光学三维测量技术综述教学内容
光学三维测量技术综述
1．引言
客观景物三维信息的获取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节，被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工程、
生物与医学工程等领域有着广泛的应用[2]。
三维测量方法总的包括两大类，接触式以及非接触式。如图 1.1 所示。
图1.1 三维测量方法分类
接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间，这方面的技术理论已经非常完善和成熟，所以，在实际的测量中会有比较高的准确性。但是尽
管如此，依然会有一些缺点[3]：
(1) 在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就很容易造成被测物体表面的划伤。
(2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后，测量头有时会出现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成影响。
(3) 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率还是相当低的。
接触式三维测量技术发展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。该方法基于精密机械，并结合了当前一些比较先进技术，如光学、计算机等。并且该方法现在已经得到了广泛的应用，特别是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。在测量过程中，三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个坐标轴上都可以移动，而且测量头可以到达被测物体上的任意一个位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就可以得到该位置的坐标，而且可以达到微米级的测量精度。但由于三坐标机测量系统成本较高，加之上述的一些缺点，广泛应用还不太现实。
非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法
等非光学的非接触式三维测量方法也都可以测量物体的内部及外部结构的表面信息，且不需要破坏被测物体，但是这种测量方法的精度不高。而光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率,在CAD /CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的应用,被公
认是最有前途的三维轮廓测量方法[5]
。由于光不能深入物体内部，所以光学三维
测量只能测量物体表面轮廓，因此，本文中所言光学三维测量即指光学三维轮廓测量，此后不再单独解释。
光学三维测量技术总体而言可以分为主动式光学三维测量和被动式光学三维测量，根据具体的原理又可以分为双目立体视觉测量法、离焦测量法、飞行时间法、激光三角法、莫尔轮廓术和结构光编码法等。下面就刚刚提到的几种光学三维测量技术的原理进行逐一讲解。
2.测量原理
2.1被动式光学三维测量
2.1.1双目立体视觉测量法
双目成像采用视觉原理来获得同一场景的2幅不同图像。通过对物体上同一点在2幅图像上的2个像点的匹配和检测,可以得到该点的坐标信息。测量原理如图2.1.1所示。设摄像机基线长为B,视差定义为D= P1- P2,其中P1、P2为空间点W(X,Y,Z)在2像面上的投影点,则由几何关系可得Z=Bf/ D。计算出物点的深度坐标后,其它2个坐标可以通过简单的几何透视关系得出。双目视觉成像原理简单,但由于需要在两幅图像中寻找对定点的匹配,实际计算过程较为复杂。
图2.1.1 双目立体视觉法三维测量原理图
2.1.2离焦测量法
离焦测量法根据标定出的离焦模型计算被测点相对于摄像机的距离。测量模型如图2.1.2所示。参考点A成像在像平面上的A'点,物体表面上的B点成像在B'点,则在像面上形成两个像点B1和B2,测出两点之间的距离则可以得到物体上点B的坐标。镜头前挡板上挖的两个小孔保证了探测器上最外围的两像点是由轴上物点形成的。离焦测量法避免了寻找精确的聚焦位置,但却增加了标定过程的复杂性。另外，由于每次只能获取一个轴上点的三维坐标，所以离焦测量法需要通过二维扫描来完成物体轮廓面上各离散点的坐标测量，因此测量效率比较低。
图2.1.2 离焦测量法原理图
2.2主动式光学三维测量
2.2.1飞行时间法
飞行时间法(Time of Flight，简称TOF)简单而言就是通过激光或者其他光源脉冲发射时间，通过测量飞行时间达到测量的目的，测量系统模型如图2.2.1所示。该测量方法具体如下：首先利用系统发射的激光或其他光源脉冲照射被测物体，通过反射原理到达系统接收器接收，就可以计算出激光或者其他光源脉冲的运行时间及距离。通过对被测量物体外部形态逐步扫描在通过数据处理得到物体的三维原始外貌。该测量方法运用激光或者其他光源脉冲飞行时间进行及接收器的带宽、灵敏度等进行测量，并且时间间隔的误差在一个很小的范围之内。因此运用
飞行时间法的测量系统目前误差已经达到微米级[5]。
为了进一步使该系统的测量精度提高，目前比较常用的方法是提高测量系统工作时的频率，同时可以通过相位调制的方法。当激光束幅度被正弦波调制时，测量系统与被测物体之间的距离就可以由发射光束和接收光束之间的相位差得到。相位调制测量方法与脉冲调制方法相比较要复杂许多，然而减小了带宽，而且通过正弦波相位调制能够获得比较大的测量视角。基于飞行时间法的测量系统装置复杂，并要求配备带宽大、灵敏性高以和热稳定性好的电子设备，因而造价偏高，这些因素制约了其实际应用。
图2.2.1 飞行时间法原理图 2.2.2激光三角法
近年来随着激光技术的发展,激光三角形法逐渐得到广泛应用。它所采用的光源主要有点结构、线结构和双线结构。其基本原理是光学三角形原理,如图2.2.2所示。由图可以得到
=/tan(), arctan(/)L B d f αγγ-= (2.2-1)
由此可以得到深度信息L 。这种方法具有原理简单、测量速度快和精度高等优点;缺点是对物体表面特性和反射率、复杂程度等有较大限制[7]
。
图2.2.2 激光三角法 2.2.3莫尔轮廓术
莫尔轮廓术又可以称为莫尔等高线法，是一种非接触式三维测量方法，1970年由 H.Taksaki 首次提出。莫尔轮廓术得到莫尔条纹的方法如下：一个基准光栅和投影到三维物体表面上受到物体表面高度调制的变形光栅叠合来形成莫尔条
纹，而该条纹描绘出了被测物体的等高线，然后根据莫尔条纹的分布规律就可以得出被测物体的表面形貌。从这个基本原理出发，出现了几类不同布局的莫尔轮廓装置，主要为影像莫尔法、投影莫尔法和扫描莫尔法以及移相莫尔法等。
