走進漢振
INTO HANCHINE
漢振分享 | 工業4.0的眼睛——基于DLP技術的3D相機精度分析
日期:2019年07月18日


結構上,基于DLP技術的3D相機可拆分為DLP工業投影和工業相機,其中DLP投影光學系統主要由光電器件、照明系統、成像系統3部分組成。


LED:高亮度的LED可以增加正弦波的幅值,進一步拉高對比度最大值、最小值之間的范圍,應用在吸光較強烈的零件表面時,整機系統效果會有提升。


DMD:芯片的分辨率直接關系到投影畫面的成像效果,根據需求不同可以選用0.45”的720P芯片或0.47”的1080P芯片。兩種芯片區別是:

0.45”的芯片微鏡陣列菱形排布,在表達時會使畫面縱向壓縮、橫向拉伸,不可避免的有一定像素損失,但是成本低,光學設計難度小。

0.47” 的芯片微鏡陣列方形排布,投影像素物像關系一一對應,不僅分辨率提升,成像精度也有較大提升,但是相應的價格較高,光學設計較復雜。


照明光路包括:準直元件、勻光元件、中繼鏡片、RTIR棱。準直、中繼系統保證了LED光能量的利用率,減小由于LED朗伯體發光形式造成的大角度光能浪費,也就間接保證了DLP輸出亮度。勻光元件(通常采用FLYEYE)進行光波面整形,改變LED光能量分布情況,使得圓頂形光斑變成了平頂形光斑,勻光系統后的均勻性決定了點云解算結果的均勻性。所以優化FLYEYE勻光設計也可以提升3D相機測算的精度。 


提高精度可采用Telecentric投影鏡頭,Telecentric鏡頭各項像差較CCTV鏡頭小,畸變可小于0.1%,擁有更大的景深范圍,但是由于工藝要求更高,良品率低,且由于光路限制,Telecentric鏡頭的體積一般會偏大,適合用于小視場范圍的測量中。


采用高解析度Telecentric投影鏡頭和成像鏡頭組合方案,可以大幅提升系統的精度。 


主要從光學器件分析誤差來源,從而提升精度,算法原理本文不再贅述。

3D相機的精度主要由兩個光學指標控制: 正弦波條紋成像質量、系統雜散光。


DLP用于工業3D掃描通常采用正弦波條紋光,投影不同密集程度的正弦波條紋光到被測物表面,被測物的凹凸形狀代表空間深度的不同,投影畫面會產生不同程度的形變,條紋被空間信息調制,通過相機采集反射圖像,得到被測的點空間分布情況。


這種算法方式類似于光學中的MTF(Modulation Transfer Function)的定義(模量傳遞函數)。光學圖像的光量分布可以看作無數空間頻率正弦波分布的線性組合,正弦分布的調制度是其振幅與平均值之比值,用正弦分布的極大與極小來計算:調制度m= (照度的最大值-照度的最小值) ÷ (照度的最大值+照度的最小值)。調制度為min的光學影像,經過鏡頭成像或膠片記錄后照相影像的調制度下降為mout。它們的比值為調制度因子M:


3D相機輸入圖形質量MTF:


在3D結構光測量中,光投影和光捕捉的MTF直接影響了點云計算結果的精度。好的鏡頭MTF光學優化可以簡化算法難度,提升解算結果的準確性。


投影鏡頭和成像鏡頭的矯正像差的能力與視場角大小、鏡片口徑、體積相互制約,合理的光學設計優化會極大提高3D相機的精度。合適的投影和成像鏡頭的選型就相當于為“工業的眼睛”配備一副合適的“眼鏡”。


即使采用理想投影鏡頭、成像鏡頭,DLP光機的對比度太低也會影響精度。所以,提升條紋圖對比度也是提升精度的一個必備條件。DLP系統對比度下降主要源于雜散光的影響,雜散光分析在光學領域是一大難點,在現實應用中只有一部分雜光能被消除(如系統問題引起的雜光、鬼像等),另一部分雜光只能被減弱(如OFF態光反射、光機內壁漫反射光、環境光散射)。


可以通過加合適的光闌減少DLP系統內部產生的雜散光,或者優化照明成像匹配的數值孔徑,從而提升整個系統的對比度。

環境光散射引起的雜散光,可以嘗試調整DLP輸出亮度,同時減小工業相機光圈的方法,可以顯著地提升結構光條紋的對比度(要求LED的光能量足夠高)。由于DLP系統抗干擾性較差,很大程度會受到反射面的影響,適合在室內環境使用,或環境光相對較弱的環境中使用。


3d试机号开奖号对应数据统计