光学三维形貌测量技术的分析和应用
光学三维测量技术及其应用
结构光辅助三维测量
利用投影装置投射编码结构光在 待测物体表面，用于获取得到物 体表面的三维结构分布。
投射条纹结构光场
投影
计算折叠相位
待测物体
计算展开相位
单视点深度图像三维重建
结构光辅助三维测量
激光跟踪仪
激光跟踪头发出的激光射到反射器 上，又返回到跟踪头，当目标移动 时，跟踪头调整光束方向来对准目 标。返回光束为检测系统所接收， 用来测算目标的空间位置。
可移动文物三维成像系统
三维结果：依次为实物、单面深度像、匹配多深度像、融合三维、彩色纹理显示
动态角测量系统
采用双目立体视觉方法，对于空间中的摆动角度构尺寸数字化快速检测装置
研制大面积、多区域的二维网格结构高精度快速自动化检测技术，同时研制出相应 的检测仪器，为试验筛等二维网格结构几何尺寸的高精度快速检测提供技术和装备。
扫描技术
利用彩色CCD对物体不同高度表面进行清晰成像，由Z轴扫描装置沿竖直 方向进行扫描，再根据XY二维平移平台得到视场内被测物体表面数据点的空 间三维坐标。
无限变焦扫描（Infinite Focus ，IF）
能获得密集的面形3D数据（x、y、z），方便量化表面参数；同时能 够得到表面的真实纹理和色彩信息，使测量更加准确和灵活。 属于光学非接触测量，可测量反射特性变化较大的材料表面。 可测量梯度较大，形状结构复杂的表面，最大可测80度倾角，纵向分 辨率可达10 nm。 可同时测量表面轮廓、形状及粗糙度等。
激光干涉测量 基本原理： 相干光干涉测量。迈克耳逊、索菲、马赫-泽德干涉仪……
测量口径: 150 mm 参考镜精度：≥λ/20 条纹分辨率：≥180条纹 测量重复性：优于λ/300
相移干涉测量法
三维光学测试系统应用技术研究
三维光学测试系统应用技术研究引言随着科技的不断发展，三维光学测试系统应用技术已经逐渐成为了工业生产和科学研究领域中不可或缺的重要技术之一。
三维光学测试系统可以对物体的形状、尺寸、表面粗糙度等进行高精度的测试和测量，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备、医疗器械等领域。
本文将对三维光学测试系统的应用技术研究进行探讨，以期能够更好地了解和应用这一重要的技术。
一、三维光学测试系统的原理和技术特点三维光学测试系统是一种利用光学原理和相关技术进行三维空间测量的系统。
其原理是通过测量相机接收到的物体表面光线的轨迹和数量，进而计算出物体表面的形状、尺寸和表面粗糙度等相关信息。
三维光学测试系统的技术特点主要包括以下几个方面：1. 高精度：三维光学测试系统具有高精度的优势，可以实现微米甚至纳米级别的测量精度，适用于对高精度要求的物体进行测量。
2. 非接触性：与传统的测量方法相比，三维光学测试系统采用非接触式测量，不会对被测物体造成损伤，且适用于对表面有特殊形状或脆弱物体进行测量。
3. 高效性：三维光学测试系统具有高效的特点，可以实现对大尺寸物体的快速测量和数据处理，提高生产效率。
二、三维光学测试系统的应用领域三维光学测试系统已经被广泛应用于众多领域，包括航空航天、汽车制造、电子设备、医疗器械等。
具体应用如下：1. 航空航天领域：在航空航天领域，三维光学测试系统可以应用于对飞机零部件的尺寸、形状和表面质量进行检测，确保零部件符合设计要求，提高飞行安全性。
2. 汽车制造领域：在汽车制造领域，三维光学测试系统可以用于汽车车身和零部件的尺寸和形状检测，还可以用于汽车外观质量检测，提高汽车质量和外观。
3. 电子设备领域：在电子设备领域，三维光学测试系统可以用于电子元件的尺寸和形状检测，还可以用于半导体芯片的制造和检测，确保电子设备的性能和质量。
4. 医疗器械领域：在医疗器械领域，三维光学测试系统可以用于医疗器械的尺寸和形状检测，确保医疗器械的安全性和有效性。
光学测量技术在三维重建中的应用研究
光学测量技术在三维重建中的应用研究一、绪论三维重建是近年来发展起来的一种新兴技术，它将物体的三维信息转化为数字化的计算机模型，以便更好地进行分析、设计和仿真等工作。
为了达到更高的精度和效率，光学测量技术作为一种新的非接触式测量手段被广泛应用于三维重建中。
本文将对光学测量技术在三维重建中的应用进行研究与分析。
