三維測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢演示文稿

三維測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢演示文稿當(dāng)前第1頁\共有36頁\編于星期日\17點優(yōu)選三維測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢當(dāng)前第2頁\共有36頁\編于星期日\17點引入如何獲取這些物體的三維信息呢？這就涉及到三維測量技術(shù)。隨著科技的反展，各種技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并且在很多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。當(dāng)前第3頁\共有36頁\編于星期日\17點三維測量技術(shù)的分類接觸式測量非接觸式測量坐標(biāo)測量機(jī)光學(xué)方法非光學(xué)方法主動式被動式激光掃描法激光測距法相位測量法數(shù)字全息法單目視覺法CT、STM、AFM雙目視覺法當(dāng)前第4頁\共有36頁\編于星期日\17點應(yīng)用領(lǐng)域計算機(jī)輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM)（如服裝設(shè)計、工業(yè)檢測等）逆向工程（RE）快速原型（RP）及虛擬現(xiàn)實（VR）(如自動導(dǎo)航，計算三維動畫模擬等）醫(yī)學(xué)（CT、MRI等）當(dāng)前第5頁\共有36頁\編于星期日\17點坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）坐標(biāo)測量機(jī)是一種幾何量測量儀器，它的基本原理是將被測零件放入它允許的測量空間，精密地測出被測元素上測量點的X、Y、Z三個坐標(biāo)值，根據(jù)這些點的數(shù)值經(jīng)過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理，擬合成相關(guān)幾何元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算得出形狀、位置公差及其它幾何量數(shù)據(jù)。它以精密機(jī)械為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用了電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。當(dāng)前第6頁\共有36頁\編于星期日\17點坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）當(dāng)前第7頁\共有36頁\編于星期日\17點坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）德國Klocke公司的3D-Nanofinger是一款集納米級三維坐標(biāo)測量與表面形貌測量為一體的綜合測量設(shè)備1．測量范圍：（可選）

X=10,20,30或50mm；

Y=10,20,30或50mm

Z=10或20mm

2．移動分辨率：1nm

3．移動速度：最快達(dá)到2mm/s

４.探針分辨率：0.5nm當(dāng)前第8頁\共有36頁\編于星期日\17點激光掃描法近年來隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光三角形法（Laser-basedtriangulation）逐漸得到廣泛應(yīng)用。它所采用的光源主要有點結(jié)構(gòu)、線結(jié)構(gòu)和雙線結(jié)構(gòu)。它的基本原理是光學(xué)三角形原理。當(dāng)前第9頁\共有36頁\編于星期日\17點激光三維掃描儀其工作原理是使用激光三角測距原理，通過光源孔發(fā)射出一束水平的激光束來掃描物體。該激光線經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平面鏡的作用，改變角度，使得激光線發(fā)射到物體表面。物體表面反射激光束，每一條激光線都通過CCD傳感器采集成一幀數(shù)據(jù)。根據(jù)物體表面不同的形狀，每條激光線反射回來的信息中所包含表面形狀和顏色數(shù)據(jù)。當(dāng)前第10頁\共有36頁\編于星期日\17點激光三維掃描儀主要用途：工業(yè)設(shè)計中采集轉(zhuǎn)換研究設(shè)計之物件的CAD

?逆向工程：為原始部件實體，建立三維CAD數(shù)據(jù)；

?用于計算機(jī)輔助工程設(shè)計分析的三維形狀捕捉獲?。–AE和FEA）；

?醫(yī)療應(yīng)用：醫(yī)學(xué)外科規(guī)劃（上頷面，牙齒等整形外科）矯正和修補(bǔ)術(shù)，塑料外科術(shù)運用，醫(yī)學(xué)人體測量；

?數(shù)字化檔案：博物館，人工制品和古文物記錄考古學(xué)，人類學(xué)研究；

?在線質(zhì)量控制檢查，用于生產(chǎn)線上產(chǎn)品的質(zhì)量控制（例如CAI，CAT）；

?樣品檢查；工具和模具檢查。當(dāng)前第11頁\共有36頁\編于星期日\17點激光測距法基本原理是直接測量光束的傳播時間。在測量時，目標(biāo)脈沖經(jīng)反射回到接收探測器，參考脈沖經(jīng)光導(dǎo)纖維被探測器接收。這兩個脈沖的時間差轉(zhuǎn)換成距離。也稱時間飛行法當(dāng)前第12頁\共有36頁\編于星期日\17點自動掃描激光測距儀主要技術(shù)指標(biāo)：

