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

（本文為TI原創(chuàng)，作者為Gina Park、Michael Wang和Carey Ritchey）

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)無法達(dá)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(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)來創(chuàng)建3D表面模型（圖1）。后來出現(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)、建模或機(jī)器視覺系統(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、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，越來越多的在線工廠檢測(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，而無需使用硅膠耳印模。3D耳掃描未來還可用于為消費(fèi)者定制耳塞、助聽器及聽力保護(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CMM系統(tǒng)的一種替代方案。此類顯微鏡可以測(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3D視覺系統(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（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(cè)有助于及早發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，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)光掃描在汽車定位檢測(cè)中的應(yīng)用

專業(yè)級(jí)3D手持掃描儀

專業(yè)級(jí)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(shí)物完整細(xì)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(jì)、零件工程、3D內(nèi)容創(chuàng)建或作為3D打印機(jī)的輸入信息。例如，在線零售商可以通過對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行3D掃描，以真實(shí)、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(duì)自己進(jìn)行3D掃描并在游戲中創(chuàng)建自己的角色。

圖 7.臺(tái)式專業(yè)級(jí)3D掃描儀

3D生物識(shí)別和身份驗(yàn)證

3D掃描在生物識(shí)別和身份驗(yàn)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(xué)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(shí)別方法，并會(huì)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(jì)優(yōu)勢(shì)

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(shì)。DMD微鏡具有微秒級(jí)的快速切換性能以及每秒超過1000個(gè)圖案的8位相移速率，從而能夠達(dá)到高速數(shù)據(jù)采集率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)在線測(cè)量非常有用的實(shí)時(shí)3D掃描。高速DLP芯片還具有編程靈活性，在運(yùn)行中也可以動(dòng)態(tài)地對(duì)圖案進(jìn)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(duì)象位置或特定視野內(nèi)，同時(shí)也有助于提取用于分析的最準(zhǔn)確的3D信息?？梢钥刂茍D像的持續(xù)時(shí)間和亮度，確保物體反射的最佳光量，并使相機(jī)的動(dòng)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(zhǎng)（圖9）。這為基于目標(biāo)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(jī)相結(jié)合的靈活性使得可以輕松創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備來測(cè)量多個(gè)物體。在設(shè)計(jì)下一代3D掃描設(shè)備時(shí)，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(jì)解決方案時(shí)，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(jìn)行創(chuàng)新。

圖 9.光譜

他們還可以優(yōu)化光學(xué)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(jìn)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(shí)間域中的性能。

DLP產(chǎn)品組合的考慮因素

TI先進(jìn)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(zhǎng)范圍在363 nm至2500 nm之間，二進(jìn)制圖形速率高達(dá)32 kHz，并且可提供更精確的像素精度控制。以下是具有先進(jìn)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

l 分辨率 — 在撰寫這本刊物時(shí)，DMD的分辨率范圍就達(dá)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(qiáng)度較強(qiáng)的環(huán)境中時(shí)，傾向于使用較大的1-MP，2-MP或4-MP DMD。例如，汽車3D檢測(cè)在組裝和對(duì)準(zhǔn)處理步驟時(shí)需要在明亮的工廠地板上的進(jìn)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(tái)式設(shè)備中。

l 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(shì)。

l 波長(zhǎng)— 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(qiáng)度。因?yàn)镈MD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(duì)紫外（363-420nm），可見光（400-700nm）和近紅外（700-2，500nm）進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)于生物識(shí)別3D掃描解決方案，近紅外波長(zhǎng)因其不具有侵入性的特征而廣受青睞。紫外線有時(shí)是優(yōu)化金屬反射特性的最佳選擇。LED光學(xué)激光器是針對(duì)白光圖像的節(jié)能單色解決方案。

控制器特性

l 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(chǔ)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(chǔ)1000多個(gè)結(jié)構(gòu)光行列圖像（如，參見圖10）。1D圖像的特點(diǎn)是其信息可由單行或單列信息來表述。專業(yè)級(jí)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(jìn)的控制器支持多達(dá)400個(gè)預(yù)存儲(chǔ)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(duì)象，可以更適應(yīng)于X和Y。

圖11.2D圖像示例

l 圖像精度和速度— DLP控制器設(shè)計(jì)用于顯示適合機(jī)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(dá)32000個(gè)圖案，且具有相機(jī)同步功能。這些圖像速率對(duì)于高精度和高速3D掃描系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的系統(tǒng)，DLP技術(shù)在設(shè)計(jì)定制的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)硬件和算法時(shí)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(qǐng)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

概要

使用結(jié)構(gòu)光的3D掃描是用于需要3D光學(xué)測(cè)量技術(shù)的擴(kuò)展市場(chǎng)和用例的理想技術(shù)。TI提供多樣化的DLP芯片組合，可在個(gè)人電子產(chǎn)品中使用的小型、集成掃描引擎，以及工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)中使用的大型高分辨率圖案發(fā)生器。

DLP技術(shù)是3D掃描和機(jī)器視覺解決方案選擇的主要技術(shù)，因?yàn)樗哂袠O高的多功能性，能夠以極高的速度定制圖案，并能夠與多個(gè)光源和波長(zhǎng)配對(duì)。這種多功能性還可以推動(dòng)客戶創(chuàng)新，并將3D掃描系統(tǒng)功能推向新的高度。