北京2018年8月1日電 /美通社/ -- 近日，德州儀器（TI）DLP^®產品工業業務經理 Gina Park、DLP Pico?產品營銷部門的Michael Wang、DLP產品工業業務發展經理Carey Ritchey發表了《采用基于TI DLP^®技術的結構光實現高精度3D掃描》的技術文章，全文如下：

前言

三維（3D）掃描是一種功能強大的工具，可以獲取各種用于計量設備、檢測設備、探測設備和 3D 成像設備的體積數據。當設計人員需要進行毫米到微米分辨率的快速高精度掃描時，經常選擇基于 TI DLP^® 技(ji)術(shu)的結構(gou)光(guang)系統(tong)。

3D 掃描系統的誕生

簡(jian)單的二(er)維(wei)（2D）檢測(ce)系統(tong)已經問世多年了，其工作機(ji)制通常是(shi)照(zhao)亮物(wu)體(ti)并拍(pai)照(zhao)，然(ran)后(hou)將拍(pai)攝(she)圖像(xiang)與已知的標準 2D 參考件進(jin)行比(bi)較(jiao)。 3D 掃描則增加(jia)(jia)了獲取(qu)體(ti)積信息(xi)的能(neng)力。引入(ru) z 維(wei)數(shu)據可以(yi)測(ce)量物(wu)體(ti)的體(ti)積、平(ping)整(zheng)度或(huo)粗糙度。對于印刷電(dian)路板（PCB）、焊膏和機(ji)加(jia)(jia)工零件檢測(ce)等(deng)行業而(er)言，測(ce)量上述附加(jia)(jia)幾何結構(gou)特征(zheng)至關重要(yao)，而(er)這是(shi) 2D 檢測(ce)系統(tong)無(wu)法達到的。此(ci)外，3D 掃描還可用于醫療、牙科和助聽器制造(zao)等(deng)行業。

坐標(biao)測量機（CMM）是收集 3D 信息的首批工業(ye)解決方案之一。

探(tan)針物(wu)理接觸(chu)物(wu)體(ti)表(biao)(biao)面，并結(jie)合(he)每個(ge)點的位置數(shu)(shu)據(ju)來創建 3D 表(biao)(biao)面模(mo)型。后(hou)來出(chu)現了用于(yu)(yu) 3D 掃描的光(guang)學方法，如：結(jie)構光(guang)。結(jie)構光(guang)是將一(yi)組圖(tu)案投射到(dao)物(wu)體(ti)上并用相機(ji)或(huo)傳感(gan)器(qi)捕捉圖(tu)案失真的過程。然(ran)后(hou)利用三角(jiao)計算方法計算數(shu)(shu)據(ju)并輸出(chu) 3D 點云，從而生成用于(yu)(yu)測量、檢查、檢測、建模(mo)或(huo)機(ji)器(qi)視覺系(xi)統中各(ge)種計算的數(shu)(shu)據(ju)。光(guang)學 3D 掃描受到(dao)青睞的原因(yin)在(zai)于(yu)(yu)不接觸(chu)被(bei)測物(wu)體(ti)，并且可以非常快速甚至實時地獲取數(shu)(shu)據(ju)。

DLP 技術可快速智能地生成光圖像

對于光(guang)學(xue) 3D 掃(sao)描設備，DLP 技術通(tong)常(chang)在系(xi)統中用于產(chan)生結構光(guang)。DLP 芯片(pian)是一種高反射鋁微鏡陣列(lie)，稱為數(shu)字微鏡器件(jian)（DMD）。

當(dang) DMD 與照明光(guang)(guang)源和光(guang)(guang)學器件相結(jie)合時，這種精(jing)密復雜的微機電(dian)系統(tong)(tong)（MEMS）就可以為各(ge)種投影系統(tong)(tong)和空間(jian)光(guang)(guang)調制系統(tong)(tong)提供助力。

