使用结构化探测光束的3D扫描仪[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 10927 A(43)申请公布日 2019.04.16

(21)申请号 2017800516.2(22)申请日 2017.06.23(30)优先权数据

PA201670455 2016.06.24 DK(85)PCT国际申请进入国家阶段日

2019.02.22(86)PCT国际申请的申请数据

PCT/EP2017/065553 2017.06.23(87)PCT国际申请的公布数据

WO2017/220786 EN 2017.12.28(71)申请人 3 形状股份有限公司

地址 丹麦哥本哈根

(72)发明人 拉斯马斯·克耶尔　T·A·霍加德　

H·谢林　

权利要求书1页 说明书9页 附图5页

(74)专利代理机构 北京世峰知识产权代理有限

公司 11713

代理人 卓霖　许向彤(51)Int.Cl.

G01B 11/25(2006.01)A61C 9/00(2006.01)A61C 13/00(2006.01)A61C 19/04(2006.01)G02B 26/10(2006.01)G02B 27/24(2006.01)H04N 1/04(2006.01)H04N 1/00(2006.01)

(54)发明名称

使用结构化探测光束的3D扫描仪(57)摘要

公开了一种用于记录物体的3D构型的3D扫描仪，该3D扫描仪包括：-投射器单元，被配置成用于将结构化探测光束投射到物体上；-成像单元，被布置成在物体被结构化探测光束照射时获取物体的2D图像；和-致动器单元，被布置成通过绕枢转轴线旋转投射器单元的可移动部分来控制结构化探测光束在物体处的位置，该致动器单元包括旋转马达，该旋转马达包括轮或被布置成驱动轮，其中操作性地联接到投射器单元的可移动部分的轮的表面具有距旋转马达的轴线的随旋转而变化的径向距离。

CN 10927 ACN 10927 A

权　利　要　求　书

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1.一种用于记录物体的数字3D表示的3D扫描仪，所述3D扫描仪包括：-投射器单元，被配置成用于将结构化探测光束投射到所述物体上；-成像单元，被布置成在所述物体被所述结构化探测光束照明时获取所述物体的2D图像；和

-致动器单元，被布置成通过绕枢转轴线旋转所述投射器单元的可移动部分来控制所述结构化探测光束在所述物体处的位置，所述致动器单元包括旋转马达，所述旋转马达包括轮或被布置成驱动轮，其中，操作性地联接到所述投射器单元的可移动部分的所述轮的表面具有距所述旋转马达的轴线的、随所述旋转而变化的径向距离。

2.根据权利要求1所述的3D扫描仪，其中，所述枢转轴线基本上垂直于所述投射器单元的光轴并与所述投射器单元的光轴相交。

3.根据权利要求1或2所述的3D扫描仪，其中，所述致动器单元包括被布置成与所述轮表面接触的低摩擦元件，其中，所述低摩擦元件操作性地联接到所述投射单元的所述可移动部分。

4.根据权利要求1、2或3所述的3D扫描仪，其中，所述致动器单元被布置成直接接合所述投射器单元的所述可移动部分。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的3D扫描仪，其中，传力构件是所述投射器单元的所述可移动部分的一部分或附接到所述投射器单元的所述可移动部分，并且其中，所述致动器单元被布置成接合所述传力构件的远端。

6.根据权利要求1至5中任一项或多项所述的3D扫描仪，其中，所述轮表面是偏心的或者根据阿基米德螺旋而成形。

7.根据权利要求1至6中任一项或多项所述的3D扫描仪，其中，所述轮表面是光滑的。8.根据权利要求5至7中任一项或多项所述的3D扫描仪，其中，所述传力构件包括细长构件。

9.根据权利要求8所述的3D扫描仪，其中，所述细长构件的长度为至少2cm，例如至少3cm，例如至少5cm，例如至少8cm，例如至少10cm，例如至少15厘米。

10.根据权利要求1至9中任一项或多项所述的3D扫描仪，其中，所述旋转马达的轴线垂直于所述投射器单元的光轴。

11.根据权利要求1至10中任一项或多项所述的3D扫描仪，其中，所述投射器单元包括光源和掩模，所述掩模被布置成将结构引入探测光束中，其中，所述掩模具有固定的几何形状。

