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自动化制造之光投影技术
 

【作者: Alex Lyubarsky】2016年03月22日 星期二

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1996年一项为了投影显示器而问世的光学技术已臻成熟,其将能够扮演结合两者的关键角色。德州仪器的DLP投影技术和其核心的数位微型反射镜元件(DMD)应用在3D列印和机器视觉上,可提供高解析度影像、加快制造速度及降低成本,让「自造」愿景成真。如此一来,运用旧技术解决新问题的经典案例将再添一笔。


DLP技术实现3D列印

3D列印技术常见的光固化成形法(Stereolit​​hography, SLA)与传统列印方式相似。如同墨粉喷在纸上,3D列印机将一片片的2D剖面材料层层堆叠,最后产出立体的3D物件。光固化成形法利用紫外线(UV)光源将树脂材料固化;当树脂固化时,其单体会相互连结成聚合物链,因而形成固态物质。



图1 : 使用DLP技术的光固化成形法
图1 : 使用DLP技术的光固化成形法

利用3D CAD模型描绘物件,列印机软体将虚拟模型转化为可将物件列印出来的剖面层(Source:德州仪器)


结合DLP技术的光固化成形法,使用紫外线光源照射DMD。 DMD画素经个别处理后,图像就会投射到树脂层,建构出一片片的剖面层,堆叠起来就成了3D物体。使用DLP技术的好处在于,光源不会直接在树脂上成像,而是透过光学原理让每一个DMD画素成像,进而提高解析度和特征精细度。


与传统雷射光SLA列印机可产出100μm(微米)的立体画素相比,采用DLP技术的SLA列印机的立体画素可小至30μm。立体画素越小代表物体越光滑,成品所需的后制加工处理越少。此外,采用DLP技术的机器列印大型物件时比传统SLA列印机更快速,因为整个物件可同时成像和建构,而非一次一个立体画素,且得一层一层进行。


DLP技术的量测

完成物件列印之后,自动化生产线的下一步是利用具备3D视觉的机器自动量测物件。此时,DLP技术将能够再次派上用场。


传统的机器视觉系统有两种方式:利用接触式协调量测方法扫瞄物件,或是使用单一摄影机进行非接触式2D侦测和测量。采用DLP技术的3D机器视觉是利用一种变异的单线扫瞄,称之为结构光法。 (图2)如图所示,先将数位光图形 (digital light pattern) 投射在物件上,再利用摄影感测器从已知的位置角度拍摄光图形,以三角量测的方法取得3D数据。



图2 : 利用DLP技术的结构光进行扫描,建构物件的表面积、体积、细部特征等3D数据。 (So​​urce:德州仪器)
图2 : 利用DLP技术的结构光进行扫描,建构物件的表面积、体积、细部特征等3D数据。 (So​​urce:德州仪器)

投射的光图形通常是黑白相间的光条,由DMD相对应的画素列开关所形成。利用投影镜头, DMD发出的光被投射到受测物上。由于一个DMD画素只有5.4μm,使用较小的DMD面板也能产生高解析度的图形。


与传统单线扫瞄和接触式座标量测相比,DLP结构光法拥有高解析度效能、快速、且高达32kHz的可程式化图形率,因此可即时产出高精确的3D数据。此外,DMD提供广泛的365-2,500奈米波长,让系统设计更具弹性。



图3 : 采用DLP技术的3D机器视觉
图3 : 采用DLP技术的3D机器视觉

DLP技术透过单一或多台摄影机采集3D图像,实现3D机器视觉。该系统使用DMD作为空间光调解器和DMD控制器,以提供微反射镜的高速控制。 (Source:德州仪器)


包括安全、医疗、环境、科学等各行业领域,对提升产品品质和降低制造成本的需求日益殷切。善用德州仪器DLP技术,工程师不但可满足上述需求,还可实现想像中利用自造机器制造和测试产品的理想工厂。


(本文作者Alex Lubarsky任职于美国德州仪器光学设计工程师)


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