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CN201974159U - 包括mems反射镜的轮廓传感器 - Google Patents

包括mems反射镜的轮廓传感器 Download PDF

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CN201974159U
CN201974159U CN2009901001771U CN200990100177U CN201974159U CN 201974159 U CN201974159 U CN 201974159U CN 2009901001771 U CN2009901001771 U CN 2009901001771U CN 200990100177 U CN200990100177 U CN 200990100177U CN 201974159 U CN201974159 U CN 201974159U
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CN
China
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light sensor
structured light
sensor according
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Expired - Lifetime
Application number
CN2009901001771U
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希亚姆·P·凯沙夫默西
真吉·林
艾尔弗雷德·A·皮斯
理查德·A·克拉科夫斯基
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Perceptron Inc
Original Assignee
Perceptron Inc
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Abstract

一种用于测量表面的轮廓的结构光传感系统，包括成像透镜系统、图像捕获装置、第一组微型机电系统(MEMS)反射镜以及控制模块。成像透镜系统聚焦从表面反射的光，其中成像透镜系统具有相应的透镜平面。图像捕获装置捕获被聚焦的光并产生与被捕获的光相应的数据，其中图像捕获装置具有不平行于透镜平面的相应图像平面。第一组MEMS反射镜将被聚焦的光引向图像捕获装置。控制模块接收数据，根据接收到的数据确定所捕获的光的聚焦质量，并根据聚焦质量控制第一组MEMS反射镜以保持透镜平面和图像平面间的沙伊姆弗勒倾斜条件。

Description

包括MEMS反射镜的轮廓传感器
相关申请的交叉引用 
本申请要求于2008年4月1日提交的美国临时申请No.61/072，607的优先权。将上述申请的公开内容全部并入本文作为参考。 
技术领域
本发明涉及激光投影系统，更具体地，涉及使用微型机电系统(MEMS)反射镜的结构光轮廓传感的系统和方法。
背景技术
结构光是将已知像素图案(例如网格或水平条)投射在表面上的处理。当撞击该表面时已知图案的变形允许传感系统确定该表面的轮廓(例如特征的范围或距离)。例如，结构光可被用于结构光三维(3D)扫描仪。
现在参考图1，图1示出根据现有技术的光探测和测距(LIDAR)扫描系统10。LIDAR系统10测量表面16的轮廓。系统10包括红外(IR)源12、转向镜14、接收镜18以及IR接收器20。
IR源12产生IR光束，通过转向镜14将该IR光束投射到表面16上。由接收镜18将从表面16反射掉的IR光引向IR接收器20上。然后，IR接收器20可基于所投射的IR光与所接收IR光之间的相位差生成相应于表面16的轮廓的灰色映射(grey-mapping)。
这里提供的背景描述用于概括地介绍本申请的背景。在某种程度上在背景部分中描述的当前署名的发明人的工作，以及另外的在递交时不能作为现有技术的该描述的各个方面，既不确切地也不隐含地被认为是相对于本申请公开内容的现有技术。
发明内容