(1)影像莫尔法
影像莫尔法(shadowmoirémethod)采用基准光栅,把它放在靠近被测物体表面处,用点光源或平行光源照射基准光栅,并在另一侧通过基准光栅观察物体,形成干涉条纹,如图2.2.3-1所示。鉴于此原理,影像莫尔法的测量范围必须小于所使用基准光栅的范围,而制作大面积、高精度的基准光栅十分困难,所以只适合测量较小尺寸的物体。另外,当被测物体表面梯度变化较大时,投影到表面的栅线易发生散射而变得模糊,限制了被测物体的可测景深,所以只适合测量表面变化较为缓慢的物体。
图2.2.3-1 影像莫尔法原理
(2)投影莫尔法
投影莫尔法利用光源将基准光栅经过聚光透镜投影到被测物体表面,经物体表面调制后的栅线与观察点处的参考栅相互干涉,从而形成莫尔条纹。它与影像莫尔法的主要区别在于在投影光和接收器附近各放置1个光栅,这样就可用较小的高密度栅板代替较大尺寸的基准栅板来检测较大的物体,扩大了检测物体的范围。一般,这种方法的检测精度和条纹分辨率没有影像莫尔法高。
上述两种方法是通过基准栅和试件栅之间的干涉形成莫尔条纹,所得的条纹图是等高线,通过分配条纹级次和确定条纹中心来解调等高线上的高度信息,对所得条纹的处理分析包括条纹中心线的跟踪、条纹级数的确定和表面凸凹性的判别等,这就限制了应用过程的自动化。同时,此种方法不适合测量表面梯度变化较大的物体。为了弥补此方面的缺点,可通过移动条纹或采用复合栅代替单一频率的栅线。
图2.2.3-2 扫描莫尔法原理图
（3）扫描莫尔法
在阴影莫尔法和投影莫尔法中，如要判断得出被测物体表面的凹凸情况，只能从莫尔等高线上出发，因此就很难在计量中进行确定。为了使莫尔法能够满足三维面形的自动测量，在投影莫尔法中可以使一块基准光栅（投影系统中的光栅G1 或成像系统的光栅G2）沿垂直于栅线方向做微小地移动，然后对于目标物体表面的凹凸情况可以采用莫尔条纹同时移动的方向来确定。如果类似于投影莫尔法测量，但是在成像系统中不用第二块基准光栅去观察，而是像电视扫描那样通过电子扫描的方法得到观察的基准光栅，这种方法就称为扫描莫尔法，它的基本原理如图2.2.3-2所示。实际中替代第二块基准光栅的扫描线可以利用计算机图像处理系统去加入，这就意味着只要通过图像系统（包括摄像输入）获取一幅变形的光栅像，因此要想得到莫尔条纹，只要采用计算机得到光栅的方法就可以得到。通过计算机产生的第二块基准光栅的周期和光栅的移动都容易改变，这种扫描莫尔法的图像系统能够实现三维面形的自动测量。
综上所述，莫尔轮廓术的主要特点在于：
○1能够对三维物体的粗糙表面形貌进行测量，也能够对镜面形貌测量以及大尺寸的物体表面测量。测量的灵敏度可以在很大范围内进行调整；
○2对测量装置的稳定性要求不高而且装置简单可靠，对外界条件要求不严格，相干光源和非相干光源都可以适用；
○3易于和高速摄影技术相结合，适合测量动态三维形貌，易于和电子计算机技术相结合，来获得莫尔条纹的数字输出和实现虚拟光栅技术。
2.2.4结构光投影法
根据光学测量系统的投射模式,结构光投影法能够为以下几种：点结构光投影法、线结构光投影法、多线结构光投影法、网格结构光投影法、面结构光投影法。点结构光投影法即为激光扫描法，而多线结构光投影法可以视为面结构光投影法的一种特例，所以这里只讨论线结构光投影法和面结构光投影法。
（1）线结构光投影法
线结构光投影法也可以以光带模式投影法命名。在测量时投射系统产生的光束在空间中由于一个柱面镜的作用出现一窄的平面狭缝光，当与被测物体的表面相交时，在被测物体的表面上产生了一个亮的光条纹。该光条纹因为被测物体表面深度的变化和可能的间隙从而受到调制，表现为图像的光条纹发生了不同变化
和不持续，而且被测物体高度越高，所得图像的畸变程度越大，而被测物体表面
之间的物理间隙则可以通过所得图像的不连续性得出[8]
。线结构光投影的主要目
的就是从发生了不同变化的光条纹的图像数据中获得被测物体表面深度的三维数据。
线结构光投影法可以视为点结构光投影法的扩展。相对于点结构光投影法来说，线结构光投影法大大提高了测量效率，而测量精度相比之言只是略低，此方法在商业上获取三维深度信息的应用已经非常成熟。
（2）面结构光投影法
在线结构光投影法的基础之上，井口征士等人提出了一种更为优越的结构光投影法，就是面结构光投影法的。即将各种模式的面结构光投影到被测物体，在面结构光被投影到目标物体之时，如果从与投影光轴方向不同的观测点方向来看，在目标物体表面产生由于物体形状的凹凸变化而随之发生畸变的面结构光条纹，这种畸变是由于所投影的面结构光条纹收到目标物体的表面形状的调制所引起的，所以被测物体表面形状的三维信息也就包含在内。
基于面结构光投影法是在目标物体的表面一次性瞬间投影并获取目标物体表面形状的三维空间坐标，同时相对于线结构光投影法来说，其优点是准确和快捷以及高数据空间分辨率等，所以，其是结构光投影法以后发展的必然趋势。在面结构光投影法测量系统中，可以投射多种模式的结构光，如水平光栅条纹、垂直光栅条纹、符号条纹等。
其中，光栅投射三维面形测量技术属于三角法这一范畴，通过一次测量就可以获得所投射的表面的所有三维数据，而且测量速度快。此原理主要是采取投射几何关系完成对物体表面条纹和参考平面条纹之间的相位差及其相对高度的关系的建立，这就能够得到被测物体表面和参考平面之间的高度差。
将一正弦光栅以发散或者准直的方式以和观察方向成某一角度投射到漫反射的物体表面之上，因为物体表面的高低不平，因此在另外一个方向上观察投射条纹，就可以得到变形了的光栅像，利用傅里叶变换方法或者相移技术就可以从变形了的光栅像中提取到高度调制的条纹相位信息，然后再与参考平面条纹的相位值相比较，得到与参考平面的相位差，经过高度和相位展开的映射关系，就可以得到被测物体三维空间坐标，对被测物体三维面形进行重建。
基于正弦光栅投射的三维面形测量方法的基本原理如图2.2.4-1所示。
图2.2.4-1 基于正弦光栅的三维面形测量原理图
(2.2-2) 其中, 代表条纹的背景; 为物体表面反射率的变化; 是投影到参考面的光栅图样的空间频率;相位则对应着物体上各点的高度。可以看出, 同时记录了物体的几何形状信息和纹理信息 。通过对的处理就可以得到物体的三维信息。
由变形的光栅条纹中提取相位主要有傅里叶变换，卷积解调法，相移法等几种方法。下面分别对其进行介绍。
2.2.4.1傅里叶变换法（FTP ）提取相位
令
(2.2-3)
则，2.2-2式可写为：
(2.2-4)
对其进行傅里叶变换后得到：
(2.2-5)
在频域中，设计一个带通滤波器来分离出其中的一个基频分量然后再把它移到频谱的原点，继而再对其进行 IFFT 就会获得时域中的 c(x, y) 分量。下面我们使用Im 和 Re 分别表示 c(x, y) 的虚部和实部，那么条纹的相位主值可由公式求解：
(2.2-6)
最后，我们对反正切函数进行求解就可以获得条纹的相对相位。
FTP 轮廓测量法的流程如图2.2.4-2所示：
()()()()0, , ,2 ,I x y a x y b x y cos f x x y π?=++????
