機器人和自動化改變了制造業(yè)面貌，對工業(yè)檢測的需求也在日益增加。工程點擴展功能(E-PSF)技術(shù)的進步，使制造商能夠采用高分辨率3D成像，來改進物體和特征檢測。這些E-PSFs可以以光學相位板的形式實現(xiàn)，并可以集成到現(xiàn)有的成像系統(tǒng)中。

一旦集成，成像系統(tǒng)就可以通過改善景深和細節(jié)來執(zhí)行近距離元件檢測，從而可以對較小或微小物體進行成像和缺陷檢測，精度甚至可達亞微米級。

一種光學相位板，其支架上具有點擴散函數(shù)（PSF）設(shè)計，可以蝕刻在相位板上。

除了檢查之外，3D成像在機器視覺、物體識別和導航等高增長應(yīng)用領(lǐng)域(如無人機、機器人和觸覺學)也大有前途?，F(xiàn)在有可能將這種新的光學技術(shù)集成到現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計中，且不會增加系統(tǒng)的占用面積。

行業(yè)局限性

雖然我們生活在三維世界中，但從歷史上看，大多數(shù)成像系統(tǒng)只能捕捉二維信息。在包括制造和機器人在內(nèi)的各種環(huán)境中獲取和使用3D信息的方法已經(jīng)研究了幾十年，但仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，尤其是在無約束的環(huán)境中，可能包括可變照明、鏡面和變形的場景表面，以及被遮擋的對象。這些環(huán)境降低了空間意識，這反過來意味著系統(tǒng)難以執(zhí)行對人類來說很容易的任務(wù)，比如從一個箱子中選擇組件。無約束環(huán)境也為亞微米大小的對象的檢查帶來了挑戰(zhàn)。然而，隨著增材制造技術(shù)使更多具有微米級特征的部件的制造成為可能，先進的3D檢測和計量變得至關(guān)重要。

在過去的十年里，深度傳感設(shè)備（即3D相機）的數(shù)量出現(xiàn)了微小的爆炸。這些系統(tǒng)要么使用立體視覺設(shè)置，要么使用最新的創(chuàng)新技術(shù)（如結(jié)構(gòu)化照明、飛行時間和光場），對于大規(guī)模（厘米到公里）測量物體的三維形狀和位置非常有用。

標準光學系統(tǒng)的PSF與雙螺旋相位掩模的PSF比較。

然而，這些成像方式在檢查厘米到毫米范圍內(nèi)的近距離物體時面臨著各種限制。例如，立體視覺系統(tǒng)在短距離工作時會變成“斜視”。結(jié)構(gòu)光方法受投影光的空間頻率與物體特征之比的限制，以及需要非遮蔽照明（通常需要陡峭的照明角度）的限制。飛行時間方法受傳感器定時率的限制。此外，光場方法受有限分辨率和透鏡陣列大小的限制。這些技術(shù)中的每一種都可能受到硬件復雜性、大小、功耗或成本的額外限制。使這些局限性更加復雜的是，越來越多的人期望制造商能夠精確測量微小結(jié)構(gòu)的三維特征。

面對這些挑戰(zhàn)，3D對象捕獲的新方法是不可避免的，并且將擴展功能并在3D機器視覺，手勢識別和機器人技術(shù)等領(lǐng)域提高精度和深度分辨率。

E-PSF技術(shù)的精髓

E-PSF技術(shù)的本質(zhì)是通過將掩模的尺寸和設(shè)計與光學系統(tǒng)和成像條件精確匹配，簡單地改變成像系統(tǒng)的光學響應(yīng)。在顯微鏡下，相位掩模符合顯微鏡物鏡的規(guī)格和實驗對焦深度的要求。

這種特殊設(shè)計的相位掩模通過在波前的某些部分引入相位延遲來改變光學響應(yīng)，從而可以改變對焦和離焦物體點的PSF形狀。雙螺旋PSF (DH-PSF)1設(shè)計就是一個例子，它將一個單點的圖像從透鏡的圓形孔(稱為艾里圓盤)產(chǎn)生的聚焦光斑改變?yōu)閮蓚€分離良好的斑點。

這兩個分離良好的點的中點對應(yīng)著物體的橫向位置，兩個點之間的夾角對應(yīng)著物體的軸向位置。由于旋轉(zhuǎn)180°時光斑可以保持聚焦，因此可以高精度地獲取擴展深度信息。

