利用TI DLP技術(shù)結(jié)構(gòu)光進行光學3D掃描特性介紹

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)。當設(shè)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(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(jié)構(gòu)特征至關(guān)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(jié)構(gòu)光進行光學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?；?a href="http://wenjunhu.com/tags/機器視覺/" target="_blank">機器視覺系統(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(shù)可快速智能地生成光圖像

對于光學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DMD與照明光源和光學器件相結(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到毫米甚至微米精度的詳細測量。

3D掃描系統(tǒng)的應(yīng)用

3D AOI

3D自動光學檢測（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(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光學掃描技術(shù)。

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(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確地進行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

專業(yè)級3D手持掃描儀

專業(yè)級3D手持掃描儀是為專業(yè)人士和業(yè)余愛好者提供的以3D數(shù)據(jù)格式采集實物完整細節(jié)特征的便攜式工具（圖7）。

所采集的數(shù)據(jù)可以用于產(chǎn)品設(shè)計、零件工程、3D內(nèi)容創(chuàng)建或作為3D打印機的輸入信息。例如，在線零售商可以通過對其產(chǎn)品進行3D掃描，以真實、高質(zhì)量的3D模型（而非2D圖片）在線呈現(xiàn)產(chǎn)品。游戲玩家可以對自己進行3D掃描并在游戲中創(chuàng)建自己的角色。

圖 7.臺式專業(yè)級3D掃描儀

3D生物識別和身份驗證

3D掃描在生物識別和身份驗證的應(yīng)用方面不斷發(fā)展，通常用于安全鎖定或解鎖設(shè)備、安檢和金融交易。利用光學3D掃描技術(shù)來采集面部、指紋或虹膜特征是一種更安全可靠的生物識別方法，并會給黑客攻擊和其他攻擊帶來更大的難度（圖8）。

圖 8.基于3D掃描的指紋繪制

集成DLP技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)勢

無論是檢查PCB質(zhì)量還是制作精確的牙科配件，基于DLP技術(shù)的結(jié)構(gòu)光3D掃描設(shè)備都具備許多顯而易見的系統(tǒng)優(yōu)勢。DMD微鏡具有微秒級的快速切換性能以及每秒超過1000個圖案的8位相移速率，從而能夠達到高速數(shù)據(jù)采集率，以實現(xiàn)對在線測量非常有用的實時3D掃描。高速DLP芯片還具有編程靈活性，在運行中也可以動態(tài)地對圖案進行選擇和重新排序。這有助于確保將最佳圖像應(yīng)用于特定對象位置或特定視野內(nèi)，同時也有助于提取用于分析的最準確的3D信息。可以控制圖像的持續(xù)時間和亮度，確保物體反射的最佳光量，并使相機的動態(tài)范圍最大化。

DLP技術(shù)可與各種光源結(jié)合使用，并兼容紫外（UV），可見光和近紅外（NIR）波長（圖9）。這為基于目標物體的反射率來定制3D掃描系統(tǒng)提供了額外的通用性。DLP芯片可以與多種光源和相機相結(jié)合的靈活性使得可以輕松創(chuàng)建一個設(shè)備來測量多個物體。在設(shè)計下一代3D掃描設(shè)備時，汽車、工業(yè)和醫(yī)療公司尋求DLP芯片是有意義的。在使用DLP技術(shù)設(shè)計解決方案時，系統(tǒng)集成商能夠通過靈活的圖像控制和新的結(jié)構(gòu)光算法進行創(chuàng)新。

圖 9.光譜

他們還可以優(yōu)化光學架構(gòu)，以匹配檢查掃描的關(guān)鍵分辨率和照明要求。令人振奮的是，開發(fā)者可以利用先進的可編程性將3D掃描提升到新的水平，從而優(yōu)化在光譜域、空間域和時間域中的性能。

DLP產(chǎn)品組合的考慮因素

TI先進光控制產(chǎn)品組合提供超越傳統(tǒng)顯示器的DMD和配套控制器成像功能。更值得一提的是，DMD芯片支持的波長范圍在363 nm至2500 nm之間，二進制圖形速率高達32 kHz，并且可提供更精確的像素精度控制。以下是具有先進光控制的DLP芯片組如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的說明。

DMD特性

? 分辨率 — 在撰寫這本刊物時，DMD的分辨率范圍就達到了0.2至410萬像素（MP）。在需要較大掃描區(qū)域或者光照強度較強的環(huán)境中時，傾向于使用較大的1-MP，2-MP或4-MP DMD。例如，汽車3D檢測在組裝和對準處理步驟時需要在明亮的工廠地板上的進行大區(qū)域掃描。小于1-MP的DMD傾向于放置在比較便攜和低功耗的小型手持或臺式設(shè)備中。

