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利用3D機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的質(zhì)量保證系統(tǒng)可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)缺陷，同時(shí)測(cè)量零件的所有尺寸，并隨機(jī)定位物品方位等任務(wù)。對(duì)于需要高度、長(zhǎng)度和寬度信息的測(cè)量任務(wù)，3D視覺(jué)比2D視覺(jué)更具優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前雖然存在多種3D成像技術(shù)，但激光三角測(cè)量是用于包裝、裝配和類似應(yīng)用的在線3D質(zhì)量檢測(cè)的快速而經(jīng)濟(jì)的方法。然而，3D激光三角測(cè)量中一直存在著產(chǎn)生激光散斑的干涉圖案，即激光光線中隨機(jī)出現(xiàn)的亮點(diǎn)和暗點(diǎn)。激光散斑是激光三角測(cè)量中測(cè)量誤差產(chǎn)生的主要來(lái)源之一。對(duì)此，研究人員始終在尋求解決方案，以減少甚至消除3D激光三角測(cè)量系統(tǒng)中激光散斑的影響，同時(shí)提高系統(tǒng)速度和空間分辨率。

利用激光

3D激光三角測(cè)量系統(tǒng)由三個(gè)基本要素組成：激光線發(fā)生器、用于捕獲激光線反射的攝像機(jī)和用于處理圖像并提取3D（有時(shí)是2D）數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。當(dāng)今，主流的解決方案是將三個(gè)元素集成到一個(gè)預(yù)先校準(zhǔn)的設(shè)備里，從而簡(jiǎn)化了安裝和操作步驟。

藍(lán)色無(wú)斑點(diǎn)激光和有斑點(diǎn)的紅色激光。無(wú)散斑線的均勻性及其相關(guān)光學(xué)元件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了更高精度，并能抵抗倒置安裝時(shí)所產(chǎn)生的遮擋和阻塞

例如，當(dāng)應(yīng)用這些系統(tǒng)檢查傳送帶上的物品時(shí)，系統(tǒng)的攝像頭會(huì)在物體穿過(guò)激光線平面時(shí)捕獲其一系列輪廓。相機(jī)通過(guò)捕捉激光線投射到物體上并反射回來(lái)的方式，映射出物體的高度。圖像處理軟件將反射光的各個(gè)輪廓組合成3D點(diǎn)云或表面圖。

激光光源特別適合3D掃描儀，因?yàn)樗鼈兊南喔晒馐梢詫?shí)現(xiàn)最細(xì)、最亮和發(fā)散最小的線條。當(dāng)激光以一片薄薄的光發(fā)射放出時(shí)，例如激光輪廓儀的扇形光束，就可以投射到很遠(yuǎn)的距離，其厚度僅相當(dāng)于幾張紙的厚度。這是使激光散斑進(jìn)入相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)。

緩解和權(quán)衡

散斑會(huì)影響所有的3D激光三角測(cè)量系統(tǒng)，工程師們已經(jīng)嘗試用各種方法來(lái)減少它的影響。由于散斑對(duì)比度與波長(zhǎng)成正比，與光圈成反比，使用特定波長(zhǎng)或調(diào)節(jié)相機(jī)光圈可以在一定程度上控制散斑。使用波長(zhǎng)較短的激光器或使用孔徑較大的相機(jī)，可能會(huì)導(dǎo)致平均散斑對(duì)比度降低50%，但峰谷誤差變化不大。如果把散斑激光線比喻成是一條有坑洼的道路，那么僅調(diào)整上述一個(gè)影響因素后，這條道路可能坑坑洼洼的地方會(huì)減少、變淺，但還是會(huì)存在幾個(gè)大的坑洼。

2D高度圖（左）和3D點(diǎn)云（右）。當(dāng)顏色是高度信息的唯一衡量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，高度圖很難確定其頂部和底部的位置。3D點(diǎn)云投影顯示了真實(shí)體積，高的點(diǎn)用淺色高亮顯示，就像真實(shí)場(chǎng)景一樣

另外一種削弱散斑的方法是獲取多幅圖像并將其平均。如果散斑模式因物體通過(guò)光束的運(yùn)動(dòng)或通過(guò)其他方式而發(fā)生了足夠的變化，那么平均多個(gè)圖像會(huì)降低最終圖像的散斑對(duì)比度，其大小為圖像數(shù)量平方根的倒數(shù)。這種技術(shù)產(chǎn)生的圖像自然地平均了空間特征。但該方法涉及大量的時(shí)間和成本，不適用于大多數(shù)檢測(cè)應(yīng)用。