由于 DMD 可(ke)靈活、快速、高度可(ke)編程的(de)(de)產生各種(zhong)結(jie)構光(guang)圖(tu)案(an)(an)，設(she)計人(ren)員經(jing)常(chang)將 DLP 技術用(yong)于結(jie)構光(guang)應(ying)用(yong)。與具有(you)固定圖(tu)案(an)(an)集的(de)(de)激光(guang)線掃描(miao)儀或衍射光(guang)學元(yuan)件（DOE）不(bu)同，它可(ke)以將不(bu)同位深的(de)(de)多(duo)種(zhong)圖(tu)案(an)(an)編程至一個 DMD。基于 DLP 技術的(de)(de)結(jie)構光(guang)解決(jue)方案(an)(an)非常(chang)適合于需要達到毫米甚(shen)至微米精度的(de)(de)詳(xiang)細測量。

3D 掃描系統的應用

3D AOI

3D 自動光(guang)學(xue)檢(jian)測(ce)（AOI）是(shi)一(yi)種用于(yu)(yu)生(sheng)產(chan)制造環境的(de)(de)強大技術，可提(ti)供與零(ling)件質量(liang)相(xiang)關的(de)(de)實時、在(zai)(zai)線、決定性(xing)的(de)(de)測(ce)量(liang)數據。例如，3D 測(ce)量(liang)就非(fei)常適(shi)合用于(yu)(yu) PCB 焊膏(gao)檢(jian)測(ce)（SPI），因為它會(hui)(hui)測(ce)量(liang)出(chu)在(zai)(zai)元件放(fang)置(zhi)之前沉(chen)積(ji)的(de)(de)焊膏(gao)的(de)(de)實際體積(ji)，有助于(yu)(yu)防止出(chu)現劣質焊點。在(zai)(zai) PCB 的(de)(de)生(sheng)產(chan)制造中，也會(hui)(hui)在(zai)(zai)元件放(fang)置(zhi)、回流焊、最終檢(jian)查和返工操作后(hou)進行在(zai)(zai)線 3D AOI，較大限度(du)地(di)提(ti)高(gao)質量(liang)和可靠性(xing)。隨著(zhu) 3D 檢(jian)測(ce)功能的(de)(de)日益(yi)普(pu)及，越來越多的(de)(de)在(zai)(zai)線工廠檢(jian)測(ce)點選(xuan)擇采(cai)用 3D AOI 系(xi)統。

醫療

3D 掃(sao)描技術在醫療行業中(zhong)的應(ying)用飛速增長(chang)。例如，牙(ya)(ya)科中(zhong)采(cai)用口腔(qiang)內(nei)掃(sao)描儀(yi)（IOS）直接采(cai)集光學印模(mo)。在制(zhi)作(zuo)假體(ti)修復體(ti)時，如鑲嵌(qian)物(wu)、高嵌(qian)體(ti)、頂蓋和牙(ya)(ya)冠，需要達到微米(mi)級 3D 圖(tu)像精度。IOS 簡化了(le)牙(ya)(ya)醫的臨床操作(zuo)程序，省卻了(le)對石(shi)膏模(mo)型的需求并減輕了(le)患者的不適。

另一個快速增(zeng)長的應用(yong)(yong)行業是 3D 耳(er)(er)掃描。光學成像(xiang)系統(tong)能夠(gou)精確(que)采集耳(er)(er)朵的 3D 模(mo)型，而(er)無需(xu)使用(yong)(yong)硅膠耳(er)(er)印模(mo)。3D 耳(er)(er)掃描未來還可用(yong)(yong)于為(wei)消(xiao)費者定制(zhi)耳(er)(er)塞(sai)、助聽(ting)器(qi)及聽(ting)力保護(hu)設備。

工業計量和檢測

許多(duo)不同的工業計(ji)量和(he)檢測(ce)系統已經(jing)開始轉(zhuan)向采用 3D 光學(xue)掃描(miao)技術。

光學 3D 表(biao)面檢(jian)測顯微鏡(jing)(jing)是離線 CMM 系統的一種替代方案。此類顯微鏡(jing)(jing)可以測量更多關于高度、粗糙度以及計(ji)(ji)算機(ji)(ji)輔(fu)助設計(ji)(ji)（CAD）數據(ju)比(bi)較的特(te)征。此外(wai)，生(sheng)產機(ji)(ji)加工、鑄(zhu)造或沖(chong)壓(ya)制品的工廠(chang)也是光學檢(jian)測的另一大應用領域。

