基于Scheimpflug原理的高對比度傾斜投影儀

3D相移模式投影系統(tǒng)與高分辨率、遠心鏡頭和大畫幅相機相結(jié)合，實現(xiàn)高精度3D測量。

非接觸式3D測量可以通過各種技術(shù)實現(xiàn)，最常用的方法包括：（1）激光輪廓測量法：用高功率激光器和線陣或面陣傳感器實現(xiàn)；（2）立體相機法：用兩個面陣傳感器和主動模式投影（使用一個面陣相機和一個主動模式投影儀）實現(xiàn)（見圖1）。

在單線激光器/相機組合中，當物體或掃描儀移動時，激光器/相機組合捕獲單一激光線反射；與之不同的是，模式投影方法可以用于在單一無運動掃描中，捕獲一個完整的圖像。這也是主動模式投影在機器視覺市場中越來越流行的原因之一。

主動模式投影越來越流行的另一個原因，在很大程度上得益于關(guān)鍵硬件組件的進步，如高分辨率高速面陣相機的發(fā)展，以及在成像系統(tǒng)中使用LCOS（硅上液晶）和DMD（數(shù)字微鏡器件）等電光器件的可能性。

LCOS和DMD這兩種器件能夠與高功率LED光源和投影透鏡系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)快速主動模式投影。該系統(tǒng)可以投射編程到LCOS或DMD器件上的任何圖像，并能很容易地使用觸發(fā)信號同步LED和相機，允許為各種應用實現(xiàn)更廣泛的模式。

相移法

條紋模式是由幾個相位變化的波型（見圖2）創(chuàng)建的，是測量應用的一種有效的主動模式。相比于激光輪廓測量和立體相機方法，相移法的主要優(yōu)點包括速度快、覆蓋面積大、分辨率高、精度高和可靠的3D測量。模式的靈活性能夠?qū)崿F(xiàn)各種樣本的測量。然而，一個成功的解決方案要求一個可編程的主動模式投影儀，它可以快速改變幾種模式，并將它們與相機采集同步。而且，將模式投影儀與高分辨率遠心鏡頭和大畫幅相機相結(jié)合，可以同時獲得高質(zhì)量2D圖像以及不同模式的投影圖像（見圖1-3）。從這些高質(zhì)量圖像中，可以很容易地分析2D和3D尺寸數(shù)據(jù)，以確認需要驗證的零件尺寸、表面質(zhì)量和其他重要特性。

PCB故障檢測

自動光學檢測（AOI）提高了印制電路板（PCB）生產(chǎn)中故障檢測的準確性和速度。以前，PCB故障檢測通常使用高速2D區(qū)域檢測，因為這種方法易于實施。然而，隨著元器件尺寸的不斷縮小、PCB的復雜性不斷增加，以及更嚴格的質(zhì)量要求，3D檢測已經(jīng)成為高端PCB制造商（如那些為消費類電子產(chǎn)品和汽車市場提供PCB的制造商）的必須之選。

圖1：1-1：激光輪廓測量系統(tǒng)使用線激光器和面陣相機組合。在這種方法中，樣品或激光束必須移動以完成輪廓掃描。1-2：立體相機系統(tǒng)需要將兩臺面陣相機呈不同角度放置，如同人眼一樣。1-3：模式投影系統(tǒng)包括一個投影儀、標準遠心鏡頭和一臺面陣相機。通常，以不同角度放置的多投影儀可以減少投影陰影。

圖2：2-1：波紋投影被用于相移法中。2-2：從相機端看到的相移條紋。2-3：相移圖案的強度分布。

在手機和可穿戴設備等消費電子應用中，終端產(chǎn)品的尺寸正在逐年變小、變薄。由于這些變化需要更小的電氣元件，因此只使用2D檢測方法已經(jīng)很難找到安裝不正確的零件，而且在擁擠的裝配中幾乎不可能描述和測量它們。

在汽車市場，汽車上使用的電氣零件在逐年增加。與此同時，汽車與人身安全密切相關(guān)，所以汽車應用對安全性要求非常高，特別是高壓或高溫電氣零件。

此外，相比于標準的消費電子零件，汽車電氣零件可能體積更大、形狀更復雜。對這些復雜的零件而言，3D檢測必不可少，以確保它們被正確、可靠地安裝。

用于3D測量的投影儀

對于具有主動條紋模式的高速高精度3D測量而言，需要一臺能夠提供高亮度和高對比度的投影儀。當機器視覺供應商能夠使用高性能鏡頭和LED照明技術(shù)設計、整合并制造一個投影系統(tǒng)時，這樣的解決方案便成為可能（見圖3）。

圖3：2-1：圖案投影系統(tǒng)將高分辨率遠心鏡頭和大畫幅相機結(jié)合在一起。

第一步是為圖案的高亮度輸出選擇合適的LED，如輸出功率15~100W的LED。然后，是設計光學元件以實現(xiàn)LED輸出最大化，并與DMD或LCOS器件相耦合。最后，對光路進行優(yōu)化后，設計用于聚焦圖案的投影光學元件，以滿足視場、工作距離、亮度和分辨率等成像系統(tǒng)參數(shù)。

記住，最大亮度對于提高測量速度至關(guān)重要。投影圖案的分辨率和對比度，對于在整個測量區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)高精度3D測量同樣非常重要。

