北京2018年8月1日電 /美通社/ -- 近日，德州儀器（TI）DLP®產(chǎn)品工業(yè)業(yè)務(wù)經(jīng)理 Gina Park、DLP Pico?產(chǎn)品營銷部門的Michael Wang、DLP產(chǎn)品工業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Carey Ritchey發(fā)表了《采用基于TI DLP®技術(shù)的結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)高精度3D掃描》的技術(shù)文章，全文如下：
前言
三維（3D）掃描是一種功能強(qiáng)大的工具，可以獲取各種用于計量設(shè)備、檢測設(shè)備、探測設(shè)備和 3D 成像設(shè)備的體積數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)計人員需要進(jìn)行毫米到微米分辨率的快速高精度掃描時，經(jīng)常選擇基于 TI DLP® 技術(shù)的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。
3D 掃描系統(tǒng)的誕生
簡單的二維（2D）檢測系統(tǒng)已經(jīng)問世多年了，其工作機(jī)制通常是照亮物體并拍照，然后將拍攝圖像與已知的標(biāo)準(zhǔn) 2D 參考件進(jìn)行比較。 3D 掃描則增加了獲取體積信息的能力。引入 z 維數(shù)據(jù)可以測量物體的體積、平整度或粗糙度。對于印刷電路板（PCB）、焊膏和機(jī)加工零件檢測等行業(yè)而言，測量上述附加幾何結(jié)構(gòu)特征至關(guān)重要，而這是 2D 檢測系統(tǒng)無法達(dá)到的。此外，3D 掃描還可用于醫(yī)療、牙科和助聽器制造等行業(yè)。
坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）是收集 3D 信息的首批工業(yè)解決方案之一。
探針物理接觸物體表面，并結(jié)合每個點的位置數(shù)據(jù)來創(chuàng)建 3D 表面模型。后來出現(xiàn)了用于 3D 掃描的光學(xué)方法，如：結(jié)構(gòu)光。結(jié)構(gòu)光是將一組圖案投射到物體上并用相機(jī)或傳感器捕捉圖案失真的過程。然后利用三角計算方法計算數(shù)據(jù)并輸出 3D 點云，從而生成用于測量、檢查、檢測、建?；驒C(jī)器視覺系統(tǒng)中各種計算的數(shù)據(jù)。光學(xué) 3D 掃描受到青睞的原因在于不接觸被測物體，并且可以非常快速甚至實時地獲取數(shù)據(jù)。
DLP 技術(shù)可快速智能地生成光圖像
對于光學(xué) 3D 掃描設(shè)備，DLP 技術(shù)通常在系統(tǒng)中用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光。DLP 芯片是一種高反射鋁微鏡陣列，稱為數(shù)字微鏡器件（DMD）。
當(dāng) DMD 與照明光源和光學(xué)器件相結(jié)合時，這種精密復(fù)雜的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）就可以為各種投影系統(tǒng)和空間光調(diào)制系統(tǒng)提供助力。
由于 DMD 可靈活、快速、高度可編程的產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)光圖案，設(shè)計人員經(jīng)常將 DLP 技術(shù)用于結(jié)構(gòu)光應(yīng)用。與具有固定圖案集的激光線掃描儀或衍射光學(xué)元件（DOE）不同，它可以將不同位深的多種圖案編程至一個 DMD。基于 DLP 技術(shù)的結(jié)構(gòu)光解決方案非常適合于需要達(dá)到毫米甚至微米精度的詳細(xì)測量。
3D 掃描系統(tǒng)的應(yīng)用
3D AOI
3D 自動光學(xué)檢測（AOI）是一種用于生產(chǎn)制造環(huán)境的強(qiáng)大技術(shù)，可提供與零件質(zhì)量相關(guān)的實時、在線、決定性的測量數(shù)據(jù)。例如，3D 測量就非常適合用于 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，有助于防止出現(xiàn)劣質(zhì)焊點。在 PCB 的生產(chǎn)制造中，也會在元件放置、回流焊、最終檢查和返工操作后進(jìn)行在線 3D AOI，較大限度地提高質(zhì)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采用 3D AOI 系統(tǒng)。
