采用基于TI DLP®技术的结构光实现高精度3D扫描

　　前言

　　三维(3D)扫描是一种功能强大的工具，可以获取各种用于计量设备、检测设备、探测设备和3D成像设备的体积数据。当设计人员需要进行毫米到微米分辨率的快速高精度扫描时，经常选择基于TI DLP®技术的结构光系统。

　　3D扫描系统的诞生

　　简单的二维(2D)检测系统已经问世多年了，其工作机制通常是照亮物体并拍照，然后将拍摄图像与已知的标准2D参考件进行比较。 3D扫描则增加了获取体积信息的能力。引入z维数据可以测量物体的体积、平整度或粗糙度。对于印刷电路板(PCB)、焊膏和机加工零件检测等行业而言，测量上述附加几何结构特征至关重要，而这是2D检测系统无法达到的。此外，3D扫描还可用于医疗、牙科和助听器制造等行业。

　　坐标测量机(CMM)是收集3D信息的首批工业解决方案之一。

　　图 1.坐标测量机探头示例

　　图 2.利用结构光进行光学3D扫描

　　探针物理接触物体表面，并结合每个点的位置数据来创建3D表面模型(图1)。后来出现了用于3D扫描的光学方法，如：结构光(图2)。结构光是将一组图案投射到物体上并用相机或传感器捕捉图案失真的过程。然后利用三角计算方法计算数据并输出3D点云，从而生成用于测量、检查、检测、建模或机器视觉系统中各种计算的数据。光学3D扫描受到青睐的原因在于不接触被测物体，并且可以非常快速甚至实时地获取数据。

　　DLP技术可快速智能地生成光图像

　　对于光学3D扫描设备，DLP技术通常在系统中用于产生结构光。DLP芯片是一种高反射铝微镜阵列，称为数字微镜器件(DMD)。

　　当DMD与照明光源和光学器件相结合时，这种精密复杂的微机电系统(MEMS)就可以为各种投影系统和空间光调制系统提供助力。

　　由于DMD可灵活、快速、高度可编程的产生各种结构光图案，设计人员经常将DLP技术用于结构光应用。与具有固定图案集的激光线扫描仪或衍射光学元件(DOE)不同，它可以将不同位深的多种图案编程至一个DMD。基于DLP技术的结构光解决方案非常适合于需要达到毫米甚至微米精度的详细测量。

　　3D扫描系统的应用

　　3D AOI

　　3D自动光学检测(AOI)是一种用于生产制造环境的强大技术，可提供与零件质量相关的实时、在线、决定性的测量数据。例如，3D测量就非常适合用于PCB焊膏检测(SPI)，因为它会测量出在元件放置之前沉积的焊膏的实际体积，有助于防止出现劣质焊点(图3)。在PCB的生产制造中，也会在元件放置、回流焊、最终检查和返工操作后进行在线3D AOI，最大限度地提高质量和可靠性。随着3D检测功能的日益普及，越来越多的在线工厂检测点选择采用3D AOI系统。

　　图 3.PCB 3D SPI示例

　　医疗

　　3D扫描技术在医疗行业中的应用飞速增长。例如，牙科中采用口腔内扫描仪(IOS)直接采集光学印模(图4)。在制作假体修复体时，如镶嵌物、高嵌体、顶盖和牙冠，需要达到微米级3D图像精度。IOS简化了牙医的临床操作程序，省却了对石膏模型的需求并减轻了患者的不适。

　　图 4.牙科口内扫描仪

　　另一个快速增长的应用行业是3D耳扫描。光学成像系统能够精确采集耳朵的3D模型，而无需使用硅胶耳印模。3D耳扫描未来还可用于为消费者定制耳塞、助听器及听力保护设备。

　　工业计量和检测

　　许多不同的工业计量和检测系统已经开始转向采用3D光学扫描技术。

　　光学3D表面检测显微镜是离线CMM系统的一种替代方案。此类显微镜可以测量更多关于高度、粗糙度以及计算机辅助设计(CAD)数据比较的特征。此外，生产机加工、铸造或冲压制品的工厂也是光学检测的另一大应用领域。

　　图 5.带有3D扫描仪的机器人手臂

　　它们可以更轻松和准确地进行X、Y、Z三轴方向的测量，从而提高质量保障。市场上也出现了在线3D视觉系统与机器人手臂相结合的解决方案(图5)。利用这些机器人解决方案可以极大地提高汽车(图6)和其他生产线工厂的速度和质量。在装配和生产过程中的特定阶段增设3D检测有助于及早发现质量问题，从而减少浪费和返工。3D扫描系统甚至可以在计算机数控(CNC)设备和3D打印机内运用，能够在生产制造过程中进行实时测量。

　　图 6.3D结构光扫描在汽车定位检测中的应用