1、激光器：波長620nm~690nm

出射功率：≤1mW

2、工作距離：0~50m

3、自動掃描范圍：±6°~±90°

4、測距精度：±5mm當(dāng)前第13頁\共有36頁\編于星期日\17點相位測量法（PMP）當(dāng)前第14頁\共有36頁\編于星期日\17點相位測量法（PMP）傅立葉變換法當(dāng)前第15頁\共有36頁\編于星期日\17點相位測量法（PMP）當(dāng)前第16頁\共有36頁\編于星期日\17點相位測量法（PMP）當(dāng)前第17頁\共有36頁\編于星期日\17點相移干涉測量術(shù)tInterferograms當(dāng)前第18頁\共有36頁\編于星期日\17點相移干涉測量術(shù)當(dāng)前第19頁\共有36頁\編于星期日\17點相移干涉測量術(shù)當(dāng)前第20頁\共有36頁\編于星期日\17點數(shù)字全息法基本過程為：采用激光照射待測樣品產(chǎn)生全息圖，利用CCD記錄全息圖并以數(shù)字方式存入計算機(jī)，然后在計算機(jī)內(nèi)模擬全息圖的再現(xiàn)過程得到以層析方式顯示的三維物場，進(jìn)而對三維物場進(jìn)行定量分析、測量和三維重構(gòu)。當(dāng)前第21頁\共有36頁\編于星期日\17點數(shù)字全息法CCDPZTBS1BS2BS3ObjectM1M2M3LPCLaser當(dāng)前第22頁\共有36頁\編于星期日\17點數(shù)字全息法昆蟲翅膀的再現(xiàn)像記錄的數(shù)字全息圖當(dāng)前第23頁\共有36頁\編于星期日\17點單目視覺法單目視覺法采用攝像機(jī)得到三維景物在光敏探測器上的二維透視圖像，主要包括聚焦法和離焦法。離焦法原理圖當(dāng)前第24頁\共有36頁\編于星期日\17點雙目視覺法立體視覺的研究主要由以下三部分組成：*攝像機(jī)模型的建立和標(biāo)定*立體匹配*三維重建

當(dāng)前第25頁\共有36頁\編于星期日\17點雙目視覺法Pp1O1C1p2C2O2ZXYOu2v2u1v1基本原理如圖所示，P為空間任意一點，p1、p2分別為P點在攝像機(jī)C1、C2上的成像點，通過立體視覺計算即可由像點p1、p2的坐標(biāo)(ui,vi)(i=1,2)重建點P的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)。在這個重建的過程中，要解決圖像特征點的提取與匹配、攝像機(jī)標(biāo)定和三維重建三個基本問題。

當(dāng)前第26頁\共有36頁\編于星期日\17點1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛·賓尼（G．Binning）和?！ち_雷爾（H．Rohrer）研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnellingMicro－scoPe，簡稱STM）．STM使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一．為表彰STM的發(fā)明者們對科學(xué)研究所作出的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎金．掃描隧道顯微鏡（STM)當(dāng)前第27頁\共有36頁\編于星期日\17點掃描隧道顯微鏡（STM)當(dāng)前第28頁\共有36頁\編于星期日\17點掃描隧道顯微鏡（STM)

掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理，通過探測固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。當(dāng)前第29頁\共有36頁\編于星期日\17點掃描隧道顯微鏡（STM)根據(jù)量子力學(xué)原理，由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內(nèi)，電子云密度并不是在表面邊界處突變?yōu)榱恪Ｔ诮饘俦砻嬉酝猓娮釉泼芏瘸手笖?shù)衰減，衰減長度約為1nm。用一個極細(xì)的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(zhì)(稱為樣品)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品表面與針尖非?？拷?距離＜1nm)時，兩者的電子云略有重疊，如圖所示。若在兩極間加上電壓U，在電場作用下，電子就會穿過兩個電極之間的勢壘，通過電子云的狹窄通道流動，從一極流向另一極，形成隧道電流I。當(dāng)前第30頁\共有36頁\編于星期日\17點掃描隧道顯微鏡（STM)兩種工作方式

當(dāng)前第31頁\共有36頁\編于星期日\17點掃描隧道顯微鏡（STM)高序熱解石墨的結(jié)構(gòu)圖像當(dāng)前第32頁\共有36頁\編于星期日\17點掃描隧道顯微鏡（STM)當(dāng)前第33頁\共有36頁\編于星期日\17點掃描隧道顯微鏡（STM)這是中國科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖當(dāng)前第34頁\共有36頁\編于星期日\17點原子力顯微鏡（AFM）AFM的基本結(jié)構(gòu)與STM相似,差別在于并非利用電子隧道效應(yīng)，而是利用原子之間的范德華力（VanDerWaalsForce）作用來呈現(xiàn)樣品的表面特性。當(dāng)前第35頁\共有36頁\編于星期日\17點原子力顯微鏡（AFM）在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，是利用微小探針與待測物之間交互作用力，來呈現(xiàn)待測物的表面之物理特性。所以在原子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出兩種操作模式：

（1）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接觸式原子力顯微鏡（contactAFM），