3D打印

采纳基于TI DLP?技术的布局光实现高精度3D扫描

2025China.cn   >2019年05月17日

前言

  三维(3D)扫描是一止πё炒的对象,可以或许或许获得各种用于计量设备、检测设备、探测设备和3D成像设备的体积数据。当设计职员必要停止毫米到微米分辨率的疾速高精度扫描时,经常抉择基于TI DLP?技术的布止体系。

3D扫描体系的降生

  简略的二维(2D)检测体系已经问世多年了,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模范2D参考件停止比较。 3D扫描则增长了获得体积信息的能力。引入z维数据可以或许测量物体的体积、平整度或粗糙度。对付印刷电路板(PCB)、焊膏和机加工零件检测等行业而言,测可鲜龈郊蛹负尾季痔卣髦凉刂匾,而这是2D检测体系无法到达的。别的,3D扫描还可用于医疗、牙科和助听器制作等行业。

  坐标测量机(CMM)是收集3D信息的首批工业解决计划之一。

  图 1.坐标测量机探头示例

  图 2.利用布局光停止光学3D扫描

  探针物理接触物体外面,并结合每个点的地位数据创唇3D外面模子(图1)。后来出现了用于3D扫描的光学办法,如:布局光(图2)。布局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。然后利用三角计算办法计算数据并输入3D点云,从而天生用于测量、检查、检测、建模或机械视觉体系中各种计算的数据。光学3D扫描遭到青眼的原因在于不接触被测物体,而且可以或许或许非常疾速甚至实时地获得数据。

DLP技术可疾速智能地天生光图像

  对付光学3D扫描设备,DLP技术通常在体系中用于发生布局光。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,这种周详复杂的微电机体系(MEMS)就可以或许或许为各种投影体系和空间光调制体系供给助力。

  因为DMD可机动、疾速、高度可编程的发生各种布局光图案,设计职员经常将DLP技术用于布局光应用。与具有固定图案集的激光线扫描仪或衍射光学元件(DOE)分歧,它可以或许或许将分歧位深的多种图案编程至一个DMD。基于DLP技术的布局光解决计划非常得当于必要到达毫米甚至微米精度的详细测量。

3D扫描体系的应用

  3D AOI

  3D主动光学检测(AOI)是一种用于临盆制作环境的壮大际,可供给与零件品德相干的实时、在线、决定性的测量数据。例如,3D测量就非常得当用于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的临盆制作中,也会在元件放置、回流焊、最终检查和返工操纵后停止在线3D AOI,最大限度地提高品德和靠得住性。跟着3D检测功效的日益普及,越来越多的在线工场检测点抉择采纳3D AOI体系。

  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,牙科中采纳口腔内扫描仪(IOS)间接收集光学印模(图4)。在制作假体修复体时,如镶嵌物、高嵌体、顶盖和牙冠,必要到达微米级3D图像精度。IOS简化了牙医的临床操纵程序,省却了对石膏模子的必要并减轻了患者的不适。

  图 4.牙科口内扫描仪

  另外一个疾速增长的应用行业是3D耳扫描。光学成像体系可以或许精确收集耳朵的3D模子,而无需应用硅胶耳印模。3D耳扫描未来还可用于为消费者定制耳塞、助听器及听力掩护设备。

  工业计量和检测

  很多分歧的工业计量和检测体系已经开端转向采纳3D光学扫描技术。

  光学3D外面检测显微镜是离线CMM体系的一种替代计划。此类显微镜可以或许测量更多对付高度、粗糙度和计算机辅助设计(CAD)数据比较的特征。别的,临盆机加工、锻造或冲压制品的工场也是光学检测的另外一大应用领域。

  图 5.带有3D扫描仪的机械人手臂

  它咱咱们可以或许或许更轻松和精确地停止X、Y、Z三轴偏向的测量,从而提高品格包管。市场上也出至在线3D视觉体系与机械人手臂相结合的解决计划(图5)。利用这些机械人解决计划可以或许或许极大地提高汽车(图6)和其余临盆线工场的速率和品格。在装配和临盆过程中的特定阶段增设3D检测有助于及早发现品格成就,从而削减浪费和返工。3D扫描体系甚至可以或许或许在计算机数控(CNC)设备和3D打印机内利用,可以或许或许在临盆制作过程中停止实时测量。

  图 6.3D布局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专业爱好者供给的以3D数据格式收集什物完备细节特征的便携式对象(图7)。

  所收集的数据可以或许用于产品设计、零件工程、3D内容创建或作为3D打印机的输入信息。例如,在线零售商可以或许颠末过程对其产品停止3D扫描,以真实、高品格的3D模子(而非2D计)在线呈现产品。游戏玩家可以或许对自己停止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生物辨认和身份验证

