主動模式投影提高AOI三維測量精度
3D相移模式投影系統與高解析度、遠心鏡頭和大畫幅相機相結合，實現高精度3D測量。
非接觸式3D測量可以通過各種技術實現，最常用的方法包括：（1）激光輪廓測量法：用高功率激光器和線陣或面陣感測器實現；（2）立體相機法：用兩個面陣感測器和主動模式投影（使用一個面陣相機和一個主動模式投影儀）實現（見圖1）。
在單線激光器/相機組合中，當物體或掃描儀移動時，激光器/相機組合捕獲單一激光線反射；與之不同的是，模式投影方法可以用於在單一無運動掃描中，捕獲一個完整的圖像。這也是主動模式投影在機器視覺市場中越來越流行的原因之一。
主動模式投影越來越流行的另一個原因，在很大程度上得益於關鍵硬體組件的進步，如高解析度高速面陣相機的發展，以及在成像系統中使用LCOS（硅上液晶）和DMD（數字微鏡器件）等電光器件的可能性。
LCOS和DMD這兩種器件能夠與高功率LED光源和投影透鏡系統相結合，實現快速主動模式投影。該系統可以投射編程到LCOS或DMD器件上的任何圖像，並能很容易地使用觸發信號同步LED和相機，允許為各種應用實現更廣泛的模式。
相移法
條紋模式是由幾個相位變化的波型（見圖2）創建的，是測量應用的一種有效的主動模式。相比於激光輪廓測量和立體相機方法，相移法的主要優點包括速度快、覆蓋面積大、解析度高、精度高和可靠的3D測量。模式的靈活性能夠實現各種樣本的測量。然而，一個成功的解決方案要求一個可編程的主動模式投影儀，它可以快速改變幾種模式，並將它們與相機採集同步。而且，將模式投影儀與高解析度遠心鏡頭和大畫幅相機相結合，可以同時獲得高質量2D圖像以及不同模式的投影圖像（見圖1-3）。從這些高質量圖像中，可以很容易地分析2D和3D尺寸數據，以確認需要驗證的零件尺寸、表面質量和其他重要特性。
PCB故障檢測
自動光學檢測（AOI）提高了印製電路板（PCB）生產中故障檢測的準確性和速度。以前，PCB故障檢測通常使用高速2D區域檢測，因為這種方法易於實施。然而，隨著元器件尺寸的不斷縮小、PCB的複雜性不斷增加，以及更嚴格的質量要求，3D檢測已經成為高端PCB製造商（如那些為消費類電子產品和汽車市場提供PCB的製造商）的必須之選。
圖1：1-1：激光輪廓測量系統使用線激光器和面陣相機組合。在這種方法中，樣品或激光束必須移動以完成輪廓掃描。1-2：立體相機系統需要將兩檯面陣相機呈不同角度放置，如同人眼一樣。1-3：模式投影系統包括一個投影儀、標準遠心鏡頭和一檯面陣相機。通常，以不同角度放置的多投影儀可以減少投影陰影。
圖2：2-1：波紋投影被用於相移法中。2-2：從相機端看到的相移條紋。2-3：相移圖案的強度分布。
在手機和可穿戴設備等消費電子應用中，終端產品的尺寸正在逐年變小、變薄。由於這些變化需要更小的電氣元件，因此只使用2D檢測方法已經很難找到安裝不正確的零件，而且在擁擠的裝配中幾乎不可能描述和測量它們。
在汽車市場，汽車上使用的電氣零件在逐年增加。與此同時，汽車與人身安全密切相關，所以汽車應用對安全性要求非常高，特別是高壓或高溫電氣零件。
此外，相比於標準的消費電子零件，汽車電氣零件可能體積更大、形狀更複雜。對這些複雜的零件而言，3D檢測必不可少，以確保它們被正確、可靠地安裝。
用於3D測量的投影儀
對於具有主動條紋模式的高速高精度3D測量而言，需要一台能夠提供高亮度和高對比度的投影儀。當機器視覺供應商能夠使用高性能鏡頭和LED照明技術設計、整合併製造一個投影系統時，這樣的解決方案便成為可能（見圖3）。
圖3：2-1：圖案投影系統將高解析度遠心鏡頭和大畫幅相機結合在一起。
第一步是為圖案的高亮度輸出選擇合適的LED，如輸出功率15~100W的LED。然後，是設計光學元件以實現LED輸出最大化，並與DMD或LCOS器件相耦合。最後，對光路進行優化後，設計用於聚焦圖案的投影光學元件，以滿足視場、工作距離、亮度和解析度等成像系統參數。
記住，最大亮度對於提高測量速度至關重要。投影圖案的解析度和對比度，對於在整個測量區域內實現高精度3D測量同樣非常重要。
