专利名称：三维物体的测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三维的物体测量系统，其具有条带才殳影器， 用于在待测量的物体上产生条带形的光图案，其中条带投影器包括 光源和液晶光调制器，该液晶光调制器具有可#皮控制为亮和暗的矩 阵形布置的像素；以及电子摄像机，用于摄录利用光图案照射的物 体的图案。
背景技术：
这样的观'J量系统被用于三维地测量任意测量物体的表面的形 状。这种也被成为3D扫描器的物体测量系统根据三角测量方法来 工作，例如在DE 195 11 160A1中描述的那样。同时，由具有液晶 元件(LCD)和电子摄像机构成的装置被作为光学传感器应用。通 过条带投影器将由多个光条带组成的光图案投射到带测量的物体 上。在相对于投影方向的可预设的角度下，通过电子摄像机摄录利 用条带图案照射的物体的二维图案。然后，通过计算机对图案的评 估由集合形状中推导出物体的三维轮廓。为了能够以明确的方法确 定物体的三维形状，经常需要摄录多个凸形，其中利用不同的条带 图案对物体进4亍照射。
在已知的物体测量系统中，商业上通用的LCD微型显示器被 作为光调制器使用，该微型显示器例如也应用在视频投影器中。这 种类型的LCD元件不利地只能产生较少的灰度等级。此外，在产 生灰度等级时，精度和再现性还是不尽如人意。然而，在产生灰度等级时，精确度对于视频投影目的还是足够的。当然，在三维物体 测量时，可实现的测量精度直接取决于通过条带投影器产生的光图
案的强度分布的精度。因此，利用LCD微型显示器工作的已知的 三维的物体测量系统具有较低的测量精度的缺点。
发明内容
在该背景下，本发明的目的是提供一种三维的物体测量系统， 在该系统中，在使用具有液晶光调制器的条带投影器的情况下可以 精确地产生灰度光图案。
本发明基于开头所述类型的物体测量系统这样地实现该目的， 即通过控制电路来控制条带投影器和电子摄像机，该控制电路这样 地^殳计，即在图案的曝光时间期间，光调制器的^f象素在亮和暗之间 切换，其中像素切换的时间上的曲线与摄像同步。
根据本发明，通过控制电路来二元地控制光调制器的像素。这 意味着，每个像素仅仅在亮和暗的状态之间切换。不同的灰度通过 在图案的曝光时间期间在亮和暗之间的切换利用电子摄像机产生。 在曝光期间，电子摄像机集成光强度，从而由各自的亮和暗时间比 率得出用于各个像素的灰度。
在以之前描述的方式产生灰度时考虑到可实现的4青度，液晶光 调制器的切换时间扮演了一个重要的角色。切换时间被认为是这样 的时间，即在光调制器的像素从亮向暗或从暗向亮切换时度过的时 间。像素并不是突然地从亮向暗或从暗向亮改变其状态，取而代之， 像素具有一个渐进式的切换过程。惯用的LCD元件的切换时间在 几毫秒的范围内。长的切换时间取决于液晶的相对高的黏度。该黏 度又强烈地取决于环境温度。根据本发明，^象素的切换的时间上的 曲线与摄像同步。通过该方式，在产生灰度时确保了良好的再现性。该再现性没有被强烈地受到环境影响的像素切换时间所影响。通过 像素的切换与摄像的同步，在每次摄像时像素的切换曲线是相同 的。
有利地，根据本发明以一种方式设计控制电路，即光调制器的 每个像素在每次摄像的开始为 一种预设的切换状态。这是已知的，
即在LCD光调制器中，,人亮到暗的切换和从暗到亮的切换的切换 时间可能是有很大的区别。因此，鉴于在产生灰度时的预期的再现 性，当光调制器的像素在每次摄像的开始都处于相同的预设的切换 状态(亮或暗)时是很有意义的。
根据本发明的物体测量系统的一个有利的设计方案，考虑到光 调制器的切换时间，通过控制电路才艮据用于该像素的预-没的灰度条 件考虑到光调制期的切换时间为光调制器的每个像素确定用于在 亮和暗之间切换的切换时间点。如上所述，由亮和暗的时间比率得 出用于每个^f象素的灰度。该比率可以通过相应;也预i殳切」换时间点来 影响。因为在曝光时间期间用于每个像素的光强度通过电子摄像机 集成 > 因此基于所述的像素点的渐进式的切换曲线的精确的灰度取 决于光调制器的切换时间。因此，为了在产生灰度时达到尽可能高 的精度，在确定切换时间点时将光调制器的切换时间考虑进去是4艮 有意义的。因此，控制电路有利地这样地设计，即光调制器的每个 像素在开始曝光时间之后达到切换时间点时在亮和暗之间切换。由 此产生像素的切换的时间上的曲线与摄像之间的根据本发明的同 步。