二、光学测量技术概述光学测量技术是以光学原理为基础，通过检测光学信号，获取物体表面形态和位置信息的技术。
根据不同的测量目的和要求，光学测量技术可以分为多种形式，如激光测量、相位测量、投影式测量等。
其中，相位测量技术是一种基于干涉原理的测量方法，可以实现高精度的三维形态测量。
三、光学测量技术在三维重建中的应用1. 光栅投影式三维重建光栅投影是一种以干涉技术为基础的三维重建方法，其基本原理是将光栅模式投射到被测物体表面，透过反射或透射后重新投射到检测器上进行信号检测。
通过对光学信号的分析和处理，可以获得被测物体表面的三维信息。
光栅投影式三维重建具有非接触式、高精度、自动化程度高等特点，已广泛应用于工业检测、医学影像等领域。
2. 激光测量式三维重建激光测量技术是一种基于光电信号的三维测量方法，可以通过控制光源的位置和方向，获取被测物体表面的点云信息。
激光测量式三维重建具有高测量速度、高精度、可实现全自动化测量等优点，已被广泛应用于汽车制造、航空航天、机器人等领域。
3. 相位测量式三维重建相位测量式三维重建是一种以干涉技术为基础的非接触式三维测量方法，其主要原理是对被测物体表面的光场进行干涉分析，通过对光学相位的计算和处理，获得被测物体表面的三维形态信息。
相位测量式三维重建具有高精度、高灵敏度、可快速测量等特点，已被广泛应用于微细加工、生物医学等领域。
四、光学测量技术在三维重建中存在的问题及解决方法1. 环境干扰在实际应用中，光学测量技术受到环境因素的影响，如温度、湿度、气流等，会对测量精度和准确度产生不利影响。
浅谈光学三维测量技术
浅谈光学三维测量技术光学三维测量属于非接触式光学面形测量方法，能快速准确测量出物体的表面形状，被广泛地应用在机械、电影等领域。
文章概述了光学三维测量技术的分类，介绍了几种常见的光学测量技术及其在各个领域的应用。
标签：光学三维测量；三维激光扫描；面结构光光学三维测量是指运用光学方法获取物体表面的三维立体坐标的技术。
光学三维测量利用现代光学技术成就，结合光电子学、计算机图像处理等学科成就发展起来的一种先进测量技术。
1 光学三维测量的分类图1 光学三维测量技术分类图光学三维测量技术按测量原理可以分为摄影测量方法、结构光技术和光学干涉方法。
摄影测量法是基于多视角的非主动式测量方法。
在普通照明（阳光、日光灯）情况下，由摄像头获取多视角物体图像，利用计算机查找多幅图像的同态标记点，进而获得物体的表面形貌。
结构光技术通过不同宽度且明暗相间的结构光照射被测物体表面，获取到的经物体调制的图像，再经过计算获取物体的立体形貌信息。
光学干涉法是利用干涉原理进行测量，具有高精度、高分辨率等优点。
以下介绍几种常见的光学三维测量方法。
图2 三维激光扫描工作原理图三维激光扫描技术根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，光电探测器接收反射光，通过对采集到数据进行计算得到物体的深度信息。
三维激光扫描仪包括发射器和接收器。
发射器射出一束脉冲激光，激光经过物体表面漫反射，沿相同路线射入接收器。
由脉冲激光发射到反射被接收的时间tL可计算出扫描点到扫描仪的距离值S。
扫描仪内精密测量系统获取每个激光脉冲的水平方向角α和垂直方向角度β。
依据上述数据计算出扫描点的三维空间坐标（XP、YP、ZP）[1]。
双目视觉技术属于摄影测量方法，是通过视差原理被动测量三维数据的技术。
双目视觉技术测量物体三维形貌的原理是，从两个或以上的视角去观察一个物体，获得多张不同视角下物体的二维图片，根据三角测量原理得出同一个像素点的坐标偏差，以此获得测量物体的三维形态。
三维光学测试系统应用技术研究
三维光学测试系统应用技术研究一、三维光学测试系统的原理和特点三维光学测试系统是通过光学镜头对被测物体进行扫描和成像，利用光学测量原理来获取被测物体的三维形貌和表面特征的一种测试技术。
与传统的接触式测量系统相比，三维光学测试系统具有以下的特点：1. 高分辨率：三维光学测试系统可以实现微米甚至纳米级的分辨率，能够捕捉到被测物体表面的微小细节和变化。
2. 高精度：由于采用了非接触式测量的方式，能够避免传统接触式测量系统中由接触误差引起的测量误差，具有更高的精度。
