專利名稱：三維測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維測(cè)量?jī)x，特別是涉及一種以液晶面板作為投射光束的控制元件，透過投射光束與測(cè)量回光的方式，測(cè)量物體的三維數(shù)據(jù)的測(cè)量裝置。
目前非接觸式三維測(cè)量法，可區(qū)分為被動(dòng)性立體法以及主動(dòng)性立體法。其中，被動(dòng)性立體法存在幾個(gè)較大的問題，分別為特征點(diǎn)不易求取、特征運(yùn)算耗時(shí)。因此，在重視可靠度的工業(yè)運(yùn)用中，其用途有限。所以主動(dòng)性立體法的三角測(cè)量法儼然已成為當(dāng)前三維測(cè)量法中的主流。有關(guān)主動(dòng)性立體法的三角測(cè)量法可參考美國第5,102,223號(hào)專利“測(cè)量三維彎曲表面形狀的方法與裝置”。如

圖1所示，一般的三維測(cè)量?jī)x主要包括有一產(chǎn)生細(xì)線光束(slitlight)的光源產(chǎn)生裝置10、一用于擷取圖像的圖像擷取裝置20、以及一圖像信號(hào)處理裝置30(可為一個(gè)人計(jì)算機(jī)或Industry PC)，其中的光源產(chǎn)生裝置10、圖像擷取裝置20、與一待測(cè)物體40間的相對(duì)位置為已知。
其測(cè)量方法是利用光源產(chǎn)生裝置10依序?qū)⒓?xì)線光束11投射在待測(cè)物體40的表面41上，并使細(xì)線光束11沿著圖中箭頭A所示的方向移動(dòng)于待測(cè)物體40的表面41，再利用圖像擷取裝置20依序擷取自待測(cè)物體40表面41反射回來的圖像，通過圖像信號(hào)處理裝置30即可計(jì)算出待測(cè)物體40的彎曲表面形狀。
再參閱圖2，說明一般產(chǎn)生細(xì)線光束的光源產(chǎn)生裝置的大致構(gòu)造。這種光源產(chǎn)生裝置主要是包括一激光光源產(chǎn)生器12、一柱狀透鏡(Cylindrical Lens)13及一轉(zhuǎn)動(dòng)式反射鏡14。其動(dòng)作方式是由激光光源產(chǎn)生器12產(chǎn)生激光點(diǎn)光源，此激光點(diǎn)光源經(jīng)過柱狀透鏡13轉(zhuǎn)換成一個(gè)細(xì)線光束11，該細(xì)線光束11在轉(zhuǎn)動(dòng)式反射鏡14的轉(zhuǎn)動(dòng)之下依序投射在物體40的表面41。
根據(jù)不同的演算方法，現(xiàn)今應(yīng)用于三維測(cè)量的光束樣式可依其產(chǎn)生的方式區(qū)分為點(diǎn)光束投影法、細(xì)線光束投影法、階梯光束投法、多縫光束投影法。但是在現(xiàn)有光束產(chǎn)生的技術(shù)中，為得精確而平均地投影光束，均是以激光為投射光源，并配合其他機(jī)構(gòu)，故無法以單一機(jī)構(gòu)產(chǎn)生上述各種投影法。而且，前述的光源產(chǎn)生裝置均需配合一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以控制光束能依序投射在物體表面。此種機(jī)構(gòu)需要驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，不但機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，且需額外控制。
本發(fā)明的目的在于提供一種將液晶面板應(yīng)用在細(xì)線光束的光源產(chǎn)生裝置上，以此彈性控制光束樣式的三維測(cè)量?jī)x。
本發(fā)明的另一目的是提供一種不需機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的光源產(chǎn)生裝置的三維測(cè)量?jī)x。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即提供一種三維測(cè)量?jī)x，包括一光源產(chǎn)生裝置、一圖像擷取裝置以及一控制裝置，所述光源產(chǎn)生裝置產(chǎn)生光源，用以照射在待測(cè)量物體，所述圖像擷取裝置則用來擷取自所述待測(cè)量物體返回的圖像，所述光源產(chǎn)生裝置包括一發(fā)光元件，用以產(chǎn)生光源；一偏極光轉(zhuǎn)換器，用以將該光源轉(zhuǎn)換為單一偏極性的光線輸出；一液晶面板，接收所述偏極光轉(zhuǎn)換器輸出的光線，并經(jīng)由所述控制裝置控制而產(chǎn)生另一所需的投射光束；以及一投射鏡頭，用來將所述液晶面板所傳來的所述投射光束投影在所述物體上。