如之前所4是及的，光调制器的切换时间取决于环境影响，例如 温度。因此，在根据本发明的系统中设置一个与控制电路连接的光 传感器是很有意义的，其中控制电路被设计用于根据光传感器的传 感器信号来校正光调制器的切换时间。光传感器可以将实际测定的 光强度与各自的预期的灰度进行比较。通过该比较可以推导出光调制器的切换时间。然后，该切换时间可以在用于确定〗象素的切换时
间点的实际的测量过程中#:考虑。
非常有意义的是，根据本发明的物体测量系统的控制电路被以 这样方式设计，即通过条带投影器产生具有横向于条带方向的正弦 形状的灰度曲线的条带形的光图案。由该种类型的光图案可以根据 三角测量的远离特别好地推导出待测量的物体的三维形状。在此，
正弦形的灰度曲线的相位应该是可变的。然后可以:慑录多个具有不
同相位的图案，从而获得相关于物体的三维形状的明确信息。 在实践中，根据本发明的物体测量装置的光调制器是所谓的
LCOS微型显示器。LCOS的含义是硅基液晶。LCOS孩i型显示器
由硅制载体构成，其同时作为光反射镜使用。具有液晶的薄的涂层
处于该载体上。该装置通过薄的玻璃片覆盖。LCOS微型显示器作
为大规模生产的产品能够以相对低的成本在商业上获得并且可以 以根据本发明的优点来应用。
补充说明，即鉴于像素的切换的时间曲线与摄像的同步的根据 本发明的物体测量装置的功能原理并不依赖于是否在摄像期间实 现像素从亮到暗或者从暗到亮的切换。因此，根据本发明，在亮和 暗之间的切换不仅包括从亮到暗的切换还包括从暗到亮的切换。在 曝光时间期间多次的切换过程也是可以的。
接下来参考附图进一步地阐述本发明的实施例。图中示出 图1是作为框图示出的根据本发明的物体测量装置的示图； 图2是控制根据本发明的光调制器的时间曲线。
具体实施例方式
在图1中，三维的物体测量系统全部由标号1示出。物体测量
系统1的主要部件是条带投影器2，其用于在待测量的物体3上产 生条带形的光图案。条带投影器2包括光源4，来自该光源的光线 照亮液晶光调制器5。液晶光调制器5是具有可被控制为亮和暗的 矩阵形布置的〗象素的LCOS樣史型显示器。此外，物体测量系统l具 有电子摄像机6。利用该电子摄像机6来摄录利用光图案照亮的物 体3的图案。评估计算机7评估摄录的图案并且由其计算出物体3 的三维形状。此外，如在图1中可以看到的那样，条带冲殳影器2和 电子摄像机6通过控制电路8控制。该控制电路根据本发明这样地 设计，即在图案的曝光时间期间，光调制器5的像素在亮和暗之间 切换，其中<象素的切换时间的时间曲线与4聂4象同步。这例如以这种 方式实现，即在开始摄像之前光调制器5的全部像素利用控制电路 8切换到预设的切换状态(例如，亮)。通过控制电路8根据由评估 计算机7预设的光条带图案的条件为光调制器5的每个像素确定用 于在亮和暗之间切换的切换时间点。控制电路8触发利用电子摄像 才几6进4亍的图案才聂录，并且在曝光期间以这种方式控制光调制器5， 即每个^象素在开始曝光时间之后在达到切换时间点时在亮和暗之 间切换。条带投影器2对应有一个光传感器9。该光传感器与控制 电路8连接。光传感器9用于校正光调制器5的切换时间。然后， 光调制器5的切」换时间可以在确定切4奂时间点时相应;也为单个的傳_ 素所预期的灰度来考虑。
在根据图2的图表中示意性地示出了光调制器5的像素的时间 上的切换曲线S。此外，图表示出了电子摄像机6的控制信号B的 时间上的曲线。摄像从在图表中记入的时间点Ta幵始。在时间点 TA时，像素切换到亮。在时间点TA时信号B被激活。该信号开始 曝光图案并且摄像机6集成像素的光强度。在经过时间th之后，相应于预期的灰度的像素从亮向暗切换。然而像素的亮度并不是突然 地变化，而是在切换时间t,期间逐渐地降为零。然后直到曝光时间 tb结束时而度过一个时间间隔td。因此，〗象素的灰度取决于四个时
