自動(dòng)化制造業(yè)的光投影技術(shù)

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自動(dòng)化制造業(yè)的光投影技術(shù)

增材制造，又稱3D打印，和3D機(jī)器視覺(jué)都是令人極為振奮的新技術(shù)，當(dāng)我們將這兩者結(jié)合起來(lái)使用時(shí)，它們有潛力創(chuàng)建一些全新的高效生產(chǎn)模式，這其中，尤其讓人感興趣的是“自動(dòng)化生產(chǎn)”的概念——一個(gè)“一站式”的機(jī)械加工車間，該車間可在無(wú)需人工監(jiān)督的情況下用3D打印技術(shù)來(lái)打造零件，并用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)測(cè)量和測(cè)試該零件。

德州儀器（TI）的DLP？技術(shù)及其核心的數(shù)字微鏡器件（DMD）可提供實(shí)現(xiàn)這一切的關(guān)鍵要素。DLP技術(shù)是誕生于1996年的用于投影顯示的光學(xué)技術(shù)，現(xiàn)在已得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)被應(yīng)用于3D打印和機(jī)器視覺(jué)中的問(wèn)題時(shí)，DLP技術(shù)可提供高分辨率的成像、加快生產(chǎn)速度并降低制造成本，這有助于讓自動(dòng)化生產(chǎn)的愿景成為現(xiàn)實(shí)。正因如此，它才成為了用老技術(shù)解決新問(wèn)題的經(jīng)典范例。

采用DLP技術(shù)的3D打印

光固化（SLA）是一種常見(jiàn)的3D打印過(guò)程，與傳統(tǒng)的打印較為相似。就像調(diào)色劑沉積在紙張上一樣，3D打印機(jī)可在一系列2D截面中沉積材料層，這樣一層一層疊加起來(lái)，就能產(chǎn)生3D物體。在采用SLA技術(shù)的情況下，材料是一種可用紫外線（UV）光源進(jìn)行固化的樹(shù)脂。當(dāng)該樹(shù)脂固化時(shí)，其單體能交聯(lián)以創(chuàng)建一個(gè)聚合物鏈 —— 該聚合物鏈可產(chǎn)生固體材料。

當(dāng)SLA技術(shù)與DLP技術(shù)結(jié)合時(shí)，DMD會(huì)由UV光源點(diǎn)亮。然后DMD的像素被分別處理，圖像被投影到樹(shù)脂層，從而產(chǎn)生一系列截面，這些截面可組成3D物體。采用DLP技術(shù)能夠帶來(lái)多種優(yōu)勢(shì)，比如能用光學(xué)技術(shù)使來(lái)自DMD的各個(gè)像素成像，而不是讓光源直接在樹(shù)脂上成像，這樣可優(yōu)化分辨率和特征尺寸。

采用DLP技術(shù)的光固化：物體通過(guò)3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型得到詳細(xì)的說(shuō)明。打印機(jī)軟件可將虛擬模型轉(zhuǎn)化成一系列表層以適應(yīng)該物體的打印。（由德州儀器（TI）提供）

和能產(chǎn)生100微米體素（3D像素）、基于激光的傳統(tǒng)SLA機(jī)相比，基于DLP技術(shù)的SLA機(jī)可實(shí)現(xiàn)30微米的體素。體素越小，轉(zhuǎn)化成的物體越平滑，這意味著完成物體創(chuàng)建所需的后期制作處理工作就越少。此外，因?yàn)檎麄€(gè)構(gòu)造層的成像和創(chuàng)建是同時(shí)完成——而不是一次一個(gè)體素、逐層完成的，所以這些機(jī)器完成較大打印品的速度比傳統(tǒng)的SLA機(jī)快。

DLP技術(shù)測(cè)量和測(cè)試

物體被打印后，自動(dòng)生產(chǎn)線上的下一個(gè)步驟是實(shí)現(xiàn)具有3D視覺(jué)功能的機(jī)器，該機(jī)器可對(duì)物體進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和測(cè)試。在這個(gè)過(guò)程中也可以應(yīng)用DLP技術(shù)。

傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采用接觸式坐標(biāo)測(cè)量法或使用單個(gè)攝像頭的非接觸式2D檢測(cè)與測(cè)量法來(lái)掃描物體。DLP輔助的3D機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)則可采用單行掃描的變異法 —— 結(jié)構(gòu)光方法。在這里，數(shù)字光圖案被投影到一個(gè)物體上。接著，這些光圖案通過(guò)攝像頭傳感器成像——該傳感器可借助已知的光源角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三角測(cè)量，以提取3D信息。

上圖是通過(guò)采用DLP技術(shù)的結(jié)構(gòu)光掃描法，就能提取任何物體的表面面積、體積和特征尺寸等維度值。（由德州儀器（TI）提供）

被投影的圖案通常是黑色和白色條紋，它們由DMD將相應(yīng)的像素列開(kāi)啟和關(guān)閉而產(chǎn)生。我們用投影透鏡讓來(lái)自DMD的光在被測(cè)量的物體上成像。由于DMD像素的尺寸可能僅為5.4微米，故我們可用較小的面板來(lái)產(chǎn)生高分辨率圖案。

DLP輔助的3D機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)：通過(guò)提供單個(gè)或多個(gè)攝像頭的3D圖像采集功能，DLP技術(shù)可實(shí)現(xiàn)3D機(jī)器視覺(jué)。該系統(tǒng)能將一個(gè)DMD用作空間光調(diào)制器，并用一個(gè)DMD控制器來(lái)提供對(duì)微鏡的高速控制功能。（由德州儀器（TI）提供）

與傳統(tǒng)的單行掃描法和接觸式坐標(biāo)測(cè)量法相比，DLP輔助的結(jié)構(gòu)光方法有著高分辨率，并且有高達(dá)32kHz的可編程圖案速率，因此能產(chǎn)生高精度的3D實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。此外，DMD還可在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供靈活性 —— 波長(zhǎng)選擇范圍很廣，可從365納米到2，500納米。

對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低制造成本的需求正在一系列領(lǐng)域——包括安全、醫(yī)療、環(huán)境和科學(xué)領(lǐng)域——變得越來(lái)越強(qiáng)勁。利用TI的DLP技術(shù)，工程師可獲得一種途徑來(lái)滿足這些需求，并能設(shè)想一個(gè)理想的制造工廠，其中自動(dòng)機(jī)器人可制造和測(cè)試產(chǎn)品。

Alex Lyubarsky是德州儀器的一名光學(xué)設(shè)計(jì)工程師。