psf 工程点扩展函数技术可以实现高精度3D成像

机器人和自动化改变了制造业的面貌，对工业检测的需求日益增加。随着工程点扩展功能(E-PSF)技术的发展，厂商可以采用高分辨率3D成像来提高物体和特征检测。这些电子相位滤波器可以以光学相位板的形式实现，并集成到现有的成像系统中。

一旦集成，成像系统可以通过改善景深和细节来执行近距离组件检测，从而可以对小的或微小的物体成像，并以亚微米的精度检测缺陷。

光学相位板在其支架上具有点扩展功能(PSF)设计，并且可以在相位板上蚀刻。

除了检测之外，三维成像在机器视觉、物体识别和导航等高增长应用中也有很大的前景，如无人机、机器人和触觉。现在有可能将这种新的光学技术集成到现有的系统设计中，而不增加系统的占地面积。

行业限制

虽然我们生活在一个三维的世界里，但是历史上大多数成像系统只能捕捉二维信息。在包括制造和机器人在内的各种环境中获取和使用3D信息的方法已经研究了几十年，但是这仍然是一个具有挑战性的问题，尤其是在不受约束的环境中，这种环境可能包括可变照明、镜面和变形的场景表面以及遮挡物体。这些环境降低了空的意识，这反过来意味着系统很难执行对人类来说容易的任务，例如从盒子中选择组件。无约束环境也给亚微米物体的检测带来了挑战。然而，随着添加制造技术使得制造更多具有微米级特征的零件成为可能，先进的3D检测和测量变得非常重要。

在过去的十年里，深度传感设备(即3D相机)的数量略有增加。这些系统要么使用立体视觉设置，要么使用最新的创新技术(如结构照明、飞行时间和光场)，这些技术对于大规模(从厘米到千米)测量物体的3D形状和位置非常有用。

标准光学系统PSF与双螺旋相位掩模PSF的比较。

然而，当检查厘米到毫米范围内的近距离物体时，这些成像方法面临各种限制。比如立体视觉系统在近距离工作时会变成“斜视”。结构光法受投影光的空之间的频率与物体特性的比值以及需要无遮挡照明(通常需要较陡的照明角度)的限制。飞行时间方法受传感器计时速率的限制。此外，光场法受到有限分辨率和透镜阵列尺寸的限制。这些技术中的每一种都可能另外受到硬件复杂性、尺寸、功耗或成本的限制。为了使这些限制更加复杂，越来越多的人期望制造商能够精确地测量小结构的三维特征。

面对这些挑战，3D对象捕捉的新方法是不可避免的，并将在3D机器视觉、手势识别和机器人学领域扩展功能，提高精度和深度分辨率。

电子公共服务框架技术的本质

E-PSF技术的本质是通过将掩模的尺寸和设计与光学系统和成像条件精确匹配来简单地改变成像系统的光学响应。在显微镜下，相位掩膜满足显微镜物镜规格和实验聚焦深度要求。

这种特殊设计的相位掩模可以通过在波前的某些部分引入相位延迟来改变光学响应，从而改变聚焦和散焦物体点的PSF形状。双螺旋PSF (DH-PSF)1的设计就是一个例子，它将单个点的像从透镜圆孔(称为艾里盘)产生的聚焦光斑变为两个分离良好的光斑。

这两个分离良好的点的中点对应物体的横向位置，两点之间的夹角对应物体的轴向位置。因为光斑旋转180°时可以保持聚焦，所以可以高精度地获得扩展的深度信息。

使用DH-PSF收集的数据由许多分离良好的点组成，这些点对应于物体在不同方向上的横向(X-Y)和轴向(Z)位置。从这些详细的目标数据集创建清晰的3D图像是一个复杂但可解决的图像重建问题。经过处理，结果是一个清晰的原始对象的三维结构。

基于应用的深度和精度要求以及对象的信噪比，针对不同的应用设计了几种类型的电子散斑滤波器。除了DH-PSF，设计还包括单螺旋PSF、四足PSF2和多色PSF设计。

E-PSF技术的第一个商业应用是升级现有的宽视场显微镜，用于3D超分辨率成像和跟踪。主轴是一个专有的注册产品名称，它可以成像和跟踪单个分子或纳米粒子的水平。主轴使用标准的C型支架无缝安装在任何宽视场显微镜和电子倍增器电荷耦合器件或科学互补金属氧化物半导体照相机之间。可互换相位掩模库使PSF得到优化，以适应用户的应用。应用包括细胞结构成像，精度为20至25纳米，深度范围高达20μm，而不改变用户现有的成像系统设置。

从微观到宏观

虽然E-PSF技术的最初应用是在超分辨率显微镜中，但通过将相位掩模的尺寸缩放到成像系统，E-PSF的物理特性可以广泛应用于任何成像系统。例如，当应用于机器视觉领域时，E-PSF克服了上述其他3D成像技术面临的许多挑战。

双螺旋光学的相位掩模库。

此外，E-PSF相位板可以通过直接集成或通过相机镜头和传感器之间的无源光学中继器集成到许多现有的2D成像系统中。如果2D相机能够分辨检查区域，电子散斑干涉可以提供系统的深度感知。

目前，第一个使用E-PSF技术的商用3D机器视觉系统正在开发中。这项技术的实现将同时提供亮度图(2D图像)和距离信息(深度图)，因此场景中的每个对象特征都与其在3D空中的精确位置相关联。

与现有方法相比，用于机器视觉的E-PSF方法具有以下优点:

结合相位板，焦点可以重新成形，深度捕捉可以实现，对2D系统的性能影响有限，阴影最小。

通过设计E-PSF以匹配使用中的2D透镜，可以优化E-PSF 3D成像系统的深度分辨率和景深。

带有浮雕字母(a)的信用卡图像。用颜色(b)编码的深度(以微米为单位)恢复的深度图。亮度图(c)覆盖的深度图的三维视图。

E-PSF技术可以实现为现有2D成像系统的附件，也可以实现为可以并入现有2D透镜系统的相位板。对于专门为E-PSF设计的3D机器视觉系统，相位板几乎不增加尺寸或重量。对于使用原始设备制造商或售后成像组件的系统，在大多数情况下不需要第二个摄像头或额外的光源。

电子散斑滤波技术通过使传统的2D成像系统能够同时捕捉高分辨率深度和强度信息，为工业检测、材料科学和其他商业应用开辟了许多可能性。此外，该传感器可以低成本大规模生产，可用于机器人、3D扫描仪、先进制造和人机界面领域。成像传感器现在广泛可用且便宜，计算能力(这是大多数相机不可或缺的一部分)也是如此，这为以额外但有限的成本增加3D功能创造了机会。

认识作者

莱斯利·金默林是双螺旋光学公司的联合创始人和首席执行官，这是一家位于科罗拉多州博尔德的三维成像公司。她拥有斯坦福大学经济学硕士学位和加州大学洛杉矶分校安德森管理学院工商管理硕士学位。

沃伦·哥伦布(Warren Colomb)是双螺旋光学公司的光学系统工程师，他拥有科罗拉多矿业大学应用物理学博士学位。

阿努拉格·阿格沃尔是双螺旋光学的首席光学科学家。他拥有科罗拉多大学博尔德分校电子工程(计算光学成像)博士学位；

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