一种用于测量表面的轮廓的结构光传感器系统包括成像透镜系统、图像捕获装置、第一组微型机电系统(MEMS)反射镜以及控制模块。成像透镜系统使用至少一个透镜聚焦从所述表面反射的光，其中所述成像透镜系统具有相应 的透镜焦平面，并且其中从所述表面反射的光指示所述表面的轮廓。图像捕获装置捕获被聚焦的光，并产生相应于被捕获的光的数据，其中所述图像捕获装置具有相应的图像焦平面，并且其中图像焦平面不平行于透镜焦平面。第一组MEMS反射镜把聚焦后的光引向图像捕获装置。控制模块从图像捕获装置接收相应于所捕获的光的数据，根据接收到的数据确定所捕获的光的聚焦质量，并根据聚焦质量控制第一组MEMS反射镜，以保持透镜焦平面和图像焦平面间的沙伊姆弗勒倾斜条件。
测量表面轮廓的结构光传感器系统包括第一光系统、光学系统、第一组MEMS反射镜、接收系统以及控制模块。第一光系统使用多个光源来产生第一光束，其中多个光源中的每一个产生具有不同波长的光束。光学系统控制光束以生成第一光图案。第一组MEMS反射镜将第一光图案投射到所述表面上。接收系统接收从所述表面反射的、指示所述表面的轮廓的光，并产生相应于接收到的光的数据。控制模块控制光系统、光学系统和第一组MEMS反射镜中的至少一个，以将第二光图案投射在所述表面上，其中第二图案光是基于对应于接收到的光的数据，并且其中第二光图案不同于第一光图案。
通过具体实施方式、权利要求和附图本发明的其他领域的适用性在将变得明显。具体实施方式和具体的实例仅用于说明而并不意图限制本发明的范围。
附图说明
从详细的说明和附图中可更充分地理解本发明，其中：
图1是根据现有技术的LIDAR扫描系统的示意图；
图2是说明根据本发明的透镜平面和成像平面之间的沙伊姆弗勒倾斜条件的示意图；
图3A是根据本发明的第一示例性结构光轮廓传感系统的示意图；
图3B是根据本发明的第二示例性结构光轮廓传感系统的的功能框图；
图4A-4B是分别说明根据现有技术的示例性干涉仪以及根据本发明的结构光轮廓传感系统的示例性干涉测量系统的示意图；
图5A-5B是分别说明根据本发明的处理孔洞和凹槽的示例性方法的示意图；
图6是根据本发明的结构光轮廓传感系统的示例性控制模块的功能框图；
图7是根据本发明的用于修正结构光轮廓传感系统的角度的示例性方法的流程图；
图8A-8B是根据本发明补偿结构光轮廓传感系统的温度波动的示例性方法的流程图；以及
图9是根据本发明操作结构光轮廓传感系统的示例性方法的流程图。
具体实施方式
下面的描述实际上仅是实例而并非企图限制本发明公开的内容、本发明的应用或使用。为了清楚起见，在附图中将使用相同的附图标记来识别同样的元件。正如这里所使用的，短语A、B和C中的至少一个应被解释为表示使用非排它逻辑或的逻辑(A或B或C)。应该理解，在不改变本发明的工作原理的情况下，可以以不同顺序执行方法中的步骤。
正如这里所使用的，术语模块可以指执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或成组的)和/或存储器(共享的、专用的或成组的)、组合逻辑电路和/或提供所描述功能的其它适合的部件中的一部分，或包括以上这些部件。
传统的结构光传感系统具有有限的场深度。换句话说，传统结构光传感系统由于有限的传感深度而不能传感表面的特定轮廓。可以实现沙伊姆弗勒倾斜条件(Scheimpflug tilt condition)以增加场深度。然而，由于传感系统整个场深度上的线排列的聚焦限制，因此在结构光传感系统(即，计量学)中不能实现沙伊姆弗勒倾斜条件。
现在参考图2，说明沙伊姆弗勒原理。沙伊姆弗勒原理是描述当透镜平面61不平行于图像平面63时光学系统(透镜60和成像器62)的锐聚焦平面66的定位的几何定理。图像平面63对应于微型机电系统(MEMS)反射镜64，微型机电系统(MEMS)反射镜64将来自透镜60的光反射到成像器62上。
换句话说，当斜切线(oblique tangent)从图像平面63延伸，并且另一斜切线从透镜平面61延伸时，他们在锐聚焦平面66也通过的线上相交。例如，在这种条件下，不平行于图像平面的平面对象可完全聚焦。由此，可调节MEMS反射镜64以保持成像器62上的聚焦条件。例如，MEMS反射镜64可被调节到不同角度(由MEMS反射镜65表示)以补偿不同的锐聚焦平面67。
