无散斑激光如何改进三维检测

使用激光位移传感器的机器视觉解决方案包含三个基本元素：一个激光线发生器，一个采集反射的激光线的相机，以及一个处理图像并提取三维数据的计算机，部分情况下还要处理二维图像。然而，激光散斑长期以来一直影响着这些系统的准确性，并限制了它们捕捉详细的三维点云模型和二维灰度图像的能力。

2.5 维高度图（左）和三维点云（右）对比

激光位移传感器的工作原理是，当产品通过激光平面时，跟踪投影激光线的变化。当产品通过该平面时，产品表面的变化被记录为轮廓的变化。激光特别适合三维扫描仪，因为激光有相干性的基本特性。激光束会使线条尽可能的细，发散性最小，而且非常明亮。分散成一个薄薄的光片时，如激光轮廓仪的扇形光束，光束能投射很远的距离，且厚度只有几张纸那么大。但是这种行为特征当然是有代价的。 

散斑的原因

激光的纯正波长使其能够与自身发生干涉，并在图像中产生随机的暗点和亮点。在观察激光产生的光斑时，这种干涉表现为颗粒状的“散斑”。散斑在 60 年来一直被视为激光照明的基础，在计量学中也在同样长的时间内被视作问题。

在计量学中，散斑的影响是很大的。随机的深色和浅色斑块会导致平零件上的直线激光出现波浪。这个波浪或不确定性，会直接导致无法校正的随机高度错误。这是激光光学件配置的基础。它是所有激光测量系统的精度基本限制，几十年来一直困扰着在线测量系统。

解决散斑问题

工程师们试图用各种方法来减少散斑对激光三角测量的影响。因为控制散斑的基本驱动因素或变量是相机的波长和光圈，所以换成较短的波长和较大光圈的相机可能使散斑平均降低 50%。但峰谷误差几乎没有变化。假设散斑线是一条有坑洼的路，坑会变少，而且平均来说坑也不会那么深，但最终还是会遇到几个大坑。

另一种对付散斑效应的常用方法是获取多张图像并将它们平均在一起。这种方法可通过图像数量的平方根倒数来移除图像散斑，前提是能通过运动或某种其他方式让散斑图案发生足够的改变。由此产生的图像将自然地平均各个空间特征，而这也需要大量的时间和处理开销。

激光全息术中使用的两项经典技术是通过移动激光器或在激光器和被照屏幕之间移动一个扩散器来减少或几乎消除散斑。这确实大大减少了散斑，但移动重物（在这种情况下重达几克）会使相机需要很多个毫秒的整合时间，而许多测量仅需要几十微秒的时间。另外，扩散器会破坏光束质量，无法获得薄薄的光片。

无散斑机器视觉对工厂自动化的承诺

康耐视三维激光轮廓视觉解决方案 In-Sight 3D-L4000 最近获得了专利，该方案避免了散斑的出现和影响，可产生极其笔直、干净且明亮的线条，同时使系统能够抵御肮脏的环境，在 2M 级激光眼睛安全限制内运行良好。

In-Sight 3D-L4000 使用无散斑激光线检测铸造的汽车组件

In-Sight 3D-L4000 方法是通过微机电 (MEM) 反射镜使用 450 nm 蓝色激光以 26 kHz 的频率向特殊的扩散器光学器件来回扫描光束。这种固态光学件配置有独特的特性，可以在一个完美均匀的扇形中沿一个方向漫射激光，同时保持与未漫射激光束相当的“光片厚度”，而且有单片半导体光束控制解决方案共有的稳健性。

此外，强度沿光线的分布是均匀的。场镜可聚集激光扇，与较传统的激光线发生器相比，没有明显的光损失。这两个光学元件一起在物体上产生一条激光线，反射回传感器后，可移除所有散斑，同时保持激光的亮度。与试图减轻散斑影响的机械系统不同，新的无散斑激光器从源头消除散斑的原因。这样能够避免光路上浅坑和深坑难题，可以开发出成功的三维激光扫描检测系统。

最后，由于激光线是从多零件光学件配置的数千个不同点投射的，它使设备的激光投影仪更不容易受到污染物遮挡。这种投射方法还有一个优点，就是对操作员安全。In-Sight 3D-L4000 激光源分级为 2M 而不是 3B 或 3R，可以大幅度减少所需的安全设备、设计资源和部署成本。

蓝色无散斑激光线（左）和红色有散斑激光线（右）

瞄准产品的高激光强度可产生比任何其他“减少散斑”的三维激光轮廓分析解决方案更高的信噪比。这使系统的平均运行速度比最好的竞争解决方案更快，且单帧采集时间低至 26 us减少散斑还意味着更高的空间分辨率，可提高三维测量的准确度。另外一个好处是，激光线的清晰度和亮度以及采集速度意味着可以使用同一解决方案生成高分辨率的二维灰度和三维体积图像，从而在降低成本的同时显著增加功能。