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

　　前言

　　三維(3D)掃描是一種功能強(qiáng)大的工具，可以獲取各種用于計(jì)量設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、探測(cè)設(shè)備和3D成像設(shè)備的體積數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。

　　3D掃描系統(tǒng)的誕生

　　簡(jiǎn)單的二維(2D)檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)問(wèn)世多年了，其工作機(jī)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(cè)量物體的體積、平整度或粗糙度。對(duì)于印刷電路板(PCB)、焊膏和機(jī)加工零件檢測(cè)等行業(yè)而言，測(cè)量上述附加幾何結(jié)構(gòu)特征至關(guān)重要，而這是2D檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的。此外，3D掃描還可用于醫(yī)療、牙科和助聽(tīng)器制造等行業(yè)。

　　坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(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(cè)量機(jī)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(gè)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建3D表面模型(圖1)。后來(lái)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(jī)或傳感器捕捉圖案失真的過(guò)程。然后利用三角計(jì)算方法計(jì)算數(shù)據(jù)并輸出3D點(diǎn)云，從而生成用于測(cè)量、檢查、檢測(cè)、建?；驒C(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中各種計(jì)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(cè)物體，并且可以非?？焖偕踔翆?shí)時(shí)地獲取數(shù)據(jù)。

　　DLP技術(shù)可快速智能地生成光圖像

　　對(duì)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(chēng)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(shí)，這種精密復(fù)雜的微機(jī)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(jì)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(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(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(cè)量。

　　3D掃描系統(tǒng)的應(yīng)用

　　3D AOI

　　3D自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(AOI)是一種用于生產(chǎn)制造環(huán)境的強(qiáng)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(cè)量數(shù)據(jù)。例如，3D測(cè)量就非常適合用于PCB焊膏檢測(cè)(SPI)，因?yàn)樗鼤?huì)測(cè)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(xiàn)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3D檢測(cè)功能的日益普及，越來(lái)越多的在線(xiàn)工廠檢測(cè)點(diǎn)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(zhǎng)。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(shí)，如鑲嵌物、高嵌體、頂蓋和牙冠，需要達(dá)到微米級(jí)3D圖像精度。IOS簡(jiǎn)化了牙醫(yī)的臨床操作程序，省卻了對(duì)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(gè)快速增長(zhǎng)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(wú)需使用硅膠耳印模。3D耳掃描未來(lái)還可用于為消費(fèi)者定制耳塞、助聽(tīng)器及聽(tīng)力保護(hù)設(shè)備。

　　工業(yè)計(jì)量和檢測(cè)

　　許多不同的工業(yè)計(jì)量和檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)向采用3D光學(xué)掃描技術(shù)。

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

　　圖 5.帶有3D掃描儀的機(jī)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(cè)量，從而提高質(zhì)量保障。市場(chǎng)上也出現(xiàn)了在線(xiàn)3D視覺(jué)系統(tǒng)與機(jī)器人手臂相結(jié)合的解決方案(圖5)。利用這些機(jī)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(shè)3D檢測(cè)有助于及早發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，從而減少浪費(fèi)和返工。3D掃描系統(tǒng)甚至可以在計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)設(shè)備和3D打印機(jī)內(nèi)運(yùn)用，能夠在生產(chǎn)制造過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

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