,()a x y ,()b x y 0f (),x y ?,()h x y (),I x y
图2.2.4-2 FTP的测量流程图
2.2.4.2相移法提取相位
相移法(Phaze Shifiting Method)利用投射多幅相位不同的编码光栅来求解相位的。本文中我们投影的为正弦光栅，接下来就以正弦光栅为例。假设总共投射
π，若N N≥幅光栅图像，那么相邻的两幅编码光栅图像的相位之差值为2/N (3)
I表示第n 幅图像上点的光强，则有式2.2-7和2.2-8：
n
(2.2-7)
(2.2-8)
相移法有如下一些优点：
(1)由式2.2-8可知，由于采用光强相减运算，所以该方法对对比度、噪声、背景等因素的变化不敏感。
(2)相移法是采用逐点处理的，所以任意形状的条纹图都可以使用该方法。
(3)由于相移法直接测量变形光栅条纹的相位值，其精度相当令人满意，而且很容易实现自动测量。
但是，相移法也有一些有待于进一步改进的地方：
(1)相移法要求所使用投影光栅图像必须为正弦光栅，然而，在实际中制作正弦光栅比较困难，所以我们往往使用准正弦光栅。
(2)由于对相移装置的精度要求非常高，所以要求测量环境比较稳定，特别是在动态物体的测量中，相移法的表现还不能让人满意。在实际的应用过程中，误差还是不可避免的，如光强的量化误差、相移误差，摄像元器件的非线性特性等，这就会造成被测物体的深度信息会发生一定的偏移。在这些误差中，移相误差为主要误差来源，目前有两种解决方法：
(1)使用一种对非线性误差以及移相器不太敏感的算法。
(2)校正移相器，从而对其非线性误差以及标定误差进行有效的抑制，从而提高整个测量系统的测量精度。
2.2.4.3卷积解调法(DCM)提取相位
卷积解调法(DCM，Demodulation and Convolution Method)是一种使用卷积和解调来计算光栅相位的数学方法。
假设(,)
I x y是偶函数，用傅里叶级数展开变形光栅函数为：
(2.2-9)
(2.2-10)
显然为低频分量，则对其低通滤波就可得到
(2.2-11)
同理，式(2.2-11)两边同乘即得：
(2.2-12)
显然，只有是低频分量，对它使用低通滤波：
(2.2-13)
于是有：
(2.2-14)
由于相位的提取最终要使用反正切来计算，所以求得的相位值总是在
(,]ππ-之间，而真正的相位即绝对相位就被包裹在其中，相位展开要做的工作就是由包裹相位得到真实的绝对相位，这已经超出了本文的研究范围，在此不再详述。
结论
本文系统地介绍了光学三维测量技术。通过分析可以看出,所有方法各有利弊,不存在能够满足所有场合的测量技术。因此,在实际应用中,要根据不同场合选用不同的测量技术。一些重要参数如测量精度、测量尺寸、工作效率、适用场合以及系统价位等是需要首先考虑的因素。
除上述的信息测量技术外,信息处理技术以及与实际应用紧密结合的特征提取技术也显得尤为重要。对于信息处理技术,算法的选择较为关键,处理时间与处理精度是算法的重要评判准则;对于特征提取技术,不同的应用有着不同的要求,如何准确、自动地进行模型的建立与特征的提取是其关键,也是此种技术能否广泛应用的基础。
由此可见,物体三维信息的测量技术是基础,数据处理技术是核心,特征提取技术是关键。3个部分既相互补充又相互促进,共同决定着物体三维信息测量的应用。可以预见,随着计算机技术的发展以及各种算法的提出与完善,必将带动光学三维测量技术的进一步发展与广泛应用。
参考文献
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[8]吴艳. 结构光投影三维测量方法的研究[D].西安建筑科技大学,2012.
光学非接触式三维测量技术_图文
光学非接触式三维测量技术_图文 光学三维测量技术及应用 摘要：随着现代科学技术的发展，光学三维测量已经在越来越广泛的领域起到了重要作用。本文主要对接触式三维测量和非接触式三维测量进行了介绍。着重介绍了光学三维测量技术的各种实现方法及原理。最后对目前光学三维测量的应用进行了简单介绍。 随着科学技术和工业的发展，三维测量技术在自动化生产、质量控制、机器人视觉、反求工程、CAD/CAM以及生物医学工程等方面的应用日益重要。传统的接触式测量技术存在 测量时间长、需进行测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因而不能满足现代工业发展的需要。。 光学测量是光电技术与机械测量结合的高科技。光学测量主要应用在现代工业检测。借用计算机技术，可以实现快速，准确的测量。方便记录，存储，打印，查询等等功能。 光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得物体表面点的三维空间坐标。随着现代检测技术的进步，特别是随着激光技术、计算机技术以及图像处理技术等高新技术的发展，三维测量技术逐步成为人们的研究重点。光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用。 2 三维测量技术方法及分类 三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量两大类。如图1所示。 图1 三维测量技术分类 2.1 接触式测量 物体三维接触式测量的典型代表是坐标测量机(CMM，Coordinate Measuring Machine)。CMM是一种大型精密的三坐标测量仪器[1]，它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。 三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器，有其显著的优点，包括： （1）灵活性强，可实现空间坐标点测量，方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数；（2）测量精度高且可靠；（3）可方便地进行数字运算与程序控制，有很高的智能 化程度。
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光学三维测量技术综述 1．引言 客观景物三维信息的获取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节，被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工 程、生物与医学工程等领域有着广泛的应用[1]。 三维测量方法总的包括两大类，接触式以及非接触式。如图所示。 图三维测量方法分类 接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间，这方面的技术理论已经非常完善和成熟，所以，在实际的测量中会有比较高的准确性。但 是尽管如此，依然会有一些缺点[2]： (1) 在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就很容易造成被测物体表面的划伤。 (2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后，测量头有时会出现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成影响。 (3) 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率还是相当低的。 接触式三维测量技术发展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。该方法基于精密机械，并结合了当前一些比较先进技术，如光学、计算机等。并且该方法现在已经得到了广泛的应用，特别是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。在测量过程中，三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个坐标轴上都可以移动，而且测量头可以到达被测物体上的任意一个位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就可以得到该位置的坐标，而且可以达到微米级的测量精度。但由于三坐标机测量系统成本较高，加之上述的一些缺点，广泛应用还不太现实。
