利用3D機器視覺技術的質量保證係統可以對產(chan) 品進行檢查，發現缺陷，同時測量零件的所有尺寸，並隨機定位物品方位等任務。對於(yu) 需要高度、長度和寬度信息的測量任務，3D視覺比2D視覺更具優(you) 勢。

當前雖然存在多種3D成像技術，但激光三角測量是用於(yu) 包裝、裝配和類似應用的在線3D質量檢測的快速而經濟的方法。然而，3D激光三角測量中一直存在著產(chan) 生激光散斑的幹涉圖案，即激光光線中隨機出現的亮點和暗點。激光散斑是激光三角測量中測量誤差產(chan) 生的主要來源之一。對此，研究人員始終在尋求解決(jue) 方案，以減少甚至消除3D激光三角測量係統中激光散斑的影響，同時提高係統速度和空間分辨率。

利用激光

3D激光三角測量係統由三個(ge) 基本要素組成：激光線發生器、用於(yu) 捕獲激光線反射的攝像機和用於(yu) 處理圖像並提取3D（有時是2D）數據的計算機。當今，主流的解決(jue) 方案是將三個(ge) 元素集成到一個(ge) 預先校準的設備裏，從(cong) 而簡化了安裝和操作步驟。

藍色無斑點激光和有斑點的紅色激光。無散斑線的均勻性及其相關(guan) 光學元件的設計實現了更高精度，並能抵抗倒置安裝時所產(chan) 生的遮擋和阻塞

例如，當應用這些係統檢查傳(chuan) 送帶上的物品時，係統的攝像頭會(hui) 在物體(ti) 穿過激光線平麵時捕獲其一係列輪廓。相機通過捕捉激光線投射到物體(ti) 上並反射回來的方式，映射出物體(ti) 的高度。圖像處理軟件將反射光的各個(ge) 輪廓組合成3D點雲(yun) 或表麵圖。

激光光源特別適合3D掃描儀(yi) ，因為(wei) 它們(men) 的相幹光束可以實現最細、最亮和發散最小的線條。當激光以一片薄薄的光發射放出時，例如激光輪廓儀(yi) 的扇形光束，就可以投射到很遠的距離，其厚度僅(jin) 相當於(yu) 幾張紙的厚度。這是使激光散斑進入相關(guan) 應用領域的重要發現。

緩解和權衡

散斑會(hui) 影響所有的3D激光三角測量係統，工程師們(men) 已經嚐試用各種方法來減少它的影響。由於(yu) 散斑對比度與(yu) 波長成正比，與(yu) 光圈成反比，使用特定波長或調節相機光圈可以在一定程度上控製散斑。使用波長較短的激光器或使用孔徑較大的相機，可能會(hui) 導致平均散斑對比度降低50%，但峰穀誤差變化不大。如果把散斑激光線比喻成是一條有坑窪的道路，那麽(me) 僅(jin) 調整上述一個(ge) 影響因素後，這條道路可能坑坑窪窪的地方會(hui) 減少、變淺，但還是會(hui) 存在幾個(ge) 大的坑窪。

2D高度圖（左）和3D點雲(yun) （右）。當顏色是高度信息的唯一衡量標準時，高度圖很難確定其頂部和底部的位置。3D點雲(yun) 投影顯示了真實體(ti) 積，高的點用淺色高亮顯示，就像真實場景一樣

另外一種削弱散斑的方法是獲取多幅圖像並將其平均。如果散斑模式因物體(ti) 通過光束的運動或通過其他方式而發生了足夠的變化，那麽(me) 平均多個(ge) 圖像會(hui) 降低最終圖像的散斑對比度，其大小為(wei) 圖像數量平方根的倒數。這種技術產(chan) 生的圖像自然地平均了空間特征。但該方法涉及大量的時間和成本，不適用於(yu) 大多數檢測應用。

