线形光源投影三维扫描仪制造技术

线形光源投影三维扫描仪包括：光源，二值液晶屏和两个摄像头；以及控制单片机、计算机和标定板；还有实现三维扫描功能的软件。光源的形状是直线形的。投影原理是点光源成像和无影灯技术的结合，三维扫描原理和传统设备相似，方便继承移植已有软件。本发明专利技术使得三维扫描仪成本低，重量轻；投影无镜头畸变，无色差，无需调焦，景深大，放大倍数可调，亮度高；每个条纹的亮度可以单独调节。条纹的亮度可以单独调节。条纹的亮度可以单独调节。

【技术实现步骤摘要】
线形光源投影三维扫描仪


[0001]本专利技术主要使用在三维扫描领域。

技术介绍

[0002]目前白光拍照式三维扫描仪器所使用的光栅是竖直的条纹。一般来说，条纹是通过凸透镜成像的原理获得；也就是当物距小于2倍焦距、大于1倍焦距时，像距大于2倍焦距， 成倒立、放大的实像。
[0003]投影仪里的透镜组，不但增加设备整体的重量，而且提高了三维扫描仪的成本。多数投影仪投出的图像都有畸变。投影需要调焦才能成清晰的像。因为三维扫描有一定景深要求，景深不同的地方，投影不一定都能够清晰成像。因为不同颜色的光有不同的折射率，投影仪投射出的光栅经常有色象差。
[0004]x光成像最基本原理是点光源透过物体形成了影子，如图1。（电子显微镜成像原理类似）。
[0005]这种投影方式需要面积很小的点光源。对于普通白光，发光面积小，投影的亮度就不够；发光面积大了，成像就模糊（半影面积比例大）。
[0006]上述两种投影方式都可以显示二维的图像，没有利用到三维扫描仪光栅是竖直条纹的特点，导致设备成本上有些浪费。
[0007]手术无影灯用来照明手术部位，以最佳地观察处于切口和体腔中不同深度的小的、对比度低的物体。尽量避免 施手术者的头、手和器械等对手术部位造成干扰阴影。无影灯其实并不能“无影”，它只是减淡本影，使本影不明显。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供一种廉价的重量轻的三维扫描仪，投影投出的光栅条纹没有透镜畸变，每个竖直条纹的亮度可以单独调节。投影功能不需要调焦，投影部分和被扫描物体之间的距离比较自由、景深大。投影的放大倍数可调。投影效果无色像差。投影的亮度高。
[0009]本专利技术工作时，直线形状的光源发出的光，透过液晶屏，投影到被扫描物体上。光线被被扫描物体表面漫反射，最终在摄像头的传感器上成像。投影条纹的形状由计算机根据逻辑算法获得，摄像头图像由计算机处理，最终得到三维数据（算法和普通三维扫描仪一致）。
[0010]一般地，液晶屏显示任意的图案，对于本专利技术，最终的投影图案都是竖直条纹形状的。对于液晶屏的一列像素（也就是竖直连续的像素）及其投影出的竖直条纹，有如下关系：全部打开液晶屏的一列像素，投影是一条明亮的竖直条纹；全部关闭液晶屏的一列像素，投影是一条暗条纹。
[0011]对于一列像素，隔点打开/关闭，投影是相对亮度值50%的竖直条纹，并不会出现与该列液晶像素组成的图案相似的图案。要获得不同相对亮度的投影竖直条纹，调节液晶对应列像素的打开比例就可以了。亮度和打开的像素个数是简单的线性关系，如果忽略环境
光，二者是更简单的正比关系。也就是说，对于一列像素，可以使用如下公式：打开像素的个数=一列像素的总个数
×
竖直条纹的相对亮度。剩下的是关闭的像素个数。打开和关闭的像素要尽量均匀的混合在一起，不可以集中出现。比如相对亮度为2/3的条纹，获得方式是，液晶像素以如下顺序循环设置：开开关 开开关 开开关
ꢀ……
。如果打开的像素集中在像素列的上端，关闭的像素集中在下端，那么投影的条纹将会是上面亮下面暗，亮度渐变的竖直条纹。液晶技术本身可以获得不同的灰度等级，但是限于制造成本和芯片成本，部分廉价的液晶只有黑白二值图像（比如版画），不能显示灰度图像（水墨国画）。对于双目的（两个相机的）三维扫描仪来说，其算法就是左侧相机的一个像素要找到右侧相机对应的像素，本质来说就是空间编码问题。二进制数字码并不需要灰度可设置的条纹，进制超过二的数字编码、模拟编码则需要灰度可设置的条纹。
