?工程點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)(E-PSF)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度3D成像

機(jī)器人和自動(dòng)化改變了制造業(yè)面貌，對(duì)工業(yè)檢測(cè)的需求也在日益增加。工程點(diǎn)擴(kuò)展功能(E-PSF)技術(shù)的進(jìn)步，使制造商能夠采用高分辨率3D成像，來(lái)改進(jìn)物體和特征檢測(cè)。這些E-PSFs可以以光學(xué)相位板的形式實(shí)現(xiàn)，并可以集成到現(xiàn)有的成像系統(tǒng)中。

一旦集成，成像系統(tǒng)就可以通過(guò)改善景深和細(xì)節(jié)來(lái)執(zhí)行近距離元件檢測(cè)，從而可以對(duì)較小或微小物體進(jìn)行成像和缺陷檢測(cè)，精度甚至可達(dá)亞微米級(jí)。

一種光學(xué)相位板，其支架上具有點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）設(shè)計(jì)，可以蝕刻在相位板上。

除了檢查之外，3D成像在機(jī)器視覺(jué)、物體識(shí)別和導(dǎo)航等高增長(zhǎng)應(yīng)用領(lǐng)域(如無(wú)人機(jī)、機(jī)器人和觸覺(jué)學(xué))也大有前途?，F(xiàn)在有可能將這種新的光學(xué)技術(shù)集成到現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，且不會(huì)增加系統(tǒng)的占用面積。

行業(yè)局限性

雖然我們生活在三維世界中，但從歷史上看，大多數(shù)成像系統(tǒng)只能捕捉二維信息。在包括制造和機(jī)器人在內(nèi)的各種環(huán)境中獲取和使用3D信息的方法已經(jīng)研究了幾十年，但仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，尤其是在無(wú)約束的環(huán)境中，可能包括可變照明、鏡面和變形的場(chǎng)景表面，以及被遮擋的對(duì)象。這些環(huán)境降低了空間意識(shí)，這反過(guò)來(lái)意味著系統(tǒng)難以執(zhí)行對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)很容易的任務(wù)，比如從一個(gè)箱子中選擇組件。無(wú)約束環(huán)境也為亞微米大小的對(duì)象的檢查帶來(lái)了挑戰(zhàn)。然而，隨著增材制造技術(shù)使更多具有微米級(jí)特征的部件的制造成為可能，先進(jìn)的3D檢測(cè)和計(jì)量變得至關(guān)重要。

在過(guò)去的十年里，深度傳感設(shè)備（即3D相機(jī)）的數(shù)量出現(xiàn)了微小的爆炸。這些系統(tǒng)要么使用立體視覺(jué)設(shè)置，要么使用最新的創(chuàng)新技術(shù)（如結(jié)構(gòu)化照明、飛行時(shí)間和光場(chǎng)），對(duì)于大規(guī)模（厘米到公里）測(cè)量物體的三維形狀和位置非常有用。

標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的PSF與雙螺旋相位掩模的PSF比較。

然而，這些成像方式在檢查厘米到毫米范圍內(nèi)的近距離物體時(shí)面臨著各種限制。例如，立體視覺(jué)系統(tǒng)在短距離工作時(shí)會(huì)變成“斜視”。結(jié)構(gòu)光方法受投影光的空間頻率與物體特征之比的限制，以及需要非遮蔽照明（通常需要陡峭的照明角度）的限制。飛行時(shí)間方法受傳感器定時(shí)率的限制。此外，光場(chǎng)方法受有限分辨率和透鏡陣列大小的限制。這些技術(shù)中的每一種都可能受到硬件復(fù)雜性、大小、功耗或成本的額外限制。使這些局限性更加復(fù)雜的是，越來(lái)越多的人期望制造商能夠精確測(cè)量微小結(jié)構(gòu)的三維特征。

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，3D對(duì)象捕獲的新方法是不可避免的，并且將擴(kuò)展功能并在3D機(jī)器視覺(jué)，手勢(shì)識(shí)別和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域提高精度和深度分辨率。

E-PSF技術(shù)的精髓

E-PSF技術(shù)的本質(zhì)是通過(guò)將掩模的尺寸和設(shè)計(jì)與光學(xué)系統(tǒng)和成像條件精確匹配，簡(jiǎn)單地改變成像系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)。在顯微鏡下，相位掩模符合顯微鏡物鏡的規(guī)格和實(shí)驗(yàn)對(duì)焦深度的要求。

這種特殊設(shè)計(jì)的相位掩模通過(guò)在波前的某些部分引入相位延遲來(lái)改變光學(xué)響應(yīng)，從而可以改變對(duì)焦和離焦物體點(diǎn)的PSF形狀。雙螺旋PSF (DH-PSF)1設(shè)計(jì)就是一個(gè)例子，它將一個(gè)單點(diǎn)的圖像從透鏡的圓形孔(稱(chēng)為艾里圓盤(pán))產(chǎn)生的聚焦光斑改變?yōu)閮蓚€(gè)分離良好的斑點(diǎn)。