圖4：Scheimpflug原理對于用斜投影保持水平聚焦平面定位非常有用（左圖）。沒有Scheimpflug排布，圖像邊緣的對比度損失（右圖）可能對3D測量精度產(chǎn)生較大影響。

當比較3D相移圖案投影儀供應商的能力時，評估其設計每個子系統(tǒng)以滿足特定目的的專業(yè)水平至關(guān)重要。與此同時，還要考慮供應商在“將這些子系統(tǒng)集成到一個完整的全合一解決方案中、以滿足具有挑戰(zhàn)性的應用需求”方面的經(jīng)驗。

最后，確保供應商擁有使用Scheimpflug原理的經(jīng)驗，因為對很多應用而言，用傾斜投影保持水平聚焦平面定位非常有用（見圖4左圖）。沒有Scheimpflug排布，在圖像邊緣的對比度損失（見圖4右圖）可能對3D測量精度的影響較大。

用于高精度3D測量的強大組合包括（見圖1-3）：

高分辨率物方遠心鏡頭或雙遠心鏡頭

高速、大畫幅相機，像素尺寸與鏡頭匹配

基于Scheimpflug原理的高對比度傾斜投影儀

投影正弦曲線的重現(xiàn)性，對于使用移相法保持高精度也非常重要（見圖5）。通過鏡頭設計技術(shù)方面的專業(yè)知識，有可能優(yōu)化投影正弦曲線的再現(xiàn)性。

圖5：光學設計優(yōu)化保持投影正弦曲線的再現(xiàn)性，以使用相移法提供高精度。

系統(tǒng)設計的一個主要問題是DMD器件在每個微鏡之間有一個間隙（見圖6右圖）。這對正弦波再現(xiàn)性也有很大的影響（見圖6左圖）。因為鏡子的縫隙不能反射光，因此每個鏡子之間會出現(xiàn)亮度下降，并且輸出變得比理想情況更暗。

圖6：因為DMD器件中每個微鏡（右圖）之間的間隙不能反射光，因此亮度的下降會導致輸出比理想情況更暗。對于高精度3D測量，高分辨率相機必須使用高密度圖案俯仰波（左圖）。然而，如果相機分辨率太高，間隙影響會變得更大。

對于高精度3D測量，高分辨率相機必須使用高密度圖案的俯仰波。然而，如果相機分辨率太高，間隙影響會變得更大。通過優(yōu)化光學系統(tǒng)，Moritex公司已經(jīng)能夠成功地在其解決方案中減小DMD間隙的影響。

3D測量

圖7a顯示了使用Moritex的主動模式投影儀和雙遠心鏡頭，實現(xiàn)的相移法3D測量解決方案的一個例子。試驗樣品是由3D打印機制造的，并漆成白色，樣品具有四個物理臺階，每個臺階的高度為200μm（見圖7c）。圖7b顯示了測試樣本上的投影正弦圖案。

圖7：（a）Moritex系統(tǒng)解決方案（FOV 32mm）設置包括WXGA DMD投影儀、400萬像素1英寸USB3.0相機和0.34x雙遠心鏡頭MTL-5518c。（c）測試樣品用3D打印機制成，并漆成白色。每個臺階高度增加200μm，臺階XY維度的尺寸為25mm×9mm。（b）基于相移法的樣本上的投影正弦圖案。

在仔細校準系統(tǒng)后，3D測量測試結(jié)果顯示在圖8中。該系統(tǒng)能夠在200mm×32mm的視場中測量200μm的高度差。

重復測試，Moritex發(fā)現(xiàn)，標準偏差為2~5μm，測量時間約為1~2s，數(shù)據(jù)點數(shù)量為2048×2048。該方案表明，以高分辨率、高速度和高精度測量寬視場目標是可行的。

圖8：3D模型數(shù)據(jù)中的3D測量結(jié)果（左圖）、基于高度的2D彩色圖（右上圖）和基于2D輪廓圖上的紅色交叉線的2D輪廓圖（右下圖）。

圖9：左圖是5mm高平板的3D測量數(shù)據(jù)。左上方是投影儀產(chǎn)生的3D高度圖數(shù)據(jù)，用特殊光學元件減小了DMD的間隙影響。左下方是投影儀產(chǎn)生的帶有DMD間隙影響的3D高度圖數(shù)據(jù)。右側(cè)為2D線輪廓圖，比較了減小DMD間隙影響和未減少時的效果。

如果有投影中有DMD微鏡間隙影響，測量3D數(shù)據(jù)結(jié)果將有一些“波動”（artifacts）（見圖9）。圖9中的數(shù)據(jù)是平板的高度測量。平板的高度設置是5mm，而使用減小DMD微鏡間隙影響設計的投影儀，在2D區(qū)域內(nèi)5mm物體上的標準高度偏差僅為3μm。

相比之下，使用有DMD微鏡間隙影響設計的投影儀，在2D區(qū)域內(nèi)5mm物體上的標準高度偏差為9μm，是減小DMD微鏡間隙影響設計的3倍。另外，即使實際的樣品只是一個平板，在3D數(shù)據(jù)的波面上仍存在“波動”，這是由DMD間隙影響引起的。在這種情況下，使用Moritex的投影儀可以降低DMD間隙影響，實現(xiàn)高精度3D測量

審核編輯：郭婷