它們可以更輕松和準確地進行 X、Y、Z 三軸(zhou)方向的測量，從而提高質(zhi)(zhi)量保障(zhang)。市場上也(ye)出現(xian)了在線3D 視(shi)覺系統與機(ji)(ji)器人(ren)手(shou)臂相結合(he)的解(jie)決(jue)(jue)方案。利用這些機(ji)(ji)器人(ren)解(jie)決(jue)(jue)方案可以極大地提高汽(qi)車和其他生產線工(gong)廠的速度和質(zhi)(zhi)量。在裝配和生產過程中(zhong)的特定階段增(zeng)設 3D 檢測有助于及早發現(xian)質(zhi)(zhi)量問題，從而減少浪(lang)費和返(fan)工(gong)。3D 掃(sao)描系統甚(shen)至可以在計算(suan)機(ji)(ji)數控（CNC）設備和 3D 打印(yin)機(ji)(ji)內運用，能夠在生產制造過程中(zhong)進行實(shi)時測量。

專業級 3D 手持掃描(miao)儀

專(zhuan)業(ye)級(ji) 3D 手(shou)持掃描儀是(shi)為專(zhuan)業(ye)人士和(he)業(ye)余愛(ai)好(hao)者提(ti)供的以 3D 數據格式(shi)采集(ji)實物完整細節特征的便(bian)攜(xie)式(shi)工(gong)具(ju)。

所采集的(de)(de)數據可以(yi)用于產品設計、零(ling)(ling)件工程、3D 內容創建或作為(wei) 3D 打(da)印機的(de)(de)輸入信息。例如，在(zai)線零(ling)(ling)售商可以(yi)通過對其產品進行(xing) 3D 掃(sao)描，以(yi)真實(shi)、高質量的(de)(de) 3D 模(mo)型（而非 2D 圖片）在(zai)線呈現產品。游戲玩(wan)家可以(yi)對自(zi)己進行(xing) 3D 掃(sao)描并在(zai)游戲中創建自(zi)己的(de)(de)角色。

3D 生物識別和身份驗證

3D 掃描(miao)在(zai)生物(wu)識別和(he)身份(fen)驗(yan)證的(de)(de)應用方面不斷發展，通常(chang)用于安全鎖定或(huo)(huo)解(jie)鎖設(she)備、安檢和(he)金融(rong)交易(yi)。利用光(guang)學 3D 掃描(miao)技術來采集面部、指紋或(huo)(huo)虹膜特(te)征(zheng)是一種更安全可靠的(de)(de)生物(wu)識別方法，并會給黑客攻擊和(he)其他攻擊帶來更大(da)的(de)(de)難度。

集成 DLP 技術的系統設計優勢

無論(lun)是檢查 PCB 質(zhi)量還是制作精確的(de)牙科配件，基于 DLP 技術(shu)的(de)結構光(guang) 3D 掃描設備都(dou)具備許多顯而易(yi)見的(de)系(xi)統優勢(shi)。DMD 微(wei)鏡具有(you)(you)微(wei)秒級的(de)快速(su)切換性能以(yi)(yi)及每秒超過1000個圖(tu)案的(de)8位相移速(su)率(lv)，從(cong)而能夠(gou)達到高速(su)數(shu)據(ju)采(cai)集率(lv)，以(yi)(yi)實(shi)現對(dui)在(zai)線(xian)測量非常有(you)(you)用的(de)實(shi)時 3D 掃描。高速(su) DLP 芯片還具有(you)(you)編程(cheng)靈活性，在(zai)運行中(zhong)也可以(yi)(yi)動態地對(dui)圖(tu)案進行選擇和重新排序。這有(you)(you)助于確保(bao)(bao)將較佳圖(tu)像(xiang)應用于特定對(dui)象位置(zhi)或特定視(shi)野內(nei)，同時也有(you)(you)助于提取用于分析的(de)準確的(de) 3D 信(xin)息。可以(yi)(yi)控(kong)制圖(tu)像(xiang)的(de)持續時間和亮度(du)，確保(bao)(bao)物體反(fan)射的(de)較佳光(guang)量，并使相機的(de)動態范(fan)圍較大化。

