基于结构光的微小物体三维测量系统的设计及应用针对微小物体的三维轮廓测量是现代三维形貌测量的一个重要分支领域。

自从上世纪六十年代在国外被首次提出后,国内外研究学者经过几十年的不断研究和发展,与其相关的测量技术与测量设备也获得了高速发展,进入21世纪以后,其被广泛应用于缺陷检测、精密制造、虚拟现实(VR)、机器视觉、医疗工程、影音游戏、三维打印以及现代教育等众多领域。

但与国外现有的测量技术与设备相比较,国内目前还处在相对落后的局面。

因此,研制出测量精度高、测量速度快、微型化以及更加智能化的微小物体三维轮廓测量系统迫在眉睫。

根据上述情况,本文针对微小物体的三维轮廓测量从两个方向展开研究。

一方面,基于正弦光栅条纹投影和光学三角法的三维测量方法进行研究。

另一方面,着眼于以体视显微镜和双远心镜头为主体的硬件测量系统的设计与搭建。

具体研究内容如下:(1)针对微小物体的三维轮廓测量现有方法以及研究现状系统地调研。

对常规方法存在的问题进行归纳总结,明确了微小物体测量面临的困难与挑战。

本文将从硬件系统搭建以及算法实现两个方面进行研究改进。

(2)设计与搭建以体视显微镜和双远心镜头为主体的硬件测量系统。

因体视显微镜可实现物体的立体成像,可观察区域范围大;双远心镜头因分辨率高,低畸变,景深大,在成像时能最大限度还原物体的形状信息。

因此,测量系统采用体视显微镜和双远心镜头为主体结构设计并搭建了测量系统,结合基于光学三角原理的正弦光栅条纹投影三维测量方法,在经过系统标定后,能顺利获取被测物体的三维轮廓信息,测量系统的视场范围可达
1.8cm*1.6 cm。

(3)基于正弦光栅条纹投影和光学三角法的三维测量方法进行研究。

本文选用无损伤、精度高、速度快、易实现的正弦光栅条纹投影结合光学三角法对微小物体表面的三维轮廓进行测量,详细阐述了其测量原理,提出了一种基于质量图引导的相位解包裹改进算法——可靠路径跟踪算法,在满足测量精度要求下,提高了系统整体测量速度;针对系统标定,基于一般成像模型引入了摄像机标定与系统标定方法,深入阐述了摄像机标定和系统标定的方法理论,完成了测量系统的整体标定。

基于C++与MATLAB实现了相关算法。

进行了大量相关实验,验证了该测量方法的稳定性和有效性,实验结果表明
系统最高测量精度可达10μm。