设计了基于投影光刀的关节面三维轮廓旋转检测系统。采用摄像机针孔模型, 实现了检测系统的快速标定; 通过优化的重心算法, 提取出投影光刀的中心线, 获取了关节面的截面轮廓线; 通过分析投影光刀平面与转轴之间的夹角, 完成了截面轮廓线的倾斜校正, 实现了关节面三维轮廓数据的准确重建。结果表明, 该检测系统具有非接触、高精度等特点, 可有效解决股骨假体关节面的复杂轮廓检测问题。

Three-dimensional (3D) profile measurement is an indispensable process for assisting the manufacture of various optic, especially aspheric surfaces. This work presents the measurement error calibration of a 3D profile measurement system, namely PMI700. Measurement errors induced by measuring tool radius, alignment error and the temperature variation were analyzed through geometry analysis and simulation. A quantitative method for the compensation of tool radius and an alignment error compensation model based on the least square method were proposed to reduce the measurement error. To verify the feasibility of PMI700, a plane and a non-uniform hyperboloidal mirror were measured by PMI700 and interferometer, respectively. The data provided by two systems were high coincident. The direct subtractions of results from two systems indicate RMS deviations for both segments were less than 0.2l.

为了实现对复杂物体三维外形的快速测量目的, 首先设计了一套基于结构光的高速测量系统, 该系统主要由高速投影模块和图像采集模块组成; 然后采用一种基于绝对相位的编码和解码方法, 实现绝对相位的测量, 从而解决了复杂形体的三维测量过程中的二义性问题。最后, 对所给系统进行了三维测量的实验验证, 证明该系统精度可达到0.11mm, 实验结果表明系统的精度和速度适合高速三维测量。

本文针对传统投影光栅相位法的光学三角法模型进行了改进, 采用直入射光路并配合使用一种简便易行的标定方法, 只需使用相移公式求取相位差, 而不会引入与系统几何位置关系有关的量, 简化了求取高度矩阵的要求。实验结果表明, 新系统模型精度良好, 测量误差为0107 mm。采用该模型和标定方法可以克服传统方法系统模型的局限性, 最大限度减少误差源并提高抗干扰性。

针对传统去卷积算法时间需求的弊端, 提出一种新的使用颜色编码辅助的绝对相位并行计算方法。该算法采用对光栅数目需求最少的傅里叶变换轮廓术(FTP)做为卷积相位求取的方法; 颜色编码光栅被用来标识轮廓的序数。直接使用FTP计算出的卷积相位以及从彩色光栅中获得的轮廓序数, 即可方便求出当前像素的绝对相位值; 同时只用一副图像标识轮廓序数也比其他轮廓序数标识方法简单。本方法由于使用绝对相位计算方法, 局部相位误差不会扩展。实验结果也证明了此算法对于多个分离物体以及复杂物体的有效性。

传统光栅投影轮廓系统需要严格的几何尺寸约束，实际使用中难以构造，而且采用参考平面作为被测物体的相位测量基准，限制了系统的测量和应用范围。针对这些问题，提出了采用辅助参考线代替传统光栅轮廓系统中参考面的系统模型，给出了利用参考线将相对相位校正为绝对相位的公式，利用空间映射及优化求解算法实现了从绝对相位到被测物真实空间坐标的映射。设计了圆线形靶标，只采用一个平面靶标即可实现靶标点空间坐标、靶标相位以及参考线位置的采集，简化了标定过程。最后进行了测量实验，使用两幅图像完成了石膏头像三维数据的获取，通过测量平面靶标的平移和旋转的间距，验证了方法的测量精度，靶标平移间距的均方差为0.02 mm，旋转间距的均方差为0.03°。实验证明该测量方法速度快，系统搭建和标定方法简易，测量精度高，具有重要的应用价值。

在摄像机标定过程中，提取标定模板图像特征点的精度是影响摄像机内外参数标定精度的重要因素。本文根据条纹投影三维轮廓测量实验系统的要求制作了点阵列标定模板，在图像处理边缘理论的基础上，以圆的解析特性为依据，采用坐标转换思想，引进圆系描述点、圆对应关系，运用统计学理论，提出提取点阵列标定模板图像特征点的新方法，并通过实验验证了该方法的正确性和可行性。为下一步的摄像机内外参数求解做了铺垫。

本文提出一种新型的近似无衍射栅型结构光的概念与实现方法。该结构光具有焦深长、线宽细、在一定范围内光场分布稳定、光场光强不变等特点。文中采用精密三角截面棱镜组成的光学系统生成近似无衍射栅型线结构光，用惠更斯-菲涅尔原理及基尔霍夫衍射理论对该系统进行了理论分析和计算，并在无衍射范围内对近似无衍射栅型结构光的光场分布进行了数值仿真。文中对系统进行了实验对比及验证，结果表明，实验数据与理论计算及仿真结果基本一致。应用文中的系统参数，获得了条纹宽度为18 μm，焦深范围为570 cm 的近似无衍射栅型结构光，其条纹宽度及光场强度分布不随距离而变化。与传统的光源相比，近似无衍射栅型结构光在三维轮廓测量等应用中具有分辨率高、精度高等优势。