间值th、 "、 td和tb。在曝光时间tb结束时，摄像机6的控制信号B 下降。在下一次:摄录开始之前，1象素^皮转换回亮的状态。在切换时
间12期间，像素逐渐地靠近亮的状态。在达到亮的状态之后实现对
下一图案的4聂录，其中对应于现在已经改变的光图案的灰度是不同 的。在预设的曝光时间tb时可以通过相应地预设亮和暗时间th和td 来为每个像素产生每个任意的灰度。灰度产生的精确性以及在三维
物体测量时的测量精度是重要的，即值得注意的是光调制器5的切
换时间ti和t2。考虑到灰度的再现性是重要的，即，如在图2中所 S AA萄K A主J资妄AA -tn i& AA Fhf i￥I卜AA iih "' Q g S IS1岳
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权利要求
1. 一种三维的物体测量系统，具有条带投影器(2)，用于在待测量的物体(3)上产生条带形的光图案，其中所述条带投影器(2)包括光源(4)以及液晶光调制器(5)，所述液晶光调制器具有可被控制为亮和暗的矩阵形布置的像素；以及电子摄像机(6)，用于摄录利用光图案照射的所述物体(3)的图像，其特征在于，通过控制电路(8)来控制所述条带投影器(2)和所述电子摄像机(6)，所述控制电路被这样地设计，即在图像的曝光时间期间，所述光调制器(5)的像素在亮和暗之间切换，其中像素切换的时间曲线(S)与摄像(B)同步。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制电路(8 ) 以这样的方式设计，即所述光调制器(5)的每个像素在每次 摄像开始时为预设的切换状态。
3. 根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，利用用于所述 光调制器(5 )的每个像素的所述控制电路(8 )光调制器根据 用于该像素的预设灰度值在考虑到所述光调制器(5)的切换 时间的情况下确定用于在亮和暗之间切换的切换时间点。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制电路(8 ) 以这样的方式设计，即所述光调制器(5)的每个像素在曝光 时间开始之后在达到所述切4灸时间点时在亮和暗之间切才奐。
5. 根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，与所述控制电 路(8 )连接的光传感器(9 )，其中，所述控制电路(8 )被设 计用于根据所述光传感器(9)的传感器信号来校正所述光调 制器(5)的切换时间。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述 控制电路(8 )以这样的方式设计，即利用所述条带投影器(2 ) 产生具有横向于条带方向的正弦形状的灰度曲线的条带形的 光图案。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述正弦形状的灰 度曲线的相位是可变的。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其特征在于，所述 光调制器(5)是LCOS微型显示器。
全文摘要
本发明涉及一种三维的物体测量系统(1)，其具有条带投影器(2)用于在待测量的物体(3)上产生条带形的光图案，其中，条带投影器(2)包括光源(4)和液晶光调制器(5)，该液晶光调制器具有可被控制为亮和暗的矩阵形布置的像素；以及电子摄像机(6)，用于摄录利用光图案照射的物体(3)的图案。为了实现较高的测量精度，本发明提出通过控制电路(8)来控制条带投影器(2)和电子摄像机(6)，该控制电路被这样地设计，即在图案的曝光时间期间，光调制器(5)的像素在亮和暗之间切换，其中像素切换的时间上的曲线与摄像同步。
文档编号G02F1/133GK101305260SQ200680041829
公开日2008年11月12日 申请日期2006年11月13日 优先权日2005年11月11日
发明者弗兰克·富尔曼, 约尔格·弗里梅尔 申请人:西门子公司