蕩的采集器中的微鏡來檢測表面起伏的被照亮的區(qū)域。第四個步驟116包括輸出一個檢測信號，由該檢測信號可得出表面起伏上被照亮的區(qū)域的位置。本發(fā)明所述方法的該實施例的最后一個步驟118包括處理投影信號和檢測信號，以由此獲得表面起伏?？傊梢哉f本文所公開的新穎的三維掃描儀帶有一個投影儀(最好包含點狀光源和一個微掃描鏡)和一個采集器，其中采集器包括一個微掃描鏡和一個點狀光探測器，來自待檢測的物體的表面起伏的一個光點的反射可以被微掃描鏡投影到該探測器上。此外，還可提供一個帶有連接到主機(jī)計算機(jī)的接口的一個相應(yīng)的電子電路，用于控制和進(jìn)一步處理所獲得的數(shù)據(jù)。此外，本文還進(jìn)一步公開了一種用于激勵該三維掃描儀的兩個微掃描鏡的方法，從而可以通過采集器微掃描鏡和光探測器在探測區(qū)域內(nèi)實際找到由投影儀微掃描鏡所產(chǎn)生的光斑，這是通過如下方式實現(xiàn)的投影儀鏡只在一個垂直于三角測量平面的方向上以限定的頻率和幅度振蕩，采集器微鏡最好被同步激勵，并具有相同的幅度，且最好和三角測量平面垂直，另外采集器微鏡還在三角測量平面上同時執(zhí)行第二個振蕩，以檢測根據(jù)測量原理產(chǎn)生的光斑位移。此外，本文所公開的一個裝置(例如用于上述三維掃描儀)最好允許對兩個鏡子依據(jù)激勵方法在垂直于三角測量平面的方向上的振蕩進(jìn)行同步，該裝置包括一個位于投影儀的光學(xué)鏈路中的、包含光電二極管的快門，和/或一個位于采集器的光學(xué)鏈路中的、具有類似設(shè)計但使用LED的快門，利用所述快門，可以獲得關(guān)于微掃描鏡的一個或兩個振蕩的瞬時幅度和相位的信號。另外，還公開了一種電子電路，它可以以一種調(diào)節(jié)方式對這些鏡子進(jìn)行控制，例如對一個微鏡的激勵頻率、相位或幅度進(jìn)行控制，例如用于提高Lissajous圖的線密度，從而可以提高發(fā)現(xiàn)光點反射的概率。這里所述的發(fā)明從而具備以下優(yōu)點無需區(qū)域或線形照相機(jī)就可以操作，因此也不需要區(qū)域或線形圖像傳感器以及對應(yīng)的相關(guān)的復(fù)雜的映射光學(xué)器件。而且，微掃描鏡的尺寸很小，機(jī)械上是可靠的，而且可以以低成本生產(chǎn)制造。因此，本發(fā)明的主要優(yōu)點在于其本身可以減少空間需求和生產(chǎn)成本，同時也可以提高了機(jī)械可靠性。上述用于處理微弱光信號的電路還能提高光學(xué)分辨能力。因此，上述三維掃描儀可以不斷地以一種空間上非常緊湊的方式來裝配。所需的信號處理(例如檢測傳感器數(shù)據(jù)流中的激光光斑)至少有一部分可以用硬件實現(xiàn)，例如可以集成在掃描儀中，從而可以顯著減少處理控制主機(jī)獲得的數(shù)據(jù)的相應(yīng)運算開銷，因此可以顯著加快對相應(yīng)物體的表面起伏的檢測，而且減小了在主機(jī)計算機(jī)中執(zhí)行的相應(yīng)算法的復(fù)雜度。這樣，無需為了從二維圖像中提取感興趣的區(qū)域而進(jìn)行圖像處理操作。根據(jù)具體環(huán)境，本發(fā)明所述的用于操作掃描儀的方法可以用硬件或軟件來實現(xiàn)。這一實現(xiàn)可以在一個數(shù)字存儲介質(zhì)(特別是磁盤或包含電子可讀的控制信號的CD)上執(zhí)行，該介質(zhì)可以和一個可編程計算機(jī)系統(tǒng)協(xié)同工作，從而可以執(zhí)行相應(yīng)的方法。通常說來，本發(fā)明也可以實現(xiàn)在一個計算機(jī)程序產(chǎn)品中，該計算機(jī)程序產(chǎn)品包含存儲在機(jī)器可讀取的載體中的程序代碼，當(dāng)該計算機(jī)程序產(chǎn)品在計算機(jī)上運行時，所述代碼可用于執(zhí)行本發(fā)明的方法。