德州儀器:採用基於TI DLP®技術的結構光實現高精度3D掃描

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《採用基於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，可以獲取各種用於計量設備、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解析度的快速高精度掃描時，經常選擇基於 TI DLP^® 技術的結構光系統。

3D 掃描系統的誕生

簡單的二維（2D）檢測系統已經問世多年了，其工作機制通常是照亮物體並拍照，然後將拍攝圖像與已知的標準 2D 參考件進行比較。 3D 掃描則增加了獲取體積信息的能力。引入 z 維數據可以測量物體的體積、平整度或粗糙度。對於印刷電路板（PCB）、焊膏和機加工零件檢測等行業而言，測量上述附加幾何結構特徵至關重要，而這是 2D 檢測系統無法達到的。此外，3D 掃描還可用於醫療、牙科和助聽器製造等行業。

坐標測量機（CMM）是收集 3D 信息的首批工業解決方案之一。

利用結構光進行光學3D掃描

探針物理接觸物體表面，並結合每個點的位置數據來創建 3D 表面模型。後來出現了用於 3D 掃描的光學方法，如：結構光。結構光是將一組圖案投射到物體上並用相機或傳感器捕捉圖案失真的過程。然後利用三角計算方法計算數據並輸出 3D 點雲，從而生成用於測量、檢查、檢測、建模或機器視覺系統中各種計算的數據。光學 3D 掃描受到青睞的原因在於不接觸被測物體，並且可以非常快速甚至實時地獲取數據。

DLP 技術可快速智能地生成光圖像

對於光學 3D 掃描設備，DLP 技術通常在系統中用於產生結構光。DLP 晶片是一種高反射鋁微鏡陣列，稱為數字微鏡器件（DMD）。

當 DMD 與照明光源和光學器件相結合時，這種精密複雜的微機電系統（MEMS）就可以為各種投影系統和空間光調製系統提供助力。

由於 DMD 可靈活、快速、高度可編程的產生各種結構光圖案，設計人員經常將 DLP 技術用於結構光應用。與具有固定圖案集的雷射線掃描儀或衍射光學元件（DOE）不同，它可以將不同位深的多種圖案編程至一個 DMD。基於 DLP 技術的結構光解決方案非常適合於需要達到毫米甚至微米精度的詳細測量。

3D 掃描系統的應用

3D AOI

3D 自動光學檢測（AOI）是一種用於生產製造環境的強大技術，可提供與零件質量相關的實時、在線、決定性的測量數據。例如，3D 測量就非常適合用於 PCB 焊膏檢測（SPI），因為它會測量出在元件放置之前沉積的焊膏的實際體積，有助於防止出現劣質焊點。在 PCB 的生產製造中，也會在元件放置、回流焊、最終檢查和返工操作後進行在線 3D AOI，較大限度地提高質量和可靠性。隨著 3D 檢測功能的日益普及，越來越多的在線工廠檢測點選擇採用 3D AOI 系統。

醫療

3D 掃描技術在醫療行業中的應用飛速增長。例如，牙科中採用口腔內掃描儀（IOS）直接採集光學印模。在製作假體修復體時，如鑲嵌物、高嵌體、頂蓋和牙冠，需要達到微米級 3D 圖像精度。IOS 簡化了牙醫的臨床操作程序，省卻了對石膏模型的需求並減輕了患者的不適。

另一個快速增長的應用行業是 3D 耳掃描。光學成像系統能夠精確採集耳朵的 3D 模型，而無需使用矽膠耳印模。3D 耳掃描未來還可用於為消費者定製耳塞、助聽器及聽力保護設備。

工業計量和檢測

許多不同的工業計量和檢測系統已經開始轉向採用 3D 光學掃描技術。

光學 3D 表面檢測顯微鏡是離線 CMM 系統的一種替代方案。此類顯微鏡可以測量更多關於高度、粗糙度以及計算機輔助設計（CAD）數據比較的特徵。此外，生產機加工、鑄造或衝壓製品的工廠也是光學檢測的另一大應用領域。

帶有3D掃描儀的機器人手臂

它們可以更輕鬆和準確地進行 X、Y、Z 三軸方向的測量，從而提高質量保障。市場上也出現了在線3D 視覺系統與機器人手臂相結合的解決方案。利用這些機器人解決方案可以極大地提高汽車和其他生產線工廠的速度和質量。在裝配和生產過程中的特定階段增設 3D 檢測有助於及早發現質量問題，從而減少浪費和返工。3D 掃描系統甚至可以在計算機數控（CNC）設備和 3D 印表機內運用，能夠在生產製造過程中進行實時測量。

專業級 3D 手持掃描儀

專業級 3D 手持掃描儀是為專業人士和業餘愛好者提供的以 3D 數據格式採集實物完整細節特徵的可攜式工具。

所採集的數據可以用於產品設計、零件工程、3D 內容創建或作為 3D 印表機的輸入信息。例如，在線零售商可以通過對其產品進行 3D 掃描，以真實、高質量的 3D 模型（而非 2D 圖片）在線呈現產品。遊戲玩家可以對自己進行 3D 掃描並在遊戲中創建自己的角色。

臺式專業級3D掃描儀

 