3. 多功能性：三维光学测试系统可以对不同形状和材质的物体进行测试，能够适用于多种复杂的测量场景。
4. 高效率：采用了自动化的扫描和成像技术，可以快速获取被测物体的三维形貌和表面特征，提高了测试效率。
5. 无接触式测量：避免了传统接触式测量中可能对被测物体造成的损伤，保护了被测物体的完整性。
二、三维光学测试系统的应用领域1. 航空航天领域：在航空航天领域，对于航空器件和发动机等部件的表面质量和形状精度要求非常高，三维光学测试系统可以帮助工程师对这些部件进行高精度的三维形貌和表面特征的测量。
2. 汽车制造领域：在汽车制造领域，对于汽车外观造型和零部件的精度要求也很高，三维光学测试系统可以帮助汽车制造商对汽车外观和零部件进行精确的测量和检验。
3. 电子器件领域：在电子器件领域，对于微型电子元件和电路板的制造和质量控制同样需要高精度的测试系统，三维光学测试系统可以帮助电子行业提高产品的质量和生产效率。
4. 医疗器械领域：在医疗器械领域，对于医疗器械的外形和表面特征的控制也非常严格，三维光学测试系统可以帮助医疗器械制造商对产品进行精确的质量检验。
5. 其他领域：除了上述几个领域之外，三维光学测试系统还可以应用于船舶制造、建筑工程、文物保护、地质勘探等各种领域的测试和检测工作。
三、三维光学测试系统的应用技术1. 光学测量方法：三维光学测试系统主要采用了相位测量和结构光投影两种主要的光学测量方法。
光学测量三维形貌的综述汇总
光学测量三维形貌的综述汇总光学测量三维形貌是一种非接触式的测量技术，可以实时且非破坏地获取物体表面的三维形貌信息。
这种测量技术在工业制造、医学、文化遗产保护等领域具有广泛的应用。
本文将综述光学测量三维形貌的原理、方法、应用以及未来的发展方向。
光学测量三维形貌的原理是基于光的散射与反射特性。
光线在物体表面的反射或散射会受到物体表面形貌的影响，通过测量光线的变化可以确定物体表面的形状和高度信息。
光学测量三维形貌的主要方法可以分为三种：三角法、光栅投影法和相位移法。
三角法是光学测量三维形貌最常用的方法之一、它基于三角形的几何关系，通过测量物体表面上多个点与光源之间的距离和角度，计算出物体表面的形状和高度信息。
这种方法简单直观，测量精度较高，适用于表面比较平整的物体。
光栅投影法是一种通过投射光栅纹影来测量三维形貌的方法。
它利用光栅的周期性纹理，在物体表面投射一组光栅纹影，通过测量光栅纹影的形变和位移，推导出物体表面的形状和高度信息。
这种方法适用于表面比较复杂的物体，如曲面和薄膜。
相位移法是一种通过测量光波的相位变化来计算三维形貌的方法。
它利用光的干涉原理，通过在物体表面上投射一组相干光束，并通过相位移的测量得到物体表面的高度信息。
这种方法具有测量精度高、适用范围广的优点，但需要复杂的光学系统和数据处理算法。
光学测量三维形貌在工业制造中有广泛的应用。
例如，在汽车制造中，可以用光学测量技术来评估车身的质量和精度；在航空航天制造中，可以利用光学测量技术来检测飞机表面的缺陷和变形；在电子制造中，可以通过光学测量技术对电路板和芯片进行形貌测量。
在医学领域，光学测量三维形貌也具有重要的应用。
例如，可以利用光学测量技术来测量人体的表面形貌，用于人体测量、假肢制造和医学成像；还可以利用光学测量技术对生物组织的表面形貌进行分析和诊断。
光学测量三维形貌的未来发展方向主要包括提高测量精度、扩展测量范围和提高测量速度。
随着光学技术、图像处理算法和计算机性能的不断提高，光学测量三维形貌的应用将更加广泛。
光学三维测量技术应用举例并解析
光学三维测量技术应用举例并解析
光学三维测量技术是一种通过光学原理和数学模型来测量物体三维形态和位置的技术，可以应用于很多领域。
以下是一些光学三维测量技术的应用举例：
1. 航空航天：光学三维测量技术可以用于飞机、火箭、卫星等的设计、制造和维护中。
例如，利用激光三角测量法和相移法可以快速测量飞机机翼、机身的形态尺寸和表面粗糙度；利用三维扫描仪可以对航空设备进行三维建模，方便进行数字化制造。
2. 汽车制造：光学三维测量技术可以应用于汽车设计、制造、测试和维护中。
例如，在汽车制造过程中，可以利用激光三角测量仪对车身各部位进行快速、高精度的三维测量，以保证车身的精度和稳定性；利用三维扫描仪可以对汽车零部件进行三维建模。