激光全息術(shù)中使用的兩種方法，即通過(guò)移動(dòng)激光或移動(dòng)放置在激光和被照明場(chǎng)景之間的漫射器來(lái)消除散斑。雖然這兩種方法可以減少甚至幾乎消除散斑，但移動(dòng)重物（在這種情況下相當(dāng)于幾克重）會(huì)將相機(jī)集成時(shí)間限制在幾毫秒內(nèi)。當(dāng)許多測(cè)量需要數(shù)十微秒的積分時(shí)間時(shí)，這就有問(wèn)題了。此外，漫射器會(huì)破壞光束質(zhì)量，從而無(wú)法產(chǎn)生薄片光。

照亮前進(jìn)的道路

一種創(chuàng)新的新方法可以使3D激光輪廓系統(tǒng)能夠消除散斑，并產(chǎn)生干凈、筆直和明亮的線條。它使用了一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)反射鏡，以28kHz的頻率來(lái)回掃描450nm的藍(lán)色激光束，使其穿過(guò)特殊的漫射光學(xué)器件。這種微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件可以在一個(gè)完全均勻的扇形中使激光精確地向一個(gè)方向擴(kuò)散，同時(shí)保持與未擴(kuò)散激光束相等的薄片厚度。這種配置提供了單片半導(dǎo)體波束控制解決方案的魯棒性（robustness）。整個(gè)組件在2級(jí)激光人眼安全限制范圍內(nèi)運(yùn)行良好，安裝在骯臟的工業(yè)環(huán)境中也能可靠運(yùn)行。

該系統(tǒng)具有均勻的強(qiáng)度分布和優(yōu)良的線質(zhì)量。得益于漫射器微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和場(chǎng)透鏡的設(shè)計(jì)，場(chǎng)透鏡可以像傳統(tǒng)激光線發(fā)生器一樣高效地集中激光扇區(qū)。漫射器和場(chǎng)透鏡在物體上產(chǎn)生激光線，當(dāng)散射回圖像傳感器時(shí)可以消除所有散斑而不損失光。與試圖通過(guò)使用紫色激光和大光圈相機(jī)減少散斑所不同的是，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從源頭消除了散斑產(chǎn)生的原因，基于3D激光掃描的檢測(cè)系統(tǒng)有效消除了開(kāi)發(fā)過(guò)程中常見(jiàn)的淺坑和深坑。

此外，由于激光線從數(shù)百個(gè)不同的點(diǎn)沿著多部分光學(xué)投射，因此會(huì)產(chǎn)生數(shù)千個(gè)不相關(guān)的散斑圖案，從而消除客觀散斑。這種投影方法還有一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)操作人員的安全。由于激光線從漫射器的寬線光源投射而不是由單個(gè)光點(diǎn)繪制，因此線亮度高，而可能造成安全危險(xiǎn)的光量卻下降了（寬光源每平方毫米的光比由強(qiáng)光點(diǎn)繪制的線少得多）。因此，所使用的激光源的等級(jí)被歸類為2級(jí)，而不是3B級(jí)或3R級(jí)，從而顯著減少了所需的安全設(shè)備數(shù)和成本。

激光從線性漫射器的數(shù)千個(gè)點(diǎn)投射出來(lái)的另一個(gè)好處是，激光窗口上的灰塵和污染物不會(huì)破壞投射線，只會(huì)使投影線輕微變暗，而且不會(huì)對(duì)3D掃描儀的操作產(chǎn)生負(fù)面影響。該設(shè)計(jì)通過(guò)每秒在同一區(qū)域投射成千上萬(wàn)條激光線來(lái)生成激光線。這種方法使系統(tǒng)集成商在倒置安裝3D激光傳感器時(shí)更有信心，因?yàn)樗鼫p少了激光窗口上的空氣污染物沉降，不再擔(dān)憂由此導(dǎo)致的緊急系統(tǒng)失效。

分辨率和速度

與傳統(tǒng)的減少散斑3D激光輪廓解決方案相比，采用多部件光學(xué)設(shè)計(jì)，在檢測(cè)過(guò)程中將激光對(duì)準(zhǔn)零件或產(chǎn)品產(chǎn)生更高的信噪比。這使得系統(tǒng)能夠高速運(yùn)行，單個(gè)幀采集時(shí)間低至36μs。無(wú)散斑激光線也意味著更高的空間分辨率。通過(guò)清晰明亮的激光線和快速的采集速度，可以從同一解決方案生成高分辨率2D灰度和3D體積圖像，顯著擴(kuò)展功能，降低成本。

對(duì)于許多應(yīng)用，如汽車(chē)組裝、包裝和電子行業(yè)，機(jī)器視覺(jué)的2D與3D成像問(wèn)題集中在3D的成本和復(fù)雜性上。然而，在解決許多自動(dòng)化制造挑戰(zhàn)時(shí)，系統(tǒng)集成商和設(shè)計(jì)師可能更喜歡3D高度數(shù)據(jù)而不是2D數(shù)據(jù)。3D激光掃描技術(shù)的進(jìn)步減少了圖像采集和集成時(shí)間，也降低了運(yùn)營(yíng)成本。