用于自動化制造業的光投影技術

　　增材制造，又稱3D打印，和3D機器視覺都是令人極為振奮的新技術，當我們將這兩者結合起來使用時，它們有潛力創建一些全新的高效生產模式，這其中，尤其讓人感興趣的是“自動化生產”的概念——一個“一站式”的機械加工車間，該車間可在無需人工監督的情況下用3D打印技術來打造零件，并用機器視覺技術來測量和測試該零件。

　　德州儀器（TI）的DLP?技術及其核心的數字微鏡器件（DMD）可提供實現這一切的關鍵要素。DLP技術是誕生于1996年的用于投影顯示的光學技術，現在已得到廣泛應用。當被應用于3D打印和機器視覺中的問題時，DLP技術可提供高分辨率的成像、加快生產速度并降低制造成本，這有助于讓自動化生產的愿景成為現實。正因如此，它才成為了用老技術解決新問題的經典范例。

　　采用DLP技術的3D打印

　　光固化（SLA）是一種常見的3D打印過程，與傳統的打印較為相似。就像調色劑沉積在紙張上一樣，3D打印機可在一系列2D截面中沉積材料層，這樣一層一層疊加起來，就能產生3D物體。在采用SLA技術的情況下，材料是一種可用紫外線（UV）光源進行固化的樹脂。當該樹脂固化時，其單體能交聯以創建一個聚合物鏈 —— 該聚合物鏈可產生固體材料。

　　當SLA技術與DLP技術結合時，DMD會由UV光源點亮。然后DMD的像素被分別處理，圖像被投影到樹脂層，從而產生一系列截面，這些截面可組成3D物體。采用DLP技術能夠帶來多種優勢，比如能用光學技術使來自DMD的各個像素成像，而不是讓光源直接在樹脂上成像，這樣可優化分辨率和特征尺寸。【圖像1】

　　和能產生100微米體素（3D像素）、基于激光的傳統SLA機相比，基于DLP技術的SLA機可實現30微米的體素。體素越小，轉化成的物體越平滑，這意味著完成物體創建所需的后期制作處理工作就越少。此外，因為整個構造層的成像和創建是同時完成——而不是一次一個體素、逐層完成的，所以這些機器完成較大打印品的速度比傳統的SLA機快。

　　DLP技術測量和測試

　　物體被打印后，自動生產線上的下一個步驟是實現具有3D視覺功能的機器，該機器可對物體進行自動測量和測試。在這個過程中也可以應用DLP技術。

　　傳統的機器視覺系統采用接觸式坐標測量法或使用單個攝像頭的非接觸式2D檢測與測量法來掃描物體。DLP輔助的3D機器視覺系統則可采用單行掃描的變異法 —— 結構光方法。【圖像2】在這里，數字光圖案被投影到一個物體上。接著，這些光圖案通過攝像頭傳感器成像——該傳感器可借助已知的光源角度對數據進行三角測量，以提取3D信息。

　　被投影的圖案通常是黑色和白色條紋，它們由DMD將相應的像素列開啟和關閉而產生。我們用投影透鏡讓來自DMD的光在被測量的物體上成像。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產生高分辨率圖案。

　　與傳統的單行掃描法和接觸式坐標測量法相比，DLP輔助的結構光方法有著高分辨率，并且有高達32kHz的可編程圖案速率，因此能產生高精度的3D實時數據。此外，DMD還可在系統設計中提供靈活性 —— 波長選擇范圍很廣，可從365納米到2，500納米。

　　對提高產品質量和降低制造成本的需求正在一系列領域——包括安全、醫療、環境和科學領域——變得越來越強勁。利用TI的DLP技術，工程師可獲得一種途徑來滿足這些需求，并能設想一個理想的制造工廠，其中自動機器人可制造和測試產品。

　　Alex Lyubarsky是德州儀器的一名光學設計工程師。

　　【圖像1】