3. 医疗领域：光学三维测量技术可以用于医学成像、手术导航和矫形医疗等领域。
例如，在牙科矫形过程中，利用激光三角测量仪可以快速，准确地测量牙齿位置和尺寸，以确定矫形方案。
4. 文化遗产保护：光学三维测量技术可以应用于文化遗产保护，如对文物、建筑、遗址等进行三维测量和数字化保护。
例如，利用三维激光扫描仪可以对文物、
建筑等进行全面而精确的三维数字化保护，方便后续保护、修复和展示。
总之，光学三维测量技术是一种非常实用的测量技术，可以在各个领域得到广泛应用，为很多工作带来了便利和效率提高。
光学测量技术在工程领域中的应用
光学测量技术在工程领域中的应用光学测量技术是一种非接触、高精度的测量方法，广泛应用于工程领域。
它通过利用光的传播和反射原理，实现对物体尺寸、形状、表面质量等参数的测量和分析。
在工程领域中，光学测量技术具有重要的应用价值，可以提高工程项目的质量和效率。
一、三维形貌测量光学测量技术可以实现对工程物体的三维形貌进行精确测量。
传统的测量方法往往需要接触物体表面，而光学测量技术可以实现非接触式测量，避免了对物体的损伤。
通过利用激光扫描仪或光学投影仪等设备，可以获取物体表面的点云数据，进而生成物体的三维模型。
这种测量方法在工程设计、产品制造等领域具有重要的应用价值。
二、表面缺陷检测光学测量技术可以实现对工程物体表面缺陷的检测。
在工程制造过程中，产品表面的缺陷可能会导致产品质量不合格。
传统的缺陷检测方法往往需要人工目测，效率低下且容易出现误判。
而光学测量技术可以利用高速相机和图像处理算法，实现对物体表面缺陷的自动检测。
这种方法不仅可以提高检测效率，还可以减少人为因素对检测结果的影响。
三、位移和变形测量光学测量技术可以实现对工程物体的位移和变形进行测量。
在工程结构的设计和监测中，位移和变形是重要的参数。
传统的位移和变形测量方法往往需要使用传感器进行接触式测量，而光学测量技术可以实现非接触式测量，避免了对结构的干扰。
通过利用激光干涉仪或数字图像相关技术，可以实现对物体位移和变形的高精度测量。
这种方法在工程结构的监测和安全评估中具有重要的应用价值。
四、光学成像技术光学测量技术可以实现对工程物体的成像。
在工程设计和制造过程中，对物体的形状和表面质量进行分析和评估是十分重要的。
传统的成像方法往往需要使用相机进行拍摄，而光学测量技术可以利用光学投影仪和高速相机，实现对物体的高精度成像。
通过对成像数据的处理和分析，可以获取物体的形状和表面质量信息，为工程项目的设计和制造提供参考。
综上所述，光学测量技术在工程领域中具有广泛的应用价值。
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－72－科技论坛
1概述
非接触光学投影式三维形貌测量技术是
获取物体表面形态特征的一种重要手段，是一
种逆向工程技术，亦称为反求工程(Reverse En-
gineering)，简称RE [1]。
由于这种三维形貌测量技
术具有速度快、分辨率高和非接触等优点而广
泛应用于工程设计、质量控制、医疗诊断和计算
机辅助制造等方面[2]。
本文以相位测量轮廓术中
的光栅投影法为重点，介绍了其测量基本原理、
组成以及应用，研究了正弦光栅投影技术和数
字图像处理技术，并利用德国GOM 公司生产
的Advanced TOpometric Sensor 系列（简称
ATOS ）流动式光学扫描仪是对鼠标进行了测量
与分析。
实验表明：三维光学形貌测量技术简单
实用、测量精度高、便于实现自动测量，是一种
较为理想的光学测量方法。
2相位测量轮廓术的基本原理
相位测量轮廓术的基本原理如图1所示。
D 点为投射系统出瞳中心，DO 为投影光轴。
C
点为成像系统入瞳中心，CO 为探测光轴，设
DC=d 且与xoy 参考面平行。
从D 点对E 点投
影位置本该落到B 点，但由于物体表面形状调
制的原因，在CCD 镜头上则成像于A 点。
设
AB=S R (x ，y)，表示偏移量，则E 点的高度为
可见只要计算出偏移量，就能得到被测物体表面各点的高度，实现三维轮廓测量，具体计算是采用相移技术。
将正弦光栅投影到待测物体表面上，并规定坐标原点O 处系统相位为零，采用四步相移技术，每步，利用