由此，提出包括光接收路径中的多像素MEMS反射镜阵列以保持沙伊姆弗勒倾斜条件的结构光轮廓传感的系统和方法。本发明的系统和方法允许当投影仪系统实时投射每条线时在聚焦条件下将每条线引向成像器。这样，可使用具有较大孔径的较小聚焦长度成像透镜，由此增加光学信号并允许更准确的测量。
而且，传统结构光传感系统不生成用于特征提取和/或表面轮廓的形状测量的三维(3D)数据。换句话说，传统结构光传感系统仅产生与原始投射2D图案比较的二维(2D)图案。
由此，提出包括3D数据生成、特征提取和/或形状测量的结构光轮廓传感的系统和方法。本发明的系统和方法产生3D点云，3D点云可用于特征提取/跟踪和/或形状测量。也就是，本发明的系统和方法允许更准确的测量，尤其是z方向上(即轮廓深度)。另外，3D点云可被输出到用于另外的模型和/或处理的外部软件。
现在参考图3A，示出根据本发明的结构光轮廓传感系统70的第一优选实施例。结构光轮廓传感系统70确定表面88的轮廓。结构光轮廓传感系统70还可包括控制模块72、加速计74、光系统76、第一MEMS反射镜系统86、第二MEMS反射镜系统90、聚焦透镜系统92以及成像器94。
光系统76包括第一、第二和第三光源78、80和82。在一个实施例中，第一、第二和第三光源78、80和82是激光器。然而，可以理解可使用其它光源。例如，第一、第二和第三光源78、80、82每个可产生具有不同波长的光。在一个实施例中，这些波长可对应颜色红、绿和蓝。然而，可以理解可使用不同颜色(即，不同波长范围)。
第一、第二和第三光源78、80、82可被组合成一共轴光束，光系统76还可包括光学系统84，光学系统84使用第一、第二和第三光源78、80、82产生光图案。例如，在一个实施例中，光学系统84可包括全息衍射元件、光束分裂器和/或棱镜。然而，可以理解光学系统84可包括其它光学元件。光学系统84中的元件控制光(偏移、分裂、衍射等)以获得需要的光图案。
另外，可理解结构光轮廓传感系统70可包括附加的光系统(未示出)和相移系统(未示出)以执行表面88的干涉测量。更具体地，结构光轮廓传感 系统70可在用于特征提取和/或形状测量目的的投射光图案和用于平坦度测量(即，干涉测量)的投射光条纹线之间进行切换。
如所示，为了特征提取和/或形状测量，轮廓传感系统70向表面88投射第一光图案，然后聚焦并捕获从表面88反射的第二光图案。第二光图案指示表面88的轮廓。然后轮廓传感系统70可比较已经捕获的聚焦的第二光图案和投射到表面上的第一光图案。更具体地，控制模块72可确定预期的第一光图案和从表面88反射的聚焦的第二光图案之间的不同。例如，控制模块72可确定第二光图案和第一光图案之间的相位差。这些不同对应于表面88的特征，并且共同限定该表面的轮廓。
这些特征可被输出到外部系统用于额外的处理，或可由控制模块72存储和/或跟踪这些特征。也就是，控制模块72可根据从表面反射的聚焦的第二光图案(即反馈)来连续控制表面88上的第一光图案的投射，以完善具体特征的测量，这些具体特征共同组成表面88的轮廓。也就是，控制模块72可投射不同于第一光图案的第三光图案。例如，控制模块12可包括存储相应于多个不同光图案的数据(即校准数据)的数据库(datastore)。
现在参考图3B，示出本发明的结构光轮廓传感系统100的第二优选实施例。系统100确定表面102的轮廓。系统100包括控制模块104、校准传感器系统106、投射系统108和成像系统110。
校准传感器系统106确定各种校准参数，例如系统100的定位、系统100的整体配置和系统100的温度。系统100的传感定位和整体配置可使控制模块104减少系统100的建立时间并增加固定安装的建立准确性。另外，系统100的传感温度可使控制模块104自动补偿温度变化。
在一个实施例中，校准传感器系统106包括加速计112、多个可寻址的IR发光二极管(LED)114和热偶116。例如，加速计112可以是固态加速计，固态加速计通过相对于两轴的系统100的倾斜测量提供系统100的定位。例如，在系统100上IR LED114可位于预定位置，这样可用于确定和校准外部坐标空间中的系统100的位置(即系统包括多个不同传感器)。但例如，IR LED114可通过商用立体照相测量装置确定位置和校准。另外，例如热偶116可提供温度信息以使得系统100自动补偿温度变化。
