采用基于TI DLP?技術的結構光實現(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備、檢測設備、探測設備和3D成像設備的體積數(shù)據(jù)。當設計人員需要進行毫米到微米分辨率的快速高精度掃描時，經常選擇基于TI DLP?技術的結構光系統(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準2D參考件進行比較。 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構特征至關重要，而這是2D檢測系統(tǒng)無法達到的。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.利用結構光進行光學3D掃描

　　探針物理接觸物體表面，并結合每個點的位置數(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?？焖偕踔翆崟r地獲取數(shù)據(jù)。

　　DLP技術可快速智能地生成光圖像

　　對于光學3D掃描設備，DLP技術通常在系統(tǒng)中用于產生結構光。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DMD與照明光源和光學器件相結合時，這種精密復雜的微機電系統(tǒng)(MEMS)就可以為各種投影系統(tǒng)和空間光調制系統(tǒng)提供助力。

　　由于DMD可靈活、快速、高度可編程的產生各種結構光圖案，設計人員經常將DLP技術用于結構光應用。與具有固定圖案集的激光線掃描儀或衍射光學元件(DOE)不同，它可以將不同位深的多種圖案編程至一個DMD?；贒LP技術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(tǒng)的應用

　　3D AOI

　　3D自動光學檢測(AOI)是一種用于生產制造環(huán)境的強大技術，可提供與零件質量相關的實時、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)劣質焊點(圖3)。在PCB的生產制造中，也會在元件放置、回流焊、最終檢查和返工操作后進行在線3D AOI，最大限度地提高質量和可靠性。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掃描技術在醫(yī)療行業(yè)中的應用飛速增長。例如，牙科中采用口腔內掃描儀(IOS)直接采集光學印模(圖4)。在制作假體修復體時，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.牙科口內掃描儀

　　另一個快速增長的應用行業(yè)是3D耳掃描。光學成像系統(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(tǒng)已經開始轉向采用3D光學掃描技術。

　　光學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于高度、粗糙度以及計算機輔助設計(CAD)數(shù)據(jù)比較的特征。此外，生產機加工、鑄造或沖壓制品的工廠也是光學檢測的另一大應用領域。

　　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行X、Y、Z三軸方向的測量，從而提高質量保障。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)和其他生產線工廠的速度和質量。在裝配和生產過程中的特定階段增設3D檢測有助于及早發(fā)現(xiàn)質量問題，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)設備和3D打印機內運用，能夠在生產制造過程中進行實時測量。

　　圖 6.3D結構光掃描在汽車定位檢測中的應用