非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法等非光学的非接触式三维测量方法也都可以测量物体的内部及外部结构的表面信息，且不需要破坏被测物体，但是这种测量方法的精度不高。而光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率,在CAD /CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的 应用,被公认是最有前途的三维轮廓测量方法[3]。由于光不能深入物体内部，所 以光学三维测量只能测量物体表面轮廓，因此，本文中所言光学三维测量即指光学三维轮廓测量，此后不再单独解释。 光学三维测量技术总体而言可以分为主动式光学三维测量和被动式光学三维测量，根据具体的原理又可以分为双目立体视觉测量法、离焦测量法、飞行时间法、激光三角法、莫尔轮廓术和结构光编码法等。下面就刚刚提到的几种光学三维测量技术的原理进行逐一讲解。 2.测量原理 被动式光学三维测量 双目立体视觉测量法 双目成像采用视觉原理来获得同一场景的2幅不同图像。通过对物体上同一点在2幅图像上的2个像点的匹配和检测,可以得到该点的坐标信息。测量原理如图所示。设摄像机基线长为B,视差定义为D= P1- P2,其中P1、P2为空间点W(X,Y,Z)在2像面上的投影点,则由几何关系可得Z=Bf/ D。计算出物点的深度坐标后,其它2个坐标可以通过简单的几何透视关系得出。双目视觉成像原理简单,但由于需要在两幅图像中寻找对定点的匹配,实际计算过程较为复杂。 图双目立体视觉法三维测量原理图
三维激光扫描仪的原理与其应用
三维激光扫描仪 2.1三维激光扫描仪研究背景 自上个世纪60年代激光技术已经开始出现，激光技术以其单一性和高聚积度在20世纪获得巨大发展。实现了从一维到二维直至今天广泛应用的三维测量的发展，实现了无合作目标的快速高精度测量。而且数字地球，数字城市等一系列概念的提出，我们可以看到：信息表达从二维到三维方向的转化，从静态到动态的过渡将是推动我国信息化建设和社会经资源环境可持续发展的重要武器。目前，各种各样的三维数据获取工具和手段不断地涌现，推动着三维空间数据获取向着实时化、集成化、数字化、动态化和智能化的方向不断地发展，三维建模和曲面重构的应用也越来越广泛[1]。传统的测绘技术主要是单点精确测量，难以满足建模中所需要的精度、数量以及速度的要求。而三维激光扫描技术采用的是现代高精度传感技术，它可以采用无接触方式，能够深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作。可以直接获取各种实体或实景的三维数据，得到被测物体表面的采样点集合“点云”，具有快速、简便、准确的特点。基于点云模型的数据和距离影像数据可以快速重构出目标的三维模型，并能获得三维空间的线、面、体等各种实验数据，如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。 其中，地面三维激光扫描技术的研究，已经成为测绘领域中的一个新的研究热点。它采用非接触式高速激光测量的方式，能够获取复杂物体的几何图形数据和影像数据，最终由后处理数据的软件对采集的点云数据和影像数据进行处理，并转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，能以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同项目的需要。目前这项技术已经广泛应用到文物的保护、建筑物的变形监测、三维数字地球和城市的场景重建、堆积物的测定等多个方面。 2.2 三维激光扫描技术研究现状 2.2.1 主要的三维激光扫描仪介绍 随着三维激光扫描技术研究领域的不断扩大，生产扫描仪的商家也越来越多。主要的有瑞士Leica公司，美国的FARO公司和3D DIGITAL公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、法国MENSI公司、中国的北京荣创兴业科技发展公司等。这些扫描仪在扫描距离、扫描精度、点间距和数量、光斑点的大小等指标有所不同[2]。主要的分类见图1-1和表1-1。
镜面反射物体光学三维测量技术研究
中腰分类号：ＴＮ２４７密缀：单悦代号：ｌＬ９０３ 々ｅ：０２７２０４６４ 上海大学＠／；ｌｉｔ硕士学位论文ＳＨＡＮＧＨＡｌＵＮＩＶＥＲＳｌＴＹ ＭＡＳＴＥＲ’ＳＴＨＥＳＩＳ 题｛镜面反射物体光学三维测 日量技术研究 作看陶蓬 学科专业精密仪器及机械 导师竖堑里 完成日期２００５．０６
第一章：概述 １．１课题的研究意义 “镜面反射物体光学三维测量技术研究（Ｒｅｓｅａｒｃｈ（）ｎＯｐｔｉｃａｌＴｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＳｐｅｃｕｌａｒＯｂｊｅｃｔｓ）”试图以光学方岳为手段，实现镜面反射物体（ＳｐｅｃｕｌａｒＯｂｊｅｃｔｓ）三维面形的快速测量与重建。 １９７０年代以来，光学三维测量技术以其高精度、高效率和非接触性（Ｎｏｎ—Ｃｏｎｔａｃｔ）的优点，已经在工业及民用领域得到广泛的应用和发展¨１２ｌ。首先，在工业领域，光学三维测量技术的作用是为先进制造业服务，担负起保证产品质量和提高生产效率的重任。特别是在航天航空工业、汽车制造业中，其应用可贯穿于从产品开发到制造，以及质量控制的整个生产过程；具体如在ｃＡＤ／ｃＡＭ／ｃＡＥ（计算机辅助设计／制造／工程）中替代接触式测量，用于构建逆向工程（ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）系统，为产品开发和仿真加工制造提供一一种理想的设计手段。其次，在非工业领域亦有广阔的市场空间，比如①在多媒体技术及虚拟现实技术Ｉ３Ｉ中的应用、②在医疗诊断｜４】及人类学Ｉ５Ｉ中的应用等等。 但是，现有光学三维测量主流技术及其设备主要针对的是漫反射物体（ＤｅｆｕｓｅｄＯｂｊｅｃｔｓ）的三维测量，而难以有效地测量镜面物体。而在实际应用中，大量被测物体的表面性质为镜面反射。特别是在工业领域，镜面反射物体更是占有较大比重。例如，抛光模具等精加工零部件、某些表面涂镀零件（如喷镀汽车覆盖件）、某些玻璃及塑料制品以及印刷线路板的焊点等，其表 图１－１工业中常见的镜面反射物体 （ａ）喷镀车身（ｂ）印刷线路板的焊点（ｃ）抛光模具（ｄ）精加Ｔ零部件 面性质均为镜面反射。图１．１是工程中常见的镜面反射物体。目前，对于这类零件的三维检测一般采用两种办法： 其一，呆用传统的坐标测量机（ＣＭＭ）等接触式测量设备，速度很慢； 其二，喷涂其表面，改变其反射特性为漫反射后用光学方法测量【１１，这种方法削弱了光学测量方法的非接触优点。 事实上，镜面物体的光学三维测量技术研究已严重滞后于需求的快速增氏，对其研究具有重要的科学技术价值。从实用性的角度，该技术研究来源自２２程中的实际需求，其成果必然具有良好的应用前景；从技术角度，其意义在于镜面反射物体的光学三维测量已经成为工程测量领域中一个亟待解决的技术难题，对其开展研究，有助于丰富光学三维测量领域中的知识成果，从而拓宽光学三维测量技术的应用领域。