醫(yī)療
3D 掃描技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用飛速增長。例如，牙科中采用口腔內(nèi)掃描儀（IOS）直接采集光學(xué)印模。在制作假體修復(fù)體時，如鑲嵌物、高嵌體、頂蓋和牙冠，需要達(dá)到微米級 3D 圖像精度。IOS 簡化了牙醫(yī)的臨床操作程序，省卻了對石膏模型的需求并減輕了患者的不適。
另一個快速增長的應(yīng)用行業(yè)是 3D 耳掃描。光學(xué)成像系統(tǒng)能夠精確采集耳朵的 3D 模型，而無需使用硅膠耳印模。3D 耳掃描未來還可用于為消費者定制耳塞、助聽器及聽力保護(hù)設(shè)備。
工業(yè)計量和檢測
許多不同的工業(yè)計量和檢測系統(tǒng)已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向采用 3D 光學(xué)掃描技術(shù)。
光學(xué) 3D 表面檢測顯微鏡是離線 CMM 系統(tǒng)的一種替代方案。此類顯微鏡可以測量更多關(guān)于高度、粗糙度以及計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）數(shù)據(jù)比較的特征。此外，生產(chǎn)機(jī)加工、鑄造或沖壓制品的工廠也是光學(xué)檢測的另一大應(yīng)用領(lǐng)域。
它們可以更輕松和準(zhǔn)確地進(jìn)行 X、Y、Z 三軸方向的測量，從而提高質(zhì)量保障。市場上也出現(xiàn)了在線3D 視覺系統(tǒng)與機(jī)器人手臂相結(jié)合的解決方案。利用這些機(jī)器人解決方案可以極大地提高汽車和其他生產(chǎn)線工廠的速度和質(zhì)量。在裝配和生產(chǎn)過程中的特定階段增設(shè) 3D 檢測有助于及早發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，從而減少浪費和返工。3D 掃描系統(tǒng)甚至可以在計算機(jī)數(shù)控（CNC）設(shè)備和 3D 打印機(jī)內(nèi)運用，能夠在生產(chǎn)制造過程中進(jìn)行實時測量。
專業(yè)級 3D 手持掃描儀
專業(yè)級 3D 手持掃描儀是為專業(yè)人士和業(yè)余愛好者提供的以 3D 數(shù)據(jù)格式采集實物完整細(xì)節(jié)特征的便攜式工具。
所采集的數(shù)據(jù)可以用于產(chǎn)品設(shè)計、零件工程、3D 內(nèi)容創(chuàng)建或作為 3D 打印機(jī)的輸入信息。例如，在線零售商可以通過對其產(chǎn)品進(jìn)行 3D 掃描，以真實、高質(zhì)量的 3D 模型（而非 2D 圖片）在線呈現(xiàn)產(chǎn)品。游戲玩家可以對自己進(jìn)行 3D 掃描并在游戲中創(chuàng)建自己的角色。
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(yīng)用方面不斷發(fā)展，通常用于安全鎖定或解鎖設(shè)備、安檢和金融交易。利用光學(xué) 3D 掃描技術(shù)來采集面部、指紋或虹膜特征是一種更安全可靠的生物識別方法，并會給黑客攻擊和其他攻擊帶來更大的難度。
集成 DLP 技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)勢
無論是檢查 PCB 質(zhì)量還是制作精確的牙科配件，基于 DLP 技術(shù)的結(jié)構(gòu)光 3D 掃描設(shè)備都具備許多顯而易見的系統(tǒng)優(yōu)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(dá)到高速數(shù)據(jù)采集率，以實現(xiàn)對在線測量非常有用的實時 3D 掃描。高速 DLP 芯片還具有編程靈活性，在運行中也可以動態(tài)地對圖案進(jìn)行選擇和重新排序。這有助于確保將較佳圖像應(yīng)用于特定對象位置或特定視野內(nèi)，同時也有助于提取用于分析的準(zhǔn)確的 3D 信息。可以控制圖像的持續(xù)時間和亮度，確保物體反射的較佳光量，并使相機(jī)的動態(tài)范圍較大化。