12.根据权利要求1至11中任一项或多项所述的3D扫描仪，其中，所述成像单元相对于构架固定。

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使用结构化探测光束的3D扫描仪

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技术领域

[0001]本申请涉及用于记录物体的数字三维(3D)表示的物体3D扫描。特别地，本申请涉及能够在被扫描的物体上移动探测光束的位置的3D扫描仪。一种应用是在牙医业内，特别是用于在台式扫描仪中扫描牙印模或物理牙模型。

背景技术

[0002]通过将探测光束投射到被扫描的物体上而操作的3D扫描仪，例如3Shape D2000台式扫描仪，是现有技术中已知的。这种3D扫描仪基本上通过将光束，例如具有规则白线图案的光束，投射到被扫描的物体上来起作用。投射的光束中的一些光从物体表面反射并由3D扫描仪的成像单元的一个或多个相机捕获，以获取投射的探测光的2D图像。当例如在2D图像中检测到结构化光图案中的线时，公认的投射几何学(例如三角测量)可用于得出物体表面的3D坐标。然后，物体和3D扫描仪的光学系统的至少一部分相对于彼此移动，例如，通过物体的旋转和/或投射器单元和成像单元的线性移动，并且获取新的2D图像，从该2D图像得出物体的其他区域的3D坐标。

[0003]当结构化探测光束位于物体表面上的一个位置时，将仅从结构化探测光束的较亮部分照明的表面区域获得数据。然后，可以通过在样品上移动结构化探测光束一段小于线图案周期的距离来获得“线之间”的数据。在物体上移动结构化光束使得可以获取足够的数据以重建物体的表面并将其表达为物体的数字3D表示。当从没有任何“暗点”的整个扫描区域获得数据时，可以从所获取的2D图像生成物体的精确数字3D表示。[0004]在一些现有技术的3D扫描仪中，结构化探测光束在物体上的逐渐移动通常通过使用昂贵的高精度平移台而相对于物体移动包括光源、透镜系统和成像单元的光学系统的至少一部分来实现。

发明内容

[0005]公开了一种用于记录物体的数字3D表示的3D扫描仪，该3D扫描仪包括：[0006]-投射器单元，被配置成用于将探测光束投射到物体上；[0007]-成像单元，被布置成在物体被探测光束照明时获取物体的2D图像；和[0008]-致动器单元，被布置成通过调整投射器的可移动部分的取向和/或位置来控制探测光束在物体处的位置。

[0009]致动器单元调整投射器单元的可移动部分的取向和/或位置，使得探测光束在物体上移动，同时扫描仪构架本身相对于物体仍然保持基本静止。当探测光束在物体上移动时，可以从表面的整个扫描区域获得数据。

[0010]可以优选地逐渐调整可移动部分的取向和/或位置，从而提供探测光束在被扫描的物体上的位置的逐渐移动。这允许在结构化探测光束在物体表面上平滑地移动且从结构化探测光束光图案中的相对薄亮的图案部分获得高分辨率数据的情况下进行扫描。即在被扫描的物体处结构化探测光束中，在结构尺度上移动是平滑的，例如当在结构化的探测光

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束上结构具有带有一个方向上的周期性变化的图案，并且可移动部分的取向和/或位置的任何逐步调整以使得在一步期间图案的位置的变化明显小于该周期性变化(例如至少为1/5，例如至少1/10，例如至少1/15，例如至少1/20)时。[0011]在扫描期间，物体和3D扫描仪被布置成使得物体位于3D扫描仪的扫描体积中。在一些实施例中，扫描仪是台式扫描仪。这种台式3D扫描仪通常具有用于物体的支架，其确保物体相对于扫描体积正确放置。对于快速3D扫描仪，例如可以使用本申请中公开的构思实现的3D扫描仪，扫描可以足够快，使得在扫描期间可以用手握住物体而不会有摇动引发的模糊导致记录的数字3D表示不准确。