光学非接触式三维测量技术
光学三维测量技术及应用 摘要：随着现代科学技术的发展，光学三维测量已经在越来越广泛的领域起到了重要作用。本文主要对接触式三维测量和非接触式三维测量进行了介绍。着重介绍了光学三维测量技术的各种实现方法及原理。最后对目前光学三维测量的应用进行了简单介绍。 1 引言 随着科学技术和工业的发展，三维测量技术在自动化生产、质量控制、机器人视觉、反求工程、CAD/CAM以及生物医学工程等方面的应用日益重要。传统的接触式测量技术存在测量时间长、需进行测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因而不能满足现代工业发展的需要。。 光学测量是光电技术与机械测量结合的高科技。光学测量主要应用在现代工业检测。借用计算机技术，可以实现快速，准确的测量。方便记录，存储，打印，查询等等功能。 光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得物体表面点的三维空间坐标。随着现代检测技术的进步，特别是随着激光技术、计算机技术以及图像处理技术等高新技术的发展，三维测量技术逐步成为人们的研究重点。光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用。 2 三维测量技术方法及分类 三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量两大类。如图1所示。 图1 三维测量技术分类
2.1 接触式测量 物体三维接触式测量的典型代表是坐标测量机(CMM，Coordinate Measuring Machine)。CMM是一种大型精密的三坐标测量仪器[1]，它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。 三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器，有其显著的优点，包括：（1）灵活性强，可实现空间坐标点测量，方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数；（2）测量精度高且可靠；（3）可方便地进行数字运算与程序控制，有很高的智能化程度。 早期的坐标测量机大多使用固定刚性测头，它最为简单，缺点也很多[2]。主要为（1）测量时操作人员凭手的感觉来保证测头与工件的接触压力，这往往因人而异且与读数之间很难定量描述；（2）刚性测头为非反馈型测头，不能用于数控坐标测量机上；（3）必须对测头半径进行三维补偿才能得到真实的实物表面数据。针对上述缺陷，人们陆续开发出各种电感式、电容式反馈型微位移测头，解决了数控坐标测量机自动测量的难题，但测量时测头与被测物之间仍存在一定的接触压力，对柔软物体的测量必然导致测量误差。另外测头半径三维补偿问题依然存在。三维测头的出现可以相对容易地解决测头半径三维补偿的难题，但三维测头仍存在接触压力，对不可触及的表面（如软表面，精密的光滑表面等）无法测量，而且测头的扫描速度受到机械限制，测量效率很低，不适合大范围测量。 2.2 非接触式测量 非接触式测量技术是随着近年来光学和电子元件的广泛应用而发展起来的，其测量基于光学原理，具有高效率、无破坏性、工作距离大等特点，可以对物体进行静态或动态的测量。此类技术应用在产品质量检测和工艺控制中，可大大节约生产成本，缩短产品的研制周期，大大提高产品的质量，因而倍受人们的青睐。随着各种高性能器件如半导体激光器LD、电荷耦合器件CCD、CMOS图像传感器和位置敏感传感器PSD等的出现，新型三维传感器不断出现，其性能也大幅度提高，光学非接触测量技术得到迅猛的发展。 非接触式三维测量不需要与待测物体接触，可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量。其中，光学非接触式测量是非接触式测量中主要采用的方法。 3 光学非接触式三维测量的概述 光学非接触式三维测量技术根据获取三维信息的基本方法可分为两大类：被动式与主动式。如图2所示[3]。 主动式是利用特殊的受控光源（称为主动光源）照射被测物，根据主动光源的已知结构信息（几何的、物体的、光学的）获取景物的三维信息。被动式是在自然光（包括室内可控照明光）条件下，通过摄像机等光学传感器摄取的二维灰度图像获取物体的三维信息。
光学测量技术详解
光学测量技术详解(图文) 光学测量是生产制造过程中质量控制环节上重要的一步。它包括通过操作者的观察进行的快速、主观性的检测，也包括通过测量仪器进行的自动定量检测。光学测量既可以在线下进行，即将工件从生产线上取下送到检测台进行测量；还可以在线进行，即工件无须离开产线；此外，工件还可以在生产线旁接受检测，完成后可以迅速返回生产线。 人的眼睛其实就是一台光学检测仪器；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。当物体靠近眼球时，物体的尺寸感觉上会增加，这是因为图像在视网膜上覆盖的“光感器”数量增加了。在某一个位置，图像达到最大，此时再将物体移近时，图像就会失焦而变得模糊。这个距离通常为10英寸（250毫米）。在这个位置上，图像分辨率大约为0.004英寸（100微米）。举例来说，当你看两根头发时，只有靠得很近时才能发现它们之间是有空隙的。如果想进一步分辨更加清楚的细节的话，则需要进行额外的放大处理。 本部分设定了隐藏，您已回复过了，以下是隐藏的内容 人的眼睛其实就是一台光学检测仪器；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。本图显示了人眼成 像的原理图。 人眼之外的测量系统 光学测量是对肉眼直接观察获得的简单视觉检测的强化处理，因为通过光学透镜来改进或放大物体的图像，可以对物体的某些特征或属性做出准确的评估。大多数的光学测量都是定性的，也就是说操作者对放大的图像做出主观性的判断。光学测量也可以是定量的，这时图像通过成像仪器生成，所获取的图像数据再用于分析。在这种情况下，光学检测其实是一种测量技术，因为它提供了量化的图像测量方式。 无任何仪器辅助的肉眼测量通常称为视觉检测。当采用光学镜头或镜头系统时，视觉检测就变成了光学测量。光学测量系统和技术有许多不同的种类，但是基本原理和结构大致相同。
光学测量原理与技术
第一章、对准、调焦 ?对准、调焦的定义、目的； 1.对准又称横向对准，是指一个对准目标与比较标志在垂直瞄准轴方向像的重合或置 中。目的：瞄准目标（打靶）；精确定位、测量某些物理量（长度、角度度量）。 2、调焦又称纵向对准，是指一个目标像与比较标志在瞄准轴方向的重合。 目的： --使目标与基准标志位于垂直于瞄准轴方向的同一个面上，也就是使二者位于同一空间深度； --使物体（目标）成像清晰； --确定物面或其共轭像面的位置——定焦。 人眼调焦的方法及其误差构成； 清晰度法：以目标和标志同样清晰为准则； 消视差法：眼睛在垂直视轴方向上左右摆动，以看不出目标和标志有相对横移为准则。可将纵向调焦转变为横向对准。 清晰度法误差源：几何焦深、物理焦深； 消视差法误差源：人眼对准误差； 几何焦深：人眼观察目标时，目标像不一定能准确落在视网膜上。但只要目标上一点在视网膜上生成的弥散斑直径小于眼睛的分辨极限，人眼仍会把该弥散斑认为是一个点，即认为成像清晰。由此所带来的调焦误差，称为几何焦深。 物理焦深：光波因眼瞳发生衍射，即使假定为理想成像，视网膜上的像点也不再是一个几何点，而是一个艾里斑。若物点沿轴向移动Δl后，眼瞳面上产生的波像差小于λ/K(常取K=6)，此时人眼仍分辨不出视网膜上的衍射图像有什么变化。 （清晰度）人眼调焦扩展不确定度： （消视差法）人眼调焦扩展不确定度： 人眼摆动距离为b ?对准误差、调焦误差的表示方法； 对准：人眼、望远系统用张角表示；显微系统用物方垂轴偏离量表示； 调焦：人眼、望远系统用视度表示；显微系统用目标与标志轴向间距表示 ?常用的对准方式； 22 22 122 8 e e e D KD αλ φφφ ???? ''' =+=+ ? ? ???? 121 11e e l l D α φ'=-= 22 21 118 e l l KD λ φ'=-= e b δ φ'=
