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自動化製造之光投影技術
 

【作者: Alex Lyubarsky】   2016年03月22日 星期二

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1996年一項為了投影顯示器而問世的光學技術已臻成熟,其將能夠扮演結合兩者的關鍵角色。德州儀器的DLP投影技術和其核心的數位微型反射鏡元件(DMD)應用在3D列印和機器視覺上,可提供高解析度影像、加快製造速度及降低成本,讓「自造」願景成真。如此一來,運用舊技術解決新問題的經典案例將再添一筆。


DLP技術實現3D列印

3D列印技術常見的光固化成形法(Stereolithography, SLA)與傳統列印方式相似。如同墨粉噴在紙上,3D列印機將一片片的2D剖面材料層層堆疊,最後產出立體的3D物件。光固化成形法利用紫外線(UV)光源將樹脂材料固化;當樹脂固化時,其單體會相互連結成聚合物鏈,因而形成固態物質。



圖1 : 使用DLP技術的光固化成形法
圖1 : 使用DLP技術的光固化成形法

利用3D CAD模型描繪物件,列印機軟體將虛擬模型轉化為可將物件列印出來的剖面層(Source:德州儀器)


結合DLP技術的光固化成形法,使用紫外線光源照射DMD。DMD畫素經個別處理後,圖像就會投射到樹脂層,建構出一片片的剖面層,堆疊起來就成了3D物體。使用DLP技術的好處在於,光源不會直接在樹脂上成像,而是透過光學原理讓每一個DMD畫素成像,進而提高解析度和特徵精細度。


與傳統雷射光SLA列印機可產出100μm(微米)的立體畫素相比,採用DLP技術的SLA列印機的立體畫素可小至30μm。立體畫素越小代表物體越光滑,成品所需的後製加工處理越少。此外,採用DLP技術的機器列印大型物件時比傳統SLA列印機更快速,因為整個物件可同時成像和建構,而非一次一個立體畫素,且得一層一層進行。


DLP技術的量測

完成物件列印之後,自動化生產線的下一步是利用具備3D視覺的機器自動量測物件。此時,DLP技術將能夠再次派上用場。


傳統的機器視覺系統有兩種方式:利用接觸式協調量測方法掃瞄物件,或是使用單一攝影機進行非接觸式2D偵測和測量。採用DLP技術的3D機器視覺是利用一種變異的單線掃瞄,稱之為結構光法。(圖2)如圖所示,先將數位光圖形 (digital light pattern) 投射在物件上,再利用攝影感測器從已知的位置角度拍攝光圖形,以三角量測的方法取得3D數據。



圖2 : 利用DLP技術的結構光進行掃瞄,建構物件的表面積、體積、細部特徵等3D數據。(Source:德州儀器)
圖2 : 利用DLP技術的結構光進行掃瞄,建構物件的表面積、體積、細部特徵等3D數據。(Source:德州儀器)

投射的光圖形通常是黑白相間的光條,由DMD相對應的畫素列開關所形成。利用投影鏡頭, DMD發出的光被投射到受測物上。由於一個DMD畫素只有5.4μm,使用較小的DMD面板也能產生高解析度的圖形。


與傳統單線掃瞄和接觸式座標量測相比,DLP結構光法擁有高解析度效能、快速、且高達32kHz的可程式化圖形率,因此可即時產出高精確的3D數據。此外,DMD提供廣泛的365-2,500奈米波長,讓系統設計更具彈性。



圖3 : 採用DLP技術的3D機器視覺
圖3 : 採用DLP技術的3D機器視覺

DLP技術透過單一或多台攝影機採集3D圖像,實現3D機器視覺。該系統使用DMD作為空間光調解器和DMD控制器,以提供微反射鏡的高速控制。(Source:德州儀器)


包括安全、醫療、環境、科學等各行業領域,對提升產品品質和降低製造成本的需求日益殷切。善用德州儀器DLP技術,工程師不但可滿足上述需求,還可實現想像中利用自造機器製造和測試產品的理想工廠。


(本文作者Alex Lyubarsky任職於美國德州儀器光學設計工程師)


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