[0012]可以从所获取的2D图像得出物体的数字3D表示。2D图像的处理可以由3D扫描仪的数据处理单元来执行，在所获取的2D图像从3D扫描仪被传送到的外部单元中执行，或者处理的一部分可以在3D扫描仪中执行，而另一部分可以在外部单元中执行。外部单元可以是个人计算机或专用数据处理单元，其形成扫描仪系统的一部分，该扫描仪系统还包括3D扫描仪。即，在一些实施例中，3D扫描仪包括或连接到数据处理单元，该数据处理单元包括计算机可读介质，在该计算机可读介质上存储有计算机程序产品，该计算机程序产品被配置成用于基于所获取的2D图像生成至少表达物体的3D形貌的数字3D表示。

[0013]投射器单元的可移动部分可以保持投射器单元的一个或多个部件，例如投射器单元的所有部件。

[0014]在一些实施例中，通过绕枢转轴线旋转投射器单元的可移动部分来调整取向。[0015]投射器单元沿着由光学部件及其在投射器单元中的相对布置限定的光轴发射探测光。改变投射器单元的可移动部分相对于扫描仪构架的取向，使得投射器单元的光轴相对于扫描仪构架的角度改变。因此，可移动部分的旋转使得探测光束在位于扫描仪的扫描体积中的物体上移动。即，致动器单元可以通过绕枢转轴线旋转投射器单元的可移动部分来控制探测光束在物体上的位置。

[0016]投射器单元的光轴角度和到布置在扫描体积中的物体的距离确定了探测光束在物体上的横向位置。因此，对于固定距离，光束在物体上的平移由光轴相对于构架的角度的变化来确定。

[0017]在本发明的上下文中，短语“横向位置”指的是在基本垂直于物体处的探测光束的光轴的平面中的探测光束的位置，而“横向平面”是基本上垂直于物体处探测光束的光轴的平面。

[0018]在一些实施例中，枢转轴线基本垂直于投射器单元的光轴。[0019]在一些实施例中，枢转轴线与投射器单元的光轴相交。

[0020]使枢转轴线基本上垂直于光轴并与光轴相交提供了可移动部分的旋转和探测光束在3D扫描仪的扫描体积中(即放置在扫描体积中的物体上)的移动之间的最简单关系。[0021]在一些实施例中，探测光束是结构化光束，其包括横向平面中的空间结构。[0022]当探测光束中的结构在垂直于投射器单元的光轴的一个方向上是均匀的时，即当该结构没有沿该方向变化的特征时，旋转轴线优选地平行于该均匀方向。至少枢转轴线不应垂直于均匀方向和光轴，因为这种设计将仅使结构化光束沿均匀方向移动而不是各处移动结构化光束。

[0023]在一些实施例中，致动器单元包括旋转马达，该旋转马达包括或被布置成驱动轮，

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其中操作性地联接到投射器单元的可移动部分的轮的表面具有随着旋转而变化的距旋转马达的轴线的径向距离。[0024]例如，从轮的传力外表面到轮中心的距离可以随旋转轮的很大一部分圆周而增加。

[0025]因此，公开了一种用于记录物体的数字3D表示的3D扫描仪，该3D扫描仪包括：[0026]-投射器单元，被配置成用于将探测光束投射到物体上；[0027]-成像单元，被布置成在物体被探测光束照明时获取物体的2D图像；和[0028]-致动器单元，被布置成通过绕枢转轴线旋转投射器单元的可移动部分来控制探测光束在物体处的位置，所述致动器单元包括旋转马达，该旋转马达包括或布置成驱动轮，其中操作性地联接到投射器单元的可移动部分的轮的表面具有随旋转而变化的距旋转马达的轴线的径向距离。

[0029]与现有技术解决方案相比，使用轮控制投射器单元的可移动部分的取向(轮具有表面，该表面具有与角度相关的径向距离，即当轮表面不遵循圆形时)，提供了用于精确控制探测光束位置的低成本解决方案。[0030]在本公开的上下文中，短语“轮表面”指的是操作性地联接到投射器单元的表面。[0031]通过投射器单元的取向控制探测光束在被扫描的物体上的位置的一个优点是可以在保持物体和扫描仪构架静止的同时逐渐地和动态地改变光束位置。可移动部分的位置和/或取向的逐渐且平滑的改变例如使得可以简单地通过2D图像的获取的定时来确定两个随后获取的2D图像之间的图案位置的移动。

