光学三维测量技术综述

光学检测的综述光学检测的综述摘要随着科学技术和⼯业的发展，测量检测技术在⾃动化⽣产、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⼒、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。

近年来由于光学⾮接触式测量技术克服了上述缺陷，其⾮接触、⾼效率、⾼准确度和易于实现⾃动化的特点，成为近年来测量技术研究的热点。

本⽂介绍了多种基于各种测量原理的光学检测⽅法。

关键词:光学检测；三维测量; 数字相移;1.光电检测技术光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、衍射、折射、透射等）进⾏检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。

由输⼊电路、放⼤滤波等检测电路提取有⽤的信息，再经过A/D变换接⼝输⼊微型计算机运算、处理，最后显⽰或打印输出所需检测物体的⼏何量或物理量[1]。

如图1所⽰光电检测系统的组成。

图1 光电检测系统光电检测技术的特点：–⾼精度：从地球到⽉球激光测距的精度达到1⽶。

–⾼速度：光速是最快的。

–远距离、⼤量程：遥控、遥测和遥感。

–⾮接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进⾏测量。

–寿命长：光电检测中通常⽆机械运动部分，故测量装置寿命长。

–数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能⼒。

光电检测的⽅法：直接作⽤法差动测量法补偿测量法脉冲测量法光电检测系统◆主动系统/被动系统(按信息光源分)–主动系统通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测物体调制。

如图2所⽰图2 主动系统的组成框图–被动系统光信号来⾃被测物体的⾃发辐射。

如图3所⽰图3 被动系统的组成框图◆红外系统/可见光系统(按光源波长分)[2]–红外系统多⽤于军事,有⼤⽓窗⼝,需要特种探测器。

–可见光系统多⽤于民⽤◆点探测/⾯探测系统(按接受系统分)–⽤单元探测器接受⽬标的总辐射功率。

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] 。

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。

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。

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。

三维测量原理三维测量是一种非常重要的测量方法，它可以在三个方向上获取物体的尺寸和形状信息。

在工业制造、建筑设计、医学影像等领域都有着广泛的应用。

三维测量的原理是基于光学、机械、电磁等技术，通过精密的仪器设备和复杂的算法来实现。

本文将介绍三维测量的基本原理和常见的技术方法。

首先，我们来看光学三维测量的原理。

光学三维测量是利用相机和投影仪等光学设备，通过测量物体表面的光照信息来获取其三维形状。

这种方法可以分为结构光投影和立体视觉两种。

结构光投影是通过投射编码的光条或光斑到物体表面，再通过相机捕捉被投影的光斑，通过计算得到物体表面的三维坐标。

而立体视觉则是利用多个相机同时观察物体，通过计算不同视角下的图像之间的关联性来获取三维信息。

光学三维测量具有非接触、高精度、高效率等优点，适用于对物体表面进行精确测量和形状重建。

其次，机械三维测量是利用机械设备来获取物体的三维信息。

常见的方法包括坐标测量机、激光测距仪、测绘仪等。

坐标测量机是一种精密的三维测量设备，可以通过机械臂的运动来实现对物体三维坐标的测量。

激光测距仪则是利用激光束对物体进行扫描，通过测量激光束的反射时间或相位来计算物体表面的三维坐标。

测绘仪则是利用全站仪或GPS等设备对地面进行测量，通过测量地面点的坐标来实现对物体形状的测量。

机械三维测量具有测量范围广、适用性强等优点，适用于对大型物体和复杂形状的测量。

最后，电磁三维测量是利用电磁波或磁场来获取物体的三维信息。

常见的方法包括激光雷达、GPS、地磁测量等。

激光雷达是利用激光束对物体进行扫描，通过测量激光束的反射时间或相位来计算物体表面的三维坐标。

GPS则是利用卫星信号来获取地面点的坐标，通过多个接收器的组合来实现对物体的三维测量。

地磁测量则是利用地磁场的变化来获取地面点的坐标，适用于室内环境和金属表面的测量。

电磁三维测量具有远距离测量、全天候测量等优点，适用于对地形地貌和建筑结构的测量。

综上所述，三维测量是一种重要的测量方法，它可以通过光学、机械、电磁等技术来获取物体的三维信息。

基于光学技术的三维检测与测量随着科学技术的不断发展，人们对于实物的量测和检测需求也越来越高。

而传统的二维量测方法已经不能满足现代人的需求，更加精准和快速的三维量测方法因此应运而生。

其中基于光学技术的三维检测与测量技术非常的受人们的青睐，因其非接触测量、高精度、高速度等特点而得到广泛的应用。

一、光学三维检测技术光学三维检测技术是一种通过发射光源，在观测区域内接收返回的光线，利用光学的原理，进行三维形状和尺寸量测的检测技术。

光学三维检测具有接触面积小、高精度、高速度等显著特点，是应用相机成像、投影等技术实现的。

目前，光学三维检测技术主要包括结构光法、激光三角测量法、视觉测量法及数字全息术等。

二、结构光法结构光法依托于光源对被测物体表面投射光图案进行三维检测。

利用由投影器投射的光栅或随机图案，位于另一固定位置的相机采集对应图案，根据成像图案的偏移量，便可推断出相机与目标投影面之间的距离。

从而可以计算出被测物体的三维测量结果。

结构光法可以实现高速度测量，准确度比较高，同时也可以适用于很多不规则物体的量测，因此受到了广泛的关注和应用。

例如除了常规工业制造过程中的三维量测外，近年来，也引入半导体厂所使用的牛顿环对象检测以及胶合板打孔定位等方面，成功取得了应用。

三、激光三角测量法激光三角测量法，顾名思义，就是利用激光进行三角测量，常用于高精度测量。

其原理就是三角形中，若知道了两条边的长度和其夹角，那么就可以计算出第三条边的长度。

利用此原理，我们可以将激光光束投射到被测物体表面，观测光线在表面上反射的位置，计算反射位置与投射位置之间的夹角，再与激光光线和被测物体表面法线（直接垂直于表面的一条线）之间的夹角，即可得出被测物体所在空间的位置坐标。