光学三维测量技术综述
光学三维测量技术综述 1．引言 客观景物三维信息的获取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节，被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工程、 生物与医学工程等领域有着广泛的应用[1]。 三维测量方法总的包括两大类，接触式以及非接触式。如图 1.1 所示。 图1.1 三维测量方法分类 接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间，这方面的技术理论已经非常完善和成熟，所以，在实际的测量中会有比较高的准确性。但是尽 管如此，依然会有一些缺点[2]： (1) 在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就很容易造成被测物体表面的划伤。 (2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后，测量头有时会出现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成影响。 (3) 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率还是相当低的。 接触式三维测量技术发展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。该方法基于精密机械，并结合了当前一些比较先进技术，如光学、计算机等。并且该方法现在已经得到了广泛的应用，特别是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。在测量过程中，三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个坐标轴上都可以移动，而且测量头可以到达被测物体上的任意一个位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就可以得到该位置的坐标，而且可以达到微米级的测量精度。但由于三坐标机测量系统成本较高，加之上述的一些缺点，广泛应用还不太现实。 非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法
光学三维测量技术与应用
光学三维测量技术 1. 引言 人类观察到的世界是一个三维世界, 尽可能准确和完备地获取客观世界的三维信息才能尽可能准确和完备地刻画和再现客观世界。对三维信息的获取和处理技术体现了人类对客观世界的把握能力,因而从某种程度上来说它是体现人类智慧的一个重要标志。 近年来, 计算机技术的飞速发展推动了三维数字化技术的逐步成熟, 三维数字化信息获取与处理技术以各种不同的风貌与特色进入到各个不同领域之中 [1]:在工业界, 它已成为设计进程中的一环, 凡产品设计、模具开发等, 无一不与三维数字化测量有着紧密的结合; 虚拟现实技术需要大量景物的三维彩色模型数据, 以用于国防、模拟训练、科学试验; 大量应用的三坐标测量机和医学上广泛应用的 CT 机和 MRI 核磁共振仪器,也属于三维数字化技术的典型应用;文化艺术数字化保存(意大利的古代铜像数字化、中国的古代佛像数字化、古文物数字化保存、 3D 动画的模型建构(电影如侏罗纪公园、太空战士、医学研究中的牙齿、骨头扫描, 甚至人类学的考古研究等, 都可运用三维扫描仪快速地将模型扫描、建构; 而随着宽频与计算机速度的提升, Web 3D的网络虚拟世界将更为普及,更带动了三维数字化扫描技术推广到商品的电子商务、产品简报、电玩动画等, 这一切都表明未来的世界是三维的世界。 目前, 有很多种方法可用来获取目标物体的三维形状数据, 光学三维测量技术(Optiacl Three-dimensional Measurement Techniques因为其“非接触”与“全场”的特点,是目前工程应用中最有发展前途的三维数据采集方法。光学三维测量技术是二十世纪科学技术飞速发展所催生的丰富多彩的诸多实用技术之一, 它是以现代光学为基础, 融光电子学、计算机图像处理、图形学、信号处理等科学技术为一体的现代测量技术。它把光学图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用, 其目的是从图像中提取有用的信号, 完成三维实体模型的重构 [2]。随着激光技术、精密计量光栅制造技术、计算机技术以及图像处理等高新技术的发展, 以及不断推出的高
光学三维形貌测量技术的分析和应用
－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 [1]V.Srinivasan,H.C.Liu,Maurice Halioua.Automated phase -measuring profilometry:a phase mapping approach.Applied Optics,1985,24(2):185-188.[2]潘伟,赵毅,阮雪榆.相移法在光栅投影测量中的 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,á??fS x y áááá ???????á（3） ,2L z x y k d f áá???á
光学三维轮廓测量技术进展
第 35卷第 3期激光与红外 Vol . 35, No . 3 2005年 3月 LASER & I N FRARE D March, 2005 ?综述与评论? 文章编号 :100125078(2005 0320143205 光学三维轮廓测量技术进展 李永怀 , 冯其波 (北京交通大学理学院 , 北京 100044摘要 :, , , , 摄影法 , , 。 关键词 :; :A Overvi ew of Opti cal 3D Profile M easure ment L I Yong 2huai, FENG Q i 2bo (School of Science, Beijing J iaot ong University, Beijing 100044, China Abstract:An overvie w of s ome main op tical methods are p r ovided on 3D shape measure ment, that is ti m e 2of 2flight, structured light, phase measurement, interfer ometry and phot ogra mmetry . Advantages and li m itati ons are discussed, their current research focus and pers pective trend are p resented . Key words:3D measure ment; op tical method; overvie w 1引言 光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率 , 在 CAD /CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的应用 , 被公认是最有前途的三维轮廓测量方法。
