1。2光学三维测量技术简介

现阶段的光学三维测量技术分为被动式三维传感和主动式的三维传感。被动式的三维传感采用的是非结构光照明的方式，从一个或多个摄像系统获取的二维图像中确定距离信息,形成三维面形数据。被动式三维传感虽然由于系统简单，数据的采集比较的快，但由于其测量精度太低，计算量也较大，故不太适合精密计算。而主动式的三维传感是利用结构光照明方式。其主要的方法原理是因为由于三维面形能对结构光场的空间或时间进行调制,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。因此，大部分的测量物体三维面型的技术都会选择主动式的三维传感。

1。3  光学主动三维测量的一些常用方法

1。3。1  激光三角测量法

光学三角法的原理可用如下的图1。1来表示。当脉冲光束沿着a方向入射到物体表面a1处，反射的点将由透镜成像在像平面x1处，此时当物体形状发生改变或者移动时，脉冲光束就会入射到物体表面a2处，此时反射点就会成像于像平面x2处，如果在像平面沿x方向放置一个位置检测的CCD，便可以得到Δx，从而得到出a1a2之间的距离。大多数的三维面形测量仪器都是从三角测量原理中延申得到，图1。1所示的只是一种最简单的情况。另外的，其他相似的的方法，也都是最终归结于三角测量法。这些方法所做的不同，只是对所求的三角参数的选择会有所不同。

图1。1三角测量法原理图

1。3。2  飞行时间法

飞行时间法TOF( time of flight)[5]的原理是基于测量所选的激光或其它光源脉冲光束的飞行时间来进行测量。在测量的过程中，一个脉冲信号从发射器中发出，经过物体表面漫反射后被接受传感器接受，通过检测光脉冲从发出到接收的时间，就可以判断出两者之间的距离。然后通过对被测量物体的整个外部形态逐步进行一个扫描再通过数据处理可以得到物体三维原始外貌。这种方法的原理很简单，测量距离的速度比较高，又可避免阴影问题。现在这种方法的测量精度已经达到微米级，但缺点是对于信号处理系统的时间分辨率会较高。为了提高测量的精度，测量者往往会去采用单一频率调制的激光束，同时可以通过相位调制的方法，然后比较发射光束和接收光束之间的相位差距，通过公式计算出接受器与目标之间的距离。

1。3。3  莫尔轮廓术(Moire Topography)

根据定义，具有某种的分布规律的两组栅线(条纹)叠加在一起会产生规则或不规则的花纹，这就是莫尔条纹，又可以称为莫尔等高线法[6]。这种方法是一种非接触式的三维测量方法，于1970年由 H。Taksaki 首次提出。由莫尔轮廓术来得到莫尔条纹的方法是这样的：一个基准的光栅和投影到三维物体表面上由于物体高度信息的调制而使栅线发生畸变的变形光栅来叠合形成莫尔条纹，该条纹可以描绘出被测物体的等高线，然后再根据莫尔条纹的分布规律可以得到被测物体的表面形貌。同时，从这个基本原理出发，莫尔轮廓术还可以分为阴影莫尔法，投影莫尔法，扫描莫尔法等。

（1）阴影莫尔法

在被测物体的上方放置基准光栅，用平行光去照射，就会得到因为物体表面面型不同而产生的变形阴影光栅，此时如果再从另外一个角度通过光栅去看物体，基准光栅和因为物体表面变形的莫尔光栅就会产生莫尔条纹。通过数学公式的换算，就可以知道等高线的位置，继而知道被测物体三维形状。

这种方法可以很方便的观察到被测物体表面的等高线分布，但是其也受到物体尺寸的限制，因为物体越大，所需要的基准光栅就越大。而且为了提高测量的精度，就需要减小基准光栅的栅距。但是为了制造出阴影的一个效果，就需要光栅间距不能太小，因为间距越小，光的衍射现象就越明显。所以一般情况下需要我们的基准光栅距离物体比较近，这样的话也就会去影响测量的深度。