[0032]致动器单元可以直接操作性地联接到投射器单元的可移动部分，或者通过一个或多个中间部件间接地联接到投射器单元的可移动部分。[0033]在一些实施例中，致动器单元布置成直接接合投射器单元的可移动部分。这可以例如通过将致动器单元放置在可移动部分旁边从而提供非常紧凑的扫描仪设计来实现。[0034]在一些实施例中，旋转马达的轴线垂直于投射器单元的光轴。当马达绕垂直于光轴的轴线旋转时，轮的表面沿光轴移动，由此投射器单元的可移动部分的旋转提供探测光束在物体表面上的平移。

[0035]当在轮旋转时表面的径向距离增加时，致动器直接或者通过中间部件向投射器单元的可移动部分提供推动。该推动使可移动部分绕枢转轴线旋转。与细长的传力构件一起，这提供了简单且紧凑的设计，从而提供探测光束在物体上的高度精确的移动。[0036]在一些实施例中，轮表面是光滑的，即没有例如传动装置齿(gearing teeth)。这提供了投射器单元的旋转的平滑和逐渐的移动，并因此提供了结构化光图案在物体上的位置的平滑和逐渐的移动。而且，避免传动装置齿的优点在于可以减轻或完全避免在改变方向时的滞后和松弛。

[0037]轮表面可以涂有例如特氟龙涂层，以减少摩擦。低摩擦表面的优点在于，可以实现投射器单元的可移动部分的平滑且连续的旋转，使得结构化光束可以在物体上连续移动，而不会由于轮和它所接合的部件之间的粘连和滑动型移动而突然跳跃。[0038]在一些实施例中，致动器单元包括布置成与所述轮表面接触的低摩擦元件，其中低摩擦元件操作性地联接到投射器单元的可移动部分。[0039]然后，轮的表面通过低摩擦元件操作性地联接到投射器单元的可移动部分，当轮

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的半径增大时，该低摩擦元件例如提供对投射器的可移动部分的推动。[0040]如本领域技术人员可以确定的，低摩擦元件可以以各种形式构造。例如，低摩擦元件可以是低摩擦球或滚子，其也可以减小接触表面的面积并因此减小摩擦。这些实施例可优于低摩擦涂层，以减轻或避免与涂层磨损有关的问题。[0041]在一些实施例中，致动器单元包括活塞，该活塞布置成直接或者通过传力元件控制投射器的可移动部分的位置。[0042]在一些实施例中，轮表面是偏心的或根据阿基米德螺旋而成形。[0043]在阿基米德螺旋形轮中，传力表面与轮中心的径向距离随着轮圆周的大部分上的旋转角度线性增加。因此，马达的旋转角度被转换成可移动部分的旋转，该旋转与马达旋转角度成正比。

[0044]这是有利的，因为它在旋转马达角度和被扫描的物体上结构化探测光束的平移之间提供了简单的关系。

[0045]在一些实施例中，传力构件是投射器单元的可移动部分的一部分或附接到投射器单元的可移动部分，并且致动器单元布置成接合该传力构件的远端。[0046]该传力构件操作性地联接到致动器单元，允许致动器单元控制投射器单元的可移动部分相对于3D扫描仪的构架和/或成像单元的取向。

[0047]传力构件可以直接附接到投射器单元或者经由中间部件附接到投射器单元，该中间部件提供传力构件和投射器单元的可移动部分的固定相对布置。[0048]在一些实施例中，传力构件包括细长构件。[0049]具有垂直于枢转轴线布置的细长的传力构件，其中细长元件在枢转轴线与致动器单元接合传力构件且因此操作性地联接到投射器单元的可移动部分的点之间引入距离，使得对于致动器单元中的给定变化，可移动部分的旋转较小。细长的传力构件越长，越容易控制投射器单元的旋转并因此越容易控制结构化探测光束在物体表面上的移动。[0050]在一些实施例中，细长构件的长度为至少2cm，例如至少3cm，例如至少5cm，例如至少8cm，例如至少10cm，例如至少15cm。[0051]在一些实施例中，细长构件的长度与细长构件的横截面尺寸之间的比率为至少2，例如至少3，例如至少5，例如至少10，例如至少20。