高精度光学测量微位移技术综述
word格式文档 高精度光学测量微位移技术综述 *** （******大学光电**学院，重庆400065） 摘要 微位移测量技术在科学与工业技术领域应用广泛。光学测量微位移技术与传统测量方法相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、体积小、重量轻等优点。本文介绍了几种高精度光学测量微位移的方法，从激光三角法、激光干涉法、光栅尺法、光纤光栅法、X射线干涉法和F-P干涉法几个类别对各种微位移测量原理和仪器进行了系统的分析和比较，并对各种方法的特点进行了归纳，对光学微位移测量方法的发展趋势进行了概括。 关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势 1 引言 随着科学技术的发展，微小位移的检测手段已发展到多种，测量准确度也不断提高。目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术两大类。电学测量技术又包括电阻法、电容和电感法以及电涡流法等，其中，电容和电感法发展迅速，较为常用。目前，三端电容传感器可测出5×10－5μm的微位移，最大稳定性为每天漂移几个皮米[1]。而显微镜测量技术种类较多，主要有高性能透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜（包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）等二十多个品种[2]。按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量[3]、光杠杆法[1,4]、光栅尺测量法[5]、光纤位移测量法[5]和激光干涉法等，测量分辨力在 专业资料整理
几十皮米到几纳米之间。此外，利用X射线衍射效应进行位移测量的X射线干涉技术近年来备受关注，其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨力，避免了光学干涉仪的各种非线性误差[6]。现将主要的具有纳米量级及以上分辨力的微位移测量技术概括如表1所示。 纵观位移测量技术的发展历程，如果说扫描探针技术为高分辨力位移测量领域带来了革命性变革，那么近几十年来激光技术的发展则将该领域带入了一个崭新的时代。由表1可见，目前电容传感器和SPM的测量分辨力也很高，但它们的共同缺陷是当溯源至国际标准长度单位时，必须借助激光干涉仪等方法进行标定和校准。根据1983年第17次度量大会对“米”的新定义，激光干涉法对几何量值溯源有着天然优越性，同时具有非接触测量、分辨力高、测量速度快等优势。本文将对目前主要的光学微位移测量技术介绍和比较分析。 表1 常用微位移测量技术 仪器种类分辨力/nm 测量范围 电容传感器0.05-2 10nm-300μm 电感传感器 5 10μm SPM 0.05 1-10μm 激光三角测头 2.5 100-500μm 光纤位移传感器 2.5 30-100μm 双频激光干涉仪0.1 >10m 光栅尺0.1-10 70-200mm X射线干涉仪0.005 200μm F-P干涉仪0.001 5nm-300μm 2 光学微位移测量技术概述 2.1 激光三角法微位移测量技术 随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的不断提高，传统的接触式测量已经无法满足工业界的需求。而非接触测量由于其良好的精确性和
光学三维测量系统标准
VDI/VDE准则2634 第1部分 德国工程师协会(VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE，简称VDI ) 德国电气工程师协会(VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK，简称VDE) 光学三维测量系统，逐点探测成像系统 准则内容 初步说明（） 1适用范围 2符号参数 3验收检测和复检原则 4验收检测 4.1品质参数“长度测量误差”的定义 4.2检测样本 4.3测量程序 4.4结果评估 4.5等级评定 5检查 5.1测量流程 5.2评估 5.3检测间隔（时效）和报告 参考书目
初步说明（概述） 光学三维测量系统是一种通用的测量和测试设备。在所有情况下，使用者一定要确保使用中的光学三维测量系统达到所需的性能规格，特别是最大允许测量误差不能超出要求。就长远而言，这只能通过统一的验收标准和对设备的定期复检来确保。这个职责归测量设备的制造者和使用者共同所有。 使用价位合理的检测样本且快速简单的方法被各种样式、自由度、型号的光学三维测量系统的验收和复检所需要。这个目的可以通过长度标准和跟典型工件同样方式测量的检测样本实现。 本VDI/VDE准则2634的第一部分介绍了评估逐点探测式光学三维测量成像系统的准确性的实用的验收和复检方法。品质参数“长度测量误差”的定义与ISO 10360-2中的定义类似。独立的探测误差测试是不需要的，因为这个影响已经在长度测量误差的测定中考虑进去了。 VDI/VDE准则2634的第二部分介绍了用于表面探测的系统。 本准则由VDI/VDE协会测量与自动控制（GMA）的“光学三维测量”技术委员会和德国摄影测量与遥感协会的“近景摄影测量”工作组起草。在联合委员会中，知名用户的代表与来自大学的专门研究光学三维测量系统领域的成员合作。 1适用范围 本准则适用于可移动的、灵活的光学三维测量系统，该系统有一
现代光学三维测量原理
现代光学三维测量原理 第1章光学三维测量基础知识 光学三维测量就是指用光学原理来采集物体表面三维空间信息的方法和技术，与传统的接触式测量相比，它非接触式的。近二十年来，随着光学技术、数字摄像技术及计算机技术的迅速发展，光学三维测量技术也获得了极大的发展，新的理论与方法不断被发现和开发，逐步解决了许多过去阻碍实际应用的问题。在1994年的国际光学学会的以信息光学的年会上，首次将光学三维测量列为信息光学前沿七个主要领域和方向之一。 1.1 光学测量的基本概念 1)光学测量——就是利用光学图像进行的测量，通过图像处理分析对目标的位置、尺 寸、形状和目标间的相互关系等参数进行测量。 2)摄影测量——通常不包括利用特殊的光学手段、如全息干涉、栅格线法等进行的光 学测量。用航空或卫星照片进行的大地测量则习惯上称为摄影测量。近景摄影测量 通常指对几十厘米到几十米距离物体的摄影测量，通常也属三维测量的范畴。 3)光学三维测量——利用光学手段和图像处理分析方法并运用计算机图形学的理论 来数字化再现物体的三维形态，在此基础上，从而可获取物体各部分间任意的相互 尺寸关系。 1.2 三维光学测量常用的方法 光学三维测量的基本方法可以分为两大类：被动三维测量和主动三维测量。 被动三维测量采用非结构光照明方式，它根据被测空间点在不同位置所拍摄的像面上的相互匹配关系，来解算空间点的三维坐标。采用双摄像机的系统与人眼双目立体视觉的原理相似，因此，该方法常用于对三维目标的识别、理解，以及位置、形态的分析，即在机器视觉（计算机视觉）领域中广泛应用。 主动三维测量采用结构光照射方式，由于三维面形对结构光场的调制，可以从携带有三维面形信息的观察光场中解调得到三维面形数据。这种方法具有较高的测量精度，因此大多数以三维面形测量为目的的三维测量系统都采用主动三维测量方式。结构光通常采用调制过的扇面激光光源和以白光为光源的投影光栅方式，又分别称为激光法三维测量和投影光栅法三维测量。激光光源具有亮度高、方向性强和单色性好，易于实现调制等优点，所以在三维测量领域得到广泛应用；白光光源的结构光照明方式具有成本低、结构简单的优点，特别在面结构光照明的三维测量中得到越来越多的应用。 1.图像分析法（Image Analysis Methods） 一个物体在两个不同位置上拍摄图像，通过确定物体同一点在不同像面上的相互匹 配关系，来获得物体空间点的三维坐标。由于匹配精度的影响，图像分析法对形状 的描述主要是用形状上的特征点、边界线与特征描述物体的形状，故较难精确地描 述复杂曲面的三维形状。