  3D扫描在生物辨认和身份验证的应用方面赓续睁开,通常用于平安锁定或解锁设备、安检和金融生意。利用光学3D扫描技术来收集面部、指纹或虹膜特征是一更平安靠得住的生物辨认办法,并会给黑客攻击和其余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技术的体系设计优势

  不管是检查PCB品德还是制作精确的牙科配件,基于DLP技术的布止3D扫描设备都具有很多显而易见的体系优势。DMD微镜具有微秒级的疾速切换机能和每秒超过1000个图案的8位相移速率,从而可以或许到达高速数据收集率,以实现对在线测量非常有用的实时3D扫描。高速DLP芯片还具有编程机动性,在运行中也可以或许静态地对图案停止抉择和有屡判。这有助于确保将最佳图像应用于特定对象地或特定视野内,同时也有助于提取用于阐发的最精确的3D信息。可以或许节制图像的持续光阴和亮度,确保物体反射的最佳光量,并使相机的静态规模最大化。

  DLP技术可与各种光源结合应用,并兼容紫外(UV),可见光和近红外(NIR)波长(图9)。这为基于偏向物体的反射率来定制3D扫描体系供给了额外的通用性。DLP芯片可以或许与多种光源和相机相结合的机动性使得可以或许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、工业和医疗公司追求DLP芯片是有意义的。在应用DLP技术设计解决计划时,体系集成商可以或许颠末过程机动的图像节制和新的布局光算法停止创新。

  图 9.光谱

  他咱咱们还可以或许或许优化光学架构,以匹配检查扫描的关键分辨率和照明请求。令人振奋的是,开拓者可以或许或许利用先辈的可编程性将3D扫描晋升到新的程度,从而优化在光谱域、空间域和光阴域中的机能。

  DLP产品组合的考虑因素

  TI先辈光节制产品组合供给超出传统显示器的DMD和配套节制器成像功效。更值得一提的是,DMD芯片支撑的波长规模在363 nm至2500 nm之间,二进制图形速率高达32 kHz,而且可供给更精确的像素精度节制。如下是具有先辈光节制的DLP芯片组如何优化布局光体系的说明。

  DMD特性

  ● 分辨率 — 在撰写这本刊物时,DMD的分辨率规模就到达了0.2至410万像素(MP)。在必要较大扫描地区或许光照强度较强的环持惺,偏向于应用较大的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必要在明亮的工场地板上的停止大地区扫描。小于1-MP的DMD偏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,非常得当便携式或电池供电体系。例如,口腔内扫描仪便是充足利用小型DMD的外形因素和它具有适用于电池供电的低功耗特性的优势。

  ● 波长— 用户可以或许或许根据物体的反射特性在基于DLP技术的体系中调剂色彩和照明强度。因为DMD可以或许或许与各种光源组合,包含灯,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)停止了优化。对付生物辨认3D扫描解决计划,近红外波长因其不具有侵入性的特征而广受青眼。紫外线有时是优化金属反射特性的最佳抉择。LED光学激光器是针对白光图像的节能单色解决计划。

  节制器特性

  ● 预存情势— DLP节制器为靠得住、高速的DMD节制供给了便利的接口。它咱咱们支撑预存储的布局光图像,而无需内部视频处理器来传输图像。

  图 10.1D图像示例

  一些DLP节制器可应用一维(1D)编码预先存储1000多个布局光行列图像(如,参见图10)。1D图像的特色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应用1D图像来低落本钱并提高扫描速率。更先辈的节制器支撑多达400个预存储的2D全帧情势(例如,参见图11),根据应用程序的必要或被扫描的对象,可以或许或许更顺应于X和Y。

  图 11.2D图像示例

  ● 图像精度和速率— DLP节制器设计用于显示得当机械视觉或数字曝光的图案,并支撑可变高速图案显示速率,每秒高达32000个图案,且具有相机同步功效。这些图像速率对付高精度和高速3D扫描体系是至关重要的。

  从简略到复杂的体系,DLP技术在设计定制的布局光体系布和算法时为客户供给了令人难以置信的图像机动性。

  用于3D扫描的DLP产品

  TI供给了一系列的DLP芯片组,以顺应分歧的3D扫描请求,如下表1所示。无关DLP芯片的最新和完备列表,请参阅TI DLP技术。

  表1.可以或许或许显示有用的3D扫描尺度的DLP芯片组组合

  概要

  应用布局光的3D扫描是用于必要3D光学测量技术的扩大市场和用例的抱负技术。TI供给多样化的DLP芯片组合,可在小我电子产品中应用的小型、集成扫描引擎,和工业检测体系中应用的大型高分辨率图案发生器。

  DLP技术是3D扫描和机械视觉解决计划抉择的重要技术,因为它具有极高的多功效性,可以或许以极高的速率定制图案,并可以或许与多个光源和波长配对。这种多功效性还可以或许推动客户创新,并将3D扫描体系功效推向新的高度。

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