在進(jìn)行三維測(cè)量操作時(shí)，由發(fā)光元件發(fā)出光線，并通過透鏡陣列(integrator)將光線均質(zhì)化(uniform)，接著光線由偏極光轉(zhuǎn)換器將光線極化后，由分光棱鏡(Polarizing beam splitter-LCD)改變其行進(jìn)的方向，而射入液晶面板，再由對(duì)液晶面板的控制，使得自液晶面板射出的投射光束，由投射鏡頭投射在物體表面。如此，以圖像擷取裝置擷取自物體表面返回的圖像，再利用一般演算方式計(jì)算求得物體表面的形狀。
而另一可行的實(shí)施例則是以一發(fā)光元件、一透鏡陣列、一偏極光轉(zhuǎn)換器、一濾光鏡(filter)、一穿透式液晶面板(LCD panel)以及一投射鏡頭(Projection lens)構(gòu)成該光源產(chǎn)生裝置。
在進(jìn)行三維測(cè)量操作時(shí)，由發(fā)光元件發(fā)出光線，并由透鏡陣列將光線均質(zhì)化(uniform)，接著光線由偏極光轉(zhuǎn)換器將光線極化后，射入液晶面板，再由對(duì)液晶面板的控制，使得自液晶面板透射出的投射光束，由投射鏡頭投射在物體表面。如此，以圖像擷取裝置擷取自物體表面返回的圖像，再利用一般演算方法計(jì)算求得物體表面的形狀。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1為一般三維測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有以激光所構(gòu)成的光源產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的光源產(chǎn)生裝置第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明的光源產(chǎn)生裝置第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的偏極光轉(zhuǎn)換器的光學(xué)功能示意圖。
請(qǐng)參閱圖1和圖3，本發(fā)明的三維測(cè)量?jī)x與傳統(tǒng)的三維測(cè)量?jī)x的基本組成相似，包括光源產(chǎn)生裝置10、圖像擷取裝置20、以及圖像信號(hào)處理裝置30三部分，其不同點(diǎn)為光源產(chǎn)生裝置10的設(shè)計(jì)。本發(fā)明的光源產(chǎn)生裝置10又可由下列的幾種實(shí)施例加以實(shí)現(xiàn)，說明如下。
在圖3所揭示的第一種實(shí)施例中，光源產(chǎn)生裝置10是由一發(fā)光元件15(如燈泡)、一包括有第一均質(zhì)透鏡1610和第二均質(zhì)透鏡1611的透鏡陣列(integrator)161、一偏極光轉(zhuǎn)換器16、一聚光鏡片162、一分光棱鏡(PBS)17、一液晶面板(LCD panel)18a(在這個(gè)例子之中，液晶面板18為反射式)以及一投射鏡頭(Projection lens)19等所構(gòu)成。此外，更可在發(fā)光元件15的后方設(shè)置一反射器151，而形成一種發(fā)光元件15處于反射器151與偏極光轉(zhuǎn)換器16之間的配置關(guān)系。由該反射器151一方面可使發(fā)光元件15所送出的可見光源均朝同一方向前進(jìn)(即射入偏極光轉(zhuǎn)換器16)，另一方面則可將不可見光予以吸收。
由于發(fā)光元件15所射出的光線經(jīng)反射器151的作用后會(huì)有不平均的現(xiàn)象，因此可先由透鏡陣列161的第一均質(zhì)透鏡1610和第二均質(zhì)透鏡1611將其均值化。由于線性偏極光分為S性(Sigma)偏極光及P性(Parallel)偏極光，且其電場(chǎng)方向相差90度，而不能同時(shí)被反射式液晶面板18a所利用。故為了增強(qiáng)光源的強(qiáng)度，可利用一偏極光轉(zhuǎn)換器16將S性偏極光轉(zhuǎn)成P性偏極光，或?qū)性偏極光轉(zhuǎn)換成S性偏極光，并且將不同偏極性的偏極光融合為具有單一偏極性的偏極光而輸出至反射式液晶面板18a。接著利用聚光鏡片(condenser)162讓具有單一偏極性的偏極光聚集，而不至于發(fā)散。由聚光鏡片162所傳來的偏極光線經(jīng)由分光棱鏡17反射至液晶面板18a，如圖3中所示，偏極光轉(zhuǎn)換器16與反射式液晶面板18a的光軸形成一約為九十度的夾角。由于該光源已被偏極光轉(zhuǎn)換器16極化成單一的S性偏極光或P性偏極光，因此分光棱鏡17設(shè)計(jì)成可讓S性偏極光反射而讓P性偏極光穿透，或是可讓S性偏極光穿透而讓P性偏極光反射，藉此分光棱鏡17可將來自于偏極光轉(zhuǎn)換器16的光源反射至反射式液晶面板18a，但使反射式液晶面板18a反射而回且其電場(chǎng)方向已相差90度的偏極光線再穿透分光棱鏡17，而射至投射鏡頭19。
