用于自動化制造業(yè)的光投影技術

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，當我們將這兩者結合起來使用時，它們有潛力創(chuàng)建一些全新的高效生產模式，這其中，尤其讓人感興趣的是“自動化生產”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打印技術來打造零件，并用機器視覺技術來測量和測試該零件。

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

采用DLP技術的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，就能產生3D物體。在采用SLA技術的情況下，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 —— 該聚合物鏈可產生固體材料。

當SLA技術與DLP技術結合時，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，從而產生一系列截面，這些截面可組成3D物體。采用DLP技術能夠帶來多種優(yōu)勢，比如能用光學技術使來自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技術的光固化

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

和能產生100微米體素（3D像素）、基于激光的傳統(tǒng)SLA機相比，基于DLP技術的SLA機可實現30微米的體素。體素越小，轉化成的物體越平滑，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技術測量和測試

物體被打印后，自動生產線上的下一個步驟是實現具有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用DLP技術。

傳統(tǒng)的機器視覺系統(tǒng)采用接觸式坐標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 —— 結構光方法。


通過采用DLP技術的結構光掃描法，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技術可實現3D機器視覺。該系統(tǒng)能將一個DMD用作空間光調制器，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據進行三角測量，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將相應的像素列開啟和關閉而產生。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生高分辨率圖案。

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

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