DLP 技(ji)術可與各(ge)種光源(yuan)結(jie)合使用，并兼容(rong)紫外（UV），可見光和(he)近紅外（NIR）波長。這為基于目標物體的(de)反(fan)射率來(lai)定制(zhi)(zhi) 3D 掃描系(xi)統(tong)提供了(le)額外的(de)通用性。DLP 芯片可以(yi)與多(duo)(duo)種光源(yuan)和(he)相機相結(jie)合的(de)靈活性使得可以(yi)輕松(song)創建一個(ge)設(she)備(bei)來(lai)測量多(duo)(duo)個(ge)物體。在(zai)(zai)設(she)計下一代 3D 掃描設(she)備(bei)時(shi)，汽車、工(gong)業和(he)醫療公司尋求 DLP 芯片是有(you)意(yi)義的(de)。在(zai)(zai)使用 DLP 技(ji)術設(she)計解決(jue)方案時(shi)，系(xi)統(tong)集成商(shang)能夠通過(guo)靈活的(de)圖像控制(zhi)(zhi)和(he)新的(de)結(jie)構光算法進行(xing)創新。

他們還可(ke)以(yi)優化光學架構，以(yi)匹配檢(jian)查(cha)掃(sao)描的(de)(de)關(guan)鍵(jian)分辨率和照明(ming)要求。令人振(zhen)奮的(de)(de)是，開發(fa)者可(ke)以(yi)利用先(xian)進的(de)(de)可(ke)編(bian)程性(xing)將 3D 掃(sao)描提升(sheng)到新(xin)的(de)(de)水(shui)平，從而優化在光譜域(yu)(yu)、空間域(yu)(yu)和時(shi)間域(yu)(yu)中的(de)(de)性(xing)能。

DLP 產品組合的考慮因素

TI 產品組合提供超越傳(chuan)統顯示(shi)器(qi)(qi)的(de)(de) DMD 和(he)配(pei)套控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)成像功(gong)能。更值得一提的(de)(de)是(shi)，DMD 芯(xin)片(pian)支持(chi)的(de)(de)波長范圍(wei)在363 nm至2500 nm之間，二進制(zhi)(zhi)圖形速率高達32 kHz，并且可提供更精(jing)確的(de)(de)像素精(jing)度控(kong)制(zhi)(zhi)。以下是(shi)具(ju)有先進光(guang)控(kong)制(zhi)(zhi)的(de)(de) DLP 芯(xin)片(pian)組如(ru)何優化結構(gou)光(guang)系統的(de)(de)說明(ming)。

DMD 特性

• 分辨率 — 在撰寫這本刊物時，DMD 的分辨率范圍就達到了0.2至410萬像素（MP）。在需要較大掃描區域或者光照強度較強的環境中時，傾向于使用較大的1-MP，2-MP或4-MP DMD。例如，汽車 3D 檢測在組裝和對準處理步驟時需要在明亮的工廠地板上的進行大區域掃描。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式設備中。
• 電源 — 較小的芯片組功耗低于200mW，非常適合便攜式或電池供電系統。例如，口腔內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勢。
• 波長 — 用戶可以根據物體的反射特性在基于 DLP 技術的系統中調整顏色和照明強度。因為 DMD 可以與各種光源組合，包括燈，發光二極管（LED）和激光器。DMD 針對（363-420nm），（400-700nm）和（700-2,500nm）進行了優化。對于生物識別 3D 掃描解決方案，近紅外波長因其不具有侵入性的特征而廣受青睞。紫外線有時是優化金屬反射特性的較佳選擇。LED 光學激光器是針對白光圖像的節能單色解決方案。

