光学三维形貌测量技术的分析和应用

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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,ÁÂÃfS x y ÁÁÁÁ

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