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采用基于TI DLP®技术的结构光实现高精度3D扫描

时间:2018-08-01 13:15来源:德州仪器 作者:Gina Park,Michael Wa 点击:
Gina Park,Michael Wang,Carey Ritchey
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
 
专业级3D手持扫描仪
专业级3D手持扫描仪是为专业人士和业余爱好者提供的以3D数据格式采集实物完整细节特征的便携式工具(图7)。

所采集的数据可以用于产品设计、零件工程、3D内容创建或作为3D打印机的输入信息。例如,在线零售商可以通过对其产品进行3D扫描,以真实、高质量的3D模型(而非2D图片)在线呈现产品。游戏玩家可以对自己进行3D扫描并在游戏中创建自己的角色。 
 

图 7.台式专业级3D扫描仪
 
3D生物识别和身份验证
3D扫描在生物识别和身份验证的应用方面不断发展,通常用于安全锁定或解锁设备、安检和金融交易。利用光学3D扫描技术来采集面部、指纹或虹膜特征是一种更安全可靠的生物识别方法,并会给黑客攻击和其他攻击带来更大的难度(图8)。 
 

图 8.基于3D扫描的指纹绘制

集成DLP技术的系统设计优势
无论是检查PCB质量还是制作精确的牙科配件,基于DLP技术的结构光3D扫描设备都具备许多显而易见的系统优势。DMD微镜具有微秒级的快速切换性能以及每秒超过1000个图案的8位相移速率,从而能够达到高速数据采集率,以实现对在线测量非常有用的实时3D扫描。高速DLP芯片还具有编程灵活性,在运行中也可以动态地对图案进行选择和重新排序。这有助于确保将最佳图像应用于特定对象位置或特定视野内,同时也有助于提取用于分析的最准确的3D信息。可以控制图像的持续时间和亮度,确保物体反射的最佳光量,并使相机的动态范围最大化。

DLP技术可与各种光源结合使用,并兼容紫外(UV),可见光和近红外(NIR)波长(图9)。这为基于目标物体的反射率来定制3D扫描系统提供了额外的通用性。DLP芯片可以与多种光源和相机相结合的灵活性使得可以轻松创建一个设备来测量多个物体。在设计下一代3D扫描设备时,汽车、工业和医疗公司寻求DLP芯片是有意义的。在使用DLP技术设计解决方案时,系统集成商能够通过灵活的图像控制和新的结构光算法进行创新。
 

图 9.光谱
 
他们还可以优化光学架构,以匹配检查扫描的关键分辨率和照明要求。令人振奋的是,开发者可以利用先进的可编程性将3D扫描提升到新的水平,从而优化在光谱域、空间域和时间域中的性能。

DLP产品组合的考虑因素
TI先进光控制产品组合提供超越传统显示器的DMD和配套控制器成像功能。更值得一提的是,DMD芯片支持的波长范围在363 nm至2500 nm之间,二进制图形速率高达32 kHz,并且可提供更精确的像素精度控制。以下是具有先进光控制的DLP芯片组如何优化结构光系统的说明。

DMD特性
 分辨率 — 在撰写这本刊物时,DMD的分辨率范围就达到了0.2至410万像素(MP)。在需要较大扫描区域或者光照强度较强的环境中时,倾向于使用较大的1-MP,2-MP或4-MP DMD。例如,汽车3D检测在组装和对准处理步骤时需要在明亮的工厂地板上的进行大区域扫描。小于1-MP的DMD倾向于放置在比较便携和低功耗的小型手持或台式设备中。

 电源 — 最小的芯片组功耗低于200mW,非常适合便携式或电池供电系统。例如,口腔内扫描仪就是充分利用小型DMD的外形因素以及它具有适用于电池供电的低功耗特性的优势。