控制器特性

• 預存模式 — DLP 控制器為可靠、高速的 DMD 控制提供了方便的接口。它們支持預存儲的結構光圖像，而無需外部視頻處理器來傳輸圖像。

一(yi)(yi)些 DLP 控(kong)制器可(ke)以使用(yong)(yong)一(yi)(yi)維（1D）編碼預(yu)先存(cun)儲(chu)1000多個結構(gou)光行列圖(tu)(tu)像。1D 圖(tu)(tu)像的(de)特(te)點(dian)是其信息(xi)(xi)可(ke)由單行或單列信息(xi)(xi)來表(biao)述。專業級 3D 手(shou)持掃(sao)(sao)描(miao)儀產品通(tong)常使用(yong)(yong) 1D 圖(tu)(tu)像來降低成本并提(ti)高掃(sao)(sao)描(miao)速度。更先進(jin)的(de)控(kong)制器支持多達(da)400個預(yu)存(cun)儲(chu)的(de) 2D 全(quan)幀模式，根(gen)據應用(yong)(yong)程序的(de)需要或被掃(sao)(sao)描(miao)的(de)對象(xiang)，可(ke)以更適(shi)應于 X 和(he) Y。

• 圖像精度和速度 — DLP 控制器設計用于顯示適合機器視覺或數字曝光的圖案，并支持可變高速圖案顯示速率，每秒高達32000個圖案，且具有相機同步功能。這些圖像速率對于高精度和高速 3D 掃描系統是至關重要的。

從簡單到(dao)復雜的系統，DLP 技術在設計(ji)定(ding)制的結構光(guang)系統硬件(jian)和算法時(shi)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 產品

TI 提(ti)供了一系列的 DLP 芯片組，以適(shi)應不同的 3D 掃描要(yao)求，如下表1所示。有關 DLP 芯片的最新和完整列表，請參閱 。

表1. 可以顯示有用(yong)的(de) 3D 掃描(miao)規范的(de) DLP 芯片組組合

概要

使用(yong)(yong)結(jie)構光的(de) 3D 掃描是用(yong)(yong)于(yu)需要 3D 光學測(ce)量技術(shu)的(de)擴展市場和用(yong)(yong)例(li)的(de)理想技術(shu)。TI 提供多(duo)樣化的(de) DLP 芯片組合，可在個人電子產品中使用(yong)(yong)的(de)小(xiao)型、集(ji)成掃描引擎，以及工業(ye)檢測(ce)系統中使用(yong)(yong)的(de)大型高分辨率圖(tu)案發生器(qi)。

DLP 技(ji)術是 3D 掃描(miao)和機(ji)器(qi)視覺解(jie)決方案(an)選擇的(de)(de)主要技(ji)術，因為它具有極高的(de)(de)多(duo)(duo)功(gong)能性，能夠(gou)以極高的(de)(de)速(su)度定制圖(tu)案(an)，并(bing)能夠(gou)與多(duo)(duo)個光(guang)源和波長(chang)配對。這(zhe)種多(duo)(duo)功(gong)能性還可(ke)以推動客戶創新，并(bing)將 3D 掃描(miao)系統功(gong)能推向新的(de)(de)高度。

了解(jie)更(geng)多關于 DLP 技(ji)術的信息。

 利(li)用評估模(mo)塊(kuai)（EVM）來評估 DLP 技術在(zai) 3D 掃描中的(de)應用：

從(cong) TI Designs 參(can)考設計(ji)(ji)庫下載(zai)這(zhe)些(xie)參(can)考設計(ji)(ji)，并(bing)且(qie)可以通過使用 DLP 技術原(yuan)理圖、布局文件、材(cai)料清單和測(ce)試報告加快產(chan)品開發的速度(du)：

• DLP4500：
• DLP6500：

聯系(xi)光(guang)學(xue)設計制(zhi)造商（ODM）以獲得可用(yong)于(yu)生產的(de)光(guang)學(xue)模塊：

• Pico 芯片組 -
• 先進光控制 - 。

聯系設計公司(si)獲取(qu)專屬解決方案：

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