基于主动光栅的高精度3D测量
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基于主动光栅的高精度3D测量

来源:www.lustervision.com    日期:2018-05-07    点击次数:

在关键硬件还没起来的时候,主动光栅投影法曾经被很多帽子扣着,最关键的是:精度不够高。然而时过境迁,随着投影技术的关键器件不断进化,主动光栅投影又再次迎来了发展的春天。

非接触式三维测量可以通过各种技术来实现。最常用的方法包括激光扫描法、立体视觉法以及主动光栅投影法。

▲左为激光扫描法,是利用高功率激光和面阵或线阵相机来实现的;中为立体视觉法,利用两台面阵相机实现;主动光栅投影法则是利用光栅投影装置和面阵相机来实现。

激光扫描系统由线激光和面阵相机组成,样品或激光必须移动,才能够扫描轮廓。立体视觉系统则需要两个面阵相机以不同的角度分别成像,最终融为一幅图像,就像人眼一样。光栅投影系统包含一个光栅投影仪、标准远心镜头以及一台面阵相机。通常采用多角度投影装置,无影灯听说过吧?就是用这种原理来避免投影阴影。

在关键硬件还没起来的时候,主动光栅投影法曾经被很多帽子扣着:灯泡体积大、光太暗等等,这其中最关键的是:精度不够高。然而时过境迁,随着投影技术的关键器件LCOS和DMD的不断进化,主动光栅投影又再次迎来了发展的春天。

投影是个大学问

传统LCD投影仪需要将光线穿过LCD面板成像,而穿过液晶的光线必须是偏振光,所以整体透过率非常低,对投影灯泡的体积、寿命、成本要求高不说,大量光线遮挡在投影机内部会转换为热量,极大地降低了整机效率,缩短了设备寿命。

LCOS(Liquid Crystal On Silicon),即液晶覆硅,也叫硅基液晶,是一种基于反射模式的尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。像素的尺寸大小从7~20μm不等。

▲LCOS的工作原理。光线无须偏振,也无需穿过液晶,只要经过反复折射即可成像,因而光线利用效率非常高。极大地降低了灯泡的需求,从而降低了投影设备的体积、成本。

传统LCD投影仪因为要穿过液晶才能成像,因而将液晶间距做的很宽,以此提高光的透过率。但是这样带来了一个新的问题:分辨率太低了。而采用LCOS成像的投影设备则因为无须穿过液晶间距,从而极大地提升了投影的分辨率。

DMD(Digital Mirror Device)数字微镜是DLP投影机的核心部件。DMD由许多个小微镜组成,每个微镜对应一个像素点,DLP投影机的物理分辨率就是由微镜的数目决定的。

▲一块DMD芯片以及它的微观结构。每一个微镜都可以单独调整角度,几百万个微镜就可以组成一幅画面。

DMD上面可以看到许许多多的小镜面,每个镜面都可以单独控制。小镜片每秒钟要翻转几千次,通过调整镜片停留的角度,投影机就能产生不同的灰度,N多个小镜片就能组成一幅图片。

单片DLP用色轮将白色光分成红,绿,蓝三色,三色光线分别经过DMD反射通过镜头到达幕布,三种光是依次到达的,即同一时刻只有一种颜色的光有显示,但是人的眼睛没有办法分离高速切换的三种颜色图像,所以眼睛被欺骗后看到了五颜六色的图像。

DLP投影机除了“单片DMD+色轮”外,还有一种“3片DMD”技术的投影机。即将白光分成RGB三种光,分别投射在DMD芯片上,而后合成一道投射出来。“3片DMD”相对于“单片DMD+色轮”来说色彩表现会非常好,而且由于没有色轮,可靠性会提高很多,但这种投影机的价格也是非常高。

相较于传统LCD投影仪和LCOS投影仪来说,DLP投影仪解决了最关键的液晶间隙的问题,微镜间距可以做的非常非常相近,因而分辨率可以做到相当高。

实际上,随着近几年的技术发展,使用LCOS和DLP投影技术的投影仪越来越普及,完全具备实现高精度主动光栅3D测量的硬件基础。呼之欲出的主动光栅投影仪。

报什么是光栅测量?

使用投影仪将一定形式的结构光(光栅等)投射到物体表面,在物体表面形成各种变形的结构光图像,通过与投影仪的相对位置关系,以及结构光被投影在物体上的形态数据,即可生成为物体的三维图像。

为什么越来越需要3D测量?

在PCB的AOI检测中,光学检测通常用来高速检测外观缺陷,因为容易实现,所以普遍采用2D的方式,即相机+光源的形式来进行检测。随着技术的不断提升,PCB上的元件不断缩小,复杂性不断提高,对于高端PCB制造商比如智能手机和汽车行业的供应商,3D检测功能已经成为了行业发展趋势。

在智能手机市场,终端产品的尺寸正在逐年变小、变薄,单纯采用二维的检测已经很难找到安装错误的元件。在汽车市场,电子元件的数量更是成倍增加,形状也越来越复杂,所以必须对这些复杂零件进行三维检测,以保证元件可以被正确装配。

于是乎,一个能够高速、高精度的投射三维测量主动条纹图案的投影仪就呼之欲出了。

▲茉莉特公司(MORITEX)自主设计、集成并生产的投影系统,集合了旗下高性能镜头以及高端LED照明技术。此方案包括含WXGA DMD芯片的投影单元,400万像素Grasshopper3系列1英寸靶面USB3.0相机,茉莉特0.34倍双侧远心镜头MTL-5518C。

因为DMD芯片每个微镜之间依然存在间隙,在高精度检测中这种间隙间的影响会被高分辨率相机放大,造成“明-暗-明”这样有规律的间断线。而在茉莉特的投影系统中,经过优化的光学系统,已经成功降低了DMD芯片本身固有的间隙效应。

来试试看吧

为了证明一下这种三维主动光栅投影测量法的精度究竟有多高,特意采用了一块由3D打印的白色4步阶梯作为拍摄物。

▲感谢无所不能的3D打印机!4步台阶共25×9mm,每步高度为200μm,投影效果就像右边那样。

▲经过三维测量后的结果,左侧围三维数据模型,右侧为基于高度的彩色图和剖面图。

经过反复的系统实验,这种以主动光栅投影的测量法,最高高度标准差仅有3μm,在2048×2048分辨率下扫描,测量时间仅需1~2s。该方案表明,对大视野被测物进行高速、高精密3D测量是完全可行的。