用于实施光度立体技术的平面扫描仪的制作方法

1.本实用新型涉及一种被配置为实施光度立体技术的平面扫描仪。特别地，根据本实用新型的平面扫描仪被广泛用于图像采集领域。


背景技术：

2.众所周知，光度立体技术允许从一组彩色或灰度图像开始获得3d信息。由于该技术特别适用于捕获主要是二维表面(诸如，例如绘画、浅浮雕、大理石板等)的精细细节，而另一方面，不能捕获复杂的三维对象(诸如，例如碗)的形状，因此该技术被设计为在用于平面图像的扫描仪中实施，以便扫描材料和表面，同时返回颜色和3d数字信息。
3.众所周知，光度立体技术是通过利用可被选择性地激活的多个光源照射位于扫描表面上的对象并在每次激活时采集代表对象的图像来实施的。
4.为了实施光度立体技术，通常使用平面扫描仪，平面扫描仪包括扫描表面和多个光源，对象位于该扫描表面上，以这样的方式来从不同的方向照射对象。
5.现有技术的扫描仪包括：图像传感器，其被配置为用于采集有关该对象的图像；和光学系统，其置于图像传感器与扫描表面之间并沿与扫描表面垂直的竖直轴线与图像传感器对齐。
6.在上述扫描仪中，每次接通一个光源，并且在每次接通时，图像传感器采集对象的图像和/或对象的一部分的图像。
7.虽然与其他3d图像采集技术不同，光度立体技术不需要使用专用3d装置(诸如，例如共焦激光器等)而是允许以彩色和高水平细节获得信息，但为了获得最佳结果，需要将光源布置在扫描仪内部，以这样的方式来获得彼此充分不同的至少四个照射方向，并且以这样的方式使每个光源产生的光都能照射要以统一方式被扫描的对象。
8.专利文献ep 3210370中提供了现有技术的扫描仪的示例，该专利文献示出了一种平面扫描仪，该平面扫描仪包括光学系统、线性图像传感器(也就是说，能够采集与对象的沿扫描表面所定义的扫描线放置的一部分相关的图像的传感器)以及位于扫描线两侧且平行于扫描线延伸的第一光源及第二光源。
9.在这种情况下，为了扫描对象，将对象定位在扫描表面上并且接通第一光源。随后采集表示对象的图像。在该操作结束时，第一光源被断开，而第二光源被接通并且重复采集操作。
10.由于已知对象被照射的不同的方向的数量越多，结果就越好，因此在只有两个光源的现有技术的扫描仪中，对象被在扫描表面上重新定位，以这样的方式来相对于前一定向旋转90
°
。在这种情况下，重复由第一光源和第二光源进行的照射操作以及相应的采集和移动操作。
11.以此方式，在不增加光源数量(以及因此的扫描仪的整体尺寸)的情况下，当从四个不同方向照射对象时，可采集对象的图像。
12.不利的是，这种扫描仪有几个缺点。对在对象旋转90
°
前后采集的图像的对齐和处
理是困难的。此外，通过将对象旋转90
°
，总是可能超出扫描表面的尺寸，因此还需要另外的采集和后续操作来拼接图像。
13.另一个缺点还来自必须手动旋转对象的事实，这使得扫描仪的使用特别不方便。
14.该问题的部分解决方案由具有至少两个光源的平面扫描仪提供，可将光偏转器可移除地应用到该至少两个光源上，以这样的方式来使光发射的方向以预定角度改向。
15.在这种情况下，偏转器安装在光源上，以这样的方式来使由光源发射的光偏转(或改向)。然后，交替地执行光源的接通以及用于采集图像和用于移动的相应操作。
16.在这些操作结束时，偏转器被移除、旋转并再次以相对于之前翻转这样的方式应用于光源。在这种情况下，重复光源的接通、对象在扫描表面上的移动以及对图像的采集。
17.通过将偏转器安装在光源上(首先沿着一个方向定向，然后沿着相反的方向定向)，可获得对象的来自至少四个不同方向的照射。
18.不利的是，这种扫描仪还具有需要人工干预以获得不同的照射方向的缺点。在这种情况下，扫描仪特别笨拙且相当脆弱，因为在将偏转器移除和/或将偏转器应用于两个光源期间存在折断偏转器的风险。
19.为了从几个不同的方向照射待扫描的对象，还存在现有技术的平面或行星扫描仪，诸如例如专利文献ep 3210370中所示的扫描仪。