投射系统108根据来自控制模块104的命令(即，根据提取特征，测量形状或执行干涉测量)向表面102上投射第一光图案或光条纹线。投射系统108可向表面102上投射单独光束，或投射系统108可将多束光组合成共轴光束以向表面102上投射。在一个实施例中，由激光器产生多束光。投射系统108还可控制投射到表面102上的第一光图案的颜色、强度和图案。
在一个实施例中，投射系统108包括光系统118、干涉测量系统120和转向MEMS反射镜系统122。光系统118可用于产生投射到表面102上的光图案以通过控制模块104进行特征提取和/或形状测量。干涉测量系统120可用于表面102的干涉测量。更具体地，干涉测量系统120可用于产生表面102上的光条纹线以确定表面的平坦度。
例如，光系统118还可包括第一光源(LS1)124、第二光源(LS2)126和第三光源(LS3)128。可选择地，可理解光系统118可包括比示出更少或更多的光源(例如一个单光源)。而且，光源124、126、128可组合成单一共轴光束。例如，光源124、126、128可以是振幅调制光源、脉冲频率调制光源和/或波长调制光源。另外，光源124、126和128可以是波长实时振动以减少当向表面102投射时的斑点效应。
例如，在一个实施例中，LS1 124可以是红光激光器，LS2 126可以是绿光激光器，并且LS3可以是蓝光激光器128。更具体地，红光激光器124可产生具有相应于红光的波长(例如600到690nm)的激光束。绿光激光器126可产生具有相应于绿光的波长(例如520到600nm)的激光束。蓝光激光器128可产生具有相应于蓝光的波长(例如450到520nm)的激光束。然而，可理解光源124、126、128可产生不同颜色的光(即，不同波长范围)。
另外，光系统118可包括使用光源124、126、128生成光图案的光学系统130。例如，光学系统130可使用全息衍射元件、电光元件和/或光束分裂器生成图案。另外，例如，光学系统130可包括窄带通滤波器、反射镜和/或棱镜。
在一个实施例中，由光系统118产生的单一(例如共轴)光束可以是飞点光栅(flying spot raster)。也就是，共轴光束可包括单个红色、绿色和蓝色部分。这样，控制模块104可通过控制光系统118的光源124、126、128强度来控制共轴光束强度和/或颜色。例如，通过离表面102的距离或表面102的颜 色，控制模块104可分别控制共轴光束的强度和/或颜色。
更具体地，在一个实施例中，控制模块104可根据反馈来控制共轴光束的颜色以匹配表面102的颜色。调节投射光的颜色以匹配表面102颜色可增加系统的精确度(即，分辨率)。这样，控制模块104可控制三个光源124、126、128以控制共轴光束的颜色。例如，控制模块104可增加光源122的强度(其中光源122产生具有相应于红光的波长的光)以增加共轴光束的红色等级。这样，控制模块104可基于反馈经由所捕获的光(表面102反射出的)来控制被投射到表面102上的共轴光束的最终颜色。
虽然光系统118可产生共轴光束，但可理解光系统118还可产生多种光束，使用转向MEMS反射镜系统122中的MEMS反射镜子集合将这些光束分别投射到表面102上。更具体地，在一个实施例中，可使用转向MEMS反射镜系统122中的第一组MEMS反射镜将来自LS1 124的光束投射到表面102上。例如，可使用转向MEMS反射镜系统122中的第二组MEMS反射镜将来自LS2 126的光束投射到表面102上。另外，例如，可使用转向MEMS反射镜系统122中的第三组MEMS反射镜将来自LS3 128的光束投射到表面102上。
可选择地，结构光轮廓传感系统100可使用干涉测量系统120执行表面102的干涉测量。更具体地，光系统132(不同于光系统118)可产生由相移系统134进行相移的光束，并且可经由转向MEMS反射镜系统122将原始光束和经过相移的光束都投射到表面102上。在一个实施例中，光系统132可包括一个单一光源，这样两投射光束保持同相(不包括所产生的偏移)。例如，在一个实施例中，相移系统134可包括多个光束分裂器和/或棱镜。
当系统100执行干涉测量时，具有非常小相差(例如10纳米)的两个投射光束可作为条纹线出现在表面102上。然而，条纹之间的间距可随表面102的不平整而增加。也就是，在平坦表面上所投射的光束可呈现非常窄的条纹(或没有条纹间距)，而在非常粗糙(不平整)的表面上所投射的光束可呈现非常宽的条纹。