一旦给定了空间坐标的数据，就可以得到被测物体的三维形状和尺寸测量结果。

四、视觉测量法视觉测量法简单来说，就是利用飞行时间被称为“TOF“的技术（利用飞行时间计算距离），测定距离来获得物体测量数据。

光学三维原理光学三维技术是利用光学原理获取物体表面的三维信息，从而重建物体表面的三维模型。

以下是光学三维原理的主要内容：1. 三角测量原理三角测量原理是利用光线反射和折射的原理，通过测量光线与物体表面的交点，确定物体的三维坐标。

该方法需要使用激光束或光源对物体表面进行照射，并使用摄像机拍摄光线与物体表面的交点。

通过对交点的坐标进行计算，可以确定物体的三维位置。

2. 相位测量原理相位测量原理是利用光线在物体表面上的相位变化，通过测量相位的变化量来确定物体的三维位置。

该方法需要在物体表面上粘贴特定的编码图案，并使用摄像机拍摄图案的变形。

通过对变形图案的相位进行分析，可以确定物体的三维位置。

3. 立体摄影法立体摄影法是利用两个或多个摄像机从不同的角度拍摄同一物体，通过图像之间的差异来确定物体的三维位置。

该方法需要将多个摄像机的图像进行对齐和匹配，以确定物体的三维坐标。

4. 激光扫描技术激光扫描技术是利用激光束对物体表面进行扫描，通过测量激光束与物体表面的交点来确定物体的三维位置。

该方法需要使用高速激光扫描仪和精确的控制系统，以实现高精度的三维测量。

5. 光栅纹理技术光栅纹理技术是利用光栅投影到物体表面上的纹理信息，通过分析纹理的变化来确定物体的三维位置。

该方法需要在物体表面上粘贴特定的编码图案，并使用摄像机拍摄图案的变形。

通过对变形图案的纹理进行分析，可以确定物体的三维位置。

6. 相位差技术相位差技术是利用光线在物体表面上的相位变化，通过测量相位的变化量来确定物体的三维位置。

该方法需要在物体表面上粘贴特定的编码图案，并使用摄像机拍摄图案的变形。

通过对变形图案的相位进行分析，可以确定物体的三维位置。

与相位测量原理不同的是，相位差技术只需要测量两个变形图案之间的相位差，而不需要对每个图案单独进行分析。

7. 时序加权汇聚技术时序加权汇聚技术是利用不同时间点的测量结果进行加权平均，以获得更准确的三维坐标。

该方法需要在不同的时间点对同一物体进行多次测量，并对每次测量的结果进行加权平均。

光学测量技术在三维建模中的应用光学测量技术近年来在三维建模中的应用越来越广泛。

该技术基于光的传播和反射原理，通过使用专业的仪器和设备，可以精确地测量和记录物体的几何形状和表面特征。

本文将探讨光学测量技术在三维建模中的应用，并分析其优势和潜在挑战。

首先，光学测量技术在三维建模中的主要应用之一是数字化现实（VR）和增强现实（AR）技术。

通过使用激光扫描仪或结构光相机等设备，可以快速、准确地捕捉现实世界中的物体形状和结构。

这些扫描数据可以用于创建逼真的虚拟现实环境或与真实世界进行交互的增强现实应用。

例如，建筑师可以使用光学测量技术来捕获建筑现场的具体尺寸和高度，然后在计算机中生成精确的三维模型，以便进行室内外设计和可视化效果展示。

其次，光学测量技术在制造和工程领域中也得到了广泛应用。

通过使用精确的光学测量设备，工程师可以快速获取并分析物体表面的形状、尺寸和纹理等信息。

这对于产品设计、质量控制和流程优化非常重要。

例如，在汽车制造中，光学测量技术可以被用于检测车身零件的几何形状是否符合设计要求，以及表面是否存在缺陷或磨损。

这有助于提高产品质量，并减少制造过程中的错误和浪费。

此外，光学测量技术还在文化遗产保护、地质勘探和医学影像等领域展现出巨大潜力。

在文化遗产保护方面，光学测量技术可以帮助记录和分析古建筑、艺术品和文物的形状和结构，以及监测其损坏和老化程度。

在地质勘探中，光学测量技术可以应用于地质构造的三维建模和地质灾害的预警。

在医学影像领域，光学测量技术可以被用于创建精确的牙齿和骨骼结构三维模型，以辅助口腔和骨科手术的规划和操作。

然而，光学测量技术在三维建模中的应用也面临一些挑战。

首先，对于复杂的物体表面，如光反射率不均匀的金属或玻璃材料，光学测量技术可能无法提供准确的结果。

其次，光学测量技术在测量过程中对环境条件的要求比较高，如光线的均匀和稳定性。

这意味着在一些特殊场景下，如室外或强光照射环境下，测量结果可能会受到干扰或影响。