反射式液晶面板18a可由控制電路控制其ON或OFF狀態(tài)，如ON的狀態(tài)可反射光線，相反的OFF狀態(tài)不反射偏極光線。因此，根據(jù)所需的光束樣式來控制反射式液晶面板18a，即可將分光棱鏡17所傳來的偏極光線以所需的樣式反射。由反射式液晶面板18a所反射的光線穿過分光棱鏡17后，由投射鏡頭19投射在物體表面。由于，反射式液晶面板18a在反射的同時(shí)，會(huì)將S性偏極光轉(zhuǎn)成P性偏極光，或?qū)性偏極光轉(zhuǎn)成S性偏極光，因此由分光棱鏡17所反射的光線，經(jīng)由該液晶面板18a反射后又可穿透分光棱鏡17。
前述的偏極光轉(zhuǎn)換器16的作用包括首先將發(fā)光元件15所送出的可見光源的某一偏極光(P性偏極光或S性偏極光轉(zhuǎn)換為與另一個(gè)極性相同的偏極光(S性偏極光或P性偏極光)，而在轉(zhuǎn)換的過程中此一轉(zhuǎn)換完成的偏極光比其另一未經(jīng)轉(zhuǎn)換的偏極光略微延遲，但偏極性相同，最后再將具有相同偏極性的偏極光融合(merge)在一起而成為具有單一種偏極性的偏極光，以避免光源的光能損失，并且使光能可全數(shù)被反射式液晶面板18a所利用。
所以這樣偏極光轉(zhuǎn)換器16實(shí)質(zhì)上是由數(shù)種具有不同光學(xué)功能的光學(xué)元件所組成，已知的實(shí)現(xiàn)方式有許多種，例如可以將前述的透鏡陣列161的第二均質(zhì)透鏡1611，聚光鏡片(condenser)162與一極化光學(xué)元件163，以及一極性轉(zhuǎn)換元件164整合為一體，而成為該偏極光轉(zhuǎn)換器16。
其中的極化光學(xué)元件163，可以是例如圖5所示，利用布魯斯特角(Brewster angle)方法來造成，當(dāng)光源(Light Source)射入極化光學(xué)元件163之后，由于布魯斯特角的現(xiàn)象，光源將會(huì)被分離為兩道偏極光線(一者為P性偏極光p，另一者則為S性偏極光s)，其中一者(假設(shè)為S性偏極光)依序穿過極化光學(xué)元件163，極性轉(zhuǎn)換元件164以及聚光鏡片162之后，而射至分光棱鏡17；另一者(假設(shè)為P性偏極光)則再經(jīng)過一次反射，而以略微延遲(delay)的關(guān)系，經(jīng)過極性轉(zhuǎn)換元件164轉(zhuǎn)換為S性偏極光s，再與前述的S性偏極光s融合輸出，以確保光源的強(qiáng)度不會(huì)減弱。
請(qǐng)參閱圖4，為本發(fā)明光源產(chǎn)生裝置的第二種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中揭露了利用穿透式液晶面板18b組成光源產(chǎn)生裝置的實(shí)現(xiàn)方式。如圖所示，光源產(chǎn)生裝置包括有發(fā)光元件15(如燈泡)、一偏極光轉(zhuǎn)換器16、一液晶面板18b(在這個(gè)實(shí)施例子中為穿透式液晶面板)、以及一投射鏡頭19；同樣地，也可在發(fā)光元件15的后方設(shè)置一反射器151，由該反射器151一方面可使發(fā)光元件15所送出的可見光源均朝同一方向前進(jìn)(即射入偏極光轉(zhuǎn)換器16，另一方面則可將不可見光予以吸收。
再利用前述的偏極光轉(zhuǎn)換器16將發(fā)光元件15所送出的可見光源轉(zhuǎn)換成具有單一種極性的偏極光(如前所述)，然后射至穿透式液晶面板18b，同樣地，再由控制電路控制穿透式液晶面板18b為ON或OFF狀態(tài)，如ON的狀態(tài)可供光線穿透，OFF狀態(tài)則不讓光線穿透。因此，根據(jù)所需的光束樣式來控制穿透式液晶面板18b，即可將偏極光轉(zhuǎn)換器16所傳來的光線以所需的樣式輸出，最后通過投射鏡頭19投射在物體表面。