现在参考图4A和4B，示出两个不同的干涉测量系统。
现在参考图4A，示出传统干涉仪。光源50向反射镜51投射光束。反射镜51将光束反射穿过光束分裂器152(例如棱镜)。光束分裂器152将光束分 裂成两偏移光束。第一光束从离光束分裂器152第一距离的第一表面153反射出。第二光束从离光束分裂器152的第二距离的第二表面154反射出。第二距离比第一距离大，这产生两反射光束间的相移。然后两反射光束都被引向接收器155。例如，接收器155可以是显示对应于两反射光束间的相位差的条纹图案的表面。
然而，传统干涉仪是静态的(即静止的)，从而仅可在接收器155的小的选择区域(即表面)上产生条纹图案。这样，为了覆盖大的区域(超过100毫米乘100毫米)，需要多个光源和多个高分辨率照相机，这增加了系统的体积、复杂性和/或成本。
现在参考图4B，更详细示出根据本发明的干涉测量系统120的优选实施例。光源160向MEM反射镜162上投射光束。例如，光源160可以是光系统132并且MEMS反射镜162可以是转向MEMS反射镜系统122。MEMS反射镜162将光束反射穿过光束分裂器164。例如，光束分裂器164可以是相移系统134。
光束分裂器164将光束分成两个，并且让其中一束光通过而使用多个表面反射其它光束，这样，产生两束光之间的相位偏移。然后这两束光投射到表面166上。例如，表面166可以是表面102。两束光可根据表面166的平坦度产生条纹图案。更具体地，越不平整的表面可包括越宽的条纹间距。比较而言，平坦表面可包括窄(或没有)的条纹间距。
由于MEMS反射镜162的精确控制，干涉测量系统可获得比传统干涉仪更大的分辨率。例如，干涉测量系统120可具有x和z方向上的5微米的分辨率。另外，干涉测量系统120可连续调节反射镜162以改变在表面166上投射的条纹图案的覆盖范围。例如，条纹图案可以实时转向以覆盖200毫米乘200毫米的区域。
再次参考图3B，如上所述，转向MEMS反射镜系统122向表面102上投射由光系统118或干涉测量系统120产生的一个或多个光束(即图案或条纹)。例如，控制模块104可控制转向MEMS反射镜系统122以将图案或条纹投射到表面102上的特定位置。
在一个实施例中，控制模块104可控制光学系统130以产生用于投射在表 面102上的一个或多个结构线的图案。更具体地，控制模块104可控制多个结构线、结构线宽度、结构线间距、结构线角度和/或结构线强度。另外，控制模块104可控制光学系统130以生成用于投射在表面102上的一个或多个形状的图案。例如，控制模块104可控制光学系统130以产生用于投射在表面130上的环、同轴环、矩形和/或其它N边多边形(N≥3)的图案。
控制模块104可根据所测量的特征来控制所投射的图案。更具体地，现在参考图5A和5B，示出根据本发明的用于控制图案的两个优选方法。
现在参考图5A，示出处理表面中的孔洞的优选方法。结构光轮廓传感系统可围绕孔洞中心旋转地投射多个线。这样，反射的图案可包括与孔洞边缘相对应的多个沿着直径的相对的点。与根据现有技术仅使用垂直和/或水平线相比，该方法允许更精确的特征提取和/或形状测量。
现在参考图5B，示出用于处理表面中的凹槽的优选方法。结构光轮廓传感系统可沿凹槽的尺寸投射多个水平和垂直线。这样，反射的图案可包括代表凹槽边缘的多个点。然而，根据制造公差，一些凹槽可能呈现为更像孔洞，从而这些凹槽也可根据图5A中的方法进行处理。
再次参考图3B，成像系统110接收从表面102反射的第二光图案或光的条纹线，并捕获所接收到的光以由控制模块104进行表面102的轮廓传感。由于表面102的轮廓，所接收到的光可不同于所投射的光。例如，表面102可包括具有变化的深度的多个特征。例如，控制模块104可根据接收光和投射光间的相差确定表面102的变动范围。更具体地，成像系统110可接收反射光、倾斜反射光和/或聚焦反射光。而且，成像系统110然后可捕获所接收到的光并将相应的数据传送到控制模块104以进行处理。