实验一、三维面型测量
光学传感三维面形测量 非接触三维自动测量是随着计算机技术的发展而开展起来的新技术研究，它包括三维形体测量﹑应力形变分析和折射率梯度测量等方面。应用到的技术有莫尔条纹、散斑干涉、全息干涉和光阑投影等光学技术和计算机条纹图像处理技术。条纹投影以及各种光阑投影自动测量技术在工业生产控制与检测、医学诊断和机器人视觉等领域正占有越来越重要的地位。本实验是利用投影式相移技术，对形成的被测物面条纹进行计算机相移法自动处理的综合性实验。 【实验目的】 通过本实验了解投影光栅相位法的基本原理;了解一种充分发挥计算机特长的条纹投影相位移处理技术。对于非接触测量有一定的感性认识。 【基本原理】 投影光栅相位法是三维轮廓测量中的热点之一，其测量原理是光栅图样投射到被测物体表面，相位和振幅受到物面高度的调制使光栅像发生变形，通过解调可以得到包含高度信息的相位变化，最后根据三角法原理完成相位---高度的转换。根据相位检测方法的不同，主要有Moire 轮廓术、Fourier 变换轮廓术，相位测量轮廓术，本实验就是采用了相位测量轮廓术。 相位测量轮廓术采用正弦光栅投影相移技术。基本原理是利用条纹投影相移技术将投影到物体上的正弦光栅依次移动一定的相位，由采集到的移相变形条纹图计算得到包含物体高度信息的相位。 基于相位测量的光学三维测量技术本质上仍然是光学三角法，但与光学三角法的轮廓术有所不同，它不直接去寻找和判断由于物体高度变动后的像点，而是通过相位测量间接地实现，由于相位信息的参与，使得这类方法与单纯基于光学三角法有很大区别。 1.1相位测量轮廓术的基本原理 将规则光栅图像投射到被测物表面，从另一角度可以观察到由于受物体高度的影响而引起的条纹变形。这种变形可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号。采集变形条纹并对其进行解调，从中恢复出与被测物表面高度变化有关的相位信息，然后由相位与高度的关系确定出高度，这就是相位测量轮廓术的基本原理。 投影系统将一正弦分布的光场投影到被测物体表面,由于受到物面高度分布的调制, 条纹发生形变。由CCD 摄像机获取的变形条纹可表示为: (,)(,)(,)cos[(,)]n n I x y A x y B x y x y δ=+Φ+ (n=0, 1, … , N-1) （1） 其中n 表示第n 帧条纹图。(,)n I x y 、A(x,y)和B(x , y ) 分别为摄像机接收到的光强值、物面背景光强和条纹对比度。δn 附加的相移值, 如采用多步相移法采集变形条纹图,则每次相移量δn 。所求被测物面上的相位分布可表示为: 1010(,)sin(2/)(,)arctan (,)cos(2/)N n n N n n I x y N x y I x y N ππ-=-=??????Φ=??????∑∑ （2） 用相位展开算法可得物面上的连续相位分布(,)x y Φ。已知(,)r x y Φ为参考平面上的连
三维光学轮廓仪原理【详解】
三维光学轮廓仪原理 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 一、三维光学轮廓仪特征： 1.业界最高的垂直分辨率，最强大的测量性能； 2.0.5~200倍的放大倍率； 3.任何倍率下亚埃级至毫米级垂直测量量程； 4.三维光学轮廓仪测量硬件的独特设计，增强生产环境中的可靠性和重复性；较高的震动 的容忍度和GR&R测量的能力专利的自动校准能力； 5.多核处理器下运行的Vision64软件，大大提高三维表面测量和分析速度数据处理速度 提高几十倍；分析速度提高十倍； 6.无以伦比的大量数据无缝拼接能力 7.三维光学轮廓仪高度直观的用户界面，拥有业界最强的实用性，操作简便和分析功能强 大优化的用户界面大大简化测量和数据分析过程；独特的可视化操作工具；可自行设置数据输出的界面； 二、原理： 三维光学轮廓仪是利用白光干涉扫描技术为基础研制而成的用于样品表面微观形貌检
测的精密仪器。它的显著特点是可以达到纳米级的检测精度，并可以快速获取被测工件表面三维形貌和数据进行检测，其主要用途是用于成品的质量管理，确保良品合格率。可广泛应用于各类精密工件表面质量要求极高的如：半导体、微机电、纳米材料、生物医疗、精密涂层、科研院所、航空航天等领域。可以说只要是微型范围内重点部位的纳米级粗糙度、轮廓等参数的测量，除了三维光学轮廓仪，没有其它的仪器设备可以达到其精度要求。 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.
光学测试技术复习资料.
光学检测原理复习提纲 第一章 基本光学测量技术 一、光学测量中的对准与调焦技术 1、对准和调焦的概念(哪个是横向对准与纵向对准？) P1 对准又称横向对准，指一个目标与比较标志在垂轴方向的重合。调焦又称纵向对准，是指一个目标像与比较标志在瞄准轴方向的重合。 2、常见的五种对准方式。 P2 压线对准，游标对准。。。。 3、常见的调焦方法 最简便的调焦方法是：清晰度法和消视差法。p2 二、光学测试装置的基本部件及其组合 1、平行光管的组成、作用；平行光管的分划板的形式（abcd ）。P14 作用：提供无限远的目标或给出一束平行光。 组成:由一个望远物镜（或照相物镜）和一个安置在物镜 焦平面上的分划板。二者由镜筒连在一起，焦距 1000mm 以上的平行光管一般都带有伸缩筒，伸缩筒 的滑动量即分划板离开焦面的距离，该距离可由伸 缩筒上的刻度给出，移动伸缩筒即能给出不同远近 距离的分划像（目标）。 2、什么是自准直目镜（P15）（可否单独使用？），自准直法？ 一种带有分划板及分划板照明装置的目镜。Zz 自准直：利用光学成像原理使物和像都在同一平面上。 3、；高斯式自准直目镜（P16）、阿贝式自准直目镜（P16）、双分划板式自准直目镜（P17）三种自准直目镜的工作原理、特点。P15—p17（概念，填空或判断） 1高斯式自准直目镜缺点--分划板只能采用透明板上刻不透光刻线的形式，不能采用不透明板上刻透光刻线的形式，因而像的对比度较低，且分束板的光能损失大，还会产生较强的杂光。 2阿贝式自准直目镜---特点射向平面镜的光线不能沿其法线入射，否则看不到亮“+”字线像。阿贝目镜大大改善了像的对比度，且目镜结构紧凑，焦距较短，容易做成高倍率的自准直仪。 主要缺点：直接瞄准目标时的视轴（“+”字刻度线中心与物镜后节点连线）与自准直时平面 （a ）"+"字或"+"字 刻线分划板； （b ）分辨率板； （c ）星点板； （d ）玻罗板