采用基于TI DLP?技術(shù)的結構光實(shí)現高精度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備、檢測設備、探測設備和3D成像設備的體積數據。當設計人員需要進(jìn)行毫米到微米分辨率的快速高精度掃描時(shí)，經(jīng)常選擇基于TI DLP?技術(shù)的結構光系統。

　　3D掃描系統的誕生

　　簡(jiǎn)單的二維(2D)檢測系統已經(jīng)問(wèn)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準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維數據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構特征至關(guān)重要，而這是2D檢測系統無(wú)法達到的。此外，3D掃描還可用于醫療、牙科和助聽(tīng)器制造等行業(yè)。

　　坐標測量機(CMM)是收集3D信息的首批工業(yè)解決方案之一。

　　圖 1.坐標測量機探頭示例

　　圖 2.利用結構光進(jìn)行光學(xué)3D掃描

　　探針物理接觸物體表面，并結合每個(gè)點(diǎn)的位置數據來(lái)創(chuàng )建3D表面模型(圖1)。后來(lái)出現了用于3D掃描的光學(xué)方法，如：結構光(圖2)。結構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(guò)程。然后利用三角計算方法計算數據并輸出3D點(diǎn)云，從而生成用于測量、檢查、檢測、建?；驒C器視覺(jué)系統中各種計算的數據。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?？焖偕踔翆?shí)時(shí)地獲取數據。

　　DLP技術(shù)可快速智能地生成光圖像

　　對于光學(xué)3D掃描設備，DLP技術(shù)通常在系統中用于產(chǎn)生結構光。DLP芯片是一種高反射鋁微鏡陣列，稱(chēng)為數字微鏡器件(DMD)。

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

　　由于DMD可靈活、快速、高度可編程的產(chǎn)生各種結構光圖案，設計人員經(jīng)常將DLP技術(shù)用于結構光應用。與具有固定圖案集的激光線(xiàn)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(gè)DMD?；贒LP技術(shù)的結構光解決方案非常適合于需要達到毫米甚至微米精度的詳細測量。

　　3D掃描系統的應用

　　3D AOI

　　3D自動(dòng)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(shí)時(shí)、在線(xiàn)、決定性的測量數據。例如，3D測量就非常適合用于PCB焊膏檢測(SPI)，因為它會(huì )測量出在元件放置之前沉積的焊膏的實(shí)際體積，有助于防止出現劣質(zhì)焊點(diǎn)(圖3)。在PCB的生產(chǎn)制造中，也會(huì )在元件放置、回流焊、最終檢查和返工操作后進(jìn)行在線(xiàn)3D AOI，最大限度地提高質(zhì)量和可靠性。隨著(zhù)3D檢測功能的日益普及，越來(lái)越多的在線(xiàn)工廠(chǎng)檢測點(diǎn)選擇采用3D AOI系統。

　　圖 3.PCB 3D SPI示例

　　醫療

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

　　圖 4.牙科口內掃描儀

　　另一個(gè)快速增長(cháng)的應用行業(yè)是3D耳掃描。光學(xué)成像系統能夠精確采集耳朵的3D模型，而無(wú)需使用硅膠耳印模。3D耳掃描未來(lái)還可用于為消費者定制耳塞、助聽(tīng)器及聽(tīng)力保護設備。

　　工業(yè)計量和檢測

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

　　光學(xué)3D表面檢測顯微鏡是離線(xiàn)CMM系統的一種替代方案。此類(lèi)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計(CAD)數據比較的特征。此外，生產(chǎn)機加工、鑄造或沖壓制品的工廠(chǎng)也是光學(xué)檢測的另一大應用領(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(chǎng)上也出現了在線(xiàn)3D視覺(jué)系統與機器人手臂相結合的解決方案(圖5)。利用這些機器人解決方案可以極大地提高汽車(chē)(圖6)和其他生產(chǎn)線(xiàn)工廠(chǎng)的速度和質(zhì)量。在裝配和生產(chǎn)過(guò)程中的特定階段增設3D檢測有助于及早發(fā)現質(zhì)量問(wèn)題，從而減少浪費和返工。3D掃描系統甚至可以在計算機數控(CNC)設備和3D打印機內運用，能夠在生產(chǎn)制造過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

　　圖 6.3D結構光掃描在汽車(chē)定位檢測中的應用