20.这些扫描仪包括第一对光源和第二对光源、光学系统和线性图像传感器。在这种情况下，一次接通一个光源，并且每次采集对象的沿扫描线放置的部分的图像。随后，对象(或另一方面，作为一个整体的光学系统、图像传感器和光源)以如下这样的方式移动：使相邻的部分沿扫描线逐步放置并因此被采集。
21.在这些现有技术的扫描仪中，第一对光源通常位于扫描线的两侧并平行于扫描线延伸。第二对光源大致位于扫描线的端部，并沿横向于扫描线的方向延伸。
22.不利的是，在这种情况下，即使从四个不同的方向照射扫描表面，第二对光源也不能用在扫描线上以及因此在放置在其处的对象的一部分上具有均匀入射角的光线的光束照射扫描线。照到最靠近接通的光源的扫描线的端部的光线的入射角大于照到与光源相对的扫描线的端部的光线的入射角。
23.这导致所采集的图像质量低，因此扫描精度差以及扫描对象的数字重建的精度差。
24.为了克服这个缺点，已知有平面扫描仪，其中第二对光源位于扫描线的端部处并沿扫描线延伸。在这些扫描仪中，待照射的扫描线仅限于几厘米，大大简化了如何从扫描线的端部均匀照射的问题。第一对光源和第二对光源基本上以类似十字形的布置被布置在扫描表面上方。这种类型的扫描仪采用了非常规的远心式光学系统和x、y型的采集图。在这种情况下，通过对相邻部分(条)进行采集来扫描大型对象，然后必须通过软件将该相邻部分接合或耦合。
25.不利的是，这些扫描仪昂贵且构造复杂，并且需要非常长的采集时间来采集大画幅对象，尤其是在与基于传统光学器件和大扫描线的常规扫描仪相比的情况下。


技术实现要素：

26.因此，本实用新型的技术目的在于提供一种能够克服现有技术的缺陷的平面扫描
仪。
27.因此，本实用新型的目的在于提供一种能够简化与光源的定位和布置有关的问题并且同时能够提供使用光度立体技术的高质量扫描仪的平面扫描仪。
28.本实用新型的另一目的在于提供一种紧凑的平面扫描仪。
29.本实用新型的另一目的在于提供一种平面扫描仪，该平面扫描仪具有严格的结构限制以获得良好的扫描，但同时具有灵活性，以这样的方式来使扫描仪能适应各种要求。
30.所指出的技术目的和指定的目的基本上通过包括在所附权利要求中的一项或多项中描述的技术特征的平面扫描仪来实现。从属权利要求对应于本实用新型的可能实施例。
附图说明
31.本实用新型的其他特征和优点在以下对平面扫描仪的非排他性实施例的非限制性描述中更加明显。
32.以下参照附图进行描述，提供这些附图仅用于说明性目的而不限制本实用新型的范围，在附图中：
33.图1是根据本实用新型的平面扫描仪的透视图；
34.图2是图1的平面扫描仪的主视图；
35.图2a是图2的细节的放大图；
36.图3是图1的平面扫描仪的俯视图；
37.图4a至图4d示出了根据本实用新型的平面扫描仪的操作顺序；
38.图5a和图5b示出了平面扫描仪的其他实施例的放大图；
39.图6是本实用新型的照明单元形成部的侧视图。
具体实施方式
40.参照附图，标号100表示被配置为实施光度立体技术的平面扫描仪。
41.平面扫描仪100包括扫描表面γ，待扫描对象“o”可定位在该扫描表面γ上。
42.表述“平面扫描仪”用于表示一种扫描仪，其中，对代表对象“o”的图像的采集是通过扫描该扫描表面γ的不同的单独部分并因此扫描对象“o”的放置在其上的的不同部分来执行的。
43.根据本实用新型，平面扫描仪100包括采集装置1。
44.采集装置1沿竖直光轴“y”定位并垂直于扫描表面γ。
45.采集装置1被配置为用于采集待扫描的对象“o”的至少一个图像或对象“o”的一部分的图像，特别是在扫描表面γ的位于采集装置1下方的部分中放置的部分的图像。
46.优选地，采集装置1被配置为用于采集表示待扫描的对象“o”的一系列图像，以这样的方式来根据以下将详细描述的过程获得对象“o”的如实和完整的数字重建。