DLP 技術(shù)可與各種光源結(jié)合使用，并兼容紫外（UV），可見光和近紅外（NIR）波長。這為基于目標(biāo)物體的反射率來定制 3D 掃描系統(tǒng)提供了額外的通用性。DLP 芯片可以與多種光源和相機(jī)相結(jié)合的靈活性使得可以輕松創(chuàng)建一個設(shè)備來測量多個物體。在設(shè)計下一代 3D 掃描設(shè)備時，汽車、工業(yè)和醫(yī)療公司尋求 DLP 芯片是有意義的。在使用 DLP 技術(shù)設(shè)計解決方案時，系統(tǒng)集成商能夠通過靈活的圖像控制和新的結(jié)構(gòu)光算法進(jìn)行創(chuàng)新。
他們還可以優(yōu)化光學(xué)架構(gòu)，以匹配檢查掃描的關(guān)鍵分辨率和照明要求。令人振奮的是，開發(fā)者可以利用先進(jìn)的可編程性將 3D 掃描提升到新的水平，從而優(yōu)化在光譜域、空間域和時間域中的性能。
DLP 產(chǎn)品組合的考慮因素
TI 先進(jìn)光控制產(chǎn)品組合提供超越傳統(tǒng)顯示器的 DMD 和配套控制器成像功能。更值得一提的是，DMD 芯片支持的波長范圍在363 nm至2500 nm之間，二進(jìn)制圖形速率高達(dá)32 kHz，并且可提供更精確的像素精度控制。以下是具有先進(jìn)光控制的 DLP 芯片組如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的說明。
DMD 特性
控制器特性
一些 DLP 控制器可以使用一維（1D）編碼預(yù)先存儲1000多個結(jié)構(gòu)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(yè)級 3D 手持掃描儀產(chǎn)品通常使用 1D 圖像來降低成本并提高掃描速度。更先進(jìn)的控制器支持多達(dá)400個預(yù)存儲的 2D 全幀模式，根據(jù)應(yīng)用程序的需要或被掃描的對象，可以更適應(yīng)于 X 和 Y。
從簡單到復(fù)雜的系統(tǒng)，DLP 技術(shù)在設(shè)計定制的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)硬件和算法時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(chǎn)品
TI 提供了一系列的 DLP 芯片組，以適應(yīng)不同的 3D 掃描要求，如下表1所示。有關(guān) DLP 芯片的最新和完整列表，請參閱 TI DLP技術(shù)。
| 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(jìn)制/ 8位） |
高速預(yù)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(guī)范的 DLP 芯片組組合
概要
使用結(jié)構(gòu)光的 3D 掃描是用于需要 3D 光學(xué)測量技術(shù)的擴(kuò)展市場和用例的理想技術(shù)。TI 提供多樣化的 DLP 芯片組合，可在個人電子產(chǎn)品中使用的小型、集成掃描引擎，以及工業(yè)檢測系統(tǒng)中使用的大型高分辨率圖案發(fā)生器。
DLP 技術(shù)是 3D 掃描和機(jī)器視覺解決方案選擇的主要技術(shù)，因為它具有極高的多功能性，能夠以極高的速度定制圖案，并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(chuàng)新，并將 3D 掃描系統(tǒng)功能推向新的高度。
了解更多關(guān)于 DLP 技術(shù)的信息。
利用評估模塊（EVM）來評估 DLP 技術(shù)在 3D 掃描中的應(yīng)用：
從 TI Designs 參考設(shè)計庫下載這些參考設(shè)計，并且可以通過使用 DLP 技術(shù)原理圖、布局文件、材料清單和測試報告加快產(chǎn)品開發(fā)的速度：
聯(lián)系光學(xué)設(shè)計制造商（ODM）以獲得可用于生產(chǎn)的光學(xué)模塊：
聯(lián)系設(shè)計公司獲取專屬解決方案：
請訪問 德州儀器中文技術(shù)支持社區(qū)的 DLP 產(chǎn)品和 MEMS 論壇，尋找解決方案，獲得幫助，并與同行工程師和 TI 專家分享知識和解決難題。