激光全息術中使用的兩(liang) 種方法，即通過移動激光或移動放置在激光和被照明場景之間的漫射器來消除散斑。雖然這兩(liang) 種方法可以減少甚至幾乎消除散斑，但移動重物（在這種情況下相當於(yu) 幾克重）會(hui) 將相機集成時間限製在幾毫秒內(nei) 。當許多測量需要數十微秒的積分時間時，這就有問題了。此外，漫射器會(hui) 破壞光束質量，從(cong) 而無法產(chan) 生薄片光。

照亮前進的道路

一種創新的新方法可以使3D激光輪廓係統能夠消除散斑，並產(chan) 生幹淨、筆直和明亮的線條。它使用了一個(ge) 微機電係統反射鏡，以28kHz的頻率來回掃描450nm的藍色激光束，使其穿過特殊的漫射光學器件。這種微結構光學元件可以在一個(ge) 完全均勻的扇形中使激光精確地向一個(ge) 方向擴散，同時保持與(yu) 未擴散激光束相等的薄片厚度。這種配置提供了單片半導體(ti) 波束控製解決(jue) 方案的魯棒性（robustness）。整個(ge) 組件在2級激光人眼安全限製範圍內(nei) 運行良好，安裝在肮髒的工業(ye) 環境中也能可靠運行。

該係統具有均勻的強度分布和優(you) 良的線質量。得益於(yu) 漫射器微結構的設計和場透鏡的設計，場透鏡可以像傳(chuan) 統激光線發生器一樣高效地集中激光扇區。漫射器和場透鏡在物體(ti) 上產(chan) 生激光線，當散射回圖像傳(chuan) 感器時可以消除所有散斑而不損失光。與(yu) 試圖通過使用紫色激光和大光圈相機減少散斑所不同的是，該係統的設計從(cong) 源頭消除了散斑產(chan) 生的原因，基於(yu) 3D激光掃描的檢測係統有效消除了開發過程中常見的淺坑和深坑。

此外，由於(yu) 激光線從(cong) 數百個(ge) 不同的點沿著多部分光學投射，因此會(hui) 產(chan) 生數千個(ge) 不相關(guan) 的散斑圖案，從(cong) 而消除客觀散斑。這種投影方法還有一個(ge) 額外的優(you) 點，即對操作人員的安全。由於(yu) 激光線從(cong) 漫射器的寬線光源投射而不是由單個(ge) 光點繪製，因此線亮度高，而可能造成安全危險的光量卻下降了（寬光源每平方毫米的光比由強光點繪製的線少得多）。因此，所使用的激光源的等級被歸類為(wei) 2級，而不是3B級或3R級，從(cong) 而顯著減少了所需的安全設備數和成本。

激光從(cong) 線性漫射器的數千個(ge) 點投射出來的另一個(ge) 好處是，激光窗口上的灰塵和汙染物不會(hui) 破壞投射線，隻會(hui) 使投影線輕微變暗，而且不會(hui) 對3D掃描儀(yi) 的操作產(chan) 生負麵影響。該設計通過每秒在同一區域投射成千上萬(wan) 條激光線來生成激光線。這種方法使係統集成商在倒置安裝3D激光傳(chuan) 感器時更有信心，因為(wei) 它減少了激光窗口上的空氣汙染物沉降，不再擔憂由此導致的緊急係統失效。

分辨率和速度

與(yu) 傳(chuan) 統的減少散斑3D激光輪廓解決(jue) 方案相比，采用多部件光學設計，在檢測過程中將激光對準零件或產(chan) 品產(chan) 生更高的信噪比。這使得係統能夠高速運行，單個(ge) 幀采集時間低至36µs。無散斑激光線也意味著更高的空間分辨率。通過清晰明亮的激光線和快速的采集速度，可以從(cong) 同一解決(jue) 方案生成高分辨率2D灰度和3D體(ti) 積圖像，顯著擴展功能，降低成本。

對於(yu) 許多應用，如汽車組裝、包裝和電子行業(ye) ，機器視覺的2D與(yu) 3D成像問題集中在3D的成本和複雜性上。然而，在解決(jue) 許多自動化製造挑戰時，係統集成商和設計師可能更喜歡3D高度數據而不是2D數據。3D激光掃描技術的進步減少了圖像采集和集成時間，也降低了運營成本。