利用3D機器視覺技術(shù)的質(zhì)量保證系統(tǒng)可以對產(chǎn)品進行檢查，發(fā)現(xiàn)缺陷，同時測量零件的所有尺寸，并隨機定位物品方位等任務。對于需要高度、長度和寬度信息的測量任務，3D視覺比2D視覺更具優(yōu)勢。

當前雖然存在多種3D成像技術(shù)，但激光三角測量是用于包裝、裝配和類似應用的在線3D質(zhì)量檢測的快速而經(jīng)濟的方法。然而，3D激光三角測量中一直存在著產(chǎn)生激光散斑的干涉圖案，即激光光線中隨機出現(xiàn)的亮點和暗點。激光散斑是激光三角測量中測量誤差產(chǎn)生的主要來源之一。對此，研究人員始終在尋求解決方案，以減少甚至消除3D激光三角測量系統(tǒng)中激光散斑的影響，同時提高系統(tǒng)速度和空間分辨率。

利用激光

3D激光三角測量系統(tǒng)由三個基本要素組成：激光線發(fā)生器、用于捕獲激光線反射的攝像機和用于處理圖像并提取3D（有時是2D）數(shù)據(jù)的計算機。當今，主流的解決方案是將三個元素集成到一個預先校準的設備里，從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(guān)光學元件的設計實現(xiàn)了更高精度，并能抵抗倒置安裝時所產(chǎn)生的遮擋和阻塞

例如，當應用這些系統(tǒng)檢查傳送帶上的物品時，系統(tǒng)的攝像頭會在物體穿過激光線平面時捕獲其一系列輪廓。相機通過捕捉激光線投射到物體上并反射回來的方式，映射出物體的高度。圖像處理軟件將反射光的各個輪廓組合成3D點云或表面圖。

激光光源特別適合3D掃描儀，因為它們的相干光束可以實現(xiàn)最細、最亮和發(fā)散最小的線條。當激光以一片薄薄的光發(fā)射放出時，例如激光輪廓儀的扇形光束，就可以投射到很遠的距離，其厚度僅相當于幾張紙的厚度。這是使激光散斑進入相關(guān)應用領域的重要發(fā)現(xiàn)。

緩解和權(quán)衡

散斑會影響所有的3D激光三角測量系統(tǒng)，工程師們已經(jīng)嘗試用各種方法來減少它的影響。由于散斑對比度與波長成正比，與光圈成反比，使用特定波長或調(diào)節(jié)相機光圈可以在一定程度上控制散斑。使用波長較短的激光器或使用孔徑較大的相機，可能會導致平均散斑對比度降低50%，但峰谷誤差變化不大。如果把散斑激光線比喻成是一條有坑洼的道路，那么僅調(diào)整上述一個影響因素后，這條道路可能坑坑洼洼的地方會減少、變淺，但還是會存在幾個大的坑洼。

2D高度圖（左）和3D點云（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點云投影顯示了真實體積，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并將其平均。如果散斑模式因物體通過光束的運動或通過其他方式而發(fā)生了足夠的變化，那么平均多個圖像會降低最終圖像的散斑對比度，其大小為圖像數(shù)量平方根的倒數(shù)。這種技術(shù)產(chǎn)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，不適用于大多數(shù)檢測應用。

激光全息術(shù)中使用的兩種方法，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（在這種情況下相當于幾克重）會將相機集成時間限制在幾毫秒內(nèi)。當許多測量需要數(shù)十微秒的積分時間時，這就有問題了。此外，漫射器會破壞光束質(zhì)量，從而無法產(chǎn)生薄片光。

照亮前進的道路

一種創(chuàng)新的新方法可以使3D激光輪廓系統(tǒng)能夠消除散斑，并產(chǎn)生干凈、筆直和明亮的線條。它使用了一個微機電系統(tǒng)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(jié)構(gòu)光學元件可以在一個完全均勻的扇形中使激光精確地向一個方向擴散，同時保持與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波束控制解決方案的魯棒性（robustness）。整個組件在2級激光人眼安全限制范圍內(nèi)運行良好，安裝在骯臟的工業(yè)環(huán)境中也能可靠運行。

該系統(tǒng)具有均勻的強度分布和優(yōu)良的線質(zhì)量。得益于漫射器微結(jié)構(gòu)的設計和場透鏡的設計，場透鏡可以像傳統(tǒng)激光線發(fā)生器一樣高效地集中激光扇區(qū)。漫射器和場透鏡在物體上產(chǎn)生激光線，當散射回圖像傳感器時可以消除所有散斑而不損失光。與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，該系統(tǒng)的設計從源頭消除了散斑產(chǎn)生的原因，基于3D激光掃描的檢測系統(tǒng)有效消除了開發(fā)過程中常見的淺坑和深坑。

此外，由于激光線從數(shù)百個不同的點沿著多部分光學投射，因此會產(chǎn)生數(shù)千個不相關(guān)的散斑圖案，從而消除客觀散斑。這種投影方法還有一個額外的優(yōu)點，即對操作人員的安全。由于激光線從漫射器的寬線光源投射而不是由單個光點繪制，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制的線少得多）。因此，所使用的激光源的等級被歸類為2級，而不是3B級或3R級，從而顯著減少了所需的安全設備數(shù)和成本。

激光從線性漫射器的數(shù)千個點投射出來的另一個好處是，激光窗口上的灰塵和污染物不會破壞投射線，只會使投影線輕微變暗，而且不會對3D掃描儀的操作產(chǎn)生負面影響。該設計通過每秒在同一區(qū)域投射成千上萬條激光線來生成激光線。這種方法使系統(tǒng)集成商在倒置安裝3D激光傳感器時更有信心，因為它減少了激光窗口上的空氣污染物沉降，不再擔憂由此導致的緊急系統(tǒng)失效。

分辨率和速度

與傳統(tǒng)的減少散斑3D激光輪廓解決方案相比，采用多部件光學設計，在檢測過程中將激光對準零件或產(chǎn)品產(chǎn)生更高的信噪比。這使得系統(tǒng)能夠高速運行，單個幀采集時間低至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，可以從同一解決方案生成高分辨率2D灰度和3D體積圖像，顯著擴展功能，降低成本。

對于許多應用，如汽車組裝、包裝和電子行業(yè)，機器視覺的2D與3D成像問題集中在3D的成本和復雜性上。然而，在解決許多自動化制造挑戰(zhàn)時，系統(tǒng)集成商和設計師可能更喜歡3D高度數(shù)據(jù)而不是2D數(shù)據(jù)。3D激光掃描技術(shù)的進步減少了圖像采集和集成時間，也降低了運營成本。