在一个实施例中，成像系统110包括接收MEMS反射镜系统140、聚焦透镜系统142和图像捕获模块144。接收MEMS反射镜系统140接收来自表面102的反射光，并将接收的光引向聚焦透镜系统142。聚焦透镜系统142可包括一个或多个透镜。例如，控制模块104可控制接收MEMS反射镜系统140和聚焦透镜系统142以提供精确的传感器指示对准。
接收MEMS反射镜系统140还可将聚焦光倾斜到图像捕获模块144上以通过满足沙伊姆弗勒倾斜条件使聚焦最大化。这样，例如，在一个实施例中， 接收MEMS反射镜系统140的子集合可将所接收的光引向聚焦透镜系统142，而接收MEMS反射镜系统140的不同子集合可将聚焦光倾斜到图像捕获模块144上。可选择地，例如，能理解可使用MEMS反射镜的两个不同系统。
控制模块104控制接收MEMS反射镜系统140和聚焦透镜系统142以获得精确度，该精确度可允许光学和图像处理能力适应未来的工艺。更具体地，控制模块104可控制接收MEMS反射镜系统140和聚焦透镜系统142以通过将聚焦光倾斜到图像捕获模块144上产生沙伊姆弗勒成像条件。
也就是，控制模块104可控制接收MEMS反射镜系统140和聚焦透镜系统142以增加图像捕获模块144的视场(FOV)。控制模块104可控装置接收MEMS反射镜系统140和聚焦透镜系统142以增加图像捕获模块144的场深度。另外，控制模块104可控制接收MEMS反射镜系统140和聚焦透镜系统142以通过控制聚焦透镜系统142和图像捕获模块144间的光线路径长度保持聚焦条件。
由此，图像捕获模块144经由接收MEMS反射镜系统140和聚焦透镜系统142接收来自表面102的反射光(即在聚焦和/或倾斜后)。虽然示出一个图像捕获模块144，但是可理解可使用多个图像捕获模块144。例如，多个图像捕获模块144中的每一个可接收对应于表面102的子区域的一部分反射光。
图像捕获模块144将聚焦光变为数据(例如电数据)。在一个实施例中，图像捕获模块144是电荷耦合装置(CCD)成像器。在另一个实施例中，图像捕获模块144是CMOS(互补金属-氧化物-半导体)成像器。例如，CCD成像器可获得比CMOS成像器更高的分辨率，而CMOS成像器可使用比CCD成像器更少的能量。
图像捕获模块144将数据送到控制模块104以进行聚焦调整和/或处理以确定表面102的轮廓。控制模块104可通过估测由成像器捕获的激光线形来确定所捕获的光的聚焦质量。对于高斯曲线轮廓，通过使峰值最大化和使激光线的宽度最小化来改善聚焦。成像器的动态区间使图像不饱和是很重要的。根据聚焦质量，控制模块104控制接收MEMS反射镜系统140(或其子集合)以保持沙伊姆弗勒倾斜条件。该处理可以是实时的连续反复地以使聚焦质量最大化，由此保持沙伊姆弗勒倾斜条件。
另外，控制模块104可改变、提取和/或跟踪表面102的特征。另外，控制模块104可将数据输出到铺装和/或检测软件以进行建模和/或额外的处理。而且，控制模块104可根据提取的3D特征来调节投射系统108和/或成像系统110。也就是，例如，控制模块104可调节光图案或光条纹线在表面102上的投射以进行更精确的轮廓传感。
现在参考图6，示出控制模块104的优选实施例。控制模块104可包括2D处理模块170、2D提取/分割模块172、坐标转换模块174、3D提取模块176和特征位置跟踪模块178。
2D处理模块170接收相应于投射光和反射光的数据。更具体地，2D处理模块确定来自图像捕获模块144的数据(第二图像)和对应于投射光数据(即光图案或条纹线)之间的差异。在一个实施例中，对应于投射光的数据可被存储在控制模块104中的数据库中。
2D提取/分割模块172接收来自2D处理模块170的经过处理的数据。2D提取/分割模块172从该2D数据提取特征。也就是，2D提取/分割模块172将经过处理的数据分割成相应于不同特征的多个数据段。例如，这些数据段可对应于超过预定特征阈值的数据。
坐标转换模块174接收相应于所提取的特征的经过分割的数据。坐标转换模块174还接收传感器校准数据和运动(mover)/工具校准数据。例如，传感器校准数据可由加速计112产生。运动/工具校准数据可以是数据库中存储的预定校准数据。然而，可理解在一个实施例中运动/工具校准数据可由使用者输入。
坐标转换模块174将2D数据段的坐标转换为相应于不同特征的3D坐标。更具体地，坐标转换模块174确定具体坐标的深度(即，由于沙伊姆弗勒倾斜)。例如，坐标转换模块174可产生对应于每个2D数据段的3D点云。在一个实施例中，3D点云可被传送到铺装软件以进行3D坐标的建模。
