三维测量技术发展现状及趋势

数字全息法
BS1
Laser
M2
PZT
M3
BS2
L
PC
CCD
M1
Object BS3
数字全息法
记录的数字全息图
昆虫翅膀的再现像
单目视觉法
单目视觉法采用摄 像机得到三维景物 在光敏探测器上的 二维透视图像，主 要包括聚焦法和离 焦法。
离焦法原理图
双目视觉法
立体视觉的研究主要 由以下三部分组成： * 摄像机模型的建立 和标定 * 立体匹配 * 三维重建
相位测量法（PMP ）
相位测量法（PMP ）
V (, v) F{I( x, y)}
傅立叶变换法
相位测量法（PMP ）
相位测量法（PMP ）
相移干涉测量术
Interferograms
t
iN
Ii sin i
a
tan
i0 iN
Ii cosi
i0
相移干涉测量术
相移干涉测量术
数字全息法
基本过程为：采用激光照射待 测样品产生全息图，利用CCD记 录全息图并以数字方式存入计 算机，然后在计算机内模拟全 息图的再现过程得到以层析方 式显示的三维物场，进而对三 维物场进行定量分析、测量和 三维重构。
扫描隧道显微镜（ STM)
扫描隧道显微镜（
STM)
这是中国科学院 化学所的科技人 员利用纳米加工 技术在石墨表面 通过搬迁碳原子 而绘制出的世界 上最小的中国地 图
原子力显微镜（AFM）
AFM 的基本结构与 STM 相 似, 差别在于并非利用电子隧 道效应，而是利用原子之间 的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表 面特性。
双目视觉法
基本原理如图所示，P为空间任意 一点，p1、p2分别为P点在摄像机 C1、C2上的成像点 ，通过立体视 觉 计 算 即 可 由 像 点 p1、p2 的 坐 标 ( ui,vi)(i=1,2) 重 建 点 P 的 三 维 坐 标 (X,Y,Z)。在这个重建的过程中，要 解决图像特征点的提取与匹配、摄 像机标定和三维重建三个基本问题 。
非光学方法
CT、STM、AFM
应用领域
• 计算机辅助设计与制造（CAD/CAM)（ 如服装设计、工业检测等）
• 逆向工程（RE） • 快速原型（RP）及虚拟现实（VR）(如
自动导航，计算三维动画模拟等） • 医学（ CT、MRI等）
坐标测量机（CMM）
坐标测量机是一种几何量测量仪器，它的基 本原理是将被测零件放入它允许的测量空间 ，精密地测出被测元素上测量点的X、Y、Z 三个坐标值，根据这些点的数值经过计算机 数据处理，拟合成相关几何元素，如圆、球 、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算得出 形状、位置公差及其它几何量数据。它以精 密机械为基础，综合应用了电子技术、计算 机技术、光学技术和数控技术等先进技术。
•可以预见，随着计算机技术和各项相关技术的发 展，必将带动三维测量技术的发展和广泛应用。
谢谢大家
扫描隧道显微镜（STM)
扫描隧道显微镜（STM)
扫描隧道显微镜是 根据量子力学中的隧道效 应原理，通过探测固体表 面原子中电子的隧道电流 来分辨固体表 面形貌的新 型显微装置。
扫描隧道显微镜（STM)
根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属 中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云 密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面 以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为 1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖 作为探针，将它与被研究物质(称为样品)的表面 作为两
Z OY
X
p1
u1
v1
O1
C1
P
u2 p2
O2 v2
C2
扫描隧道显微镜（STM)
• 1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G． Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世 界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Micro－scoPe，简称STM）．STM 使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表 面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质 ，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研 究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际 科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之 一．为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的 杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物 理学奖金．
个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两者的电子云略有重叠， 如图所示。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间 的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I 。
扫描隧道显微镜（STM)
两种工作方式
扫描隧道显微镜（
STM)
高 序 热 解 石 墨 的 结 构 图 像
三维测量技术发展现状及趋势
引入
如何获取这些物体 的三维信息呢？ 这就涉及到三维测 量技术。随着科技 的反展，各种技术 不断涌现，并且在 很多的领域得到应 用。
三维测量技术的分类
接触式测量 非接触式测量
坐标测量机 光学方法
主动式 被动式
激光扫描法 激光测距法 相位测量法 数字全息法
单目视觉法 双目视觉法
激光三维扫描仪
主要用途：工业设计中采集转换研究设计之物件的CAD •逆向工程：为原始部件实体，建立三维CAD数据； •用于计算机辅助工程设计分析的三维形状捕捉获取（CAE 和FEA）； •医疗应用：医学外科规划（上颔面，牙齿等整形外科）矫正和修补术，塑 料外科术运用，医学人体测量； •数字化档案：博物馆，人工制品和古文物记录考古学，人类学研究； •在线质量控制检查，用于生产线上产品的质量控制（例如CAI，CAT）； •样品检查；工具和模具检查。
坐标测量机（CMM）
坐标测量机（CMM）
• 德国Klocke公司的3DNanofinger是一款集纳米 级三维坐标测量与表面形 貌测量为一体的综合测量 设备
• 1．测量范围：（可选） X=10,20,30或50mm； Y=10,20,30或50 mm Z=10或20 mm 2．移动分辨率：1nm 3．移动速度：最快达到
（2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（ non-contact AFM），探针与试片的距离约数十到数百Å。
小结
•系统地介绍了物体三维信息测量的各种技术及其 基本原理。
•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、测 量效率、应用场合以及系统价格等都是需要综合 考虑的因素。
2 mm/s ４.探针分辨率：0.5nm
激光扫描法
近年来随着激光技术的发展，激光三 角形法（Laser-based triangulation）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。它的基本原理是光学三角形 原理。
激光三维扫描仪
其工作原理是使用激光三角测距原理 ，通过光源孔发射出一束水平的激光 束来扫描物体。该激光线经过旋转平 面镜的作用，改变角度，使得激光线 发射到物体表面。物体表面反射激光 束，每一条激光线都通过CCD传感器 采集成一帧数据。根据物体表面不同 的形状，每条激光线反射回来的信息 中所包含表面形状和颜色数据。
原子力显微镜（AFM ）
在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现 待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式 发展出两种操作模式：
（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（ contact AFM），探针与试片wk.baidu.com距离约数个Å。
激光测距法
基本原理是直接测量光束 的传播时间。在测量时， 目标脉冲经反射回到接收 探测器，参考脉冲经光导 纤维被探测器接收。这两 个脉冲的时间差转换成距 离。 也称时间飞行法
自动扫描激光测距仪
主要技术指标： 1、激光器：波长 620nm~690nm 出 射功率：≤1mW 2、工作距离：0~50m 3、自动扫描范围： ±6°~±90° 4、测距精度：±5mm