[0012]申请人认为本专利技术之所以会出现竖直条纹形状的投影，以及其明暗变化的规律，应该是在水平方向上（俯视图）是类似于x光的点光源成像，竖直方向上（侧视图）是类似于无影灯的技术，两个方向综合起来，形成了本专利技术。点光源在一个维度上的拉伸，面光源在一个维度上的压缩，都形成一个直线形状的光源。
[0013]本专利技术的成像原理仅仅局限于光沿直线传播，光的反射折射都用不到，原理十分简单；所以本专利技术投影成像不会出现凸透镜成像出现的畸变。光源和液晶屏之间的距离、液晶屏和被扫描物体之间的距离，都不会明显影响成像的清晰度；不需要调节焦距，以获得清晰的像。对于三维扫描这一具体的应用来说，被扫描物体在液晶屏法线方向上（也就是传统三维扫描仪，投影的凸透镜的主光轴方向上）有一定的尺寸。也就是所谓的“景深”。传统设备经常难以在整个测量范围内都有清晰的像，本专利技术则可以全景深成清晰的像。
[0014]投影放大倍数公式十分简单：放大倍数 = 光源和被扫描物体之间的距离
÷
光源和液晶屏之间的距离。这里用到的就是相似三角形的原理。一般地，当液晶屏和被扫描物体之间的距离固定时，根据设计的扫描范围以及液晶屏的尺寸（从而得到方法倍数），通过公式，即可获得节光源和液晶屏的距离。
[0015]因为整个投影过程中都没有用到光的折射，不存在“因不同色光有不同折射率造成的色散”从而形成“色像差”的情况。
[0016]本专利技术省去了普通投影系统的透镜组（实际上是多个透镜的组合，目的是为了最大程度的消除镜头畸变、色差）不但节省了成本，而且减轻了重量。
附图说明
[0017]图1为x光成像的原理示意图。其中1为x光的点光源，2为人体组织，3为荧光屏。
[0018]图2为本专利技术的原理示意图。其中1为LED芯片封装的线形光源，2 二值液晶屏，3 摄像头（两个），4 被扫描物体。
[0019]图3为条纹亮度设置示意图。其中1为线性光源，2 二值液晶屏，3 接收投影的屏。4 液晶屏上一个关闭的像素，5 液晶屏上一个打开的像素。6 7 8 为三列像素，液晶屏上有很多列像素，其他像素列没有画出。9 10 11分别为6 7 8像素列对应的竖直条纹（亮度没有画出，9是亮条纹，10是暗条纹，11是相对亮度为50%的条纹）。
[0020]具体实施下面结合附图对本专利技术进行描述，很显然的，附图所描述的仅仅是本专利技术的一部分而
不是全部实施例。
[0021]把LED芯片（不能是LED灯珠）排成一条直线（可以有一定的间隔）进行封装，即可获得本专利技术需要的线形光源（也就是LED 集成光源，本专利技术前已经批量生产）（无影灯也不是一个发光面，而是多个光源的平面分布）。对于x光成像，可以利用磁场聚焦的方式获得面积很小的点光源；但是对于LED，一个单独芯片，发光功率有限，无法达到三维扫描仪需要的亮度。把多个LED芯片，排列成直线封装，光源做成线形，可以大幅提高投影的发光功率；加上线形光源可以获得竖直形状的条纹，可谓是一举两得。（光源也可以一根直线形状的灯丝）。
[0022]液晶必须是透明的（在像素打开时），背面不能有反光板，更不需要液晶屏本身有光源。这样才能让光透过。一般厂家允许买家自由选择。液晶屏使用12864。这种液晶屏是廉价的二值液晶屏，只能显示二值图像，不能显示灰度图像。LED芯片很小，尺寸接近液晶屏的一个像素，这样投影的半影面积比例就很少了。摄像头使用OV2640（手机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.线形光源投影三维扫描仪包括：光源，二值液晶屏和两个摄像头；以及控制单片机、计算机和标定板；还有实现三维扫描功能的软件；其特征在于，光源的形状是直线形的。2.根据权利要求1 所述的线形光源投影三维扫描仪，其制作方法特征在于，封装直线排列的LED芯片，获得线形的光源。3.根据权利要求1 所述的线形光源投影三维扫描仪，其特征在于，液晶屏像素打开时，必须是透明的。4.根据权利要求1 所述的线形光源投影三维扫描仪，其使用方法特征在于，全部打开液晶屏上的一列像素，获得竖直的投影亮条纹，全部关闭液晶屏上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ五一IntClG零一B一一二五，
申请(专利权)人：常兆芹，
类型：发明
国别省市：