3D特征提取模块176接收3D点云。3D特征提取模块176从3D点云提取特征。更具体地，3D特征提取模块176可确定哪个特征超出预定阈值(例如表面弯曲程度)并且这样可提取额外的特征。3D提取的特征可不同于2D提取的特征。也就是，一些2D提取的特征在被转换成3D提取特征后可以被 忽略。在一个实施例中，提取的3D特征可被传送到外部检测软件以进行额外计算和/或提取的3D特征的额外测量的核查。
特征位置跟踪模块178接收提取的3D特征。特征位置跟踪模块178在数据库中存储提取的3D特征。特征位置跟踪模块178还可根据提取的3D特征调节转向MEMS反射镜系统122和/或接收MEMS反射镜系统140。也就是，特征位置跟踪模块178可调节系统以进行一个或多个提取的3D特征的更准确的轮廓传感(例如，基于反馈的系统)。然而，当特征位置跟踪模块178调节转向MEMS反射镜系统122和/或接收MEMS反射镜系统140时，反射镜角度的变化被传送到坐标转换模块174以用于未来坐标转换操作。
现在参考图7，根据本发明的修正轮廓传感系统的角度的优选方法开始于步骤200。
在步骤202中，系统确定相应于反射光中的位置的数据是否与相应于投射光中的位置的数据等同。如果是，则控制返回步骤202(即没有修正必要)。如果否，则控制进入步骤204。
在步骤204中，系统使用加速计测量移动。例如，系统使用加速计确定系统上的重力效应，例如x轴和/或y轴的倾斜。在步骤206中，系统调节转向MEMS反射镜122和接收MEMS反射镜140以补偿系统上的所确定的外部效应。然后控制可返回步骤202。
现在参考图8A-8B，示出根据本发明的用于补偿轮廓传感系统的温度波动的优选方法。
现在参考图8A，由于温度波动调节投射的优选方法开始于步骤250。在步骤252中，系统测量投射系统的温度。例如，温度可由热偶116产生。
在步骤254中，系统确定测量的温度是否不同于校准温度。例如，校准温度可以是存储在数据库中的多个预定温度之一。如果是，控制可进入到步骤256。如果否，控制可返回步骤252。
在步骤254中，系统可根据所测量的温度调节转向MEMS反射镜122。例如，系统可根据MEMS反射镜位置(y)和温度(T)之间的预定关系(函数g)(例如，y＝g(T))来调节转向MEMS反射镜122。在一个实施例中，函数(g)可包括在数据库中存储的多个反射镜位置(y)和多个相应的温度(T)。 然后控制可返回步骤252。
现在参考图8B，由于温度波动调节成像(接收)的优选方法开始于步骤260。在步骤262中，系统测量成像系统的温度。例如，温度可通过热偶116产生。
在步骤264中，系统确定测量的温度是否不同于校准温度。例如，校准温度可以是存储在数据库中的一个或多个预定温度。如果是，控制可进入步骤266。如果否，控制可返回步骤262。
在步骤264中，系统可根据测量的温度来调节接收MEMS反射镜140。例如，系统可根据MEMS反射镜位置(x)和温度(T)之间的预定关系(函数f)(例如x＝f(T))来调节接收MEMS反射镜140。在一个实施例中，函数(f)可包括在数据库中存储的多个反射镜位置(x)和多个相应的温度(T)。然后控制可返回到步骤252。
现在参考图9，根据本发明的操作结构光轮廓传感系统的优选方法开始于步骤300。在步骤302中，系统确定特征提取和/或形状测量是否要被执行或干涉测量是否要被执行。如果特征提取和/或形状测量要被执行，则控制可进入到步骤304。如果干涉测量要被执行，则控制可进入到步骤314。
在步骤304中，系统根据传感器反馈和/或提取的特征或形状测量(即，根据前一循环)执行校对。例如，系统可校准投射光束的颜色和/或强度、投射或成像MEMS反射镜的位置等。
在步骤306中，系统产生并投射第一光图案到表面上以进行轮廓传感。更具体地，系统可产生光束的特定颜色和/或强度，并可向表面上投射包括一个或多个线条和/或形状的图案。
在步骤308中，系统接收从表面反射的光，并将反射光进行引导以进行捕获。更具体地，系统接收反射光、引导反射光并使反射光倾斜以便为成像器最大化反射光聚焦(即沙伊姆弗勒倾斜)。
在步骤310中，系统捕获聚焦光以进行处理。例如，聚焦光可由CCD照相机或CMOS照相机捕获。