 波长— 用户可以根据物体的反射特性在基于DLP技术的系统中调整颜色和照明强度。因为DMD可以与各种光源组合,包括灯,发光二极管(LED)和激光器。DMD针对紫外(363-420nm),可见光(400-700nm)和近红外(700-2,500nm)进行了优化。对于生物识别3D扫描解决方案,近红外波长因其不具有侵入性的特征而广受青睐。紫外线有时是优化金属反射特性的最佳选择。LED光学激光器是针对白光图像的节能单色解决方案。

控制器特性
 预存模式— DLP控制器为可靠、高速的DMD控制提供了方便的接口。它们支持预存储的结构光图像,而无需外部视频处理器来传输图像。 
 

图 10.1D图像示例
 
一些DLP控制器可以使用一维(1D)编码预先存储1000多个结构光行列图像(如,参见图10)。1D图像的特点是其信息可由单行或单列信息来表述。专业级3D手持扫描仪产品通常使用1D图像来降低成本并提高扫描速度。更先进的控制器支持多达400个预存储的2D全帧模式(例如,参见图11),根据应用程序的需要或被扫描的对象,可以更适应于X和Y。 
 

图 11.2D图像示例
 
 图像精度和速度— DLP控制器设计用于显示适合机器视觉或数字曝光的图案,并支持可变高速图案显示速率,每秒高达32000个图案,且具有相机同步功能。这些图像速率对于高精度和高速3D扫描系统是至关重要的。

从简单到复杂的系统,DLP技术在设计定制的结构光系统硬件和算法时为客户提供了令人难以置信的图像灵活性。

用于3D扫描的DLP产品
TI提供了一系列的DLP芯片组,以适应不同的3D扫描要求,如下表1所示。有关DLP芯片的最新和完整列表,请参阅TI DLP技术。
 

DMD

微镜阵列

阵列

对角线

最佳波长

控制器

最大图像速率

(二进制/ 8位)

高速预存图像显示

(2D or 1D)

DLP2010

854 × 480

0.20”

420–700-nm

DLPC3470

2,880-Hz / 360-Hz

1D

DLP2010NIR

854 × 480

0.20”

700–2,500-nm

DLPC3470

2,880-Hz / 360-Hz

1D

DLP3010

1280 × 720

0.3”

420–700-nm

DLPC3478

2,880-Hz / 360-Hz

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

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

表1.可以显示有用的3D扫描规范的DLP芯片组组合
 
概要
使用结构光的3D扫描是用于需要3D光学测量技术的扩展市场和用例的理想技术。TI提供多样化的DLP芯片组合,可在个人电子产品中使用的小型、集成扫描引擎,以及工业检测系统中使用的大型高分辨率图案发生器。
DLP技术是3D扫描和机器视觉解决方案选择的主要技术,因为它具有极高的多功能性,能够以极高的速度定制图案,并能够与多个光源和波长配对。这种多功能性还可以推动客户创新,并将3D扫描系统功能推向新的高度。

相关网站
 了解更多关于DLP技术的信息。
 利用评估模块(EVM)来评估DLP技术在3D扫描中的应用:
o DLP LightCrafter 4500 评估模块
o DLP LightCrafter 6500 评估模块
o DLP LightCrafter 9000 评估模块
o DLP Discovery 4100 开发套件

 从TI Designs参考设计库下载这些参考设计,并且可以通过使用DLP技术原理图、布局文件、材料清单和测试报告加快产品开发的速度:
o DLP4500:面向 3D 机器视觉应用并采用 DLP 技术的精确点云生成
o DLP6500:采用DLP技术的工厂自动化用高分辨率3D扫描仪
 联系光学设计制造商(ODM)以获得可用于生产的光学模块:
o Pico芯片组 - 购买光学引擎
o 先进光控制 - 光学和电子。
 联系设计公司获取专属解决方案:
o Pico芯片组
o 设计服务提供商
 请访问 德州仪器中文技术支持社区的DLP产品和MEMS论坛,寻找解决方案,获得帮助,并与同行工程师和TI专家分享知识和解决难题。

 
(责任编辑:helen)
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