主动模式投影提高AOI三维测量精度，实现高精度3D测量收藏

3D相移模式投影系统与高分辨率、远心镜头和大画幅相机相结合，实现高精度3D测量非接触式3D测量可以通过各种技术实现，最常用的方法包括：（1）激光轮廓测量法：用高功率激光器和线阵或面阵传感器实现；（2）立体相机法：用两个面阵传感器和主动模式投影（使用一个面阵相机和一个主动模式投影仪）实现（见图1）。

在单线激光器/相机组合中，当物体或扫描仪移动时，激光器/相机组合捕获单一激光线反射；与之不同的是，模式投影方法可以用于在单一无运动扫描中，捕获一个完整的图像这也是主动模式投影在机器视觉市场中越来越流行的原因之一。

主动模式投影越来越流行的另一个原因，在很大程度上得益于关键硬件组件的进步，如高分辨率高速面阵相机的发展，以及在成像系统中使用LCOS（硅上液晶）和DMD（数字微镜器件）等电光器件的可能性 LCOS和DMD这两种器件能够与高功率LED光源和投影透镜系统相结合，实现快速主动模式投影。

该系统可以投射编程到LCOS或DMD器件上的任何图像，并能很容易地使用触发信号同步LED和相机，允许为各种应用实现更广泛的模式相移法条纹模式是由几个相位变化的波型（见图2）创建的，是测量应用的一种有效的主动模式。

相比于激光轮廓测量和立体相机方法，相移法的主要优点包括速度快、覆盖面积大、分辨率高、精度高和可靠的3D测量模式的灵活性能够实现各种样本的测量然而，一个成功的解决方案要求一个可编程的主动模式投影仪，它可以快速改变几种模式，并将它们与相机采集同步。

而且，将模式投影仪与高分辨率远心镜头和大画幅相机相结合，可以同时获得高质量2D图像以及不同模式的投影图像（见图1-3）从这些高质量图像中，可以很容易地分析2D和3D尺寸数据，以确认需要验证的零件尺寸、表面质量和其他重要特性。

PCB故障检测自动光学检测（AOI）提高了印制电路板（PCB）生产中故障检测的准确性和速度以前，PCB故障检测通常使用高速2D区域检测，因为这种方法易于实施然而，随着元器件尺寸的不断缩小、PCB的复杂性不断增加，以及更严格的质量要求，3D检测已经成为高端PCB制造商（如那些为消费类电子产品和汽车市场提供PCB的制造商）的必须之选。

图1 1-1：激光轮廓测量系统使用线激光器和面阵相机组合在这种方法中，样品或激光束必须移动以完成轮廓扫描1-2：立体相机系统需要将两台面阵相机呈不同角度放置，如同人眼一样1-3：模式投影系统包括一个投影仪、标准远心镜头和一台面阵相机。

通常，以不同角度放置的多投影仪可以减少投影阴影

图2 2-1：波纹投影被用于相移法中2-2：从相机端看到的相移条纹2-3：相移图案的强度分布在手机和可穿戴设备等消费电子应用中，终端产品的尺寸正在逐年变小、变薄由于这些变化需要更小的电气元件，因此只使用2D检测方法已经很难找到安装不正确的零件，而且在拥挤的装配中几乎不可能描述和测量它们。

在汽车市场，汽车上使用的电气零件在逐年增加与此同时，汽车与人身安全密切相关，所以汽车应用对安全性要求非常高，特别是高压或高温电气零件此外，相比于标准的消费电子零件，汽车电气零件可能体积更大、形状更复杂对这些复杂的零件而言，3D检测必不可少，以确保它们被正确、可靠地安装。

用于3D测量的投影仪对于具有主动条纹模式的高速高精度3D测量而言，需要一台能够提供高亮度和高对比度的投影仪当机器视觉供应商能够使用高性能镜头和LED照明技术设计、整合并制造一个投影系统时，这样的解决方案便成为可能（见图3）。

图3 2-1：图案投影系统将高分辨率远心镜头和大画幅相机结合在一起第一步是为图案的高亮度输出选择合适的LED，如输出功率15~100W的LED然后，是设计光学元件以实现LED输出最大化，并与DMD或LCOS器件相耦合。

最后，对光路进行优化后，设计用于聚焦图案的投影光学元件，以满足视场、工作距离、亮度和分辨率等成像系统参数记住，最大亮度对于提高测量速度至关重要投影图案的分辨率和对比度，对于在整个测量区域内实现高精度3D测量同样非常重要。

