3D掃描應用更勝2D
簡易的二維(2D)檢測系統已經問世多年，其應用技術通常是照亮物件並拍照，然後將拍攝的圖像與已知的「黃金」2D參考基準進行比較。3D掃描增加了結合體積訊息的功能。導入Z維數據可以測量物件的體積、平整度或粗糙度。對於印刷電路板(PCB)、錫膏(Solder Paste)、機械零件檢測等產業而言，測量上述增加的幾何結構特性是至關重要的，而這也是2D檢測系統所無法達到的。此外，3D掃描還可應用於醫療、牙科和助聽器等。
三次元量床(CMM)是最早用來收集3D訊息的工業解決方案之一。探針物理性地接觸物件表面，並結合每個點的位置數據來建構3D表面模型(圖1)。接著，光學方法的出現，如：結構光(圖2)。結構光是將一組圖案投射到物件上並用相機或感測器捕捉圖案失真的過程。接著，使用三角剖分演算法計算數據並輸出成3D點雲，而成為用於測量、檢測、偵測、建模或機器視覺系統中所需要計算的各種數據。光學3D掃描之所以會受到青睞，在於不須接觸被測物件，並且可以快速且即時地獲取數據。
DLP技術快速生成光圖像
對於光學3D掃描設備而言，DLP技術通常在系統中用作結構光的光源。DLP晶片是一種高反射的鋁微型鏡陣列，稱為數位微型反射鏡元件(DMD)。
當DMD與照明光源和光學元件相結合時，這一種微機電系統(MEMS)便可以為各種投影系統和空間光調變系統提供動力。
由於DMD是一種靈活、快速、且可高度編程的圖形產生器，設計人員經常將DLP技術用於結構光的應用。與具有固定圖形集的雷射掃描機或繞射光學元件(DOEs)不同，它可以將不同位深的多種圖形編程至一個DMD。採用DLP技術的結構光解決方案非常適合需要達到毫米甚至微米範圍的精密量測，應用也相當多元。
．3D AOI
3D自動光學檢測(AOI)是一種用於生產製造的強大技術，可提供有關零件品質即時、在線、決定性的測量數據。例如，3D量測就非常適合用於錫膏檢查(SPI)，因為它會測量出在零件放置之前沉積的錫膏的實際體積，有助於防止劣質的焊點(圖3)。在PCB的生產製造中，也會在零件放置、回焊、最終檢查和返工(Rework)操作後進行線上3D AOI，大幅提高品質與可靠性。隨著3D檢測功能的日益普及，有幾個新興的工廠檢測點已開始採用3D AOI系統。
．醫療
3D掃描技術在醫療產業中的應用快速的成長。例如，牙科中使用口內掃描儀(IOS)直接採集光學印模(圖4)。在製作假體修復體時，如嵌體(Inlays)、高嵌體(Onlays)、蓋冠(Copings)、牙冠(Crowns)，需要達到微米級的3D圖像精準度。IOS簡化牙醫的臨床操作程序，節省對石膏模型的需求並減輕患者的不適。
另一個快速成長的應用是3D耳道掃描。光學成像系統能夠精確地採集耳朵的3D模型，而毋須再使用矽膠耳模。3D耳道掃描技術未來還可應用於為消費者訂製耳塞、助聽器、及保護聽力的設備。
．工業計量和檢測
許多不同的工業計量和檢測系統已經開始轉向採用3D光學掃描技術。光學3D表面檢測顯微鏡是離線CMM系統的一種替代方案。此類顯微鏡可以測量更多有關高度、粗糙度以及電腦輔助設計(CAD)數據比較的資訊。另外，生產機械加工、鑄模、沖壓製品的工廠也是光學檢測的另一大應用領域。
它們可以更輕鬆和準確地進行X、Y、Z三軸方向的量測，提高品質的保障。市場上也出現了結合內嵌3D視覺系統與機器人手臂的解決方案(圖5)。這些解決方案可大幅地提高汽車(圖6)和其他生產線工廠的速度和品質。在裝配和生產過程中的特定階段，增設3D檢測有助於及早發現品質問題，減少浪費和返工。3D掃描系統甚至可以在電腦數值控制(CNC)設備和3D印表機內運用，即時地對生產過程進行測量。
．Prosumer 3D掃描機
Prosumer 3D掃描機是一可提供專業人士和業餘愛好者以3D數據格式採集實物完整細節特徵的攜帶式工具(圖7)。
採集而來的數據可應用於產品設計、零件工程、3D內容開發或作為3D列印的輸入訊息。例如，線上零售商可以藉由對其產品進行3D掃描，於線上呈現真實、高品質的3D模型(而非2D圖片)。遊戲玩家也可以對自己進行3D掃描並在遊戲中創建自己的角色。
．3D生物辨識和身份驗證3D
