無斑點鐳射如何改善三維檢測

使用鐳射位移感測器的機器視覺解決方案由三項基本元素組成：鐳射線產生器、擷取鐳射線反射光的相機，以及處理圖像和擷取三維資料的電腦，在某些情況下還可擷取二維圖像。然而，這些系統的準確度長久以來為鐳射斑點所苦，並讓擷取詳細的三維點雲模型與二維灰階圖像的能力受限。

二維半高度圖 (左) 與三維點雲 (右)

鐳射位移感測器的運作方式為，在產品通過鐳射平面時追蹤所投射鐳射線的變化。當產品通過平面時，產品表面中的變化會記錄為輪廓中的變化。由於鐳射線的基本特性就是具有同調性，因此特別適用於這些三維掃描器。鐳射光束可形成最細、散發性最低，而且非常明亮的光線。而當展開成薄片狀的光線時，像是鐳射輪廓儀的扇形光束，雖只有幾張紙厚，但光束透過這樣的厚度變化卻可投射很遠的距離。然而，這項行為有其代價。

斑點成因

鐳射光的純色波長會使其自我干擾，並在圖像中隨機產生黑點與亮點。在觀察鐳射產生的點時，可看到此干擾顯示為顆粒狀「斑點」。60 年來，大家早已接受以鐳射照明時，基本上都會見到斑點，並在量測學中視為問題。

在量測學上，斑點的影響重大。隨機出現的黑斑與亮斑會造成在平面組件上，應是筆直的鐳射線出現起伏。這樣的起伏或易變情況會直接導致發生隨機高度錯誤，而且無法校準該錯誤。這就是鐳射光學件配置的基本原理。任何鐳射測量系統都有基本的準確度限制，而且數十年來一直讓在線式量測系統為其所苦。

解決斑點難題

工程師使用許多不同的方法，嘗試減少斑點對鐳射三角量測的影響。由於可以控制斑點的基本驅動因素或變數為波長與相機光圈，變換為較短波長與較大光圈，可將平均斑點量減少 50%。不過，波峰至波谷錯誤的變化不大。如果有斑點的鐳射線為滿是坑洞的道路，那麼坑洞會較少，而且平均深度會淺一點，但終究還是會遇到幾個大坑洞。

另一個可克服斑點影響的常用方法是，採集多個圖像並全部加以平均。這種方法透過計算圖像數量的反平方根，來移除圖像中的斑點，前提是斑點圖案已透過移動或一些其他方法而有充分改變。產生的圖像會自然地平均分配空間特徵，同時也需要大量時間和處理額外負荷。

鐳射全像攝影技術使用的兩種經典技術可透過移動鐳射，或移動鐳射與所照明畫面之間的散光器，來減少或幾乎消除斑點。這樣確實會大量減少斑點，但移動重物 (在此例中均至少為數克重) 會讓相機需要許多毫秒才能完成整合，然而完成眾多測量卻只需要幾十微秒。此外，散光器會破壞光束品質，而無法形成薄片狀的光線。

工廠自動化的無斑點機器視覺承諾

康耐視最近獲得專利的三維鐳射成型視覺系統 In-Sight 3D-L4000 能消除斑點的外觀與影響，並產生極為筆直、清透、明亮的鐳射線，同時強化系統在骯髒環境下運作的能力，並在 Laser Class 2M Eye Safety 限制下運作。

In-Sight 3D-L4000 使用無斑點鐳射線檢測汽車鑄造件

In-Sight 3D-L4000 方法一開始會透過微機電 (MEM) 鏡片，以 26 kHz 朝向特殊的散光器光學件配置來回掃讀光束，將 450 nm 藍光鐳射轉向。此固態光學元件具備獨特的特性，可將朝某方向將鐳射光散射成完美均勻的扇形，同時讓未散射的鐳射光束保持「紙般的厚度」，並維持單石半導體光束轉向解決方案常見的穩健度。

再者，沿線的鐳射強度也均勻分佈。場鏡可集結鐳射扇形，而且和更傳統的鐳射線產生器相比，光損耗情況並不明顯。將這兩種光學元件一起使用，可針對物體產生一條鐳射線，在鐳射線反射回感測器之後，消除所有斑點，同時保持鐳射的亮度。和嘗試降低斑點影響的機械系統不同，新的無斑點鐳射可以從源頭消除斑點起因。這可將開發成功三維鐳射掃描檢測系統的一路上常見的深、淺坑洞消除。

最後，由於是從多組件光學件配置沿線的數千個不同點投射出鐳射線，因此可強化裝置，避免汙染物擋住鐳射投影儀的情況。此投射方法還有另一個優點，就是作業人員安全無虞。In-Sight 3D-L4000 鐳射來源分級為 2M，而不是 3B 或 3R，大幅減少所需的安全設備、工程設計資源及部署成本。

無斑點藍光鐳射線 (左) 與有斑點紅光鐳射 (右)

相較於任何其他「減少斑點」的三維鐳射成型解決方案，瞄準產品的高鐳射強度會產生更高的訊號噪點值。這可讓系統執行的速度平均比最佳競爭解決方案更快，而個別影格採集時間最低可達 26 微秒。減少無斑點也表示空間解析度較高，進而提高三維測量的準確度。鐳射線的清新度與亮度以及採集速度，表示可從相同的解決方案產生高解析度二維灰階與三維體積圖像，增加顯著功能，而同時降低成本，則是另一項優點。