3D 生物識別和身份驗證

3D 掃描在生物識別和身份驗證的應用方面不斷發展，通常用於安全鎖定或解鎖設備、安檢和金融交易。利用光學 3D 掃描技術來採集面部、指紋或虹膜特徵是一種更安全可靠的生物識別方法，並會給黑客攻擊和其他攻擊帶來更大的難度。

集成 DLP 技術的系統設計優勢

無論是檢查 PCB 質量還是製作精確的牙科配件，基於 DLP 技術的結構光 3D 掃描設備都具備許多顯而易見的系統優勢。DMD 微鏡具有微秒級的快速切換性能以及每秒超過1000個圖案的8位相移速率，從而能夠達到高速數據採集率，以實現對在線測量非常有用的實時 3D 掃描。高速 DLP 晶片還具有編程靈活性，在運行中也可以動態地對圖案進行選擇和重新排序。這有助於確保將較佳圖像應用於特定對象位置或特定視野內，同時也有助於提取用於分析的準確的 3D 信息。可以控制圖像的持續時間和亮度，確保物體反射的較佳光量，並使相機的動態範圍較大化。

DLP 技術可與各種光源結合使用，併兼容紫外（UV），可見光和近紅外（NIR）波長。這為基於目標物體的反射率來定製 3D 掃描系統提供了額外的通用性。DLP 晶片可以與多種光源和相機相結合的靈活性使得可以輕鬆創建一個設備來測量多個物體。在設計下一代 3D 掃描設備時，汽車、工業和醫療公司尋求 DLP 晶片是有意義的。在使用 DLP 技術設計解決方案時，系統集成商能夠通過靈活的圖像控制和新的結構光算法進行創新。

他們還可以優化光學架構，以匹配檢查掃描的關鍵解析度和照明要求。令人振奮的是，開發者可以利用先進的可編程性將 3D 掃描提升到新的水平，從而優化在光譜域、空間域和時間域中的性能。

DLP 產品組合的考慮因素

TI 先進光控制產品組合提供超越傳統顯示器的 DMD 和配套控制器成像功能。更值得一提的是，DMD 晶片支持的波長範圍在363 nm至2500 nm之間，二進位圖形速率高達32 kHz，並且可提供更精確的像素精度控制。以下是具有先進光控制的 DLP 晶片組如何優化結構光系統的說明。

DMD 特性

• 解析度 — 在撰寫這本刊物時，DMD 的解析度範圍就達到了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，傾向於使用較大的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。小於1-MP 的 DMD 傾向於放置在比較便攜和低功耗的小型手持或臺式設備中。
• 電源 — 較小的晶片組功耗低於200mW，非常適合可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於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於 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，發光二極體（LED）和雷射器。DMD 針對紫外（363-420nm），可見光（400-700nm）和近紅外（700-2,500nm）進行了優化。對於生物識別 3D 掃描解決方案，近紅外波長因其不具有侵入性的特徵而廣受青睞。紫外線有時是優化金屬反射特性的較佳選擇。LED 光學雷射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。

一些 DLP 控制器可以使用一維（1D）編碼預先存儲1000多個結構光行列圖像。1D 圖像的特點是其信息可由單行或單列信息來表述。專業級 3D 手持掃描儀產品通常使用 1D 圖像來降低成本並提高掃描速度。更先進的控制器支持多達400個預存儲的 2D 全幀模式，根據應用程式的需要或被掃描的對象，可以更適應於 X 和 Y。

• 圖像精度和速度 — DLP 控制器設計用於顯示適合機器視覺或數字曝光的圖案，並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。這些圖像速率對於高精度和高速 3D 掃描系統是至關重要的。

從簡單到複雜的系統，DLP 技術在設計定製的結構光系統硬體和算法時為客戶提供了令人難以置信的圖像靈活性。

用於 3D 掃描的 DLP 產品

TI 提供了一系列的 DLP 晶片組，以適應不同的 3D 掃描要求，如下表1所示。有關 DLP 晶片的最新和完整列表，請參閱 TI DLP技術。

DMD	微鏡陣列	陣列 對角線	較佳波長	控制器	較大圖像速率 （二進位/ 8位）	高速預存圖像顯示 (2D or 1D)
DLP2010	854 × 480	0.20」	420–700-nm	DLPC3470	2,880-Hz / 360-Hz	僅1D
DLP2010NIR	854 × 480	0.20」	700–2,500-nm	DLPC3470	2,880-Hz / 360-Hz	僅1D
DLP3010	1280 × 720	0.3」	420–700-nm	DLPC3478	2,880-Hz / 360-Hz	僅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	僅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. 可以顯示有用的 3D 掃描規範的 DLP 晶片組組合

概要

使用結構光的 3D 掃描是用於需要 3D 光學測量技術的擴展市場和用例的理想技術。TI 提供多樣化的 DLP 晶片組合，可在個人電子產品中使用的小型、集成掃描引擎，以及工業檢測系統中使用的大型高解析度圖案發生器。

DLP 技術是 3D 掃描和機器視覺解決方案選擇的主要技術，因為它具有極高的多功能性，能夠以極高的速度定製圖案，並能夠與多個光源和波長配對。這種多功能性還可以推動客戶創新，並將 3D 掃描系統功能推向新的高度。

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