使用DH-PSF收集的數(shù)據(jù)由許多這些在不同方向上與物體的橫向(X-Y)和軸向(Z)位置相對應(yīng)的分離良好的點組成。從這些詳細的目標點數(shù)據(jù)集創(chuàng)建一個清晰的三維圖像是一個復雜但可以解決的圖像重建問題。經(jīng)過處理，結(jié)果是原始對象的一個清晰的三維結(jié)構(gòu)。

基于應(yīng)用的深度和精度要求以及對象的信噪比（SNR），已經(jīng)針對不同的應(yīng)用設(shè)計了幾種類型的E-PSF。除DH-PSF外，設(shè)計還包括單螺旋PSF，四足PSF2和多色PSF設(shè)計。

E-PSF技術(shù)的第一個商業(yè)應(yīng)用是對用于3D超分辨率成像和跟蹤的現(xiàn)有寬視場顯微鏡的升級。SPINDLE是一個專有的注冊產(chǎn)品名稱，可以成像和跟蹤單個分子或納米粒子的水平。SPINDLE使用標準C型安裝座在任何寬視場顯微鏡和電子倍增CCD（EMCCD）或科學CMOS（sCMOS）相機之間無縫安裝?？苫Q的相位掩模庫使得能夠優(yōu)化PSF以適應(yīng)用戶的應(yīng)用。應(yīng)用包括細胞結(jié)構(gòu)的成像，精度為20至25 nm，深度范圍高達20μm，無需改變用戶現(xiàn)有的成像系統(tǒng)設(shè)置。

從微觀到宏觀

雖然E-PSF技術(shù)的最初應(yīng)用是在超分辨率顯微鏡中，但通過將相位掩模的尺寸縮放到成像系統(tǒng)，E-PSF的物理特性可以廣泛應(yīng)用于任何成像系統(tǒng)。例如，當應(yīng)用于機器視覺領(lǐng)域時，E-PSF克服了前面提到的其他3D成像技術(shù)所面臨的許多挑戰(zhàn)。

Double Helix Optics的相位掩模庫。

此外，E-PSF相位板可以通過直接集成或通過相機鏡頭和傳感器之間的無源光學中繼器集成到許多現(xiàn)有的2D成像系統(tǒng)中。如果2D相機可以解析檢查區(qū)域，則E-PSF可以提供該系統(tǒng)深度感知。

目前，第一個采用E-PSF技術(shù)的商用3D機器視覺系統(tǒng)正在開發(fā)中。該技術(shù)的實現(xiàn)將同時提供亮度圖（2D圖像）以及距離信息（深度圖），因此場景內(nèi)的每個對象特征與其在3D空間中的精確位置相關(guān)聯(lián)。

與現(xiàn)有方法相比，用于機器視覺的E-PSF方法具有以下幾個優(yōu)點:

結(jié)合相位板可重塑焦點，實現(xiàn)深度捕獲，對2D系統(tǒng)性能的影響有限且陰影最小。

通過設(shè)計E-PSF以匹配使用中的2D鏡頭，可以優(yōu)化E-PSF 3D成像系統(tǒng)的深度分辨率和景深。

帶有浮雕字母的信用卡的圖像（a）。以顏色（b）編碼的深度（以微米為單位）恢復的深度圖。用亮度圖（C）覆蓋的深度圖的三維視圖。

E-PSF技術(shù)可以作為現(xiàn)有2D成像系統(tǒng)的附件實現(xiàn)，也可以作為可以結(jié)合到現(xiàn)有2D鏡頭系統(tǒng)中的相位板實現(xiàn)。對于專為E-PSF設(shè)計的3D機器視覺系統(tǒng)，相位板幾乎不會增加體積或重量。對于采用OEM或售后成像組件的系統(tǒng)，在大多數(shù)情況下不需要第二相機或額外的光源。

E-PSF技術(shù)通過使傳統(tǒng)的2D成像系統(tǒng)能夠同時捕獲高分辨率的深度和強度信息，為工業(yè)檢測，材料科學和其他商業(yè)應(yīng)用開辟了許多可能性。此外，該傳感器可以低成本大規(guī)模生產(chǎn)，可用于機器人，3D掃描儀，先進制造和人機界面等領(lǐng)域。成像傳感器現(xiàn)在廣泛而便宜，計算能力（已經(jīng)是大多數(shù)相機不可或缺的一部分）也一樣，創(chuàng)造了以額外但有限的成本增加3D功能的機會。