3D相移模式投影系統與高分辨率、遠心鏡頭和大畫幅相機相結合,實現高精度3D測量。
非接觸式3D測量可以通過各種技術實現,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;(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(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鍵硬件組件的進步,如高分辨率高速面陣相機的發展,以及在成像系統中使用LCOS(硅上液晶)和DMD(數字微鏡器件)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相結合,實現快速主動模式投影。該系統可以投射編程到LCOS或DMD器件上的任何圖像,并能很容易地使用觸發信號同步LED和相機,允許為各種應用實現更廣泛的模式。
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。模式的靈活性能夠實現各種樣本的測量。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合,可以同時獲得高質量2D圖像以及不同模式的投影圖像(見圖1-3)。從這些高質量圖像中,可以很容易地分析2D和3D尺寸數據,以確認需要驗證的零件尺寸、表面質量和其他重要特性。
自動光學檢測(AOI)提高了印制電路板(PCB)生產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,以及更嚴格的質量要求,3D檢測已經成為高端PCB制造商(如那些為消費類電子產品和汽車市場提供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,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照明技術設計、整合并制造一個投影系統時,這樣的解決方案便成為可能(見圖3)。
圖3:2-1:圖案投影系統將高分辨率遠心鏡頭和大畫幅相機結合在一起。
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LED輸出最大化,并與DMD或LCOS器件相耦合。最后,對光路進行優化后,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參數。
記住,最大亮度對于提高測量速度至關重要。投影圖案的分辨率和對比度,對于在整個測量區域內實現高精度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以滿足特定目的的專業水平至關重要。與此同時,還要考慮供應商在“將這些子系統集成到一個完整的全合一解決方案中、以滿足具有挑戰性的應用需求”方面的經驗。
最后,確保供應商擁有使用Scheimpflug原理的經驗,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)。通過鏡頭設計技術方面的專業知識,有可能優化投影正弦曲線的再現性。
圖5:光學設計優化保持投影正弦曲線的再現性,以使用相移法提供高精度。
系統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。通過優化光學系統,Moritex公司已經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。
在仔細校準系統后,3D測量測試結果顯示在圖8中。該系統能夠在200mm×32mm的視場中測量200μm的高度差。
重復測試,Moritex發現,標準偏差為2~5μm,測量時間約為1~2s,數據點數量為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模型數據中的3D測量結果(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測量數據。左上方是投影儀產生的3D高度圖數據,用特殊光學元件減小了DMD的間隙影響。左下方是投影儀產生的帶有DMD間隙影響的3D高度圖數據。右側為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數據結果將有一些“波動”(artifacts)(見圖9)。圖9中的數據是平板的高度測量。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區域內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區域內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數據的波面上仍存在“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,實現高精度3D測量
審核編輯:郭婷
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原文標題:3D測量| 主動模式投影提高AOI三維測量精度
文章出處:【微信號:vision263com,微信公眾號:新機器視覺】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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