[0052]3D扫描仪可以具有控制单元或连接到控制单元，例如个人计算机，其中控制单元具有编码有计算机程序产品的非暂时性计算机可读介质。[0053]可以执行3D扫描仪的校准，以确定探测光束的偏移与旋转马达的旋转角度之间的精确相关性。计算机程序产品可以考虑这种相关性，使得可以提供探测光束在物体处的恒定移动速度。旋转马达角度与光束位置相关性也可以用于建立在给定旋转角度下使用成像单元记录的2D图像之间的关联，以便知道当记录给定2D图像时探测光束的位置。[0054]在一些实施例中，投射器单元包括光源和掩模，掩模被布置成将结构引入探测光束中。

[0055]在一些实施例中，掩模具有固定的几何形状。

[0056]具有固定几何形状的掩模具有的优点是其提供了相对于例如MEMS阵列解决方案的低成本解决方案。

[0057]掩模可以是具有例如交替的透射率较高或较低的区域的透射掩模，使得一些区域

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透射来自光源的较大部分的入射光，从而在探测光束中形成结构。可以通过在透明基板(例如玻璃板)上限定较低透射率的区域来实现该掩模。这可以例如通过如下方式来实现：在板的一个表面上沉积反射或吸收材料以限定透射较低的区域，从而限定探测光束中的结构。[0058]掩模也可以是反射掩模，其中一些区域反射较大部分的光，使得结构形成在由掩模反射的光束中。

[0059]具有在掩模平面中延伸的平行线的周期性图案的掩模将在探测光束中提供具有数个等间隔线的大致周期性结构。备选地，掩模可以限定单线光束，散斑图案光束或光点。[0060]当结构化探测光束具有在一个横向方向上基本均匀并在第二横向方向上变化的图案时，例如当图案包括在垂直于探测光束的光轴的平面中延伸的数条线时，结构化光束优选地在垂直于线和投射器单元的光轴的方向上移动，即图案优选地沿第二方向移动。因此，可以获得整个表面的数据，而不仅仅是从在一个时间点由线照明的物体表面的一部分获得数据。

[0061]对于具有等间隔线的周期性结构的探测光束，亮区的宽度与线图案的周期之间的比率可以低于0.25，例如低于0.2，例如低于0.1，例如低于0.05，例如低于0.02。较低的比率，即相对于图案周期的较细的线，以延长的扫描时间为代价提供了较高的扫描空间分辨率。

[0062]在一些实施例中，探测光束中的结构使得在基本上横向于投射器单元的光轴的平面中，光强度根据棋盘格图案的图案而变化，棋盘格图案具有交替的相对较亮和相对较暗的区域，其中棋盘格图案优选地在该图案的实质部分上具有基本均匀的周期性。[0063]代替使用光源和图案生成元件，光源本身可以提供图案化光，例如当光源包括光发射器阵列时，例如具有布置在LED阵列中的多个LED芯片的多芯片LED，其中光发射器布置成使得来自发射器的光限定探测光的图案。[00]当图案包括多个单独的图案片段时，该方法可以包括识别每个记录的2D图像中的图案的单独的图案片段。[0065]在一些实施例中，致动器单元包括平移台，该平移台布置成控制掩模在垂直于投射器单元的光轴的平面中的位置。[0066]然后，通过使用平移台控制掩模的位置，可以在物体上移动物体上的结构化探测光束中的图案。与整个投射器单元和成像单元移动的系统相比，这是有利的，因为移动的质量显著降低，从而降低了对平移台的要求。[0067]在一些实施例中，可移动部分包括形成光束引导液体透镜的一层或多层流体透明材料，并且致动器单元被配置为通过调整施加到层的电场来控制该透镜的形式。[0068]当调整电场时，至少一层透明材料改变形式。[0069]在一些实施例中，流体透镜对于第一电场强度是楔形的。当这种楔形透镜放置在光路中时，探测光束的光轴改变方向，其中方向的改变取决于楔角。当电场强度变为第二值时，流体透镜改变形式为第二形状，其不同于第一电场强度的楔形。[0070]因此，当将电场强度从第一值改变到第二值时，在流体透镜之后光轴的方向改变并且结构化探测光束的图案在物体表面上移动。[0071]在一些实施例中，流体透镜的第二形状也是楔形，其中第一和第二电场强度下的楔角具有相反的符号。