47.根据优选实施例，采集装置1包括线性类型的图像传感器1a，该线性类型的图像传感器1a被配置为采集与对象“o”的沿扫描表面γ上的扫描线“l”放置的部分有关的至少一个图像。
48.更详细地，线性类型的图像传感器1a执行对该对象“o”的扫描，从而逐步采集与对
象“o”的沿扫描线“l”逐步放置的部分有关的图像，如以下详细描述的。
49.如图1中所示，扫描线“l”将扫描表面γ分为第一半平面γ1和第二半平面γ2。
50.根据本实用新型，平面扫描仪100还包括定位在第一半平面γ1上方并平行于扫描线“l”延伸的第一对光源2a、2b。
51.根据优选实施例，第一对光源2a、2b的光源基本上以一者位于另一者上方的方式定位。
52.平面扫描仪100还包括定位在第二半平面γ2上方并平行于扫描线“l”延伸的第二对光源2c、2d。
53.第二对光源2c、2d的光源基本上以一者位于另一者上方的方式定位。
54.如图1和图2中所示，第一对光源2a、2b和第二对光源2c、2d定位为相对于扫描线“l”对称。
55.第一对光源2a、2b和第二对光源2c、2d中的每个光源可被选择性地激活，以用于将光束“f”发射在扫描表面γ上。
56.更详细地，扫描仪100包括控制单元(未示出)，控制单元被配置为用于以如下这样的方式选择性地激活第一对光源2a、2b和第二对光源2c、2d的光源：光源2a、2b、2c、2d在扫描表面γ上发射相应的光束“f”。
57.如果存在其他光源，诸如在附图所示的情况下，控制单元也被配置为用于还选择性地激活这些光源。
58.对特定光源2a、2b、2c、2d的激活以及对其他光源的相应去激活可以以两种方式发生。
59.在第一种方式中，对光源2a、2b、2c、2d的激活以与图像传感器1a的采集同步的方式发生，也就是说，照射方向与图像传感器1a对该对象“o”沿扫描线“l”放置的部分的采集同步变化。在这种情况下，针对扫描线“l”的每次后续采集改变照射方向，以使在采集结束时，采集了所有的照射方向，如以下详细描述的。
60.另一方面，在第二种方式中，对光源2a、2b、2c、2d中的一者的激活以非同步的方式发生。在这种情况下，采集重复多次，在一次采集与下一次采集之间改变照射方向。
61.更详细地说，在一种情况下，通过激活不同的光源2a、2b、2c、2d(也就是说，连续循环所有光源)对放置在扫描线“l”上的对象“o”的每个连续部分进行采集。以此方式，在单次采集中，以被混合在所提及的放置在扫描线“l”上的部分的单个图像中的方式，获得所有的照射方向。在另一种情况下，特定光源2a、2b、2c、2d被激活，并且使用相同的光源2a、2b、2c、2d对该对象“o”的所有部分(也就是说，逐步放置在扫描线“l”上的部分)进行采集。在这种情况下，光源2a、2b、2c、2d照射对象“o”，并且通过对放置在扫描线“l”上的部分进行连续扫描来对该对象“o”的整体进行采集。在采集已完成之后，获得第一图像。然后，断开光源2a、2b、2c、2d并且接通另一光源2a、2b、2c、2d。在这种情况下，重复用于对整个对象“o”进行采集的过程，以这样的方式来获得第二图像。对每个所需的不同方向的光重复接通/断开和采集操作。
62.如图2a中所示，针对第一对光源2a、2b和第二对光源2c、2d中的每个光源，平面扫描仪100还包括照明单元3，该照明单元3包括多个led灯5(在图2a中不可见)和各自与相应的led灯5相关联的多个非对称透镜3a。
63.照明单元3被配置为使由光源2a、2b、2c、2d发射在扫描表面γ上的光束“f”以预定的改向角度改向。
64.换言之，穿过非对称透镜3a，由光源2a、2b、2c、2d、由多个led 5发射的光束“f”以预定的改向角度改向，以这样的方式来利用具有预定方向的光束“f”照射扫描表面γ。
65.如图6中所示，每个非对称透镜3a以使得由led灯5发射的光穿过非对称透镜3a并被改向这样的方式定位在相应的led灯5上方，以这样的方式来获得成角度的且指向良好的光束“f”。