3D掃描在生物辨識和身份驗證的應用不斷增加，通常用於安全鎖定或解鎖的裝置、安檢和金融交易。透過3D掃描技術採集的面部、指紋或虹膜特徵，可以使身份驗證更安全且可靠，可大幅減少駭客和其他攻擊的機率(圖8)。
整合DLP技術系統設計優勢多
無論是檢查PCB品質還是製作精密的牙科配件，使用DLP技術的結構光3D掃描設備都具備許多顯而易見的系統優勢。DMD微鏡具有微秒級的快速切換功能以及每秒超過1,000個圖案的8位元相移速率，藉由高速的數據捕捉速率實現對測量非常有幫助的即時3D掃描。高速DLP晶片還具有編程靈活性，可在運行中對圖案進行選擇和重新排列。這有助於確保將最佳圖像應用於特定的物件位置或視野內，同時可獲取最準確的3D訊息用於分析。圖像的持續時間及亮度可被控制，以確保物件反射的最佳光量，並使相機的動態範圍最大化。
DLP技術可與各種光源結合使用，且兼容紫外光(UV)，可見光及近紅外光(NIR)波長(圖9)。這為基於目標物件的反射率所客製的3D掃瞄系統提供了額外的變通性。DLP晶片可與多種光源和相機相結合的靈活性，使得只須創建一個設備便可測量多個物件，這也使得汽車、工業和醫療產業在設計下一代3D掃描設備時，會優先選擇DLP晶片。在使用DLP技術設計解決方案時，系統整合商可透過靈活的圖像控制和新的結構光算法進行創新。
此外，開發商還可以最佳化光學架構，以符合檢驗掃描的關鍵解析度及照明要求。令人振奮的是，設計人員可以利用先進的可編程特性將3D掃描提升到新的水準，從而最佳化在光譜、空間及時間三個領域的性能。
DLP產品組合考量因素多
進階光學控制產品組合提供優於傳統顯示器的DMD和輔助控制器成像功能。值得一提的是，DMD晶片可支援波長範圍在363nm至2,500nm之間，二位元的圖形速率高達32kHz，並且可提供更精準的像素準確度控制。以下是進階光學控制的DLP晶片如何最佳化結構光系統的說明。
．DMD特性
1.解析度：在撰寫本文時，DMD的解析度就已達到了0.2至410萬像素(MP)。在需要較大掃描區域或光照度較強的環境中時，傾向於使用較大的1-MP、2-MP或4-MP DMD。例如，在汽車組裝或配向製程(Alignment Process)中的3D檢測，需要在明亮的工廠地板上進行大範圍的掃描。小於1-MP的DMD則傾向於放置在比較好攜帶及低功耗的小型攜帶式或桌面式設備中。
2.電源：最小的晶片組功耗低於 200mW，非常適合攜帶式或電池供電系統。例如，口內掃描儀就是充分利用小型DMD的外型及適用於電池供電的低功耗特性的優勢。
3.波長：使用者可以根據物件的反射特性在採用DLP技術的系統中調整顏色和照明強度。因為DMD可以與各種光源組合，包括發光二極體(LED)和雷射。DMD最佳化了針對紫外光(363~420nm)，可見光(400~700nm)近紅外光(700~2,500nm)的使用。對於生物辨識3D掃描解決方案而言，近紅外光波長因其不可侵入性的特性而廣受青睞。紫外光有時候是最佳化金屬反射特性的最適選擇。對白光圖像而言，LED光學引擎是一合適的單色解決方案。
．控制器特性
1.預存模式：DLP控制器為可靠、高速的DMD控制提供了方便的介面。他們可支援預先儲存的結構光圖像，因而不須外部的影片處理器來傳輸圖像。
有一些DLP控制器可以使用一維(1D)編碼預先儲存1000多個結構光行列圖像(參見圖10)。1D圖像利用單一行及列，並在整個陣列中不斷重複該行及該列。Prosumer 3D掃描機產品通常使用1D圖像來幫助降低成本並提高掃描速度。更先進的控制器支援多達400個預存的2D全幀模式(圖11)，根據應用或被掃描物件的需要，可以更適應於X和Y。
2.模式精準度和速度：DLP控制器是用來顯示用於機器視覺或數位曝光的圖案，並支援多變的高速圖案顯示速率，每秒高達32,000個圖案，並具有相機同步的功能。這些圖像速率對於高準確度和高速的3D掃描尤其重要。
從簡單到複雜的系統，DLP技術在設計客製化的結構光系統硬體時，可為客戶提供驚人的圖像靈活性。
對於擴展的3D光學量測應用市場而言，使用結構光的3D掃描是一理想技術。
當選擇3D掃描和機器視覺解決方案時，DLP技術絕對是一有力且首要的選項，因為它具有強大的多功能性，能夠以極高的速度定製圖案，並能夠與多個光源和波長配對。這種多功能性還可以推動客戶創新，將3D掃描系統功能推向新的高度。