CCD 摄像机分别获得四幅畸变光栅条纹的光强，利用光强关系计算得到E 点相位。
再利用光栅直接投影在参考面上的光强关系计算得到A 点相位[3]，它们相位差为若被测物高度远小于L ，则E 点高度，将其代入（2）式则有其中，是可通过对测量系统标定来确定的系数，进而根据相位差可得物体高度。
3ATOS 流动式光学扫描仪原理ATOS 系列流动式光学扫描仪是目前国际市场上比较先进的三维扫描设备，该设备采用光栅投影相位测量轮廓技术。
其测量系统主要由光学扫描仪和计算机等组成。
ATOS 光学扫描仪由两个高分辨率CCD 数码相机和光栅投影仪组成。
采用双CCD 的设计目的是实时监测扫描过程中由于振动和环境光线变化对测量精度造成的影响，从而确保扫描精度。
由于采用流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术，务须移动光学扫描仪，其扫描范围可从10mm 到12m 。
不同视角的测量数据依靠粘贴在工件表面上公共的参考点，可自动拼合在统一坐标系内，从而获得完整的扫描数据，对于被参考点覆盖而在工件表面留下的空洞，软件可根据周围点云的曲率变化进行插补[4]。
光栅投影仪由光栅和微型步进电机组成。
采用不同频率
的光栅分别对同一样品进行组合测量，再将测量得到的图像进行合成方法，可以大大提高检测的分辨率和精度。
在ATOS 的光栅投影仪内封装的三组频率不同正弦光栅，刻划在同一玻璃基上，如图2所示。
通过微型步进电机可随意切换这三组光栅，进行组合测量。
4ATOS 的应用ATOS 系统的软件和硬件均采用模块化设
计，性能稳定，设备操作简单。
图3是光栅在鼠标
上的投影，光栅条纹具有较大的光强，良好的景深，具有连续的强度分布及较好的正弦性。
由于受鼠标表面形状变化的调制，基准光栅条纹在鼠标表面上产生了畸变，这些畸变条纹就包含了鼠标表面形状的三维信息。
利用CCD 摄像机读取畸变条纹，并对图像进行相应的处理，可以得到有关条纹中心线的二维信息，然后根据相应的数学转换模型和重构算法对鼠标轮廓进行重构，得到被测鼠标表面的三维外形数据信息。
图4是在鼠标上的投影条纹光强分布图，可以看出是典型的正弦分布。
5总结
本文主要分析了基于相位测量的光栅投影
三维轮廓测量系统的基本原理，并以ATOS 流动式光学扫描仪为例详细介绍了光栅投影三维轮廓系统的正弦光栅投影技术和数字图像处理技术。
并利用该设备对实际物体三维面形进行了测量，可以看出相位测量轮廓术具有结构简单、速度快，实用，测量精度高、测量范围大、抗干扰性强和可
在线实时测量等优点，是一种较为理想的光学测量方法。
参考文献
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应用[J].应用光学,2003,24(4):46-49.
[3]康新,何小元.基于正弦条纹投影的三维传感及
其去包裹处理[J].光学学报,2001,22(12):1444-1447.
[4]任丹,吴禄慎.三维面形位相测量轮廓术的研究[J].南昌大学学报(工科版),2002,3(3):9-12.作者简介：姜洪喜（1976~），男，黑龙江齐齐哈尔人，讲师，硕士，主要从事3D 物体形貌测量和光学梳状滤波器的研究。
基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目：（编号11531330）；黑龙江省高等教育学会“十一五”规划课题：（编号H115-C729）；黑龙江科技学院青年基金项目：（编号07-16）光学三维形貌测量技术的分析和应用
姜洪喜任常愚李海宝任敦亮刘炳胜
（黑龙江科技学院，黑龙江哈尔滨150027）
摘要：介绍了光栅投影三维光学测量系统的原理、组成及应用。
光栅投影法是将正弦光栅投影到被测物体表面上，由高精度CCD 摄像机摄取这些畸变条纹，并利用数字处理技术获得物体表面三维数据。
该方法测量精度高、便于实现自动测量，是一种较为理想的光学测量方法。
关键词：三维形貌测量技术；光栅扫描；ATOS 系统
（1）
（2） ,ÁS x y ,z x y 2 2,ÁÂÃfS x y ÁÁÁÁ
ÂÃÄÅÃÄÆÁ（3） ,2L z x y k d f ÁÁÂÃÄÁ。