這兩個(gè)分離良好的點(diǎn)的中點(diǎn)對(duì)應(yīng)著物體的橫向位置，兩個(gè)點(diǎn)之間的夾角對(duì)應(yīng)著物體的軸向位置。由于旋轉(zhuǎn)180°時(shí)光斑可以保持聚焦，因此可以高精度地獲取擴(kuò)展深度信息。

使用DH-PSF收集的數(shù)據(jù)由許多這些在不同方向上與物體的橫向(X-Y)和軸向(Z)位置相對(duì)應(yīng)的分離良好的點(diǎn)組成。從這些詳細(xì)的目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)集創(chuàng)建一個(gè)清晰的三維圖像是一個(gè)復(fù)雜但可以解決的圖像重建問(wèn)題。經(jīng)過(guò)處理，結(jié)果是原始對(duì)象的一個(gè)清晰的三維結(jié)構(gòu)。

基于應(yīng)用的深度和精度要求以及對(duì)象的信噪比（SNR），已經(jīng)針對(duì)不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)了幾種類(lèi)型的E-PSF。除DH-PSF外，設(shè)計(jì)還包括單螺旋PSF，四足PSF2和多色PSF設(shè)計(jì)。

E-PSF技術(shù)的第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用是對(duì)用于3D超分辨率成像和跟蹤的現(xiàn)有寬視場(chǎng)顯微鏡的升級(jí)。SPINDLE是一個(gè)專(zhuān)有的注冊(cè)產(chǎn)品名稱(chēng)，可以成像和跟蹤單個(gè)分子或納米粒子的水平。SPINDLE使用標(biāo)準(zhǔn)C型安裝座在任何寬視場(chǎng)顯微鏡和電子倍增CCD（EMCCD）或科學(xué)CMOS（sCMOS）相機(jī)之間無(wú)縫安裝。可互換的相位掩模庫(kù)使得能夠優(yōu)化PSF以適應(yīng)用戶(hù)的應(yīng)用。應(yīng)用包括細(xì)胞結(jié)構(gòu)的成像，精度為20至25 nm，深度范圍高達(dá)20μm，無(wú)需改變用戶(hù)現(xiàn)有的成像系統(tǒng)設(shè)置。

從微觀到宏觀

雖然E-PSF技術(shù)的最初應(yīng)用是在超分辨率顯微鏡中，但通過(guò)將相位掩模的尺寸縮放到成像系統(tǒng)，E-PSF的物理特性可以廣泛應(yīng)用于任何成像系統(tǒng)。例如，當(dāng)應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域時(shí)，E-PSF克服了前面提到的其他3D成像技術(shù)所面臨的許多挑戰(zhàn)。

Double Helix Optics的相位掩模庫(kù)。

此外，E-PSF相位板可以通過(guò)直接集成或通過(guò)相機(jī)鏡頭和傳感器之間的無(wú)源光學(xué)中繼器集成到許多現(xiàn)有的2D成像系統(tǒng)中。如果2D相機(jī)可以解析檢查區(qū)域，則E-PSF可以提供該系統(tǒng)深度感知。

目前，第一個(gè)采用E-PSF技術(shù)的商用3D機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)中。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將同時(shí)提供亮度圖（2D圖像）以及距離信息（深度圖），因此場(chǎng)景內(nèi)的每個(gè)對(duì)象特征與其在3D空間中的精確位置相關(guān)聯(lián)。

與現(xiàn)有方法相比，用于機(jī)器視覺(jué)的E-PSF方法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

結(jié)合相位板可重塑焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)深度捕獲，對(duì)2D系統(tǒng)性能的影響有限且陰影最小。

通過(guò)設(shè)計(jì)E-PSF以匹配使用中的2D鏡頭，可以?xún)?yōu)化E-PSF 3D成像系統(tǒng)的深度分辨率和景深。

帶有浮雕字母的信用卡的圖像（a）。以顏色（b）編碼的深度（以微米為單位）恢復(fù)的深度圖。用亮度圖（C）覆蓋的深度圖的三維視圖。

E-PSF技術(shù)可以作為現(xiàn)有2D成像系統(tǒng)的附件實(shí)現(xiàn)，也可以作為可以結(jié)合到現(xiàn)有2D鏡頭系統(tǒng)中的相位板實(shí)現(xiàn)。對(duì)于專(zhuān)為E-PSF設(shè)計(jì)的3D機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，相位板幾乎不會(huì)增加體積或重量。對(duì)于采用OEM或售后成像組件的系統(tǒng)，在大多數(shù)情況下不需要第二相機(jī)或額外的光源。

E-PSF技術(shù)通過(guò)使傳統(tǒng)的2D成像系統(tǒng)能夠同時(shí)捕獲高分辨率的深度和強(qiáng)度信息，為工業(yè)檢測(cè)，材料科學(xué)和其他商業(yè)應(yīng)用開(kāi)辟了許多可能性。此外，該傳感器可以低成本大規(guī)模生產(chǎn)，可用于機(jī)器人，3D掃描儀，先進(jìn)制造和人機(jī)界面等領(lǐng)域。成像傳感器現(xiàn)在廣泛而便宜，計(jì)算能力（已經(jīng)是大多數(shù)相機(jī)不可或缺的一部分）也一樣，創(chuàng)造了以額外但有限的成本增加3D功能的機(jī)會(huì)。