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在一些实施例中，流体透镜的第二形状是基本上平坦的。

[0073]在一些实施例中，成像单元相对于构架固定。

[0074]在结构化探测光束在被扫描的物体上移动的同时将成像单元固定到构架提供了以下优点：可以避免昂贵的高精度线性轴/平移台，否则其将用于相对较重的成像单元的精确移动，且因此可以实现低成本的3D扫描仪。[0075]在一些实施例中，3D扫描仪包括复位弹簧，该复位弹簧布置成向传力构件和致动器单元施加相反的力。

[0076]这提供了改进对投射器单元的可移动部分的旋转和/或移动的控制的优点。[0077]在一些实施例中，投射器单元包括用于将掩模成像到物体上的透镜系统。该透镜系统布置成接收结构化探测光束的至少一部分，并将结构化探测光束的图案成像到物体上。

[0078]光源、图案生成元件和透镜系统都可以是投射器单元的可移动部分的一部分。[0079]在一些实施例中，致动器单元包括马达单元或压电单元。[0080]在一些实施例中，可移动部分包括透镜系统的至少一个部件。当例如平移或旋转布置在光路中的聚焦透镜时，它可以移动探测光图案在物体上的位置。[0081]在一些实施例中，致动器单元被配置成用于周期性地改变投射器单元的取向和/或位置，使得提供探测光束图案在物体上的周期性移动。

[0082]成像单元包括以固定的相对布置来设置的至少一个图像传感器，例如，两个或四个图像传感器。图像传感器可以例如是彩色或单色2D相机。[0083]在一些实施例中，3D扫描仪包括由构架支撑的物体支撑表面。3D扫描仪可包括用于控制物体支撑表面相对于成像单元的取向和位置的器件。[0084]在一些实施例中，3D扫描仪包括连接到致动器单元的控制单元，用于控制结构化探测光束在物体上的平移。[0085]在一些实施例中，光源是多色光源，例如白光源。[0086]在一些实施例中，成像单元中的图像传感器中的至少一个能够记录物体的彩色2D图像。这允许记录还表达物体颜色的该物体的数字3D表示。彩色图像传感器可以是具有滤色器—例如Bayer滤色器—的CCD。

[0087]公开了一种用于记录物体的数字3D表示的方法，该方法包括：[0088]-提供3D扫描仪，其包括：被配置成将探测光束投射到物体上的投射器单元，以及被布置成获取物体的2D图像的成像单元；

[00]-针对探测光束在物体上的一系列不同位置记录物体的2D图像，其中通过改变投射器单元的移动部分相对于扫描仪的构架的取向和/或位置而在序列中的位置之间在物体上平移探测光；和

[0090]-基于记录的2D图像生成表达物体的3D形貌的数字3D表示。[0091]公开了一种用于记录物体的数字3D表示的方法，该方法包括：[0092]-提供3D扫描仪，其包括：投射器单元，被配置成用于将探测光束投射到物体上；成像单元，被布置成获取物体的2D图像；以及致动器单元，被布置成通过绕枢转轴线旋转投射器单元的可移动部分来控制探测光束在物体处的位置，其中，操作性地联接到投射器单元的可移动部分的轮的表面具有距旋转马达的轴线的、随着旋转而变化的径向距离；

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-针对探测光束在物体上的一系列不同位置记录物体的2D图像，其中通过使轮旋

转而改变投射器单元的移动部分的取向而在序列中的位置之间在物体上平移探测光；和[0094]-从记录的2D图像生成物体的数字3D表示。

[0095]公开了一种用于记录物体的数字3D表示的3D扫描仪，该3D扫描仪包括：[0096]-投射器单元，被配置成用于将结构化的探测光束投射到物体上；[0097]-成像单元，被布置成在物体被结构化探测光束照明时获取该物体的2D图像；和[0098]-致动器单元，被配置成用于通过相对于3D扫描仪的构架调整投射器单元的至少一个可移动部分的取向和/或位置来在该物体上移动结构化探测光束。

附图说明

[0099]参照附图，通过以下对本发明实施例的说明性和非性详细描述，将进一步阐明本发明的上述和/或另外的目的、特征和优点，其中：[0100]图1示出了现有技术3D扫描仪的示意图。[0101]图2和3示出了枢转投射器单元的示意图。[0102]图4示出了3D扫描仪的设计。[0103]图5示出了3D扫描仪的设计。

