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。
圖 1.坐標(biāo)測量機(jī)探頭示例
圖 2.利用結(jié)構(gòu)光進(jìn)行光學(xué)3D掃描
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（圖1）,。后來出現(xiàn)了用于3D掃描的光學(xué)方法，如：結(jié)構(gòu)光（圖2）,。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?？焖偕踔翆崟r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（圖3）。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,，最大限度地提高質(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),。
圖 3.PCB 3D SPI示例
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（圖4）,。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,。
圖 4.牙科口內(nèi)掃描儀
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,。
圖 5.帶有3D掃描儀的機(jī)器人手臂
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（圖5）。利用這些機(jī)器人解決方案可以極大地提高汽車（圖6）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,。
圖 6.3D結(jié)構(gòu)光掃描在汽車定位檢測中的應(yīng)用
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（圖7）。
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,。
圖 7.臺式專業(yè)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(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（圖8）,。
圖 8.基于3D掃描的指紋繪制
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。這有助于確保將最佳圖像應(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最準(zhǔn)確的3D信息,。可以控制圖像的持續(xù)時間和亮度,，確保物體反射的最佳光量,，并使相機(jī)的動態(tài)范圍最大化。
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（圖9）。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,。
圖 9.光譜
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
l分辨率 — 在撰寫這本刊物時,，DMD的分辨率范圍就達(dá)到了0.2至410萬像素（MP）。在需要較大掃描區(qū)域或者光照強(qiáng)度較強(qiáng)的環(huán)境中時,，傾向于使用較大的1-MP,2-MP或4-MP DMD,。例如，汽車3D檢測在組裝和對準(zhǔn)處理步驟時需要在明亮的工廠地板上的進(jìn)行大區(qū)域掃描,。小于1-MP的DMD傾向于放置在比較便攜和低功耗的小型手持或臺式設(shè)備中,。
l電源 — 最小的芯片組功耗低于200mW，非常適合便攜式或電池供電系統(tǒng),。例如,，口腔內(nèi)掃描儀就是充分利用小型DMD的外形因素以及它具有適用于電池供電的低功耗特性的優(yōu)勢。
l波長— 用戶可以根據(jù)物體的反射特性在基于DLP技術(shù)的系統(tǒng)中調(diào)整顏色和照明強(qiáng)度,。因為DMD可以與各種光源組合,，包括燈，發(fā)光二極管（LED）和激光器,。DMD針對紫外（363-420nm）,，可見光（400-700nm）和近紅外（700-2,500nm）進(jìn)行了優(yōu)化。對于生物識別3D掃描解決方案,，近紅外波長因其不具有侵入性的特征而廣受青睞,。紫外線有時是優(yōu)化金屬反射特性的最佳選擇。LED光學(xué)激光器是針對白光圖像的節(jié)能單色解決方案,。
控制器特性
l預(yù)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(yù)存儲的結(jié)構(gòu)光圖像，而無需外部視頻處理器來傳輸圖像,。
圖 10.1D圖像示例
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（如,，參見圖10）。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（例如，參見圖11）,，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。
圖 11.2D圖像示例
l圖像精度和速度— DLP控制器設(shè)計用于顯示適合機(jī)器視覺或數(shù)字曝光的圖案,，并支持可變高速圖案顯示速率,，每秒高達(dá)32000個圖案，且具有相機(jī)同步功能,。這些圖像速率對于高精度和高速3D掃描系統(tǒng)是至關(guān)重要的,。
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
最佳波長
控制器
最大圖像速率
?。ǘM(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。
相關(guān)網(wǎng)站
l了解更多關(guān)于DLP技術(shù)的信息,。
l利用評估模塊（EVM）來評估DLP技術(shù)在3D掃描中的應(yīng)用：
oDLP LightCrafter 4500 評估模塊
oDLP LightCrafter 6500 評估模塊
oDLP LightCrafter 9000 評估模塊
oDLP Discovery 4100 開發(fā)套件
l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：
oDLP4500：面向 3D 機(jī)器視覺應(yīng)用并采用 DLP 技術(shù)的精確點云生成
oDLP6500：采用DLP技術(shù)的工廠自動化用高分辨率3D掃描儀
l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：
oPico芯片組 - 購買光學(xué)引擎
o先進(jìn)光控制 - 光學(xué)和電子,。
l聯(lián)系設(shè)計公司獲取專屬解決方案：
oPico芯片組
o設(shè)計服務(wù)提供商
l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,。
有關(guān)TI設(shè)計信息和資源的重要通知
德州儀器（TI）的技術(shù)、應(yīng)用或其他設(shè)計建議,、服務(wù)或信息,，包括但不限于參考設(shè)計和與評估模塊相關(guān)的材料（統(tǒng)稱“TI資源”）旨在幫助設(shè)計人員開發(fā)包含TI產(chǎn)品的應(yīng)用程序;無論您以何種方式下載、訪問或使用任何特定的TI資源,，您（個人或者是代表公司）需要同意僅以此目的使用它并遵守本條款,。
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因您不遵守本通知的條款和規(guī)定而導(dǎo)致的任何損害,、費用,、損失和/或責(zé)任，您必須同意全部賠償TI,。
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