66.根据可能的实施例，每个照明单元3被配置为使对应的光束“f”改向一改向角度，该改向角度与扫描仪100的其他照明单元3的改向角度不同，并且在任何情况下以这样的方式来从彼此非常不同的方向照射扫描表面γ。
67.根据优选实施例，与第一对光源2a、2b相关联的照明单元3被配置为用于使相应的光束“f”改向等于+45
°
和-45
°
的改向角度。与第二对光源2c、2d相关联的照明单元3被配置为用于使相应的光束“f”改向+45
°
和-45
°
的改向角度。在这种情况下，由于第一对光源2a、2b与第二对光源2c、2d相对于扫描线“l”对称，因此保证了从非常不同的方向照射扫描表面γ的事实，如图3中所示。
68.在这种情况下，扫描表面γ被由相应的光源2a、2b、2c、2d发射的具有均彼此不同的四个方向的光束“f”所照射(图3)。
69.换言之，为了最佳实施光度立体技术的目的，不同的照射方向主要由应用于光源2a、2b、2c、2d中的每者(特别是led灯5)的照明单元3(特别是非对称透镜3a))施加至由光源2a、2b、2c、2d发射的光束“f”的改向角度确定。
70.根据本实用新型的优选实施例，与第一对光源2a、2b的光源相关联的照明单元3被配置为用于使对应的光束“f”改向彼此相反的改向角度。
71.换言之，与第一对光源2a、2b中的第一光源2a相关联的照明单元3使光束“f”改向一改向角度，该改向角度与第一对光源2a、2b的第二光源2b相关联的照明单元3使相应的光束“f”改向的改向角度相反。
72.在这种情况下，例如，如果与第一对光源2a、2b的第一光源2a相关联的照明单元3使光束“f”改向+45
°
的角度，则与第一对光源2a、2b的第二光源2b相关联的照明单元3使光束“f”改向-45
°
的角度。
73.根据本实用新型的优选实施例，与第二对光源2c、2d的光源相关联的照明单元3被配置为用于使对应的光束“f”以彼此相反的改向角度改向。
74.如图2a中所示，例如，如果与第二对光源2c、2d中的第一光源2c相关联的照明单元3使光束“f”改向+45
°
的角度，则与第二对光源2c、2d的第二光源2d相关联的照明单元3使光束“f”改向-45
°
的角度。
75.换言之，如图3中所示，第一对光源2a、2b使用具有彼此相反的改向角度(以及因此相反的照射方向)的光束“f”照射扫描表面γ，第二对光光源2c、2d使用具有彼此相反的改向角度(以及因此相反的照射方向)的光束“f”照射扫描表面γ。
76.在这种情况下，从彼此不同的四个方向照射扫描表面γ，保证了光度立体技术的最佳执行。
77.有利地，针对每个光源2a、2b、2c、2d，以使得发射的相应光束“f”具有不同方向的
方式引入相应的照明单元3的事实使得可从至少四个不同方向照射扫描表面γ，从而获得最佳的扫描结果。
78.根据本实用新型的一方面，预定的改向角度在30
°
至60
°
之间。
79.优选地，预定的改向角度等于45
°
。
80.根据本实用新型的一方面，每个光源2a、2b、2c、2d的多个led灯的led灯沿与扫描线“l”平行的排列方向“a”排列(图2a)。
81.根据另一可能的实施例，每个光源2a、2b、2c、2d的多个led灯5的led灯相对于与扫描线“l”平行的排列方向“a”是偏置的(图5a和图5b)。根据该实施例，与成对的光源2a、2b、2c、2d相关联的led灯和对应的非对称透镜3a相对于成对的其他光源2a、2b、2c、2d的led灯和对应的非对称透镜3a以偏置(或棋盘格)的方式定位。
82.根据本实用新型的一方面，例如如图2a和图6中所示，针对第二对光源2c、2d的光源中的一者的每个led灯5，对应的照明单元3包括非对称透镜3a。同样地，针对第二对光源2c、2d的光源中的另一者的每个led灯5，对应的照明单元3包括非对称透镜3a。