[0104]图6示出了具有椭圆轮的旋转马达如何能够控制结构化探测光束的位置。具体实施方式

[0105]在以下描述中，对附图进行参照，附图通过图示的方式示出了如何实施本发明。[0106]图1示出了现有技术3D扫描仪100的示意图，该3D扫描仪100使用结构化探测光束来记录物体的数字3D表示。

[0107]投射器单元101将单色或多光谱光的结构化探测光束102(例如激光点，激光线，白色或彩色条带)投射到物体103上。在投射器单元中，来自光源104的探测光束行进穿过掩模105，掩模105之前在光束中引入图案，并且透镜系统106将结构化光束成像到物体上。[0108]反射的探测光的光束108由3D扫描仪的成像单元中的相机109捕获，从而获取成像到物体上的图案的2D图像。投射器单元和成像单元形成3D扫描仪的光学系统的至少一部分。在获取的2D图像中检测光图案，并且使用诸如三角测量或立体的公认的投射几何学来得出由图案的明亮部分照明的物体表面的3D坐标。这是针对物体和3D扫描仪的光学系统的一系列不同的相对位置完成的。包括投射器单元101和相机109的整个光学系统的线性移动111在物体上移动图案，使得3D扫描仪可以得出物体的新部分的表面的3D坐标。光学系统的线性移动通常由昂贵的高精度线性轴提供。

[0109]图2示出了基于投射器单元的旋转的实施例。[0110]投射器单元201具有发射光的光源204，光行进经过掩模205以产生结构化的探测光束202a，202b，其通过透镜系统206被成像到被扫描的物体上。成像单元具有两个相机209，它们相对于扫描仪的构架(为简单起见，构架未在图中示出)固定。细长的传力构件212附接到投射器单元201，使得致动器单元213可以接合传力构件的远端。[0111]在图2A中，致动器单元213处于这样的状态，其中传力构件212和投射器单元201水平布置，使得结构化探测光束202a的传播方向是竖直的。

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在图2B中，致动器单元213使传力构件212的远端移位，使得传力构件以及由此使

投射器单元绕枢转轴线224旋转。枢转轴线基本上垂直于投射器单元的光轴并与该光轴相交。然后，结构化探测光束202b的传播方向偏离先前的布置的方向202a。

[0113]当致动器单元调整传力构件的取向(相对于3D扫描仪构架和相机209)时，结构化探测光束在被扫描的物体上移动。传播方向202a和202b之间的角度215连同到物体的距离确定了光束图案在样品上的移动。

[0114]图3示出了利用投射器单元旋转的3D扫描仪的设计。[0115]该投射器单元301具有光源304、掩模305和类似于图2所示的透镜系统的透镜系统306，其产生结构化的探测光束并将结构化的探测光束成像到被扫描的物体303上。成像单元具有两个相机309，它们相对于扫描仪的构架317,318固定。细长的传力构件312布置成使得扫描仪的致动器单元320,321,322接合传力构件的远端，同时近端附接到投射器单元的可移动部分。传力构件也可以被认为是投射器单元的可移动部分的一部分。在所示的设计中，致动器单元基于旋转马达320，旋转马达320驱动通过低摩擦球322形式的低摩擦构件联接到传力构件312的轮321。经由球322向传力构件312施加力的轮的外表面321具有随着轮的取向而变化的外径。当旋转马达绕马达的旋转轴线旋转轮时，球的竖直位置改变。当轮的半径增加时，低摩擦球被向上推动并且传力构件312的远端与其一起被向上推动。这使得投射器单元301绕枢转轴线324旋转，使得结构化探测光束的图案在被扫描的物体303上移动。复位弹簧326布置成向传力构件和致动器单元施加相反的力，以改善对投射器单元301的旋转的控制。

[0116]当轮321根据阿基米德螺旋而成形时，旋转马达的旋转被转换成传力构件312的远端的线性移动。

[0117]由于可以动态地且平滑地控制旋转马达的旋转角度，因此可以在被扫描的物体上动态地且平滑地移动结构化探测光束的图案。[0118]在扫描仪的一种实现方式中，掩模具有周期性图案，其具有33个周期的交替的7μm宽透明线和185μm宽不透明线。