圖4：Scheimpflug原理對於用斜投影保持水平聚焦平面定位非常有用（左圖）。沒有Scheimpflug排布，圖像邊緣的對比度損失（右圖）可能對3D測量精度產生較大影響。
當比較3D相移圖案投影儀供應商的能力時，評估其設計每個子系統以滿足特定目的的專業水平至關重要。與此同時，還要考慮供應商在「將這些子系統集成到一個完整的全合一解決方案中、以滿足具有挑戰性的應用需求」方面的經驗。
最後，確保供應商擁有使用Scheimpflug原理的經驗，因為對很多應用而言，用傾斜投影保持水平聚焦平面定位非常有用（見圖4左圖）。沒有Scheimpflug排布，在圖像邊緣的對比度損失（見圖4右圖）可能對3D測量精度的影響較大。
用於高精度3D測量的強大組合包括（見圖1-3）：
高解析度物方遠心鏡頭或雙遠心鏡頭
高速、大畫幅相機，像素尺寸與鏡頭匹配
基於Scheimpflug原理的高對比度傾斜投影儀
投影正弦曲線的重現性，對於使用移相法保持高精度也非常重要（見圖5）。通過鏡頭設計技術方面的專業知識，有可能優化投影正弦曲線的再現性。
圖5：光學設計優化保持投影正弦曲線的再現性，以使用相移法提供高精度。
系統設計的一個主要問題是DMD器件在每個微鏡之間有一個間隙（見圖6右圖）。這對正弦波再現性也有很大的影響（見圖6左圖）。因為鏡子的縫隙不能反射光，因此每個鏡子之間會出現亮度下降，並且輸出變得比理想情況更暗。
圖6：因為DMD器件中每個微鏡（右圖）之間的間隙不能反射光，因此亮度的下降會導致輸出比理想情況更暗。對於高精度3D測量，高解析度相機必須使用高密度圖案俯仰波（左圖）。然而，如果相機解析度太高，間隙影響會變得更大。
對於高精度3D測量，高解析度相機必須使用高密度圖案的俯仰波。然而，如果相機解析度太高，間隙影響會變得更大。通過優化光學系統，Moritex公司已經能夠成功地在其解決方案中減小DMD間隙的影響。
3D測量
圖7a顯示了使用Moritex的主動模式投影儀和雙遠心鏡頭，實現的相移法3D測量解決方案的一個例子。試驗樣品是由3D印表機製造的，並漆成白色，樣品具有四個物理台階，每個台階的高度為200μm（見圖7c）。圖7b顯示了測試樣本上的投影正弦圖案。
圖7：（a）Moritex系統解決方案（FOV 32mm）設置包括WXGA DMD投影儀、400萬像素1英寸USB3.0相機和0.34x雙遠心鏡頭MTL-5518c。（c）測試樣品用3D印表機製成，並漆成白色。每個台階高度增加200μm，台階XY維度的尺寸為25mm×9mm。（b）基於相移法的樣本上的投影正弦圖案。
在仔細校準系統後，3D測量測試結果顯示在圖8中。該系統能夠在200mm×32mm的視場中測量200μm的高度差。
重複測試，Moritex發現，標準偏差為2~5μm，測量時間約為1~2s，數據點數量為2048×2048。該方案表明，以高解析度、高速度和高精度測量寬視場目標是可行的。
圖8：3D模型數據中的3D測量結果（左圖）、基於高度的2D彩色圖（右上圖）和基於2D輪廓圖上的紅色交叉線的2D輪廓圖（右下圖）。
圖9：左圖是5mm高平板的3D測量數據。左上方是投影儀產生的3D高度圖數據，用特殊光學元件減小了DMD的間隙影響。左下方是投影儀產生的帶有DMD間隙影響的3D高度圖數據。右側為2D線輪廓圖，比較了減小DMD間隙影響和未減少時的效果。
如果有投影中有DMD微鏡間隙影響，測量3D數據結果將有一些「波動」（artifacts）（見圖9）。圖9中的數據是平板的高度測量。平板的高度設置是5mm，而使用減小DMD微鏡間隙影響設計的投影儀，在2D區域內5mm物體上的標準高度偏差僅為3μm。
相比之下，使用有DMD微鏡間隙影響設計的投影儀，在2D區域內5mm物體上的標準高度偏差為9μm，是減小DMD微鏡間隙影響設計的3倍。另外，即使實際的樣品只是一個平板，在3D數據的波面上仍存在「波動」，這是由DMD間隙影響引起的。在這種情況下，使用Moritex的投影儀可以降低DMD間隙影響，實現高精度3D測量
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