83.优选地，与同一光源2a、2b、2c、2d的led灯相关联的非对称透镜3a被配置为用于根据同一预定的改向角度来使相应的光束“f”改向(图2a)。
84.根据本实用新型的一方面，照明单元3可根据第一安装定向应用于相应的光源2a、2b、2c、2d，在第一安装定向，照明单元3使由光源2a、2b、2c、2d发射的光束“f”改向第一改向角度。可替代地，照明单元3可根据第二安装定向应用于相应的光源2a、2b、2c、2d，在第二安装定向，照明单元3使由所述光源2a、2b、2c、2d发射的光束“f”改向第二改向角度。第二改向角度与第一改向角度相反。
85.该方面特别有利于以方便和快速的方式获得第一对光源2a、2b和/或第二对光源2c、2d的光源中的每者的光束“f”的不同方向性。实际上，在这种情况下，可简单地通过改变照明单元3在光源2a、2b、2c、2d上的组装定向来改变由其发射的光束“f”的方向性。
86.根据两种不同的安装定向安装照明单元3的可能性被清楚地示出在图2a中。在这种情况下，一个照明单元3具有第一安装定向，而另一照明单元3具有第二安装定向。
87.根据本实用新型的一方面，如附图所示，同一照明单元3的多个非对称透镜3a具有相同的定向。从图2a也可清楚地看到该方面，其中照明单元3的所有非对称透镜3a都定向在相同方向上。
88.根据附图所示的实施例，除了第一对光源2a、2b之外，平面扫描仪100还可包括设置有相应的照明单元3的一个或多个另外的光源。
89.优选地，该另外的光源平行于扫描线“l”延伸。
90.根据一实施例，除了第二对光源2c、2d之外，平面扫描仪100还可包括设置有相应的照明单元3的一个或多个另外的光源。
91.优选地，该另外的光源平行于扫描线“l”延伸。
92.根据本实用新型的一方面，平面扫描仪100还包括至少一个辅助光源4，该至少一个辅助光源4被配置为用于照射扫描表面γ。
93.优选地，辅助光源4平行于扫描线“l”延伸。
94.甚至更优选地，辅助光源4不设置照明单元3。
95.根据优选实施例，平面扫描仪100具有靠近第一对光源2a、2b定位的第一辅助光源
4和靠近第二对光源2c、2d定位的第二辅助光源4。
96.在使用中，为了使用平面扫描仪100来获得对象“o”的重建，根据本实用新型，第一对光源2a、2b和第二对光源2c、2d平行于扫描线“l”定位在相对于扫描线“l”对称的位置(图4a)。
97.在这种情况下，第一对光源2a、2b位于第一半平面γ1上方的位置，而第二对光源2c、2d位于第二半平面γ2上方的位置。
98.光源2a、2b、2c、2d中的每者以使得发射的光束“f”被改向这样的方式可操作地与相应的照明单元3相关联。
99.更详细地，与第一对光源2a、2b的光源中的一者相关联的照明单元3的非对称透镜3a的预定的改向角度与和第一对光源2a、2b的光源中的另一者相关联的照明单元3的非对称透镜3a的预定的改向角度相反。
100.类似地，与第二对光源2c、2d的光源中的一者相关联的照明单元3的非对称透镜3a的预定的改向角度与和第二对光源2c、2d的光源中的另一者相关联的照明单元3的非对称透镜3a的预定的改向角度相反。
101.在定位光源2a、2b、2c、2d和照明单元3之后，将待扫描的对象“o”定位在采集装置1下方的扫描表面γ上。
102.随后，在那些第一对光源2a、2b与第二对光源2c、2d中的第一光源被激活，以这样的方式来照射对象“o”。在这种情况下，由光源发射的光束“f”被对应的照明单元3改向，从而照射扫描表面γ(图4a)。以此方式，对象“o”的沿扫描线“l”放置的部分被按照预定方向照射。在这种情况下，由照明单元3改向并入射在对象“o”上的光束“f”被朝向采集装置1反射，在采集装置1处，图像传感器1a执行图像的实际采集。
103.所采集的图像基本上对应于表示放置在扫描线“l”上的对象“o”的部分(基本上具有条形状)的图像。