在步骤312中，系统处理相应于用于表面的特征提取和/或形状测量的聚焦光的数据。另外，系统可在数据库中存储所提取的特征或形状测量和/或输 出相应于提取特征的数据以进行外部建模和/或额外处理。然后控制可返回步骤302。
在步骤314中，系统根据传感器反馈和/或提取的特征或形状测量(即，根据前一循环)执行校准。例如，系统可校准投射光束的颜色和/或强度、投射或成像MEMS反射镜的位置等。
在步骤316中，系统产生光束。例如，系统可使用不同于用于特征提取和/或形状测量的光系统来产生光束。
在步骤318中，系统使光束分裂并偏移，从而生成具有小的相位差(例如10nm)的两束光。例如，使用多个光束分裂器和/或棱镜可使光束分裂并偏移。
在步骤320中，系统捕获从表面反射的光的条纹线。在步骤322中，系统测量条纹的间距，并根据间距确定表面的平坦度。例如，较平坦的表面可包括较小的条纹间距。然后控制可返回到步骤302。
本发明广泛的教导可以多种形式执行。因此，虽然本发明包括具体实例，但是由于研究附图、说明书和如下权利要求，其他的修改变得很明显，所以本发明的真正范围不应该被限制。

Claims (14)

1.一种用于测量表面的轮廓的结构光传感器系统，其特征在于，所述结构光传感器系统包括：
成像透镜系统，其使用至少一个透镜聚焦从所述表面反射的光，其中所述成像透镜系统具有相应的透镜焦平面，并且其中从所述表面反射的光指示所述表面的轮廓；
图像捕获装置，其捕获所聚焦的光，并产生相应于所捕获的光的数据，其中所述图像捕获装置具有相应的图像焦平面，并且其中图像焦平面不平行于透镜焦平面；
第一组微型机电系统(MEMS)反射镜，其把所聚焦的光引向图像捕获装置；以及
控制模块，其从图像捕获装置接收相应于所捕获的光的数据，根据接收到的数据确定所捕获的光的聚焦质量，并根据聚焦质量控制第一组MEMS反射镜，以保持透镜焦平面和图像焦平面间的沙伊姆弗勒倾斜条件。
2.根据权利要求1所述的结构光传感器系统，其特征在于，所述结构光传感器系统进一步包括：
第一光系统，其使用多个光源来产生第一光束，其中多个光源中的每一个产生具有不同波长的光束。
3.根据权利要求2所述的结构光传感器系统，其特征在于，控制模块通过控制多个光源中的每一个的强度来控制所述第一光束的强度。
4.根据权利要求2所述的结构光传感器系统，其特征在于，控制模块通过控制多个光源中的每一个的强度来控制所述第一光束的颜色。
5.根据权利要求2所述的结构光传感器系统，其特征在于，多个光源包括具有对应于红光的波长的第一激光器、具有对应于绿光的波长的第二激光器以及具有对应于蓝光的波长的第三激光器。
6.根据权利要求2所述的结构光传感器系统，其特征在于，所述结构光传感器系统进一步包括：
光学系统，其调节所述第一光束以产生第一光图案。
7.根据权利要求6所述的结构光传感器系统，其特征在于，控制模块通过控制所述光学系统来控制第一光图案。 
8.根据权利要求7所述的结构光传感器系统，其特征在于，第一光图案包括线条、圆形和N边多边形中的至少一种，其中N是大于或等于3的整数。
9.根据权利要求6所述的结构光传感器系统，其特征在于，所述结构光传感器系统进一步包括：
第二组MEMS反射镜，其将第一光图案投射到所述表面上，其中控制模块通过控制第二组MEMS反射镜来控制投射第一光图案的所述表面的区域。
10.根据权利要求1所述的结构光传感器系统，其特征在于，控制模块根据接收到的数据产生指示所述表面的轮廓的三维(3D)数据，其中3D数据是与离散算法相适应的网格形式。
11.根据权利要求1所述的结构光传感器系统，其特征在于，所述结构光传感器系统进一步包括：
第二光系统，其产生第二光束；以及
相移系统，其使用第二光束和光学元件来产生偏移的第二光束。
12.根据权利要求11所述的结构光传感器系统，其特征在于，第二组MEMS反射镜将第二光束和偏移的第二光束投射到所述表面上。
13.根据权利要求12所述的结构光传感器系统，其特征在于，控制模块根据所述表面上的条纹线间距确定所述表面的区域的平坦度。
14.根据权利要求13所述的结构光传感器系统，其特征在于，控制模块调节第二组MEMS反射镜以连续执行所述表面的不同区域的平坦度测量。 
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