汽車車身和內裝件、移動電話及8mm攝像機等產品都具有各自的代表性形狀，且都是以人的高度視覺和手的微妙觸覺相配合能給人們以良好感覺的形狀。這類形狀複雜的精巧產品一般都是以按照圖案設計創成的實體模型為基礎，再通過模具的成形加工製成的，所以加工這類產品的模具加工表面必須具有很高的形狀精度。欲達到此目標，必須具備能對模具加工面形狀實施高精度測量，並迅速作出評價的測量技術。

到目前為止，作為測量形狀的傳感器主要是使用接觸式測頭。但因在接觸時的接觸壓力會使測頭和被測物變形，以及測頭尖端有一大球，所以需對測頭的直徑進行補償。此外，用測頭測量物體時因它與被測物之間會發生摩擦，所以不能實施高速測量。為解決上述各種問題，開發了利用光的非接觸式形狀測量技術。

對應用光進行形狀測量技術的要求是不受被測面傾斜角和邊緣的影響，不僅可對包含擴散反射面鏡面反射光成分的金屬面作高精度的3維形狀測量，還可以用極細微的抽樣間隔，高速度地處理大量的測量數據（即高密度測量）的先進的非接觸式3維形狀測量技術。

本文將首先對非接觸式3維形狀測量技術的現狀和存在問題，以及最近的發展趨向作一介紹，然後介紹幾則用非接觸式測量形狀傳感器測量模具加工面形狀的實例。

3維形狀測量技術的現狀和存在問題

按基本原理的分類和對比

通常利用光的非接觸式3維形狀測量法大致上可分為被動法和主動法兩類。具有代表性的被動法是以用電視攝像機所攝取的物體圖像作信息處理為基本原理的微分兩眼目視法。這種方法只適用於對物體進行識別和作大致上的形狀測量，不適用於作高精度和高密度測量。能動法是用激光束和微縫光等進行照射，並充分地應用所獲得信息的方法。

具有代表性的能動法有三角測量法、焦點位置重合法、同軸線形變位法、等高線莫爾條紋測量法、調制光柵相位法和光纖式反射光量法等。圖1中列舉了各種測量方法的原理、基本性能和主要特點。

(a)	三角測量法	焦點位置重合法	同軸線形變位法
(b)
(c)	0.2～500, 0.5～1,500, 0.0005＜	0.2～2.0, 0.2～10, 0.5＜	1～20, 2～500, 0.03＜
(d)	×邊緣部分，×傾斜面，△金屬面	×邊緣部分，○傾斜面，△金屬面	○邊緣部分，○傾斜面，△金屬面
(e)	△非線性大，×陰影效果好	○橫向分辨率高，△動作距離小	○線性△鏡面反射有影響
(a)	等高線莫爾條紋測量法	調制光柵相位法	光纖式反射光量法
(b)
(c)	1～200, 50～1,000, 0.005＜	1～100, 10～1,000, 0.005＜	3～6, 3, 0.03＜
(d)	△邊緣部分，△傾斜面，×金屬面	△邊緣部分，△傾斜面，×金屬面	△邊緣部分，○傾斜面，△金屬面
(e)	○同時多點測量，△條紋鮮明度	○同時多點測量△投影光柵精度	○同時測量傾斜和變位，△動作距離小
備註:	(a) 測量方法：一般測量方法的總稱。 (b) 測量原理：基本原理圖（特種裝置和附加的改進設施來繪出）。 (c) 基本性能：分別用以下各種符號表示。L2：測量範圍；σ：分辨率（μm）；T：測量時間（s/點）。 (d) 精度特性：邊緣部分、傾斜面（大於45°）和金屬面的測量精度下降狀況。用○表示不下降、△表示稍有下降、×表示明顯下降。 (e)主要特點：用○表示有利、△表示稍有下降、×表示不利。
圖1	主要的非接觸式3維形狀測量技術的原理和特點

把激光束作為觸針的光觸針法中具有代表性的實例是三角測量法。這種方法是在與投光部分（半導體激光）光軸呈θ角的某一位置處設置一檢出器，當光點位置作上下變動時，檢出器上的成像點也隨之發生變化。這樣，只要讀取成像點的位置即可求出被測物的變位狀況。這種測量方法存在的問題是因從斜向觀察測量點，所以被測物變位和光點檢測位置的關係要用雙曲線來表示，因而是非線性關係。如果檢出器上的光點是橢圓，那麼光點中心位置要受傾斜角的影響。特別是對45°傾斜面，由於一種陰影效果形成死角而無法進行測量。

焦點位置重合法是一種利用攝像機的自動調焦(AF)機構的方法。用分成4份的光電兩極管和圓筒形透鏡使成像點的強度差為0。也就是如圖1中所示的檢測出成像點呈圓形位置的非點像差法。這種方法的分辨率比其他任何方法都高，但需要設置用於追對應於焦點位置成像點的仿形伺服機構。這種方法存在的問題是要耗費較多的時間去探索焦點位置。

同軸線形變位法與三角測量法類似，但它在限定的測量區堿中不受死角和傾斜角的影響。此外還由於這種方法皂變位置與檢測量呈線性關係（感度恆定），所以可以對體積較大的複雜形狀工件進行高精度測量。

等高線莫爾條紋測量法與上面介紹的光觸針法不同。它是在物體表面的投影調制光柵和基準光柵之間生成稱為莫爾條紋的並用等高線條紋來測量物體形狀的方法。與此相類似的還有用調制光柵條紋相位直接求得物體形狀的調制光柵相位法。這兩種方法的優點是不用激光掃描，而是用CCD攝像機等裝置瞬間獲取必要數據，並貯存在記憶裝置中。它的不足之處是測量精度較低。

光纖式反射光量法是由用於照射光的投光光纖和用於接受反射光的感光光纖構成，並利用物體的變位與感光量的比例關係進行形狀測量。它的優點是光纖傳感器的重量輕和體積小，而感光度卻很強。它的缺點是因為採用反射光的方式，所以易受被測表面性質的影響。