104.随后，断开第一光源，以有利于激活那些第一对光源2a、2b和第二对光源2c、2d中的第二光源(图4b)。
105.根据一实施例(图4a至图4d中所示出的)，第一对光源2a、2b与第二对光源2c、2d中的一者的光源首先被选择性地接通，随后，第一对光源2a、2b与第二对光源2c、2d中的另一者的光源被选择性地接通。
106.可替代地，光源2a、2b、2c、2d以使得当第一对光源2a、2b中的光源被接通时，第二对光源2c、2d中的光源被接通等这样的方式被选择性地接通。
107.当第二光源2a、2b、2c、2d被接通时，因为其设置有被配置为使所发射的光束“f”以预定的改向角度(该预定的改向角度不同于第一光源2a、2b、2c、2d的照明单元3的预定的改向角度)改向的照明单元3，因此它从另一方向照射对象“o”。在这种情况下，由另一光源2a、2b、2c、2d发射的光束“f”照到扫描表面γ上，从而照射到对象“o”的放置在扫描线“l”上的部分。随后，光束“f”被以图像传感器1a采集对应的图像的这样的方式朝向采集装置1反射。
108.重复用于接通光源2a、2b、2c、2d和用于采集图像的过程，直到第一对光源2a、2b和第二对光源2c、2d的所有光源已被激活(图4a至图4d)。
109.当所有的光源2a、2b、2c、2d已被接通时，并且当线性图像传感器1a已在每次接通时采集表示对象“o”的放置在扫描线“l”上的部分的图像时，采集装置1移动，以这样的方式
来允许对该对象“o”的放置在扫描线“l”上的另一部分进行照射和采集。
110.根据可能的实施例，平面扫描仪100包括移动系统(未示出)，该移动系统被配置为用于在扫描表面γ静止的同时移动采集装置1。在这种情况下，采集装置1根据单独的位置移动，以这样的方式来针对每个单独的位置采集对象“o”的图像。
111.在这种情况下，当每次接通光源2a、2b、2c、2d时，采集表示放置在扫描线“l”上的对象“o”的部分的图像。当平面扫描仪100的所有光源2a、2b、2c、2d都已被接通时，采集装置1移动使得对象“o”的新部分(与刚刚被采集的部分相邻)放置在扫描线“l”上。在这种情况下，平面扫描仪100的光源2a、2b、2c、2d再次以如下这样的方式以交替的方式被接通，使得在每次接通时，可采集对象“o”的沿扫描线“l”放置的部分的图像。
112.在另一可能的实施例中，扫描仪100包括移动系统(未示出)，该移动系统被配置为用于相对于采集装置1移动扫描表面γ。
113.优选地，移动系统沿水平笛卡尔方向(由图1中的箭头所示)移动扫描表面γ。
114.甚至更优选地，移动系统在多个单独的位置移动对象“o”，使得采集装置1特别是图像传感器1a，采集针对每个单独位置的图像。
115.可替代地，移动系统能够同时移动扫描表面γ和采集装置1。
116.换言之，针对第一对光源2a、2b和第二对光源2c、2d中的光源的每次激活，当与放置在扫描线“l”上的对象“o”的部分有关的图像被采集时，移动系统使得对象“o”的新部分在被放置在扫描线“l”上的情况下可被扫描。在这种情况下，光源2a、2b、2c、2d再次被选择性地激活，使得也在该情况下，在光源的每次激活期间采集与对象“o”的另一部分有关的图像。
117.用于致动移动系统、用于激活光源2a、2b、2c、2d以及用于采集图像的操作连续重复直到对象“o”的所有部分已被扫描。
118.根据优选实施例，采集的图像被发送到控制单元，该控制单元被配置为采集和处理与对象“o”的连续扫描有关的数据。
119.使用该数据，控制单元能够以高度如实的方式以数字形式重建扫描的对象“o”。
120.本实用新型为如何在被设计成以最佳方式实施光度立体技术的扫描仪100中安置和布置光源的问题提供总体的解决方案。特别地，本实用新型引入了一种构想，该构想可构造具有大量光源的扫描仪100，以这样的方式来保证待扫描的对象的照射方向性有良好的差异化。