? 電源 — 最小的芯片組功耗低于200mW，非常適合便攜式或電池供電系統(tǒng)。例如，口腔內(nèi)掃描儀就是充分利用小型DMD的外形因素以及它具有適用于電池供電的低功耗特性的優(yōu)勢。

? 波長— 用戶可以根據(jù)物體的反射特性在基于DLP技術(shù)的系統(tǒng)中調(diào)整顏色和照明強度。因為DMD可以與各種光源組合，包括燈，發(fā)光二極管（LED）和激光器。DMD針對紫外（363-420nm），可見光（400-700nm）和近紅外（700-2，500nm）進行了優(yōu)化。對于生物識別3D掃描解決方案，近紅外波長因其不具有侵入性的特征而廣受青睞。紫外線有時是優(yōu)化金屬反射特性的最佳選擇。LED光學激光器是針對白光圖像的節(jié)能單色解決方案。

控制器特性

? 預(yù)存模式— DLP控制器為可靠、高速的DMD控制提供了方便的接口。它們支持預(yù)存儲的結(jié)構(gòu)光圖像，而無需外部視頻處理器來傳輸圖像。

圖 10.1D圖像示例

一些DLP控制器可以使用一維（1D）編碼預(yù)先存儲1000多個結(jié)構(gòu)光行列圖像（如，參見圖10）。1D圖像的特點是其信息可由單行或單列信息來表述。專業(yè)級3D手持掃描儀產(chǎn)品通常使用1D圖像來降低成本并提高掃描速度。更先進的控制器支持多達400個預(yù)存儲的2D全幀模式（例如，參見圖11），根據(jù)應(yīng)用程序的需要或被掃描的對象，可以更適應(yīng)于X和Y。

? 圖像精度和速度— DLP控制器設(shè)計用于顯示適合機器視覺或數(shù)字曝光的圖案，并支持可變高速圖案顯示速率，每秒高達32000個圖案，且具有相機同步功能。這些圖像速率對于高精度和高速3D掃描系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

從簡單到復(fù)雜的系統(tǒng)，DLP技術(shù)在設(shè)計定制的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)硬件和算法時為客戶提供了令人難以置信的圖像靈活性。

用于3D掃描的DLP產(chǎn)品

TI提供了一系列的DLP芯片組，以適應(yīng)不同的3D掃描要求，如下表1所示。有關(guān)DLP芯片的最新和完整列表，請參閱TI DLP技術(shù)。

表1.可以顯示有用的3D掃描規(guī)范的DLP芯片組組合

DMD 微鏡陣列 陣列 最佳波長 控制器 最大圖像速率 高速預(yù)存圖像顯示

對角線 （二進制/ 8位） （2D or 1D）

DLP2010 854 × 480 0.20” 420–700-nm DLPC3470 2，880-Hz / 360-Hz 僅1D

DLP2010NIR 854 × 480 0.20” 700–2，500-nm DLPC3470 2，880-Hz / 360-Hz 僅1D

DLP3010 1280 × 720 0.3” 420–700-nm DLPC3478 2，880-Hz / 360-Hz 僅1D

DLP4500 912 × 1140 0.45” 420–700-nm DLPC350 4，225-Hz / 120-Hz 2D

DLP4500NIR 912 × 1140 0.45” 700–2，500-nm DLPC350 4，225-Hz / 120-Hz 2D

DLP4710 1920 × 1080 0.47” 420–700-nm DLPC3479 1，440-Hz / 120-Hz 僅1D

DLP5500 1024 × 768 0.55” 420–700-nm DLPC200 5，000-Hz / 500-Hz 2D

DLP6500 1920 × 1080 0.65” 420–700-nm DLPC900 9，523-Hz / 1，031-Hz 2D

DLP6500 1920 × 1080 0.65” 420–700-nm DLPC910 11，574-Hz / 1，446-Hz —

DLP7000 1024 × 768 0.7” 400–700-nm DLPC410 32，552-Hz / 4，069-Hz —

DLP7000UV 1024 × 768 0.7” 400–700-nm DLPC410 32，552-Hz / 4，069-Hz —

DLP9000 2560 × 1600 0.9” 400–700-nm DLPC900 9，523-Hz / 1，031-Hz 2D

DLP9000X 2560 × 1600 0.9” 400–700-nm DLPC910 14，989-Hz / 1，873-Hz —

DLP9500 1920 × 1080 0.95” 400–700-nm DLPC410 23，148-Hz / 2，893-Hz —

DLP9500UV 1920 × 1080 0.95” 400–700-nm DLPC410 23，148-Hz / 2，893-Hz —