三维测量技术发展现状及趋势.ppt

三维测量技术发展现状及趋势 引入 如何获取这些物体的三维信息呢 这就涉及到三维测量技术 随着科技的反展 各种技术不断涌现 并且在很多的领域得到应用 三维测量技术的分类 应用领域 计算机辅助设计与制造 CAD CAM 如服装设计 工业检测等 逆向工程 RE 快速原型 RP 及虚拟现实 VR 如自动导航 计算三维动画模拟等 医学 CT MRI等 坐标测量机 CMM 坐标测量机是一种几何量测量仪器 它的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间 精密地测出被测元素上测量点的X Y Z三个坐标值 根据这些点的数值经过计算机数据处理 拟合成相关几何元素 如圆 球 圆柱 圆锥 曲面等 经过数学计算得出形状 位置公差及其它几何量数据 它以精密机械为基础 综合应用了电子技术 计算机技术 光学技术和数控技术等先进技术 坐标测量机 CMM 坐标测量机 CMM 德国Klocke公司的3D Nanofinger是一款集纳米级三维坐标测量与表面形貌测量为一体的综合测量设备1 测量范围 可选 X 10 20 30或50mm Y 10 20 30或50mmZ 10或20mm2 移动分辨率 1nm3 移动速度 最快达到2mm s 探针分辨率 0 5nm 激光扫描法 近年来随着激光技术的发展 激光三角形法 Laser basedtriangulation 逐渐得到广泛应用 它所采用的光源主要有点结构 线结构和双线结构 它的基本原理是光学三角形原理 激光三维扫描仪 其工作原理是使用激光三角测距原理 通过光源孔发射出一束水平的激光束来扫描物体 该激光线经过旋转平面镜的作用 改变角度 使得激光线发射到物体表面 物体表面反射激光束 每一条激光线都通过CCD传感器采集成一帧数据 根据物体表面不同的形状 每条激光线反射回来的信息中所包含表面形状和颜色数据 激光三维扫描仪 主要用途 工业设计中采集转换研究设计之物件的CAD 逆向工程 为原始部件实体 建立三维CAD数据 用于计算机辅助工程设计分析的三维形状捕捉获取 CAE和FEA 医疗应用 医学外科规划 上颔面 牙齿等整形外科 矫正和修补术 塑料外科术运用 医学人体测量 数字化档案 博物馆 人工制品和古文物记录考古学 人类学研究 在线质量控制检查 用于生产线上产品的质量控制 例如CAI CAT 样品检查 工具和模具检查 激光测距法 基本原理是直接测量光束的传播时间 在测量时 目标脉冲经反射回到接收探测器 参考脉冲经光导纤维被探测器接收 这两个脉冲的时间差转换成距离 也称时间飞行法 自动扫描激光测距仪 主要技术指标 1 激光器 波长620nm 690nm出射功率 1mW2 工作距离 0 50m3 自动扫描范围 6 90 4 测距精度 5mm 相位测量法 PMP 相位测量法 PMP 傅立叶变换法 相位测量法 PMP 相位测量法 PMP 相移干涉测量术 t Interferograms 相移干涉测量术 相移干涉测量术 数字全息法 基本过程为 采用激光照射待测样品产生全息图 利用CCD记录全息图并以数字方式存入计算机 然后在计算机内模拟全息图的再现过程得到以层析方式显示的三维物场 进而对三维物场进行定量分析 测量和三维重构 数字全息法 数字全息法 昆虫翅膀的再现像 记录的数字全息图 单目视觉法 单目视觉法采用摄像机得到三维景物在光敏探测器上的二维透视图像 主要包括聚焦法和离焦法 离焦法原理图 双目视觉法 立体视觉的研究主要由以下三部分组成 摄像机模型的建立和标定 立体匹配 三维重建 双目视觉法 基本原理如图所示 P为空间任意一点 p1 p2分别为P点在摄像机C1 C2上的成像点 通过立体视觉计算即可由像点p1 p2的坐标 ui vi i 1 2 重建点P的三维坐标 X Y Z 在这个重建的过程中 要解决图像特征点的提取与匹配 摄像机标定和三维重建三个基本问题 1982年 IBM瑞士苏黎士实验室的葛 宾尼 G Binning 和海 罗雷尔 H Rohrer 研制出世界上第一台扫描隧道显微镜 ScanningTunnellingMicro scoPe 简称STM STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质 在表面科学 材料科学 生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景 被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一 为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献 1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金 扫描隧道显微镜 STM 扫描隧道显微镜 STM 扫描隧道显微镜 STM 扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理 通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置 扫描隧道显微镜 STM 根据量子力学原理 由于电子的隧道效应 金属中的电子并不完全局限于金属表面之内 电子云密度并不是在表面边界处突变为零 在金属表面以外 电子云密度呈指数衰减 衰减长度约为1nm 用一个极细的 只有原子线度的金属针尖作为探针 将它与被研究物质 称为样品 的表面作为两 个电极 当样品表面与针尖非常靠近 距离 1nm 时 两者的电子云略有重叠 如图所示 若在两极间加上电压U 在电场作用下 电子就会穿过两个电极之间的势垒 通过电子云的狭窄通道流动 从一极流向另一极 形成隧道电流I 扫描隧道显微镜 STM 两种工作方式 扫描隧道显微镜 STM 高序热解石墨的结构图像 扫描隧道显微镜 STM 扫描隧道显微镜 STM 这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图 原子力显微镜 AFM AFM的基本结构与STM相似 差别在于并非利用电子隧道效应 而是利用原子之间的范德华力 VanDerWaalsForce 作用来呈现样品的表面特性 原子力显微镜 AFM 在原子力显微镜的系统中 是利用微小探针与待测物之间交互作用力 来呈现待测物的表面之物理特性 所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式 1 利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜 contactAFM 探针与试片的距离约数个 2 利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜 non contactAFM 探针与试片的距离约数十到数百 小结 系统地介