【光电智造】3D测量| 主动模式投影提高AOI三维测量精度

来源:今日光电发布时间:2022-12-19888浏览

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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