[0119]投射器单元的可移动部分的旋转使得结构化探测光束可以扫过相对于3D扫描仪的构架静止放置的物体。

[0120]图4示出了3D扫描仪的设计。[0121]投射器单元具有光源404，掩模405和类似于图2所示的透镜系统的透镜系统406，其产生结构化的探测光束并将结构化的探测光束成像到被扫描的物体上。该成像单元具有两个相机409，它们相对于扫描仪的构架(为简单起见未在图中示出)固定。

[0122]投射器单元401具有由一层或多层流体透明材料形成的光束引导液体透镜430。致动器单元具有能够控制施加到流体透镜的电场的装置431，使得透镜的形状可以从第一形式到第二形式地改变形式，其中第一形式和第二形式都是楔形，但楔角具有不同的符号。当形式从第一形式改变到第二形式时，结构化探测光束在被扫描的物体上移动。在第一和第二形式中从投射器单元401发射的结构化探测光束的传播方向402a，402b之间的角度415确定了物体上的位置的移动。

[0123]图5示出了3D扫描仪的设计。[0124]投射器单元501具有光源504，掩模505和类似于图2所示的透镜系统的透镜系统

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506，其产生结构化的探测光束并将结构化的探测光束成像到被扫描的物体上。成像单元具有两个相机509，它们相对于扫描仪的构架(为简单起见未在图中示出)固定。[0125]掩模布置在平移台上，平移台控制掩模在垂直于光轴的平面中的位置，使得图案可以在被扫描的物体上移动。控制单元535控制掩模在该平面中的位置。

[0126]图6示出了具有椭圆轮的旋转马达如何能够控制探测光束在被扫描的物体表面上的位置的横截面图示

[0127]投射器单元601和细长的传力构件612类似于关于图3描述的投射器单元和细长的传力构件，其中传力构件612的近端附接到投射器单元601并且远端布置成使得致动器单元的低摩擦球622可以与其接合。当传力构件612的远端的竖直位置改变时，投射器单元601和传力构件612绕枢转轴线624旋转。致动器单元具有绕旋转轴线0逆时针驱动椭圆轮621的旋转马达。与图3相比，该轮相对于投射器的布置略有不同，在图3中，马达的旋转轴线垂直于枢转轴线。两种布置都使得球622可以控制传力构件612的远端的竖直位置。[0128]通过低摩擦球622向传力构件612施加力的轮621的外表面遵循椭圆形，使得表面的竖直位置并且因此球622的竖直位置随着轮的取向而变化。[0129]以图6A所示的旋转角度，轮布置成其长轴是水平的并且短轴指向低摩擦球。因此，从轮的旋转轴线到球面的与传力构件的远端接合的部分的距离1具有其最小值。在所示的配置中，这对应于使投射器单元沿竖直方向发射结构化探测光束602a。[0130]然后，旋转马达使轮621绕马达旋转轴线0逆时针旋转，并且低摩擦球处的轮的半径因此增加，如图6B所示。低摩擦球622被向上推动，并且传力构件612的远端与其一起被向上推动。这使得投射器单元601绕枢转轴线624旋转，使得当如图6A所示布置轮时，结构化探测光束602b以相对于探测光束602a的竖直方向的小角度离开投射器单元601。由此，结构化探测光束的图案在物体表面上移动。[0131]图6C示出了这样的情况，其中轮布置成其长轴指向低摩擦球，使得球到达其最大竖直位置，且从轮的旋转轴线到球面的与传力构件的远端接合的部分的距离1具有其最大值。对于3D扫描仪的部件的给定配置和布置，这提供了物体处的光束位置的最大偏移。[0132]由于可以连续地且平滑地控制旋转马达绕旋转轴线0的角度，因此结构化探测光束的图案可以连续地且平滑地在被扫描的物体上移动。对于椭圆轮，如果根据图6A至6C的轮的逆时针旋转被继续或者如果旋转反向，则探测光图案连续地且平滑地向图6A的初始位置往回移动。

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图1

图2A

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图2B

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图3

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图4

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图6A

图6B

图6C

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