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汉振分享 | 工业4.0的眼睛——基于DLP技术的3D相机精度分析
日期:2019年07月18日


结构上,基于DLP技术的3D相机可拆分为DLP工业投影和工业相机,其中DLP投影光学系统主要由光电器件、照明系统、成像系统3部分组成。


LED:高亮度的LED可以增加正弦波的幅值,进一步拉高对比度最大值、最小值之间的范围,应用在吸光较强烈的零件表面时,整机系统效果会有提升。


DMD:芯片的分辨率直接关系到投影画面的成像效果,根据需求不同可以选用0.45”的720P芯片或0.47”的1080P芯片。两种芯片区别是:

0.45”的芯片微镜阵列菱形排布,在表达时会使画面纵向压缩、横向拉伸,不可避免的有一定像素损失,但是成本低,光学设计难度小。

0.47” 的芯片微镜阵列方形排布,投影像素物像关系一一对应,不仅分辨率提升,成像精度也有较大提升,但是相应的价格较高,光学设计较复杂。


照明光路包括:准直元件、匀光元件、中继镜片、RTIR棱。准直、中继系统保证了LED光能量的利用率,减小由于LED朗伯体发光形式造成的大角度光能浪费,也就间接保证了DLP输出亮度。匀光元件(通常采用FLYEYE)进行光波面整形,改变LED光能量分布情况,使得圆顶形光斑变成了平顶形光斑,匀光系统后的均匀性决定了点云解算结果的均匀性。所以优化FLYEYE匀光设计也可以提升3D相机测算的精度。 


提高精度可采用Telecentric投影镜头,Telecentric镜头各项像差较CCTV镜头小,畸变可小于0.1%,拥有更大的景深范围,但是由于工艺要求更高,良品率低,且由于光路限制,Telecentric镜头的体积一般会偏大,适合用于小视场范围的测量中。


采用高解析度Telecentric投影镜头和成像镜头组合方案,可以大幅提升系统的精度。 


主要从光学器件分析误差来源,从而提升精度,算法原理本文不再赘述。

3D相机的精度主要由两个光学指标控制: 正弦波条纹成像质量、系统杂散光。


DLP用于工业3D扫描通常采用正弦波条纹光,投影不同密集程度的正弦波条纹光到被测物表面,被测物的凹凸形状代表空间深度的不同,投影画面会产生不同程度的形变,条纹被空间信息调制,通过相机采集反射图像,得到被测的点空间分布情况。


这种算法方式类似于光学中的MTF(Modulation Transfer Function)的定义(模量传递函数)。光学图像的光量分布可以看作无数空间频率正弦波分布的线性组合,正弦分布的调制度是其振幅与平均值之比值,用正弦分布的极大与极小来计算:调制度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)。调制度为min的光学影像,经过镜头成像或胶片记录后照相影像的调制度下降为mout。它们的比值为调制度因子M:


3D相机输入图形质量MTF:


在3D结构光测量中,光投影和光捕捉的MTF直接影响了点云计算结果的精度。好的镜头MTF光学优化可以简化算法难度,提升解算结果的准确性。


投影镜头和成像镜头的矫正像差的能力与视场角大小、镜片口径、体积相互制约,合理的光学设计优化会极大提高3D相机的精度。合适的投影和成像镜头的选型就相当于为“工业的眼睛”配备一副合适的“眼镜”。


即使采用理想投影镜头、成像镜头,DLP光机的对比度太低也会影响精度。所以,提升条纹图对比度也是提升精度的一个必备条件。DLP系统对比度下降主要源于杂散光的影响,杂散光分析在光学领域是一大难点,在现实应用中只有一部分杂光能被消除(如系统问题引起的杂光、鬼像等),另一部分杂光只能被减弱(如OFF态光反射、光机内壁漫反射光、环境光散射)。


可以通过加合适的光阑减少DLP系统内部产生的杂散光,或者优化照明成像匹配的数值孔径,从而提升整个系统的对比度。

环境光散射引起的杂散光,可以尝试调整DLP输出亮度,同时减小工业相机光圈的方法,可以显著地提升结构光条纹的对比度(要求LED的光能量足够高)。由于DLP系统抗干扰性较差,很大程度会受到反射面的影响,适合在室内环境使用,或环境光相对较弱的环境中使用。


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