采用基于TI DLP?技術(shù)的結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)高精度3D掃描

　　前言

　　三維(3D)掃描是一種功能強大的工具，可以獲取各種用于計量設(shè)備、檢測設(shè)備、探測設(shè)備和3D成像設(shè)備的體積數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)計人員需要進(jìn)行毫米到微米分辨率的快速高精度掃描時，經(jīng)常選擇基于TI DLP?技術(shù)的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。

　　3D掃描系統(tǒng)的誕生

　　簡單的二維(2D)檢測系統(tǒng)已經(jīng)問世多年了，其工作機制通常是照亮物體并拍照，然后將拍攝圖像與已知的標(biāo)準(zhǔn)2D參考件進(jìn)行比較。 3D掃描則增加了獲取體積信息的能力。引入z維數(shù)據(jù)可以測量物體的體積、平整度或粗糙度。對于印刷電路板(PCB)、焊膏和機加工零件檢測等行業(yè)而言，測量上述附加幾何結(jié)構(gòu)特征至關(guān)重要，而這是2D檢測系統(tǒng)無法達(dá)到的。此外，3D掃描還可用于醫(yī)療、牙科和助聽器制造等行業(yè)。

　　坐標(biāo)測量機(CMM)是收集3D信息的首批工業(yè)解決方案之一。

　　圖 1.坐標(biāo)測量機探頭示例

　　圖 2.利用結(jié)構(gòu)光進(jìn)行光學(xué)3D掃描

　　探針物理接觸物體表面，并結(jié)合每個點的位置數(shù)據(jù)來創(chuàng)建3D表面模型(圖1)。后來出現(xiàn)了用于3D掃描的光學(xué)方法，如：結(jié)構(gòu)光(圖2)。結(jié)構(gòu)光是將一組圖案投射到物體上并用相機或傳感器捕捉圖案失真的過程。然后利用三角計算方法計算數(shù)據(jù)并輸出3D點云，從而生成用于測量、檢查、檢測、建?；驒C器視覺系統(tǒng)中各種計算的數(shù)據(jù)。光學(xué)3D掃描受到青睞的原因在于不接觸被測物體，并且可以非常快速甚至實時地獲取數(shù)據(jù)。

　　DLP技術(shù)可快速智能地生成光圖像

　　對于光學(xué)3D掃描設(shè)備，DLP技術(shù)通常在系統(tǒng)中用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光。DLP芯片是一種高反射鋁微鏡陣列，稱為數(shù)字微鏡器件(DMD)。

　　當(dāng)DMD與照明光源和光學(xué)器件相結(jié)合時，這種精密復(fù)雜的微機電系統(tǒng)(MEMS)就可以為各種投影系統(tǒng)和空間光調(diào)制系統(tǒng)提供助力。

　　由于DMD可靈活、快速、高度可編程的產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)光圖案，設(shè)計人員經(jīng)常將DLP技術(shù)用于結(jié)構(gòu)光應(yīng)用。與具有固定圖案集的激光線掃描儀或衍射光學(xué)元件(DOE)不同，它可以將不同位深的多種圖案編程至一個DMD。基于DLP技術(shù)的結(jié)構(gòu)光解決方案非常適合于需要達(dá)到毫米甚至微米精度的詳細(xì)測量。

　　3D掃描系統(tǒng)的應(yīng)用

　　3D AOI

　　3D自動光學(xué)檢測(AOI)是一種用于生產(chǎn)制造環(huán)境的強大技術(shù)，可提供與零件質(zhì)量相關(guān)的實時、在線、決定性的測量數(shù)據(jù)。例如，3D測量就非常適合用于PCB焊膏檢測(SPI)，因為它會測量出在元件放置之前沉積的焊膏的實際體積，有助于防止出現(xiàn)劣質(zhì)焊點(圖3)。在PCB的生產(chǎn)制造中，也會在元件放置、回流焊、最終檢查和返工操作后進(jìn)行在線3D AOI，最大限度地提高質(zhì)量和可靠性。隨著3D檢測功能的日益普及，越來越多的在線工廠檢測點選擇采用3D AOI系統(tǒng)。

　　圖 3.PCB 3D SPI示例

　　醫(yī)療

　　3D掃描技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用飛速增長。例如，牙科中采用口腔內(nèi)掃描儀(IOS)直接采集光學(xué)印模(圖4)。在制作假體修復(fù)體時，如鑲嵌物、高嵌體、頂蓋和牙冠，需要達(dá)到微米級3D圖像精度。IOS簡化了牙醫(yī)的臨床操作程序，省卻了對石膏模型的需求并減輕了患者的不適。

　　圖 4.牙科口內(nèi)掃描儀

　　另一個快速增長的應(yīng)用行業(yè)是3D耳掃描。光學(xué)成像系統(tǒng)能夠精確采集耳朵的3D模型，而無需使用硅膠耳印模。3D耳掃描未來還可用于為消費者定制耳塞、助聽器及聽力保護(hù)設(shè)備。

　　工業(yè)計量和檢測

　　許多不同的工業(yè)計量和檢測系統(tǒng)已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向采用3D光學(xué)掃描技術(shù)。

　　光學(xué)3D表面檢測顯微鏡是離線CMM系統(tǒng)的一種替代方案。此類顯微鏡可以測量更多關(guān)于高度、粗糙度以及計算機輔助設(shè)計(CAD)數(shù)據(jù)比較的特征。此外，生產(chǎn)機加工、鑄造或沖壓制品的工廠也是光學(xué)檢測的另一大應(yīng)用領(lǐng)域。

　　圖 5.帶有3D掃描儀的機器人手臂

　　它們可以更輕松和準(zhǔn)確地進(jìn)行X、Y、Z三軸方向的測量，從而提高質(zhì)量保障。市場上也出現(xiàn)了在線3D視覺系統(tǒng)與機器人手臂相結(jié)合的解決方案(圖5)。利用這些機器人解決方案可以極大地提高汽車(圖6)和其他生產(chǎn)線工廠的速度和質(zhì)量。在裝配和生產(chǎn)過程中的特定階段增設(shè)3D檢測有助于及早發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，從而減少浪費和返工。3D掃描系統(tǒng)甚至可以在計算機數(shù)控(CNC)設(shè)備和3D打印機內(nèi)運用，能夠在生產(chǎn)制造過程中進(jìn)行實時測量。

　　圖 6.3D結(jié)構(gòu)光掃描在汽車定位檢測中的應(yīng)用