如此，以圖像擷取裝置擷取自物體表面返回的圖像，再利用一般演算方法計(jì)算就可求得物體表面的形狀。當(dāng)然，還可以在偏極光轉(zhuǎn)換器16與穿透式液晶面板18b之間的光路中設(shè)置一濾光鏡(filter)50，以維持光源的品質(zhì)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不限于以上述的硬件裝置的實(shí)施，凡任何熟悉此項(xiàng)技術(shù)人員在本發(fā)明的領(lǐng)域內(nèi)所做的任何修飾，具有同等功效者，均應(yīng)含蓋于所附的權(quán)利要求內(nèi)。
本發(fā)明裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，透過控制光線在液晶面板的穿透(或反射)與否，可隨待測(cè)物體的不同與實(shí)際測(cè)量的需求，改變投射光束的形式，而且無須設(shè)置動(dòng)力機(jī)構(gòu)來移動(dòng)光源產(chǎn)生裝置，便可掃描待測(cè)物體的整個(gè)表面。
權(quán)利要求
1.一種三維測(cè)量?jī)x，包括一光源產(chǎn)生裝置、一圖像擷取裝置以及一控制裝置，所述光源產(chǎn)生裝置產(chǎn)生光源，用以照射在待測(cè)量物體，所述圖像擷取裝置則用來擷取自所述待測(cè)量物體返回的圖像，其特征在于，所述光源產(chǎn)生裝置包括一發(fā)光元件，用以產(chǎn)生光源；一偏極光轉(zhuǎn)換器，用以將該光源轉(zhuǎn)換為單一偏極性的光線輸出；一液晶面板，接收所述偏極光轉(zhuǎn)換器輸出的光線，并經(jīng)由所述控制裝置控制而產(chǎn)生另一所需的投射光束；以及一投射鏡頭，用來將所述液晶面板所傳來的所述投射光束投影在所述物體上。
2.如權(quán)利要求1所述的三維測(cè)量?jī)x，其中該發(fā)光元件為一燈泡。
3.如權(quán)利要求1所述的三維測(cè)量?jī)x，其中該光源產(chǎn)生裝置更包括一反射器，用以使該發(fā)光元件所發(fā)出的光源均射入該偏極光轉(zhuǎn)換器。
4.如權(quán)利要求1所述的三維測(cè)量?jī)x，其中該液晶面板是由所述控制裝置的控制，將該偏極光轉(zhuǎn)換器所輸出的光線反射至該投射鏡頭。
5.如權(quán)利要求4所述的三維測(cè)量?jī)x，其中還包括有一分光棱鏡，用以將該偏極光轉(zhuǎn)換器所輸出的光線反射至該液晶面板，并且可讓該液晶面板反射的光線穿透而射至該投射鏡頭。
6.如權(quán)利要求1所述的三維測(cè)量?jī)x，其中該液晶面板是由所述控制裝置的控制，使該偏極光轉(zhuǎn)換器所輸出的光線透射至該投射鏡頭。
7.如權(quán)利要求6所述的三維測(cè)量?jī)x，其中在該液晶面板與該偏極光轉(zhuǎn)換器之間還設(shè)有一濾光鏡。
8.如權(quán)利要求1所述的三維測(cè)量?jī)x，其中該偏極光轉(zhuǎn)換器包括有整合為一體的一極化光學(xué)元件，用以將該發(fā)光元件發(fā)出的光源轉(zhuǎn)換為線性偏極光，以及一極性轉(zhuǎn)換元件，用以將該極化光學(xué)元件所轉(zhuǎn)換完成的線性偏極光整合為具有單一極性的偏極光。
9.如權(quán)利要求1所述的三維測(cè)量?jī)x，其中還包括有一透鏡陣列，用以均質(zhì)化該發(fā)光元件發(fā)出的光源。
10.如權(quán)利要求8所述的三維測(cè)量?jī)x，其中該偏極光轉(zhuǎn)換器還包括有一體整合于該極性轉(zhuǎn)換元件的聚光鏡片，用以將所述具有單一極性的偏極光集中輸出。
全文摘要
一種三維測(cè)量?jī)x,應(yīng)用于物體表面的測(cè)量,可在獲取物體的表面數(shù)據(jù)后,通過圖像處理及空間運(yùn)算的技術(shù),重建物體表面的三維圖像。本發(fā)明所揭露的技術(shù)特點(diǎn)是利用具有液晶面板的光源投射裝置來取代一般以激光作為測(cè)量時(shí)光源的投射機(jī)構(gòu),由控制液晶面板的輸出變化,調(diào)制投射機(jī)構(gòu)的射出光束的形式,以便能由圖像擷取裝置捕獲反射自物體表面的相應(yīng)于物體表面數(shù)據(jù)的圖像。
文檔編號(hào)G02F1/1335GK1274090SQ99106609
公開日2000年11月22日 申請(qǐng)日期1999年5月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月14日
發(fā)明者沈昌翰 申請(qǐng)人:全友電腦股份有限公司