图4 Scheimpflug原理对于用斜投影保持水平聚焦平面定位非常有用（左图）没有Scheimpflug排布，图像边缘的对比度损失（右图）可能对3D测量精度产生较大影响当比较3D相移图案投影仪供应商的能力时，评估其设计每个子系统以满足特定目的的专业水平至关重要。

与此同时，还要考虑供应商在“将这些子系统集成到一个完整的全合一解决方案中、以满足具有挑战性的应用需求”方面的经验最后，确保供应商拥有使用Scheimpflug原理的经验，因为对很多应用而言，用倾斜投影保持水平聚焦平面定位非常有用（见图4左图）。

没有Scheimpflug排布，在图像边缘的对比度损失（见图4右图）可能对3D测量精度的影响较大用于高精度3D测量的强大组合包括（见图1-3）：高分辨率物方远心镜头或双远心镜头；高速、大画幅相机，像素尺寸与镜头匹配；基于Scheimpflug原理的高对比度倾斜投影仪。

投影正弦曲线的重现性，对于使用移相法保持高精度也非常重要（见图5）。通过镜头设计技术方面的专业知识，有可能优化投影正弦曲线的再现性。

图5 光学设计优化保持投影正弦曲线的再现性，以使用相移法提供高精度 系统设计的一个主要问题是DMD器件在每个微镜之间有一个间隙（见图6右图）这对正弦波再现性也有很大的影响（见图6左图）因为镜子的缝隙不能反射光，因此每个镜子之间会出现亮度下降，并且输出变得比理想情况更暗。

图6 因为DMD器件中每个微镜（右图）之间的间隙不能反射光，因此亮度的下降会导致输出比理想情况更暗对于高精度3D测量，高分辨率相机必须使用高密度图案俯仰波（左图）然而，如果相机分辨率太高，间隙影响会变得更大。

对于高精度3D测量，高分辨率相机必须使用高密度图案的俯仰波然而，如果相机分辨率太高，间隙影响会变得更大通过优化光学系统，Moritex公司已经能够成功地在其解决方案中减小DMD间隙的影响3D测量图7a显示了使用Moritex的主动模式投影仪和双远心镜头，实现的相移法3D测量解决方案的一个例子。

试验样品是由3D打印机制造的，并漆成白色，样品具有四个物理台阶，每个台阶的高度为200μm（见图7c）图7b显示了测试样本上的投影正弦图案

图7 （a）Moritex系统解决方案（FOV 32mm）设置包括WXGA DMD投影仪、400万像素1英寸USB3.0相机和0.34x双远心镜头MTL-5518c（c）测试样品用3D打印机制成，并漆成白色。

每个台阶高度增加200μm，台阶XY维度的尺寸为25mm×9mm（b）基于相移法的样本上的投影正弦图案在仔细校准系统后，3D测量测试结果显示在图8中该系统能够在200mm×32mm的视场中测量200μm的高度差。

重复测试，Moritex发现，标准偏差为2~5μm，测量时间约为1~2s，数据点数量为2048×2048。该方案表明，以高分辨率、高速度和高精度测量宽视场目标是可行的。

图8 3D模型数据中的3D测量结果（左图）、基于高度的2D彩色图（右上图）和基于2D轮廓图上的红色交叉线的2D轮廓图（右下图）。

图9 左图是5mm高平板的3D测量数据左上方是投影仪产生的3D高度图数据，用特殊光学元件减小了DMD的间隙影响左下方是投影仪产生的带有DMD间隙影响的3D高度图数据右侧为2D线轮廓图，比较了减小DMD间隙影响和未减少时的效果。

如果有投影中有DMD微镜间隙影响，测量3D数据结果将有一些“波动”（artifacts）（见图9）图9中的数据是平板的高度测量平板的高度设置是5mm，而使用减小DMD微镜间隙影响设计的投影仪，在2D区域内5mm物体上的标准高度偏差仅为3μm。

相比之下，使用有DMD微镜间隙影响设计的投影仪，在2D区域内5mm物体上的标准高度偏差为9μm，是减小DMD微镜间隙影响设计的3倍另外，即使实际的样品只是一个平板，在3D数据的波面上仍存在“波动”，这是由DMD间隙影响引起的。

在这种情况下，使用Moritex的投影仪可以降低DMD间隙影响，实现高精度3D测量(文章来源于网络，如有侵权，请联系删文)

版权声明：本文内容由网络用户投稿，版权归原作者所有，本站不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如果您发现本站中有涉嫌抄袭或描述失实的内容，请联系我们jiasou666@gmail.com 处理，核实后本网站将在24小时内删除侵权内容。