換句話說，本發(fā)明也可以實現(xiàn)為一個包含程序代碼的計算機(jī)程序，當(dāng)該計算機(jī)程序在計算機(jī)上運行時，所述代碼可用于執(zhí)行該方法。權(quán)利要求1.一種用于提供檢測物體(71)的表面起伏的可能性的掃描儀，其包括投影儀(10)，其被配置為在表面起伏上的一條照明線(34)內(nèi)引導(dǎo)一個光束(20)，從而在該表面起伏上獲得一個被照亮的區(qū)域(22)，該投影儀(10)還被配置為輸出一個投影信號，從中可得出光束(20)在照明線(34)內(nèi)的位置；以及采集器(16)，其具有一個可以被激勵在兩個維度上振蕩的采集器微鏡(14)，還具有一個點狀光探測器(18)，該采集器微鏡(14)的振蕩位于該照明線(34)的第一個方向上和不同于第一個方向的第二個方向上，從而使得在該采集器微鏡(14)的掃描區(qū)域(30)內(nèi)的被照亮的區(qū)域(22)的反射可以通過它在點狀光探測器(18)上成像，并且該采集器(16)被配置為輸出一個檢測信號，從中可得出被照亮的區(qū)域(22)在第一和第二個方向上的位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描儀，其中投影儀(10)包括一個點狀光源(12)和一個可被激勵進(jìn)行一維振蕩的投影儀微鏡(14)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描儀，還包括一個信號處理單元，該信號處理單元被配置為根據(jù)投影信號、檢測信號、以及投影儀(10)和采集器(16)相互之間的已知幾何結(jié)構(gòu)來檢測表面起伏。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的掃描儀，其中信號處理單元至少有一部分是通過硬件實現(xiàn)的。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描儀，其中點狀光探測器(18)包括一個雪崩式光電二極管APD，采集器(16)還包括一個跨導(dǎo)放大器、一個低通濾波器、一個電壓放大器和一個模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，它們與雪崩式光電二極管相耦合。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描儀，其中投影儀(10)和采集器(16)相耦合，以使得照明線(34)內(nèi)的光束(20)的引導(dǎo)可以與該照明線(34)的第一個方向上的采集器微鏡(14)的振蕩同步。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描儀，其中投影儀(10)包括一個用于限定照明線(34)的快門(90)，所述快門包括一個光學(xué)傳感器(92)，如此設(shè)置該光學(xué)傳感器使得當(dāng)移動光束(20)時可以建立光束(20)在照明線(34)內(nèi)的位置信息，并且投影儀(10)進(jìn)一步被配置為根據(jù)所建立的信息形成投影信號。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描儀，其中采集器(16)包括一個用于限定掃描區(qū)域(30)的快門(70)，所述快門(70)包括一個參考光源(72)，如此設(shè)置該參考光源使得在采集器微鏡(14)振蕩時，來自參考光源(72)的光束被偏轉(zhuǎn)到光探測器(18)上，并且該光探測器被配置為在接收到來自參考光源(72)的光束時輸出一個參考信號(80)，從中可以得出關(guān)于采集器微鏡(14)的振蕩特性的信息，采集器(16)還被配置為根據(jù)關(guān)于采集器微鏡(14)的振蕩特性的信息確定該檢測信號。