用于自動化制造業(yè)的光投影技術(shù)

增材制造，又稱3D打印，和3D機器視覺都是令人極為振奮的新技術(shù)，當(dāng)我們將這兩者結(jié)合起來使用時，它們有潛力創(chuàng)建一些全新的高效生產(chǎn)模式，這其中，尤其讓人感興趣的是“自動化生產(chǎn)”的概念——一個“一站式”的機械加工車間，該車間可在無需人工監(jiān)督的情況下用3D打印技術(shù)來打造零件，并用機器視覺技術(shù)來測量和測試該零件。

德州儀器（TI）的DLP技術(shù)及其核心的數(shù)字微鏡器件（DMD）可提供實現(xiàn)這一切的關(guān)鍵要素。DLP技術(shù)是誕生于1996年的用于投影顯示的光學(xué)技術(shù)，現(xiàn)在已得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)被應(yīng)用于3D打印和機器視覺中的問題時，DLP技術(shù)可提供高分辨率的成像、加快生產(chǎn)速度并降低制造成本，這有助于讓自動化生產(chǎn)的愿景成為現(xiàn)實。正因如此，它才成為了用老技術(shù)解決新問題的經(jīng)典范例。

采用DLP技術(shù)的3D打印

光固化（SLA）是一種常見的3D打印過程，與傳統(tǒng)的打印較為相似。就像調(diào)色劑沉積在紙張上一樣，3D打印機可在一系列2D截面中沉積材料層，這樣一層一層疊加起來，就能產(chǎn)生3D物體。在采用SLA技術(shù)的情況下，材料是一種可用紫外線（UV）光源進行固化的樹脂。當(dāng)該樹脂固化時，其單體能交聯(lián)以創(chuàng)建一個聚合物鏈 —— 該聚合物鏈可產(chǎn)生固體材料。

當(dāng)SLA技術(shù)與DLP技術(shù)結(jié)合時，DMD會由UV光源點亮。然后DMD的像素被分別處理，圖像被投影到樹脂層，從而產(chǎn)生一系列截面，這些截面可組成3D物體。采用DLP技術(shù)能夠帶來多種優(yōu)勢，比如能用光學(xué)技術(shù)使來自DMD的各個像素成像，而不是讓光源直接在樹脂上成像，這樣可優(yōu)化分辨率和特征尺寸。


采用DLP技術(shù)的光固化

圖像說明：物體通過3D計算機輔助設(shè)計（CAD）模型得到詳細的說明。打印機軟件可將虛擬模型轉(zhuǎn)化成一系列表層以適應(yīng)該物體的打印。資料來源注解：由德州儀器（TI）提供

和能產(chǎn)生100微米體素（3D像素）、基于激光的傳統(tǒng)SLA機相比，基于DLP技術(shù)的SLA機可實現(xiàn)30微米的體素。體素越小，轉(zhuǎn)化成的物體越平滑，這意味著完成物體創(chuàng)建所需的后期制作處理工作就越少。此外，因為整個構(gòu)造層的成像和創(chuàng)建是同時完成——而不是一次一個體素、逐層完成的，所以這些機器完成較大打印品的速度比傳統(tǒng)的SLA機快。

DLP技術(shù)測量和測試

物體被打印后，自動生產(chǎn)線上的下一個步驟是實現(xiàn)具有3D視覺功能的機器，該機器可對物體進行自動測量和測試。在這個過程中也可以應(yīng)用DLP技術(shù)。

傳統(tǒng)的機器視覺系統(tǒng)采用接觸式坐標(biāo)測量法或使用單個攝像頭的非接觸式2D檢測與測量法來掃描物體。DLP輔助的3D機器視覺系統(tǒng)則可采用單行掃描的變異法 —— 結(jié)構(gòu)光方法。


通過采用DLP技術(shù)的結(jié)構(gòu)光掃描法，就能提取任何物體的表面面積、體積和特征尺寸等維度值。
資料來源注解：由德州儀器（TI）提供


DLP輔助的3D機器視覺系統(tǒng)

圖像說明：通過提供單個或多個攝像頭的3D圖像采集功能，DLP技術(shù)可實現(xiàn)3D機器視覺。該系統(tǒng)能將一個DMD用作空間光調(diào)制器，并用一個DMD控制器來提供對微鏡的高速控制功能。資料來源注解：由德州儀器（TI）提供

在這里，數(shù)字光圖案被投影到一個物體上。接著，這些光圖案通過攝像頭傳感器成像——該傳感器可借助已知的光源角度對數(shù)據(jù)進行三角測量，以提取3D信息。

被投影的圖案通常是黑色和白色條紋，它們由DMD將相應(yīng)的像素列開啟和關(guān)閉而產(chǎn)生。我們用投影透鏡讓來自DMD的光在被測量的物體上成像。由于DMD像素的尺寸可能僅為5.4微米，故我們可用較小的面板來產(chǎn)生高分辨率圖案。

與傳統(tǒng)的單行掃描法和接觸式坐標(biāo)測量法相比，DLP輔助的結(jié)構(gòu)光方法有著高分辨率，并且有高達32kHz的可編程圖案速率，因此能產(chǎn)生高精度的3D實時數(shù)據(jù)。此外，DMD還可在系統(tǒng)設(shè)計中提供靈活性 —— 波長選擇范圍很廣，可從365納米到2,500納米。

對提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低制造成本的需求正在一系列領(lǐng)域——包括安全、醫(yī)療、環(huán)境和科學(xué)領(lǐng)域——變得越來越強勁。利用TI的DLP技術(shù)，工程師可獲得一種途徑來滿足這些需求，并能設(shè)想一個理想的制造工廠，其中自動機器人可制造和測試產(chǎn)品。