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的掃描儀，還包括一個用于激勵采集器微鏡(14)的振蕩的振蕩激勵單元和一個控制單元，該控制單元被配置為根據(jù)參考信號來控制采集器微鏡(14)振蕩的振蕩頻率、振蕩幅度或振蕩相位。10.一種用于操作提供檢測物體(71)的表面起伏的可能性的掃描儀的方法，該掃描儀包括一個投影儀(10)，其被配置為引導(dǎo)表面起伏上方的照明線(34)內(nèi)的一個光束(20)，從而在該表面起伏上獲得一個被照亮的區(qū)域(22)，該投影儀(10)還被配置為輸出一個投影信號，從中可得出光束(20)在照明線(34)內(nèi)的位置；并且包括一個采集器(16)，其具有一個可以被激勵在兩個維度上振蕩的采集器微鏡(14)，還具有一個點狀光探測器(18)，該采集器微鏡(14)的振蕩位于照明線(34)的第一個方向上和不同于第一個方向的第二個方向上，從而使得在該采集器微鏡(14)的掃描區(qū)域(30)內(nèi)的被照亮的區(qū)域(22)的反射可以通過它在點狀光探測器(18)上成像，而且該采集器(16)還被配置為輸出一個檢測信號，從中可得出被照亮的區(qū)域(22)在第一和第二個方向上的位置；其中該方法包括以下步驟以線狀方式在物體的表面起伏上方的一條照明線(34)內(nèi)提供(110)并引導(dǎo)光束(20)，從而在該表面起伏上獲得一個被照亮的區(qū)域(22)，引導(dǎo)光束的步驟還包括確定光束(20)在該照明線(34)內(nèi)的位置并輸出(112)一個投影信號，從中可獲得光束(20)在照明線(34)內(nèi)的位置；并且利用可被激勵在兩個維度上振蕩的采集器微鏡(14)和所述點狀光探測器(18)來檢測(114)該被照亮的區(qū)域(22)的位置，檢測步驟還包括通過采集器微鏡(14)在第一和第二方向上的振蕩，把該被照亮的區(qū)域(22)的反射(24)成像到光探測器(18)上，檢測步驟還包括輸出(116)一個檢測信號，從中可得出被照亮的區(qū)域(22)在第一和第二個方向上的位置。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括以下步驟處理(118)投影信號和檢測信號，以提供檢測物體(71)表面起伏的可能性。12.一種計算機(jī)程序，其具有程序代碼，當(dāng)所述計算機(jī)程序在計算機(jī)上運行時用于執(zhí)行權(quán)利要求10或11所述的方法。全文摘要一種用于提供檢測物體的表面起伏的可能性的掃描儀，其包括投影儀，其被配置為在表面起伏上的一條照明線內(nèi)引導(dǎo)一個光束，從而在該表面起伏上獲得一個被照亮的區(qū)域，該投影儀還被配置為輸出一個投影信號，從中可得出光束在照明線內(nèi)的位置。另外，該掃描儀包括采集器，其具有一個可以被激勵在兩個維度上振蕩的采集器微鏡，還具有一個點狀光探測器，該采集器微鏡的振蕩位于該和照明線相同的第一個方向上和不同于第一個方向的第二個方向上，從而使得在該采集器微鏡的掃描區(qū)域內(nèi)的被照亮的區(qū)域的反射可以通過它在點狀光探測器上成像，并且該采集器被配置為輸出一個檢測信號，從中可得出被照亮的區(qū)域在第一和第二個方向上的位置。文檔編號G01B11/25GK1808059SQ20061000636公開日2006年7月26日申請日期2006年1月17日優(yōu)先權(quán)日2005年1月17日發(fā)明者烏維·謝林斯基,邁克爾·朔勒斯,亞歷山大·沃爾特申請人:弗蘭霍菲爾運輸應(yīng)用研究公司